DE19720278B4

DE19720278B4 - Miniaturisiertes Massenspektrometer

Info

Publication number: DE19720278B4
Application number: DE1997120278
Authority: DE
Inventors: Jörg Prof. Dr.-Ing. Müller; Volker Dipl.-Ing. Relling; Peter Dipl.-Phys. Siebert
Original assignee: SLS Micro Technology GmbH
Current assignee: Verwaltung Exos GmbH
Priority date: 1997-05-13
Filing date: 1997-05-13
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2017-05-14
Also published as: DE19720278A1

Abstract

Mikromassenspektrometer mit
a) einer ein mikrowellengestütztes Plasma enthaltenden Plasmakammer,
b) einem in eine obere Abdeckung der Plasmakammer integrierten ersten Gitter,
c) einer Ionisationskammer, die oberhalb der Plasmakammer angeordnet ist, wobei die Ionisationskammer einen Elektroneneinlasskanal und ein zweites Gitter aufweist, die senkrecht oberhalb des ersten Gitters angeordnet sind, wobei die beiden Gitter einen Abstand zueinander aufweisen und zur Extraktion von Elektronen aus der Plasmakammer dienen,
d) einem Massenseparator mit Separatorkanal und
e) einem Detektor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikromassenspektrometer, mit einer räumlichen Ausdehnung von wenigen Millimetern in jeder Dimension.

Ein Massenspektrometer analysiert einen Stoff anhand seiner atomaren Masssenzusammensetzung (s. H. Budzikiewicz, Massenspektrometrie – Eine Einführung, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, New York, Basel, Cambridge 1992). Zur Massentrennung werden verschiedene Systeme eingesetzt, wie z.B. Wien-Filter, Quadrupol, „time of flight". Die meisten dieser Systeme sind voluminös und arbeiten deshalb unter Hochvakuumbedingungen.

Neben der Erhöhung der Auflösung geht die Entwicklung in Richtung Miniaturisierung, um transportable Geräte herzustellen. Beispiele aus dem Stand der Technik hierfür finden sich in O.J. Orient, A. Chutjian, V. Garkanian, Minature, high-resolution, quadrupole massspectrometer array, Rev. Sci. Instrum. 68(3), März 1997, S. 1393, sowie in A. Feustel, V. Relling, J. Müller, A Microsystem Mass Spectrometer, μTAS94, Enschede, 1994, und A. Feustel, V. Relling, J. Schröder, J. Müller, A Micro Mass Spectrometer, Kongressband Sensor 95, Nürnberg, 1995, wobei erstere eine feinmechanische Ausführung ist, während Feustel et al. (1994, 1995) eine mikrosystemtechnische Lösung darstellen.

Aus DE 41 34 212 A1 ist noch ein Mikroionisationssensor bekannt, der nachzuweisende Substanzen ionisiert, mittels einer Ionenflugzeitanordnung die substanzspezifischen Ionen gemäß ihrer Driftgeschwindigkeiten voneinander trennt und simultan im Flugzeitspektrum zur Anzeige bringt.

