專利名稱：質(zhì)譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種質(zhì)譜儀，該質(zhì)譜儀具有 -電離室，具有用于要檢查的氣體的供給通道， -電子源，用于電離要檢查的氣體， -用于使電離電子加速的電極，-用于通過使離子加速/減速來根據(jù)質(zhì)量分離所述離子的電極， -用于被分離的離子的探測器，以及 -具有金屬線的布線。
背景技術(shù)：
質(zhì)譜儀被用在多種應(yīng)用中。以前，質(zhì)譜儀主要用于科學目的，而 如今存在越來越多的與如下有關(guān)的應(yīng)用環(huán)境保護、用于確定有害氣 體的空氣質(zhì)量測量、過程監(jiān)控和控制、例如在機場中的安全檢查等。 尤其是具有小尺寸并因此易于運輸以及能夠被普遍使用的質(zhì)譜儀適用 于這些目的。對于大規(guī)模應(yīng)用來說，另一要求是能夠低成本地制造 這些質(zhì)譜儀。先前公知的具有四極質(zhì)量分離器(Quadrupolmassenseparator ) 的質(zhì)譜儀以小尺寸為特征(W0 2004/013890， GB 234908 A)。缺點是， 在這樣的四極質(zhì)量分離器的情況下對電極幾何形狀 (Elektrodengeometrie)提出非常高的要求，從而不能通過在微系統(tǒng) 技術(shù)中常用的蝕刻法或沉積法來制it分離器。由于系統(tǒng)由多個必須以 彼此精確配合的方式被調(diào)節(jié)和定位的組件構(gòu)成，所以必須進行昂貴和 復雜的單系統(tǒng)處理。在另一質(zhì)譜儀中使用磁場分離器(W0 96/16430 )。但是該磁場分 離器要求某個最小尺寸，因為一方面針對該磁場分離器必須存在非常 高的磁場強度，而在其它位置處必須屏蔽該磁場以便不影響電離或離 子光學。在一種根據(jù)微系統(tǒng)技術(shù)制造的質(zhì)譜儀(Y00N H J等人"Fabrication of a novel micro time-of-f 1 ight mass spectrometer" SENSORS AND ACTUATORS A， ELSEVIER SE(J麗A S. A. ， UUSA羅，CH， Bd. 97-98, 2002年4月1日(2002 - 04 - 01 )，第441 — 447頁， XP004361634 ISSN: 0924 - 4247 )中，使用硅作為襯底，該襯底具有 的優(yōu)點是具有大量結(jié)構(gòu)化可能性，但是具有的缺點是有使該襯底 加熱的大的泄漏電流流動。另一缺點是高的介電常數(shù)，該高的介電常 數(shù)即使在使用由二氧化硅構(gòu)成的絕緣中間層時也導致信號失真。而且， 通過電場僅發(fā)生離子運動方向上的連續(xù)的加速，而不發(fā)生垂直于離子 運動方向的時變的加速(而通過所述時變的加速可以改善依賴速度的 離子選擇)，從而所有離子都到達探測器，并且必須在時間上分辨該 離子流的測量。此外，該先前公知的質(zhì)譜儀未以完整方式被構(gòu)造；如 圖11中所示，分離器和探測器是分開的元件。利用微系統(tǒng)技術(shù)的方法，另一先前公知的小型化的質(zhì)譜儀(W0 96/11492 )同樣未以完全平面的方式來制造；設(shè)置有用于質(zhì)量分離的 外部磁體。在上面已經(jīng)結(jié)合另一公知的質(zhì)譜儀(W0 96/16340 )提到相 應(yīng)的缺點。開頭所述類型的質(zhì)譜儀曽被開發(fā)用于微系統(tǒng)中，該質(zhì)譜儀可以利 用在微系統(tǒng)技術(shù)中常用的方法來制造(DE 197 20 278 Al )。該質(zhì)譜 儀僅具有非常小的尺寸。但是，制造非常復雜，因為一方面為了加速 以便電離要檢查的氣體需要無支撐的絕緣柵(isoliertes Gitter)， 而另一方面必須產(chǎn)生電接觸的、由銅或鎳構(gòu)成的電鍍生長的結(jié)構(gòu)。