CN109767966A - 一种微腔放电紫外辐射器件及其制备方法和基于其的微腔阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微腔放电紫外辐射器件及其制备方法和基于其的微腔阵列，属于紫外光源器件制造技术领域。器件包括衬底、底电极、介质层、微腔腔体、障壁、荧光粉层、介质板和顶电极。通过微腔气体放电的方式产生微腔等离子体，激发态原子和准分子衰减辐射真空紫外(VUV)，利用VUV轰击不同的荧光粉层，可获得不同波段的目标谱线。制备：采用物理沉积法在衬底背面和上面分别制备底电极和介质层，通过刻蚀的方式在衬底上制备微腔腔体，采用物理沉积的方式在介质板上制备顶电极，最后通过封装的方式形成带有微腔结构的紫外辐射器件。本发明所述的微腔放电紫外辐射器件无污染、高辐射效率、小体积、稳定性好。

Description

一种微腔放电紫外辐射器件及其制备方法和基于其的微腔 阵列

技术领域

本发明属于紫外光源器件制造技术领域，涉及一种微腔放电紫外辐射器件及其制备方法和基于其的微腔阵列。

背景技术

特定波长的紫外辐射具有荧光效应、生物效应、光化学效应和光电效应，在感光油漆、油墨等光敏材料的固化、照相制版、光刻、复印、皮肤病、内外科疾病治疗、杀菌消毒、保健、荧光分析、军事探测等民用和国防领域具有广阔的应用前景，尤其是在医学领域，常常需要对特定形状或极小范围的病灶区域进行诊疗，这就对紫外光源的精度可控性提出了更高的要求，另外，不同应用领域对于紫外辐射的波长范围有不同的需求，要求紫外光源器件能够辐射特定波段的谱线。

传统的汞蒸气放电紫外光源虽然辐射效率高、寿命较长、价格低廉、技术成熟，但是液汞的使用会造成环境的污染；紫外LED光源虽然具有光学系统简单、稳定性好、能耗低、体积小和环保等优点，但其输出效率低、辐照均匀性偏低、辐照视场小；场电子激励紫外光源虽然在电子束的激励下能够显示良好的带边紫外荧光发射，但由于其工作在高电压状态，使得该类器件的功耗及寿命难以满足市场的需求。

因此，研究一种无污染、高辐射效率、小体积、长寿命、稳定性好且能够获得特定波段谱线以实现精准化应用的紫外光源器件，是医学诊疗、军事探测、杀菌消毒等应用领域的迫切需求，对我国紫外光源及相关工业、农业、国防及医疗领域的发展具有重要的科学意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微腔放电紫外辐射器件及其制备方法和基于其的微腔阵列，该辐射器件结构设计合理，能够通过微腔气体放电的方式产生VUV，利用VUV激发不同荧光粉获得目标波段谱线；通过调控微腔腔体及微腔阵列的结构参数可实现精准化应用。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种微腔放电紫外辐射器件，从下至上依次包括基底、障壁、介质板及顶电极；

所述基底由下至上包括底电极、衬底和介质层；

在介质层上方刻蚀形成微腔腔体，微腔腔体的外周为障壁；所述顶电极设置在介质板上方，介质板设置在微腔腔体上方，微腔腔体内侧及介质板下方涂覆荧光粉层。

优选地，该微腔放电紫外辐射器件所用的放电气体是氙气或氙气和其它气体的混合气体，气压为1mTorr～760Torr。

优选地，荧光粉层采用不同的荧光粉材料能够获得不同波段的目标谱线。

优选地，所述微腔腔体通过在衬底纵向生长障壁的方式制备，障壁选用聚酯材料。

优选地，所述微腔腔体为长方体、圆柱体或棱柱体。

进一步优选地，若微腔腔体为长方体腔体，假设腔体的长宽高分别为a、b、c，则有a、b、c的范围均为1μm～10⁴μm；

若微腔腔体为圆柱体微腔，假设腔体深度为h，则有h的范围为1μm～10⁴μm，腔体直径为d，d的范围为1μm～10⁴μm；

若微腔腔体为棱柱体微腔，假设腔体深度为h’，则有h’的范围为1μm～10⁴μm，腔体底面边长为l，则有l的范围为1μm～10⁴μm。

优选地，所述底电极为导电材料，厚度为100nm～1000μm；所述衬底为硅衬底或玻璃衬底；所述介质层为具有高二次电子发射系数的氧化层，厚度为100nm～1000μm。

