(57)【要約】結合されたシリコンオン絶縁物（ＢＳＯＩ）ウエハから、マイクロエンジニアリングされた質量分析器を製造する方法が、四極子分析器を参照して記載される。四極子幾何形状は、モノリシックブロック４１０を形成するようにともに結合される２つのＢＳＯＩウエハ２００を使用して達成される。外側シリコン層に形成されたディープエッチングされた特徴及びばねは、円筒状金属電極ロッド３００を位置付けるために使用される。アセンブリの精度は、リソグラフィとディープエッチングとの組み合わせにより、かつ結合されたシリコン層の機械的構成度合により決定される。内側シリコン層に形成されディープエッチングされた特徴は、イオン入口及びイオン収集光学部品を画定するために使用される。また、流体チャネルなどの他の特徴を組み込むことができる。
2006501603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの多層ウエハから構成される集積型質量分析器デバイスであって、
前記多層ウエハの各々は、内側層と、外側層と、前記内側層と前記外側層との間に設けられた絶縁層とを有し、前記デバイスは、複数の電極と複数の電極ロッドを有し、前記複数の電極と前記複数の電極ロッドは、前記多層ウエハの別個の層上に設けられていることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記多層ウエハの各々は、５層構造を構成するために組み合わせられた少なくとも３層を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記電極ロッドは、前記多層ウエハの各々の前記外側層に搭載可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記多層ウエハの各々の前記外側層は、該外側層内に前記電極ロッドを受けるように寸法決定され、前記電極ロッドは、前記外側層内に設けられた少なくとも１つの弾性部材によって前記外側層との接触状態を維持されていることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記少なくとも１つの弾性部材は、前記多層ウエハに設けられたバネによって提供されていることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記電極ロッドは、前記多層ウエハの前記外側層内にエッチングされた特徴部によって配置され、該特徴部は、前記電極ロッドを適切に受けるように寸法決定され、前記弾性部材は、前記外側層をエッチングすることによって形成されていることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
【請求項７】
前記多層ウエハを構成する第１及び第２のウエハの各々は、第１の側の外側パターン及び第２の側の内側パターンでパターニングされていることを特徴とする請求項１乃至６にいずれかに記載のデバイス。
【請求項８】
前記第２の側に設けられた前記内側パターンは、前記質量分析器のイオンソース及びイオン収集構成部品を提供することを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記絶縁層は、前記パターンが重なり合う領域に設けられていることを特徴とする請求項７又は８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１及び第２のウエハ、又は前記第１及び第２のウエハからの個々のダイは、モノリシックブロックを構成するために結合されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第１及び第２のウエハの結合は、前記電極ロッドが前記モノリシックブロックの外側部分上に配置され、かつ前記電極が前記モノリシックブロックの内側部分内に配置されるように行われていることを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記電極ロッドは、前記質量分析器の質量フィルタ構成部品を構成することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１３】
４つの円筒状電極ロッドを含み、該円筒状電極ロッドの各々は、四極子動作のために正しく選択されたその直径及び中心間間隙を有することを特徴とする請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記各多層ウエハ内の前記円筒状電極の水平方向間隙は、リソグラフィ及びディープ反応性イオンエッチングによって形成されていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記円筒状電極の垂直方向間隙は、アセンブリの間にともに結合される２つの内側層の組み合わせられた厚みによって形成されていることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１６】
前記複数の電極の少なくともいくつかは、イオン入口光学部品を形成するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１７】
前記イオン入口光学部品は、アインツェルレンズによって構成されていることを特徴とする請求項１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記イオン入口光学部品の前に設けられた冷陰極電界放出電子ソースを備えていることを特徴とする請求項１６に記載のデバイス。
【請求項１９】
ａ）熱陰極ソースと、
ｂ）直流放電ソースと、
ｃ）交流放電ソースと、
ｄ）電子スプレーソースと
の１つから選択された電子ソースを備えていることを特徴とする請求項１６に記載のデバイス。
【請求項２０】
一対の無線周波数電極が、プラズマを生成するために前記イオン入口光学部品の前に配置されていることを特徴とする請求項１６に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記イオン入口光学部品は、ともに電子スプレーソースを構成する一組の電極と組み合わせられたエッチングされた流体チャネルから構成されていることを特徴とする請求項１６に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記多層ウエハの各々は、絶縁体ウエハ上のシリコンに結合されていることを特徴とする請求項１乃至２１のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２３】
２つ以上の別個のチャンバを有し、個別のチャンバの提供は、差動ポンピングされるシステム内での前記デバイスの使用を可能にすることを特徴とする請求項１乃至２２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２４】
メッシュ構成で設けられたイオンソースを備えたことを特徴とする請求項１乃至２３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２５】
前記複数の電極の少なくともいくつかは、メッシュ構成で配置されていることを特徴とする請求項１乃至２４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２６】
前記複数の電極の少なくともいくつかは、チューブ配置で構成されていることを特徴とする請求項１乃至２３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２７】
前記チューブ配置は、前記電極ロッドに対する入口又は出口の少なくとも１つに配置されたレンズを提供することを特徴とする請求項２６に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記複数の電極の少なくともいくつかは、イオン反射器として構成されていることを特徴とする請求項１乃至２７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２９】
前記イオン反射器は、線形イオントラップを提供するように構成されていることを特徴とする請求項２８に記載のデバイス。
【請求項３０】
電子のソースを提供するように構成されるフィラメント要素を備え、該フィラメント要素は、
