CN102214542A - 微工程多极离子导向器 - Google Patents

Abstract

描述了一种微工程多极离子导向器，所述微工程多极离子导向器用于小型质谱仪中。描述了以六极、八极和其它多极几何形状来装配极杆的示例方法。形成离子导向器的极杆被支撑在至少在第一和第二基板中限定的蚀刻硅结构中。

Description

微工程多极离子导向器

技术领域

本发明涉及离子导向器。本发明更具体地涉及以微工程制造并在质谱仪系统中用作为对离子通过中间真空阶段时的轨迹进行限制的部件的多极离子导向器。这种中间真空阶段通常可被设在大气压离子源(例如电喷离子源)和高度真空下的质量分析仪之间。

背景技术

如电喷和化学电离等大气压电离技术被用来生成离子以供质谱仪做分析。一般使用一个或更多阶段的差压抽气把在大气压下产生的离子传送至高度真空以用于质量分析。这些中间阶段被用来抽吸大部分气体负荷。理想地，保持尽量多的离子电流。通常这是通过使用对离子通过各阶段时的轨迹进行限制的离子导向器来实现的。

在以厘米级和更大尺度的部件为基础的传统的质谱仪系统中，已知使用各种离子导向器结构。这些导向器结构包括多极结构。这种多极设备通常使用传统的机加工技术和材料制成。使用传统技术构造的多极离子导向器一般涉及如下配置：对极杆进行钻孔并攻出螺纹，以使用紧固螺丝将它们紧靠在外部陶瓷支撑环上。电气连接用每隔一个极杆跨接极杆的布线环通过紧固螺丝形成。然而，由于场半径减小和/或用来限定多极的极杆的数量增加，与这种传统技术关联的问题包括：提供带有独立电气连接的牢固且精确的装配配置。

发明内容

根据本教示，通过提供可根据微工程原理制作的离子导向器来解决这些和其它问题。相应地，本申请的第一实施例提供了如权利要求1所详述的微工程质谱仪系统。在从属权利要求中提供了优选的实施例。

附图说明

下面将参照附图来说明本申请，在附图中：

图1示出了根据本教示的、将离子导向器包含在第二真空室中的示例的微工程质谱仪系统的示意图。

图2示出了根据本教示的、将离子导向器包含在第一真空室中的示例的微工程质谱仪系统的示意图。

图3示出了单个极杆的半径如何随着多极几何形状内的极杆数量的增加而减少。

图4对于四极、六极和八极几何形状各自示出了伪势阱。

图5示出了示例的八极装配配置。

图6更详细地示出了图5的单个装配座。

图7示出了去掉精确分隔块以揭示极杆装配座的轴移位的图5的配置的侧视图。

图8示出了维持2个晶片之间正确的分隔和配准的示例的精确分隔块。

图9示出了如何使用各晶片上的印线使极杆电气连接。

图10示出了提供六极配置的变形例。

图11示出了使用接合的硅-玻璃-硅基板来提供六极配置的另一变形例。

图12示出了使用三个晶片来提供六极配置的替代变形例。

具体实施方式

图1以示意形式示出了根据本教示的质谱仪系统100的示例。如电喷离子源等的离子源110在大气压下进行离子111的生成。在本示例配置中，离子通过第一开口125被导向至第一腔室120。该第一腔室中的压强是1乇的量级。通过开口125进入第一腔室120的气体和随流离子的一部分被第二开口130取样并进入通常工作在10^-4至10^-2乇的压强下的第二腔室140。第二开口130可呈现为平板或锥形物中的小孔。或者，可以在第二腔室的入口附近设置撇除器或者将撇除器与第二腔室的入口集成以拦截初始自由喷流膨胀。第二腔室或离子导向室140经过第三开口150耦合至分析室160，在分析室160可使用例如四极滤质器165根据离子的质荷比(m/z)对离子进行过滤，然后使用合适的离子检测器170来检测离子。本领域技术人员应认识到，包括例如磁扇区和飞行时间分析仪在内的其它类型的质量分析仪也可代替四极滤质器使用。应当理解离子导向室140是设置在大气压离子源110和质量分析室160之间的中间腔室，尽管它在该第一腔室的示例中处于下游。

