(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルガスを分析する半導体質量分析器の製造方法であって、以下のステップを備えたことを特徴とする半導体質量分析器の製造方法。
ａ）  一対の半導体基板のそれぞれに対し、両半導体基板を接合したときに互いに対向する位置となる複数の部分にそれぞれ空洞を形成するステップ、
ｂ）  前記複数の空洞のうち、隣り合う空洞の間の壁に前記隣り合う空洞を相互につなぎ、両半導体基板を接合したときにオリフィスとなる通路を形成するステップ、
ｃ）  前記一対の半導体基板の一方に形成された複数の空洞の少なくとも１つに対し、前記空洞内に電極及び前記電極を前記半導体基板から絶縁する誘電体層(dielectric layer)を設けると共に、前記誘電体層が設けられた空洞に対応して前記一対の半導体基板の他方に形成された空洞内に電極及び前記電極を絶縁する誘電体層を設けるステップ、
ｄ）  前記複数の空洞の少なくとも１つにイオン化手段を設けるステップ、
ｅ）  前記複数の空洞の少なくとも１つにイオン検出手段を設けるステップ、及び
ｆ）  前記一対の半導体基板を接合し、それぞれの半導体基板に対して互いに対向する位置に形成された空洞を組み合わせて室を形成するステップ。
【請求項２】
更に、前記半導体基板を回路基板に取り付けるステップを備え、前記回路基板は、前記イオン化手段と前記イオン検出手段とを集約して制御する電子手段を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の半導体質量分析器の製造方法。
【請求項３】
更に、永久磁石の２つの磁極間に前記回路基板を取り付けるステップを備えていることを特徴とする請求項２に記載の半導体質量分析器の製造方法。
【請求項４】
前記複数の空洞と前記複数のオリフィスが、前記半導体基板にエッチングによって設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体質量分析器の製造方法。
【請求項５】
前記半導体基板がシリコンから形成され、前記エッチングに異方性エッチャントが薬剤として使用されることを特徴とする請求項４に記載の半導体質量分析器の製造方法。
【請求項６】
前記異方性エッチャントが水酸化カリウム及びエチレンジアミンピロカテコールの１つであることを特徴とする請求項５に記載の半導体質量分析器の製造方法。
【請求項７】
更に、前記半導体基板にエッチングすべき部分を示す配列がマークされる初期ステップを備えていることを特徴とする請求項４に記載の半導体質量分析器の製造方法。
【請求項８】
前記イオン化手段が以下によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体質量分析器の製造方法。
ａ）  前記複数の空洞の１つにｎ＋層を形成すること、
ｂ）  前記イオン化手段のエミッティングジャンクション(emitting junction)を形成(define)するためにアンチモン層をインプラントすること(implanting)、及び
ｃ）  イオン化ゲート誘電体を形成するために絶縁体層を形成すること(depositing)。
【請求項９】
更に、前記ｎ＋層が形成される空洞内の半導体基板表面にｐ−ｎジャンクションを形成するためにホウ素のｐ＋層をインプラントする(implant)ステップを備えていることを特徴とする請求項８に記載の半導体質量分析器の製造方法。
【請求項１０】
更に、以下のステップを備えていることを特徴とする請求項８に記載の半導体質量分析器の製造方法。
ｅ）  クロム層により前記イオン化手段を金属被覆処理(metallizing)した後、金の層により更に前記イオン化手段に対して金属被覆処理(metallizing)を行うこと、及び
ｆ）  前記金属被覆処理(metallizing)により形成された金の層に更に金の層を形成(deposit)させて前記イオン化手段を不動態化すること(passivating)。
