DE4322106A1 - Thermoaufzeichnungskopf - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Thermoaufzeichnungskopf und insbesondere einen
Thermoaufzeichnungskopf, bei dem keine Schutzschichten auf
den im Thermoaufzeichnungskopf verwendeten Heizwiderständen
vorgesehen sind.
Dünnfilm-Thermoaufzeichnungsköpfe stellen wichtige
Komponenten für thermische Aufzeichnungsvorgänge und
thermische Kopiervorgänge in Aufzeichnungsvorrichtungen, wie
Telefaxgeräten und Druckern, dar. Die Grundstruktur eines
herkömmlichen Thermoaufzeichnungskopfes ist in Fig. 1
gezeigt. Ein Substrat 1 ist auf einem keramischem Substrat
(nicht abgebildet) vorgesehen. Das Substrat 1 ist mit einer
500 bis 1000 Å dicken Heizwiderstandsschicht 2 versehen.
Eine Sperrschicht 3 ist auf der Heizwiderstandsschicht 2 in
der Weise vorgesehen, daß sie den Bereich der
Heizwiderstandsschicht 2, der zum Erwärmen des
wärmeempfindlichen Aufzeichnungspapiers vorgesehen ist,
nicht bedeckt. Ein Dünnfilm-Leiter 4 ist auf der
Sperrschicht 3 im Abstand vom Heizbereich des Widerstands
ausgebildet. Der Leiter 4, der nicht mit dem Leiter 4
bedeckte Bereich der Sperrschicht 3 und der Heizbereich sind
mit einer Antikorrosionsschicht 5 bedeckt. Die
Antikorrosionsschicht 5 ist mit einer Antiabriebschicht 6
bedeckt.
Beim Substrat 1 handelt es sich um eine Glasschicht von
mehreren 10 µm Dicke, die ausreichend glatt ist, um darauf
die Bildung der Heizwiderstandsschicht 2 zu ermöglichen. Das
Substrat 1 muß eine thermische Isolierung der
Heizwiderstandsschicht 2 gegen das keramische Substrat
ermöglichen, so daß ein möglichst großer Anteil des durch
den Heizwiderstand 7 erzeugten Heizimpulses in Richtung der
Antikorrosionsschicht 5 und der Antiabriebschicht 6
übertragen wird. Das Substrat 1 muß ferner die
Heizwiderstandsschicht 2 zwischen den Heizimpulsen kühlen,
indem sie die Wärme von der Heizwiderstandsschicht 2
abführt.
Die Temperatur der Heizwiderstandsschicht 2 steigt während
einer gepulsten Spannung von jeweils 2 ms von der
ursprünglichen Temperatur auf 250 bis 300°C. Diese
Temperatur muß sich während der anschließenden Pause
zwischen den Impulsen von etwa 20 ms auf die ursprüngliche
Temperatur abkühlen. Ein Heizwiderstand für einen
Thermoaufzeichnungskopf muß von ausreichender
Dauerhaftigkeit sein, daß ein derartiger drastischer Zyklus
100 Millionen Mal wiederholt werden kann, ohne daß sich eine
Widerstandsänderung von mehr als + oder -10% ergibt.
Heizwiderstandsmaterialien sollen einen spezifischen
Widerstand von 1000 bis 2000 µΩcm aufweisen, da der
praktische Bereich für die Dünnfilmdicke 500 bis 1000 Å
beträgt. Nur wenige herkömmliche Materialien, wie Ta2N, TiOx
und B2Hf, erfüllen diese Anforderungen. Da alle diese
Materialien beim Erwärmen an der Luft einer Oxidation
unterliegen und somit abbrennen, ist bei herkömmlichen
Thermoaufzeichnungsköpfen die Antioxidationsschicht 5
unerläßlich als eine Schicht mit der Aufgabe, den Zutritt
von Sauerstoff zur Heizwiderstandsschicht 2 zu verhindern.
Bei der Antikorrosionsschicht 5 handelt es sich im
allgemeinen um eine durch Sputtering gebildete SiO2-Schicht
von 3 bis 5 µm Dicke. Da die SiO2-Schicht jedoch leicht
durch Kontakt mit dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungspapier
einem Abrieb unterliegt, muß ihre Oberfläche mit der
Antiabriebschicht 6 bedeckt sein. Bei der Antiabriebschicht
6 handelt es sich üblicherweise um eine durch Sputtering
gebildete Ta2O5-Schicht von 2 bis 3 µm Dicke. Die
Antioxidationsschicht 5 und die Antiabriebschicht 6 schützen
auch den Dünnfilm-Leiter 4, der üblicherweise aus einem
weichen Metall, wie Aluminium, gebildet ist, gegen Abrieb.
Wäre der Dünnfilm-Leiter 4 direkt auf der Dünnfilm-
Heizwiderstandsschicht 2 ausgebildet, so würde das Anlegen
einer Spannung an den Dünnfilm-Leiter 4 eine
Elektromigration in der Heizwiderstandsschicht 2
hervorrufen. Eine derartige Elektromigration verändert in
starkem Maße den Widerstand der Heizwiderstandsschicht 2.
Die Sperrschicht 3 isoliert die Heizwiderstandsschicht 2
gegen den Leiter 4, wodurch eine Elektromigration verhindert
wird. Bei der Sperrschicht 3 handelt es sich um eine
Dünnfilmschicht von etwa 500 bis 1000 Å Dicke, die aus einem
Material mit einem hohen Schmelzpunkt, wie Chrom, gebildet
ist.
Der Metalleiter 4 weist eine Dicke von 1 bis 2 µm auf, um
seinen Widerstand zu verringern. Diese Dicke führt zu einer
Anhebung des Oberflächenniveaus des Leiters 4 über das
Niveau des Heizbereiches, wodurch eine "Berg- und Tal"-
Situation entsteht, wobei der Heizbereich im Tal liegt. Der
Leiter 4 ist üblicherweise in einer Entfernung von 200 bis
300 µm vom Heizbereich ausgebildet, so daß das
wärmeempfindliche Aufzeichnungspapier in Kontakt mit dem
Heizbereich kommen kann, ohne daß es vom Leiter 4 behindert
wird. Die Anordnung des Leiters 4 im Abstand vom Heizbereich
führt auch zu einer Minimierung des Wärmeverlustes an den
Leiter 4, der Wärme besser als die Schutzschichten leitet.
Eine Trennung des Leiters 4 vom Heizbereich mit einem
derartigen Abstand ermöglicht es, den Widerstand der
Sperrschicht 3 auf etwa 1% des Widerstands der Dünnfilm-
Widerstandsschicht 2 zu verringern. Auf diese Weise können
Wärmeverluste unterdrückt werden.
Aufgrund des ständigen Bedürfnisses nach höheren
Druckgeschwindigkeiten durchgeführte Forschungsarbeiten
haben zur Entwicklung von Thermodruckern mit
Thermoaufzeichnungsköpfen der vorstehend beschriebenen Art
geführt, die mit 1 ms-Heizimpulsen mit Frequenzen von 100 Hz
drucken können. Um jedoch derart hohe Geschwindigkeiten zu
erzielen, muß der Heizwiderstand auf hohe Temperaturen
erwärmt werden, die in den benachbarten Bauteilen erhebliche
thermische und mechanische Verformungen hervorrufen.
Derartige Verwerfungen können zur Rißbildung in der
Antikorrosionsschicht 5 und der Antiabriebschicht 6 führen.
Diese Risse ermöglichen den Zutritt von Luft zur Dünnfilm-
Widerstandsschicht 2, die dann abbrennen kann.
Hochgeschwindigkeits-Telefaxgeräte und andere Vorrichtungen
wurden mit Dünnfilm-Heizwiderständen aus oxidierten
Materialien versehen, d. h. aus Materialien, die durch an
Luft durchgeführte Wärmebehandlungsvorgänge stabilisiert
sind. Beispielsweise beschreibt JP-A-58-84401 einen
Dünnfilm-Heizwiderstand aus einem Cr-Si-SiO-
Legierungsmaterial und JP-A-57-61582 einen aus einer Ta-Si-
SiO-Legierung hergestellten Dünnfilm-Heizwiderstand. Diese
Materialien sind beim Erwärmen in einer oxidierenden
Atmosphäre von äußerster Stabilität, sofern die Temperatur
der Temperatur des Wärmebehandlungsvorgangs entspricht oder
darunter liegt.
Eine LSI-Schaltung, die an den Thermoaufzeichnungsköpfen zur
Energieversorgung des Heizwiderstands 7 mit einem
Spannungsimpuls vorgesehen ist, ist üblicherweise mit dem
Heizwiderstand 7 verbunden, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Ein
Verdrahtungssubstrat 8 ist benachbart zum Substrat 1 an
einem Kühlblock 9 befestigt. An dem dem Substrat 1
gegenüberliegenden Ende des Verdrahtungssubstrats 8 ist ein
Stecker 10 angebracht. Der Heizwiderstand 7 ist auf dem
Substrat 1 befestigt. Eine Steuer-LSI-Schaltung 11 ist mit
dem Verdrahtungssubstrat 8 mit einem Golddraht 12 und mit
dem Substrat 1 mit einem Golddraht 12′ verbunden. Ein Harz
13 bedeckt die Golddrähte 12 und 12′ sowie die Steuer-LSI-
Schaltung 11 zu Schutzzwecken.
