WO2008101669A1 - Massenspektrometer - Google Patents

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WO2008101669A1
WO2008101669A1 PCT/EP2008/001287 EP2008001287W WO2008101669A1 WO 2008101669 A1 WO2008101669 A1 WO 2008101669A1 EP 2008001287 W EP2008001287 W EP 2008001287W WO 2008101669 A1 WO2008101669 A1 WO 2008101669A1
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mass spectrometer
ions
electrodes
spectrometer according
mass
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WO2008101669A8 (de
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Jörg Müller
Eric Wapelhorst
Jan-Peter Hauschild
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Bayer Technology Services Gmbh
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Publication date
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Priority to CA002678460A priority patent/CA2678460A1/en
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    • H01J49/0013—Miniaturised spectrometers, e.g. having smaller than usual scale, integrated conventional components
    • H01J49/0018—Microminiaturised spectrometers, e.g. chip-integrated devices, Micro-Electro-Mechanical Systems [MEMS]
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    • H01J49/004—Combinations of spectrometers, tandem spectrometers, e.g. MS/MS, MSn
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    • H01J49/40—Time-of-flight spectrometers
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    • H01J49/44—Energy spectrometers, e.g. alpha-, beta-spectrometers
    • H01J49/46—Static spectrometers
    • H01J49/48—Static spectrometers using electrostatic analysers, e.g. cylindrical sector, Wien filter
    • H01J49/482—Static spectrometers using electrostatic analysers, e.g. cylindrical sector, Wien filter with cylindrical mirrors

Definitions

  • the invention relates to a mass spectrometer, comprising:
  • Electrodes for accelerating the ionizing electrons are Electrodes for accelerating the ionizing electrons
  • Mass spectrometers are widely used. While mass spectrometers were primarily used for scientific purposes, today there are more and more applications related to environmental protection, measurements of air quality for the detection of harmful gases, process monitoring and control, safety checks z. In airports, and the like. For these purposes, in particular These mass spectrometers are small in size and therefore easy to transport and use everywhere. Another requirement for large scale application is that these mass spectrometers are inexpensive to manufacture.
  • a magnetic field separator In another mass spectrometer, a magnetic field separator is used (WO 96/16430). However, this requires a certain minimum size, since on the one hand for the magnetic field separator very high magnetic field strengths must be present, while elsewhere the magnetic field must be shielded in order not to influence the ionization or ion optics.
  • ISSN 0924-42457
  • the substrate silicon which has an advantage of a wide variety of structuring possibilities, but has the disadvantage that large, the Substrate heating leakage currents flow.
  • Another disadvantage is the high dielectric constant, which leads to signal distortions, even if an insulating intermediate layer of silicon dioxide is used.
  • the previously known mass spectrometer is not completely built up; Separator and detector are separate elements as shown in FIG.
  • a mass spectrometer of the type mentioned was developed for use in a microsystem which can be produced by the methods customary in microsystem technology (DE 197 20 278 A1).
  • This mass spectrometer has very small dimensions.
  • the production is very complex, since it requires on the one hand self-supporting insulated grids for the acceleration of the ionization of the gas to be examined and on the other hand electrically contacted, galvanically grown structures of copper or nickel must be produced.
  • the structure of the individual Components are separated on a total of four substrates, which must be connected to a monolithic system with a suitable construction and connection technology.
  • the object of the invention is to provide a
  • Mass spectrometer of the type mentioned which can be produced easily and inexpensively and is suitable for mass production.
  • the solution according to the invention consists in a mass spectrometer of the type mentioned in the introduction,
  • the components are arranged on a flat non-conductive substrate
  • the ionization chamber, the electrodes for accelerating the electrons and ions, the detector for the ions and the energy filter are produced by photolithography and etching a doped semiconductor wafer deposited on the substrate and the wiring and the aforementioned parts are covered by a second flat non-conductive substrate ,
  • ctor is meant an arc section on which the ions move.
  • the function of the mass spectrometer with the mass-dependent separation of the ions by acceleration / deceleration is based on the fact that accelerated by the fields of the electrodes different heavy ions reach a different speed and due to these differences in speed, the separation takes place.
  • the corresponding transmitted ion beam is not monochromatic, but also contains ions of greater or lesser mass, which had a greater or lesser start speed due to the thermal movement.
  • the energy filter is provided in which the ions in a channel (sector) are deflected between the electrodes between two electrodes with different, in particular opposite, potential.
  • the particular advantage of the invention is that the mass spectrometer is constructed completely planar and can be produced from wafers with the techniques of microelectronics.
