非对称高场强离子迁移谱分析仪迁移管过滤器及其加工方法技术领域
本发明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。
背景技术
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1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，IMS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IMS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：10~100um，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FAIMS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）为加工于硅片表面、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[1]：L.A.Buryakov et al.Int.J.Mass.Spectrum
Ion Process.128(1993)143;参考文献[2]：E.V. Krylov et al.Int.J.Mass Spectrum.Ion Process
225(2003)39-51,参考文献[3]:WO2006/013396，参考文献[4]:WO2006/046077。在FAIMS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FAIMS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FAIMS迁移管过滤器可以实现的刻蚀深度一般在300um-600um，这也是
FAIMS工作过程中离子迁移的长度。对于FAIMS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FAIMS迁移管成本过高。
此外，指叉结构的FAIMS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
为设计间距的倍，存在奇异的电场，降低了检测的分辨能力。
发明内容
由于现有技术加工成本高，为了降低加工成本，本发明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。
本发明提供了一种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。
本发明还提供了一种FAIMS迁移管过滤器的加工方法，包括：
在第一硅片表面生长第一氧化层；
在第一硅片表面加工至少3组同一金属层制作的相互绝缘的第一金属图形层；
在所述第一金属层表面加工第二氧化层；
在所述第二氧化层表面加工与所述第一金属图形层相同的第二金属图形层；
在所述第二金属层表面加工第三氧化层，去除第二金属图形层的过滤电场电极表面的第
三氧化层；
将第一硅片减薄到30-100微米；
在第一硅片上与所述第三氧化层相反的面使用湿法刻蚀去除与所述第一金属图形层的过
滤电场电极对应的硅片本体，得到至少一组腔体，每组腔体和所述第一金属图形层的中间的
过滤电场电极位置对应；
对第二硅片实施与所述第一硅片相同的加工方法；以及
将所述第一硅片和第二硅片按照从上向下的顺序叠加并键合在一起。
本发明提供的湿法刻蚀和硅片键合技术相结合的FAIMS过滤器的加工方法，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。除了采用湿法刻蚀能够显著降低FAIMS过滤器的加工成本之外，该技术还能够
灵活的通过过滤电场金属电极的设计，设置过滤区离子迁移长度，从而获得更高的离子检出
精度。
附图说明
通过对附图中本发明示例实施例方式的更详细描述，本发明的上述、以及其它目的、特
征和优势将变得更加明显，其中，相同的参考标号通常代表本发明示例实施例方式中的相同
部件。
图1示出了现有技术中典型的离子迁移谱分析仪迁移管过滤器结构；
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；
图3示出了平板电场极板间距尺寸和击穿电压特性曲线；
图4a、4b示出了现有的高场强非对称离子迁移谱分析仪迁移管过滤器的结构；
