(57)【要約】  マイクロプラズマ放電素子及びアレイを形成する方法。該方法は、素子からなるアレイを安価に生産する、化学的処理及びフォトリソグラフィ等の半導体素子製造から得られる技術を利用する。互いに入り込んだ形状の電極アレイが第１の基板上に堆積される。キャビティは、レーザマイクロマシニング、エッチングにより、または、化学（湿式または乾式）エッチングにより、第２の基板に形成され、該第２の基板は、該電極アレイの上に配置される。電極間の間隔及び電極の幅は、該キャビティ内でマイクロプラズマ放電を励起するために、各キャビティが、その下に、電極の少なくとも１つのペアを有するように設定される。この結果、２つの基板を厳密に位置合わせする必要が回避される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板（１４）と、
前記第１の基板上に形成された複数の電極（１６、１８）と、
複数のキャビティを含み、前記電極が、各キャビティ内でマイクロプラズマ放電を励起するように構成されるように前記電極上に配置された第２の基板（３４）と、
を備える、素子。
【請求項２】
前記電極上に形成された絶縁層（３０）をさらに備える、請求項１に記載の素子。
【請求項３】
前記絶縁層上に形成された保護層（３２）をさらに備える、請求項２に記載の素子。
【請求項４】
前記電極が、どのキャビティとも直接物理的に接触しないように構成されている、請求項２に記載の素子。
【請求項５】
各キャビティがガスで満たされており、前記第２の基板は、前記ガスの充填が各キャビティ内で維持されるように封止されている、請求項１に記載の素子。
【請求項６】
所望のスペクトル領域内で透過性であるウィンドウ（３５）が前記第２の基板に接合され、前記第２の基板が前記第１の基板に接合されている、請求項５に記載の素子。
【請求項７】
前記電極は、前記キャビティの第２のサブセットが励起されていない間は、前記キャビティの第１のサブセット内の放電を励起し、前記第１のサブセットが励起されていない間は、前記第２のサブセット内の放電を励起するように構成されている、請求項１に記載の素子。
【請求項８】
前記電極が互いに入り込んでいる、請求項１に記載の素子。
【請求項９】
前記電極の幅及び間隔は、少なくとも２つの電極が各キャビティの下に実質的にあるようになっている、請求項８に記載の素子。
【請求項１０】
前記電極が、どのキャビティとも直接物理的に接触しないように、前記電極上に形成された絶縁層をさらに備える、請求項９に記載の素子。
【請求項１１】
前記第２の基板は、前記電極に近い面と、前記電極から遠い面とを特徴とし、前記第２の基板の遠位面に配置されたドレイン電極（９４）をさらに含む、請求項１に記載の素子。
【請求項１２】
前記ドレイン電極によって抜き出された電子を受け容れるように配置された蛍光スクリーンをさらに備える、請求項１１に記載の素子。
【請求項１３】
マイクロプラズマ素子を製造する方法であって、
第１の基板を設けることと、
前記第１の基板上に、複数の電極を形成することと、
第２の基板内に複数のキャビティを形成することと、
前記電極が、各キャビティ内でマイクロプラズマ放電を励起するように構成されるように、前記複数の電極上に前記第２の基板を配置することと、
を備える、方法。
【請求項１４】
前記電極上に絶縁層を形成することをさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
各キャビティにガスを充填することと、各キャビティ内での前記ガスの充填が維持されるように、前記第２の基板を封止することとをさらに備える、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロプラズマ素子およびこのような素子からなるアレイに関し、特に、マイクロプラズマ素子を製造し、励起する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロプラズマアレイは、特に、ディスプレイ、生物医学診断及び環境検知において多数の用途を有する。これらの素子においては、ＤＣ、高周波、ＡＣまたはパルス電圧を用いて、キャビティの近傍または内部の電極を励起することにより、小寸法（典型的には、５００μｍ以下）の該キャビティ内に電界が生成される。該キャビティ内に生成されたピーク電界強度がしきい値を超えた場合、該キャビティ内に充満する放電ガスまたは気体内で、マイクロプラズマ放電が生じる。この放電は、１つ以上の波長で光を放出する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
