DE19926494A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abbildung von mikroskopisch kleinen Teilchen - Google Patents

Abstract

Zur Abbildung einer Teilchenanordnung (100) erfolgen eine Beleuchtung eines dreidimensionalen Raumbereiches, in dem sich mindestens ein mikroskopisch kleines Teilchen der Teilchenanordnung (100) frei bewegt, mit einem Beleuchtungs-Strahlungsfeld, das mindestens zwei spektral verschiedene Teilstrahlen umfaßt, die in einer Bezugsfläche senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung vorbestimmte Intensitätsverläufe aufweisen, eine Erfassung von Streulichtbildern des Raumbereiches, die verschiedenen Wellenlängen des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes entsprechen, und eine Ermittlung einer Raumkoordinate des Teilchens aus den spektralen Intensitätsverläufen des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes und den Streulichtintensitäten des jeweiligen Teilchens in den Streulichtbildern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Teilchenabbildung, insbesondere ein Verfahren zur Erfassung dreidimensionaler Teilchenanordnungen oder -bewegungen, wie z. B. ein Verfahren zur Messung der Positionen und Geschwindigkeiten von mikros­ kopisch kleinen Teilchen in einem Plasma. Die Erfindung be­ trifft auch eine Vorrichtung zur Implementierung des Verfah­ rens und Anwendungen der dreidimensionalen Teilchenerfassung.

Es ist bekannt, daß sich in einem Hochfrequenzplasma, wie es z. B. bei der CVD-Technik eingesetzt wird, kleine Teilchen im Träger- oder Reaktionsgas bilden können, die sich fallabhängig störend oder fördernd auf die jeweilige Plasmaanwendung aus­ wirken. Die Teilchenentstehung in einem Plasma im Reaktionsgas Silan bei der aSi:H-Abscheidung wird beispielsweise von D. M. Tanenbaum et al. in "Appl. Phys. Lett.", Band 69, 1996, S. 1705ff., beschrieben. Es ist auch bekannt, daß sich Teil­ chen in einem Plasma unter bestimmten Bedingungen regelmäßig in einem sogenannten plasmakristallinen Zustand anordnen (s. z. B. DE-OS 197 13 637). Ein weiteres bekanntes Beispiel für Staubentstehung sind Fusionsexperimente, bei denen im Plasma Staubteilchen gebildet werden.

Es besteht ein Interesse an der Beobachtung der Teilchenent­ stehung und an der Verfolgung der Teilchenpositionen im Plasma. Falls die Teilchen, z. B. bei einem Schichtabschei­ dungsprozeß, störend wirken, könnten damit die Bedingungen der Teilchenentstehung überwacht und Zustände ermittelt werden, in denen die Teilchen aus dem Reaktionsgas entfernt werden müs­ sen. Besteht hingegen bei anderen Anwendungen gerade das Ziel einer Teilchendeposition im Rahmen der Schichtabscheidung, so sollen die Bewegungseigenschaften der zu deponierenden Teil­ chen erfaßt werden. Die Teilchenbeobachtung ist jedoch proble­ matisch, da die zu beobachtenden Teilchen allgemein in einem dreidimensionalen Probenraum verteilt sind und sich aufgrund ihrer geringen Größe (charakteristische Dimensionen im µm- Bereich oder kleiner) nicht ohne weiteres direkt abbilden lassen.

Bei einem bekannten Verfahren zur Teilchenbeobachtung (s. DE-OS 197 13 637 oder J. B. Pieper et al. in "Phys. Rev. E", 1996, Bd. 54, S. 5636ff.) wird eine Teilchenwolke mit ei­ nem strichförmig aufgefächerten Laserstrahl beleuchtet und das dabei entstehende Streulichtbild mit einer Kamera aufgenommen. Dieses Verfahren ist wegen seiner Beschränkung auf zweidimen­ sionale Abbildungen der Teilchenwolke bzw. von Ausschnitten aus der Teilchenwolke nachteilig. Um eine Teilchenwolke voll­ ständig zu erfassen, muß entsprechend der Publikation von J. B. Pieper et al. das strichförmige Beleuchtungsfeld schritt­ weise durch den gesamten Raumbereich, in dem sich die zu beob­ achtenden Teilchen bewegen, gefahren werden (Abscannen). Diese Scan-Bildaufnahme ist jedoch zeitaufwendig und auf stationäre Proben, wie z. B. Teilchen im plasmakristallinen Zustand, be­ schränkt. Dynamische Vorgänge bei der Ausbildung oder Verände­ rung der Teilchenanordnung im Plasma lassen sich nicht erfas­ sen.

Es ist ferner allgemein bekannt, zur Erfassung von Teilchen­ wolken diese vollständig räumlich homogen zu beleuchten und und von einer Richtung aus zweidimensional abzubilden. Diese zweidimensionale Projektion wird dann unter bestimmten Annah­ men über das System zur Ermittlung der dreidimensionalen Teil­ chenpositionen ausgewertet. Dieses Verfahren ist auf spezielle Aufgaben beschränkt, bei denen die Systemannahmen genügend si­ cher getroffen werden können, und nicht allgemein anwendbar.

