專利名稱：高性能微制造靜電四極透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)譜學，且具體地涉及具有高范圍、低噪聲和高靈敏度的 微型靜電四極質(zhì)量過濾器的提供。
背景技術(shù)：
微型質(zhì)譜儀可用作檢測生化戰(zhàn)劑、毒品、爆炸物和污染物的便攜器件、 用作空間探索的儀器以及用作殘留空氣分析儀。
質(zhì)i普儀包括三個主要的子系統(tǒng)離子源、離子過濾器和離子計數(shù)器。 最成功的變體之一是使用四極靜電透鏡作為質(zhì)量過濾器的四;WH普儀。傳 統(tǒng)的四極透鏡包括四個圓柱電極，這些電極精確地平行安裝且它們的中心 到中心的間隔與它們的直徑有明確定義的比率[Batey 1987。
離子被注入到電極之間的光瞳中并且在隨時間變化的雙曲線靜電場 的影響之下與電極平行地行進。該電場包含直流(DC)和交流(AC)分 量。AC分量的頻率是固定的，且DC電壓與AC電壓之比也是固定的。
對在此電場中的離子的動力學研究已經(jīng)表明只有特定質(zhì)荷比的離子 才會越過四極而不向這些棒之一放電。因而該器件用作質(zhì)量過濾器?？梢?檢測成功離開過濾器的離子。如果DC和AD電壓混在一起(ramp together),則檢測到的信號是出現(xiàn)在離子流中的不同質(zhì)量的谞?？梢詸z測 到的最M量取決于可以施加的最大電壓。
四極過濾器的分辨率取決于兩個主要因素各離子所經(jīng)歷的交變電壓 的周期數(shù)，以及產(chǎn)生所需電場的精確度。于是各離子經(jīng)歷足夠多個數(shù)的周 期，以小的軸向速率注入離子，并且4吏用射頻(RF) AC分量。該頻率必 需隨著過濾器的長度的減少而增加。
質(zhì)語儀的靈^t度且由此其總體性能也受信號等級和噪聲等級的影響。 傳統(tǒng)地，通過使用接地屏(grounded screen )來降低因雜散離子而產(chǎn)生的 噪聲[Denison 1971。隨著入射光瞳的尺寸的降低，離子透射性明顯地減 小。因此已經(jīng)付諸努力以提高微型四極中的透射性，并且已經(jīng)表明可以通過減少在四極的輸入處的彌散場效應(yīng)來獲得在給定分辨率下顯著提高的 透射性。
一種有效方法涉及所謂Brubaker透鏡或者Brubaker預(yù)過濾器的使 用，該透鏡或者預(yù)過濾器包括與主四極電極共線安裝的附加的四個短圓柱 電極組。利用施加于主四極透鏡的AC電壓(而不是DC電壓)激勵 Brubaker預(yù)過濾器。眾所周知，僅用AC電壓激勵的四極用作全通過濾 器，從而Brubaker預(yù)過濾器提供到主四極中的離子引導(dǎo)。然而，在施加 DC電壓分量時的延遲造成彌散場的減少并且顯著地提高在給定質(zhì)量分辨 率下的總體離子透射性[Brubaker 1968; US 3,129,327; US 3,371， 204]。
為了產(chǎn)生期望的雙曲線場，運用了高度精確的構(gòu)造方法。然而，隨著 結(jié)構(gòu)尺寸的減少變得越來越難以獲得所需精確度[Batey 1987。微制造方 法因此越來越多地用來^^鐠儀孩i型化以降低成本和允許便攜。
由于可能使用的圖案化和蝕刻工藝以及可兼容沉積的范圍，通常在硅 晶片上制作微制造器件。然而，硅的電阻率固有地受限于4^材料的電阻 率，而沉積的絕緣膜的厚度受限于此膜中的應(yīng)力。這些限制對于RF器件 (比如在硅中形成的靜電四極質(zhì)量過濾器)的性能具有特定的影響。
例如，幾年以前展示了基于硅的四極靜電質(zhì)量過濾器，該過濾器包括 成對安裝在兩個氧化的硅基底上的四個圓柱電極。所述基底通過兩個圓柱 絕緣間隔物保持分離，且由各向異性濕化學蝕刻形成的V形槽用來對電 極和間隔物進行定位。電極是焊接到沉積在槽中的金屬膜上的金屬涂覆玻 璃棒[US6,025，591。
使用具有0.5mm直徑和30mm長度的電極的器件展示質(zhì)量過濾Syms等人，1996年；Syms等人，1998年；Taylor等人，1999年。然而， 性能受到由于經(jīng)由基底通過氧化物夾層在共面圓柱電極之間的電容耦合 引起的RF加熱所限制。結(jié)果，該器件表現(xiàn)出不良電負荷，且粘接電極的 焊料易于融化。這些效應(yīng)制約了可以施加的電壓和頻率，而這又限制了質(zhì) 量范圍(限于約100個原子質(zhì)量單位)和質(zhì)量分辨率。盡管基底接地，但 是不完整屏的使用仍然造成高的噪聲等級，且器件也遭受低的透射率。
