(57)【要約】  本発明は、ナノ多孔性絶縁性膜２０（ナノ多孔性ダイヤモンド薄膜等）と、膜２０における対向する第１の側面及び第２の側面の上にそれぞれある第１の導電性層１８ａ及び第２の導電性層１８ｂとを備える素子１２を提供する。また、このような素子１２をそれぞれが備える真空ポンプ１０、イオン源８０及びイオントラップ９８も提供される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ多孔性絶縁性膜と、
前記膜における対向する第１の側面及び第２の側面の上にそれぞれある第１の導電性層及び第２の導電性層と
を備える素子。
【請求項２】
前記絶縁性膜はナノ多孔性ダイヤモンド薄膜を含む請求項１に記載の素子。
【請求項３】
前記第１の導電性層及び前記第２の導電性層は金属層を含む請求項１または２に記載の素子。
【請求項４】
前記第１の導電性層及び前記第２の導電性層は蒸着層を含む請求項３に記載の素子。
【請求項５】
前記第１の導電性層及び前記第２の導電性層はモリブデン又は金を含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の素子を備えるポンプ素子。
【請求項７】
請求項６に記載のポンプ素子と、
前記第１の導電性層及び前記第２の導電性層の間の電位差を維持するように構成される電源と
を備える真空ポンプ。
【請求項８】
前記電源は、前記第１の導電性層を前記第２の導電性層に対して負電位に維持するように構成される請求項７に記載の真空ポンプ。
【請求項９】
前記電位差は比較的低い請求項７に記載の真空ポンプ。
【請求項１０】
前記第１の導電性層の電位は、前記第２の導電性層に対して−３００Ｖ〜−５００Ｖである請求項７に記載の真空ポンプ。
【請求項１１】
前記真空ポンプは、前記第１の導電性層が負電位にあり且つ前記第２の導電性層が接地された状態で動作するようになっている請求項７に記載の真空ポンプ。
【請求項１２】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の素子を備えるイオン源。
【請求項１３】
前記第１の導電性層及び前記第２の導電性層の間の電位差を維持するように構成される又は構成可能である電源をさらに備える請求項１２に記載のイオン源。
【請求項１４】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の素子を備えるイオントラップであって、前記ナノ多孔性絶縁性膜が、前記対向する面同士の間の導電性領域と、前記導電性領域及び前記面の間にそれぞれある絶縁性が高くなった領域とを有するように、ドープされるイオントラップ。
【請求項１５】
前記第１の導電性層及び前記第２の導電性層の間に電位差をもたらすように構成される又は構成可能であるＲＦ電源をさらに備える請求項１４に記載のイオントラップ。
【請求項１６】
請求項７〜１１のいずれか一項に記載の真空ポンプを備える真空チャンバ。
【請求項１７】
請求項７〜１１のいずれか一項に記載の真空ポンプを備える科学機器。
【請求項１８】
請求項７〜１１のいずれか一項に記載の真空ポンプを備える質量分析計。
【請求項１９】
請求項１２または１３に記載のイオン源を備える質量分析計。
【請求項２０】
請求項１４または１５に記載のイオントラップを備える質量分析計。
【請求項２１】
ハンドヘルド質量分析計である請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の質量分析計。
【請求項２２】
請求項７〜１１のいずれか一項に記載の真空ポンプを用いることを含むポンピング方法。
【請求項２３】
請求項７〜１１のいずれか一項に記載の真空ポンプを用いることを含んだ、質量分析計又は他の科学機器を排気する方法。
【請求項２４】
請求項１２または１３に記載のイオン源を用いることを含むイオンを供給する方法。
【請求項２５】
請求項１４または１５に記載のイオントラップを用いることを含むイオンを捕捉する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノな多孔性の絶縁性（例えばダイヤモンド）膜に基づくナノ多孔性真空ポンプと、イオン源及びイオントラップを提供することを含んだ絶縁性膜の他の用途とに関するものであり、上記ナノ多孔性真空ポンプは、ガスクロマトグラフ質量分析計（ＧＣ−ＭＳ, gas chromatography-mass spectrometer）及び他の質量分析計のようなハンドヘルド装置と適合する小型のポンププロファイルを真空ポンプに与えるのに特定的ではあるが決して限定的ではない有用さを有するものである。
【０００２】
［関連出願］
本出願は、２０１０年６月１８日に出願されたオーストラリア特許出願第２０１０９０２６７０号の出願日及び優先日の利益に基づくものであり且つ上記利益を主張するものであり、出願時の上記出願の内容はその全体が、参照により本出願に援用される。
【背景技術】
【０００３】
既存の真空ポンプは、連続蒸着されるチタンの薄膜を用いるものがあり、この場合、非常に反応性の高くなっているチタンがポンプチャンバ内の残留ガスと反応すると共にこの残留ガスを捕捉する。
【０００４】
天然素材であるナノ多孔性ゼオライトが、小型のクヌーセンポンプ（Knudsen pump）の能動素子として提案されている。
【０００５】
Ｆｒａｎｋ  Ｈａｒｔｌｅｙ及びＩｓｉｋ  Ｋａｎｉｋ（国際光工学会［SPIE］会報  ｖｏｌ．４９３６［２００２年］）は、電界イオン化によって気相内の原子又は分子をイオン化するのに使用するために、窒化ケイ素材料中にソフトイオン化薄膜（ＳＩＭ, Soft Ionising Membrane）を作り出した。
【発明の概要】
【０００６】
広義には、本発明は、
ナノ多孔性絶縁性膜と、
上記膜における対向する第１の側面及び第２の側面の上にそれぞれある第１の導電性層（又は被覆材）及び第２の導電性層（又は被覆材）と
を備える素子を提供する。
【０００７】
一実施形態では、絶縁性膜はナノ多孔性ダイヤモンド薄膜を含む。
【０００８】
第１の導電性層及び第２の導電性層は金属層を含んでもよい。
【０００９】
別の実施形態では、第１の導電性層及び第２の導電性層は蒸着層を含む。
【００１０】
第１の導電性層及び第２の導電性層はモリブデン又は金を含んでもよい。
【００１１】
第１の広義な態様では、本発明は、
ナノ多孔性絶縁性膜と、
上記膜における対向する第１の側面及び第２の側面の上にそれぞれある第１の導電性層及び第２の導電性層と
を備えるポンプ素子を提供する。
【００１２】
それ故、ポンプ素子は複数の穴があいたコンデンサの構成を有する。
【００１３】
一実施形態では、絶縁性膜はナノ多孔性ダイヤモンド薄膜を含む。
【００１４】
一実施形態では、第１の導電性層及び第２の導電性層は金属被覆材（Ｍｏ又はＡｕ等）を含む。
【００１５】
一実施形態では、第１の導電性の後者及び第２の導電性の後者は蒸着被覆材を含む。
【００１６】
第２の広義な態様では、本発明は、
上述したようなポンプ素子と、
第１の導電性層及び第２の導電性層の間の電位差を維持するように構成される電源と
を備える真空ポンプを提供する。
【００１７】
或る実施形態では、電源は、第１の導電性層を第２の導電性層に対して負電位に維持するように構成される。この電位は比較的低くてもよい（例えば、−３００Ｖ〜−５００Ｖ）。
【００１８】
一実施形態では、真空ポンプは、第１の導電性層が負電位（例えば、−３００Ｖ〜−５００Ｖ）にあり且つ第２の導電性層が接地された状態で動作するようになっている。
【００１９】