Die Beschränkungen bei der Teilchenbeobachtung in Hochfre­ quenzplasmen sind analog auch bei anderen technischen Frage­ stellungen gegeben. So treten beispielsweise bei Sprüh- oder Spritztechniken Aerosolwolken auf, deren dynamische Entwick­ lung verfolgt werden soll. Wiederum liefern die herkömmlichen zweidimensionalen Abbildungsverfahren nur ausschnittsweise Teilinformationen über die Gesamtanordnung der Teilchen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Teilchenabbildung anzugeben, mit dem die Beschränkungen der herkömmlichen Verfahren überwunden werden und das insbe­ sondere die simultane Aufnahme aller drei Raumkoordinaten für beliebige statische oder dynamische Teilchenanordnungen ermög­ licht. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Vorrichtung zur Durchführung eines derart verbesserten Verfahrens und neue Verwendungsmöglichkeiten des Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren bzw. eine Vorrich­ tung mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird abweichend von der herkömmlichen strich­ förmigen Teilchenbeleuchtung zu einer Beleuchtung mit einem senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung zweidimensional aus­ gedehnten Strahlungsfeld übergegangen, das sich aus Strah­ lungsanteilen mit verschiedenen Wellenlängen zusammensetzt. Im Strahlungsfeld aus mindestens zwei spektral verschiedenen Teilstrahlen ist entsprechend der zweidimensionalen Ausdehnung eine vorbestimmte räumliche Wellenlängen- und/oder Intensi­ tätsverteilung gegeben, so daß ein Teilchen in Abhängigkeit von seiner Position im Strahlungsfeld mit einer bestimmten, positionsabhängigen Wellenlänge oder mehreren Wellenlängen be­ strahlt wird, deren zugehörigen Strahlungsanteile ein posi­ tionsabhängiges Intensitätsverhältnis besitzen. Diese simulta­ ne Bestrahlung aller zu beobachtenden Teilchen mit einer räum­ lichen Wellenlängen- bzw. Intensitätsverteilung liefert eine Wellenlängen- bzw. Intensitätscodierung in einem Streulicht­ bild, das von der Teilchenanordnung unter einer Richtung auf­ genommen wird, die von der Ausbreitungsrichtung des Strah­ lungsfeldes zur Teilchenbeleuchtung abweicht. Die wellenlän­ genselektive Aufnahme von Streulichtbildern der Teilchenanord­ nung liefert für jedes Teilchen zwei Positionskoordinaten aus dem zweidimensionalen Streulichtbild und eine dritte Posi­ tionskoordinate aus der Wellenlängen- bzw. Intensitätscodie­ rung, so daß mit einer einzelnen Bildaufnahme zeitgleich die gesamte Raumkoordinateninformation sämtlicher zur Teilchenan­ ordnung gehörenden Teilchen ermittelt werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Strahlungsfeld zwei aufgefächerte Teilstrahlen verschiede­ ner Wellenlängen, wobei sich in einer senkrecht zur Ausbrei­ tungsrichtung des Strahlungsfelds orientierten Bezugsfläche die Intensität des ersten Teilstrahls von einer zur anderen Seite der Bezugsfläche homogen vergrößert, während sich die Intensität des zweiten Teilstrahls homogen verringert. Es wer­ den zwei Streulichtbilder entsprechend den beiden Wellenlängen der Teilstrahlen aufgenommen und für jedes Teilchen aus den Verhältnissen der beiden zugehörigen Streulichtintensitäten und den Intensitätsverläufen der Teilstrahlen im Strahlungs­ feld die Raumkoordinaten des Teilchens ermittelt. Es können entsprechend auch sich überlappende Intensitätsverläufe mit drei oder mehr Wellenlängen vorgesehen sein.

