DE69527432T2

DE69527432T2 - Massenspektrograph mit einem Massenfilter in einem Halbleitersubstrat

Info

Publication number: DE69527432T2
Application number: DE69527432T
Authority: DE
Inventors: B. Freidhoff; M. Young
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1995-09-21
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2015-09-22
Also published as: CA2202060A1; WO1996011492A1; CA2202060C; DE69527432D1; EP0784863A1; US5536939A; JP3713557B2; JPH10512996A; EP0784863B1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gaserfassungssensor und insbesondere auf einen Festkörpermassenspektrographen, welcher auf einem Halbleitersubstrat durch Mikrobearbeitungsschritte hergestellt ist und insbesondere auf einen Masse-zu-Ladungsverhältnis-Filter zur Ionentrennung in einem Massenspektrographen.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Verschiedene Vorrichtungen sind gegenwärtig verfügbar zum Bestimmen der Anzahl und Art von Molekülen, welche in einer Gasprobe vorliegen. Eine solche Vorrichtung ist das Massenspektrometer.
Massenspektrometer bestimmen die Anzahl und die Art von Molekülen, welche in einer Gasprobe vorhanden sind durch Messen des Masse-zu-Ladungsverhältnisses und der Anzahl von Ionen, welche aus dem Gas aufgrund eines Ionisierungsvorgangs gebildet werden. Dies wird erreicht durch Ionisieren einer kleinen Probe und der anschließenden Verwendung von elektrischen und/oder magnetischen Feldern, um das Ladung-zu-Masse- verhältnis des Ions zu bestimmen. Herkömmliche Massenspektrometer sind voluminöse, auf einer Werkbank aufzusetzende Instrumente. Diese Massenspektrometer sind schwer (45,4 kg - 100 Pfund) und teuer. Ihr großer Vorteil besteht darin, daß sie dazu verwendet werden können, beliebige chemische Elemente oder Verbindungen nachzuweisen.
Eine andere Vorrichtung, welche verwendet wird, um die Anzahl und Art von Molekülen zu bestimmen, die in einer Gasprobe vorliegen, ist ein chemischer Sensor. Diese können günstig eingekauft werden, aber diese Sensoren müssen kalibriert werden, um in einer bestimmten Umgebung zu arbeiten und sind nur gegenüber einer begrenzten Anzahl von Chemikalien empfindlich. Deshalb werden in komplexen Umgebungen mehrere Sensoren benötigt.
Es besteht das Bedürfnis für einen kostengünstigen Gaserfassungsdetektor, welcher in beliebigen Umgebungen arbeitet. Das US-Patent 5,386,115 offenbart einen Festkörpermassenspektrographen, welcher auf einem Halbleitersubstrat implementiert werden kann. Fig. 1 zeigt ein Funktionsdiagramm eines solchen Massenspektrographens. Dieser Massenspektrograph 1 ist in der Lage, gleichzeitig eine Vielzahl von Verbindungen in einer Gasprobe zu erfassen. Die Gasprobe gelangt in den Spektrographen 1 durch das Staubfilter 3, welches Teilchen daran hindert, den Gasprobenpfad zu verstopfen. Das Probengas wandert dann durch eine Probeneinfangsöffnung 5 zu einem Gasionisator 7, wo es mittels Elektronenbombardment oder mittels energiereicher Teilchen aus radioaktiven Zerfallen, oder in einem elektrischen Entladungsplasma ionisiert wird. Eine Ionenoptik 9 beschleunigt und fokussiert die Ionen durch ein Massenfilter 11. Das Massenfilter 11 legt ein starkes elektromagnetisches Feld an den Ionenstrahl an. Massenfilter, welche primär magnetische Felder verwenden, scheinen am besten geeignet zu sein für den Miniaturmassenspektrographen, da das benötigte Magnetfeld von ungefähr 1 Tesla (10.000 Gaus) leicht in einem kompakten Aufbau mit einem Permenantmagneten erreicht wird. Ionen des Probengases, welche durch dieselbe Energie beschleunigt worden sind, durchlaufen kreisförmige Pfade, wenn sie in dem Massenfilter 11 einem homogenen Magnetfeld unterliegen, das senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ionen verläuft. Der Krümmungsradius des Pfades hängt von dem Masse-zu-Ladungsverhältnis der Ionen ab. Das Massenfilter 11 ist bevorzugterweise ein Wien-Filter, in welchem elektrostatische und magnetische Felder gekreuzt sind, um einen nach konstanter Geschwindigkeit gefilterten Ionenstrahl 13 zu ergeben, bei welchem die Ionen in Abhängigkeit von ihrem Masse-zu-Ladungs-Verhälnis in einer Dispersionsebene verteilt werden, welche die Bildebene der Fig. 1 ist.