图5示出了绝缘隔离型的高场强非对称离子迁移谱分析仪FAIMS迁移管过滤器电场电极
极板结构；
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；
图7示出了本发明FAIMS迁移管过滤器的硅片氧化层和金属图形层的制作；
图8表示了本发明硅片第一金属图形层和第二金属图形层的制作；
图9表示了本发明湿法刻蚀FAIMS迁移管过滤器单层硅片减薄；
图10表示了湿法刻蚀FAIMS迁移管过滤器过滤区腔体的制作；
图11表示了湿法刻蚀和硅片键合制作的多层单排孔的FAIMS迁移管；
图12表示了湿法刻蚀FAIMS过滤电场电极和规范电场电极的信号连接；
图13表示了湿法刻蚀FAIMS过滤电场奇/偶数层模式电极结构；
图14表示了湿法刻蚀和硅片键合方法制作的多排多层FAIMS迁移管过滤器的结构。
具体实施方式
下面将参照附图更加详细地描述本发明的优选实施方式，在附图中显示了本发明的优选
实施例。然而，本发明可以以各种形式实现而不应该理解为被这里阐述的实施例所限制。相
反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且，完全将本发明的范围传达给本
领域的技术人员。
现有的FAIMS技术的过滤器是通过垂直半导体圆硅片表面的纵向干法刻蚀技术，加工出
FAIMS过滤电场的平板电极得到的。过滤电场电极之间的平行度和电场强度的均匀性是依靠
纵向干法刻蚀技术加工的精度来保证，因此受当前纵向干法刻蚀技术限制，成本高，过滤器
的离子迁移路径短。
湿法刻蚀是传统的刻蚀方法，通过将硅片浸泡在一定的化学试剂或者试剂溶液（比如在
传统的集成电路工艺中，使用氢氟酸刻蚀二氧化硅薄膜，磷酸刻蚀铝薄膜）中，从而使没有
被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜表面和试剂发生化学反应而被除去。这种液态环境中进行刻蚀
的工艺称为“湿法”工艺，通常用于传统集成电路加工中厚度在1个微米或者微米以内的表面
结构，比如氧化层或者金属层的刻蚀。其优点是操作简单，对设备要求低，易于实现大批量
生产。湿法刻蚀的缺点是化学反应各向异性较差，难以精确控制图形，一般不能用于几百个
微米硅片厚度的垂直刻蚀。
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种FAIMS迁移管过滤器及其加工方法，
该加工方法使用湿法刻蚀和硅片键合相结合的技术，得到了如图7示出的FAIMS迁移管过滤
器的硅片氧化层和金属层结构，所述的加工方法的具体步骤如下：
在步骤S701，在第一硅片表面生长第一氧化层薄层；
在步骤S702，在第一硅片表面加工至少3组相互绝缘的第一金属图形层，其中，所述至
少3组相互绝缘的第一金属图形层中，两边的两组金属图形用于形成规范电场的电极，中间
的一组金属图形用于形成FAIMS过滤电场电极；
在步骤S703，在所述第一金属图形层表面加工第二氧化层；
在步骤S704，在所述第二氧化层表面加工与所述第一金属图形层相同的第二金属图形层；
在步骤S705，在所述第二金属图形层表面加工第三氧化层，去除第二金属图形层的过滤
电场电极表面的第三氧化层；
在步骤S706，将第一硅片减薄到30-100微米；
在步骤S707，在第一硅片上与所述第三氧化层相反的面使用湿法刻蚀去除与所述第一金
属图形层的过滤电场电极对应位置的硅片本体，得到至少一组腔体，每组腔体和所述第一金
属图形层的中间金属电极（也就是过滤电场电极）对应；
在步骤S708，对第二硅片实施与所述第一硅片相同的加工方法；
在步骤S709，将所述第一硅片的腔体所在表面和所述第二硅片的第三氧化层所在平面键
合。
本发明中，采用传统的集成电路工艺的湿法刻蚀工艺，比如使用氢氟酸刻蚀二氧化硅的
硅氧层，使用磷酸刻蚀金属铝。
如图7所示，在硅片401表面生长第一氧化层402，该第一氧化层402的目的主要是与硅
片401绝缘，该第一氧化层402可以为二氧化硅（SiO2），也可以使用氮化硅（Si3N4）等其他
绝缘材料，厚度可以为100nm到1um，具体厚度和需要耐压的高压电压数值以及材料的绝缘
性能相关。然后在第一氧化层402之上，加工第一金属图形层，比如采用溅射的方法加工铝，
使用湿法刻蚀去除多余的金属铝，得到至少3组相互绝缘的第一金属图形层。两边的金属图
形用于形成规范电场的电极403，中间的金属图形用于形成FAIMS过滤器过滤电场电极404。
