(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カップ状あるいは筒状の金属基材の第１の開口部の端部を覆い、前記第１の開口部の内径よりも小さい内径の第２の開口部を備えた半導体材料からなるマスク部材を被せた供試体を、少なくとも炭素及び水素を含む第１の混合ガス内において６５０℃未満の温度で処理し、前記金属基材の内表面にダイヤモンド核を形成するダイヤモンド核形成工程と、
少なくとも炭素及び水素を含む第２の混合ガス内で、７５０℃未満の温度と所定のバイアス処理条件において、前記マスク部材へのダイヤモンド核形成を抑制しつつ、前記金属基材の内表面に形成された前記ダイヤモンド核を成長させて前記金属基材の内表面にダイヤモンド膜を成膜するダイヤモンド成膜工程と、
を具備することを特徴とするダイヤモンドの成膜方法。
【請求項２】
カップ状あるいは筒状の金属基材の開口部の端部に半導体材料を設け、少なくとも炭素及び水素を含む第１の混合ガス内において６５０℃未満の温度で、前記開口部を通じて前記金属基材の内面にダイヤモンド核を形成するダイヤモンド核形成工程と、
少なくとも炭素及び水素を含む第２の混合ガス内で、７５０℃未満の温度と所定のバイアス処理条件において、前記マスク部材へのダイヤモンド核形成を抑制しつつ、前記金属基材の表面に形成された前記ダイヤモンド核を成長させて前記金属基材の表面にダイヤモンド膜を成膜するダイヤモンド成膜工程と、
を具備することを特徴とするダイヤモンドの成膜方法。
【請求項３】
前記ダイヤモンド成膜工程の気圧は、前記ダイヤモンド核形成工程の気圧より高いことを特徴とする請求項１または２に記載のダイヤモンドの成膜方法。
【請求項４】
前記第１の混合ガスは、メタンガスと水素ガスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のダイヤモンドの成膜方法。
【請求項５】
前記第２の混合ガスは、メタンガスと水素ガスであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のダイヤモンドの成膜方法。
【請求項６】
前記第２の混合ガスは、ホウ酸トリメチル、ジボラン、トリメチルボロンの内のいずれかが更に導入されることを特徴とする請求項５に記載のダイヤモンドの成膜方法。
【請求項７】
第２の混合ガスは、アセトンまたはメチルアルコールと、水素ガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のダイヤモンドの成膜方法。
【請求項８】
前記第２の混合ガスに、ホウ酸トリメチル、ジボラン、トリメチルボロンの内のいずれかが更に導入されることを特徴とする請求項７に記載のダイヤモンドの成膜方法。
【請求項９】
前記金属基材は、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケルのいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のダイヤモンドの成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はダイヤモンドの成膜方法に関わり、特に、中空形状、凹部形状を備える金属基材の内面にダイヤモンドを成膜する成膜技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは、室温で約５．５ｅＶのバンドギャップもち、その機械的、化学的および熱的特性に加え、優れた半導体的特性や光学特性を持つことから、半導体材料として注目されている。
【０００３】
半導体材料としてダイヤモンドを用いた技術としては、例えば、冷陰極放電装置（特許文献１、特許文献２）が開示されている。これらの技術では、二次電子放出効率が高くスパッタ耐性が高いダイヤモンドを用いることで、発光効率が高く寿命も長い冷陰極放電装置を提供することができる。これらの冷陰極放電装置は、加熱用フィラメントがなく簡単な構造であり、小型化しやすくかつ低温で用いることができ、比較的寿命が長いことから、各照明用や液晶装置のバックライト等に幅広く用いられている。
