(57)【要約】【課題】質量分析器に関して、ウェハ基板に基づいた構造を提供すること。【解決手段】装置が半導体もしくは誘電体のウェハ基板、およびウェハ基板の上に配置された第１および第２の多層構造を有する。第１の多層構造はイオナイザまたは電子式イオン検出器を有する。第２の多層構造は入り口および出口のポートを有するイオン・トラップを有する。イオナイザまたはイオン・トラップのポートのうちの一方に連結されたポートを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体または誘電体のウェハ基板と、
前記ウェハ基板の上に配置され、イオナイザおよび電子式イオン検出器のうちの１つを有する第１の多層構造と、
前記ウェハ基板の上に配置され、入り口および出口のポートを有するイオン・トラップを有する第２の多層構造を含み、
前記イオナイザおよび電子式イオン検出器のうちの一方が前記イオン・トラップの前記ポートのうちの一方に連結されたポートを有する装置。
【請求項２】
前記第１の多層構造がイオナイザおよび電子式イオン検出器のうちの一方のアレイを有し、前記第２の多層構造がイオン・トラップのアレイを有し、前記イオナイザおよび電子式イオン検出器のうちの一方が前記イオン・トラップのポートに連結されたポートを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ウェハ基板の上に配置され、イオナイザおよび電子式イオン検出器のうちの他方を複数有する第３の多層構造をさらに含み、
各々のイオン検出器およびイオナイザが前記イオン・トラップのうちの１つにあるポートに連結されたポートを有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の多層構造が、
第１および第２の導電層と、
前記導電層の間に介在する誘電体層を含み、
複数の穴が前記第１の多層構造を貫通し、各々の穴が前記イオン・トラップのうちの１つにある入り口ポートに結合する、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
第１の多層構造を上に有し、前記第１の多層構造がイオナイザおよび電子式イオン検出器のうちの一方を中に有する第１の半導体もしくは誘電体のウェハ基板と、
第２の多層構造を上に有し、前記第２の多層構造が入り口および出口のポートを備えたイオン・トラップを有する第２の半導体もしくは誘電体のウェハ基板を含み、
前記イオナイザおよび電子式イオン検出器のうちの一方が前記イオン・トラップの前記ポートのうちの一方に連結されたポートを有する装置。
【請求項６】
前記第１の多層構造がイオナイザおよび電子式イオン検出器のうちの一方のアレイを有し、前記第２の多層構造がイオン・トラップのアレイを有し、前記イオナイザおよびイオン検出器のうちの一方が前記イオン・トラップのポートに連結されたポートを有する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
ウェハ基板の上に配置され、イオナイザおよび電子式イオン検出器のうちの他方のアレイを有する第３の多層構造をさらに含み、
各々のイオン検出器およびイオナイザが前記イオン・トラップのうちの１つにあるポートに連結されたポートを有する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
第１のウェハ基板の上にイオナイザまたは電子式イオン検出器のアレイのための多層構造を作製する工程と、
第２のウェハ基板の上にイオン・トラップのアレイのための多層構造を作製する工程と、
その後、前記イオン・トラップのポートが前記イオナイザまたは電子式イオン検出器のポートに連結されるように前記ウェハ基板を一体に組み立てる工程を含む方法。
【請求項９】
イオナイザまたは電子式イオン検出器のうちの他方のアレイを中に有する第３の多層構造を作製する工程をさらに含み、
前記第３の多層構造が、イオナイザまたは電子式イオン検出器のうちの他方にあるポートが前記イオン・トラップのポートに連結されるように配置される方法請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ビアが前記イオン・トラップのポートに連結するように前記第２のウェハ基板の裏面に深い前記ビアをエッチングする工程をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は質量分析器、および質量分析器を作製して動作させるための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析器は化学的検出および分析のためのツールである。これらのツールは粒子の質量／電荷比を測定する。電荷／質量比から、分析される粒子の質量を判定することがしばしば可能である。
【０００３】
従来式の質量分析器は３つの装置を含む。第１の装置は分析対象の粒子をイオン化させる。第２の装置はイオン化された粒子を質量／電荷比に従って保存および／または分離する。第３の装置は特異的電荷／質量比を備えたイオン化粒子の量を測定する。
【０００４】
様々な従来式の質量分析器はイオン化粒子を質量／電荷比に従って保存および分離するために四重極イオン・トラップを使用する。四重極イオン・トラップの範例は、例えばその全文を本明細書に参照で組み入れる１９６０年６月７日にＷ．Ｐａｕｌらに発行された米国特許第２，９３９，９５２号に述べられている。
【特許文献１】米国特許第２，９３９，９５２号
【特許文献２】米国特許出願番号１０／６５６，４３２号
