(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結合された第１および第２の薄層；
前記第１および第２の薄層の一方に形成されて、プラズマ媒体を有する１個の半楕円体状のマイクロキャビティ；
および、前記マイクロキャビティに対して配置されて、所定の電圧が印加されたときにプラズマを励起する電極を有し、
前記第１の薄層と前記第２の薄層の厚みはそれぞれ５０μｍ〜１ｍｍであり、前記半楕円体状のマイクロキャビティは、楕円体を形成した場合の短軸方向の直径が１０μｍ〜５００μｍ、長軸方向の直径が１００μｍ〜１ｍｍである、
マイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項２】
結合された第１および第２の薄層；
前記第１および第２の薄層の一方に形成されて、プラズマ媒体を有する１個の半楕円体状のマイクロキャビティ；
および、前記マイクロキャビティに対して配置されて、所定の電圧が印加されたときにプラズマを励起する電極を有し、
前記第１および第２の層のそれぞれは、半楕円体状のマイクロキャビティを備える、
マイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項３】
前記第１および第２の層の半楕円体状のマイクロキャビティは揃えて配置されて、完全な楕円体状のマイクロキャビティを形成する、
請求項２に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項４】
前記第１および第２の層の中に複数個の半楕円体状のマイクロキャビティを有し、
前記第１および第２の層は結合されて、完全な楕円体状のマイクロキャビティを有するアレイを形成する、
請求項２に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項５】
前記電極の少なくとも一方は、前記第１および第２の層の一方の表面に配置される、
請求項４に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項６】
前記電極の少なくとも一方は、前記第１および第２の層の一方の中に形成された溝の中に配置される、
請求項４に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項７】
前記電極の少なくとも一方は、前記第１および第２の層の間に配置される、
請求項４に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項８】
前記少なくとも一方の電極を、前記マイクロキャビティの中で発生するプラズマから隔離する誘電層をさらに有する、
請求項７に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項９】
前記電極の少なくとも一方は、前記マイクロキャビティの中に配置される、
請求項７に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項１０】
前記第１および第２の電極の少なくとも一方は、複数個のアドレス電極を有し、
前記複数個のアドレス電極は、前記マイクロキャビティのそれぞれに割り当てられる、
請求項４に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項１１】
前記第１および第２の層の半楕円体状のマイクロキャビティは、僅かにずれている、
請求項４に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項１２】
前記第１および第２の層の半楕円体状のマイクロキャビティは、揃って並んでいる、
請求項４に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項１３】
前記第１および第２の層の少なくとも一方の中に形成される流路をさらに有し、
前記流路は複数個の前記マイクロキャビティに接続される、
請求項４に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項１４】
前記第１および第２の層の少なくとも一方によって支持され、前記マイクロキャビティの少なくとも一方と揃えて配置される蛍光体をさらに有する、
請求項４に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項１５】
前記蛍光体は、前記第１および第２の層の前記少なくとも一方の中に形成された凹所の中に収容される、
請求項１４に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項１６】
前記電極は透明電極で構成される、
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項１７】
前記電極の少なくとも一方は、前記マイクロキャビティの一部分の形状と一致する外形を有する、
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のマイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項１８】
