説明

微細加工された高性能静電四重極レンズ

【課題】この発明は、四重極質量分析計で質量フィルターとして作用することができる、小型の四重極静電レンズの幾何学的配列で円柱状電極の組を整列する方法を提供する。
【解決手段】電極は、絶縁基板の上に導電性部分から形成される、微細加工された支持体上に対で搭載される。導電性部分を完全に区画することで、共平面の円柱状電極の間に低容量のカップリングをもたらし、そして、ブルベーカープレフィルターの組み込みが所与の質量分解能での感度を改善することを可能にしている。完全な四重極は、さらなる導電性のスペーサーによって間隔をあけられている、2つのかかる支持体から構成される。スペーサーは、シールドを形成することができる導電性のスクリーンを提供すべく、電極の周りに望ましくは連続されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、質量分析法、特に、高範囲、低ノイズ及び高感度な小型静電四重極質量フィルターの提供に関する。
【背景技術】
【0002】
小型の質量分析計は、宇宙探査のための機器として及び残留ガス分析器として、生物化学戦争剤、薬剤、爆薬及び汚染物質の検出のための携帯装置としての用途を有している。
【0003】
質量分析計は、イオン源、イオンフィルター及びイオン計の3つの主要なサブシステムから成っている。最も成功した変形例の1つが四重極質量分析計であり、それは四重極の静電レンズを質量フィルターとして用いている。従来の四重極レンズは4つの円柱状電極から成り、これらは精確に平行で、これらの心-心間隔はこれらの直径に対して明確に規定された比でもって搭載されている[非特許文献1]。
【0004】
イオンは電極間の瞳に注入され、時間変動する双曲面の静電電界の影響の下に電極に平行に移動する。この電界は直流(DC)と交流(AC)成分の両方を含んでいる。AC成分の周波数は固定されており、そしてAC電圧に対するDC電圧の比もまた固定されている。
【0005】
このような電界におけるイオンの力学の研究は、質量への特別な荷電比のイオンのみがロッドの1つに対して放電することなく、四重極を通過するであろうことを示している。したがって、該装置は質量フィルターとして作用している。フィルターを成功裏に出たイオンは検出され得る。もし、DC及びAC電圧が共に増やされるなら、検出された信号は、イオン流内に存在している異なる質量のスペクトルである。検出され得る最も大きい質量は、印加され得る最大電圧から決定される。
【0006】
四重極フィルターの分解能は2つの主要因によって決定される。すなわち、個々のイオンによって経験される交流電圧のサイクル数、及び望ましい電界が創生される精度である。かくて、個々のイオンは十分に大きいサイクル数を経験するように、イオンは小さい軸流速度で注入され、そして無線周波数(RF)AC成分が用いられる。この周波数は、フィルターの長さが減少されるにつれて、増やされなければならない。
【0007】
感度及びそれ故の質量分析計の全体的な性能はまた、信号レベルとノイズレベルにより影響を受ける。はぐれたイオンから生じるノイズは、従来においてアースされたスクリーンの使用によって減らされている[非特許文献2]。入口の瞳の大きさが減少されるにつれて、イオンの透過は明らかに減少される。したがって、小さな四重極において透過を改良すべく努力がなされ、そして、所定の分解能においての著しく改善された透過が、四重極への入力におけるフリンジ電界の作用を低減することにより得られることが明らかにされた。
【0008】
1つの効果的な方法は、いわゆるブルベーカー(Brubaker)レンズ又はブルベーカー(Brubaker)プレフィルターの使用を含み、そしてそれは主四重極電極に共直線状に搭載された、4つの短い、円柱状電極の組から成っている。ブルベーカープレフィルターは、主四重極レンズに(DC電圧ではなく)AC電圧が印加されて励起される。AC電圧のみで励起された四重極は全通過フィルターとして作用するので、ブルベーカープレフィルターは主四重極へのイオンの案内をもたらすことがよく知られている、しかしながら、DC電圧成分の印加での遅れは、フリンジ電界での減衰をもたらし、そして所定の質量分解能での全体的なイオン透過を著しく改善する[特許文献1、特許文献2]。
【0009】
望ましい双曲面の電界を作るために、極めて正確な構築方法が用いられている。しかしながら、構造の大きさが減少されるにつれて、必要とされる精度を得ることはますます難しくなっている[非特許文献1]。したがって、微細加工方法が、コストを低減し且つ携帯性を許容すべく質量分析計を小型化するために、ますます採用されている。
【0010】
微細加工される装置は、用いられ得る、堆積、パターニング及びエッチングの方法の相性範囲の故に、シリコンウエハーの上にしばしば製作される。しかしながら、シリコンの固有抵抗は本来的に本質的な材料の抵抗に制限され、そして堆積された絶縁薄膜の厚さは、かかる薄膜における応力によって制限される。これらの制限は、シリコンに形成された静電四重極の質量フィルターのようなRF装置の性能について特別な重要性を有する。
【0011】
例えば、2つの酸化されたシリコン基板に対で搭載された4つの円柱状電極から成る、シリコンベースの四重極静電質量フィルターが数年前に実演された。この基板は、2つの円筒状絶縁スペーサーによって離間されて保持され、そして非等方性ウエット化学エッチングによって形成されたV形溝が、電極とスペーサーの配置のために用いられた。電極は、溝に堆積された金属薄膜にはんだ付けされた金属被覆ガラスロッドであった[特許文献3]。