【特許文献３】米国特許第５，９８９，９３１号
【特許文献４】米国特許第５，５０１，８９３号
【特許文献５】米国特許出願番号２００２／０１５８１４０号
【特許文献６】米国特許出願番号２００３／０２１３９１８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
残念なことに、多くの質量分析器は標準的な金属加工技術によって作製された金属部品を使用する。金属部品は製造および組み立てを行なうことに高い費用を要する。金属部品はそのような質量分析器を大型で嵩高くする。この後者の特性がそのような装置の広範な用途および配備を制限してきた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
質量分析器に関して様々な実施形態がウェハ基板に基づいた構造を提供する。個々の質量分析器がイオン・トラップ、およびイオナイザ、および／または電子式イオン検出器を有する。いくつかの構造は質量分析器のアレイ、例えば別々にアドレス指定可能なスペクトロメータのアレイを提供する。マイクロエレクトロニクス処理技術に基づいて様々な実施形態が質量分析器を製造する方法を提供する。
【０００７】
一態様では、装置は半導体または誘電体のウェハ基板、およびウェハ基板の上に配置された第１と第２の多層構造を有する。第１の多層構造はイオナイザまたは電子式イオン検出器を有する。第２の多層構造は入り口および出口ポートを有するイオン・トラップを有する。イオナイザもしくは電子式イオン検出器は、イオン・トラップのポートのうちの一方に連結されたポートを有する。
【０００８】
別の態様では、装置は第１および第２の半導体もしくは誘電体のウェハ基板を有する。第１のウェハ基板はその上に位置する第１の多層構造を有する。第１の多層構造はその中にイオナイザまたは電子式イオン検出器を有する。第２のウェハ基板はその上に位置する第２の多層構造を有する。第２の多層構造はその中に、入り口および出口ポートを備えたイオン・トラップを有する。イオナイザもしくは電子式イオン検出器は、イオン・トラップのポートのうちの一方に連結されたポートを有する。
【０００９】
別の態様では、方法が、ウェハ基板の上にイオナイザもしくは電子式イオン検出器のアレイのための第１の多層構造を作製する工程、第１の多層構造の上に犠牲材料の層を堆積させる工程、犠牲材料の層を平坦化させる工程を含む。この方法はまた、平坦化された犠牲材料の層の上に第２の多層構造を作製する工程、その後、犠牲材料を除去する工程も含む。第２の多層構造はイオン・トラップのアレイを有する。
【００１０】
別の態様では、方法が、第１のウェハ基板の上にイオナイザもしくは電子式イオン検出器のアレイのための多層構造を作製する工程、および第２のウェハ基板の上にイオン・トラップのアレイのための多層構造を作製する工程を含む。この方法は、その後、イオン・トラップのポートがイオナイザもしくは電子式イオン検出器のポートに連結されるようにウェハ基板を一体に合わせる工程を含む。
いくつかの実施形態は高密度の質量分析器を提供する。そのような装置は化学ガスを分析することに有利になることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本特許出願は、本明細書で‘４３２出願と称される２００３年９月５日に提出されたＣ．Ｓ．ＰａｉとＳ．Ｐａｕによる係属出願の米国特許出願番号１０／６５６，４３２号の全文を参照で組み入れる。
【００１２】
ここでは、添付の図面および詳細な説明を参照して様々な実施形態がさらに充分に述べられる。しかしながら、本発明は様々な形式で具現化されることが可能であり、本明細書に述べられた実施形態に限定されない。
【００１３】
図面で、いくつかの特徴形状の寸法は他の特徴形状に関して拡大または縮小される可能性がある。
図面および文章の中で、類似した参照番号は同様の機能または特性を備えた特徴形状を示す。
【００１４】
図１は質量分析器のためのモノリシック構造１０を示している。モノリシック構造１０はウェハ基板１２、例えば標準的なシリコン・ウェハまたは石英ガラス・ウェハの上に配置される。モノリシック構造１０はウェハ基板１２の上に縦方向の積層１４を有する。積層１４は機能性の最上部、中間部、および底部の多層構造１６、１８、２０、および非機能性の絶縁層２２、２４を有する。最上部多層構造１６はイオナイザのアレイ（図示せず）を有する。イオナイザは適切に電圧バイアスされると低圧の気体状態の分子をイオン化することが可能である。中間部多層構造１８は四重極型マイクロ・イオン・トラップのアレイ（図示せず）を有する。これらのイオン・トラップはイオン化分子を保存すること、および無線周波数（ＲＦ）電圧源によって適切にドライブされると保存されたイオン化分子を電荷／質量比に従って順々に放出することが可能である。底部多層構造２０は電子式イオン検出器のアレイ（図示せず）を有する。これらのイオン検出器は内部のイオン化粒子の衝突を、例えばキャパシタ内の蓄積電荷を測定することによって計数することが可能である。絶縁層２２、２４は機能性多層構造１６、１８の対の間、および機能性多層構造１８、２０の対の間の電気的絶縁を提供する。様々な実施形態で、縦方向の積層１４の底部はウェハ基板１２の平坦な最上部表面２６よりも上、下、または同じ垂直方向レベルであることが可能である。
【００１５】
ここでは、モノリシック構造は単一のウェハ基板の上に作製される構造を意味する。
ここでは、アレイは対象物の一次元的（１Ｄ）または二次元的（２Ｄ）配列を意味し、それは対象物の間の１つまたは２つの方向に沿って対象物が同じ距離で分離されること、またはそうではないことが可能である。