Die in Feustel et al. (1994, 1995) beschriebene einzige derzeit bekannte Ausführung eines Mikromassenspektrometers weist einige konzeptionelle Schwachstellen auf, so daß ein neues Design einen erheblichen Leistungszuwachs des Systems verspricht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Mikromassenspektrometer bereitzustellen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Mikromassenspektrometer nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel für das neu konzipierte Mikromassenspektrometer ist in 1 wiedergegeben. Die Zeichnung zeigt eine Plasmakammer, eine Elektronenoptik, eine Ionisationskammer, eine Ionenoptik, den Massenseparator und einen Detektor.
Das Meßgas wird in der Ionisationskammer mittels Elektronenstoß ionisiert. Die Elektroren werden aus einem mikrowellengestützten Plasma mittels einer Doppelgitter-Extraktions-Optik extrahiert und gleichzeitig auf die für Ionisationsstöße optimale Energie beschleunigt. Die Meßgas-Ionen werden mittels eines elektrostatischen Linsensystems in den Separator beschleunigt und dort nach dem Dipolwanderfeld-Prinzip separiert und gegebenenfalls mit einem Detektor nachgewiesen.
Als Elektronenquelle für die Stoßionisation des Meßgases dient ein Mikrowellenplasma. Es ermöglicht gegenüber dem in Feustel et al. (1994, 1995) vorgeschlagenen Gleichspannungsplasma einen höheren Elektronenstrom und aufgrund niedrigerer Plasmapotentiale geringere Sputtereffekte und damit eine deutlich verlängerte Lebensdauer. Die Mikrowellenfrequenz beträgt vorzugsweise 2 GHz–20 GHz. Als Kammermaterial dient ein elektrisch isolierendes Material, vorzugsweise Pyrexglas oder Aluminiumnitrid, dessen Ausdehnungskoeffizient an den von Silizium angepaßt ist. Die Verwendung eines Kammermaterials mit hohem Wärmeleitwert, vorzugsweise Aluminiumnitrid, ermöglicht die Wärmeabfuhr bei hohen Mikrowellenleistungen.
Die Extraktion der Elektronen erfolgt mittels eines Doppelgitters, das ein Durchgreifen des Plasmas und des Plasmakammerpotentials in die Ionisationskammer verhindert, was bei der Ausführung nach Feustel et al. (1994, 1995) nicht zu vermeiden ist. Jedes Gitter hat eine Ausdehnung von vorzugsweise 100 μm × 100 μm. Das erste Gitter ist in die obere Abdeckung der Plasmakammer integriert und wirkt gleichzeitig als Druckblende. Das zweite Gitter befindet sich senkrecht darüber, und wirkt zusammen mit dem Elektroneneinlaßkanal als Druckblende zur Ionisationskammer. Diese Anordnung erlaubt das Abpumpen des Systems zwischen den Gittern, so daß die Elektronen ohne Stoß in die Ionisationskammer gelangen und die Ionisation vorwiegend in der Ionisationskammer stattfindet. Gegenüber Feustel et al. (1994) ist daher eine deutlich erhöhte Ionenausbeute zu erreichen, wodurch die Nachweisgrenze verbessert wird. Desweiteren kann die Elektronenenergie von vorzugsweise 70 eV durch Vorspannen der Gitter gegeneinander außerhalb der Ionisationskammer eingestellt werden. Dadurch wird eine Verzerrung des Ionen-Extraktions-Feldes durch eine wie in Feustel et al. (1994) ausgeführte Elektronenfang-Elektrode vermieden, was zu einer erheblichen Monochromatisierung des Ionenstrahls führt, die für das Funktionsprinzip des Dipol-Wanderfeld-Separators unabdingbar ist. Dies steigert das Auflösungsvermögen gegenüber Feustel et al. (1994) erheblich.
Die Ionisationskammer wird vorzugsweise mittels naßchemischem Atzen oder Plasmaätzen, vorzugsweise in einem Siliziumsubstrat, strukturiert. Die Extraktion der Ionen aus der Ionisationskammer erfolgt durch ein senkrecht zur Waferebene stehendes Gitter. Dies führt zu einer hohen Effizienz des nachfolgenden elektrostatischen Linsensystems, welches die Ionen in den Separator fokussiert. Dadurch wird die Transmission gegenüber der Ausführung in Feustel et al. (1994, 1995) erhöht.
Den schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Separators zeigt 3. Die Ablenkelektroden werden in der Ebene zur elektrischen Isolation und zur Vermeidung von Umladungseffekten vorzugsweise auf Pyrex-Glas abgeschieden. Die Abscheidung geschieht galvanisch auf einer vorzugsweise gesputterten und photolithographisch strukturierten, galvanisierbaren (z.B. Kupfer-)Dünnschicht. Nebeneinander und gegenüberliegende Elektroden haben vorzugsweise einen Abstand von 50–200 µm. Die Breite und Höhe der Elektroden beträgt ebenfalls vorzugsweise 50–200 µm. Um die Ionen senkrecht zur Elektrodenebene im Separatorkanal zu zentrieren, werden oberhalb und unterhalb des Separators Zentrierelektroden als Dünnschicht abgeschieden, die ein leicht höheres Potential als das mittlere Wanderfeldpotential haben. Dies stellt eine weitere Erhöhung der Auflösung und Nachweisgrenze dar.
Um die Einschußbedingung der Ionen in den Separator zu erfüllen, die gewährleistet, daß nachzuweisende Ionen um eine geradlinige Bahn oszillieren, werden den Ablenkelektroden vorzugsweise zwei weitere, elektrostatische Elektrodenpaare vorgeschaltet. Dies ermöglicht gegenüber der Ausführung in Feustel et al. (1994, 1995) die Verwendung eines längeren Separators und dadurch eine Erhöhung der Auflösung.
Als Detektor wird ein Faradaydetektor oder ein integrierter Elektron-Kanalvervielfacher verwendet, der die Nachweisgrenze weiter verbessert.