  • the components are arranged on a flat nonconductive substrate on which first the metal connection wiring has been applied.
  • the ionization chamber, the electrodes for accelerating the electrons and ions, the detector for the ions and the energy filter are produced by photolithography and etching of a semiconductor wafer applied to the substrate and the wiring, wherein in a photolithographic see and etching step all components are generated. Subsequently, the components are then covered by a flat non-conductive substrate so as to obtain a closed unit.
  • the electron source is a thermal emitter.
  • the electron source comprises a plasma chamber having a rare gas feed passage and a microwave line for introducing and maintaining the plasma, the plasma chamber, the feed channel and the microwave line also being formed by etching the semiconductor die together with the others Parts are made.
  • the electrodes for mass-dependent separation of the ions by acceleration / deceleration are formed and arranged in an advantageous embodiment as a time-of-flight mass separator.
  • a first gate electrode arrangement the ion beam is pulsed. Only short ion pulses reach the drift path, where the pulse diverges due to the different velocities of the ions.
  • the ion pulse is scanned on a second gate electrode arrangement. Different transit times corresponding to different masses.
  • the energy filter then ensures that only ions with exactly one energy reach the detector and are registered there.
  • a larger number of electrodes are provided in the measuring section, which are subjected to alternating electrical voltages which "migrate" from one end to the other end with the ions.
  • they At exactly the speed corresponding to the "rate of migration" of the electric fields, they always pass through electrodes to which no voltage is currently applied, and all other ions that are not in tact move between electrodes, to which just one electrical voltage is applied so that they are deflected to the side.
  • the detector for the ions is advantageously designed as a Faraday detector.
  • the detector for the ions is designed as an electron multiplier.
  • the electrodes for accelerating the electrons may be two apertured electrodes to which different electrical potentials can be applied. These electrodes can also be made of the semiconductor material, so that the previously known grating arrangement for accelerating the electrons of the prior art (DE 197 20 278 A), which is difficult to produce, is avoided.
  • the mass spectrometer has a microcontroller, by which it is controlled.
  • the metallic conductors of the wiring and the electrodes are advantageously electrically connected by eutectic semiconductor metal contacts.
  • eutectic semiconductor metal contacts are on the wires or traces on the corresponding
  • a particularly advantageous metal for the eutectic contacts is gold.
  • the non-conductive substrates are advantageously made of borosilicate glass or quartz glass.
  • the invention is also characterized by a method for producing the mass spectrometer.
  • the metallic wiring on which metal pads for connection to the semiconductor electrodes are disposed, is applied to a flat non-conductive substrate. Cores are then etched into the semiconductor die corresponding to the wiring, so that the semiconductor material comes into contact only with the metal pads, but not with the wiring during bonding.
  • the semiconductor wafer is then applied to the substrate and disposed thereon a mask for photolithography.
  • the alignment of the mask with respect to the wiring and gold pads can be done optically by using light of a wavelength for which the silicon wafer is transparent. For silicon, a wavelength above 1.2 ⁇ m is suitable.
  • the semiconductor wafer is then locally etched in one step to create the components of the mass spectrometer. Subsequently, the semiconductor wafer is covered with a second non-conductive substrate.
  • FIG. 1 shows the basic arrangement of the essential parts of an advantageous embodiment of the mass spectrometer without wiring and non-conductive substrates.
  • Fig. 2 is a section along the line A-A of Fig. 1, wherein the non-conductive substrates are shown.
  • FIG. 4 in a similar representation as Fig. 2 a
  • FIG. 6 to Figures 1 and 2 or 3 and 4 are corresponding views of a third embodiment, •
  • Fig. 8 is a section along the line A-A of Fig. 7;
  • FIG. 9 shows the principle of production of the mass spectrometer of the invention.
  • the finished semiconductor chip is shown, which consists in this embodiment of doped silicon and in which the corresponding components are prepared by etching.
  • the spectrometer has a supply channel a for the sample gas, which is passed into the ionization chamber b.
  • the electrons required for the ionization with an energy of typically 70 eV are extracted from a plasma chamber d and accelerated between two aperture openings c lying at different potentials.
  • the entire area between the apertures is evacuated to the sides of the system.
  • the edible gas is supplied via the channel e to the plasma chamber d. It is excited by the microwave waveguide f with microwaves to generate the plasma and thereby release the required electrons.
  • the pressure in the plasma chamber is controlled by the pre-pressure upstream of channel e or a connected capillary.