通过各真空室抽吸的气体的量等于压强与抽气速度的乘积。为了处处都能使用适度尺寸的抽气泵(抽气速度与抽气泵的物理尺寸相关)，希望在高压下抽吸大部分气体负荷，从而使必须在低压下抽吸的气体的量最小。由于第一腔室120和第二腔室140相对较高的工作压强，经由第一腔室120和第二腔室140将流过第一开口125的多数气流抽离，而仅有少部分通过第三开口150并进入分析室，该分析室中需要低压以使滤质器165和检测器170的正常工作。

为了将尽量多的离子电流传送至分析室，第二腔室包括作用于离子但对不需要的中性气体分子无效果的多极离子导向器145。这种离子导向器具有由包含围绕想要的离子路径排列成圆周的多个独立极杆在内的多极结构，极杆集体地发生对离子通过第二腔室时的轨迹进行限制的电场。多极结构中采用的极杆的数量决定用于定义该结构的命名法。例如，4根极杆定义四极，6根极杆定义六极，而8根极杆定义八极。要求施加至各极杆的电压以射频(RF)振荡，且施加至相邻极杆的波形具有相反的相位。四极滤质器利用附加至异相RF波形的、振幅相等但极性相反的直流(DC)成分进行工作。当DC成分的幅度设定得适当时，仅发射特定质量的离子。然而离子导向器没有该DC成分(仅有RF)也可工作，并发射质量处在由RF电压幅度所定义的范围内的全部离子。

应当认识到，初看起来，四极离子导向器似乎在结构上与用来使四极滤质器的入口处的边缘场效应最小的预过滤器有些相似。然而，预过滤器必须将进行质量过滤的四极165放置得较为接近而无任何中间孔，即不将离子从一个真空阶段传送至另一个真空阶段。

应当理解，在第二腔室内，如果压强足够高，则与中性气体分子的碰撞造成离子损失能量，且它们的运动可近似为阻尼简谐振动(即已知的碰撞聚焦效应)。随着离子变得沿中心轴聚集，这使发射离子电流增加。已知如果压强与离子导向器的长度的乘积处在6×10^-2至15×10^-2乇厘米之间则这种效应最大。继而短的离子导向器允许使用更高的工作压强，由此允许使用更小的抽气泵。

图2以示意形式示出了根据本教示的质谱仪系统200的第二示例。在该配置中只有2个真空室，且多极离子导向器145在离子通过第一开口215后直接作用于离子。它同样容纳于在离子源110和设置有质量分析仪165的真空室160之间的中间腔室210中。选择第一开口215、第二开口150和抽气泵220的尺寸以限制流入分析室160的气流。

根据本教示，提供离子的限制和聚焦的多极离子导向器通常具有与设置在分析室内的微工程四极过滤器相同的临界尺度。由于离子导向器与滤质器的规模都很小，因而它们可容纳在比传统系统所使用的真空室更小的真空室中。此外，由于这些部件所承受的工作压强高于传统系统所使用的工作压强，因而抽气泵也可以更小。

考察固定的场半径r₀(其能够由例如图1中的第二开口130的直径决定)或是从图2中的第一开口215发源的自由喷流膨胀的径向限度是合理的。在图3中，可看出用来定义多极的极杆越多，各杆的半径R变得越小，由此八极结构(图3C)中的R_C小于六极结构(图3B)中的R_B，而六极结构中的R_B又小于四极结构(图3A)中的R_A。由于施加至相邻极杆的RF波形必须相位相反，因而到极杆的电气连接被做成2组(由图3中的黑圈和白圈所标)。微工程技术提供了精确地形成具有必要电气连接的独立的组的极杆装配座的手段。

尽管多极离子导向器内的电场响应于施加至极杆的RF波形而迅速振荡，但离子就像被陷俘在势阱内似地运动。可以使用下式来描述陷俘赝势：

$\mathrm{\Φ}\left(r\right)=\frac{n^2{z}^2{V}_0^2}{4m{\mathrm{\Ω}}^2{r}_0^2}{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^{2n-2}$

