金剛石膜形成方法和它的膜形成夾具的製作方法

2023-08-13 06:52:06

專利名稱：金剛石膜形成方法和它的膜形成夾具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種金剛石膜形成方法和它的膜形成夾具(jig)，並且更特別的是，它涉及一種用於在金屬材料的內表面上形成金剛石膜的膜形成技術，所述金屬材料包括中空的主體和凹部。
背景技術：
金剛石在室溫下具有大約5.5ev的能帶隙(bandgap)，並且除了機械、化學和熱性能外，金剛石具有良好的半導體性能和光學性能，並且因此關注集中在作為半導體材料的金剛石上。
如同已經公開了使用金剛石作為半導體材料的技術(參考JP-A 2002-298777(KOKAI)和JP-A 2003-132850(KOKAI))，例如冷陰極放電裝置。在這些技術中，具有高的二次電子發射效率並且對噴濺具有高的阻力的金剛石可用於為冷陰極放電裝置提供高的發光效率和更長的使用壽命。這些冷陰極放電裝置具有簡單的結構，同時沒有加熱絲，所述裝置可以容易地減小尺寸，可用在低溫下並且具有相當長的使用壽命，從而它們廣泛用於液晶裝置的照明、背部照明等。
另外，為了提高從金剛石的表面的二次電子發射的效率，已經公開了由這樣一種金屬材料製造的電極，其中金剛石層形成在杯形的或者管狀的內表面上(例如參考美國專利No.5880559)。
然而，當金剛石膜將形成在杯形或管狀金屬材料的內表面上時，如果使用CVD(化學氣相沉積)方法，金剛石製成的厚的膜容易形成在金屬材料的外周部分中，並且因此難以在杯形或者管狀金屬材料的內表面上形成金剛石膜。
如上所述，適合的是作為用在冷陰極放電裝置中的冷陰極，金剛石膜形成在杯形或者管狀金屬材料的內表面上，以改善從金剛石的表面的二次電子發射的效率，但是原理上通過CVD方法難以僅在內表面上形成金剛石膜。因此，需要開發一種膜形成方法，該方法使得可以有效地在杯形或者管狀金屬材料的內表面上形成金剛石膜。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供一種金剛石膜形成方法，其包括在低於650℃的溫度，在至少包括碳和氫氣的第一混合氣體中，在金屬材料和半導體材料的混合體中，在金屬材料的表面上形成金剛石晶核；和在低於750℃的溫度，在至少包括碳和氫氣的第二混合氣體中，使所述形成在混合體中的金剛石晶核生長以形成金剛石膜。
根據本發明的第二方面，提供一種金剛石膜形成方法，其包括通過在金屬材料的一個表面上的開口邊緣上設置半導體材料，其中開口形成在所述金屬材料中，在低於650℃的溫度，在至少包括碳和氫氣的第一混合氣體中，在所述開口的內表面上形成金剛石晶核；和在低於750℃的溫度，在至少包括碳和氫氣的第二混合氣體中，使形成在金屬材料上的金剛石晶核生長以形成金剛石膜。
根據本發明的第三方面，提供一種膜形成夾具，其包括
支撐臺；保持器，安裝在支撐臺上，並且具有至少一個第一開口；和遮掩元件，安裝在保持器上，並且具有第二開口，第二開口的內部尺寸比第一開口的內部尺寸更短。