各 個組件的構(gòu)造分開地在總共四個襯底上進行，必須利用適當?shù)臉?gòu)造和 連接技術(shù)將這些襯底連接成單片系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種開頭所述類型的質(zhì)譜儀，所述質(zhì)譜儀 可以簡單并且低成本地制造，并且適于大量生產(chǎn)。在開頭所述類型的質(zhì)譜儀的情況下，根據(jù)本發(fā)明的解決方案在于 一該質(zhì)譜儀以完全平面的方式被構(gòu)造， -組件被設(shè)置在平坦的不導電的襯底上，-該質(zhì)譜儀具有用于離子的能量過濾器，所述能量過濾器被實施 為扇形、尤其是90°扇形，6-通過對施加到該襯底和布線上的被摻雜的半導體片(Halbleiterpiattchen)進行光刻和蝕刻來制造電離室、用于4吏電子和 離子加速的電極、用于所述離子的探測器、和能量過濾器，并且前述 部件被第二個平坦的不導電的襯底覆蓋。在此，應(yīng)該將"扇形，，理解為弧段，其中所述離子在該弧段上移動。質(zhì)譜儀具有通過加速/減速來根據(jù)質(zhì)量分離離子的功能基于以下 事實由于通過所述電極的電場進行加速，重量不同的離子達到不同 的速度，并且基于這種速度差異實現(xiàn)分離。但是，相應(yīng)的被允許通過 的離子束并不是單色的，而是也含有質(zhì)量更大或者更小的離子，這些 離子由于熱運動而具有了更大的或者更小的起動速度。為了濾除這些 非單色的離子，設(shè)置有能量過濾器，在所述能量過濾器中，在兩個具 有不同的、尤其是相反的電勢的電極之間，離子在所述電極之間的通 道(扇形)中被偏轉(zhuǎn)。通過該措施獲得更高的精度。與現(xiàn)有技術(shù)的雙聚集(doppelfokussierend )質(zhì)譜儀(W0 96/11492 )相比，在此舍棄通過外部磁場的偏轉(zhuǎn)。在本發(fā)明中，僅通 過在平面結(jié)構(gòu)之內(nèi)產(chǎn)生的電場來根據(jù)質(zhì)量/能量分開離子。本發(fā)明的特別的優(yōu)點在于該質(zhì)譜儀以完全平面的方式被構(gòu)造并 且可以利用微電子技術(shù)由晶片來制造。組件被設(shè)置在平坦的不導電的 襯底上，在該襯底上首先施加有金屬連接布線。通過對施加到該襯底 和該布線上的半導體片進行光刻和蝕刻來制造電離室、用于使電子和 離子加速的電極、用于所述離子的探測器、和能量過濾器，其中在光 刻和蝕刻步驟中產(chǎn)生所有的組件。接下來，則用平坦的不導電的襯底 來覆蓋所述組件，以便因此獲得閉合的單元。在一種有利的實施方式中，該電子源是熱發(fā)射器。在另一有利的實施方式中，該電子源具有等離子體室，該等離子體室具有用于稀有 氣體的供給通道和用于引入微波以便產(chǎn)生和維持等離子體的微波線 路，其中該等離子體室、該供給通道和該微波線路連同其它部件一起 同樣通過蝕刻半導體片來制造。在一種有利的實施方式中，用于通過加速/減速來根據(jù)質(zhì)量分離離子的電極被構(gòu)造和設(shè)置為飛行時間質(zhì)量分離器。在第一柵電極裝置中， 離子束被脈沖調(diào)制(gepulst)。因此，僅有短離子脈沖到達漂移路段中，在該漂移路段中，該脈沖由于離子的速度不同而分散。在第二柵 電極裝置處，該離子脈沖被采樣。在此，不同的傳播時間對應(yīng)于不同 的質(zhì)量。于是通過能量過濾器確保只有剛好具有某一能量的離子到達 探測器并且在那里被記錄。在行波場分離器的情況下，在測量路段中設(shè)置有大量的電極，所 述電極被施加交流電壓，該交流電壓從一端到另一端隨著所述離子而"遷移(wandern)"。只有剛好具有對應(yīng)于電場的"遷移速度"的速 度的離子總是移動通過正好未被施加電壓的電極。所有其它不合拍的 離子在正好被施加有電壓的電極之間移動，從而它們被偏轉(zhuǎn)到旁側(cè)。