ａ）外部に提供されたフィラメントと、
ｂ）内部に形成されたフィラメント又は
ｃ）取り外し可能なフィラメントと
のタイプの１つとして構成されていることを特徴とする請求項１乃至２９のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３１】
イオンソース及び／又はイオン検出器と協働する請求項１に記載のデバイスを備え、前記イオンソース及び／又は前記イオン検出器の少なくとも１つは、前記デバイスの外部に設けられていることを特徴とする質量分析器システム。
【請求項３２】
請求項１乃至３０のいずれかに記載の複数のデバイスを備えていることを特徴とする質量分析器アレイ。
【請求項３３】
請求項１乃至３０のいずれかに記載のデバイスを２つ以上備え、前記２つ以上のデバイスは、タンデム質量分析器を構成するように直列に設けられていることを特徴とする質量分析器システム。
【請求項３４】
前記直列のデバイスを構成する前記各デバイスは、四極子デバイスであり、一対の無線周波数電極は、プラズマを生成するために縦続接続された前記四極子デバイス間に配置されていることを特徴とする請求項３３に記載の質量分析器システム。
【請求項３５】
ａ）前記質量分析器のための構成部品を構成する、ウエハ上の内側及び外側パターンをエッチングするステップと、
ｂ）多層の積層デバイスを構成するように第２のウエハに前記ウエハを結合するステップと、
ｃ）前記デバイス内に少なくとも１つの電極ロッドを挿入するステップと、
ｄ）前記デバイス内に少なくとも１つの電極を提供するステップとを有し、
前記少なくとも１つの電極及び少なくとも１つの電極ロッドは、前記ウエハの個別の層上に提供されていることを特徴とする質量分析器の製造方法。
【請求項３６】
少なくとも１つの前記個別の層は、少なくとも２つのマスクを含むエッチングステップによって提供されていることを特徴とする請求項３５に記載の質量分析器の製造方法。
【請求項３７】
前記少なくとも１つの電極を提供するステップは、
ａ）チューブ配置と、
ｂ）メッシュ配置と、及び／又は
ｃ）ダイアフラム電極配置と
の少なくとも１つの構成に前記少なくとも１つの電極を提供することを含むことを特徴とする請求項３１又は３２に記載の質量分析器の製造方法。
【請求項３８】
前記メッシュ配置は、内部に電子が外部フィラメントから放出されることができるソースケージの周囲の少なくとも一部を形成するように提供されることを特徴とする請求項３７に記載の質量分析器の製造方法。
【請求項３９】
前記ダイアフラム電極配置は、３電極構成の形態で提供され、該３電極構成の内側及び外側電極は、同一の電位で動作するように構成されていることを特徴とする請求項３７に記載の質量分析器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量分析器デバイス及び質量分析器の製造方法に関し、より詳細には、モノリシックマイクロエンジニアリング（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｍｉｃｒｏ−ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ）された質量分析器デバイス及び質量分析器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析器は、従来技術において良く知られており、サンプル測定に特に適用される。可搬型の測定システムとしての特定の適用を有する小型化されたデバイスを提供することも良く知られている。そのような質量分析器の使用は、生物学的及び化学的材料、薬剤、爆発物、及び汚染物の検出から、宇宙探索のための機器、残留ガス分析器、及びプロセス制御のための機器としての使用まで様々である。このような質量分析器は、３つの主要なサブシステムからなり、すなわち、イオンソースとイオンフィルタとイオンカウンタである。これらは、全て異なる原理に基づくものであるので、構成される様々な範囲のシステムが存在する。
【０００３】
最も成功した変形の１つは、質量フィルタ（ｍａｓｓ  ｆｉｌｔｅｒ）として四極子静電レンズ（ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｌｅｎｓ）を使用する四極子質量分析器（ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ  ｍａｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）である。従来の四極子レンズ（例えば、非特許文献１参照）は、４個の円筒状電極からなり、この４個の円筒状電極は、正確に平行に搭載され、かつそれら電極の直径に対して明確な比のそれら電極の中心間間隔を有している。
【０００４】
イオンは、電極間に配置される瞳孔（ｐｕｐｉｌ）内に注入され、かつ時間で変動する双曲線静電界の影響の下で電極に平行に進む。この電界は、直流（ＤＣ）及び交流（ＡＣ）成分の両方を含む。ＡＣ成分の周波数は固定され、かつＡＣ電圧に対するＤＣ電圧の比も固定される。そのような電界におけるイオンの動力学の研究から、質量に対する特定の電荷比のイオンだけが、ロッドの１つに対して放電することなく四極子を通過することが示されている。したがって、そのデバイスは質量フィルタとして作用する。この質量フィルタをうまく出るイオンを検出することができる。ＤＣ及びＡＣ電圧がともに勾配を有するなら、検出される信号は、イオンフラックスに存在する異なる質量のスペクトルである。検出されることができる最大の質量は、印加されることができる最大電圧によって決定される。
【０００５】
四極子フィルタの分解能（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）は、２つの主要な要因、すなわち、各イオンによって受けられる交流電圧のサイクル数、及び所望の電界が作られる精度によって決定される。そのため、各イオンは、十分に大きなサイクル数を受け、イオンは、小さな軸方向速度で注入され、かつ無線周波数（ＲＦ）ＡＣ成分が使用される。この無線周波数は、フィルタの長さが低減されるときに明らかに増大されなければならない。所望の双曲線電界を作るために、構造の高い精度の方法が用いられる。しかしながら、構成のサイズが低減されるにつれ、所望の精度を得ることは、ますます困難になる。
【０００６】
質量分析器の感度及び全体性能は、入口瞳孔のサイズが減少されるにつれ、同様に明らかに低減されるイオンフラックスによっても影響される。
【０００７】
いくつかの小型化された四極子質量分析器が作られた。そのような機器の２つの例は、小型化された静電四極子レンズの方形アレイに基づく（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。この方形アレイを使用する利点は、平行操作が、小型化によって失われた感度を回復できることにある。Ｎ２個の四極子のアレイは（Ｎ＋１）２個の電極だけを必要とするので、方形アレイ幾何構成は特に有効である。
【０００８】
上述した特許文献１に開示されるデバイスは、”Ｔｈｅ  Ｆｅｒｒａｎ  Ｍｉｃｒｏｐｏｌｅ”というブランド名で市販されており、高圧残留ガス分析器として利用可能である。それは、小型のガラス金属シール（ｇｌａｓｓ−ｔｏ−ｍｅｔａｌ）に搭載された１ｍｍ径で２０ｍｍ長さの１６本の円筒状金属ロッドを使用して構成された、９個の四極子分析器の方形平行アレイからなる。イオンソースは、従来の熱陰極デバイスである。四極子は、ＲＦ発生器によって平行に駆動され、イオン検出器は、ともに接続された９個のファラデーコレクタのアレイからなる。
【０００９】
上述した特許文献２に記載されるアレイタイプの四極子質量分析器は、Ｊｅｔ  Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＪＰＬ）によって開発され、メタライゼーションされたセラミックジグに溶接された電極を有する。イオン化装置（ｉｏｎｉｓｅｒ）は、イリジウムタングステンフィラメントを有する小型Ｎｉｅｒタイプの設計である。検出器は、ファラデーカップ又はチャネルタイプの乗算器であることができる。
【００１０】