  • the ions from the ionization chamber b are extracted by an electric field between the chamber wall and the ion optics g to a further aperture, accelerated and focused with a defined energy.
  • the ion beam is pulsed at the first gate electronics array h.
  • the ion pulse is scanned.
  • the energy filter k ensures that ions only reach the detector 1 with exactly one energy and are registered there.
  • FIGS. 3 and 4 show another embodiment which is different in the area of the accelerating electrode of the exporting ⁇ approximate shape of FIGS. 1 and 2.
  • the electrodes m of the traveling field separator are subjected to an alternating voltage, so that ions which move between electrodes, which are currently subjected to a voltage, are deflected to the side and removed from the beam. Only the ions at exactly the right speed, which pass through the electrodes when no voltage is applied to them, reach the energy filter k, whose two electrodes on both sides of the quarter-circle-shaped channel are at opposite potential, so that only ions with one to pass exactly defined energy. These ions then strike the detector 1 again.
  • FIGS. 5 and 6 differs from that of FIGS. 1 and 2 in that, instead of a noble gas plasma, a thermal emitter n is used to release the electrons required for the ionization.
  • FIGS. 7 and 8 show the electrode region of the mass spectrometer according to the invention.
  • the support for the system is the borosilicate glass 1, to which metallic conductor tracks 2 are applied in order to connect the electrodes electrically.
  • the structure of the electrodes is shown in Fig. 8 in section.
  • Fig. 9 the principle of manufacturing the mass spectrometer is shown.
  • recesses 8 are produced, which in the finished masonry senspektrometer provide for the required distance between the metallic interconnects 2 on the carrier substrate 1 and the silicon wafer 6. This is necessary so that the substrate 1 and the silicon wafer 6 can be bonded in a planar manner.
  • the depth of the etching pits 8 is designed so that the gold pads 3 come into contact with the bottom of the etching pit 8 when joining substrate 1 and silicon platelets 6.
  • step II After applying a corresponding mask and exposure by etching, the desired structure is produced.
  • the upper substrate 7 shown in I, II and III is not actually present at these steps. It also carries a conductor and is then bonded to the device at IV, electrodes being connected by the conductor disposed on the upper substrate 7.
  • the production of the mass spectrometer can take place in uniform steps in wafers.
  • the finished mass spectrometer shown in the figures may have dimensions as small as 5x10 mm. Due to the small size and low demands on the pumping power of a vacuum pump are made.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)

Abstract

Das Massenspektrometer zeichnet sich dadurch aus, dass es vollständig planar aufgebaut ist, die Komponenten auf einem ebenen nichtleitenden Substrat angeordnet sind, es einen als Sektor, insbesondere 90°-Sektor ausgeführten Energiefilter (k) für die Ionen aufweist, die Ionisationskammer (b), die Elektroden (g, h j) zum Beschleunigen der Elektronen und Ionen, der Detektor (1) für die Ionen und der Energiefilter (k) durch Photolithographie und Ätzen eines auf das Substrat und die Verdrahtung aufgebrachten dotierten Halbleiterplättchens hergestellt sind und die vorgenannten Teile durch ein zweites flaches nichtleitendes Substrat bedeckt sind.

Description

Massenspektrometer
Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer, das aufweist:
- eine Ionisationskammer mit einem Zuführkanal für das zu untersuchende Gas ,
eine Elektronenquelle zum Ionisieren des zu untersuchenden Gases,
Elektroden zum Beschleunigen der ionisierenden Elektronen,
Elektroden zum masseabhängigen Separieren der Ionen durch Beschleunigung/Verzögerung derselben,
einen Detektor für die separierten Ionen, und
eine Verdrahtung mit metallischen Drähten.
Massenspektrometer finden vielfache Anwendung. Während früher Massenspektrometer in erster Linie wissenschaftlichen Zwecken dienten, gibt es heutzutage immer mehr Anwendungen im Zusammenhang mit Umweltschutz, Messungen der Luftquali- tat zum Feststellen von schädlichen Gasen, Prozessüberwachung und -kontrolle, Sicherheitsüberprüfungen z. B. in Flughäfen, und dergleichen. Für diese Zwecke sind insbeson- dere Massenspektrometer geeignet, die kleine Abmessungen haben und daher leicht zu transportieren und überall einzusetzen sind. Ein weiteres Erfordernis ist für die Anwendung im großen Umfang, dass diese Massenspektrometer kostengüns- tig herzustellen sind.