圖1A和圖1B是示出在本發明中使用的膜形成目標基體材料的結構的透視圖；圖2A和圖2B是沿著圖1的線IIA-IIA和IIB-IIB的剖視圖；圖3是用在本發明的金剛石膜形成方法中的膜形成夾具的透視圖；圖4是沿著圖3的線IV-IV的剖視圖；圖5是涉及膜形成夾具的剖視圖，其中圖1所示的管狀金屬材料1a容納在保持器12的開口12a中；圖6是一示意圖，示出了當金剛石膜的形成實現為根據本發明的結構時如何形成金剛石膜；圖7是一示意圖，示出了在不使用保持器12和遮掩元件13來進行等離子體CVD的情況中如何形成金剛石膜；圖8是一示意圖，示出了在不使用遮掩元件13進行等離子體CVD的情況中如何形成金剛石膜；圖9是一示意圖，示出了當金屬材料的上端暴露在反應空間中時金剛石膜如何形成；圖10是一透視圖，示出了在本發明中使用的另一種形式的膜形成目標基體材料；圖11是一透視圖，示出了在本發明的金剛石膜形成方法中使用的另一種形式的膜形成夾具；
圖12是一示意圖，示出了通過使用金屬材料製造的放電燈冷陰極的一個實例，所述金屬材料利用金剛石膜形成方法製造；圖13是一示意圖，示出了通過使用金屬材料製造的放電燈冷陰極的一個實例，所述金屬材料利用金剛石膜形成方法製造；圖14是當圖13所示的冷陰極20b用作電極時的冷陰極放電燈的方案圖；圖15是一方案圖，用於解釋本發明的金剛石膜形成方法；圖16是一方案圖，用於解釋本發明的金剛石膜形成方法；和圖17是一方案圖，用於解釋本發明的金剛石膜形成方法。
具體實施例方式
本發明的實施例下面將參考附圖進行描述。在下面附圖的描述中，相同或者相似的附圖標記表示相同或者相似的部件。應當注意，附圖是示意性的，並且厚度和平面尺寸之間的關係、各層的厚度的比例等根據實際有所不同。因此，下面的說明應當認為是判斷具體的厚度和尺寸。還應當理解，附圖包括尺寸的關係和比例彼此不同的部件。
在描述本發明的實施例之前，將描述本發明的概要。為了在金剛石以外的物質製成的基體材料上形成金剛石膜，需要在它的膜形成表面上產生金剛石晶核(nuclei)。產生金剛石晶核的已知方法包括基底刮塗(substrate scratching)方法和等離子體CVD方法。
基底刮塗方法是這樣一種方法，其中金剛石粉末通過刮塗從而物理連接在基體材料上。已知另一種方法，其中基體材料浸入金剛石的懸浮液中，並且金剛石通過超聲波處理連接在基體材料上。然而，這兩種方法都具有隨機的本質，並且需要許多專門的技能以使基體材料的表面狀態成為具有良好的再現性的相同狀態。
在等離子體CVD方法中，使用一種稱為偏壓處理(biastreatment)的方法，其中電場被施加穿過等離子體和基體材料以產生金剛石晶核。這種方法的使用允許金剛石膜同樣形成在由金剛石以外的物質製成的基體材料上。
通過進行試驗，本發明人已經發現一種製造條件，其中當金剛石膜將形成在例如由鉬製成的金屬材料上和例如由矽製成的半導體基體材料上時，偏壓處理的條件和隨後的金剛石膜形成的條件可以被控制使得在等離子體CVD方法的相同過程中金剛石膜僅形成在金屬材料上或者僅形成在半導體基體材料上。
更具體的是，如圖15所示，已經確認，當在低於650℃的溫度在至少包括碳和氫的第一混合氣體中對金屬材料101和半導體材料102的混合體進行偏壓處理時(在圖15中，金屬材料101設置在半導體材料102上)，金剛石晶核103沒有形成在半導體材料102上，相反，金剛石晶核103僅形成在金屬材料101上，如圖16所示。
後來，已經確認，當對於這種混合體在低於750℃的溫度在至少包括碳和氫的第二混合氣體中形成金剛石膜時，金剛石晶核103沒有形成在半導體材料102上，而是均勻的金剛石膜104形成在金屬材料101上，如圖17所示。
在上述製造機制的基礎上，本發明人已經成功地發現一種金剛石膜形成方法，所述方法使得可以適合地在杯形或者管狀金屬材料的內表面上形成金剛石膜。
(金剛石膜形成方法的實施例)首先，將描述根據本發明的金剛石膜形成方法。圖1A和圖1B是示出在本發明中使用的膜形成目標基體材料的結構的透視圖。圖2A和圖2B是沿著圖1A和圖1B的線IIA-IIA和IIB-IIB的剖視圖。