【0012】
質量フィルタリングが、0.5mmの直径及び30mmの長さの電極を備える装置を用いて実演された[非特許文献4;非特許文献5;非特許文献6]。しかしながら、性能は、基板を経る酸化物中間層を通しての、共平面円柱状電極の間での容量カップリングによって引き起こされたRF加熱によって制限された。結果として、装置は程度の低い電気負荷を露呈し、そして、電極を取り付けているはんだが融ける傾向があった。これらの作用は、印加され得る電圧及び周波数を制限し、そしてそれは、質量の範囲(およそ100の原子質量単位まで)と質量分解能の両方を制限した。基板はアースされていたが、不完全なスクリーンの使用が高いノイズレベルをもたらし、そして装置は低い透過率に悩まされた。
【0013】
これらの制限条件を克服する努力において、結合絶縁体上シリコン(BSOI:bonded silicon-on-insulator)に基づいた代わりの構成が開発された[特許文献4]。BSOIは酸化されたシリコンウエハーから成り、これに第2のシリコンウエハーが結合されている。当該第2のウエハーは、シリコン‐酸化物-シリコンの多層を残すために、所望の厚さにまで磨き戻されてもよい。
【0014】
この幾何学的配列では、電極ロッドが2つの基板の上に対で再び搭載された。しかしながら、電極は、今や、BSOIウエハーの基板の中にエッチング加工されたシリコンばねによって保持され、他方、装置の層がスペーサーとして用いられた。酸化物中間層は大きく取り去られ、その結果、基板を経ての共平面円柱状電極の間の容量カップリングは大いに減少された。結果として、装置は相当な、より高電圧に耐えることができ、そして400原子質量単位の質量範囲が実演された[非特許文献7]。
【0015】
これらの結果にもかかわらず、ただ部分的なスクリーニングのみが再び可能であった。さらに、円柱状電極を搭載しているばねとフックのような特徴による入口の瞳の障害物のために、透過は再び低いと判定された。これらの特徴はまた、ブルベーカープレフィルターのような補助的な光学機器の組み込みを妨げた。
【0016】
「正方形ロッド四重極」として説明され、そしてシリコンに形成され、多角形のロッドの組を搭載している2つの基板アセンブリに基づく、さらなる微細加工された四重極フィルターもまた記載されている[特許文献5]。しかしながら、それは実演されていないようである。
【0017】
【特許文献1】米国特許第3,371,294号公報 Brubaker W.M.(1968)
【特許文献2】米国特許第3,129,327号公報 Brubaker W.M.(1968)
【特許文献3】米国特許第6,025,591号公報 Taylor S., Tate T.J., Syms R.R.A, Dorey H.A. (200)
【特許文献4】英国特許第2391694号公報 Syms R.R.A. (2006)
【特許文献5】米国特許第6,465,792号公報 Baptist R. (2002)
【非特許文献1】Batey J.H. 「四重極ガス分析器」Vacuum 37, 659-668 (1987)
【非特許文献2】Denison D.R. 「アースされた筒状ハウジングでの四重極の作動パラメータ」J. Vac. Sci & Tech. 8, 266-269 (1971)
【非特許文献3】Brubaker W.M.「改良された四重極質量分析器」Adv. Mass Spectrom, 4, 293 (1968)
【非特許文献4】Syms R.R.A, Tate T.J., Ahmad M.M., Taylor S. 「微細技術の四重極静電レンズの製作」Elect. Lett. 32, 2094-2095 (1996)
【非特許文献5】Syms R.R.A, Tate T.J., Ahmad M.M., Taylor S.「微細技術の四重極静電レンズの設計」IEEE Trans. On Electron Device TED-45, 2304-2311 (1998)
【非特許文献6】Taylor S., Tunstall J.J., Leck J.H. Tindall., Julian P., Batey J., Syms R.R.A, Tate T.J., Ahmad M.M。「微細加工の質量フィルタを備える小型四重極の性能改善」Vacuum 53, 203-206 (1999)
【非特許文献7】Geear M., Syms R.R.A, Wright S., Holmes A.S. 「深いシリコンエッチングによるモノリシックMEMS四重極質量分析計」 IEEE/ASME J. Microelectromech. Syst. 14, 1156-1166 (2005)
【非特許文献8】Sillon N., Baptist R.「微細加工の質量分析計」 Sensors and Actuators B83, 129-137 (2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0018】
質量分析法の多くの用途はより大きい質量の範囲を要求しているので、RF加熱の問題に対するいっそう効果的な解決を与える必要がある。それ故に、かかる解決法、及び所定の分解能において、低ノイズと、より大きい検出感度を必要としている状態で作動可能な質量分析計装置に対する要求事項をもまた提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【0019】
