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WO2000077489A1 - Verfahren und vorrichtung zur abbildung von mikroskopisch kleinen teilchen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur abbildung von mikroskopisch kleinen teilchen Download PDF

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WO2000077489A1
WO2000077489A1 PCT/EP2000/005269 EP0005269W WO0077489A1 WO 2000077489 A1 WO2000077489 A1 WO 2000077489A1 EP 0005269 W EP0005269 W EP 0005269W WO 0077489 A1 WO0077489 A1 WO 0077489A1
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WO
WIPO (PCT)
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particle
scattered light
radiation field
particles
illumination
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2000/005269
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk David Goldbeck
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Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of WO2000077489A1 publication Critical patent/WO2000077489A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means
    • G01N15/0211—Investigating a scatter or diffraction pattern
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means
    • G01N2015/025—Methods for single or grouped particles

Definitions

  • the invention relates to a method for particle imaging, in particular a method for detecting three-dimensional particle arrangements or movements, such as e.g. a method for measuring the positions and velocities of microscopic particles in a plasma.
  • the invention also relates to a device for implementing the method and applications of three-dimensional particle detection.
  • the object of the invention is to provide an improved method for particle imaging, with which the limitations of the conventional methods are overcome and which in particular enables the simultaneous recording of all three spatial coordinates for any static or dynamic particle arrangements.
  • the object of the invention is also to provide a device for implementing such an improved method and new uses of the method.
  • an illumination with a radiation field which is two-dimensionally extended perpendicular to its direction of propagation and which is composed of radiation components with different wavelengths is used.
  • the radiation field consisting of at least two spectrally different partial beams
  • a predetermined spatial wavelength and / or intensity distribution is given in accordance with the two-dimensional extent, so that a particle is irradiated depending on its position in the radiation field with a specific, position-dependent wavelength or several wavelengths, the associated ones Radiation components a posi- tion-dependent intensity ratio.
  • This simultaneous irradiation of all of the particles to be observed with a spatial wavelength or intensity distribution provides a wavelength or intensity coding in a scattered light image which is recorded by the particle arrangement in a direction which deviates from the direction of propagation of the radiation field for particle illumination.
  • the wavelength-selective recording of scattered light images of the particle arrangement provides for each particle two position coordinates from the two-dimensional scattered light image and a third position coordinate from the wavelength or intensity coding, so that the entire spatial coordinate information of all particles belonging to the particle arrangement can be determined simultaneously with a single image recording.
  • the radiation field comprises two fanned out partial beams of different wavelengths, the intensity of the first partial beam increasing homogeneously from one side to the other of the reference surface in a reference surface oriented perpendicular to the direction of propagation of the radiation field, while the intensity of the second partial beam is homogeneously reduced .
  • Two scattered light images corresponding to the two wavelengths of the partial beams are recorded and the spatial coordinates of the particle are determined for each particle from the ratios of the two associated scattered light intensities and the intensity profiles of the partial beams in the radiation field.
  • overlapping intensity profiles with three or more wavelengths can also be provided.
  • the invention is suitable for the observation of arbitrary particle arrangements.
  • the particle arrangement can be a single particle that is located in the observed spatial region or a multiplicity of particles.
  • the particles are e.g. B. in a carrier medium which is gaseous or can be fluid, freely movable.
  • a carrier medium which is gaseous or can be fluid, freely movable.
  • particles in a high-frequency plasma, aerosols or colloidal particles in a liquid can be imaged using the method according to the invention.
  • the particle size can vary depending on the application, the wavelengths of the radiation field for providing evaluable scattered light images preferably being selected on the basis of the Mie scattering.
  • the invention can also be used with scattered light images based on Rayleigh scattering.
  • the invention is implemented, for example, for particles with characteristic sizes in the range from 1 ⁇ m to 15 ⁇ m using visible light for the illuminating radiation field.
  • smaller particles for example with characteristic sizes in the nm range, can also be detected, radiation with shorter wavelengths, for example X-rays, being used for particle illumination, if necessary.
  • the invention has the following advantages. For the first time, real-time observation of the spatial arrangement and movement of particle arrangements is made possible with a single observation direction, with all 3 spatial coordinates of all particles being recorded simultaneously.
  • the imaging system is simply constructed from commercially available components and can easily be adapted to various measurement or imaging tasks. The image acquisition and evaluation takes place with high speed and reproducibility.
  • FIG. 2 is a schematic representation of an inventive appropriate device for detecting particle arrangements
  • FIG. 3 is a plan view of the structure of a device according to FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a side view of the structure according to FIG. 3,
  • the particles 1 and 2 are located in a three-dimensional sample space with the spatial coordinates (x 0 , yi, z x ) and (x 0 , y 2 , z 2 ).
  • the particle arrangement is illustrated in the partial image at the top right of FIG. 1.
  • the y and z directions lie in the plane of the drawing.
  • the x direction extends vertically upwards from the plane of the drawing.
  • the particle arrangement is illuminated with an illumination direction and imaged with an observation direction. In general, the lighting and observation directions are not parallel to each other.
  • the observation angle between the two reference directions is selected depending on the application in order to achieve optimal scattered light images (see below).
  • the direction of illumination and the direction of observation are perpendicular to the xz and xy planes, so that the angle of observation is 90 °.
  • wavelength or color coding takes place with the illumination of the particles.