第３の広義な態様では、本発明は、上述したような真空ポンプを備える真空チャンバを提供する。
【００２０】
第４の広義な態様では、本発明は、上述したような真空ポンプを備える科学機器（質量分析計等）を提供する。
【００２１】
一実施形態では、科学機器はハンドヘルド質量分析計である。
【００２２】
第５の広義な態様では、本発明は、上述したような真空ポンプを用いることを含むポンピング方法を提供する。
【００２３】
第６の広義な態様では、本発明は、上述したような真空ポンプを用いることを含んだ、科学機器（質量分析計等）を排気する（evacuate）方法を提供する。
【００２４】
第７の広義な態様では、本発明は、
ナノ多孔性絶縁性膜と、
上記膜における対向する第１の側面及び第２の側面の上にそれぞれある第１の導電性層及び第２の導電性層と
を備えるイオン源を提供する。
【００２５】
絶縁性膜はナノ多孔性ダイヤモンド薄膜を含んでもよい。
【００２６】
ダイヤモンドは、物理的に強く（このことは、絶縁性膜が大気圧を支えなければならない実施形態において特に重要である）、電界イオン化のために高い電界のその生成を容易にする高い絶縁耐力（〜１０００ｋＶ／ｍｍ）を有する。他の実施形態では、窒化ケイ素が使用されてもよく、窒化ケイ素もまた、高い絶縁耐力を有するが、ダイヤモンドの物理的強度を欠いており、そのため、そのような強度が必要である場合には適切ではないかもしれない。さらに他の実施形態では、絶縁性膜はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）であってもよいが、アルミナは、良好な物理的強度を有しているものの、用途によっては不十分な絶縁耐力しか有していないかもしれない。
【００２７】
イオン源は、第１の導電性層及び第２の導電性層の間の電位差を維持するように構成される又は構成可能である電源をさらに備えてもよい。
【００２８】
第８の広義な態様では、本発明は、上述したような素子を備えるイオントラップを提供し、この場合、ナノ多孔性絶縁性膜が、上記対向する面同士の間の導電性領域と、導電性領域及び上記面の間にそれぞれある絶縁性が高くなった領域とを有するように、ドープされる。
【００２９】
一実施形態では、イオントラップは、第１の導電性層及び第２の導電性層の間に電位差をもたらすように構成される又は構成可能であるＲＦ電源をさらに備える。
【００３０】
第９の広義な態様では、本発明は、上述したようなイオン源を備える質量分析計を提供する。
【００３１】
第１０の広義な態様では、本発明は、上述したようなイオントラップを備える質量分析計を提供する。
【００３２】
実際には、本発明は、上述した真空ポンプ、イオン源及びイオントラップのうちの１つ以上を備える科学機器（質量分析計等）も提供する。
【００３３】
第１１の広義な態様では、本発明は、上述したイオン源を用いることを含むイオンを供給する方法を提供する。
【００３４】
第１２の広義な態様では、本発明は、上述したイオントラップを用いることを含むイオンを捕捉する方法を提供する。
【００３５】
本発明の上記の態様のそれぞれにおける種々の特徴のいずれもが、好適に且つ所望とされるように組み合わされることができるということに、留意すべきである。
【００３６】
次に、本発明がより明確に解明され得るために、添付の図面を参照して、実施形態が例を目的として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態による真空ポンプの概略図である。
【図２】図１の真空ポンプのポンプ素子の概略的な断面図である。
【図３Ａ】図１の真空ポンプにおいて用いるのに好適なダイヤモンド膜の写真である。
【図３Ｂ】図１の真空ポンプにおいて用いるのに好適なダイヤモンド膜の写真である。
【図４】図１の真空ポンプのポンプ素子の概略的な機能図である。
【図５Ａ】図１の真空ポンプのポンプ素子における細部の概略的な動作図である。
【図５Ｂ】図１の真空ポンプのポンプ素子における細部のさらなる概略的な動作図である。
【図６】本発明の一実施形態による真空ポンプが設けられた真空チャンバの概略図である。
【図７】図６の真空チャンバの別の概略図であり、図１の真空ポンプ及び図６の真空チャンバの動作を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態によるイオン源の概略図である。
【図９】図８のイオン源のイオン化素子の概略的な詳細断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態によるイオントラップの概略図である。
【図１１】図１１Ａの部分は、図１０のイオントラップの概略的な詳細断面図であり、図１１Ｂの部分は、図１０のイオントラップのダイヤモンド膜を横断する距離の関数としてドーパント濃度（dopant concentration）を概略的にプロットしたものを示す図である。
【図１２】図１０のイオントラップの構造的な細部と電気的等価回路とを示す図である。
【図１３】本発明の別の実施形態による小型質量分析計の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１は、本発明の一実施形態による真空ポンプ１０の概略図である。ポンプ１０は、概ね平面的なポンプ素子１２と、ＤＣ電源１４と、ポンプ素子１２の第１の表面１８ａ（この図における上面）上に位置する第１の電気接続子１６と、ポンプ素子１２における第１の表面１８ａと反対側の第２の表面１８ｂ（この図における下面）上に位置する第２の電気接続子（図示せず）とを備えている。ＤＣ電源１４の電気出力部は、第１の表面１８ａを第２の表面１８ｂに対して（この実施形態では−３００Ｖの）負電圧に保持するように、第１の電気接続子及び第２の電気接続子それぞれに電気的に接続されている。
【００３９】
図２はポンプ素子１２の概略的な断面図である。ポンプ素子１２は、ナノ細孔２２を有し且つナノ多孔性ダイヤモンド膜２０の形態をした絶縁性膜と、ダイヤモンド膜２０に付けられると共に第１の表面１８ａ及び第２の表面１８ｂを構成する導電性被覆材２４とを備えている。この実施形態では、導電性被覆材２４はＭｏ又はＡｕのいずれかからなる。モリブデンは、ダイヤモンドの熱膨張係数と同様の熱膨張係数をもつという利点を有しており、金は導電率が高いという利点を有している。この実施形態では、導電性被覆材２４は、マグネトロン蒸着によってダイヤモンド膜２０の上に蒸着されている。
【００４０】
これ故、この図には示されていないが、第１の電気接続子及び第２の電気接続子は被覆材２４と電気的に接触している。被覆材２４はナノ細孔２２を著しく遮断するように塞いでしまうようなことはない。
【００４１】
幾つかの用途では、真空ポンプ１０は好適なバッキングポンプと共に用いられるということが理解されるであろう。
【００４２】
ダイヤモンドが高い電気的破壊電圧（約１０ＭＶ／ｃｍ）と（非常に広い面積にわたって１気圧を支えるのに要求される）高い引張強度とをもつため、この実施形態においてダイヤモンド膜が用いられるのは有利なことである。図３Ａ及び図３Ｂは、自己整合（self-aligning）アルミナナノ膜を用いたマスキングによって作製される好適なナノ多孔性ダイヤモンド膜の写真である。図３Ａは正面から見たダイヤモンド膜の写真であり、図３Ｂは斜めに見たダイヤモンド膜の写真である。
【００４３】
