本发明专利技术公开了一种非对称高场强离子迁移谱分析仪迁移管过滤器及其实现方法，本发明专利技术使用湿法刻蚀和硅片键合相结合的技术，加工的FAIMS迁移管过滤器包括结构相同的、键合连接的第一硅片和第二硅片，第一硅片包括硅片本体及其上顺次加工的第一氧化层、包括至少3组相互绝缘的金属图形的第一金属图形层、第二氧化层、包括至少3组相互绝缘的金属图形的第二金属图形层，第三氧化层以及至少一组腔体，第一硅片和所述第二硅片的厚度为30～100微米，本发明专利技术能够在普通高压集成电路工艺基础上，使用湿法刻蚀技术，在规范电场电极的作用下，得到合格的FAIMS过滤区电场。除了显著降低FAIMS过滤器的加工成本外，还能够获得更高的离子检出精度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及非对称高场强离子迁移谱分析仪，具体涉及一种非对称高场强离子迁移谱分析仪FAIMS迁移管过滤器及其加工方法。
技术介绍
离子迁移谱分析仪IMS是一种从 气体样品中检测特定分子的有效方法。图I示出了典型的离子迁移谱分析仪迁移管过滤器结构，根据图1，载气和样品气体通过左边箭头所示的方向进入离化区，并在离化区被电离；电离后的样品气体进入迁移区，在迁移区的内电场作用下进行迁移；在特定的内电场中，不同的离子迁移率不同，因此通过整个迁移区的时间也不相同。通过测量已知迁移区长度和内电场下的离子迁移时间，就可以计算出被测样品离子的迁移率，从而识别样品的化学成分。该技术在爆炸物、毒品等化学成分检测方面有广泛的应用。但是，MS的迁移电场的电极极板间距较大，需要很高的电压生成需要的内电场，气体成份需要使用特定的气体载体送入检测电场，设备庞大、复杂，需要专门的实验室，不适合安全筛查和国防等领域的在线应用。图2示出了 ABC三种不同物质离子迁移率随着电场强度的增加而发生变化的曲线。其中，Emin是离子迁移率偏离常值的最小场强，Emax是通常状况下，不产生击穿的最大场强。根据图2，本领域技术人员可以知道，离子在更高场强下的迁移率不再是常数。例如图2中不同的三种物质A、B和C在常规的MS下无法区分，但是在高场强下就能通过率子迁移率的测量得到很好的区分。图3表示了平板电场极板间距尺寸和击穿电压特性曲线。根据图3，当电场极板之间的间距降低到很小的时候，比如l(Tl00um,击穿场强也从10kV/cm提升到30kV/cm,甚至更高。因此，使用微小的极板间距可以获得更高场强的平板电场。图4a、图4b表示了现有的非对称高场强离子迁移谱分析仪FAMS迁移管过滤器的结构，图4a为硅片纵向切割剖面图，图4b为俯视图，图4a对应图4bP_P’的截面图。根据图4a、图4b，该迁移管的迁移区电场是利用纵向刻蚀加工技术在硅片上加工出的微间距极板(附图4a、图4b中的极板212、极板214)，也就是在硅片表面纵深向下加工出通透空间225，剩下的部分就成为迁移管过滤器的极板212和214 ;然后对极板施加高电压形成的。由于极板212和极板214的间距很小，比如30um，因此，就可以测量高场强区物质的离子迁移率特性，利用高场强区丰富的离子迁移率特性，从而更好的区分三种气体成份(301、302、303)。而且，由于过滤电场的极板间距极小，因此，无需庞大的高压设备，只需要几百伏的电压就可以获得很高的场强，降低了对高压电源的要求。这样的离子迁移率谱分析仪被称为非对称高场强离子迁移率谱分析仪FAIMS。FAIMS的迁移管过滤器极板(212、214)是在同一个硅片加工得到的，电极(315、316、317、318)为加工于娃片表面、用于电信号连接和传导的金属镀层,在加工好过滤器的几何结构之后，需要将硅片粘贴到用于固定过滤器电场极板的绝缘结构(图5中不可见)之上后，再将其极板212和极板214断开得到迁移管过滤器电场的两个独立电极。图5表示了绝缘隔离型的FAIMS迁移管过滤器的另外一种电极极板结构其中未画斜线填充的部分(22a)会被纵深向下加工出通透空间，其余画斜线填充的部分形成电极极板；通透空间加工完成后，对结合区域(22)使用氧化等方法形成高阻绝缘结构，从而得到两个独立的电场电极。和IMS测量离子特定电场下迁 移时间不同，FAIMS是一种离子迁移时间导数的离子迁移谱分析仪。相关的文献和专利参看参考文献 :L. A. Buryakov et al. Int.J. Mass. Spectrum Ion Process. 128(1993) 143;参考文献 E. V. Krylov et al. Int.J. Mass Spectrum. Ion Process225 (2003) 39-51,参考文献 : W02006/013396，参考文献:W02006/046077o在FAMS中，筛选电场的驱动电压具有电压幅度(电场强度)、电压脉冲占空比、电压脉冲的直流分量、电压脉冲频率等参数。