上述したデバイスより小さい四極子レンズアレイは、シンクロトロン放射にフォトレジストを露光し、次に電気めっきによってニッケルで結果として生じる型を充填することによって製造され、これは、ＪＰＬとＢｒｏｏｋｈａｖｅｎ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙとの共同である（例えば、特許文献３参照）。レンズアセンブリは、平坦な素子であり、完全な質量分析器において積み重ねられた構造に構成される。しかしながら、デバイスの動作がうまくいく証拠はない。
【００１１】
異なるマイクロエンジニアリングされた四極子レンズは、Ｉｍｐｅｒｉａｌ単科大学及びＬｉｖｅｒｐｏｏｌ大学によって共同で開発された（例えば、特許文献４参照）。
【００１２】
図１は、従来のマイクロエンジニアリングされた四極子静電レンズを示す図である。図１に示されるようなデバイス１００は、２つの円筒状スペーサ１２０によって離間されて保持された、２つの酸化シリコン基板１０５上に対で搭載された４個の円筒状電極１１５からなる。異方性ウエット化学エッチングによって形成されたＶ形状溝１１０は、円筒状電極１１５及び円筒状スペーサ１２０を配置するために使用される。円筒状電極１１５は、Ｖ形状溝１１０内に堆積された金属膜１２５にはんだ付けされた金属被覆されたガラスロッドである。
【００１３】
搭載方法は、精密リボンファイバコネクタにおけるシングルモード光ファイバを保持するために使用される搭載方法に類似する。各場合において、配置精度は、円筒状構成部品のための運動学的なマウント（ｋｉｎｅｍａｔｉｃ  ｍｏｕｎｔ）を形成するために、フォトリソグラフィに続く結晶面に沿ったエッチングの使用によって達成される。しかしながら、四極子レンズにおいて、構造の２つの半体（ｈａｌｖｅ）はまたセルフアライン（ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｉｎｇ）する。小型化の程度は、ただ中程度であり、動作は、直径０．５ｍｍで長さ３０ｍｍの電極を有するデバイスを使用して示された。ワイヤボンドコネクタ１３５が、デバイスの構成部品への電気接点を提供するために使用された。
【００１４】
質量フィルタリングは示されたが、製造方法はいくつかの欠点を有する。電極ロッドは、長い切断、研磨、及びメタライゼーションを必要とする。電極は、全ての場所に金属被覆されなければならないので、メタライゼーションは、複数の真空蒸着のサイクルを伴う。電極ロッドを取り付けるために使用される接合プロセスは、時間がかかる手動の動作であり、軸方向のアライメント（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を必要とする。追加の取り付け具が、アセンブリをともに保持するために必要であり、互いにわたって滑動することができる２つの基板の軸方向アライメントは無い。
【００１５】
製造方法は、また、結果としていくつかの重要な性能を制限する。酸化物層は電気的に漏れ易く、駆動電圧（及びしたがって質量範囲）が制限される。結果として、電流デバイス性能は、大きな質量の測定を必要とする適用（例えば、薬物又は爆発物検出）には不十分である。
【００１６】
また、ＲＦ周波数が増大すると発生する、抵抗性基板に対する有意な容量結合が存在する。したがってデバイスは、弱いＲＦ負荷を形成し、質量選択性が制限される。基板における抵抗加熱は、又はんだを溶融する傾向があり、ロッドをＶ形溝から分離させる傾向がある。
【００１７】
さらに、構造は、質量フィルタだけを形成し、イオンソース及び検出器は、完全な質量分析器を形成するためにまた追加されなければならない。これらの要素は、イオンの生成及び検出、ならびにまたイオンを加速し、かつ集束するための構成部品を必要とする。
【００１８】
【特許文献１】米国特許第５４０１９６２号明細書
【特許文献２】米国特許第５７１９３９３号明細書
【特許文献３】米国特許第６１８８０６７号明細書
【特許文献４】米国特許第６０２５５９１号明細書
【特許文献５】国際公開第９７／４７０２５号パンフレット
【非特許文献１】Batey J.H.,"Quadrupole gas analysers", Vacuum 37,659〜668,1987
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
したがって、容易に製造されることができる改善された質量分析器デバイス（ｍａｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ  ｄｅｖｉｃｅ）を提供する必要がある。さらに、現在の低い機器感度を増大するために使用されることができるアレイタイプのデバイスを提供する必要がある。
【００２０】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、モノリシックマイクロエンジニアリングされた、改善された質量分析器デバイス及び質量分析器の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
したがって、本発明は、集積型質量分析器デバイスを提供する。ウエハスケールのバッチ製造プロセスにおいて、複数の同様のダイが、２つの多層ウエハ上に形成され、各多層ウエハは、内側層及び外側層を有し、かつ内側層と外側層との間に設けられた絶縁層を有する。代わりに、小さなスケールの製造プロセスにおいて、単一のデバイスは、単一の多層ウエハから取られた２つのダイから形成される。２つのアプローチは類似しており、以下の記載において、「ダイ（ｄｉｅ）」は、一般的な意味と交替せずに「ウエハ」の代わりに使用されることができる。デバイスは、複数の電極ロッド及び複数の電極を設けられ、電極及び電極ロッドは、ウエハの別個の層に形成される。
【００２２】
質量分析器は、望ましくは四極子質量分析器であり、本発明は、さらに、上述した従来技術に関連する多くの困難性を解消する、そのようなマイクロエンジニアリングされた四極子質量分析器の製造方法を提供する。そのような四極子デバイスは、少なくとも一般に円筒状の４本の電極ロッドを必要とし、各電極ロッドは、四極子動作のために正確に選択されたその直径及び中心間間隙を有する。
【００２３】
各ウエハ内の円筒状電極の水平方向間隙は、望ましくはリソグラフィ及びディープ反応性イオンエッチングによって形成される。
【００２４】
円筒状電極の垂直方向間隙は、一般に製造プロセスの間にともに結合される２つの内側層の組み合わせられた厚みによって形成される。
【００２５】
追加の被覆を無視して、各多層ウエハは、望ましくは５層構造を形成するために組み合わされる３つの層を有する。
【００２６】
電極ロッドは、好ましくは、各多層ウエハの外側層に搭載可能である。望ましくは、電極ロッドは、円筒状電極ロッドでありかつ金属から作られ、したがって、電極の準備を簡単にする。
【００２７】
各多層ウエハの外側層は、外側層内に電極ロッドを受けるように適切に寸法決定され、電極ロッドは、外側層内に形成された少なくとも１つの弾性部材を提供することによって、外側層との接触状態を維持される。そのような維持は、望ましくは、多層ウエハ内のエッチングされたスロット内に電極ロッドを搭載することによって提供され、かつそれら電極ロッドを、シリコンバネ（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｓｐｒｉｎｇ）を使用してスロット内に維持し、したがって、アセンブリを簡単にし、接合材料の必要性を除き、かつ分離の可能性を低減する。スロット及びバネは、一般に、ディープ反応性イオンエッチングを使用して、結合されたシリコンオン絶縁体基板にエッチングされる。アセンブリの精度は、リソグラフィ及びディープエッチングによって、及び結合されたシリコン層の機械的構成度合（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）によって決定される。
【００２８】
各第１及び第２のウエハは、一般に、第１の側の外側パターン及び第２の側の内側パターンでパターニングされる。それによって、各ウエハの両側の使用が可能である。
【００２９】
第２の側に設けられた内側パターンは、一般に、イオンを加速し、集束し、又は反射するための構成部品とともに使用されることができる、質量分析器のイオンソース及びイオン収集構成部品（ｉｏｎ  ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を提供する。
【００３０】
絶縁層は、望ましくはパターンが重なり合う領域に設けられる。