  • the particle illumination takes place with a radiation field extending transversely to the direction of illumination with a predetermined spatially inhomogeneous wavelength and / or intensity distribution.
  • the two-dimensional radiation field thus extends in a reference surface or plane that runs perpendicular to the drawing plane or parallel to the xz plane and is shown pivoted into the drawing plane in the left partial image of FIG. 1 for reasons of clarity.
  • the illuminating radiation field has a spatially inhomogeneous wavelength and / or intensity distribution.
  • the radiation field consists of partial beams of different wavelengths such that each point in the reference surface of the radiation field is penetrated by several partial beams of different wavelengths with location-specific intensity ratios (or alternatively by a partial beam with a location-specific wavelength). Since only a coding in the z direction (or generally: in the direction of observation) has to be carried out for the spatially resolved particle imaging, the radiation field is preferably composed only of two partial radiations of different wavelengths which have a predetermined intensity in the z direction. ⁇ S course I (z), but in the x-direction a (in each case z-dependent) constant intensity or a predetermined, z. B. have a known intensity profile through measurement.
  • the intensity profiles of the partial beams in the z direction are selected such that the first partial beam (A) has a decreasing intensity with increasing z values and, in the opposite direction, the second partial beam (B) has an increasing intensity. This situation is shown in Fig. 1 (top left).
  • the first particle 1 contains scattered light with a high proportion of the first wavelength ⁇ A and a small proportion of the second wavelength ⁇ B or from the second particle 2 scattered light with a large proportion of the second wavelength ⁇ B and a small portion of the first wavelength ⁇ A.
  • the invention now provides for two scattered light images to be taken in the direction of observation, each of which corresponds to the scattered light with one of the two wavelengths.
  • a filter-camera combination is used, which is explained in detail below.
  • the result of the image acquisition is illustrated in the partial image at the bottom right in FIG. 1.
  • the scattered light image corresponding to the first wavelength ⁇ A results in a high intensity Ii ( ⁇ A ) for the first particle 1 and a low intensity I 2 ( ⁇ A ) for the second particle 2.
  • the z coordinates of the particles can be calculated immediately, if necessary taking into account a calibration. Together with the x and y coordinates from the image acquisition, all three spatial coordinates result for each particle through the simultaneous acquisition and evaluation of the scattered light images.
  • the calibration or correction of this z-coordinate determination is particularly necessary if the particle arrangement comprises particles with a size distribution. Since particles of different sizes have different scattered light emission characteristics, a size correction must be carried out to evaluate the intensity ratios of the scattered light images, which correction is also derived from the scattered light images. This is done by determining the sum of the scattered light intensities of a particle in the wavelength-specific scattered light images
  • the calibration of the z-coordinate determination is also required in a corresponding manner if the particle arrangement comprises particles with different materials or shadowing effects (illuminated particles are covered by other illuminated or unilluminated particles).
  • intensity profile I (z) of the radiation field in the form of a Gaussian function
  • other intensity profiles can also be selected (e.g. straight ramp profiles or any monotonous intensity profiles, see below).
  • more than two can to
  • Partial beams are superimposed on the illuminating radiation field, each having different wavelengths, in which case a correspondingly larger number of scattered light images must be recorded. Finally, it is also possible to provide only an areally expanded partial beam with a spectral course in the z direction as the illumination radiation field.
  • the principle illustrated in FIG. 1 using the example of two particles can easily be extended to any number of particles, provided the particles do not obscure one another.
  • the schematic overview representation according to FIG. 2 shows a top view of an optical system for observing the particle arrangement 100 in a (not shown) plasma reactor.
  • the optical system which represents a first embodiment of the invention comprises an illuminating device 200 and an imaging device 300.
  • the illuminating device 200 is designed to generate the planar, wavelength-coded radiation field for particle illumination.
  • the imaging device 300 is provided to take scattered light images of the particle arrangement in accordance with the wavelength components contained in the radiation field.
  • the illuminating device 200 comprises two radiation sources 210, 220 for generating partial beams, which are superimposed with an overlay optics 230 and an aperture 240 is shaped into the desired radiation field.
  • the imaging device 300 comprises a beam splitter optics 310 for distributing the scattered light emanating from the particle arrangement 100 over two filter-camera combinations 320, 330.
  • the radiation sources 210, 220 are constructed essentially identically and each comprise a light source 211, 221, an expansion optics 212, 222, an optical spatial filter 213, 223 for forming the desired intensity profile of the respective partial beam and a collimator optics 214, 224.
  • the light sources 211, 221 are continuous wave lasers, e.g. gas lasers or diode lasers.
  • the light sources 211, 221 emit at different wavelengths, so that, for example, a green and a blue emission result. The wavelength difference is of the order of approx. 100 nm or below up to approx.
  • the wavelength difference is selected as a function of the scattering characteristic of the particles to be observed and is preferably set as small as possible in order to keep the wavelength-determined differences in the dependence of the scattered light measurement on the observation angle small.
  • the output power of the light sources 211, 221 is also selected depending on the application.
  • the intensity curve of the respective partial beam is set with the optical spatial filters 213, 214.
  • the reference numerals 215, 225 indicate the corresponding partial beam intensity profiles, which are set here in a Gaussian shape.
  • single-mode glass fibers or beam-shaping elements such as those described by FM Duckkey et al. in "Opt. Eng.”, Vol. 35, 1996, p. 3285 ff., can be provided for setting the intensity profile.
