JP2011501390A - 均一でない断面をもつマイクロキャビティを有するマイクロキャビティプラズマデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】効果的なマイクロキャビティプラズマデバイスのアレーを提供する。
【解決手段】本発明のアレーは、酸化物で被覆される断面が均一でないマイクロキャビティを中に複数有する金属の膜である第１の電極と、第１の電極に接合されている酸化物で被覆されている薄い金属の箔からなる第２の電極と、断面が均一でないマイクロキャビティ内のガスまたは蒸気を封じる包囲層からなる。そのようなデバイスを作成するために、マイクロキャビティの所望の位置の頂面を除いて、陽極酸化された箔または膜を被覆するようにフォトレジストがパターン形成される。第２の陽極酸化または電気化学的エッチングが、側壁の断面が均一でないマイクロキャビティを形成するように行われる。フォトレジストおよび金属酸化物を取り除いた後、最後の陽極酸化によって金属酸化物でマイクロキャビティの壁を裏打ちし、金属酸化物で金属電極を完全に被覆する。
【選択図】図６

Description

本発明は、米国空軍科学研究局（Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）により与えられた契約番号ＦＡ９５５０−０７−１−０００３号のもとで米国政府の支援を受けたものである。米国政府は本発明において一定の権利を有する。

本願は、２００７年１０月２５日に出願された先行する米国特許仮出願第６１／０００３８９号に基づく優先権を主張する。

本発明の分野はマイクロキャビティプラズマデバイス（マイクロ放電デバイスとしても知られている）およびマイクロキャビティプラズマデバイスのアレーである。

マイクロキャビティプラズマデバイスは、約５００μｍを下回る特徴的寸法ｄを有するキャビティ内に、そして本質的にそのキャビティに閉じこめられる、非平衡低温プラズマを生成する。この新しい分野のプラズマデバイスは、従来の巨視的なプラズマ源の特性と実質的に異なるいくつかの特性を示す。これらの物理的寸法が小さいために、マイクロキャビティプラズマは通常は巨視的な装置にアクセス可能な圧力よりもかなり大きなガス（または蒸気）圧力で作動する。例えば、直径２００〜３００μｍ（またはそれ未満）の円筒型マイクロキャビティを有するマイクロプラズマデバイスが、１気圧までの、そして１気圧を超える圧力の希ガス（ならびにＮ_２および他の今まで試された気体）で作動可能である。

イリノイ大学の研究者による研究が米国特許出願公開第２００７０１７０８６６号明細書、Ｅｄｅｎ，ｅｔ ａｌ．、題名「Ａｒｒａｙｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ Ｐｌａｓｍａ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」において開示されている。この出願は金属酸化物誘電体によって保護される薄い金属の箔の電極を有する、マイクロキャビティプラズマデバイスおよびアレーを開示する。開示されたデバイスおよびアレーは、ロール状などの、任意の長さをとることができ、または任意の長さで生成されうる金属の箔を主要素とする。この出願で開示された生産方法は、所望の断面形状を有するマイクロキャビティと共に予備成型される第１の電極を開示する。予備成型されたスクリーン状の金属の箔、例えば電池産業で用いられるＡｌスクリーンが、この開示された方法で用いられうる。酸化物は順次、箔のウェットな電気化学的処理（陽極酸化）によって、（プラズマが生成される）マイクロキャビティの内部壁上を含めた箔の上で成長する。この出願に開示されるように、マイクロキャビティを有する金属の箔を提供することは、任意の様々な処理（レーザアブレーション、化学エッチングなど）によって金属の箔内に空洞をつくることも、予備作成されたマイクロキャビティを有する薄い金属の箔を供給者から得ることも含む。この出願で開示された方法によって、様々なマイクロキャビティの形状および断面の形状が金属の箔に形成されうる。