使用如圖1A和圖2A所示的管狀金屬材料1a和如圖1B和圖2B所示的杯形金屬材料作為在本發明中使用的膜形成目標基體材料。金剛石膜形成在這些金屬材料1a和1b的開口2a和2b的內表面上。
下面圖3和圖4中示出了膜形成夾具，當在金屬材料1a和1b的開口2a和2b的內表面上形成金剛石膜時使用所述夾具。圖3是在本發明的金剛石膜形成方法中使用的膜形成夾具的透視圖。圖4是沿著圖3的線IV-IV的剖視圖。
如圖3和圖4所示，在本發明的金剛石膜形成方法中使用的膜形成夾具包括支撐臺11、保持器12和遮掩元件13。支撐臺11由金屬材料例如鉬製成，並且具有板形或者柱形。支撐臺11的厚度不具體限制，但是構造成例如大約為10毫米。
保持器12安裝在支撐臺11上，並且包括至少一個開口12a(第一開口)(圖3中有四個開口)。保持器12由半導體材料例如矽(Si)製成。
如圖4所示，保持器12的開口12a設計成具有這樣的尺寸，該尺寸例如使得圖1和圖2所示的金屬材料1a或1b可以容納在其中。也就是說，金屬材料1a和1b的長度LM1和LM2的尺寸設計成與保持器12的厚度tH相同，並且金屬材料1a和1b的外部尺寸WM1和WM2的尺寸設計成與保持器12的開口12a的內部尺寸WH1相同。保持器12的厚度tH取決於金屬材料1a和1b的長度LM1和LM2，所述金屬材料1a和1b是膜形成目標元件，但是所述保持器的厚度設計成例如大約為2到5毫米。
遮掩元件13安裝在保持器12上，並且包括開口13a(第二開口)，所述開口13a具有內部尺寸WH2，WH2小於保持器12的開口12a的內部尺寸WH1。遮掩元件13由半導體材料例如矽(Si)製成，並且所使用的遮掩元件13的厚度例如大約為300到500微米。
下面將描述製造圖3和圖4中所示的膜形成夾具的方法。
首先，製備由金屬材料例如鉬製成的平坦基底作為支撐臺11。接著，製備由矽製成的矽基底作為保持器12，並且然後多個通孔(開口12a)通過超聲波加工方法形成在所述矽基底上，所述通孔的內部尺寸WH1與金屬材料1a或1b的外部尺寸WM1或WM2相近。多個通孔12a形成在其中的矽基底安裝在支撐臺11上。在這種情況中，支撐臺11和保持器12僅需要物理接觸，並且保持器12通過它的自重安裝在支撐臺11上。然後，圖1和圖2所示的金屬材料1a和1b容納在保持器12的開口12a中，從而其開口位於支撐臺11的表面的豎直上方。
接著，製備矽基底作為遮掩元件13，並且然後，開口13a通過例如利用氫氧化鉀進行蝕刻處理從而形成在與保持器12中形成的通孔(開口12a)相對應的位置處，所述開口13a的內部尺寸WH2與金屬材料1a和1b的內部尺寸WM1a和WM2a相近。然後，遮掩元件13安裝在保持器12上，從而形成的開口13a的外邊緣(遮掩元件13的一個表面上的以及形成開口13a的部分中的開口的端部)對應於形成金屬材料1a和1b的內部尺寸WM1a和WM2a的外邊緣，所述金屬材料容納在開口12a中(金屬材料1a和1b的一個表面上的並且開口形成在其中的開口的端部)。
圖5是涉及膜形成夾具的剖視圖，其中圖1所示的管狀金屬材料1a容納在保持器12的開口12a中。如圖5所示，金屬材料1a容納在保持器12的開口12a中，其中所述金屬材料1a是膜形成夾具，從而這個金屬材料1a的開口2a暴露在支撐臺11的表面的豎直上方。另外，金屬材料1a具有這樣的結構，該結構中，遮掩元件13設置在一個表面(下文稱為上端)3a上，這個金屬材料1a的開口2a形成在其處。