Eine Vakuumpumpe 15 erzeugt im Massenfilter 11 ein Vakuum, um eine kollisionsfreie Umgebung für die Ionen bereitzustellen. Dieses Vakuum wird benötigt, um Fehler in den Flugbahnen der Ionen aufgrund ihrer Kollisionen zu vermeiden.
Der massengefilterte Ionenstrahl wird in einem Ionendetektor 17 gesammelt. Bevorzugterweise ist der Ionendetektor 17 eine lineare Anordnung von Detektorelementen, welche die gleichzeitige Erfassung einer Vielzahl von Ionen ermöglicht, die aus den Bestandteilen des Probengases erzeugt worden sind. Ein Mikroprozessor 19 analysiert die Ausgabe des Detektors, um die chemische Zusammensetzung des untersuchten Gases zu ermitteln, wobei wohlbekannte Algorithmen verwendet werden, welche die Geschwindigkeit der Ionen und ihre Masse in Beziehung zueinander setzen. Die von dem Mikroprozessor 19 erzeugten Ergebnisse der Analyse werden auf eine Ausgabevorrichtung 21 gegeben, die eine Alarmvorrichtung, eine lokale Anzeige, einen Sender und/oder einen Datenspeicher umfassen kann. Die Anzeige kann die mit dem Bezugszeichen 21 in Fig. 1 gezeigte Form aufweisen, bei welcher die Bestandteile des Probengases durch Linien identifiziert werden, welche in atomaren Masseneinheiten (u) gemessen werden.
Bevorzugterweise wird der Massenspektrograph 1 in einem Halbleiterchip 23 implementiert, wie in Fig. 2 gezeigt. In dem bevorzugten Spektrographen 1 ist der Chip 23 ungefähr 20 mm lang, 10 mm breit und 0,8 mm dick. Der Chip 23 umfaßt ein Substrat aus Halbleitermaterial, welches in zwei Hälften 25a und 25b ausgebildet ist, welche längs zweier sich in Längsrichtung erstreckender Teilungsoberflächen 27a und 27b verbunden sind. Die beiden Substrathälften 25a und 25b bilden an ihren Teilungsoberflächen 27a und 27b eine längliche Kavität 29. Diese Kavität 29 hat einen Einlaßbereich 31, einen Gasionisierungsbereich 33, einen Massenfilterbereich 35 und einen Detektorbereich 37. Eine Anzahl von Unterteilungen 39, welche im Substrat ausgebildet sind, erstrecken sich über die Kavität 29 hinweg und bilden Kammern 41. Die Kammern 41 sind verbunden durch ausgerichtete Blenden 43 in den Unterteilungen 39 in der Hälfte 25a, welche den Pfad des Gases durch die Kavität 29 festlegen. Eine Vakuumpumpe 15 ist mit einer jeden der Kammern 41 durch Quergänge 45 verbunden, welche in den sich gegenüberliegenden Oberflächen 27a und 27b ausgebildet sind. Diese Anordnung ermöglicht ein unterschiedliches Abpumpen der Kammern 41 und ermöglicht es, die notwendigen Drücke im Massenfilter und den Erfassungsbereichen mit einer Miniaturvakuumpumpe zu erzielen.
Eines der Verfahren, welches zur Bestimmung der Natur einer molekularen Spezies verwendet wird ist die Bestimmung des Molekulargewichts. Dies ist jedoch nicht eine einzigartige Eigenschaft eines Moleküls, da derselbe Satz von Atomen, welche ein Molekül bilden, in einer Vielzahl unterschiedlicher Weisen gebunden sein kann, um Moleküle mit unterschiedlicher Toxizität, Siedepunkten oder anderen Eigenschaften zu ergeben. Deshalb muß die Struktur ermittelt werden, um eine bestimmte molekulare Verbindung eindeutig zu identifizieren. Eine wohlbekannte Technik zum Bestimmen des molekularen Aufbaus von Molekülen ist die dissoziative Ionisierung von Molekülen und die anschließende Bestimmung der Anzahl und des Masse-zu-Ladungsverhältnisses der sich ergebenden Ionenbruchstücke. Dies ist auch als "Bruchmuster" bekannt. Das allgemeine Verfahren wird als Massenspektroskopie bezeichnet.