【０００４】
また、ダイヤモンド表面からの二次電子放出の効率向上のために、カップ状あるいは筒状の内面にダイヤモンド層を形成した金属基材からなる電極が開示されている（例えば、特許文献３）。
【０００５】
しかしながら、カップ状あるいは筒状の金属基材の内面にダイヤモンドを成膜する際に、ＣＶＤ法を用いると金属基材の外周部にダイヤモンドが厚く成膜されてしまう傾向があり、カップ状あるいは筒状の金属基材の内面にダイヤモンドを成膜することが困難であった。
【特許文献１】特開２００２−２９８７７７公報
【特許文献２】特開２００３−１３２８５０号公報
【特許文献３】米国特許５８８０５５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、冷陰極放電装置に用いられる冷陰極は、ダイヤモンド表面からの二次電子放出の効率向上のためカップ状あるいは筒状の金属基材の内面にダイヤモンドを成膜することが望ましいが、ＣＶＤ法では原理的にその内面のみにダイヤモンドを成膜することは困難であった。そこで、カップ状あるいは筒状のような金属基材の内面にダイヤモンドを効率的に成膜できる成膜方法の開発が望まれていた。
【０００７】
そこで、本発明は。カップ状あるいは筒状のような金属基材の内面に好適にダイヤモンド膜を成膜することができるダイヤモンドの成膜方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のダイヤモンドの成膜方法は、カップ状あるいは筒状の金属基材の第１の開口部の端部を覆い、前記第１の開口部の内径よりも小さい内径の第２の開口部を備えた半導体材料からなるマスク部材を被せた供試体を、少なくとも炭素及び水素を含む第１の混合ガス内において６５０℃未満の温度で処理し、前記金属基材の内表面にダイヤモンド核を形成するダイヤモンド核形成工程と、少なくとも炭素及び水素を含む第２の混合ガス内で、７５０℃未満の温度と所定のバイアス処理条件において、前記マスク部材へのダイヤモンド核形成を抑制しつつ、前記金属基材の内表面に形成された前記ダイヤモンド核を成長させて前記金属基材の内表面にダイヤモンド膜を成膜するダイヤモンド成膜工程とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
カップ状あるいは筒状の金属基材の内面に好適にダイヤモンド膜を成膜することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１２】
本発明の実施形態の説明に先立ち、本発明の概要を説明する。ダイヤモンド以外の別の物質で構成された基材にダイヤモンド膜を成膜するためには、その被成膜面にダイヤモンド核を発生させる必要がある。ダイヤモンド核を発生させる方法には、こすりつけ法、プラズマＣＶＤ法が知られている。
【００１３】
こすりつけ法は、ダイヤモンドパウダーを基材に文字通り物理的にこすりつける方法である。また、ダイヤモンドの研濁液中に基材を浸し、超音波処理によりダイヤモンドを基材にこすりつける方法も知られている。しかしながら、どちらも偶然性があり、基材の表面状態を再現性良く同じ状態にするには、多くのノウハウが必要となる。
【００１４】
プラズマＣＶＤ法は、プラズマと基材との間に電界をかけて、ダイヤモンド核を発生させるバイアス処理という方法が用いられる。この方法を用いることにより、ダイヤモンド以外の別の物質で構成された基材にも、ダイヤモンド膜の成膜が可能となる。
【００１５】
本発明者らは、鋭意実験を行った結果、Ｍｏ等で構成された金属基材と、シリコン等で構成された半導体基材のそれぞれにダイヤモンド膜を成膜する際、バイアス処理条件及びその後のダイヤモンド成膜条件を各々制御することで、プラズマＣＶＤ法という同一工程の中で、金属基材上のみ、又は、半導体基材上のみにそれぞれダイヤモンドを成膜できる製造条件を見出した。
【００１６】