【請求項１１】
サンプルガスを分析する半導体質量分析器の製造方法であって、以下のステップを備えたことを特徴とする半導体質量分析器の製造方法。
ａ）  一対の基板のそれぞれに対し、両基板を接合したときに互いに対向する位置となる複数の部分にそれぞれ空洞を形成するステップ、
ｂ）  前記複数の空洞のうち、隣り合う空洞の間の壁に前記隣り合う空洞を相互につなぎ、両基板を接合したときにオリフィスとなる通路を形成するステップ、
ｃ）  前記一対の基板の一方に形成された複数の空洞の少なくとも１つに対し、前記空洞内に電極及び前記電極を前記基板から絶縁する誘電体層(dielectric layer)を設けると共に、前記誘電体層が設けられた空洞に対応して前記一対の基板の他方に形成された空洞内に電極及び前記電極を絶縁する誘電体層を設けるステップ、
ｄ）  前記複数の空洞の少なくとも１つにイオン化手段を設けるステップ、
ｅ）  前記複数の空洞の少なくとも１つにイオン検出手段を設けるステップ、及び
ｆ）  前記一対の基板を接合し、それぞれの基板に対して互いに対向する位置に形成された空洞を組み合わせて室を形成するステップ。
【請求項１２】
更に、前記基板を回路基板に取り付けるステップを備え、前記回路基板は、前記イオン化手段と前記イオン検出手段とを集約して制御する電子手段を含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の半導体質量分析器の製造方法。
【請求項１３】
更に、永久磁石の２つの磁極間に前記回路基板を取り付けるステップを備えていることを特徴とする請求項１２に記載の半導体質量分析器の製造方法。
【請求項１４】
前記イオン化手段が以下によって形成されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体質量分析器の製造方法。
ａ）  前記複数の空洞の１つにｎ＋層を形成すること、
ｂ）  前記イオン化手段のエミッティングジャンクション(emitting junction)を形成(define)するためにアンチモン層をインプラントすること(implanting)、及び
ｃ）  イオン化ゲート誘電体を形成するために絶縁体層を形成すること(depositing)。
【請求項１５】
更に、前記ｎ＋層が形成される空洞内の半導体基板表面にｐ−ｎジャンクションを形成するためにホウ素のｐ＋層をインプラントする(implant)ステップを備えていることを特徴とする請求項１４に記載の半導体質量分析器の製造方法。
【請求項１６】
更に、以下のステップを備えていることを特徴とする請求項１４に記載の半導体質量分析器の製造方法。
ｅ）  クロム層により前記イオン化手段を金属被覆処理(metallizing)した後、金の層により更に前記イオン化手段に対して金属被覆処理(metallizing)を行うこと、及び
ｆ）  前記金属被覆処理(metallizing)により形成された金の層に更に金の層を形成(deposit)させて前記イオン化手段を不動態化すること(passivating)。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、ガス検知センサに関し、より詳しくは、半導体基板上に微細加工を施した半導体質量分析器に関するもので、より一層詳しくは、上記のような半導体質量分析器を製造する方法に関する。
先行技術情報
気体試料中に存在する分子の量や種類の同定に、近年では種々の装置を利用することができる。そのような装置の一つに質量分析器がある。
質量分析器は、ガス試料中に存在する分子の量や種類をそれらの質量やイオン信号の強度の測定によって同定している。この同定は、少量の試料をイオン化し、これに電場及び／又は磁場をかけてイオンの電荷量と質量の比を求めることによって行われる。従来の質量分析計は、装置が大きく架台の上に載せて使用する大きさのものである。そして従来の質量分析計は、重量があって（１００ポンド、約４５キロ）高価でもある。従来の質量分析計の大きな特長は、それらがどのような種類でも使用することが出来ることである。