これらと他の問題は、本発明の教示に従う質量分析計装置によって対処され、これは、微細加工される静電四重極質量フィルターにおける電気的絶縁のために、薄く堆積される酸化物層の使用を排除している。本発明の教示に従う装置はまた、アースされたスクリーンとブルベーカープレフィルターとの両方を組み込むことについての問題にも対処している。かかる利益は、全てのシリコン部品が物理的に分離され、そして絶縁基板に取り付けられている、四重極電極のための台座を組み込むことによりもたらされる。
【0020】
本発明の教示に従えば、小型の四重極静電レンズの幾何学的配列において円柱状電極の組を整列する方法が提供される。この静電レンズは四重極質量分析計において質量フィルターとして作動し得る。電極は、微細加工された支持体上に対で搭載され、支持体は絶縁基板の上に導電性部品から形成される。導電性部品を完全に区分けすることにより、共平面の円柱状電極の間に低容量カップリングをもたらし、そして所定の質量分解能での感度を改良すべく、ブルベーカーレンズの組み込みを可能にする。完成した四重極が2つのこのような絶縁基板から作られ、そしてそれはさらなる導電性スペーサーによって間隔をあけられている。スペーサーは、導電性スクリーンをもたらすために電極の周りに連続されている。
【0021】
したがって、本発明は請求項1に従う四重極レンズを提供する。有利な実施形態は従属請求項で与えられている。
【0022】
これらと、説明のための及び例示的な実施形態の他の特徴は、下記の図1ないし9を参照することでさらに良好に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
さて、本発明が、本発明の教示の理解に役立つべく与えられる例示的な実施形態を参照して説明される。特徴が1つの図面を参照して説明されるが、発明を1つの図面の解釈に限定することは意図されておらず、及び本発明の範囲から逸脱することなく変更がなされ得ることから、かかる特徴は他の図面で説明される特徴と共に、又はそれに置き換えられて用いられ得ることが理解されるであろう。このような範囲は、特許請求の範囲を考慮に入れて必要であるとみなされるときに限定されるのみである。
【0024】
図1において、導電性の材料又は導電層に覆われている材料の追加の層に形成される種々の特徴を共に配置するために、絶縁基板100が用いられている。この追加の層は、以下の説明から明らかになるように、1つ以上の支持部材すなわちシールドのような異なる特徴を与えるために作成ないしは形成される。適切な絶縁基板材料の例は、ガラス、セラミックス及びプラスチックを含む。本発明の教示の状況ではどの絶縁材料も有用であるが、質量分析法で意図されている用途のためには、真空下での低気体放出比の理由で、ガラスがより適切である。適切な導電性材料の例は、金属、及び金属で覆われた半導体と絶縁体を含む。金属で覆われたシリコンは、フォトリソグラフィ及びエッチングのような微細加工の方法を用いて容易に構造化できるので、特に重要である。しかしながら、金属構造も同じくフォトリソグラフィ及び電気メッキによって微細加工され得る。
【0025】
基板のいずれもの端部において、2つの対の支持部材すなわち特徴101a、101b及び102a、102bが、1対の挿入される円柱状電極への整列、及び電気的接続をもたらす。支持部材と絶縁基板との組合せが微細加工された台座を形成している。1対の支持部材の各々は、それらのそれぞれの挿入される電極のために集合的に据付け用部材をもたらす。2つの電極の各々は同じ直径を有し、静電四重極レンズでの4つの電極のうちの2つとして究極的に作用する。電極は、支持部材の中に受入れられたとき、断面線A‐A‘又はB‐B’にほぼ直交する長手方向軸線に沿って互いに平行に整列されることは明白であろう。このように、基板は電極に平行な長手方向軸線と断面線に平行な横方向軸線とを有することが理解されよう。
【0026】
支持部材101a及び101b内に配置され支持される円柱状電極のための機械的整列が、溝付の配置用特徴105a及び105bによりもたらされ、同様な特徴107a及び107bが要素102a及び102bに設けられている。適切な特徴は、V形、U形及び矩形を含み、それらは全てフォトリソグラフィ及びエッチングのような微細加工方法によって形成され得る。円柱状電極を装着する適切な方法は、導電性のエポキシ及びはんだを使用することを含む。溝が付けられた支持部すなわち凹部105a、105bは、それらのそれぞれの電極に対し、各々の電極の第1の端部における支持を提供し、そして溝が付けられた支持部すなわち凹部107a、107bは第2の端部における支持を提供する。各電極は長さを有し、そしてその長さのいずれもの端部で支持される。
【0027】
本発明の教示に従えば、2つの電極のそれぞれのための支持部材は互いから電気的に絶縁されている。隣接する支持体間のこの電気的絶縁を達成するために、本発明は、隣接する支持体101a/101b及び102a/102bそれぞれの各々の間に設けられるべき、物理的分離すなわち溝103、106を設けている。2つの溝の各々は、電極の長手方向軸線に平行な方向に形成されている。溝103、106の形成は、隣接する支持体の間に物理的分離をもたらし、それらの各々が絶縁基板に配置されたときに必要な電気的絶縁を達成する。支持体特徴101a及び101bのそれぞれの長さに沿う電気的接続が、導電材料の使用によって、すなわち、それらの頂表面104a及び104bに堆積された薄膜によって導電性とすることによって与えられる。特徴102a及び102bの間の電気的絶縁は、物理的分離106を与えることによって同様にもたらされ、そして、支持体特徴102a及び102bに沿っての電気的接続が、導電材料、すなわち、それらの頂表面に堆積された薄膜の使用によって与えられる。導電材料を用いて電極をそれらのそれぞれの配置用特徴に連結し、そしてこれらの特徴の頂表面をもまた導電性とすることによって、支持体特徴とそれらのそれぞれに支持されている電極との間に電気的接続をもたらすことが可能である。