优选地，所述顶电极采用透明的导电材料，顶电极的厚度为100nm～1000μm；所述介质板采用对于目标波段谱线透过率高的透明介质，介质板厚度为100～1000μm。

本发明还公开了含有上述的微腔放电紫外辐射器件的微腔阵列，该微腔阵列为规则结构M×N，其中M、N＝1，2，3…10⁵；

或者，该微腔阵列依据应用需求设计为不规则结构。

本发明还公开了上述的微腔放电紫外辐射器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：清洗衬底；

步骤二：在衬底背面通过物理沉积的方式制备金属电极作为底电极；

步骤三：在衬底上通过物理沉积的方式制备介质层；

步骤四：在衬底上通过光刻或离子束刻蚀的方式制作微腔腔体结构；

步骤五：将衬底上的微腔器件进行分割，切割完全结束后，用异丙醇及去离子水对微腔器件进行清洗处理，并用压缩氮气对清洗过的衬底进行吹干处理，制得带有微腔的衬底部分；

步骤六：在介质板上通过物理沉积的方式制备顶电极，制得含有顶电极的介质板；

步骤七：在微腔腔体内侧及介质板下方涂覆荧光粉层；

步骤八：对器件进行封装，将带有微腔腔体的衬底部分与含有顶电极的介质板进行封接，制得微腔放电紫外辐射器件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明依据气体放电过程中激发态原子和准分子衰减辐射真空紫外(VUV)的特性，结合VUV轰击不同荧光粉可获得不同目标波段紫外光谱的特点，研究设计了一种耦合微腔放电等离子体的紫外辐射器件，所述器件的微腔腔体及微腔阵列结构可根据具体的应用需求进行定制化设计。器件结构包括衬底、衬底下方设置的底电极、介质层、衬底上方开设的微腔腔体、介质板、介质板下方及腔体内侧涂覆的荧光粉层以及介质板上方设置的顶电极。当顶电极和底电极之间施加的电压大于微腔腔体中放电气体的着火电压时，气体被击穿放电形成微腔等离子体，产生的激发态原子和准分子衰减辐射VUV。本发明公开的一种微腔腔体及微腔阵列结构可定制且可获得不同目标波段谱线的气体放电紫外辐射器件，在医学诊疗、防伪鉴定、杀菌消毒、捕鱼诱虫、军事航空探测器、保密通讯等领域可实现精准化应用。

进一步，放电气体采用氙气或氙气和其它气体的混合气体。

进一步，所述顶电极采用氧化铟锡(ITO)材料，底电极采用金、银、铜等导电材料，电极具体采用何种导电材料，依据实际情况而定，但顶电极需采用透明性好的导电材料。

进一步，所述介质层采用二次电子发射系数较高的氧化物层，如氧化镁层。

进一步，所述介质板采用对于目标波段谱线透过率高的玻璃介质。

本发明公开的微腔放电紫外辐射器件的制备方法，基于半导体器件加工工艺。首先清洗衬底，后通过物理沉积的方式在衬底背面及上面分别淀积底电极和介质层，然后在衬底上制备微腔腔体结构，将微腔腔体进行分割，在介质板上通过物理沉积的方式制备顶电极，在微腔腔体内侧及介质板下方涂覆荧光粉层，最后将含有微腔腔体的衬底与含有顶电极的介质板进行封装。由于微腔等离子体的物理特性和荧光粉材料的特性决定了微腔放电紫外辐射器件的工作特性，而微腔等离子体的物理特性与微腔器件的结构参数、工作气体参数及驱动参数等密切相关，因此，该方法可以通过调整参数以及荧光粉材料来获得不同工作特性的紫外辐射器件，从而适应不同的使用需求。