ガス試料中に存在する分子の量や種類の同定に使用される他の装置としては、化学センサがある。そのようなセンサは低価格で購入することが出来るが、個々の測定環境で使用する毎に較正を必要とし、しかも測定できる化学物質の種類も限定される。従って、複合した環境下では複数のセンサが必要となる。
従って、どのような環境でも使用でき、低価格のガス検知センサが必要とされている。１９９３年９月２２日出願の米国特許出願第０８／１２４，８７３号は、この明細書に参考文献として組み入れるが、半導体基板上に施すことが可能な半導体質量分析器を開示している。第１図は、このような質量分析器１の機能ダイヤグラムを示している。この質量分析器１は、サンプルガス中の複数の組成成分を同時に検出できる。このサンプルガスは、ガスサンプリング路を塞ぐ粒子を捕捉するダストフィルタ３を通って分析器１に入る。次いで、サンプルガスは、サンプルオリフィス５を通ってガスイオン化装置７に移動し、この装置７において、電子衝撃、核崩壊からのエネルギー粒子(energetic particles)により、あるいは、高周波誘起プラズマ中でイオン化される。イオン光学粒子９は、質量フィルタ１１を介してイオンを加速し収束させる。質量フィルタ１１は、イオンビームに強い電磁界を加える。主に磁界を利用する質量フィルタは、小型質量分析器に最適と思われる。約１テスラ（１０，０００ガウス）の所要の磁界が、コンパクトな永久磁石の構成により容易に達成できるからである。同一エネルギに加速されたサンプルガスのイオンは、質量フィルタ１１内で、イオンの移動方向に対して垂直の均一磁界に晒されたときに、円形の経路を描く。この経路の円弧半径は、イオン質量と電荷との比率に依存する。質量フィルタ１１は、好ましくはウィーンフィルタ(Wien filter)で、このフィルタでは、交差した電界と磁界とが一定速度でフィルタ処理されたイオンビーム１３を生じさせる。このイオンビーム１３において、イオンは、第１図の平面にある分散面内で質量／電荷比率に従って分散される。
真空ポンプ１５は、質量フィルタ１１中に真空を生じさせて、イオンに対して非衝突環境を提供する。この真空は、衝突によるイオン軌跡誤差を防ぐために必要である。
質量フィルタ処理されたイオンビームは、イオン検出器１７で集められる。好ましくは、イオン検出器１７は、サンプルガスの複数の組成成分を同時検出可能とするリニア配列された複数の検出器要素である。マイクロプロセッサ１９は、検出器出力を解析し、イオンの速度および質量に関連する周知のアルゴリズムを用いて、サンプルされたガスの化学的構造を判別する。マイクロプロセッサ１９による解析の結果は出力装置２１へ提供される。出力装置２１は、アラーム、ローカルディスプレイ、トランスミッタ及び／又はデータ記憶装置から構成できる。ディスプレイは、第１図に２１で示す形式をとることができ、ここで、サンプルガスの組成成分が、原子質量単位（ＡＭＵ）で計測されるラインによって同定される。
好ましくは、質量分析器１は、第２図に示すように半導体チップ２３で実施される。好適な分析器１において、チップ２３は長さが約２０ｍｍであり、幅および厚さが０．８ｍｍである。チップ２３は、長手方向に延びる分割面２７ａ，２７ｂに沿って接合される２つの半体２５ａ，２５ｂに形成された半導体材料の基板を備えている。２つの基板半体２５ａ，２５ｂは、分割面２７ａ，２７ｂにおいて細長い空洞２９を形成している。この空洞２９は、入口部３１、ガスイオン化部３３、質量フィルタ部３５および検出部３７を有している。基板に形成された複数の仕切壁３９が、空洞２９を横断して延設され、複数の室４１を形成している。これらの室４１は、直線上に整列されて半体２５ａの仕切壁３９に形成され空洞２９を通過するガスの通路となる孔４３によって互いに連通されている。真空ポンプ１５は、対向面２７ａ，２７ｂに形成された側方通路４５を介して室４１の各々に接続されている。この装置構成により、室４１のディファレンシアルポンピング(differential pumping)を提供し、小型の真空ポンプをもって、質量フィルタ部および検出部で必要とされる圧力を達成可能とする。