【００３１】
第１及び第２のウエハは、一般に、モノリシックブロックを形成するために結合される。結合は、望ましくは、電極ロッドがブロックの外側部分上に配置され、かつ電極がブロックの内側部分内に配置されるように行われる。
【００３２】
複数の電極の少なくともいくつかは、望ましくは、イオン入口光学部品を形成するように構成される。これらのイオン入口光学部品は、一般に、アインツェルレンズ（ｅｉｎｚｅｌ  ｌｅｎｓ）によって形成される。
【００３３】
複数の電極の少なくともいくつかは、望ましくは、イオン出口光学部品を形成するように構成される。これらのイオン出口光学部品は、イオンの望ましい部分を反射するモードで動作されることもでき、したがって、線形四極子質量フィルタとして動作することに加えて、例えば、特許文献５に記載されるような線形四極子質量トラップとしての動作も可能にする。複数の電極の１つは、さらに、イオンコレクタを形成するように構成されることができる。
【００３４】
熱陰極電子ソースは、電子衝撃によるイオン生成の目的のために、イオン入口光学部品の前に設けられることができる。他の実施形態において、冷陰極電界放出電子ソースは、同様の目的のためにイオン入口光学部品の前に設けられることができる。使用される電子ソースの選択は、一般に、必要なイオンフラグメンテーションのタイプに基づいて決定されること、及びいくつかのタイプのソースは、他のタイプより適切な１つのタイプのフラグメンテーションであるとして選択される。
【００３５】
他の実施形態において、一対の無線周波数電極は、イオンが抽出されることができるプラズマを生成するためにイオン入口光学部品の前に配置される。
【００３６】
さらなる実施形態において、一対の電極は、イオン入口光学部品の前に配置され、かつイオンが抽出されることができるグロー又はコロナ放電を生成するために直流電圧で使用される。
【００３７】
さらなる実施形態において、イオン入口光学部品は、ともにイオンの電子スプレーソースを規定する一組の電極と組み合わせられたエッチングされた流体チャネル（ｆｌｕｉｄ  ｃｈａｎｎｅｌ）から形成される。
【００３８】
２つ以上のデバイスは、並列又は直列のいずれかに形成される複数のデバイスとして形成されることができる、アレイを形成するために組み合わされることができる。並列に配置されるとき、アレイは、より大きな全体のイオンスループット及びより大きな測定精度を有する複数四極子フィルタを形成する。直列に配置されるとき、アレイは、より複雑な測定可能性を有するタンデム（ｔａｎｄｅｍ）質量分析器を形成する。この構成は、プラズマを形成するように直列の各対のデバイス間に設けられる一対の電極を含むことができる。
【００３９】
本発明は、さらに、質量分析器の製造方法を提供し、この製造方法は、質量分析器のための構成部品を構成する、ウエハ上の内側パターン及び外側パターンをエッチングするステップと、多層の積層デバイスを形成するように第２のウエハに前記ウエハを結合するステップと、デバイス内に少なくとも１つの電極ロッドを挿入するステップとを含む。少なくとも１つの電極及び少なくとも１つの電極ロッドは、必要に応じて、ウエハの個別の層上に提供される。
【００４０】
四極子幾何配置は、結合ツールを使用して単一ブロックにアライメントされかつ結合される２つの基板を使用して達成される。モノリシックブロックの形成は、デバイスの剛性及び信頼性を増大する。構造をアライメントし又はそれをもとに保持するために、追加の構成部品は必要ではない。２つの基板の外側に電極を搭載することは、電極のアクセス及び位置付けをより容易にすることを確実にする。電気絶縁は、望ましくは、高品質の二酸化シリコンの薄層によって提供され、したがって、リークを最小化し、かつ印加されることができる電圧を最大化する。ロッドの周りのシリコンの大部分が、典型的には取り除かれ、したがって、結合容量を最小化しかつ使用可能な周波数を最大化する。
【００４１】
イオン結合光学部品及び流体チャネルなどの他の特徴が、構造内に組み込まれることができる。電極がブロックの外側に配置されるので、アレイデバイスを構築することは簡単である。タンデム質量分析器などの縦続接続されたデバイスは、同様の方法で構築されることができる。
【００４２】
本発明のこれら及び他の特徴は、以下の図面及び記載を参照してより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】
【００４３】
以下、図面を参照して本発明の実施の態様について説明する。  
図２乃至図６は、本発明の好ましい実施形態による、結合されたシリコンオン絶縁体（ＢＳＯＩ）材料に形成されるディープエッチングされた特徴に基づく新規な構築方法の例を示す図である。ＢＳＯＩは、酸化されたシリコンウエハからなる、このシリコンウエハに、第２のシリコンウエハが結合される。この第２のシリコンウエハは、シリコン−酸化物−シリコンの多層を残すために、所望の厚みまで研磨して戻されることができる。ＢＳＯＩウエハは、一般に、高電圧マイクロ電子工学で適用される。しかしながら、ウエハにおける異なる層は、三次元構造を作るために半導体マイクロ製造技術を使用して処理されることもできる。さらなる実施形態又は修正形態は、図７乃至図１１を参照して示される。
【００４４】
本発明によれば、２つのＢＳＯＩウエハが必要であり、各ウエハは、両面研磨される。代わりに、同一のウエハからの２つのダイが、小さなスケールのプロセスで使用されることができる。
【００４５】
図２は、本発明によるモノリシックのマイクロエンジニアリングされた質量分析器における、ａ）外側及びｂ）内側のエッチングされた層パターンを示す平面図である。つまり、どのように各ウエハが、第１の側２００上の外側層パターン（図２ａ；元々の基板ウエハ側）及び第２の側２０５上の内側層パターン（図２ｂ；結合されたウエハ側）で、パターニングされることができるかを示す図である。この特徴は、望ましくは、非常に高精度でほぼ垂直方向のトレンチを形成するために使用されるプロセスである、ディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって作られている点である。
【００４６】
層パターンは、ディープ反応性イオンエッチングで一般に用いられる反応種に耐えるより浅い表面マスク層からシリコンに移される。適切なマスク材料は、ハードベークされたフォトレジスト及び二酸化シリコンの厚い層である。したがって、処理の第１のステップは、マスク層の堆積及びパターニングを含んでおり。フォトレジストは、スピン被覆されかつフォトリソグラフィによってパターニングされることができる。二酸化シリコンは、熱酸化によって形成される、又は化学気相堆積によって被覆されることができる。それは、マスクとしてフォトレジストのより薄い層を使用する、反応性イオンエッチングによってパターニングされることができる。
【００４７】
使用されることができる層パターンにはかなりの柔軟性がある。図２乃至図６を参照する以下の記載は、本発明によって提供される構築アプローチの利点、及び前述された従来技術との差異を示す例示的な実施形態に対応し、記載される特定の層パターンに対する修正実施形態が、本発明の範囲から逸脱することなく行われることができることは、当業者には理解されよう。さらなる実施態様は、図７乃至図１１に示される。
【００４８】
図２（ａ）は、外側層パターンの平面図である。この外側層パターン２００は、電極の維持を提供するように構成され、この示された実施形態において、２つの円筒状電極ロッド（図示せず）、及び所定の場所に円筒状電極ロッドを維持するためのバネ２２０，２２５として示される２つの可撓性部材のための一組の位置特徴部分２１０，２１５を有している。円筒状電極ロッドの直径は、ウエハの厚みに匹敵している。
【００４９】
図２（ｂ）は、内側層パターンの平面図である。この内側層パターン２０５の左側端には、荷電粒子を電子又はイオン光学システムに集束するために使用される共通静電光学構成部品である、アインツェルレンズ（ｅｉｎｚｅｌ  ｌｅｎｓ）として作用することができる一組の３つの電極２３０，２３５，２４０が配置されている。また、この内側層パターン２０５の右側端には、システムの出口でファラデーケージ及びイオンコレクタとして作用することができる、同様の（しかし同一ではない）一組の２つの電極２４５、２５０が配置されている。実際、第１及び第２の電極の組は、イオンソース及びイオンカウンタ、すなわち、質量分析器デバイスの入口及び出口光学瞳孔構成部品を形成している。