マイクロプラズマアレイに関して想定された用途にかかわらず、他の競合する技術に対するこれらのアレイの成功は、該アレイの放出表面積、放射出力及びアレイの寿命が増大した際に、製造コストを最小限に抑えることに依存する。そのため、マイクロプラズマ素子からなる大きな（数ｃｍ２以上の）アレイの製造を単純化する方法及び構造が非常に望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の実施形態においてはマイクロプラズマ素子からなるアレイを製造する方法が提供される。該方法は、複数の電極を第１の基板上に形成することと、複数のキャビティを第２の基板内に形成することとを含む。該第２の基板は、該電極を有する第１の基板上に配置され、または該第１の基板上に封止される。該電極は、各キャビティ内のガスまたは気体中でマイクロプラズマ放電を励起するように構成される。本発明の特定の実施形態においては、絶縁層が該電極上に形成され、該電極は、該アレイ内の該キャビティ、または各キャビティ内のガスまたは気体のいずれかと物理的に接触することなく、該キャビティ内でマイクロプラズマ放電を励起することができる。本発明の他の実施形態においては、該キャビティには放電ガスを充填することができ、該第２の基板は、各キャビティが封止されるようにカバーされる。本発明の特定の実施形態においては、追加的な保護層が該絶縁層上に形成される。
【０００５】
本発明の別の特定の実施形態においては、上記キャビティは、アレイ内に形成することができ、上記電極は、互いに入り込んだ形状のアレイ内に形成することができる。この電極フィンガの間隔及び幅は、少なくとも２つの電極フィンガが各キャビティの下にあるように設定することができる。このような方法で、該電極アレイに対する上記第２の基板の位置精度は重要ではなく、製造コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の上記の特徴は、添付図面の参照と共に、以下の詳細な説明を参照すれば、容易に理解されるであろう。
本発明の特定の実施形態においては、マイクロプラズマ放電素子からなるアレイを製造する方法が提供される。該方法は、集積回路及び微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ；ＭＥＭＳ）等の半導体素子の製造に用いられる技術を利用する。シリコンまたはガラスのウェーハ等の第１の基板が形成され、電極が、金属付着等により該基板上に形成される。絶縁層は、該基板上に堆積され、非導電性保護層を該絶縁層上に堆積させることができる。Ｆｏｔｕｒａｎ（登録商標）または他の同様の材料等の感光性ガラスから切取ることができる第２の基板が設けられ、マイクロ放電キャビティ（マイクロキャビティ）は、レーザマイクロマシニングまたはフォトリソグラフィ及び化学エッチング、または、当業者には公知の他の方法によって、該基板に形成される。そして、該第２の基板は、該第１の基板を含む層状構造上に接合される。該キャビティは、１つのガス、２つ以上のガス、ガス及び水蒸気、またはガス及び金属ハロゲン化物塩を含むことができ、後者は、該アレイが作動されて、熱が自然に発生したときに、該マイクロキャビティ内の蒸気中に放出されるガス状放電媒体で満たすことができる。ガス不透過性透明キャップは、該第２の基板の上部に接合することができる。マイクロプラズマ放電は、同一平面上の電極の電気的刺激により（すなわち、該絶縁層または保護層のどちらかまたは両方がある場合には、時間依存性電圧を該電極に印加することにより、または、両方共ない場合には、ＡＣまたはＤＣ電圧を印加することにより）該素子のキャビティ内で励起される。このようなマイクロプラズマ放電アレイを製造するこの方法は、強烈な光放射を生成する大きなアレイを安価に生産することを有利に可能にする。加えて、マイクロプラズマを励起する該電極は、該マイクロキャビティ及び該マイクロキャビティ内での放電と物理的に分離される。この構成は、この放電が、従来のデバイスの場合のようなイオン衝撃またはスパッタリングにより、該電極を腐食しないため、電極の寿命を著しく有利に伸ばすことができる。
