Исследование и разработка источников коротковолнового ультрафиолетового излучения микросекундного диапазона на основе трубчатых ксеноновых ламп тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

г Г Г) од

На правах рукописи

- 6 МАЙ

КОРОБОЧКО Владимир Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИСТОЧНИКОВ КОРОТКОВОЛНОВОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МИКРОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ ТРУБЧАТЫХ КСЕНОНОВУХ ЛАМП

01,04.13 - Электрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1957

Работа выполнена на кафедре "Инженерная электрофизика и техника высоких напряжений" Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук П.НДайук ■ Консультант: кавдццат технических наук С.Л.Кулаков

Ведущая организация: Государственный оптический институт

¿ш.С.И.Вавилова, г. Санкт-Петербург.

Официальные

оппоненты: доктор физико-математических наук

B.А.Бурцев,

кандидат технических наук

C.ВДукашенко.

Защита состоится СС/уИХ, у 1997 г. в_

на заседании диссертационного совета й KQ63.38.2I при Санкт-Петербургском государственном техническом университете (195251, С.-Петербург, Политехническая, 29). -

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Автореферат разослан" М* г.

Ученый секретарь диссерга-ционного совета Л К063.38.21 кандидат технических наук

Кулаков С.Л.

ОБЩАЯ ХЛРАККРуйТ ЖЛ РАБОТЫ

Актуальность темы работы. В науке и технике находят широкое применение источники коротковолнового ультрафиолетового (КУ£) излучения с длиной волны X =200-300 ни. Особенность воздействия КУФ излучения на вещество определяется энергией квантов, равной энергии связи атомов в молекуле, что позволяет изменять физические, химические и биологические свойства материалов. Это используется во многих областях, например, в лазерной технике, в фотохимии, в радиоэлектронной промышленности для изготовления интегральных микросхем и других приборов микро- и наноэлегсгроники, в санитарии для обеззараживания помещений и поверхностей различных объектов.

Одной из современных задач микроэлектроники является уменьшение размеров приборов микроэлектроники, создаваемых методом фотолитографии. Размер фрагмента прибора определяется длиной волны экспонирующего излучения /\ и ограничивается явлениям дифракции. В отечественном серийном производства этот размер составляет 2-3 мкм (у\ =390-415 нм), а зарубежные изготовители достигли размера 0,5-1,0 мкм. Для достижения размеров фрагментов, не уступающих лучшим зарубежным аналогам, представляется перспективным переход к экспонированию источниками КУФ излучения с Л =200-300 нм. При этом стоимость такого источника на должна заметно снижать технико-экономические характеристики технологической цепи.

Важной задачей микробиологии является улучшение методов обеззараживания поверхностей различных объектов, в том числе куриных яиц. Использование существующих методов связано о серьезными ограничениями. Химические методы обеззараживания являются экологически опасными, так как связаны с использованием ядовитых веществ. Методы, основанные на использовании УФ излучения'бактерицидных ртутных ламп, не обеспечивают значения производительности обеззараживания, заданного, технологическими требованиями, например,птицеводства. Свободным от этих ограничений представляется метод обеззараживания при помощи импульсных источников КУФ излучения о повышенной средней мощностью излучения.

Современные источники КУФ излучения обладает недостатками,ограничивающими их использование.Ртутные лашш имеэт низкие значения интенсивности излучения (0,1-1 мВт/см2) и энергетического КЩ в КУФ полосу (не более 1-0.%). Лазерные и синхротронные источники имеет высокую стоимость и сложность в эксплуатация. Мшишсекуад-ные газоразрядные лампы, взрывающиеся проволочки и источника на

основе пинчевих разрядов имеют низкую надежность и ресурс не более

1-Ю4 импульсов.

Проведенный анализ опубликованных к настоящему времени литературных данных и результатов выполненных нами предварительных экс-перимонтатымх исследований показал, что для решения широкого круга прикладных задач перспективным является источник КУФ излучения, выполненный на основе трубчатой ксеноновой импульсной лампы (Ж) с питанием от емкостного накопителя энергии (¿НЭ) оо следующими,более элективным параметрами: КЩ в КУФ полосу 10%, ресурс

Л/>10°, характерное время разряда Т0=2~4 мко, длина светящегося тела =10-100 см. Такие ЛЛ и рассматривается в данной работе.

Ксеноновыэ имеют относительную конструктивную простоту, невысок.у» стоимость, экологическую чистоту и принципиальную воз-мокноегь программирования параметров лмпульса излучения.

Анализ литературы показал, что для получения повышенного КЩ в КУ^ полосу удельныл энэрговклэд в газоразрядную плазму ИЛ должен достигагь значения 5-10 Дж/ср/ при длительности энерговклада

2-4 икс. Во иэбодание разрушения колбы № необходимо обеспечить компенсацию газокшютического давления плазмы на стенку Ш магнитным давлением тока через разряд.. Для реализации такого режима характеристики разр,ща должны быть соответствуодим образом рас-отатаны, что в о б том случае связано и серьезными трудностями. Результаты таких расчетов требу га экспериментально:! проверки.

Расчет характеристик монет быть упрощен, если ввести предположение с квззастацлонарнооти рчзрзда в >Я. Однако справедливость такого предположения должна быть экспериментально установлена. В от см случае удильные параметры плазмы разряда мо.шо связать с -па-раывтрпми и Ш'З при помощи экспериментальных зависимостей.