Durch kleine Größe zeichnen sich vorbekannte Massenspektrometer aus, die einen Quadrupolmassenseparator aufweisen (WO 2004/013890, GB 234908 A) . Der Nachteil ist, dass bei sol- chen Quadrupolmassenseparatoren sehr hohe Anforderungen an die Elektrodengeometrie gestellt werden, so dass sich ein Separator nicht durch die in der Mikrosystemtechnik üblichen Ätz- bzw. Abscheideverfahren herstellen lässt. Da die Systeme aus mehreren Komponenten bestehen, die passgenau zueinander justiert und positioniert werden müssen, ist eine teure und aufwendige Einzelsystembearbeitung notwendig.
Bei einem weiteren Massenspektrometer wird ein Magnetfeldseparator verwendet (WO 96/16430) . Dieser erfordert aber eine gewisse Mindestgröße, da einerseits für den Magnetfeldseparator sehr hohe magnetische Feldstärken vorhanden sein müssen, während an anderer Stelle das magnetische Feld abgeschirmt werden muss, um die Ionisation bzw. Ionenoptik nicht zu beeinflussen.
Bei einem nach der Mikrosystemtechnik hergestellten Massenspektrometer (YOON H J et al : „Fabrication of a novel micro time-of-flight mass spectrometer" , SENSORS AND ACTUA- TORS A, ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, CH, Bd. 97-98, 1. April 2002 (2002-04-01), Seiten 441-447, XP004361634
ISSN: 0924-4247) wird als Substrat Silizium verwendet, das in Vorteil einer großen Vielfalt von Strukturierungsmög- lichkeiten hat, aber den Nachteil aufweist, dass große, das Substrat erwärmende Leckströme fließen. Ein weiterer Nachteil ist die hohe Dielektrizitätskonstante, die zu Signalverfälschungen führt, auch wenn eine isolierende Zwischenschicht aus Siliziumdioxid verwendet wird. Es findet auch nur eine kontinuierliche Beschleunigung in Bewegungsrich- tung, aber keine zeitvariante Beschleunigung senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ionen durch die elektrischen Felder statt, durch die die geschwindigkeitsabhängige Selektion von Ionen verbessert werden kann, so dass alle Ionen zum Detektor gelangen und die Messung des Ionenstroms zeitlich aufgelöst werden muss. Außerdem ist das vorbekannte Mas- senspektrometer nicht vollständig aufgebaut; Separator und Detektor sind getrennte Elemente, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist.
Ein weiteres vorbekanntes miniaturisiertes Massenspektrome- ter (WO 96/11492) ist ebenfalls nicht vollständig planar mit den Methoden der Mikrosystemtechnik hergestellt; es sind externe Magneten für die Massenseparierung vorgesehen. Die entsprechenden Nachteile wurden oben in bereits im Zusammenhang mit einem anderen bekannten Massenspektrometer (WO 96/16340) erwähnt.
Ein Massenspektrometer der eingangs genannten Art wurde für den Einsatz in einem Mikrosystem entwickelt, das mit den in der Mikrosystemtechnik üblichen Methoden hergestellt werden kann (DE 197 20 278 Al) . Dieses Massenspektrometer hat nur sehr geringe Abmessungen. Die Herstellung ist jedoch sehr komplex, da es zum einen freitragende isolierte Gitter für die Beschleunigung der für die Ionisation des zu untersuchenden Gases benötigt und zum anderen elektrisch kontaktierte, galvanisch aufgewachsene Strukturen aus Kupfer bzw. Nickel erzeugt werden müssen. Der Aufbau der einzelnen Kom- ponenten erfolgt getrennt auf insgesamt vier Substraten, die mit einer geeigneten Aufbau- und Verbindungstechnik zu einem monolithischen System verbunden werden müssen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines
Massenspektrometers der eingangs genannten Art, das einfach und kostengünstig hergestellt werden kann und für die Massenproduktion geeignet ist.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht bei einem Massen- spektrometer der eingangs genannten Art darin,
dass es vollständig planar aufgebaut ist,
- die Komponenten auf einem ebenen nichtleitenden Substrat angeordnet sind,
dass es einen als Sektor, insbesondere als 90°-Sektor ausgeführten Energiefilter für die Ionen aufweist,
die Ionisationskammer, die Elektroden zum Beschleunigen der Elektronen und Ionen, der Detektor für die Ionen und der Energiefilter durch Photolithographie und Ätzen eines auf das Substrat und die Verdrahtung auf- gebrachten dotierten Halbleiterplättchens hergestellt sind und die vorgenannten Teile durch ein zweites flaches nichtleitendes Substrat bedeckt sind.
