量測氙氣激子燈的 172 nm VUV 輻射

氙氣激子燈在真空紫外光範圍內以約 172 nm 的窄頻帶發射輻射。量測此輻射與傳統 UVA、UVB 或 UVC 輻射計量學根本不同，因為 VUV 在極短的空氣路徑上即會被強烈吸收。因此，量測距離、大氣環境、窗口與感測器材質以及校正幾何形狀，都成為量測結果的一部分。

本頁說明 172 nm 量測有何不同之處，以及如何建立可靠的量測。各儀器的技術資料請參見相應的產品頁面。

172 nm 的光子帶有約 7.2 eV 的能量，足以直接打斷 C–C、C–H 與 C–O 鍵。因此該輻射會立即作用於分子，而非如 254 nm 那樣透過核酸的吸收作用：172 nm 主要為光化學性，254 nm 則主要為光生物性。不需要光起始劑。

第二個決定性特性是空氣中的強烈吸收。分子氧在 172 nm 附近的吸收極強，僅數毫米的空氣路徑即會明顯衰減輻射；在較長距離下幾乎沒有輻射能到達目標。被吸收的能量會使氧分子分裂，因而在光束路徑中形成原子氧與臭氧，並各自產生化學作用。

在量測上看似障礙之處，正是製程中的優點：正是這短射程與光束路徑中形成的反應性物種，使乾式精密清潔與表面活化成為可能。

下圖比較了 Xe₂* 連續光譜與低壓水銀燈的實測線光譜。該連續光譜為以 172 nm 為中心、半高全寬（FWHM）為 14 nm 的模型；光譜資料庫本身並未收錄 VUV 範圍的實測值。

激發作用發生於介電質阻障放電（DBD）中：接近大氣壓力的氙氣位於覆蓋石英、玻璃或陶瓷的電極之間僅幾毫米的間隙內，以千赫茲範圍的高電壓驅動。此放電並非穩定電漿，而是大量持續時間僅數奈秒至數百奈秒的短暫微放電，能迅速充滿氣體體積。介電質限制電流，使每次微放電自行終止，並防止其轉變為熱電弧──氣體因而維持在環境溫度（Falkenstein, Ushio）。

在氣體中，電子碰撞首先產生受激氙原子。此受激原子與兩個基態氙原子進行三體反應，形成準分子 Xe₂*。由於此形成途徑為三體碰撞，因此首先需要接近大氣壓力的高操作壓力。

關鍵之處在於此二聚體的基態：其為排斥態，或僅極微弱鍵結，因此在熱力學上不穩定。此分子在發射後立即解離，因此不存在能吸收其自身輻射的吸收體。結果為一個以 172 nm 為中心、不含自吸收現象的連續光譜，半高全寬（FWHM）約為 14 nm（Fraunhofer IFAM，德文）。這正是其與水銀燈的差異所在，水銀燈的共振線在電漿中會反覆被重新吸收，因此其輸出功率取決於管壁溫度。

實務上的特性即源自於此物理原理：高達 40 % 的電能可轉換為可用的 VUV 輻射，輻射場非常均勻，受照射部件幾乎不會升溫，燈管可瞬間開關而無需暖機時間，且運作過程完全不含水銀。

激發原理比汞蒸氣燈更古老。1855 年，Theodose du Moncel 報告了一種以玻璃覆蓋、並以小氣隙分隔的平面電極配置；1857 年，Werner von Siemens 描述了以錫箔電極與玻璃作為介電質的圓柱形臭氧產生器——這正是今日仍常見形式的介質阻障放電（介質阻障放電歷史回顧）。

惰性氣體的準分子發射最初於 1970 年代與 1980 年代應用於雷射技術。直到 Ulrich Kogelschatz 與 Baldur Eliasson 確立介質阻障放電為激發非同調準分子光源的高效方式後，準分子燈才成為獨立的光源。1990 年代出現了工業用 172 nm 氙準分子燈，並迅速應用於半導體清潔與表面活化領域。