  • the beam-shaping elements can be used, for example, to set ramp-shaped intensity profiles with a predetermined slope.
  • the intensity profiles can alternatively also be generated by gray filter elements with wedge-shaped transmission profiles. »A.
  • the partial beams from the radiation sources 210, 220 are superimposed on the superimposing optics 230 in order to generate the desired radiation field.
  • the superimposition optics 230 is, for example, a beam splitter cube or, in particular to minimize the intensity losses in the optical system, a dichroic mirror which is set up to pass the partial beam from the radiation source 210 or to reflect the partial beam from the radiation source 220.
  • the partial beams are superimposed such that the maxi a of the intensity profiles are offset from one another by a predetermined distance in the z direction. A falling and a rising flank of the intensity profiles 215, 225 are thus superimposed to form the desired illumination radiation field.
  • the flanks 240 of the partial beams which do not participate in the desired superimposition are masked out with the aperture 240, so that the intensity profile designated by the reference numeral 241 results as shown in FIG. 1 (top left).
  • the particle arrangement 100 is irradiated with this radiation field, which has a spatially inhomogeneous wavelength composition in the z direction and a homogeneous or predetermined known wavelength composition in the x direction.
  • an imaging device eg optical lens
  • Characteristic cross-sectional dimensions of the aperture 240 or the illuminating radiation field are in the mm to cm range in the application shown.
  • the particle arrangement 100 is imaged with the imaging device 300 at a specific observation angle.
  • the beam splitter optics 310 is a beam splitter cube or, in turn, in particular for optimal use of the scattered light intensity, a dichroic mirror.
  • Each filter-camera combination 320, 330 each comprises a stray light filter 321, 331 and a camera 322, 332 for image recording.
  • the litter Light filters 321, 331 are preferably interference filters with transmission maxima at the emission wavelengths of the light sources 211 and 221, however, other wavelength-selective elements can alternatively be used as scattered light filters.
  • the cameras 322, 332 are preferably CCD cameras and are adjusted in such a way that both cameras record the same section of the particle arrangement 100. In special applications, it may be sufficient to use color-sensitive CCD cameras instead of the filter-camera combinations 320, 330, which are set up to record separate color separations of the scattered light image of the particle arrangement 100.
  • the imaging device is equipped with an imaging lens (not shown) with which the scattered light emanating from the particle arrangement 100 is directed onto the beam splitter optics 310.
  • This lens is preferably a telecentric lens with the smallest possible opening angle (preferably below +/- 0.05 °).
  • the correction device contains a combination of photodiodes which are designed to measure the intensities of the two lasers.
  • the photodiodes are preferably constructed with a beam splitter and interference filters, such as the filter-camera combinations 320 and 330, but are arranged behind the particles 100 in continuation of the beam direction of the original radiation field 241.
  • the correction device can also contain a further analyzer camera, which is designed to analyze the quality of the radiation field 241.
  • the analyzer camera can be used to detect any contamination (e.g. dust) or other disturbances in the particle path in the beam path. Detect lighting and measure the beam profile for subsequent calibration.
  • the analyzer camera is also arranged behind the particles 100 in continuation of the beam direction of the original radiation field 241.
  • a further laser-camera combination can be provided for the lateral illumination or observation of the particles 100.
  • This additional laser-camera combination serves to further increase the above-described image resolution achieved by wavelength or intensity coding in a reference direction perpendicular or oblique to the projections of the particle cloud imaged by the cameras 320, 321.
  • the laser is oriented in such a way that the particles are illuminated with an expanded laser beam from a reference direction which differs both from the direction of irradiation of the radiation field 241 and from the direction of observation of the imaging device 300.
  • the particles are at an angle of z. B. 90 ° compared to the reference direction.
  • the additional laser camera combination enables stereoscopic observation of the particles.
  • the angle between the radiation field 241 and the direction of observation of the imaging device 300 is not equal to 90 °.
  • FIGS. 3 and 4 A further embodiment of a device according to the invention for detecting three-dimensional particle arrangements in plasma reactors is shown in FIGS. 3 and 4 shown in plan view and side view.
  • the lighting device 200 and the imaging device 300 are fastened to a double pivot bearing 510 of a carrier system 500 via brackets 250, 350.
  • the double pivot bearing 510 is on a tripod 520 o arranged a holding bridge over the plasma chamber 400 and allows a horizontal pivoting of the illumination and imaging devices 200, 300 with respect to the sample chamber 400. With this, any observation angle for imaging the particle arrangement 100 in the sample chamber 400 can be set.
  • the sample chamber 400 is a plasma reactor known per se, which has transparent side walls for image acquisition. Details relating to the operation and control of the plasma reactor and the lighting and imaging devices 200, 300 are shown in FIGS. 3 and 4 not shown.
  • FIG. 5 shows two scattered light images of a uniform particle arrangement which corresponds to the green (top) and blue (bottom) scattered light components.
  • the particle images are each represented as black dots with a larger diameter for higher intensities and a smaller diameter for small intensities.
  • the particle arrangement shown is a group of particles of identical size.
  • the pictures show that the scattering intensity in the green spectral range for the Particles with larger z values is larger than for particles with smaller z values.
  • the reverse conditions result for the scattering intensity in the blue spectral range. This already shows qualitatively the advantageous function of the wavelength coding according to the invention in particle lighting.
  • Iges Iiety + Ibiau
  • the ratio of the scattering intensity I s to the lighting intensity I 0 is shown on a logarithmic scale for the various observation angles.
