專利名稱：金剛石膜形成方法和它的膜形成夾具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金剛石膜形成方法和它的膜形成夾具(jig)，并且更特別的是，它涉及一種用于在金屬材料的內(nèi)表面上形成金剛石膜的膜形成技術(shù)，所述金屬材料包括中空的主體和凹部。
背景技術(shù)：
金剛石在室溫下具有大約5.5ev的能帶隙(bandgap)，并且除了機(jī)械、化學(xué)和熱性能外，金剛石具有良好的半導(dǎo)體性能和光學(xué)性能，并且因此關(guān)注集中在作為半導(dǎo)體材料的金剛石上。
如同已經(jīng)公開(kāi)了使用金剛石作為半導(dǎo)體材料的技術(shù)(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(shù)中，具有高的二次電子發(fā)射效率并且對(duì)噴濺具有高的阻力的金剛石可用于為冷陰極放電裝置提供高的發(fā)光效率和更長(zhǎng)的使用壽命。這些冷陰極放電裝置具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，同時(shí)沒(méi)有加熱絲，所述裝置可以容易地減小尺寸，可用在低溫下并且具有相當(dāng)長(zhǎng)的使用壽命，從而它們廣泛用于液晶裝置的照明、背部照明等。
另外，為了提高從金剛石的表面的二次電子發(fā)射的效率，已經(jīng)公開(kāi)了由這樣一種金屬材料制造的電極，其中金剛石層形成在杯形的或者管狀的內(nèi)表面上(例如參考美國(guó)專利No.5880559)。
然而，當(dāng)金剛石膜將形成在杯形或管狀金屬材料的內(nèi)表面上時(shí)，如果使用CVD(化學(xué)氣相沉積)方法，金剛石制成的厚的膜容易形成在金屬材料的外周部分中，并且因此難以在杯形或者管狀金屬材料的內(nèi)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(nèi)表面上，以改善從金剛石的表面的二次電子發(fā)射的效率，但是原理上通過(guò)CVD方法難以僅在內(nèi)表面上形成金剛石膜。因此，需要開(kāi)發(fā)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(nèi)表面上形成金剛石膜。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種金剛石膜形成方法，其包括在低于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(dǎo)體材料的混合體中，在金屬材料的表面上形成金剛石晶核；和在低于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(zhǎng)以形成金剛石膜。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種金剛石膜形成方法，其包括通過(guò)在金屬材料的一個(gè)表面上的開(kāi)口邊緣上設(shè)置半導(dǎo)體材料，其中開(kāi)口形成在所述金屬材料中，在低于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(kāi)口的內(nèi)表面上形成金剛石晶核；和在低于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(zhǎng)以形成金剛石膜。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種膜形成夾具，其包括
支撐臺(tái)；保持器，安裝在支撐臺(tái)上，并且具有至少一個(gè)第一開(kāi)口；和遮掩元件，安裝在保持器上，并且具有第二開(kāi)口，第二開(kāi)口的內(nèi)部尺寸比第一開(kāi)口的內(nèi)部尺寸更短。


圖1A和圖1B是示出在本發(fā)明中使用的膜形成目標(biāo)基體材料的結(jié)構(gòu)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(fā)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(kāi)口12a中；圖6是一示意圖，示出了當(dāng)金剛石膜的形成實(shí)現(xiàn)為根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)時(shí)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(lái)進(jìn)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(jìn)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(dāng)金屬材料的上端暴露在反應(yīng)空間中時(shí)金剛石膜如何形成；圖10是一透視圖，示出了在本發(fā)明中使用的另一種形式的膜形成目標(biāo)基體材料；圖11是一透視圖，示出了在本發(fā)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(guò)使用金屬材料制造的放電燈冷陰極的一個(gè)實(shí)例，所述金屬材料利用金剛石膜形成方法制造；圖13是一示意圖，示出了通過(guò)使用金屬材料制造的放電燈冷陰極的一個(gè)實(shí)例，所述金屬材料利用金剛石膜形成方法制造；圖14是當(dāng)圖13所示的冷陰極20b用作電極時(shí)的冷陰極放電燈的方案圖；圖15是一方案圖，用于解釋本發(fā)明的金剛石膜形成方法；圖16是一方案圖，用于解釋本發(fā)明的金剛石膜形成方法；和圖17是一方案圖，用于解釋本發(fā)明的金剛石膜形成方法。