【0028】
分離部、すなわち、溝103及び106は、フォトリソグラフィ又はエッチング技術を用いて形成されるのが望ましく、そうすると相対的に大きくできる。したがって、要素101aと要素101bとの間、及び要素102aと要素102bとの間の静電容量は、薄い堆積された絶縁層に基づく他の方法を用いるより低くなり得ることが理解されよう。さらに、要素101a及び要素101bが無線周波数(RF)の交流電圧によって励起されるとき、この対の間に非常に小さい電流が流れるであろうことが理解されよう。したがって、この配列は、RF加熱が低減された理想的なキャパシタにより近い電気的負荷を提供するであろう。
【0029】
溝103、106は隣接する支持体の間に長手方向の分離部を規定する。横方向の分離部を規定して、各々の電極が、電気的に絶縁されている支持部材101a/102a及び101b/102bによって、その端部で支持されるようにすることもまた可能である。このような横方向の分離部は、図1の配列において、挿入された電極の長手方向軸線をほぼ横切る方向に延在する2つの横方向溝110a、110bによって与えられている。この両横方向及び長手方向の溝の構成は、基板100の上の島として、個別の支持部材101a、101b、102a、102bを効率良く形成する。
【0030】
支持部材を横方向において隔離することによって間隙が画成され、その中にシールドが設けられ得る。このシールドは、イオンに露呈されたときに荷電される可能性のある絶縁基板の上部分を覆うべく作用する。図1に示されるように、2対の電極据付用特徴101a、101bと102a、102bとの間に、深い溝109を含むシールド108の形態のさらなる特徴が設けられ、この特徴は、意図された電極の配置にほぼ平行な、長手方向軸線方向に延在している。溝109は、底面111から直立している側面すなわち壁112a、112bを有している。シールドはまた、絶縁基板100に付けられているが、物理的分離すなわち溝110a、110bによって、電極据付用特徴から隔離されている。シールド用特徴108の表面に亘る電気的接続が、導電材料の使用によって、又は、表面111、112a、112b、113a、113bに堆積された薄膜によって導電性にすることにより与えられている。導電表面111の鉛直方向位置及び導電表面112a、112bの横方向位置を規定する、溝の深さと幅は、電極が溝105a、105b及び溝107a、107bに挿入されたとき、これらの表面と電気的接続をしないように選択される。図1のA−A‘及びB-B’断面、また図2の斜視図に示されるように、シールドの上側表面113a及び113bは支持部材の上側表面104a及び104bより高い。このことにより、下方にある基板からシールドの上側表面までの距離が、下方にある基板から支持部材の上側表面までの距離より大きいことが理解されるであろう。
【0031】
図2は、2つの円柱状電極200a、200bがブロック内の整列用の溝101a、101b及び102a、102bに、どのように挿入されるかを示している。配置用の整列溝101a、101b及び102a、102bの深さは、整列溝に配置された電極がシールドに画成された溝の上に懸架されるように、溝109の深さよりも浅い。シールド要素108の導電表面に形成された溝109から距離を置いて円柱状電極を懸架することによって、溝は、円筒状電極の周りに少なくとも部分的に延在する導電シールドをもたらし得ることが理解されよう。
【0032】
5つの主要な特徴101a、101b、102a、102b及び108と、分離部103、106、110a及び110bとの寸法は、補足的な特徴105a、105bと107a、107bと109の寸法のように、フォトリソグラフィを用いて全て正確に輪郭付けられることが理解されよう。特徴104a、104b、113a及び113bのような特徴の、絶縁基板上の相対的な高さもまた、エッチングによって既知の深さに正確に規定され得ることが理解されよう。したがって、全体的な構造は、微細加工の技術分野における当業者によく知られている方法を用いて、明確に規定された寸法状態に形成され得る。
【0033】
図3は、かかる2つのアセンブリ301a、301bが組合わされて、どのようにして完成した静電四重極レンズが構成されるかを示している。2つのアセンブリ301a、301bは、シールド要素の導電表面302a、302bが整列かつ当接し、サンドウィッチ構造を形成するように、対面して共に積み重ねられている。アセンブリは今や1つの手段をもたらし、これでもって4つの円柱状電極303a、303b、303c、303dが端部で、同様な導電性の特徴304a、304b、304c、304dの溝によって支持され得ることが理解されよう。特徴304a、304b、304c、304dは、サンドウィッチ構造の外側表面を形成している2つの絶縁基板305a、305bに保持され、互いに隔離されている。2つの絶縁基板305a、305bは、2つのシールド用特徴306a、306bに支持され、かつ、離間されている。
【0034】
寸法を適切に選定することで、アセンブリは、4つの同一の円柱状電極をそれらの軸線が平行で且つ中心が正方形上に位置された状態に搭載することができる。正方形の寸法は電極の直径と比較して適切に選定され得るので、全体的なアセンブリが静電四重極レンズの幾何学的配列を与える。
【0035】
