(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面および背面を有する半導体または絶縁体ウェハと、
前記前面を覆って形成された、導電層および絶縁層の交互のシーケンスであって、シーケンスは、上部および中央導電層を含み、前記中央導電層は前記上部導電層より前記ウェハに近い、導電層および絶縁層の交互のシーケンスと、
下部導電層とを備える装置であって、
前記中央導電層は、前記中央導電層の幅を横断する直立の円筒空洞を有し、前記上部および下部導電層は、前記空洞の第１および第２端部を覆い、
前記上部導電層は、前記空洞に対する第１のアクセス・ポートを形成する穴を含み、
前記ウェハは、前記ウェハの幅を貫通するバイアであって、バイアは前記ウェハの背面を介した前記空洞へのアクセスを可能にする、バイアを含み、前記ウェハは前記層のシーケンスよりも厚みが厚い装置。
【請求項２】
前記シーケンスは、前記空洞の第２端部を覆う前記下部導電層を備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ウェハは、前記空洞の第２端部を覆う前記下部導電層を形成する導電領域を備える請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記空洞は円形断面を有する請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記中央導電層は、前記中央導電層の幅を横断する第２円筒空洞と、前記第２空洞の第１端部を覆う前記上部導電層と、前記２空洞の第２端部を覆う前記下部導電層とを含み、
前記上部導電層を貫通する第２穴は、前記第２空洞に対する第１アクセス・ポートを形成し、
前記ウェハの幅を貫通するバイアは前記ウェハの背面を介して前記第２空洞へのアクセスを可能にする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
イオントラップを作製する方法であって、
絶縁体または半導体ウェハの平坦前面上に導電層および絶縁層の交互のシーケンスを形成すること、
前記シーケンスの１つの導電層を貫通する直立の円筒空洞をエッチングすることであって、それによって、イオントラップの中央電極を作成する、エッチングすること、
前記中央電極を覆って別の導電層を形成すること、
前記空洞の第１端部キャップ電極を作成するように前記別の導電層を貫通する穴をエッチングすることであって、前記穴は前記空洞へのアクセス・ポートを形成する、穴をエッチングすること、および、
前記空洞用の第２端部キャップ電極へのアクセスを可能にするバイアを作成するように、前記ウェハの背面を通してエッチングすることであって、前記第２端部キャップ電極は、前記シーケンスの別の導電層および前記ウェハの導電領域のうちの１つを含む方法。
【請求項７】
前記空洞を充填するように犠牲材料を堆積させ、別の導電層の前記形成を行う前に、前記空洞の端部を覆って平坦上部面を作成すること、および、
別の導電層の前記形成を行った後に、前記空洞から前記犠牲材料をエッチングすることをさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記空洞の第２アクセス・ポートを形成するように、前記シーケンスの別の導電層の１つおよび前記ウェハの導電領域をエッチングすることをさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記第２端部キャップ電極は前記シーケンスの別の導電層である請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
シーケンスを形成することは、
前記ウェハの表面を覆って前記シーケンスの別の導電層を形成すること、
前記シーケンスの別の導電層上に１つの絶縁層を形成すること、
その後、前記１つの絶縁層上に前記シーケンスの前記一方の導電層を形成することをさらに含む請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオントラップおよびイオントラップを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のイオントラップは、イオン化粒子の蓄積およびその質量（Ｍ）対電荷（Ｑ）比による蓄積されたイオン化粒子の分離を可能にする。イオン化粒子の蓄積は、粒子がイオントラップ内の安定した軌道に沿って伝播するように、時間変化する電圧をイオントラップに印加することを伴う。イオン化粒子の分離は通常、蓄積された粒子がそのＭ／Ｑ比によって選択的に押し出されるように、時間変化するさらなる電圧をトラップに印加することを伴う。粒子をそのＭ／Ｑ比に応じて押し出す能力があるため、イオントラップを質量分析計として使用することができる。
【０００３】
例示的なイオントラップは、たとえば、その全体が参照によって本明細書に組み込まれている、Ｗ．Ｐａｕｌ他に対して１９６０年６月７日に発行された米国特許第２，９３９，９５２号に記載されている。
【０００４】