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例下面將參考附圖進(jìn)行描述。在下面附圖的描述中，相同或者相似的附圖標(biāo)記表示相同或者相似的部件。應(yīng)當(dāng)注意，附圖是示意性的，并且厚度和平面尺寸之間的關(guān)系、各層的厚度的比例等根據(jù)實(shí)際有所不同。因此，下面的說(shuō)明應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是判斷具體的厚度和尺寸。還應(yīng)當(dāng)理解，附圖包括尺寸的關(guān)系和比例彼此不同的部件。
在描述本發(fā)明的實(shí)施例之前，將描述本發(fā)明的概要。為了在金剛石以外的物質(zhì)制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(chǎn)生金剛石晶核(nuclei)。產(chǎn)生金剛石晶核的已知方法包括基底刮涂(substrate scratching)方法和等離子體CVD方法。
基底刮涂方法是這樣一種方法，其中金剛石粉末通過(guò)刮涂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，并且金剛石通過(guò)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(jī)的本質(zhì)，并且需要許多專門的技能以使基體材料的表面狀態(tài)成為具有良好的再現(xiàn)性的相同狀態(tài)。
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(chǎng)被施加穿過(guò)等離子體和基體材料以產(chǎn)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(zhì)制成的基體材料上。
通過(guò)進(jìn)行試驗(yàn)，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種制造條件，其中當(dāng)金剛石膜將形成在例如由鉬制成的金屬材料上和例如由硅制成的半導(dǎo)體基體材料上時(shí)，偏壓處理的條件和隨后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(guò)程中金剛石膜僅形成在金屬材料上或者僅形成在半導(dǎo)體基體材料上。
更具體的是，如圖15所示，已經(jīng)確認(rèn)，當(dāng)在低于650℃的溫度在至少包括碳和氫的第一混合氣體中對(duì)金屬材料101和半導(dǎo)體材料102的混合體進(jìn)行偏壓處理時(shí)(在圖15中，金屬材料101設(shè)置在半導(dǎo)體材料102上)，金剛石晶核103沒(méi)有形成在半導(dǎo)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。
后來(lái)，已經(jīng)確認(rèn)，當(dāng)對(duì)于這種混合體在低于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(shí)，金剛石晶核103沒(méi)有形成在半導(dǎo)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。
在上述制造機(jī)制的基礎(chǔ)上，本發(fā)明人已經(jīng)成功地發(fā)現(xiàn)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(nèi)表面上形成金剛石膜。
(金剛石膜形成方法的實(shí)施例)首先，將描述根據(jù)本發(fā)明的金剛石膜形成方法。圖1A和圖1B是示出在本發(fā)明中使用的膜形成目標(biāo)基體材料的結(jié)構(gòu)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(fā)明中使用的膜形成目標(biāo)基體材料。金剛石膜形成在這些金屬材料1a和1b的開(kāi)口2a和2b的內(nèi)表面上。
下面圖3和圖4中示出了膜形成夾具，當(dāng)在金屬材料1a和1b的開(kāi)口2a和2b的內(nèi)表面上形成金剛石膜時(shí)使用所述夾具。圖3是在本發(fā)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(fā)明的金剛石膜形成方法中使用的膜形成夾具包括支撐臺(tái)11、保持器12和遮掩元件13。支撐臺(tái)11由金屬材料例如鉬制成，并且具有板形或者柱形。支撐臺(tái)11的厚度不具體限制，但是構(gòu)造成例如大約為10毫米。
