Pomiar promieniowania VUV 172 nm z lamp ekscymerowych ksenonowych

Lampy ekscymerowe ksenonowe emitują w wąskim paśmie promieniowania próżniowego UV w okolicach 172 nm. Pomiar tego promieniowania różni się zasadniczo od klasycznej radiometrii UVA, UVB czy UVC, ponieważ promieniowanie VUV jest silnie pochłaniane już na bardzo krótkich odcinkach powietrza. Odległość pomiarowa, atmosfera, materiał okienka i detektora oraz geometria wzorcowania stają się zatem częścią wyniku pomiaru.

Ta strona opisuje, co jest inne przy 172 nm i jak skonfigurować niezawodny pomiar. Dane techniczne przyrządów podane są na odpowiednich stronach produktów.

Foton o długości fali 172 nm ma energię ok. 7,2 eV. To wystarcza, aby bezpośrednio zerwać wiązania C–C, C–H i C–O. Promieniowanie działa więc na molekuły natychmiastowo, a nie – jak przy 254 nm – poprzez absorpcję w kwasach nukleinowych: 172 nm ma charakter przede wszystkim fotochemiczny, natomiast 254 nm przede wszystkim fotobiologiczny. Nie jest wymagany żaden fotoinicjator.

Drugą decydującą właściwością jest silna absorpcja w powietrzu. Tlen molekularny absorbuje w okolicy 172 nm tak silnie, że odcinek powietrza wynoszący jedynie kilka milimetrów zauważalnie osłabia promieniowanie; na większych odległościach do celu praktycznie nic nie dociera. Zaabsorbowana energia rozbija molekuły tlenu, dzięki czemu w ścieżce wiązki powstają tlen atomowy i ozon, które same działają chemicznie.

To, co w pomiarach jawi się jako przeszkoda, w procesie stanowi korzyść: właśnie krótki zasięg oraz reaktywne formy powstające w ścieżce wiązki umożliwiają suche czyszczenie precyzyjne i aktywację powierzchni.

Poniższy rysunek porównuje kontinuum Xe₂* ze zmierzonym widmem liniowym lampy rtęciowej niskoprężnej. Kontinuum jest modelem wyśrodkowanym na 172 nm o szerokości połówkowej (FWHM) 14 nm; baza danych widmowych nie zawiera pomiaru dla samego zakresu VUV.

Wzbudzenie zachodzi w wyładowaniu barierowym dielektrycznym (DBD): ksenon pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego znajduje się w szczelinie o szerokości kilku milimetrów między elektrodami pokrytymi kwarcem, szkłem lub ceramiką, zasilanymi wysokim napięciem o częstotliwości rzędu kiloherców. Wyładowanie nie jest stabilną plazmą, lecz dużą liczbą krótkotrwałych mikrowyładowań trwających od kilku do kilkuset nanosekund, które szybko wypełniają objętość gazu. Dielektryk ogranicza prąd, samoczynnie kończy każde mikrowyładowanie i zapobiega przejściu w łuk termiczny – gaz pozostaje w temperaturze otoczenia (Falkenstein, Ushio).

W gazie zderzenia elektronów najpierw wytwarzają wzbudzone atomy ksenonu. W reakcji trójciałowej z dwoma atomami ksenonu w stanie podstawowym powstaje z nich ekscimer Xe₂*. Ponieważ ten kanał tworzenia jest zderzeniem trójciałowym, wysokie ciśnienie robocze bliskie atmosferycznemu jest w ogóle niezbędne.

Decydujące znaczenie ma stan podstawowy dimeru: jest on repulsywny lub jedynie bardzo słabo związany, a przez to termicznie niestabilny. Cząsteczka dysocjuje natychmiast po emisji, dzięki czemu nie istnieje absorber dla jej własnego promieniowania. Wynikiem jest kontinuum wokół 172 nm, wolne od samoabsorpcji, o szerokości połówkowej (FWHM) wynoszącej około 14 nm (Fraunhofer IFAM, w języku niemieckim). Właśnie w tym punkcie różni się ono od lampy rtęciowej, której linie rezonansowe są wielokrotnie reabsorbowane w plazmie, a jej moc wyjściowa zależy przez to od temperatury ścianki.