図１は、軸方向に対称の空洞１８を有するある型の４重極イオントラップ１０を示す。イオントラップ１０は、金属製の上部および下部の端部キャップ電極１２、１３、ならびに、端部キャップ電極１２、１３の間にある金属製の中央リング電極１４を含む。電極１２〜１４の内面１５〜１７上の点は、横半径座標「ｒ」および軸座標「ｚ」を有する。これらの座標は、双曲線方程式、すなわち、中央リング形状電極１４に対して、ｒ２／ｒ０２−ｚ２／ｚ０２＝＋１、端部キャップ電極１２、１３に対して、ｒ２／ｒ０２−ｚ２／ｚ０２＝−１を満たす。ここで、２ｒ０および２ｚ０は、内面１５〜１７によって形成されるトラップ用空洞１８の最小横直径および最小垂直高さである。典型的なトラップ用空洞１８は、（ｒ０／ｚ０）２≒２を満たす形状比ｒ０／ｚ０を有するが、比は、電極１２〜１４の有限サイズを補償するようにより小さい場合がある。典型的な空洞１８は、約０．７０７センチメートル（ｃｍ）と約１．０ｃｍのおよその範囲にあるｒ０の値によって記述されるサイズを有する。
【０００５】
上述した電極および空洞の形状の場合、電極１２〜１４は、トラップ用空洞１８内で４重極分布を有する電界を生成する。こうした電界を生成する１つの方法は、端部キャップ電極１２、１３を接地すること、および、中央リング形状電極１４に無線周波数（ＲＦ）電圧を印加することを伴う。４重極分布を有するＲＦ電界において、小さなＱ／Ｍ比を有するイオン化粒子は、安定した軌道に沿って伝播するであろう。トラップ用空洞１８に粒子を蓄積するために、空洞１８は、上述したように電圧バイアスを印加され、粒子がイオン化し、その後、粒子は、上部端部キャップ電極１２の入口ポート１９を介してトラップ用空洞１８内に導入される。イオン化粒子の導入中、トラップ用空洞１８は、ヘリウム（Ｈｅ）ガスの低い背圧、たとえば、約１０−３トルになるように維持される。その後、背景Ｈｅ原子とイオン化粒子間の衝突が、粒子運動量を低下させ、それによって、こうした粒子がトラップ用空洞１８の中央領域内にトラップされるのを可能にする。トラップされた粒子を空洞１８から押し出すために、低いＲＦ電圧が下部の端部キャップ１３に印加されてもよく、その間に、低い電圧を徐々に増加させ、それによって、蓄積された粒子が、そのＭ／Ｑ比によって選択的に出口オリフィス２０を通って押し出される。
【０００６】
４重極イオントラップ１０の場合、金属の母材(base piece)から双曲線形状電極１２〜１４を作製するのに機械加工技法が利用できる。残念ながら、双曲線形状の内面１５〜１７が必要なため、こうした機械加工技法は複雑で費用がかかる場合が多い。こうした理由で、他の型のイオントラップが望ましい。
【０００７】
第２の型のイオントラップは、直立で円形の円筒形状を有するトラップ用空洞を有する。このトラップ用空洞はまた、２つの端部キャップ電極および端部キャップ電極の間にある中央リング形状電極の内面によって形成される。ここで、端部キャップ電極は平坦な円板形状内面を有し、リング形状電極は円形の円筒内面を有する。こうしたトラップ空洞の場合、２つの端部キャップ電極を接地しながら、中央リング形状電極に電圧を印加することによって、真の４重極分布を有さない電界が生ずるであろう。それでも、トラップ用空洞の高さ対直径比を適当に選ぶことによって、生じた電界分布に対するより極数の多い多重極の寄与の大きさが減るであろう。特に、高さ対直径比が約０．８３と１．００の間にある場合、電界分布に対する８重極の寄与は小さく、たとえば、比が約０．８９７の場合、この寄与は消える。こうした値の形状比の場合、より極数の多い多重極の寄与の効果は、空洞がイオン化粒子をトラップし蓄積できるように十分に小さい場合が多い。
【０００８】
この第２の型のイオントラップの場合、金属母材から電極を作製するのに標準的な機械加工技法が利用できる。それは、電極が、図１の電極１２〜１４の複雑な双曲線面より単純な面を有するからである。こうした理由で、この第２の型のイオントラップの作製は一般に、その電極が双曲線形状の内面を有する４重極イオントラップの作製に比べて、複雑でなく、高価でない。
【特許文献１】米国特許第２，９３９，９５２号
【特許文献２】米国特許第５，５０１，８９３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
種々の実施形態は、そのトラップ用空洞が薄層構造内にある４重極イオントラップ用のモノリシック構造を提供する。それぞれの薄層構造は、大幅に厚みの厚いウェハの前面上にある。このように、イオントラップは、ウェハの幅より著しく小さい長さ寸法(linear dimension)を有する。ウェハは、その中に小さなイオントラップがある薄膜構造に対して頑丈な支持部を提供することができるように実質上厚みが厚い。集積回路作製技法を用いて安価に新しい構造を作製する方法が存在する。
【００１０】
一実施形態はイオントラップ用の装置を特徴とする。装置は、前面および背面を有する半導体または絶縁体ウェハと、前記前面を覆って形成された、導電層および絶縁層の交互のシーケンスと、下部導電層とを含む。シーケンスは、上部および中央導電層を含み、中央導電層が、上部導電層よりウェハに近い。中央導電層は、中央導電層の幅を横断するほぼ直立した円筒空洞を含む。上部および下部導電層は、空洞のそれぞれの第１および第２の端部を覆う。上部導電層は、空洞に対する第１アクセス・ポートを形成する穴を含む。ウェハは、ウェハの幅を貫通するバイアを含む。バイアは、ウェハの背面を介して、空洞への別のアクセスを可能にする。ウェハは、層のシーケンスより大幅に厚みが厚い。
【００１１】
別の実施形態はイオントラップを作製する方法を特徴とする。方法は、ウェハの平坦前面上に導電層および絶縁層の交互のシーケンスを形成すること、前記シーケンスの１つの導電層を貫通する直立の円筒空洞をエッチングし、それによって、イオントラップの中央電極を作成することを含む。方法は、前記中央電極を覆って別の導電層を形成すること、前記イオントラップの第１端部キャップ電極を作成するように前記別の導電層を貫通する穴をエッチングすることを含む。穴は前記空洞に対するアクセス・ポートを形成する。方法はまた、前記イオントラップ用の第２端部キャップ電極へのアクセスを可能にするバイアを作成するように、前記ウェハの背面を通してエッチングすることを含む。第２端部キャップ電極は、シーケンスの別の導電層およびウェハの導電領域のうちの１つを含む。