これ故、ポンプ素子１２は本質的には複数の穴のあいたコンデンサと見なすことができ、このコンデンサでは、ダイヤモンド膜２０の形態の絶縁体が、（２つの被覆材２４の各部分の形態をした）複数の穴のあいた２つの導電性プレートの間に挟まれている。ＤＣ電源１４を用いてそれらの「プレート」を横断して小電圧（modest voltage）が印加されると、２つのプレートの間に形成された電界ｌである。ダイヤモンドの低い分極率によって、非常に高い電界を支持することが可能になる。このことは、図４に概略的に描写されており、図４は、ポンプ素子１２の一部と、第１の表面（上面）１８ａ及び第２の表面（下面）１８ｂの間で（ＤＣ電源１４に起因した）電位差が生じる結果として生成される電界線３０とを示している。電界線がナノ細孔２２内ではナノ細孔２２に対して概ね平行であるのが、分かるであろう。
【００４４】
図５Ａ及び図５Ｂは、使用中におけるポンプ素子１２の細部の概略的な機能図である。図５Ａを参照すると、ガス原子又はガス分子がポンプ素子１２の陰極面（すなわち第１の表面１８ａ）に接近すると、ガス原子又はガス分子は、分極し、第１の表面１８ａでのナノ細孔２２の開口部にある導電性被覆材２４部分の縁に引き付けられるようになる。分極したガス分子／原子は最も高い電界領域に引き付けられることになり、この領域では、電界は、ガス分子／原子の電界イオン化（field ionization）を行うのに十分に高い。一旦イオン化されてしまうと（図５Ｂを参照）、この時点でのガス陽イオンは、ナノ細孔２２の１つの下方へと加速され、そして、ポンプ素子１２の反対側（つまり第２の表面１８ｂ）の外へと、接地されている第２の表面１８ｂによって離れるように加速される。
【００４５】
ＳＩＭＩＯＮシミュレーションを実施したところ、ＳＩＭＩＯＮは絶縁体が存在することをシミュレートすることができず、ＳＩＭＩＯＮシミュレーションは、−３００Ｖの電位差の状態でイオンがナノ細孔２２の遠方端（すなわち第２の表面１８ｂにおける端部）から外に出ていくということを示すようである。
【００４６】
このような真空ポンプ１０が、真空チャンバ内に設けられ、真空チャンバの内部と大気との間の境界面に取り付けられた状態である場合、真空チャンバから真空システムの外へのイオン（すなわちガス）の正味の移送（net transfer）が起こることになり、その結果正味のポンプ効果（net pumping effect）がもたらされる。図６は、図１の真空ポンプ１０と同等である（それ故同様の特徴を含む）真空ポンプが設けられた本発明の一実施形態による真空チャンバ５０の概略図である。図７は、図６の真空チャンバ５０の別の概略図であり、その真空チャンバの動作と図１の真空ポンプ１０の動作とを示している。ＤＣ電源１４が作動しているとき、真空チャンバ５０の内部５２におけるガスイオンは、ポンプ素子１２を通って方向５４へ出口へと引き出されることになる。
【００４７】
イオンは、ナノ細孔２２に沿って逆流すれば、ポンプ素子１２の陰極側から放出される電界放出電子からの電子衝撃によってイオン化されるか、又は膜の接地された端で元に戻すようにイオン化されて（ionized back）、膜の両面の間の電界によってチャンバの外に戻るように方向付けられることになる。
【００４８】
その結果、比較的低い電圧（例えば３００Ｖ〜５００Ｖ）によって駆動され且つハンドヘルド質量分析計に容易に組み込むことができる非常に薄い膜型の真空ポンプが生じる。
【００４９】
別の実施形態によれば、図１の真空ポンプと同等であるデバイスが、原子及び分子をイオン化するために、ソフトイオン化薄膜（ＳＩＭ）デバイスとして用いられることができる。ダイヤモンドは、電界イオン化をもたらすのに大きな電界が用いられるのを可能にするという利点を有しており、そのため、この実施形態によれば、図１の真空ポンプ１０と構造上同等であるイオン源が、ナノな多孔性のダイヤモンド薄膜（数ミクロンの厚さ）をこのダイヤモンド膜のいずれの表面上にも金属の接触面を有した状態で備えて、提供される。このことは、小型化された器具において望まれる低電圧及び低くなった電力需要を採用することを可能にする。
【００５０】
図８は、この実施形態によるイオン源８０の概略図である。当業者には明らかであるように、イオン源８０は構造上、図１の真空ポンプ１０と多くの点で同一である。それ故、イオン源８０は、ナノ細孔を有する概ね平面的なイオン化素子８２と、ＤＣ電源８４と、イオン化素子８２における第１の導電性表面８８ａ（この図における上面）上に位置する第１の電気接続子８６と、イオン化素子８２における第１の導電性表面８８ａと反対側にある第２の導電性表面８８ｂ（この図における下面）上に位置する第２の電気接続子（図示せず）とを備えている。ＤＣ電源８４の電気出力部は、第１の表面８８ａを第２の表面８８ｂに対して（数百ボルト程度、この実施形態では−３００Ｖの）負電圧に保持するように、第１の電気接続子及び第２の電気接続子それぞれに電気的に接続されている。このような電圧は、既存のＳＩＭデバイスよりも高いが、その生成及び破壊のいずれの観点においてもまだ扱いやすいものである。
【００５１】
図９は、イオン化素子８２の概略的な詳細断面図である。イオン化素子８２は、約５μｍ厚であり、第１の表面８８ａ及び第２の表面８８ｂをそれぞれ構成する前方及び後方の導電性被覆材を有するナノ多孔性ダイヤモンド膜９０を備えている。第１の表面８８ａ及び第２の表面８８ｂは、この実施形態では金からなっているが、他の実施形態では他の導電性材料（Ｍｏ等）からなっていてもよい。イオン化素子８２の各ナノ細孔９２は約５０ｎｍの直径を有している。
【００５２】
それ故、イオン化素子８２は、既存のＳＩＭデバイスよりも厚いが、ソフトイオンイオン化とコリメーション（collimation）とをもたらす（コリメーションは、直交式飛行時間型質量分析（orthogonal time-of-flight mass spectrometry）が、分解能を最適化すると共に「ターンアラウンド」タイムと称されてきているのを短縮するために、極めて平行であるビームを必要とするので、重要である）。原子又は分子９４は、一旦イオン化素子８２の電界に近づくとイオン化され、その結果として生成されたイオンは、自身の電荷のせいで、ナノ細孔９２内へそしてナノ細孔９２に沿って引き込まれ、最終的にはナノ細孔９２から出てくる。イオン化素子８２の大きなアスペクト比が、この出てくるイオンにコリメートを引き起こす。
【００５３】
さらに別の実施形態によれば、本発明は、メタライズ化ドープダイヤモンド膜（metalized, doped diamond film）内にあるナノスケールの個々のイオントラップによって構成されるイオントラップを提供する。この実施形態では、イオントラップは、ドープダイヤモンド膜を成長させることによって生み出され、このドープダイヤモンド膜では、ドーパントのレベルは、一旦成長するとこの膜がその中央で導電性を有し且つその表面に向かって徐々に絶縁性を高めるように、制御される。
【００５４】
好適な膜を生成するには、ダイヤモンド膜は、成長され、次いでナノ多孔性構造を生成するようにエッチングされ、次いでＲＦ電力の印加のための電気接点を生成するように両面の上に（この実施形態では金を用いて）メタライズされる。その結果が図１０に概略的に示されており、図１０はこの実施形態によるイオントラップ９６の概略図である。この実施形態では、ドーパントが生み出されているが、他のドーパントが（窒素タイプなどの）ダイヤモンドと共に用いられてもよく、絶縁性のある膜がダイヤモンド以外のものである実施形態では、他のドーパントが適宜用いられることになる。
【００５５】