Z tej fizyki wynikają praktyczne właściwości: do 40 % mocy elektrycznej jest przekształcane w użyteczne promieniowanie VUV, pole promieniowania jest bardzo jednorodne, napromieniowane elementy niemal się nie nagrzewają, lampę można włączać i wyłączać natychmiast, bez fazy nagrzewania, a jej działanie jest bezrtęciowe.

Zasada wzbudzania jest starsza niż lampa rtęciowa. W 1855 roku Theodose du Moncel opisał płaski układ elektrod pokrytych szkłem i rozdzielonych niewielką szczeliną gazową; w 1857 roku Werner von Siemens przedstawił cylindryczny generator ozonu z elektrodami z folii cynowej i szkłem jako dielektrykiem – wyładowanie barierowe (DBD) w postaci powszechnej do dziś (przegląd historii DBD).

Emisja ekscymerowa gazów szlachetnych była początkowo wykorzystywana w technice laserowej w latach 1970. i 1980. Dopiero gdy Ulrich Kogelschatz i Baldur Eliasson ustanowili DBD wydajnym sposobem wzbudzania niekoherentnych źródeł ekscymerowych, lampa ekscymerowa stała się samodzielnym źródłem promieniowania. Przemysłowe lampy ekscymerowe ksenonowe 172 nm pojawiły się w latach 1990. i szybko znalazły zastosowanie w czyszczeniu półprzewodników oraz aktywacji powierzchni.

Chronologia jest godna uwagi: zasada pochodzi z połowy 19. wieku, natomiast przemysłowe zastosowanie jako źródła promieniowania w procesach powierzchniowych rozpoczyna się około 140 lat później.

Najbardziej rozpowszechnionym zastosowaniem jest sucha, precyzyjna czystość powierzchni: węglowodory ulegają rozszczepieniu fotolitycznemu i utlenieniu do dwutlenku węgla i wody przez atomowy tlen i ozon powstające w torze wiązki – bez rozpuszczalników i bez oddziaływania mechanicznego. Bezpośrednio z tym związana jest aktywacja powierzchni przed klejeniem, malowaniem, bondowaniem drutowym i powlekaniem, w tym aktywacja polimerów; proces przeprowadza się w linii lub jako proces wsadowy, w powietrzu lub w atmosferze azotu.

W produkcji półprzewodników i elektroniki promieniowanie 172 nm jest wykorzystywane do czyszczenia płytek krzemowych i masek, do usuwania pozostałości fotorezystu i adsorbatów oraz do poprawy zwilżalności; podobne zadania pojawiają się przy produkcji precyzyjnych elementów optycznych oraz w technologii wyświetlaczy. Fotochemicznie można również tworzyć warstwy w niskiej temperaturze, na przykład warstwy barierowe SiOₓ z polisilazanów. W uzdatnianiu wody i oczyszczaniu powietrza wywiewanego promieniowanie VUV wykorzystuje się do generowania rodników OH.

Wszystkie zastosowania łączy zależność od odległości i atmosfery. Ponieważ absorpcja w powietrzu ogranicza użyteczną odległość roboczą do kilku milimetrów, geometria procesu, przedmuchiwanie i czas napromieniowania nie są warunkami brzegowymi, lecz rzeczywistymi parametrami procesu – i właśnie dlatego muszą być również mierzone i dokumentowane.

Tlen silnie absorbuje promieniowanie w zakresie ok. 172 nm. Już droga powietrza wynosząca kilka milimetrów wyraźnie osłabia promieniowanie; przy większych odległościach do detektora praktycznie nic nie dociera. Zaabsorbowana energia powoduje dysocjację molekuł tlenu, w związku z czym wzdłuż drogi wiązki dodatkowo tworzy się ozon, który z kolei absorbuje w zakresie UVC i z czasem zmienia warunki pomiaru.