Eine Schwierigkeit bei großtechnisch hergestellten
Hochgeschwindigkeits-Thermoaufzeichnungsgeräten der in Fig.
1 gezeigten Grundstruktur besteht darin, daß die
Antioxidationsschicht 5 und die Antiabriebschicht 6, die
insgesamt 5 bis 8 µm ausmachen, einen direkten Kontakt des
Heizbereichs der Heizwiderstandsschicht 12 mit dem
wärmeempfindlichen Aufzeichnungspapier verhindern. Ferner
dient fast die Hälfte der für herkömmliche
Thermoaufzeichnungsköpfe erforderlichen Energie zum
Aufheizen der Schutzschichten anstelle des
wärmeempfindlichen Papiers. Ferner stellen die
Schutzschichten einen thermischen Puffer für das
wärmeempfindliche Aufzeichnungspapier gegenüber der
Heizwiderstandsschicht dar, wodurch eine Verzögerung
zwischen der Erwärmung des Heizwiderstands und der Erwärmung
der im Kontakt mit dem wärmeempfindlichen
Aufzeichnungspapier stehenden Schutzschichten entsteht.
Außerdem entweicht ein Großteil der vom Heizwiderstand
erzeugten Wärme auf das Substrat, was auf die unerwünschten
Wärmeisolationseigenschaften der Schutzschichten
zurückzuführen ist.
Es besteht auch eine bekannte Schwierigkeit hinsichtlich des
Verfahrens zur Verbindung der LSI-Schaltung 11 mit dem
Heizwiderstand 7 gemäß der Darstellung in Fig. 2 insofern,
als die Anzahl der erforderlichen Golddrähte 12 und 12′
größer als die Anzahl der Heizwiderstände 7 ist. Da so
zahlreiche Golddrahtverbindungen erforderlich sind, machen
die Kosten für den Golddraht ein Drittel der gesamten
Herstellungskosten des Thermoaufzeichnungskopfes aus. Ferner
bringt diese Anordnung Beschränkungen hinsichtlich der
Miniaturisierung des Thermoaufzeichnungskopfes mit sich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die vorerwähnten
Nachteile zu überwinden und einen Thermoaufzeichnungskopf
bereitzustellen, bei dem die zur Energieversorgung der
Heizwiderstände erforderliche Energie verringert ist.
Außerdem soll ein Thermoaufzeichnungskopf bereitgestellt
werden, bei dem verhindert wird, daß die zur Durchführung
des Thermoaufzeichnungsvorgangs erzeugte Wärme in Richtung
zur Substratseite entweicht. Außerdem soll erfindungsgemäß
ein Thermoaufzeichnungskopf bereitgestellt werden, bei dem
die Anzahl der Herstellungsstufen stark reduziert ist.
Schließlich soll erfindungsgemäß ein Thermoaufzeichnungskopf
bereitgestellt werden, der eine kompakte Bauart besitzt und
mit dem Druckvorgänge mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt
werden können.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch einen
Thermoaufzeichnungskopf zur thermischen Aufzeichnung eines
Bilds auf einem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial
gelöst, wobei der Kopf eine Dünnfilm-Widerstandsschicht und
ein Substrat umfaßt. Die Dünnfilm-Widerstandsschicht weist
einen Heizbereich zur Gewährleistung eines direkten Kontakts
mit dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial auf. Die
Dünnfilm-Widerstandsschicht wird durch gepulsten
elektrischen Strom mit Energie versorgt. Der Heizbereich
erwärmt sich stoßweise entsprechend dem gepulsten
elektrischen Strom zum Aufheizen des wärmeempfindlichen
Aufzeichnungsmaterials und erzeugt darauf ein Bild. Der
Träger ist zur Aufnahme der Dünnfilm-Widerstandsschicht
vorgesehen. Der Träger ist aus einem Material hergestellt,
dessen linearer Wärmeausdehnungskoeffizient kleiner als der
entsprechende Koeffizient des Materials der Dünnfilm-
Widerstandsschicht ist. Bei der Dünnfilm-Widerstandsschicht
handelt es sich um eine Dünnfilmschicht von 500 bis 1000 Å
Dicke, die entweder aus einer Cr-Si-SiO-Legierung oder einer
Ta-Si-SiO-Legierung hergestellt ist. Das Trägermaterial
weist von 20 bis 300°C einen linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 5 × 10-6/°C
auf.
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht und einen Querschnitt eines
herkömmlichen Heizwiderstands;
Fig. 2 einen Querschnitt eines herkömmlichen
Thermoaufzeichnungskopfes;
Fig. 3 einen Querschnitt einer Anordnung eines
Heizwiderstands gemäß einer ersten bis dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 einen Querschnitt eines Heizwiderstands gemäß einer
vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 einen Querschnitt eines Thermoaufzeichnungskopfes
gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 6 einen Querschnitt zur Darstellung der Verbindung des
Wärmedruckkopfes gemäß einer fünften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 einen Querschnitt eines Wärmedruckkopfes gemäß einer
sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 einen Querschnitt eines Heizwiderstands gemäß einer
siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 eine Modifikation der in Fig. 8 gezeigten siebten
Ausführungsform;
Fig. 10 einen Querschnitt und eine Draufsicht eines
Thermodruckkopfes, an dem der in Fig. 5 gezeigte
Heizwiderstand befestigt ist;
Fig. 11 eine graphische Darstellung einer SST-
Charakteristik;
Fig. 12 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
der thermischen Spannung und der Antiimpuls-Charakteristik;
und
Fig. 13 eine graphische Darstellung einer
Scheinaufzeichnungscharakteristik.
Erfindungsgemäß wird ein Thermoaufzeichnungskopf mit
Heizwiderständen 27, die gemäß einer bevorzugten ersten
Ausführungsform der Erfindung ausgebildet sind,
bereitgestellt. Eine vorbestimmte Anzahl an Heizwiderständen
27 ist nebeneinander in senkrechter Richtung zur
Zeichnungsebene angeordnet. Wie in Fig. 3 gezeigt ist,
umfaßt jeder Heizwiderstand 27 eine auf einem Substrat 21
gebildete Dünnfilm-Widerstandsschicht 22 aus einer Cr-Si-
SiO-Legierung, eine Dünnfilmschicht 23 aus Chrom (im
folgenden bezeichnet als "erster Dünnfilm-Leiter") und einen
Dünnfilm-Leiter 24 aus Nickel (im folgenden bezeichnet als
"zweiter Dünnfilm-Leiter"). Der Bereich des Heizwiderstands
27, der in Kontakt mit dem wärmeempfindlichen Papier steht
und dieses erwärmt, wird in seiner Gesamtheit durch die
Dünnfilm-Widerstandsschicht 22 aus der Cr-Si-SiO-Legierung
gebildet.
Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Träger
21 aus Silicium gebildet und weist von Raumtemperatur bis
300°C einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa
3 × 10-6/°C auf. Der Träger 21 kann aus Materialien, wie Neo
Seram, hergestellt von Nippon Electric Glass Co., Ltd.,
Pyrex-Glas (Warenbezeichnung) oder Mullit-Keramik
hergestellt sein. Die Dünnfilm-Widerstandsschicht 22 aus der
Cr-Si-SiO-Legierung weist eine Dicke von etwa 700 Å auf,
obgleich auch beliebige Dicken von 500 bis 1000 Å geeignet
sind. Der erste Dünnfilm-Leiter 23 weist eine Dicke von etwa
1000 Å auf, obgleich auch beliebige Dicken von 500 bis 1000
Å geeignet sind. Der zweite Dünnfilm-Leiter 24 ist etwa 2 µm
dick. Der Heizwiderstand 27 weist einen Widerstandswert von
2,5 kΩ auf. Der erste Dünnfilm-Leiter 23 kann durch einen
Dünnfilm aus Hartmetallen mit hohen Schmelzpunkten und
niedrigen Widerstandswerten, wie Molybdän, Wolfram und
Tantal ersetzt werden. Ferner kann der zweite Dünnfilm-
Leiter 24 kürzer ausgebildet oder weggelassen und der erste
Dünnfilm-Leiter als Leiter verwendet werden. Dies verringert
die Anzahl der Verfahrensschritte bei der Herstellung und
verringert die Kosten für den Aufzeichnungskopf.
Da die Dünnfilm-Widerstandsschicht 22 direkt auf dem
Substrat 21 befestigt ist, erwärmt sich das Substrat 21 mit
den Heizimpulsen der Dünnfilm-Widerstandsschicht 22. Daher
dehnen sich sowohl das Substrat 21 als auch die Dünnfilm-
Widerstandsschicht 22 mit jedem Heizimpuls aus. Die
Dünnfilm-Widerstandsschicht 22 erleidet eine Rißbildung,
wenn sich das Substrat 21 in stärkerem Ausmaß als die
Dünnfilm-Widerstandsschicht 22 ausdehnt.