用于所述離子的探測器被有利地構(gòu)造為法拉第探測器 (Faradaydetektor)。在具有更高靈敏度的另 一有利的實施方式中， 用于所述離子的探測器被構(gòu)造為電子倍增器。用于使電子加速的電極可以是兩個配備有光闌孔徑 (Blenden6ffnung)的能夠被施加不同電勢的電極。這些電極同樣可以 由半導體材料來制造，從而避免現(xiàn)有技術(shù)中先前公知的、難以制造的 用于加速電子的格柵裝置(DE 197 20 278 A)。該質(zhì)譜儀有利地具有微控制器，通過該微控制器來控制該質(zhì)譜儀。 有利地通過共晶半導體-金屬接觸來電連接所述布線的金屬導體 和所述電極。為此，在金屬線或者印制導線上在相應(yīng)位置上設(shè)置有由 適當?shù)慕饘贅?gòu)成的凸起，所述凸起在與半導體片結(jié)合時形成共晶半導 體-金屬接觸。用于該共晶接觸的特別有利的金屬是金。 該不導電的襯底有利地由硼硅玻璃或者石英玻璃構(gòu)成。 本發(fā)明的特征還在于一種用于制造該質(zhì)譜儀的方法。根據(jù)該方法， 在平坦的不導電的襯底上施加金屬布線，在該金屬布線上設(shè)置用于與 半導體電極相連接的金屬焊盤。然后將對應(yīng)于該布線的凹陷蝕刻到半 導體片中，以便半導體材料在結(jié)合時僅接觸所述金屬焊盤，而不接觸 所述布線。接下來，則將該半導體片施加到該襯底上，并且在該半導 體片上設(shè)置光刻掩膜。在此，可以通過如下方式光學地實現(xiàn)該掩膜相 對于該布線和金焊盤的對準使用具有某一波長的光，對于所述光來 說硅片是透明的。在此，對硅來說，1.2pm以上的波長是合適的。在 相應(yīng)地曝光和除去該掩膜之后，則在一個步驟中局部地蝕刻該半導體8片，以便產(chǎn)生該質(zhì)譜儀的組件。接下來，利用第二個不導電的襯底覆 蓋該半導體片。在此，可以預先在該第二個不導電的襯底上施加另外的布線，以 便例如使電極對的電極相互連接。


接下來根據(jù)有利的實施方式參照附圖來描述本發(fā)明。圖1示出在沒有布線和不導電襯底的情況下質(zhì)譜儀的有利實施方式的主要部件的基本布置；圖2示出沿著圖1的線A-A的截面，其中一并示出了不導電村底， 圖3以類似于圖1的示圖示出另一實施方式， 圖4以類似于圖2的示圖示出對應(yīng)于圖3的線A-A的截面， 圖5以及圖6示出第三實施方式的對應(yīng)于圖l和圖2或圖3和圖4的示圖，圖7示出加速電極裝置的俯視圖；圖8示出沿著圖7的線A-A的截面；以及圖9示出制造本發(fā)明的質(zhì)鐠儀的原理。
具體實施方式
在圖1中示出了完成了的半導體片，該半導體片在該實施方式中 由摻雜的硅構(gòu)成，并且在該半導體片中通過蝕刻制造出相應(yīng)的組件。 該謙儀具有用于樣品氣體的供給通道a，該樣品氣體被導向電離室b中。 電離所需的具有典型地為70eV的能量的電子從等離子體室d中被提取 出，并在兩個處于不同電勢的光闌孔徑c之間凈皮加速。所述光闌孔徑 之間的整個區(qū)域朝著該系統(tǒng)的旁側(cè)被抽成真空。稀有氣體通過通道e 被供給等離子體室d。通過微波導體f利用微波來激勵所述稀有氣體以 便產(chǎn)生等離子體并且由此釋放所需的電子。通過通道e或所連接的毛 細管之前的入口壓力來控制該等離子體室中的壓力。通過室壁與離子光學器件g之間的電場將來自電離室b的離子提 取到另一光闌孔徑上，利用所定義的能量使所述離子加速并聚集。離 子束在第一柵電子裝置h處被脈沖調(diào)制。因此只有短離子脈沖到達漂 移路段i中，在該漂移路段i中脈沖由于離子的速度不同而分散。在第二柵電極裝置j處，該離子脈沖被采樣。能量過濾器k確保只有剛 好具有某一能量的離子到達探測器1并且在那里被記錄。
