JP5222575B2 - 微細加工された高性能静電四重極レンズ - Google Patents

Description

この発明は、質量分析法、特に、高範囲、低ノイズ及び高感度な小型静電四重極質量フィルターの提供に関する。

小型の質量分析計は、宇宙探査のための機器として及び残留ガス分析器として、生物化学戦争剤、薬剤、爆薬及び汚染物質の検出のための携帯装置としての用途を有している。

質量分析計は、イオン源、イオンフィルター及びイオン計の３つの主要なサブシステムから成っている。最も成功した変形例の１つが四重極質量分析計であり、それは四重極の静電レンズを質量フィルターとして用いている。従来の四重極レンズは４つの円柱状電極から成り、これらは精確に平行で、これらの心-心間隔はこれらの直径に対して明確に規定された比でもって搭載されている[非特許文献１]。

イオンは電極間の瞳に注入され、時間変動する双曲面の静電電界の影響の下に電極に平行に移動する。この電界は直流（ＤＣ）と交流（ＡＣ）成分の両方を含んでいる。ＡＣ成分の周波数は固定されており、そしてＡＣ電圧に対するＤＣ電圧の比もまた固定されている。

このような電界におけるイオンの力学の研究は、質量への特別な荷電比のイオンのみがロッドの１つに対して放電することなく、四重極を通過するであろうことを示している。したがって、該装置は質量フィルターとして作用している。フィルターを成功裏に出たイオンは検出され得る。もし、ＤＣ及びＡＣ電圧が共に増やされるなら、検出された信号は、イオン流内に存在している異なる質量のスペクトルである。検出され得る最も大きい質量は、印加され得る最大電圧から決定される。

四重極フィルターの分解能は２つの主要因によって決定される。すなわち、個々のイオンによって経験される交流電圧のサイクル数、及び望ましい電界が創生される精度である。かくて、個々のイオンは十分に大きいサイクル数を経験するように、イオンは小さい軸流速度で注入され、そして無線周波数（ＲＦ）ＡＣ成分が用いられる。この周波数は、フィルターの長さが減少されるにつれて、増やされなければならない。

感度及びそれ故の質量分析計の全体的な性能はまた、信号レベルとノイズレベルにより影響を受ける。はぐれたイオンから生じるノイズは、従来においてアースされたスクリーンの使用によって減らされている［非特許文献２］。入口の瞳の大きさが減少されるにつれて、イオンの透過は明らかに減少される。したがって、小さな四重極において透過を改良すべく努力がなされ、そして、所定の分解能においての著しく改善された透過が、四重極への入力におけるフリンジ電界の作用を低減することにより得られることが明らかにされた。

１つの効果的な方法は、いわゆるブルベーカー（Brubaker）レンズ又はブルベーカー（Brubaker）プレフィルターの使用を含み、そしてそれは主四重極電極に共直線状に搭載された、４つの短い、円柱状電極の組から成っている。ブルベーカープレフィルターは、主四重極レンズに（ＤＣ電圧ではなく）ＡＣ電圧が印加されて励起される。ＡＣ電圧のみで励起された四重極は全通過フィルターとして作用するので、ブルベーカープレフィルターは主四重極へのイオンの案内をもたらすことがよく知られている、しかしながら、ＤＣ電圧成分の印加での遅れは、フリンジ電界での減衰をもたらし、そして所定の質量分解能での全体的なイオン透過を著しく改善する［特許文献１、特許文献２］。

望ましい双曲面の電界を作るために、極めて正確な構築方法が用いられている。しかしながら、構造の大きさが減少されるにつれて、必要とされる精度を得ることはますます難しくなっている［非特許文献１］。したがって、微細加工方法が、コストを低減し且つ携帯性を許容すべく質量分析計を小型化するために、ますます採用されている。

微細加工される装置は、用いられ得る、堆積、パターニング及びエッチングの方法の相性範囲の故に、シリコンウエハーの上にしばしば製作される。しかしながら、シリコンの固有抵抗は本来的に本質的な材料の抵抗に制限され、そして堆積された絶縁薄膜の厚さは、かかる薄膜における応力によって制限される。これらの制限は、シリコンに形成された静電四重極の質量フィルターのようなＲＦ装置の性能について特別な重要性を有する。

例えば、２つの酸化されたシリコン基板に対で搭載された４つの円柱状電極から成る、シリコンベースの四重極静電質量フィルターが数年前に実演された。この基板は、２つの円筒状絶縁スペーサーによって離間されて保持され、そして非等方性ウエット化学エッチングによって形成されたＶ形溝が、電極とスペーサーの配置のために用いられた。電極は、溝に堆積された金属薄膜にはんだ付けされた金属被覆ガラスロッドであった［特許文献３］。

質量フィルタリングが、０.５ｍｍの直径及び３０ｍｍの長さの電極を備える装置を用いて実演された［非特許文献４；非特許文献５；非特許文献６］。しかしながら、性能は、基板を経る酸化物中間層を通しての、共平面円柱状電極の間での容量カップリングによって引き起こされたＲＦ加熱によって制限された。結果として、装置は程度の低い電気負荷を露呈し、そして、電極を取り付けているはんだが融ける傾向があった。これらの作用は、印加され得る電圧及び周波数を制限し、そしてそれは、質量の範囲（およそ１００の原子質量単位まで）と質量分解能の両方を制限した。基板はアースされていたが、不完全なスクリーンの使用が高いノイズレベルをもたらし、そして装置は低い透過率に悩まされた。