いくつかの図において、特徴部の寸法は、特徴部をより明確に示すために拡大または縮小された。
図および明細書において、同じ参照番号は同様な機能または特性を有する部分を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図２Ａおよび図２Ｂは、４重極イオントラップのアレイ用のモノリシック構造２２を示す。モノリシック構造２２は、半導体または絶縁体のウェハ２３、たとえば、シリコン・ウェハまたはシリカガラス・ウェハを含む。明確にするために、モノリシック構造２２の中央の地点は、間隙Ｇで示すように、図２Ａでは省略された。
【００１３】
モノリシック構造２２は、ウェハ２３の前面上の薄層構造２１を含む。薄層構造２１は、導電層２４〜２６および比較的薄い絶縁層２８〜３０の交互のシーケンスを含む。導電層２４〜２６についての例示的な材料は、金属、高濃度にドープした(heavily doped)半導体、導電性ケイ素化合物、およびこれらの材料の組み合わせである。例示的な導電層２４〜２６は、約０．２μｍと数μｍの間の厚みを有する。しばしば、イオントラップの高さを決める中央導電層２５は厚く、上部および下部導電層２４、２６は比較的はるかに薄い。絶縁層２８〜３０は、互いから、また、ウェハ２３から導電層２４〜２６を電気的に絶縁する。絶縁層２８〜３０についての例示的な材料は、無機窒化物または酸化物および高分子化合物絶縁体である。例示的な絶縁層２８〜３０は、０．１μｍ未満の厚みを有する。例示的な薄層構造２１は、ウェハ基材２３の厚みＤより約１０分の１以下の厚みｄを有する。ウェハ２３は、薄層構造２１より大幅に厚い、すなわち、薄層構造２１の厚みの少なくとも数倍である厚みを有する。大幅に厚い形態によって、ウェハ２３が、全モノリシック構造２２に対する物理的な操作上の支持を提供することを可能にする。シリコン（Ｓｉ）ウェハ上の例示的な薄層構造２１は、２０マイクロメートル（μｍ）以下、好ましくは、５μｍ以下の厚みを有し、一方、例示的なＳｉウェハ２３は通常、２５０μｍを超える厚みを有する。
【００１４】
モノリシック構造２２において、薄層構造２１は、４重極イオントラップのアレイを含む。イオントラップは、上部、中央、および下部導電層２４〜２６の部分によってそれぞれ形成される上部、中央、および下部端部キャップ電極３２〜３４を有する。中央電極３３は、イオントラップの空洞３６である直立の円筒穴を含む。上部および下部電極３２、３３はそれぞれ、イオンを直立の円筒トラップ用空洞３６内に導入し、イオンを直立の円筒トラップ用空洞３６から追い出す円筒ポート３７、３８を含むか、またはその逆である。トラップ用空洞３６は、導電層２５に対して横に向いている中央軸を有する。
【００１５】
本明細書において、直立の円筒空洞は、直線セグメント上の点が、セグメントを曲線面に対して垂直に保ちながら閉曲線を描く(trace out)時に、直線セグメントによって掃引される(sweep out)表面を有する。図２Ｃは、例示的な直立の円筒空洞の断面形状、すなわち、円形Ｃ、楕円形Ｏ、四角形Ｓ、および切れた双曲線Ｈに関連する形状を示す。種々の実施形態において、トラップ用空洞３６は、これらの断面形状または他の形状のうちの１つを有する場合がある。ほぼ直立の円筒形状を有する空洞は、標準的なマスク制御された異方性ドライ・エッチング技法によって作成されることができる。
【００１６】
導電層２４〜２６は、電極３２〜３４のそれぞれに個々のバイアス電圧を印加するための電気接点（図示せず）を含む。電気接点は、個別に個々のイオントラップの電極２４〜２６に接続されるか、または、並列に個々のイオントラップの等価電極２４〜２６に接続される。
【００１７】
それぞれのトラップ用空洞３６について、１つまたは複数の入口ポート３７は、モノリシック構造２２の前側に開き(open out)、１つまたは複数の入口ポート３８は、モノリシック構造２２の裏側に開く。トラップ用空洞３６ごとに１つの入口ポート３７および１つの出口ポート３８を有する実施形態において、ポートの直径は、関連するトラップ用空洞３６の直径の２分の１未満であり、それによって、ポート３７、３８は、トラップ用空洞３６の近似の４重極電界分布を大幅には(substantially)変形しない。
【００１８】
モノリシック構造２２において、トラップ用空洞３６の高さは、薄層構造２１の幅未満である。この幅は通常、支持用ウェハ２３の幅の１０分の１以下であり、空洞３６の高さは、ウェハ２３の幅の１０分の１以下である。すなわち、トラップ用空洞３６は非常に小さい。ウェハ２３は、薄層構造２１より大幅に厚い、たとえば、１０倍厚くなければならず、それによって、ウェハ２３は、小さなイオントラップのアレイに対して頑丈な物理的支持を提供する。それでも、出口ポート３８は、こうした厚いウェハ２３の裏側を通してアクセス可能でなければならない。これらの２つの必要性に対処するために、モノリシック構造２２は、厚いウェハ２３の幅全体を横断し、ウェハ２３の背面を通して出口ポート３８に物理的なアクセスを可能にする深いバイア３９を含む。深いバイア３９の側壁は通常、こうした深いバイア３９を作成するのに用いられる深いエッチング(etch)プロセスの繰り返し工程を示す規則正しい一連の隆起様のバンプ４０を有する。
【００１９】