В настоящие ыромя в литератур« имеются такие зависимости для расчета характеристик МД в квааистацлонирном приблкшн'ли. Они установлены для миллисекундных «'Л (Т0^ЮО икс) и микросекундних 1111 (>Т0=6-15 мко) относительно малых геометрических раздоров V --=10 см. Эти зависимости' неоднозначны, что свизяко с существенной тависимостьй темш1зтуры Т и удельно'.; члзкттопу.оводноота плззш у?.з»1ца (Гот ивхаядзмг плто^ь энергии в г-чзыде, г. тмкуо о по-ггеааоегьл уо^эднекия .йм-.-глом^ч в :мслор:и.ю;гго п^'.пмотго» гаара-да, таких, ко*/, тс>к, сонротизл.ш.м и т«л.£>;чгу1л ис дтпртгу рая-Г--ДНГ,.; тру?.и; 1'Л (к , а ае г.о д.:'-' ' ГГ' к*-.;?1 ла г« • г 1зс С(к . '.'ехя-

низм потерь энергии и значение OÎ* определяется всеми параметрами Ш и ЕНЭ. Поэтому использование в расчетах литературных д&нннх обосновано только в тех экспериментельнух условиях, в котогнх они установлен«. Это обстоятельство, а также отсутствие в литературе данных для расчета характеристик рассматриваемых в работе /Л определяют необходимость проведения дополнительных экспериментальных исследований, цезультагы которых могут найти применение при создании источников КУ^ излучения различного назначения.

Цель работу. Экспериментальное получение исходных данних и разработка на их основе инженерной методика расчета характеристик трубчатих нсеноноичх ламп микросекундрого диапазона (2-4 икс) с длиной светящегося тела -С =10-100 et*. Проверка данной методики расчета при создании опчтнчх образцов источников импульсов КУ$ излучения для решения прикладных задач:

- в радиоэлектронной промышленности по созданию 'Тра^мэнтов приборов микроэлектроники с субмикрошмми размерами;

, - в микробиология по высокоскоростного обеззаражшонязо поверхностей различных объектов, в том числе куриних яиц;

- в фотохимии, лазерной техника и других областях.

Задачи саб от и:

1. Разработать и изготовить экспериментальной стенд для проведения исследований ресурсных, излучательных и электротехнических характеристик трубчатих ксеноновах ламп а длиной светящегося тела

Z =10-100 см, погонной энергией излучения =0,5-1 Дж/см при длительности импульса излучения^ =2-4 мко по уровню 0.35.

2. Разработать методжу измерений рзсурстл, излучательных и электротехнических характеристик лпмл.

3. Экспериментально исследовать перечисленные вчте характеристики ламп и разряботать иншяерную методику их расчета.

4. Экспериментально исследовать эффективность воздействия импульсов iCAt и мягкого рентгеновского излучений кг, жизнедеятельность патогенное мккро:улори, а такта на химические свойства применяемых в радиоэлектронной промышленности, тонких слоев полимеров (позитивных фоторезистов),применительно к .Тор'.шровпнла в них приборов микроэлектроники с размером фрагмента прибора 0,5-1,0 .-.км.

5. Разработать, изготовить и исследовать три класса опнтнах образцов йот очников мккросекукдных импульсов ЮТ излучения для реиения задач микроэлектроники, виоокоокоросткого обзззаракивннпя поверхностей, фотохимии, лазерной техники и др.

- 4 -

Научная новизна работы состоит в следулцем.

1. Проведены экспериментальные исследования и на их основе газработана инженерная методика расчета ресурсных, излучательных Св полосе 200-400 нм) д электротехнических характеристик трубчатых хсеионовых ламп с длиной светящегося тела & =10-100 см и характерными временами разреда Т =1,5-6,0 же.

2. Впервые экспериментально показана возможность использования ксеноновой лампы как источника мшсросекундных импульсов КУ£ излучения с повиаенной мощностью в полосе СЮ4 Вт/с1.г),позволяющего уменьшать размеру 'формируемых методом Фотолитографии фрагментов приборов микроэлектроники с 2-3 до 0,5-1,0 мкм. Уменьшение размеров позволяет расширить диапазону параметров приборов, например, повышает степень интеграции микросхем и увеличивает максимальную рабочую частоту СйЧ-транзисторов.

3. Впервые экспериментально исследована эффективность воздействия упомянутых импульсов КУФ излучения на жизнедеятельность патогенной микрофлоры.Показана возможность сокращения времени бактерицидного воздействия до 2-5 икс,что обеспечивает многократное (в 10-20 раз) повышение производительности процесса обеззаргшшания.

Практическая ценность .работы.

1. Установлены экспериментальные зависимости, позволяющие выбирать эффективные параметры импульсов У'а и мягкого рентгеновского излучений для формирования е слое позитивного фоторезиста фрагментов приборов микроэлектроники с субмикронными размерами, а также для обеззараживания поверхностей от патогенной микрофлоры.

2. Предложена инкенерная методика расчета характеристик ламп по заданным параметрам лампы и 2НЭ, а также методика решения обратной задачи - расчета параметров лампы и £НЭ по заданным конкретной прикладной задачей характеристикам источника излучения^ Разработаны ксеноновые импульсные лампы и схемы питания для них на основе £НЭ, позволяющие получать микросекувдн^е импульсы КУФ излучения для решения перечисленных выше прикладных задач.

3. На основе полученных в работе данных изготовлены и исследованы три класса опытных образцов источников КУ'С излучения: ЙЗП-1М для субмшронцой фотолитографии; КСК-1, КОК-2 и КБП-1 для высокоскоростного обеззараживания поверхностей; ИБП-2 и ИБП-2М для фотохиАшл и Жохоалтжвацш'.. поверхностей. Источники обеспечивают да поверхности объекта с размером от 15x15 дс 50х1С0 сгл^ сле-дудам параметры липульс« излучения в полосе 200-400 нм:

длительность 2-4 мко, энергетические освещенность 5-30 кВт/ctr и экспозиция за один импульс 10-60 mUVcm^. Такие параметры позволяют попользовать разработанные источники и в дгугих областях, например, в лазерной технике.