【００１６】
図２は図１のモノリシック構造の一部分をさらに詳細に示している。この部分は最上部多層構造１６内のイオナイザ、それに付随する中間部多層構造１８内のイオン・トラップ、およびそれに付随する底部多層構造２０内の電子式イオン検出器を含む横方向領域である。付随するイオナイザ、イオン・トラップ、および電子式イオン検出器は１つの質量分析器として機能する。モノリシック構造１０の様々な実施形態は別々の質量分析器が個々および／または並列のユニットとしてイオンを保存すること、イオンを放出すること、およびイオンを計数することを可能にする電気的接続（図示せず）を与える。
【００１７】
最上部多層構造１６は縦方向の積層を有する。この縦方向積層は一対の導電層３０、３２、および導電層３０、３２の間に置かれた絶縁層３４を有する。導電層３０、３２は約０．１〜０．２μｍの厚さを有し、例えばチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、またはアルミニウム（Ａｌ）といった金属、窒化チタン（ＴｉＮ）、導電性ケイ素化合物、または高濃度ドープされた多結晶シリコン（ポリシリコン）の層である。絶縁層３４は約０．３〜１．０μｍの厚さを有し、例えば二酸化ケイ素または窒化ケイ素の層である。縦方向積層はまた、導電層３０、３２および絶縁層３４の両方を貫通する縦方向の円筒状の穴３６のアレイも有する。範例となる穴３６は直径約０．５〜２．０μｍの外側入り口ポート、および直径約０．３〜１．０μｍの内側出口ポートを有する。
【００１８】
最上部多層構造１６は絶縁層２２によって中間部多層構造１８から電気的に絶縁されている。絶縁層２２は約１〜１０μｍの厚さを有し、例えば二酸化ケイ素または窒化ケイ素である。絶縁層２２もやはり穴３６の縦方向の延長部によって貫かれる。絶縁層２２の中で穴３６は円筒状の通路を形成し、それによってイオン化粒子は最上部多層構造１６内のイオナイザと中間部多層構造１８内のイオン・トラップの間を通過することが可能となる。
【００１９】
最上部多層構造１６内で、電界イオナイザは導電層３０と３２を横切って印加される中程度の電圧に応答して穴３６の中に強い電界を作り出す。例えば約１００ボルトの電圧は穴３６の中で約１００メガボルト／ｍの電界強度を作り出すことが可能なはずである。そのような強い電界強度は分子が穴３６を通過するときに低密度の気体の分子をイオン化することが可能である。イオン化粒子は多層構造１８のイオン・トラップへと送られて保存される。
【００２０】
図１の最上部多層構造１６の他の実施形態（図示せず）はフィールドエミッタ・アレイのような異なるタイプのイオナイザを有する。その他のイオナイザが最上部多層構造１６に使用されることが可能である。米国特許第５，９８９，９３１号が本明細書に参照で組み入れられており、それはいくつかの他のイオナイザの設計を記述している。
【００２１】
中間部多層構造１８は四重極イオン・トラップのアレイのための第２の縦方向積層を有する。第２の縦方向積層は最上部、中間部、および底部の導電層４０、４２、４４、および導電層４０、４２、４４の間に挿入された相対的に薄い誘電体層４６、４８を有する。範例となる導電層４０、４２、４４は約０．２μｍから数μｍの厚さを有し、金属、高濃度ドープされた半導体、および／または導電性ケイ素化合物で形成される。範例となる誘電体層４６、４８は約０．１μｍ以下の厚さを有し、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、または誘電性ポリマーといった誘電体で形成される。
【００２２】
図２は１つのイオン・トラップのための縦方向積層の横方向領域を示している。各々のイオン・トラップが上端部キャップ電極、中央部電極、および底端部キャップ電極を有する。上端部および底端部のキャップ電極はイオン・トラップへのイオンの導入およびそこからのイオンの放出を可能にする入り口ポートおよび出口ポート５２、５３を有する。中央部電極は直円柱状のキャビティ５０を有し、その軸は導電層４０、４２、４４に対して直角である。入り口ポートおよび出口ポート５２、５３は円形であり、中央部電極の付随するキャビティ５０の垂直軸に沿って中心を有する。通常、入り口ポートおよび出口ポート５２、５３は付随するキャビティ５０よりも小さい直径を有し、それにより、キャビティ５０の内側の電界分布は、もしも入り口ポートおよび出口ポート５２、５３が無かった場合に存在するであろう分布から乱されることは実質的にない。しかしながらいくつかの実施形態では、製造上の理由でどちらのポート５２、５３も付随するキャビティ５０と同じ直径を備えさせることが望ましくなる可能性がある。
【００２３】
中間部多層構造１８では、直円柱状のキャビティ５０はイオンを捕捉して貯蔵するキャビティとして機能する。イオン貯蔵キャビティ内では、四重極の電界分布がしばしば好ましい。電界分布は、部分的にはキャビティの形状によって決定され、部分的にはキャビティをバイアスする仕組みによって決定される。キャビティの形状に関すると、キャビティ５０は約０．８３から約１．０の高さ対直径比を有し、前記比が約０．８９７であることが好ましい。別々になったイオン・トラップは同じ寸法を有するかまたは異なる寸法を有することが可能である。キャビティをバイアスする仕組みに関して、電圧バイアス工程は中央部電極にＲＦ電圧を印加し、その一方で２つの端部キャップ電極を接地することでキャビティ５０の１つにイオンを保存する工程、およびイオンを放出させるために電荷／質量比に従ってキャビティ５０についてＲＦ電圧の強さに傾斜をつける工程を含む。