イリノイ大学の研究者によるより最近の研究が、制御された互いの接続を含む、埋め込まれた周方向電極マイクロキャビティプラズマデバイスアレーおよび自己パターン作成式ウェットケミカルエッチング形成方法を開示している。これらの成果はＥｄｅｎ，ｅｔ ａｌ．、米国特許出願第１１／８８０６９８号、２００７年７月２４日出願、題名「Ｂｕｒｉｅｄ Ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ Ｐｌａｓｍａ Ｄｅｖｉｃｅ Ａｒｒａｙｓ， ａｎｄ Ｓｅｌｆ−Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ」において開示されており、それは２００８年１月３１日に国際公開第０８／０１３８２０号パンフレットとして、２００８年８月７日に米国特許出願公開第２００８−０１８５５７９号公報として公開された。この出願で開示された形成方法によれば、マイクロキャビティ（スルーホールなど）を有する金属の箔または膜が得られるかまたは形成され、箔または膜は金属酸化物を形成するために陽極酸化される。１つのまたは複数の自己パターン作成式金属電極が自動的に形成され、陽極酸化処理によってつくられた金属酸化物内に埋め込まれる。電極は各マイクロキャビティを囲む閉じた周（空洞形状が円形の場合は輪）内に形成され、電気的に絶縁されても接続されてもよい。処理の前に、所望の形状のマイクロキャビティ（スルーホールなど）が金属電極（例えば箔または膜）内につくられる。電極は続いて、電極の実質的にすべてを誘電体（通常は酸化物）に転換するように陽極酸化される。陽極酸化処理およびマイクロキャビティ配置が、アレー内の近接するマイクロキャビティが電気的に接続されているか否かを決定する。

上記の金属／金属酸化物構造体内で作成されるマイクロキャビティプラズマデバイスは安価で弾性があり耐久性がある。自己集合処理を用いて、上記のように陽極酸化によって埋め込まれた電極を自動的に形成することができる。しかしながら、半導体および他の材料内で半導体形成技術によって形成された事前のマイクロキャビティプラズマデバイスが、この出願にさきがけて提供された陽極酸化処理を上回る、マイクロキャビティの断面形状（形）に関する制御を提供した。テーパ形のマイクロキャビティが、Ｅｄｅｎ，ｅｔ ａｌ．、米国特許第７１１２９１８号明細書、２００６年９月２６日出願、題名「Ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ａｒｒａｙｓ Ｈａｖｉｎｇ Ｔａｐｅｒｅｄ Ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｉｅｓ」において提供されている。テーパ型のマイクロキャビティは、マイクロキャビティ内で生成されるプラズマによってつくられる光線の抽出を改良させることを含む、操作における利点を提供する。しかしながら、例えばシリコン内の、マイクロキャビティのテーパ型の側壁の角度が、半導体の結晶構造体によって固定される。

米国特許出願公開第２００７０１７０８６６号明細書 国際公開第０８／０１３８２０号パンフレット 米国特許出願公開第２００８０１８５５７９号明細書 米国特許第７１１２９１８号明細書

本発明の１つの実施形態は、制御可能で断面が均一でないマイクロキャビティを有するマイクロキャビティプラズマデバイスのアレーである。アレーは薄い金属の箔または膜である第１の電極を含み、該箔または膜は、複数の、側壁の断面が均一でないマイクロキャビティを中に有し、そのそれぞれが酸化物で被覆される（ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ）。第２の電極は第１の電極に接合されている酸化物で被覆されている薄い金属の箔であり、酸化物は第１の電極と第２の電極の間の接触を防止する。包囲層はマイクロキャビティ内への放出媒質（ガスまたは蒸気）を封止する。

マイクロキャビティプラズマデバイスのアレーを形成する方法は、金属の箔または薄膜を前もって陽極酸化することから始まる。フォトレジストが陽極酸化された金属の箔または膜上でパターンを作成し、陽極酸化された箔または膜を、マイクロキャビティの所望の位置の頂面を除いて被覆する。それから、第２の陽極酸化が、正確に制御可能な側壁のプロファイルを用いてマイクロキャビティを形成するように行われる。