进一步，通过磁控溅射或热蒸发的方式将固体材料转化为气相物质沉积到基体表面，制备出所需电极，使电极与基底具有强的附着力。

进一步，采用光刻或离子束刻蚀的方法在衬底上制备微腔腔体，采用光刻技术可以满足半导体器件高精度的要求。

附图说明

图1为本发明公开的微腔放电紫外辐射器件的结构示意图；

图2为本发明公开的长方体微腔规则阵列示意图；

图3为本发明公开的圆柱微腔不规则阵列示意图；

图4为本发明公开的混合结构微腔不规则阵列示意图。

其中：1为衬底；2为介质板；3为底电极；4为微腔腔体；5为介质层；6为障壁；7为顶电极；8为荧光粉涂层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明的微腔结构的紫外辐射器件，包括衬底1、底电极3、介质层5、微腔腔体4、障壁6、荧光粉层8、介质板2和顶电极7。

在介质层5上方刻蚀形成微腔腔体4，微腔腔体4的外周为障壁6；所述顶电极7设置在介质板2上方，介质板2设置在微腔腔体4上方，微腔腔体4内侧及介质板2下方涂覆荧光粉层8。

通过微腔气体放电的方式产生微腔等离子体，激发态原子和准分子衰减辐射真空紫外(VUV)，利用VUV轰击不同的荧光粉层，可获得不同波段的目标谱线。

本发明的微腔紫外辐射器件的制备方法：采用物理沉积的方式在衬底背面和上面分别制备底电极3和介质层5，通过刻蚀的方式在衬底1上制备微腔腔体4，采用物理沉积的方式在介质板2上制备顶电极7，最后通过封装的方式形成带有微腔结构的紫外辐射器件。

实施例1

参见图1，为微腔放电紫外辐射器件的结构示意图，包括衬底1、底电极3、介质层5、微腔腔体4、障壁6和荧光粉层8(采用不同的荧光粉材料，可获得不同目标波段谱线)、介质板2和顶电极7。底电极3为金电极，衬底1采用硅衬底，介质层5为氧化镁层，障壁6采用聚酯材料SU-8，荧光粉层8采用稀土材料，介质板2采用玻璃，顶电极7采用氧化铟锡(ITO)。

制备微腔紫外辐射器件的方法，具体包括以下步骤：

(1)清洗硅衬底：用丙酮、异丙醇及去离子水对硅衬底各进行5min超声清洗处理，然后用压缩氮气对清洗过的硅衬底进行吹干；

(2)采用磁控溅射的方式在衬底背面沉积底电极：在硅衬底底面均匀涂光刻胶，对硅衬底进行前烘预处理，再将其对准掩膜板，使用UV光对光刻胶进行曝光，对经过曝光的光刻胶进行显影及后烘处理，得到掩膜图案。采用磁控溅射的方式在硅衬底底面淀积金电极，形成底电极，最后对完成金属电极淀积的硅衬底进行去光刻胶处理；

(3)采用磁控溅射的方式在衬底上沉积氧化镁介质层；

(4)采用光刻的方式制备所需的腔体结构：在介质层表面均匀涂光刻胶，对硅衬底进行前烘预处理，再将其对准掩膜板，使用UV光对光刻胶进行曝光，对经过曝光的光刻胶进行显影及后烘处理，得到所需的腔体结构；

(5)使用金刚石锯片的切割机将衬底上的所有微腔器件进行分割，当切割完全结束后，用异丙醇以及去离子水对微腔器件衬底进行清洗处理，并用压缩氮气对清洗过的衬底进行吹干；

(6)在介质板上通过磁控溅射的方式制备顶电极ITO：在介质板表面均匀涂光刻胶，对介质板进行前烘预处理，再将其对准掩膜板，使用UV光对光刻胶进行曝光，对经过曝光的光刻胶进行显影及后烘处理，得到掩膜图案。采用磁控溅射的方式在介质板表面淀积氧化铟锡，形成顶电极，最后对完成ITO电极淀积的介质板进行去光刻胶处理；

