JPH10512997A - 小型化した質量分析器の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 サンプルガスを分析する半導体質量分析器を製造する方法は、複数の空洞が形成された基板、好ましくは半導体基板を備えている。これら各空洞は、質量分析器の異なる構成要素が配置される室を形成する。各空洞の間には、各室の間を相互につなぐ通路を形成する複数のオリフィスが形成される。空洞の内側には、基板と後に空洞内に形成される電極との間のセパレータとなる誘電体層が配置される。空洞の１つにはイオン化装置が配置され、他の空洞にはイオン検出器が配置される。質量分析器のインターフェース及び制御用の電子機器を含む回路基板に成形された基板が取り付けられる。好ましくは、基板は、２つの半体から成形され、室が各半体の対応する構造に形成される。基板半体は、構成要素が内部に配置された後、一体に接着される。

Description

【発明の詳細な説明】 小型化した質量分析器の製造方法 発明の分野 本発明は、ガス検知センサに関し、より詳しくは、半導体基板上に微細加工を 施した半導体質量分析器に関するもので、より一層詳しくは、上記のような半導 体質量分析器を製造する方法に関する。 先行技術情報 気体試料中に存在する分子の量や種類の同定に、近年では種々の装置を利用す ることができる。そのような装置の一つに質量分析器がある。 質量分析器は、ガス試料中に存在する分子の量や種類をそれらの質量やイオン 信号の強度の測定によって同定している。この同定は、少量の試料をイオン化し 、これに電場及び／又は磁場をかけてイオンの電荷量と質量の比を求めることに よって行われる。従来の質量分析計は、装置が大きく架台の上に載せて使用する 大きさのものである。そして従来の質量分析計は、重量があって（１００ポンド 、約４５キロ）高価でもある。従来の質量分析計の大きな特長は、それらがどの ような種類でも使用することが出来ることである。 ガス試料中に存在する分子の量や種類の同定に使用される他の装置としては、 化学センサがある。そのようなセンサは低価格で購入することが出来るが、個々 の測定環境で使用する毎に較正を必要とし、しかも測定出来る化学物質の種類も 限定される。従って、複合した環境下では複数のセンサが必要となる。 従って、どのような環境でも使用でき、低価格のガス検知センサが必要とされ ている。１９９３年９月２２日出願の米国特許出願第０８／１２４，８７３号は 、この明細書に参考文献として合体させるが、半導体基板上に施すことが可能な 半導体質量分析器を開示している。第１図は、このような質量分析器１の機能ダ イヤグラムを示している。この質量分析器１は、サンプルガス中の複数の組成成 分を同時に検出できる。このサンプルガスは、ガスサンプリング路を塞ぐ粒子を 捕 捉するダストフィルタ３を通って分析器１に入る。次いで、サンプルガスは、サ ンプルオリフィス５を通ってガスイオン化装置７に移動し、この装置７において 、電子衝撃、核崩壊からのエネルギー粒子(energetic paticles)により、あるい は、高周波誘起プラズマ中でイオン化される。イオン光学素子９は、質量フィル タ１１を介してイオンを加速し収束させる。質量フィルタ１１は、イオンビーム に強い電磁界を加える。主に磁界を利用する質量フィルタは、小型質量分析器に 最適と思われる。約１テスラ（１０，０００ガウス）の所要の磁界が、コンパク トな永久磁石設計にて容易に達成できるからである。同一エネルギに加速された サンプルガスのイオンは、質量フィルタ１１内で、イオン走行方向に対して垂直 の均一磁界に晒されたときに、円形の経路を描く。この経路の円弧半径は、イオ ン質量と電荷との比率に依存する。質量フィルタ１１は、好ましくはウィーンフ ィルタ(Wien filter)で、このフィルタでは、交差した電界と磁界とが一定速度 でフィルタ処理されたイオンビーム１３を生じさせる。このイオンビーム１３に おいて、イオンは、第１図の平面にある分散面内で質量／電荷比率に従って分散 される。 真空ポンプ１５は、質量フィルタ１１中に真空を生じさせて、イオンに対して 非衝突環境を提供する。この真空は、衝突によるイオン軌跡誤差を防ぐために必 要である。 質量フィルタ処理されたイオンビームは、イオン検出器１７で集められる。好 ましくは、イオン検出器１７は、サンプルガスの複数の組成成分を同時検出可能 とするリニア配列の検出器要素である。