其發展時序頗值得注意：該原理源自 19 世紀中葉，而作為表面處理輻射源的工業應用則約在 140 年後才開始。

最廣泛的應用是表面之乾式精細清潔：碳氫化合物經光解裂解，並藉由光束路徑中形成之原子氧與臭氧氧化為二氧化碳與水──無須溶劑且不造成機械性損傷。與此直接相關的是黏接、塗漆、線接合與鍍膜前之表面活化，包括聚合物之活化；此過程可於空氣中或氮氣環境下，以連續生產線或批次方式進行。

在半導體與電子製造領域，172 nm 輻射用於晶圓與光罩清潔、去除光阻與吸附物殘留，以及改善潤濕性；類似之作業亦見於精密光學元件之生產與顯示技術領域。透過光化學方式，亦可在低溫下形成薄膜，例如由聚矽氮烷形成 SiOₓ 阻障層。在水處理與排氣處理中，VUV 輻射則用於產生 OH 自由基。

所有應用之共同點在於其對距離與大氣條件之依賴性。由於空氣中之吸收作用將可用工作距離限制在僅數毫米內，因此製程幾何配置、吹淨與照射時間並非邊界條件，而是實際之製程參數──正因如此，這些參數同樣必須加以量測與記錄。

氧氣在 172 nm 附近有強烈的吸收作用。僅僅幾毫米的空氣路徑就已經會明顯衰減輻射；若距離較長，實際上幾乎沒有輻射能到達偵測器。被吸收的能量會使氧分子解離，因此臭氧也會沿著光路形成，而臭氧又會在 UVC 波段產生吸收，並隨時間改變量測條件。

實務上的結果是：唯有在光路上的距離與大氣條件經過明確定義並記錄的情況下，172 nm 的量測才具有可重現性。常見的做法包括採用極短的量測距離、氮氣吹拂，或使用真空量測裝置。在 172 nm 波段，若未註明距離與大氣條件，量測讀值便無法被正確解讀。

• 光路中的環境氣氛。空氣、經氮氣置換或真空環境會導致明顯不同的讀值。置換速率與殘餘氧氣濃度都應記錄於量測紀錄中。
• 量測距離。由於強烈的吸收作用，距離的影響遠超過單純平方反比定律所能說明的程度。此距離必須對應實際製程平面。
• 視窗材料。一般熔融石英在 172 nm 已有強烈吸收。因此改用具足夠 VUV 穿透率的材料，例如氟化鎂或氟化鈣；高純度合成熔融石英則僅適用於約 160 nm 以上。
• 感測器與老化。太陽光盲型感測器可避免對較長波長產生交叉靈敏度。視窗與感測器在 VUV 負載下會老化，因此建議採用較短的重新校正週期。
• 污染。視窗上的有機沉積物在 VUV 波段特別容易被分解，但在分解之前會改變穿透率。清潔狀態與運作時間都應納入評估。

為了進行可靠的量測，從光源到偵測器的整個路徑都必須明確定義：距離、大氣環境、光圈孔徑、視窗材質與偵測器類型。此定義是量測程序的一部分，每次重複量測時都必須重現，否則量測值將無法比較。

VUV 範圍內的計量溯源性比 UVA 或 UVC 範圍更為嚴格。若某流程需要依賴 VUV 讀值，建議在 紫外線實驗室 中依明確條件進行委託量測；校正與計量溯源性的相關說明，請參閱 已認證校正實驗室 的說明。

對於在氙準分子光源進行劑量量測，可使用 tinyTracker 172 nm，它可直接在製程平面記錄輻射曝露量。對於 VUV 範圍以外的光譜問題，SR900 適合於實驗室中使用，儘管它並不涵蓋 172 nm 附近的 VUV 範圍。

172 nm 輻射照射及其量測的典型應用領域為 表面清潔與活化、半導體與電子製造 以及 光學精密元件 之生產。

Dr.-Ing. Mark Paravia 是位於 Ettlingen 的 Opsytec Dr. Gröbel GmbH 的總經理，並主管該公司已通過認證的校正實驗室。在 KIT 照明技術研究所完成脈衝式氙氣激子放電相關研究後，他目前的專注領域為光學輻射量測。他同時擔任 DIN 標準委員會 FNL 7「光學輻射」的副主席，並為 DVGW 紫外線消毒專案小組的成員。