詳しくは、図１５に示すように、金属基材１０１と半導体材料１０２との混合体（図１５では、半導体材料１０２上に金属基材１０１を設けている）に、少なくとも炭素及び水素を含む第１の混合ガス内で６５０℃未満の温度でバイアス処理を行なうと、図１６に示すように、半導体材料１０２上にはダイヤモンド核１０３は形成されず、金属基材１０１上のみにダイヤモンド核１０３が形成されることが確認された。
【００１７】
続いて、この混合体を、少なくとも炭素及び水素を含む第２の混合ガス内で７５０℃未満の温度で、ダイヤモンドの成膜を行なうと、図１７に示すように、半導体材料１０２上にはダイヤモンド核１０３が形成されず、金属基材１０１上には均一なダイヤモンド膜１０４が形成されることが確認された。
【００１８】
以上の製造メカニズムを元に、カップ状あるいは筒状のような金属基材の内面に好適にダイヤモンド膜を成膜することができるダイヤモンドの成膜方法を見出すことに成功した。
【００１９】
（ダイヤモンドの成膜方法の実施形態）
最初に、本発明に係るダイヤモンドの成膜方法について説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、本発明に用いられる被成膜基材の形態を示す斜視図、図２（ａ）、（ｂ）は、図１のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００２０】
本発明に用いられる被成膜基材は、図１（ａ）、図２（ａ）に示すような筒状の金属基材１ａ、図１（ｂ）、図２（ｂ）に示すようなカップ状の金属基材１ｂが用いられる。これらの金属基材１ａ、１ｂの開口部２ａ、２ｂの内面にダイヤモンド膜を成膜する。
【００２１】
次に、上記金属基材１ａ、１ｂの開口部２ａ、２ｂの内面にダイヤモンド膜を成膜する際に用いられる成膜冶具を図３及び図４に示す。図３は、本発明のダイヤモンドの成膜方法に用いられる成膜冶具の斜視図、図４は、図３のＣ−Ｃ線に沿った断面図である
図３及び図４に示すように、本発明のダイヤモンドの成膜方法に用いられる成膜冶具は、支持台１１と、ホルダ１２と、マスク部材１３とで構成されている。支持台１１は、Ｍｏ等の金属材料で構成されており、板状、又は、円柱状の形状を備えている。支持台１１の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｍｍ程度で構成されている。
【００２２】
ホルダ１２は、支持台１１上に載置され、少なくとも一つの開口部１２ａ（第１の開口部）を備えている（図３中では４個）。ホルダ１２は、シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料で構成されている。
【００２３】
ホルダ１２の開口部１２ａは、図４に示すように、例えば、図１及び図２に示す金属基材１ａ、１ｂが収納可能な寸法で設計されている。すなわち、金属基材１ａ、１ｂの長さＬM1、ＬM2は、ホルダ１２の厚さｔHと同じ寸法を備えており、金属基材１ａ、１ｂの外径寸法ＷM1、ＷM2は、ホルダ１２の開口部１２ａの内径寸法ＷH1と同じ寸法を備えている。ホルダ１２の厚さｔHは、被成膜部材である金属基材１ａ、１ｂの長さＬM1、ＬM2に依存するが、例えば、厚さ２〜５ｍｍ程度で設計されている。
【００２４】
マスク部材１３は、ホルダ１２上に載置され、ホルダ１２の開口部１２ａの内径寸法ＷH1よりも短い内径寸法ＷH2の開口部１３ａ（第２の開口部）を備えている。マスク部材１３は、シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料で構成されており、マスク１３の厚さは、例えば３００〜５００μｍ程度のものが使用される。
【００２５】
次に、図３及び図４に示す成膜冶具の製造方法を説明する。
【００２６】