保持器12安裝在支撐臺(tái)11上，并且包括至少一個(gè)開(kāi)口12a(第一開(kāi)口)(圖3中有四個(gè)開(kāi)口)。保持器12由半導(dǎo)體材料例如硅(Si)制成。
如圖4所示，保持器12的開(kāi)口12a設(shè)計(jì)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(shuō)，金屬材料1a和1b的長(zhǎng)度LM1和LM2的尺寸設(shè)計(jì)成與保持器12的厚度tH相同，并且金屬材料1a和1b的外部尺寸WM1和WM2的尺寸設(shè)計(jì)成與保持器12的開(kāi)口12a的內(nèi)部尺寸WH1相同。保持器12的厚度tH取決于金屬材料1a和1b的長(zhǎng)度LM1和LM2，所述金屬材料1a和1b是膜形成目標(biāo)元件，但是所述保持器的厚度設(shè)計(jì)成例如大約為2到5毫米。
遮掩元件13安裝在保持器12上，并且包括開(kāi)口13a(第二開(kāi)口)，所述開(kāi)口13a具有內(nèi)部尺寸WH2，WH2小于保持器12的開(kāi)口12a的內(nèi)部尺寸WH1。遮掩元件13由半導(dǎo)體材料例如硅(Si)制成，并且所使用的遮掩元件13的厚度例如大約為300到500微米。
下面將描述制造圖3和圖4中所示的膜形成夾具的方法。
首先，制備由金屬材料例如鉬制成的平坦基底作為支撐臺(tái)11。接著，制備由硅制成的硅基底作為保持器12，并且然后多個(gè)通孔(開(kāi)口12a)通過(guò)超聲波加工方法形成在所述硅基底上，所述通孔的內(nèi)部尺寸WH1與金屬材料1a或1b的外部尺寸WM1或WM2相近。多個(gè)通孔12a形成在其中的硅基底安裝在支撐臺(tái)11上。在這種情況中，支撐臺(tái)11和保持器12僅需要物理接觸，并且保持器12通過(guò)它的自重安裝在支撐臺(tái)11上。然后，圖1和圖2所示的金屬材料1a和1b容納在保持器12的開(kāi)口12a中，從而其開(kāi)口位于支撐臺(tái)11的表面的豎直上方。
接著，制備硅基底作為遮掩元件13，并且然后，開(kāi)口13a通過(guò)例如利用氫氧化鉀進(jìn)行蝕刻處理從而形成在與保持器12中形成的通孔(開(kāi)口12a)相對(duì)應(yīng)的位置處，所述開(kāi)口13a的內(nèi)部尺寸WH2與金屬材料1a和1b的內(nèi)部尺寸WM1a和WM2a相近。然后，遮掩元件13安裝在保持器12上，從而形成的開(kāi)口13a的外邊緣(遮掩元件13的一個(gè)表面上的以及形成開(kāi)口13a的部分中的開(kāi)口的端部)對(duì)應(yīng)于形成金屬材料1a和1b的內(nèi)部尺寸WM1a和WM2a的外邊緣，所述金屬材料容納在開(kāi)口12a中(金屬材料1a和1b的一個(gè)表面上的并且開(kāi)口形成在其中的開(kāi)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(kāi)口12a中。如圖5所示，金屬材料1a容納在保持器12的開(kāi)口12a中，其中所述金屬材料1a是膜形成夾具，從而這個(gè)金屬材料1a的開(kāi)口2a暴露在支撐臺(tái)11的表面的豎直上方。另外，金屬材料1a具有這樣的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中，遮掩元件13設(shè)置在一個(gè)表面(下文稱為上端)3a上，這個(gè)金屬材料1a的開(kāi)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，并且然后金剛石膜形成。這時(shí)，金剛石膜的形成在兩個(gè)階段進(jìn)行。在第一階段，金剛石晶核形成在膜形成元件的開(kāi)口的內(nèi)表面上(金剛石晶核形成過(guò)程)，所述晶核起著用于生長(zhǎng)金剛石膜的源頭的作用。
具體的是，例如如圖6所示，相對(duì)于等離子體為負(fù)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(tái)11，并且容納在保持器12中的金屬材料1a帶負(fù)電荷從而將轉(zhuǎn)換成等離子體的碳原子的正離子摻入金屬材料1a的開(kāi)口2a的內(nèi)表面中，從而產(chǎn)生金剛石晶核。此時(shí)，處理?xiàng)l件被控制如下例如金屬材料1a的開(kāi)口2a的上方也就是遮掩元件13的上方的溫度(下文簡(jiǎn)單稱為處理溫度)例如為500℃；壓力為6托(torr)；混合氣體為CH4/(CH4+H2)＝0.01到0.2(1到20％)；并且在等離子體的產(chǎn)生過(guò)程中增加的電流的量為10到30毫安。因此，熱處理進(jìn)行15分鐘。