制御可能なプロファイルを有するマイクロキャビティ側壁を用いてマイクロキャビティデバイスのアレーを形成する方法の好ましい実施形態を示す図である。 制御可能なプロファイルを有するマイクロキャビティ側壁を用いてマイクロキャビティデバイスのアレーを形成する方法の好ましい実施形態を示す図である。 制御可能なプロファイルを有するマイクロキャビティ側壁を用いてマイクロキャビティデバイスのアレーを形成する方法の好ましい実施形態を示す図である。 制御可能なプロファイルを有するマイクロキャビティ側壁を用いてマイクロキャビティデバイスのアレーを形成する方法の好ましい実施形態を示す図である。 制御可能なプロファイルを有するマイクロキャビティ側壁を用いてマイクロキャビティデバイスのアレーを形成する方法の好ましい実施形態を示す図である。 制御可能なプロファイルを有するマイクロキャビティ側壁を用いてマイクロキャビティデバイスのアレーを形成する方法の好ましい実施形態を示す図である。 本発明の方法において利用できるマイクロキャビティ断面プロファイルの及ぶ連続した範囲を示す図である。 本発明のマイクロキャビティプラズマデバイスの他のアレーの概略図である。 本発明のマイクロキャビティプラズマデバイスのアドレス指定可能なアレーの概略図である。 ４００、５００、６００および７００ＴｏｒｒのＮｅで操作した、本発明のマイクロキャビティプラズマデバイスのアレーの電圧電流（Ｖ−Ｉ）特性を示す図である。 全圧が４００ＴｏｒｒでＸｅ濃度が１０、２０、３０、４０、および５０％であるＮｅ／Ｘｅ混合物で操作した、本発明のマイクロキャビティプラズマデバイスのアレーのＶ−Ｉ特性を示す図である。 図６Ａは湾曲した側壁を有するマイクロキャビティの形成を示す、本発明のマイクロキャビティプラズマデバイスの他のアレーの概略断面図である。図６Ｂはした側壁を有するマイクロキャビティの形成を示す、本発明のマイクロキャビティプラズマデバイスの他のアレーの概略断面図である。

本発明は、制御可能な側壁プロファイルを含むマイクロキャビティを有するマイクロキャビティプラズマデバイスおよびアレーの形成を可能にする、米国特許出願第１１／８８０６９８号（その全体が参照により組み込まれる）に開示された方法および装置の改良版を提供する。本発明のアレー内の垂直でない側壁のマイクロキャビティは、様々な所定の形状を有することができ、’６９８出願で開示されたウェットケミカル処理の変形によって形成される。マイクロキャビティを形成し「それらを接続する」−電極および相互接続をもたらす−処理全体が安価なウェットケミカル処理で実現可能である。本発明は、マイクロキャビティの断面の形状が「ボウル」（凹面）形状から純粋に線形のテーパ形へと連続的に変化することができる。本発明の製造方法は、マイクロキャビティの側壁に所定の所望の形状を作成するように制御することができる。所定の形状を作成する能力は、半導体製造技術によって製造されるマイクロキャビティプラズマデバイスにおいては、限られた程度には以前から提供されているが、金属／金属酸化物構造体において製造されるマイクロキャビティデバイスアレーである安価なアレーにおいては提供されていなかった。Ｅｄｅｎ，ｅｔ ａｌ．、米国特許第７１１２９１８号明細書、２００６年９月２６日出願、「Ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ａｒｒａｙｓ Ｈａｖｉｎｇ Ｔａｐｅｒｅｄ Ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｉｅｓ」を参照。

本発明は、安価なウェットケミカル形成処理によって形成される金属／金属酸化物デバイスのアレーに’９１８号特許のテーパ形マイクロキャビティによって提供される利点を拡張する。本発明のマイクロキャビティプラズマデバイスのアレーは放射の調整および最適化ならびにマイクロキャビティのアレーの操作特性における利点を提供する。所定の側壁形状を有するマイクロキャビティを作成する能力は、マイクロプラズマデバイスのアレーの効率および操作パラメータ（励起電圧、周波数、ガス圧など）の調整および最適化を可能にする。マイクロキャビティの断面プロファイルを制御する他の利点は、マイクロキャビティからの光子（マイクロプラズマによって生成された）の励起を最適化する能力である。

加えて、側壁がテーパ形のマイクロキャビティは、Ｖ−Ｉ特性の線形性を改良させながら電力消費を減少させる、大きな正の差分抵抗を提供する。この特徴は、デバイスの自己安定化を可能にし、外部制御回路を簡単にする。本発明に先立って報告された薄いシート状の金属／金属酸化物アレーは、製造の容易性、透明さ、および柔軟さを含む多くの利点を提供する。これらの利点は本発明のアレーによっても保たれ、本発明はさらに均一でない断面のマイクロキャビティによってもたらされる利点を提供する。また、テーパ形のキャビティを有するマイクロ放電デバイスは、従来の平面構造に対して増加した表面積を示し、それによってデバイスの電気的特性の変更を可能にする。加えて、出力（放射）効率の増加が、光反射性導電コーティングまたは比較的小さい仕事関数のコーティングによってテーパ形の側壁をコーティングすることによって得られる。断面が均一でないマイクロキャビティプラズマデバイスのアレーは、マイクロキャビティが垂直な側壁を有し均一な断面であること以外は同じであるアレーよりも、高い出力を生成し、優れたイグニション特性を示す。この改良した性能の一番の理由は、マイクロキャビティ内の電場プロファイルを最適化するようにキャビティの側壁を形づくる能力である。

