Ksenon eksimer lambalarından 172 nm VUV ışınımının ölçülmesi

Ksenon eksimer lambaları, vakum UV bölgesinde 172 nm civarında dar bir bantta ışıma yapar. Bu ışınımın ölçülmesi, klasik UVA, UVB veya UVC radyometrisinden temelde farklıdır, çünkü VUV çok kısa hava yolları boyunca güçlü şekilde absorbe edilir. Bu nedenle ölçüm mesafesi, atmosfer, pencere ve dedektör malzemesi ile kalibrasyon geometrisi ölçüm sonucunun bir parçası haline gelir.

Bu sayfada 172 nm'de neyin farklı olduğu ve güvenilir bir ölçümün nasıl kurulacağı açıklanmaktadır. Cihazlara ait teknik veriler ilgili ürün sayfalarında verilmiştir.

172 nm'deki bir foton yaklaşık 7,2 eV taşır. Bu, C–C, C–H ve C–O bağlarını doğrudan kırmak için yeterlidir. Bu nedenle ışınım, 254 nm'de olduğu gibi nükleik asitlerdeki absorpsiyon yoluyla değil, moleküller üzerinde doğrudan etki eder: 172 nm öncelikle fotokimyasal, 254 nm ise öncelikle fotobiyolojiktir. Fotobaşlatıcıya gerek yoktur.

İkinci belirleyici özellik, havadaki kuvvetli absorpsiyondur. Moleküler oksijen 172 nm civarında o kadar kuvvetli absorpsiyon yapar ki, sadece birkaç milimetrelik bir hava yolu ışınımı fark edilir şekilde zayıflatır; daha uzun mesafelerde hedefe pratik olarak hiçbir şey ulaşmaz. Absorbe edilen enerji oksijen moleküllerini parçalar, böylece ışın yolunda atomik oksijen ve ozon oluşur ve kendi başlarına kimyasal olarak etki eder.

Ölçümde bir engel gibi görünen şey, süreçte bir avantajdır: kuru hassas temizlik ve yüzey aktivasyonunu mümkün kılan tam olarak kısa menzil ve ışın yolunda oluşan reaktif türlerdir.

Aşağıdaki şekil, Xe₂* sürekli spektrumunu bir düşük basınçlı merkür lambasının ölçülen çizgi spektrumuyla karşılaştırmaktadır. Sürekli spektrum, 172 nm merkezli ve yarı yükseklikte tam genişliği (FWHM) 14 nm olan bir modeldir; spektral veri tabanında VUV aralığının kendisi için herhangi bir ölçüm bulunmamaktadır.

Uyarım, dielektrik bariyer deşarjında (DBD) gerçekleşir: atmosfer basıncına yakın basınçtaki ksenon, kuvars, cam veya seramik ile kaplı elektrotlar arasında birkaç milimetrelik bir boşlukta bulunur ve kilohertz aralığında yüksek voltajla tahrik edilir. Deşarj kararlı bir plazma değil, birkaç nanosaniyeden birkaç yüz nanosaniyeye kadar süren ve gaz hacmini hızla dolduran çok sayıda kısa ömürlü mikro deşarjdan oluşur. Dielektrik akımı sınırlar, her mikro deşarjı kendiliğinden sonlandırır ve termal ark oluşumunu önler – gaz ortam sıcaklığında kalır (Falkenstein, Ushio).

Gazda önce elektron çarpması, uyarılmış ksenon atomları üretir. Bunlar, iki temel hâldeki ksenon atomuyla gerçekleşen üç cisimli bir reaksiyonda Xe₂* eksimerini oluşturur. Bu oluşum kanalı üç cisimli bir çarpışma olduğundan, atmosfer basıncına yakın yüksek çalışma basıncı zaten bu nedenle gereklidir.

Belirleyici nokta, dimerin temel hâlidir: bu hâl itici veya yalnızca çok zayıf bağlıdır ve bu nedenle termal olarak kararsızdır. Molekül, ışıma yaptıktan hemen sonra ayrışır, dolayısıyla kendi ışınımı için bir absorbe edici bulunmaz. Sonuç, 172 nm civarında, öz-absorpsiyondan arınmış, yarı yükseklikte tam genişliği (FWHM) yaklaşık 14 nm olan bir süreklilik (kontinyum) spektrumudur (Fraunhofer IFAM, Almanca). İşte bu noktada, rezonans hatları plazmada tekrar tekrar yeniden absorbe edilen ve çıkışı bu nedenle duvar sıcaklığına bağlı olan cıva lambasından tam olarak ayrılır.