【００５０】
これらの層パターンは、結合された層の全厚みにわたってエッチングされることができる。代わりに、２つのマスク層を含むより複雑な処理が、いくつかの領域における層パターンの深さを制限するために使用されることができる。例えば、シリコンのわずかな厚みは、図２（ｂ）において細かな陰影（ｆｉｎｅ  ｓｈａｄｉｎｇ）２５５によって示されるように、アインツェルレンズ及びファラデーケージにおける上側及び下側電極にリンクしたままであることができる。このプロセスは、遅延されたシャドウマスキングなどの多数の異なる技術を使用して達成されることができることは理解されよう。所定の他の技術が、層の下に連続される電極パターンのいくつかの部品を提供する。
【００５１】
図３（ａ）は、外側層パターンと内側層パターンの関係を示す図である。いくつかの領域において、さらなる特徴が、全体構造が剛性になるように、２つの層間の機械的連続性を確実にするために外側層パターン２００に追加される。他の領域において、全ての電極が構造の外側からアクセスされることができるように、外側層パターン２００が切断される。２つの層パターン２００，２０５は、両側マスクアライナーを使用して高精度でともに位置合わせされることができる。
【００５２】
図３（ｂ）は、外側層パターン内の円筒状電極ロッドの最終位置を示す図である。位置付けバネ２２０，２２５は、２つの円筒状電極ロッド３００が、内側層上のパターンによって形成された入口及び出口光学部品瞳孔によって形成される光学軸の両側に対称に変位されるように、２本の円筒状電極ロッド３００を保持する。バネ２００，２２５は、また、円筒状電極ロッド３００に対する電気接点を構成している。
【００５３】
図４（ａ）は、図３に示されたデバイスのウエハ結合の場合の断面図で、酸化物中間層又は絶縁層４００は、各ウエハの内側及び外側層間に設けられる。ディープ反応性イオンエッチングの後で、酸化物中間層は、内側及び外側層内のパターンが重なる領域内だけで酸化物が残るように、ウエット化学エッチングによって部分的に取り除かれる。所定の適用は、熱酸化によって、又は化学気相堆積などの被覆プロセスによって、構造上に設けられる追加の酸化物絶縁の追加を必要とすることがある。さらなる処理は、次に、入口及び出口光学システムにおける各シリコン電極、及び円筒状電極を維持するシリコンバネに金属接点を提供するために使用される。接点は、全て構造の外側層からアクセスされることができるので、この金属は、単一側真空蒸着によって追加されることができる。代わりに、スパッタリング堆積などの等角被覆プロセス（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ  ｃｏａｔｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）が、全てのシリコン部品に金属被覆を提供するために使用することができる。
【００５４】
各２つのウエハがパターニングされると、それらウエハは、ともにアライメントされかつ結合されることができる。金属などのさらなる被覆を無視して、このプロセスは、図４（ａ）の断面図に示されるように、シリコン−酸化物−シリコン−酸化物−シリコンの多層積層物４１０を残す。各ウエハは、３つの層、すなわち、外側層２００と、内側層２０５と、外側層２００と内側層２０５との間に設けられた絶縁層４００とを備えている。結合プロセスにおいて、各内側層２０５は、完全な多層積層物４１０においてただ５つの別個の層が存在するように、結合インタフェース４２０を形成するように一体に結合される。ちょうど記載された５つの別個層の構成は、多層積層物４１０を形成する各個別層又は１つの個別層に存在することがある追加の被覆を含まない。アライメント及び結合は、顕微鏡と圧縮及び加熱のための機構部を備える結合ツールなどの様々な技術を使用して実行されることができる。はんだ材料などのさらなる結合剤も使用されることができる。結果として生じる複合ウエハは、個別ダイに分離するためにダイシングされる。この段階で、各デバイスは、単一の剛性のモノリシックブロックである。各デバイスは、次に、サブマウントに取り付けられ、ワイヤボンド接続が、接点メタライゼーションになされる。
【００５５】
図４（ｂ）は、図３に示したデバイスの電極ロッド挿入の場合を示す断面図で、望ましくは円筒状である金属電極３００は、外側からブロック４１０に挿入される。四極子分析器の例において、４つの電極３００は、四極子動作のために選択されるそれらの直径及び中心間間隙を有する。各電極の水平方向位置は、外側層パターン２００内にエッチングされた位置特徴部分２１０，２１５及びバネ２２０，２２５によって構成される。電極の垂直方向間隙は、市販の利用可能なＢＳＯＩ材料において正確に特定されることができる、２つの内側の結合されたシリコン層の厚みによって形成される。
【００５６】
図５は、本発明によるモノリシックのマイクロエンジニアリングされた質量分析器の製造方法を説明するためのフローチャートを示す図である。
【００５７】
本発明に係る質量分析器の製造方法は、（１）ウエハの第１及び第２の側上にマスク層を堆積するステップ（Ｓ１）と、（２）第１及び第２の側上のマスク層をパターニングするステップ（Ｓ２）と、（３）ウエハの第１及び第２の側をディープ反応性イオンエッチングするステップ（Ｓ３）と、（４）マスク層の残留部分を取り除くステップ（Ｓ４）と、（５）酸化物中間層をウエットエッチングするステップ（Ｓ５）と、（６）ウエハの第１の側又は両側をメタライゼーションするステップ（Ｓ６）と、（７）２つのウエハを２ウエハ積層物に結合するステップ（Ｓ７）と、（８）結果として生じた複合ウエハをダイシングするステップ（Ｓ８）と、（９）個別のダイを搭載してワイヤボンディングするステップ（Ｓ９）と、（１０）円筒状電極ロッドを挿入するステップ（Ｓ１０）とを有している。プロセスステップ又はそれらの使用順序における変化は、また同様の結果を達成することができ、本発明を任意の１つのステップの順次の組に制限するものではない。
【００５８】
図６は、本発明によるモノリシックのマイクロエンジニアリングされた質量分析器への電気接続の概略図である。直流電圧Ｖ１、Ｖ２、及びＶ３は、アインツェルレンズ電極に印加され、Ｖ４は、ファラデーケージに印加される。直流及び交流成分の両方を含む電圧ＶＲＦ１及びＶＲＦ２は、円筒状電極に印加される。直流及び交流成分は、質量フィルタリングを提供するために、四極子質量分析器で一般に使用される比を有する。イオン電流Ｉは、電極からファラデーケージの右側に収集され、トランスインピーダンス増幅器（図示せず）へ通過される。
【００５９】
代わりの構成において、集積されたイオンコレクタは省略されることができ、チャネルタイプのマルチプライヤなどの外部検出器を使用されることができる。
【００６０】
上述した電極は、イオンフラックスを四極子アセンブリに結合し、質量フィルタリング動作を実行し、かつイオンの結果として生じるフィルタリングされたストリームを検出するために適している。さらなる構成部品は、イオンフラックスを作るために必要である。
【００６１】
図７（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の好ましい実施形態によるモノリシックのマイクロエンジニアリングされた質量分析器への入力での、（ａ）冷陰極電界放出電子ソースと、（ｂ）無線周波数プラズマソースと、（ｃ）電子スプレーソースの位置の概略図で、図７（ａ）及び図７（ｂ）は、気体状の分析物に関して性能を最適化するような、前述の構成に対する変形実施形態を示す図で、図７（ｃ）は、液体状の分析物に適している修正実施形態を示す図である。
【００６２】
気体状の分析物に関して、イオン化は、電子衝撃によって実行されることができる。適切な電子ストリームは、Ｓｐｉｎｄｔエミッタ７００の平面アレイとして製造された、冷陰極電界放出電子ソースによって提供されることができる。ソースは、図７（ａ）に示されるようなイオン入力結合光学部品の直前の、エッチングされたシリコンテラス上に配置される（例えば、ハイブリッド集積によって）ことができる。電子及びイオンストリームが効果的に分離されるように、ソースは、質量分析器の主軸に垂直な方向に電子を放出するように構成される。
【００６３】