在這個(gè)金剛石晶核形成過(guò)程中，所述處理優(yōu)選在低于650℃的溫度進(jìn)行。如果在金剛石晶核形成過(guò)程中在低于650℃的溫度進(jìn)行這個(gè)處理，那么金剛石晶核不會(huì)形成在遮掩元件13的表面上，并且金剛石晶核僅有效地形成在暴露在反應(yīng)空間中的金屬材料1a的開(kāi)口2a的表面(內(nèi)表面)上。當(dāng)處理溫度超過(guò)650℃時(shí)，在供應(yīng)到金屬材料1a的開(kāi)口2a中的碳在金屬材料1a的內(nèi)表面上形成為金剛石晶核之前，碳擴(kuò)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(kāi)口2a的內(nèi)表面上。另外，在金剛石晶核形成過(guò)程中，處理溫度的下限適時(shí)地根據(jù)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(yōu)選的，從而允許金剛石晶核的產(chǎn)生。另外，金屬材料1a此處已經(jīng)描述，但是不言而喻對(duì)于金屬材料1b也是相同的。
接著，作為第二階段，形成在開(kāi)口2a的內(nèi)表面上的金剛石晶核生長(zhǎng)，從而形成金剛石膜(金剛石膜形成過(guò)程)。
具體的是，處理溫度設(shè)置為650℃，并且微波功率設(shè)置為1500瓦，并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(nèi)執(zhí)行所述膜形成過(guò)程。
在金剛石膜形成過(guò)程中，所述處理優(yōu)選在低于750℃的溫度進(jìn)行。如果在金剛石膜形成過(guò)程中在低于750℃的溫度進(jìn)行所述處理，那么在金屬材料1a的開(kāi)口2a的內(nèi)表面上形成的金剛石晶核可以有效地生長(zhǎng)以形成金剛石膜。當(dāng)在金剛石膜形成過(guò)程中處理溫度超過(guò)750℃時(shí)，金剛石晶核產(chǎn)生在由半導(dǎo)體材料制成的遮掩元件13的表面上。在這種情況中，反應(yīng)空間中的碳集中在遮掩元件13的表面上產(chǎn)生的金剛石晶核上，并且碳被消耗用于金剛石晶核的生長(zhǎng)，從而碳沒(méi)有方便地供應(yīng)到金屬材料1a的開(kāi)口2a，并且金剛石膜不能有效地生長(zhǎng)。
也就是說(shuō)，在低于750℃的溫度執(zhí)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(chǎn)生，所述元件13由半導(dǎo)體材料制成，并且因此可以有效地在金屬材料1a的開(kāi)口2a的內(nèi)表面上形成金剛石膜。另外，在金剛石膜形成過(guò)程中，處理溫度的下限同樣根據(jù)金屬材料1a的尺寸、混合氣體、裝置中的壓力等適時(shí)地改變，但是600℃或更高的溫度作為處理溫度是優(yōu)選的，從而允許金剛石晶核的產(chǎn)生。另外，金屬材料1a在此處進(jìn)行了描述，但是不言而喻金屬材料1b也是相同的。
當(dāng)在上述處理?xiàng)l件下進(jìn)行處理時(shí)，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(kāi)口2a和2b的內(nèi)表面上。
在金剛石膜形成過(guò)程中，裝置中的壓力優(yōu)選比在金剛石晶核形成過(guò)程中的壓力更高。當(dāng)在金剛石膜形成過(guò)程中裝置中的壓力因此高于在金剛石晶核形成過(guò)程中裝置中的壓力時(shí)，可以進(jìn)一步促進(jìn)在金屬材料1a和1b的開(kāi)口2a和2b的內(nèi)表面上形成的金剛石晶核的生長(zhǎng)，從而使得金剛石膜能夠有效地形成。
另外，在上述的特定實(shí)例中，甲烷/氫氣對(duì)于金剛石晶核形成過(guò)程和金剛石膜形成過(guò)程用作原料氣體，但是本發(fā)明不限于此。例如，丙酮或甲醇可以被加熱作為用于金剛石膜形成過(guò)程的原料氣體。另外，載運(yùn)氣體例如氫氣可以用于使丙酮或者甲醇起泡(bubble)。上述方法還可以用于獲得與使用甲烷/氫氣時(shí)類似的效果。在金剛石膜形成過(guò)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，并且金剛石膜形成速度與使用基于甲烷/氫氣的材料時(shí)的情況差別不大。
具體的是，在金剛石晶核形成過(guò)程已經(jīng)在上述條件下利用甲烷/氫氣進(jìn)行之后，當(dāng)使用氫氣作為載運(yùn)氣體以使金剛石膜形成中的丙酮(C3H6O)起泡時(shí)，如果當(dāng)C3H6O除以甲烷(C3H6O)和氫氣(H2)的原子和時(shí)獲得的商，也就是(C3H6O/(C3H6O+H2))，在0.001到0.15(0.1到15％)的范圍中，膜形成是可以的。此時(shí)，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(guò)程中，如果膜形成在C3H6O/(C3H6O+H2)＝0.002到0.02(0.2到2％)的范圍中進(jìn)行，那么良好的金剛石膜可以以更高的生長(zhǎng)速度形成。
另外，當(dāng)p型金剛石膜形成在金屬材料1a和1b的開(kāi)口2a和2b中時(shí)，混雜的原料物質(zhì)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，并且被蒸發(fā)用作原料，并且膜形成在這樣的條件下進(jìn)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/厘米的特定電阻的多晶金剛石膜。