接著，例如，容納金屬材料1a的如圖5所示的膜形成夾具放置在等離子體CVD裝置(未示出)中，以金剛石為靶，並且然後金剛石膜形成。這時，金剛石膜的形成在兩個階段進行。在第一階段，金剛石晶核形成在膜形成元件的開口的內表面上(金剛石晶核形成過程)，所述晶核起著用於生長金剛石膜的源頭的作用。
具體的是，例如如圖6所示，相對於等離子體為負的電壓(例如大約150到300伏)施加到容納金屬材料1a的膜形成夾具的支撐臺11，並且容納在保持器12中的金屬材料1a帶負電荷從而將轉換成等離子體的碳原子的正離子摻入金屬材料1a的開口2a的內表面中，從而產生金剛石晶核。此時，處理條件被控制如下例如金屬材料1a的開口2a的上方也就是遮掩元件13的上方的溫度(下文簡單稱為處理溫度)例如為500℃；壓力為6託(torr)；混合氣體為CH4/(CH4+H2)＝0.01到0.2(1到20％)；並且在等離子體的產生過程中增加的電流的量為10到30毫安。因此，熱處理進行15分鐘。
在這個金剛石晶核形成過程中，所述處理優選在低於650℃的溫度進行。如果在金剛石晶核形成過程中在低於650℃的溫度進行這個處理，那麼金剛石晶核不會形成在遮掩元件13的表面上，並且金剛石晶核僅有效地形成在暴露在反應空間中的金屬材料1a的開口2a的表面(內表面)上。當處理溫度超過650℃時，在供應到金屬材料1a的開口2a中的碳在金屬材料1a的內表面上形成為金剛石晶核之前，碳擴散到金屬材料1a的表面層上，從而金剛石晶核不能有效地形成在開口2a的內表面上。另外，在金剛石晶核形成過程中，處理溫度的下限適時地根據金屬材料1a的尺寸、混合氣體、裝置中的壓力等改變，但是400℃或更高的溫度作為處理溫度是優選的，從而允許金剛石晶核的產生。另外，金屬材料1a此處已經描述，但是不言而喻對於金屬材料1b也是相同的。
接著，作為第二階段，形成在開口2a的內表面上的金剛石晶核生長，從而形成金剛石膜(金剛石膜形成過程)。
具體的是，處理溫度設置為650℃，並且微波功率設置為1500瓦，並且混合氣體被控制成CH4/(CH4+H2)＝0.005到0.05(0.5到5％)，因此在90分鐘內執行所述膜形成過程。
在金剛石膜形成過程中，所述處理優選在低於750℃的溫度進行。如果在金剛石膜形成過程中在低於750℃的溫度進行所述處理，那麼在金屬材料1a的開口2a的內表面上形成的金剛石晶核可以有效地生長以形成金剛石膜。當在金剛石膜形成過程中處理溫度超過750℃時，金剛石晶核產生在由半導體材料製成的遮掩元件13的表面上。在這種情況中，反應空間中的碳集中在遮掩元件13的表面上產生的金剛石晶核上，並且碳被消耗用於金剛石晶核的生長，從而碳沒有方便地供應到金屬材料1a的開口2a，並且金剛石膜不能有效地生長。
也就是說，在低於750℃的溫度執行所述處理抑制了遮掩元件13的表面上的金剛石晶核的產生，所述元件13由半導體材料製成，並且因此可以有效地在金屬材料1a的開口2a的內表面上形成金剛石膜。另外，在金剛石膜形成過程中，處理溫度的下限同樣根據金屬材料1a的尺寸、混合氣體、裝置中的壓力等適時地改變，但是600℃或更高的溫度作為處理溫度是優選的，從而允許金剛石晶核的產生。另外，金屬材料1a在此處進行了描述，但是不言而喻金屬材料1b也是相同的。
當在上述處理條件下進行處理時，厚度大約為2微米的金剛石膜可以僅形成在金屬材料1a和1b的開口2a和2b的內表面上。