Claims

Mikromassenspektrometer mit a) einer ein mikrowellengestütztes Plasma enthaltenden Plasmakammer, b) einem in eine obere Abdeckung der Plasmakammer integrierten ersten Gitter, c) einer Ionisationskammer, die oberhalb der Plasmakammer angeordnet ist, wobei die Ionisationskammer einen Elektroneneinlasskanal und ein zweites Gitter aufweist, die senkrecht oberhalb des ersten Gitters angeordnet sind, wobei die beiden Gitter einen Abstand zueinander aufweisen und zur Extraktion von Elektronen aus der Plasmakammer dienen, d) einem Massenseparator mit Separatorkanal und e) einem Detektor.
Mikromassenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gitter als Druckblende zur Plasmakammer und das zweite Gitter zusammen mit dem Elektroneneinlaßkanal als Druckblende zur Ionisationskammer ausgebildet ist, derart, daß eine zwischen den Gittern absaugende Vakuumpumpe einen Druckabfall sowohl gegenüber der Plasmakammer als auch gegenüber der Ionisationskammer bewirkt.
Mikromassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Gitter eine Ausdehnung von 100 µm × 100 µm aufweist.
Mikromassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ionenextraktionsgitter vorgesehen ist, das senkrecht zur Ebene des Separatorkanals angeordnet ist und zur Extraktion von Ionen aus der Ionisationskammer dient.
Mikromassenspektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ionenextraktionsgitter ein elektrostatisches Linsensystem nachgeschaltet ist, das die Ionen in den Massenseparator fokussiert.
Mikromassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakammer aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.
Mikromassenspektrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch isolierende Material Aluminiumnitrid ist.
Mikromassenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenseparator als Dipolwanderfeld-Massenseparator ausgebildet ist, wobei der Dipolwanderfeld-Massenseparator a) zwei Reihen von als Ablenkelektroden ausgebildeten Separatorelektroden aufweist, die einander in bezug auf eine Symmetrieebene gegenüberliegen, so daß eine Reihe aufeinanderfolgender Ablenkelektrodenpaare gebildet ist, b) die Ablenkelektroden derart mit elektrischen Spannungen beaufschlagbar sind, daß nur Ionen, die den Massenseparator mit einer wohldefinierten Geschwindigkeit entlang einer in der Symmetrieebene liegenden Symmetrieachse durchqueren, eine zur Bewegungsrichtung der Ionen senkrechte Beschleunigung erfahren, die für zwei aufeinanderfolgende Elektrodenpaare entgegengesetzt gerichtet ist, und die entgegengesetzt gerichteten Beschleunigungen sich über die Flugzeit der Ionen im Massenseparator im Mittel soweit aufheben, daß die Ionen den Massenseparator durchqueren und den Detektor erreichen.
Mikromassenspektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß den Ablenkelektroden mindestens ein elektrostatisches Elektrodenpaar zur Optimierung des Einschusses der Ionen in den Dipolwanderfeld-Massenseparator vorgeschaltet ist.
Mikromassenspektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß den Ablenkelektroden zwei elektrostatische Elektrodenpaare zur Optimierung des Einschusses der Ionen in den Dipolwanderfeld-Massenseparator vorgeschaltet sind.
Mikromassenspektrometer nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Zentrierelektroden vorgesehen sind, die die Ionen senkrecht zur Trennungsebene im Dipolwanderfeld-Massenseparator zentrieren, wobei die Zentrierelektroden oberhalb und unterhalb des Separators als Dünnschicht abgeschieden sind.
Mikromassenspektrometer nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektroden in einer Ebene auf einem isolierenden Substrat angeordnet sind.
Mikromassenspektrometer nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektroden galvanisch auf einer gesputterten oder galvanisierten und photolithographisch strukturierten galvanisierbaren Metalldünnschicht abgeschieden sind.
Mikromassenspektrometer nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektroden ein Aspektverhältnis von nahe 1 aufweisen.
Mikromassenspektrometer nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinander liegende Ablenkelektroden und einander gegenüberliegende Ablenkelektroden einen Abstand von 50–200 µm aufweisen.
Mikromassenspektrometer nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe und Breite der Ablenkelektroden 50–200 µm beträgt.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor als Faradaydetektor oder als integrierter Elektronen-Kanalvervielfacher ausgeführt ist.