モノリシック構造２２の４重極イオントラップの動作は、従来の４重極イオントラップの動作と同じである。イオントラップに分子を蓄積することは、分子を電子と衝突させながら（イオン化を引き起こす）、入口ポート３７の方へ分子流を放出する(project)ことによって、トラップ用空洞３６内にイオン化分子を導入することを含む。その後、イオン化分子は、ポート３７を介してトラップ用空洞３６に入る。分子を蓄積することはまた、イオン化粒子がトラップ用空洞３６内に導入される時にそれぞれのトラップ用空洞３６にトラップ用ＲＦ電界が存在するように、ＲＦ電圧を中央電極３３に印加しながら、端部キャップ電極３２および３４を接地することを含む。それぞれのトラップ用空洞３６は、空洞内のトラップ用電界が４重極電界分布に対して確実に良好に近似させる形状を有する。その高さ対直径比が、約０．８３から約１．０の範囲にあり、好ましくは、ほぼ０．８９７に等しい直立の円形の円筒トラップ用空洞３６の場合、上述の電圧バイアス方式は通常、その分布がトラップ用空洞３６の４重極分布の電界を良好に近似する電界を生成する。分子を蓄積することはまた、イオン化粒子が空洞内に導入されている間に、トラップ用空洞３６においてヘリウム（Ｈｅ）の低圧を、たとえば、１０−３トル圧を維持することを含む。ガスのＨｅ原子は、導入されたイオン化分子と衝突し、それによって、分子がトラップ用空洞３６の中央領域にトラップされることができるように分子の運動量を減らす。イオン化分子をトラップ用空洞３６から押し出すことは、出口ポート３８を介してトラップされたイオンを共振により押し出すために、中央電極をバイアスするＲＦ電圧の振幅を増加させること、および／または、下部端部キャップ電極３４に、より小さなＲＦ電圧を印加することを含む。
【００２０】
モノリシック構造２２の種々の実施形態は、従来のイオントラップに比べていくつかの利点を提供する。１番目に、トラップ用空洞３６は一般に小さく、そのことは、動作中のバイアス用電圧が通常低いことを意味する。この理由で、モノリシック構造２２のイオントラップは通常、動作中により低いレートで電気エネルギーを消費する。２番目に、イオントラップの小さなサイズが、もしかするとモノリシック構造２２を新しい型のデバイス、たとえば、手持ち式質量分析計に組み込むのに役立つ場合がある。３番目に、モノリシック構造２２の実施形態の中には、多数のイオントラップを組み込むものもある。イオントラップは通常、トラップ用空洞の中央部分にイオンを蓄積するだけであるため、こうした大きなアレイの中には、従来の単一イオントラップより高い表面密度でイオンを蓄積しなければならないものもある。より高い表面密度の蓄積によって、より高い感度および／または質量掃引速度を有する質量分析計の作成が可能になる。
【００２１】
図３は、１つまたは複数のイオントラップ用の薄層構造を含むモノリシック構造を作製するための、かつ／または、比較的厚いウェハ、たとえば、図２Ａおよび図２Ｂの構造２２を支持するための方法４１を示す。最終の作製された構造において、それぞれのイオントラップは、中央電極が端部キャップ電極間にあるような、２つの端部キャップ電極と１つの中央電極によって形成されるトラップ用空洞を有する。
【００２２】
方法４１は、絶縁体または半導体のウェハの平坦前面上に導電層と絶縁層の交互のシーケンスを形成すること（工程４２）を含む。シーケンスにおいて、１つまたは複数の絶縁層は、１つまたは複数の導電層より大幅に薄い。絶縁層は、１つまたは複数の導電層を互いから電気的に絶縁させることを可能にし、また、１つまたは複数の導電層を、ウェハの下地導電面領域から絶縁させることができる。１つまたは複数の導電層を形成することは、金属を蒸着−堆積させること、ドープした半導体を化学気相堆積（ＣＶＤ）させること、および／または、導電性ケイ素化合物を堆積させることを含む。シーケンスが単一の導電層を含む場合、シーケンスを形成することはまた、最初に、たとえば、シリコン・ウェハの表面部分を埋め込み(implant)ドープすることによって、ウェハ上に導電面領域を形成すること、次に、埋め込まれたドーパント原子を活性化させるために、ウェハをアニールすることを含む。１つまたは複数の絶縁層を形成することは、酸化物または窒化物を化学気相堆積させることか、あるいは、高分子化合物前駆体の層をスピン・コーティングし、硬化させることを含む。
【００２３】
方法４１は、イオントラップの中央電極を作成するために、シーケンスの少なくとも１つの導電層を通して、直立の円筒空洞をドライ・エッチングすること（工程４３）を含む。中央電極は、単一の導電層または２以上の隣接する導電層を含んでよい。シーケンスの下地導電層またはウェハの導電面領域のいずれかが、空洞の下部端部キャップ電極を形成する。
【００２４】
方法４１は、中央電極を覆って上部導電層を形成すること（工程４４）を含む。上部導電層を形成することは、先の工程４２で述べた導電層を形成するためのプロセスのうちの１つのプロセスを行うことを伴う。下地層のシーケンスが上部絶縁層を含まない場合、別の堆積によって、その後形成される上部導電層をイオントラップの下地中央電極から電気的に絶縁することを可能にするような層を作成する。上部導電層ならびに導電層および絶縁層の下地のシーケンスは共に、最終のイオントラップのトラップ用空洞を含むであろう薄層構造を形成する。
【００２５】