【０００７】
本発明の実施形態により製造された、複数のマイクロ放電キャビティ１２を備えるマイクロ放電アレイ１０を図１及び図２に示す。図１において、主な光放射方向は、この図の面の外側であるが、この放射の一部は、上記第２の基板の面内に向いている。また、図１の面内に向けられた光は、上記保護層の上の反射膜で反射するか、または、その上に、インジウムスズ酸化物から形成された電極がパターン化される透明基板を透過することができる。インジウムスズ酸化物は、可視的に透明であり、それによって、可視光が該電極アレイを透過できるようにする。図２に示す側面図において、主な光放射方向は、この図の上方に向かっている。この実施形態における各キャビティ１２は円筒形であるが、これらのキャビティは、円筒形に限定されず、どのような幾何学的形状にも形成することができる。また、マイクロキャビティは、図１のフレネルパターンだけではなく、実質的に、どのようなパターンでも配列することができる。
【０００８】
シリコンウェーハとすることができる第１の基板１４が設けられる。この基板は、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料から選択することができる。また別の実施形態において、該基板は、プラスチック、ガラス、セラミック、または、残りの構造をその上に形成することができる他の固体材料とすることができる。絶縁層２８、例えば、シリコン酸化物、窒化シリコンまたは他の絶縁体は、該第１の基板上に形成される。（層２８は、該第１の基板の誘電特性を改善することができることに留意する。）電極１６、１８は、例えば、薄膜金属付着により、絶縁層２８上に形成される。様々な堆積方法（例えば、スパッタリング、蒸着、化学気相成長、電気めっき等）のうちのどれでも、必ずしも金属膜ではない該電極を形成するのに用いることができる。他の導電性材料（半導体、有機物等）も条件を満たす。絶縁層３０は、該電極上に形成され、該電極間の絶縁破壊を防ぎ、電極１６、１８をマイクロ放電から物理的に隔離する。絶縁層３０は、ポリイミド、窒化シリコンまたはシリコン酸化物等の様々な周知の材料から選択することができる。酸化マグネシウム等の強固な絶縁体を備える保護層３２を絶縁層３０の上に堆積させることができる。また、腐食性ガス中での放電、または、アレイの寿命が一番の関心事ではない状況の場合、層３２および／または３０を省くことも可能である。“層”は、この説明で、およびいずれかの添付クレームで用いる場合、単一のステップまたは多数のステップ（例えば、堆積）で形成することができ、また、１つの層または構造は、他の構造または層に直接隣接または接触することなく、別の構造または層の上に形成または重ねることができる。また、電極１６、１８のみが図２において、各マイクロキャビティの真下に示されているが、これらの電極は、絶縁層２８の表面に等間隔に離間しており、いくつかは、以下に説明するように、マイクロキャビティが存在しない第２の基板３４の一部の下にあってもよい。
【０００９】
図２に示すように、マイクロ放電キャビティ１２のアレイ１０は、例えば、Ｆｏｔｕｒａｎ（登録商標）等の感光性ガラスとすることができる第２の基板３４内に形成される。これらのキャビティは、レーザマイクロマシニングまたは化学エッチング、あるいは、公知の他の方法により形成される。第２の基板３４は、保護層３２上に接合され、または、単に、該保護層の上に載せられる。これらのキャビティには、希ガス原子Ｎ２、および（Ｎｅ／Ｋｒ／Ｆ２またはＸｅ／ＨＣｌ等の）希ガスハロゲン供与体ガス混合物等の放電ガスを充填することができる。ガス圧力及びガス混合組成は、所望の放射種の数密度を最適化するように選択することができる。互いに入り込んだ形状の電極１６、１８は、時間依存性の電磁界を放電キャビティ１２内に生成する励起を実行できる電極のペアを構成する。これらの電極を駆動する電圧波形は、ＡＣ、ＲＦ、マイクロ波またはパルス（双極、単極等）とすることができる。