結合された第１および第２の薄層；
前記第１および第２の薄層の一方に形成されて、プラズマ媒体を有する１個の半楕円体状のマイクロキャビティ；
および、前記マイクロキャビティに対して配置されて、所定の電圧が印加されたときにプラズマを励起する電極を有し、
前記第１および第２の層はガラス層で構成される、
マイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項１９】
結合された第１および第２の薄層；
前記第１および第２の薄層の一方に形成されて、プラズマ媒体を有する１個の半楕円体状のマイクロキャビティ；
および、前記マイクロキャビティに対して配置されて、所定の電圧が印加されたときにプラズマを励起する電極を有し、
前記第１および第２の層はセラミック層で構成される、
マイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項２０】
結合された第１および第２の薄層；
前記第１および第２の薄層の一方に形成されて、プラズマ媒体を有する１個の半楕円体状のマイクロキャビティ；
および、前記マイクロキャビティに対して配置されて、所定の電圧が印加されたときにプラズマを励起する電極を有し、
前記第１および第２の層はポリマー層で構成される、
マイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項２１】
結合された第１および第２の薄層；
前記第１および第２の薄層の一方または両方に形成され、プラズマ媒体を有する複数個の半楕円体状あるいは完全な楕円体状のマイクロキャビティ；
および、前記マイクロキャビティに対して配置され、所定の電圧を印加したときに、前記マイクロキャビティの中にプラズマを励起する電極を実質的に有し、
前記第１の薄層と前記第２の薄層の厚みはそれぞれ５０μｍ〜１ｍｍであり、前記半楕円体状のマイクロキャビティは、楕円体を形成した場合の短軸方向の直径が１０μｍ〜５００μｍ、長軸方向の直径が１００μｍ〜１ｍｍであり、前記完全な楕円体状のマイクロキャビティは、短軸方向の直径が１０μｍ〜５００μｍ、長軸方向の直径が１００μｍ〜１ｍｍである、
マイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項２２】
結合された第１および第２の薄層；
前記第１および第２の薄層の一方または両方に形成され、プラズマ媒体を有する複数個の半楕円体状あるいは完全な楕円体状のマイクロキャビティ；
および、前記マイクロキャビティに対して配置され、所定の電圧を印加したときに、前記マイクロキャビティの中にプラズマを励起する電極を実質的に有し、
前記第１および第２の層はガラス層で構成される、
マイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項２３】
結合された第１および第２の薄層；
前記第１および第２の薄層の一方または両方に形成され、プラズマ媒体を有する複数個の半楕円体状あるいは完全な楕円体状のマイクロキャビティ；
および、前記マイクロキャビティに対して配置され、所定の電圧を印加したときに、前記マイクロキャビティの中にプラズマを励起する電極を実質的に有し、
前記第１および第２の層はセラミック層で構成される、
マイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項２４】
結合された第１および第２の薄層；
前記第１および第２の薄層の一方または両方に形成され、プラズマ媒体を有する複数個の半楕円体状あるいは完全な楕円体状のマイクロキャビティ；
および、前記マイクロキャビティに対して配置され、所定の電圧を印加したときに、前記マイクロキャビティの中にプラズマを励起する電極を実質的に有し、
前記第１および第２の層はポリマー層で構成される、
マイクロキャビティプラズマ素子。
【請求項２５】
第１および第２の薄層の一方または両方の中に、複数個の半楕円体状または完全な楕円体状のマイクロキャビティを備えたマイクロキャビティプラズマ素子を製造する方法であって、
前記方法は、
前記第１の薄層の上に保護ポリマーのパターンを形成するステップ；
前記第１の薄層をパウダーブレストして、前記第１の薄層の中に半楕円体状のマイクロキャビティを形成するステップ；
前記第１の層に前記第２の層を結合するステップを有する、
マイクロキャビティプラズマ素子の製造方法。
【請求項２６】
前記第１および第２の薄層の一方または両方に電極を形成するステップをさらに有する、
請求項２５に記載のマイクロキャビティプラズマ素子の製造方法。
【請求項２７】
前記結合ステップは、プラズマ媒体の存在下において実行される、
請求項２５に記載のマイクロキャビティプラズマ素子の製造方法。
【請求項２８】
前記パターン形成ステップは、
スクリーンを準備するステップ；
保護ポリマーを用いて、前記スクリーンを前記第１の薄層に塗布して接着するステップを有する、
請求項２５に記載のマイクロキャビティプラズマ素子の製造方法。
【請求項２９】
前記パターン形成ステップは、
前記パターンにフォトレジストを形成するステップ；
および、前記フォトレジスト間の開口の中に保護ポリマーを堆積するステップを有する、
請求項２５に記載のマイクロキャビティプラズマ素子の製造方法。