Pratik özellikler bu fizikten kaynaklanır: elektrik gücünün %40'a kadarı kullanılabilir VUV ışınımına dönüştürülür, ışınım alanı son derece homojendir, ışınlanan parçalar hemen hemen ısınmaz, lamba ısınma süresi olmaksızın anında açılıp kapatılabilir ve cıvasız olarak çalışır.

Uyarma prensibi, cıva buharlı lambadan daha eskidir. 1855'te Theodose du Moncel, camla kaplanmış ve küçük bir gaz boşluğuyla ayrılmış düzlemsel bir elektrot düzeninden bahsetmiştir; 1857'de Werner von Siemens ise kalay folyo elektrotlu ve dielektrik olarak cam kullanılan silindirik ozon jeneratörünü tanımlamıştır – bugün de yaygın olan biçimiyle dielektrik bariyer deşarjı (DBD'nin tarihine ilişkin inceleme).

Soy gazlardan eksimer emisyonu, ilk olarak 1970'ler ve 1980'lerde lazer teknolojisinde kullanılmıştır. Ulrich Kogelschatz ve Baldur Eliasson, DBD'yi eş uyumsuz eksimer kaynaklarının uyarılması için etkili bir yöntem olarak kanıtladıklarında, eksimer lambası kendi başına bir kaynak olarak ortaya çıkmıştır. Endüstriyel 172 nm ksenon eksimer lambaları 1990'larda ortaya çıkmış ve kısa süre içinde yarı iletken temizliği ile yüzey aktivasyonunda kullanım alanı bulmuştur.

Kronoloji dikkat çekicidir: prensip 19. yüzyılın ortalarına dayanırken, yüzey süreçleri için ışınlama kaynağı olarak endüstriyel kullanımı yaklaşık 140 yıl sonra başlamıştır.

En yaygın kullanım, yüzeylerin kuru hassas temizlenmesidir: hidrokarbonlar fotolitik olarak parçalanır ve ışın yolunda oluşan atomik oksijen ile ozon tarafından karbondioksit ve suya oksitlenir – çözücü kullanılmadan ve mekanik bir etki olmadan. Bununla doğrudan ilişkili olan, yapıştırma, boyama, tel bağlama (wire bonding) ve kaplama öncesinde yüzey aktivasyonudur; bu, polimerlerin aktivasyonu da dahil olmak üzere, hava veya nitrojen atmosferinde, hat içinde (in-line) veya kesikli (batch) bir işlem olarak gerçekleştirilir.

Yarı iletken ve elektronik üretiminde, 172 nm ışınlaması wafer ve maske temizliği için, fotorezist ve adsorbat kalıntılarını gidermek ve ıslanmayı iyileştirmek için kullanılmaktadır; benzer görevler hassas optik bileşenlerin üretiminde ve ekran teknolojisinde de ortaya çıkmaktadır. Fotokimyasal olarak, düşük sıcaklıkta katmanlar da oluşturulabilir, örneğin polisilazanlardan SiOₓ bariyer katmanları. Su ve egzoz havası arıtmada, OH radikalleri oluşturmak için VUV ışınlaması kullanılmaktadır.

Tüm uygulamaların ortak noktası, mesafeye ve atmosfere bağımlılıklarıdır. Havadaki soğurma, kullanılabilir çalışma mesafesini birkaç milimetreyle sınırladığından, proses geometrisi, süpürme (purging) ve ışınlama süresi sınır koşulları değil, gerçek proses parametreleridir – ve tam da bu nedenle bunların da ölçülmesi ve belgelenmesi gerekmektedir.