これらの制限条件を克服する努力において、結合絶縁体上シリコン（ＢＳＯＩ：bonded silicon-on-insulator）に基づいた代わりの構成が開発された［特許文献４］。ＢＳＯＩは酸化されたシリコンウエハーから成り、これに第２のシリコンウエハーが結合されている。当該第２のウエハーは、シリコン‐酸化物-シリコンの多層を残すために、所望の厚さにまで磨き戻されてもよい。

この幾何学的配列では、電極ロッドが２つの基板の上に対で再び搭載された。しかしながら、電極は、今や、ＢＳＯＩウエハーの基板の中にエッチング加工されたシリコンばねによって保持され、他方、装置の層がスペーサーとして用いられた。酸化物中間層は大きく取り去られ、その結果、基板を経ての共平面円柱状電極の間の容量カップリングは大いに減少された。結果として、装置は相当な、より高電圧に耐えることができ、そして４００原子質量単位の質量範囲が実演された［非特許文献７］。

これらの結果にもかかわらず、ただ部分的なスクリーニングのみが再び可能であった。さらに、円柱状電極を搭載しているばねとフックのような特徴による入口の瞳の障害物のために、透過は再び低いと判定された。これらの特徴はまた、ブルベーカープレフィルターのような補助的な光学機器の組み込みを妨げた。

「正方形ロッド四重極」として説明され、そしてシリコンに形成され、多角形のロッドの組を搭載している２つの基板アセンブリに基づく、さらなる微細加工された四重極フィルターもまた記載されている［特許文献５］。しかしながら、それは実演されていないようである。

米国特許第３,３７１,２９４号公報 Brubaker W.M.(1968) 米国特許第３,１２９,３２７号公報 Brubaker W.M.(1968) 米国特許第６,０２５,５９１号公報 Taylor S., Tate T.J., Syms R.R.A, Dorey H.A. (200) 英国特許第２３９１６９４号公報 Syms R.R.A. (2006) 米国特許第６,４６５,７９２号公報 Baptist R. (2002) Batey J.H. 「四重極ガス分析器」Vacuum 37, 659-668 (1987) Denison D.R. 「アースされた筒状ハウジングでの四重極の作動パラメータ」J. Vac. Sci & Tech. 8, 266-269 (1971) Brubaker W.M.「改良された四重極質量分析器」Adv. Mass Spectrom, 4, 293 (1968) Syms R.R.A, Tate T.J., Ahmad M.M., Taylor S. 「微細技術の四重極静電レンズの製作」Elect. Lett. 32, 2094-2095 (1996) Syms R.R.A, Tate T.J., Ahmad M.M., Taylor S.「微細技術の四重極静電レンズの設計」IEEE Trans. On Electron Device TED-45, 2304-2311 (1998) Taylor S., Tunstall J.J., Leck J.H. Tindall., Julian P., Batey J., Syms R.R.A, Tate T.J., Ahmad M.M。「微細加工の質量フィルタを備える小型四重極の性能改善」Vacuum 53, 203-206 (1999) Geear M., Syms R.R.A, Wright S., Holmes A.S. 「深いシリコンエッチングによるモノリシックＭＥＭＳ四重極質量分析計」 IEEE/ASME J. Microelectromech. Syst. 14, 1156-1166 (2005) Sillon N., Baptist R.「微細加工の質量分析計」 Sensors and Actuators B83, 129-137 (2002)

質量分析法の多くの用途はより大きい質量の範囲を要求しているので、ＲＦ加熱の問題に対するいっそう効果的な解決を与える必要がある。それ故に、かかる解決法、及び所定の分解能において、低ノイズと、より大きい検出感度を必要としている状態で作動可能な質量分析計装置に対する要求事項をもまた提供する必要がある。

これらと他の問題は、本発明の教示に従う質量分析計装置によって対処され、これは、微細加工される静電四重極質量フィルターにおける電気的絶縁のために、薄く堆積される酸化物層の使用を排除している。本発明の教示に従う装置はまた、アースされたスクリーンとブルベーカープレフィルターとの両方を組み込むことについての問題にも対処している。かかる利益は、全てのシリコン部品が物理的に分離され、そして絶縁基板に取り付けられている、四重極電極のための台座を組み込むことによりもたらされる。

本発明の教示に従えば、小型の四重極静電レンズの幾何学的配列において円柱状電極の組を整列する方法が提供される。この静電レンズは四重極質量分析計において質量フィルターとして作動し得る。電極は、微細加工された支持体上に対で搭載され、支持体は絶縁基板の上に導電性部品から形成される。導電性部品を完全に区分けすることにより、共平面の円柱状電極の間に低容量カップリングをもたらし、そして所定の質量分解能での感度を改良すべく、ブルベーカーレンズの組み込みを可能にする。完成した四重極が２つのこのような絶縁基板から作られ、そしてそれはさらなる導電性スペーサーによって間隔をあけられている。スペーサーは、導電性スクリーンをもたらすために電極の周りに連続されている。