【請求項３０】
前記パターン形成ステップは、
高解像度パターンを半導体ウェハの中にエッチングするステップ；
ＰＤＭＳを、前記ウェハの上と前記パターンの中に堆積して、ＰＤＭＳスタンプを形成するステップ；
前記ＰＤＭＳスタンプを前記ウェハから分離するステップ；
前記第１の薄層を紫外線硬化インクで塗布するステップ；
前記ＰＤＭＳスタンプを前記紫外線硬化インクにプレスするステップ；
紫外線硬化インクを硬化するステップ；
および、ＰＤＭＳスタンプを取り除くステップを有する、
請求項２５に記載のマイクロキャビティプラズマ素子の製造方法。
【請求項３１】
前記第１および第２の層はガラス層で構成される、
請求項２５に記載のマイクロキャビティプラズマ素子の製造方法。
【請求項３２】
前記第１および第２の層はセラミック層で構成される、
請求項２５に記載のマイクロキャビティプラズマ素子の製造方法。
【請求項３３】
前記第１および第２の層はポリマー層で構成される、
請求項２５に記載のマイクロキャビティプラズマ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロキャビティプラズマ素子の分野に関するものであり、該素子は、マイクロ放電素子またはマイクロプラズマ素子としても知られる。
【背景技術】
【０００２】
マイクロキャビティプラズマ素子では非平衡が発生し、該非平衡の範囲には低温プラズマが発生し、該非平衡は約５００μｍ未満の特徴的寸法ｄを有するキャビティの内部に実質的に閉じ込められる。この新種のプラズマ素子はいくつかの特徴を示し、該特徴はマクロスコピックなプラズマ源のような従来のプラズマ素子のそれとは全く異なる。マイクロキャビティプラズマは物理的な寸法が小さいので、通常、マクロスコピックなプラズマ素子が利用できる圧力よりも遥かに高いガス（あるいは蒸気）圧で動作する。例えば、マイクロプラズマ素子は、直径２００〜３００μｍ（あるいはそれ未満）の円筒状のマイクロキャビティを有していて、一気圧以下、あるいは１気圧を超える希ガス（窒素やこれまで試された他のガスと同様に）で動作できる。
【０００３】
このような高圧動作は利点となる。このような高圧条件では、プラズマ化学反応によって、いくつかの群に属する電子励起分子の形成が促進されるという利点が一例として挙げられる。前記群には、紫外線（ＵＶ）、真空紫外線（ＶＵＶ）および可視光の有効なエミッタとして知られる希ガス二量体（Ｘｅ２、Ｋｒ２、Ａｒ２・・・）および希ガスハライド（ＸｅＣｌ、ＡｒＦおよびＫｒ２Ｆなど）が含まれる。この特性と、マイクロプラズマ装置が種々の気体あるいは蒸気（および両者の組み合わせ）で動作できることとの組み合わせによって、広いスペクトル範囲に渡る発振波長が得られる。さらに、プラズマを大気圧付近で動作することによって、マイクロプラズマ素子またはアレイが封止されるときに、封止材の両側の差圧を最小にできる。
【０００４】
本願発明者と共同研究者のイリノイ大学における研究によれば、新規なマイクロキャビティプラズマ素子の構成と用途がもたらされた。例えば、半導体製造プロセスが改変されて、シリコンウェハの中にマイクロプラズマ素子の大型アレイであって、逆ピラミッド構造を有するマイクロキャビティを備える大型アレイを製造できるようにされた。それぞれ５０×５０μｍ２の発光開口を有する素子を２５０，０００個備えるアレイの素子充填密度とアレイ充填率が、１０４ｃｍ−２と２５％になることが実証されてきた。他のマイクロプラズマ素子は、セラミック多層構造、遮光性ガラスおよびＡｌ／Ａｌ２Ｏ３構造の中で製造されていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
過去数十年に渡って開発されたマイクロキャビティプラズマ素子には、多種多様の用途がある。マイクロキャビティプラズマ素子のアレイの典型的な用途は、ディスプレイである。例えば、単一の円筒形のマイクロプラズ素子の直径は、一般に２００〜３００μｍ未満であるので、該素子あるいは素子群によれば、ディスプレイ中のピクセルに望ましい空間分解能がもたらされる。さらに、マイクロキャビティプラズマ素子の効率は、従来のプラズマディスプレイパネル、例えば、高品位テレビジョンのプラズマディスプレイパネルの特性を上回ることができる。
【０００６】
初期のマイクロキャビティプラズマ素子は、電極がプラズマに曝されて、スパッタリンに起因する損傷を受けるので、寿命が短かった。多結晶シリコンとタングステン電極によって寿命は延びたが、材料が高額になり、製造が難しくなった。
【０００７】