在金剛石膜形成過程中，裝置中的壓力優選比在金剛石晶核形成過程中的壓力更高。當在金剛石膜形成過程中裝置中的壓力因此高於在金剛石晶核形成過程中裝置中的壓力時，可以進一步促進在金屬材料1a和1b的開口2a和2b的內表面上形成的金剛石晶核的生長，從而使得金剛石膜能夠有效地形成。
另外，在上述的特定實例中，甲烷/氫氣對於金剛石晶核形成過程和金剛石膜形成過程用作原料氣體，但是本發明不限於此。例如，丙酮或甲醇可以被加熱作為用於金剛石膜形成過程的原料氣體。另外，載運氣體例如氫氣可以用於使丙酮或者甲醇起泡(bubble)。上述方法還可以用於獲得與使用甲烷/氫氣時類似的效果。在金剛石膜形成過程中金剛石膜形成的速度與氫和碳之間的原子量比率成比例，並且金剛石膜形成速度與使用基於甲烷/氫氣的材料時的情況差別不大。
具體的是，在金剛石晶核形成過程已經在上述條件下利用甲烷/氫氣進行之後，當使用氫氣作為載運氣體以使金剛石膜形成中的丙酮(C3H6O)起泡時，如果當C3H6O除以甲烷(C3H6O)和氫氣(H2)的原子和時獲得的商，也就是(C3H6O/(C3H6O+H2))，在0.001到0.15(0.1到15％)的範圍中，膜形成是可以的。此時，其它的膜形成條件包括1500瓦的微波功率和650℃的處理溫度。另外，在金剛石膜形成過程中，如果膜形成在C3H6O/(C3H6O+H2)＝0.002到0.02(0.2到2％)的範圍中進行，那麼良好的金剛石膜可以以更高的生長速度形成。
另外，當p型金剛石膜形成在金屬材料1a和1b的開口2a和2b中時，混雜的原料物質例如乙硼烷或者三甲基硼或者硼酸三甲酯或者硼酸三乙酯被混合。具體的是，硼酸三乙酯以0.2％被混合到丙酮中的混合物被加熱，並且被蒸發用作原料，並且膜形成在這樣的條件下進行，所述條件包括1500瓦的微波功率、650℃的處理溫度和C3H6O/(C3H6O+H2)＝0.01(1.0％)，從而可以形成具有103歐姆/釐米的特定電阻的多晶金剛石膜。
鉬已經示出作為上述的金屬材料1a和1b，但是本發明不限於此，並且可以使用鎢、鈷、鎳或者例如包括這些物質的合金。管狀或者杯形已經描述作為金屬材料1a和1b的形狀，但是本發明不限於此，並且不言而喻本發明還可以應用到設置有具有其它形狀的開口的金屬材料。
在容納金屬材料1a和1b的膜形成夾具中，鉬已經示出用於支撐臺11，但是本發明不限於此，並且可以使用鎢、鈷、鎳或者例如包括這些物質的合金。
另外，當金屬材料1a和1b容納在圖5所示的膜形成夾具中以在金屬材料1a和1b的開口2a和2b的內表面上形成金剛石膜時，金剛石膜同樣形成在位於保持器12的開口12a的下面的暴露的支撐臺11上。然而，這沒有問題，因為當金屬材料1a和1b從膜形成夾具移開時，這個膜通過提升離開的作用被分離。
下面，參考圖6到圖9，當遮掩元件13設置在金屬材料1a和1b的上端3a上時，將有所述的效應，開口2a和2b形成在所述上端3a處。如圖7和圖8所示，當不利用遮掩元件13進行等離子體CVD處理時，金剛石膜4a和4b通過等離子體15形成在金屬材料1a的上端3a上。如果金剛石膜4a和4b用這種方式形成在金屬材料1a的上端3a上，碳原子集中在金剛石膜4a和4b上，並且因此被消耗，從而碳原子不能方便地提供給金屬材料1a的開口2a的內側，因此使得難以均勻地在金屬材料1a的開口2a的內表面上形成金剛石膜。這種情況適用於圖9，並且不是優選的，因為金剛石膜4c形成在金屬材料1a的上端3a上，所述上端3a沒有設置遮掩元件13。
相反，如圖6所示，在根據本發明的結構中，遮掩元件13設置在金屬材料1a的上端3a上，並且等離子體CVD處理在這樣的條件下進行，即金剛石晶核沒有在遮掩元件13的表面上產生，從而金剛石膜沒有形成在遮掩元件13的表面上方，包括金屬材料1a的上端3a，並且金剛石膜可以均勻地僅形成在金屬材料1a的開口2a的內表面上。