На защиту выносится следующие основные положения.

1. Экспериментально установленные спектральные я энергетические характеристики излучения, наиболее элективно возцействупщего на жизнедеятельность патогенной микрофлоры и химические свойства полимеров, применяемых в радиоэлектронной промышленности.

2. Полученные экспериментальные зависимости и разработанная на их основе инженерная методика расчета ресурсных, излучателъных (в полосе 200-400 нм) и электротехнических характеристик трубчатых ксеионовых ламп с длиной светящегося тела Z =10-100 см и характерными временами разряда Т =1,5-6,0 мко.

3. Экспериментально установлений факт ¿формирования субмикронных Фрагментов приборов микроэлектроники при помощи микросо-кундных импульсов излучения, генерируемчх ксенояовымн лампами.

4. Экспериментально установленный факт эффективного и выоокс-скоростного обеззя^яяизания поверхностей объектов, а том числе куриных яиц, при помощи упомянутых импульсов КУ£ излучения.

5. Разработанные, изготовленные и исследованныо варианты конструкций трех классов источников КУФ излучения на оспово разработанных ламп и КНЭ, предназначенных для решения задач микро- и на-ноэл&ктрошкш, высокоскоростного обеззараживания поверхностей, фотохимии, лазерной техники и других областей.

Апробация работи и публикации. Основные результаты работы опубликованы в У печатных работах и были представлены па 3-х Российских конференциях.

Структура л объем работы. Работа состоит из введения, пяти разделоз, заключения, списка использованных источников (145 няимс-новяниМ) и У приложлшЯ. Оощпй объем работы,- '¿55 е., основной объем - 171 о., рисунков - 47, таблиц - 14.

КНТлОЗ СС&ьШН.Е РЛБОТЫ.

Во введении показана актуальность теш работы, сформулирована цель работа и дана её общая хярокгеристикз.

й-ШШ^!-bftM'2.'l§. изложены результаты анализа проведенных нами предварительных экспериментальных исследований, о татаэ литературных данных, опубликованных к настоящему времена, Устанозленч зка-

- б -

чекия парэмзгров и выбран тип источника излучения (трубчатая ксе-ноновая импульсная лампа (¿Ж), питание которой осуществляется емкостным накопителем энергии (с!НЭ)), обеспечивающие эффективное ращение рассматриваемых прикладных задач. Показано, что данные, необходимые для расчета характеристик лЧ и ¡¿НЭ с длиной светящегося тела V =10-1 ОС см и характерными временами разрлд.4 Т0=2-4 мкс, в литературе отсутствуют. Использование в таких расчетах имеющихся в литературе даннцх для миллисекундных и микросекувдних мЛ. с относительно ¿¡алыми геоыетрическиш размерами необосновано. Проведен приближенный расчзт диапазона параметров ЛЛ и КНЭ, служащий отправнок точкой исследовании. Сформулированы задачи работы.

До вгосом разделе описаны экспериментальный стевд, а также методика измерений и исследований. В качестве объекта исследования были .выбрани /Л с диаметром разрядной трубки о( =1,7 ом и длинрй разрядного промежутка =16 и 112 см. Параметры выбранных Ш позволяет создавать излучатели с длиной светящегося тела, изменяющейся в широких пределах.-В конструкциях ШЭ, выполненных с учетом требований предельно м&иоидцукглвной компоновки, использовались конденсаторы марок К75-30, /К-100-0,25 и КЖИ-1С0-0,5. В качестве коммутаторов применялись разрядники марок ¿-У~62 и РУ-65, а также управляемый рельсовый разрядник. В ходе работы использовались методики для определения разрядных, излучательных и ресурсных характеристик Длл определения положения и геометрических размеров . канала разрзда применялась методика .Еотогргчтированпя в двух проекциях. в качестве ия мерительных датч;:ков «спслхдсвались токовые шунты, делители нспрязсения, индуктивные магнитные датчики, вакуумные фотоэлементы, ¿[отокатоды и фотоэлектронные умножители. Сигналы от датчиков регистрировались запоминаидои осциллографами марок С8-14 и С8-17. В качестве эталонной базы использовался импульсный плазменний стандарт яркости ИЗ»г-1. Реализованные методики позволяли проводить измерение электрических сигналов, пропорциональных разрядному току (,(-Ь), о родней в выделенном участке спектра Л?» плотности энерготичоской светимости ), энергии излучения в интервал с единицы поверхности ¡Я и максимальному за

импульс ссвечкианию 0 , создаваемому всей поверхностью .'Л на единице поверхности ^отопраемника, Р^ярзшалзля способность трактов измерение опреде лял а с*. озциллог^ом а. составляла 5:5. Суммарная иогреи:юо1Ь гаы^зния з^сгяв."ял£: ¿3—1071 (го::) и 5-15': (излучение). Значение темпе рагу р* ляг Т рассчитывалось при помоги законов

Пленка и Кирхгоффа по измеренным экспериментально значениям диаметра канала разряда d*, его япкосхной температуры Т„„ и оптичес-

/У / " лг"

кой толщины v*,. Величина измерялась при помоли просвета разряда собственным излучением ИД, отраженным от плоского зеркала. Подбор функций, аппроксимирующих точки экспериментальных зависимостей, проводился по методу наименьших квадратов. При проведении исследований в областях микролятогрэфад к микробиологии использовались общепринятые, стандартные методики.

В третьем разделе изложены основные результаты работы.