したがって、本発明は請求項１に従う四重極レンズを提供する。有利な実施形態は従属請求項で与えられている。

これらと、説明のための及び例示的な実施形態の他の特徴は、下記の図１ないし９を参照することでさらに良好に理解されるであろう。

さて、本発明が、本発明の教示の理解に役立つべく与えられる例示的な実施形態を参照して説明される。特徴が１つの図面を参照して説明されるが、発明を１つの図面の解釈に限定することは意図されておらず、及び本発明の範囲から逸脱することなく変更がなされ得ることから、かかる特徴は他の図面で説明される特徴と共に、又はそれに置き換えられて用いられ得ることが理解されるであろう。このような範囲は、特許請求の範囲を考慮に入れて必要であるとみなされるときに限定されるのみである。

図１において、導電性の材料又は導電層に覆われている材料の追加の層に形成される種々の特徴を共に配置するために、絶縁基板１００が用いられている。この追加の層は、以下の説明から明らかになるように、１つ以上の支持部材すなわちシールドのような異なる特徴を与えるために作成ないしは形成される。適切な絶縁基板材料の例は、ガラス、セラミックス及びプラスチックを含む。本発明の教示の状況ではどの絶縁材料も有用であるが、質量分析法で意図されている用途のためには、真空下での低気体放出比の理由で、ガラスがより適切である。適切な導電性材料の例は、金属、及び金属で覆われた半導体と絶縁体を含む。金属で覆われたシリコンは、フォトリソグラフィ及びエッチングのような微細加工の方法を用いて容易に構造化できるので、特に重要である。しかしながら、金属構造も同じくフォトリソグラフィ及び電気メッキによって微細加工され得る。

基板のいずれもの端部において、２つの対の支持部材すなわち特徴１０１ａ、１０１ｂ及び１０２ａ、１０２ｂが、１対の挿入される円柱状電極への整列、及び電気的接続をもたらす。支持部材と絶縁基板との組合せが微細加工された台座を形成している。１対の支持部材の各々は、それらのそれぞれの挿入される電極のために集合的に据付け用部材をもたらす。２つの電極の各々は同じ直径を有し、静電四重極レンズでの４つの電極のうちの２つとして究極的に作用する。電極は、支持部材の中に受入れられたとき、断面線Ａ‐Ａ‘又はＢ‐Ｂ’にほぼ直交する長手方向軸線に沿って互いに平行に整列されることは明白であろう。このように、基板は電極に平行な長手方向軸線と断面線に平行な横方向軸線とを有することが理解されよう。

支持部材１０１ａ及び１０１ｂ内に配置され支持される円柱状電極のための機械的整列が、溝付の配置用特徴１０５ａ及び１０５ｂによりもたらされ、同様な特徴１０７ａ及び１０７ｂが要素１０２ａ及び１０２ｂに設けられている。適切な特徴は、Ｖ形、Ｕ形及び矩形を含み、それらは全てフォトリソグラフィ及びエッチングのような微細加工方法によって形成され得る。円柱状電極を装着する適切な方法は、導電性のエポキシ及びはんだを使用することを含む。溝が付けられた支持部すなわち凹部１０５ａ、１０５ｂは、それらのそれぞれの電極に対し、各々の電極の第１の端部における支持を提供し、そして溝が付けられた支持部すなわち凹部１０７ａ、１０７ｂは第２の端部における支持を提供する。各電極は長さを有し、そしてその長さのいずれもの端部で支持される。

本発明の教示に従えば、２つの電極のそれぞれのための支持部材は互いから電気的に絶縁されている。隣接する支持体間のこの電気的絶縁を達成するために、本発明は、隣接する支持体１０１ａ/１０１ｂ及び１０２ａ/１０２ｂそれぞれの各々の間に設けられるべき、物理的分離すなわち溝１０３、１０６を設けている。２つの溝の各々は、電極の長手方向軸線に平行な方向に形成されている。溝１０３、１０６の形成は、隣接する支持体の間に物理的分離をもたらし、それらの各々が絶縁基板に配置されたときに必要な電気的絶縁を達成する。支持体特徴１０１ａ及び１０１ｂのそれぞれの長さに沿う電気的接続が、導電材料の使用によって、すなわち、それらの頂表面１０４ａ及び１０４ｂに堆積された薄膜によって導電性とすることによって与えられる。特徴１０２ａ及び１０２ｂの間の電気的絶縁は、物理的分離１０６を与えることによって同様にもたらされ、そして、支持体特徴１０２ａ及び１０２ｂに沿っての電気的接続が、導電材料、すなわち、それらの頂表面に堆積された薄膜の使用によって与えられる。導電材料を用いて電極をそれらのそれぞれの配置用特徴に連結し、そしてこれらの特徴の頂表面をもまた導電性とすることによって、支持体特徴とそれらのそれぞれに支持されている電極との間に電気的接続をもたらすことが可能である。

分離部、すなわち、溝１０３及び１０６は、フォトリソグラフィ又はエッチング技術を用いて形成されるのが望ましく、そうすると相対的に大きくできる。したがって、要素１０１ａと要素１０１ｂとの間、及び要素１０２ａと要素１０２ｂとの間の静電容量は、薄い堆積された絶縁層に基づく他の方法を用いるより低くなり得ることが理解されよう。さらに、要素１０１ａ及び要素１０１ｂが無線周波数（ＲＦ）の交流電圧によって励起されるとき、この対の間に非常に小さい電流が流れるであろうことが理解されよう。したがって、この配列は、ＲＦ加熱が低減された理想的なキャパシタにより近い電気的負荷を提供するであろう。