鉬已經(jīng)示出作為上述的金屬材料1a和1b，但是本發(fā)明不限于此，并且可以使用鎢、鈷、鎳或者例如包括這些物質(zhì)的合金。管狀或者杯形已經(jīng)描述作為金屬材料1a和1b的形狀，但是本發(fā)明不限于此，并且不言而喻本發(fā)明還可以應(yīng)用到設(shè)置有具有其它形狀的開(kāi)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(jīng)示出用于支撐臺(tái)11，但是本發(fā)明不限于此，并且可以使用鎢、鈷、鎳或者例如包括這些物質(zhì)的合金。
另外，當(dāng)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(kāi)口2a和2b的內(nèi)表面上形成金剛石膜時(shí)，金剛石膜同樣形成在位于保持器12的開(kāi)口12a的下面的暴露的支撐臺(tái)11上。然而，這沒(méi)有問(wèn)題，因?yàn)楫?dāng)金屬材料1a和1b從膜形成夾具移開(kāi)時(shí)，這個(gè)膜通過(guò)提升離開(kāi)的作用被分離。
下面，參考圖6到圖9，當(dāng)遮掩元件13設(shè)置在金屬材料1a和1b的上端3a上時(shí)，將有所述的效應(yīng)，開(kāi)口2a和2b形成在所述上端3a處。如圖7和圖8所示，當(dāng)不利用遮掩元件13進(jìn)行等離子體CVD處理時(shí)，金剛石膜4a和4b通過(guò)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，并且因此被消耗，從而碳原子不能方便地提供給金屬材料1a的開(kāi)口2a的內(nèi)側(cè)，因此使得難以均勻地在金屬材料1a的開(kāi)口2a的內(nèi)表面上形成金剛石膜。這種情況適用于圖9，并且不是優(yōu)選的，因?yàn)榻饎偸?c形成在金屬材料1a的上端3a上，所述上端3a沒(méi)有設(shè)置遮掩元件13。
相反，如圖6所示，在根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，遮掩元件13設(shè)置在金屬材料1a的上端3a上，并且等離子體CVD處理在這樣的條件下進(jìn)行，即金剛石晶核沒(méi)有在遮掩元件13的表面上產(chǎn)生，從而金剛石膜沒(méi)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，并且金剛石膜可以均勻地僅形成在金屬材料1a的開(kāi)口2a的內(nèi)表面上。
優(yōu)選的是，上述遮掩元件13同樣設(shè)置在金屬材料1a和1b的上端3a和3b上。例如，如圖9所示，當(dāng)金屬材料1a的上端處的開(kāi)口邊緣的附近暴露在反應(yīng)空間中時(shí)，金剛石膜4c不適合地形成在該部分中。
另外，優(yōu)選的是，遮掩元件13同樣設(shè)置在金屬材料1a的上端3a上，但是遮掩元件13可以構(gòu)造成微微阻塞金屬材料1a的開(kāi)口2a，如圖10所示，只要遮掩元件13同樣設(shè)置在金屬材料1a的上端3a上。也就是說(shuō)，涉及圖10所示的金屬材料1a的開(kāi)口2a的內(nèi)部尺寸WM1a和遮掩元件13的開(kāi)口13a的內(nèi)部尺寸WH2，類似的效果可以獲得，即使它們的內(nèi)部尺寸設(shè)計(jì)成WH2等于0.8倍的WM1a。
另外，上面已經(jīng)描述了一個(gè)實(shí)例，其中主要使用金屬材料1a，但是顯而易見(jiàn)，當(dāng)使用杯形的金屬材料1b時(shí)，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(jié)構(gòu)，其中，凹部14設(shè)置在保持器12’的開(kāi)口12a’的外周上，并且突起15設(shè)置在遮掩元件13’的開(kāi)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(shí)施例)
利用上述金剛石膜形成方法制造的金屬材料可用于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(guò)使用金屬材料1a和1b制造的放電燈冷陰極的實(shí)例，所述金屬材料利用上述的金剛石膜形成方法制造。
圖12所示的冷陰極20a是通過(guò)使用圖1A所示的管狀金屬材料1a制造的冷陰極。如圖12所示，冷陰極20a包括金屬桿22，桿22具有穿纜(draw lead)21a以及金屬材料24a，所述穿纜用于從外部施加電壓，所述金屬材料24a具有形成在開(kāi)口2a的內(nèi)表面上的金剛石膜23a，并且金屬桿22和金屬材料24a通過(guò)連接元件25固定。
圖13所示的冷陰極20b是通過(guò)使用圖1B所示的杯形金屬材料1b制造的冷陰極。如圖13所示，冷陰極20b包括穿纜21b以及金屬材料24b，所述穿纜用于從外部施加電壓，所述金屬材料24b具有形成在開(kāi)口2b的內(nèi)表面上的金剛石膜23b，并且所述穿纜21b和金屬材料24b焊接在一起。