Результаты исследований характеристик рассматриваемых в работе ИЛ показали следуюдее.

I. Ресурсные характеристики определяются значениями начальных давления ксенона PQ и погонного энергозапаса V£/£=C-U0/{2-t).

При значении PQ=300xI33 Па и Wc/-t =5 Дяу'ом происходит взрыв кварцевой колбы Ш на первом импульсе с вероятностью, близкой к единице. Это связано с превышением импульсным газокинетическнм давлением плазми' разряда на стенку ¡Ш (Ргд=1С МПа) разривного давления колбы ГЛ (Pp=J_4 МПа).

При снижении давления до PQ=(20-50)xI33 Па и V/a/£ = 5 Дг/см колба Ы не разрушается. После У=10^- 1С3 импульсов относительное освечиваниэ составляет в(Аб/$о=0,70-й,85, где Э(^) - освечиванио после числя импульсовЛ/, Э0- осзечиванпа на первом импульсе. Разряд в Ш протекает по механизму одноханального скользящего разряда вдоль внутренней поверхности колбы !Ш со стороны обратного токо-проводз. Диаметр канала разряда (^=0,5 см) много меньше диаметра трубки уУ1 (d=I,7 см). Значение магнитного давления, создаваемого током, протекавшим чероз разряд (FM=0,3 Lila), много меньше величины Ргук=1+2 Lilla. Снижение величины &{N)/90 связано с появлением погемнонил на колбе '.'Л в месте протоканяя разряда. Появление потемнения моюзт бить объяснено механизмом разряда, при котором в месте контакта плаз-кварц происходит осаждение продуктов эрозии материале электродов и продуктов плазмохкмичееккх реакций между кварцем и плазмой скользящего разряда. ^ .

При дальнейшем оникешг,: давления до Р0-=бх133 Па после П\-5-10 импульсов ( %fí 8 Дг/см) и A/^IC3 ( %/t -19 ДVcm) скитания еШ)/60 обнаружено не было в пределах разрешения тракта измерения оевзчивония (5л). Разряд в ИЛ протекает по механизму объемного раз ряда (dK=-I,6 см, а в промеяуток времени, соответсгЕуадй

основному знэрговкладу в .И, значение ?„ук -- С,2*С,3 íffia мйньлв .

значения Р --0,3+0,7 ¡ЛПа. Улучшение ресурсных характеристик Ш при значении P0=6xI33 Па, в сравнении с значениями PQ-С20-300)хГЗЗ Па ложно объяснить снлмениеа тепловой и газодинамической нагрузок на гтешсу «Л из-за объешого характера механизма разряда, а также уменьшения времени контакта плазмы с кварцем в результате того,

"1ТОрм>рг/к-

2. Разброс пар&метров генерируемого Ш импульса излучения от импульса к импульсу определяется разбросом ого амплитуды 4%т при сохс-'-н-зьин длительности импульсапо у ровно 0,35. При этом поьюряе:.тасть параметров импульса тока (амплитуда ..длительность первой полуволныti ) не являится достаточным условием повторяемости ьеллчгны tun. Например, при относительном разбросе

л1 m/im, ^ значение разброса_Д^ялгАлт в некото-

рых случаях достигает СОЙ. Значение ■ ¡Л^/Ххт определяется параметром Ü Л , гдз ¿0= И0/С - начальная напряженность ¡юля метщу электродами .1С. Получонлгя в работе экспериментальная зависимость этих двух параметров приведена в таблице I.

Таблица I

¿0/Р0, ВДсм-Пэ) ' ¿0,3 0,3-0,6 >0.6

Д^Ат/^Ат . % ¿25 ¿60 <5

Разброс амолитуды и.млульса лздучения Д^ЯтЛят связан с устойчп-востью механизма разряде. Относительно низкие значения /Ълт

ПГ" ¿0/Р0 0,3 и пг.и 0,6 В/ч см- Ив) определяются устойчивой

реализацией механизмов одноканильного сксльпн.цого ичзр^ща и объемного разряда соответственно. Бйльшее значение разброса при. й0/Р0— =0,3-0,6 ¿/(см-Иа) связано с равновероятным протеканием разряда по одному пз этих механизмов при неизменном значения й'0/?0.

3. Установлены следующие закономерности для параметров генерируемого ИЛ импульса излучения.

Максимальная яркостпая температура ТягПнэ зависит от начального' давления ксеноне при его изменении в диапазоне Р0=42-70)х133 Па. ¿зтрения, выполненные в участках спектра гллр^по;; 25-50 нм, выделенных внутри полосы 200-^00 им, показали, что значен:«! Т не зависит от длины волны излучения в от о Л пелоое. Значение 1.

ят

идкоанвчно определяется адшл*:ту;;о;; г,.:отпусти то/.!' ;иш ородной па царвуи полуволну то.кч, ы:т.иА«в.ж-о{! ь .„: 'у^эльаэЛ модкос?ьп Ру в состбвтогьаи со од.^ -ai-v: г.ис:шг :г.и.¡ггпль.'ад;: соотноииня им:

тягл = i,® - ю3 . y^20, (I)

Тят = 1.ГЗ . IO4 - Py0'17. # _ (2)

где Тят, К; , А/он2; Py, МВт/csí3. Значения T и Ру полу-

чены усреднением по диаметру трубки ИД. Формулы (I) и (2) обеспечивают точность совпадения расчетного и экспериментального значений Тятне хуже 5$, что обеспечивает точность совпадения соответствующих значений максимальной спектральной плотности энергетической светимссти^^не хуже 15-25$. Сопоставление экспериментальных соотношений (I) и (2) с известными из литературы данными, установленными для мшшюекувдних ИВ. и микросекуадных относительно малых геометрических размеров показало, что последние но позволя т даже грубо оценить величину1^™ Для рассматриваемых в дгшио.; габоте. Это является следствием неоднозначности изрестных пз литературы зависимостей для расчета значения •

Измерения энергетического К1Д , выполненное в участках спектра шнркноа 25-50 нм, выделенных внутри полосы 200—ICO им, показала, что значение не зависит от спектрального положения выделенного участка внутри этой полосы.