上部導電層を形成する前に、方法４１は、中央電極の空洞を充填し、前記空洞の上部端を覆って平坦上部面を作成する犠牲材料層を形成することを含んでよい。犠牲材料層を形成する例示的な工程は、犠牲材料上に平坦上部面を作成するために、犠牲材料を堆積させること、次に、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）工程を行うことを含む。平坦上部面は、後続の堆積工程が、上部導電層用の平坦下部面、すなわち、直立の円筒トラップ用空洞の端部キャップ電極に適切な表面を作成することを可能にする。上部導電電極を形成した後、別のエッチングが、トラップ用空洞から犠牲材料を除去するであろう。
【００２６】
本明細書において、犠牲材料は、後続の作製工程において構造上の支持を提供するために、中間構造に付加され、その後、最終の構造が完成する前にほぼ除去される材料のことを言う。
【００２７】
方法４１は、イオントラップ用の上部端部キャップ電極の作製を完了するために、上部導電層を通して穴をドライ・エッチングすること（工程４５）を含む。エッチングされた穴は、直立の円筒空洞、すなわち、トラップ用空洞への１つのアクセス・ポートを形成する。
【００２８】
方法４１はまた、トラップの下部端部キャップ電極への物理的アクセスを提供する深いバイアを作るために、ウェハの背面を通して深いエッチングを行うこと（工程４６）を含む。深いバイアは、第２ポート、すなわち、下部端部キャップ電極にあるポートをトラップ用空洞に露出させるように整列させられる。深いバイアの横の長さは、厚いウェハによって提供される構造的な操作上の支持を犠牲にしないように制限される。深いエッチングを行うことは、結果として得られるバイアが、ウェハの全体の厚みまたはほとんど全体の厚みを横切るまで、マスク制御された一連の、たとえば２〜３μｍの深さを有する浅いプラズマ・エッチングおよび高分子化合物堆積を交互に行うことを含む。深いエッチングは、ほぼ垂直の壁を有する背面バイアを形成し、通常、イオントラップの下部電極の部分を露出させる。深いバイアの側壁は、深いバイアを作成するのに用いられた一連の繰り返されたエッチングおよび高分子化合物堆積工程を示す規則正しい一連の隆起様のバンプを有するであろう。ウェハの深いエッチングを行う例示的な方法は、Ｆ．Ｌａｅｒｍｅｒ他に対して１９９６年３月２６日に発行された米国特許第５，５０１，８９３号（‘８９３号特許）に記載されており、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【００２９】
図４は、４重極イオントラップのアレイを組み込む質量分析計２の実施形態を示す。質量分析計２は、真空ポンプ３、噴霧器(sprayer)４、図２Ａおよび図２Ｂのモノリシック構造２２、電子銃５、真空容器６、可変電圧源７、イオン検出器８、およびコンピュータ９を含む。噴霧器４は、イオントラップ内へ蓄積するために、モノリシック構造２２の上部面に分子を噴射させる。電子銃５は、イオン化を引き起こすために、噴霧された分子を電子と衝突させる。噴霧器４および電子銃５は、イオン化分子の一部がモノリシック構造２２のトラップ用空洞３６への入口ポート３７に入るように構成される。真空ポンプ３および容器６は、イオントラップ内、および、連結した入口および出口ポート３７、３８の付近の圧力を、たとえば１０−３トル以下の低圧に維持する。可変電圧源７は、イオン化分子を蓄積し、かつ／または、選択されたＱ／Ｍ比で蓄積されたイオン化分子を押し出すために、モノリシック構造２２のトラップ電極を適切にバイアスする。イオン検出器８は、モノリシック構造２２の後ろ側に隣接してあり、モノリシック構造２２の異なる出口ポート３８からのイオンが、イオン検出器８の個々のセグメントで検出されるように空間的に分けられる。コンピュータ９は、ポンプ３、噴霧器４、電子銃５、および可変電圧源６を動作させ、イオン計数データをイオン検出器７から受け取り、そのデータを用いて、検出されたイオン化粒子についてのＱ／Ｍ比および束を求める。
【００３０】
質量分析計２の種々の実施形態は、質量スペクトルを分析するのに有利な方法を提供する。実施形態の中には、モノリシック構造２２の複数のイオントラップが等価な電圧バイアスを有するバルク・モードによって質量分析を行うものもある。バルク・モードにおいて、複数のイオントラップは、同じＱ／Ｍ比で、同時に蓄積する、かつ／または、押し出す。こうして等価的に動作するイオントラップが存在することによって、たとえば、質量分析計２の全体の感度が増加し、単一のイオントラップのみを用いる等価な質量分析計より高速なスペクトル分析が可能になる。実施形態の中には、等価でない電圧バイアスがモノリシック構造２２の異なるイオントラップに印加される並列モードによって前記質量分析を行うものもある。並列モードにおいて、異なるイオントラップは、異なるＱ／Ｍ比でイオンを蓄積する、かつ／または、押し出す。このことによって、モノリシック構造２２の異なるイオントラップが、ＱＭスペクトルの個々の部分を分析すること、すなわち、並列スペクトル分析が可能になる。並列モードによって、分析されているサンプル・ガスの質量スペクトルのより高速な掃引が可能になる。
【実施例１】
【００３１】
図５は、図３の方法４１による微小イオントラップのアレイを有するモノリシック構造２２’を作製するための例示的な方法５０を示す。方法５０は、シリコン（Ｓｉ）支持ウェハ２３のそれぞれ前面および背面から、第１および第２のシーケンスの工程Ｉ、ＩＩを行うことを含む。工程は、図６〜１３の構造７１〜７７、２２’を作成する。図６〜１３において、間隙「Ｇ」は、明確にするために省略された構造７１〜７７、２２’の部分を示す。
Ｓｉウェハ２３の前面から、方法５０は、以下のシーケンスの作製工程を行うことを含む。
【００３２】