最初に、支持台１１として、Ｍｏ等の金属材料で構成された平面基板を準備する。次に、ホルダ１２としてシリコンで構成されたシリコン基板を準備して、超音波加工法によりシリコン基板上に金属基材１ａまたは１ｂの外径寸法ＷM1、ＷM2と同様な内径寸法ＷH1を有する複数の貫通穴（開口部１２ａ）を形成する。複数の開口部１２ａを形成したシリコン基板を、支持台１１上に載置する。この場合、支持台１１とホルダ１２は物理的に接触されていればよく、ホルダ１２の自重により支持台１１上に載置される。次に、図１及び図２で示した金属基材１ａ、１ｂを、その開口部２ａ、２ｂが支持台１１の表面の垂直方向上方に位置するように、ホルダ１２の開口部１２ａ内に収納する。
【００２７】
次に、マスク部材１３としてシリコンで構成されたシリコン基板を準備して、ホルダ１２に形成した貫通穴（開口部１２ａ）に対応する位置に、水酸化カリウム液等を用いてエッチング処理により、金属基材１ａ、１ｂの内径寸法ＷM1a、ＷM2aと同様な内径寸法ＷH2を有する開口部１３ａを形成する。その後、形成した開口部１３ａの外辺（マスク部材１３の一表面上であって、開口部１３ａが形成された部分の開口端部）と、開口部１２ａに収納されている金属基材１ａ、１ｂの内径寸法ＷM1a、ＷM2aを形成する外辺（金属基材１ａ、１ｂの一表面上であって、開口部が形成された開口端部）と一致するようにホルダ１２上にマスク部材１３を載置する。
【００２８】
図５は、図１に示す筒状の金属基材１ａをホルダ１２の開口部１２ａに収納させた時の成膜冶具に関する断面図である。図５に示すように、被成膜冶具である金属基材１ａは、その開口部２ａが支持台１１の表面の垂直方向上方に露出された状態で、ホルダ１２の開口部１２ａ内に収納されており、さらに、金属基材１ａの開口部２ａが形成された一表面（以下、上端という）３ａ上には、マスク部材１３が設けられた構造を備えている。
【００２９】
次に、例えば、金属基材１ａが収納された図５に示すような成膜冶具を、ダイヤモンドをターゲットとするプラズマＣＶＤ装置（図示せず）内に設置して、ダイヤモンド膜の成膜を行う。この際、ダイヤモンド膜の成膜は２段階で行われる。１段階目は、被成膜部材の開口部の内面にダイヤモンド膜の成長源となるダイヤモンド核を形成する（ダイヤモンド核形成工程）。
【００３０】
具体的には、図６に示されるように、例えば、金属基材１ａが収納された成膜冶具の支持台１１に、プラズマに対してマイナスの電位（例えば１５０〜３００Ｖ程度）を与え、ホルダ１２に収納された金属基材１ａをマイナスに帯電させて、プラズマ化された炭素原子のプラスイオンを金属基材１ａの開口部２ａの内面に打ち込み、ダイヤモンド核を発生させる。このときの処理条件としては、例えば、金属基材１ａの開口部２ａの上方、すなわち、マスク部材１２の上方の温度（以下、単に、処理温度という）を、例えば、５００℃とし、圧力を６ｔｏｏｒ、混合ガスをＣＨ4 ／（ＣＨ4＋Ｈ2）＝０．０１〜０．２（１％〜２０％）、プラズマ発生時の電流増加量を１０〜３０ｍＡに制御して、熱処理時間を１５分で行う。
【００３１】
このダイヤモンド核形成工程時の処理温度は、６５０℃未満で行うことが好ましい。ダイヤモンド核形成工程時の処理温度を６５０℃未満で行うことで、マスク部材１２の表面にはダイヤモンド核が形成されず、反応空間に露出している金属基材１ａの開口部２ａの表面（内面）のみにダイヤモンド核が効率的に形成される。処理温度が６５０℃を超える場合は、金属基材１ａの開口部２ａ内に供給された炭素が金属基材１ａ内面にダイヤモンド核として形成される前に、金属基材１ａの表層に炭素が拡散してしまうため、効率的に、開口部２ａの内面にダイヤモンド核を形成することができない。なお、ダイヤモンド核形成工程時の処理温度の下限は、金属基材１ａの大きさ、混合ガス、装置内圧力等により適時変化されるが、ダイヤモンド核形成が可能な処理温度として、４００℃以上であることが好ましい。なお、ここでは金属基材１ａについて説明しているが、金属基材１ｂについても、同様であることは、言うまでもない。
【００３２】
次に、２段階目として、開口部２ａの内面に形成させたダイヤモンド核を成長させて、ダイヤモンド膜を成膜する（ダイヤモンド成膜工程）。
【００３３】
具体的には、処理温度を６５０℃とし、マイクロ波パワーを１５００Ｗ、混合ガスをＣＨ4 ／（ＣＨ4＋Ｈ2）＝０．００５〜０．０５（０．５％〜５％）に制御して、成膜時間を９０分で行う。
