TW200931015A - Electrode for an ionization chamber and method producing the same - Google Patents

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200931015 六、發明說明： 【發^明户斤屬領^^】 發明領域 本發明係有關於供離子化腔室所用之電極。 5 本發明更進一步有關於離子化腔室，其特別是有關離 子化檢測器。 此外，本發明係有關於製造供離子化腔室所用之電極 的方法。 10 發明背景 雖然氣相層析質譜儀(GCMS)係一監控及測定氣體樣 本組成物的一個堅固且可靠之技術，但其顯著的尺寸及成 • 本卻要求低廉而較小規模的檢測方法，目前感測器製造商 正利用顯微機械加工科技生產具備更先進檢測能力且能涵 15 蓋更廣泛先進應用領域的儀器。在持續使用成熟科技的同 1 時，車輛製造商正在增加其產品中所用之電子系統的複雜 % 性，許多製造商大聲疾呼要求化學感測器能提供諸如排放 廢氣的及時分析，並測定油氣回收系統中的碳氫化合物濃 度。 20 一般而言，氣體感測器係利用各式各樣完全不同的機 制運作，離子化感測器則利用鑑別不同氣體之離子化特徵 而運作，但其等均受限於龐大而笨重的構造。 【發明内容；J 發明概要 3 200931015 因此，可能需要提供一種供離子化腔室所用之改良式 電極、離子化腔室、以及供離子化腔室所用之電極的製造 方法’其中離子化腔室可具有較小尺寸，並可於低電壓下 運作。 5 為了符合上述需求，根據獨立項申請專利範圍所述提 供了一種供離子化腔室所用之電極、離子化腔室、以及供 離子化腔室所用之電極的製造方法。 根據一項示範實施例’提供了一種供離子化腔室所用 之電極，其中該電極包括有一由第一材料所組成之基板， 10以及多條自基板延伸、並藉由加工基板之第一材料而製成 的奈米線。 根據一項示範實施例，提供了一個離子化腔室，其中 該離子化腔室包括有一個如本發明一項示範實施例之電 極、一個空腔、以及一個額外電極，其中至少有一些或全 15部之奈米線的尖端區域乃伸入空腔内，且其中該額外電極 乃配置成使尖端區域和電極彼此面對著。尤其是，空腔可 於至少一側由額外電極所包圍，例如該額外電極可形成空 腔的一個細桿’且額外電極和尖端區域(例如奈米線未被電 介層所覆蓋的一個區域)可彼此面對著但不直接接觸、亦即 20 可彼此分開。 根據本發明一項示範實施例，提供了一個製作電極之 方法，其中該方法包括提供一基板，並將該基板製作圖案， 藉由加工該基板而形成多條自該基板延伸的奈米線。 在此申請案中，“離子化腔室，，一詞可能特別表示任何 200931015 適合將某一流體(例如氣體或流體)離子化，及（或）適合檢測 這種經離子化之流體的裝置或殼體，例如離子化檢測器。 這種離子化腔室可能特別適合耦接及（或）可能包括有一個 電壓或能量來源、例如一顆電池。 5 在此申請案中’“奈米線”一詞可能特別表示任何包括 或以導電材料製成的小型結構，尤其是，奈米線於第一或 縱向方向上之延長部分或尺寸可能大於垂直該縱向方向的 方向，因而形成一個線狀結構。此外，整條奈米線的尺寸 乃洛在低微米或次微米範圍内。舉例而言，縱向方向上的 10延長部分可介於數微米如大約20μιη與數奈米如5〇nm之 間’而奈米線的直徑可於大約2nm到大約200nm的範圍内。 尤其是，一條奈米線長度可能介於大約1〇〇ηιη和大約i〇pm 之間且直徑可能介於大約5nm和大約l〇〇nm之間。更詳細地 說，奈米線長度可能介於大約250nm和大約Ιμηι之間，而直 15 徑介於大約1 Onm和大約50nm之間。 相對於使用長成奈米線或奈米管（例如碳奈米管）的電 極而言’根據一項示範實施例之電極可提供一個利用已知 石夕科技製成的小尺寸電極。尤其是，使用已知石夕科技可降 低成本及（或）提高製程良率。尤其是當使用矽科技（例如 20 CMOS科技）時，由於先長成碳奈米管，然後固定於一基板 上，故可更容易地製作彼此之間具有預定或固定關係或排 列的一個奈米線陣列，因此能夠提供微米/奈米等級的裝 置，其等可利用積體電路製作科技製造成分立裴置或大型 陣列。