在克服這些限制的努力中，開發(fā)了基于粘合絕緣體上硅(BSOI)的 替代構(gòu)造[GB 2391694]。 BSOI包括其上結(jié)合有第二晶片的氧化的硅晶片。 第二晶片可以拋光回到所需厚度以留下珪-氧化物-硅多層。
在該幾何形狀中，電極棒同樣被成對安裝于兩個基底上。然而，電極現(xiàn)在通過蝕刻到BSOI晶片的基底中的硅彈簧來保持，同時器件層用作間 隔物。氧化物夾層被大部分地去除，從而大大減少了經(jīng)由基底在共面圓柱 電極之間的電容耦合。結(jié)果，該器件可以經(jīng)受高得多的電壓并且展示了 400個原子質(zhì)量單位的質(zhì)量范圍[Geear等人，2005。
盡管有這些結(jié)果，但是同樣僅僅部分屏是可能的。另外發(fā)現(xiàn)，由于諸 如彈簧和鉤這樣的圓柱電極的結(jié)構(gòu)對入射光瞳(entrance p叩il)的阻礙， 透射同樣是低的。這樣的結(jié)構(gòu)還妨礙了輔助光學器件如Bmbaker預(yù)過濾 器的引入。
已經(jīng)描述了又一微制造的四極過濾器，該過濾器被描述為"方棒四極" 并且基于在珪中形成的安裝多邊形棒組的兩個基底組件[Sillon和Baptist, 2002年；US 6， 465, 792]。然而，這似乎尚未得以證實。
由于質(zhì)譜學的許多應(yīng)用要求更大的質(zhì)量范圍，所以需要提,對RF 加熱問題的更為有效的解決方案。因此需要提供此種解決方案，并且也需 要有能夠以給定分辨率在要求低噪聲和更大靈敏度的條件下工作的質(zhì)鐠 儀器件。

發(fā)明內(nèi)容
這些以及其它問題通過根據(jù)本發(fā)明教示的質(zhì)語儀器件得到解決，根據(jù) 本發(fā)明的質(zhì)鐠儀器件無需使用薄的沉積的氧化物層用于微制造靜電四極 (quadrupole )質(zhì)量過濾器中的電隔離。根據(jù)本發(fā)明教示的器件也解決了 并入接地i和Brubaker預(yù)過濾器兩者的問題。這樣的益處通過引入用于 四極電極的基座來提供，在該基座中任何硅部件均物理上分離且附著到絕 緣基底。
根據(jù)本發(fā)明的教示，還提供一種在能夠用作四M譜儀中的質(zhì)量過濾 器的微型四極靜電透鏡的幾何形狀中對準圓柱電極組的方法。這些電極成 對安裝于由絕緣基底上的導(dǎo)電部分形成的微制造支撐上。導(dǎo)電部分的完全 分割提供了共面圓柱電極之間的低電容耦合，并且允許并入Brubaker預(yù) 過濾器以提高給定質(zhì)量分辨率下的靈敏度。完整的四極由通過另外的導(dǎo)電 間隔物間隔開的兩個這樣的絕緣基底構(gòu)成。間隔物在電極周圍連續(xù)以提供 導(dǎo)電屏。
相應(yīng)地，本發(fā)明提供根據(jù)權(quán)利要求1所述的四極透鏡。有利的實施例 在從屬權(quán)利要求中提出。參照以下附圖1-9將更好地理解說明性和示例性實施例的這些和其它 特征。


圖1以截面圖和平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的用于靜電四極透鏡的微 制il^座，該基座包含在絕緣基底上橫向分割的導(dǎo)電部分。
圖2以等距視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的圓柱電極在微制it^座中的安裝。
圖3以側(cè)視圖和兩個截面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的圓柱電極的安裝和 完整的微制造靜電四極透鏡的組裝。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的在Brubaker透鏡的幾何形狀中并入附加的 一組RF專用(RF-only)電極。
圖5以平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的在單個基底上提供到微制造四極 的所有電連接的布置。
圖6以截面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的在單個基底上提供到微制造四極 的所有電連接的布置。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的與單個圓柱電極的安^目關(guān)聯(lián)的主要的幾 何械。
圖8以平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的形成用于微型靜電四極透鏡的基 座的兩個基底。