Um das Masse-zu-Ladungsverhältnis eines Ions zu ermitteln, wird eine Vielzahl von Verfahren verwendet, die entweder zu einer Trennung der Ionen bei Ihrer Ankunft an einem Detektor über eine gegebene Zeitspanne oder durch Verursachen einer physikalischen Verschiebung der Ionen hinweg sorgen. Die Anzahl der gleichzeitig verwendeten Detektoren bestimmt die Geschwindigkeit und Empfindlichkeit der Vorrichtung. Methoden, bei welchen der Ionenstrahl über einen einzelnen Detektor abgetastet wird, werden als Massenspektrometer bezeichnet, und solche, welche gleichzeitig mehrere Detektoren verwenden, werden als Massenspektrographen bezeichnet. Massenspektrographen können auch abgetastet werden, wenn man eine Anordnung verwendet, welche eine Teilmenge des gesamten Bereichs der Masse-zu-Ladungsverhältnisse abdeckt; das Abtasten einer Vielzahl von Untermengen ermöglicht die Abdeckung des gesamten Massenbereiches. Um einen mikrominiaturisierten Massenspektrographen bereitzustellen, ergibt sich die Notwendigkeit einer mikrominiaturisierten Massentrennungsvorrichtung, welche in einem mikrominiaturisierten Massenspektrographen verwendet werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Um eine Detektoranordnung zu verwenden, wird herkömmlicherweise die Verschiebung von Ionen mit unterschiedlichem Masse-zu-Ladungsverhältnis im Raum verwendet.
Verfahren, bei denen die Flugzeit bestimmt wird, wodurch Ionen in ihrer Ankunftszeit an einem Detektor getrennt werden, sind typischerweise Einzeldetektorspektrometer. Für die vorliegende Erfindung wird die physikalische Trennung im Raum verwendet, um einen Vorteil aus den zusätzlichen Empfindlichkeitsgewinnen aufgrund der Integration auf einer Anordnung von Detektoren zu erzielen. Typischerweise können magnetische und/oder elektrostatische Felder verwendet werden, um eine Trennung der Ionen im Raum herbeizuführen. Konstante magnetische und elektrostatische Felder sorgen für ein Auffächern von Ionen im physikalischen Raum und sind für die Integration in Detektoranordnungen geeignet.
Der Massenspektrograph gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch Anspruch 1 festgelegt. Das Massenfilter ist ein doppelt fokussierendes Filter, welches sowohl ein elektrisches Feld als auch ein magnetisches Feld in zwei verschiedenen Bereichen der Ionenflugbahnen verwendet, um die Ionen zu trennen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein volles Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Figuren gelesen werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein funktionales Diagramm eines Festkörpermassenspektrographen.
Fig. 2 eine isometrische Ansicht der beiden Hälften des Massenspektrographen, welcher in gedrehter Ansicht und in geöffnetem Zustand gezeigt ist, um den inneren Aufbau zu zeigen.
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels eines Massenfilters, welches nicht unter die vorliegende Erfindung fällt.
Fig. 4 einen Längsteilquerschnitt durch einen Teil des in Fig. 1 und 2 gezeigten Massenspektrographen, welcher ein zweites Beispiel eines Massenfilters zeigt, welches nicht unter die vorliegende Erfindung fällt.
Fig. 5 eine Abwandlung des in Fig. 4 gezeigten Beispiels, welche ähnlich ist zu Fig. 4.
Fig. 6 eine schematische Darstellung des in Fig. 4 und 5 gezeigten Massenfilters.
Fig. 7 einen Graph, welcher das Verhältnis zwischen der Breite des Auflösungs- und Massenfensters relativ zur Ionenmasse für die in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigten Massenfilter veranschaulicht, und zwar für eine Vorrichtung mit abgetastetem elektrostatischem Feld und permanentem magnetischem Feld.
Fig. 8 einen Graph, welcher die Beziehung der Filterbreite beim Eliminieren von zykloidenförmigen Flugbahnen in dem Massenfilter in Fig. 4, 5 und 6 zeigt.