導電性の特徴304a、304b、304c、303dは、四重極レンズの瞳を形成する、円筒状電極の間の空間に障害物をもたらさず、その結果、電極のより多くの部分が四重極電界に低ひずみ性をもたらすことが、同じく理解されよう。シールド用特徴306a、306bの内部の導電表面307a、307bは、図2における溝109の側壁に相当し、4つの円柱状電極をそれらの長さのより多くの部分に沿って、今や、完全にシールドすることができることもまた理解されよう。
【0036】
これまでに説明された例示的な実施形態においては、唯1つの四重極構成が示されたが、全体的なイオン流動、延いては、感度を増すために、多数の四重極が同じ基板の上に平行な配列の形態で構成され得ること、又は、直列の配列の多数の四重極もまた同じ基板の上に形成され得ることが理解されよう。平行な複数の四重極を与えることによって、装置による処理能力を増大することが可能である一方、電極を直列に設けると、以下に説明されるように、例えばブルベーカーのレンズ又はプレフィルターのような追加の特徴の作成を可能にする。
【0037】
図4は、静電四重極レンズと、RFのみの四重極からなるブルベーカープレフィルターとを組合わせる方法を示している。ここで、それぞれの絶縁基板401が延長され、台座405a、405b及び406a、406bに保持された主円柱状電極404a、404bの対に加えて、第2の対の別の円柱状電極403a、403bのための追加の搭載用特徴402a、402bの組み込みを可能にしている。追加の電極は、それらのそれぞれの主円柱状電極に長手方向で整列されている。ブルベーカープレフィルターにおける電極は慣習的に非常に短いので、円柱状電極をそれらの中間点において保持する単一の組の搭載用特徴であれば、通常、十分であろう。再度、適切な取り付けの方法は導電性の接着剤及びはんだを含む。ブルベーカーの電極は、主四重極電極に機械的に連続であるけれども、電気的には隔離されていてもよいことも理解されよう。この場合、搭載方法がさらに単純化される。
【0038】
短い円柱状電極403a、403bは、長い円柱状電極に供給されるRF電圧VAC1、VAC2でもって直接に駆動されてもよい。代わりに、それらはキャパシタ407a、407bと抵抗408a、408bを介して、長い円柱状電極から駆動されてもよい。そしてそれらは、短い円柱状電極に印加されるDC電圧が実質的にアースされるのを保証しつつ、RF電圧VAC1、VAC2を短い円柱状電極に連結する手段を提供している。
【0039】
図5及び6は、単一の四重極への電気的接続の全てがどのようにして、同じ基板で与えられ得るかを平面図及び断面図で示している。この配列は、一般に、ボンディングワイヤーを外部の回路に取り付けるのに最も便利である。
【0040】
上側の基板501aとそれ上の特徴は下側の基板501bよりも狭いので、2つの基板が一緒に積み重ねられたとき、下側の基板の円柱状電極502a、502b及びシールド503a、503bへの接点が自由に露出される。これは、上側の基板に下側の基板の設置面積よりも小さい設置面積を与えることによって達成される。
【0041】
上側の基板の円柱状電極504a、504bへの接点は、ピラー505a、505bへ経路付けられ、これらは2つの基板が下側の基板の追加の特徴506a、506bに対し積み重ねられたときに接続される。その後、ワイヤボンド601a、601bが、下側の円柱状電極に接続している特徴502a、502bに付けられ得る。同様に、ワイヤボンド602a、602bが上側の円柱状電極に接続している特徴506a、506bに付けられ、そしてワイヤボンド603a、603bがシールドに接続している特徴503a、503bに付けられ得る。
【0042】
それぞれの場合、ワイヤボンドは下側の基板501bにのみ存在している特徴に付けられており、かくて、ワイヤボンドイング作業を簡単にしていることが理解されよう。この接続の仕方は、例えば、プレフィルターが用いられるとき、他の同様な電極に対する接続をもたらすために、拡大適用され得ることもまた理解されよう。
【0043】
図7は、微細加工された四重極の台座の主要な幾何学上のパラメータが、どのように確立されるかを示す断面図である。ここでは、半径reの単一の円柱状電極702を支持する溝付きの特徴701が示されている。
【0044】
慣習的に、四重極アセンブリによって作られる静電界の2つの対称軸703、704から等しい距離sで、電極を保持することが望まれる。正確な幾何学的配列は、4つの電極の間に描かれ得る円705の半径rによって決定される。過去の業績は、双曲面の可能性への良好な近似値がre=1.148rであるときの円柱状電極から得られるということを明らかにしている[非特許文献2]。
【0045】
そこで、sの値は、s={r + r} / 21/2である。仮に、円柱状電極702と支持用特徴701の溝との2つの接触点706a、706bの間の距離が2wであるなら、接触点と対称軸703との間の高さhは、h = s + ( r − w1/2である。したがって、r、r 、s、w及びhを適切に選定することにより、四重極の幾何学的配列が確立されることを可能にする。
【0046】
説明されたタイプの基板は、フォトリソグラフィ、エッチング、金属被覆及びダイシングのような方法を用いる、微細加工によってミクロンスケールの精度で構成され得る。しかしながら、当業者には明らかであるように、同様な結果につながる方法と材料の多くの組合せがある。したがって、我々は、排他的であるよりもむしろ代表的であるように意図される1つの例を与える。この例では、エッチングされた特徴がシリコンウエハーに形成され、そしてそれらは完成した基板の一団を形成すべく積層され、それからダイシングによって切り離される。