因此，可使用較簡單、標準化的整合晶片部件科技。 200931015 尤其是，這種微米/奈米等級裝置可具備較低的耗電量且 不若已知大型裝置需要危險的高壓運轉。此外，可與CMOS 裝置相容的-個低操作電财提供封裝尺寸為幾職3之裝 置更快速的反應時間。藉將感測器整合㈣為電子_@ 5相同半導體基板上面(例如加工該基板而形成奈米線），可設 計和製造出這種微小檢測器或感測器。於是，可同時提高 信雜比和敏感度。由於標準的批量製程(如ic工業中所用 1 可用以製造裝置之電極與裝置本身，可在一次作業中生產 大量的相同感測器，因此能增加其效能/成本比。再者，感 1〇測器之小型化不僅有助於降低成本，且可將其和微電子電 路整合，因此能進一步提高其效能。 再者，甚至能夠將電極製程整合在整個微米/奈米等級 裝置（例如微米/奈米等級的_個離子化腔室或離子化檢測 器）的製程中，因而並不需要整合特殊的部件。尤其是，電 15 極之製程可為CMOS相容整合方案。 因此，可看出本發明之示範觀點的一項要點在於供感 測器及（或)離子化腔室所用之電極可配置多條奈米線，其等 可藉由加工一半導體基板而形成。此加工程序可利用眾所 周知的建構方式完成，例如利用已知的蝕刻製程。這種蝕 2〇刻製程尤其可將多條奈米線明確地排列於基板上面，因而 能提尚感測器效能^尤其是，可製造一個覆蓋電極(例如陰 極)之經垂直校準奈米結構陣列，其可能比傳統扁平式電極 更適合製造一致的奈米等級表面型態。 其次將說明本發明之進一步示範實施例。 200931015 於下述中，將說明供離子化腔室所用之電極的進一步 示範實施例，然而這些實施例亦適用於離子化腔室及製造 電極之方法。 項示範實施例，多條奈米線係利用蝕 刻法製成。由於可利用半導體科技中著名的蝕刻程序，因 此蝕刻去可為自基板製作出奈米線的有效方式故能達到 ❹ 10 15 鲁 相田间的奈米線再生性及排列精確度，再者，蝕刻程序可 完全整合至標準程序中。 根據電極之另一項示範實施例，至少有-些奈米線包 括有。個尖端區域。尤其是，尖端區域可利用—個圓錐形 尖端區域形成，例如可·—個线的尖卿成。若將尖 端彼此隔開成使各尖端的電場不會發生遮蔽或重叠則提 言尖其疋尖銳之尖端區域不失為產生極高電場 的-個合適方法。這種極高電場可降低料電壓，而使含 有这類電極之檢漏於職義子化時具有較高的敏感度 及（或)效能。因此能夠製作輕巧、以電池供電且操作安全的 這類檢測ϋ。尖銳的尖端其特徵尤其在於尖端之開口角度 可低於45 ’最好是低於3()。。舉例而言，開口角度可介於 10和25之間甚至更低，例如介於5。和1〇。之間。 根據電極之另一項示範實施例，第一㈣係-種半導 體材枓。尤其是，基底構件可為—半導體基板，例如石夕基 板或以鍺為材料而組成的基板。 根據電極之另一項示範實施例， 少部一尤其是，可 20 200931015 用TiSh、NiSi或CoSh)相態將部分奈米線矽化或金屬化。此 外，可將一些或全部奈米線部分地或完全矽化，舉例而言， 可僅將奈米線之尖端區域矽化，例如未被電介材料或電介 層覆蓋之尖端區域。 矽化物可增加奈米線的壽命及（或）進一步增加奈米線 之尖端區域内的電場。 於下述中，將說明離子化腔室的進一步示範實施例， 然而這些實施例亦剌於供離子化腔室所用之電極及製造 電極之方法。 10 15 根據離子化腔室之另一項示範實施例，其更包括有一 層電介層’其中該電介層係配置成使至少部分之 至少部分地被電介層所覆蓋。尤其是，電介層可以連續層 形式沈積於基底構件或基板上面的奈米線之間㈣成部八 地鈍化之奈米線。舉例而言，每條奈轉可包括_個連: 或接至基底構件的底部區域和—個具有圓_的尖端區 域’並形成或沈積電介層，而使至少-些奈米線、或者甚 至所有奈米線的底部區域可被電介層包圍或覆蓋，而 區域並未被電介層覆蓋，亦即脫離電介層。 根據另一項示範實施例 熱元件。 離子化腔室更包括有-個加 U之提供有助於離子化腔室的淨化，例女 淨化檢測11的—個空腔。