【００３４】
このダイヤモンド成膜工程時の処理温度は、７５０℃未満で行うことが好ましい。ダイヤモンド成膜工程時の処理温度を７５０℃未満で行うことで、金属基材１ａの開口部２ａの内面に形成されたダイヤモンド核を効率的に成長させてダイヤモンド膜を成膜することができる。ダイヤモンド成膜工程時の処理温度が７５０℃を超える場合には、半導体材料で構成されているマスク部材１３の表面にダイヤモンド核が発生する。この場合、マスク部材１３の表面に発生したダイヤモンド核に、反応空間内の炭素が集中し、そのダイヤモンド核の成長のために炭素が消費されてしまい、金属基材１ａの開口部２ａまで炭素が供給されにくくなり、効率的に、ダイヤモンド膜を成長させることができない。
【００３５】
すなわち、処理温度を７５０℃未満で行うことで、半導体材料で構成されているマスク部材１３の表面上のダイヤモンド核の発生を抑制するため、金属基材１ａの開口部２ａの内面に効率的にダイヤモンドを成膜することができる。なお、ダイヤモンド成膜工程時の処理温度の下限も、金属基材１ａの大きさ、混合ガス、装置内圧力等により適時変化するが、ダイヤモンド核を成長可能な処理温度としては、６００℃以上であることが好ましい。なお、ここでは金属基材１ａについて説明しているが、金属基材１ｂについても同様であることは、言うまでもない。
【００３６】
以上の処理条件で行うことで、金属基材１ａ、１ｂの開口部２ａ、２ｂの内面のみに約２μｍの厚さのダイヤモンド膜を成膜することができる。
【００３７】
ダイヤモンド成膜工程時の装置内圧力は、ダイヤモンド核形成工程時の圧力より高い圧力で行うことが好ましい。このように、ダイヤモンド核形成工程時の装置内圧力より、ダイヤモンド成膜工程時の装置内圧力を高くすると、金属基材１ａ、１ｂの開口部２ａ、２ｂの内面に形成されたダイヤモンド核の成長をより促進することができ、効率的にダイヤモンド膜を成膜することができる。
【００３８】
なお、上述した具体例では、ダイヤモンド核形成工程及びダイヤモンド成膜工程の原料ガスとしてメタン／水素を用いた例で説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ダイヤモンド成膜工程の原料ガスとしてアセトン又はメチルアルコールを加熱してもよい。また、水素等のキャリアガスを利用して、アセトン、メチルアルコールをバブリングしてよい。以上の方法を用いてもメタン／水素を用いた場合と同様な効果が得られる。ダイヤモンド成膜工程時のダイヤモンド成膜速度は水素と炭素とのそれぞれの原子量比に比例しており、ダイヤモンド成膜速度はメタン／水素系を用いたときと大きな差異が見られなかった。
【００３９】
具体的には、ダイヤモンド核発生工程をメタン／水素で上述した条件で行った後、ダイヤモンド成膜工程で、水素をキャリアガスとして用いて、アセトン（Ｃ3Ｈ6Ｏ）をバブリングした場合において、アセトン（Ｃ3Ｈ6Ｏ）と水素ガス（Ｈ2）の原子和で割った値（Ｃ3Ｈ6Ｏ／（Ｃ3Ｈ6Ｏ＋Ｈ2）は、０．００１〜０．１５（０．１％〜１５％）の範囲で成膜が可能であることが確認された。このときのその他の成膜条件は、マイクロ波パワー１５００Ｗ、処理温度は６５０℃であった。なお、ダイヤモンド成膜工程において、Ｃ3Ｈ6Ｏ／（Ｃ3Ｈ6Ｏ＋Ｈ2）＝０．００２〜０．０２（０．２％〜２％）の範囲で行うと、より成長速度が速い良好なダイヤモンド膜が成膜出来た。
【００４０】
また、金属基材１ａ、１ｂの開口部２ａ、２ｂ内にｐ型のダイヤモンド膜を、成膜する場合には、ジボラン、トリメチルボロン等の不純物原料、又は、ホウ酸トリメチル、ホウ酸トリエチル等を混合させる。具体的には、アセトンに対して０．２％のホウ酸トリメチルを混入したものを加熱蒸発させ原料として用い、マイクロ波パワー１５００Ｗ、処理温度を６５０℃、Ｃ3Ｈ6Ｏ／（Ｃ3Ｈ6Ｏ＋Ｈ2）＝０．０１（１．０％）で行うことで、抵抗率で１０3Ω／ｃｍの多結晶ダイヤモンド膜を成膜することができる。
【００４１】