層３０及び３２がない場合、マイクロ放電はＤＣを励起することができる。少なくとも、これらのマイクロ放電キャビティ内に生成されたピーク電界強度は、該キャビティ内のガス中にプラズマ放電を生成するのに十分なものでなければならないため、層３０、３２は薄く、好ましくは、数ミクロンである。より厚い層は、該マイクロキャビティ内の電界強度を低下させ、それにより、該マイクロキャビティ内に放電を生成することをより困難にする。各キャビティにおけるピーク電界強度は、当技術分野において周知のように、該電極用の材料（ならびに、それらの厚さ）、該電極の幅及び間隔、および該キャビティの寸法及び形状の選択によって調整することができる。図１に示す電極は、例示的な互いに入り込んだアレイの形をしているが、当業者には明白であるように、該キャビティ内に所要のピーク電界強度を生成するのに、（互い違いの同心円等の）該電極の他の構成が可能である。図１には示されていないが、電極１６、１８は、電気的接触パッド１１を介して回路を制御するように接続することができ、また、該アレイ自体は、集積回路の一部を構成してもよい。キャビティは、断面を円筒形とすることができ、電極アレイの上に配置することができる。キャビティは、他の形状を有することができる。例えば、キャビティ７５は、断面が略正方形または矩形とすることができ、電極アレイの上に配置することができる。
【００１０】
可視光、近赤外線及び紫外線におけるガラス、石英またはサファイア、または、赤外線におけるＺｎＳｅ、ＫＢｒ等の、所望のスペクトル領域（可視光、紫外線、または、２つ以上の領域のうちのいくつかの部分）において透過性の材料から形成されたウィンドウ３５（図２）は、基板３４に接合することができ、または、他の方法で該基板に密封することができる。当該波長に対して透過性の基板から製造されたウィンドウ３５は、マイクロ放電キャビティ１２内に放電媒質３６、すなわち、気体またはガスを密封する。
【００１１】
図１の実施形態において、マイクロ放電の中心マイクロキャビティ（画素）２２及びリング２０及び２４は、時間依存性電位が電極１６、１８に印加されたときに、該電極によって生成された電磁界によって励起される。しかし、図１及び図２の電極は、最も外側のリング２０または最も内側の画素２２あるいは中間のリング２４（または、これらの組合せ）のみが励起されるように、電気的短絡を発生させることなく、第２のサブアレイとの電気的接続が、第１のサブアレイのための接続と交差できるように、再配列することができる（または、絶縁膜を、１つの電極アレイの一部の上に選択的に堆積することができる）。このようにして、リング２０〜２４を独立して制御することができる。本発明の他の実施形態においては、マイクロキャビティからなるより多くのリングを用いることができ、および、例えば、電極の２つ以上のセットにより、個別に制御することができる。別法として、該マイクロキャビティは、マイクロキャビティからなるライン及び行を備える矩形パターンで配列することができる。電気的接続を分離する絶縁体を用いる上述した方法においては、マイクロキャビティの個々のラインまたは行を励起することができる。また、前述したように、マイクロキャビティは、該リングの外に配置する必要はない。マイクロキャビティの配置は、特定のパターンに限定されない。
【００１２】
マイクロ放電が生成される、マイクロ放電キャビティ１２の直径のサイズの下限値は、いくつかの要因によって決まり、そのうちの１つは、マイクロ放電キャビティを形成するのに用いられる微細加工技術である。（これまで形成されたプロトタイプのアレイの場合の）マイクロ放電キャビティは、断面が円筒形または矩形であり、７５または１００μｍの特徴寸法を有するが、かなり小さな（１０μｍ未満）またはかなり大きなサイズのマイクロプラズマ素子の製造は、周知の微細加工技術で実現できる。上述したように、個々のマイクロ放電キャビティの断面は円筒形である必要はないが、何らかの所望の形状であると想定することができる。該マイクロ放電キャビティが形成される該基板は、上記において、Ｆｏｔｕｒａｎ（登録商標）、すなわち、感光性ガラスとして記載されているが、用途によって、様々な材料をこの基板に用いることができる。例えば、サファイア、石英、ガラスエポキシ、他の種類のガラス、またはバルク誘電体を本発明の他の実施形態に用いることができる。