圖9以截面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的形成用于微型靜電四極透鏡的基 座的一組基底的組裝。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照示例性實施例對本發(fā)明進行描述，提供這些實施例是為了 幫助對本發(fā)明教示的理解。盡管可以參照一個附圖描述特征，但是將理解 這樣的特征可以與另一附圖中描述的特征一起使用或者為后者所取代，因
為并非旨在將本發(fā)明限于對任一個附圖的解釋，而是在不脫離本發(fā)明的范 圍的情況下可以進行修改。這樣的范圍僅在根據(jù)所附權(quán)利要求認為有必要 的情況下被限制。在圖1中，絕緣基底100用于共同定位在附加材料層中形成的多種結(jié)
構(gòu)，所述附加的材料層或者是導(dǎo)電的或者是M蓋于導(dǎo)電層中的。該附加 層可被制作或者形成為提供不同的結(jié)構(gòu)，比如一個或者多個支撐部件或者 屏蔽,這在以下描述中將變得明顯。適當?shù)慕^緣基底材料的例子包括玻璃、 陶瓷和塑料。將理解雖然任何絕緣材料都可以在本發(fā)明教示的上下文中使 用，但是玻璃由于它們在真空下的更低的出氣率而更適合于質(zhì)譜測量學中 的預(yù)期應(yīng)用。適合的導(dǎo)電材料的例子包括金屬以及金屬涂覆半導(dǎo)體和絕緣 體。金屬涂覆硅尤為引人關(guān)注，因為它可以通過使用微制造工藝(如光刻 和蝕刻)來容易地構(gòu)造。當然，金屬結(jié)構(gòu)也可以通過光刻和電鍍來微制造。
在基底的任一端，兩對支撐部件或者結(jié)構(gòu)101a、 101b、和102a、 102b 為一對插入的圓柱電極提供對準，且提供到該對圓柱電極的電連接。支撐 部件和絕緣基底的組合形成微制it^座。支撐部件對中的每一個共同地為 它們相應(yīng)的插入電極提供安裝部件。該兩個電極具有相同的直徑并且將最 終用作靜電四極透鏡中的四個電極中的兩個電極。顯然，電極在被接納于 支撐部件內(nèi)時，沿著基本上垂直于截面線A-A，或者B-B，的縱軸彼此平行 地排列。這樣，可以理解該基底具有平行于電極的縱軸和平行于截面線的 橫軸。
使用有槽定位結(jié)構(gòu)105a和105b提供對于圓柱電極的機械對準，所述 圓柱電極可以位于支撐部件101a和10b中并且被這些支撐部件支撐，類 似的結(jié)構(gòu)107a和107b提供在單元102a和10b中。適合的結(jié)構(gòu)包括V形、 U形和矩形槽，這些可全部可以通過諸如光刻和蝕刻這樣的微制造工藝來 形成。附著圓柱電極的適當?shù)姆椒òㄊ褂脤?dǎo)電的環(huán)氧樹脂和焊料。將理 解，有槽支撐或者凹陷105a、 105b在每個電極的第一端為它們相應(yīng)的電 極提供支撐，而有槽支撐或者凹陷107a、 107b在第二端提供支撐；每個 電極具有長度并且在該長度的任一端受支撐。
根據(jù)本發(fā)明的教示，用于兩個電極中的每一個的支撐部件彼此電隔 離。為了實現(xiàn)在相鄰支撐之間的該電隔離，本發(fā)明提供了分別在相鄰支撐 101a/101b與102a/102b中的每一個之間提供的物理間隔或者溝槽103、 106。兩個溝槽中的每一個沿平行于電極縱軸的方向形成。溝槽103、 106 的形成提供了在相鄰支撐之間的物理間隔，所勤目鄰支撐因為每一個位于 絕緣基底上，因此實現(xiàn)了必要的電隔離。沿支撐結(jié)構(gòu)101a和101b的每一 個的長度的電連接通過使用導(dǎo)電材料，或者通過借助于沉積膜4吏它們的頂 表面104a和104b導(dǎo)電來提供。類似地通過提供物理間隔106來提供在結(jié)構(gòu)102a與102b之間的電隔離，以及通過使用沿著它們的頂表面的沉積膜 或者導(dǎo)電材料來提供沿著支撐結(jié)構(gòu)102a和102b的電連接。通過使用導(dǎo)電 材料將電極耦合到它們相應(yīng)的定位結(jié)構(gòu)且使這些結(jié)構(gòu)的上表面也導(dǎo)電，有 可能在支撐結(jié)構(gòu)與它們相應(yīng)的被支撐電極之間提供電連接。
4吏用光刻或者蝕刻技術(shù)良好地形成間隔或者溝槽103或者106，如此， 該間隔或者溝槽可以相對較大。因此，將理解，在單元101a與101b之間 和在單元102a與102b之間的電容可以比使用基于薄沉積絕緣層的替代方 法更低。還將認識到，當單元101a與101b被射頻(RF) AC電壓激勵時， 將有4艮小的電流在該對單元之間流動。由此，該布局將在降低RF加熱的 情況下提供更近似對應(yīng)于理想電容器的電負荷。