  • the irradiated particles have a radius of 1.69 ⁇ m.
  • the solid or dashed lines refer to the illumination and measurement of the scattered light with vertical or parallel polarization with respect to the plane spanned by the directions of illumination and observation.
  • the graphs show a strong dependence of the scattered light intensity on the observation angle.
  • the intensity ratio shown has a minimum, in particular at an observation angle of 90 °.
  • the advantage of the The arrangement shown in FIGS. 3 and 4 consists in the provision of the rotary bearing 510. In specific applications, the optimal 7AL scattered light conditions can be determined.
  • the invention is advantageously used in all technical processes in which particles are movable in three-dimensional spaces and are to be observed. For example, spraying or atomizing processes on nozzles can be observed and analyzed. It is also possible to observe the reaction spaces during etching or sputtering in chip production and to evaluate or control them with regard to the generation of dust. Another application relates to nuclear fusion technology. Dust formation processes occur in a fusion plasma chamber, which also have a disruptive effect.
  • One application of the invention consists in observing the locations and / or depositing the dust clouds.
  • a constructive use of the invention is possible in particular in connection with the manipulation of disordered or ordered particle clouds.
  • further applications of the invention lie in the observation of the manipulation (eg targeted deposition) of particles in nanotechnology, the observation of the Rayleigh scattering preferably being implemented here.

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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 (215, 225), 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

Verfahren und Vorrichtung zur Abbildung von mikroskopisch kleinen Teilchen
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 mikroskopisch kleinen Teilchen in einem Plasma. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Implementierung des Verfahrens und Anwendungen der dreidimensionalen Teilchenerfassung.
Es ist bekannt, daß sich in einem Hochf equenzplasma, wie es z.B. bei der CVD-Technik eingesetzt wird, kleine Teilchen im Trager- oder Reaktionsgas bilden können, die sich fallabhangig störend oder fordernd auf die jeweilige Plasmaanwendung aus¬ wirken. Die Teilchenentstehung in einem Plasma im Reaktionsgas Silan bei der aSi :H-Abscheιdung wird beispielsweise von D. M. Tanenbaum et al . in "Appl . Phys . Lett.", Band 69, 1996, S. 1705 ff., beschrieben. Es ist auch bekannt, daß sich Teilchen m einem Plasma unter bestimmten Bedingungen regelmäßig in einem sogenannten plasmakristallmen Zustand anordnen (s. z.B. DE-OS 197 13 637) . Ein weiteres bekanntes Beispiel für Staubentstehtung sind Fusionsexperimente, bei denen im Plasma Staubteilchen gebildet werden.
Es besteht ein Interesse an der Beobachtung der Teilchenentstehung und an der Verfolgung der Teilchenpositionen im Plasma. Falls die Teilchen, z.B. bei einem Schichtabschei- dungsprozeß, störend wirken, konnten damit die Bedingungen der Teilchenentstehung überwacht und Zustande ermittelt werden, in denen die Teilchen aus dem Reaktionsgas entfernt werden müssen. Besteht hingegen bei anderen Anwendungen gerade das Ziel einer Teilchendeposition im Rahmen der Schichtabscheidung, so sollen die Bewegungseigenschaften der zu deponierenden Teilchen erfaßt werden. Die Teilchenbeobachtung ist jedoch problematisch, 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. 5636 ff.) wird eine Teilchenwolke mit einem 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 vollständig zu erfassen, muß entsprechend der Publikation von J. B. Pieper et al. das strichförmige Beleuchtungsfeld schrittweise durch den gesamten Raumbereich, in dem sich die zu beobachtenden Teilchen bewegen, gefahren werden (Abscannen) . Diese Scan-Bildaufnahme ist jedoch zeitaufwendig und auf stationäre Proben, wie z.B. Teilchen im plasmakristallinen Zustand, beschränkt. Dynamische Vorgänge bei der Ausbildung oder Veränderung der Teilchenanordnung im Plasma lassen sich nicht erfassen.