溝１０３、１０６は隣接する支持体の間に長手方向の分離部を規定する。横方向の分離部を規定して、各々の電極が、電気的に絶縁されている支持部材１０１ａ／１０２ａ及び１０１ｂ／１０２ｂによって、その端部で支持されるようにすることもまた可能である。このような横方向の分離部は、図１の配列において、挿入された電極の長手方向軸線をほぼ横切る方向に延在する２つの横方向溝１１０ａ、１１０ｂによって与えられている。この両横方向及び長手方向の溝の構成は、基板１００の上の島として、個別の支持部材１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂを効率良く形成する。

支持部材を横方向において隔離することによって間隙が画成され、その中にシールドが設けられ得る。このシールドは、イオンに露呈されたときに荷電される可能性のある絶縁基板の上部分を覆うべく作用する。図１に示されるように、２対の電極据付用特徴１０１ａ、１０１ｂと１０２ａ、１０２ｂとの間に、深い溝１０９を含むシールド１０８の形態のさらなる特徴が設けられ、この特徴は、意図された電極の配置にほぼ平行な、長手方向軸線方向に延在している。溝１０９は、底面１１１から直立している側面すなわち壁１１２ａ、１１２ｂを有している。シールドはまた、絶縁基板１００に付けられているが、物理的分離すなわち溝１１０ａ、１１０ｂによって、電極据付用特徴から隔離されている。シールド用特徴１０８の表面に亘る電気的接続が、導電材料の使用によって、又は、表面１１１、１１２ａ、１１２ｂ、１１３ａ、１１３ｂに堆積された薄膜によって導電性にすることにより与えられている。導電表面１１１の鉛直方向位置及び導電表面１１２ａ、１１２ｂの横方向位置を規定する、溝の深さと幅は、電極が溝１０５ａ、１０５ｂ及び溝１０７ａ、１０７ｂに挿入されたとき、これらの表面と電気的接続をしないように選択される。図１のＡ−Ａ‘及びＢ-Ｂ’断面、また図２の斜視図に示されるように、シールドの上側表面１１３ａ及び１１３ｂは支持部材の上側表面１０４ａ及び１０４ｂより高い。このことにより、下方にある基板からシールドの上側表面までの距離が、下方にある基板から支持部材の上側表面までの距離より大きいことが理解されるであろう。

図２は、２つの円柱状電極２００ａ、２００ｂがブロック内の整列用の溝１０１ａ、１０１ｂ及び１０２ａ、１０２ｂに、どのように挿入されるかを示している。配置用の整列溝１０１ａ、１０１ｂ及び１０２ａ、１０２ｂの深さは、整列溝に配置された電極がシールドに画成された溝の上に懸架されるように、溝１０９の深さよりも浅い。シールド要素１０８の導電表面に形成された溝１０９から距離を置いて円柱状電極を懸架することによって、溝は、円筒状電極の周りに少なくとも部分的に延在する導電シールドをもたらし得ることが理解されよう。

５つの主要な特徴１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂ及び１０８と、分離部１０３、１０６、１１０ａ及び１１０ｂとの寸法は、補足的な特徴１０５ａ、１０５ｂと１０７ａ、１０７ｂと１０９の寸法のように、フォトリソグラフィを用いて全て正確に輪郭付けられることが理解されよう。特徴１０４ａ、１０４ｂ、１１３ａ及び１１３ｂのような特徴の、絶縁基板上の相対的な高さもまた、エッチングによって既知の深さに正確に規定され得ることが理解されよう。したがって、全体的な構造は、微細加工の技術分野における当業者によく知られている方法を用いて、明確に規定された寸法状態に形成され得る。

図３は、かかる２つのアセンブリ３０１ａ、３０１ｂが組合わされて、どのようにして完成した静電四重極レンズが構成されるかを示している。２つのアセンブリ３０１ａ、３０１ｂは、シールド要素の導電表面３０２ａ、３０２ｂが整列かつ当接し、サンドウィッチ構造を形成するように、対面して共に積み重ねられている。アセンブリは今や１つの手段をもたらし、これでもって４つの円柱状電極３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄが端部で、同様な導電性の特徴３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄの溝によって支持され得ることが理解されよう。特徴３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄは、サンドウィッチ構造の外側表面を形成している２つの絶縁基板３０５ａ、３０５ｂに保持され、互いに隔離されている。２つの絶縁基板３０５ａ、３０５ｂは、２つのシールド用特徴３０６ａ、３０６ｂに支持され、かつ、離間されている。

寸法を適切に選定することで、アセンブリは、４つの同一の円柱状電極をそれらの軸線が平行で且つ中心が正方形上に位置された状態に搭載することができる。正方形の寸法は電極の直径と比較して適切に選定され得るので、全体的なアセンブリが静電四重極レンズの幾何学的配列を与える。