(7)在微腔腔体内侧及介质板下方喷涂荧光粉(例：采用LaPO₄:Pr荧光粉，可获得UV-C波段紫外谱线；采用LaMgAl₁₁O₁₉:Ce荧光粉，可获得UV-A波段紫外谱线)；

(8)封装：将含有微腔腔体的硅衬底与含有顶电极的介质板进行封接。

上述采用的光刻胶为SU-8，型号为AZ5214。

实施例2

参见图2，为一种长方体微腔规则阵列示意图(微腔阵列行、列数分别为M，N；其中M，N＝1,2,3,…10⁵)，微腔腔体长宽高分别为a、b、c，其中a、b、c的范围均为1μm至10⁴μm。器件结构包括衬底、底电极、介质层、微腔腔体、障壁、荧光粉层(采用不同的荧光粉材料，可获得不同目标波段谱线)、介质板、顶电极；底电极为金电极，衬底采用硅衬底，介质层为氧化镁层，障壁采用SU-8，荧光粉层采用稀土材料，介质板为玻璃，顶电极采用氧化铟锡(ITO)。

实施例3

参见图3，为一种圆柱微腔不规则阵列示意图，微腔腔体深度为h，其中h的范围为1μm至10⁴μm，腔体直径为d，其中d的范围为1μm至10⁴μm。器件结构包括衬底、底电极、介质层、微腔腔体、障壁、荧光粉层(采用不同的荧光粉材料，可获得不同目标波段谱线)、介质板、顶电极；底电极为金电极，衬底采用硅衬底，介质层为氧化镁层，微腔障壁采用SU-8，荧光粉层采用稀土材料，介质板为玻璃，顶电极采用氧化铟锡(ITO)。

实施例4

参见图4，为一种混合结构微腔不规则阵列示意图。对于长方体微腔，腔体长宽高分别为a、b、c，其中a、b、c的范围均为1μm至10⁴μm；对于圆柱微腔，腔体深度为h，其中h的范围为1μm至10⁴μm，腔体直径为d，其中d的范围为1μm至10⁴μm。器件结构包括衬底、底电极、介质层、微腔腔体、障壁、荧光粉层(采用不同的荧光粉材料，可获得不同目标波段谱线)、介质板、顶电极；底电极为金电极，衬底采用硅衬底，介质层为氧化镁层，微腔障壁采用SU-8，荧光粉采用稀土材料，介质板为玻璃，顶电极采用氧化铟锡(ITO)。

综上所述，微腔等离子体因其所具有的高电子浓度、高功率密度、高电场强度、放电空间小(通常是数十至数百微米)及可在很宽的气压范围内(数Torr至大气压)稳定持续地产生活性粒子和紫外辐射等特点，受到了人们的广泛关注。不同的应用领域对紫外辐射器件的工作特性有不同的要求，本发明根据半导体器件与非平衡等离子体所具有的物理特性，研究设计半导体与等离子体相结合的紫外辐射器件。本发明公开的微腔腔体及微腔阵列结构可定制化设计且可获得不同目标波段谱线的气体放电紫外辐射器件能够满足不同的应用需求。

本发明带有微腔结构的紫外辐射器件包括衬底、底电极、介质层、微腔腔体、荧光粉层、介质板和顶电极。通过微腔气体放电的方式产生微腔等离子体，激发态原子和准分子衰减辐射真空紫外(VUV)，利用VUV轰击不同的荧光粉层，可获得不同波段的目标谱线。微腔紫外辐射器件的制备方法，采用物理沉积的方式在衬底背面和上面分别制备底电极和介质层，通过刻蚀的方式在衬底上制备微腔腔体，采用物理沉积的方式在介质板上制备顶电极，最后通过封装的方式形成带有微腔结构的紫外辐射器件。本发明所述的微腔放电紫外辐射器件是一种定制化的、可适应不同应用领域要求的、无污染、高辐射效率、小体积、稳定性好的新型紫外器件，对生物医疗、防伪鉴定、军事航空探测器、保密通讯及杀菌消毒等领域的发展具有重要的科学意义。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微腔放电紫外辐射器件，其特征在于，从下至上依次包括基底、障壁(6)、介质板(2)及顶电极(7)；