上述した金属基材１ａ、１ｂとして、Ｍｏを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、あるいはこれらを含む合金等を使用することができる。金属基材１ａ、１ｂの形状としては筒状、又は、カップ状について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、その他の形状を有する開口部が設けられた金属基材にも適用できることは言うまでもない。
【００４２】
金属基材１ａ、１ｂを収納する成膜冶具のうち、支持台１１は、Ｍｏを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、あるいはこれらを含む合金等を使用することができる。
【００４３】
なお、図５に示すように成膜冶具に金属基材１ａ、１ｂを収納して、金属基材１ａ、１ｂの開口部２ａ、２ｂの内面にダイヤモンド膜を成膜した場合には、ホルダ１２の開口部１２ａ下部に位置する露出した支持台１１上にもダイヤモンド膜が成膜されるが、金属基材１ａ、１ｂを成膜冶具より取り外すときに、リフトオフ効果により分離されるので問題はない。
【００４４】
ここで、金属基材１ａ、１ｂの開口部２ａ、２ｂが形成された上端３ａにマスク部材１３を設ける際の効果を、図６から図９を参照して説明する。図６は、本発明に係る構成にてダイヤモンド膜の成膜を行った際のダイヤモンド膜が成膜される状況を示した模式図、図７は、ホルダ１２及びマスク部材１３を用いないでプラズマＣＶＤを行った状態でのダイヤモンド膜が形成される状況を示した模式図、図８は、マスク部材１３を用いないでプラズマＣＶＤを行った状態でのダイヤモンド膜が形成される状況を示した模式図、図９は金属基材１ａの開口部が形成された上端３ａにマスク部材１３を設けないでプラズマＣＶＤを行った状態でのダイヤモンド膜が形成される状態を示した模式図である。図７及び図８に示すように、マスク部材１３を用いないでプラズマＣＶＤ処理を行った場合には、プラズマ１５により金属基材１ａの上端３ａにダイヤモンド膜４ａ、４ｂが形成される。このように、金属基材１ａの上端３ａに、ダイヤモンド膜４ａ、４ｂが形成されると、このダイヤモンド膜４ａ、４ｂに炭素原子が集中して消費されるため、金属基材１ａの開口部２ａの内部まで炭素原子が供給されにくくなるため、金属基材１ａの開口部２ａの内面に均一にダイヤモンド膜を成膜することが難しい。この状況は、図９についても同様であり、マスク部材１３が設けられていない金属部材１ａの上端３ａにダイヤモンド膜４ｃが成膜されてしまうため、好ましくない。
【００４５】
これに対し、図６に示すように、本発明に係る構成は、金属基材１ａの上端３ａにマスク部材１３が設けられており、また、このマスク部材１３の表面にはダイヤモンド核が発生しない条件でプラズマＣＶＤ処理が行われるため、金属基材１ａの上端３ａを含むその上方に、ダイヤモンド膜が形成されることが無く、金属基材１ａの開口部２ａの内面のみに均一にダイヤモンドを成膜することが可能となる。
【００４６】
前述したマスク部材１３は、金属基材１ａ，１ｂの上端３ａ，３ｂに一様に設けられていることが好ましい。例えば、図９に示すように、金属基材１ａの上端の開口端部近傍が反応空間に露出していた場合には、その部分にダイヤモンド膜４ｃが形成されてしまうため好ましくない。
【００４７】
なお、マスク部材１３は、金属基材１ａの上端３ａに一様に設けられていることが好ましいが、金属基材１ａの上端３ａに一様に設けられていれば、図１０に示すように、若干、金属基材１ａの開口部２ａを塞ぐように、構成されていてもよい。すなわち、図１０に示す金属基材１ａの開口部２ａの内径寸法ＷM1aと、マスク部材１３の開口部１３ａの内径寸法ＷH2は、ＷH2＝０．８ＷM1a程度まで設計しても同様な効果を得ることができる。
【００４８】
なお、以上の説明は、主に、金属基材１ａを用いた例で説明しているが、カップ状の金属基材１ｂを用いた場合でも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００４９】
