Excimerlampe

172 nm VUV-Excimerstrahlung
Hocheffiziente monochromatische 172 nm-Strahlung für vielfältige technische Anwendungen

Excimertechnologie -
herausragende Merkmale
Komponenten -
effizient und leistungsstark
Geräte -
optimal konzipiert
Oberflächenreinigung
und -aktivierung
Geruchsbeseitigung
in industrieller Abluft
Schadstoffreduktion -
hochwirksam

Die Bezeichnung Excimer – im Deutschen auch als Eximer geschrieben - ist ein Akronym, welches aus Bestandteilen der Wörter „excited dimer“ („angeregtes Dimer“) zusammengesetzt ist. Ein Excimer ist somit ein Teilchen, das aus zwei oder mehr Atomen oder Molekülen gleicher Art gebildet wird und sich in einem angeregten Zustand befindet (beispielsweise Xe2*). Exciplexe bestehen dagegen aus zwei oder mehr unterschiedlichen Atomen oder Molekülen, werden heutzutage aber auch oft als Excimer bezeichnet (beispielsweise XeCl*).

Ein Xenon-Excimermolekül entsteht beispielsweise dadurch, dass ein durch Elektronenstoß angeregtes Xenonatom mit zwei weiteren Xenon-Atomen wechselwirkt. Das Xenon-Excimermolekül ist sehr kurzlebig und zerfällt rasch unter Strahlungsenergieabgabe wieder in zwei Xenon-Atome.

Excimerreaktion

Excimertechnologie - herausragende Merkmale

VUV- und UV-Strahlung

Excimerlampen sind leistungsstarke diffuse Strahlquellen im VUV- und UV-Bereich. Sie emittieren nahezu monochromatische Strahlung mit einer geringen Bandbreite. Die Emissionswellenlänge kann durch die jeweilige Füllsubstanz eingestellt werden. Die technisch relevanten Wellenlängen reichen von 172 nm im VUV-Bereich bis typischerweise 308 nm im UV-B-Bereich.

Mittels auf oder im Lampenkörper aufgebrachter Beschichtungen können neben den charakteristischen Excimerwellenlängen ebenfalls breit- oder schmalbandige Strahlquellen im UV- bis in den sichtbaren Bereich hergestellt werden.

Effizient

Ausser der Quecksilberlampe, die hauptsächlich bei 254 nm und/oder 356 nm emittiert, gibt es keine weiteren Lampentypen, die effizient UV-C-Strahlung erzeugen. Im Bereich der VUV-Strahlung, d.h. unterhalb von 200 nm, gibt es ausser den Excimerlampen keine Strahlquellen, die auch nur eine annähernd hohe Strahlungseffizienz besitzen. So setzt die Xenon-Excimerlampe mehr als 30% (teilweise bis zu 40%) ihrer zugeführten elektrischen Leistung in 172 nm-Strahlung um.

Im Gegensatz zu anderen Lampentypen können Excimerlampen beliebig oft an- und ausgeschaltet werden, ohne dass die Lebensdauer hierdurch negativ beeinflusst wird. Ebenfalls erreicht die Excimerlampe nahezu sofort ihre maximale Ausgangsleistung.

Molekül Wellenlänge Energie
Xe2* 172 nm 7,2 eV
KrBr* 207 nm 6,0 eV
KrCl* 222 nm 5,6 eV
XeCl* 308 nm 4,0 eV

Komponenten - effizient und leistungsstark

Excimerlampen

Exiteck stellt Excimerlampen unterschiedlicher Leistungsdichte und Länge als auch Füllung her. Im industriellen Bereich kommen insbesonderen Xenon-Excimerlampen zum Einsatz. Hierfür werden Lampen beginnend mit einer Länge von 200 mm bis hin zu Lampen von 2500 mm produziert. An der Lampenoberfläche können Strahlungsleistungsdichten von über 150 mW/cm2 bei einer Wellenlänge von 172 nm realisiert werden.