導電性の特徴３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０３ｄは、四重極レンズの瞳を形成する、円筒状電極の間の空間に障害物をもたらさず、その結果、電極のより多くの部分が四重極電界に低ひずみ性をもたらすことが、同じく理解されよう。シールド用特徴３０６ａ、３０６ｂの内部の導電表面３０７ａ、３０７ｂは、図２における溝１０９の側壁に相当し、４つの円柱状電極をそれらの長さのより多くの部分に沿って、今や、完全にシールドすることができることもまた理解されよう。

これまでに説明された例示的な実施形態においては、唯１つの四重極構成が示されたが、全体的なイオン流動、延いては、感度を増すために、多数の四重極が同じ基板の上に平行な配列の形態で構成され得ること、又は、直列の配列の多数の四重極もまた同じ基板の上に形成され得ることが理解されよう。平行な複数の四重極を与えることによって、装置による処理能力を増大することが可能である一方、電極を直列に設けると、以下に説明されるように、例えばブルベーカーのレンズ又はプレフィルターのような追加の特徴の作成を可能にする。

図４は、静電四重極レンズと、ＲＦのみの四重極からなるブルベーカープレフィルターとを組合わせる方法を示している。ここで、それぞれの絶縁基板４０１が延長され、台座４０５ａ、４０５ｂ及び４０６ａ、４０６ｂに保持された主円柱状電極４０４ａ、４０４ｂの対に加えて、第２の対の別の円柱状電極４０３ａ、４０３ｂのための追加の搭載用特徴４０２ａ、４０２ｂの組み込みを可能にしている。追加の電極は、それらのそれぞれの主円柱状電極に長手方向で整列されている。ブルベーカープレフィルターにおける電極は慣習的に非常に短いので、円柱状電極をそれらの中間点において保持する単一の組の搭載用特徴であれば、通常、十分であろう。再度、適切な取り付けの方法は導電性の接着剤及びはんだを含む。ブルベーカーの電極は、主四重極電極に機械的に連続であるけれども、電気的には隔離されていてもよいことも理解されよう。この場合、搭載方法がさらに単純化される。

短い円柱状電極４０３ａ、４０３ｂは、長い円柱状電極に供給されるＲＦ電圧ＶＡＣ１、ＶＡＣ２でもって直接に駆動されてもよい。代わりに、それらはキャパシタ４０７ａ、４０７ｂと抵抗４０８ａ、４０８ｂを介して、長い円柱状電極から駆動されてもよい。そしてそれらは、短い円柱状電極に印加されるＤＣ電圧が実質的にアースされるのを保証しつつ、ＲＦ電圧ＶＡＣ１、ＶＡＣ２を短い円柱状電極に連結する手段を提供している。

図５及び６は、単一の四重極への電気的接続の全てがどのようにして、同じ基板で与えられ得るかを平面図及び断面図で示している。この配列は、一般に、ボンディングワイヤーを外部の回路に取り付けるのに最も便利である。

上側の基板５０１ａとそれ上の特徴は下側の基板５０１ｂよりも狭いので、２つの基板が一緒に積み重ねられたとき、下側の基板の円柱状電極５０２ａ、５０２ｂ及びシールド５０３ａ、５０３ｂへの接点が自由に露出される。これは、上側の基板に下側の基板の設置面積よりも小さい設置面積を与えることによって達成される。

上側の基板の円柱状電極５０４ａ、５０４ｂへの接点は、ピラー５０５ａ、５０５ｂへ経路付けられ、これらは２つの基板が下側の基板の追加の特徴５０６ａ、５０６ｂに対し積み重ねられたときに接続される。その後、ワイヤボンド６０１ａ、６０１ｂが、下側の円柱状電極に接続している特徴５０２ａ、５０２ｂに付けられ得る。同様に、ワイヤボンド６０２ａ、６０２ｂが上側の円柱状電極に接続している特徴５０６ａ、５０６ｂに付けられ、そしてワイヤボンド６０３ａ、６０３ｂがシールドに接続している特徴５０３ａ、５０３ｂに付けられ得る。

それぞれの場合、ワイヤボンドは下側の基板５０１ｂにのみ存在している特徴に付けられており、かくて、ワイヤボンドイング作業を簡単にしていることが理解されよう。この接続の仕方は、例えば、プレフィルターが用いられるとき、他の同様な電極に対する接続をもたらすために、拡大適用され得ることもまた理解されよう。

図７は、微細加工された四重極の台座の主要な幾何学上のパラメータが、どのように確立されるかを示す断面図である。ここでは、半径ｒ_eの単一の円柱状電極７０２を支持する溝付きの特徴７０１が示されている。

慣習的に、四重極アセンブリによって作られる静電界の２つの対称軸７０３、７０４から等しい距離ｓで、電極を保持することが望まれる。正確な幾何学的配列は、４つの電極の間に描かれ得る円７０５の半径ｒ_０によって決定される。過去の業績は、双曲面の可能性への良好な近似値がｒ_e＝１.１４８ｒ_０であるときの円柱状電極から得られるということを明らかにしている［非特許文献２］。