Es ist ferner allgemein bekannt, zur Erfassung von Teilchenwolken diese vollständig räumlich homogen zu beleuchten und und von einer Richtung aus zweidimensional abzubilden. Diese zweidimensionale Projektion wird dann unter bestimmten Annahmen über das System zur Ermittlung der dreidimensionalen Teilchenpositionen ausgewertet. Dieses Verfahren ist auf spezielle Aufgaben beschränkt, bei denen die Systemannahmen genügend sicher getroffen werden können, und nicht allgemein anwendbar. -
Die Beschränkungen bei der Teilchenbeobachtung in Hochfrequenzplasmen sind analog auch bei anderen technischen Fragestellungen gegeben. So treten beispielsweise bei Sprüh- oder Spritztechniken Aerosolwolken auf, deren dynamische Entwicklung 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 insbesondere die simultane Aufnahme aller drei Raumkoordinaten für beliebige statische oder dynamische Teilchenanordnungen ermöglicht. 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 Vorrichtung 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 ausgedehnten Strahlungsfeld übergegangen, das sich aus Strahlungsanteilen mit verschiedenen Wellenlängen zusammensetzt. Im Strahlungsfeld aus mindestens zwei spektral, verschiedenen Teilstrahlen ist entsprechend der zweidimensionalen Ausdehnung eine vorbestimmte räumliche Wellenlängen- und/oder Intensitätsverteilung gegeben, so daß ein Teilchen in Abhängigkeit von seiner Position im Strahlungsfeld mit einer bestimmten, positionsabhängigen Wellenlänge oder mehreren Wellenlängen bestrahlt wird, deren zugehörigen Strahlungsanteile ein posi- tionsabhängiges Intensitätsverhältnis besitzen. Diese simultane Bestrahlung aller zu beobachtenden Teilchen mit einer räumlichen Wellenlängen- bzw. Intensitätsverteilung liefert eine Wellenlängen- bzw. Intensitätscodierung in einem Streulichtbild, das von der Teilchenanordnung unter einer Richtung aufgenommen wird, die von der Ausbreitungsrichtung des Strahlungsfeldes zur Teilchenbeleuchtung abweicht. Die wellenlängenselektive Aufnahme von Streulichtbildern der Teilchenanordnung liefert für jedes Teilchen zwei Positionskoordinaten aus dem zweidimensionalen Streulichtbild und eine dritte Positionskoordinate aus der Wellenlängen- bzw. Intensitätscodierung, so daß mit einer einzelnen Bildaufnahme zeitgleich die gesamte Raumkoordinateninformation sämtlicher zur Teilchenanordnung gehörenden Teilchen ermittelt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Strahlungsfeld zwei aufgefächerte Teilstrahlen verschiedener Wellenlängen, wobei sich in einer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 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 werden 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 Strahlungsfeld 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 Teilchenanordnungen geeignet. Es kann sich bei der Teilchenanordnung um ein einzelnes Teilchen, das sich im beobachteten Raumbereich befindet, oder um eine Vielzahl von Teilchen handeln. Die Teilchen sind z. B. in einem Trägermedium, das gasförmig oder flüssig sein kann, frei beweglich. Es können beispielsweise Teilchen in einem Hochfrequenzplasma, Aerosole oder auch kolloidale Teilchen in einer Flüssigkeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgebildet werden. Die Teilchengröße kann anwendungsabhängig variieren, wobei die Wellenlängen des Strahlungsfeldes 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 um bis 15 um 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 kürzerer Wellenlängen, z.B. Röntgenstrahlung, zur Teilchenbeleuchtung eingesetzt wird.
Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Erstmalig wird eine Echtzeitbeobachtung der räumlichen Anordnung und Bewegung von Teilchenanordnungen mit einer einzigen Beobachtungsrichtung ermöglicht, wobei alle 3 Raumkoordinaten aller Teilchen zeitgleich aufgenommen werden. Das Abbildungssystem ist einfach aus kommerziell verfügbaren Komponenten aufgebaut und ohne weiteres an verschiedene Meß- oder Abbildungsaufgaben anpaßbar. Die Bildaufnahme und -auswertung erfolgt mit hoher Geschwindigkeit und Reproduzierbarkeit.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Übersichtsdarstellung zur Illustration des erfindungsgemäßen Meßprinzips,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung zur Erfassung von Teilchenanordnungen,
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 Teilchen (Teilchen 1, Teilchen 2) beschrieben. Die Teilchen 1 und 2 befinden sich in einem dreidimensionalen Probenraum mit den Raumkoordinaten (x0, yi, zx ) 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 Zeichenebene. Es wird zur Vereinfachung angenommen, daß die x- Koordinaten der Teilchen 1 und 2 identisch sind (xo) . Die Teilchenanordnung wird mit einer Beleuchtungsrichtung angestrahlt und mit einer Beobachtungsrichtung abgebildet. Allgemein verlaufen die Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtungen nicht parallel zueinander. Der Beobachtungswinkel zwischen beiden Bezugsrichtungen wird anwendungsabhängig zur Erzielung optimaler 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 Beobachtungsrichtung aufgenommen werden, so würde dieses Bild keine Informationen 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 Strahlungsfeld 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 Beleuchtungsstrah- lungsfeld 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 Intensitätsverhältnissen (oder alternativ von einem Teilstrahl mit einer ortsspezifischen Wellenlänge) durchsetzt wird. Da zur raumaufgelösten 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 Intensitäts- <S verlauf I(z), in x-Richtung jedoch eine (jeweils z-abhängige) konstante Intensität oder einen vorbestimmten, z. B. durch Vermessung bekannten Intensitätsverlauf besitzen. Die Intensitätsverläufe der Teilstrahlen in z-Richtung (bzw. allgemein: in Beobachtungsrichtung) werden derart gewählt, daß der erste Teilstrahl (A) mit zunehmenden z-Werten eine abnehmende Intensität und gegenläufig der zweite Teilstrahl (B) eine zunehmende Intensität besitzt. Diese Situation ist in Fig. 1 (links oben) dargestellt.
Wird nun die Teilchenanordnung mit einem derart zusammengesetzten Strahlungsfeld bestrahlt, so geht vom ersten Teilchen 1 Streulicht mit einem hohen Anteil der ersten Wellenlänge λA und einem kleinen Anteil der zweiten Wellenlänge λB bzw. vom zweiten Teilchen 2 Streulicht mit einem großen Anteil der zweiten Wellenlänge λB und einem kleinen Anteil der ersten Wellenlänge λA aus .