代わりに、電子ソースは、デバイスの外側に配置されることができ、電子は、メッシュ形状又は他の形状あるいは寸法決定された開口を介して注入されることができる。メッシュ形状の利点は、この構成が、等電位のソースケージ内にイオンが作られることを可能にすることである。
【００６４】
代わりに、イオン化は、ガスプラズマ内で実行されることができ、ガスプラズマ自体は、図７（ｂ）に示されるように、無線周波数電界７０５によって生成することができる。この無線周波数電界７０５は、イオン入力結合光学部品の直前に配置された、エッチングされたシリコンテラス上に配置された一対の電極間に確立されることができる。再び、電子及びイオンストリームが効果的に分離されるように、無線周波数電界７０５は、質量分析器の主軸に垂直な方向に電子を加速するように構成される。
【００６５】
代わりに、イオン化は、直流電位を有する同様の一対の電極によって作られることができる直流放電で実行されることができる。
【００６６】
比較的高い圧力は、プラズマ又は直流放電を維持するために必要である。この圧力は、平均自由行程があまりにも短いので、質量フィルタの動作には通常適合しない。本発明で記載されるような２つのウエハを結合することによって密封された、又は部分的に密封されたチャンバを作成する能力は、ソースチャンバが高圧で動作する、又は質量フィルタが低圧で動作する、差動ポンピングされるシステムの構築を可能にする。
【００６７】
液体検出物（例えば、液体クロマトグラフィカラムによって提供されるような）に関しては、イオン化は、電子スプレーソース内で実行されることができる。適切なソースは、図７（ｃ）に示されるようなイオン入力結合光学部品の直前に配置された、エッチングされた毛細管チャネル（ｅｔｃｈｅｄ  ｃａｐｉｌｌａｒｙ  ｃｈａｎｎｅｌ）７１０を使用して構築されることができる。液体は、そのような毛細管チャネル７１０から、十分に大きな直流電位に保持されたすぐ近くの電極によって帯電された滴のストリームとして抽出されることができる。
【００６８】
上述した事項の全ては、図５に記載されるプロセスを使用して実施されることができ、又は、エッチングされた構造のレイアウトに簡単な変更を含むか、又は金属及び酸化物堆積、パターニング、及びエッチングの追加のステップを必要とする記載されたプロセスに対する修正によって実施されることができる。
【００６９】
上述された製造アプローチ（すなわち、半導体ウエハ上に多数の同様の構造を作るためのパターニング、堆積、及びエッチングの使用）は、個別のデバイスの製造を参照して記載されたが、それは、アレイタイプの質量分析器として作用することができる、近接するデバイスの並列アレイを生成することに明らかに拡張されることができる。機器感度における増大を得るために、四極子レンズは並列に駆動され、かつイオン電流が合計されることができる。代わりに、多数の異なるイオン種の別個の測定を得るために、四極子レンズは別個に駆動されることができ、かつイオン電流は別個に測定されることができる。
【００７０】
上述した製造アプローチは、改善された機能性を提供することができる、近接するデバイスの直列アレイを生成するように拡張されることもできる。
【００７１】
図８は、タンデム質量分析器で必要な縦続接続された四極子レンズ間の衝突チャンバの位置の概略図である。タンデム質量分析器として作用するように直列に接続される２つの四極子レンズ８００，８０５を示す。第１の四極子レンズ８００は、特定範囲の質量を有するこれらのイオンだけを通過させ、したがって、プレフィルタとして作用するように設定されることができる。選択されたイオンは、衝突チャンバ（ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ  ｃｈａｍｂｅｒ）８１０においてフラグメントにされ、さらなる解析のための第２の四極子レンズ８０５に通過されることができる。
【００７２】
衝突チャンバ８１０は、望ましくは、プラズマは、一対の無線周波数電極８１５を使用して不活性ガス（例えばアルゴン）の励起によって生成されることができる小さな容積である。上述した方法を使用する衝突チャンバ８１０の作製は、金属及び酸化物堆積、パターニング、及びエッチングの追加のステップを単に含むものである。差動ポンピングは、この衝突チャンバ８１０が四極子フィルタより高い圧力で動作することを可能にするために、再び用いられることができる。これらの追加のステップは、当業者には明らかであろう。
【００７３】
複合電極及び／又は静電要素の形成又は準備は、多数の表面マスク層によって提供されるものなど特定の複数レベルの処理を必要とすることがある。そのような技術において、２つ以上のマスクは、所望の物理的構成を提供するように、ベースシリコン材料の複合パターニングを提供するために互いに組み合わせられて使用される。
【００７４】
図９Ａは、一次元メッシュによって覆われる開口に基づく静電要素を形成するための２つのエッチングされた部品のアセンブリを示す図で、どのようにそのような複数レベルの特徴が、イオン又は電子などの荷電粒子を制御するのに適した電極を構築するために使用されることができるかを示す図である。２つのウエハ９００，９０５（又は代わりに２つのダイ）が示され、完全な電極９１０は、２つのウエハをともに結合することによって作製される。部分的にエッチングされた特徴は、完全にエッチングされた特徴によって確定された平面ダイアフラム電極９２０に形成された開口９１５を作るように組み合わせる。
【００７５】
図９Ｂは、一次元メッシュによって覆われる開口に基づく静電要素を形成するための２つのエッチングされた部品のアセンブリを示す図で、一次元メッシュ９３０によって覆われる開口からなる電極９２５を形成するためにどのように拡張されることができるかを示す図である。この場合、第１のマスク層は、開口の近傍に一組の近く間隔を開いたストリップを残すようにパターニングされなければならない。
【００７６】
このように形成された電極構造は、様々なレンズ要素及び静電デバイスを作製するために使用されることができる。  
図１０Ａ乃至図１０Ｃは、開口、チューブ、及びメッシュの異なる組み合わせを使用して３要素静電レンズを構築するための、１つの基板上に必要なパターンの平面図である。３つの開口が設けられたダイアフラム１０００は、図１０Ａで示されるようなアインツェルレンズを形成するために使用されることができる。代わりに、中央ダイアフラムは、図１０Ｂによって示されるようなメッシュ１０１０と置き換えられることができる。この構成は、より強い集束又はより強い反射を可能にする。最後に、３つの電極のうち任意の電極又は全ての電極は、図１０Ｃに示されるように、矩形又は方形断面を有するチューブ１０２０を形成するように、軸方向に拡張されることができる。
【００７７】
最後の構成である図１０Ｃは、本発明で記載されるような四極子デバイスで特に有利である。四極子レンズの入口及び出口の近くで、電界は、円筒状電極ロッドを支持し、かつ位置付けるために使用される近くの構造の存在によってゆがめられる。チューブ形状の電極は、有利に、これらの電界の不完全性からイオンを遮蔽するために四極子のいずれかの端部で用いられることができる。
【００７８】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、質量分析器システムの構成部品を形成するために複数レベルの処理のさらなる使用を示す図で、図１１Ａは、外部フィラメントを使用して構築される熱陰極イオンソースの平面図で、図１１Ｂは、集積されたフィラメントを使用して構築される熱陰極イオンソースの平面図である。
【００７９】
図１１Ａにおいて、メッシュ素子１１００は、電子が外部フィラメント１１３０から注入されるソースケージ１１２０のメッシュ素子１１００の周囲部分を形成するために使用される。図１１Ｂにおいて、同様の構成は、またエッチングによっても形成される集積されたフィラメント１１４０を含んでいる。他の構造においては、エッチングによって形成される取り除き可能なフィラメントが使用される。そのような構成の多数の他の可能な配置が存在し、かつこれらの例が排他的ではないことが理解されよう。
【００８０】
上述のように、複数の電極の少なくともいくつかは、所望のイオンの部分を反射するモードにおいて動作するように構成される、イオン入口又は出口光学部品を形成するように構成されることができる。イオン反射器のそのような構成は、イオントラップを提供するために使用されることができる。