Excimerlampen besitzen nicht wie andere Gasentladungslampen Elektroden im Entladungsraum, sondern außerhalb. Es handelt sich hierbei um sogenannte dielektrisch behinderte Entladungen. Die elektrische Energie wird mittels hochfrequenter Wechselspannung von mehreren Kilovolt Amplitude in den Entladungsraum eingekoppelt.

Excimerlampe

Vorschaltgeräte und Inverter

Um die erwähnten technischen Spitzenwerte für die Excimerlampen realisieren zu können, werden höchste Anforderungen an das Material und die Verarbeitung gestellt. Ebenfalls ist ein gutes Zusammenspiel mit den anderen elektrischen Komponenten notwendig, um diese Werte zu erreichen. Daher entwickelt und produziert Exiteck eigene Vorschaltgeräte und Inverter, um eine optimale Leistungseinkopplung in die Excimerlampe und Anregung der Gasatome zu ermöglichen.

Exitecks Vorschaltgeräte und Inverter sind einzigartig und zeichnen sich durch eine sehr effiziente Anregungsart aus. Nur hierdurch können die erwähnten Strahlungsleistungsdichten der Excimerlampen erreicht werden. Ebenfalls sind die Geräte verlustarm, so dass auch ein sehr guter Anschlusswirkungsgrad erzielt werden kann.

Inverter

Regelung und Überwachung

Für einen zuverlässigen industriellen Betrieb ist eine Prozessüberwachung unerlässlich und eine Prozesssteuerung oft wünschenswert. Daher können Exitecks Vorschaltgeräte und Inverter als auch die Excimerlampen mittels eines Steuergeräts überwacht und geregelt werden. Das Steuergerät kann lokal von einem Benutzer bedient oder mittels einer externen Steuereinheit via einem CAN-Bus angesteuert und überwacht werden.

Die Steuereinheit überwacht die angeschlossenen Geräte und schaltet, falls notwendig, sie notfalls im Fehlerfall aus. Warn- oder Fehlermeldungen werden mitprotokolliert. Ferner kann die Steuereinheit die angeschlossenen Geräte im konstanten Leistungsmodus betreiben, d.h. die Excimerlampen werden bei gleicher eingekoppelter Leistung betrieben. Im Zusammenspiel mit den von Exiteck ebenfalls entwickelten Sensoren ist ebenfalls ein Betrieb mit konstanter abgegebener Strahlungsleistung möglich, d.h. die Anregungsleistung wird automatisch geregelt. Des weiteren können andere angeschlossene Komponenten zum Betrieb von Systemen, wie Lüfter, Temperatursensoren etc. ebenfalls überwacht werden.

Steuergerät

Sensoren

Die Messung von 172 nm kann ebenfalls eine technische Herausforderung sein. Exiteck hat sich dem angenommen und einen Sensor entwickelt, der sensitiv genug ist, um zuverlässig Strahlungsleistungsdichten bei 172 nm zu detektieren. Mittels eines speziellen Diffusors ist die Sensitivität nur schwach winkelabhängig.

Eine Besonderheit stellt die Verschlussklappe dar. Sie öffnet nur den Strahlengang zu den photosensitiven Elementen während der Messung und ermöglicht somit zum einen eine wohldefinierte Dosismessung beziehungsweise Mittelung der Strahlungsleistungsdichte und verhindert bei Nichtbenutzung und Einbau des Sensors im Bereich der Excimerlampe eine unnötige energiereiche Bestrahlung (bei 172 nm beträgt die Photonenergie 7,2 eV!) der photosensitiven Elemente. Dadurch wird die Degradation dieser Elemente deutlich gesenkt.