【００２４】
中間部多層構造１８では、上端部キャップ電極、中央部電極、および底端部電極がやはり電気的コンタクト部（図示せず）に接続され、それが個々のイオン・トラップのＲＦ電圧およびグラウンド電極を適用する。前記電気的コンタクト部の構造は別々のイオン・トラップを個々にドライブすること、または別々のイオン・トラップを並列にドライブすることを可能にし得る。
【００２５】
中間部多層構造１８は絶縁層２４によって底部多層構造２０から電気的に絶縁される。範例となる絶縁層２４は、二酸化ケイ素または窒化ケイ素といった誘電体の厚さ約１〜１０μｍを有する。絶縁層２４は、イオン・トラップを底部多層構造２０内の電子式イオン検出器に接続するように位置合わせされる円筒状の穴５５によって垂直方向に貫かれる。いくつかの実施形態では、各々のイオン・トラップの出口ポート５３は底部多層構造２０内の別々の電子式イオン検出器に接続する。他の実施形態では、いくつかのイオン・トラップ、例えば最大で１００個のイオン・トラップの出口ポート５３が底部多層構造２０内の同じ電子式イオン検出器に接続する。
【００２６】
底部多層構造２０もやはり積層を有する。この積層は上側と下側の導電層５７、５８、および導電層５７、５８の間に置かれた誘電体層５９を有する。導電層５７、５８はＴｉ、Ｗ、もしくはＡｌといった金属、導電性ケイ素化合物、あるいは高濃度ドープされたポリシリコンで形成される。上側導電層５７は約０．１〜０．５μｍの厚さを有する。誘電体層５９は約０．０５〜０．２μｍの厚さを有し、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、または他のあらゆる適切なキャパシタ誘電体で形成されることが可能である。
【００２７】
底部多層構造２０では、積層がカップ形状のキャパシタのアレイを形成する。これらのキャパシタは上側および下側の導電層５７、５８によってそれぞれ形成された上側および下側のプレートを有する。キャパシタは１つまたは複数のイオン・トラップの出口ポート５３にアクセスすることが可能なカップ形状の中央キャビティ６０を有する。特に、イオン・トラップは出口ポート５３を介してイオンを放出することが可能であり、それにより、イオンが上側プレートに衝突することで付随するキャパシタ内の電荷に測定可能な変化を生じさせる。各々のキャパシタはファラデー・タイプのイオン検出器として機能する。
他のモノリシック質量分析器では、機能性多層構造１６、１８、２０は異なる順序を有する。
【００２８】
図３は、機能性多層構造１６、１８、２０の順序が図１のモノリシック構造１０の層順序に関して垂直方向に反転されている質量分析器のためのモノリシック構造１０’を示している。特に、イオナイザのアレイのための多層構造１６がウェハ基板１２に最も近く、電子式イオン検出器のアレイのための多層構造２０がモノリシック構造１０’のウェハ基板から最も遠い。モノリシック構造１０’はまた、裏側に深いビア２８を有し、それらがウェハ基板１２の全厚を貫通する。ビア２８は多層構造１６のイオナイザに入り口ポートを提供する。そのような深いビア２８を作製するための範例となる方法は、例えば‘４３２出願および１９９６年３月２６日にＦ．Ｌａｅｒｍｅｒらに発行された米国特許第５，５０１，８９３号（‘８９３）に述べられている。‘８９３特許はその全文を本明細書に参照で組み入れられている。
図４はマイクロエレクトロニクス技術を介して図１および２のモノリシック構造１０を作製するための方法７０を例示している。
【００２９】
方法７０は底部機能層、すなわち多層構造２０を基板の表面の上もしくは中に形成することで中間構造体を作り出す工程（工程７２）を含む。この中間構造体は電子式イオン検出器、すなわちファラデー型検出器またはマイクロチャネル・プレート型検出器のアレイを有する。個々のイオン検出器が無視し得ない表面トポグラフィを有し、その結果、中間構造体の上部表面に穴および／または隆起のアレイを作り出す。
【００３０】
方法７０は中間構造体の上に犠牲材料を堆積させる工程（工程７４）を含む。犠牲材料は中間構造体の上部表面の穴を満たし、かつ／または隆起を覆う。範例となる犠牲材料は非晶質シリコンまたは多結晶シリコンである。非晶質シリコンはプラズマ励起化学蒸着法によって２５０℃〜４００℃で、スパッタリング蒸着法によって２０℃〜２５０℃で、または蒸着法によって堆積させられることが可能である。温度感受性の他の材料のせいで一層低い作製温度が必要とされるとき、多結晶シリコン以上に非晶質シリコンが有利である。
【００３１】
ここでは、犠牲材料は平坦な表面を作り出すことを可能にするために一時的に中間構造に付けられる材料である。結果的に平坦な表面が得られる加工の後、犠牲材料は蒸気もしくは液体のエッチング剤、または溶剤で除去される。範例となる犠牲材料は非晶質シリコン、多結晶シリコンといった半導体、スピン・コーティングされるポリマー前駆体、および石英ガラスのような誘電体を含む。
【００３２】
方法７０は中間構造の平坦な上部表面を作り出すために犠牲材料を平坦化する工程（工程７６）を含む。平坦な上部表面はその上にさらなる多層構造を作製することに適している。犠牲非晶質シリコンに関すると、平坦化工程は化学機械研磨（ＣＭＰ）を実施する工程を含む。化学研磨剤が非晶質シリコンを選択的に除去して犠牲非晶質シリコンの下にある材料で停止するのでＣＭＰは平坦な上部表面を作り出す。
【００３３】
