一种基于MEMS工艺的扇形离子聚焦透镜及其制备方法

本发明专利涉及质谱仪设计与制造领域，具体涉及一种基于mems工艺的扇形离子聚焦透镜及其制备方法。

背景技术：

1、离子透镜是质谱系统中实现离子束传输、整形、聚焦与能量调控的关键离子光学部件，其性能直接影响离子传输效率、束斑尺寸、空间发散角以及后续质量分析器的分辨率和灵敏度。现有质谱仪中的离子透镜通常采用圆筒电极、环形电极、孔状电极、板状电极、静电偏转电极或者由多个独立电极组合形成的多级三维离子光学结构。通过向不同电极施加预设电压，在离子传输区域内形成静电场或交变电场，从而改变离子的运动方向和空间分布。

2、随着微机电系统（mems）技术的发展，质谱仪逐渐向微型化、平面化、低功耗和高集成度方向发展。然而，现有微型离子透镜在mems化过程中仍面临显著挑战。首先，传统三维离子透镜结构通常依赖复杂的同轴圆柱电极或曲面电极，其加工、装配和对准精度要求较高，难以直接采用平面mems工艺批量复现。其次，当离子透镜尺寸缩小后，电极边缘场、加工误差以及电极间隙偏差对离子轨迹的影响显著增强，容易导致离子束发散、像差增大和传输效率下降。再次，常规微型离子透镜往往只能在单一方向上实现有效聚焦，而对另一方向的离子发散控制能力不足，难以同时兼顾离子束的二维约束、空间压缩和高效传输需求。对于微型质谱系统而言，这种单向聚焦能力的不足会进一步限制离子注入效率和质量分析器的整体性能。

3、因此，有必要提供一种兼容mems工艺的平面离子透镜结构，以在较小空间内实现离子束的多方向聚焦和传输，降低加工复杂度，并便于与其他质朴功能部件进行芯片集成。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于mems工艺的扇形离子聚焦透镜及其制备方法。本发明通过引入平面扇形离子光学结构，在兼容mems工艺的前提下实现离子束的双向聚焦，从而提升微型质谱系统的离子利用率和整体分析性能。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于mems工艺的扇形离子聚焦透镜芯片，由三片晶圆叠层键合而成；

4、所述三片晶圆分别为第一晶圆1、第二晶圆2和第三晶圆3；其中，第一晶圆1和第二晶圆2分别作为上基板和下基板，第三晶圆3位于所述第一晶圆1和第二晶圆2之间；

5、所述第三晶圆3上开设有贯穿其厚度方向的镂空区域，该镂空区域与第一晶圆1、第二晶圆2共同围成供离子束通过并进行聚焦调控的离子流通道；

6、所述第一晶圆1和第二晶圆2的相对内侧面上均设置有扇形离子聚焦电极4；第一晶圆1和第二晶圆2上的所述扇形离子聚焦电极4呈上下对称正对分布，分别位于所述离子流通道的上方和下方，用于在通道内形成具有空间聚焦作用的静电场；

7、所述扇形离子聚焦透镜芯片还包括焊盘5和tgv电极6；所述tgv电极6用于连接位于所述第一晶圆1和第二晶圆2内侧面的扇形离子聚焦电极4与位于所述第一晶圆1和第二晶圆2外侧面的焊盘5，从而实现与外部电源的电连接。

8、进一步地，所述扇形离子聚焦电极4由沿离子传输方向依次排列的三个呈扇形、扇环形或近似扇形分布的薄膜电极构成，各扇形离子聚焦电极4之间相互绝缘，并分别连接不同直流偏置电压，以在离子流通道内形成连续或准连续的静电场分布。

9、进一步地，所述第一晶圆1、第二晶圆2和第三晶圆3均可在晶圆级加工过程中同时形成多个器件单元，每个器件单元对应一个mems扇形离子聚焦透镜组结构。三片晶圆完成对准和键合后，可通过划片、切割或激光分离方式获得多个独立的mems扇形离子聚焦透镜芯片，从而实现晶圆级批量制造。该晶圆级批量制造方式不仅大幅提高了生产效率，降低了单个器件的制造成本，还显著提高了器件之间的一致性和良品率。

10、第二方面，本发明提供一种基于mems工艺的扇形离子聚焦透镜芯片的制备方法，用于制备第一方面所述的扇形离子聚焦透镜芯片，包括工序：第一晶圆1和第二晶圆2加工工序、第三晶圆3加工工序和晶圆级封装工序；