Fig. 9a und 9b schematische Zeichnungen der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Massenfilters.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Es werden drei Beispiele für Trennvorrichtung erläutert, welche miniaturisierbar ist und welche für Verschiebungen der Elektronenströme um einige Zehntel Mikrometer sorgen können. Diese Trennvorrichtungen können integriert sein in eine mikromaschinellhergestellte Vorrichtung mit photolithographisch hergestellten Detektoren, um einen kleinen, kompakten Gassensor bereitzustellen. Die drei Beispiele des Massenfilters 11 sind der magnetische Bereich, welcher in Fig. 3 gezeigt ist, das in Fig. 4 und 5 gezeigte Wien-Filter, und das doppeltfokussierende Filter gemäß der bevorzugten Ausführungsform, welches in Fig. 9a und 9b gezeigt ist. Bei allen drei Beispielen ist das Massenfilter 11 am Massenfilterbereich 35 der Kavität 29 angebracht, welche in Fig. 2 gezeigt ist.
Magnetfelder habe eine breite Verwendung gefunden, um Ionen aufgrund ihres Masse-zu- Ladungsverhältnisses zu trennen.
Die Trennung wird erreicht, wenn ein monoenergetischer Ionenstrahl mit einem wohldefinierten Querschnitt zwischen den Polen eines Magneten in einer kollisionsfreien Umgebung hindurch geleitet wird. Die Wechselwirkung des Ionenstroms mit dem Magnetfeld übt eine Kraft senkrecht zur Ionengeschwindigkeit und den magnetischen Feldlinien aus, welche proportional ist zum Produkt der Ionengeschwindigkeit und der magnetischen Flußdichte, wie durch die nachfolgende Maxwell-Gleichung dargestellt:
F = q * (v · B)
wobei F der Kraftvektor ist, q die Ladung, welche das Ion trägt, v der Geschwindigkeitsvektor des Ions und B der magnetische Flußdichtevektor. Falls die Ionen im monoenergetischen Zustand in das Magnetfeld eintreten, so ist die Geschwindigkeit des Ions proportional zur Masse des Tons für ein einfach geladenes Ion gemäß der nachfolgenden Beziehung:
v = [2·q·K/m]0,5,
wobei v der Geschwindigkeitsvektor ist, K die kinetische Energie des einfach geladenen Ions und m die Masse des Ions. Für mehrfach geladene Ionen ist q die Ladung auf dem Ion und geht in beide Beziehungen, die oben gezeigt sind, ein.
Eine Kombination der beiden Beziehungen und die Verwendung gleichmäßiger magnetischer Felder zeigen, daß die Ionen Kreisbahnen beschreiben, und zwar in Abhängigkeit von ihrem Masse-zu-Ladungsverhältnis. Die kreisförmigen Flugbahnen für einen Magnetaufbau mit einem 90º-Sektor werden wie folgt beschrieben:
r = m·v/q·B,
wobei r der Radius eines Ions mit einer Ladung q ist, m die Masse und v die Geschwindigkeit, welche in einem gleichförmigen Magnetfeld B beschrieben werden. Dies führt zu einer physikalischen Verschiebung des Ions in Abhängigkeit von seinem Masse- zu-Ladungsverhältnis, und es kann eine Detektoranordnung verwendet werden, um das aufgefächerte Ionenspektrum einzufangen. Dieses System kann auch abgetastet werden durch Verändern des Magnetfelds oder der Energie der Ionen. Eine schematische Darstellung des magnetischen Sektormassenfilters 47 ist in Fig. 3 gezeigt. Die Detektoranordnung 49 ist senkrecht angebracht zur Eintrittsöffnung 51 der Ionenstrahlrichtung für diesen 90º-Sektoraufbau. Die Detektoranordung 49 ist auf einer Linie angeordnet, welche relativ zur Magnetpolstirnfläche 53 aufgrund der Fokussierungseigenschaften des Magnetfeldes geneigt ist. Die Tonendetektoren 55 sollten längs der Brennebene angeordnet sein, um Nutzen aus den fokussierten Ionenstrahlen zu ziehen, um die größtmögliche Auflösung des Systems zu erreichen.
Der Massenbereich des Filters 47 vom magnetischen Sektortyp ist begrenzt durch die magnetische Feldstärke und die Länge der Polstirnfläche 53, über welche die Ionen wechselwirken können. Aufgrund der kleinen Lücken, welche in einem mikrobearbeiteten System erreichbar sind, können mit Permanentmagnetmaterialien hohe magnetische Felder erzeugt werden. Die mittlere freie Weglänge ist auch zu beachten. Um eine kollisionsfreie Umgebung zu erzielen, wird das Massenfilter 47 typischerweise auf niedrige Drücke evakuiert. Um eine mittlere freie Weglänge von einem Zentimeter zu erzielen, müssen die