図１０を参照すると、イオントラップ９８は図１の真空ポンプ１０と多くの点で同一である。それ故、イオントラップ９６は、ナノ細孔を有する概ね平面的なドープダイヤモンド膜１００と、ドープダイヤモンド膜１００上の第１の導電性層１０２ａ（この図における上層）と、ドープダイヤモンド膜１００上における第１の表面１０２ａと反対側にある第２の導電性層１０２ｂ（この図における下層）と、第１の導電性層１０２ａ上に位置する第１の電気接続子１０４と、第２の導電性層１０２ｂ上に位置する第２の電気接続子）図示せず）とを備えている。しかしながら、図１の真空ポンプ１０とは異なり、イオントラップ９８は、第１の電気接続子及び第２の電気接続子それぞれに接続され且つそれ故第１の表面１０２ａ及び第２の表面１０２ｂそれぞれに接続されている電気出力部を伴って、ＲＦ電源１０６を有している。
【００５６】
大部分の既存の質量分析計と同様に、小型イオントラップの構造は、ＲＦ電圧及び周波数において妥協を伴っている。所要電力を可能な限り低くしておくために、理想的な低い電圧及び周波数が用いられる。しかしながら、このことは、トラップ効率を低下させる。本実施形態によれば、トラップ能力におけるこの制限が、これらナノスケールのイオントラップによる大規模アレイを採用することによって改善される。この手法を用いて、この実施形態のＲＦ電源１０６は、１ＭＨｚ未満から約１００ＭＨｚまでの周波数範囲及び３０Ｖピーク・トゥ・ピークから３００Ｖピーク・トゥ・ピークまでの電圧において、稼動されることができる。
【００５７】
図１１の図１１Ａの部分は、この実施形態によるイオントラップ９８の概略的な詳細断面図１１０（正確な縮尺ではない）であり、図１１Ｂの部分は、ドープダイヤモンド膜１００を横断する距離ｄの関数としてドーパント濃度ρ（この例ではボロン）を概略的にプロットした図１１２である。図１１Ａの部分はまた、ナノスケールの個々のイオントラップとしての機能を果たすナノ細孔１１５も概略的に描写している。ドーパント濃度における変動は、上記膜の中央で導電性を有し且つこの中央の導体の両側で抵抗性を有する構造につながっており、そして、これらの抵抗性のある層は、ドープダイヤモンド膜１００の各側面上に蒸着された（Ａｕ等の）２つの導電性層１０２ａ及び１０２ｂに接続されている（図１の真空ポンプ１０の第１の表面１８ａ及び第２の表面１８ｂを構成する導電性被覆材２４を参照）。
【００５８】
それ故、ＲＦ電界が２つの金の層１０２ａ，１０２ｂに印加されると、電位は、ダイヤモンド膜１０４と交差する抵抗性のある接続部によって、より導電性の高い中央領域１１４にかけられる。この中央の電位領域１１４及びＲＦ電界はイオントラップとしての機能を果たし、その結果ドープダイヤモンド膜１００内の各ナノ細孔がナノスケールのイオントラップとしての機能を果たす。
【００５９】
図１２は、図１０のイオントラップ９８の構造的な細部と電気的等価回路とを示している。金の層１０２ａ，１０２ｂの形態のメタライゼーション（metalization）を伴ったドープダイヤモンド膜１００の細部が、１１６（単一のナノスケールのイオントラップ１１８を含んでいる）において詳細に示されており、その下には、ドーパントのプロファイル（図１１Ｂの部分を参照）が概略的に描かれている。図１２の最も下にある記載において、１１９では、メタライズ化ドープダイヤモンド膜を通る（この図における）横断面に対応する電気的等価回路がある。電気的等価回路１１９は、ナノ多孔性のメタライズ化ドープダイヤモンド膜が三重極線形イオントラップ（three electrode linear ion trap）として特徴付けられることができることを示す。それ故、導電性層１０２ａ及び１０２ｂは第１の電極Ｅ１及び第２の電極Ｅ２としての機能を果たし、一方、中央領域１１４は第３の電極Ｅ３としての機能を果たす。中央領域１１４の傍らにある比較的絶縁性のある領域はそれぞれ、抵抗器Ｒ１及び抵抗器Ｒ２としての機能を果たす。
【００６０】
また本発明によれば、（本発明の変形形態及び他の実施形態を含む）本発明の真空ポンプ、イオン源及びイオントラップのうちの１つ以上を備える科学機器も提供することができることが理解されるであろう。それ故、図１３は、本発明の別の実施形態による小型質量分析計１２０の概略図である。
【００６１】
小型質量分析計１２０は、主筐体１２２と、筐体１２２上に位置するディスプレイパネル１２４及びキーパッド１２６と、ポンプ素子１２８（図１のポンプ素子１２と同等である）及びダイアフラム式バッキングポンプ１３０を含むポンプセクションと、試料入口膜１３２と、イオン源１３４（図８のイオン源８０と同等である）と、イオントラップ１３６（イオントラップ９８と同等である）と、検出用膜１３８と、電子機器１４０（電子機器１４０は他の構成要素のための小型の電源を含む）とを備えている。これらの構成要素は、既存の半導体製造技術を用いて製造することができ、分析計１２０を廉価で製造しやすくする。
【００６２】
本発明の範囲内での変形は、当業者によって容易になされ得る。したがって、本発明が上記で例を目的として説明された特定の実施形態に限定されないということは、理解されるべきである。
【００６３】
添付の特許請求の範囲及び本発明の前述の記載において、明白な文言又は必要な暗示のせいで文脈によって別段に要求される場合を除き、用語「備える、含む、構成される（comprise）」又は「備える、含む、構成される（comprises）」若しくは「備えている、含んでいる、構成されている（comprising）」等の変形したものは、包括的な意味で用いられる、すなわち、記載された特徴の存在を特定するが、本発明の種々の実施形態におけるさらなる特徴の存在又は付加を除外しないように用いられる。
【００６４】
さらに、従来技術に対する本明細書内でのあらゆる言及は、このような従来技術がいずれの国においても共通の一般的な知識の一部を形成する又は形成したということを意味するようには意図されてない。
【図１】
2013533584.tif 000003
【図２】
2013533584.tif 000004
【図３Ａ】
2013533584.tif 000005
【図３Ｂ】
2013533584.tif 000006
【図４】
2013533584.tif 000007
【図５Ａ】
2013533584.tif 000008
【図５Ｂ】
2013533584.tif 000009
【図６】
2013533584.tif 000010
【図７】
2013533584.tif 000011
【図８】
2013533584.tif 000012
【図９】
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【図１０】
2013533584.tif 000014
【図１１】
2013533584.tif 000015
【図１２】
2013533584.tif 000016
【図１３】
2013533584.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月11日(2012.4.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ多孔性の絶縁性（例えばダイヤモンド）膜に基づくナノ多孔性真空ポンプと、イオン源及びイオントラップを提供することを含んだ絶縁性膜の他の用途とに関するものであり、上記ナノ多孔性真空ポンプは、ガスクロマトグラフ質量分析計（ＧＣ−ＭＳ, gas chromatography-mass spectrometer）及び他の質量分析計のようなハンドヘルド装置と適合する小型のポンププロファイルを真空ポンプに与えるのに特定的ではあるが決して限定的ではない有用さを有するものである。
【０００２】