Die Erfindung ist zur Beobachtung beliebiger Teilchenanordnun­ gen geeignet. Es kann sich bei der Teilchenanordnung um ein einzelnes Teilchen, das sich im beobachteten Raumbereich be­ findet, oder um eine Vielzahl von Teilchen handeln. Die Teil­ chen sind z. B. in einem Trägermedium, das gasförmig oder flüssig sein kann, frei beweglich. Es können beispielsweise Teilchen in einem Hochfrequenzplasma, Aerosole oder auch kol­ loidale Teilchen in einer Flüssigkeit mit dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren abgebildet werden. Die Teilchengröße kann anwen­ dungsabhängig variieren, wobei die Wellenlängen des Strah­ lungsfeldes zur Bereitstellung auswertbarer Streulichtbilder vorzugsweise auf der Basis der Mie-Streuung ausgewählt werden. Die Erfindung ist jedoch auch mit Streulichtbildern auf der Basis der Rayleigh-Streuung anwendbar. Die Erfindung wird zum Beispiel bei Teilchen mit charakteristischen Größen im Bereich von 1 µm bis 15 µm unter Verwendung von sichtbarem Licht für das Beleuchtungsstrahlungsfeld realisiert. Es sind aber auch kleinere Teilchen, zum Beispiel mit charakteristischen Größen im nm-Bereich, erfaßbar, wobei gegebenenfalls Strahlung kürze­ rer Wellenlängen, z. B. Röntgenstrahlung, zur Teilchenbeleuch­ tung eingesetzt wird.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Erstmalig wird eine Echtzeitbeobachtung der räumlichen Anordnung und Bewegung von Teilchenanordnungen mit einer einzigen Beobachtungsrich­ tung ermöglicht, wobei alle 3 Raumkoordinaten aller Teilchen zeitgleich aufgenommen werden. Das Abbildungssystem ist ein­ fach aus kommerziell verfügbaren Komponenten aufgebaut und oh­ ne weiteres an verschiedene Meß- oder Abbildungsaufgaben an­ paßbar. Die Bildaufnahme und -auswertung erfolgt mit hoher Ge­ schwindigkeit und Reproduzierbarkeit.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im fol­ genden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrie­ ben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Übersichtsdarstellung zur Illustration des erfindungsgemäßen Meßprinzips,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zur Erfassung von Teilchen­ anordnungen,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Aufbau einer Vorrichtung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine Seitenansicht des Aufbaus gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine Illustration von zwei Streulichtbildern, die verschiedenen Wellenlängenanteilen des Beleuchtungsstrahlungsfeldes entsprechen,

Fig. 6 eine Kurvendarstellung zur Illustration der Auswertung von Streulichtbildern, und

Fig. 7 Kurvendarstellungen der Streueigenschaften von Teilchen unter verschiedenen experimentellen Bedingungen.

Unter Bezug auf Fig. 1 werden zuerst die Grundprinzipien der Erfindung am Beispiel der Streulichtbeobachtung an zwei Teil­ chen (Teilchen 1, Teilchen 2) beschrieben. Die Teilchen 1 und 2 befinden sich in einem dreidimensionalen Probenraum mit den Raumkoordinaten (x₀, y₁, z₁) bzw. (x₀, y₂, z₂). Im Teilbild rechts oben von Fig. 1 ist die Teilchenanordnung illustriert. Die y- und z-Richtungen liegen in der Zeichenebene. Die x- Richtung erstreckt sich senkrecht nach oben aus der Zeichen­ ebene. Es wird zur Vereinfachung angenommen, daß die x- Koordinaten der Teilchen 1 und 2 identisch sind (x₀). Die Teil­ chenanordnung wird mit einer Beleuchtungsrichtung angestrahlt und mit einer Beobachtungsrichtung abgebildet. Allgemein ver­ laufen die Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtungen nicht parallel zueinander. Der Beobachtungswinkel zwischen beiden Bezugsrichtungen wird anwendungsabhängig zur Erzielung optima­ ler Streulichtbilder (s. unten) gewählt. Bei der schematischen Illustration gemäß Fig. 1 stehen die Beleuchtungsrichtung und die Beobachtungsrichtung senkrecht auf den x-z- bzw. x-y- Ebenen, so daß der Beobachtungswinkel 90° beträgt.

Würden nun die Teilchen 1 und 2 entsprechend der herkömmlichen Technik gleichförmig (gleichfarbig) beleuchtet und ein Bild von der Teilchenanordnung entsprechend der Beobachtungsrich­ tung aufgenommen werden, so würde dieses Bild keine Infor­ mationen über die z-Positionen der Teilchen liefern, sondern lediglich eine Projektion der Teilchenanordnung auf die x-y- Ebene darstellen.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß mit der Beleuchtung der Teilchen eine Wellenlängen- oder Farbcodierung erfolgt. Hierzu erfolgt die Teilchenbeleuchtung mit einem sich quer zur Beleuchtungsrichtung flächig erstreckenden Strahlungsfeld mit einer vorbestimmten räumlich inhomogenen Wellenlängen- und/oder Intensitätsverteilung. Das zweidimensionale Strah­ lungsfeld erstreckt sich somit in einer Bezugsfläche oder -ebene, die senkrecht zur Zeichenebene bzw. parallel zur x-z- Ebene verläuft und im linken Teilbild von Fig. 1 aus Übersichtlichkeitsgründen in die Zeichenebene verschwenkt dargestellt ist. Erfindungsgemäß besitzt das Beleuchtungsstrahlungsfeld eine räumlich inhomogene Wellenlängen- und/oder Intensitätsverteilung. Dies bedeutet, daß das Strahlungsfeld aus Teilstrahlen verschiedener Wellenlängen derart besteht, daß jeder Punkt in der Bezugsfläche des Strahlungsfelds von mehreren Teilstrahlen verschiedener Wellenlängen mit ortsspezifischen Intensitäts­ verhältnissen (oder alternativ von einem Teilstrahl mit einer ortsspezifischen Wellenlänge) durchsetzt wird. Da zur raumauf­ gelösten Teilchenabbildung lediglich eine Codierung in z- Richtung (oder allgemein: in Beobachtungsrichtung) erfolgen muß, setzt sich das Strahlungsfeld vorzugsweise lediglich aus zwei Teilstrahlungen verschiedener Wellenlängen zusammen, die in z-Richtung einen vorbestimmten Intensitätsverlauf I(z), in x-Richtung jedoch eine (jeweils z-abhängige) konstante Inten­ sität oder einen vorbestimmten, z. B. durch Vermessung be­ kannten Intensitätsverlauf besitzen. Die Intensitätsverläufe der Teilstrahlen in z-Richtung (bzw. allgemein: in Beobach­ tungsrichtung) werden derart gewählt, daß der erste Teilstrahl (A) mit zunehmenden z-Werten eine abnehmende Intensität und gegenläufig der zweite Teilstrahl (B) eine zunehmende Intensi­ tät besitzt. Diese Situation ist in Fig. 1 (links oben) darge­ stellt.