構成と製造方法を改善すれば、マイクロキャビティプラズマ素子のアレイの大量生産に利益が生じる。つまり、コストが低減され、信頼性が向上する。本発明者らの一部によってなされた先の研究によれば、薄型で、低廉な金属／金属酸化物のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイがもたらされた。金属／金属酸化物の光源は、薄膜状の酸化電極から形成され、製造が簡単であり、ロールツーロール加工などの大量生産技術によって、好適に製造できる。アレイを、金属スクリーン、あるいはキャビティが形成された他の薄膜金属シートを酸化した後、前記スクリーンを共通電極に接合して形成する製造技術もある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、プラズマ媒体、つまり、ガスおよび／または蒸気を封止する層の中に形成されて、楕円状をなすマイクロキャビティプラズマ素子とアレイが提供される。該マイクロキャビティプラズマ素子は分離パッケージを必要としない。またそのために、望むならば、追加的なパッケージを省略することができる。好適なマイクロキャビティプラズマ素子は、結合された第１および第２の薄層を有する。半楕円状をなす１個のマイクロキャビティあるいは半楕円状をなす複数個のマイクロキャビティが、前記第１および第２の薄層の一方または両方の中にあり、前記マイクロキャビティに対して電極が配置されていて、電極に所定の電圧を印加すると、マイクロキャビティの中にプラズマが励起される。好適な実施形態では、楕円状のマイクロキャビティは、ガラスの中に形成される。他の好適な実施形態では、楕円状のマイクロキャビティは、所望の波長を透過する他の材料の中に形成される。前記材料には、多種のセラミックおよびポリマーが含まれる。
【０００９】
好適な実施形態では、前記第１および第２の薄層の一方または両方の中に、半楕円状または楕円状のマイクロキャビティを複数個備えたマイクロキャビティ素子の形成方法も提供される。前記方法には、前記第１の薄層上に保護ポリマーのパターンを形成することが含まれる。パウダーブラストによって、前記第１および／または第２の薄層に、半楕円状のマイクロキャビティが形成される。前記第２の薄層は前記第１の薄層に接合される。前記パターン形成は、リソグラフィーによって施されても、単なるスクリーン印刷で施されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１ａ】本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイの例示的な実施形態を示す概略上面図である。
【図１ｂ】図１Ａのマイクロキャビティプラズマ素子のアレイの１つを部分的に示す概略断面図である。
【図２】図２Ａは本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを製造する好適な実施形態の方法を示す図である。図２Ｂは本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを製造する好適な実施形態の方法を示す図である。図２Ｃは本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを製造する好適な実施形態の方法を示す図である。
【図３ａ】図３Ａは本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを製造する別の好適な実施形態の方法を示す図である。図３Ｂは本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを製造する別の好適な実施形態の方法を示す図である。
【図３ｂ】図３Ｃは本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを製造する別の好適な実施形態の方法を示す図である。図３Ｄは本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを製造する別の好適な実施形態の方法を示す図である。図３Ｅは本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを製造する別の好適な実施形態の方法を示す図である。
【図３ｃ】図３Ｆは修正されたマスクの製造プロセスを示す図であり、該製造プロセスは、図２Ａ〜２Ｃあるいは図３Ａ〜３Ｅに示した本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイの製造方法において、マスクを製造するために使用できる。図３Ｇは修正されたマスクの製造プロセスを示す図であり、該製造プロセスは、図２Ａ〜２Ｃあるいは図３Ａ〜３Ｅに示した本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイの製造方法において、マスクを製造するために使用できる。図３Ｈは修正されたマスクの製造プロセスを示す図であり、該製造プロセスは、図２Ａ〜２Ｃあるいは図３Ａ〜３Ｅに示した本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイの製造方法において、マスクを製造するために使用できる。図３Ｉは修正されたマスクの製造プロセスを示す図であり、該製造プロセスは、図２Ａ〜２Ｃあるいは図３Ａ〜３Ｅに示した本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイの製造方法において、マスクを製造するために使用できる。図３Ｊは修正されたマスクの製造プロセスを示す図であり、該製造プロセスは、図２Ａ〜２Ｃあるいは図３Ａ〜３Ｅに示した本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイの製造方法において、マスクを製造するために使用できる。