Zur Trennung der verschiedenen Streulichteigenschaften der Teilchen ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, in Beobachtungsrichtung 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 Streulichtbild entsprechend der ersten Wellenlänge λA ergibt eine hohe Intensität Ii (λA) für das erste Teilchen 1 und eine geringe Intensität I2 (λA) für das zweite Teilchen 2. Für das der zweiten Wellenlänge λB entsprechende Streulichtbild ergeben sich die umgekehrten Verhältnisse.
Aus den Intensitätsverhältnissen der Streulichtbilder, die jeweils einem Teilchen entsprechen und dem in bestimmter Weise eingestellten Intensitätsverla .u3f 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 Bildaufnahme ergeben sich somit für jedes Teilchen durch die simultane 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-Abstrahlcharakteristiken besitzen, muß zur Auswertung der Intensitätsverhältnisse 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. Ii (λA) + Ii (λB) ) - Diese Summe ist ein Maß für die Teilchengröße, das als Normierungsgröße zur Intensitätskorrektur bei der z-Koordinatenermittlung gemäß Ii (λA) / [Ii (λA) + Ii
(λB) ] bzw. Ii (λB) / [Ii (λA) + Ii (λB) ] berücksichtigt werden kann. Die Kalibrierung der z-Koordinatenermittlung ist aber auch dann in entsprechender Weise erforderlich, wenn die Teilchenanordnung Teilchen mit verschiedenen Materialien umfaßt oder Abschattungseffekte (beleuchtete Teilchen werden durch andere beleuchtete oder unbeleuchtete Teilchen abgedeckt) auftreten.
Das unter Bezug auf Fig. 1 erläuterte Meßprinzip kann im Rahmen 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 Intensitätsverläufe, s. u.). Des weiteren können mehr als zwei to
Teilstrahlen zum Beleuchtungsstrahlungsfeld überlagert werden, die jeweils verschiedene Wellenlängen besitzen, wobei dann eine entsprechend größere Zahl von Streulichtbildern aufgenommen werden muß. Schließlich ist es auch möglich, als Beleuchtungsstrahlungsfeld lediglich einen flächig aufgeweiteten Teilstrahl mit einem spektralen Verlauf in z-Richtung vorzusehen. Das in Fig. 1 am Beispiel von zwei Teilchen illustrierte Prinzip läßt sich ohne weiteres auf beliebige Teilchenzahlen erweitern, 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 Fign. 2 bis 7 erläutert.
Die schematische Übersichtsdarstellung gemäß Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein optisches System zur Beobachtung der Teilchenanordnung 100 in einem (nicht dargestellten) Plasmareaktor. 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 Abbildungseinrichtung 300 ist dazu vorgesehen, Streulichtbilder der Teilchenanordnung entsprechend den im Strahlungsfeld enthaltenen Wellenlängenanteilen aufzunehmen. Die Beleuchtungseinrichtung 200 umfaßt zwei Strahlungsquellen 210, 220 zur Erzeugung 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 Teilchenanordnung 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 Lichtquellen 211, 221 sind Dauerstrichlaser, z.B. Gaslaser oder Diodenlaser. 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 wellenlängenbestimmten Unterschiede in der Abhängigkeit der Streulichtmessung vom Beobachtungswinkel klein zu halten. Die Ausgangsleistung der Lichtquellen 211, 221 wird ebenfalls anwendungsabhängig gewählt. Zur Abbildung von Partikeln in einem Hochfrequenzplasma werden beispielsweise Diodenlaser mit einer Ausgangsleistung von rd. 20 bis 30 mW mit einer Wellenlängendifferenz von rd. 30 nm betrieben. Mit den optischen Ortsfiltern 213, 214 wird der Intensitätsverlauf des jeweiligen Teilstrahls 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. Di- ckey et al . in "Opt. Eng.", Bd. 35, 1996, S. 3285 ff., beschrieben werden, zur Einstellung des Intensitätsprofils vorgesehen sein. Mit den strahlformenden Elementen können beispielweise rampenförmige Intensitätsprofile mit vorbestimmter Flankensteilheit eingestellt werden. Schließlich können die Intensitätsprofile alternativ auch durch Grau-Filterelemente mit keilförmigen Transmissionsverläufen erzeugt werden. »a.
Die Teilstrahlen von den Strahlungsquellen 210, 220 werden an der Überlagerungsoptik 230 zur Erzeugung des gewünschten Strahlungsfeldes überlagert. Die Uberlagerungsoptik 230 ist beispielsweise wie dargestellt ein Strahlteilerwürfel oder, insbesondere zur Minimierung der Intensitätsverluste im optischen System, ein dichroitischer Spiegel, der zum Durchtritt des Teilstrahls von der Strahlungsquelle 210 bzw. zur Reflexion des Teilstrahls von der Strahlungsquelle 220 eingerichtet ist. Die Überlagerung der Teilstrahlen erfolgt derart, daß die Maxi a der Intensitätsprofile um einen vorbestimmten Abstand in z-Richtung voneinander versetzt sind. Damit werden eine abfallende 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 Teilstrahlen ausgeblendet, so daß sich das mit dem Bezugszeichen 241 bezeichnete Intensitätsprofil entsprechend der Darstellung in Fig. 1 (links oben) ergibt. Mit diesem Strahlungsfeld, das eine in z-Richtung räumlich inhomogene Wellenlängenzusammensetzung und in x-Richtung eine homogene oder vorbestimmte bekannte Wellenlängenzusammensetzung besitzt, wird die Teilchenanordnung 100 bestrahlt. Hierzu ist eine Abbildungseinrichtung (z. B. optische Linse) zwischen der Blende 240 und der Teilchenanordnung 100 vorgesehen. Charakteristische Querschnittsdimensionen der Blende 240 bzw. des Beleuchtungsstrahlungsfel- des liegen bei der dargestellten Anwendung im mm- bis cm- Bereich.