过滤电场电极404对应过滤器的过滤孔，图7对应了一层具有一个过滤孔的情况，因此，当
设计的一层具有多个过滤孔的时候，沿着平行硅片的方向，过滤电场电极404包含两个或者
多个电极。
为了方便信号走线，仅仅上述一层金属图形层是不够的，因此，在步骤S703，在上述规
范电场电极403和过滤器过滤电场电极404所在的第一金属图形层之上再加工第二氧化层，
与第一氧化层使用相同的物质，厚度范围从100nm到1um；然后在第二氧化层之上再加工与
所述第一金属图形层相似的第二金属图形层，图8表示了本发明硅片第一金属图形层和第二
金属图形层的制作。如图8所示，过滤电场电极404-M1、404-M2和规范电场电极403-M1、
403-M2使用两层金属层M1和M2制作，第一金属图形层和第二金属图形层之间可以使用过
孔407相连。这样可以在第二金属图形层的金属中走线。然后在第二金属图形层表面加工第
三氧化层，并去除第二金属图形层的过滤电场电极404-M2表面的第三氧化层，将电场金属
电极暴露在外界空气409中。第三氧化层与第一氧化层使用相同的物质，厚度范围从100nm
到1um，第一、二、三氧化层的目的都是为了绝缘，因此厚度要满足耐压条件。
图9表示了本发明湿法刻蚀FAIMS迁移管过滤器单层硅片减薄后的结构，通过减薄加工，
将硅片401的厚度减薄至FAIMS迁移管电场电极间距相当的厚度，比如：30~100微米。这
个厚度和FAIMS的过滤电场电极间距的要求一致。减薄可以使用现有的任何30~100微米减
薄工艺，这对本领域技术人员是很清楚的，也不是本发明的重点，这里不再赘述。减薄的目
的是为了形成后续的多层FAIMS迁移管机构。
图10表示了湿法刻蚀FAIMS迁移管过滤器腔体过滤区的制作。在图11中，将减薄后硅
片401上下两面抛光，也就是对第三氧化层和硅片底部表面进行抛光，抛光的目的是为了后
续的键合，是为了获得更好的键合表面光洁度，是一种优选的实施方式。抛光后，将硅片401
的背面，也就是与所述第三氧化层相反的面，与过滤电场电极404对应的硅片本体使用湿法
刻蚀去除，去除过滤电场电极404底面的第一氧化层402。过滤电场电极404的金属图形底
部暴露在空气中，如图10。去除后可以得到至少一组腔体，每组腔体和所述第一金属图形层
的中间的金属电极对应。腔体就是制成的FAIMS迁移管过滤器的过滤区。由图10可见，由
于湿法刻蚀材料各向异性特性控制困难，硅片401的刻蚀面沿<111>晶向，和硅片平面的夹角
远远偏离90度，因此，不能使用湿法刻蚀来加工FAIMS的垂直指叉电极，但是可以使用湿
法刻蚀加工迁移管过滤器过滤电极404的支撑结构，然后通过硅片键合的方式得到过滤器的
腔体。
同样，对第二硅片也进行与第一硅片相同的上述加工方法。图11表示了湿法刻蚀和硅片
键合制作的多层单排孔的迁移管；在该图11对应的加工方法中，还包括步骤：在所述第三氧
化层上形成至少一组与第一金属图形层结构相同的第三金属图形层，以及至少一组第四氧化
层，其中在所述第三氧化层上依次为第三金属图形层和第四氧化层。
使用两个或者两个以上经过加工后的硅片键合，其中最底层的硅片700无需做腔体刻蚀。
不同的硅片的过滤电场电极404之间、规范电场电极403之间使用通孔过孔407连接在一起，
在顶端，也就是第一硅片的第三氧化层，形成键合PAD701、702、703，待检测的离子301
可以沿箭头方向进入过滤区。通过PAD701、702、703引出过滤电场电极404和电场规范电
极403，规范电场电极403接地，过滤电场电极404接FAIMS的电场驱动信号。
图12表示了湿法刻蚀FAIMS过滤电场电极和规范电场电极的信号连接。相邻层硅片的
过滤电场电极404通过键合PAD701和PAD703分别接高压驱动信号源901的两端，相间层
硅片的规范电场电极403可以接射频信号源的“地”信号902，因此任意时刻中间层的双侧
受电场作用力基本能够抵消，从而大大降低了器件结构强度要求。射频信号源可以调整射频
驱动信号的频率、占空比、直流分量等参数。所有的规范电场电极403都和“地”信号902
相连。过滤电场的边沿特性通过规范电场电极403得到修正，降低了不规则电场对过滤效果
的影响。从这里可以知道，和传统的FAIMS结构相比，其规范的电场严格依赖于器件规范的
几何结构，而本发明通过引入规范电场电极，从而可以使用几何结构加工精度低的湿法刻蚀。
层叠键合的硅片采用从上而下的通孔过孔的方式将金属图形层对应的信号短接在一起，