Drücke unter 1,33 Pa (1 · 10² Torr) liegen. Ein Zentimeter ist für das Massenfilter eine vernünftige Größe, um in einer Siliziummikroelektronikfertigung integriert werden zu können. Aufgrund dieser Größenbeschränkung werden Ionenenergien zwischen 1 und 10 Elektronenvolt und magnetische Feldstärken von bis zu 0,8 Tesla verwendet, wobei der Massenbereich eines Filters 47 für ein magnetisches Bereichsfilter sich zwischen 1 u bis ungefähr 300 u bewegt. Die Auflösung eines solchen Systems beträgt zwischen 1 u bis 300 u. Höhere Ionenenergien ermöglichen es, mit dem System breitere Bereiche abzutasten.
Das Filter 47 vom Magnetsektortyp ist ein Beispiel für einen mikrobearbeiteten Massenspektrographen 1, welcher hergestellt werden kann mit herkömmlichem Silizium für Photolithographietechniken. Dies ermöglicht die Miniaturisierung und eine niedrige Leistung, um Erfassungsanwendungen unter Verwendung von Massenspektrometertechniken auszudehnen. Für Anwendungen bei hohen Temperaturen kann Siliziumkarbid als passendes Substrat sowie andere ätzbare oder maschinell bearbeitbare Gläser und Keramiken verwendet werden.
Ein kompakteres Massenfilter, welches als Wien-Filter bekannt ist und in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, kann erzielt werden durch Anordnen eines gleichförmigen elektrostatischen Feldes senkrecht zu sowohl dem Ionengeschwindigkeitsvektor als auch dem magnetischen Feld. Das elektrostatische Feld kann bei dieser Anordnung polarisiert sein, so daß die vom elektrostatischen Feld ausgeübte Kraft der Kraft entgegenwirkt, welche durch die Wechselwirkung zwischen dem Ionenstrom und dem magnetischen Feld entsteht. Die Kraft auf ein Ion folgt der folgenden Beziehung:.
F = q·E + q·(v · B),
wobei F der Kraftvektor ist, q die Ladung des Ions, E der elektrostatische Feldvektor, v der Geschwindigkeitsvektor des Ions und B der magnetische Flußdichtevektor. Für monoenergetische Ionen und gleichförmige Felder sorgt dies dafür, daß ein Ion längs der Mittellinie des Filters unabgelenkt fliegt, wobei Ionen, welche langsamer sind zu einer Seite hin aufgefächert sind und Ionen, welche schneller fliegen, zur anderen Seite hin aufgefächert sind. Dies ermöglicht es, ein geradlinig verlaufendes System herzustellen, bei dem die Ionendetektoranordnung am Ende der Kammer angebracht ist, an Stelle eines Systems, bei dem die Ionendetektoranordnung an einer Wand angebracht ist, die senkrecht ist zu der ursprünglichen Flugbahn der Ionen bevor diese in das Massenfilter treten.
Das Wien-Filter verwendet einen Permanentmagneten 57, was den Leistungsverbrauch reduziert. Wie in Fig. 4 gezeigt, hat dieser Permanentmagnet 57 obere und untere Polschuhe 57a und 5%, welche die Substrathälften 25a und 25b einschließen und ein magnetisches Feld erzeugen, welches senkrecht ist zur Flugbahn der Ionen. Das senkrechte elektrische Feld des Wien-Filters wird hergestellt durch gegenüberliegende Elektroden 59, welche auf den Seitenwänden 61 des Massenfilterbereichs 35 der Kavität 29 ausgebildet sind. Wie in den Fig. 2 und 4 gezeigt, sind zusätzliche Paare von gegenüberliegenden Anpassungselektroden 63 längs der oberen und unteren Wände des Massenfilterbereichs 35 der Kavität 29 angeordnet. Ein Spektrum von Spannungen wird auf diese zusätzlichen Elektroden angelegt, um das elektrische Feld zwischen den Elektroden 59 gleichförmig zu machen. Diese zusätzlichen Elektroden 63 bestehen aus nichtmagnetischem, elektrisch leitendem Material, wie zum Beispiel Gold, so daß sie nicht mit dem magnetischen Feld interferieren, welches durch den Permanentmagneten 57 erzeugt wird. Diese Elektroden 63 sind auf einer Isolationsschicht aus Siliziumdioxid 64a und 64b abgeschieden, welche die Kavität 29 auskleiden.