На рисунке приведены обобщенные экспериментальные зависимости для величины ГЦ в полосу 200-400 им, которые показывают, что значениеГЦ в диапазоне Г' =(íí-70)xI3J Па однозначно Сс точностью не хуже Í5-30Í) определяется значением FQ и величиной или Ру. Зависимость (кривая I) установлена при значении Wc/t =5 Дж/см, Рост кривой и достижение ею максимального значения, ахяРвллгщо.соЦ^ -I7-23Í при Р0 У/ 50xibJ Па, определяется уЕв-личониэм длительности импульса из-лучени:!/С>, по уговшо 0,35 при примерно постоянном значении V'I^). Зевислмостк ^(¿-»Л и Г^СРу) (крняыо' 2" и У) получен« при эначо'.нш PQ^6xI33 Па, оптимальном о точки зрения ресурса. Рост кг-имих и достижение ими максимального значения, состаэляг/дего при^п,=7-Г7 kA/c.m¿ или Г =»

Зависимость полного энергетического КПД в полосу 200-400, нм от начального давления ксенона и электротехнических параметров разряда

•к/.

2 4 Ю 20 Í7A

to

15

..i,.

о™»

кА/Ы1

1 l Ь Р^М&г/см4 i - * -3- W-

_ ю -

=0,8-2,1 Шт/о^, определяется одновременным увеличением значений и Т^т- Спад кривых при 17 кА/см2- шш Ру^2,1 МЗт/сгЛ3 связал с уменьшением значения из-за эффекта обратимой непрозрачности кварца. Сопоставление экспериментальных данных для величины с литературными данными, установленными для миллисэкувдных Ш и микросекундных 11Д относительно малых геометрических размеров, показало хорошее согласие мевду этими данными. Установлено, что при значении Р0=6х133 Па средняя за импульс мощность излучения ^У^х/'Сь является максимальной.

4. Получены следующие экспериментальные данные для электротехнических характеристик разряда в ЛЛ.

Л промежутке времени от начала разряда до момента максимума разрядного токаТ^ зависимость сопротивления 1Ш от тока подчиняется следующему закону: ЙЛ1 I После момента Т^ сопротивление УД имеет квазистационарный участок & = СОп$Ь ,'ЬЗ-Ц.

Установлены следующие зависимости, связывающие измеренные в момент максимума тока удельную электропроводность плазмы разряда и амплитуду плотности тока "¡¡уп с параметрами ИЯ и ШЗ:

= 2 5 . Р0"°.?'2 , Т^/0,75 икс; (3)

= 2 - Р0~°.22 .(I - е*рС-474.Тг^)), ^0,75 жс.^4)

где , С Ом-см)"1; ¿-т . А/см2; Р0, Па;ТГ-, , с. Значенияб'гп и

усреднялись по диаметру разрядной трубки ¡¡Л. Формулы (3) и (4) обеспечивают точность совпадения м&вду расчетными и экспериментальными значениями 61« не хуке 155?. При заданном значении Р0, в области Т- >/ 0,75 мке зависимость является однозначной,

а в области ^<.0,75 мке бГУ1{ ^ ), т.е. зависимость

) однозначной не является. Проведенное сопоставление' показало, что установленная зяаксимость (3) хорошо согласуется с зависимостями, установленными в следу/тах работах д,пя ьпллисекундных .Ш и микросекундних /3 относительно малых геометрических размеров: Балов Ю.Г. а соавт.,1972 (зависимость ) |р . ^' Андре-

ев С.'Л., ¡-¡васенко Н.Ф., 19'¡2, Ананьев 1и.Л. и соавт.,1974 (зависимость б"м(Р0)К _)• АРУг;:е известные из литературы зависимости вследствие кх неоднозначности не ¡¡озь'оллдг даже грубо оценить значение 6"т (Гяьрилов В.л. и соавг.,19^2; Андреев С.Л., Гяв-рилов В.К.,196Я; &0»1Сг ЧМ. , 1964 и др.).

Установлена зависимость, связывающая измеренные в момент максимума температура Ст удельную элактхопроводиость & и темпера-

туру Т плазмы разряда с давлением ксенона PQ. Значения & и Т усреднялись по диаметру канала разряда d* . Полученная зависимость 0(Т,Р ) при Pq=50xI33 Ла хорошо согласуется с известной из литературы зависимостью €>(Т) (Андреев C.ÎÎ., Гаврилов В.Ё.,1970), установленной для диапазона P0=(200-60Û)xI33 Па. В диапазона PQ -=(6-20)xI33 Па согласие тщу этими зависимостями отсутствует. Однако экспериментальная зависимость 6f(T,P0) хорошо согласуется с известной из литературы зависимостью бЧТ,Р0)= оп-

ределяемой формулами Спитцера и Саха. Расчет величины б" по формуле Спитцера основывается на данных по ионизационному составу плазмы и вследствие этого" является весьма сложным. Поэтому мы '-предлагаем следующую формулу, полученную путем уточнения известно!', из литературы зависимости б"(Т) при помощи зав:1спмостиб(Р0)Ь^одФ рассчитанной по формуле Спитцера:

1,1 • Ю-7 • т2 • Р0 О*1,*' (5)

где б", (Ом. см)""*; Т, К; PQi на. Результаты расчета значений б" . по формуле (5) в диапазонах Р =(o-600)xI33 Па и Т=15-30 кК пме.эт лучшее согласие g экспериментом, чем результаты расчета по упомянутой вышо зависимости бГ(Т).