式中2n是极杆的数量，r是距场中心的半径距离，r₀是内接圆半径，V₀是RF振幅，z是电荷，Ω是RF频率，而m是离子的质量[D.Gerlich，J.Anal.At.Spectrom.2004，19，581-90]。所需的伪势阱深度取决于对离子的径向运动进行限制的需要，且至少应等于最大径向能量。继而，导致内接圆半径减小的小型化又导致所需的RF振幅的减小。图4示出了由四极、六极和八极几何形状所发生的电势Φ(r)随着距场中心的半径距离变化，其中在各情况下使用相同的质量、电荷、内接圆半径和RF振幅。可看出，由六极或八极建立的伪势阱比由四极建立的伪势阱深得多且具有更平坦的最小值。与四极离子导向器相比，六极和八极离子导向器可对于给定的RF振幅保持质量更大的离子，或是需要更小的建立特定伪势阱深度的RF振幅。八极乃至较之更少的六极凭借它们更平坦的最小值而能比四极容纳更多低能离子，但因为在它们的中心轴附近缺少回复力而限制了它们聚焦离子束的能力。六极离子导向器可提供在离子容量和束直径之间的最佳折衷。

总之，采用小型多极离子导向器的益处包括：

(i)该部件的总体尺寸与其它部件也被小型化的小型质谱仪系统一致。

(ii)减小了建立特定伪势阱深度所需的RF振幅。这使得在不启动放电的情况下增加可达到的压强范围。在这一意义上，六极和八极比四极更有优势。

(iii)如果离子导向器短则可承受更高的压强。结果，可使用更小的抽气泵，这就能够减小总体仪器尺度。

图5示出了对于这种多极构造的示例装配配置。应当认识到，在微工程的上下文范围内，通常需要某种形式的蚀刻或其它硅加工工艺来制造该结构。在这种配置下，如参照示例的八极结构所示出的，2组极杆500a、500b分别被容纳在第一晶片510和第二晶片520上。各组包含4根极杆530，共计8根八极的极杆。极杆被可操作地被用来发生电场，就如同导体一般。这些可由固态金属元素或由镀金属的绝缘核等复合结构来形成。极杆围绕想要的的离子束轴535排列成圆周状。极杆被安放并固定在各支件540、545上。在该示例配置中，各组极杆500a、500b包含4根极杆，它们被配置为使得其中2根被布置成靠近支撑基板541而另2根被布置成离得较远。结果，当将第一和第二晶片510和520放在一起时，包含整个多极结构的8根极杆被放置得使它们的轴位于平行于支撑基板的4个平面上。

支件最好是由接合至玻璃基板541的硅制造，第一极杆的支件与相邻的第二极杆的支件电气绝缘。各个支件可与其它支件在几何形状上有所不同，以允许支撑在相同基板上的极杆进行相对于彼此的横向和纵向移位。然而，一根极杆的支件最好是另一根极杆的支件的镜像。尽管极杆彼此平行并还与设备的离子束轴平行，但各极杆与其它极杆可在相对于支撑基板的间隔上有所不同。当装配极杆时，使第一和第二晶片分隔，以使极杆能置于它们各自的支件上。在进行极杆的加固时，将两个晶片放在一起并彼此相对地放置，以形成想要的最终结构。2个支撑基板最好是一样的，从而在组装之后，装配在下方基板上的极杆的相对间隔与装配在上方基板上的极杆的相对间隔相同。第一和第二晶片的相互间隔最好是使用精确分隔块550来实现。

图6示出了如何构造支件以便依赖于所安放的极杆的最终位置来定义不同的装配配置。凹槽结构610被用来支撑第一极杆，而台阶结构620被用来支撑第二极杆。从图6可清楚看出：凹槽与台阶的区别在于其采用第一壁611和第二壁612来限定其间放置有极杆630的沟槽613。置于凹槽上的极杆由第一和第二壁两者来固定，并通过例如使用粘胶640来实现进一步的加固。对于台阶结构，设有台面部621和抬升部622，并且极杆631倚靠住这两者安放并固定在这两者上。该加固同样最好采用粘胶640以使极杆永久地位于期望的位置处。该粘胶最好是能够提供电气连接的类型，以确保在支件和极杆之间形成电气连接。