Wird nun die Teilchenanordnung mit einem derart zusammenge­ setzten Strahlungsfeld bestrahlt, so geht vom ersten Teilchen 1 Streulicht mit einem hohen Anteil der ersten Wellenlänge λ_A und einem kleinen Anteil der zweiten Wellenlänge λ_B bzw. vom zweiten Teilchen 2 Streulicht mit einem großen Anteil der zweiten Wellenlänge λ_B und einem kleinen Anteil der ersten Wel­ lenlänge λ_A aus.

Zur Trennung der verschiedenen Streulichteigenschaften der Teilchen ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, in Beobachtungs­ richtung zwei Streulichtbilder aufzunehmen, die jeweils dem Streulicht mit einer der beiden Wellenlängen entsprechen. Hierzu wird eine Filter-Kamera-Kombination verwendet, die im einzelnen unten erläutert wird. Das Ergebnis der Bildaufnahme ist in Fig. 1 im Teilbild rechts unten illustriert. Das Streu­ lichtbild entsprechend der ersten Wellenlänge λ_A ergibt eine hohe Intensität I₁ (λ_A) für das erste Teilchen 1 und eine geringe Intensität I₂ (λ_A) für das zweite Teilchen 2. Für das der zweiten Wellenlänge λ_B entsprechende Streulichtbild ergeben sich die umgekehrten Verhältnisse.

Aus den Intensitätsverhältnissen der Streulichtbilder, die je­ weils einem Teilchen entsprechen und dem in bestimmter Weise eingestellten Intensitätsverlauf I(z) des Strahlungsfeldes können unmittelbar, gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer Kalibrierung, die z-Koordinaten der Teilchen berechnet werden. Zusammen mit den x- und y-Koordinaten aus der Bildauf­ nahme ergeben sich somit für jedes Teilchen durch die simulta­ ne Aufnahme und Auswertung der Streulichtbilder alle drei Raumkoordinaten.

Die Kalibrierung oder Korrektur dieser z-Koordinatenermittlung ist insbesondere dann erforderlich, wenn die Teilchenanordnung Teilchen mit einer Größenverteilung umfaßt. Da verschieden große Teilchen verschiedene Streulicht-Abstrahlcharakte­ ristiken besitzen, muß zur Auswertung der Intensitätsverhält­ nisse der Streulichtbilder eine Größenkorrektur erfolgen, die auch aus den Streulichtbildern abgeleitet wird. Dies erfolgt durch Ermittlung der Summe der Streulichtintensitäten eines Teilchens in den wellenlängenspezifischen Streulichtbildern (z. B. I₁ (λ_A) + I₁ (λ_B)). Diese Summe ist ein Maß für die Teil­ chengröße, das als Normierungsgröße zur Intensitätskorrektur bei der z-Koordinatenermittlung gemäß I₁ (λ_A)/[I₁ (λ_A) + I₁ (λ_B)] bzw. I₁ (λ_B)/[I₁ (λ_A) + I₁ (λ_B)] berücksichtigt werden kann. Die Kalibrierung der z-Koordinatenermittlung ist aber auch dann in entsprechender Weise erforderlich, wenn die Teil­ chenanordnung Teilchen mit verschiedenen Materialien umfaßt oder Abschattungseffekte (beleuchtete Teilchen werden durch andere beleuchtete oder unbeleuchtete Teilchen abgedeckt) auf­ treten.

Das unter Bezug auf Fig. 1 erläuterte Meßprinzip kann im Rah­ men der Erfindung modifiziert werden. Statt des dargestellten, Intensitätsprofils I(z) des Strahlungsfeldes in Form einer Gauß-Funktion können auch andere Intensitätsverläufe gewählt werden (z. B. gerade Rampenprofile oder beliebige monotone In­ tensitätsverläufe, s. u.). Des weiteren können mehr als zwei Teilstrahlen zum Beleuchtungsstrahlungsfeld überlagert werden, die jeweils verschiedene Wellenlängen besitzen, wobei dann ei­ ne entsprechend größere Zahl von Streulichtbildern aufgenommen werden muß. Schließlich ist es auch möglich, als Beleuchtungs­ strahlungsfeld lediglich einen flächig aufgeweiteten Teil­ strahl mit einem spektralen Verlauf in z-Richtung vorzusehen. Das in Fig. 1 am Beispiel von zwei Teilchen illustrierte Prin­ zip läßt sich ohne weiteres auf beliebige Teilchenzahlen er­ weitern, soweit sich die Teilchen nicht gegenseitig verdecken.

Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung bei der Erfassung von Teilchen in der Probenkammer einer Plasma-Abscheidungs- oder Bearbeitungsvorrichtung wird im folgenden unter Bezug auf die Fig. 2 bis 7 erläutert.

Die schematische Übersichtsdarstellung gemäß Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein optisches System zur Beobachtung der Teil­ chenanordnung 100 in einem (nicht dargestellten) Plasmareak­ tor. Das eine erste Ausführungsform der Erfindung darstellende optische System umfaßt eine Beleuchtungseinrichtung 200 und eine Abbildungseinrichtung 300. Die Beleuchtungseinrichtung 200 ist zur Erzeugung des flächigen, wellenlängencodierten Strahlungsfeldes zur Partikelbeleuchtung ausgebildet. Die Ab­ bildungseinrichtung 300 ist dazu vorgesehen, Streulichtbilder der Teilchenanordnung entsprechend den im Strahlungsfeld ent­ haltenen Wellenlängenanteilen aufzunehmen. Die Beleuchtungs­ einrichtung 200 umfaßt zwei Strahlungsquellen 210, 220 zur Er­ zeugung von Teilstrahlen, die mit einer Überlagerungsoptik 230 überlagert und einer Blende 240 zum gewünschten Strahlungsfeld geformt werden. Die Abbildungseinrichtung 300 umfaßt eine Strahlteileroptik 310 zur Verteilung des von der Teilchenan­ ordnung 100 ausgehenden Streulichts auf zwei Filter-Kamera- Kombinationen 320, 330.

Die Strahlungsquellen 210, 220 sind im wesentlichen identisch aufgebaut und umfassen jeweils eine Lichtquelle 211, 221, eine Aufweitungsoptik 212, 222, einen optischen Ortsfilter 213, 223 zur Bildung des gewünschten Intensitätsverlaufs des jeweiligen Teilstrahls und eine Kollimatoroptik 214, 224. Die Lichtquel­ len 211, 221 sind Dauerstrichlaser, z. B. Gaslaser oder Dioden­ laser. Die Lichtquellen 211, 221 emittieren bei verschiedenen Wellenlängen, so daß sich z. B. eine grüne und eine blaue Emission ergeben. Die Wellenlängendifferenz liegt in der Größenordnung von rd. 100 nm oder auch darunter bis hin zu rd. 10 nm. Die Wellenlängendifferenz wird in Abhängigkeit von der Streucharakteristik der zu beobachtenden Teilchen gewählt und vorzugsweise möglichst klein eingestellt, um die wellenlängen­ bestimmten Unterschiede in der Abhängigkeit der Streulichtmes­ sung vom Beobachtungswinkel klein zu halten. Die Ausgangslei­ stung der Lichtquellen 211, 221 wird ebenfalls anwendungsab­ hängig gewählt. Zur Abbildung von Partikeln in einem Hochfre­ quenzplasma werden beispielsweise Diodenlaser mit einer Aus­ gangsleistung von rd. 20 bis 30 mW mit einer Wellenlängendif­ ferenz von rd. 30 nm betrieben. Mit den optischen Ortsfiltern 213, 214 wird der Intensitätsverlauf des jeweiligen Teil­ strahls eingestellt. Die Bezugszeichen 215, 225 weisen auf die entsprechenden Teilstrahl-Intensitätsprofile, die hier gauß­ förmig eingestellt sind.

Anstelle der optischen Ortsfilter können auch Einmoden- Glasfasern oder strahlformende Elemente, wie sie von F. M. Dickey et al. in "Opt. Eng.", Bd. 35, 1996, S. 3285ff., be­ schrieben werden, zur Einstellung des Intensitätsprofils vor­ gesehen sein. Mit den strahlformenden Elementen können bei­ spielweise rampenförmige Intensitätsprofile mit vorbestimmter Flankensteilheit eingestellt werden. Schließlich können die Intensitätsprofile alternativ auch durch Grau-Filterelemente mit keilförmigen Transmissionsverläufen erzeugt werden.

