DE2210115C3 - Elektrothermischer Druckkopf für wärmeempfindliches Aufzeichnu ngsmaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroil.eitnischen Druckkopf für wärmeempfindliches Aufzeichnungsmaterial, bestehend aus einem Trägerkörpcr aus Halbleitermaterial, einer im wesentlichen aul tier dem Aufzeichnungsmaterial zugewandten Seite der Oberfläche des Trägerkörpers durch Eindiffuntlieren von Fremdatomen erzeugten Widerstands-Schicht und Mitteln zur Stromzuführung zu diesel Widerstandsschicht.

Elcktrothermische Druckköpic dieser Art siiu! bekannt (DT-PS 1 243 432). Sie werden für handelsübliche wärmeempfindliche Papiere verwendet, die sich bei Zuführung von Wärmeenergie verfärben. Die Wärmeenergie wird im Druckkopf dadurch erzeugt, daß tier dem Aufzeichnungsmaterial zugewandten Widerstandsschiclu elektrischer Sirom zugeführt und so die Wideistandsschicht geeignet erhitzt wird. Nun hat aber die Hitze ihrerseits wieder Rückwirkungen auf den Trägci körper aus Halbleitermaterial. Hei hohen Temperaturen kann nämlich der Isolatinnswidersiand des Halbleitermaterials so abnehmen, daß eine

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Halbleitermaterial. Hei diesem kann es sich um p-Silieium oder η Silicium hunijeln, das einen niederen spezifischen Widerstand aufweist. Auf einer Seile r|er Oberfläche des Trägerkörpers 11 ist auf diesem tlurch Eindiflundieren von Fremdatomen eine Widerstandssehicht 12 ausgebildet, die als wärmeerzeugende Schicht dient. Bei der Widerstandsschicht 12 handelt es sich um eine η-leitende Schicht, falls der Trügerkörper 11 p-leitend ist und umgekehrt, so daß zwischen Trägerkörper 11 und Widerstandsschicht 12 ein pn-übergang 15 gebildet wird. Zwei Elektroden 13 und 13' stehen mit der Widerstandsschicht 12 in Ohm'schem Kontakt. Wenn zwischen den Elektroden 13 und 13' eine Spannung angelegt wird, kommt es also zu einem konzentrierten Stromfluß durch die Widerstandsschicht 12, was eine beträchtliche Wärmeentwicklung zur Folge hat.

Auf dem Tiagerkörper 11 ist weiter eine Isolierschicht 14 ausgebildet, die beispielsweise eine Siliciumoxulschicht sein kann. Durch die Isolierschicht 14 ivird der Kontakt der Elektroden 13 und i V mit Jem pieht mit Fremdatomen dotierten UberflächenbereiLh des Trägerkörpers 11 vermieden.

Farbe wird auf dem blattförmigen wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial 16 an denjenigen Stellen erzeugt, die von dem heißen Druckkopf berührt v/erden. Der Druckkopf kann hierfür selbstverständlich in beliebiger Größe gebaut werden. Auch ist e-, möglich, eine Vielzahl von elckirothermischen D ruck köpfen zusamme η zu fassen.

I- i g. 2 zeigt beispielsweise die Aneinanderreihung von jeweils durch Isolatoren 17 getrennten einzelnen Trägerabschnitten 18.

f· i g. 3 A bis 3 D dienen zur Erläuterung eines Veifahrens zur Herstellung der elektrotlierniischen Druckköpfe mit dem oben erläuterten Aufbau.