Unter „Sektor" ist dabei ein Bogenabschnitt zu verstehen, auf dem sich die Ionen bewegen.
Die Funktion des Massenspektrometers mit der massenabhängigen Separierung der Ionen durch Beschleunigung/Verzögerung beruht darauf, dass durch die Beschleunigung durch die Felder der Elektroden verschieden schwere Ionen eine unterschiedliche Geschwindigkeit erreichen und aufgrund dieser Geschwindigkeitsunterschiede die Separierung erfolgt. Der entsprechende durchgelassene Ionenstrahl ist aber nicht monochromatisch, sondern enthält auch Ionen größerer oder kleinerer Masse, die aufgrund der thermischen Bewegung eine größere oder kleinere Startgeschwindigkeit hatten. Um diese nicht monochromatischen Ionen auszufiltern, ist der Ener- giefilter vorgesehen, in dem zwischen zwei Elektroden mit unterschiedlichem, insbesondere entgegengesetztem Potenzial die Ionen in einem Kanal (Sektor) zwischen den Elektroden umgelenkt werden. Durch diese Maßnahme wird eine höhere Genauigkeit erhalten.
Im Gegensatz zum Stand der Technik eines doppelfokussierenden Massenspektrometers (WO 96/11492) wird dabei auf die Umlenkung durch externe Magnetfelder verzichtet. Die Trennung der Ionen nach Masse/Energie erfolgt bei der Erfindung nur durch elektrische Felder, die innerhalb der planaren
Struktur erzeugt werden.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Massenspektrometer vollständig planar aufgebaut ist und mit den Techniken der Mikroelektronik aus Wafern hergestellt werden kann. Die Komponenten sind auf einem ebenen nichtleitenden Substrat angeordnet, auf dem zunächst die metallische AnschlussVerdrahtung aufgebracht worden ist. Die Ionisationskammer, die Elektroden zum Beschleunigen der E- lektronen und Ionen, der Detektor für die Ionen und der E- nergiefilter sind durch Photolithographie und Ätzen eines auf das Substrat und die Verdrahtung aufgebrachten Halblei- terplättchens hergestellt, wobei in einem photolithographi- sehen und Ätzschritt alle Komponenten erzeugt werden. Anschließend werden dann die Komponenten durch ein flaches nichtleitendes Substrat bedeckt, um so eine geschlossene Einheit zu erhalten.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Elektronenquelle ein thermischer Emitter. Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform weist die Elektronenquelle eine Plasmakammer mit einem Zuführkanal für ein Edelgas und mit einer Mikrowellenleitung zum Einleiten von Mikrowellen zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Plasmas auf, wobei die Plasmakammer, der Zuführkanal und die Mikrowellenleitung ebenfalls durch Ätzen des Halbleiterplättchens zusammen mit den anderen Teilen hergestellt sind.
Die Elektroden zur massenabhängigen Separierung der Ionen durch Beschleunigung/Verzögerung sind bei einer vorteilhaften Ausführungsform als Flugzeitmassenseparator ausgebildet und angeordnet. In einer ersten Gateelektrodenanordnung wird der Ionenstrahl gepulst. Es gelangen so nur kurze Ionenpulse in die Driftstrecke, wo der Puls aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Ionen auseinanderläuft. An einer zweiten Gatelektrodenanordnung wird der Io- nenpuls abgetastet. Unterschiedliche Laufzeiten entspre- chend dabei unterschiedlichen Massen. Durch den Energiefilter wird dann sichergestellt, dass nur Ionen mit genau einer Energie den Detektor erreichen und dort registriert werden .
Bei einem Wanderfeldseparator ist in der Messstrecke eine größere Anzahl von Elektroden vorgesehen, die mit elektrischen WechselSpannungen beaufschlagt werden, die von einem Ende zum anderen Ende mit den Ionen „wandern" . Nur die Io- nen mit genau der Geschwindigkeit, die der „Wanderungsgeschwindigkeit" der elektrischen Felder entspricht, bewegen sich immer durch Elektroden hindurch, an die gerade keine Spannung angelegt ist. Alle anderen Ionen, die nicht im Takt sind, bewegen sich zwischen Elektroden, an die gerade eine elektrische Spannung angelegt ist, so dass sie zur Seite abgelenkt werden.
Der Detektor für die Ionen ist vorteilhafterweise als Fara- daydetektor ausgebildet. Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform, die größere Empfindlichkeit hat, ist der Detektor für die Ionen als Elektronenvielfacher ausgebildet.