圖3和圖4示出另一實施方式，該實施方式在加速電極的區(qū)域內(nèi) 與圖1和圖2的實施方式不同。行波場分離器的電極m被施加交流電 壓，從而在正好被施加電壓的電極之間移動通過的電子被偏轉(zhuǎn)到旁側(cè) 并且被從該射束中除去。只有剛好具有正確速度的、在沒有電壓施加 在電極處時分別通過這些電極的離子到達能量過濾器k，該能量過濾器 k的在四分之一圓形通道的兩側(cè)的兩個電極處于相反的電勢，以^更因此 僅使剛好具有所定義的能量的離子通過。這些離子然后又打到探測器1 上。
圖5和圖6的實施方式與圖1和圖2的實施方式的不同之處在于 代替稀有氣體等離子體，將熱發(fā)射器n用于釋放電離所需的電子。
在圖7和圖8中示出了根據(jù)本發(fā)明的質(zhì)譜儀的電極區(qū)域。硼硅玻 璃1充當該系統(tǒng)的載體，在該硼硅玻璃1上施加有金屬印制導線2以 便將電極電互連。通過共晶金硅接觸5來實現(xiàn)金屬印制導線2與硅電 極4之間的電接觸。印制導線2與硅電極4之間的接觸位置處的金焊 盤3在與高摻雜硅結(jié)合時熔合，并且因此產(chǎn)生歐姆接觸。在此，在圖8 中以截面的形式示出了電極的構(gòu)造。
在圖9中示出了制造該質(zhì)譜儀的原理。通過在該硅片中進行蝕刻 產(chǎn)生凹槽(Ausnehmung) 8，該凹槽8在完成的質(zhì)譜儀中導致載體襯底 1上的金屬印制導線2與硅片6之間的所需距離。這是必需的，以便能 夠以平面的方式結(jié)合襯底1和硅片6。在此，蝕刻坑8的深度被設(shè)計為 使得金焊盤3在襯底1與硅片6連接在一起時與蝕刻坑8的底部接觸。 這樣根據(jù)I所產(chǎn)生的裝置然后在步驟II中被結(jié)合。在步驟III中，在 施加了相應(yīng)的掩膜并通過蝕刻曝光之后產(chǎn)生所期望的結(jié)構(gòu)。實際上， 在I、 II和III中所示的上部的襯底7在這些步驟過程中還不存在。 該襯底7同樣承栽導體，并且然后在IV中被結(jié)合到該裝置上，其中通 過設(shè)置在上部的襯底7處的導體來連接電極。
可以以統(tǒng)一的步驟在晶片中進行該質(zhì)譜儀的制造。圖中所示的完 成了的質(zhì)譜4義可以具有如5xl0mm那樣小的尺寸。由于尺寸小，因此
也僅對真空泵的泵功率提出低的要求。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)譜儀，該質(zhì)譜儀具有-電離室(b)，具有用于要檢查的氣體的供給通道(a)，-電子源(d，n)，用于電離要檢查的氣體，-用于使電離電子加速的電極(c)，-用于通過使離子加速/減速來根據(jù)質(zhì)量分離所述離子的電極(g，h，j，m)，-用于被分離的離子的探測器(1)，以及-具有金屬導體的布線，其特征在于，-該質(zhì)譜儀以完全平面的方式被構(gòu)造，-組件被設(shè)置在平坦的不導電的襯底(1)上，-該質(zhì)譜儀具有用于所述離子的能量過濾器(k)，所述能量過濾器(k)被實施為扇形、尤其是90°扇形，-通過對施加到所述襯底(1)和所述布線(2)上的摻雜的半導體片(6)進行光刻和蝕刻來制造所述電離室(b)、用于使電子和離子加速的電極(g，h，j，m)、用于所述離子的探測器(1)、和所述能量過濾器(k)，并且前述部件被第二個平坦的不導電的襯底(7)覆蓋。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，所述電子源(n) 是熱發(fā)射器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，所述電子源具有 等離子體室(d)，該等離子體室(d)具有用于稀有氣體的供給通道 (e)和用于引入微波以便產(chǎn)生和維持等離子體的微波線路(f )，其中 通過對所述半導體片(6)進行蝕刻來制造所述等離子體室(d)、所 述供給通道(e)和所述微波線路(f )。