マイクロプロセッサ１９は、検出器出力 を解析し、イオンの速度および質量に関連する周知のアルゴリズムを用いて、サ ンプルされたガスの化学的構造を判別する。マイクロプロセッサ１９による解析 の結果は出力装置２１へ提供される。出力装置２１は、アラーム、ローカルディ スプレイ、トランスミッタ及び／又はデータ記憶装置から構成できる。ディスプ レイは、第１図に２１で示す形式をとることができ、ここで、サンプルガスの組 成成分が、原子質量単位（ＡＭＵ）で計測されるラインによって同定される。 好ましくは、質量分析器１は、第２図に示すように半導体チップ２３で実施さ れる。好適な分析器１において、チップ２３は長さが約２０ｍｍであり、幅およ び厚さが０．８ｍｍである。チップ２３は、長手方向に延びる分割面２７ａ，２ ７ｂに沿って接合される２つの半体２５ａ，２５ｂに形成された半導体材料の基 板を備えている。２つの基板半体２５ａ，２５ｂは、分割面２７ａ，２７ｂにお いて細長い空洞２９を形成している。この空洞２９は、入口部３１、ガスイオン 化部３３、質量フィルタ部３５および検出部３７を有している。基板に形成され た多数の仕切３９は、室４１を形成する空洞２９を横断して延びている。空洞２ ９を介してガス経路を画成する半部２５ａの仕切３９の整列させた複数の孔４３ によって、これらの室が相互に接続されている。真空ポンプ１５は、対向面２７ ａ、２７ｂに形成された側方通路４５を介して室の各々に接続されている。この 装置構成により、室４１のディファレンシアルポンピング(differential pumpin g)を提供し、ミニアチュア真空ポンプをもって、質量フィルタ部および検出部で 必要とされる圧力を達成可能とする。 空洞２９の入口部３１には、多孔性シリコンまたは焼結金属から構成可能なダ ストフィルタ４７を備えている。入口部３１は、孔付きの仕切３９を幾つか含み 、従って、幾つかの室４１を含んでいる。 質量分析器１の小型化は、このような装置の製造に種々の困難を招来している 。従って、小型化した質量分析器を製造する方法が求められている。 発明の概要 サンプルガスを分析する半導体質量分析器を形成する方法が提供され、その方 法においては、複数の空洞が基板上に形成されている。これらの空洞の各々は、 質量分析器の異なる構成要素が配置される室を形成する。複数のオリフィスが各 空洞の間に形成され、各室の間を相互につなぐ通路を形成している。これらの空 洞の内側には、後に空洞に置かれる基板と電極との間のセパレータとなる絶縁層 が配置されている。イオン化装置は、複数の空洞の１つに配置され、イオン検出 器は他の空洞に配置される。成形された基板は、質量分析器のインターフェイス や制御用の電子機器を含む回路基板に取り付けあるいは接続されている。好まし くは、基板は２つの半体に成形され、複数の室は各基板半体における対応する配 置に成形される。基板半体は、複数の構成要素がその中に配置された後、１つに 接着される。 図面の簡単な説明 本発明は、添付図面を参考に、以下の好ましい実施の形態の記載から十分に理 解されるであろう。 第１図は、本発明によって製造された半導体質量分析器の機能ダイヤグラムで ある。 第２図は、内部構造を示すために見開いた本発明によって製造された質量分析 器の２つの半体の斜視図である。 第３ａ図と第３ｂ図は、本発明によって製造された電子エミッタの模式的な側 面図と上面図である。 第４図は、第２図の質量分析器の部分縦断面図である。 第５ａ図と第５ｂ図は、本発明の質量分析器に回路基板と永久磁石とを一体化 した状態を模式的に示す斜視図である。 第６図は、第２図の質量分析器の模式的な断面図である。 好適実施例の説明 質量分析器１の主な構成要素は、ミクロ電子装置技術や微細加工の組み合わせ によってシリコンから首尾良く小型化され、製造された。この発展に起因する形 状と重量の劇的な減少は、実験室用質量分析器の十分な機能性をもってハンディ (hand held)な化学センサの製造を可能にする。 好ましい製造方法はバイリシック(bi-lithic)な集積を利用しており、質量分 析器１の複数の構成要素は、第２図に示す２つの別々で、完全な装置を形成する ために一体に接着されるシリコンウェハ２５ａ，２５ｂ上に組み上げられる。主 要 なシリコンミクロ電子構成要素(silicon microelectronic components)を現代の 電子パッケージング技術並びに素材、例えば、ＬＴＣＣ，ＦＯＴＯＦＯＲＭガラ ス及びＬＩＧＡを用いて組み上げられた構造物に合体させる他の技術も使用する ことができる。 