最初に、一連のウェハ２３上への層の堆積および一連のドライ・エッチングによって、層のシーケンスを含む図６の構造７１が作成される（工程５１）。シーケンスは、導電性Ａｌ層９０およびＡｌ層９０を囲む比較的薄い絶縁層９１〜９２を含む。Ａｌ層９０の横部分は、最終イオントラップの下部端部キャップ電極を形成するであろう。Ａｌ層９０は、イオントラップの出口ポートになるであろう円形穴９３および下部端部キャップ電極用の電気接点９４を含む。ウェハ２３は、約７５０μｍの初期厚みを有する標準的なＳｉウェハである。
【００３３】
構造７１を作るために、一連の層の堆積は、ＳｉＯ２層９１を約０．２μｍの厚みまで堆積すること、アルミニウム(Ａｌ)層９０を約０．３μｍの厚みまで堆積すること、および、ＳｉＯ２層９２を約０．１μｍの厚みまで堆積することを含む。ＳｉＯ２層９１、９２についての堆積は、約２５０℃〜４００℃で行われるプラズマ強化(enhanced)化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）である。Ａｌ層９０についての堆積は、物理気相堆積（ＰＶＤ）、２０℃〜２５０℃でのスパッタ堆積、または、蒸着―堆積である。
【００３４】
構造７１を作るために、一連のドライ・エッチングは、フォトレジスト・マスク８９によって制御され、酸化物上で停止する反応性(reactive)イオン（ＲＩＥ）プラズマ・エッチングおよびＳｉＯ２層９１の残存する露出部分を除去する２回目のＲＩＥプラズマ・エッチングを含む。マスク８９の部分は、出口ポート９３および電極接点９４を画定する。通常の出口ポート９３は約０．３３μｍの直径を有する。ドライ・エッチング後に、従来のプラズマまたはウェット・ストリップがフォトレジスト・マスク８９を除去する。
【００３５】
次に、構造７１上における一連の堆積によって、図７の構造７２に示すように、イオントラップの中央電極用の第２の導電性Ａｌ層９５および上部絶縁層９６が形成される（工程５２）。層９５および９６を形成するために、最初に、堆積によって、構造７１上で約１．０μｍの厚みを有するＡｌ層９５が形成される。次に、第２の堆積によって、Ａｌ層９５上に約０．１μｍのＳｉＯ２層またはシリコン窒化物を堆積させることによって、絶縁層９６が形成される。Ａｌおよび絶縁体の堆積は、先の工程５１に関してすでに論じたタイプのプロセスを伴う。
【００３６】
次に、構造７２上でのエッチングのシーケンスによって、図８の構造７３に示すように、イオントラップの中央電極が完成し、下部電極の出口ポート９３および電気接点９４が再形成される（工程５３）。中央電極は、出口ポート９３のうちの対応する１つの上で整列する円形の円筒空洞を有する。空洞９７は約１μｍの直径を有する。エッチングのシーケンスは、構造７２上へフォトレジスト・マスク９８をリソグラフィ的に形成すること、上部絶縁層９６の露出部分をＲＩＥプラズマ・エッチングにより除去すること、マスク９８またはＳｉＯ２層９２のいずれかによって保護されていないＡｌ層９５および９０の部分をＲＩＥプラズマ・エッチングにより除去すること、および、次に、ＳｉＯ２層９２の残存する露出部分をＲＩＥエッチングにより除去することを含む。ＲＩＥプラズマ・エッチングは、トラップ用空洞９７および中央電極の電気接点９９を形成し、対応する下部端部キャップ電極の出口ポート９３および電気接点９４を再形成する。エッチングのシーケンスはまた、フォトレジスト・マスク９８をプラズマ・ストリップすることを含む。
【００３７】
次に、堆積によって、図９の構造７４に示すように、構造７３上に犠牲アモルファス・シリコンの層１００が生成される（工程５４）。犠牲アモルファス・シリコンは、中央電極のトラップ用空洞９７を充填する。堆積は、２５０℃〜４００℃でのＳｉのＰＥＣＶＤ、２０℃〜２５０℃でのＳｉのスパッタリング堆積、または、Ｓｉの蒸着−堆積を行うことを含む。堆積後、構造７４の上部面１０１は、アモルファス・シリコンがその上に堆積された構造７３の簡単でない地形のために平坦ではない。
【００３８】
次に、犠牲材料の上部面１０１のＣＭＰによって、滑らかで平坦な上部面、すなわち、上部端部キャプ電極を作製するための土台として適当な表面を有する構造が生成される（工程５５）。ＣＭＰは、犠牲アモルファス・シリコンを選択的に除去する化学薬品を使用する。このため、ＣＭＰは、絶縁層９６の平坦面上で停止し、それによって、最終構造において平坦な上部面が生成される。
【００３９】
次に、最後に述べた構造上への堆積によって、図１０の構造７５に示すように、上部端部キャップ電極用の第３導電性Ａｌ層１０２が形成される（工程５６）。堆積は、Ａｌ層１０２を約０．３μｍの厚みまで生成するために、工程５１のＡｌ堆積技法の１つを使用する。堆積されたＡｌ層１０２は、犠材料を堆積すること、および、ＣＭＰを行うことによって生成されたベース面が平坦なために、平坦な下部面を有する。
【００４０】
この時点で、Ａｌ層１０２は一般に、反射性が高く、したがって、下にある任意の光学位置合わせマークをおおい隠す。一般に、こうした位置合わせマークの１つまたは複数のセットが、エッチングおよび／または堆積プロセスによって、層９０〜９２、９５〜９６の未使用部分の上に、かつ／または、基材２３内に形成されてきた。位置合わせマークは、構造７５を作製するのに用いるマスクを光学的に位置合わせするのに役立つ。前記位置合わせマークを再露光するために、位置合わせマークが以前に形成された全体エリアにわたって堆積されたＡｌ層１０２に対してドライ・エッチングが行われる。再露光された位置合わせマークは、後続の前側および後ろ側のドライ・エッチングのマスクを位置合わせするための、光学的基準点を提供するであろう。