尤其是，當製作及(或)操作麟 腔室時’提供這種加熱元件在涉及氣體之財 關情況下可派上用場。 ’脫明 20 200931015 5 Ο 10 15 ❹ 概括而言，根據本發明之一項示範觀點，可提供一個 供離子化腔室或感測器所用之電極，其包括有多條藉由加 工（例如蝕刻）一半導體基板（例如矽基板）而製成的奈米 線。奈米線可具有一個尖端區域，當有一電壓供應至奈米 線時，其形狀使其能在此尖端附近產生一個高電場。當整 合在一個感測器（例如氣體感測器）内時’可將奈米線整合在 一個加熱元件上面，有助感測器之淨化效果。因此’可提 供一個小尺寸、低耗能且高可靠度的離子化型式氣體感測 器。尤其是，離子化型式的感測器或離子化腔室並不受檢 測對主動層具有低吸附能或低陰電性之氣體時的困難度所 影響，該困難可能起因於使用氣體吸附型式的感測器。 使用根據本發明的一項示範觀點之電極的一個電極或 離子化型式感測器可用於廣泛之技術領域中’舉例而言’ 其可用於排氣管制大量成長之車厢空氣品質監測迅速成長 的汽車領域中，其亦可用於工業安全、流程控制及排氣監 測領域中。進一步之應用可能為醫學領域，例如在醫學診 斷中的呼吸及藥物領域。另一項技術應用玎為環境監測’ 例如微量氣體之監測，這些氣體在都市汚染中扮演了重要 角色，包括有CO、ΝΟχ、〇)2及1125。 由下文將敛述之實施範例，並參看實施範例加以說 明’則本發明之示範實施例及上述觀點及進一步觀點將可 清楚理解，應該注意的是，本申請案中所述關於本發明的 一個示範實施例或觀點之諸項特色，可和其他示範實施例 或觀點加以結合。 20 200931015 圖式簡單說明 以下將參看若干實施範例更詳細地說明本發明，但本 發明並不限於這些範例。 第1-7圖概略地繪示了根據本發明一項示範實施例製 5 作離子化腔室的程序。 第8圖繪示了根據一項示範實施例之電極顯微影像。 第9圖繪示了根據一項示範實施例之離子化腔室顯微 影像。 t實施方式3 10 較佳實施例之詳細說明 諸幅附圖中的例示圖乃概略圖，於不同附圖中，類似 或相同元件以類似或相同參考記號表示。 於下述中，將參看第1-7圖說明根據一項示範實施例製 作離子化腔室的程序之若干示範步驟。 第1圖繪示了基板100略圖，其包括有一個上面配置了 多條奈米線102、103及104的基底構件101。將一基板材料 如矽基板進行蝕刻可形成若干奈米線，至於蝕刻，每種已 知的蝕刻製程均可使用，例如用於CMOS製程中的蝕刻製 程。 奈米線102、103及104分別具有較尖銳的尖端105、106 及107,為了說明起見，第1圖中標示了一個角度108，該角 度108乃兩倍於尖端的開口角度。 第2圖繪示了在第1圖之基板1〇〇上方、特別是基底構件 101上面與部分奈米線周圍已經形成了一層電介層2〇9。電 200931015 介層可利用已知的製程形成，例如沈積法、CVD或類似方 法。 5 10 15 Ο 20 第3圖繪示了第2圖之基板100，其電介層2〇9已經平垣 化及（或）部分地移除，使奈米線的尖端區域露出而不再被電 介層包埋。 第4圖繪示了第3圖之基板100已經沈積一層例如由 SiOC製成的間隔界定層410’該層並已結構化或形成圖案。 尤其是’ SiOC層的一個厚度411可界定出金屬線尖端與離子 化腔室的一金屬板(例如額外的一電極)之間的間隙尺寸。 第5圖繪示了第4圖之基板1〇〇已經沈積並平坦化_層 犧牲層512’尤其是’犧牲層512可包括或由熱降解聚合物 (TDP)製成，並可於奈米線之尖端上面形成。si〇C層410可 在平坦化階段中形成一層終止層。 第6圖繪示了第5圖之基板1〇〇已於經平坦化之犧牲層 512和間隔界定層410表面上形成一層金屬層613 ,金屬層 613可形成離子化腔室的一個額外或第二電極。 第7圖繪示了第6圖之基板100已將犧牲層512移除而建 構一個空腔714,形成了離子化腔室的一個腔室。若以一層 TDP層作為犧牲層512，則TDP層可利用相同分解方式移 除。藉由移除犧牲層512，奈米線之尖端再度露出，並伸入 已形成之空腔714内。 