【００８１】
動作において、イオンは、質量分析器の質量フィルタに導入され、次に、イオン入口又は出口光学部品に印加される電圧を逆転することによって、質量フィルタ内のイオンは、質量フィルタの上下で連続して反射され、それによって光学部品に印加された電圧が、イオンをトラップから逃れさせることができるように帯電されるまで、又はイオンが、質量フィルタ自体から得られたエネルギーによって逃れるまで、トラップされかつさらにフィルタリングされる。
【００８２】
質量フィルタの入口及び出口の両方での電極の配置は、複数の異なる配置の１つで構成されることができる。例えば、３つの電極構成は、２つの外側要素が同一の電圧が与えられる状態で提供されることができる。そのような配置において、イオンは、システムが主に単一電位の仕方で動作するように、レンズの両側で実質的に同一電位を有する。そのような配置は、一般にアインツェルレンズ配置として知られている。他の配置において、異なる数の電極は、代わりのレンズ構成又は構造を提供するように提供されることができる。電極の数又は個別の電極に印加される電圧は、システムが適用されるアプリケーションに応じて変わることができ、本発明をいずれか１つの配置に限定することを意図するものではない。
【００８３】
本発明は、従来のデバイスに対して有利である質量分析器を提供するものである。本発明によるデバイスを使用して、縦続接続フィルタ、一般に四極子フィルタによって従来可能であったより複雑な質量分析を提供することが可能である。本発明の質量分析器デバイスは、そのようなデバイスの適用範囲を拡張するように、気体又は液体クロマトグラフィシステムにおけるような（例えば、ガスクロマトグラフィ質量分析器又はＧＣ−ＭＳシステムにおけるような）、エッチングされたチャネルを含む流体デバイスへの四極子フィルタの接続を可能にすることにも有利である。
【００８４】
本発明を参照して本明細書で使用されるとき、用語「備える／備えている」及び用語「有する／含む」は、上述された特徴、整数、ステップ、又は構成部品の存在を特定するために使用されるが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、構成部品、又はそれらのグループの存在又は追加を妨げない。同様に本明細書で使用されるとき、用語「上側」、「下側」、「右側」、「左側」は、説明の都合のためであり、本発明のデバイス又は技術の適用を任意の１つの特定構造に限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】従来のマイクロエンジニアリングされた四極子静電レンズを示す図である。
【図２】本発明によるモノリシックのマイクロエンジニアリングされた質量分析器デバイスにおける、（ａ）外側及び（ｂ）内側のエッチングされたパターンを示す平面図である。
【図３】本発明による質量分析器デバイスにおける、（ａ）外側パターンと内側パターンの位置合わせ、及び（ｂ）外側パターンによる電極ロッドの位置を示す平面図である。
【図４】図３に示した質量分析器デバイスの、（ａ）ウエハ結合、及び（ｂ）電極ロッド挿入を示す断面図である。
【図５】本発明によるモノリシックのマイクロエンジニアリングされた質量分析器の製造方法を説明するためのフローチャートを示す図である。
【図６】本発明によるモノリシックのマイクロエンジニアリングされた質量分析器への電気接続の概略図である。
【図７】本発明の好ましい実施形態によるモノリシックのマイクロエンジニアリングされた質量分析器への入力での、（ａ）冷陰極電界放出電子ソース、（ｂ）無線周波数プラズマソース、及び（ｃ）電子スプレーソースの位置の概略図である。
【図８】タンデム質量分析器で必要な縦続接続された四極子レンズ間の衝突チャンバの位置の概略図である。
【図９Ａ】一次元メッシュによって覆われる開口に基づく静電要素を形成するための２つのエッチングされた部品のアセンブリを示す図である。
【図９Ｂ】一次元メッシュによって覆われる開口に基づく静電要素を形成するための２つのエッチングされた部品のアセンブリを示す図である。
【図１０Ａ】開口、チューブ、及びメッシュの異なる組み合わせを使用して３要素静電レンズを構築するための、１つの基板上に必要なパターンの平面図である。
【図１０Ｂ】開口、チューブ、及びメッシュの異なる組み合わせを使用して３要素静電レンズを構築するための、１つの基板上に必要なパターンの平面図である。
【図１０Ｃ】開口、チューブ、及びメッシュの異なる組み合わせを使用して３要素静電レンズを構築するための、１つの基板上に必要なパターンの平面図である。
【図１１Ａ】外部フィラメントを使用して構築される熱陰極イオンソースの平面図である。
【図１１Ｂ】集積されたフィラメントを使用して構築される熱陰極イオンソースの平面図である。
【図１】
2006501603.tif 000003
【図２】
2006501603.tif 000004
【図３】
2006501603.tif 000005
【図４】
2006501603.tif 000006
【図５】
2006501603.tif 000007
【図６】
2006501603.tif 000008
【図７】
2006501603.tif 000009
【図８】
2006501603.tif 000010
【図９Ａ】
2006501603.tif 000011
【図９Ｂ】
2006501603.tif 000012
【図１０Ａ】
2006501603.tif 000013
【図１０Ｂ】
2006501603.tif 000014
【図１０Ｃ】
2006501603.tif 000015
【図１１Ａ】
2006501603.tif 000016
【図１１Ｂ】
2006501603.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成16年12月6日(2004.12.6)
【手続補正１】
【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】
２つの多層ウエハから形成される集積型質量分析器デバイスであって、
前記多層ウエハの各々は、第１の層と、第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられた絶縁層とを有し、前記デバイスは、複数の電極ロッドと複数の平面電極とを有し、該平面電極は前記第１の層に形成され、かつ前記電極ロッドは前記第２の層に設けられ、該第２の層は、前記電極ロッドを受けるように寸法決定され、該電極ロッドは、前記第２の層内に形成された少なくとも１つの弾性部材によって、前記第２の層との接触状態を維持されていることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記多層ウエハの各々は、５層構造を構成するために組み合わせられた３層を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記電極ロッドは、前記多層ウエハの各々の前記第２の層に搭載可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記少なくとも１つの弾性部材は、前記多層ウエハに構成されたバネによって提供されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記電極ロッドは、前記多層ウエハの前記第２の層内にエッチングされた特徴部によって配置され、該特徴部は、前記電極ロッドを適切に受けるように寸法決定され、前記弾性部材は、前記第２の層をエッチングすることによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記多層ウエハを構成する第１及び第２のウエハの各々は、前記第２の層に設けられた外側パターン及び前記第１の層に設けられた内側パターンでパターニングされていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項７】