［関連出願］
本出願は、２０１０年６月１８日に出願されたオーストラリア特許出願第２０１０９０２６７０号の出願日及び優先日の利益に基づくものであり且つ上記利益を主張するものであり、出願時の上記出願の内容はその全体が、参照により本出願に援用される。
【背景技術】
【０００３】
既存の真空ポンプは、連続蒸着されるチタンの薄膜を用いるものがあり、この場合、非常に反応性の高くなっているチタンがポンプチャンバ内の残留ガスと反応すると共にこの残留ガスを捕捉する。
【０００４】
天然素材であるナノ多孔性ゼオライトが、小型のクヌーセンポンプ（Knudsen pump）の能動素子として提案されている。
【０００５】
Ｆｒａｎｋ  Ｈａｒｔｌｅｙ及びＩｓｉｋ  Ｋａｎｉｋ（国際光工学会［SPIE］会報  ｖｏｌ．４９３６［２００２年］）は、電界イオン化によって気相内の原子又は分子をイオン化するのに使用するために、窒化ケイ素材料中にソフトイオン化薄膜（ＳＩＭ, Soft Ionising Membrane）を作り出した。
【発明の概要】
【０００６】
広義には、本発明は、
ナノ多孔性絶縁性膜と、
上記膜における対向する第１の側面及び第２の側面の上にそれぞれある第１の導電性層（又は被覆材）及び第２の導電性層（又は被覆材）と
を備える素子を提供する。
【０００７】
一実施形態では、絶縁性膜はナノ多孔性ダイヤモンド薄膜を含む。
【０００８】
第１の導電性層及び第２の導電性層は金属層を含んでもよい。
【０００９】
別の実施形態では、第１の導電性層及び第２の導電性層は蒸着層を含む。
【００１０】
第１の導電性層及び第２の導電性層はモリブデン又は金を含んでもよい。
【００１１】
第１の広義な態様では、本発明は、
ナノ多孔性絶縁性膜と、
上記膜における対向する第１の側面及び第２の側面の上にそれぞれある第１の導電性層及び第２の導電性層と
を備えるポンプ素子を提供する。
【００１２】
それ故、ポンプ素子は複数の穴があいたコンデンサの構成を有する。
【００１３】
一実施形態では、絶縁性膜はナノ多孔性ダイヤモンド薄膜を含む。
【００１４】
一実施形態では、第１の導電性層及び第２の導電性層は金属被覆材（Ｍｏ又はＡｕ等）を含む。
【００１５】
一実施形態では、第１の導電性層及び第２の導電性層は蒸着被覆材を含む。
【００１６】
第２の広義な態様では、本発明はポンプを提供し、このポンプは、
複数のナノ細孔を含むナノ多孔性絶縁性膜、並びに、上記膜における対向する第１の側面及び第２の側面の上にそれぞれある第１の導電性層及び第２の導電性層を備えるポンプ素子と、
電界イオン化電界を生成する電位差を第１の導電性層及び第２の導電性層の間で維持するように構成される電源と
を備え、
ポンプ素子は、第１の導電性層及び第２の導電性層上におけるガス差圧を支持すると共に上記電界による電界イオン化を支持し、上記電界は、第１の導電性層に接近しているガス原子又はガス分子をイオン化し、ガス原子又はガス分子がイオン化されるとこのガス原子又はガス分子を移送して、第１の導電性層を通過させて細孔内に移動させ、細孔に沿って移動させて第２の導電性層を通過させる。
【００１７】
一実施形態では、上記ガス差圧は１気圧である。
【００１８】
特定の実施形態では、上記電界は約１０ＭＶ／ｃｍである。
【００１９】
一実施形態では、絶縁性膜はナノ多孔性ダイヤモンド薄膜を含む。別の実施形態では、絶縁性膜はナノ多孔性窒化ケイ素薄膜を含む。
【００２０】
第１の導電性層及び第２の導電性層は、蒸着層のような金属層を含んでもよい。
【００２１】
第１の導電性層及び第２の導電性層はモリブデン又は金を含んでもよい。
【００２２】
或る実施形態では、電源は、第１の導電性層を第２の導電性層に対して負電位に維持するように構成される。この電位は比較的低くてもよい（例えば、−３００Ｖ〜−５００Ｖ）。
【００２３】
一実施形態では、ポンプは、第１の導電性層が負電位（例えば、−３００Ｖ〜−５００Ｖ）にあり且つ第２の導電性層が接地された状態で動作するようになっている。
【００２４】
第３の広義な態様では、本発明は、上述したようなポンプを備える真空チャンバを提供する。
【００２５】
第４の広義な態様では、本発明は、上述したようなポンプを備える科学機器（質量分析計等）を提供する。
【００２６】
一実施形態では、科学機器はハンドヘルド質量分析計である。
【００２７】
第５の広義な態様では、本発明は、上述したようなポンプを用いることを含むポンピング方法を提供する。
【００２８】
第６の広義な態様では、本発明は、上述したようなポンプを用いることを含んだ、科学機器（ハンドヘルド質量分析計又は他の質量分析計等）を排気する（evacuate）方法を提供する。
【００２９】
第７の広義な態様では、本発明は、上述したようなポンプを備えるイオン源を提供する。絶縁性膜はナノ多孔性ダイヤモンド薄膜を含んでもよい。
【００３０】
ダイヤモンドは、物理的に強く（このことは、絶縁性膜が大気圧を支えなければならない実施形態において特に重要である）、電界イオン化のために高い電界の生成を容易にする高い絶縁耐力（〜１０００ｋＶ／ｍｍ）を有する。他の実施形態では、窒化ケイ素が使用されてもよく、窒化ケイ素もまた、高い絶縁耐力を有するが、ダイヤモンドの物理的強度を欠いており、そのため、そのような強度が必要である場合には適切ではないかもしれない。さらに他の実施形態では、絶縁性膜はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）であってもよいが、アルミナは、良好な物理的強度を有しているものの、用途によっては不十分な絶縁耐力しか有していないかもしれない。
【００３１】
電源は、第１の導電性層を、第２の導電性層に対して数百ボルト程度の負電圧に維持するように構成されてもよい。
【００３２】
第８の広義な態様では、本発明は、イオントラップを提供し、このイオントラップは、
複数のナノ細孔を含むナノ多孔性絶縁性膜、並びに、上記膜における対向する第１の側面及び第２の側面の上にそれぞれある第１の導電性層及び第２の導電性層を備えるイオントラップ素子と、
第１の導電性層及び第２の導電性層の間に電位差を与えるように第１の導電性層及び第２の導電性層につながれるＲＦ電源と
を備え、
ナノ多孔性絶縁性膜が、上記対向する側面同士の間の導電性領域と、導電性領域及び各上記対向する側面の間にそれぞれある絶縁性が高くなった領域とを有するように、ドープされ、ＲＦ電源によって第１の導電性層及び第２の導電性層に印加されるＲＦ電界が、導電性領域に電位をかけ、それにより中央の領域及びＲＦ電界がイオントラップとしての役割を果たす。
【００３３】
一実施形態では、ＲＦ電源は、１ＭＨｚと１００ＭＨｚとの間の動作周波数範囲を有する。
【００３４】
特定の実施形態では、上記電位差は、３０Ｖピーク・トゥ・ピークと３００Ｖピーク・トゥ・ピークとの間にある。
【００３５】
第９の広義な態様では、本発明は、上述したようなイオン源を備える質量分析計を提供する。
【００３６】
第１０の広義な態様では、本発明は、上述したようなイオントラップを備える質量分析計を提供する。
【００３７】
実際には、本発明は、上述したポンプ、イオン源及びイオントラップのうちの１つ以上を備える科学機器（質量分析計等）も提供する。
【００３８】
第１１の広義な態様では、本発明は、上述したイオン源を用いることを含むイオンを供給する方法を提供する。
【００３９】
第１２の広義な態様では、本発明は、上述したイオントラップを用いることを含むイオンを捕捉する方法を提供する。
【００４０】