【0047】
図8は、2つの組の部分がどのようにして、2つの別個のシリコンウエハー上に形成されるかを示している。第1のウエハー801は、図7における接触点706a、706bの間に横たわる、微細加工される基板の全ての特徴を規定する部分を有している。これらの特徴は、望ましくは、図7に示された高さhを有するので、出発原料は、この厚さに両側から磨かれたシリコンウエハーである。ウエハーは、周囲のウエハー(804)に付いているスプルーの小さい区域(例えば803)と共に所望の特徴(例えば、接点パッド802)を規定するために、フォトリソグラフィを用いてパターニングされる。
【0048】
パターンは、深い反応性イオンエッチング、すなわち、高速かつ高い側壁垂直性でシリコンに任意の特徴をエッチング加工することができるプラズマ・ベースの方法を用いて、ウエハーを通して正しく転送される。リソグラフのマスクが除去され、そしてウエハーは浄化され、その後、例えば、RF(高周波)スパッタリングによって金属化される。適切な被覆金属は金を含んでいる。
【0049】
第2のウエハーは、図7における接触点706a、706bの下に横たわる、微細加工される基板の全ての特徴を規定している部分を有している。これらの特徴の深さは四重極アセンブリの精度を決定することにおいて重大ではないので、このウエハーの厚さ「d」は、円柱状電極が着座されることを可能にするのに十分でなければならないのみである。ウエハーは二度パターニングされる。第1に、電極着座溝(例えば、805)及び導電性シールド806のベースのような部分的にエッチング加工される特徴を規定するため、そして、第2に、全ての主要な部分を形取って完全にエッチング加工される特徴を規定するためである。再度、特徴はスプルーの短い区域(例えば、807)によって周囲の基板808に付けられている。
【0050】
パターンは、深い反応性イオンエッチングを用いてウエハーに再度転送される。その結果、部分的にエッチングされる特徴は図7の十分な深さdeにまでエッチング加工され、完全にエッチング加工される特徴が正しく転送される。このタイプの多層エッチングは、当業者には周知の多層面マスクを用いることにより、容易に行われ得る。リソグラフのマスクが除去され、そしてウエハーは浄化され、金属化される。適切な被覆金属は、再度、金を含んでいる。
【0051】
図9は、ウエハーがどのようにして、完成した微細加工されたアセンブリの組を形成するスタックに組み立てられるかを示している。上側のウエハー801が下側のウエハー802に取り付けられ、下側のウエハー802は次いで、例えばガラスウエハーである絶縁基板901に取り付けられる。適切な取り付け方法は、金対金の圧縮結合を含んでいる。個別の微細加工された基板を備える長方形のダイが、ダイシングソーを用いて、例えば、スプルーの全ての区域を分離する平行線902a、902bの第1の組、及び、直角な平行線903a、903bの第2の組に沿って、鋸引くことによって、分離される。
【0052】
四重極アセンブリは、前に図2に示されたように、円柱状電極を微細加工された基板に挿入して、そして次に、前に図3に示されたように、2つの基板を組み立てることによって完成される。外部回路へのワイヤボンド接続が、その後、前に図6に示されたように付される。
【0053】
上に説明された方法は、説明された主たる特徴、すなわち、円柱状電極のための電気的に絶縁された支持体、導電性シールド、及びブルベーカープレフィルターを包含し、アセンブリ全体が正しい幾何学的関係を有している、微細加工された四重極を構成するのに用いられ得ることがまた理解されよう。しかしながら、多くの代わりの製造方法が同一結果を達成し得ることもまた理解されよう。
【0054】
例えば、下側のシリコンウエハーは、「ガラス上のシリコン」ウエハーに置き換えられてもよく、それでもって、図9に示されている下側のウエハーへの結合ステップについての必要性を排除する。代わりに、2つのシリコンウエハーが結合されて単一の層とされ、全ての必要な特徴を結合するためにこれがエッチングによって多重に構造化されてもよく、それでもって、図9に示されている上側のウエハーの結合ステップの必要性を排除する。この場合、高さhを規定するために必要とされる精度は、絶縁体上のシリコン(BSOI)ウエハーを用いて提供され得る埋設エッチングストッパを用いて達成され得る。
2つの基板の間の適切な分離は、別個の挿入された導電性オブジェクト例えば導電性ブロック又はシリンダの使用によって達成され得、図9の上側のウエハーの必要性を排除することができることが同じく理解されよう。
【0055】
必要な導電性特徴は、金属のような代替材料から構築され得ることも同じく理解されよう。例えば、導電性特徴の適切な組を担持している絶縁ウエハーもまた、モールドを形成するために深いリソグラフィを反復的に使用し、そして金属でモールドを満たすのに電気メッキをすることによって構築され得る。
【0056】
ガラスは、ダイシングによるよりもむしろエッチングによって構造化され得ることが理解されよう。ガラスはプラスチックに置き換えられ得ることもまた理解されよう。もし、プラスチックが感光性であるなら、それはリソグラフィによって構造化され得ることが理解されよう。
【0057】