【００４１】
次に、構造７５上での２工程の一連のエッチングによって、図１１の構造７６に示すように、上部端部キャップ電極が完成する（工程５７）。第１の工程の一連のエッチングは、トラップ用空洞９７用の入口ポート１０４および上部端部キャップ電極用接触電極１０５を作成するためにＡ１層１０２のマスク制御ドライ・エッチングを実行することを伴う。入口ポート１０４は、その直径が、対応するトラップ用空洞９７の直径の０．５倍未満である円筒の穴である。約１．０μｍの直径を有する例示的なトラップ用空洞９７の場合、例示的な入口ポート１０４は約０．３３μｍ以下の直径を有する。以前に形成された位置合わせマークによってドライ・エッチングを制御する、フォトレジスト・マスク１０３をリソグラフィ的に作製するのに用いられる接触マスク（図示せず）の光学的位置合わせが可能になる。ドライ・エッチングは、下地ＳｉＯ２層９６上でかつ犠牲アモルファス・シリコン上で停止し、それによって、Ａｌ上部端部キャップ電極が完成する。構造７５の最初のＡｌ層１０２が平坦な下部面を有しているため、最終のＡｌ上部端部キャップ電極は平坦な下部面を有する。Ａｌについての適当なドライ・エッチングは先の工程５１に関してすでに述べた。第２の工程の一連のエッチングは、ＳｉＯ２層９６の露出部分を除去するために、ドライ・エッチングを行うことを伴う。この第２のドライ・エッチングは、下地ＳｉＯ２層９５上でかつ犠牲アモルファス・シリコン上で停止する。第２のドライ・エッチングは電気接点９８の上部面を露出させる。ＳｉＯ２についての適当なドライ・エッチングは工程５１に関してすでに述べた。２回のドライ・エッチング後、従来のストリップがフォトレジスト・マスクを除去する。
【００４２】
最後に、プラズマ強化ＣＶＤによって、薄層構造の上部面を覆って約０．２μｍの厚みを有するＳｉ層１０６が形成される（工程５８）。Ｓｉ層１０６は、ウェハ２３の後ろ側から工程のシーケンスを行うことに対応する操作の間、薄層構造２１を物理的に保護する。代替の実施形態は、Ｓｉではなく、フォトレジストの保護層１０６を形成してもよい。
【００４３】
Ｓｉウェハ２３の前面からの工程のシーケンスによって、トラップの電極の作製が完了する。作製された端部キャップ電極および対応する中央電極は、イオントラップ用の円形の円筒空洞９７を形成する。トラップ用空洞９７は、層構造２１の厚みより小さい高さｈを有する。ある実施形態においては、トラップ用空洞９７は、直立の円形の円筒形状を有し、約０．８３と１．００の範囲の、好ましくは約０．８９７の高さ対直径比を有するように構成され、それによって、電界分布に対する８極の寄与は、イオントラップの動作中は小さい。
ウェハ２３の後ろ側から、方法５０は、以下の工程を行うことを含む。
【００４４】
最初に、後ろ側エッチングに必要な時間を減らすために、従来の機械的研磨工程によって、構造７７におけるウェハ３５の厚みを約７５０μｍから約３００μｍに減らす（工程５９）。研磨工程後、ウェハ２３は、安全で好都合の操作のために、できる限り薄いことが好ましい。
【００４５】
次に、深いエッチングによって、図１２の構造７７に示すように、Ａｌ下部端部キャップ電極を露出させる後ろ側の深いバイア１０８が形成される（工程６０）。深いエッチングは、深いバイア１０８の底に残るＳｉウェハ２３の部分とＳｉ０２層９１の任意の部分を除去する。前側の位置合わせマークは、深いエッチングを制御する、フォトレジスト・マスク１１０をリソグラフィ的に作製するのに用いる接触マスクを位置合わせするための光学的基準を提供する。
【００４６】
深いエッチングを行うことは、フォトレジスト・マスク１１０をウェハ２３の後ろ側に形成すること、次に、一連の交互の浅いプラズマ・エッチング、すなわち、２μｍ〜３μｍの深さに対するエッチングおよび高分子化合物堆積を行うことを含む。一連のプラズマ・エッチング副工程および高分子化合物堆積副工程は、ほぼ垂直の側壁１１１を有する深いバイア１０８を作成する。プラズマ・エッチング副工程についての例示的な条件は、ＳＦ６およびＡｒの反応性ガス混合物、１００ｓｃｃｍ未満のガス流量、１０−５〜１０−４ｂａｒの圧力、およびプラズマを生成するための２．４５ＧＨｚで３００〜１２００ワットのマイクロ波エネルギーである。高分子化合物堆積副工程は、部分的にエッチングされたバイア上に、過フッ化炭化水素のほぼ一様の皮膜、たとえばＣＨＦ３の層を作成する。それぞれの皮膜は、後続のプラズマ・エッチング副工程中の横エッチングを減らす。高分子化合物堆積副工程についての例示的な条件は、ＣＨＦ３およびＡｒのガス混合物、エッチング副工程と同様な流量、圧力、およびマイクロ波照射条件を含む。Ｓｉウェハにおけるこうした深いエッチングを行う方法は、先に組み込んだ'８９３号特許に記載されている。
【００４７】
次に、構造７７の化学エッチングによって、出口ポート９３およびトラップ用空洞９７の両方から犠牲材料が除去される（工程６１）。化学エッチングについての例示的な条件は、以下の処理、すなわち、約２．９トルで約１０秒の間、構造７７の前側をＸｅＦ２にさらし、次に、得られたガスを排出することを、約５０〜１００回繰り返すことを伴う。
【００４８】
先の工程５９〜６１は、トラップ用空洞９７および出口ポート９３から犠牲材料を取り除き、保護Ｓｉ層１０６を除去する。
【００４９】
ある実施形態においては、化学エッチングは、構造７７の後ろ側からまたは両側から進められ、それによってまた、入口ポート１０４から保護Ｓｉ層１０６が取り除かれる。後ろ側の化学エッチングがトラップ用空洞９７および出口ポート９３をきれいにする実施形態において、保護Ｓｉ層１０６を除去するために、別の前側のエッチングが行われ、それによって、入口ポート１０４から材料が取り除かれ、図１３に示すようにイオントラップのアレイ用の最終のモノリシック構造２２’が作成される。