本発明の上記の態様のそれぞれにおける種々の特徴のいずれもが、好適に且つ所望とされるように組み合わされることができるということに、留意すべきである。
【００４１】
次に、本発明がより明確に解明され得るために、添付の図面を参照して、実施形態が例を目的として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態による真空ポンプの概略図である。
【図２】図１の真空ポンプのポンプ素子の概略的な断面図である。
【図３Ａ】図１の真空ポンプにおいて用いるのに好適なダイヤモンド膜の写真である。
【図３Ｂ】図１の真空ポンプにおいて用いるのに好適なダイヤモンド膜の写真である。
【図４】図１の真空ポンプのポンプ素子の概略的な機能図である。
【図５Ａ】図１の真空ポンプのポンプ素子における細部の概略的な動作図である。
【図５Ｂ】図１の真空ポンプのポンプ素子における細部のさらなる概略的な動作図である。
【図６】本発明の一実施形態による真空ポンプが設けられた真空チャンバの概略図である。
【図７】図６の真空チャンバの別の概略図であり、図１の真空ポンプ及び図６の真空チャンバの動作を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態によるイオン源の概略図である。
【図９】図８のイオン源のイオン化素子の概略的な詳細断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態によるイオントラップの概略図である。
【図１１】図１１Ａの部分は、図１０のイオントラップの概略的な詳細断面図であり、図１１Ｂの部分は、図１０のイオントラップのダイヤモンド膜を横断する距離の関数としてドーパント濃度（dopant concentration）を概略的にプロットしたものを示す図である。
【図１２】図１０のイオントラップの構造的な細部と電気的等価回路とを示す図である。
【図１３】本発明の別の実施形態による小型質量分析計の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１は、本発明の一実施形態による真空ポンプ１０の概略図である。ポンプ１０は、概ね平面的なポンプ素子１２と、ＤＣ電源１４と、ポンプ素子１２の第１の表面１８ａ（この図における上面）上に位置する第１の電気接続子１６と、ポンプ素子１２における第１の表面１８ａと反対側の第２の表面１８ｂ（この図における下面）上に位置する第２の電気接続子（図示せず）とを備えている。ＤＣ電源１４の電気出力部は、第１の表面１８ａを第２の表面１８ｂに対して（この実施形態では−３００Ｖの）負電圧に保持するように、第１の電気接続子及び第２の電気接続子それぞれに電気的に接続されている。
【００４４】
図２はポンプ素子１２の概略的な断面図である。ポンプ素子１２は、ナノ細孔２２を有し且つナノ多孔性ダイヤモンド膜２０の形態をした絶縁性膜と、ダイヤモンド膜２０に付けられると共に第１の表面１８ａ及び第２の表面１８ｂを構成する導電性被覆材２４とを備えている。この実施形態では、導電性被覆材２４はＭｏ又はＡｕのいずれかからなる。モリブデンは、ダイヤモンドの熱膨張係数と同様の熱膨張係数をもつという利点を有しており、金は導電率が高いという利点を有している。この実施形態では、導電性被覆材２４は、マグネトロン蒸着によってダイヤモンド膜２０の上に蒸着されている。
【００４５】
これ故、この図には示されていないが、第１の電気接続子及び第２の電気接続子は被覆材２４と電気的に接触している。被覆材２４はナノ細孔２２を著しく遮断するように塞いでしまうようなことはない。
【００４６】
幾つかの用途では、真空ポンプ１０は好適なバッキングポンプと共に用いられるということが理解されるであろう。
【００４７】
ダイヤモンドが高い電気的破壊電圧（約１０ＭＶ／ｃｍ）と（非常に広い面積にわたって１気圧を支えるのに要求される）高い引張強度とをもつため、この実施形態においてダイヤモンド膜が用いられるのは有利なことである。図３Ａ及び図３Ｂは、自己整合（self-aligning）アルミナナノ膜を用いたマスキングによって作製される好適なナノ多孔性ダイヤモンド膜の写真である。図３Ａは正面から見たダイヤモンド膜の写真であり、図３Ｂは斜めに見たダイヤモンド膜の写真である。
【００４８】
これ故、ポンプ素子１２は本質的には複数の穴のあいたコンデンサと見なすことができ、このコンデンサでは、ダイヤモンド膜２０の形態の絶縁体が、（２つの被覆材２４の各部分の形態をした）複数の穴のあいた２つの導電性プレートの間に挟まれている。ＤＣ電源１４を用いてそれらの「プレート」を横断して小電圧（modest voltage）が印加されると、電界が２つのプレートの間に形成される。ダイヤモンドの低い分極率によって、非常に高い電界を支持することが可能になる。このことは、図４に概略的に描写されており、図４は、ポンプ素子１２の一部と、第１の表面（上面）１８ａ及び第２の表面（下面）１８ｂの間で（ＤＣ電源１４に起因した）電位差が生じる結果として生成される電界線３０とを示している。電界線がナノ細孔２２内ではナノ細孔２２に対して概ね平行であるのが、分かるであろう。
【００４９】
図５Ａ及び図５Ｂは、使用中におけるポンプ素子１２の細部の概略的な機能図である。図５Ａを参照すると、ガス原子又はガス分子がポンプ素子１２の陰極面（すなわち第１の表面１８ａ）に接近すると、ガス原子又はガス分子は、分極し、第１の表面１８ａでのナノ細孔２２の開口部にある導電性被覆材２４部分の縁に引き付けられるようになる。分極したガス分子／原子は最も高い電界領域に引き付けられることになり、この領域では、電界は、ガス分子／原子の電界イオン化（field ionization）を行うのに十分に高い。一旦イオン化されてしまうと（図５Ｂを参照）、この時点でのガス陽イオンは、ナノ細孔２２の１つの下方へと加速され、そして、ポンプ素子１２の反対側（つまり第２の表面１８ｂ）の外へと、接地されている第２の表面１８ｂによって離れるように加速される。
【００５０】
ＳＩＭＩＯＮシミュレーションを実施したところ、ＳＩＭＩＯＮは絶縁体が存在することをシミュレートすることができず、ＳＩＭＩＯＮシミュレーションは、−３００Ｖの電位差の状態でイオンがナノ細孔２２の遠方端（すなわち第２の表面１８ｂにおける端部）から外に出ていくということを示すようである。
【００５１】
このような真空ポンプ１０が、真空チャンバ内に設けられ、真空チャンバの内部と大気との間の境界面に取り付けられた状態である場合、真空チャンバから真空システムの外へのイオン（すなわちガス）の正味の移送（net transfer）が起こることになり、その結果正味のポンプ効果（net pumping effect）がもたらされる。図６は、図１の真空ポンプ１０と同等である（それ故同様の特徴を含む）真空ポンプが設けられた本発明の一実施形態による真空チャンバ５０の概略図である。図７は、図６の真空チャンバ５０の別の概略図であり、その真空チャンバの動作と図１の真空ポンプ１０の動作とを示している。ＤＣ電源１４が作動しているとき、真空チャンバ５０の内部５２におけるガスイオンは、ポンプ素子１２を通って方向５４へ出口へと引き出されることになる。
【００５２】
イオンは、ナノ細孔２２に沿って逆流すれば、ポンプ素子１２の陰極側から放出される電界放出電子からの電子衝撃によってイオン化されるか、又は膜の接地された端で元に戻すようにイオン化されて（ionized back）、膜の両面の間の電界によってチャンバの外に戻るように方向付けられることになる。
【００５３】
その結果、比較的低い電圧（例えば３００Ｖ〜５００Ｖ）によって駆動され且つハンドヘルド質量分析計に容易に組み込むことができる非常に薄い膜型の真空ポンプが生じる。