исследования, проведенные1 для позитивных фоторезистов различных типов, св.ванные с формированием субм.мронных иагмеьтов приборов микроэлектроники методом 'отолптогрифип, показали оледуицео.

аля 'Тормирсвания в слое [оторознста марки iITT-1 фрагментов с размерами 0,5 мкм нп поверхности объекта необходимо обеспечить значение энергетической экспозиции б полосе 20С-..75 им Qr. -0,36 Дж/см'^. При ббльшом размер 1рпгментои, п именно 0,1 и 1,0 мкм требуется в 2 раза меньшее значение Qr. . Значение в полосе

2U0-4C0 им и размере 1,0 мкм не зависит от гшергетпчоекой осво-

-3 4 °

щлшоити на объекте щи ео изменении о диапазоне 10 -10 3т/см". Рассматриваемые в работе обоспочпиаэт получение значения за 3-6 импульсов пли за еромя Ô-12 секунд. Применение ртутных л;мп требует времени экспонирования 3-5 м.шут. Iipu использовании излучения с ббльшлма длинами золн значение эксиояшт Qr рсз-р&огрэт: в полосе 275-3;25 нм - в 2 раза, а полосе ЗЬ0-4С0' нм - в о раз, а в полосе 4<j0 нм cïopu оъат ь ц^н-менгы с заз мегом О,С мкм не удается. Узэл.меиле зкгиозуц'п мо:лно обклеишь появлением дифракционных ограничений и он.^нпеи энергии квантов до эначоаи.1, меньших энергии сеязи атомов в ..¡олеку.;о.

При экспонировании фоторезистов ланосекундными импульсами мягкого рентгеновского излучения (полоса 0,1-1 нм) от источника, созданного на основе серийного рентгеновского дефектоскопа "МИРЛ-2Д", установлено следующее. Энергетическая экспозиция в полосе 0,1-1 нм совпадает сс значением, установленным в КУ4? полосе. Однако эффективное воздействие на ¡^оторозлст происходит пссло числа импульсов в 10^-10^ раз больщего, чем в КУФ полосе. Возрастание эффективного числа импульсов можно объяснить уменьшением на несколько порядков оптической толщины фоторезиста в полосе 0,1-1 нм, а так-ке низким энергетическим КЩ рентгеновского источника, составляющим 0,01-0,1%.

.¡'сследования, связанные с обеззараживанием поверхностей различных объектов, в том числе куриных яиц, от патогенной микрофлоры, показали следующее.

¡¡кпульсы КУЬ излучения длительностью 2 мкс обладают ярко выраженной бактерицидной активностью, проявляющейся в уменьшении зараженности объекта в раз. Данные импульсы излучения не влияют на пищевые и репродукционные свойства куриных яип.' Исследования, проведенные для различных видов патогенной мжро.улоры, а гак;ке для.поверхностей различных объектов (дерево, стекло, пласт-м''*;са, питательный агар, куриное яйцо) показали, что для эффективного бактерицидного воздействия на поверхности объекта необходимо обеспечить значение энергетическся экспозиции в полосе 200-275 нм йв =20 Зкпчение 0.6 в полосе 2СС-400 нм не зависит от мнергеткчоской освещенности на объекте при её иитнвшт в диапазоне Вт/см^. Рассматриваемые в работе Ж обеспечивают получение значения 0>в, за 1-й импульса. 1:ркменеш:е ртутных ламп требует в семени экспонировани:: 0,5-1 минута . При использовании излучения с ббльшими длинами волн значение экспозиции 0.Б возрастает: в полосе 275-4С0 км - ь 2 рчпо, а при "Х>/ 400 нм бакторпцздный эф-{ект отсутствует. Увеличение экспозиции мо-лю объяснить сниконием энергии кваятов до значений, меньших эноргип сз.гтл атомов в молекул«. Экспониропянкэ мшедо '.лоры кмпульсялц мягкого рентгеновского излучонпя длительностью 5 не показывает, что после Кг-Ю1 кгш.уль-сов бактерицидный э(фект отсутствует. Иропедошга оценочные расчеты показали, что для Г,ектлЕН0Г0 бактерицидного воздействия кз-лучзнием в полосп 0,1-1 нм требуотсп как м;ш.:;мум в 10^ ргз болъ-иь-с число кмцульсов, чем в К7Ф колосе.. Возрастание элективного

числа импульсов можно объяснить уменьшением на несколько порядков оптической толщины микрофлоры в полосе 0,1-1 нм, а также низким энергетическим КЭД, рентгеновского источника.

В четвергом разделе приведены результаты анализа полученных экспериментальных данных и разработанная на их основе инженерная методика расчете характеристик -Л, рассматриваемых в работе.

В области значений параметра 30/Р0"^ 0.6 ВДсм-Па) в расчетах зависимостей от времени площади сечения канала разряда и сопротивления ¡iC R(t) справедливо использование уточненной на основании полученных экспериментальных данных, известной из литературы модели заполнения Vil плазмой, установленной для цилиндрических, сильноточных, сходящихся разрядов в ксеноне ^(Андреев С. И. и соавт.,1977; Белоусова И.М. и соавт.,1979). 3 рамках этой уточненной модели в расчетах зависимости R.(t) справедливо использование приближения Ъ^Ь), 6V.(t) =СОп$Ь , где ¿T* ("к) - удельная электропроводность плазмы средняя по 8>K(-t). При этоь. неоднозначность зависимости определяемой формулой (3), в области 'Cí,^- 0,75 мне объясняется неполным заполнением сечения ПЛ плазмой в момент максимума тока

В области значений параметра 20/Р0 ¿ 0,3 ВДсм-Па) в расчетах значения SKCíl ) справедливо использование уточненной на основании полученных экспериментальных данных, известной из лстера-туры моделй заполнения iJI плазмой, установленной для мшишеекунд-них Ш (Маршак Л.С. и соавт. ,1978). В расчетах зависимости RGfe) является справедливым применение ¿[ормулы Ромпе-ВаЙцеля.