溝槽103、 106提供相鄰支撐之間的縱向間隔。還有可能提供橫向隔 離，使得每個電極在任一端受電隔離的支撐部件101a/102a和101b/102b 的支撐。這樣的橫向隔離在圖1的布置中通過兩個橫向溝槽110a、 110b 來提供，所述橫向溝槽110a、 110b沿基本上與該插入電極的縱軸橫向的 方向延伸。橫溝槽和縱溝槽的形成有效地將各個支撐部件101a、 101b、 102a、 102b形成為基底100上的烏狀物。
通過在橫向方向上隔離支撐部件，限定了其中可提供屏蔽的間隙 (gap )。該屏蔽用以掩蓋絕緣基底中的如果暴露于離子則可能變?yōu)閹щ姷?部分。如圖1中所示，在兩對電極安裝結(jié)構(gòu)101a、 101b和102a、 102b 之間提供形式為屏蔽108的又一屏蔽結(jié)構(gòu)，該屏蔽包含沿基本上平行于電 極的預(yù)期位置的縱軸延伸的深溝槽109。溝槽109具有從底表面111直立 的側(cè)表面或者壁112a、 112b。該屏蔽還附著到絕緣基底IOO,但是通過物 理間隔或者溝槽110a、 110b與所述電極安裝結(jié)構(gòu)分離。通過使用導(dǎo)電材 料或者通過借助于沉積的導(dǎo)電膜4樣面111、 U2a、 112b、 113a、 113b導(dǎo) 電來提供在屏蔽結(jié)構(gòu)108的表面之上的電連接。將限定導(dǎo)電表面111的垂 直位置和導(dǎo)電表面112a、 112b的橫向位置的溝槽的深度和寬度被選擇為 使得在將電極插入槽105a、 105b和107a、 107b中時這些表面不與電fel 生電接觸。如圖1的截面A-A，和B-B，以及圖2的透視圖中所示，該屏蔽 的上表面113a和113b高于支撐部件的上表面104a和104b。通過這樣將 理解，該屏蔽的上表面與底層基底的距離大于該支撐部件的上表面與底層 基底的多巨離。
圖2示出了如何將兩個圓柱電極200a、 200b插入到塊101a、 101b 和102a、 102b中的對準槽中。將理解，定位對準槽101a、 101b和102a、102b的深度小于溝槽109的深度，使得位于該對準槽中定位的電極將懸 置于在該屏蔽中限定的溝槽之上。通過在距在屏蔽單元108的導(dǎo)電表面中 形成的溝槽109的某一距離提供圓柱電極的懸置，將認識到，溝槽然后可 以提供至少部分地在圓柱電極周圍延伸的導(dǎo)電屏蔽。將理解，可以4吏用光刻來精確地給出所有五個主要結(jié)構(gòu)101a、 101b、 102a、 102b和108以及間隔103、 106、 110a和110b的尺寸的輪廓，如 同輔助結(jié)構(gòu)105a、 105b和107a、 107b和109的尺寸可以的那樣。也將認 識到諸如104a、 104b、 113a和113b的結(jié)構(gòu)在絕緣基底之上的相對高度也 可以通過蝕刻到已知深度來精確地限定。因而，可以使用微制造領(lǐng)域技術(shù) 人員7>知的工藝以限定好的尺度形成整個結(jié)構(gòu)。圖3示出了如何可以^J且合兩個這樣的組件301a、 301b來構(gòu)造完整 的靜電四極透鏡，這些組件面對面堆疊在一起，使得它們的屏蔽單元的導(dǎo) 電表面302a、 302b對準和鄰接并且形成夾層結(jié)構(gòu)。將i人識到，該組件現(xiàn) 在提供一種手段，由此四個圃柱電極303a、 303b、 303c、 303d可以在任 一端通過在類似導(dǎo)電結(jié)構(gòu)304a、 304b、 304c、 304d中的槽來支撐，這些 槽通過形成夾層結(jié)構(gòu)的外表面的兩個絕緣基底305a、 305b來保持并JL^目 互隔離。還將認識到，兩個絕緣基底305a、 305b通過兩個屏蔽結(jié)構(gòu)306a、 306b來支撐并且被該兩個屏蔽結(jié)構(gòu)306a、 306b間隔開。通過對尺寸的適當選擇，該組件因此可以安裝四個類似的圃柱電極， 這些電極的軸平行且它們的中心所處的位置形成正方形。由于可以相較于 電極的直徑來適當?shù)剡x擇該正方形的尺寸，所以整個組件規(guī)定了靜電四極 透鏡的幾何形狀。也將認識到，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)304a、 304b、 304c、 304d幾乎未在圓柱電極 之間形成四極透鏡的光瞳的空間中提供障礙，因此，電極的更大部分可以 提供具有低失真的四極場。也將認識到，與圖2中的溝槽109的側(cè)壁對應(yīng) 的屏蔽結(jié)構(gòu)306a、 306b的內(nèi)導(dǎo)電表面307a、 307b現(xiàn)在可以沿著四個圓柱 電極的長度的更多部分完全地屏蔽它們。