【図４】本発明の別のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを部分的に示す概略断面図である。
【図５】本発明の別のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを部分的に示す概略断面図である。
【図６】本発明の別のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを部分的に示す概略断面図である。
【図７】本発明の別のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを部分的に示す概略上面図である。
【図８】本発明の別のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを部分的に示す概略断面図である。
【図９】本発明の別のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを部分的に示す概略断面図である。
【図１０】本発明の半楕円状のプラズマ素子を示す概略断面図である。
【図１１】本発明の別のマイクロキャビティプラズマ素子を示す概略断面図である。
【図１２】図１２Ａは本発明の別のマイクロキャビティプラズマ素子を示す概略断面図である。図１２Ｂは本発明の別のマイクロキャビティプラズマ素子を示す概略上面図である。
【図１３】本発明の別のマイクロキャビティプラズマ素子を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明によれば、ガラス、あるいは所望の波長で透過性を有するセラミックまたはポリマー材料などの他の材料の中に製造され、楕円状をなすマイクロキャビティを備えるマイクロキャビティプラズマ素子とアレイが提供される。本発明の素子とアレイは、極めて頑丈で安価に製造できる。マイクロキャビティは薄層の中に形成され、該薄層は透過性を有し、さらに柔軟性を備えていてもよい。マイクロキャビティは、透過性材料の中に直に形成され、好適なアレイは、２枚の透過性シートで強固に封止されて出来上がるので、アレイをさらにパッケージングする必要はない。マイクロキャビティの中に蒸気および／またはガスを封止するパッケージ層は、マイクロキャビティが形成される基板として機能するシートと同一のシートによって実現される。
【００１２】
さらに、本発明によれば、マイクロキャビティプラズマ素子とマイクロキャビティプラズマ素子のアレイのパウダーブラスト法が提供される。マイクロキャビティは楕円形状（”卵殻”または”卵殻の半分”）をなしていて、安価なナノパウダーブラスト法によって、ガラス、セラミックあるいはポリマーからなる薄膜シートの中に形成される。ナノパウダーブラスト法によれば、マイクロキャビティの断面の全てにおいて相当な制御ができる。本発明の方法によれば、一対の薄いガラス、セラミックあるいはポリマーシートから実質的に構成される大型のマイクロプラズマ素子のアレイを製造できる。
【００１３】
好適なマイクロキャビティプラズマ素子は、結合された第１および第２の薄層を有する。１個の半楕円状または完全な楕円状のマイクロキャビティ（あるいは複数個の半楕円状または完全な楕円状のマイクロキャビティ）は、前記第１および第２の薄層の一方または両方の中に形成され、マイクロキャビティに対して電極が配置されていて、電極に所定の電圧を印加すると、マイクロキャビティ内にプラズマが励起される。
【００１４】
好適に実施形態によれば、さらに、第１および第２の薄層の一方または両方の中に、半楕円状または完全な楕円状のマイクロキャビティを備えたマイクロキャビティプラズマ素子の形成方法が提供される。該方法には、第１の薄層の上に保護ポリマーのパターンを形成することが含まれる。パウダーブラストによって、半楕円状のマイクロキャビティが、第１の薄層の中に、必要なら第２の薄層の中に形成される。第２の薄層は、第１の層に結合される。パターン形成は、リソグラフィーによって施されても、単なるスクリーン印刷で施されてもよい。
【００１５】
次に、図面を参照しながら、好適な実施形態について説明する。図面は概念図であり、実寸ではないが、添付の説明を参照すれば当業者は十分に理解できる。説明のために、特徴部分は誇張されている。好適な実施形態から、当業者は、本発明の広範な態様を理解することができる。
【００１６】
図１Ａと図１Ｂは、本発明のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイ１０の好適な実施形態を示している。楕円状のマイクロキャビティ１２は、第１の薄層１４ａと第２の薄層１４ｂの中に形成される。図１Ａと図１Ｂの実施形態において、マイクロキャビティ１２は、第１の薄層１４ａおよび第２の薄層１４ｂのそれぞれに半分ずつ形成され、プラズマを発生させるガスおよび／または蒸気の存在下において、第１および第２の薄層が接着されて、マイクロキャビティ１２が出来上がる。２枚のシート１４ａ、１４ｂが適当な方法で結合されて、キャビティ１２が出来上がる。好適な接着方法の例には、陽極ボンディング、ガラスフリットまたはエポキシ樹脂が含まれる。シート間に、何ら別途の接着剤を要さずに接着するためにシート１４ａ、１４ｂを加熱してもよい。