【００５４】
別の実施形態によれば、図１の真空ポンプと同等であるデバイスが、原子及び分子をイオン化するために、ソフトイオン化薄膜（ＳＩＭ）デバイスとして用いられることができる。ダイヤモンドは、電界イオン化をもたらすのに大きな電界が用いられるのを可能にするという利点を有しており、そのため、この実施形態によれば、図１の真空ポンプ１０と構造上同等であるイオン源が、ナノ多孔性のダイヤモンド薄膜（数ミクロンの厚さ）をこのダイヤモンド膜のいずれの表面上にも金属の接触面を有した状態で備えて、提供される。このことは、小型化された器具において望まれる低電圧及び低くなった電力需要を採用することを可能にする。
【００５５】
図８は、この実施形態によるイオン源８０の概略図である。当業者には明らかであるように、イオン源８０は構造上、図１の真空ポンプ１０と多くの点で同一である。それ故、イオン源８０は、ナノ細孔を有する概ね平面的なイオン化素子８２と、ＤＣ電源８４と、イオン化素子８２における第１の導電性表面８８ａ（この図における上面）上に位置する第１の電気接続子８６と、イオン化素子８２における第１の導電性表面８８ａと反対側にある第２の導電性表面８８ｂ（この図における下面）上に位置する第２の電気接続子（図示せず）とを備えている。ＤＣ電源８４の電気出力部は、第１の表面８８ａを第２の表面８８ｂに対して（数百ボルト程度、この実施形態では−３００Ｖの）負電圧に保持するように、第１の電気接続子及び第２の電気接続子それぞれに電気的に接続されている。このような電圧は、既存のＳＩＭデバイスよりも高いが、その生成及び破壊のいずれの観点においてもまだ扱いやすいものである。
【００５６】
図９は、イオン化素子８２の概略的な詳細断面図である。イオン化素子８２は、約５μｍ厚であり、第１の表面８８ａ及び第２の表面８８ｂをそれぞれ構成する前方及び後方の導電性被覆材を有するナノ多孔性ダイヤモンド膜９０を備えている。第１の表面８８ａ及び第２の表面８８ｂは、この実施形態では金からなっているが、他の実施形態では他の導電性材料（Ｍｏ等）からなっていてもよい。イオン化素子８２の各ナノ細孔９２は約５０ｎｍの直径を有している。
【００５７】
それ故、イオン化素子８２は、既存のＳＩＭデバイスよりも厚いが、ソフトイオンイオン化とコリメーション（collimation）とをもたらす（コリメーションは、直交式飛行時間型質量分析（orthogonal time-of-flight mass spectrometry）が、分解能を最適化すると共に「ターンアラウンド」タイムと称されてきているのを短縮するために、極めて平行であるビームを必要とするので、重要である）。原子又は分子９４は、一旦イオン化素子８２の電界に近づくとイオン化され、その結果として生成されたイオンは、自身の電荷のせいで、ナノ細孔９２内へそしてナノ細孔９２に沿って引き込まれ、最終的にはナノ細孔９２から出てくる。イオン化素子８２の大きなアスペクト比が、この出てくるイオンにコリメートを引き起こす。
【００５８】
さらに別の実施形態によれば、本発明は、メタライズ化ドープダイヤモンド膜（metalized, doped diamond film）内にあるナノスケールの個々のイオントラップによって構成されるイオントラップを提供する。この実施形態では、イオントラップは、ドープダイヤモンド膜を成長させることによって生み出され、このドープダイヤモンド膜では、ドーパントのレベルは、一旦成長するとこの膜がその中央で導電性を有し且つその表面に向かって徐々に絶縁性を高めるように、制御される。
【００５９】
好適な膜を生成するには、ダイヤモンド膜は、成長され、次いでナノ多孔性構造を生成するようにエッチングされ、次いでＲＦ電力の印加のための電気接点を生成するように両面の上に（この実施形態では金を用いて）メタライズされる。その結果が図１０に概略的に示されており、図１０はこの実施形態によるイオントラップ９６の概略図である。この実施形態では、ドーパントはボロンであるが、他のドーパントが（窒素タイプなどの）ダイヤモンドと共に用いられてもよく、絶縁性のある膜がダイヤモンド以外のものである実施形態では、他のドーパントが適宜用いられることになる。
【００６０】
図１０を参照すると、イオントラップ９８は図１の真空ポンプ１０と多くの点で同一である。それ故、イオントラップ９６は、ナノ細孔を有する概ね平面的なドープダイヤモンド膜１００と、ドープダイヤモンド膜１００上の第１の導電性層１０２ａ（この図における上層）と、ドープダイヤモンド膜１００上における第１の表面１０２ａと反対側にある第２の導電性層１０２ｂ（この図における下層）と、第１の導電性層１０２ａ上に位置する第１の電気接続子１０４と、第２の導電性層１０２ｂ上に位置する第２の電気接続子（図示せず）とを備えている。しかしながら、図１の真空ポンプ１０とは異なり、イオントラップ９８は、第１の電気接続子及び第２の電気接続子それぞれに接続され且つそれ故第１の表面１０２ａ及び第２の表面１０２ｂそれぞれに接続されている電気出力部を伴って、ＲＦ電源１０６を有している。
【００６１】
大部分の既存の質量分析計と同様に、小型イオントラップの構造は、ＲＦ電圧及び周波数において妥協を伴っている。所要電力を可能な限り低くしておくために、理想的な低い電圧及び周波数が用いられる。しかしながら、このことは、トラップ効率を低下させる。本実施形態によれば、トラップ能力におけるこの制限が、これらナノスケールのイオントラップによる大規模アレイを採用することによって改善される。この手法を用いて、この実施形態のＲＦ電源１０６は、１ＭＨｚ未満から約１００ＭＨｚまでの周波数範囲及び３０Ｖピーク・トゥ・ピークから３００Ｖピーク・トゥ・ピークまでの電圧において、稼動されることができる。
【００６２】
図１１の図１１Ａの部分は、この実施形態によるイオントラップ９８の概略的な詳細断面図１１０（正確な縮尺ではない）であり、図１１Ｂの部分は、ドープダイヤモンド膜１００を横断する距離ｄの関数としてドーパント濃度ρ（この例ではボロン）を概略的にプロットした図１１２である。図１１Ａの部分はまた、ナノスケールの個々のイオントラップとしての機能を果たすナノ細孔１１５も概略的に描写している。ドーパント濃度における変動は、上記膜の中央で導電性を有し且つこの中央の導体の両側で抵抗性を有する構造につながっており、そして、これらの抵抗性のある層は、ドープダイヤモンド膜１００の各側面上に蒸着された（Ａｕ等の）２つの導電性層１０２ａ及び１０２ｂに接続されている（図１の真空ポンプ１０の第１の表面１８ａ及び第２の表面１８ｂを構成する導電性被覆材２４を参照）。
【００６３】
それ故、ＲＦ電界が２つの金の層１０２ａ，１０２ｂに印加されると、電位は、ダイヤモンド膜１０４と交差する抵抗性のある接続部によって、より導電性の高い中央領域１１４にかけられる。この中央の電位領域１１４及びＲＦ電界はイオントラップとしての機能を果たし、その結果ドープダイヤモンド膜１００内の各ナノ細孔がナノスケールのイオントラップとしての機能を果たす。
【００６４】