Die Teilchenanordnung 100 wird unter einem bestimmten Beobachtungswinkel mit der Abbildungseinrichtung 300 abgebildet. Die Strahlteileroptik 310 ist ein Strahlteilerwürfel oder, wiederum insbesondere zur optimalen Ausnutzung der Streulichtintensität, 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 denselben Ausschnitt der Teilchenanordnung 100 aufnehmen. In speziellen Anwendungsfällen kann es ausreichend sein, statt der Filter-Kamera-Kombinationen 320, 330 jeweils farbempfindliche 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 Teilchenanordnung 100 ausgehende Streulicht auf die Strahlteileroptik 310 gerichtet wird. Dieses Objektiv ist vorzugsweise ein tele- zentrisches Objektiv mit einem möglichst kleinen Öffnungswinkel (vorzugsweise unterhalb +/- 0.05°).
Der Aufbau gemäß Fig. 2 kann entsprechend einer oder mehrerer der folgenden Maßnahmen modifiziert werden. Erstens kann eine Einrichtung zur Korrektur von ggf. auftretenden Intensitätsschwankungen der Laser 211 bzw. 221 vorgesehen seien. Die Korrekturvorrichtung enthält eine Kombination aus Fotodioden, die zur Messung der Intensitäten der beiden Lasern ausgelegt sind. Die Fotodioden sind vorzugsweise mit einem Strahlteiler und Interferenzfiltern wie die Filter-Kamera-Kombinationen 320 bzw. 330 aufgebaut, allerdings in Fortsetzung der Strahlrichtung des ursprünglichen Strahlungsfeldes 241 hinter den Partikeln 100 angeordnet. Die Korrekturvorrichtung kann ferner eine weitere Analysatorkamera enthalten, die zur Analyse der Qualität des Strahlungsfeldes 241 ausgelegt ist. Mit der Analysatorkamera lassen sich ggf. im Strahlengang vorhandene Verschmutzungen (z. B. Staub) oder andere Störungen der Partikel- beleuchtung erfassen und das Strahlprofil für eine anschließende Kalibrierung vermessen. Die Analysatorkamera ist ebenfalls in Fortsetzung der Strahlrichtung des ursprünglichen Strahlungsfeldes 241 hinter den Partikeln 100 angeordnet.
Zweitens kann eine weitere Laser-Kamera-Kombination zur seitlichen Beleuchtung bzw. Beobachtung der Partikel 100 vorgesehen sein. Diese zusätzliche Laser-Kamera-Kombination dient der weiteren Erhöhung der oben erläuterten, durch Wellenlängenoder Intensitätskodierung erzielten Abbildungsauflösung in einer Bezugrichtung senkrecht oder schräg zu den von den Kameras 320, 321 abgebildeten Projektionen der Partikelwolke. Der Laser ist bei der Anordnung gemäß Fig. 2 beispielsweise so ausgerichtet, daß die Partikel mit einem aufgeweiteten Laserstrahl aus einer Bezugsrichtung beleuchtet werden, die sowohl von der Bestrahlungsrichtung des Strahlungsfeldes 241 als auch von der Beobachtungsrichtung der Abbildungseinrichtung 300 abweicht. Mit der zusätzlichen Kamera werden die Partikel unter einem Winkel von z. B. 90° gegenüber der Bezugrichtung beobachtet. Mit der zusätzlichen Laser-Kamera-Kombination wird eine stereoskopische Beobachtung der Partikel ermöglicht.
Insbesondere zur Implementierung der hier genannten Maßnahmen ist vorgesehen, dass der Winkel zwischen dem Strahlungsfeld 241 und der Beobachtungsrichtung der Abbildungseinrichtung 300 ungleich 90° ist.
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung dreidimensionaler Teilchenanordnungen in Plasmareaktoren ist in den Fign. 3 und 4 in Draufsicht bzw. Seitenansicht dargestellt. Die Beleuchtungseinrichtung 200 und die Abbildungseinrichtung 300, vorzugsweise mit einer Gestaltung 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 o- der einer Haltebrücke über der Plasmakammer 400 angeordnet und erlaubt ein horizontales Verschwenken der Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtungen 200, 300 in Bezug auf die Probenkammer 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. Einzelheiten, die den Betrieb und die Ansteuerung des Plasmareaktors und der Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtungen 200, 300 betreffen, sind in den Fign. 3 und 4 nicht dargestellt.
Im folgenden wird unter Bezug auf die in den Fign. 5 und 6 schematisch gezeigten experimentellen Ergebnisse die Auswertung der Streulichtbilder zur Ermittlung der Teilchen- Raumkoordinaten erläutert. Zur Demonstration der Funktionsfähigkeit der Streulichtaufnahme an mit einer räumlich inhomogenen Wellenlängen- bzw. Intensitätsverteilung bestrahlten Teilchen erfolgt hier abweichend vom Schema gemäß Figur 1 die Beobachtung 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 Teilchenanordnung, die den grünen (oben) bzw. blauen (unten) Streulichtanteilen entspricht. Als Maß für die Streulichtintensität sind die Teilchenbilder jeweils als schwarze Punkte mit einem größeren Durchmesser für höhere Intensitäten und einem geringeren Durchmesser für kleine Intensitäten dargestellt. Bei der abgebildeten Teilchenanordnung handelt es sich um eine Gruppe von Teilchen identischer Größe. Die Bilder zeigen, 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 Teilchenbeleuchtung.
