EP1959476A1 - Massenspektrometer - Google Patents

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EP1959476A1
EP1959476A1 EP07003392A EP07003392A EP1959476A1 EP 1959476 A1 EP1959476 A1 EP 1959476A1 EP 07003392 A EP07003392 A EP 07003392A EP 07003392 A EP07003392 A EP 07003392A EP 1959476 A1 EP1959476 A1 EP 1959476A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrodes
mass spectrometer
ions
spectrometer according
mass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07003392A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg Dr.-Ing. Müller
Jan-Peter Dipl. Ing. Hauschild
Eric Dipl-Ing. Wapelhorst
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayer AG
Ludwig Krohne GmbH and Co KG
Original Assignee
Technische Universitaet Hamburg TUHH
Tutech Innovation GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Hamburg TUHH, Tutech Innovation GmbH filed Critical Technische Universitaet Hamburg TUHH
Priority to EP07003392A priority Critical patent/EP1959476A1/de
Priority to PCT/EP2008/001287 priority patent/WO2008101669A1/de
Priority to JP2009549804A priority patent/JP2010519687A/ja
Priority to US12/526,163 priority patent/US8134120B2/en
Priority to CN200880005532.7A priority patent/CN101636814B/zh
Priority to CA002678460A priority patent/CA2678460A1/en
Publication of EP1959476A1 publication Critical patent/EP1959476A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • 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]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/004—Combinations of spectrometers, tandem spectrometers, e.g. MS/MS, MSn
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/40—Time-of-flight spectrometers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • 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

  • 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 this purpose, mass spectrometers are particularly suitable, which have small dimensions and are 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.
  • a mass spectrometer of the type mentioned at the outset has been 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 construction of the individual components is carried out separately 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 function of the mass spectrometer with the mass-dependent separation of the ions by acceleration / deceleration is based on the fact that the acceleration through the fields of the electrodes different 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 between two electrodes with different, in particular opposite potential, the ions are deflected by 90 ° in a channel between the electrodes.
  • 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, nonconducting substrate on which the metallic connection wiring has first been applied.
  • the ionization chamber, the electrodes for accelerating the electrons and ions, the detector for the ions and the energy filters are produced by photolithography and etching of a wafer applied to the substrate and the wiring, wherein all components are produced in a photolithographic and etching step. 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 at an advantageous Embodiment designed as a time-of-flight mass separator and arranged.
  • 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. Different maturities 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 path, which are subjected to alternating electrical voltages which "migrate" from one end to the other end with the ions. Only the ions at exactly the speed corresponding to the "rate of migration” of the electric fields always pass through electrodes to which no voltage is currently applied. All other ions that are out of sync move between electrodes that are being applied with an electrical voltage so that they are deflected to the side.
  • the detector for the ions is advantageously designed as a Faradaydetektor. In another advantageous embodiment, which has greater sensitivity, 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 may also be made of the semiconductor material such that the prior art grating arrangement for accelerating electrons of the prior art (US Pat. DE 197 20 278 A ), which is difficult to manufacture, 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.
  • bumps of a suitable metal are arranged on the wires or printed conductors in the corresponding places, which form the eutectic semiconductor metal contacts during bonding with the semiconductor chip.
  • the semiconductor material is doped silicon.
  • 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 metal 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 die in order for the semiconductor resistor to contact only the metal pads but not the wiring during bonding.
  • the Semiconductor platelets are then applied to the substrate and arranged on the same 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 die 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.
  • At the second non-conductive substrate can be applied in advance, a further wiring to z. B. electrodes of electrode pairs to each other.
  • the finished semiconductor chip is shown, which in this embodiment is made of doped silicon and in which the corresponding components are produced 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 noble gas is supplied via the channel e of 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 ion optics g on a further aperture, accelerated with defined energy and focused.
  • 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.
  • FIG. 3 and 4 show another embodiment, which in the area of the accelerating electrodes of the embodiment of the Fig. 1 and 2 different.
  • An alternating voltage is applied to the electrodes m of the traveling-field separator, so that ions which pass 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, passing through the electrodes when there is no voltage across them, reach the energy filter k , whose two electrodes on both sides of the quarter-circle-shaped channel are at opposite potentials, so only ions with a well-defined one Let energy through. These ions then strike the detector 1 again .
  • FIGS. 5 and 6 is different from the one of Fig. 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 the electrode area of the mass spectrometer according to the invention is shown.
  • 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 in Fig. 8 shown in section.
  • Fig. 9 the principle of manufacturing the mass spectrometer is shown.
  • etching in the silicon wafer recesses 8 are generated, which provide in the finished mass spectrometer for the required distance between the metallic interconnects 2 on the carrier substrate 1 and the silicon wafer 6 .
  • 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 .
  • the arrangement thus produced according to I is then bonded in step II .
  • step III 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 final 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.