【００１３】
本発明の特定の実施形態において、上記互いに入り込んだ形状の電極は、該互いに入り込んだ形状の電極アレイのピッチ（隣接する電極の中心間の間隔）が各マイクロプラズマキャビティの直径よりも小さくなるように形成される。この構成は、該電極アレイと該マイクロキャビティアレイとを厳密に位置合わせする必要がなく、この構造の組立てを著しく単純化するため、特に有利である。これら２つのアレイの位置合わせは、（上記第１の基板、第１の絶縁体及び保護層及び第２の絶縁層を含む）該マイクロキャビティアレイ及び該電極アレイは、別々に形成することができるが、その後、該互いに入り込んだ形状のアレイ内の隣接する２つの電極が、該アレイ内の各マイクロキャビティの真下にくるように接合しなければならないため、潜在的な課題である。隣接する電極間の間隔、および該電極の幅を的確に（すなわち、該電極の“負荷”を、該電極を駆動するＡＣ、ＲＦまたはパルス源に適合するように、および該互いに入り込んだ形状のアレイの１つの“周期”を、各マイクロプラズマ放電キャビティの直径よりも小さくできるように）選択した場合、該アセンブリの２つのピースを接合するプロセスは重要ではなく、各マイクロプラズマ放電キャビティは、その下に、電極の少なくとも１つのペアを有することになる。例えば、マイクロキャビティが、約１００μｍの直径を有し、かつ該互いに入り込んだ形状のアレイ内の電極のピッチ及び幅が両方共２０μｍである場合、各マイクロキャビティの背後には、少なくとも２つの電極があることになる。
【００１４】
図３に概略的に示す本発明の別の実施形態においては、図２に示す素子と同様の素子構造９０が形成される。しかし、電極層９２（“第３の電極”）は、電極アレイ（１６、１８）から離れている第２の基板３４の面９４の上に堆積される。電気的接続は、この電極層９２に対して形成され、直接接地され、または、（ＡＣ動作の場合）キャパシタ９６を介してアースに接続される。キャパシタ９６は、ディスクリートのコンポーネントとすることができ、または、接地される別の電極がある、第３の電極９２の上部の別の絶縁層の形で配置することができる。第３の電極９２の存在は、該マイクロキャビティ内に電界を形成するため、および上記第２の基板の面上に蓄積される可能性がある電荷を排出するためである。該第３の電極の追加的な機能は（必要に応じて）、ＡＣ電圧波形の両半周期中に、電子を、それによって該マイクロ放電から抜き出すことができるゲートとして機能することである。該マイクロ放電から抜き出された電子は、該マイクロキャビティから出て進み、必要に応じて設けられたスペーサ９７上に取付けられた蛍光スクリーン９８に衝突し、それによって、照明に適した、または、ディスプレイとして用いられる図３の構造を形成することができる。
【００１５】
本発明の他の実施形態は、上記絶縁層及び保護層が完全に省略されており、（キャビティを有する）上記第２の基板を上記電極アレイ上に直接配置することを可能にする。
【００１６】
以上、互いに入り込んだ形状の電極アレイを含む、本発明によるマイクロプラズマ放電素子及びアレイについて説明してきた。本発明の他の実施形態においては、当業者には明白であるように、電極の他の構成を、上記キャビティ内でマイクロプラズマ放電を生じさせる十分なピーク強度を備える電界を生成するのに用いることができる。同様に、当然、本発明が、上述した詳細な説明の他の態様に限定されないことは明白である。説明したようなこの発明の様々な変形及び変更は、添付クレームで定義したような本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者にははっきりと理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態によるマイクロプラズマアレイ素子の概略平面図を示す。
【図２】図１の素子の概略断面図を示す。
【図３】本発明の別の実施形態の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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