將理解盡管在至此描述的示例性實施例中示出了僅一個四極配置，但 是可以以平行陣列的形式在同一基底上構(gòu)造多個四極，以提高整體離子流 量并且因此提高靈敏度，或者也可以在同一基底上形成多個四極的串行陣 列。正如下文將討論的那樣，通過并行提供多個四極，有可能增加通過該 器件的吞吐量，而串行提供電極則允許制作附加的結(jié)構(gòu)，如Brubaker透 鏡或者預(yù)過濾器。圖4示出了將靜電四極透鏡與包括RF專用四極的Brubaker預(yù)過濾 器組合的 一種方法。這里，延伸每個絕緣基底401以允許除了在基座405a 、 405b和406a、 406b中保持的主圓柱電極對404a、 404b，并入用于第二 對單獨的圓柱電極403a、 403b的額外的安裝結(jié)構(gòu)402a、 402b。附加的電 極與它們相應(yīng)的主圓柱電極縱向?qū)?。由于傳統(tǒng)上Brubaker預(yù)過濾器中 的電極很短，單個安裝結(jié)構(gòu)組通常就足夠了 ，該單個安裝結(jié)構(gòu)組在它的中 點支撐圓柱電極。同樣，適當?shù)母街椒ò▽?dǎo)電膠和焊料。將認識到， Brubaker電極可以與主四極電極機械上鄰近但是電隔離。這樣，安裝方 法被進一步筒化?？梢岳孟蜷L圓柱電板拖加的RF電壓VAC1、 VAC2直接驅(qū)動短圃 柱電極403a、403b?？商孢x的，可以經(jīng)由電容器407a、407b和電阻器408a、 408b從長圓柱電極驅(qū)動它們，這些電容器和電阻器提供了將RF電壓 VAC1、 VAC2耦合到短圓柱電極的手段，同時確保了向短圓柱電極施加 的DC電壓基本上為接地的電壓。圖5和圖6以平面圖和在截面圖示出了如何在同 一基底上提供到單個 四極的所有電連接。這一布局對于將粘結(jié)線附著到外部電路而言通常是最 為方^f更的。上基底501a以及其上的結(jié)構(gòu)比下基底501b更窄，由此在兩個基底堆 疊在一起時，到下基底上的圓柱電極502a、 502b和屏蔽503a、 503b的接 觸被自由地暴露。這通過向上基底提供比下基底的覆蓋區(qū)小的覆蓋區(qū)來實 現(xiàn)。到上基底上的圓柱電極504a、 504b的接觸被J洛由到柱子505a、 505b， 它們在兩個基底堆疊在一起時連接到下基底上的附加結(jié)構(gòu)506a、 506b。 然后可以將引線結(jié)合劑(wire bond) 601a、 601b附著到連接至下圓柱電 極的結(jié)構(gòu)502a、 502b。類似地，可將引線結(jié)合劑602a、 602b附著到連接 至上圓柱電極的結(jié)構(gòu)506a、 506b，且可將引線結(jié)合劑603a、 603b附著到 連接至該屏蔽的結(jié)構(gòu)503a、 503b。將認識到，在每種情況下，引線結(jié)合劑附著到僅存在于下基底501b 上的結(jié)構(gòu)，由此簡化引線結(jié)合操作。還將認識到，可以將該連接方案擴展 為，例如在使用預(yù)過濾器時，提供到任何附加的類似電極的連接。圖7以截面圖示出了如何重新建立微制造四M座的主要幾何M。 這里示出了支持半徑re的單個圓柱電極702的有槽結(jié)構(gòu)701。傳統(tǒng)上，期望將該電極保持在距該四極組件產(chǎn)生的靜電場的兩個對稱軸703、 704相等的距離s處。通過可在四個電極之間繪出的圓705的半 徑r。確定精確的幾何形狀。之前的工作已經(jīng)表明在re=1.148 r。時從圓柱電 極獲得對雙曲線電勢的良好近似[Denison 1971。s的值于是為s = {re + rQ}/21/2。如果在圓柱電極702與支撐結(jié)構(gòu)701 中的槽的兩個接觸點706a、 706b之間的距離為2w，則在接觸點與對稱軸 703之間的高度h為h=s+(re2-w2)1/2。由此，對re、 r0、 s、 w和h的適當 選擇允許建立四極的幾何形狀。所述類型的基底可以使用諸如光刻、蝕刻、金屬涂覆和切分這樣的方 法，通過微制造以微米級精確度構(gòu)造。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言很 明顯，有許多工藝和材料的組合產(chǎn)生類似的結(jié)果。因此給出一個旨在具有 代表性而非窮舉的例子。在該例中，在硅晶片上形成蝕刻的結(jié)構(gòu)，這些結(jié) 構(gòu)然后被堆疊在一起形成成批的完整基底，這些完整的基底然后通過切分 被分離。