Aus dotiertem Silicium wird zunächst ein HaIbleiterkörpc, 21 mit geringem spezifischem Widerstand wie der in F i «. 3 A gezeigte hergestellt. In F i g. 3 A ist dieser Halbleiterkörper 21 links in einer perspektivischen Ansicht und rechts im Seitenriß dargestellt. Der Halbleiterkörper 21 wird zu einer Höhe Ii und einer Stärke W_y entsprechend der vorgesehenen IK)Ik tuiil Stärke des schließlich zu erzeugenden thermischen Druckkopfes vorgeformt. Wie aus F i i>. 3 Ii zn entnehmen ist. werden hierauf beträchtliche Teile der entgegengesetzten Seitenflächen des Halbleiterkörper 21 lV.it einer Oxydschicht 23 überzogen, so daß lediglich die Endfläche 22 und diejenigen Ober/Iächcnleile ttvibleiben. die innerhalb eines geeigneten Abslandes/. gemessen von den Randkanten der Endfläche 22. liegen. Dies kann beispielsweise durch !heimisches Aufoxydieren der Gesamloberflächc des Körpers und anschließendes Abtragen der Oxidschicht in dem obengenannten bereich durch Photoätzimg bewirkt werden. Nachdem die Oxydschichl also teilweise wieder entfernt worden ist. läßt man in die ungeschützten oder nichloxydicr-Ic η Oberflächenpartien des Halbleiterkörpers 21 Fremdatome des gegenüber denen des Halblei'erkörpers 21 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps Limliifundicrcn. wie d^;.?s in F i ι». 3 C veranschaulicht ist. um so in den Oberflädientcilcn an der Endfläche Ll und an den Scilenpar'icn innerhalb des Absiandes 1 von den Randkanten der Endfläche 22 des Halbleiterkörper 21 eine Diffiisionsschicht 24 auszubilden. Diese Diffusioir-schicht 24 dieni als Wider- »tandsschicht.

Ein wärmeerzeugender Bereich für die Zuführung von Wärmeenergie zu einem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial ist vorzugsweise nur in engbegrenzter Erstreckung vorgesehen, und diesem Erlordernis wird dadurch Rechnung getragen, daß der wärmeerzeugende Bereich in diesem Fall im wesentlichen nur die Endfläche22 umfaßt, wie aus der Darste¹-lung der Fig. .3D hervorgeht. Der Flächeninhalt der die Strecke 1 einbegreifenden Oberflächenpartien,

ία die sich von den Randkanten der Endfläche 22 forterstrecken, wird in Anbetracht der Tatsache, daß an diesen Stellen Wärme verlorengeht, vorzugsweise so klein wie möglich gehalten. Die Flächengröße dieser Oberflächenpartien wird demgemäß so gering gewählt, daß sich dies mit der Gewährleistung der elektrischen Verbindung mit den Elektroden vereinbaren läßt. Zum Eindiffundieren des Fremdatome kann man sich eines bekannten Verfahrens zur Diffusion bediene¹.;. Ein Störstoff wie beispielsweise Phospho·.

der zur Gruppe V ties periodic.;sen Systems gehört, wird eindiffundiert, wenn es sich br\ dem Halbleiterkörper mit dem geringen spe/ifischen Widerstand um p-leitendes Material handelt, wohingegen man einen zur Gruppe III uehöreiulen Siörstoff wie beispielsweise Bor eindiffuudieren läßt, falls es sich bei dem Halbleiterkörper um n-leiiendes Material handelt. Es bedarf keiner Erwähnung, daß der spezifische Widerstand der Widerstaudsschicht durch den Zusatz der Fremdatome auf einen beliebigen Wert festgelegt

3» werden kann.

Wie aus F i a. 3 D zu ersehen ist. wird hierauf ein Metall wie etwa Aluminium oder Nickel aufgebracht, um die beiden Elektroden 25 und 25' zu bilden, so daß sich diese über clic Oxidschicht 23 und über beträchllichc Teile der Diffusionsschicht 24 an den Seitenflächen des Halbleiterkörper 21 hinwegerstrecken. Zum Aufbringen der Elektroden 25 und 25' kann ein Vakuumverdampfungsverfahren in Anwendung kom- -ncii. Bei der Vornahme der Vakuumverdampfung kann die Endfläche 22 abgedeckt weiden, so daß sich das Metall nicht auf der Endfläche 22 ablagern kann, oder aber man kann dieses Metall auf die gesamte Oberfläche aufdampfen, um es anschließend in bestimmten Bereichen durch Photoätzung wieder zu entfernen und den Elektrodcnteilcn so die gewünschte Form zu geben. Hierauf kann man sich einer Schneidvorrichtung wie beispielsweise Diamantsäge oder Drahtsäge bedienen, um den elektronischen Druckkopf so zurechtzuschnciden. daß seiiu Breife etwas größer ist als eine vorbestimmte Breite Ii ... Nach dem Läppen der bearbeiteten Flächen de· Druckkopfes wird zur Umformung des pn-übergang' 26, der unter dem Schneidvnrgang gelitten hat, ein· chemische Atzuii» des Druckkopfc-s vorgenommen wobei der Druckkopf mi¹ dl·· ■ i-tbt--linimte Breiii W_Λ gebracht '"ird.