そこで、ｓの値は、ｓ＝{ｒ_ｅ + ｒ_０} / ２^１/２である。仮に、円柱状電極７０２と支持用特徴７０１の溝との２つの接触点７０６ａ、７０６ｂの間の距離が２ｗであるなら、接触点と対称軸７０３との間の高さｈは、ｈ ＝ ｓ ＋ （ ｒ_ｅ ^２ − ｗ^２ ）^１/２である。したがって、ｒ_ｅ、ｒ_０ 、ｓ、ｗ及びｈを適切に選定することにより、四重極の幾何学的配列が確立されることを可能にする。

説明されたタイプの基板は、フォトリソグラフィ、エッチング、金属被覆及びダイシングのような方法を用いる、微細加工によってミクロンスケールの精度で構成され得る。しかしながら、当業者には明らかであるように、同様な結果につながる方法と材料の多くの組合せがある。したがって、我々は、排他的であるよりもむしろ代表的であるように意図される１つの例を与える。この例では、エッチングされた特徴がシリコンウエハーに形成され、そしてそれらは完成した基板の一団を形成すべく積層され、それからダイシングによって切り離される。

図８は、２つの組の部分がどのようにして、２つの別個のシリコンウエハー上に形成されるかを示している。第１のウエハー８０１は、図７における接触点７０６ａ、７０６ｂの間に横たわる、微細加工される基板の全ての特徴を規定する部分を有している。これらの特徴は、望ましくは、図７に示された高さｈを有するので、出発原料は、この厚さに両側から磨かれたシリコンウエハーである。ウエハーは、周囲のウエハー（８０４）に付いているスプルーの小さい区域（例えば８０３）と共に所望の特徴（例えば、接点パッド８０２）を規定するために、フォトリソグラフィを用いてパターニングされる。

パターンは、深い反応性イオンエッチング、すなわち、高速かつ高い側壁垂直性でシリコンに任意の特徴をエッチング加工することができるプラズマ・ベースの方法を用いて、ウエハーを通して正しく転送される。リソグラフのマスクが除去され、そしてウエハーは浄化され、その後、例えば、ＲＦ（高周波）スパッタリングによって金属化される。適切な被覆金属は金を含んでいる。

第２のウエハーは、図７における接触点７０６ａ、７０６ｂの下に横たわる、微細加工される基板の全ての特徴を規定している部分を有している。これらの特徴の深さは四重極アセンブリの精度を決定することにおいて重大ではないので、このウエハーの厚さ「ｄ」は、円柱状電極が着座されることを可能にするのに十分でなければならないのみである。ウエハーは二度パターニングされる。第１に、電極着座溝（例えば、８０５）及び導電性シールド８０６のベースのような部分的にエッチング加工される特徴を規定するため、そして、第２に、全ての主要な部分を形取って完全にエッチング加工される特徴を規定するためである。再度、特徴はスプルーの短い区域（例えば、８０７）によって周囲の基板８０８に付けられている。

パターンは、深い反応性イオンエッチングを用いてウエハーに再度転送される。その結果、部分的にエッチングされる特徴は図７の十分な深さｄeにまでエッチング加工され、完全にエッチング加工される特徴が正しく転送される。このタイプの多層エッチングは、当業者には周知の多層面マスクを用いることにより、容易に行われ得る。リソグラフのマスクが除去され、そしてウエハーは浄化され、金属化される。適切な被覆金属は、再度、金を含んでいる。

図９は、ウエハーがどのようにして、完成した微細加工されたアセンブリの組を形成するスタックに組み立てられるかを示している。上側のウエハー８０１が下側のウエハー８０２に取り付けられ、下側のウエハー８０２は次いで、例えばガラスウエハーである絶縁基板９０１に取り付けられる。適切な取り付け方法は、金対金の圧縮結合を含んでいる。個別の微細加工された基板を備える長方形のダイが、ダイシングソーを用いて、例えば、スプルーの全ての区域を分離する平行線９０２ａ、９０２ｂの第１の組、及び、直角な平行線９０３ａ、９０３ｂの第２の組に沿って、鋸引くことによって、分離される。

四重極アセンブリは、前に図２に示されたように、円柱状電極を微細加工された基板に挿入して、そして次に、前に図３に示されたように、２つの基板を組み立てることによって完成される。外部回路へのワイヤボンド接続が、その後、前に図６に示されたように付される。

上に説明された方法は、説明された主たる特徴、すなわち、円柱状電極のための電気的に絶縁された支持体、導電性シールド、及びブルベーカープレフィルターを包含し、アセンブリ全体が正しい幾何学的関係を有している、微細加工された四重極を構成するのに用いられ得ることがまた理解されよう。しかしながら、多くの代わりの製造方法が同一結果を達成し得ることもまた理解されよう。

例えば、下側のシリコンウエハーは、「ガラス上のシリコン」ウエハーに置き換えられてもよく、それでもって、図９に示されている下側のウエハーへの結合ステップについての必要性を排除する。代わりに、２つのシリコンウエハーが結合されて単一の層とされ、全ての必要な特徴を結合するためにこれがエッチングによって多重に構造化されてもよく、それでもって、図９に示されている上側のウエハーの結合ステップの必要性を排除する。この場合、高さｈを規定するために必要とされる精度は、絶縁体上のシリコン（ＢＳＯＩ）ウエハーを用いて提供され得る埋設エッチングストッパを用いて達成され得る。
２つの基板の間の適切な分離は、別個の挿入された導電性オブジェクト例えば導電性ブロック又はシリンダの使用によって達成され得、図９の上側のウエハーの必要性を排除することができることが同じく理解されよう。