Die Teilstrahlen von den Strahlungsquellen 210, 220 werden an der Überlagerungsoptik 230 zur Erzeugung des gewünschten Strahlungsfeldes überlagert. Die Überlagerungsoptik 230 ist beispielsweise wie dargestellt ein Strahlteilerwürfel oder, insbesondere zur Minimierung der Intensitätsverluste im opti­ schen System, ein dichroitischer Spiegel, der zum Durchtritt des Teilstrahls von der Strahlungsquelle 210 bzw. zur Refle­ xion des Teilstrahls von der Strahlungsquelle 220 eingerichtet ist. Die Überlagerung der Teilstrahlen erfolgt derart, daß die Maxima der Intensitätsprofile um einen vorbestimmten Abstand in z-Richtung voneinander versetzt sind. Damit werden eine ab­ fallende und eine ansteigende Flanke der Intensitätsprofile 215, 225 zur Bildung des gewünschten Beleuchtungsstrahlungs­ feldes überlagert. Mit der Blende 240 werden die nicht an der gewünschten Überlagerung teilnehmenden Flanken der Teilstrah­ len ausgeblendet, so daß sich das mit dem Bezugszeichen 241 bezeichnete Intensitätsprofil entsprechend der Darstellung in Fig. 1 (links oben) ergibt. Mit diesem Strahlungsfeld, das ei­ ne in z-Richtung räumlich inhomogene Wellenlängenzusammenset­ zung und in x-Richtung eine homogene oder vorbestimmte bekann­ te Wellenlängenzusammensetzung besitzt, wird die Teilchenan­ ordnung 100 bestrahlt. Hierzu ist, eine Abbildungseinrichtung (z. B. optische Linse) zwischen der Blende 240 und der Teil­ chenanordnung 100 vorgesehen. Charakteristische Querschnitts­ dimensionen der Blende 240 bzw. des Beleuchtungsstrahlungsfel­ des liegen bei der dargestellten Anwendung im mm- bis cm- Bereich.

Die Teilchenanordnung 100 wird unter einem bestimmten Beobach­ tungswinkel mit der Abbildungseinrichtung 300 abgebildet. Die Strahlteileroptik 310 ist ein Strahlteilerwürfel oder, wieder­ um insbesondere zur optimalen Ausnutzung der Streulichtinten­ sität, ein dichroitischer Spiegel. Jede Filter-Kamera- Kombination 320, 330 umfaßt jeweils einen Streulichtfilter 321, 331 und eine Kamera 322, 332 zur Bildaufnahme. Die Streu­ lichtfilter 321, 331 sind vorzugsweise Interferenzfilter mit Durchlässigkeitsmaxima bei den Emissionswellenlängen der Lichtquellen 211 bzw. 221. Es können alternativ jedoch als Streulichtfilter auch andere wellenlängenselektive Elemente verwendet werden. Die Kameras 322, 332 sind vorzugsweise CCD- Kameras und werden derart justiert, daß beide Kameras densel­ ben Ausschnitt der Teilchenanordnung 100 aufnehmen. In speziellen Anwendungsfällen kann es ausreichend sein, statt der Filter-Kamera-Kombinationen 320, 330 jeweils farbempfind­ liche CCD-Kameras einzusetzen, die zur Aufnahme getrennter Farbauszüge des Streulichtbildes der Teilchenanordnung 100 eingerichtet sind.

Die Abbildungseinrichtung ist mit einem (nicht dargestellten) Abbildungsobjektiv ausgestattet, mit dem das von der Teilchen­ anordnung 100 ausgehende Streulicht auf die Strahlteileroptik 310 gerichtet wird. Dieses Objektiv ist vorzugsweise ein tele­ zentrisches Objektiv mit einem möglichst kleinen Öffnungswin­ kel (vorzugsweise unterhalb ± 0.05°).

Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zur Erfassung dreidimensionaler Teilchenanordnungen in Plasmareaktoren ist in den Fig. 3 und 4 in Draufsicht bzw. Seitenansicht dargestellt. Die Beleuchtungseinrichtung 200 und die Abbildungseinrichtung 300, vorzugsweise mit einer Gestal­ tung gemäß den oben erläuterten Prinzipien, sind über Ausleger 250, 350 an einem Doppeldrehlager 510 eines Trägersystems 500 befestigt. Das Doppeldrehlager 510 ist an einem Stativ 520 oder einer Haltebrücke über der Plasmakammer 400 angeordnet und erlaubt ein horizontales Verschwenken der Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtungen 200, 300 in Bezug auf die Proben­ kammer 400. Damit können beliebige Beobachtungswinkel zur Abbildung der Teilchenanordnung 100 in der Probenkammer 400 eingestellt werden.

Die Probenkammer 400 ist ein an sich bekannter Plasmareaktor, der transparente Seitenwände zur Bildaufnahme aufweist. Ein­ zelheiten, die den Betrieb und die Ansteuerung des Plasma­ reaktors und der Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtungen 200, 300 betreffen, sind in den Fig. 3 und 4 nicht darge­ stellt.

Im folgenden wird unter Bezug auf die in den Fig. 5 und 6 schematisch gezeigten experimentellen Ergebnisse die Auswer­ tung der Streulichtbilder zur Ermittlung der Teilchen- Raumkoordinaten erläutert. Zur Demonstration der Funktionsfä­ higkeit der Streulichtaufnahme an mit einer räumlich inhomoge­ nen Wellenlängen- bzw. Intensitätsverteilung bestrahlten Teil­ chen erfolgt hier abweichend vom Schema gemäß Fig. 1 die Be­ obachtung entlang der x-Achse auf die z-y-Ebene. Für große z- Werte besitzt das Beleuchtungs-Strahlungsfeld einen starken Grün- und einen geringen Blau-Anteil. Für geringe z-Werte sind die Verhältnisse umgekehrt.