空洞２９の入口部３１には、多孔性シリコンまたは焼結金属から構成可能なダストフィルタ４７を備えている。入口部３１は、孔が形成された仕切壁３９をいくつか備え、その結果いくつかの室４１を備えている。
質量分析器１の小型化は、このような装置の製造に種々の困難を招来している。従って、小型化した質量分析器を製造する方法が求められている。
発明の概要
サンプルガスを分析する半導体質量分析器の製造方法が以下のようにして提供される。即ち、一対の半導体基板のそれぞれに対し、両半導体基板を接合したときに互いに対向する位置となる複数の部分にそれぞれ空洞を形成する。これらの空洞の各々は、後で両半導体基板が接合されたときに、質量分析器の異なる構成要素が配置される室を形成する。これら複数の空洞のうち、隣り合う空洞の間の壁にこれら隣り合う空洞を相互につなぎ、後で両半導体基板を接合したときにオリフィスとなる通路を形成する。一対の半導体基板の一方に形成された複数の空洞の少なくとも１つに対し、この空洞内に電極及び電極を半導体基板から絶縁する誘電体層(dielectric layer)を設けると共に、この誘電体層が設けられた空洞に対応して前記一対の半導体基板の他方に形成された空洞内に電極及び電極を絶縁する誘電体層を設ける。イオン化手段がこれら複数の空洞の少なくとも１つに配置され、イオン検出手段がこれら複数の空洞のうち、イオン化手段とは別の少なくとも１つに配置される。一対の半導体基板は接合され、それぞれの半導体基板に対して互いに対向する位置に形成された空洞が組み合わせられて室が形成される。成形された基板は、質量分析器のインターフェイスや制御用の電子機器を含む回路基板に取り付けあるいは接続されている。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付図面を参考に、以下の好ましい実施の形態の記載から十分に理解されるであろう。
第１図は、本発明によって製造された半導体質量分析器の機能ダイヤグラムである。
第２図は、内部構造を示すために見開いた本発明によって製造された質量分析器の２つの半体の斜視図である。
第３ａ図と第３ｂ図は、本発明によって製造された電子エミッタの模式的な側面図と上面図である。
第４図は、第２図の質量分析器の部分縦断面図である。
第５ａ図と第５ｂ図は、本発明の質量分析器に回路基板と永久磁石とを一体化した状態を模式的に示す斜視図である。
第６図は、第２図の質量分析器の模式的な断面図である。
好適実施例の説明
質量分析器１の主な構成要素は、ミクロ電子装置技術や微細加工の組み合わせによってシリコンから首尾よく小型化され、製造された。この発展に起因する形状と重量の劇的な減少は、実験室用質量分析器の十分な機能性をもってハンディ(hand held)な化学センサの製造を可能にする。
好ましい製造方法はバイリシック(bi-lithic)な集積を利用しており、質量分析器１の複数の構成要素は、第２図に示すように２つに分割されたシリコンウェハ２５ａ，２５ｂ上に組み上げられ、これらシリコンウェハ２５ａ，２５ｂは接着されて完成された装置を形成する。最新の電子パッケージング技術並びに素材、例えば、ＬＴＣＣ，ＦＯＴＯＦＯＲＭガラス及びＬＩＧＡを用いて製造された構造物に、主要なシリコンミクロ電子構成要素(silicon microelectronic components)を組み込むための代替技術を用いることも可能である。
質量分析器１の必須半導体構成要素は、イオン化装置７用の電子エミッタ４９とイオン検出器アレー１７である。他の構成要素は、シリコンあるいはそれ以外の素材上に形成することが可能な薄膜絶縁体と導体電極パターンを利用する。
