Måling av 172 nm VUV-stråling fra xenon-eksimerlamper

Xenon-eksimerlamper avgir stråling i et smalt bånd i vakuum-UV rundt 172 nm. Måling av denne strålingen skiller seg grunnleggende fra klassisk UVA-, UVB- eller UVC-radiometri, fordi VUV blir sterkt absorbert over svært korte luftveier. Måleavstand, atmosfære, vindus- og detektormateriale samt kalibreringsgeometrien blir dermed en del av måleresultatet.

Denne siden beskriver hva som er annerledes ved 172 nm og hvordan en pålitelig måling settes opp. Tekniske data for instrumentene finnes på de respektive produktsidene.

Et foton ved 172 nm bærer omtrent 7,2 eV. Det er nok til å bryte C–C-, C–H- og C–O-bindinger direkte. Strålingen virker derfor umiddelbart på molekyler og ikke, som ved 254 nm, gjennom absorpsjon i nukleinsyrer: 172 nm er primært fotokjemisk, 254 nm primært fotobiologisk. Det er ikke behov for noen fotoinitiator.

Den andre karakteristiske egenskapen er den sterke absorpsjonen i luft. Molekylært oksygen absorberer så sterkt rundt 172 nm at en luftvei på bare noen få millimeter merkbart svekker strålingen; over lengre avstander når så godt som ingenting fram til målet. Den absorberte energien splitter oksygenmolekyler, slik at atomært oksygen og ozon dannes i strålebanen og virker kjemisk på egen hånd.

Det som fremstår som en hindring ved måling, er nettopp fordelen i prosessen: det er nettopp den korte rekkevidden og de reaktive forbindelsene som dannes i strålebanen, som gjør tørr finrengjøring og overflateaktivering mulig.

Figuren nedenfor sammenligner Xe₂*-kontinuumet med det målte linjespekteret til en lavtrykks kvikksølvlampe. Kontinuumet er en modell sentrert ved 172 nm med en halvverdibredde (FWHM) på 14 nm; spektraldatabasen inneholder ingen måling for selve VUV-området.

Eksitasjonen skjer i en dielektrisk barriereutladning (DBD): xenon ved et trykk nær atmosfærisk trykk befinner seg i en spalte på noen få millimeter mellom elektroder dekket med kvarts, glass eller keramikk, drevet med høyspenning i kilohertz-området. Utladningen er ikke et stabilt plasma, men et stort antall kortvarige mikroutladninger som varer fra noen få til flere hundre nanosekunder, og som raskt fyller gassvolumet. Dielektrikumet begrenser strømmen, avslutter hver mikroutladning av seg selv og forhindrer overgangen til en termisk lysbue – gassen forblir ved omgivelsestemperatur (Falkenstein, Ushio).

I gassen produserer elektronstøt først eksiterte xenonatomer. I en trekroppsreaksjon med to xenonatomer i grunntilstand danner disse eksimeren Xe₂*. Fordi denne dannelseskanalen er et trekroppssammenstøt, er det høye driftstrykket nær atmosfærisk trykk nødvendig i utgangspunktet.

Det avgjørende punktet er grunntilstanden til dimeren: den er repulsiv, eller bare svært svakt bundet, og derfor termisk ustabil. Molekylet dissosierer umiddelbart etter emisjon, slik at det ikke finnes noen absorbator for sin egen strålingen. Resultatet er et kontinuum rundt 172 nm, fritt for selvabsorpsjon, med en halvverdibredde på omtrent 14 nm (Fraunhofer IFAM, på tysk). Dette er nøyaktig der den skiller seg fra kvikksølvlampen, hvis resonanslinjer gjentatte ganger blir reabsorbert i plasmaet, og hvis utgangseffekt derfor avhenger av veggtemperaturen.

De praktiske egenskapene følger av denne fysikken: opptil 40 % av den elektriske effekten omdannes til brukbar VUV-stråling, strålingsfeltet er svært homogent, de bestrålte delene varmes nesten ikke opp, lampen kan slås på og av umiddelbart uten oppvarmingsfase, og den fungerer kvikksølvfri.

Eksitasjonsprinsippet er eldre enn kvikksølvdamplampen. I 1855 rapporterte Theodose du Moncel om en plan elektrodeoppstilling dekket med glass og adskilt av et lite gassgap; i 1857 beskrev Werner von Siemens den sylindriske ozongeneratoren med elektroder av tinnfolie og glass som dielektrikum – den dielektriske barriereutladningen i den formen som fremdeles er vanlig i dag (oversikt over historien til DBD).

Eksimeremisjon fra edelgasser ble først brukt i laserteknologi på 1970- og 1980-tallet. Først da Ulrich Kogelschatz og Baldur Eliasson etablerte DBD som en effektiv måte å eksitere inkoherente eksimerkilder på, oppsto eksimerlampen som en egen kilde. Industrielle 172 nm xenon-eksimerlamper kom på 1990-tallet og fant raskt veien inn i halvlederrensing og overflateaktivering.