【００５０】
構造２２’の種々の実施形態において、個々のイオントラップは、並列トラップ動作または別々のトラップ動作のいずれかを可能にする電気接点を有する。別々に動作可能なイオントラップを有する実施形態において、前側工程のッシーケンスはまた、異なるイオントラップについて、電極のセット間の横絶縁障壁を作成する。障壁は、たとえば、個々のイオントラップを取り囲む、Ａｌ層１０２、９５、９０を貫通するトレンチであってよい。Ａｌ層１０２、９５、９０からトラップの電極を形成するエッチングは、対応するフォトレジスト・マスクが適切な特徴部を有する場合、こうしたトレンチを作成するであろう。
【００５１】
方法５０を行っている間、好ましくは、Ｓｉウェハ２３および構造７１〜７７、２２’は、特に指定しない限り、約２００℃未満の温度に維持される。これらの低い処理温度は、薄層構造２１と下地Ｓｉ基材２３の間の格子不整合によって生ずる曲げ応力を減ずる傾向がある。こうした応力は、処理工程５１〜６１が高温で進められる場合、Ｓｉウェハ２３の相当な(measurabe)撓みを生ずる場合がある。
【実施例２】
【００５２】
図１３のモノリシック構造２２’を作製する別の例示的な方法は、異なる材料で置き換えることによって図５の方法５０を変更することを含む。置き換えは、導電層９０、９５、１０２についてはドープしたポリシリコンを用いること、工程５４の犠牲材料についてはＳｉＯ２またはスピンオン硬化可能な高分子化合物を用いることを伴う。こうした置き換えの場合、前側工程のシーケンスは、以下の変更を必要とする。層９０、９５、１０２の導電材料についての堆積は、１０１９以上のドーパント原子／ｃｍ３を有するポリシリコンのドープしたｎ型またはｐ型についてのプラズマ強化ＣＶＤ堆積を行うことを伴う。ドープしたポリシリコン層９０、９５、１０２の導電材料において特徴部を形成するドライ・エッチングは、ポリシリコンを選択的に除去するようになされている従来のＲＩＥプラズマ・エッチングを行うことを伴う。図９の中間構造７４の上部面１０１を平坦化するＣＭＰは、ＳｉＯ２または犠牲材料の硬化した高分子化合物を選択的に除去する化学研磨薬品を使用する。犠牲材料を除去する後ろ側化学エッチングは、化学薬品、および、適切であればＳｉＯ２またはスピンオン硬化可能な高分子化合物を除去するようになされた条件（たとえば、ＨＦのウェット・エッチングはＳｉＯ２犠牲材料に適している）を使用する。
【００５３】
他の実施形態において、薄層構造２１およびトラップ用空洞は、他のサイズを有するが、前記空洞の高さ対直径比は、トラップ用電界への８極の寄与の大きさを減らすために先に述べた範囲にあるのが好ましい。
本発明の他の実施形態は、本明細書、図面、および本出願書類の特許請求項に照らして当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来の４重極イオントラップの断面図である。
【図２Ａ】４重極イオントラップのアレイを有するモノリシック構造の一部の断面図である。
【図２Ｂ】薄層構造およびウェハの相対的な厚さが示される図２Ａによるモノリシック構造の一部の断面図である。
【図２Ｃ】図２Ａのモノリシック構造のトラップ用空洞の例示的な断面形状を示す図である。
【図３】ウェハ上に４重極イオントラップのアレイを作製する方法を示すフローチャートである。
【図４】４重極イオントラップのアレイを組み込む質量分析計の一実施形態を示す図である。
【図５】図３の方法に従って、４重極イオントラップのアレイ用のモノリシック構造を作製する特定の方法を示すフローチャートである。
【図６】図５の作製方法および関連する作製方法の間に作成された中間構造の断面図である。
【図７】図５の作製方法および関連する作製方法の間に作成された中間構造の断面図である。
【図８】図５の作製方法および関連する作製方法の間に作成された中間構造の断面図である。
【図９】図５の作製方法および関連する作製方法の間に作成された中間構造の断面図である。
【図１０】図５の作製方法および関連する作製方法の間に作成された中間構造の断面図である。
【図１１】図５の作製方法および関連する作製方法の間に作成された中間構造の断面図である。
【図１２】図５の作製方法および関連する作製方法の間に作成された中間構造の断面図である。
【図１３】４重極イオントラップのアレイがシリコン・ウェハ上に作製されているモノリシック構造の断面図である。
【図１】
0004700307.tif 000002
【図２Ａ】
0004700307.tif 000003
【図２Ｂ】
0004700307.tif 000004
【図２Ｃ】
0004700307.tif 000005
【図３】
0004700307.tif 000006
【図４】
0004700307.tif 000007
【図５】
0004700307.tif 000008
【図６】
0004700307.tif 000009
【図７】
0004700307.tif 000010
【図８】
0004700307.tif 000011
【図９】
0004700307.tif 000012
【図１０】
0004700307.tif 000013
【図１１】
0004700307.tif 000014
【図１２】
0004700307.tif 000015
【図１３】
0004700307.tif 000016