Die glasierten Keramiksubstrate von herkömmlichen
Heizwiderständen weisen hohe lineare
Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 9 × 10-6/°C auf;
dagegen besitzen die Schutzschichten, d. h. die SiO2-
Antioxidationsschicht 5 und die Ta2O5-Antiabriebschicht 6
gemäß der Darstellung in Fig. 1, geringe lineare
Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 1 × 10-6 und weniger.
Daher üben sie ständig eine Druckspannung auf die Dünnfilm-
Widerstandsschicht 2 aus und verhindern deren Rißbildung.
Da in der dargestellten Ausführungsform keine derartigen
Schutzschichten vorhanden sind, würde die Verwendung eines
glasierten Keramiksubstrats eine Rißbildung der Dünnfilm-
Widerstandsschicht 22 aus der Cr-Si-SiO-Legierung
hervorrufen und die Lebensdauer des Heizwiderstands 27
verkürzen. Da jedoch der mittlere lineare
Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats 21 in der
dargestellten Ausführungsform von Raumtemperatur bis 300°C
etwa 3 × 10-6/°C beträgt, dehnt sich das Substrat 21 weniger
als die Dünnfilm-Widerstandsschicht 22 aus. Auf diese Weise
übt das Substrat 21 eine Druckspannung auf die Dünnfilm-
Widerstandsschicht 22 aus und verhindert eine Rißbildung.
Auf dem Siliciumsubstrat 21 ist eine SiO2-Schicht von 5 µm
Dicke ausgebildet.
Erfindungsgemäß wurden Bewertungstests an einem
Thermoaufzeichnungskopf mit Heizwiderständen der vorstehend
beschriebenen Struktur durchgeführt, indem man eine Spannung
an den Wärmeaufzeichnungskopf zur Aufzeichnung von Bildern
auf wärmeempfindlichem Aufzeichnungspapier anlegte. Der
Thermoaufzeichnungskopf gemäß der ersten Ausführungsform
benötigte im Vergleich zu einem herkömmlichen
Thermoaufzeichnungskopf pro Punkt nur etwa die halbe
Energie, um Bilder von gleichwertiger Qualität
aufzuzeichnen. Dies bedeutet, daß bei einer Impulsbreite von
1 ms und einer Pause zwischen den Impulsen
(Abkühlungsperiode) von 10 ms ein herkömmlicher
Thermoaufzeichnungskopf etwa 0,34 W/Punkt benötigt, während
beim erfindungsgemäßen Thermoaufzeichnungskopf nur 0,18
W/Punkt erforderlich sind. Auf der anderen Seite ermöglichen
die Verringerung der Abkühlungszeit, die sich aufgrund der
hervorragenden Abkühlungseigenschaften des Siliciumsubstrats
ergibt, und die Verringerung der Energie eine doppelt so
hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit wie bei herkömmlichen
Thermoaufzeichnungsköpfen. Dies bedeutet, daß ein derartiger
Thermoaufzeichnungskopf bei einer Aufzeichnungsenergie von
0,35 W/Punkt eine Impulsbreite von 0,5 ms und eine Frequenz
von 5 ms erreicht. Erfindungsgemäß wurde die Lebensdauer des
Heizwiderstands gemäß dieser Ausführungsform getestet, indem
man mit diesem Thermoaufzeichnungskopf
Daueraufzeichnungsvorgänge durchführte. Dabei wurde
festgestellt, daß der Heizwiderstand mit Erfolg 100
Millionen Impulse erzeugte.
Ein Heizwiderstand 27 gemäß einer zweiten Ausführungsform
besitzt die gleiche Struktur und die gleiche Wirkung wie der
Heizwiderstand 27 in der ersten Ausführungsform,
unterscheidet sich jedoch hinsichtlich des Materials des
Substrats 21. Erfindungsgemäß wurden drei
Thermoaufzeichnungsköpfe gemäß der zweiten Ausführungsform
mit folgenden unterschiedlichen Substratmaterialien
hergestellt: Quarzglas, Borsilikatglas (Pyrex,
Warenbezeichnung) und Glas mit geringem Alkaligehalt der
Firma Nippon Denki Glass, Inc. Von 30 bis 300°C betragen die
durchschnittlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten für
Quarzglas 0,4 × 10-6, für Borsilikatglas (Pyrex,
Warenbezeichnung) 3,3 × 10-6 und für Glas mit geringem
Alkaligehalt 5,0 × 10-6. Erfindungsgemäß wurden
Aufzeichnungstests an den Thermoaufzeichnungsköpfen
durchgeführt, indem man fortlaufend an die Heizwiderstände
Impulse von 0,32 W/Punkt und 0,5 ms bei Pausen zwischen den
Impulsen von 5 ms anlegte. Obgleich sämtliche
Thermoaufzeichnungsköpfe den Test so bestanden, daß sie für
die tatsächliche Anwendung in ausreichendem Maße geeignet
sind, ist die Lebensdauer von Glas mit geringem Alkaligehalt
etwas kürzer als die der anderen Materialien. Aus diesen
Ergebnissen läßt sich schließen, daß bei Verwendung eines
Substrats mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 5 × 10-6/°C oder weniger in Kombination mit dem Cr-Si-
SiO-Legierungs-Dünnfilm-Material ein Heizwiderstand
entsteht, dessen Lebensdauer für praktische Anwendungszwecke
ausreicht.
Ein Thermoaufzeichnungskopf gemäß einer dritten bevorzugten
Ausführungsform weist Heizwiderstände von gleicher Struktur
wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform auf, bedient
sich jedoch einer Dünnfilm-Heizwiderstandsschicht aus einer
Ta-Si-SiO-Legierung anstelle der Dünnfilm-
Heizwiderstandsschicht aus der Cr-Si-SiO-Legierung.
Erfindungsgemäß wurde ein Thermoaufzeichnungskopf gemäß
dieser dritten Ausführungsform hergestellt und auf seine
Lebensdauer getestet. Die Testergebnisse waren genau die
gleichen, wie bei den Thermoaufzeichnungsköpfen gemäß der
ersten und zweiten Ausführungsform, was zeigt, daß diese
beiden Typen von Dünnfilm-Widerständen von gleicher Qualität
sind.
Ein besonders kritischer Punkt bei kontinuierlichen
Aufzeichnungstests zur Bestimmung der Lebensdauer beinhaltet
während des Tests die Einführung von körnigem Material
zwischen den Thermoaufzeichnungskopf und das
wärmeempfindliche Aufzeichnungspapier. Bei diesem Versuch
soll eine Situation simuliert werden, bei der Staub und
Schmutz sich zwischen dem Thermoaufzeichnungskopf und dem
wärmeempfindlichen Aufzeichnungspapier ansammelt, wobei
derartige Schmutzpartikel beispielsweise in trockenen
Gegenden durch die Bürofenster zum Thermoaufzeichnungskopf
gelangen und durch starke mechanische Verformungen eine
Rißbildung verursachen. Während dieser Tests weicht der
Widerstandswert der Heizwiderstandsschicht gelegentlich nach
etwa 10 Millionen Impulsen vom vorgeschriebenen Bereich ab,
was zeigt, daß die zuverlässige Arbeitsweise durch die
Umgebung in unerwünschter Weise beeinträchtigt werden kann.
Gemäß der vierten bevorzugten Ausführungsform wird eine
Maßnahme zur Überwindung dieser Schwierigkeiten
bereitgestellt.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird bei dieser bevorzugten
Ausführungsform eine äußerst dünne Antiabrieb-Schutzschicht
25 auf dem Heizwiderstand ausgebildet. Die Antiabrieb-
Schutzschicht 25 besteht aus einem Ta2O5- oder SiN-Überzug.
Ta2O5 oder SiN wurden wegen ihrer hervorragenden
Abriebbeständigkeit gewählt. Die Schutzschicht 25 muß
lediglich den 500 bis 1000 Å dicken Dünnfilm-Widerstand 22
und den ersten Dünnfilm-Leiter 23 gegen einen Abrieb durch
körniges Material schützen. Daher wurde erfindungsgemäß die
Antiabriebqualität von Ta2O5 in Betracht gezogen und
angenommen, daß eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,5 µm
ausreichen würde. Um diese Annahme zu prüfen, wurden
erfindungsgemäß Thermoaufzeichnungsköpfe mit
Heizwiderständen mit Ta2O5-Schutzschichten 5
unterschiedlicher Dicken, d. h. 0,1, 0,2 und 0,4 µm,
hergestellt und auf ihre Lebensdauer getestet, indem man auf
die vorstehend beschriebene Weise während des
Aufzeichnungsvorgangs körniges Material zuführte. Die
einzelnen Typen von Heizwiderständen erzeugten in
erfolgreicher Weise 30 bis 50 Millionen Impulse. Das
Anbringen einer Schutzschicht mit einer Dicke im Bereich von
0,1 bis 0,5 µm auf den Heizwiderstand erhöhte den
Energieverbrauch nur um 10% oder weniger im Vergleich zu
einem Heizwiderstand ohne Schutzschicht.