方法７０は前に作り出した平坦な上部表面の上に中間部機能層、すなわち多層構造１８を作製することで第２の中間構造を作り出す工程（工程７８）を含む。第２の中間構造はイオン検出器のアレイとイオン・トラップのアレイの両方を有する。第２の中間構造を形成する工程はイオン・トラップをそれに付随するイオン検出器の上に整列することを確実化するための従来式の工程を含む。第２の中間構造の作製はイオン・トラップ内のキャビティを犠牲材料で充填する工程、および結果的に得られる上部表面を平坦化する工程を含む。この犠牲材料はイオン・トラップの残りの部分を作製することに適した中間の平坦上部表面を提供する。こうして、イオン・トラップと電子式イオン検出器の両方が第２の中間構造内の犠牲材料で充填される。この加工は好ましくは平滑な垂直側壁を備えた捕捉用キャビティを作り出す。きめの細かい金属層の中間機能層を形成する工程および適切なドライエッチング化学反応を使用する工程は側壁の平滑度を向上させる。そうでない場合、捕捉用キャビティの壁に沿った粗さはイオン・トラップの捕捉用キャビティ内の電界分布を乱す可能性がある。
【００３４】
方法７０は第２の中間構造の上に最上部機能層、すなわち最上部多層構造１６を作製する工程（工程８０）を含む。最上部の層の作製は、イオンが中間部機能層のイオン・トラップの入り口ポートへと送られるようにイオナイザのアレイを整列させる工程を含む。
方法７０はイオン・トラップおよび電子式イオン検出器の内部から犠牲材料を除去する工程（工程８２）を含む。犠牲多結晶シリコンに関すると、この除去を実行するためにＸｅＦ２ガスのような気体の化学エッチング剤が使用されることが可能である。特に、そのような除去工程は除去処理の反復を実行する工程を含む。この除去処理は最上部機能層を約２．９Ｔｏｒｒの圧力でＸｅＦ２ガスに約１０秒間露出する工程、その後、結果的に生じたガスをポンプで排出する工程を含む。処理中に、ＸｅＦ２ガスは最上部の層のチャネルを通過し、中間部および底部の機能層内の犠牲非晶質シリコンと反応する。マイクロメートル・サイズの質量分析器については、犠牲非晶質シリコンを除去するためにおそらく約１００回以上の処理の繰り返しが必要とされる。
【００３５】
方法７０のいくつかの実施形態は、電子式イオン検出器からの出口ポートを形成するためにモノリシック構造１０の裏面のディープ・エッチングを実行する工程もやはり含む。ウェハ基板のそのようなディープ・エッチングを実行するための範例となる方法は、例えば本明細書に組み入れた‘４３２特許出願および‘８９３特許に述べられている。
他の質量分析器が多重ウェハ基板モジュールに作製される。
【００３６】
図５は表面で連結されたウェハ基板８３〜８５に作製された質量分析器に関する構造１０”を示している。各々のウェハ基板８３〜８５はその表面上に構築された機能性多層構造８６〜８８を有する。構造１０”では、最上部、中間部、および底部の多層構造８６〜８８はそれぞれイオナイザ、イオン・トラップ、およびファラデー型検出器のアレイを有する。構造１０”では、最上部、中間部、および底部の多層構造８６〜８８は図２の多層構造１６、図２の層２２と多層構造１８、図２の層２４と多層構造２０にそれぞれ類似した形式を有する。
【００３７】
最上部および中間部のウェハ基板はチャネルのアレイ９０、９２もやはり有し、それらがウェハ基板８６、８７の幅を貫いている。チャネル９０は、外部の粒子が多層構造８６内のイオナイザの中に移動するすることが可能となる導管を提供する。チャネル９２は、多層構造８７内のイオン・トラップの出口ポートと多層構造８８内のイオン検出器への入り口ポートの間のイオンの伝搬のための導管を提供する。ウェハ８３〜８４の位置合わせおよび連結は、多層構造８６内のイオナイザに関する出口ポートが多層構造８７内のイオン・トラップに関する入り口ポートと整列することを確実化する。ウェハ８４〜８５の位置合わせおよび連結は、多層構造８７内のイオン・トラップの出口ポートから延びるチャネル９２が多層構造８８内のイオン検出器に関する入り口ポートと整列することを確実化する。この連結処理は、エポキシ、ポリイミド、または融合処理を使用することでウェハ基板８３〜８５を連結することが可能である。位置合わせおよび連結の工程は、Ｓｕｓｓ  Ｍｉｃｒｏ  Ｔｅｃｈ  Ｉｎｃ．，２２８  ＳＵＳＳ  Ｄｒｉｖｅ，Ｗａｔｅｒｂｕｒｙ  Ｃｅｎｔｅｒ，ＶＴ０５６７７−０１５７，ＵＳＡで製造されているようなアライナを使用することによって、チップ・レベルまたはウェハ・レベルのいずれかで実行されることが可能である。
【００３８】
図６は化学的アナライザ９４、例えば蒸気アナライザを示している。科学的アナライザ９４は１つまたは複数のナノメートル・サイズのエレクトロスプレーの先端９５、質量分析器９６、真空容器９７、プログラム可能なコンピュータ９８、および真空吸気口９９を有する。１つまたは複数のエレクトロスプレーの先端９５は注入された液体サンプルを真空容器９７内で分子スプレーへと変換する。２００２年１０月３１日に公開されたＫ．Ｈ．Ａｈｎらによる米国特許公開番号２００２／０１５８１４０号および２００３年１１月２０日に公開されたＪ．Ｋａｍｅｏｋａらによる米国特許公開番号２００３／０２１３９１８号は範例となるエレクトロスプレーの先端を記述している。これら米国特許公開の両方がその全文を本明細書に参照で組み入れられる。質量分析器９６は図１、３、または５の電気的に制御可能な構造体１０、１０’、１０”のうちの１つである。コンピュータ９８は質量分析器９６のイオナイザおよびイオン・トラップを制御するようにプログラムされ、質量分析器９６のイオン検出器から粒子計数データを受け取り、そのデータを分析して粒子の電荷／質量比を判定する。
【００３９】