Die Elektroden zum Beschleunigen der Elektronen können zwei mit Blendenöffnungen versehene Elektroden sein, an die unterschiedliche elektrische Potenziale anlegbar sind. Diese Elektroden können ebenfalls aus dem Halbleitermaterial hergestellt werden, so dass die vorbekannte Gitteranordnung zum Beschleunigen der Elektronen des Standes der Technik (DE 197 20 278 A), die schwer herzustellen ist, vermieden wird.
Vorteilhafterweise weist das Massenspektrometer einen Mik- rocontroller auf, durch den es gesteuert wird.
Die metallischen Leiter der Verdrahtung und die Elektroden sind vorteilhafterweise durch eutektische Halbleiter- Metall-Kontakte elektrisch verbunden. Zu diesem Zweck sind auf den Drähten oder Leiterbahnen auf den entsprechenden
Stellen Höcker aus einem geeigneten Metall angeordnet, die beim Bonden mit dem Halbleiterplättchen die eutektischen Halbleiter-Metall-Kontakte bilden . Ein besonders vorteilhaftes Metall für die eutektischen Kontakte ist Gold.
Die nichtleitenden Substrate bestehen vorteilhafterweise aus Borosilikatglas oder Quarzglas .
Die Erfindung zeichnet sich auch durch ein Verfahren zum Herstellen des Massenspektrometers aus . Gemäß diesen Ver- fahren wird auf ein flaches nichtleitendes Substrat die metallische Verdrahtung aufgebracht, auf der Metallpads für Verbindung mit den Halbleiterelektroden angeordnet sind. In das Halbleiterplättchen werden dann der Verdrahtung entsprechende Vertiefungen eingeätzt, damit das Halbleiterma- terial nur mit den Metallpads, nicht aber mit der Verdrahtung beim Bonden in Kontakt kommt. Anschließend wird das Halbleiterplättchen dann auf das Substrat aufgebracht und auf dasselbe eine Maske für Photolithographie angeordnet. Die Ausrichtung der Maske in Bezug auf die Verdrahtung und Goldpads kann dabei optisch erfolgen, indem Licht mit einer Wellenlänge verwendet wird, für das das Siliziumplättchen durchsichtig ist. Für Silizium ist dabei eine Wellenlänge oberhalb von 1,2 μm geeignet. Nach entsprechender Belichtung und Entfernung der Maske wird dann das Halbleiter- plättchen in einem Schritt lokal geätzt, um die Komponenten des Massenspektrometers zu erzeugen. Anschließend wird das Halbleiterplättchen mit einem zweiten nicht leitenden Substrat abgedeckt.
An dem zweiten nicht leitenden Substrat kann dabei vorher eine weitere Verdrahtung aufgebracht sein, um z . B. Elektroden von Elektrodenpaaren miteinander zu verbinden. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die prinzipielle Anordnung der wesentliche Teile einer vorteilhaften Ausführungsform des Mas- senspektrometers ohne Verdrahtung und nichtleitende Substrate;
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 1, wobei die nichtleitenden Substrate mit dargestellt sind.
Fig. 3 in einer ähnlichen Darstellung wie Fig. 1 eine andere Ausführungsform,•
Fig. 4 in ähnlicher Darstellung wie Fig. 2 einen
Schnitt entsprechend der Linie A-A von Fig. 3
Fig. 5 und
Fig. 6 den Figuren 1 und 2 bzw. 3 und 4 entsprechende Darstellungen einer dritten Ausführungsform,•
Fig. 7 eine Draufsicht auf die Beschleunigungselektro- denanordnung;
Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 7 ; und
Fig. 9 das Prinzip der Herstellung des Massenspektro- meters der Erfindung. In Fig. 1 ist das fertige Halbleiterplättchen gezeigt, das bei dieser Ausführungsform aus dotiertem Silizium besteht und in dem durch Ätzen die entsprechenden Komponenten hergestellt sind. Das Spektrometer weist einen Zuführkanal a für das Probengas auf, das in die Ionisationskammer b geleitet wird. Die für die Ionisation erforderlichen Elektronen mit einer Energie von typischerweise 70 eV werden aus einer Plasmakammer d extrahiert und zwischen zwei auf unterschiedlichen Potenzialen liegenden Blendenöffnungen c beschleunigt. Der gesamte Bereich zwischen den Blendenöffnungen ist zu den Seiten des Systems hin evakuiert. Das E- delgas wird über den Kanal e der Plasmakammer d zugeführt. Über den Mikrowellenleiter f wird es mit Mikrowellen angeregt, um das Plasma zu erzeugen und dadurch die erforderli- chen Elektronen freizusetzen. Der Druck in der Plasmakammer wird über den Vordruck vor dem Kanal e bzw. eine angeschlossenen Kapillare gesteuert.