Fig. 5 zeigt zwei Streulichtbilder einer gleichmäßigen Teil­ chenanordnung, die den grünen (oben) bzw. blauen (unten) Streulichtanteilen entspricht. Als Maß für die Streulichtin­ tensität sind die Teilchenbilder jeweils als schwarze Punkte mit einem größeren Durchmesser für höhere Intensitäten und ei­ nem geringeren Durchmesser für kleine Intensitäten darge­ stellt. Bei der abgebildeten Teilchenanordnung handelt es sich um eine Gruppe von Teilchen identischer Größe. Die Bilder zei­ gen, daß die Streuintensität im grünen Spektralbereich für die Teilchen bei größeren z-Werten größer als für die Teilchen bei kleineren z-Werten ist. Für die Streuintensität im blauen Spektralbereich ergeben sich die umgekehrten Verhältnisse. Dies zeigt bereits qualitativ die vorteilhafte Funktion der erfindungsgemäßen Wellenlängencodierung bei der Teilchenbe­ leuchtung.

In Fig. 6 ist die Abhängigkeit der in Bezug auf die Ge­ samtstreulichtintensität I_ges (= I_grün + I_blau) normierten Inten­ sitäten des blauen Streulichtbildes von der z-Position der Teilchen dargestellt. Es ist die quantitative Bestätigung der Zunahme der Lichtstreuung an den in Fig. 5 bei kleineren z- Werten positionierten Teilchen erkennbar.

Die Kurvendarstellungen in Fig. 7 illustrieren die Abhängig­ keit der Streuintensität vom Beobachtungswinkel (Winkel zwischen Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung) an absorbie­ renden Teilchen für verschiedene Wellenlängen (oberes Teil­ bild: λ = 442 nm, blau, unteres Teilbild: λ = 543 nm, grün). Für die verschiedenen Beobachtungswinkel ist jeweils in log­ arithmischer Skala das Verhältnis der Streuintensität I_S zur Beleuchtungsintensität I₀ dargestellt. Die bestrahlten Teilchen besitzen einen Radius von 1.69 µm. Der Absorptionskoeffizient der Teilchen beträgt m = 1.68. Die durchgezogenen bzw. gestri­ chelten Linien beziehen sich auf die Beleuchtung und Messung des Streulichts mit senkrechter bzw. paralleler Polarisation in Bezug auf die von den Beleuchtungs- und Beobachtungsrich­ tungen aufgespannten Ebene.

Die Kurvendarstellungen zeigen eine starke Abhängigkeit der Streulichtintensität vom Beobachtungswinkel. Das dargestellte Intensitätsverhältnis besitzt ein Minimum insbesondere etwa bei einem Beobachtungswinkel von 90°. Der Vorteil der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Anordnung besteht in der Bereit­ stellung des Drehlagers 510. Mit diesem können für einen kon­ kreten Anwendungsfall die optimalen Streulichtverhältnisse er­ mittelt werden.

Die Erfindung wird mit Vorteil bei allen technischen Vorgängen angewendet, bei denen Teilchen in dreidimensionalen Räumen be­ weglich sind und beobachtet werden sollen. Beispielsweise kön­ nen Sprüh- oder Zerstäubungsvorgänge an Düsen beobachtet und analysiert werden. Es können ferner beim Ätzen oder Sputtern in der Chip-Herstellung die Reaktionsräume beobachtet und in Bezug auf die Staubentstehung ausgewertet bzw. angesteuert werden. Eine weitere Anwendung betrifft die Kernfusions- Technik. In einer Fusions-Plasmakammer treten Staubentste­ hungsvorgänge auf, die ebenfalls störend wirken. Eine Anwen­ dung der Erfindung besteht hierbei in der Beobachtung der Orte und/oder Ablagerung der Staubwolken. Desweiteren ist auch ein konstruktiver Einsatz der Erfindung insbesondere in Zusammen­ hang mit der Manipulation von ungeordneten oder geordneten Teilchenwolken möglich. Schließlich liegen weitere Anwendungen der Erfindung bei der Beobachtung der Manipulierung (z. B. ge­ zielten Deposition) von Teilchen in der Nanotechnologie, wobei hier die Beobachtung der Rayleigh-Streuung bevorzugt impleme­ tiert wird.