優選的是，上述遮掩元件13同樣設置在金屬材料1a和1b的上端3a和3b上。例如，如圖9所示，當金屬材料1a的上端處的開口邊緣的附近暴露在反應空間中時，金剛石膜4c不適合地形成在該部分中。
另外，優選的是，遮掩元件13同樣設置在金屬材料1a的上端3a上，但是遮掩元件13可以構造成微微阻塞金屬材料1a的開口2a，如圖10所示，只要遮掩元件13同樣設置在金屬材料1a的上端3a上。也就是說，涉及圖10所示的金屬材料1a的開口2a的內部尺寸WM1a和遮掩元件13的開口13a的內部尺寸WH2，類似的效果可以獲得，即使它們的內部尺寸設計成WH2等於0.8倍的WM1a。
另外，上面已經描述了一個實例，其中主要使用金屬材料1a，但是顯而易見，當使用杯形的金屬材料1b時，也可以獲得類似的效果。
另外，上述的膜形成夾具中的保持器12和遮掩元件13可包括這樣的結構，其中，凹部14設置在保持器12』的開口12a』的外周上，並且突起15設置在遮掩元件13』的開口13a』的外周上，從而突起15配合在凹部14中。
(放電燈冷陰極和冷陰極放電燈的實施例)
利用上述金剛石膜形成方法製造的金屬材料可用於冷陰極放電燈的冷陰極。圖12和圖13是示意性剖視圖，示出了通過使用金屬材料1a和1b製造的放電燈冷陰極的實例，所述金屬材料利用上述的金剛石膜形成方法製造。
圖12所示的冷陰極20a是通過使用圖1A所示的管狀金屬材料1a製造的冷陰極。如圖12所示，冷陰極20a包括金屬杆22，杆22具有穿纜(draw lead)21a以及金屬材料24a，所述穿纜用於從外部施加電壓，所述金屬材料24a具有形成在開口2a的內表面上的金剛石膜23a，並且金屬杆22和金屬材料24a通過連接元件25固定。
圖13所示的冷陰極20b是通過使用圖1B所示的杯形金屬材料1b製造的冷陰極。如圖13所示，冷陰極20b包括穿纜21b以及金屬材料24b，所述穿纜用於從外部施加電壓，所述金屬材料24b具有形成在開口2b的內表面上的金剛石膜23b，並且所述穿纜21b和金屬材料24b焊接在一起。
金屬杆22沒有具體限制，只要它由傳導材料製成就行。另外，在本實施例中示出了使用鎳的一個實例。在金屬杆22連接到金屬材料24a的情況中，連接元件25是用於將金屬杆22連接和固定到金屬材料24a的元件。
接著，將描述當上述冷陰極用於冷陰極放電燈時冷陰極放電燈的概要。圖14示出了當圖13所示的冷陰極20b用作電極時冷陰極放電燈的方案圖。
在圖14所示的冷陰極放電燈中，包括少量水銀的稀有氣體等密封在玻璃管26中，並且由發光體製成的螢光膜27形成在玻璃管26的內壁上，所述發光體通過紫外線產生可見光。另外，冷陰極20b設置在這個玻璃管26的兩端處。
冷陰極20b包括金屬材料24b和穿纜21b，金屬材料24b由具有約0.1到0.2毫米的厚度和2到4毫米的長度的鉬製成，穿纜21b電連接到金屬材料24b。穿纜21b在玻璃管26的端部處在大約0.2到1.0毫米上密封，並且通向玻璃管26的外部，從而起著供電引線的作用。所需要的電壓通過供電引線施加到冷陰極20b，從而冷陰極20b起著放電電極的作用。
此處，玻璃管26具有大約為1.2到3.0毫米的外徑，並且具有大約50到500毫米的長度，並且例如大約0.5到2.0毫克/立方釐米的水銀以及大約8到20千帕的稀有氣體密封在玻璃管26中。