本発明のマイクロキャビティデバイスのアレーの例としての実施形態は、第１の電極を含み、該第１の電極は酸化物で被覆される断面が均一でないマイクロキャビティを中に複数有する薄い金属の箔である。第２の電極は第１の電極に接合されている酸化物で被覆されている薄い金属の箔であり、該酸化物は第１および第２の電極の間の接触を防止する。包囲層がマイクロキャビティへの放出媒質（ガスまたは蒸気またはそれらの混合物）を封止する。例としてのマイクロキャビティにはボウル形の側壁または線形のテーパ形の側壁を有するマイクロキャビティが挙げられる。好ましい実施形態のマイクロキャビティデバイスのアレーにおけるマイクロキャビティは、所定の所望の側壁形状を有する。

本発明の製造方法の好ましい実施形態は、金属の箔または薄膜の前もっての陽極酸化を含む。前もっての陽極酸化のパラメータは、前もっての陽極酸化において形成される金属酸化物の厚さを決定し、その厚さは、得られるマイクロキャビティの形状を決定する一番の要因である。前もっての陽極酸化の後に、フォトレジスト（ＰＲ）が、マイクロキャビティの所望の位置における頂面上を除き部分的に陽極酸化された箔または膜を被覆するように、陽極酸化された金属の箔または膜上にパターンを作成する。フォトレジストによる箔または膜の被覆は、背面（および縁）を含み、箔の第２の陽極酸化が箔の前面および裏面に対して均一には起こらないことを確実にする。第２の陽極酸化は所望の側壁の形状を有するマイクロキャビティを形成するように行われる。箔の裏面からの陽極酸化がＰＲコーティングによって阻止されたため、マイクロキャビティは均一でない断面を有するように形成される。作成されたキャビティの正確な形状は箔の厚さ、初めの陽極酸化の時間（および、したがって、酸化物の厚さ）、および第２の陽極酸化の時間に応じている。

本発明のデバイスは、例えば、埋め込まれた電極と共に第１および第２の薄い層を一緒に接合するためのロールトゥロール（ｒｏｌｌ ｔｏ ｒｏｌｌ）処理を含む、大量生産技術に向いている。本発明の実施形態は、ウェットケミカル処理によってアルミニウム箔から文字通り製造されるため安価につくられうる、大きなアレーのマイクロキャビティプラズマデバイスを供給する。また、本発明の例としてのデバイスは、柔軟であり、スペクトラムの可視光線領域のうちの少なくとも一部において透明である薄い層から形成される。

本発明のマイクロキャビティプラズマデバイスの構造体の好ましい実施例は、任意の長さをとることができ、または任意の長さで生成されうる、ロール状などの、金属の箔（または膜）を主要素とする。本発明の方法では、マイクロキャビティのパターンは、その後に陽極酸化される金属の箔内に形成され、それによって、埋められた金属電極によって（マイクロキャビティの軸に対して横断方向の平面上で）各マイクロキャビティが囲まれるように、（金属ではなく）金属酸化物内にマイクロキャビティが得られる。デバイスの動作の間、金属酸化物はマイクロキャビティを保護し、マイクロキャビティ内のプラズマから電極を電気的に絶縁する。

また、第２の金属の箔も酸化物に被覆され、第１の被覆された箔に接合されうる。第２の金属の箔は第２の電極を形成する。本発明のマイクロキャビティプラズマデバイスアレーの１つの好ましい実施形態は、２つの被覆された箔の接合の間に特別な位置合わせを全く必要としない。本発明のもう１つの実施例では、第２の電極は金属酸化物内に埋められた細い平行な金属線のアレーを含む。アレー全体は、埋め込まれた電極を有する２つの金属酸化物のシートを有し、例えば、所望のガスまたはガス混合物を中に封止した、薄いガラス、水晶、またはプラスチックのウィンドウで封止されうる。

金属電極および金属酸化物の好ましい材料はアルミニウムおよび酸化アルミニウム（Ａｌ／Ａｌ_２Ｏ_３）である。もう１つの例としての金属／金属酸化物系はチタンおよび二酸化チタン（Ｔｉ／ＴｉＯ_２）である。他の金属／金属酸化物系は当業者には明らかである。好ましい材料系は、ロールトゥロール処理などの安価な大量生産技術による、本発明のマイクロキャビティプラズマデバイスアレーの形成を可能にする。