Erfindungsgemäß wurden Tests durchgeführt, um den Einfluß
der Schutzschicht 25 und des Substrats 21 auf die
Antiimpulseigenschaften des Dünnfilm-Widerstands 22 aus der
Cr-Si-SiO-Legierung zu zeigen. Die Ergebnisse dieser Tests
sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Wie in der vorstehenden Tabelle 1 gezeigt ist, wurden
erfindungsgemäß vier Thermoaufzeichnungsköpfe mit den Nr. 1,
2, 3 und 4 hergestellt. Materialien, Formgebung und
Herstellungsverfahren für den Dünnfilm-Widerstand 22, den
Sperrmetall-Dünnfilm 23 und den Dünnfilm-Leiter 24
entsprechen den vorstehenden Angaben. Dies bedeutet, daß der
Thermoaufzeichnungskopf 1 schutzschichtfreie Heizwiderstände
auf einem glasierten Aluminiumsubstrat umfaßte. Der
Thermoaufzeichnungskopf 2 wies herkömmliche Heizwiderstände
auf einem glasierten Aluminiumsubstrat auf und umfaßte eine
etwa 3,0 µm dicke, durch ein Sputtering-Verfahren gebildete
Antikorrosionsschicht 15 und darauf eine ebenfalls durch ein
Sputtering-Verfahren gebildete Si3N4-Antiabriebschicht 16
von etwa 1 µm Dicke (vergl. Fig. 1). Der
Thermoaufzeichnungskopf Nr. 3 umfaßte Heizwiderstände auf
einem Neo Seram N-11-Substrat der Firma Nippon Electric
Glass Co., Ltd. und wies eine extrem dünne Schutzschicht 25
in Form einer durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase
gebildeten Si3N4-Schicht von 0,3 µm Dicke auf. Der
Thermoaufzeichnungskopf 4 wies schutzschichtfreie
Heizwiderstände auf einem Neo-Seram-N-11-Substrat auf.
Auf dem Substrat 21 befindet sich ein etwa 700 Å dicker, 100
µm breiter (200 Punkte/Zoll) und 150 µm langer Dünnfilm-
Widerstand aus Cr-Si-SiO-Legierung mit einem Widerstandswert
von etwa 2500 Ω. Auf dem Dünnfilm-Widerstand 22 aus der Cr-
Si-SiO-Legierung ist ein etwa 500 Å dicker erster Dünnfilm-
Leiter 23 so ausgebildet, daß ein Heizbereich des Dünnfilm-
Widerstands 22 frei bleibt. Ein etwa 2 µm dicker
Aluminiumleiter 24 ist auf dem ersten Dünnfilm-Leiter 23 so
ausgebildet, daß etwa 300 µm des Sperrmetall-Dünnfilms 3
frei bleiben.
Die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von
Raumtemperatur bis 300°C für die in Tabelle 1 aufgeführten,
getesteten Materialien sind in nachstehender Tabelle 2
zusammengestellt.
Die in Tabelle 1 angegebenen durchschnittlichen linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten für die
Thermoaufzeichnungsköpfe Nr. 1 und 4 (ohne Schutzschicht)
stellen den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des
Substrats dar. Die Werte für die Aufzeichnungsköpfe Nr. 2
und 3 (Schutzschicht) stellen den arithmetischen Mittelwert
der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schutzschicht
und des Substrats dar. Eine Erklärung dieser Zahlenwerte
wird später gegeben. Eine durch mechanische Ermüdung
verursachte Rißbildung des Dünnfilm-Widerstands wird durch
die Größenordnung der wiederholten thermischen Spannungen,
die mit jedem Heizimpuls an das Substrat und die
Schutzschicht angelegt werden, beeinflußt. Die Größenordnung
ist proportional zum arithmetischen Mittelwert der linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schutzschicht und des
Substrats zwischen Raumtemperatur und 300 oder 400°C.
Erfindungsgemäß wurden die vier Typen der in Tabelle 1
aufgeführten Heizwiderstände Nr. 1 bis 4 hergestellt und
jeweils Tests mit steigender Spannung (step-up stress test;
SST) unterworfen. Ein Beispiel für die Ergebnisse dieser
Tests ist in Fig. 11 gezeigt. Der Wert der zugeführten
Energie, bei der die Kenngröße des SST-Tests die Nullinie
schneidet (0% Widerstandsänderung) kann, wie in Fig. 11
gezeigt ist, als der Wert angesehen werden, der die
Antiimpuls-Kenngröße des Heizwiderstands darstellt.
Andererseits erleidet der Dünnfilm-Widerstand 22 aus der Cr-
Si-SiO-Legierung durch Erhitzen nicht leicht eine Rißbildung.
Infolgedessen wird zwar allgemein angenommen, daß eine
Rißbildung durch ein Ermüdungsversagen aufgrund wiederholter
mechanischer Belastung hervorgerufen wird, es handelt sich
jedoch nicht um ein Ermüdungsversagen aufgrund von
thermischer Expansion und Kontraktion des extrem dünnen
(beispielsweise 0,07 µm) Widerstands-Dünnfilms selbst.
Vielmehr wird dies möglicherweise durch das gleichzeitige
Aufheizen und Abkühlen des Substrats oder die thermische
Expansion und Kontraktion der Schutzschichten beeinflußt.
Um diese Annahme zu bestätigen, wurde erfindungsgemäß das
Diagramm in Fig. 12 gezeichnet, das zeigt, wie die
durchschnittlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
(in Tabelle 1 angegeben) die Antiimpuls-Kenngrößen (Punkt an
der die jeweilige Kenngröße des SST-Tests die Nulliniein
Fig. 11 schneidet) beeinflußt. In Fig. 12 ist zusammen mit
der in Fig. 11 dargestellten Antiimpuls-Kenngröße für eine
angewandte Impulsbreite von 1,5 ms auch die Antiimpuls-
Kenngröße für eine kürzere angelegte Impulsbreite von 0,3 ms
aufgetragen. Die Pausen zwischen den Impulsen betrugen in
beiden Fällen 10 ms. Dies bedeutet, daß die pro Zeiteinheit
zugeführte Energie bei beiden Impulsbreiten gleich war. Die
Bedingungen für den Temperaturanstieg des Substrats wurden
ebenfalls eingestellt.
Wie aus Fig. 12 klar hervorgeht, wird die Antiimpuls-
Kenngröße des Heizwiderstands durch den vorerwähnten
durchschnittlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
bestimmt und steht im Grunde genommen nicht in Beziehung mit
dem Vorhandensein oder der Abwesenheit von Schutzschichten.
Andererseits konnte durch einen Vergleich des Aufzeichnungs-
Heizwirkungsgrads bei Vorliegen oder Abwesenheit von
Schutzschichten im Fall einer Impulsbreite von 1,0 ms
gemessen werden, daß der Thermoaufzeichnungskopf Nr. 2
(vergl. Tabelle 1), der derzeit in einem wärmeempfindlichen
Telefaxgerät verwendet wird, eine Energiezufuhr von 0,34
mJ/Punkt erfordert. Die für die anderen
Thermoaufzeichnungsköpfe (Nr. 1, 3 und 4) erforderliche
Energiezufuhr von 0,26 mJ/Punkt ergibt unter den gleichen
Bedingungen eine Energieeinsparung von 25%. Der Grund
dafür, daß der Bedarf an Energiezufuhr für die
Thermoaufzeichnungsköpfe Nr. 1, 3 und 4 vergleichsweise
gering ist, liegt darin, daß die herkömmliche 2 µm dicke
Ta2O5-Antiabriebschicht 6, die eine geringe
Wärmeübertragungsrate aufweist und im
Thermoaufzeichnungskopf Nr. 2 verwendet wurde, gegen eine 1
µm dicke Si3N4-Schicht, die eine hohe Wärmeübertragungsrate
besitzt, ausgetauscht wurde.
Nachstehend wird die Lebensdauer der Heizwiderstände
erläutert. Es ist bekannt, daß das Verhältnis der
Antiimpuls-Kenngröße (Punkt, wo die Kenngröße des SST-Tests
die Nullinie in Fig. 11 schneidet) zur erforderlichen
Energiezufuhr in Beziehung zur Aufzeichnungslebensdauer
steht. Erfindungsgemäß wurde dieses Verhältnis als
Antiimpuls-Toleranz bezeichnet. Die Werte sind in Tabelle 1
aufgeführt. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß die
beiden dicken Schutzschichten, die bisher als unerläßlich
galten, selbst bei Verwendung eines glasierten
Keramiksubstrats nicht erforderlich sind. Erfindungsgemäß
wurden kontinuierliche Scheinaufzeichnungstests mit den vier
Proben von Thermoaufzeichnungsköpfen durchgeführt, um ihre
Lebensdauer zu testen. Die Ergebnisse dieser Tests sind in
Fig. 13 zusammengestellt. Bei den Scheinaufzeichnungstests
wurde kein wärmeempfindliches Papier verwendet. Die
jeweiligen Thermoaufzeichnungsköpfe wurden unter den
gleichen Bedingungen getestet. Dies bedeutet eine angewandte
Impulsbreite von 0,46 ms, d. h. nur die Hälfte der
Standardimpulsbreite und eine Energiezufuhr von 0,25
mJ/Punkt, was der erforderlichen Energiezufuhr für einen
schutzschichtfreien Thermoaufzeichnungskopf entspricht.