圖8示出了如何在兩個單獨的硅晶片上形成兩組部件。第一晶片801 載有限定位于圖7中的接觸點706a、 706b之間的微制it^底的所有結(jié)構(gòu) 的部分。由于期望這些結(jié)構(gòu)具有圖7中所示的高度h，因此，起始材料是 在兩側(cè)上拋光至這一厚度的硅晶片。使用光刻術(shù)對晶片進行圖案化以限定 該期望的結(jié)構(gòu)(例如接觸墊802)和將它們附接到周圍晶片(804)的小 的注道段(例如803)。使用深度活性離子蝕刻傳送圖案使其順利通過晶片，該蝕刻是一種可 以以高速率和高側(cè)壁垂直性在硅中蝕刻任意結(jié)構(gòu)的基于等離子體的工藝。 移除平板印刷掩模，清潔晶片以及然后例如通過RT噴濺使晶片金屬化。 適當?shù)耐扛步饘侔ń?。第二晶片載有限定圖7中位于兩個接觸點706a、 706b以下的微制造 基底的所有結(jié)構(gòu)。由于這些結(jié)構(gòu)的深度就確定四極組件的準確度而言并不 關(guān)鍵，所以該晶片的厚度"d"僅需足以允許圓柱電極就位。該晶片被圖案 化兩次，第一次是為了限定部分蝕刻的結(jié)構(gòu)，比如電極就座槽(例如805) 和導(dǎo)電屏蔽806的基部，第二次是為了限定給出所有主要部分的輪廓的完 全蝕刻的結(jié)構(gòu)。同樣，通過短的注道段(例如807)將結(jié)構(gòu)附接到周圍晶 片808。再次^f吏用深度活性離子蝕刻將圖案傳送到晶片中，因此，部分蝕刻的結(jié)構(gòu)被蝕刻到圖7中的足夠深度de，而完全蝕刻的結(jié)構(gòu)被傳送順利通過。 該類型的多級蝕刻可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的多^面掩模來執(zhí)行。 移除光刻掩模，清潔和金屬化晶片。適當?shù)耐扛步饘偻瑯影ń稹D9示出了如何將晶片組裝到形成一組完整的微制造組件的疊層中。 上晶片801附著到下晶片802，該下晶片又附著到絕緣基底卯l (如玻璃 晶片)。適當?shù)母街椒òń饘俚浇饘賶嚎s結(jié)合。然后，使用切割鋸， 例如通過沿分離所有注道段的第一組平行線卯2a、 902b以及第二組正交 的平行線卯3a、卯3b進行切割，來分離包括各個微制it^底的矩形棵片。通過如前文在圖2中所示的將圓柱電極插入到微制it^底中，然后如 前文在圖3中所示的組裝兩個基底完成四極的組裝。然后如前文在圖6 中所示的連接到外部電路的引線結(jié)合連接。將認識到，上述工藝可以用來構(gòu)造所述的包含主要結(jié)構(gòu)的微制造四 極，即用于圃柱電極的電隔離的支撐、導(dǎo)電屏蔽和Brubaker預(yù)過濾器， 整個組件具有正確的幾何關(guān)系。然而也將認識到，許多替代制作工藝可以 實現(xiàn)相同的結(jié)果。例如，下硅晶片可以用玻璃上硅(silicon-on-glass )晶片來取代，由 此無需圖9中所示的下晶片結(jié)合的步驟?？商孢x地，可以將這兩個硅晶片 組合在一起形成單個層，通過蝕刻該層被多重地結(jié)構(gòu)化以組合所有必須的 結(jié)構(gòu)，由此無需圖9中所示的上晶片結(jié)合的步驟。在這一情況下，可以使 用掩埋蝕刻停止來實現(xiàn)限定高度h所需的精確度，該掩膜蝕刻停止可以使 用結(jié)合的絕^^上硅晶片來提供。也將i人識到，可以通過4吏用單獨的插入導(dǎo)電物體(如導(dǎo)電塊或者圓柱 體)來實現(xiàn)兩個基底之間的適當分離，由此消除了對圖9中上基底的需要。也將認識到，可以由諸如金屬這樣的替代材料構(gòu)建必要的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。 例如，也可以通過重復(fù)使用深度平板術(shù)以形成模具以及金屬電鍍以使用金 屬填充模具來構(gòu)造帶有適當?shù)囊唤M導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的絕緣晶片。將認識到，可以通過蝕刻而不是切分來使該玻璃結(jié)構(gòu)化。也將i^識到 可以用塑料來取代玻璃。如果塑料是光敏的，則將認識到可以通過平板印 刷術(shù)來對其進行結(jié)構(gòu)化。將理解這里已經(jīng)描述的是在微型四極靜電透鏡的幾何形狀中排列圃 柱電極組的示例方法，該透鏡可以在四^譜儀中用作質(zhì)量過濾器。電極 成對安裝于由絕緣基底上的導(dǎo)電部分形成的微制造安裝部件或者支撐上。