ここで、好ましい実施形態が図に記載される。図は原寸には比例していない概略図からなり、発明の詳細な説明を参照すれば当業者には完全に理解される。図示の目的で特徴は誇張されることがある。好ましい実施形態から、当業者は本発明の追加の特徴およびより広い見地を認識する。論じられる好ましい実施形態の製造装置および方法は、マイクロキャビティプラズマデバイスのＡｌ／Ａｌ_２Ｏ_３アレーに関するが、チタンおよび二酸化チタンなど、他の金属および金属酸化物もまた用いられうる。

図１Ａ〜図１Ｆは本発明の断面が均一でない形状のマイクロキャビティデバイスのアレーを形成する方法の好ましい実施形態を示す。方法は所望の形状の側壁を有するマイクロキャビティを生成することが可能であり、その形状はボウル形から線形テーパ形までに及ぶ。この処理は装置の例を形成するための実験に用いられており、当業者はこの例の実験から本発明のより広い見地を認める。図１Ａ〜図１Ｆの基本的な方法は実験の詳細と共に論じられる。実験における特定の寸法、条件および持続時間は本発明を限定せず、マイクロキャビティが所定の（所望の）側壁形状を有する、マイクロキャビティプラズマデバイスのアレーを作成する特定例の実施形態の方法を提供する。

図１Ａでは、金属の箔６が示され、該箔６は図１Ｂで、金属酸化物８のコーティングを形成するように前もって陽極酸化される。金属酸化物を箔上の「コーティング」と称しているが、実際には箔の部分は化学的に酸化物に変換されていることに留意することが重要である。典型的な実験処理では約３０μｍの厚さのＡｌ箔が用いられる。しかし、１２０μｍを超える厚さの箔の処理も成功している。図１Ｂの前もっての陽極酸化処理は、後に形成される、得られるマイクロキャビティの形状を決定するのに重要である。約３０μｍの金属の箔を用いて、前もっての陽極酸化処理時間が約１分から１時間までで、実験は成功した。典型的には、前もっての陽極酸化処理は１５℃の温度と４０Ｖの電圧で０．３Ｍのシュウ酸液中で行われた。前もっての陽極酸化処理によって形成される金属酸化物（実験ではＡｌ_２Ｏ_３）の厚さは、得られるマイクロキャビティの形状を決定する一番の要因である。図１Ｃでは、形成されるマイクロキャビティの所望の位置における頂面を除いて金属／金属酸化物シートを完全に被覆することによって、フォトレジスト１０が金属酸化物８上にパターン形成される。箔６の背面（および縁）をフォトレジストでコーティングすることで、箔の第２の陽極酸化処理が箔の前面および裏面に対して均一には起こらないことを確実にする。

フォトレジストがパターン形成されて、開口部が下層の金属酸化物にエッチングによって形成された後、図１Ｄにおいて、箔６、８がフォトレジストの開口部のそれぞれの下で浸食され、マイクロキャビティ１２が箔６、８内で形成されるまで、陽極酸化処理は続く。マイクロキャビティ１２は、図１Ｄの側壁１４によって示されるように均一でない断面で箔６、８に形成される。図１Ｅは、図１Ｄのフォトレジストおよび金属酸化物がエッチングによって取り除かれた後に残った箔の断面を示す。当初の金属の多くが無くなり、金属酸化物に変換されている。箔６、８の裏面からの陽極酸化が図１Ｄの処理の間にフォトレジストコーティングによって阻止されるため、マイクロキャビティ側壁１４は垂直ではない。したがって、非対称な陽極酸化が起こる。図１Ｄのフォトレジストおよび金属酸化物は、適切な酸液中のエッチングによってそれぞれ容易に取り除かれ、後には所望の形状のマイクロキャビティ１２を有する金属層６が残る。図１Ｅ（および図１Ｆ）の図はキャビティの側壁が直線状であることを示唆するが、キャビティの側壁は直線状には限られない。マイクロキャビティの側壁の正確なプロファイルは図１Ｂおよび図１Ｃの金属酸化物層６、８の厚さと、図１Ｄの陽極酸化の時間によって決定される。図２は、図１Ａ〜図１Ｅの一連の処理によって得られるマイクロキャビティの側壁のプロファイルにおける連続的な変化を定量的に示す。光学顕微鏡および電子顕微鏡による、図１Ａ〜図１Ｅの処理の広範な試験および得られるキャビティの検査は、アレーが均一な放射を示すこと、およびＶ−Ｉ特性が外部安定化の必要をなくす正の傾きを有することを示した。