前記第１の層上に設けられた前記内側パターンは、前記質量分析器のイオンソース及びイオン収集構成部品を提供することを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記絶縁層は、前記パターンが重なり合う領域に設けられていることを特徴とする請求項６又は７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第１及び第２のウエハは、モノリシックブロックを構成するために結合されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１及び第２のウエハの結合は、前記電極ロッドが前記ブロックの外側部分上に配置され、かつ前記電極が前記ブロックの内側部分内に配置されるように行われることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記電極ロッドは、前記質量分析器の質量フィルタ構成部品を構成していることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１２】
４つの円筒状電極ロッドを含み、該円筒状電極ロッドの各々は、四極子動作のために正しく選択されたその直径及び中心間間隙を有することを特徴とする請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記各多層ウエハ内の前記円筒状電極の水平方向間隙は、リソグラフィ及びディープ反応性イオンエッチングによって形成されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記円筒状電極の垂直方向間隙は、結合された２つのウエハの組み合わせられた厚みによって形成されることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１５】
前記複数の電極の少なくともいくつかは、イオン入口光学部品を形成するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１６】
前記イオン入口光学部品は、アインツェルレンズによって構成されていることを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記イオン入口光学部品の前に設けられた冷陰極電界放出電子ソースを備えていることを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１８】
ａ）熱陰極ソースと、
ｂ）直流放電ソースと、
ｃ）交流放電ソースと、
ｄ）電子スプレーソースと
の１つから選択された電子ソースを備えていることを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１９】
一対の無線周波数電極が、プラズマを生成するために前記イオン入口光学部品の前に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記イオン入口光学部品は、ともに電子スプレーソースを規定する一組の電極と組み合わせられたエッチングされた流体チャネルから構成されていることを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記多層ウエハの各々は、絶縁体ウエハ上のシリコンに結合されていることを特徴とする請求項１乃至２０のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２２】
２つ以上の別個のチャンバを有し、個別のチャンバの提供は、差動ポンピングされるシステム内での前記デバイスの使用を可能にすることを特徴とする請求項１乃至２１のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２３】
メッシュ構成で設けられたイオンソースを備えたことを特徴とする請求項１乃至２２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２４】
前記複数の電極の少なくともいくつかは、メッシュ構成で配置されていることを特徴とする請求項１乃至２３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２５】
前記複数の電極の少なくともいくつかは、チューブ配置で構成されていることを特徴とする請求項１乃至２２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２６】
前記チューブ配置は、前記電極ロッドに対する入口又は出口の少なくとも１つに配置されたレンズを提供することを特徴とする請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記複数の電極ロッドの少なくともいくつかは、イオン反射器として構成されていることを特徴とする請求項１乃至２６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項２８】
前記イオン反射器は、線形イオントラップを提供するように構成されていることを特徴とする請求項２７に記載のデバイス。
【請求項２９】
電子のソースを提供するように構成されるフィラメント要素を備え、該フィラメント要素は、
ａ）外部に提供されたフィラメントと、
ｂ）内部に形成されたフィラメントと、又は
ｃ）取り外し可能なフィラメントと
のタイプの１つとして構成されていることを特徴とする請求項１乃至２８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３０】
イオンソース及び／又はイオン検出器と協働する請求項１に記載のデバイスを備え、前記イオンソース及び／又はイオン検出器の少なくとも１つは、前記デバイスの外部に設けられていることを特徴とする質量分析器システム。
【請求項３１】
請求項１乃至２９のいずれかに記載のデバイスを備えていることを特徴とする質量分析器アレイ。
【請求項３２】
請求項１乃至２９のいずれかに記載のデバイスを２つ以上備え、前記２つ以上のデバイスは、タンデム質量分析器を構成するように直列に設けられていることを特徴とする質量分析器システム。
【請求項３３】
前記直列のデバイスを構成する前記各デバイスは、四極子デバイスであり、一対の無線周波数電極は、プラズマを生成するために縦続接続された前記四極子デバイス間に配置されていることを特徴とする請求項３２に記載の質量分析器システム。
【請求項３４】
ａ）第１の層と、第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられた絶縁層とからなる少なくとも３つの層を有する、第１及び第２のウエハを準備するステップと、
ｂ）各ウエハ上で、それぞれ前記第１及び第２の層上で内側パターンと外側パターンをエッチングするステップであって、前記内側パターンと外側パターンは、前記質量分析器のための構成部品を形成し、各ウエハの前記第１の層は、その上に形成された少なくとも１つの電極を有し、各ウエハの前記第２の層は、少なくとも１つの電極ロッドを受けるように寸法決定され、前記第２の層は、前記第２の層に形成される少なくとも１つの弾性部材を有し、該弾性部材は、前記第２の層と接触した状態で前記電極ロッドを維持するように構成され、
ｃ）その後、多層の積層デバイスを形成するように、前記２つのパターニングされたウエハをともに結合するステップと、
ｄ）デバイスの各ウエハの前記第２の層に少なくとも１つの電極ロッドを挿入するステップと
を有することを特徴とする質量分析器の製造方法。
【請求項３５】
少なくとも１つの前記個別の層は、少なくとも２つのマスクを含むエッチングステップによって提供されることを特徴とする請求項３４に記載の質量分析器の製造方法。
【請求項３６】
前記少なくとも１つの電極を提供するステップは、
ａ）チューブ配置と、
ｂ）メッシュ配置と、及び／又は
ｃ）ダイアフラム電極配置と
の少なくとも１つの構成に前記少なくとも１つの電極を提供することを含むことを特徴とする請求項３４又は３５に記載の質量分析器の製造方法。
【請求項３７】
前記メッシュ配置は、内部に電子が外部フィラメントから放出されることができるソースケージの周囲の少なくとも一部を形成するように提供されることを特徴とする請求項３６に記載の質量分析器の製造方法。
【請求項３８】
前記ダイアフラム電極配置は、３電極構成の形態で提供され、該３電極構成の内側及び外側電極は、同一の電位で動作するように構成されていることを特徴とする請求項３６に記載の質量分析器の製造方法。
【国際調査報告】
2006501603.tif 000018
2006501603.tif 000019
2006501603.tif 000020