第３ａ図と第３ｂ図は、ｐ＋基板５５上に配置された浅いｎ＋＋注入層５３によって形成された浅いｐ−ｎ接合５１を有する電子エミッタ４９を示す。ｎ＋拡散領域５７は、基板５５中に配置されている。ｐ＋ホウ素と例えばアンチモンのｎ＋＋インプラント(implant)からなる随意の注入層が配置された拡散領域５７には、オープニング５９が形成される。電子エミッタ４９は、逆バイアスにおける降伏(breakdown)の間に表面から電子を放射する。放射された電子は、適性にバイアスがかけられ、ゲート絶縁体６５に載置されたゲート６３とイオン化装置の室の上半分に配置されたコレクタ電極とによってシリコン表面から加速させて遠ざけられる。
第４図は、ＭＯＳスイッチアレイ６９あるいは電荷結合素子(CCD)６９によって読み取られるＭＯＳキャパシタ６７を有する検出アレイ１７を示す。検出アレイ１７は、イオン電荷７３を集める１対のファラデイカップ(Faraday cup)電極７１から形成されるファラデイカップの配列体に接続されている。
バイリシックな構成を示す小型質量分析器１の内部を第２図に示す。ここで、質量分析器１の種々のパーツの３次元形状は、イオン化装置７及び検出アレイ１７の位置と共に示されている。好ましくは、質量分析器１はシリコンから作る。あるいは、この装置の他の非電子構成要素を含んで他の素材で組み立てられた構造にイオン化装置７と検出アレイ１７とが搭載される混成的な(hybrid)アプローチも使用可能である。
第５ａ図に示すように、バイリシック(bi-lithic)な構造７５の上部品２５ａと下部品２５ｂは、一体に接着され、制御及びインターフェイス用の電子機器を含む板７７に搭載される。次に、この板７７は、第５ｂ図に示すように、永久偏向磁石７９に挿着される。シリコン質量分析器構造には電子回路をモノリシックに集積することもできるし、あるいは、混成の質量分析器あるいは全ての質量分析器構造に混成的に電子回路を接続することもできる。
第６図には、全てがシリコンの質量分析器１の断面が示されている。上シリコン部品２５ａと下シリコン部品２５ｂは、図示していないが、インジウムバンプ及び／又はエポキシ樹脂で接着されていることが好ましい。全てがシリコンの質量分析器１を組み立てる第１ステップは、シリコン基板２５における配列マークのエッチングである。このエッチングは、シリコン基板２５の立体構造に関するエッチング形状の適切な配列を保証する。配列マークがエッチングされたら、シリコン基板２５の各半体２５ａ，２５ｂにエッチングによって深さ４０μｍの空洞４１を複数形成する。これらの空洞は、水酸化カリウムエッチング剤あるいはエチレンジアミンピロカテコール(EDP)等の異方性エッチャントを用いて形成される。複数の空洞が形成された後、これら空洞の間にエッチングによって深さ１０μｍのオリフィスを形成する。これらのオリフィスも、異方性エッチャントを用いて形成する。
全ての主なエッチングが終了したら、金属被覆処理を助けるために、酸化物成長とこれに引き続くエッチングを施してシャープエッジに丸みをつける。これとは別の酸化物成長が、電極８３から基板半体２５ａ，２５ｂを分離する誘電体８１を形成する。前述の第３ａ図及び第３ｂ図に示すｎ＋拡散層５７が基板２５中に拡散されてイオン化装置７を定める。次に、イオン化ゲート誘電体が、窒化物あるいは酸化物等の誘電体層を積層(depositing)させて形成される。次いで、アンチモン注入層が設けられ、イオン化装置エミッティング接合(ionizer emitting junction)が定められる。浅いｐ−ｎ接合をより良く定めるべく、随意のホウ素ｐ＋層６１が注入(implant)されうる。
イオン化装置が形成されたら、イオン化装置と配線(interconnect)を厚さ５００オングストローム（５０ｎｍ）のクロム層、引き続いて厚さ５０００オングストローム（５００ｎｍ）の金の層を積層(depositing)させて、金属被覆処理することができる。イオン化装置の不動態化(passivation)は、厚さ１００オングストローム（１０ｎｍ）の金の層あるいは他の好適な素材を積層(depositing)させて行われる。