如图7所示，为了提供各极杆之间的电气绝缘，各台阶和凹槽支件最好是沿极杆的纵向轴彼此隔开。从图7所示的侧视图也明显看出，极杆630、631不一定需要沿它们整个长度的支撑，而是在其第一端705和第二端710处的支撑就应足够了。

应当认识到，为了如此理想地实现所需要的多根极杆围绕离子束轴的圆周状布置，应使被单独地装配的极杆的高度交错。在图示的八极结构中，各组极杆包含2对极杆。各对极杆包含分开地装配在相同支件上的2根极杆。第一对包含各自设置在它们自己的凹槽支件中的2根极杆。第二对包含各自设置在台阶支件上的2根极杆。台阶支件的高度大于凹槽支件的高度，以便在形成离子导向器结构时，安放在台阶上的极杆相对于凹槽内的极杆被抬升。这样，台阶上的极杆比凹槽内的极杆更靠近对面的基板。

在图8中示出了维持2个晶片之间正确的分隔和配准的示例的精确分隔块。安放在承窝830中的球状物820确定2个晶片510、520之间的分隔，并防止在晶片的平面中的运动。球状物可由红宝石、蓝宝石、氮化铝、不锈钢或其它任何可具备所需精度的材料制成。承窝是通过对接合至基板541的衬垫810进行蚀刻而形成的，从而从它们的中心去掉圆柱形的芯。在空缺840处可积淀粘胶以使球状物固定并使所组装的结构牢固。

一般地，组件中的部件相对于另一部件具有3个正交线性自由度和3个正交旋转自由度。为了耦合的目的而约束这些自由度。在机械学中，如果恰好使用6个点接触来约束与6个自由度关联的运动，则耦合被描述为运动式的。这些点接触通常由与平板或V形槽接触的球状物或球面来限定。完整的运动式装配座需要点接触被放置得使各正交的自由度被完全约束。如果有任何附加的点接触，则它们冗余的，且装配座不被精确地描述为运动式的。然而，术语“运动式”和“准运动式”常常被用来描述有些被过度约束的装配座，特别是那些含有一个或更多线接触的装配座。线接触一般由与平坦板或V形槽所提供的那些平坦表面接触的圆形杆所提供的那些拱形或非平坦表面来定义。或者，环形线接触由与锥状物或限定圆形小孔等小孔的表面接触的球状物来限定。

插入钻孔中的暗销针是未被描述为运动式或准运动式的耦合的普通示例。这种类型的耦合通常称作干涉配合。必须包含一定量的余隙或松动以使得暗销针在组装时自由地插入钻孔。在针表面和啮合孔的侧壁之间存在将由机加工偏差度来决定的多个触点。由此，最终的几何形状代表所有这些未限定的接触的平均值，其在标称相同的组件之间有所不同。

优选地，定义图5中2个晶片的相互分隔的精确分隔块还用来提供2个晶片之间的耦合(即运动式或准运动式耦合的特征)，这是因为接合表面限定了线接触或点接触。应当认识到，球状物和承窝配置代表着可在本教示的上下文中有用地采用的优选耦合。在球状物和承窝的情况下，当部件接合时限定为环形线接触。然而，应当理解，运动式或准运动式耦合的特征的其它配置特征也是适合的。这些包括但不限于这样的配置：其中点接触由与平板或槽接触的球形元件来限定，或这样的配置：其中线接触由与平板或槽接触的圆柱形部件来限定。

各极杆需要电气连接，传统上这是使用如图9所示的集成导电印线来实现的。以平面示图图示出了一个晶片520以揭示极杆装配座之间的连接。印线910是使用合适的掩膜由金属沉积形成的，或在接合的“玻璃基硅(silicon-on-glass)”基板的情况下通过对硅进行选择性蚀刻来形成印线910。4个连接被分成2对930、940，并使用分隔块550来制作顶晶片和底晶片之间的电气连接。如果分隔块是图8所示的形式，则衬垫、粘胶和球状物必须全是导电的。凭借图示的布置印线，当将另一个完全一样的晶片翻过来给至第一个晶片时，所要求的在每隔一个极杆之间的成对连接次序被维持。使用连接焊盘920形成到RF电源的连接。尽管完整的结构具有4个这样的焊盘，但其中2个是冗余的并且是由被用来将2个晶片制作成完全一样的结构的工艺所导致的。