金屬桿22沒(méi)有具體限制，只要它由傳導(dǎo)材料制成就行。另外，在本實(shí)施例中示出了使用鎳的一個(gè)實(shí)例。在金屬桿22連接到金屬材料24a的情況中，連接元件25是用于將金屬桿22連接和固定到金屬材料24a的元件。
接著，將描述當(dāng)上述冷陰極用于冷陰極放電燈時(shí)冷陰極放電燈的概要。圖14示出了當(dāng)圖13所示的冷陰極20b用作電極時(shí)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，并且由發(fā)光體制成的熒光膜27形成在玻璃管26的內(nèi)壁上，所述發(fā)光體通過(guò)紫外線產(chǎn)生可見(jiàn)光。另外，冷陰極20b設(shè)置在這個(gè)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(zhǎng)度的鉬制成，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，并且通向玻璃管26的外部，從而起著供電引線的作用。所需要的電壓通過(guò)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，并且具有大約50到500毫米的長(zhǎng)度，并且例如大約0.5到2.0毫克/立方厘米的水銀以及大約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(wěn)定，并且不會(huì)與其它元素容易地化學(xué)結(jié)合，并且例如包括氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、和氡(Rn)。
當(dāng)高的電壓從外部通過(guò)穿纜21b施加到冷陰極放電燈的這個(gè)冷陰極20b時(shí)，所述冷陰極20b開(kāi)始放電。當(dāng)開(kāi)始放電時(shí)，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的放電表面，并且通過(guò)二次電子發(fā)射，電子從金剛石薄膜23b釋放。另外，產(chǎn)生這樣一個(gè)循環(huán)，其中這些電子被加速與密封的氣體的并且被電離的原子碰撞。也就是說(shuō)，這樣一個(gè)循環(huán)產(chǎn)生，從而維持放電所需要的電壓低于在放電開(kāi)始點(diǎn)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(fā)的惰性氣體的碰撞所激發(fā)，并且產(chǎn)生紫外線。這些紫外線與熒光膜27碰撞以激發(fā)熒光膜27的熒光材料，并且產(chǎn)生可見(jiàn)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(guò)金剛石的二次電子發(fā)射的高效率，放電起動(dòng)電壓和放電維持電壓被降低，并且產(chǎn)生能量所需要的電能可以降低，從而提高發(fā)光效率。
另外，冷陰極放電燈已經(jīng)與圖13所示的冷陰極20b一起描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)使用圖12所示的冷陰極20a時(shí)，同樣可以提供類似的效果。
圖14所示的冷陰極放電燈通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的金剛石膜形成方法制造，如下所述金剛石膜形成在圖2所示的金屬材料1b的開(kāi)口2b的內(nèi)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，從而制造冷陰極；冷陰極在密封狀態(tài)連接到玻璃管26的兩端，其中熒光膜27施加到所述玻璃管的內(nèi)側(cè)；玻璃管內(nèi)的空氣被排出，其中冷陰極在密封狀態(tài)連接到所述玻璃管；并且稀有氣體然后被密封在其中。
用試驗(yàn)方法制造使用鉬電極同時(shí)沒(méi)有金剛石襯層的放電燈作為比較的實(shí)例，并且與圖14所示的冷陰極放電燈在它們的性能方面進(jìn)行比較。結(jié)果，在比較實(shí)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，并且最低放電維持電壓大約為70伏。另外，放電連續(xù)進(jìn)行1000小時(shí)，但是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)特殊的性能下降。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以適合地在杯形或者管狀金屬材料的內(nèi)表面上形成金剛石膜。
對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，另外的優(yōu)點(diǎn)和修改將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明廣義上不限于此處所示和所述的具體細(xì)節(jié)和代表性實(shí)施例。因此，在不脫離權(quán)利要求和它們的等效結(jié)構(gòu)限定的基本發(fā)明概念的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，可以做出多種修改。