電極１６、１８は、第１の薄層１４ａおよび第２の薄層１４ｂの上に形成され、マイクロキャビティ１２の中で生成されるプラズマから隔離されている。そのため、アレイ１０の長寿命化が促進されるとともに、電極１６、１８は電気的に絶縁される。導体１６、１８の少なくとも一方は、プラズマによって発生する放出波長が透過する。また、アレイの両面から光が放出されるように、導体の両方を透過性にしてもよい。ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）などの電極１６、１８は、シート１４ａ、１４ｂの外面上に蒸着あるいは他の方法で堆積される。マイクロキャビティを形成する前あるいは形成した後のいずれであっても、電極をシートの上に堆積させることができる。また、シートを結合する前あるいは結合した後のいずれであっても、電極をシートの上に堆積させることができる。アレイの頂部および底部の電極１６、１８に、経時的に変化する適当な大きさの電圧を印加すると、各キャビティ１２にマイクロプラズマが発生する。経時的に変化する電圧には、正弦波、パルス波、別の関数形（傾斜、三角など）を選べばよい。
【００１７】
シート１４ａ、１４ｂは非常に薄くでき、その厚さは、製造時に大型のシートを取り扱う能力だけによって制限を受ける。実験室で製造されるガラスアレイの試作品の例では、各ガラスシートの厚さｔ２は、通常、６００μｍから１ｍｍである。卵形のマイクロキャビティ１２の典型的な長径（高さまたは垂直寸法）（２×ｔ１）は、室内実験では１００μｍから１ｍｍである。マイクロキャビティ１２の中央領域の典型的な短径ｔ３（幅または水平寸法）は、本マイクロキャビティに特有の寸法であって、１０〜５００μｍの範囲にある。ｄ１、ｄ２およびｄ３と付された寸法は、楕円状のキャビティ１２の横幅、アレイ１０の中のキャビティ１２の隣り合う列と行の間の水平方向および垂直方向の間隔をそれぞれ示している。
【００１８】
図２Ａ〜２Ｄは、本発明のマイクロキャビティ素子のアレイを製造する方法の実施形態の一例を示している。図２Ａは、アルミニウムワイヤメッシュ（織物）２０を示している。該ワイヤメッシュは、マイクロキャビティ１２に望まれる寸法（中心径）の開口を有し、ガラス層１４を保護するマスクとして用いられる。パウダーブラストは、激しい腐食を伴うプロセスであるので、本発明者らは、メッシュ２０を保護する方法を見出した。好適な実施形態では、メッシュ２０は、紫外線（ＵＶ）硬化インク２２で覆われる。該硬化インクは、マイクロブラストプロセスに耐性を有することが知られている。インク２２は、比較的低粘度のポリマーであると好ましい。前記インクが、ワイヤメッシュ２０の全周に塗布されるので、メッシュ２０はブラストから保護される。図２Ｃに示すように、ナノパウダーブラストによって、マイクロキャビティ１２が形成され、保護層（ワイヤメッシュ２０とインク２２）は、以下のステップ２Ｃで除去される。マイクロキャビティ１２の表面形状は、パウダーブラストプロセスで用いられる粉末粒子の大きさによって決まる。粉末の例には、三酸化二アルミニウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素または金属カーボネートから形成されるものが含まれる。これらの粉末の粒径は、約５００ｎｍから３０μｍの間にある。
【００１９】
別のガラス基板において上述のステップを繰り返すと、該別のガラス基板の中に同一のパターンのマイクロキャビティの配列が形成される。キャビティを所望のガスまたは蒸気で満たしながら、２枚のガラス基板を結合し、封止すると、アレイ１０が形成される。別の変形例では、第２のガラス板１４ａはマイクロキャビティを全く備えないが、電極１６は備える平板状のガラス板である。この場合、マイクロキャビティは”半卵”形状で、プラズマの発生は助勢される。実際に、”半楕円”状のマイクロキャビティプラズマ素子を用いた実験では、完全な楕円を用いた場合よりも局所的な空間（ガラス板の横方向の軸回り）において、強烈に発光していた。
【００２０】
図３Ａ〜３Ｅに示す製造プロセスの好適な実施形態によれば、解像度を高め、キャビティの間隔を正確に揃えることができる。本プロセスは、一方の面に電極１８を有するガラス板を用いて、図２Ａに示すように開始される。上述したように、製造プロセス中の他のどんなタイミングであっても、電極を形成することができる。電極を形成することができるタイミングには、２枚のガラス板を結合した後のタイミングも含まれる。図３Ａにおいて、フォトレジスト２６は、従来の堆積、現像および化学エッチングステップによって、ガラス板１４の上にパターン形成された。フォトレジストによってパウダーブラストが生じる領域が明らかになり、フォトレジスト間の開口２８がパウダーブラスト中に保護される領域となるように、フォトレジストのパターンを形成する。図３Ｂにおいて、開口２８には、ナノパウダーブラストプロセスに対して強い耐性を示す紫外線硬化保護ポリマー２０が充填される。紫外線硬化ポリマーが柔軟性（高張力）を有すると都合がよい。図３Ｃにおいて、ポリマー３０とフォトレジスト２６は平面化され、図３Ｄにおいて、ポリマー３０は第１の紫外線硬化ポリマーである。次に、パウダーブラストによってフォトレジストが容易に取り除かれて、ガラス板１４の中にマイクロキャビティ１２がエッチングされる。フォトレジスト２６は、マイクロブラストプロセスによって容易に取り除かれるので、ブラストステップが開始されると、ガラス表面のエッチングは、フォトレジストが存在する場所だけで生じる。図３Ｅにおいて、ポリマーが取り除かれて、ガラス板１４の中にマイクロキャビティの配列が残る。図３Ａ〜３Ｅのプロセスによれば、配列のパターンと各マイクロキャビティの寸法は、フォトリソグラフィーによって特定できる。