Die Ionen aus der Ionisationskammer b werden durch ein e- lektrisches Feld zwischen Kammerwand und Ionenoptik g auf eine weitere Blendenöffnung extrahiert, mit definierter E- nergie beschleunigt und fokussiert. Der Ionenstrahl wird an der ersten Gateelektronikanordnung h gepulst. Somit gelangen nur kurze Ionenpulse in die Driftstrecke i, wo der Puls aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Ionen auseinanderläuft. An der zweiten Geldelektrodenanordnung j wird der Ionenpuls abgetastet. Der Energiefilter k stellt sicher, dass Ionen nur mit genau einer Energie den Detektor 1 erreichen und dort registriert werden.
Fig. 3 und 4 zeigen eine andere Ausführungsform, die sich im Bereich der beschleunigenden Elektroden von der Ausfüh¬ rungsform der Fig. 1 und 2 unterscheidet. Die Elektroden m des Wanderfeldseparators werden mit einer WechselSpannung beaufschlagt, so dass Ionen, die sich zwischen Elektroden hindurchbewegen, die gerade mit einer Spannung beaufschlagt sind, zur Seite abgelenkt und aus dem Strahl entfernt wer- den. Nur die Ionen mit genau der richtigen Geschwindigkeit, die jeweils durch die Elektroden hindurchgehen, wenn an diesen keine Spannung anliegt, erreichen den Energiefilter k, dessen beide Elektroden auf beiden Seiten des viertelkreisförmigen Kanals auf entgegengesetztem Potenzial lie- gen, um so nur Ionen mit einer genau definierten Energie durchzulassen. Diese Ionen treffen dann wieder auf den Detektor 1.
Die Ausführungsform der Fig. 5 und 6 unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 und 2, dass statt eines Edelgasplasmas ein thermischer Emitter n zum Freisetzen der für die Ionisation erforderlichen Elektronen verwendet wird.
In Fig. 7 und 8 ist der Elektrodenbereich des erfindungsge- mäßen Massenspektrometers gezeigt. Als Träger für das System dient das Borosilikatglas 1, auf das metallische Leiterbahnen 2 aufgebracht sind, um die Elektroden elektrisch zu verschalten. Der elektrische Kontakt zwischen den metallischen Leiterbahnen 2 und den Siliziumelektroden 4 erfolgt über einen eutektischen Gold-Silizium-Kontakt 5. Goldpads 3 an den Kontaktstellen zwischen Leiterbahn 2 und Siliziumelektrode 4 legieren beim Bonden mit dem hochdotierten Silizium und stellen so einen ohmschen Kontakt her. Der Aufbau der Elektroden ist dabei in Fig. 8 im Schnitt gezeigt.
In Fig. 9 ist das Prinzip der Herstellung des Massenspektrometers gezeigt. Durch eine Ätzung im Siliziumplätt- chen werden Ausnehmungen 8 erzeugt, die beim fertigen Mas- senspektrometer für den erforderlichen Abstand zwischen den metallischen Leiterbahnen 2 auf den Trägersubstrat 1 und dem Siliziumplättchen 6 sorgen. Dies ist erforderlich, damit das Substrat 1 und das Siliziumplättchen 6 flächig ge- bondet werden können. Die Tiefe der Ätzgruben 8 ist dabei so ausgelegt, dass die Goldpads 3 beim Zusammenfügen von Substrat 1 und Siliziumplättchen 6 mit dem Boden der Ätzgrube 8 in Berührung kommen. Die so gemäß I erzeugte Anordnung wird dann in Schritt II gebondet . In Schritt III wird nach Aufbringen einer entsprechenden Maske und Belichtung durch Ätzen die gewünschte Struktur erzeugt. Das in I, II und III gezeigte obere Substrat 7 ist in Wirklichkeit bei diesen Schritten noch nicht anwesend. Es trägt ebenfalls einen Leiter und wird dann bei IV auf die Anordnung gebon- det, wobei durch den am oberen Substrat 7 angeordneten Leiter Elektroden verbunden werden.