図７は図６の化学的アナライザ９４を操作するための方法１００を例示している。方法１００は、質量分析器９６の最上部多層構造１６のイオナイザ内の電界がそこに入るサンプル分子をイオン化させるように、サンプル分子を質量分析器９６用の多層構造内にスプレーする工程（工程１０２）を含む。スプレー中では、合計のガス圧はイオナイザの電圧バイアスされた金属層、例えば図２の多層構造１６の金属層３０、３２の間で電気アークが生じるのを回避するために充分な程度に低く保たれる。そのようなアーク発生を避けるために、合計の圧力は分子の平均自由行程が電圧バイアスされた金属層の間の距離よりも大きくなるように充分低くあるべきである。方法１００は、質量分析器９６の中間部多層構造１８のイオン・トラップ内にＲＦ電界を生じさせ、それにより、いくつかのイオン化分子が前記イオン・トラップ内に捕捉されるようになる工程（行程１０３）を含む。捕捉行程の間では、イオン捕捉用キャビティ５０の内部でイオンが安定な捕捉軌道へと緩和されるのを補助するために低圧のヘリウム（Ｈｅ）が使用される可能性がある。イオンの捕捉を補助するための低圧Ｈｅの使用例は、例えば‘４３２出願に述べられている。方法１００は、捕捉された粒子がその電荷／質量比に従ってイオン・トラップから順々に放出されるように１つまたは複数のイオン・トラップ内のＲＦ電界強度に傾斜をつける工程（工程１０４）を含む。多様なイオン・トラップが一緒に、すなわち一層大きなイオン流を作り出すために、あるいは別々に、すなわち電荷／質量スペクトルの多様な部分を調べるために傾斜をつけられる可能性がある。方法１００は、質量分析器９６の底部多層構造２０の電子式イオン検出器でのイオン到達速度を傾斜したＲＦ電界の強度の関数として測定する工程（工程１０５）を含む。イオン検出器は、例えば一層大きなイオン流を測定するために一緒に、あるいは別々の電荷／質量比領域でのイオン数の測定を可能にするために個別にアドレス指定される可能性がある。傾斜電界強度および放出イオン数の測定値から、イオン化されたサンプル分子に関する電荷／質量比のスペクトルが判定されることが可能である。信号対ノイズ比を向上させるために方法１００の工程が信号の加算平均の目的で繰り返されることもやはり可能である。データがランした後、質量分析器９６のイオン・トラップおよび電子式イオン検出器内に蓄積されたサンプル分子を取り除くために真空吸気口９９が真空チャンバ９７をポンプ排気する。
【実施例１】
【００４０】
図８Ａ〜８Ｃは図２のモノリシック構造１０を作製するための範例の方法１１０が例示している。
方法１１０は、ファラデー型検出器のアレイを有する多層構造２０の実施形態を形成するための第１の系列の工程を含む。この第１の系列はマスクで制御されるドライエッチング工程（工程１１２）を含み、それがウェハ基板１２、例えばシリコン・ウェハの上部表面にカップ形状のキャビティのアレイを作り出す。範例となるドライエッチングは標準的なフォトレジスト・マスクによって制御された反応性イオン・プラズマ・エッチング（ＲＩＥ）である。範例となるカップ形状のキャビティは円形であり、約５〜１００μｍもしくはそれ以上の深さ、および約０．５〜２．０μｍもしくはそれ以上の直径を有する。
【００４１】
第１の系列は、カップ形状キャビティの側部と底部の壁に沿って下側導電層５８を形成するためにアルミニウム（Ａｌ）を堆積させる工程（工程１１４）を含む。Ａｌの堆積は２０℃〜２５０℃での物理的蒸着法（ＰＶＤ）、スパッタリング蒸着法、または蒸着法であることが可能である。
【００４２】
第１の系列は下側導電層５８の上に絶縁保護層５９を作り出す堆積工程（工程１１６）を含む。絶縁層５９は約０．０５〜０．２μｍの厚さを備えたＳｉＯ２層であることが可能である。そのようなＳｉＯ２層を堆積させるための範例となる処理法は約２５０℃〜４００℃でのプラズマ励起化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）である。絶縁層５９の誘電体もやはり高い誘電係数を備えた材料であることが可能である。
【００４３】
第１の系列は絶縁層５９の上に上側導電層５７を作り出す第２の堆積工程（工程１１８）を含む。範例となる上側導電層５７は０．１〜０．５μｍの厚さのＡｌの層である。Ａｌ層のこの堆積工程は工程１１４に関して述べられたどのような処理法も含む。
【００４４】
第１の系列はまた、１つまたはいくつかの従来式のリソグラフィによる導電層と絶縁層５８、５９、および５７のマスク制御式ドライエッチング工程（工程１２０）も含む。このエッチングは基板１２上のファラデー型イオン検出器の横方向寸法を規定する。
【００４５】
方法１１０はイオン検出器の上に平坦な上部表面を作り出すための第２の系列の工程を含む。この平坦な上部表面はさらなる微細加工にとって適切である。
【００４６】
第２の系列は、前のドライエッチングによって清浄化されたカップ形状キャビティ６０、例えばファラデー型検出器のキャビティを充填する犠牲非晶質シリコンの堆積工程（工程１２２）を含む。非晶質シリコン（Ｓｉ）の堆積法は２５０℃〜４００℃でのＳｉのＰＥＣＶＤ、２０℃〜２５０℃でのＳｉのスパッタリング蒸着法、またはＳｉの蒸着法を含む。犠牲非晶質シリコンの堆積は凹凸のある、または穴の多い上部表面を備えた第１の中間構造を作り出す。この粗い上部表面は下にあるファラデー型検出器の無視し得ないトポグラフィから結果的に生じる。
【００４７】
第２の系列はこの中間構造の粗い上部表面の化学機械研磨（ＣＭＰ）工程（工程１２４）を含む。このＣＭＰは、犠牲非晶質シリコンを選択的に除去して金属層５７の下にある誘電体で停止する化学研磨剤を使用する。この研磨の選択性に起因して、ＣＭＰは中間構造の上に平坦な上部表面を作り出す。