此處所稱的惰性氣體代表這樣的氣體，該氣體非常穩定，並且不會與其它元素容易地化學結合，並且例如包括氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、和氡(Rn)。
當高的電壓從外部通過穿纜21b施加到冷陰極放電燈的這個冷陰極20b時，所述冷陰極20b開始放電。當開始放電時，電離的密封氣體例如稀有氣體與金剛石薄膜23b碰撞，所述薄膜形成冷陰極20b的放電錶面，並且通過二次電子發射，電子從金剛石薄膜23b釋放。另外，產生這樣一個循環，其中這些電子被加速與密封的氣體的並且被電離的原子碰撞。也就是說，這樣一個循環產生，從而維持放電所需要的電壓低於在放電開始點的電壓。另外，密封的水銀被所述電子與被電離的或者被激發的惰性氣體的碰撞所激發，並且產生紫外線。這些紫外線與螢光膜27碰撞以激發螢光膜27的螢光材料，並且產生可見光。
如上所述，在使用金剛石薄膜形成在其中的冷陰極的冷陰極放電燈中，通過金剛石的二次電子發射的高效率，放電起動電壓和放電維持電壓被降低，並且產生能量所需要的電能可以降低，從而提高發光效率。
另外，冷陰極放電燈已經與圖13所示的冷陰極20b一起描述，但是應當理解，當使用圖12所示的冷陰極20a時，同樣可以提供類似的效果。
圖14所示的冷陰極放電燈通過使用根據本發明的金剛石膜形成方法製造，如下所述金剛石膜形成在圖2所示的金屬材料1b的開口2b的內表面上；穿纜21b焊接到金剛石膜形成在其中的金屬材料1b的底部，從而製造冷陰極；冷陰極在密封狀態連接到玻璃管26的兩端，其中螢光膜27施加到所述玻璃管的內側；玻璃管內的空氣被排出，其中冷陰極在密封狀態連接到所述玻璃管；並且稀有氣體然後被密封在其中。
用試驗方法製造使用鉬電極同時沒有金剛石襯層的放電燈作為比較的實例，並且與圖14所示的冷陰極放電燈在它們的性能方面進行比較。結果，在比較實例中，放電維持電壓大約為150伏，但是在圖14所示的冷陰極放電燈中，在所有的情況中，放電維持電壓為100伏或者更小，並且最低放電維持電壓大約為70伏。另外，放電連續進行1000小時，但是沒有發現特殊的性能下降。
如上所述，根據本發明的實施例，可以適合地在杯形或者管狀金屬材料的內表面上形成金剛石膜。
對於本領域的普通技術人員來說，另外的優點和修改將是顯而易見的。因此，本發明廣義上不限於此處所示和所述的具體細節和代表性實施例。因此，在不脫離權利要求和它們的等效結構限定的基本發明概念的實質和範圍的情況下，可以做出多種修改。
權利要求
1.一種金剛石膜形成方法，其特徵在於，包括在低於650℃的溫度，在至少包括碳和氫氣的第一混合氣體中，在金屬材料和半導體材料的混合體中，在金屬材料的表面上形成金剛石晶核；和在低於750℃的溫度，在至少包括碳和氫氣的第二混合氣體中，使所述形成在混合體中的金剛石晶核生長以形成金剛石膜。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述金剛石膜以比所述形成金剛石晶核中的空氣壓力更高的空氣壓力形成。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第一混合氣體包括甲烷氣體和氫氣。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述第二混合氣體包括甲烷氣體和氫氣。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，第二混合氣體還包括至少一種從包括硼酸三甲酯、乙硼烷和三甲基硼的組中選擇的物質。