ここに説明されたものは、四重極質量分析計において質量フィルターとして作用する小型の四重極静電レンズの幾何学的配列で、円柱状電極の組を整列する例示的な方法であることは理解されるであろう。電極は、絶縁基板上の導電性部分から形成されている、微細加工された据付け用部材、すなわち、支持体の上に対で搭載される。導電性部分を完全に区画することで、共平面の円柱状電極の間に低容量のカップリングをもたらし、そして、ブルベーカープレフィルターの組み込みが所与の質量分解能での感度を改善することを可能にしている。完成した四重極は、さらなる導電性のスペーサーによって間隔をあけられている、2つのかかる支持体から構成されるスペーサーは、シールドを形成することができる導電性のスクリーンを提供すべく、電極の周りに望ましくは連続されている。スペーサーの高さは、2つの支持体が合わせられたとき、対向する基板間の分離を規定し、そして、第1の台座に配置されている電極が第2の台座に配置されている電極に対し正確に離間されることを保証する、それぞれの基板上に設けられたスペーサーの間の接点であるように、据付け用部材の高さより大きい。このような例示的な実施形態は発明の教示を理解するのには有用であるが、添付の請求項に照らして必要であるとみなされることを除き、どのようにも本発明を限定することは意図されていない。
【0058】
したがって、同様な目的を達成する多くの方法がある。
【0059】
本発明の文脈の中で、微細処理された、又は、微細処理、又は、微細製作された、又は、微細加工の用語は、ミクロンのオーダーの寸法を有する3次元構造物及び装置の製作を定義すべく意図されている。これは超小形電子工学と微細機械加工との技術を結合している。微細機械加工は主にシリコンウエハーからの三次元構造物の生産であるのに対して、超小形電子工学はシリコンウエハーからの集積回路の製造を可能とする。これは、ウエハーからの材料の除去、又は、ウエハー上又はウエハー内への材料の付加によって達成され得る。微細処理の魅力は、生産コストの低減に導く装置の一括製作、材料節約をもたらす小型化、より速い応答時間をもたらす小型化、及び低減された装置侵入性として要約され得る。ウエハーの微細処理のためには多様な技術が存在し、そして当業者にはよく知られるであろう。当該技術は、材料の除去に関係するものと、ウエハーへの材料の堆積又は付加に関係するものとに分けられ得る。前者の例は、
・ウエット化学エッチング(非等方性及び等方性)
・電気化学又は光支援の電気化学エッチング
・ドライプラズマ又は反応イオンエッチング
・イオンビームフライス加工
・レーザー加工
・エキシマレーザー加工
を含む。
【0060】
一方、後者の例は、
・蒸発
・厚膜デポジション
・スパッタリング
・電気メッキ
・電鋳
・モールディング
・化学的蒸気堆積法(CVD)
・エピタクシー
を含む。
【0061】
これらの技術は、本発明によって提供されるインターフェース装置が例である複雑な3次元物を生産するために、ウエハー結合と組合せられ得る。
【0062】
「上側」、「下側」、「頂部」、「底部」、「内側」、「外側」等の語が用いられていた場合、これらは互いに対する層の相互の配列を伝えるために用いられており、例えば頂表面に指定された面は下側表面に指定された面の上方ではないというような形態に発明を限定するようには解釈されないはずであることは理解されるであろう。
【0063】
さらに、備え/備えている、の語は、この明細書で用いられるとき、述べられた特徴、完全体、ステップ又は構成部品の存在を特定するためのものであり、1つ以上の他の特徴、完全体、ステップ、構成部品又はそれらの群の存在、すなわち、追加を妨げない。
【図面の簡単な説明】
【0064】
【図1】本発明による、横方向に区分けされた導電性部分を絶縁基板上に包含している静電の四重極レンズのための微細加工された台座を示す、断面図及び平面図である。
【図2】本発明による、微細加工された台座への円柱状電極の搭載を示す斜視図である。
【図3】本発明による、微細加工された台座への円柱状電極の搭載及び微細加工された静電四重極レンズの完成したアセンブリを示す側面図と2つの断面図である。
【図4】本発明による、ブルベーカーレンズの幾何学的配列にRFのみの追加の電極の組の組み込みを示す。
【図5】本発明による、単一の基板の上に微細加工された四重極への全ての電気的接続をもたらす配列を示す平面図である。
【図6】本発明による、単一の基板の上に微細加工された四重極への全ての電気的接続をもたらす配列を示す断面図である。
【図7】本発明による、単一の円柱状電極の搭載に関連する主要な幾何学上のパラメータを示す断面図である。
【図8】本発明による、小型の静電四重極レンズのための台座を形成している2つの基板を示す平面図である。
【図9】本発明による、小型の静電四重極レンズのための台座を形成している基板の組のアセンブリを示す断面図である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1及び第2の微細加工された台座から形成された静電四重極レンズであって、
それぞれの台座は、第1及び第2の電極をそれぞれ受けるべく構成された第1及び第2の据付け用部材が形成されている絶縁基板を有し、
当該第1及び第2の据付け用部材は物理的に互いから区別されている静電四重極レンズ。
【請求項2】
それぞれの台座は、少なくとも1つのスペーサーをさらに含み、当該少なくとも1つのスペーサーは、前記第1又は第2の据付け用部材のいずれの高さよりも高い高さを有している請求項1に記載のレンズ。
【請求項3】
それぞれの据付け用部材は、2つの支持部材から形成され、当該支持部材は物理的に互いから区別されている請求項2に記載のレンズ。
【請求項4】
それぞれの支持部材は、絶縁基板の上に島として形成され、当該個々の島は、台座の長手方向及び横方向の軸線に沿って形成された溝によって分離されている請求項2又は3に記載のレンズ。