Die Herstellung des Massenspektrometers kann in einheitlichen Schritten in Wafern erfolgen. Das fertige Massen- spektrometer, das in den Figuren gezeigt ist, kann Abmessungen von so klein wie 5x10 mm haben. Aufgrund der kleinen Größe sind auch nur geringe Anforderungen an die Pumpleistung einer Vakuumpumpe gestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Massenspektrometer, das aufweist:
eine Ionisationskammer (b) mit einem Zuführkanal (a) für das zu untersuchende Gas,
eine Elektronenquelle (d, n) zum Ionisieren des zu untersuchenden Gases,
Elektroden (c) zum Beschleunigen der ionisierenden Elektronen,
- Elektroden (g, h j , m) zum masseabhängigen Separieren der Ionen durch Beschleunigung/Verzögerung derselben,
einen Detektor (1) für die separierten Ionen, und
eine Verdrahtung mit metallischen Leitern,
dadurch gekennzeichnet,
dass es vollständig planar aufgebaut ist,
die Komponenten auf einem ebenen nichtleitenden Substrat (1) angeordnet sind,
dass es einen als Sektor, insbesondere 90°- Sektor ausgeführten Energiefilter (k) für die Ionen aufweist die Ionisationskammer (b) , die Elektroden (g, h j , m) zum Beschleunigen der Elektronen und Ionen, der Detektor (1) für die Ionen und der Energiefilter (k) durch Photolithographie und
Ätzen eines auf das Substrat (1) und die Verdrahtung (2) aufgebrachten dotierten Halblei- terplättchens (6) hergestellt sind und die vorgenannten Teile durch ein zweites flaches nichtleitendes Substrat (7) bedeckt sind.
2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenquelle (n) ein thermischer Ermitter ist.
3. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenquelle eine Plasmakammer (d) mit einem Zuführkanal (e) für ein Edelgas und mit einer Mikrowellenleitung (f) zum Einleiten von Mikrowellen zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Plasmas aufweist, wobei die Plasmakammer (d) , der Zuführkanal (e) und die Mikrowellenleitung (f) durch Ätzen des Halbleiterplättchens (6) hergestellt sind.
4. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (g, h, j ) zur masseabhängigen Separierung der Ionen durch Beschleunigung/Verzögerung als Flugzeitmas- senseparator ausgebildet und angeordnet sind.
5. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (g, m) zur masseabhängigen Separierung der Ionen durch Beschleunigung/Verzögerung als Wanderfeldseparator ausgebildet und angeordnet sind.
6. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (1) für die Ionen als Faradaydetektor ausgebildet ist.
7. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (1) für die Ionen als Elektronenvielfacher ausgebildet ist.
8. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (c) zum Beschleunigen der Elektronen zwei mit Blendenöffnungen versehene Elektroden sind, an die unterschiedliche elektrische Potenziale anlegbar sind.
9. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Mikrocont- roller aufweist.
10. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen
Leiter (2) und die Elektroden (4) durch eutektische Metall-Halbleiter-Kontakte elektrisch verbunden sind.
11. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Leiter (2) und die Elektroden (4) durch eutektische Gold-Halbleiter-Kontakte elektrisch verbunden sind.
12. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial dotiertes Silizium ist.
13. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtleitenden Substrate (1, 7) aus Borosilikatglas oder Quarzglas bestehen.
14. Verfahren zum Herstellen eines Massenspektrometers, das eine Ionisationskammer für das zu untersuchende Gas mit einem Zuführkanal für das Gas, eine Elektronenquelle für das Gas ionisierende Elektronen, Elektroden zum Beschleunigen der Elektronen, Elektroden zum Fokussieren und Beschleunigen von aus der Ionisationskammer austretenden Ionen und zur masseabhängigen Separierung derselben durch Beschleunigung/Verzögerung, einen Detektor für die Ionen, An- schlussverdrahtung in Form von metallischen Leitern für vorgenannte Komponenten und einen als Sektor ausgeführten Energiefilter für die Ionen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf ein flaches nichtleitendes Substrat die metallische Verdrahtung auf- gebracht wird, auf der Metallpads für Verbindung mit den Halbleiterelektroden angeordnet sind, in das Halbleiterplättchen der Verdrahtung entsprechende Vertiefungen geätzt werden, das Halbleiter- plättchen auf das Substrat aufgebracht wird, eine Maske für Photolithographie optisch mit Licht einer
Wellenlänge oberhalb von ca. 1,2 μm auf dem HaIb- leiterplättchen ausgerichtet wird, das anschließend lokal geätzt wird, und dass dann das Halbleiter- plättchen mit einem zweiten nichtleitenden Substrat bedeckt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem zweiten nichtleitenden Substrat weitere Verdrahtung aufgebracht wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Gold als das Metall für die Metallpads verwendet wird.
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