必要な導電性特徴は、金属のような代替材料から構築され得ることも同じく理解されよう。例えば、導電性特徴の適切な組を担持している絶縁ウエハーもまた、モールドを形成するために深いリソグラフィを反復的に使用し、そして金属でモールドを満たすのに電気メッキをすることによって構築され得る。

ガラスは、ダイシングによるよりもむしろエッチングによって構造化され得ることが理解されよう。ガラスはプラスチックに置き換えられ得ることもまた理解されよう。もし、プラスチックが感光性であるなら、それはリソグラフィによって構造化され得ることが理解されよう。

ここに説明されたものは、四重極質量分析計において質量フィルターとして作用する小型の四重極静電レンズの幾何学的配列で、円柱状電極の組を整列する例示的な方法であることは理解されるであろう。電極は、絶縁基板上の導電性部分から形成されている、微細加工された据付け用部材、すなわち、支持体の上に対で搭載される。導電性部分を完全に区画することで、共平面の円柱状電極の間に低容量のカップリングをもたらし、そして、ブルベーカープレフィルターの組み込みが所与の質量分解能での感度を改善することを可能にしている。完成した四重極は、さらなる導電性のスペーサーによって間隔をあけられている、２つのかかる支持体から構成されるスペーサーは、シールドを形成することができる導電性のスクリーンを提供すべく、電極の周りに望ましくは連続されている。スペーサーの高さは、２つの支持体が合わせられたとき、対向する基板間の分離を規定し、そして、第１の台座に配置されている電極が第２の台座に配置されている電極に対し正確に離間されることを保証する、それぞれの基板上に設けられたスペーサーの間の接点であるように、据付け用部材の高さより大きい。このような例示的な実施形態は発明の教示を理解するのには有用であるが、添付の請求項に照らして必要であるとみなされることを除き、どのようにも本発明を限定することは意図されていない。

したがって、同様な目的を達成する多くの方法がある。

本発明の文脈の中で、微細処理された、又は、微細処理、又は、微細製作された、又は、微細加工の用語は、ミクロンのオーダーの寸法を有する３次元構造物及び装置の製作を定義すべく意図されている。これは超小形電子工学と微細機械加工との技術を結合している。微細機械加工は主にシリコンウエハーからの三次元構造物の生産であるのに対して、超小形電子工学はシリコンウエハーからの集積回路の製造を可能とする。これは、ウエハーからの材料の除去、又は、ウエハー上又はウエハー内への材料の付加によって達成され得る。微細処理の魅力は、生産コストの低減に導く装置の一括製作、材料節約をもたらす小型化、より速い応答時間をもたらす小型化、及び低減された装置侵入性として要約され得る。ウエハーの微細処理のためには多様な技術が存在し、そして当業者にはよく知られるであろう。当該技術は、材料の除去に関係するものと、ウエハーへの材料の堆積又は付加に関係するものとに分けられ得る。前者の例は、
・ウエット化学エッチング（非等方性及び等方性）
・電気化学又は光支援の電気化学エッチング
・ドライプラズマ又は反応イオンエッチング
・イオンビームフライス加工
・レーザー加工
・エキシマレーザー加工
を含む。

一方、後者の例は、
・蒸発
・厚膜デポジション
・スパッタリング
・電気メッキ
・電鋳
・モールディング
・化学的蒸気堆積法（ＣＶＤ）
・エピタクシー
を含む。

これらの技術は、本発明によって提供されるインターフェース装置が例である複雑な３次元物を生産するために、ウエハー結合と組合せられ得る。

「上側」、「下側」、「頂部」、「底部」、「内側」、「外側」等の語が用いられていた場合、これらは互いに対する層の相互の配列を伝えるために用いられており、例えば頂表面に指定された面は下側表面に指定された面の上方ではないというような形態に発明を限定するようには解釈されないはずであることは理解されるであろう。

さらに、備え/備えている、の語は、この明細書で用いられるとき、述べられた特徴、完全体、ステップ又は構成部品の存在を特定するためのものであり、１つ以上の他の特徴、完全体、ステップ、構成部品又はそれらの群の存在、すなわち、追加を妨げない。

本発明による、横方向に区分けされた導電性部分を絶縁基板上に包含している静電の四重極レンズのための微細加工された台座を示す、断面図及び平面図である。 本発明による、微細加工された台座への円柱状電極の搭載を示す斜視図である。 本発明による、微細加工された台座への円柱状電極の搭載及び微細加工された静電四重極レンズの完成したアセンブリを示す側面図と２つの断面図である。 本発明による、ブルベーカーレンズの幾何学的配列にＲＦのみの追加の電極の組の組み込みを示す。 本発明による、単一の基板の上に微細加工された四重極への全ての電気的接続をもたらす配列を示す平面図である。 本発明による、単一の基板の上に微細加工された四重極への全ての電気的接続をもたらす配列を示す断面図である。 本発明による、単一の円柱状電極の搭載に関連する主要な幾何学上のパラメータを示す断面図である。 本発明による、小型の静電四重極レンズのための台座を形成している２つの基板を示す平面図である。 本発明による、小型の静電四重極レンズのための台座を形成している基板の組のアセンブリを示す断面図である。