【請求項5】
それぞれの据付け用部材の支持部材は、基板の第1及び第2の位置に配置され、そしてスペーサーによって互いから分離されており、当該スペーサーは、受け入れた電極がシールドを通過するように、当該第1及び第2の位置の間に位置されるシールドを形成している請求項4に記載のレンズ。
【請求項6】
当該シールドは、電極にほぼ平行な長手方向軸線を有しているシールド溝を含んでいる請求項5に記載のレンズ。
【請求項7】
当該シールド溝は、導電性の表面を有し、電極がシールドを通過するとき、電極が物理的に当該シールドの導電性の表面から分離されるような深さを有している請求項6に記載の台座。
【請求項8】
前記第1及び第2の据付け用部材のそれぞれは、電極が当該第1及び第2の据付け用部材に受け入れられて、配置されたとき、当該電極とそれぞれの据付け用部材との間に電気的接触がもたらされるように、上側の表面に導電性の表面を有している請求項2ないし7のいずれかに記載のレンズ。
【請求項9】
挿入された電極は、前記第1及び第2の据付け用部材のいずれかの上側の表面に配置された配置用特徴内に受け入れられ得る請求項8に記載のレンズ。
【請求項10】
請求項6に従属するとき、当該配置用特徴の深さは、電極がエッチング特徴に受け入れられたとき、電極が溝の上に懸架されるように、前記シールドに形成された溝の深さよりも浅い請求項9に記載のレンズ。
【請求項11】
据付け用部材のそれぞれの中に受け入れられた電極を有している請求項2ないし10のいずれかに記載のレンズ。
【請求項12】
第1及び第2の台座のそれぞれは、第1及び第2の台座のそれぞれの絶縁基板が構造体の両側にあり且つ外表面をもたらすように、サンドウィッチ構造に配列されている請求項11に記載のレンズ。
【請求項13】
当該サンドウィッチ構造を形成する際に、第1及び第2の台座のそれぞれについての少なくとも1つのスペーサーの上側の表面が互い接触し、それによって、対向している基板の間の分離距離を規定している請求項12に記載のレンズ。
【請求項14】
対応するスペーサーの間の接触が、電極の周りに連続する導電性シールドをもたらしている請求項13に記載のレンズ。
【請求項15】
四重極の配列に設けられている請求項12ないし14のいずれかに記載のレンズ。
【請求項16】
少なくとも2つの組の電極を含み、それぞれの組が四重極配列に配列されている請求項12ないし15のいずれかに記載のレンズ。
【請求項17】
当該少なくとも2つの組の電極の少なくとも2つは、互いに平行に配列されている請求項16に記載のレンズ。
【請求項18】
当該少なくとも2つの組の電極の少なくとも2つは、互いに直列に配列されている請求項16に記載のレンズ。
【請求項19】
電極の第1の組は、電極の第2の組に対するプレフィルターを提供している請求項18に記載のレンズ。
【請求項20】
当該電極の第1の組は、個別の据付け用部材に搭載可能である請求項19に記載のレンズ。
【請求項21】
当該電極の第1の組は、電極の第2の組と機械的に連続的であるが電気的に絶縁されている請求項19に記載のレンズ。
【請求項22】
当該電極の第1の組は、RF電圧供給源に連結されている請求項18ないし21のいずれかに記載のレンズ。
【請求項23】
当該電極の第1の組は、DCアース供給源に連結されている請求項22に記載のレンズ。
【請求項24】
電極のそれぞれへの外部電気接触は、台座の1つへのボンド接続によってもたらされている請求項12ないし23のいずれかに記載のレンズ。
【請求項25】
2つの台座のそれぞれの設置面積は、外部の電気的接続を与えている台座への外部のアクセスが与えられるように、異なっている請求項24に記載のレンズ。
【請求項26】
据付け用部材のそれぞれは、半導体材料から形成されている請求項1ないし25のいずれかに記載のレンズ。
【請求項27】
半導体材料はシリコンである請求項26に記載のレンズ。
【請求項28】
据付け用部材の中の特徴は、フォトリソグラフィ又はエッチング技術を用いて規定されている請求項26又は27に記載のレンズ。
【請求項29】
基板がガラスから形成されている請求項1ないし28のいずれかに記載のレンズ。
【請求項30】
基板がプラスチック又はセラミック材料から形成されている請求項1ないし28のいずれかに記載のレンズ。
【請求項31】
請求項1ないし30のいずれかに記載のレンズを有している四重極質量分析計。
【請求項32】
四重極配列に設けられている電極の第1の組と、四重極配列に設けられている電極の第2の組とを有し、当該電極の第1及び第2の組は、当該第1の組が当該第2の組に対するプリフィルタを提供し、電極のそれぞれが絶縁基板に設けられている据付け用部材に連結され、据付け用部材が他の電極の据付け用部材から物理的に隔離されるように、直列に配列されている微細加工された四重極レンズ。
【請求項33】
添付図面を参照して説明された、及び/又は、添付図面に図示されたのと実質的に同じレンズ。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate


【公開番号】特開2008−192615(P2008−192615A)
【公開日】平成20年8月21日(2008.8.21)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2008−21539(P2008−21539)
【出願日】平成20年1月31日(2008.1.31)
【出願人】(505037981)マイクロサイク システムズ リミテッド (8)
【Fターム(参考)】