Mätning av 172 nm VUV-strålning från xenonexcimerlampor

Xenonexcimerlampor emitterar i ett smalt band i vakuum-UV vid cirka 172 nm. Mätning av denna strålning skiljer sig grundläggande från klassisk UVA-, UVB- eller UVC-radiometri, eftersom VUV absorberas starkt över mycket korta luftsträckor. Mätavstånd, atmosfär, fönster- och detektormaterial samt kalibreringsgeometrin blir därför en del av mätresultatet.

Den här sidan beskriver vad som är annorlunda vid 172 nm och hur en tillförlitlig mätning ställs in. Teknisk data för instrumenten finns på respektive produktsida.

En foton vid 172 nm bär cirka 7,2 eV. Det räcker för att direkt bryta C–C-, C–H- och C–O-bindningar. Strålningen verkar därför omedelbart på molekyler och inte, som vid 254 nm, genom absorption i nukleinsyror: 172 nm är i första hand fotokemisk, 254 nm i första hand fotobiologisk. Ingen fotoinitiator krävs.

Den andra utmärkande egenskapen är den starka absorptionen i luft. Molekylärt syre absorberar så starkt kring 172 nm att en luftväg på bara några millimeter märkbart dämpar strålningen; över längre avstånd når praktiskt taget ingenting målet. Den absorberade energin klyver syremolekyler, så att atomärt syre och ozon bildas i strålgången och verkar kemiskt i egen rätt.

Det som framstår som ett hinder vid mätning är fördelen i processen: det är just den korta räckvidden och de reaktiva specier som bildas i strålgången som möjliggör torr finrengöring och ytaktivering.

Figuren nedan jämför Xe₂*-kontinuumet med det uppmätta linjespektrumet från en lågtryckskvicksilverlampa. Kontinuumet är en modell centrerad vid 172 nm med en halvvärdesbredd (FWHM) på 14 nm; spektraldatabasen innehåller ingen mätning för själva VUV-området.

Excitationen sker i en dielektrisk barriärurladdning (DBD): xenon vid ett tryck nära atmosfärtryck sitter i ett gap på några millimeter mellan elektroder täckta med kvarts, glas eller keramik, som drivs med högspänning i kilohertzområdet. Urladdningen är inte ett stabilt plasma utan ett stort antal kortlivade mikrourladdningar som varar från några till några hundra nanosekunder och som snabbt fyller gasvolymen. Dielektrikumet begränsar strömmen, avslutar varje mikrourladdning av sig själv och förhindrar övergången till en termisk ljusbåge – gasen förblir vid omgivningstemperatur (Falkenstein, Ushio).

I gasen producerar elektronstöt först exciterade xenonatomer. I en trekroppsreaktion med två xenonatomer i grundtillstånd bildar dessa excimeren Xe₂*. Eftersom denna bildningskanal är en trekroppskollision krävs det höga drifttrycket nära atmosfärtryck över huvud taget.

Den avgörande punkten är dimerens grundtillstånd: det är repulsivt, eller endast mycket svagt bundet, och därför termiskt instabilt. Molekylen dissocierar omedelbart efter emission, så det finns ingen absorbent för dess egen strålning. Resultatet är ett kontinuum kring 172 nm, fritt från självabsorption, med en halvvärdesbredd (FWHM) på cirka 14 nm (Fraunhofer IFAM, på tyska). Det är just här den skiljer sig från kvicksilverlampan, vars resonanslinjer upprepade gånger absorberas på nytt i plasmat och vars utstrålning därför beror på väggtemperaturen.

De praktiska egenskaperna följer av denna fysik: upp till 40 % av den elektriska effekten omvandlas till användbar VUV-strålning, strålningsfältet är mycket homogent, de bestrålade delarna värms knappt upp, lampan kan slås på och av omedelbart utan uppvärmningsfas, och den drivs kvicksilverfritt.

Excitationsprincipen är äldre än kvicksilverånglampan. År 1855 rapporterade Theodose du Moncel om en plan elektrodanordning täckt med glas och åtskild av ett litet gasgap; 1857 beskrev Werner von Siemens den cylindriska ozongeneratorn med elektroder av tennfolie och glas som dielektrikum – den dielektriska barriärurladdningen i den form som fortfarande är vanlig i dag (översikt över DBD:ns historia).

Excimeremission från ädelgaser användes till en början inom lasertekniken på 1970- och 1980-talen. Först när Ulrich Kogelschatz och Baldur Eliasson etablerade DBD som ett effektivt sätt att excitera inkoherenta excimerkällor uppstod excimerlampan som en egen källa. Industriella xenonexcimerlampor med 172 nm dök upp på 1990-talet och fann snabbt vägen till halvledarrengöring och ytaktivering.