【００２１】
本発明の製造方法によれば、所望の電場プロファイルをキャビティの中で得るために、マイクロキャビティの断面形状を同じ形に仕上げることができる。一例として、パウダーブラストを長時間行って、半分に形成したキャビティは、顕著に漸減するようになる。このことは実験によって実証される。２個の半分のキャビティを結合して、電極に電圧を印加すると、該漸減構造は、この領域に際立った電場を生じさせるという効果をもたらす。実験例の１つでは、顕著な漸減構造を有するキャビティは、短径付近の中心領域にあるマイクロキャビティの壁面（短径と交差する壁面）付近よりも、キャビティの垂直軸（長径）に沿って顕著に弱くなる電場を用いて形成される。パウダーブラストステップを意図的に短時間にすると、キャビティの側壁はキャビティの中立面でほぼ垂直になるので、電場プロファイルは空間内で均一になる。
【００２２】
ブラスト処理されたマイクロキャビティのアスペクト比は、ブラストプロセスの圧力、ブラストに用いた粉末材料の種類、製造に用いたマスク材料の種類による。マイクロキャビティの典型的なアスペクト比（幅対深さ）の値は、１：１と３：１の間にすることができる。このようなアスペクト比は、約３０ｐｓｉから１２０ｐｓｉの圧力を用いて実現できる。
【００２３】
図３Ｆ〜３Ｊは、修正されたマスクの製造プロセスであって、アスペクト比が高いマイクロキャビティを得ることができ、キャビティ間の分解能を高くできる製造プロセスを示している。図３Ｆにおいて、適当なエッチング法、例えば、誘導結合プラズマ深堀り反応性イオンエッチング（ＩＣＰ  ＤＲＩＥ  ｅｔｃｈｉｎｇ）または湿式化学エッチングによって、シリコンウェハなどの半導体ウェハ３１ａの上のリソグラフィー設計から、高解像度パターンを転写する。図３Ｇにおいて、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）樹脂３１ｂを、パターン形成されたシリコンウェハの上に塗布して硬化させる。これにより、図３Ｆでのウェハプロセスで得られたパターンとは逆の形になるＰＤＭＳスタンプが形成される。図３Ｇにおいて、ガラス、セラミックまたはポリマー基板１４は、紫外線インク２２をスピンコートされ、該紫外線インクは未硬化の状態にされる。（ウェハ３１ａから分離した後の）図３Ｇで得られたＰＤＭＳスタンプ３１ａは、図３Ｉにおいて、紫外線硬化インクにプレスされ、ＰＤＭＳスタンプが存在している間に、紫外線インク２２は紫外線によって硬化される。図３Ｊでは、ＰＤＭＳスタンプ３１ｂが取り除かれ、図２Ｃおよび図３Ｆのパウダーブラストプロセスが施されて、半楕円状のマイクロキャビティが形成される。
【００２４】
マイクロキャビティプラズマ素子のアレイの更なる実施形態は、電極の配置およびパターンを代えること並びに他の電極を用いることで実現される。更なる実施形態を例証する際に、図１〜３の参照番号は、同じ特徴を特定するために使用される。
【００２５】
図４において、電極１８は、シート１４ｂの背部側の凹所３６の中に形成される。図４には示されていないが、電極１６も同じ凹所の中に形成することができる。凹所３６は、電極とマイクロキャビティの隙間を小さくするように機能する。図５は同様の配置構成を示しているが、図５において、前記凹所は、マイクロキャビティの形状に似せた外形を有して形成される。図５の配置構成においても、電極とマイクロキャビティの間の隙間は小さくされ、電極１８によって印加される電場は、マイクロキャビティ１２付近の電極１８の外形によって、図４の電極構造の場合よりも、楕円状のマイクロキャビティの底部の範囲内において、より均一になるように変化する。このような違いが生じるのは、図５では、マイクロキャビティ１２から楕円体の底部にある電極１８を隔離するガラスの厚さが、ほぼ一定だからである。一方で、図４では、電極とマイクロキャビティの壁との間のガラスの厚さは、マイクロキャビティの底部に沿って変化するので、均一な放出に不利な影響が及ぼされる。
【００２６】
図６は、電極１６と１８をマイクロキャビティにさらに近接して配置したマイクロキャビティプラズマ素子のアレイを示している。図６において、複数個のキャビティ３６は、ガラス層１４ａと１４ｂの中に垂直にエッチングされる。これによって、マイクロキャビティ付近の電極１６、１８は、キャビティの２面に指状に配置される。図５および６の両方において、溝３６は、エッチングあるいはパウダーブラスト法で形成され、金属あるいは他の導電材で被覆（またはライニング）されてもよい。
【００２７】
図１〜６に示された実施形態は、電極１６、１８の一方または両方をパターン形成することによって、アドレッサブル型にすることもできる。アドレッサブル型のマイクロキャビティプラズマ素子のアレイの一例を図７に示す。図７において、電極１６、１８は、マイクロキャビティ１２を跨ぐように配置される。前記各電極は、パッシブマトリックス法によって各キャビティが割り当てられた位置あるいはキャビティの列に備えられる。