厚さ５μｍのインジウム層は、インジウムのバンプを形成するために基板半体２５ａ，２５ｂ上に蒸着(evaporate)させることができる。次に、基板半体２５ａ，２５ｂは接着され、ハーメチックシール８５で封じ込まれる。
利用したこれらの処理は、非平面形状を均一にコーティングするときに必要なスプレイレジストアプリケーション(spray resist application)や深さ４０μｍの空洞の底に電子エミッタや電極構造を形成するときに用いられるフォトリソグラフ技術を除いて、あらゆる微少電子機器組立施設において見られる。
イオン化装置７とイオン検出器１７を除き、第２図に示した構造は、混成の態様で挿着されたイオン化装置７とイオン検出器１７を備えた状態で他の種々の手段によって組み立てることができる。この組立に使用できる技術は、金属やセラミックからなる構造を形成する機械的アプローチを含む。機械的に形成される最小の形状サイズは、全てがシリコンの装置で使用されるイオン光学素子の孔の幅１０μｍよりも２倍だけ大きい約２５μｍ（０．００１"）である。従って、全てシリコンの質量分析器１より数倍大きいものの、従来の実験室用質量分析器よりも何倍も小さい混成の質量分析器を組み立てることは可能である。放電加工やＥＤＭ技術を利用して、金属で妥当な値段で２５μｍの形状サイズを達成することが可能である。複数の誘電体絶縁層は、イオン化装置の電極、質量フィルタ及びファラデイカップ領域を金属から絶縁するために必要である。
プラスチックあるいはガラスのような誘電体からの質量分析器構造の組立は、いくつかの絶縁層を除去することができるので、魅力的である。シリコンは低抵抗率の半導体であるので、全てシリコンの質量分析器においていくつかの誘電体層が電極の接地を避けるために使用されている。ＬＩＧＡは、要求される機械的及び真空特性に関し、誘電体として役に立つためにプラスチック用の成形体を形成するのに使用される。あるいは、コーニング社製のＦＯＴＯＦＯＲＭブランドガラスのような紫外線感光ガラスも誘電体として使用できる。
ＬＩＧＡ及び準ＬＩＧＡ(quasi-LIGA)は、シンクロトロン放射や短波長紫外線を用いたフォトリソグラフ技術によってフォトレジストやRohm ＆ Haas社のメチルメタクリレートプラスチック（商標名プレキシグラス）のような他のプラスチック素材における顕微鏡幅の非常に高い縦横比（＞１００：１）構造をもたらすために開発された。これは、目下高価なプロセスであるが、一度精密な金型が作成されると、多くの構造部材を安価に製造することができる。電極と配線(interconnect）の金属皮膜処理は、全シリコンの場合にはフォトリソグラフィによって明瞭に示すことができる。
紫外線感光ガラスは、フォトリソグラフ技術を用いて成形され、マスキング、紫外線露光、そして半導体製造で使用される技術に類似したエッチング技術により２５μｍへ小型化することができる。
本発明の固有の実施例を詳細に説明したが、当業者は、この開示における全ての教示に基づき、これら詳細な説明に対する種々の変形及び代替物に展開することができることを認めるであろう。従って、開示された特定の取り合わせは、例示としてのみの意味をもち、本発明の範囲を限定するものではなく、書き示された請求項の全ての広さは、どのようなそしてあらゆる等価物にまで与えられるものである。
【図１】
0003713558.tif 000002
【図２】
0003713558.tif 000003
【図３ａ】
0003713558.tif 000004
【図３ｂ】
0003713558.tif 000005
【図４】
0003713558.tif 000006
【図６】
0003713558.tif 000007
【図５ａ】
0003713558.tif 000008
【図５ｂ】
0003713558.tif 000009