图10示出了用于提供六极结构的安装配置的变形例。相同附图标记用于相同部件。各极杆被安放在它们自己的、通过硅基板的蚀刻而制作的装配座内。在这种配置中，第一晶片1010和第二晶片1020各自提供3根极杆的装配座1040，从而当将2个晶片放在一起时，6根极杆绕离子束轴1035排列成圆周状，而各单根支撑极杆可被认为相对于另外一根支撑极杆横向和纵向移位。使用与参照图5所说明的相同的分隔块配置将晶片彼此隔开。

在该六极结构中，由于要容纳在各晶片上的极杆比八极结构所需的更少，因而各装配座不需要沿极杆的纵向轴的轴向分离。3根极杆各自位于凹槽支件上，其中2根1030a、1030b相对于设在它们之间的第三根1030c被抬升。

应当认识到，如果图10的配置使用接合至玻璃的硅来制造，则需要装配座1040、1045的接合表面被精确地限定在同一硅层内的2个不同水平上。可利用购得的抛光硅晶圆的平面度、以及使用例如深反应离子蚀刻所蚀刻的特征的垂直度，在硅中产生精确的结构。然而，通过蚀刻而产生的任何凹槽的底部都被限定得较差。如果图10中的硅部件是从接合至玻璃基板541的单个厚硅晶圆蚀刻成的，则可精确地形成最高处的装配座1040。然而，下方的装配座1045是由蚀刻出的凹槽的底部限定的，结果是限定得较差。在替代的做法中，薄硅晶圆首先被接合至基板541，然后被蚀刻以产生下方的装配座1045。继而另一厚晶圆被接合至基板再被蚀刻以产生上方的装配座。然而，在该最终蚀刻步骤期间保护下方的装配座1045并非不重要。

图11示出了避免需要同一硅层内2个不同高度的装配座的装配配置。晶片1110、1120各自是使用3层硅-玻璃-硅基板制造的，并提供3根极杆的装配座1140、1150。内部硅层1160提供对其中2根极杆1130a、1130c进行定位的凹槽支件1150，而外部硅层1170则提供对第三根极杆1130b进行定位的凹槽支件1140。必须在玻璃层1180中切出一个孔以能够到达外部硅层中的凹槽。

图12中示出了用于提供六极结构的替代的装配配置。第一晶片1210、第二晶片1220和第三晶片1230各自提供2根极杆1280的装配座1270，从而当将3个晶片放在一起时，6根极杆绕离子束轴1240排列成圆周状。在该构造中，设有第一、第二和第三组极杆。所需的分离和配准是如前面参照图8所述使用保持在承窝1250中的球状物1260来维持的，这同样提供了由环形线接触所限定的各晶片之间的耦合。

应当理解，此处说明的装配配置是可被用于制作微工程离子导向器的的结构的类型的示例。对于本领域的技术人员而言，显然可以通过简单地扩展以上设计来容纳其它配置10、12、14等的极杆。而且，可使用不同的上方和下方晶片来容纳奇数个的极杆。

尽管此处未说明质谱仪的详情，但此处说明的小型仪器最好是使用在下列共同提交的美国申请中的一个或多个中说明的微工程仪器来制造：美国专利申请No.12/380,002、美国专利申请No.12/220,321、美国专利申请No.12/284,778、美国专利申请No.12/001,796、美国专利申请No.11/810,052、美国专利申请No.11/711,142，其内容通过引用而全部合并于此。如以上参照硅蚀刻工艺所例示的，在本发明的上下文中，微工程或微制造意在限定尺度为毫米或亚毫米量级的三维结构和设备的制造。