Als eine Alternative zum Permanentmagneten 57 kann das Magnetfeld für den Wien-Filter durch einen magnetischen Film 65 erzeugt werden, welcher auf den isolierenden Siliziumdioxidschichten 64a und 64b auf der oberen und unteren Wand des Massenfilterbereichs 35 der Kavität 29 abgeschieden ist, wie in Fig. 5 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die Elektroden 63 zur Anpassung des elektrischen Felds auf einer Isolationsschicht des Siliziumdioxids 66a und 66b abgeschieden, welches den magnetischen Film 65 bedeckt.
Ein zweites alternatives Wien-Filter ist in der Fig. 6 gezeigt. Bei dieser schematischen Darstellung ist die obere Magnetpolstirnfläche aus Gründen der Klarheit entfernt, während die untere magnetische Polstirnfläche 57b gezeigt ist. Das Joch des Magneten 57 ist außerhalb des Substrats des Massenspektrometers 1 angebracht. Gegenüberliegende Elektroden 63 und Magnetpolstirnflächen 57 wirken auf den Ionenstrahl ein, um eine Reihe von Ionenflugbahnen 68 zu erzeugen, welche durch die Detektoranordnung 17 aufgefangen werden.
Mit den Permanentmagneten 57a und 57b bietet das Wien-Filter eine nichtkonstante Auflösung, welche von der magnetischen Feldstärke abhängt, sowie von der Ionenenergie und der magnetischen Pollänge. Für 0,6 Tesla Magneten 57 und eine Pollänge von 7,5 und 10 mm ist die Auflösung und die Massenfensterbreite in Fig. 7 gezeigt. Die Massenfensterbreite wird begrenzt durch die Notwendigkeit, die zykloidförmigen Flugbahnen der Ionen mit Geschwindigkeiten abzuschließen, welche deutlich anders sind als die der nichtabgelenkten Ionen, wie in Fig. 8 gezeigt. Diese Analyse offenbart, daß eine elektrostatische Feldplattenbreite von 1.500 Mikrometer ideal ist und als Größe für das Wien-Filter dienen sollte. Wie in Fig. 8 gezeigt, werden für ein Ion mit einem Masse-zu- Ladungsverhältnis von 50, welches in einem 0,6 Teslafeld nicht abgelenkt werden soll, Ionen von einem Masse-zu-Ladungsverhältnis von 10 bis 20 im physikalischen Raum sehr nahe an einem Ort niederfallen, wo Ionen mit einem Masse-zu-Ladungsverhältnis von 50 landen sollten, falls das Filter hinsichtlich seiner Breite nicht restriktiv wäre. Mit einer Halbbreite von 750 Mikrometer würden diese Ionen auf der elektrostatischen Feldplatte landen und diese neutralisieren, wodurch sie nicht am Ende des Filters der Ionendetektoranordnung gesammelt werden könnten.
Aufgrund der Fähigkeit entweder die elektrischen oder magnetischen Felder abzutasten, kann das Wien-Filter mit praktikabler Auflösung über einen großen Massenbereich hinweg verwendet werden. Zum Erfassen von atmosphärischem Gas könne Moleküle unter 650 u Molekulargewicht leicht mit einem ein Zentimeter langen Magnetfeld mit einer Magnetfeldstärke von größer als 0,4 Tesla aufgefächert werden. Höhere magnetische Felder werden benötigt, um Auflösungen von einem u bis hunderten von u zu erhalten.
Die bevorzugte Ausführungsform des Massenfilters 11, welches als doppeltfokussierendes Filter 67 bekannt ist und in den Fig. 9a und 9b gezeigt ist, trennt Ionen gemäß ihren jeweiligen Masse-zu-Ladungsverhältnissen durch die Verwendung von elektrostatischen und magnetischen Feldern, welche auf dieselben Ionenstrahlen über verschiedene Bereiche der Ionenflugbahn einwirken. Dies wird herkömmlicherweise als doppelfokussierendes Massenspektrometer bezeichnet, wohingegen sowohl der Magnetsektor als auch das Wien- Filter als einfachfokussierende Massenspektrometer bekannt sind.
In dem doppelfokussierenden Filter 67 wird das elektrostatische Feld zunächst in einem elektrostatischen Filterbereichsanalysatorabschnitt 69 angelegt, und dann wird das magnetische Feld in einen magnetischen Filterbereich 71 angelegt. Konstante elektrostatische Felder für sich alleine werden einen monoenergetischen Strahl nicht gemäß seinem Masse-zu-Ladungsverhältnis separieren, es sei denn, der Ionenstrahl besäße bereits eine räumliche Aufteilung der Ionen gemäß ihrem Masse-zu-Ladungsverhältnis. Ein elektrostatisches Feld separiert Ionen aufgrund ihrer Energien und ergibt dann einen fokussierten, monoenergetischen Strahl des Magnetfelds. Dies ermöglicht höhere Auflösungen, üblicherweise größer als 1 u bis 5.000 u. Die beiden am meisten verwendeten doppeltfokussierenden Massenspektrometer sind schematisch in Fig. 9a und 9b gezeigt.