Scheinaufzeichnungstests sind einfach und leicht
durchführbar, jedoch müssen mehrere Punkte bei der
Auswertung der Ergebnisse dieser Tests berücksichtigt
werden. Beispielsweise bleiben bei Scheinaufzeichnungstests
Brüche im Heizwiderstand unberücksichtigt, die durch Risse
und Kratzer im Heizwiderstand aufgrund von Staub und
Schmutz, der zwischen dem Thermoaufzeichnungskopf und dem
wärmeempfindlichen Papier festgehalten wird, verursacht
werden. Ferner beinhalten Scheinaufzeichnungstests
tatsächlich eine härtere Beanspruchung des
Thermoaufzeichnungskopfes als echte Aufzeichnungsvorgänge,
da während einer echten Aufzeichnung das wärmeempfindliche
Papier Wärme von den Heizwiderständen absorbiert und diese
kühlt. Jedoch beinhalten diese Tests besonders drastische
Bedingungen bei Thermoaufzeichnungsköpfen mit
schutzschichtfreien Heizwiderständen, da dieser Typ von
Wärmeaufzeichnungskopf die vorerwähnte Kühlwirkung des
wärmeempfindlichen Papiers stärker ausnützt als ein
Thermoaufzeichnungskopf mit Schutzschichten. Außerdem
erfährt ein Thermoaufzeichnungskopf, der Heizwiderstände mit
dünnen Schutzschichten aufweist, eine stärkere Kühlwirkung
vom wärmeempfindlichen Papier als ein
Thermoaufzeichnungskopf, der Heizwiderstände mit dicken
Schutzschichten aufweist.
Unter Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte ist es
verständlich, warum die in Fig. 13 gezeigten Ergebnisse für
die Probe Nr. 4, die eine große Antiimpuls-Toleranz
aufweist, eine kürzere Scheinaufzeichnungs-Lebensdauer als
für die Probe Nr. 3, die eine geringere Antiimpuls-Toleranz
aufweist, erkennen lassen. Dies bedeutet, daß die wirksame
Masse des Heizwiderstands Nr. 3 größer wird, selbst wenn
dessen Schutzschicht dünn ist. Daher ist der bei Zufuhr
einer gleichen Energiemenge erzielte Temperaturanstieg
geringer. Jedoch läßt es sich vorhersagen, daß die beiden
Thermoaufzeichnungsköpfe Nr. 3 und 4 unter
Standardaufzeichnungsbedingungen eine
Aufzeichnungslebensdauer von 10 Milliarden bis 100
Milliarden Impulse erreichen. Da jedoch eine derart lange
Aufzeichnungslebensdauer für Thermoaufzeichnungsköpfe nicht
erforderlich ist, kann der Impuls auf eine extrem kurze
Dauer von 0,1 ms oder weniger verkürzt werden, ohne daß dies
zu Lasten einer ausreichenden Lebensdauer des Thermokopfes
geht. Die Wirkung der vorliegenden Erfindung wird durch den
Hinweis verständlich, daß bei einer derartigen kurzen
Impulssteuerung, die Schutzschichten, die die Impulszeit
verlangsamen, in ihrer Dicke verringert oder beseitigt
werden müssen. Jedoch vermindert eine nicht gleichzeitige
Verkürzung der Pause zwischen den Impulsen die Wirkung um
die Hälfte, was ein konkretes Beispiel zur Verbesserung der
Kühlgeschwindigkeit in den später aufgeführten
Ausführungsformen der Erfindung belegt.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, entspricht die Antiimpuls-Toleranz
des Wärmeaufzeichnungskopfes Nr. 1 dem entsprechenden Wert
des Thermoaufzeichnungskopfes Nr. 2. Ferner weisen die
beiden Thermoaufzeichnungsköpfe Nr. 1 und 2 bei den
Scheinaufzeichnungstests bei einer Energiezufuhr von 0,34
mJ/Punkt die gleichen Antiimpuls-Kenngrößen auf. Daher ist
zu erwarten, daß bei Anlagen einer Impulsbreite von etwa 1
ms, ein Impuls, der in herkömmlicherweise verwendeten
Thermoaufzeichnungsköpfen üblich ist, beide gleichwertige
Lebensdauer-Kenngrößen aufweisen. Jedoch zeigt, wie in Fig.
13 dargestellt, der Aufzeichnungskopf Nr. 1 bei Anwendung
einer Impulsbreite von 0,46 ms oder kürzer eine Verkürzung
der Aufzeichnungslebensdauer. Dies belegt, daß der lineare
Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats auf 5 × 10-6 oder
darunter gehalten werden muß, wenn man versucht, eine
Aufzeichnungslebensdauer von 50 Millionen oder mehr Impulsen
bei einer Impulsbreite von 0,5 ms zu erreichen.
Erfindungsgemäß wurden diese Schlußfolgerungen durch echte
Aufzeichnungs-Lebensdauertests an den
Thermoaufzeichnungsköpfen Nr. 1, 3 und 4 bestätigt. Die
Heizwiderstände in diesen Thermoaufzeichnungsköpfen waren so
ausgebildet, daß der Dünnfilm-Leiter 24 aus Aluminium um 2
mm verschoben war, so daß das wärmeempfindliche Papier und
der weiche Dünnfilm-Leiter 24 bei der Aufzeichnung nicht
miteinander in Kontakt kamen. Auch bei einer so starken
Verschiebung des Dünnfilm-Leiters 24 weg vom Heizwiderstand
22 steigt der Widerstandswert nur um 1% oder weniger, wenn
die Dicke der ersten Dünnfilm-Schicht 23 geringfügig auf
1000 Å erhöht wird. Wenn die Verdrahtung lang wird, kann der
Leitungswiderstand durch Verschweißen des zweiten Dünnfilm-
Leiters, der beispielsweise aus einer Ansammlung von
Aluminium oder einem anderen Metall gebildet ist, mit dem
gleichen Metall oder durch ein ähnliches Verfahren geregelt
werden. Andererseits müssen der in der schutzschichtfreien
Vorrichtung verwendete Leiter einen ausreichenden Widerstand
gegen Korrosion und dergl. bieten.
Nachstehend wird ein Heizwiderstand erläutert, der diese
Anforderungen in optimaler Weise erfüllt.
Ein hartes, wärmebeständiges Metallmaterial von geringem
Widerstand, wie Nickel, Chrom, Molybdän, Tantal oder
Wolfram, kann für den Dünnfilm-Verdrahtungsleiter verwendet
werden. In Tabelle 3 sind die Ergebnisse von Bewertungstests
zur Bestimmung der Zuverlässigkeit dieser Materialien als
Dünnfilm-Leiter und ihre Einsatzmöglichkeit für die
Produktionstechniken (selektives Ätzen) zusammengestellt.
Beim Studium der Ergebnisse von galvanischen Korrosionstests
ist zu beachten, daß die Ergebnisse nicht notwendigerweise
auf eine Beständigkeit der getesteten Dünnfilm-Leiter gegen
galvanische Korrosion an Luft hinweisen, da die Tests unter
Wasser durchgeführt wurden. Die schlechte
Abriebbeständigkeit des Drahtleiters aus Chrom bringt ein
Risiko bei dessen Verwendung als Leiter in einem
schutzschichtfreien Heizwiderstand in Bezug auf die
Langzeit-Zuverlässigkeit mit sich. Jedoch kann Chrom als
Leiter verwendet werden, wenn eine dünne Schutzschicht, wie
Si3N4, auf dem Dünnfilm-Widerstand aus Cr-Si-SiO-Legierung
ausgebildet ist. Ferner ist ein Tantal-Dünnfilm ähnlich wie
der Dünnfilm-Widerstand aus Cr-Si-SiO-Legierung zum Naßätzen
nicht gut geeignet, es sei denn man verwendet
Fluorwasserstoffsäure als Ätzflüssigkeit. Tantal-Dünnfilme
sind zwar gut zum Trockenätzen geeignet, jedoch ergibt sich
dabei eine geringe Produktivität.
Infolgedessen können zwar sämtliche fünf vorstehend
aufgeführten Metalle für den Dünnfilm-Leiter verwendet
werden, jedoch ist Nickel das am besten geeignete Material,
da es einem Hochgeschwindigkeits-Sputtering zugänglich ist
und somit eine hohe Produktivität erlaubt und ferner einen
geringen spezifischen Widerstand zeigt und dauerhaft ist.
Ein Nickel-Dünnfilm ist besonders deswegen gut geeignet,
weil er entweder durch Elektroplattieren oder durch
stromloses Plattieren aufgebracht werden kann. Nickel kann
auch durch Drahtverbindung und Löten aufgebracht werden und
eignet sich somit gut zur Metallisierung.