方法１１０は、前もって調製したファラデー型検出器を備えた第１の中間構造の上に絶縁層１２４およびイオン・トラップのアレイを作製する第３の系列の工程を含む。
【００４８】
第３の系列は、第１の中間構造の平坦な上部表面の上、すなわちイオン検出器のアレイの上に絶縁層２４を作り出す堆積工程（工程１２６）を含む。範例となる絶縁層２４は１〜１０μｍの厚さのＳｉＯ２層である。ＳｉＯ２層を堆積させるための範例となる処理法は工程１１６に関して述べられたＰＥＣＶＤ法である。
【００４９】
第３の系列は絶縁層２４上の平坦な上部表面の上に下側導電層４４を堆積させる工程（工程１２８）を含む。範例となる下側導電層４４は厚さ０．３μｍのＡｌの層である。範例となるＡｌの導電層４４は工程１１４に関して述べられた処理のうちの１つによって堆積させられることが可能である。
【００５０】
第３の系列はまた、絶縁層４８を作り出す堆積工程（工程１２９）も含む。範例となる絶縁層４８は約０．１μｍの厚さを備えたＳｉＯ２の層である。ＳｉＯ２の層を堆積させるための範例となる処理法は工程１１６に関して述べられた。
【００５１】
第３の系列は絶縁層４８、導電層４４、および絶縁層２４の１つまたは複数のマスク制御式ドライエッチング工程（工程１３０）を含み、それにより、出口ポート５３を作り出すことでイオン・トラップの底端部キャップ電極を完成させる。この工程に関すると、範例となるエッチングはＲＩＥプラズマ・エッチングであって、これがＡｌを除去し、また、絶縁層４８、２４の誘電体も除去して下にある犠牲非晶質シリコンで停止する。約１μｍの直径を備えた捕捉用キャビティ５０に関すると、出口ポート５３の範例となる直径は約０．３３μｍ以下である。
【００５２】
第３の系列は、導電層４２および絶縁層４６を含む積層を作り出す一連の堆積工程（工程１３２）を含む。範例となる導電層４２は約１．０μｍの厚さを有するＡｌの層である。範例となる絶縁層４６は約０．１μｍの厚さを備えたＳｉＯ２の層である。ＡｌおよびＳｉＯ２の層４２、４６を堆積させるための範例となる処理法は工程１１４および１１６に関して述べられた。
【００５３】
第３の系列は、導電層４２内で捕捉用のキャビティ５０の形成を完結させ、導電層４４内の出口ポート５３を再び開ける一連のエッチング工程（工程１３４）を含む。この一連は絶縁層４６の露光された部分を除去するマスク制御式ドライエッチング、および導電層４２を部分的に除去して下にある絶縁層４８で停止するマスク制御式ドライエッチングを含む。この一連はまた、例えば、絶縁層４８の露光された部分を除去してＡｌおよび非晶質シリコンで停止し、それによって出口ポート５３を再び開けるマスク制御式ドライエッチングも含む。このエッチングは［０．８３、１．００］の範囲であって好ましくは約０．８９７の高さ対直径比を備えた円柱状捕捉用キャビティを作り出す。ここで、この高さは導電層と絶縁層４２、４６、４８を通る高さを有する。
【００５４】
第３の系列はイオン・トラップの捕捉用キャビティ５０を充填するための犠牲非晶質シリコンの第２の堆積工程（工程１３６）を含む。そのような堆積のための範例となる処理法は工程１２２に関して述べられた。この堆積は、下にある捕捉用キャビティ５０の無視し得ないトポグラフィのせいで非平坦の上部表面を作り出す。
【００５５】
第３の系列は平坦な上部表面を作り出すための犠牲材料のＣＭＰ工程（工程１３８）を含む。ＣＭＰは、例えば犠牲非晶質シリコンを選択的に除去して下にあるＳｉＯ２で停止する化学薬品を使用する。その理由のために、ＣＭＰはここでもやはりさらなる加工に適した平滑で平坦な上部表面を作り出す。
第３の系列はイオン・トラップの上端部キャップ電極を形成するための導電層４０の堆積工程（工程１４０）を含む。範例となる導電層４０は０．３μｍの厚さのＡｌの層であって、それは工程１１４に関して述べられたどのような処理法に従っても堆積させられる。
【００５６】
第３の系列はまた、イオン・トラップのための入り口ポート５２を作製することでイオン・トラップの上端部キャップ電極を完成させるために導電層４０のマスク制御式ドライエッチング工程（工程１４２）も含む。
【００５７】
方法１１０は、電界イオナイザのアレイを有する最上部多層構造１６を形成するための第４の系列の工程を含む。
【００５８】
第４の系列はイオン・トラップの上端部キャップ電極の上に絶縁層２２を堆積させる工程（工程１４４）を含む。範例となる絶縁層２２は１〜１０μｍの厚さのＳｉＯ２の層であり、それは既に述べられた処理法によって堆積させられることが可能である。
【００５９】
第４の系列は絶縁層２２の上に下側導電層３２を堆積させる工程（工程１４６）を含む。範例となる導電層３２は、工程１１４に関して述べられた処理法のいずれに従っても堆積させられる０．２μｍの厚さのＡｌの層である。
【００６０】
第４の系列は、下側導電層３２および絶縁層２２を貫通する円形状の穴を作製する１つまたは複数のマスク制御式ドライエッチング工程（工程１４７）を含む。範例となるドライエッチングは下側層３２、２２に直径約０．３〜１．０μｍの穴を作り出す。
【００６１】
第４の系列は導電層３２の上に絶縁層３４を堆積させる工程（工程１４８）を含む。範例となる絶縁層は、工程１１６に関して既に述べられた処理法によって堆積させられる厚さ０．３〜１．０μｍのＳｉＯ２の層である。
【００６２】
第４の系列は絶縁層３４の上に上側導電層３０を堆積させる工程（工程１５０）を含む。範例となる導電層３４は工程１１４に関して既に述べられたどのような処理法に従っても堆積させられる厚さ０．１μｍのＡｌの層である。
【００６３】