Die Verwendung eines separaten elektrostatischen Analysators vor dem Massenanalysator hat weiterhin den Vorteil, daß Ionenquellen verwendet werden können, welche Ionen mit einem Spektrum unterschiedlicher Energien erzeugen können, wie zum Beispiel elektrische Entladungen. Der elektrostatische Analysator bietet einen Ionenstrahl dessen Energien aus einem engen kinetischen Energieband stammen. Die Anordnung eines elektrostatischen Analysators zwischen Ionenquelle und einem Massenanalysator kann mit dem Wien-Filter oder dem magnetischen Analysator verwendet werden.
Das doppeltfokussierende Filter ist ähnlich zu dem zuvor diskutierten Wien-Filter, erfordert aber die Herstellung von gekrümmten Elektroden oder abschnittsweise unterteilten Elektroden, um das elektrostatische Feld gemäß einem gekrümmten Muster zu erzeugen. Das Formen der Pole wird ebenfalls für das magnetische Feld benötigt. Höhere Auflösungen sind mit dieser Anordnung möglich, aber die Gesamtlänge ist im wesentlichen nahe bei der doppelten Länge, welche für das Wien-Filter benötigt wird. Eine Detektoranordnung 73 ist an das Ende des magnetischen Filterbereichs 71 angebracht. Aufgrund der Notwendigkeit für eine präzise Ausformung der Felder, um die höheren Auflösungen zu erreichen, ist das doppeltfokussierende Filter 67 in seiner Herstellung komplizierter als entweder das magnetische Bereichsfilter oder das Wien-Filter, es kann aber mit Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden.
Die Miniaturisierung des Massenfilters 11 erfordert die präzise Anordnung und Größenfestlegung der ionoptischen Blenden relativ zum Massenfilterbereich 35. Die ionenoptischen Blenden 9 bestimmen die Größe des Ionenstrahls 13 und den Aufnahmewinkel des Massenfiltersystems 11. Diese bestimmen die minimale Brennpunktgröße, welche in dem Detektorbereich 37 erzielbar ist und somit die minimale Verschiebung, welche benötigt wird, um zwei nah beieinanderliegende Peaks aufzulösen. Mikrobearbeitung von Silizium ermöglicht die Anordnung von Blenden in der Größenordnung von Mikrometern in präziser Weise zwischen dem Ionisationsbereich 33 und der Eintrittsöffnung in das Massenfilter 35. Die Verwendung einer Detektoranordnung 17 macht es auch nötig, daß die Ionenoptische Steuerung 9 vor dem Massenfilter 11 liegt.
Für den vorliegenden Aufbau wird eine zehn Mikrometer breite Blende 9 verwendet, welche einer Strahlbreite 13 von 10 Mikrometern am Detektor 17 entspricht. Dies bedeutet, daß die Ablenkung, welche benötigt wird, um Peaks aufzulösen, in der Größenordnung von 20 Mikrometern liegt, welche für ein 1 cm langes magnetisches Feld mit einer Stärke größer als 0,4 Tesla leicht erzielt werden kann.
Deshalb ist die Kombination der kleinen Größe der ionenoptischen Blende 9 und die genaue Ausrichtung der Blende 9 relativ zum Massenfilterbereich 35 nötig, um die Herstellung von kleinen Massenspektrographen 1 zu ermöglichen. Die Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken führt zu einer praktisch verwendbaren Vorrichtung, welche bei niedrigen Kosten und mit hohen Stückzahlen hergestellt werden kann.
Während besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert worden sind, wird es für den Fachmann auf dem Gebiet der Technik einleuchtend sein, daß vielfältige Abwandlungen und Alternativen zu den diskutierten Details anhand der Lehren der Gesamtoffenbarung entwickelt werden können. Die besonders offenbarten Anordnungen dienen also nur zu Illustrationszwecken und sollen den Schutzbereich der Erfindung nicht beschränken, welcher vollständig wiedergegeben wird durch die gesamte Breite der nachfolgenden Ansprüche und ihrer Äquivalente.