Erfindungsgemäß wurden zwei Thermoaufzeichnungsköpfe mit
Heizwiderständen auf einem Neo-seram-Substrat hergestellt.
Bei einem Thermoaufzeichnungskopf wiesen die Heizwiderstände
nur zwei Schichten auf: einen Dünnfilm-Widerstand aus Cr-Si-
SiO-Legierung und einen etwa 2000 Å dicken Dünnfilm-Leiter
aus Nickel. Die Heizwiderstände bei diesen
Thermoaufzeichnungsköpfen gleichen denen von Fig. 3 und
weisen keinen zweiten Dünnfilm-Leiter 24 aus Aluminium auf
und ihr erster Dünnfilm-Leiter 23 besteht aus Nickel
anstelle von Chrom. Beim anderen Wärmeaufzeichnungskopf
wurde eine 0,3 µm dicke Si3N4-Schutzdünnschicht auf dem
Dünnfilm-Widerstand aus der Cr-Si-SiO-Legierung und ein
Dünnfilm-Leiter aus Nickel von etwa 2000 Å Dicke gebildet.
Erfindungsgemäß wurden SST-Tests und
Scheinaufzeichnungstests mit diesen
Thermoaufzeichnungsköpfen durchgeführt, um die Lebensdauer
der jeweiligen Heizwiderstände zu bestimmen. Diese
Thermoaufzeichnungsköpfe zeigten fast die gleichen
Kenngrößen wie die Thermoaufzeichnungsköpfe Nr. 3 und 4.
Obgleich beide Thermoaufzeichnungsköpfe bei echten
Aufzeichnungstests, wo körniges Material zwischen den
Thermoaufzeichnungskopf und das wärmeempfindliche Papier
gebracht wurde, eine zufriedenstellende Lebensdauer zeigten,
wurde beim Thermoaufzeichnungskopf mit den
schutzschichtfreien Heizwiderständen eine verringerte
Beständigkeit beobachtet, wobei als Ursache dafür eine
Rißbildung im Glassubstrat angenommen wurde.
Bei dem Bereich des Dünnfilm-Leiters aus Nickel in der Nähe
der gemeinsamen Elektrode handelte es sich um Nickel, das in
einer Dicke von etwa 2 µm durch Elektroplattieren
aufgebracht war, um den Widerstand an dieser Stelle zu
verringern. Dieser Bereich wurde aus den gleichen
Materialien und auf die gleiche Weise gebildet wie die
vorstehend beschriebene verschobene Elektrode, jedoch nur
auf einer Seite.
Erfindungsgemäß wurden Aufzeichnungstests durchgeführt, um
die Lebensdauer dieser Thermoaufzeichnungsköpfe bei
Anwendung eines äußerst kurzen Impulses mit einer Breite von
etwa 0,1 ms zu bestimmen. Die Widerstände mit der etwa 0,3
µm dicken Si3N4-Schutzschicht erzeugten in erfolgreicher
Weise 50 Millionen Impulse oder mehr. Auch bei Erhöhung der
Dicke der Schutzschicht auf etwa 1 µm wurde der
Wärmeaufzeichnungs-Wirkungsgrad nur geringfügig vermindert,
d. h. um 5% oder weniger. Eine Einstellung der Dicke der
Si3N4-Schutzschicht auf etwa 1 µm bei
Thermoaufzeichnungsköpfen, die in trockenen Gegenden
verwendet werden, wo Staub und Sand in reichlichem Maße in
der Luft vorhanden sind, kann die Lebensdauer der
Heizwiderstände wirksam erhöht werden.
Die Größe eines Thermoaufzeichnungskopfes vom Halbleitertyp,
wie er beispielsweise im US-Patent 3 813 513 beschrieben
ist, kann erheblich verringert werden, da die
Heizwiderstände und die Steuerschaltungen auf dem gleichen
Siliciumsubstrat ausgebildet sind. Jedoch wird bei diesem
Thermoaufzeichnungskopf vom Halbleitertyp eine
Diffusionsschicht auf dem Siliciumsubstrat der
Heizwiderstände gebildet, so daß eine Wärmeisolierung des
Heizwiderstands gegen das Siliciumsubstrat schwierig ist und
sich ein geringer Heizwirkungsgrad ergibt. JP-A-54-130946
beschreibt eine auf dem Siliciumsubstrat gebildete dicke
Glasschicht und einen auf der Glasschicht gebildeten
Dünnfilm-Widerstand. JP-A-61-12357 beschreibt die
Herstellung eines Thermoaufzeichnungskopfes unter Einschluß
von Heizwiderständen mit einer Wärmeisolationsschicht, die
aus einer doppelschichtigen Struktur unter Einschluß eines
organischen Materials gebildet ist und auf einem
Aluminiumsubstrat vorliegt. Die Heizwiderstände der
Thermoaufzeichnungsköpfe in JP-A-54-130946 und JP-A-61-12357
können beide unter Verwendung eines Siliciumsubstrats
gebildet werden. Jedoch sind diese Vorschläge vom
technischen Standpunkt aus nur schwer zu verwirklichen, da
beide Male auf dem Siliciumsubstrat eine dicke
Wärmeisolationsschicht gebildet wird, bei der es aufgrund
von Wärmeverformungen während ihrer Bildung leicht zur
Entstehung von Rissen kommt. Ferner besteht bei beiden eine
rasche Gradientenänderung zwischen der
Wärmeisolationsschicht und dem Silicumsubstrat, was die
Erzeugung einer Dünnfilmverdrahtung verhindert.
Fig. 5 ist ein Querschnitt, der die Beziehung zwischen einem
Heizwiderstand und einer LSI-Steuerschaltung in einem
Thermoaufzeichnungskopf gemäß der fünften Ausführungsform
der Erfindung zeigt. Eine etwa 8 µm dicke SiO2-
Wärmeisolationsschicht 32 wird auf einem 0,35 mm dicken
Siliciumsubstrat 31 durch chemisches Aufdampfen (CVD)
gebildet. Anschließend wird die SiO-Schicht einer
Photoätzung unterzogen, so daß nur der den Heizwiderstand
bildende Bereich zurückbleibt. Die LSI-Steuerschaltung,
deren Ausgangsklemme 35 in Fig. 5 gezeigt ist, wird neben
dem Heizwiderstandsbereich unter Anwendung üblicher LSI-
Herstellungstechniken gebildet. Ein Abstufungsverfahren wird
durchgeführt, um den Gradienten zwischen der SiO2-Schicht
und der Ausgangsklemme 35 zu mildern. Anschließend werden
nacheinander durch Sputtering eine Dünnfilm-
Widerstandsschicht 33 aus einer Cr-Si-SiO-Legierung und ein
Dünnfilm-Leiter 34, der aus einem Metall, z. B. Chrom, mit
einem hohen Schmelzpunkt, besteht, ausgebildet. Durch
Ersetzen des Dünnfilm-Heizwiderstands aus der Cr-Si-SiO-
Legierung der beschriebenen Ausführungsform durch einen
Dünnfilm-Heizwiderstand mit einer Ta-Si-SiO-Legierung erhält
man gleichwertige Ergebnisse. Das Siliciumsubstrat 31 wird
durch Photoätzen in die für den Heizwiderstand gewünschte
Form gebracht. Der Dünnfilm-Widerstand 33 weist eine Dicke
von 700 Å und der Dünnfilm-Leiter 34 eine Dicke von 1500 Å
auf.
Erfindungsgemäß wurden, wie in Fig. 6 gezeigt, eine Mehrzahl
der vorstehend beschriebenen integrierten
Heizwiderstand/LSI-Steuerschaltung-Strukturen auf dem
Siliciumsubstrat 31 in einem Thermoaufzeichnungskopf mit 200
dpi befestigt. Das Silicumsubstrat 31 wurde zunächst mit
einem Kühlblock 39 verbunden ("die bonded"). Sodann wurde
das Siliciumsubstrat 31 elektrisch mit einem am Kühlblock 39
befestigten Stecker 40 verbunden. Es ist darauf
hinzuweisen, daß die Verbindungen mit einem Einzeldraht-
Verbindungsverfahren, bei dem Golddraht 42 verwendet wird,
oder mit einem Einzelband-Trägerverfahren verbunden werden
können, so daß die Anzahl der Verbindungen der Anzahl der
Kontrollsignalleitungen oder Stromquellenleitungen
entspricht. Schließlich wurde eine Harzschicht 43 auf den
Golddraht 42 aufgebracht.
Erfindungsgemäß wurde mit dem Thermoaufzeichnungskopf ein
Daueraufzeichnungsvorgang durchgeführt, indem man an die
Heizwiderstände einen 0,30 W/Punkt-Impuls mit einer Breite
von 0,5 ms bei einer Pause zwischen den Impulsen von 5 ms
anwandte. Der Thermoaufzeichnungskopf war zur Erzeugung von
100 Millionen Heizimpulsen pro Heizwiderstand in der Lage.
Selbst bei Erhöhung der Frequenz auf das 2-fache von
herkömmlichen Thermoaufzeichnungsköpfen kam es aufgrund der
guten Wärmeübertragungseigenschaften und Kühlwirkung des
Silicumsubstrats 31 bei den gedruckten Punkten zu keiner
Schweifbildung. Dies bedeutet, daß ein gemäß der
dargestellten Ausführungsform konstruierter
Thermoaufzeichnungskopf in ausreichendem Maße die
Abkühlungsgeschwindigkeit der Substratemperatur steigern
kann, selbst wenn der Heizwiderstand häufig erwärmt wird.