在以微米量级进行制造的情形中结合微电子学和微加工的技术。微电子技术使得能够从硅晶圆制造集成电路，而微加工则是主要从硅晶圆产生三维结构。这可通过从晶圆中去掉材料或向晶圆上或中添加材料来实现。微工程的吸引力可总结为可使生产成本降低的设备批量制造，导致材料节约的小型化，导致更短响应时间和更少的设备侵害的小型化。应当认识到，在这样的上下文中，此处使用的术语“晶片”可被认为是类似于在集成电路环境中使用的术语，也即其上制造有给定功能的电路的半导体材料的小块。在集成电路制造的上下文中，通过光刻等工艺在半导体材料的单片晶圆上制造大批量的单独的电路。接着将该晶圆切割成许多片，每片含有电路的一份复制品。这些片的每一个称作晶片。在这样的上下文中，这种定义也有用，但由于可在不脱离此处定义的范围的情况下将不同材料用作本教示的极杆的支撑结构，因此该定义不意图将该术语限制于任何特定的材料或结构。由于这一原因，此处对“晶片”的引用是可用于支撑和/或装配极杆的基板的示例，而且不由半导体材料形成的替代的基板在本上下文中也可认为有用。基板实质上是具有主表面的平面。一旦极杆被支撑在它们各自基板上则该极杆被构造为在大致与基板主表面平行的平面上延伸。

用于晶圆的微工程存在很多种技术，它们都是本领域技术人员所熟知的。这些技术可分为与材料的去除相关的技术、以及与将材料沉积至或添加至晶圆相关的技术。前者的实例包括：

·湿法化学蚀刻(各向异性和各向同性)

·电化学或光辅助电化学蚀刻

·干燥等离子体或反应离子蚀刻

·离子束研磨

·激光机加工

·准分子激光机加工

·放电机加工

而后者的实例则包括：

·蒸镀

·厚膜沉积

·喷镀

·电镀

·电铸

·铸模

·化学气相沉积

·外延生长

尽管此处说明了示例的配置以帮助理解本教示，但应当理解可以不脱离本教示的精神和范围而可做出修改。至此应当理解：本教示应解释为酌情仅限于根据随附的权利要求书的范围。

另外，当在本说明书中使用时，术语“包括”是要指定所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除一个或更多其它特征、整体、步骤、部件或它们的组的存在或添加。

Claims (15)

1.一种微工程质谱仪系统，包括：

离子导向室，其包括限定离子导向器的多根极杆，第一组极杆被支撑在第一基板上，第二组极杆被支撑在第二基板上；以及分析室，其包括质量分析仪，

其中所述离子导向器能够将离子导向分析室，并且被支撑的所述极杆绕离子束轴线排列成圆周状。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述分析室能够在高度真空条件下工作，并且所述离子导向室能够在所述高度真空条件和大气压之间的压强下工作。

3.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中所述离子导向器和所述质量分析仪共用同一离子束轴线，所述离子导向器在离子被传输至所述分析室之前能够对离子进行碰撞聚焦。

4.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中所述极杆组形成四极、六极或八极中的一种。

5.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其设置在包括第一和第二相对的平面基板的夹层结构中。

6.根据权利要求1到4中的任一项所述的系统，包括第三组极杆，所述第三组极杆设在第三平面基板上，其中所述第一、第二和第三基板各自相对于彼此排列，以限定在它们之间的离子束轴线。

7.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中所述基板中的每一个包括用于支撑特定极杆的各自不同的装配座，所述极杆被配置成组，其中第一组极杆与第二组极杆电气绝缘。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述不同的装配座具有用于与被支撑的极杆进行接触的第一和第二接触表面。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一和第二接触表面大体相互垂直或相互平行。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其中所述接触表面相对于彼此排列以限定所述装配座的上表面中的凹槽，并且被支撑的所述极杆的至少一部分被容纳在所述凹槽内。

11.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中由单个基板支撑的各个极杆相对于由同一基板支撑的其它极杆被垂直地移位。

12.根据前述任意一项权利要求所述的系统，包括设置在第一分析室和第二分析室之间的离子导向室，其中所述离子导向器能够存储离子并保留碎片离子，以及将离子导向所述第二分析室。

13.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中通过以运动式耦合或准运动式耦合为特征的方式，借助于拱形表面通过线接触或点接触与平坦表面、V形槽、用于限定孔的表面或锥状物的接触，将所述基板耦合在一起。

14.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中使用一个或更多个球状物和承窝将所述基板耦合在一起。

15.根据前述任意一项权利要求所述的系统，其中所述基板被构造为向各个极杆提供一条或更多条电路径。

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