幅広い形状のキャビティが本発明で達成可能であることに加えて、空洞の側壁の形態が極めて平坦になる。測定によって、図１Ｅのマイクロキャビティ（図１Ａ〜図１Ｄの一連の処理によって形成された）のＲＭＳ粗さが１μｍを下回ることが示される。図１Ｅの薄い金属シートがもう一度陽極酸化される場合、図１Ｆの断面に示されたマイクロキャビティアレーが得られる。マイクロキャビティは図１Ａ〜図１Ｅの処理ステップによって決定される断面プロファイルを有するが、図１Ｆではいまや金属電極６が金属酸化物８に埋め込まれる。実際には、電極６は図１Ａの当初の金属の箔６が残っている部分すべてである。図１Ｅのマイクロキャビティ形状および側壁形状は図１Ｆにおいて保存されていることを強調しなくてはならない。図１Ｅから図１Ｆへの変化は、金属酸化物がマイクロキャビティの壁を裏打ちするように、ウェットケミカル陽極酸化処理が金属のほとんどを金属酸化物８に変換したことである。

図１Ｆのマイクロキャビティ１２と関連した電極６は、制御可能なパターンで相互接続されてもよい。陽極酸化の程度とマイクロキャビティの間隔が、陽極酸化が進行する間に自動的に起こる、マイクロキャビティ間の電極の相互接続のパターンを決定する。陽極酸化処理およびマイクロキャビティの配置が、アレーの近接したマイクロキャビティが電気的に接続されているかいないかを決定する。

図１Ｆに見られるように、電極６の厚さはマイクロキャビティの近くで最大になりマイクロキャビティから離れると減少する。図１Ｆの断面には見られないが、各電極６はそれぞれマイクロキャビティを取り囲んでおり、方位角的に対称である（キャビティ１２が円形の断面を有する場合）。また、金属酸化物誘電体８の層が電極６の内側縁とマイクロキャビティ１２の壁との間に存在する。

図１Ａ〜図１Ｆの処理によって箔６に生成されるマイクロキャビティ１２の正確な形状は、箔の厚さ、初めの陽極酸化時間（および、したがって酸化物の厚さ）、および第２の陽極酸化時間に応じている。実験例では、マイクロキャビティはわずかに湾曲したテーパ形に形成された。他の実験では、ボウル形（放物線形）マイクロキャビティが形成された。一例として、Ａｌ／Ａｌ_２Ｏ_３に形成されたマイクロキャビティは直径１３５±５μｍの上部開口を有し、マイクロキャビティの底部の開口の直径は７６±４μｍである。各測定結果の不確定部分は標準偏差１つ分を示す。

初めの陽極酸化時間を２分として製造された５０×１６０アレーのマイクロキャビティデバイスの光学マイクログラフが記録される。これらの装置を製造するときに、５０×５０μｍ^２の正方形の開口が図１Ｃに示したフォトレジストに開いた。陽極酸化の後、しかしながら、形成されたマイクロキャビティは上方から見たときに円形である。したがって、一度箔が最後まで陽極酸化されると、各マイクロキャビティに関連した２つの円が平面図のＳＥＭイメージにみられる。２つの円のうち直径が大きいほうがマイクロキャビティの上部開口であり、直径が小さい方がキャビティの下部か背面の開口である。埋め込まれ、自己パターン化された電極を有する、完成したマイクロキャビティからとられた別の像は、電極が、実際に各マイクロキャビティを取り囲み、平面上にマイクロキャビティの軸と概ね垂直に配置されることを示した。

図３Ａは、薄い金属および金属酸化物のシート内のマイクロキャビティデバイスのアレー２０から形成されたランプの概略図である。アレー２０は、所望のプロファイルを持つ側壁を有し薄い金属電極６から酸化物８によって絶縁された、マイクロキャビティ１２を含む。第２の、共通の電極２２が、電極２２および金属酸化物２４の被覆層を含む第２の薄いシート内に形成される。共通の電極２２および金属酸化物のシートは、好ましくは、金属酸化物２４内の金属の箔２２を被覆するように陽極酸化された薄い金属の箔から形成される。ランプは薄い包囲層２６、２８内に、マイクロキャビティ内の蒸気、ガス、またはガスおよび／あるいは蒸気の混合物を封止するように包囲される。適切な大きさの時間変化する電圧を電極６と２２の間に印加することにより、マイクロキャビティ内にプラズマが発火して持続する。