Методика расчета характеристик .ill заключается в следутцем.

В основе методики расчета ресурса Ж лехпт известная из литературы (Басов iJ.r.,I990) следующая для расчета спада кривой относительного освечивания Q (V)/ Э0 с ростом числа импуль-

C0B/V: Q{N)/O0 = (I -8+)Ы , отн.ед.; (6)

где - параметр, определявши'; ресурс -ill и зависящий от параметров 'Ж и ¿НЭ. Анализ показал, что зависимость &(М)/9о , рассчитанная по формуле (б) и известным тз литературы данным для параметра Si , установленным для микросекундных ИД. относительно малых геометрических размеров, не позволяет даю грубо оценить ресурс ИЛ, рассматриваемых в данной ресЗоте. Однако если для рассматриваемых íil известны зависимости для параметра , то расчет ресурсу может быть проведен по формуле (б). С этой целью был.

выполнен расчет зависимостей для параметра^ . Расчет был проведен по установленным в работе экспериментальным кривым спада осеэ-чивания и следу/х;;ему соотношению =1-( 6(/^)/ д0 , которое нетрудно по луч ;:ть из формулы (6). Результаты расчета приведены в таблице 2.

Таблица 2

Pn/I33, Па 300 .50 20 6 6 б

M , Дж/см 5 5 5 5 9 19

Éi . отн.ед. I 5-Ю"3 ю-3 ю-6 10"® 4-Ю"5

Проведенное сопоставление экспериментальных зависимостей b(NI/u0 и рассчитанных по формуле (б) и данным, приведенным в таблице 2, показало хорошее согласие..

В основе методики расчета электротехнических и излучателькых характеристик ¡ill лежит приближение квазксгзционарносги сопротивления /Л а процессе энерговклада: Справедливость использования этого прлблитения следует :га сопоставления экспериментальных и теоретических зависимостей параметров импульса тока от параметра согласованиях =R(tj )/&&) , где Ç«. = \/l/C - мо-. м-чт маяс'шу мя ток а. Экспериментальные зависимости соответствует случаю Mi У- l(L)-t0.5+I,5) при ± и R(t)= const , а теоретические - случаю R.("t)-const ,-t^O . Сопоставление показывает, что теоретические и экспериментальные значения амплитуды тока и момента первого нуля тока^ отличаются не более чем на I0-I5f,. для экспериментальных значений 'к установлено следующее QooTiiotnoiirJ'^=0,5*Х -vTJc" , которое выполняется о точностью не хуу.о 10-15;'. Значения иб"т , необходимые для расчета характеристик Iwl, определяются путем решения системы из двух уравнении. Первым yprmKiMniM является тоирот/.ческля зависимость для случая R,(t) = const ,ЬУ<0 , однозначно связывающая значение lm-¿>/5 с величиной 2 = ^/(2-S 'Çlc'G^ ) и параметрами Л1Э. Вторым уравнением, в зависимости от величины 'ь- , является эксперимент;: льна я зависимость ) (3) лли (4). По найденному значению <Fm _ и зсдштии тпршетрви Л и ЙНЭ определялгся значения .t* , Гу и зависимость l(t ). После чего, лскольауя заданные ип ранет;-..: «tf н ¿Но и на&цонноо значение Jm '.:иш Ру по дьнпиа таблицы I и рисунка,-J орду л; ¡л! (I) и (2) определяется псра;ютгм шиульсп излучения

Сопоставление показывает, что отличие результатов расчета значений и по изложенной методике от результатов эксперимента в практически интересных случаях не превышает ЗОЙ,

приведена инженерная методика решения задачи расчета параметров и £НЭ по заданным характеристикам источника (ресурс, параметры импульса излучения на объекте и др.). Также приведены описание й результаты исследования характеристик трех классов опытных образцов источников КУФ излучения, разработанных и изготовленных в соответствии с полученными рекомендациями, предназначенных для микро- и наноэлектроники, высокоскоростного обеззараживания поверхностен,' (йотохимии, лазерной техники и других прикладных областей. .

ЗАКЛЮЧЕНИЙ

' I. В диссертации проведены экспериментальные исследования, связанные о получением исходных данных и разработкой на их основе инженерной методики расчета характеристик трубчатых Кононовых ламп микросекувдного диапазона (1,5-6 икс) я длино;'. светящегося тела =10-100 см. На основе полученных данных разработаны, изготовлены и исследованы три класса опытных образцов источников КУ£ излучения, предназначенных для млкро- л наноэлектроники, высокоскоростного обеззараживания поверхностей, ¡отохимчи, лазерной техники и других прикладных области!!.

2. Разработана инженерная методика расчета характеристик ламп с питанием от ШЭ, аспользуо'дая сладу лад;« оснопше положение 2.1. á расчетах параметров импульса тока справедливо использование положешш о квазлстацлон.'Ч'ностн сопротивления лампы в процессе основного энеproоклада, состашивдого около аСЗ от начального опоргозашюа в ¿13. Устгаовлоиы ^/сиоримонтальгп'е зависимости, связывалцло удолькые зджтротохничоск/.о параметры пля'з-ми разрща, такие, как электропроводность 6",* ,¡ амплитуда плотности тока , полученные усреднением по диаметру резрдг.аой трубки d , с параметрами лампа н ¿НЭ.