Ferner zeigt die Halbierung der zugeführten Energie, wie sie
durch den stark erhöhten Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad der
schutzschichtfreien Heizwiderstandsschicht ermöglicht wird,
daß der Betrieb der Steuer-LSI-Schaltung durch den Wärmefluß
in das Substrat nicht beeinträchtigt wird.
Wie in Fig. 7 gezeigt, weist ein Thermoaufzeichnungskopf
gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung die gleiche Bauweise wie bei der fünften
Ausführungsform auf, mit der Abänderung, daß zusätzlich eine
Antiabriebschicht 36 und eine zusätzliche Leiterschicht 37
vorgesehen sind. Wie bereits erwähnt, können harte
Verunreinigungen, wie körniges Material, während des
Aufzeichnungsvorgangs zwischen das wärmeempfindliche Papier
und den Thermoaufzeichnungskopf gelangen und dabei einen
Abrieb und eine Schädigung der exponierten Bestandteile des
Heizwiderstands, z. B. des Dünnfilm-Widerstands 33 und des
Leiters 37, hervorrufen. Bei der sechsten Ausführungsform
sind diese Bestandteile mit einer äußerst dünnen
Antiabriebschicht 6 (eine 0,1 bis 0,5 µm dicke Si3N4- oder
Ta2O5-Schicht) bedeckt, um einen Abrieb zu verhindern, ohne
daß der Heizwirkungsgrad beeinträchtigt wird. Eine aus Si3N4
gebildete Schicht stellt eine besonders gute
Antiabriebschicht 36 dar, da sie neben ihrer harten
Beschaffenheit und ihren guten
Wärmeübertragungseigenschaften auch als Passivierungsschicht
für die Halbleitervorrichtung (LSI) dienen kann.
Bei der sechsten Ausführungsform ist der Dünnfilm-Leiter 37
aus einem Metall, wie Nickel, Molybdän, Tantal, Wolfram oder
Aluminium, gebildet. Die Hinzufügung dieser Schicht ergibt
einen doppelschichtigen Dünnfilm-Leiter mit vermindertem
Widerstandswert. Wenn der Dünnfilm-Leiter 37 aus weichen
Metallen, wie Aluminium, gebildet ist, muß er im Abstand zu
der Position, wo die Walze das wärmeempfindliche
Aufzeichnungsmaterial gegen den Thermoaufzeichnungskopf
preßt, angeordnet werden, um eine Deformation des Leiters 37
durch Druckeinwirkung zu vermeiden.
Wie in Fig. 8 gezeigt, ist ein Thermoaufzeichnungskopf gemäß
einer siebten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ähnlich dem Thermoaufzeichnungskopf gemäß der sechsten
Ausführungsform der Erfindung versehen, mit der Abänderung,
daß die Wärmeisolationsschicht zwischen der
Heizwiderstandsschicht und dem Substrat verbessert ist.
Gemäß der siebten Ausführungsform weist die Wärmeisolation
eine doppelschichtige Struktur aus einer wärmebeständigen
Harzschicht 56 und einer anorganischen Isolationsschicht 57
auf.
Bei diesem Thermoaufzeichnungskopf liefern eine Mehrzahl von
etwa 2000 Å dicken Nickel-Dünnfilm-Leitern 54 (nur einer
davon ist in Fig. 8 gezeigt) Strom zu einer Mehrzahl von
etwa 700 Å dicken Dünnfilm-Heizwiderständen 53 aus Cr-Si-
SiO-Legierung (nur einer davon ist in Fig. 8 gezeigt), die
mit einer Teilung von 400 dpi ausgebildet sind. Eine Seite
von jedem Dünnfilm-Leiter 54 ist über ein Durchgangsloch in
der Isolationsschicht 57 mit einer Klemme 55 einer Steuer-
LSI-Schaltung verbunden, und die andere Seite der einzelnen
Dünnfilm-Leiter 54 ist mit einer gemeinsamen Elektrode
verbunden. Bei dieser Ausführungsform weisen die einzelnen
Heizwiderstände 53 eine Breite von 50 µm und eine Länge 75
µm sowie einen Widerstandswert von etwa 2500 ○ auf.
Nachstehend wird die zweischichtige Wärmeisolationsschicht
näher erläutert.
Auf einem Silicium-Wafer mit Aluminiumverdrahtung wird eine
Steuer-LSI-Schaltung unter Anwendung des Metalloxid-
Halbleiter (MOS)-Verfahrens oder des "balanced-in-plane"
(BIP)-Verfahrens gebildet. Das Aluminium-
Verdrahtungsverfahren kann während der Bildung des
Heizwiderstands durchgeführt werden, obgleich diese
Verfahrensweise schwieriger ist, da eine
Passivierungsschicht erforderlich ist. Nach beendetem
Aluminium-Verdrahtungsverfahren wird eine etwa 3 µm dicke
wärmebeständige Harzschicht 56 darauf ausgebildet, z. B. aus
PIQ-L100 der Firma Hitachi Chemical, Inc. Die
wärmebeständige Harzschicht 56 wird weggeätzt, ausgenommen
ein etwa 0,5 bis 1,0 mm breiter Bereich für den in Fig. 8
gezeigten Heizwiderstand 53 und die das Aluminium
bedeckenden Bereiche (nicht dargestellt). Die
wärmebeständige Schicht 56 wird auf der Aluminiumverdrahtung
beibehalten, um deren Korrosion zu verhindern. Nach
ausreichender Härtung bei 400°C werden Plasma-
Oberflächenbehandlungsverfahren durchgeführt. Die Plasma-
Oberflächenbehandlungsverfahren werden vorgenommen, um zu
gewährleisten, daß die anorganische Isolationsschicht 57 in
ausreichendem Maße an der wärmebeständigen Harzschicht 56
haftet. Die anorganische Isolationsschicht 57 wird sodann in
Form einer etwa 2 µm dicken SiO2-Schicht ausgebildet, indem
man beispielsweise Plasma-CVD-Techniken anwendet. Die SiO2-
Schicht in dem Bereich der Verbindungselektrode 55 und der
Aluminiumsverdrahtung, die eine Verbindung mit externen
Schaltungen herstellt, wird während des Photoätzens
entfernt. Darauf wird auf die vorstehend beschriebene Weise
ein Dünnfilm-Heizwiderstand aus Cr-Si-SiO/Ni gebildet.
Erfindungsgemäß wurde ein monolithischer 400 dpi-LSI-
Schaltungs -Thermoaufzeichnungskopf mit Heizwiderständen
gemäß der siebten Ausführungsform hergestellt und an einem
Kühlblock befestigt und mit diesem verbunden. Sodann wurden
Bewertungstests zur Bestimmung der Lebensdauer mittels
Aufzeichnungsvorgängen auf wärmeempfindlichem Papier
durchgeführt. Bei Anwendung eines 0,5 ms-Impulses, benötigte
dieser Thermoaufzeichnungskopf 0,065 W/Punkt zur Erzeugung
von Bildern in einer Konzentration von 1,2 auf dem
wärmeempfindlichen Papier. Dies ergibt einen etwa 35%igen
Anstieg des Heizwirkungsgrads gegenüber dem
Thermoaufzeichnungskopf gemäß der in Fig. 7 gezeigten
sechsten Ausführungsform, der unter den gleichen Bedingungen
zur Erzeugung von gleichwertigen Bildern 0,10 W/Punkt
benötigt. Bei einer Frequenz zwischen den Impulsen von 3 bis
5 ms wurde keine Schweifbildung bei den Bildern beobachtet,
was zeigt, das der Thermoaufzeichnungskopf gute
Kühleigenschaften besitzt. Der Thermoaufzeichnungskopf
zeigte eine Lebensdauer von 50 Millionen Impulsen oder mehr
pro Heizwiderstand.
Nachstehend werden die Unterschiede zwischen herkömmlichen
Thermoaufzeichnungsköpfen und einem Thermoaufzeichnungskopf
gemäß der siebten Ausführungsform erläutert. Beispielsweise
beschreiben JP-A-52-100245, JP-A-56-164876 und JP-A-61-
290067 einen Heizwiderstand, der direkt auf einer
Wärmeisolationsschicht ausgebildet ist. Der Heizwiderstand
ist mit Antioxidations- und Antiabriebschichten mit einer
Gesamtdicke von 5 bis 10 µm bedeckt. Da der Heizwiderstand
zur Erwärmung des wärmeempfindlichen Papiers die
Schutzschichten aufheizen muß, muß seine eigene Temperatur
höher als die der Schutzschichten sein. Simulationsversuche
haben gezeigt, daß der Heizwiderstand 200 bis 300°C heißer
als die Schutzschicht im Kontakt mit dem wärmeempfindlichen
Papier sein kann. Außerdem wird die wärmebeständige
Harzschicht auf eine Temperatur erwärmt, die um 200 bis
300°C höher als die erwärmte Oberfläche des
wärmeempfindlichen Papiers ist.