Praktyczna konsekwencja: pomiar przy 172 nm jest powtarzalny tylko wtedy, gdy odległość i atmosfera wzdłuż drogi wiązki są zdefiniowane i udokumentowane. Powszechnie stosuje się bardzo krótkie odległości pomiarowe, przepłukiwanie azotem lub układ w warunkach próżni. Przy 172 nm odczyt bez podanej odległości i atmosfery nie może zostać poddany interpretacji.

• Atmosfera na drodze wiązki. Powietrze, przepłukiwany azot lub próżnia prowadzą do wyraźnie różnych odczytów. Szybkość przepłukiwania i szczątkowe stężenie tlenu należą do protokołu pomiarowego.
• Odległość pomiarowa. Ze względu na silną absorpcję odległość ma znacznie większe znaczenie, niż sugerowałoby samo prawo odwrotności kwadratu odległości. Odległość musi odnosić się do rzeczywistej płaszczyzny procesu.
• Materiał okna. Zwykłe szkło kwarcowe topione już przy 172 nm silnie absorbuje. Zamiast tego stosuje się materiały o wystarczającej transmisji VUV, takie jak fluorek magnezu lub fluorek wapnia; wysokiej czystości syntetyczne szkło kwarcowe topione tylko do około 160 nm.
• Detektor i starzenie. Detektory ślepe na promieniowanie słoneczne (solar-blind) unikają czułości krzyżowej na dłuższe długości fali. Okna i detektory starzeją się pod wpływem obciążenia VUV, dlatego zalecane są krótkie odstępy między ponownymi wzorcowaniami.
• Zanieczyszczenie. Osady organiczne na oknach są szczególnie skutecznie rozkładane w zakresie VUV, ale do tego czasu zmieniają transmisję. Stan czystości i liczba godzin pracy należą do oceny.

Aby uzyskać wiarygodny pomiar, definiuje się całą ścieżkę od źródła do detektora: odległość, atmosferę, apertury, materiał okna i typ detektora. Definicja ta jest częścią procedury pomiarowej i musi być odtwarzana przy każdym powtórzeniu, w przeciwnym razie wartości nie są porównywalne.

Spójność pomiarowa w zakresie VUV jest bardziej wymagająca niż w zakresie UVA lub UVC. Jeśli proces ma opierać się na odczytach VUV, zaleca się wykonanie pomiaru kontraktowego w określonych warunkach w laboratorium UV; wzorcowanie i spójność pomiarowa są opisane przez akredytowane laboratorium wzorcujące.

Do pomiaru dawki w źródłach ekscymerowych ksenonowych dostępny jest tinyTracker 172 nm; rejestruje on napromienienie bezpośrednio w płaszczyźnie procesu. W przypadku zagadnień widmowych poza zakresem VUV w laboratorium odpowiedni jest SR900, choć nie obejmuje on zakresu VUV wokół 172 nm.

Typowymi obszarami zastosowania napromieniowania 172 nm i jego pomiaru są czyszczenie i aktywacja powierzchni, produkcja półprzewodników i elektroniki oraz produkcja precyzyjnych elementów optycznych.

Dr inż. Mark Paravia jest dyrektorem zarządzającym Opsytec Dr. Gröbel GmbH w Ettlingen i kieruje akredytowanym laboratorium wzorcującym. Po prowadzeniu badań nad pulsacyjnymi wyładowaniami ekscymerowymi w ksenonie w Instytucie Techniki Świetlnej (Institute of Lighting Technology) na KIT, jego głównym obszarem zainteresowań jest dziś pomiar promieniowania optycznego. Jest wiceprzewodniczącym komitetu normalizacyjnego DIN FNL 7 „Promieniowanie optyczne" oraz członkiem grupy projektowej DVGW ds. dezynfekcji UV.