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，用于通 過加速/減速來根據(jù)質(zhì)量分離離子的電極(g， h， j)被構(gòu)造和設(shè)置為 飛行時間質(zhì)量分離器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，用于通 過加速/減速來根據(jù)質(zhì)量分離離子的電極(g， m)被構(gòu)造和設(shè)置為行波場分離器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，用于所 述離子的探測器(1)被構(gòu)造為法拉第探測器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，用于所 述離子的探測器(1)被構(gòu)造為電子倍增器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，用于使 電子加速的電極(c)是兩個配備有光闌孔徑的、能夠被施加不同電勢 的電極。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，該質(zhì)譜 儀具有微控制器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，通過共 晶金屬-半導體接觸來電連接所述金屬導體(2)和所述電極(4)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，通過共 晶金-半導體接觸來電連接所述金屬導體(2)和所述電極(4)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，半導體 材料是被摻雜的硅。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至12之一所述的質(zhì)譜儀，其特征在于，不導 電的襯底(1， 7)由硼硅玻璃或者石英玻璃構(gòu)成。
14. 一種用于制造質(zhì)譜儀的方法，該質(zhì)譜儀具有用于要檢查的氣 體的電離室，該電離室具有用于該氣體的供給通道；用于電離該氣體 的電子的電子源；用于使所述電子加速的電極；用于使從該電離室離 開的離子聚集并加速以及用于通過加速/減速來根據(jù)質(zhì)量分離所述離 子的電極；用于所述離子的探測器；用于前述組件的金屬導體形式的 連接布線；以及用于所述離子的能量過濾器，該能量過濾器被實施為 扇形，其特征在于，在平坦的不導電的襯底上施加金屬布線，在該金 屬布線上設(shè)置用于與半導體電極相連接的金屬焊盤，將對應(yīng)于該布線 的凹陷蝕刻到半導體片中，將該半導體片施加到該襯底上，在該半導 體片上利用具有大約1.2pm以上的波長的光來光學對準光刻掩膜，隨 后局部地蝕刻該半導體片，并且然后利用笫二個不導電的襯底覆蓋該 半導體片。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，利用所述第二個 不導電的襯底來施加另外的布線。
16.根據(jù)權(quán)利要求14至15之一所述的方法，其特征在于，將金用 作所述金屬焊盤的金屬。
全文摘要
一種質(zhì)譜儀，其特征在于，該質(zhì)譜儀以完全平面的方式被構(gòu)造；組件被設(shè)置在平坦的不導電的襯底上；該質(zhì)譜儀具有用于離子的能量過濾器(k)，所述能量過濾器(k)被實施為扇形、尤其是90°扇形；通過對施加到該襯底和布線上的被摻雜的半導體片進行光刻和蝕刻來制造電離室(b)、用于使電子和離子加速的電極(g，h，j)、用于所述離子的探測器(l)、和所述能量過濾器(k)，并且前述部件被第二個平坦的不導電的襯底覆蓋。
文檔編號H01J49/00GK101636814SQ200880005532
公開日2010年1月27日 申請日期2008年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月19日
發(fā)明者E·瓦佩爾霍斯特, J·-P·豪希爾德, J·米勒 申請人:拜爾技術(shù)服務(wù)有限責任公司