11、进一步地，所述第一晶圆1和第二晶圆2加工工序包括步骤：

12、选用玻璃晶圆作为第一晶圆1和第二晶圆2的基板，利用红外皮秒激光对所述第一晶圆1和第二晶圆2上的预设玻璃微孔图案和预设对准标记图案进行改性，得到改性后的第一晶圆1和第二晶圆2；

13、将所述改性后的第一晶圆1和第二晶圆2置于氢氟酸溶液中进行超声刻蚀，形成玻璃微通孔和对准标记；

14、采用丝网印刷或电镀工艺在所述玻璃微通孔内填充金属，制备得到tgv电极6，所述金属选自铜或银；

15、在所述第一晶圆1和第二晶圆2的相对内侧面通过匀胶、光刻、显影形成扇形电极图案，再利用磁控溅射沉积金属膜并剥离光刻胶，完成扇形离子聚焦电极4的制作；

16、在所述第一晶圆1和第二晶圆2的外侧面通过匀胶、光刻、显影形成焊盘图案，再利用磁控溅射沉积金属膜并剥离光刻胶，完成焊盘5的制作；

17、进一步地，所述第三晶圆3加工工序包括步骤：

18、选用玻璃晶圆作为第三晶圆3的基板，利用红外皮秒激光对所述第三晶圆3上的预设对准标记图案进行改性，得到改性后的第三晶圆3；

19、将所述改性后的第三晶圆3置于氢氟酸溶液中进行超声刻蚀，形成对准标记；

20、在第三晶圆3上采用cnc加工16mm×12mm的方形玻璃通孔，进行双面研磨抛光；

21、进一步地，所述晶圆级封装工序包括步骤：

22、将所述第一晶圆1与所述第三晶圆3进行对准，所述第二晶圆2与所述第三晶圆3进行对准，并利用超快飞秒激光对三片晶圆进行焊接，对焊接后的三片晶圆进行划片、切割或激光分离，获得多个独立的所述扇形离子聚焦透镜芯片。

23、进一步地，所述第一晶圆1和第二晶圆2的基板选用的所述玻璃晶圆的直径为4英寸、6英寸或8英寸，厚度为400~1000 μm；

24、所述第三晶圆3的基板选用的所述玻璃晶圆的直径为4英寸、6英寸或8英寸，厚度为2~2.5 mm，进一步地，厚度为2 mm；所述方形通孔的尺寸为16 mm×12 mm。

25、进一步地，所述第一晶圆1和第二晶圆2加工工序中得到的所述对准标记包括第一晶圆1上的第一对准标记7和第二对准标记10、所述第二晶圆2上的第五对准标记9和第六对准标记12；所述第三晶圆3加工工序中得到的所述对准标记包括第三对准标记8和第四对准标记11。

26、进一步地，所述红外皮秒激光的功率为50~70 w，扫描速度为150~250 mm/s，进一步地，所述红外皮秒激光的功率为60 w，扫描速度为200 mm/s；

27、所述氢氟酸溶液的质量百分比为4~6%。

28、进一步地，所述丝网印刷的参数包括：刮刀压力为0.1～0.3 mpa，印刷速度为50～200 mm/s，固化温度为120～180℃；

29、所述电镀工艺填充铜，参数包括：电流密度为1～3 a/dm²，温度为50～60℃，ph值为8～10，电镀时间为30～120 min。

30、进一步地，所述匀胶、光刻、显影的工艺参数包括：匀胶后的前烘温度为90～120℃，曝光功率为30～80 mj/cm²，曝光波长为365 nm，曝光后的后烘温度为110～130℃；显影液采用质量百分比为2.38%的tmah水溶液，显影时间为30～90 s，显影温度为20～25℃。

31、进一步地，所述扇形离子聚焦电极4的制作中，所述沉积金属膜为cr-au或ti-au复合结构，其中cr或ti层厚度为20-100 nm，au层厚度为900-1000 nm，进一步地，au层厚度为1000 nm；

32、所述焊盘5的制作中，所述沉积金属膜为cr-au或ti-au复合结构，其中cr或ti层厚度为20-50 nm，au层厚度为300～800 nm。

33、进一步地，所述第一晶圆1与所述第三晶圆3进行对准的依据为所述第一对准标记7和第二对准标记10分别与第三对准标记8和第四对准标记11重合；所述第二晶圆2与所述第三晶圆3的对准依据为第五对准标记9和第六对准标记12分别与第三对准标记8和第四对准标记11重合；对准后施加预设压力0.2~0.5 mpa；进一步地，所述预设压力为0.3 mpa。

34、进一步地，所述超快飞秒激光的参数为：波长1064 nm，重复频率300 khz，脉冲宽度15 ps，脉冲能量11.7 μj，最大输出功率12.78 w，光斑大小为40±2 μm。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