Je nach der Art de·, henul/icn w.irniecmpfind'i dien Aufzciclmungsmediums Kann vorgesehen sein mit dem thermischen Druckkopf Temperaturen bei spielsweise über -!'!U¹C hervorzubringen. Bei clci herkömmlichen !ih'imisdien Druckkopien jene Typs, bei denen als llalbleiterköiper ein Siliciumma ierial mit hohem spezifischem Widerstand dient, wäh rend in der Oberfläehenpartic ties Halbleiterkörpei eine mit Fremdatomen dotierte Schicht ;:e:hi<:<-n spi zifischen Widerstands ausgeformt ist, muli sich tli Wärnieerzcugungschaiakterislik des Druckkopfes bi hohen Temperaturen auf Grund der Wäi meentwicl·

lung in der wärmeer/.eugenden Schicht zwangläufig verschlechtern. Im Fall des erfindungsgemäßen Druckkopfes kann demgegenüber ohne weiteres eine hohe Temperatur erzeugt werden, ohne daß eine Verschlechterung seiner Wärmeerzeugungscharakleristik in Kauf genommen werden müßte, was im folgenden begründet werden soll.

Fig. 4 zeigt die Temperaturkennlinic des spezifischen Widerstands von p-leitfähigem (bordoiiertcrn) Silicium. Aus der Figur geht hervor, daß sich der spezifische Widerstand von Silicium in einem oberhalb der Raumtemperatur liegenden Temperaturbereich mit steigender Temperatur zunächst erhöht, um dann nach Erreichen einer bestimmten kritischen Temperatur abrupt abzunehmen. Der Bereich, in dem die schroffe Verringerung des spezifischen Widerstands eintritt, wird als Eigenleitungsgebiet oder Intrinsicbereich bezeichnet. Die kritische Temperatur, bei der ein Übergang in das Eigenleitungsgcbiet erfolgt, ist in Abhängigkeit vom Wert des spezifischen Widerstandes bei Raumtemperatur unterschiedlich, und je höher der Wert des spezifischen Widerstandes des Haibleitermatcrials des Trägerkörpers bei Raumtemperatur ist, um so tiefer liegt diese kritische Temperatur. In Fi g. 4 sind beispielshaft die kritischen Temperaturen von SiliciumkristaHcn mit einem Wert des spezifischen Widerstandes bei Raumtemperatur von 0.7. 1,3, 4 und 10 Qcm aufgetragen, und die kritischen Temperaturen verringern sich beachtlich bei höhcrem spezifischen Widerstand.

Eine Erhöhung der Temperatur in jenem begrenzten Teil, der gegen ein wärmeempfindliches Aufzeichnungsmedium anliegt, genügt bereits, damit der thermische Druckkopf als Wärmeerzeuger wirkt, und je geringer die Stärke des wärmeerzeugenden Teils ist, um so wirksamer wird die in diesem Fall erzeugte Wärmeenergie genutzt. Bei dem herkömmlichen elektrothermischen Druckkopf, also bei einem Druckkopfs jenes Typs, bei dem der Widerstandswert in einem flachen Bereich an den Oberflächen des einen hohen spezifischen Widerstand aufweisenden Trägerkörpers durch Eindiffundieren von Fremdatomen herabgesetzt ist, um so eine hinlängliche Unterschiedlichkeit der Widerstandswerte der dotierten Oberflächenpartie und des Materials im Inneren des Trägerkö: pers zu gewährleisten, und bei dem ein konzentrierter Stromfluß durch die dotierte Oberflächenpartie herbeigeführt wird, um in dem dotierten Oberflächenteil eine starke Tcniperaturstciuerung zu bewirken, ist es erwünscht, den Strom durch einen Bereich zu leiten, der so n;ihe wie möglich an der Oberfläche des Trägerkörpers liegt, und der den Trägerkörper bildende Siliciumkristall muß daher einen möglichst hohen spezifischen Widerstand haben. Bei einem Siliciumkristall. mit einem solchen