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  • 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 einen als 90°-Sektor ausgeführten Energiefilter (k) für die Ionen aufweist, es vollständig planar aufgebaut ist, die Komponenten auf einem ebenen nichtleitenden Substrat angeordnet sind, 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

  • 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 metalliscehn 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 Luftqualität zum Feststellen von schädlichen Gasen, Prozessüberwachung und -kontrolle, Sicherheitsüberprüfungen z. B. in Flughäfen, und dergleichen. Für diese Zwecke sind insbesondere 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 kostengünstig 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 solchen 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.
  • 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 A1 ). 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 Komponenten 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 Massenspektrometer der eingangs genannten Art darin,
    • dass es einen als 90°-Sektor ausgeführten Energiefilter für die Ionen aufweist,
    • es vollständig planar aufgebaut ist,
    • die Komponenten auf einem ebenen nichtleitenden Substrat angeordnet sind,
    • 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 aufgebrachten dotierten Halbleiterplättchens hergestellt sind und die vorgenannten Teile durch ein zweites flaches nichtleitendes Substrat bedeckt sind.
  • 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 Energiefilter vorgesehen, in dem zwischen zwei Elektroden mit unterschiedlichem, insbesondere entgegengesetzten Potenzial die Ionen um 90° in einem Kanal zwischen den Elektroden umgelenkt werden. Durch diese Maßnahme wird eine höhere Genauigkeit erhalten.
  • Der besondere Vorteil der Erfindung besteht aber 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 Elektronen und Ionen, der Detektor für die Ionen und der Energiefilter sind durch Photolithographie und Ätzen eines auf das Substrat und die Verdrahtung aufgebrachten Halbleiterplättchens hergestellt, wobei in einem photolithographischen 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 Ionenpuls abgetastet. Unterschiedliche Laufzeiten entsprechend 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 Ionen 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 Faradaydetektor 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 Mikrocontroller 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.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Halbleitermaterial dotiertes Silizium. 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 Verfahren 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 Halbleiremetrial 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 Halbleiterplättchen 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 Massenspektrometers 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 Beschleunigungselektrodenanordnung;
    Fig. 8
    einen Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 7; und
    Fig. 9
    das Prinzip der Herstellung des Massenspektrometers der Erfindung.
  • In Fig. 1 ist das fertige Halbleiterplättchen gezeigt, das bei dieser Ausführunsform 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 Edelgas 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 erforderlichen 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 elektrisches Feld zwischen Kammerwand und Ionenoptik g auf eine weitere Blendenöffnung extrahiert, mit definierter Energie 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 l erreichen und dort registriert werden.
  • Fig. 3 und 4 zeigen eine andere Ausführungsform, die sich im Bereich der beschleunigenden Elektroden von der Ausführungsform 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 werden. 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 liegen, um so nur Ionen mit einer genau definierten Energie durchzulassen. Diese Ionen treffen dann wieder auf den Detektor l.
  • 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 erfindungsgemäßen 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 Siliziumplättchen werden Ausnehmungen 8 erzeugt, die beim fertigen Massenspektrometer 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 gebondet 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 gebondet, 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 Massenspektrometer, 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 (17)

  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 einen als 90°-Sektor ausgeführten Energiefilter (k) für die Ionen aufweist,
    - es vollständig planar aufgebaut ist,
    - die Komponenten auf einem ebenen nichtleitenden Substrat (1) angeordnet sind,
    - 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 Halbleiterplättchens (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 Flugzeitmassenseparator 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 Mikrocontroller 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, Anschlussverdrahtung in Form von metallischen Leitern für vorgenannte Komponenten und einen als 90°-Sektor ausgeführten Energiefilter für die Ionen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf ein flaches nichtleitendes Substrat die metallische Verdrahtung aufgebracht wird, auf der Metallpads für Verbindung mit den Halbleiterelektroden angeordnet sind, in das Halbleiterplättchen der Verdrahtung entsprechende Vertiefungen geätzt werden, das Halbleiterplättchen auf das Substrat aufgebracht wird, eine Maske für Photolithographie optisch mit Licht einer Wellenlänge oberhalb von ca. 1,2 µm auf dem Halbleiterplättchen ausgerichtet wird, das anschließend lokal geätzt wird, und dass dann das Halbleiterplättchen 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 Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleitermaterial dotiertes Silizium verwendet wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Gold als das Metall für die Metallpads verwendet wird.
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