Kronologien er bemerkelsesverdig: prinsippet stammer fra midten av det 19. århundre, mens industriell bruk som strålingskilde for overflateprosesser begynner rundt 140 år senere.

Den mest utbredte bruken er tørr finrensing av overflater: hydrokarboner splittes fotolytisk og oksideres til karbondioksid og vann av atomært oksygen og ozon som dannes i strålebanen – uten løsemidler og uten mekanisk påvirkning. Nært beslektet er overflateaktivering før liming, maling, trådbonding og belegging, inkludert aktivering av polymerer; dette utføres in-line eller som en batchprosess, i luft eller i en nitrogenatmosfære.

I halvleder- og elektronikkproduksjon brukes 172 nm-stråling til rensing av wafere og masker, til fjerning av fotoresist- og adsorbatrester og til å forbedre fukting; lignende oppgaver forekommer i produksjonen av presisjonsoptiske komponenter og i displayteknologi. Fotokjemisk kan lag også dannes ved lav temperatur, for eksempel SiOₓ-barrierelag fra polysilazaner. I vann- og avtreksluftbehandling brukes VUV-stråling til å generere OH-radikaler.

Alle bruksområder har til felles at de er avhengige av avstand og atmosfære. Fordi absorpsjon i luft begrenser den brukbare arbeidsavstanden til noen få millimeter, er prosessgeometri, spyling og bestrålingstid ikke rammebetingelser, men de faktiske prosessparameterne – og nettopp derfor må de også måles og dokumenteres.

Oksygen absorberer kraftig rundt 172 nm. En luftvei på bare noen millimeter demper allerede strålingen merkbart; over lengre avstander når nesten ingenting detektoren. Den absorberte energien dissosierer oksygenmolekyler, slik at ozon i tillegg dannes langs strålebanen, som igjen absorberer i UVC og endrer forholdene over tid.

Den praktiske konsekvensen: en 172 nm-måling er bare reproduserbar hvis avstanden og atmosfæren langs strålebanen er definert og dokumentert. Svært korte målingsavstander, nitrogenspyling eller et evakuert oppsett er vanlig. Ved 172 nm kan en avlesning uten angitt avstand og atmosfære ikke tolkes.

• Atmosfære i strålebanen. Luft, gjennomspylt nitrogen eller vakuum gir klart forskjellige avlesninger. Gjennomspylingsraten og restoksygenkonsentrasjonen skal føres i måleprotokollen.
• Måleavstand. På grunn av den sterke absorpsjonen har avstanden mye større betydning enn det den omvendte kvadratloven alene skulle tilsi. Avstanden må referere til det faktiske prosessplanet.
• Vindusmateriale. Vanlig smeltet kvarts absorberer allerede sterkt ved 172 nm. I stedet brukes materialer med tilstrekkelig VUV-transmisjon, som magnesiumfluorid eller kalsiumfluorid; høyrenset syntetisk smeltet kvarts kun ned til omtrent 160 nm.
• Detektor og aldring. Solblinde detektorer unngår kryss-sensitivitet for lengre bølgelengder. Vinduer og detektorer eldes under VUV-belastning, så korte rekalibreringsintervaller er tilrådelig.
• Forurensning. Organiske avleiringer på vinduer brytes ned spesielt effektivt i VUV-området, men frem til da endrer de transmisjonen. Rengjøringstilstand og driftstimer skal inngå i vurderingen.

For en pålitelig måling er hele veien fra kilde til detektor definert: avstand, atmosfære, blender, vindusmateriale og detektortype. Denne definisjonen er en del av målemetoden og må reproduseres for hver repetisjon, ellers er verdiene ikke sammenlignbare.

Metrologisk sporbarhet i VUV-området er mer krevende enn i UVA- eller UVC-området. Hvis en prosess skal basere seg på VUV-avlesninger, er en kontraktsmåling under definerte forhold i UV-laboratoriet tilrådelig; kalibrering og metrologisk sporbarhet beskrives av det akkrediterte kalibreringslaboratoriet.

For dosemåling ved xenon-eksimerkilder er tinyTracker 172 nm tilgjengelig; den registrerer stråleeksponeringen direkte i prosessplanet. For spektrale spørsmål utenfor VUV er SR900 egnet i laboratoriet, selv om den ikke dekker VUV-området rundt 172 nm.

Typiske bruksområder for 172 nm-bestråling og målingen av den er overflaterengjøring og aktivering, halvleder- og elektronikkproduksjon og produksjon av optiske presisjonskomponenter.

Dr.-Ing. Mark Paravia er administrerende direktør i Opsytec Dr. Gröbel GmbH i Ettlingen og leder det akkrediterte kalibreringslaboratoriet. Etter forskningen sin på pulserte xenon-eksimerutladninger ved Institute of Lighting Technology ved KIT, er fokuset hans i dag optisk strålingsmåling. Han er nestleder for DIN-standardiseringskomiteen FNL 7 «Optical radiation» og medlem av DVGWs prosjektgruppe for UV-desinfeksjon.