また、前述した成膜冶具におけるホルダ１２及びマスク部材１３は、図１１に示すように、ホルダ１２´の開口部１２ａ’の周辺に凹部１４を設け、マスク部材１３’の開口部１３ａ’の周辺に凸部１５を儲け、それぞれを嵌め合わせる構成を備えてもよい。
【００５０】
（放電灯用冷陰極及び冷陰極放電灯の実施形態）
上述したダイヤモンドの成膜方法を用いて製造された金属基材は、冷陰極放電灯の冷陰極に用いることができる。図１２及び図１３は、上述したダイヤモンド成膜方法を用いて製造された金属基材１ａ、１ｂを用いて作製された放電灯用冷陰極の一例を示す模式的断面図である。
【００５１】
図１２に示す冷陰極２０ａは、図１（ａ）に示す筒状の金属基材１ａを用いて作製された冷陰極である。冷陰極２０ａは、図１２に示すように、外部から電圧を印加するための引き出しリード２１ａを有する金属ロッド２２と、開口部２ａの内面に形成されたダイヤモンド膜２３ａを備えた金属基材２４ａとを備え、金属ロッド２２ａと金属基材２４ａは接合部材２５により固定されている。
【００５２】
図１３に示す冷陰極２０ｂは、図１（ｂ）に示すカップ状の金属基材１ｂを用いて作製された冷陰極である。冷陰極２０ｂは、図１３に示すように、外部から電圧を印加するための引き出しリード２１ｂと、開口部２ｂの内面に形成されたダイヤモンド膜２３ｂを備えた金属基材２４ｂとを備え、引き出しリード２１ｂと金属基材２４ｂとは溶接されている。
【００５３】
金属ロッド２２は、導電性を備えた材料であれば特に限定されない。なお、本実施の形態では、ニッケルを用いた例を示す。接合部材２５は、金属基材２４ａに金属ロッド２２が装着された状態で接合し、固定するために用いられる部材である。
【００５４】
次に、上述した冷陰極を冷陰極放電灯に用いた場合の冷陰極放電灯の概要を説明する。図１４は、図１３に示す冷陰極２０ｂを電極として用いた場合の冷陰極放電灯の概念図を示す。
【００５５】
図１４に示す冷陰極放電灯は、ガラス管２６内に微量の水銀を含む希ガス等が封入され、ガラス管２６の内壁には紫外線により可視光を発生する蛍光体からなる蛍光膜２７が形成されている。そして、このガラス管２６の両端部には、冷陰極２０ｂが備えられている。
【００５６】
冷陰極２０ｂは、厚さが０．１〜０．２ｍｍ程度、長さ２〜４ｍｍ程度のモリブデン製の金属基材２４ｂと、これに電気的に接続された引き出しリード２１ｂからなり、引き出しリード２１ｂはガラス管２６の端部に０．２〜１．０ｍｍ程度封止され、ガラス管２６の外部に導出され、給電用リード線となっている。給電用リード線を介して冷陰極２０ｂに、所要の電圧を印加し、放電電極として機能させる。
【００５７】
ここで、ガラス管２６は、外径１．２〜３．０ｍｍ程度、長さ５０〜５００ｍｍ程度であり、ガラス管２６内には、たとえば０．５〜２．０ｍｇ／ｃｍ3 程度の水銀および８〜２０ｋＰａ程度の希ガスが封入されている。
【００５８】
ここで言う、不活性ガスとは、非常に安定しており他の元素と容易に化合しないガスを示し、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ラドン（Ｒｎ）等が挙げられる。
【００５９】
この冷陰極放電灯の冷陰極２０ｂは、上述した引き出しリード２１ｂを介して外部から大きな電圧を印加すると、放電を開始する。放電が開始されると、イオン化された希ガス等の封入ガスが冷陰極２０ｂの放電面を形成するダイヤモンド薄膜２３ｂに衝突し、二次電子放出によりダイヤモンド薄膜２３ｂから電子が放出される。さらに、この電子が加速されて封入ガスの原子に衝突し、イオン化するというサイクルが生じる。つまり、このようなサイクルが生じることで、放電の維持に必要な電圧は、放電開始時の電圧よりも低下する。また、封入された水銀は、電子やイオン化もしくは励起された不活性ガスとの衝突により励起され、紫外線を発生する。この紫外線が蛍光膜２７に衝突することで、蛍光膜２７の蛍光体が励起され、可視光を発生させる。
【００６０】
このようにダイヤモンド薄膜を形成した冷陰極を用いた冷陰極放電灯は、ダイヤモンドの高い二次電子放出効率により放電開始電圧および放電維持電圧が低下し、発光に必要な電力を減らすことができるため、発光効率が向上する。