然后和器件的外部信号相连。常见的过孔用于连接统一硅片内两个相邻的金属层，采用硅片
上下通孔的过孔可以把不同硅片的信号连接起来。制作FAIMS过滤器的奇数层硅片和偶数层
过滤电极需要分别和驱动射频信号源的两驱动端分别相连。
图13表示了湿法刻蚀FAIMS过滤电场奇/偶数层模式电极结构。为了便于将电极引出和
驱动射频信号源的两端正确相连，根据硅片所处的奇数层和偶数层的不同，将对硅片顶层金
属信号引出模式分为两种加工：奇数层模式和偶数层模式。
每个电场电极具有输出信号的两个接线区：奇数层接线区801和偶数层接线区803。奇
数层模式的过滤电场电极和奇数层接线区801相连，偶数层模式的过滤电场电极和偶数层接
线区803相连。所有的奇数层接线区801在硅片完成键合后短接在一起，通过金属化的通孔
过孔A相连；所有的偶数层接线区803在硅片完成键合后短接在一起，通过金属化的通孔过
孔B相连。由于奇数层和偶数层电场电极和接线区连接的方式不一样，从而得到奇、偶相间
的连接方式并实现和驱动射频信号源的两端正确连接。
如图13，对于奇数层，偶数层接线区803和过滤电场电极404相连，奇数层接线区801
和规范电场电极403相连；对于偶数层，偶数层接线区803和规范电场电极403相连，奇数
层接线区801和过滤电场电极404相连；或者反之，从而通过通孔过孔即可实现过滤器电场
电极的信号连接。
在同一个发明构思下，本发明还公开了一种FAIMS迁移管的结构。图14表示了湿法刻
蚀和硅片键合方法制作的FAIMS多排多层迁移管过滤器的结构。如图14所示，该结构包括：
第一硅片，包括硅片本体，其上顺次为第一氧化层、至少5组相互绝缘的第一金属图形
层、第二氧化层、至少5组相互绝缘的第二金属图形层，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，每组腔体和所述第一金属图形中间的金属电极（过滤电场电极）对应；
第二硅片，与所述第一硅片结构相同；
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，并且所述第一硅片的硅片
本体表面和所述第二硅片的第三氧化层表面键合连接。
多层迁移管结构也就是具有多个第二硅片。对于单层过滤区，可以使用单个腔体过滤区，
也可以使用多个腔体过滤区，从而在不降低过滤区力学特性的前提下，在水平方向增加过滤
区的截面积，从而增大有效检测范围。
在一种实施方式下，所述的FAIMS迁移管过滤器的结构还包括：至少一个第三硅片，其
中至少一个第三硅片与所述第一硅片结构相同，每个第三硅片硅片本体表面和下一第三硅片
的第三氧化层依次键合连接，最上面的第三硅片的第三氧化层与所述第二硅片的硅片本体表
面键合连接，最下面的第三硅片不包含腔体。
在另外一种实施方式下，该结构还包括：至少一组与第一金属层结构相同的第三金属图
形层，以及至少一组第四氧化层，其中在所述第三氧化层上依次为第三金属图形层和第四氧
化层。
其中形成的FAIMS迁移管的结构中，各金属图形层的至少5组相互绝缘的金属图形，从
边缘开始相间的金属图形用于形成规范电场电极，规范电场电极中间的金属图形用于形成
FAIMS过滤电场电极，不同的硅片的过滤电场电极404之间、规范电场电极403之间使用通
孔过孔407连接在一起，在第一硅片的第三氧化层形成键合PAD。优选地，其中相邻层硅片
的过滤电场电极分别接高压驱动信号的两端相连，相间层的硅片的规范电场电极接“地”信
号。
过滤电场电极404和规范电场电极403还可以使用3层或3层以上的金属层工艺制作，
使用3层及以上金属层高压集成电路工艺可以得到更完美的迁移管电场边缘。
上述方案中，由于采用了通用高压集成电路加工工艺的金属层来加工FAIMS迁移管的过
滤电场电极板，并且使用同种金属层制作的规范电场电极来规范FAIMS过滤区的高压电场边
缘特性，因此，过滤电场的均匀性不依赖于垂直加工电极来保障，降低了加工难度。此外，
采用该方法加工的迁移管沿离子过滤方向的电极性能和刻蚀方法无关，因而，可以在技术许
可的范围内灵活选择电极的长度，提高迁移管的检测精度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，
所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明
的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之
内。