Kronologin är anmärkningsvärd: principen härrör från mitten av det 19:e århundradet, medan den industriella användningen som strålningskälla för ytprocesser börjar cirka 140 år senare.

Den mest utbredda användningen är torr finrengöring av ytor: kolväten klyvs fotolytiskt och oxideras till koldioxid och vatten av det atomära syret och ozonet som bildas i strålgången – utan lösningsmedel och utan mekanisk påverkan. Direkt relaterat är ytaktivering före limning, målning, trådbondning och beläggning, inklusive aktivering av polymerer; den utförs in-line eller som satsprocess, i luft eller i kvävgasatmosfär.

Inom halvledar- och elektroniktillverkning används 172 nm-strålning för rengöring av wafers och masker, för att avlägsna fotoresist- och adsorbatrester och för att förbättra vätning; liknande uppgifter uppstår vid tillverkning av precisionsoptiska komponenter och inom displayteknik. Fotokemiskt kan skikt även bildas vid låg temperatur, till exempel SiOₓ-barriärskikt från polysilazaner. Inom vatten- och frånluftrening används VUV-strålning för att generera OH-radikaler.

Gemensamt för alla användningsområden är deras beroende av avstånd och atmosfär. Eftersom absorption i luft begränsar det användbara arbetsavståndet till några millimeter är processgeometri, spolning och bestrålningstid inte randvillkor utan de faktiska processparametrarna – och just därför måste de även mätas och dokumenteras.

Syre absorberar starkt kring 172 nm. En luftsträcka på bara några millimeter dämpar redan strålningen märkbart; över längre avstånd når praktiskt taget ingenting fram till detektorn. Den absorberade energin dissocierar syremolekyler, så ozon bildas dessutom längs strålgången, vilket i sin tur absorberar i UVC och förändrar förhållandena över tid.

Den praktiska konsekvensen: en mätning vid 172 nm är endast reproducerbar om avståndet och atmosfären längs strålgången är definierade och dokumenterade. Mycket korta mätavstånd, en kvävespolning eller en evakuerad uppställning är vanligt förekommande. Vid 172 nm kan ett mätvärde utan angivet avstånd och atmosfär inte tolkas.

• Atmosfär i strålgången. Luft, spolad kvävgas eller vakuum ger tydligt olika avläsningar. Spolningshastigheten och restsyrekoncentrationen hör till mätprotokollet.
• Mätavstånd. På grund av den starka absorptionen har avståndet mycket större betydelse än vad kvadratlagen ensam antyder. Avståndet måste avse det verkliga processplanet.
• Fönstermaterial. Vanlig kvartsglas absorberar redan starkt vid 172 nm. Istället används material med tillräcklig VUV-transmission, till exempel magnesiumfluorid eller kalciumfluorid; högrent syntetiskt kvartsglas endast ner till cirka 160 nm.
• Detektor och åldring. Solblinda detektorer undviker korskänslighet för längre våglängder. Fönster och detektorer åldras vid VUV-belastning, så korta omkalibreringsintervall rekommenderas.
• Kontaminering. Organiska beläggningar på fönster bryts ned särskilt effektivt i VUV-området, men till dess förändrar de transmissionen. Rengöringsstatus och drifttimmar hör till bedömningen.

För en tillförlitlig mätning definieras hela vägen från källa till detektor: avstånd, atmosfär, bländare, fönstermaterial och detektortyp. Denna definition är en del av mätförfarandet och måste återskapas vid varje upprepning, annars är värdena inte jämförbara.

Metrologisk spårbarhet inom VUV är mer krävande än inom UVA- eller UVC-området. Om en process ska förlita sig på VUV-avläsningar är en avtalsmätning under definierade förhållanden i UV-laboratoriet tillrådlig; kalibrering och spårbarhet beskrivs av det ackrediterade kalibreringslaboratoriet.

För dosmätning vid xenonexcimerkällor finns tinyTracker 172 nm tillgänglig; den registrerar strålningsexponeringen direkt i processplanet. För spektrala frågeställningar utanför VUV-området lämpar sig SR900 i laboratoriet, även om den inte täcker VUV-området runt 172 nm.

Typiska tillämpningsområden för 172 nm-bestrålning och dess mätning är ytrengöring och aktivering, halvledar- och elektroniktillverkning samt tillverkning av optiska precisionskomponenter.

Dr.-Ing. Mark Paravia är verkställande direktör för Opsytec Dr. Gröbel GmbH i Ettlingen och leder det ackrediterade kalibreringslaboratoriet. Efter sin forskning om pulsade xenon-excimerurladdningar vid Institute of Lighting Technology vid KIT ligger hans fokus idag på optisk strålningsmätning. Han är vice ordförande för DIN-standardkommittén FNL 7 "Optical radiation" och medlem i DVGW:s projektgrupp för UV-desinfektion.