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，第二混合氣體包括丙酮或甲醇和氫氣的混合氣體。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，從包括硼酸三甲酯、乙硼烷和三甲基硼的組中選擇的至少一種另外被引入第二混合氣體中。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述金屬材料包括至少一種從包括鉬、鎢、鈷和鎳的組中選擇的材料。
9.一種金剛石膜形成方法，其特徵在於，包括通過在金屬材料的一個表面上的開口邊緣上設置半導體材料，其中開口形成在所述金屬材料中，在低於650℃的溫度，在至少包括碳和氫氣的第一混合氣體中，在所述開口的內表面上形成金剛石晶核；和在低於750℃的溫度，在至少包括碳和氫氣的第二混合氣體中，使形成在金屬材料上的金剛石晶核生長以形成金剛石膜。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述金剛石膜以比所述形成金剛石晶核中的空氣壓力更高的空氣壓力形成。
11.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述第一混合氣體包括甲烷氣體和氫氣。
12.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述第二混合氣體包括甲烷氣體和氫氣。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，第二混合氣體還包括至少一種從包括硼酸三甲酯、乙硼烷和三甲基硼的組中選擇的物質。
14.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，第二混合氣體包括丙酮或甲醇和氫氣的混合氣體。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，從包括硼酸三甲酯、乙硼烷和三甲基硼的組中選擇的至少一種另外被引入第二混合氣體中。
16.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述金屬材料包括至少一種從包括鉬、鎢、鈷和鎳的組中選擇的材料。
17.一種膜形成夾具，其特徵在於，包括支撐臺；保持器，安裝在支撐臺上，並且具有至少一個第一開口；和遮掩元件，安裝在保持器上，並且具有第二開口，第二開口的內部尺寸比第一開口的內部尺寸更短。
18.如權利要求17所述的膜形成夾具，其特徵在於，所述支撐臺由這樣一種金屬製成，所述金屬包括至少一種從包括鉬、鎢、鈷和鎳的組中選擇的材料。
19.如權利要求17所述的膜形成夾具，其特徵在於，所述保持器和遮掩元件由半導體材料製成。
全文摘要
一種金剛石膜形成方法，包括在低於650℃的溫度，在至少包括碳和氫氣的第一混合氣體中，在金屬材料(101)和半導體材料(102)的混合體中，在金屬材料(103)的表面上形成金剛石晶核(103)，並且在低於750℃的溫度，在至少包括碳和氫氣的第二混合氣體中，使形成在所述混合體中的金剛石晶核(103)生長以形成金剛石膜(104)。
文檔編號C23C16/52GK101037767SQ200710086288
公開日2007年9月19日 申請日期2007年3月13日 優先權日2006年3月14日
發明者吉田博昭, 柳瀬勇, 小野富男, 佐久間尚志, 鈴木真理子, 酒井忠司 申請人:株式會社東芝