所述基底由下至上包括底电极(3)、衬底(1)和介质层(5)；

在介质层(5)上方刻蚀形成微腔腔体(4)，微腔腔体(4)的外周为障壁(6)；所述顶电极(7)设置在介质板(2)上方，介质板(2)设置在微腔腔体(4)上方，微腔腔体(4)内侧及介质板(2)下方涂覆有荧光粉层(8)。

2.根据权利要求1所述的微腔放电紫外辐射器件，其特征在于，该微腔放电紫外辐射器件所用的放电气体是氙气或氙气和其它气体的混合气体，气压为1mTorr～760Torr。

3.根据权利要求1所述的微腔放电紫外辐射器件，其特征在于，荧光粉层(8)采用不同的荧光粉材料能够获得不同波段的目标谱线。

4.根据权利要求1所述的微腔放电紫外辐射器件，其特征在于，所述微腔腔体(4)通过在衬底(1)纵向生长障壁(6)的方式制备，障壁(6)选用聚酯材料。

5.根据权利要求1所述的微腔放电紫外辐射器件，其特征在于，所述微腔腔体(4)为长方体、圆柱体或棱柱体。

6.根据权利要求5所述的微腔放电紫外辐射器件，其特征在于，若微腔腔体(4)为长方体腔体，假设腔体的长宽高分别为a、b、c，则有a、b、c的范围均为1μm～10⁴μm；

若微腔腔体(4)为圆柱体微腔，假设腔体深度为h，则有h的范围为1μm～10⁴μm，腔体直径为d，d的范围为1μm～10⁴μm；

若微腔腔体(4)为棱柱体微腔，假设腔体深度为h’，则有h’的范围为1μm～10⁴μm，腔体底面边长为l，则有l的范围为1μm～10⁴μm。

7.根据权利要求1所述的微腔放电紫外辐射器件，其特征在于，所述底电极(3)为导电材料，厚度为100nm～1000μm；所述衬底(1)为硅衬底或玻璃衬底；所述介质层(5)为具有高二次电子发射系数的氧化层，厚度为100nm～1000μm。

8.根据权利要求1所述的微腔放电紫外辐射器件，其特征在于，所述顶电极(7)采用透明的导电材料，顶电极(7)的厚度为100nm～1000μm；所述介质板(2)采用对于目标波段谱线透过率高的透明介质，介质板(2)厚度为100～1000μm。

9.含有权利要求1～8中任意一项所述的微腔放电紫外辐射器件的微腔阵列，其特征在于，该微腔阵列为规则结构M×N，其中M、N＝1，2，3…10⁵；

或者，该微腔阵列依据应用需求设计为不规则结构。

10.权利要求1～8中任意一项所述的微腔放电紫外辐射器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：清洗衬底(1)；

步骤二：在衬底(1)背面通过物理沉积的方式制备金属电极作为底电极(3)；

步骤三：在衬底(1)上通过物理沉积的方式制备介质层(5)；

步骤四：在衬底(1)上通过光刻或离子束刻蚀的方式制作微腔腔体结构；

步骤五：将衬底(1)上的微腔器件进行分割，切割完全结束后，用异丙醇及去离子水对微腔器件进行清洗处理，并用压缩氮气对清洗过的衬底进行吹干处理，制得带有微腔的衬底部分；

步骤六：在介质板(2)上通过物理沉积的方式制备顶电极(7)，制得含有顶电极(7)的介质板(2)；

步骤七：在微腔腔体(4)内侧及介质板(2)下方涂覆荧光粉层(8)；

步骤八：对器件进行封装，将带有微腔腔体(4)的衬底部分与含有顶电极(7)的介质板(2)进行封接，制得微腔放电紫外辐射器件。