ίο hohen spezifischen Widerstand erfolgt indessen bei einer Temperaturerhöhung leicht der Übergang in das Higcnleitungsgcbiet, und bei einer Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur kommt es zu einer plötzlichen Verringerung (ks Widerstandswerts ties Trägerkörpers, so daß der Strom dann auch durch das Innere des Triigcrkörpcrs fließt und eine beträchtliche Wärmeentwicklung im Inneren des Trägerkörpers einsetzt. In diesem Fall erfolgt die Wärmeerzeugung also nicht nur im Oherflächcnbc-

ao reich, der mit dem wärmccmpfindlichcii Aufzeichnungsmedium in Kontakt gebracht wird, ondcrn auch im Inneren des Trägerkörpers, und der Wärmewirkungsgrad des elektrothermischen Druckkopfes sinkt daher ganz erheblich ab. Demgegenüber kann

»5 die Strombahn beim elektrothermischen Druckkopf nach Fig. 1 nur auf der einen Seite des pn-Übcrgangs verlaufen. Im wesentlichen der gesamte Strom fließt durch die Widerstandsschicht. Der Trägerkörper braucht daher in diesem FaM keinen hohen spczifischen Widerstand zu haben. Zu einer starken Wärmeerzeugung im Inneren des Trägerkörpers wie im Fall des herkömmlichen Druckkopfes kann es nur dann kommen, wenn ein Durchbruch cluuh den pn-Übcrgang erfolgt, so daß dann ein Stroniiiuß

durch das Innere des Trägerkörpers einsetzt. l> isl jedoch festgestellt worden, daß der sogenannte Se kundärdurchbruch durch einen pn-übergang nui dann eintritt, wenn in einem Halbleitcrbereich mil einem hohen spezifischen Widerstand ein Übergang

in das Eigenleitungsgebiet stattfindet. Da als Halb leitermaterial für den Trägerköirper dotiertes Siliciurr verwendet wird, das einen geringen spezifischer Widerstand hat, wird erreicht, daß die Strombahn bi: zu hohen Temperaturen auf die oberflächliche Widerstandsschicht begrenzt bleibt und der Druck kopf bis zu diesen hohen Temperature- keine Verringerung seines Wärmewirkungsgrads zeigt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche·.

   ordnungsgemäße Funktion des elektmlliermisehen Druckkopfes nicht mehr gegeben ist.

   Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, Uas die Widerstandsschicht trügende Halbleitermaterial so auszubilden, daß auch bei hohen Temperaturen der Isolalionswiderstand gegenüber der angelegten Spannung nicht auf einen störenden Wert absinkt.

   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäU dadurch ueöst, daß dem Halbleitermaterial des Träuerkörpers

   I. Fleklrothermischer Druckkopf für wärmeempfiudlichcs Aufzeichnungsmaterial, bestehend aus einem Trägerkörper aus Halbleilermalerial, einer im wesentlichen auf der dem Aufzeichnungsmaterial zugewandten Seite der Oberfläche des Trägerkörpers durch Eindiffundieren

   von Fremdatomen erzeugten Widerstandsschiclu 10 so viele Fremdatome des einen Leiiungstyps zuge- und Mitteln zur Stromzuführung zu dieser Wider- setzt sind, daß es einen niedrigen spezifischen Widerstandsschicht, dadurch gekenn/eich- stand besitzt, die Witlerstandsschicht durch Eindifnet, daß dem Halbleitermaterial des Irägerköi- fundieren von Fremdatomen des anderen Lcitungspers (II, 21) so viele Fremdatome des einen Lei- typs erzeugt ist und die Mittel zur Stromzuführung tungstyps zugesetzt sind, daß es einen niedrigen 15 gegenüber dem Trägerkörper isoliert sind,
   spezifischen Widerstand besitzt, die Widerstands- Im allgemeinen wird davon ausgegangen, daß der