図１２は、図１０のイオントラップ９８の構造的な細部と電気的等価回路とを示している。金の層１０２ａ，１０２ｂの形態のメタライゼーション（metalization）を伴ったドープダイヤモンド膜１００の細部が、１１６（単一のナノスケールのイオントラップ１１８を含んでいる）において詳細に示されており、その下には、ドーパントのプロファイル（図１１Ｂの部分を参照）が概略的に描かれている。図１２の最も下にある記載において、１１９では、メタライズ化ドープダイヤモンド膜を通る（この図における）横断面に対応する電気的等価回路がある。電気的等価回路１１９は、ナノ多孔性のメタライズ化ドープダイヤモンド膜が三重極線形イオントラップ（three electrode linear ion trap）として特徴付けられることができることを示す。それ故、導電性層１０２ａ及び１０２ｂは第１の電極Ｅ１及び第２の電極Ｅ２としての機能を果たし、一方、中央領域１１４は第３の電極Ｅ３としての機能を果たす。中央領域１１４の傍らにある比較的絶縁性のある領域はそれぞれ、抵抗器Ｒ１及び抵抗器Ｒ２としての機能を果たす。
【００６５】
また本発明によれば、（本発明の変形形態及び他の実施形態を含む）本発明の真空ポンプ、イオン源及びイオントラップのうちの１つ以上を備える科学機器も提供することができることが理解されるであろう。それ故、図１３は、本発明の別の実施形態による小型質量分析計１２０の概略図である。
【００６６】
小型質量分析計１２０は、主筐体１２２と、筐体１２２上に位置するディスプレイパネル１２４及びキーパッド１２６と、ポンプ素子１２８（図１のポンプ素子１２と同等である）及びダイアフラム式バッキングポンプ１３０を含むポンプセクションと、試料入口膜１３２と、イオン源１３４（図８のイオン源８０と同等である）と、イオントラップ１３６（イオントラップ９８と同等である）と、検出用膜１３８と、電子機器１４０（電子機器１４０は他の構成要素のための小型の電源を含む）とを備えている。これらの構成要素は、既存の半導体製造技術を用いて製造することができ、分析計１２０を廉価で製造しやすくする。
【００６７】
本発明の範囲内での変形は、当業者によって容易になされ得る。したがって、本発明が上記で例を目的として説明された特定の実施形態に限定されないということは、理解されるべきである。
【００６８】
添付の特許請求の範囲及び本発明の前述の記載において、明白な文言又は必要な暗示のせいで文脈によって別段に要求される場合を除き、用語「備える、含む、構成される（comprise）」又は「備える、含む、構成される（comprises）」若しくは「備えている、含んでいる、構成されている（comprising）」等の変形したものは、包括的な意味で用いられる、すなわち、記載された特徴の存在を特定するが、本発明の種々の実施形態におけるさらなる特徴の存在又は付加を除外しないように用いられる。
【００６９】
さらに、従来技術に対する本明細書内でのあらゆる言及は、このような従来技術がいずれの国においても共通の一般的な知識の一部を形成する又は形成したということを意味するようには意図されてない。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプにおいて、
複数のナノ細孔を含むナノ多孔性絶縁性膜、並びに、前記膜における対向する第１の側面及び第２の側面の上にそれぞれある第１の導電性層及び第２の導電性層を備えるポンプ素子と、
電界イオン化電界を生成する電位差を前記第１の導電性層及び前記第２の導電性層の間で維持するように構成される電源と
を備え、
前記ポンプ素子は、前記第１の導電性層及び前記第２の導電性層上におけるガス差圧を支持すると共に前記電界による電界イオン化を支持し、前記電界は、前記第１の導電性層に接近しているガス原子又はガス分子をイオン化し、前記ガス原子又はガス分子がイオン化されると前記ガス原子又はガス分子を移送して、前記第１の導電性層を通過させて前記細孔内に移動させ、前記細孔に沿って移動させて前記第２の導電性層を通過させるポンプ。
【請求項２】
前記ガス差圧は１気圧である請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記電界は約１０ＭＶ／ｃｍである請求項１に記載のポンプ。
【請求項４】
前記絶縁性膜はナノ多孔性ダイヤモンド薄膜を含む請求項１に記載のポンプ。
【請求項５】
前記絶縁性膜はナノ多孔性窒化ケイ素薄膜を含む請求項１に記載のポンプ。
【請求項６】
前記第１の導電性層及び前記第２の導電性層は金属層を含む請求項１に記載のポンプ。
【請求項７】
前記第１の導電性層及び前記第２の導電性層は蒸着層を含む請求項６に記載のポンプ。
【請求項８】
前記第１の導電性層及び前記第２の導電性層はモリブデン又は金を含む請求項１に記載の素子。
【請求項９】
前記電源は、前記第１の導電性層を前記第２の導電性層に対して負電位に維持するように構成される請求項１に記載のポンプ。
【請求項１０】
前記電位差は比較的低い請求項１に記載のポンプ。
【請求項１１】
前記第１の導電性層の電位は、前記第２の導電性層に対して−３００Ｖ〜−５００Ｖである請求項１に記載のポンプ。
【請求項１２】
前記ポンプは、前記第１の導電性層が負電位にあり且つ前記第２の導電性層が接地された状態で動作するようになっている請求項１に記載のポンプ。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のポンプを備える真空チャンバ、科学機器又は質量分析計。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のポンプを備えるハンドヘルド質量分析計。
【請求項１５】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のポンプを備えるイオン源。
【請求項１６】
前記電源は、前記第１の導電性層を、前記第２の導電性層に対して数百ボルト程度の負電圧に維持するように構成される請求項１５に記載のイオン源。
【請求項１７】
請求項１５に記載のイオン源を備える質量分析計。
【請求項１８】
イオントラップにおいて、
複数のナノ細孔を含むナノ多孔性絶縁性膜、並びに、前記膜における対向する第１の側面及び第２の側面の上にそれぞれある第１の導電性層及び第２の導電性層を備えるイオントラップ素子と、
前記第１の導電性層及び前記第２の導電性層の間に電位差を与えるように前記第１の導電性層及び前記第２の導電性層につながれるＲＦ電源と
を備え、
前記ナノ多孔性絶縁性膜が、前記対向する側面同士の間の導電性領域と、前記導電性領域及び各前記対向する側面の間にそれぞれある絶縁性が高くなった領域とを有するように、ドープされ、前記ＲＦ電源によって前記第１の導電性層及び前記第２の導電性層に印加されるＲＦ電界が、前記導電性領域に電位をかけ、それにより中央の領域及び前記ＲＦ電界がイオントラップとしての役割を果たすイオントラップ。
【請求項１９】
前記ＲＦ電源は、１ＭＨｚと１００ＭＨｚとの間の動作周波数範囲を有する請求項１８に記載のイオントラップ。
【請求項２０】
前記電位差は、３０Ｖピーク・トゥ・ピークと３００Ｖピーク・トゥ・ピークとの間にある請求項１８に記載のイオントラップ。
【請求項２１】
請求項１８に記載のイオントラップを備える質量分析計。
【請求項２２】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のポンプを用いることを含むポンピング方法。
【請求項２３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のポンプを用いることを含んだ、質量分析計又は他の科学機器を排気する方法。
【請求項２４】
請求項１５に記載のイオン源を用いることを含むイオンを供給する方法。
【請求項２５】
請求項１８に記載のイオントラップを用いることを含むイオンを捕捉する方法。
【国際調査報告】
2013533584.tif 000018
2013533584.tif 000019
2013533584.tif 000020