包囲層は広い範囲の適切な材料から選択することができ、該材料はマイクロプラズマによって生成される放射波長に対して完全に透明であることができ、または、例えば、特定のスペクトル領域のみの放射を伝達するようにマイクロキャビティプラズマデバイスアレー１０の出力波長をフィルタリングすることができる。例となる材料には薄いガラス、水晶、またはプラスチックの層が挙げられる。放出媒体は大気圧またはそれに近い圧力であることができ、包囲層２６および２８をはさんだ圧力差が小さいため、とても薄いガラスまたはプラスチックの層の使用を可能にし、その層はアレー全体を取り囲む単一の層であってもよい。ポリマー真空包装は、食品産業において様々な食品を封止するために使われるなど、包囲層として使用されることもできる。

プラズマ（放出）が生成されるのは各マイクロキャビティ１２の中である。第１および第２の電極６、２２は、それらの酸化物層のそれぞれの厚さだけ、互いに距離をおいて隔てられている。それによって、酸化物は第１と第２の電極を互いから絶縁し、さらに、マイクロキャビティ１２に含まれる放出媒体（プラズマ）から各電極を絶縁する。この配置は、各マイクロキャビティ１２内にマイクロプラズマを生成するようにガス状のまたは蒸気の媒質を励起する電極の間に、各時間変化する（ＡＣ、ＲＦ、バイポーラまたはパルスＤＣなど）ポテンシャルを印加することを可能にする。

電極２２ａのパターン形成の利点は、アレーのキャパシタンスが劇的に削減されることである。さらに、図３Ｂの構造は、個々のマイクロキャビティのアドレス指定を可能にする。図３Ｂは、アレー２０内の個々のマイクロキャビティ１２のアドレス指定を提供する第２の電極２２ａを含むマイクロキャビティプラズマデバイスのもう１つのアレーを示す。第２の電極２２ａはフォトリソグラフィによって形成されることができ、その後に一様な（金属の箔の両側からの）陽極酸化が続く。または、従来の方法によって形成された穴を有する、パターン形成された箔を陽極酸化することによって形成されることができる。

図４は４００、５００、６００および７００ＴｏｒｒのＮｅ内で動作する本発明のマイクロキャビティプラズマデバイスのアレーのＶ−Ｉ特性を示す。４つの圧力でのアレーの性能はかなり類似している。アレーのわずかな曲がりは明らかであるが、Ｅｄｅｎ，ｅｔ ａｌ．、米国特許出願第１２／１５２５５０号、およびＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ０８／０６２２６号、共に２００８年５月１５日出願、発明の名称「Ａｒｒａｙｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ Ｐｌａｓｍａ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｔｒｅｓｓ」に開示された応力低減技術の使用によって取り除くことができる。その出願では、様々な応力低減策が開示されている。応力の低減は様々な形状および構成によって実現可能である。その形状および構成には、マイクロキャビティの列と支持リブとの間の空隙を含み、その空隙は、マイクロキャビティのアレーの一方又は両方の側のマイクロキャビティの間のフォトレジストから形成される。また、対称的な最終陽極酸化を実行することも、応力の低減をもたらす。応力低減策と共に、マイクロキャビティプラズマデバイスの大きなアレーさえもほぼ完全に平坦に保つことができ、アレーにわたる放射の一様性の改良をもたらす。アレーを平坦に保つことへの適切な配慮を行うことで、デバイスからデバイスへの放射はかなり一様になる。図５はＸｅ濃度が１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、および６７％のＮｅ／Ｘｅ混合物内で作動する、本発明のマイクロキャビティプラズマデバイスのアレーのＶ−Ｉ特性を示す。図４および図５のＶ−Ｉ特性は、これらのアレーが正常に動作していることを示している。すなわち、Ｖ−Ｉ特性は、外部安定化の必要をなくす正の勾配を有する。