Claims (21)

1. サンドウィッチ構造に設けられた第１及び第２の微細加工された台座から形成された四重極レンズであって、それぞれの台座は、それに形成されている絶縁基板を有しており、
   第１（１０１a、１０１ｂ、４０５a、４０６a）及び第２（１０２a、１０２ｂ、４０５ｂ、４０６ｂ）の物理的に区別されている据付け用部材に受け入れられる第１（４０４a）及び第２(４０４b)の電極による第１の電極の対（４０４a、４０４b)であって、当該据付け用部材の各々は基板の第１及び第２の位置に配置された２つの物理的に区別され電気的に絶縁された支持部材から形成され、第１（４０５a、４０６a）及び第２（４０５ｂ、４０６ｂ）の据付け用部材の各々は前記第１（４０４a）及び第２(４０４b)の電極をそれぞれ受け入れるべく構成され、当該第１及び第２の据付け用部材が物理的に互いから区別されて、ＲＦ及びＤＣ電圧に連結された第１の電極の対（４０４a、４０４b)と、
   第１の電極の対（４０４a、４０４b)に長手方向で整列され、かつ、ＲＦ電圧にのみ連結された第２の電極の対（４０３a、４０３b)と、を備え、
   サンドウィッチ構造を形成する際に、電極が第１及び第２の四重極を規定することを特徴とする四重極レンズ。
2. それぞれの台座は、少なくとも１つのスペーサーをさらに含み、当該少なくとも１つのスペーサーは、前記第１又は第２の据付け用部材のいずれの高さよりも高い高さを有していることを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
3. 該台座の長手方向及び横方向の軸線に沿って形成された溝（１０３、１０６、１１０a、１１０b）を備え、当該溝は個々の支持部材を分離していることを特徴とする請求項２に記載のレンズ。
4. それぞれの据付け用部材の支持部材は、基板の第１及び第２の位置に配置され、そしてスペーサーによって互いから分離されており、当該スペーサーは、受け入れた電極がシールド（１０８）を通過するように、当該第１及び第２の位置の間に位置されるシールド（１０８）を形成していることを特徴とする請求項３に記載のレンズ。
5. 当該シールドは、電極にほぼ平行な長手方向軸線を有しているシールド溝を含んでいることを特徴とする請求項４に記載のレンズ。
6. 当該シールド溝（１０９）は、導電性の表面（１１１、１１２ａ、１１２b、１１３a、１１３ｂ）を有し、電極がシールドを通過するとき、電極が物理的に当該シールドの導電性の表面から分離されるような深さを有していることを特徴とする請求項５に記載のレンズ。
7. 前記第１及び第２の据付け用部材のそれぞれは、電極が当該第１及び第２の据付け用部材に受け入れられて、配置されたとき、当該電極とそれぞれの据付け用部材との間に電気的接触がもたらされるように、上側の表面に導電性の表面を有していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレンズ。
8. 挿入された電極は、前記第１及び第２の据付け用部材のいずれかの上側の表面に配置された配置用特徴（８０５）内に受け入れられ得ることを特徴とする請求項７に記載のレンズ。
9. 当該配置用特徴の深さは、電極がエッチング特徴に受け入れられたとき、電極が溝の上に懸架されるように、前記シールドに形成された溝の深さよりも浅いことを特徴とする請求項８に記載のレンズ。
10. 第１及び第２の台座のそれぞれの絶縁基板は、構造体の両側にあり、且つ外表面をもたらしていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載のレンズ。
11. 当該サンドウィッチ構造を形成する際に、第１及び第２の台座のそれぞれについての少なくとも１つのスペーサーの上側の表面が互い接触し、それによって、対向している基板の間の分離距離を規定していることを特徴とする請求項２を引用する請求項１０に記載のレンズ。
12. 対応するスペーサーの間の接触が、電極の周りに連続する導電性シールドをもたらしていることを特徴とする請求項１１に記載のレンズ。
13. 電極の第１の組は、電極の第２の組に対するプレフィルターを提供していることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のレンズ。
14. 当該電極の第１の組は、個別の据付け用部材に搭載可能であることを特徴とする請求項１３に記載のレンズ。
15. 当該電極の第１の組は、電極の第２の組と機械的に連続的であるが電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１３に記載のレンズ。
16. 電極のそれぞれへの外部電気接触は、台座の１つへのボンド接続によってもたらされていることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか1項に記載のレンズ。
17. ２つの台座のそれぞれの設置面積は、外部の電気的接続を与えている台座への外部のアクセスが与えられるように、異なっていることを特徴とする請求項１６に記載のレンズ。
18. 据付け用部材のそれぞれは、半導体材料のシリコンから形成されていることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれか1項に記載のレンズ。
19. 据付け用部材の中の特徴は、フォトリソグラフィ又はエッチング技術を用いて規定されていることを特徴とする請求項１８に記載のレンズ。
20. 基板がガラス又はプラスチック又はセラミック材料から形成されていることを特徴とする請求項１ないし１９のいずれか1項に記載のレンズ。
21. 請求項１ないし２０のいずれか1項に記載のレンズを有していることを特徴とする四重極質量分析計。

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