'4.2. В полосе 20С-400 н;л уегшюичбни экспериментальные зиви-симостп, связына^яне лзлучателыше хг.ракгчр!ит;ж<; сез^чца, такта, как энергетический КЩП, л яркостнмя те и-пер:-.тура Т , полученная усредненном по диаметру а, о удельны,.и элоктроюх-плесьими хнршегерлотжам;: разряда и с г.г.ра метр.0 ми лемпы i; Д!Э. Получены эксподакгнпльаче зав/.сии.ост;;, повторяемость пога-

- Iô -

метров импульса излучения с параметрами лампы ц ¿33.*

2.3. На ochobshe:i экспериментально полученных ресурсных характеристик ламп уточнены литературные данные и разработана методика расчета ресурса лампы по заданным параметрам лампы и ¿НЭ.

3. Установлено, что в расчетах удельной электропроводности плазмы разряда по зависимости 6" =d (TjPjP-T^1^, определяемо"! Формулами Спитцера и Саха, а также в расчетах газокпнэтнческого давления плазмы справедливо использование прлближний JlîР, лодшои ионизацки, ддеальности и постоянства химического состава плазмы.

4. Лсследована эффективность воздействия импульсов УФ и мягкого рентгеновского излучений на химические свойства применяемых в радиоэлектронной промышленности полимеров, а такг.е на жизнедеятельность патогенной микрофлоры. Показано, что наиболее элективное воздействие оказывает излучение в ХУ2 полосе 200-275 нм. Для формирования в слое позитивного фоторезиста фрагментов приборов микроэлектроники с размером 0,5 мкм необходимо значение энергетической экспозиции на объекте QR =0,35 Д;х/см^. Для элективного обеззараживания поверхностей от патогенной мжро~;лоры необходимо значение =20 Ак/см2.

5. На основе пол^ченньх данных разработаны, изготовлены и • -лс следованы три класса опытных образцов источников ХУФ излучения со слздущими оптимальными параметрами: Р0 = 6x133 Па; 30 > 0,5 кЗ/см; j-m = 7-17 кА/et? (Ру = 0,8-2,1 ШЗт/с^). Выбор этих значений параметров позволял получить ресурс ламп не кия© 10® импульсов; полный энергетический КЩ в полосу 200-400 им r>tx =12-16%. ооставля-зщий не менее 70$ от максимального зафиксированного в экспериментах значения; яркостную температуру в полосе 200-40G нм Тят=( 10-12)х103 К; повторяемость параметров импульса излучения не хуже Ъ%.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Дашук П.Н. и др. Высокоскоростные устройства обеззараживания яиц от сальмокеллеза и другой патогенной микрофлоры / П.Н. Дашук, В.ЮЛСоробочко, С.Л.Кулаков // Российская научно-практическая конференция "Высшая школа России и конверсия": Тез .докл. -М.: МАИ, I9S3. - С.ЗБ.

2. Дашук П.Н. и др. Импульсные источники иоищого КУФ излучения / П.Н Дашук, В.Ю.Коробочко, С.ЛЛСулаков //Российская научно-техническая конференция "Инновационные наукоемкие технологии для

Росоаи": Тез .докл. - СШ., 1995. - Т.2. - С.61.

3. Дашук П.Н. и др. Импульсный источник мягкого рентгеновского излучения / П.НДашук, С.Л.Кулаков, В.Ю.Коробочко и др.// Ппоыла в нуриал технической физики. -1993. -Т. 19, вып.18.-С.16-20.

4. Дашук П.Н. ж др. Рентгеновское излучение скользящего раз-рода / П.НДашук, В.Ю.Коробочко, С.Л.Кулаков // Российская научно-техническая конференция "Инновационные наукоемкие технологии для России": Тез.докл. - СПб., 1995, - Т.2. - С.62.

5. Исследование оиотеш предыонизации эксимерного лазера: Отчет о НИР / Ленингр.политехн.ин-т; Руководитель П.Н.Дашук. -.Л ГР 01060012770} Пнв,№ 02910023601. - Л., 1990. - 36 с.

6. Коробочко В.Ю. и др. Объемный самостоятельней разряд о ЕрэдыонизациеЙ рентгеновским излучением / В.Ю.Коробочко, С.Л.Кулаков, А.А.Кучлнишй и др.// УШ Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы: .Тез .докл. -Ми1.Ак, 1991. --С.81-82.

7. Разработка импульсного прэднонизатора на основе мягкого рентгеновского излучения: Отчет о НИР / Ленингр.политехи,ин-т; Руководитель П.НДашук. - & ГР 01890066853; Инв.Я 02900039089. -Л., 1989. - 53 с.

8. Рекомендации по применению импульсного ультрафиолетового излучения для инактивации микрофлору на поверхности скорлупа яиц / [с.А.Серко, Г.В.Куляков, П.НДашук, С.ЛДулаков, В.Ю.Коробочко]. - СПб., 1992. - 5 с.

9. Создание макета коаксиального источника импульсов светового излучения: Отчет о НИР / Ленингр.политехи.ин-т; Руководитель П.НДашук. - ИГР 01890066860; Инв.Я 02900042446. - Л., 1990. -65 с.

_Лицензия ЛР № 020593 от 9-07.92

Подписано к печап/МЗ <37 Тираж -/00 Заказ >к/2£

Отпечатано в Издательстве СП6ГТУ 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29