只有在特定的参数组合下，被测离子才能够越过筛选电场达到探测电极，因此，FAIMS的筛选电场也被称为过滤区电场，筛选电场器件也被称为迁移管过滤器。考虑到FAMS的迁移管过滤器要求过滤电场的电极之间间距小(〈=100微米)，间距均匀，电极表面平整，并沿离子运动的方向有较长的过滤深度，因此，目前FAIMS迁移管的制作多采用半导体的干法刻蚀加工技术，比如专利申请文件US2010148051中公开内容。首先在硅片上使用金属制作指叉电极的图形；然后用干法刻蚀(比如深度离子刻蚀)加工好迁移管的指叉电极极板；在迁移管器件和玻璃衬底键合完成后，或者是用物理方法断开迁移管指叉电极之间的连接，或者使用化学等方法将迁移管电极连接处调整至高阻。图6示出了干法刻蚀过程中加工步骤等对表面光洁度的影响。如图6，沿垂直方向的刻蚀是一段一段加工的；每一段加工的内表面也不是平面，而是带有一定弧度的弧面。并且在半导体加工工艺中，使用干法刻蚀耗时较长，成本相对较高。为了保证刻蚀的垂直度，比如90+/-1度，目前制作FAMS迁移管过滤器可以实现的刻蚀深度一般在300um-600um，这也是FAMS工作过程中离子迁移的长度。对于FAMS的迁移管过滤器而言，离子迁移长度越长，则仪器的分辨能力越好。虽然上述干法刻蚀可以形成和端面垂直度高的加工面，但是，沿刻蚀方向，由于加工过程的特点，迁移管过滤器电场电极表面的均匀性还是难以控制，因而制作的FAMS迁移管成本过高。此外，指叉结构的FAMS迁移管设计，在指叉的顶部拐角区域，电场电极的间距理论上为设计间距的VI倍，存在奇异的电场，降低了检测的分辨能力。
技术实现思路
由于现有技术加工成本高，为了降低加工成本，本专利技术提供一种使用湿法刻蚀和硅片键合相结合的技术，用集成电路工艺的金属层制作FAIMS迁移管过滤器的电场电极；通过使用保护电极来规范迁移管电极的边缘电场，避免高精度垂直刻蚀加工，降低FAIMS迁移管过滤器加工的复杂性和成本。采用湿法刻蚀可以将迁移管过滤器的离子迁移通道沿硅片的平行而不是厚度方向加工，因此，可以制作任意长度的离子迁移过滤区。通过将湿法刻蚀和硅片键合技术与规范电场电极设计相结合，从而实现高性能FAIMS迁移管过滤器的低成本加工。本专利技术提供了一种FAIMS迁移管过滤器的结构，包括第一硅片，包括硅片本体、第一氧化层、包括至少3组相互绝缘的同一金属层制作的第一金属图形层、第二氧化层、包括至少3组相互绝缘的同一金属层制作的第二金属图形层、第三氧化层以及至少一组腔体，其中所述第一氧化层位于所述硅片本体之上，所述第一金属图形层位于所述第一氧化层之上，所述第二氧化层位于所述第一金属图形层之上，所述第二金属图形层位于所述第二氧化层之上，所述第三氧化层位于所述第二金属图形层之上，所述至少一组腔体位于所述硅片本体和所述第一氧化层中间，每组腔体和所述第一金属图形层中间的过滤电场电极的位置对应；第二硅片，与所述第一硅片 结构相同；设定娃片加工氧化层和金属层的方向为上方，娃片本体的方向为下方；其中所述第一硅片和所述第二硅片的厚度在30-100微米之间，并且所述第一硅片和第二硅片按照从上往下本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种非对称高场强离子迁移谱分析仪FAIMS迁移管过滤器，包括：第一硅片，包括硅片本体、第一氧化层、包括至少3组相互绝缘的同一金属层制作的第一金属图形层、第二氧化层、包括至少3组相互绝缘的同一金属层制作的第二金属图形层、第三氧化层以及至少一组腔体，其中所述第一氧化层位于所述硅片本体之上，所述第一金属图形层位于所述第一氧化层之上，所述第二氧化层位于所述第一金属图形层之上，所述第二金属图形层位于所述第二氧化层之上，所述第三氧化层位于所述第二金属图形层之上，所述至少一组腔体位于所述硅片本体和所述第一氧化层中间，每组腔体和所述第一金属图形层中间的过滤电场电极的位置对应；第二硅片，与所述第一硅片结构相同；设定硅片加工氧化层和金属层的方向为上方，硅片本体的方向为下方；其中所述第一硅片和所述第二硅片的厚度在30？100微米之间，并且所述第一硅片和第二硅片按照从上往下的顺序对齐摆放并键合成整体。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：卢小冬，于秀兰，
申请(专利权)人：沃谱瑞科技北京有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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