36、1.实现离子透镜结构的晶圆级微型化与批量化制造

37、本发明采用第一晶圆、第三晶圆和第二晶圆依次叠层设置的结构，并在第一晶圆和第二晶圆的相对内侧面上形成扇形薄膜电极。扇形薄膜电极能够通过光刻、薄膜沉积及图形化工艺制备，可以减少独立三维电极的机械加工、定位和装配步骤，降低离子透镜结构在垂直于晶圆方向和芯片平面方向上的尺寸，为离子透镜的小型化、薄型化以及芯片化提供结构基础。同时，该结构能够在晶圆级加工过程中同时形成多个器件单元，经过整体对准、键合和划片后即可获得多个独立的mems扇形离子聚焦透镜芯片，从而显著提高器件制造一致性和批量化生产能力。

38、2.有利于实现离子束在两个方向上的双向聚焦

39、现有微型离子透镜多依赖单一方向的静电场约束离子束，通常只能对离子束进行单向准直或单向聚焦，难以同时抑制平面方向和垂直方向上的离子发散。本发明通过第一晶圆和第二晶圆内侧面对应设置的扇形离子聚焦电极结构，以及第三晶圆镂空离子流通道的空间限定作用，在离子传输区域内形成可控静电场。该电场既能够在芯片平面内对离子运动轨迹进行弯转、压缩和汇聚，又能够通过上、下对应电极之间的电势分布对离子束在垂直方向上进行约束，从而实现离子束在两个方向上的双向聚焦，有效减小束斑尺寸，提高离子传输效率。

40、3.通过多级电极实现离子轨迹的逐级调节

41、本发明中的三个扇形离子聚焦电极沿离子传输方向依次排列，并分别施加预定直流电压。三个扇形离子聚焦电极及其边缘区域共同构成多级静电透镜区域，使离子在通过不同电极对应的电场区域时，横向运动状态得到连续调节。通过调节三个扇形离子聚焦电极之间的电位差及电压比例，可以改变离子束在x方向和z方向上的会聚程度，并对聚焦位置、出口束斑尺寸及出口发散角进行调节。相较于仅设置单个平面电极或者单级孔状电极的结构，本发明具有更多的电场调节自由度，能够根据离子的电荷极性、初始动能、质荷比、初始位置及入射角度，对离子束的聚焦状态进行适应性调节。

42、4. tgv垂直互连能够减少芯片表面的布线占用

43、本发明在第一晶圆和第二晶圆中设置tgv垂直互连结构，将位于晶圆内侧面并处于离子流通道内部的扇形薄膜电极引出至晶圆外侧面。外部电压通过设置于晶圆外侧面的焊盘、tgv垂直互连结构及内侧引线传输至对应的扇形离子聚焦电极，无需将每个电极的引线延伸至芯片侧边。采用上述结构，可以减少内侧工作表面和芯片边缘的引线及焊盘占用空间，为扇形离子聚焦电极、离子流通道及键合密封区域提供更大的布局空间，并有利于缩小芯片的横向尺寸。同时，tgv垂直互连结构使电极工作区域与外部电连接区域分别位于晶圆的不同表面，有利于实现离子光学结构与驱动电路之间的垂直集成。

44、5.提高离子注入精度和后续质量分析性能

45、在微型质谱系统中，离子源、离子透镜、质量分析器和检测器之间的耦合效率直接影响系统灵敏度和分辨率。传统微型离子光学结构受加工误差、边缘场效应和单向聚焦能力限制，容易造成离子束发散、偏移和损失。本发明利用扇形离子聚焦电极组协同工作，使不同初始位置和不同入射角度的离子能够在预定焦点区域重新汇聚，并以较小束斑和较低发散角进入后续质量分析器。因此，本发明能够改善离子注入条件，提高有效离子利用率，进而提升微型质谱系统的检测灵敏度、信噪比和分析稳定性。

46、6. 便于与其他平面质谱部件进行芯片级集成

47、本发明采用平面薄膜电极、多层晶圆及tgv垂直互连结构，其加工方式能够与平面离子源、平面四极杆、平面离子阱、微型离子导向器以及微型检测器等部件的mems加工工艺相兼容。所述mems扇形离子聚焦透镜可以作为独立芯片安装于质谱系统内，也可以与离子源、质量分析器或者检测器设置于同一封装基板、同一晶圆组件或者相互键合的多个晶圆中。由此，可以缩短不同离子光学部件之间的传输距离，减少独立部件的机械连接和对准结构，为构建平面化、微型化和高集成度的质谱分析系统提供条件。