質量分析器１の必須半導体構成要素は、イオン化装置７用の電子エミッタ４９ とイオン検出器アレー１７である。他の構成要素は、シリコンと同様に他の素材 上に形成することが可能な薄膜絶縁体と導体電極パターンである。 第３ａ図と第３ｂ図は、ｐ＋基板５５上に配置されたｎ＋＋の浅いインプラン ト(implant)５３によって形成された浅いｐ−ｎ接続５１を有する電子エミッタ ４９を示す。ｎ＋拡散領域５７は、基板５５中に配置されている。ｐ＋ホウ素か らなる随意のインプラントや例えば、アンチモンのｎ＋＋インプラントが配置さ れる拡散領域５７にオープニング５９が形成される。電子エミッタ４９は、逆バ イアスにおける降伏(breakdown)の間に表面から電子を放射する。放射された電 子は、適正にバイアスがかけられ、ゲート絶縁体６５に載置されたゲート６３と イオン化装置の室の上半分に配置されたコレクタ電極とによってシリコン表面か ら加速させて遠ざけられる。 第４図は、ＭＯＳスイッチアレイ６９あるいは電荷結合素子(CCD)６９によっ て読み取られるＭＯＳキャパシタ６７を有する検出アレイ１７を示す。検出アレ イ１７は、イオン電荷７３を集める１対のファラデイカップ(Faraday cup)電極 ７１から形成されるファラデイカップの配列体に接続されている。 バイリシックな構成を示す小型質量分析器１の内部を第２図に示す。ここで、 質量分析器１の種々のパーツの３次元形状は、イオン化装置７及び検出アレイ１ ７の位置と共に示されている。好ましくは、質量分析器１はシリコンから作る。 あるいは、イオン化装置７と検出アレイ１７とがこの装置の他の非電子構成要素 を含む他の素材から組み立てられる構造に搭載される混成的な(hybrid)アプロー チも使用可能である。 第５ａ図に示すように、バイリシック(bi-lithic)な構造７５の上部品２５ａ と下部品２５ｂは、一体に接着され、制御及びインターフェース用の電子機器を 含む板７７に搭載される。次に、この板７７は、第５ｂ図に示すように、永久偏 向磁石７９に挿着される。シリコン質量分析器構造には電子回路をモノリシック に集積することもできるし、あるいは、混成の質量分析器あるいは全ての質量分 析器構造に混成的に電子回路を接続することもできる。 第６図には、全てがシリコンの質量分析器１の断面が示されている。上シリコ ン部品２５ａと下シリコン部品２５ｂは、図示していないが、インジウムバンプ 及び／又はエポキシ樹脂で接着されていることが好ましい。全てがシリコンの質 量分析器１を組み立てる第１ステップは、シリコン基板２５における配列マーク のエッチングである。このエッチングは、シリコン基板２５の立体構造に関する エッチング形状の適切な配列を保証する。配列マークがエッチングされたら、シ リコン基板２５の各半体２５ａ，２５ｂにエッチングによって深さ４０μｍの井 戸を複数形成し、主要な室を複数形成する。これらの井戸は、水酸化カリウムエ ッチング剤あるいはエチレンジアミンピロカテコール(EDP)等の異方性エッチャ ントを用いて形成される。室用の深い井戸が複数の形成された後、複数の室の間 にエッチングによって深さ１０μｍのオリフィスを複数形成する。これらのオリ フィスも、異方性エッチャントを用いて形成する。 全ての主なエッチングが終了したら、金属被覆処理を助けるために、酸化物成 長とこれに引き続くエッチングを施してシャープエッジに丸みをつける。他の酸 化物成長は、電極８３から基板半体２５ａ，２５ｂを分離する誘電体８１を形成 する。前述の第３ａ図及び第３ｂ図に示すｎ＋拡散層５７は、イオン化装置７を 定義するために基板２５中に拡散される。次に、イオン化ゲート誘電体が、窒化 物あるいは酸化物等の誘電体層を蒸着(depositing)させて形成される。次いで、 アンチモンインプラントが、イオン化装置エミッティングジャンクション(ioniz er emitting junction)を定義するために形成される。随意のホウ素のｐ＋層６ １は、浅いｐ−ｎジャンクション５１をよりよく定義するためインプラントされ る。 イオン化装置が形成されたら、イオン化装置と配線(interconnect)を厚さ５０ ０オングストローム（５０ｎｍ）のクロム層、引き続いて厚さ５０００オングス トローム（５００ｎｍ）の金の層を蒸着(depositing)させて、金属被覆処理する ことができる。イオン化装置の表面処理(passivation)は、厚さ１００オングス トローム（１０ｎｍ）の金の層あるいは他の好適な素材を蒸着(depositing)させ て行われる。 