Claims (16)

1. Verfahren zur Abbildung einer Teilchenanordnung (100), mit den Schritten:

• - Beleuchtung eines dreidimensionalen Raumbereiches, in dem sich mindestens ein mikroskopisch kleines Teilchen der Teil­ chenanordnung (100) befindet, mit einem Beleuchtungs- Strahlungsfeld, das mindestens zwei spektral verschiedene Teilstrahlen umfaßt, die in einer Bezugsfläche senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung vorbestimmte Intensitätsverläufe aufweisen,
• - Erfassung von Streulichtbildern des Raumbereiches, die ver­ schiedenen Wellenlängen des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes ent­ sprechen, und
• - Ermittlung einer Raumkoordinate des Teilchens aus den spek­ tralen Intensitätsverläufen des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes und den Streulichtintensitäten des jeweiligen Teilchens in den Streulichtbildern.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem weitere Raumkoordinaten des Teilchens aus dessen jeweiliger Position in den Streu­ lichtbildern erfaßt werden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die mindestens zwei Teilstrahlen eine erste bzw. zweite Bezugswellenlänge (λ_A, λ_B) besitzen, wobei von einer zur gegenüberliegenden Seite der Be­ zugsfläche des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes der Anteil des ersten Teilstrahls mit einem vorbestimmten Intensitätsverlauf abnimmt und der Anteil des zweiten Teilstrahls mit einem vor­ bestimmten Intensitätsverlauf zunimmt und die Raumkoordinate jeweils eines Teilchens aus dem Verhältnis der Streulichtin­ tensität des Teilchens bei einer der Bezugswellenlängen zur Summe der Streulichtintensitäten des Teilchens entsprechend beiden Bezugswellenlängen in den Streulichtbilder ermittelt wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Intensitätsverläufe die Gestalt von Seitenflanken einer Gauß-Funktion, geraden Rampenintensitätsverläufen oder monotonen Intensitätsverläufen besitzen.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem Teilstrahlen mit zwei Lichtquellen (211, 221) einer Beleuchtungseinrichtung (200) erzeugt werden, deren Emissionen einer Ortsfilterung zur Er­ zielung der Intensitätsverläufe unterzogen und mit einer Über­ lagerungsoptik (230) zur Bildung des Beleuchtungs-Strahlungs­ feldes überlagert werden.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Streulichtbilder mit Filter-Kamera-Kombinationen (320, 330) aufgenommen werden, die jeweils zur Bildaufnahme bei ei­ ner der im Streulicht der Teilchenanordnung auftretenden Wel­ lenlängen ausgelegt sind.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Teilchen im Reaktionsraum einer Hochfrequenz-Plasma­ anordnung befinden.

8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wellenlängen des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes einen Wel­ lenlängenabstand im Bereich von 100 nm bis 10 nm besitzen.

9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für jedes Teilchen eine Teilchengrößen-, Material- und/oder Abschattungskorrektur auf der Basis von aufsummierten Gesamt- Streulichtintensitäten des Teilchens erfolgt.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Beleuchtungs- Strahlungsfeld eine spektrale Wellenlängenverteilung umfaßt.

11. Vorrichtung zur Abbildung von Teilchenanordnungen (100) mit mindestens einem Teilchen in einem dreidimensionalen Raum­ bereich, die umfaßt:

• - eine Beleuchtungseinrichtung (200) zur Erzeugung eines Be­ leuchtungs-Strahlungsfeldes, das mindestens zwei spektral ver­ schiedene Teilstrahlen umfaßt, die in einer Bezugsfläche senk­ recht zu ihrer Ausbreitungsrichtung vorbestimmte Intensitäts­ verläufen aufweisen,
• - eine Abbildungseinrichtung (300) zur Erfassung von minde­ stens zwei Streulichtbildern des Raumbereiches bei jeweils verschiedenen Wellenlängen des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes, und
• - eine Auswertungseinrichtung zur Ermittlung von Teilchen­ raumkoordinaten aus der Wellenlängenverteilung und den Streu­ lichtintensitäten jedes Teilchen in den. Streulichtbildern.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der die Beleuchtungs­ einrichtung (200) zwei monochromatische Strahlungsquellen (210, 220) zur Erzeugung von Teilstrahlen mit vorbestimmten Strahlverteilungen, eine Überlagerungsoptik (230) zur Bildung des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes, in dem die Strahlverteilun­ gen voneinander versetzt angeordnet sind, und eine Blende (240) zur Formung des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes umfaßt.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der die Überlagerungs­ optik (230) einen Strahlteiler oder einen dichroitischen Spie­ gel umfaßt.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13, bei der jede Strah­ lungsquelle (210, 220) einen durchstimmbaren Dauerstrich-Laser aufweist.

15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der die Abbildungseinrichtung (300) ein Abbildungsobjektiv, einen Strahlteiler (310) und mindestens zwei Filter-Kamera- Kombinationen (320, 330) umfaßt, die zur Aufnahme von Streu­ lichtbildern der Teilchenanordnung (100) bei den Wellenlängen des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes ausgelegt sind.

16. Verwendung eines Verfahrens bzw. einer Vorrichtung zur Überwachung der Teilchenbildung in Hochfrequenz-Plasma­ reaktoren, Untersuchung von Staubentstehungsvorgängen in Fu­ sionsreaktoren, Vermessung der Charakteristik von Aerosol- Erzeugern, Beobachtung von Aerosolen in der Atmosphäre oder von kolloidalen Teilchen in Flüssigkeiten, oder zur Beobach­ tung von Teilchenmanipulierungen in der Nanotechnologie.