Offener Sensor

Geräte - optimal konzipiert

Oberflächenreinigung und -aktivierung

Ein wichtiges Argument für den Einsatz von Excimerstrahlern für die Oberflächenbehandlung ist, dass es sich um eine berührungslose Technologie handelt und somit potentielle Kontaktkontaminationen verhindert werden. Die schnelle zeitliche Verfügbarkeit der Strahlung sowie die Möglichkeit sie beliebig oft ein- und ausschalten zu können, ist ebenfalls ein weiterer Pluspunkt. Weiterhin ist deren hohe Effizienz und damit verbunden die geringe Strahlung in anderen Wellenlängenbereichen (ebenfalls im Bereich der Wärmestrahlung) hervorzuheben.

Oberflächenreinigung

Excimerstrahler mit einer Wellenlänge von 172 nm haben die Reinigung von Oberflächen im Bereich der Halbleiter- und Flachbildschirmtechnik revolutioniert und sind heute nicht mehr aus diesen Bereichen wegzudenken. Erst auf Grund ihres Einsatzes konnten kleinste organische Verunreinigungen wirkungsvoll entfernt werden. Mittels der Excimerstrahlung werden längere Molekülketten aufgebrochen, Ozon aus der Umgebungsluft produziert und damit die organischen Substanzen aufoxidiert, so dass letztendlich flüchtiger Wasserdampf, Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxid entstehen und somit die an der Oberfläche haftenden Substanzen verschwinden.

Oberflächenaktivierung

Excimerstrahler können aber auch eingesetzt werden, um Oberflächen zu aktivieren, dünnschichtige Substrate auf Oberflächen, wie Lacke oder Tinten, auszuhärten und zu verändern (beispielsweise für die Oberflächenmattierung). Im Fall der Oberflächenaktivierung wird die Oberflächenenergie erhöht. Materialien, die eine geringere Oberflächenenergie als ihr Trägersubstrat besitzen, benetzen großflächig das Trägersubstrat. Ansonsten kommt es bei flüssigen Materialien nur zu einer lokalen Tropfenbildung auf Grund der vergleichsweise hohen Oberflächenspannung.

Lampenkopf

Geruchsbeseitigung in industrieller Abluft

Geruchsträger sind meistens organische Substanzen, die auf Grund chemischer oder biologischer Prozesse in die Abluft gelangen oder eingebracht werden. Ausser der Tatsache, dass Prozessabluft teilweise schlecht riecht, sind manche in der Abluft enthaltenen Stoffe auch krankheitsfördernd. Um die Belastung durch schadstoffhaltige Abluft in einem verantwortbaren Rahmen zu halten, wurde in Deutschland die „Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft“, oft als TA Luft abgekürzt, erlassen. Sie regelt die Grenzwerte für die in der Luft eingetragenen Stoffe.

Excimerlampen sind in der Lage diese organischen Substanzen abzubauen. Erreicht wird dieses durch die direkte Bestrahlung der Abluft mit Excimerlampen. Hierdurch werden teilweise die Molekülketten direkt photolytisch zerstört oder die Geruchsmoleküle reagieren mit Ozon, das ebenfalls aus der Luft photolytisch gewonnen wird, und werden dadurch abgebaut.

Der Vorteil gegenüber der Behandlung mit Excimerlampen gegebenüber anderen Verfahren ist, dass keine Stickoxide während des Bestrahlungsprozesses neu entstehen, da die Energie der Strahlung nicht ausreicht, um die in der Luft sich befindlichen Stickstoffmoleküle aufzubrechen.

Schadstoffreduktion - hochwirksam

In der Abluft befindliche Treibhausgase müssen ebenfalls Grenzwerte einhalten (TA Luft), um die globale Erwärmung zu begrenzen. Beispielsweise entstehen auf Grund biotischer Prozesse Faulgase, die unter anderem Methan enthalten. Methan ist mit herkömmlichen Methoden nur schwer oder unzureichend abbaubar. Werden Methan und Luft mittels Excimerlampen bestrahlt, wird Methan in signifikanten Mengen abgebaut.

Reaktor