導(dǎo)電部分的完全分割提供了共面圓柱電極之間的低電容耦合并且允許并入Brubaker預(yù)過濾器以提高在給定質(zhì)量分辨率下的靈敏度。由兩個這樣 的支撐構(gòu)建完整的四極，該兩個支撐通過另外的導(dǎo)電間隔物被間隔開。期 望間隔物在電極的周圍連續(xù)以提供可形成屏蔽的導(dǎo)電屏。間隔物的高度高 于安裝部件的高度，使得當使兩個支撐被集合在一起時，是在相應(yīng)基底上 提供的間隔物之間的接觸限定了相對基底之間的間隔并且保證位于第一 基座中的電^Df目對于位于第二基座內(nèi)的電極正確地隔開。盡管這樣的示例 性實施例有助于理解本發(fā)明的教示，但是除非按照所附權(quán)利要求而可能認 為必要的情況下，并非旨在以任何方式限制本發(fā)明。因此有許多工藝可實現(xiàn)類似的目的。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語微工程或者樹:制造旨在限定制造尺寸在微: 米量級的三維結(jié)構(gòu)和器件。它將微電子技術(shù)和微加工技術(shù)結(jié)合在一起。微 電子允許M晶片制作集成電路，而微加工是生產(chǎn)三維結(jié)構(gòu)，主要是從硅 晶片生產(chǎn)三維結(jié)構(gòu)。這可以通it^晶片移除材料或者在晶片上或者晶片中 添加材料來實現(xiàn)。微工程的吸引力可以總結(jié)為促成生產(chǎn)成本減少的批量器 件制作、造成材料節(jié)省的微型化、造成更快響應(yīng)時間和降低的器件擴散性 的微型化。存在廣泛多樣的技術(shù)用于晶片的微工程并且這些技術(shù)對于本領(lǐng) 域技術(shù)人員將是公知的。這些技術(shù)可以分為與從晶片上移除材料有關(guān)的技 術(shù)和與將材料沉積或者添加到晶片上有關(guān)的技術(shù)。前者的例子包括 濕化學蝕刻(各向異性和各向同性) 電化學或者光輔助的電化學蝕刻 干等離子體或者活性離子蝕刻 離子束碾磨 激光加工 受激準分子(Eximer)激光加工而后者的例子包括 蒸發(fā) 厚膜沉積 噴濺 電鍍 電鑄 模制 化學氣相沉積(CVD) 取向附生這些技術(shù)可以與晶片結(jié)合相結(jié)合以產(chǎn)生復(fù)雜的三維，例如本發(fā)明提供 的接口器^牛。盡管已經(jīng)使用了"上"、"下"、"頂"、"底"、"內(nèi)"、"外，，等這樣的用語，將本發(fā)明限制于這樣的配置，其中例如指定為頂表面的表面不在指定為下 表面的表面之上。另夕卜，在本說明書中使用的用語包括是為了指明所述結(jié)構(gòu)、整數(shù)、步 驟或者組件的存在，但是并不排除一個或者其它結(jié)構(gòu)、整數(shù)、步驟、組件 或者其組合的存在或者添加。參考文獻Batey J.H. 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權(quán)利要求
1.由第一和第二微制造基座形成的靜電四極透鏡，每個基座具有絕緣基底，該絕緣基底上形成有被配置為分別接納第一和第二電極的第一和第二安裝部件，所述第一和第二安裝部件物理上是彼此區(qū)分的。
2. 如權(quán)利要求l所述的透鏡，其中每個基座還包括至少一個間隔物， 該至少一個間隔物的高度高于第一或第二安裝部件的高度。
3. 如權(quán)利要求2所述的透鏡，其中每個安裝部件由兩個支撐部件形 成，所述支撐部件物理上;lL彼此區(qū)分的。
4. 如權(quán)利要求2或者3所述的透鏡，其中，所述支撐部件的每一個 形成為在所述絕緣基底上的島狀物，各島狀物被沿所述基座的縱軸和橫軸 形成的溝槽所分隔。
5. 如權(quán)利要求4所述的透鏡，其中每個安裝部件的支撐部件位于基 底上的第一和第二位置并且通過間隔物4皮彼此分開，所述間隔物形成位于 所述第一與第二位置之間的屏蔽，使得接納的電極穿過該屏蔽。
6. 如權(quán)利要求5所述的透鏡，其中所述屏蔽包括具有基本上與電極 平行的縱軸線的屏蔽溝槽。
7. 如權(quán)利要求6所述的透鏡，其中所述屏蔽溝槽具有導(dǎo)電表面，所 述屏蔽溝槽具有的深度使得在電極穿過所述屏蔽時，與該屏蔽的導(dǎo)電表面 物理上是分開的。
8. 如權(quán)利要求2至7中任一項所述的透鏡，其中，所述第一和第二 安裝部件的每一個在其上表面上具有導(dǎo)電表面，使得當電極被接納并且位 于所述第一和第二安裝部件上時，實現(xiàn)所述電極與其相應(yīng)的安裝部件之間 的電接觸。