【００２８】
図８は、本発明のマイクロキャビティプラズマ素子とアレイ用の別の電極の配置構成を示している。図８において、電極１８は、ガラス板１４ａと１４ｂの間に配置され、マイクロキャビティ１２を囲んでいる。電極１８は、ガラス板１４ａと１４ｂが結合される前に、ガラス板１４ａまたは１４ｂのいずれかにパターン形成されてもよい。図９は、中央電極１８ａが追加された配置構成を示している。該中央電極は、各マイクロキャビティの中でプラズマを点火するトリガー電極として使用できる。図１０は、電極１６が中央電極であって、薄膜の誘電層４０によって半卵状のマイクロキャビティ１２から隔離される配置構成を示している。既に示されたように、実験室での試験において、半楕円状のキャビティでは、半楕円体の中心を垂直に通過する軸（図１０中の軸”Ａ”）回りに、強力なプラズマが局在していた。さらに、半楕円状のキャビティは、フラットフィルムと板ガラス層で覆われるので、プラズマから放射される光は、図１Ｂ、４〜６、８および９に示した完全な楕円状のキャビティのレンズに似た特性によって歪められない。したがって、半楕円状のキャビティと完全な楕円状のキャビティは、異なる用途においてそれぞれ有益である。
【００２９】
ガラスの中に形成される本発明の中央電極型のマイクロキャビティ素子によって、電場の形成において更なる選択肢がもたらされる。図１０に係る半楕円状のキャビティを有する実験装置によれば、強力なプラズマが、キャビティの垂直軸付近に強く局在化されて発生する。図１０の半楕円体の実施形態では、上部ガラス層１４ａはパッケージ層としてのみ機能し、層の中にマイクロキャビティ部分を有さないので、上部ガラス層１４ａを特に薄くできる。半楕円状の配置構成の場合、ガラスマイクロキャビティプラズマ素子のアレイ全体の厚さは、極めて薄くできる。例えば、１００〜２００μｍ以下にすることができる。一般に、中央電極型の素子は、マイクロキャビティ１２と交差する平面内に中央電極が配置されたものであり、該素子の点火電圧は、マイクロキャビティと隣り合う平面内だけに電極を配置した素子およびアレイの点火電圧よりも低い。
【００３０】
図１１は、ガラスマイクロキャビティプラズマ素子のアレイの別の好適な実施形態を示している。図１１のアレイにおいては、ガラス板１４ａと１４ｂは、結合されるときに、ずらして配置され、マイクロキャビティの上半分１２ａと下半分１２ｂの間に僅かなずれが形成される。図１１のアレイによって、２枚のガラス板を結合した後に、マイクロキャビティ間をガスまたは蒸気、および／または、ガス／蒸気流で満たすことができる。図１２Ａおよび１２Ｂに示された別のアレイでも、このようなガス／蒸気流を流すことができ、この場合、前記ガス／蒸気流は、マイクロキャビティ１２の中央平面にあって、キャビティ１２間にガス流を流すことができる流路４２によって供給される。図３の方法に従って、パウダーブラスト前に適当なフォトレジストと保護ポリマーのパターンを形成することによって、ガラス板１４ａと１４ｂの中に、流路４２とマイクロキャビティを同時に形成することができる。
【００３１】
図１０の素子（あるいは本発明の他の素子）の変形例においては、図１３に示すように、電極１８が、半卵状のマイクロキャビティ１２の内壁に配置され、追加の誘電層４８によるプラズマから保護および隔離される。誘電層４８を省略して直流で動作することもできるが、誘電層４８を使用すると、マイクロキャビティの中で発生するプラズマから電極を隔離できるので極めて好ましい。図１３に示すように、マイクロキャビティ１２の上方に示された浅い凹所５２の中に蛍光体５０を配置してもよい。準球体の凹所５２を、化学エッチングあるいはパウダーブラストすることもできる。これらの凹所は、マイクロキャビティ１２から発せられる放射線を平行にするレンズとして機能するとともに、表面の平面下方に蛍光体を保持して保護する。特定のマイクロキャビティと揃えるように、蛍光体の円形ドットを、スクリーン印刷を用いてガラス層１４ａ、１４ｂの上に直に印刷することもできる。可能であれば、蛍光体５０をマイクロキャビティ１２の範囲内に塗布して、所望の発光色を得ることもできる。ＲＧＢを充分に発揮させるために、赤色、緑色および青色の蛍光体は、交互に使用されるであろう。
【００３２】
本発明の種々の実施形態を説明し記載してきたが、他に変更、置換および代替することは、当業者に明らかであることを理解されたい。このような変更、置換および代替は、本発明の精神および範囲から逸脱せずに行うことができ、本発明の精神および範囲は、添付の特許請求の範囲によって決定されるべきである。
【００３３】
本発明の種々の特徴は、以下の特許請求の範囲において明らかになる。
【００３４】
（政府の利益についての告知）
本発明は、米空軍科学研究所の認可番号Ｆ４９６２０−０３−１−０３９１およびＡＦＦＡ９５５０−０７−１−０００３の下に、政府の援助を受けてなされた。政府は本発明にある種の権利を有する。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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