図６は、図３Ｂのアレーと同様であるがマイクロキャビティ１２がボウル形である、マイクロキャビティプラズマデバイスのアレーのもう１つの好ましい実施形態を示す。図６のアレーには図３Ａに用いられたのと同じ参照符号をつけている。加えて、電極６は相互接続されているとして示され、それは上述したように、マイクロキャビティの間隔および陽極酸化を制御することによって達成される。したがって、図６の４つのボウル形（壁のプロファイルが放物線形）のマイクロキャビティが、図６の部分的引き伸ばし図に最もよく見られるように、電気的に相互接続される。マイクロキャビティの壁の近くの電極６はマイクロキャビティの壁と同じ形状を有し、相互接続はマイクロキャビティ１２から離れるにつれて薄くなる。本発明のアレーは多くの用途を有する。アドレス指定可能なデバイスは、ディスプレイの個々のピクセルまたはサブピクセルを形成する１つまたは複数のマイクロキャビティプラズマデバイスと共に、高鮮明度ディスプレイの主要素として、大きいものにも小さいものにも用いられうる。上に述べた、好ましい実施形態のアレーにおけるマイクロキャビティプラズマデバイスは、広い領域にわたるフルカラーディスプレイを達成するように蛍光物質を光励起するためのプラズマを生成する。アドレス指定不可能な、またはアドレス指定可能なアレーのための用途は、例えば、液晶ディスプレイパネルのための光源（バックライトユニット）としての用途である。本発明の実施形態は、バックライトとして蛍光灯を使用する現行の方式に好ましい、軽量で薄く、分散型の光源を提供する。液晶ディスプレイ全体にわたって一様に、局在するランプからの光を配分することには洗練された光学を要する。アドレス指定不可能なアレーが、汎用の光源目的の平坦なランプとしての機能も果たしうる軽量な光源を提供する。本発明のアレーはまた、例えばクロマトグラフィデバイスなどの感知および検出器具としての用途、および光線療法（光力学療法を含む）の用途を有する。後者には乾癬（〜３０８ｎｍの紫外線を必要とする）、光線角化症、ボーエン病または基底細胞癌の治療が挙げられる。ガラスやプラスチックに封止された安価なアレーが、患者が非臨床的な環境（すなわち家庭）で治療を受け、治療の完了の後にアレーを処分する機会を提供する。これらのアレーはまた、紫外線放射を要するポリマーの光硬化法、あるいは低レベルの電光が望ましい用途向けの大面積薄型光パネルにも大変適している。

本発明の特定の実施形態が示され記述されているが、他の変更形態、置換形態、および代替形態が当業者には明らかであることを理解すべきである。そのような変更形態、置換形態および代替形態は本発明の精神および範囲から逸脱することなく行われることができ、本発明の精神および範囲は添付の特許請求の範囲から決定される。

本発明の様々な特徴が添付の特許請求の範囲に記載される。

Claims (10)

1. 複数の、断面が均一でないマイクロキャビティを中に含む薄い金属の箔または膜からなり、前記薄い金属の箔における金属の酸化物で被覆されている第１の電極と、
   前記第１の電極に接合されている酸化物で被覆されている薄い金属の箔からなり、前記酸化物が第１の電極と第２の電極の間の接触を防止する第２の電極と、
   マイクロキャビティ内の放出媒質を封じる少なくとも１つの包囲層と、
   からなることを特徴とするマイクロキャビティデバイスのアレー。
2. 前記マイクロキャビティがボウル形の側壁を有する、請求項１に記載のアレー。
3. 前記マイクロキャビティがテーパ形の側壁を有する、請求項１に記載のアレー。
4. 前記テーパ形の側壁が線形のテーパ形である、請求項３に記載のアレー。
5. 前記第１の電極が、複数の相互に接続された電極からなる、請求項１に記載のアレー。
6. 前記第２の電極が、前記断面が均一でないマイクロキャビティのアドレス指定を可能にするように配置された複数の第２の電極からなる、請求項５に記載のアレー。
7. 前記第１および第２の電極の前記薄い金属の箔がアルミニウムからなり、前記第１および第２の電極の前記酸化物が酸化アルミニウムからなる、請求項１に記載のアレー。
8. 前記第１および第２の電極の前記薄い金属の箔がチタンからなり、前記第１および第２の電極の前記酸化物が二酸化チタンからなる、請求項１に記載のアレー。
9. 包囲層はガラスまたはポリマーのうち１つである、請求項１に記載のアレー。
10. 金属の箔または薄膜を前もって陽極酸化し、
    マイクロキャビティの所望の位置の頂面を除いて、陽極酸化された箔または膜を被覆するように、前記陽極酸化された金属の箔または膜上にフォトレジストをパターン形成し、
    断面が均一でないマイクロキャビティを形成するように、第２の陽極酸化または電気化学的エッチングを行い、
    前記フォトレジストおよび金属酸化物を取り除き、
    金属酸化物で前記キャビティを裏打ちし、金属酸化物内に金属電極を完全に埋め込むように、最後の陽極酸化を行うことを特徴とする
    マイクロキャビティデバイスのアレーを形成する方法。

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