第４の系列は、上側導電層３０および絶縁層３４を貫通する円形状の穴３６を作製する１つまたは複数のマスク制御式ドライエッチング工程（工程１５２）を含む。これらのドライエッチングは多層構造１６の電界イオナイザの作製を完結させる。範例となるドライエッチングは上側の層３０、３４に約０．５〜２．０μｍの直径を備えた穴を作り出す。
【００６４】
方法１１０はまた、イオン・トラップと電子式イオン検出器の両方のキャビティ５０、６０から犠牲非晶質シリコンを除去する化学エッチング工程（工程１５４）を含む。この化学エッチングは、モノリシック構造１０に対する約２．９Ｔｏｒｒの圧力でのＸｅＦ２ガスの１０秒間の適用の繰り返し、およびそれに続く生成ガスのポンプ排気の工程を含む。
【実施例２】
【００６５】
図９は図５の多重ウェハ基板構造１０”を作製するための方法１６０を例示している。ウェハ基板８２に関すると、方法１６０はウェハ基板８２の前面上に機能性多層構造８６、すなわちイオナイザのアレイを形成する工程（工程１６２）を含む。多層構造８６を形成するための範例となる処理法は方法１１０の作製工程１４６、１４８、１５０、および１５２を含む。ウェハ基板８３に関すると、方法１６０はウェハ基板８３の前面上に機能性多層構造８７、すなわちイオン・トラップのアレイを形成する工程（工程１６４）を含む。多層構造８７を形成するための範例となる処理法は方法１１０の作製工程１２８、１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、および１４４を含む。ウェハ基板８４に関すると、方法１６０はウェハ基板８８の前面上に機能性多層構造８８、すなわちイオン検出器のアレイを形成する工程（工程１６６）を含む。多層構造８８を形成するための範例となる処理法は方法１１０の作製工程１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２、１２４、および１２６を含む。
【００６６】
ウェハ基板８２、８３に関すると、方法１６０は、チャネル９０、９２を作り出す裏面処理を実行する工程（工程１６８）もやはり含む。範例となる処理法はウェハ基板８２〜８３の前面上に非晶質シリコンの保護層を堆積させる工程を含み、その後、ウェハ基板８２〜８３を薄くするために裏面を機械的に研削する工程を含む。標準的なシリコン・ウェハに関すると、この研削はウェハ基板の厚さを約７５０μｍの厚さから約３００μｍの厚さへと減少させることが可能である。この処理法はまた、薄肉化されたウェハ基板８２〜８３の裏面からディープ・エッチングを実行することでチャネル９０、９２を作り出す工程も含む。このディープ・エッチングは、浅い、例えば２〜３μｍの深さのプラズマ・エッチングおよびポリマーの堆積を交互に行なう一連の工程を含む。プラズマ・エッチングに関して範例となる条件はＳＦ６とＡｒの反応性ガス混合物の１００ｓｃｃｍ未満のガス流量、１０−５〜１０−４ｂａｒの圧力、プラズマを発生させるための２．４５ＧＨｚで３００〜１２００ワットのマイクロ波エネルギーである。ポリマーの堆積は部分的にエッチングされたビア、例えばＣＨＦ３の層の上にフルオロカーボンの均一なコーティングを作り出す。このコーティングは後に続くプラズマ・エッチングの間の横方向エッチングを減少させる。ポリマー堆積に関する範例となる条件はＣＨＦ３とＡｒのガス混合物、およびプラズマ・エッチング工程のそれらと同様の流量、圧力、およびマイクロ波照射条件である。Ｓｉウェハでのそのようなディープ・エッチングのための処理法は組み入れた‘８９３特許および‘４３２出願に述べられている。
【００６７】
方法１６０はウェハ基板８３、８４上に構造を作製するために使用された非晶質シリコンの保護層および犠牲材料を除去するために化学エッチングを実行する工程（工程１６８）を含む。犠牲非晶質シリコンに関すると、これら化学エッチングのための範例となる条件は方法７０の工程８２に関して述べられた。
ウェハ基板８２〜８４の加工の後では、方法１６０は質量分析器用の構造１０”を形成するためにウェハ８２〜８４を位置合わせして一体に接着する工程（工程１７０）を含む。
本出願の明細書、図面、および特許請求項を考慮に入れると、当業者にとって本発明の他の実施形態は明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】単一のウェハ基板上の質量分析器のためのモノリシック構造を示す断面図である。
【図２】図１のモノリシック構造の特定の実施形態を示す断面図である。
【図３】単一のウェハ基板上の質量分析器のための代替のモノリシック構造を示す断面図である。
【図４】図１のモノリシック構造に関する作製方法を例示するフローチャートである。
【図５】質量分析器のための多重ウェハ基板モジュールを示す断面図である。
【図６】図１〜３または５に示された構造を有する質量分析器を組み入れるアナライザを示す図である。
【図７】図６のアナライザを動作させる方法を例示するフローチャートである。
【図８Ａ】図２のモノリシック構造を作製するための方法を例示するフローチャートである。
【図８Ｂ】図２のモノリシック構造を作製するための方法を例示するフローチャートである。
【図８Ｃ】図２のモノリシック構造を作製するための方法を例示するフローチャートである。
【図９】図６の多重ウェハ基板モジュールを作製するための方法を例示するフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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