Oksijen, 172 nm civarında kuvvetli bir şekilde absorpsiyon yapar. Sadece birkaç milimetrelik bir hava yolu bile ışınımı önemli ölçüde zayıflatır; daha uzun mesafelerde dedektöre pratikte hiçbir şey ulaşmaz. Absorbe edilen enerji oksijen moleküllerini ayrıştırır, böylece ışın yolu boyunca ayrıca ozon oluşur; bu da UVC'de absorpsiyon yaparak koşulları zamanla değiştirir.

Pratikteki sonuç şudur: 172 nm'de bir ölçüm, ışın yolu boyunca mesafe ve atmosfer tanımlanıp belgelenmişse tekrarlanabilir olur. Çok kısa ölçüm mesafeleri, bir azot temizlemesi (nitrogen purge) veya vakumlu bir düzenek yaygın olarak kullanılır. 172 nm'de, mesafe ve atmosfer belirtilmeden yapılan bir okuma yorumlanamaz.

• Işın yolundaki atmosfer. Hava, temizleme azotu veya vakum, birbirinden açıkça farklı okumalara yol açar. Temizleme hızı ve kalıntı oksijen konsantrasyonu ölçüm kaydına dahil edilmelidir.
• Ölçüm mesafesi. Kuvvetli absorpsiyon nedeniyle mesafe, ters kare kanununun tek başına öngördüğünden çok daha fazla önem taşır. Mesafenin gerçek proses düzlemine göre belirlenmesi gerekir.
• Pencere malzemesi. Sıradan kuvars cam 172 nm'de zaten kuvvetli absorpsiyon gösterir. Bunun yerine magnezyum florür veya kalsiyum florür gibi yeterli VUV geçirgenliğine sahip malzemeler kullanılır; yüksek saflıktaki sentetik kuvars cam ise ancak 160 nm civarına kadar kullanılabilir.
• Dedektör ve yaşlanma. Güneşten korunmalı (solar-blind) dedektörler, daha uzun dalga boylarına çapraz duyarlılığı önler. Pencereler ve dedektörler VUV yükü altında yaşlanır, bu nedenle kısa yeniden kalibrasyon aralıkları tavsiye edilir.
• Kirlenme. Pencerelerdeki organik birikintiler VUV'de özellikle etkili bir şekilde parçalanır, ancak bu gerçekleşene kadar geçirgenliği değiştirirler. Temizlik durumu ve çalışma saatleri değerlendirmeye dahil edilmelidir.

Güvenilir bir ölçüm için kaynaktan detektöre kadar tüm yol tanımlanır: mesafe, atmosfer, aparturler, pencere malzemesi ve detektör tipi. Bu tanım ölçüm prosedürünün bir parçasıdır ve her tekrar için yeniden oluşturulmalıdır, aksi halde değerler karşılaştırılabilir olmaz.

VUV'da izlenebilirlik, UVA veya UVC aralığına kıyasla daha zorludur. Bir prosesin VUV ölçüm değerlerine dayanması gerekiyorsa, UV laboratuvarında tanımlı koşullar altında sözleşmeli bir ölçüm yapılması tavsiye edilir; kalibrasyon ve izlenebilirlik akredite kalibrasyon laboratuvarı tarafından tanımlanmıştır.

Ksenon eksimer kaynaklarında doz ölçümü için tinyTracker 172 nm mevcuttur; bu cihaz ışınım maruziyetini doğrudan proses düzleminde kaydeder. VUV dışındaki spektral sorular için laboratuvarda SR900 uygundur, ancak bu cihaz 172 nm civarındaki VUV aralığını kapsamaz.

172 nm'de ışınlama ve ölçümü için tipik alanlar yüzey temizliği ve aktivasyonu, yarı iletken ve elektronik üretimi ve optik hassas bileşenlerin üretimidir.

Dr.-Ing. Mark Paravia, Ettlingen'de bulunan Opsytec Dr. Gröbel GmbH'nin genel müdürüdür ve akredite kalibrasyon laboratuvarını yönetmektedir. KIT Aydınlatma Teknolojisi Enstitüsü'nde darbeli ksenon eksimer deşarjları üzerine yürüttüğü araştırmalarının ardından, bugünkü odak noktası optik ışınım ölçümüdür. DIN standartları komitesi FNL 7 "Optik ışınım"ın başkan yardımcısı ve DVGW'nin UV dezenfeksiyonu proje grubunun bir üyesidir.