【００６１】
なお、前述した冷陰極放電灯は、図１３に示す冷陰極２０ｂに関して説明したが、図１２に示す冷陰極２０ａを用いた場合でも同様の効果を有することは当然である。
【００６２】
図１４に示す冷陰極放電灯は、本発明に係るダイヤモンドの成膜方法を用いて、図２に示すような金属基材１ｂの開口部２ｂの内面にダイヤモンド膜を成膜し、ダイヤモンド膜を成膜した金属基材１ｂの底に引き出しリード２１ｂを溶接して冷陰極を作成して、その冷陰極を内部に蛍光体２７が塗布されたガラス管２６の両端内部に封着させ、冷陰極が封着されたガラス管の内部の空気を排気して、その後、希ガスを封入することで製造される。
【００６３】
図１４に示す冷陰極放電灯と、比較例としてダイヤモンドのライニング（内張り）のないＭｏ電極を使用した放電灯を試作し、その特性を比較した。その結果、比較例では放電維持電圧が１５０Ｖ程度であったが、図１４に示す冷陰極放電灯では、放電維持電圧はすべてが１００Ｖ以下となり最も低いもので７０Ｖ程度となった。また１０００時間連続放電を行ったが、特に、特性の劣化は見られなかった。
【００６４】
（その他の実施形態）
以上本発明を実施形態を通じ説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものでなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に用いられる被成膜基材の形態を示す斜視図
【図２】図１のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ線に沿った断面図
【図３】本発明のダイヤモンドの成膜方法に用いられる成膜冶具の斜視図
【図４】図３のＣ−Ｃ線に沿った断面図
【図５】図１に示す筒状の金属基材１ａをホルダ１２の開口部１２ａに収納させた時の成膜冶具に関する断面図
【図６】本発明に係る構成にてダイヤモンド膜の成膜を行った際のダイヤモンド膜が成膜される状況を示した模式図
【図７】ホルダ１２及びマスク部材１３を用いないでプラズマＣＶＤを行った状態でのダイヤモンド膜が形成される状況を示した模式図
【図８】マスク部材１３を用いないでプラズマＣＶＤを行った状態でのダイヤモンド膜が形成される状況を示した模式図
【図９】金属基材１ａの上端が反応空間内に露出していた場合のダイヤモンド膜が形成される状況を示した模式図
【図１０】本発明に用いられる被成膜基材の別の形態を示す斜視図
【図１１】本発明のダイヤモンドの成膜方法に用いられる成膜冶具の別の形態を示した斜視図
【図１２】ダイヤモンド成膜方法を用いて製造された金属基材を用いて作製された放電灯用冷陰極の一例を示す模式的断面図
【図１３】ダイヤモンド成膜方法を用いて製造された金属基材を用いて作製された放電灯用冷陰極の一例を示す模式的断面図
【図１４】図１３に示す冷陰極２０ｂを電極として用いた場合の冷陰極放電灯の概念図
【図１５】本発明のダイヤモンドの成膜方法を説明するための概念図
【図１６】本発明のダイヤモンドの成膜方法を説明するための概念図
【図１７】本発明のダイヤモンドの成膜方法を説明するための概念図
【符号の説明】
【００６６】
１ａ…金属基材
１ｂ…金属基材
２ａ…開口部
２ｂ…開口部
３ａ…一表面（上端）
３ｂ…一表面（上端）
４…ダイヤモンド膜
４ａ…ダイヤモンド膜
４ｂ…ダイヤモンド膜
４ｃ…ダイヤモンド膜
１１…支持台
１２…ホルダ
１２ａ…開口部
１３…マスク部材
１３ａ…開口部
１５…プラズマ
２０ａ…冷陰極
２０ｂ…冷陰極
２１ａ…引き出しリード
２１ｂ…引き出しリード
２２…金属ロッド
２３ａ…ダイヤモンド膜
２３ｂ…ダイヤモンド膜
２４ａ…金属部材
２４ｂ…金属部材
２５…接合部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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