厚さ５μｍのインジウム層は、インジウムのバンプを形成するために基板半体 ２５ａ，２５ｂ上に蒸着できる。次に、基板半体２５ａ，２５ｂは接着され、ハ ーメチックシール８５で封じ込まれる。 利用したこれらの処理は、非平面形状を均一にコーティングするときに必要な スプレイレジストアプリケーション(spray resist application)や深さ４０μｍ の井戸の底に電子エミッタや電極構造を形成するときに用いられるフォトリソグ ラフ技術を除いて、あらゆる微小電子機器組立施設において見られる。 第２図に示した構造は、イオン化装置７とイオン検出器１７を除き、混成の態 様で挿着されたイオン化装置７とイオン検出器１７について他の種々の手段によ って組み立てることができる。この組立に使用できる技術は、金属やセラミック からなる構造を形成する機械的なアプローチがある。機械的に形成される最小の 形状サイズは、全てのシリコン装置で使用されるイオン光学素子の孔の幅１０μ ｍよりも２倍だけ大きい約２５μｍ（０.００１”）である。従って、全てシリ コンの質量分析器１より数倍大きいであろう混成の質量分析器を組み立てること は可能であるが、従来の実験室用質量分析器よりも依然として何倍も小さい。放 電加工やＥＤＭ技術は、金属で妥当な値段で２５μｍの形状サイズを達成するた めに使用できる。複数の誘電体絶縁層は、イオン化装置の電極、質量フィルタ及 びファラデイカップ領域を金属から絶縁するために必要である。 プラスチックあるいはガラスのような誘電体からの質量分析器構造の組立は、 いくつかの絶縁層を除去することができるので、注意を引く。シリコンは低抵抗 率の半導体であるので、全てシリコンの質量分析器においていくつかの誘電体層 が電極の接地を避けるために使用されている。ＬＩＧＡは、要求される機械的及 び真空特性に関し、誘電体として役立つためにプラスチック用の成形体を形成す るのに使用される。あるいは、コーニング社製のＦＯＴＯＦＯＲＭブランドガラ スのような紫外線感光ガラスも誘電体として使用できる。 ＬＩＧＡ及び準ＬＩＧＡ(quasi-LIGA)は、シンクロトロン放射や短波長紫外線 を用いたフォトリソグラフ技術によってフォトレジストやRohm ＆ Haas 社のメ チルメタクリレートプラスチック（商標名プレキシグラス）のような他のプラス チック素材における顕微鏡幅の非常に高い縦横比（＞１００：１）構造をもたら すために開発された。これは、目下高価なプロセスであるが、一度精密な金型が 作成されると、多くの構造部材を安価に製造することができる。電極と配線(int erconnect)の金属被覆処理は、全シリコンの場合にはフォトリソグラフィによっ て明瞭に示すことができる。 紫外線感光ガラスは、フォトリソグラフ技術を用いて成形され、マスキング， 紫外線露光、そして半導体製造で使用される技術に類似したエッチング技術によ り２５μｍへ小型化することができる。 本発明の固有の実施例を詳細に説明したが、当業者はこれら詳細な説明につい ての種々の変形及び選択がこの開示における全ての教示に基づいて改良すること ができることを認めるであろう。従って、開示された特定の配置は、例示として のみの意味を持ち、どのようなそしてあらゆる等価物において追加請求項の全て の広さに与えられるであろう本発明の範囲を限定するものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブラッギンス，ティモシー ティー アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 15221，ピッツバーグ，ブラッシュクリフ ロード 1896 (72)発明者 ヤング，ロバート エム アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 15215，ピッツバーグ，オークハースト ロード 106 (72)発明者 フリードホフ，カール ビー アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 15668，マーリースヴィル，マーリー ハ イランズ サークル 3908