權(quán)利要求
1.一種金剛石膜形成方法，其特征在于，包括在低于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(dǎo)體材料的混合體中，在金屬材料的表面上形成金剛石晶核；和在低于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(zhǎng)以形成金剛石膜。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一混合氣體包括甲烷氣體和氫氣。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二混合氣體包括甲烷氣體和氫氣。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，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(zhì)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第二混合氣體包括丙酮或甲醇和氫氣的混合氣體。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，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(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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，其特征在于，包括通過(guò)在金屬材料的一個(gè)表面上的開(kāi)口邊緣上設(shè)置半導(dǎo)體材料，其中開(kāi)口形成在所述金屬材料中，在低于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(kāi)口的內(nèi)表面上形成金剛石晶核；和在低于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(zhǎng)以形成金剛石膜。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，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(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一混合氣體包括甲烷氣體和氫氣。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二混合氣體包括甲烷氣體和氫氣。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，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(zhì)。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，第二混合氣體包括丙酮或甲醇和氫氣的混合氣體。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，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(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，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，其特征在于，包括支撐臺(tái)；保持器，安裝在支撐臺(tái)上，并且具有至少一個(gè)第一開(kāi)口；和遮掩元件，安裝在保持器上，并且具有第二開(kāi)口，第二開(kāi)口的內(nèi)部尺寸比第一開(kāi)口的內(nèi)部尺寸更短。
18.如權(quán)利要求17所述的膜形成夾具，其特征在于，所述支撐臺(tái)由這樣一種金屬制成，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(quán)利要求17所述的膜形成夾具，其特征在于，所述保持器和遮掩元件由半導(dǎo)體材料制成。
全文摘要
一種金剛石膜形成方法，包括在低于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(dǎo)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)，并且在低于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(zhǎng)以形成金剛石膜(104)。
文檔編號(hào)C23C16/52GK101037767SQ200710086288
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月14日
發(fā)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(qǐng)人:株式會(huì)社東芝