   Trägerkörper aus Halbleitermaterial einen hohen Widerstandswert haben muß. damii ^;-. elektrische Strom ausschließlich durch die Widerstandsschicht 2" fließt. Nun wurde festgestellt, daß grundsätzlich der spezifische Widerstand des Halbleitermaterials n;it tier Temperatur bis zu einer bestimmten kritischen Temperatur ansteigt und im Bereich über dieser kritischen Temperatur bei weiterer Temperatursteige· runu wieder abfällt. Weiter ergab sich. daß. je kleiner tier spezifische Widerstand des Halbleilermaterials war. je mehr die kritische I einpeianir gegen höhere Temperaturen hin verschoben wurde. Macht man also einsprechend tier zunächst naheliegenden Maßnähme den spezifischen Widersland ties Halhkiterinalcrials. aus dem der Trägerkörper besteht, gro'l, so ergibt sich ein uimenügender Isolat'.onsw iJjrsj.md bei hohen Temperaturen, die dann bereits jjuv.·,·- dcr kritischen Temperatur liegen. Wird statt dessen dem Halbleitermaterial ein niedrigerer spezifischer Widerstand gegeben, so liegt die kritische Tempei.itur bei sehr hohen Temperaturen, weshalb dei Widerstand bei Zunahme der Temperatur wegen de; Tatsache, daß man durchweg unter der kritischer iⁿ Temperatur bleibt, nur zunimmt und der l.oiat.on, widerstand damit verbessert wird. Bei Verwendung eines Isolierkörpers des gegenüber der Widerstands schichi entgegengesetzten 1 eitfähigkeitsiyps mit nie tlerem spezifischen Widerstand wird dagegen ein ho her Isolaiionswidcrstand auch bei hohen Temperalu len sicherüc.-'.ellt. so dnß P'unktio;issiörunge:i \erniie i\c\i- sind.

   Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsfor men tier 1 rlindium an Hand der Zeichnungen be 5" schrieben. Ls zeigt

   F i g. 1 A eine perspektivische ,Ansieht einer Au¹· fiihrimgsform eines elektrothermischen Druckkopi'c Fig. I B einen Längsschnitt durch den elcktro ihermi'.chen Druckknopf von Fig. I A. F" 1 L. 2 eine perspektivische Ansicht einer Anein anderreilums; von Finzelabschnitten eine·, elektro thermischen Druck kopfes.

   F i g. 3 A bis 3D Darstellungen zur Veranscliaul· chum; aufeinanderfolgender Verfahrenssciiritte Im der Herstellung eines elektrothermisch¹-']! Drue·'.kor fcs. und

   F ig. 4 eine graphische Darstellung der Ändernd ties spezifischen Widerstandes eines Halbleiters i Abhängigkeit von der Temperatur mit dem Wert dt spezifischen Widerstands bei Raumtemperatur a Parameter.

   Fig. 1 A und 1 H zeigen einen elektrothermisch^ Druckkopf mit einem Trägerkörper 11 au, tinei

   schicht (12. 24) durch Findi.'fundieren von Fremdatomen des anderen Leitungstyps erzeugt ist und die Mjtcel (13, 13': 25, 25') zu, Stromzuführung gegenüber dem Trägerkörper isoiie:; sind.
2. 2. Llektro'ilierunscher Druckkopf nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daLi das Halbleitermaterial eine kritische TemperaUir. bei der ein Übergang zur Eigcnleilfähigkeit auftritt, hat. die höher ist als die iarber/jugende Temperatur des wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterials (16). und dall die Widerstandsschiclu (12, 24) durch Stromzuführung bis auf eine TempeiYuur aufheizbar ..->t, die höher als die farberzeugentle Temperatur und kleiner als die kritische Temperatur ist.
3. 3. Llekliothcrmischer D uckkopf nae'n spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dall Widerstandsschiclu (12, 24) in eine Wlzahl z.elner W iderstaiidsschichten iiiUertcilt ist. der Trägerkörper (11. 21) eine Vielzahl Trägerabschnitten (18) hat. zwischen die jeweils Isolatoren (17) eingeschaltet sind, und daß die Widerstandsschiclu und die Mittel zur Stromzuführung jeweils auf den jeweiligen Träger abschnitten (18) angeordnet sind.

   Andie eindaß von