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． サンプルガスを分析する以下のステップを備えた半導体質量分析器を製 造する方法、 ａ） 半導体基板に複数の空洞を形成し、各空洞が室を形成するステップ、 ｂ） 前記各室の間を相互につなぐ通路を形成して前記複数の空洞の各々の間に 複数のオリフィスを形成するステップ、 ｃ） 前記複数の空洞の少なくとも１つに、内側に誘電体層(dielectric layer) を設けるステップ、 ｄ） 前記複数の空洞の少なくとも１つにイオン化手段を設けるステップ、及び ｅ） 前記複数の空洞の少なくとも１つにイオン検出手段を設けるステップ。 ２． 更に、前記半導体基板を回路基板に取り付けるステップを備え、前記回 路基板は、前記イオン化手段とイオン検出手段とを集約し制御する電子手段を含 んでいる請求項１の半導体質量分析器を製造する方法。 ３． 更に、前記回路基板の内部に永久磁石を取り付けるステップを備えてい る請求項２の方法。 ４． 前記半導体基板が、一対の基板半体と複数の対応する空洞とを有し、前 記各基板半体には複数の対応するオリフィスが設けられている請求項１の方法。 ５． 更に、前記イオン化手段と前記イオン検出手段が前記半導体基板に設け られた後、前記基板半体のそれぞれが接着されるステップを備えている請求項４ の方法。 ６． 前記複数の空洞と前記複数のオリフィスが、前記半導体基板にエッチン グによって設けられる請求項１の方法。 ７． 前記半導体基板がシリコンから形成され、前記エッチングに異方性エッ チャントが薬剤として使用される請求項６の方法。 ８． 前記異方性エッチャントが水酸化カリウム及びエチレンジアミンピロカ テコールの１つである請求項７の方法。 ９． 更に、前記半導体基板にエッチング配列がマークされる初期ステップを 備えている請求項１の方法。 １０． 前記イオン化手段が以下によって形成される請求項１の方法、 ａ） 前記複数の空洞の１つにｎ＋層を形成すること、 ｂ） 前記イオン化手段のエミッティングジャンクション(emitting junction) を形成(define)するためにアンチモン層をインプラントすること(implanting)、 及び ｃ） イオン化ゲート誘電体を形成するために絶縁体層を形成すること(deposit ing)。 １１． 更に、以下のステップを備えている請求項１０の方法、 ｄ） 浅いｐ−ｎジャンクションを形成(define)するためにホウ素のｐ＋層をイ ンプラントすること(implanting)。 １２． 更に、以下のステップを備えている請求項１０の方法、 ｅ） クロム層、引き続いて金の層を形成(deposit)させて前記イオン化手段を 金属被覆処理すること(metallizing)、及び ｆ） 金の層を形成(deposit)させて前記イオン化手段を表面処理すること(pass ivating)。 １３． サンプルガスを分析する以下のステップを備えた半導体質量分析器を製 造する方法、 ａ） 基板に複数の空洞を形成し、各空洞が室を形成するステップ、 ｂ） 前記各室の間を相互につなぐ通路を形成して前記複数の空洞の各々の間に 複数のオリフィスを形成するステップ、 ｃ） 前記複数の空洞の少なくとも１つに、内側に誘電体層(dielectric layer) を設けるステップ、 ｄ） 前記複数の空洞の少なくとも１つにイオン化手段を設けるステップ、及び ｅ） 前記複数の空洞の少なくとも１つにイオン検出手段を設けるステップ。 １４． 更に、前記半導体基板を回路基板に取り付けるステップを備え、前記回 路基板は、前記イオン化手段とイオン検出手段とを集約し制御する電子手段を含 んでいる請求項１３の半導体質量分析器を製造する方法。 １５． 更に、前記回路基板の内部に永久磁石を取り付けるステップを備えてい る請求項１４の方法。 １６． 前記イオン化手段が以下によって形成される請求項１３の方法、 ａ） 前記複数の空洞の１つにｎ＋層を形成すること、 ｂ） 前記イオン化手段のエミッティングジャンクション(emitting junction) を形成(define)するためにアンチモン層をインプラントすること(implanting)、 及び ｃ） イオン化ゲート誘電体を形成するために絶縁体層を形成すること(deposit ing)。 １７． 更に、以下のステップを備えている請求項１６の方法、 ｄ） 浅いｐ−ｎジャンクションを形成(define)するためにホウ素のｐ＋層をイ ンプラントすること(implanting)。 １８． 更に、以下のステップを備えている請求項１６の方法、 ｅ） クロム層、引き続いて金の層を形成(deposit)させて前記イオン化手段を 金属被覆処理すること(metallizing)、及び ｆ） 金の層を形成(deposit)させて前記イオン化手段を表面処理すること(pass ivating)。