第8圖繪示了根據一項示範實施例的電極800顯微影 像，尤其是，第8圖繪示了多條奈米線802、803及804於一 基板上面排成規則圖案的一個陣列。於第8圖中，圖案係一 11 200931015 規則矩形或正方形圖案，而使個別奈米線與最接近的奈米 線具有相同間距。從圖例中可看出，間距等級為l/im，而 奈米線的高度或長度範圍同樣介於l"m。 第9圖繪示了根據一項示範實施例的離子化腔室顯微 5 影像，尤其是，第9圖繪示了離子化腔室900的一個橫截面 影像。離子化腔室900包括有一基板901，其具多條自該處 延伸之奈米線902、903及904。以奈米線902、903及904的 尖端905、906及907不被電介層912包埋、但卻伸入離子化 腔室900的一個空腔914内之方式，於基板901上面及奈米線 © 10 之間形成一層電介層909。再者，第9圖中可看到一金屬板 或第二電極913。當操作離子化腔室900時，可將一電壓供 應源搞接至奈米線’而於自由尖端區域内產生一個高壓電 場，其足以離解通過空腔914的流體、例如氣體。 應該注意的是，“包括有”一詞並不排除其他元件或特 15色，而“一”或“一個”並不排除複數形式，且不同實施例或 觀點中敘述之元件可加以組合。亦應注意的是，申請專利 範圍中的參考記號不可理解為限制申請專利範圍之範疇。 ◎ 【圖式簡單說明】 第1-7圖概略地繪示了根據本發明一項示範實施例製 2〇 作離子化腔室的程序。 第8圖繪示了根據一項示範實施例之電極顯微影像。 第9圖繪示了根據一項示範實施例之離子化腔室顯微 影像。 【主要元件符號說明】 12 200931015 100、901...基板 101...基底構件 102、103、104、802、803、804、 902、903、904.··奈米線 105、106、107、905、906、907 ...尖端 410.. .間隔界定層 411.. .厚度 512.. .犧牲層 613…金屬層 714、914…空腔 900.. .離子化腔室 108…角度 913···金屬板、第二電極 209、909、912...電介層

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Claims (1)

1. 200931015 七、申請專利範圍： 1. 一種供離子化腔室所用之電極，該電極包括有： 一由一第一材料組成之基板； 多條自該基板延伸，並藉由加工該基板之該第一材 料而製成的奈米線。 2. 如申請專利範圍第1項之電極，其中該等多條奈米線係 利用蝕刻法製成。 3. 如申請專利範圍第1項之電極，其中該等多條奈米線之 至少一些奈米線包括一尖端區域。 4. 如申請專利範圍第1項之電極，其中該第一材料係一半 導體材料。 5. 如申請專利範圍第1項之電極，其中該等多條奈米線之 至少一些奈米線被至少部分地矽化。 6. —種用於檢測分子粒子之離子化腔室，該離子化腔室包 括有： 一如申請專利範圍第1項之電極， 一個空腔，以及 一額外電極， 其中至少部分之該等多條奈米線之至少一些奈米 線的一尖端區域伸入該空腔内，且 其中該額外電極乃配置成使該尖端區域和該電極 彼此面對著。 7. 如申請專利範圍第6項之離子化腔室，其更包括有： 一電介層， 14 200931015 其中該電介層係配置成使至少部分之該等多條奈 米線之至少一部分乃至少部分地被該電介層所覆蓋。 8. 如申請專利範圍第6項之離子化腔室，其更包括有： 一加熱元件。 9. 一種製作一電極之方法，該方法包括有： 提供一基板， 將該基板製作圖案，使得多條自該基板延伸的奈米 線藉由加工該基板而產生。 10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該基板包含矽。 11·如申請專利範圍第9項之方法，其中該圖案製作程序係 以蝕刻法完成。 12.如申請專利範圍第9項之方法，其更包括有： 於該基板上形成一電介層，使得該等多條奈米線之 至少一些奈米線部分地被該電介層所覆蓋，其中該等被 覆蓋之奈米線的一尖端區域並未被該電介層覆蓋。 15