In Fig. 6 ist die Abhängigkeit der in Bezug auf die Gesamtstreulichtintensität Iges (= Igrün + Ibiau) normierten Intensitäten 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 Abhängigkeit der Streuintensität vom Beobachtungswinkel (Winkel zwischen Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung) an absorbierenden Teilchen für verschiedene Wellenlängen (oberes Teilbild: λ = 442 nm, blau, unteres Teilbild: λ = 543 nm, grün) . Für die verschiedenen Beobachtungswinkel ist jeweils in logarithmischer Skala das Verhältnis der Streuintensität Is 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. gestrichelten Linien beziehen sich auf die Beleuchtung und Messung des Streulichts mit senkrechter bzw. paralleler Polarisation in Bezug auf die von den Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtungen 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 Fign. 3 und 4 dargestellten Anordnung besteht in der Bereitstellung des Drehlagers 510. Mit diesem können für einen kon- kreten Anwendungsfall die optim 7alen Streulichtverhältnisse ermittelt werden.
Die Erfindung wird mit Vorteil bei allen technischen Vorgängen angewendet, bei denen Teilchen in dreidimensionalen Räumen beweglich sind und beobachtet werden sollen. Beispielsweise können 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 Anwendung der Erfindung besteht hierbei in der Beobachtung der Orte und/oder Ablagerung der Staubwolken. Desweiteren ist auch ein konstruktiver Einsatz der Erfindung insbesondere in Zusammenhang mit der Manipulation von ungeordneten oder geordneten Teilchenwolken möglich. Schließlich liegen weitere Anwendungen der Erfindung bei der Beobachtung der Manipulierung (z. B. gezielten Deposition) von Teilchen in der Nanotechnologie, wobei hier die Beobachtung der Rayleigh-Streuung bevorzugt impleme- tiert wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Abbildung einer Teilchenanordnung (100), mit den Schritten:
- Beleuchtung eines dreidimensionalen Raumbereiches, in dem sich mindestens ein mikroskopisch kleines Teilchen der Teilchenanordnung (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 verschiedenen Wellenlängen des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes entsprechen, und
- Ermittlung einer Raumkoordinate des Teilchens aus den spektralen 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 Streulichtbildern erfaßt werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die mindestens zwei Teilstrahlen eine erste bzw. zweite Bezugswellenlänge (λA/ λB) besitzen, wobei von einer zur gegenüberliegenden Seite der Bezugsfläche des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes der Anteil des ersten Teilstrahls mit einem vorbestimmten Intensitätsverlauf abnimmt und der Anteil des zweiten Teilstrahls mit einem vorbestimmten Intensitätsverlauf zunimmt und die Raumkoordinate jeweils eines Teilchens aus dem Verhältnis der Streulichtintensität 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 Erzielung der Intensitätsverläufe unterzogen und mit einer Überlagerungsoptik (230) zur Bildung des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes 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 einer der im Streulicht der Teilchenanordnung auftretenden Wellenlängen ausgelegt sind.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Teilchen im Reaktionsraum einer Hochfrequenz-Plasmaanordnung befinden.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wellenlängen des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes einen Wellenlängenabstand 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 Raumbereich, die umfaßt:
- eine Beleuchtungseinrichtung (200) zur Erzeugung eines Beleuchtungs-Strahlungsfeldes, das mindestens zwei spektral verschiedene Teilstrahlen umfaßt, die in einer Bezugsfläche senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung vorbestimmte Intensitätsverläufen aufweisen,
- eine Abbildungseinrichtung (300) zur Erfassung von mindestens zwei Streulichtbildern des Raumbereiches bei jeweils verschiedenen Wellenlängen des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes, und
- eine Auswertungseinrichtung zur Ermittlung von Teilchenraumkoordinaten aus der Wellenlängenverteilung und den Streulichtintensitäten jedes Teilchen in den Streulichtbildern.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der die Beleuchtungseinrichtung (200) zwei monochromatische Strahlungsquellen (210, 220) zur Erzeugung von Teilstrahlen mit vorbestimmten Strahlverteilungen, eine Überlagerungsoptik (230) zur Bildung des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes, in dem die Strahlverteilungen voneinander versetzt angeordnet sind, und eine Blende (240) zur Formung des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes umfaßt.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der die Überlagerungsoptik (230) einen Strahlteiler oder einen dichroitischen Spiegel umfaßt.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13, bei der jede Strahlungsquelle (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 Streulichtbildern der Teilchenanordnung (100) bei den Wellenlängen des Beleuchtungs-Strahlungsfeldes ausgelegt sind.
16. Verwendung eines Verfahrens bzw. einer Vorrichtung zur Ü- berwachung der Teilchenbildung in Hochfrequenz-Plasmareaktoren, Untersuchung von Staubentstehungsvorgängen in Fusionsreaktoren, Vermessung der Charakteristik von Aerosol- Erzeugern, Beobachtung von Aerosolen in der Atmosphäre oder von kolloidalen Teilchen in Flüssigkeiten, oder zur Beobachtung von Teilchenmanipulierungen in der Nanotechnologie.
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