9. 如權(quán)利要求8所述的透鏡，其中插入的電極能被接納于位于所述 第一和第二安裝部件中的任一個的上表面中的定位結(jié)構(gòu)內(nèi)。
10. 如權(quán)利要求9所述的透鏡，在從屬于權(quán)利要求6時，所述定位結(jié) 構(gòu)的深度小于在屏蔽中形成的溝槽的深度，使得電^l^被接納于蝕刻結(jié)構(gòu) 中時懸在所述溝槽之上。
11. 如權(quán)利要求2至10中任一項所述的透鏡，具有被接納于每個安 裝部件內(nèi)的電極。
12. 如權(quán)利要求11所述的透鏡，其中第一和第二基座被布置為夾層 結(jié)構(gòu)，使得所述第一和第二基座的各自的絕緣基底在所述結(jié)構(gòu)的相對側(cè)并 且提供其外表面。
13. 如權(quán)利要求12所述的透鏡，其中在形成夾層結(jié)構(gòu)時，用于第一 和第二基座中的每一個的至少一個間隔物的上表面彼此接觸，由此限定了 相對基底之間的間隔距離。
14. 如權(quán)利要求13所述的透鏡，其中相應(yīng)間隔物之間的接觸在所述 電極周圍提供連續(xù)的導(dǎo)電屏蔽。
15. 如權(quán)利要求12至14中任一項所述的透鏡，被設(shè)置為四極結(jié)構(gòu)。
16. 如權(quán)利要求12至15中任一項所述的透鏡，包括至少兩組電極， 每組被二沒置為四極結(jié)構(gòu)。
17. 如權(quán)利要求16所述的透鏡，其中所述至少兩組電極中的至少兩 個電極彼此平行布置。
18. 如權(quán)利要求16所述的透鏡，其中所述至少兩組電極中的至少兩 個電招JC此串行布置。
19. 如權(quán)利要求18所述的透鏡，其中第一組電極向第二組電極提供 預(yù)過濾器。
20. 如權(quán)利要求19所述的透鏡，其中第一組電極能安裝于各個安裝 部件上。
21. 如權(quán)利要求19所述的透鏡，其中第一組電極與第二組電極在機 械上毗鄰但是電隔離。
22. 如權(quán)利要求18至21中任一項所述的透鏡，其中第一組電極耦合 到RF電壓源。
23. 如權(quán)利要求22所述的透鏡，其中所述第一組電極耦合到DC接 地電源。
24. 如權(quán)利要求12至23中任一項所述的透鏡，其中通過在一個基座 上的結(jié)合連接提供到每個電極的外部電接觸。
25. 如權(quán)利要求24所述的透鏡，其中所述兩個基座中的每一個的覆 蓋區(qū)不同，使得能從外部接近提供所述外部電連接的所述基座。
26. 如任一前述權(quán)利要求所述的透鏡，其中每個安裝部件由半導(dǎo)體材料形成。
27. 如權(quán)利要求26所述的透鏡，其中所述半導(dǎo)體材料是硅。
28. 如權(quán)利要求26或者27所述的透鏡，其中使用光刻技術(shù)或者蝕刻 技術(shù)來形成在所述安裝部件內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
29. 如任一前述權(quán)利要求所述的透鏡，其中所述基底由玻璃形成。
30. 如權(quán)利要求1至28中任一權(quán)利要求所述的透鏡，其中所述基底 由塑料或者陶瓷材料形成。
31. —種四M譜儀，包括如前述任一權(quán)利要求所述的透鏡。
32. —種微制造四極透鏡，具有設(shè)置為四極結(jié)構(gòu)的第一組電極和設(shè)置 為四極結(jié)構(gòu)的第二組電極，所述第一和第二組電極串行地布置，使得第一 組向第二組提供預(yù)過濾器，每個電極耦合到在絕緣基底上提供的安裝部 件，并且該安裝部件與其它電極的安裝部件物理上隔離。
33. 基本上如此前參照附圖描述和/或如附圖中示出的透鏡。
全文摘要
本發(fā)明提供了在微型四極靜電透鏡的幾何形狀中排列圓柱電極組的方法，所述微型四極靜電透鏡可以用作四極質(zhì)譜儀中的質(zhì)量過濾器。電極成對安裝于由絕緣基底上的導(dǎo)電部分形成的微制造支撐上。導(dǎo)電部分的完全分割提供了在共面圓柱電極之間的低電容耦合，并且允許并入Brubaker預(yù)過濾器以提高在給定質(zhì)量分辨率下的靈敏度。完整的四極由通過另外的導(dǎo)電間隔物間隔開的兩個這樣的支撐構(gòu)成。間隔物在電極周圍連續(xù)以提供導(dǎo)電屏蔽。
文檔編號H01J49/42GK101236877SQ20081000681
公開日2008年8月6日 申請日期2008年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月31日
發(fā)明者理查德·西姆斯 申請人:麥克諾塞伊可系統(tǒng)有限公司