Claims

1. Festkörpermassenspektrograph zum Analysieren einer Gasprobe, welcher ein Halbleitersubstrat (25) mit einer darin untergebrachten Kavität (29) aufweist, einen Gasionisierer (33) und ein Massenfilter (35), welche in der Kavität untergebracht sind, wobei das Massenfilter ein elektromagnetisches Feld in der Kavität erzeugt und einen ionisierten Anteil der durch den Gasionisierer erzeugten Gasprobe auf Grundlage eines Masse-zu-Ladungsverhältnisses filtert, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenfilter Mittel (71) umfaßt zum Anlegen eines magnetischen Felds an Ionen, wobei weitere Mittel (69) bereitgestellt sind zum Anlegen eines elektrostatischen Feldes an Ionen, wobei die Mittel zum Anlegen des elektrostatischen Feldes auf die Ionen einwirken, bevor auf die Ionen durch die Mittel zum Anlegen eines magnetischen Feldes eingewirkt wird.

2. Massenspektrograph nach Anspruch 1, welcher weiter eine Detektoranordnung (37; 73) umfaßt, die am Ende des Massenfilters angebracht ist.

3. Massenspektrograph nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kavität weiterhin eine ionenoptische Blende (9) umfaßt, wobei die ionenoptische Blende zwischen dem Gasionisierer und den Mitteln zum Anlegen eines elektrostatischen Feldes (71) angebracht ist, wobei eine zehn Mikrometer breite Blende in der Kavität angebracht ist, um als diese Blende zu dienen.

4. Massenspektrograph nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher weiterhin einen Einlaß (31) umfaßt, wobei das elektromagnetische Feld, welches durch das Massenfilter erzeugt wird, dafür sorgt, daß die Ionen einen vorbestimmten Abschnitt einer kreisförmigen Flugbahn durchlaufen.

5. Massenspektrograph nach Anspruch 2, wobei das Massenfilter weiterhin einen Magnetpolschuh (53; 57) umfaßt zum Erzeugen des Magnetfelds, wobei die Detektoranordnung (49; 17; 73) relativ zum Polschuh in dazu geneigter Weise angeordnet ist.

6. Massenspektrograph nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher weiterhin zwei Elektrodenpaare (59, 63) umfaßt, wobei eine jede Elektrode in einem jeden Paar der Elektroden an sich gegenüberliegenden Seiten in dem Massenfilterabschnitt der Kavität angebracht ist.

7. Massenspektrograph nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Massenfilter weiterhin einen Permanentmagneten (57) umfaßt, welcher in dem Substrat untergebracht ist um ein Magnetfeld senkrecht zur Flugbahn der Ionen zu erzeugen.

8. Massenspektrograph nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welches weiterhin einen Magnetfilm (65) umfaßt, welcher auf der oberen und unteren Wand des Massenfilterbereichs (35) der Kavität (29) angebracht ist sowie ein Paar von Elektroden (63), wobei der Magnetfilm ein Magnetfeld senkrecht zur Flugbahn der Ionen erzeugt.

9. Massenspektrograph nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welcher weiterhin einen Permanentmagneten (57) umfaßt, dessen Joch an der Außenseite des Substrats angebracht ist, wobei der Permanentmagnet ein Magnetfeld senkrecht zur Flugbahn der Ionen erzeugt.

10. Massenspektrograph nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Anlegen eines elektrostatischen Feldes einen elektrostatischen Filterbereich (69) umfassen, und wobei die Mittel zum Anlegen eines Magnetfeldes einen magnetischen Filterbereich (71) umfassen.

11. Massenspektrograph nach Anspruch 9, wobei der elektrostatische Filterbereich einen elektrostatischen Analysator (69) umfaßt.

12. Massenspektrograph nach Anspruch 1, welcher weiterhin ein Paar von Anpassungselektroden (63) umfaßt, welche auf sich gegenüberliegenden Seiten des Massenfilterbereichs der Kavität angebracht sind, wobei die Anpassungselektroden während der Herstellung des Massenspektrometers ausgebildet worden sind.