Andererseits steht der Heizwiderstand des
Thermoaufzeichnungskopfes gemäß der dargestellten
Ausführungsform in direktem Kontakt mit dem
wärmeempfindlichen Papier, so daß die Temperatur des
Heizwiderstands nicht so stark erhöht werden muß. Die
heißeste Fläche des wärmebeständigen Harzes 56, d. h. die in
Kontakt mit der SiO2-Schicht 57 stehende Fläche, nimmt eine
Temperatur an, die 50 bis 100°C unter der Temperatur liegt,
die das wärmeempfindliche Papier annimmt. Die Temperatur
eines wärmeempfindlichen Harzes in herkömmlichen
Thermoaufzeichnungsköpfen übersteigt 600°C. Dagegen läßt
sich abschätzen, daß die Temperatur einer gleich dicken
wärmebeständigen Schicht in einem Heizwiderstand gemäß der
dargestellten Ausführungsform bei etwa 300 bis 350°C bleibt,
wenn Bilder von gleich dunkler Beschaffenheit aufgezeichnet
werden.
JP-A-61-12357 beschreibt einen Thermoaufzeichnungskopf mit
Heizwiderständen, bei denen eine zweite wärmebeständige
Schicht zwischen einer wärmebeständigen Harzschicht und dem
Heizwiderstand vorgesehen ist. Jedoch umfaßt dieser
Thermoaufzeichnungskopf auch herkömmliche Schutzschichten am
Heizwiderstand, so daß die Temperatur der wärmebeständigen
Harzschicht nur auf 600 bis 500°C verringert wird. Derzeit
kann dieser Thermoaufzeichnungskopf in der Praxis nicht
eingesetzt werden, da das wärmebeständige Harz nur bis zu
Temperaturen von 350 bis 400°C verwendet werden kann. Da
PIQ-L100, das gute Hafteigenschaften aufweist, als
wärmebeständiges Harz verwendet werden kann, ist keine
spezielle Verarbeitung der Substratoberfläche erforderlich.
Jedoch können andere Polyimide mit gleich günstigen
Ergebnissen verwendet werden. Diese Schicht kann je nach der
gewünschten Aufzeichnungsgeschwindigkeit 1 bis 5 µm dick
sein.
Die anorganische Isolationsschicht 57 besteht aus einer
SiO2-Schicht von etwa 2 µm Dicke, da sich bei dieser Dicke
eine optimale Festigkeit ergibt und die CVD-Zeit ausreichend
kurz ist. Jedoch könnte diese Schicht dicker ausgestaltet
werden. Auch Si3N4 kann anstelle von SiO2 verwendet werden.
Jedoch kann eine Schicht aus Si3N4 geringfügig dünner als
eine Schicht aus SiO2 ausgestaltet sein, beispielsweise 1
bis 2 µm, da die Bruchfestigkeit und die Wärmeübertragung
von Si3N4 größer sind.
In der dargestellten Ausführungsform wird Nickel für den
Leiter verwendet, jedoch kann dieses durch Chrom, Molybdän,
Wolfram oder Tantal ersetzt werden. Da Chrom weich ist,
sollte es nicht ohne Schutzschicht eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß wurden Aufzeichnungstests durchgeführt, bei
denen körniges Material zwischen das wärmeempfindliche
Papier und den Thermoaufzeichnungskopf eingeführt wurden.
Mit diesem Thermoaufzeichnungskopf wurden strenge
Zuverlässigkeitstests durchgeführt. Da beim
Thermoaufzeichnungskopf gemäß dieser Ausführungsform ein
vergleichsweise weiches Harz als wärmebeständige Schicht
verwendet wird, besteht die Tendenz einer kurzen Lebensdauer
im Vergleich zur Verwendung eines glasierten Substrats.
Erfindungsgemäß wurden zusätzlich mehrere
Thermoaufzeichnungsköpfe hergestellt, bei denen die
Heizwiderstände mit Si3N4-Schichten von 0,3 bis 1,0 µm Dicke
bedeckt waren. Die Durchführung der Tests an diesen
Thermoaufzeichnungsköpfen zeigte, daß eine Si3N4-Schicht mit
einer Dicke von 0,5 µm oder mehr in ausreichender Weise die
Lebensdauer der Heizwiderstände erhöht. Der
Aufzeichnungswirkungsgrad eines Thermoaufzeichnungskopfes
mit Heizwiderständen mit einer 1 µm dicken Si3N4-Schicht
zeigte nur eine 5 bis 10%-ige Verringerung des
Wirkungsgrads.
Nachstehend wird ein Thermoaufzeichnungskopf gemäß einer
achten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand von
Fig. 9 erläutert. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich
um eine Modifikation der in Fig. 8 gezeigten siebten
Ausführungsform. Der Thermoaufzeichnungskopf gemäß dieser
Ausführungsform läßt sich leichter herstellen als die
vorstehende Ausführungsform. Wie in Fig. 9 gezeigt, wird die
doppelschichtige Struktur der Wärmeisolationsschicht aus
einer wärmebeständigen Harzschicht 74 und einer
anorganischen Isolationsschicht 75 auf dem Siliciumsubstrat
71, das die Steuerschaltung umfaßt, gebildet. Die
wärmebeständige Harzschicht 74 weist von Raumtemperatur bis
300°C einen mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 5 × 10-6/°C auf. Auf diesen Schichten befindet sich ein
Heizwiderstand 70 aus dem Dünnfilm-Widerstand aus der Cr-Si-
SiO-Legierung und der aus Nickel, Chrom, Molybdän, Tantal
oder Wolfram gebildete Dünnfilm gemäß der vorstehenden
Ausführungsform.
Wie in Tabelle 2 gezeigt, weist das Siliciumsubstrat einen
niederen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 3,1 ×
10-6/°C auf. Auf dem Silicumsubstrat befindet sich eine 2
bis 5 µm dicke Polyimidschicht, wie sie auf dem
Halbleitergebiet üblich ist. Diese Polyimidschicht bildet
die wärmebeständige Harzschicht 74. Wenn eine 2 bis 3 µm
dicke Schicht aus SiO2 (das einen niederen linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist) auf der
wärmebeständigen Harzschicht 74 als anorganische
Isolationsschicht 75 vorliegt, kann eine Rißbildung unter
Verwendung eines Polyimids mit einem geringen linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten verhindert werden,
beispielsweise mit den Polyimidprodukten der Firma Hitachi
Chemical, Inc. PIQ-L100 (mit einem linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 3 × 10-6/°C) oder PIX-L110
(mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 5 ×
10-6/°C). Auf diese Weise wird eine wärmebeständige Schicht
24 gebildet.
Im allgemeinen beträgt die Wärmeübertragungsrate des
Polyimidmaterials etwa 1/10 des Wertes des Glasmaterials,
das als Wärmeisolationsschicht des Thermoübertragungskopfes
verwendet wird. Daher ist in bezug auf die
Wärmeübertragungsrate eine 2 bis 5 µm dicke Polyimidschicht
gleichwertig mit einer 20 bis 50 µm dicken Glasschicht.
Beispielsweise sind die 3 µm dicke Polyimidschicht und die 2
µm dicke Schicht aus SiO2 zur Bildung der doppelschichtigen
Struktur der Wärmeisolationsschicht gleichwertig mit einer
Glasschicht von etwa 30 µm Dicke. Berücksichtigt man den
Einfluß des Silicumsubstrats, so läßt sich ein Wert für den
linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der
Wärmeisolationsschicht von 2 bis 3 × 10-6/°C abschätzen.
Eine Si3N4-Schicht, die eine ausgezeichnete mechanische
Festigkeit aufweist, kann anstelle von SiO2 als anorganische
Isolationsschicht 75 verwendet werden. Die Verwendung einer
Si3N4-Schicht für die anorganische Isolationsschicht 75
würde sich als besonders wirksam in einer Umgebung erweisen,
wo Staub und Schmutz häufig zwischen den
Thermoaufzeichnungskopf und das wärmeempfindliche Papier
gelangen. Eine derartige Schicht trägt auch in erheblichem
Umfang zur mechanischen Festigung des relativ weichen
Polyimids bei. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient der
Wärmeisolationsschicht, die aus einer doppelschichtigen
Struktur der 3 µm dicken Polyimidschicht (wärmebeständige
Harzschicht 74) und der 2 µm dicken Si3N4-Schicht
(anorganische Isolationsschicht 75) besteht, kann als
gleichwertig mit dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Si3N4-Schicht allein, d. h. 3,0 × 10-6/°C, angenommen
werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß die
Wärmeisolationseigenschaften der Wärmeisolationsschicht 75
durch die Polyimidschicht bestimmt werden.
Erfindungsgemäß wurde ein monolithischer LSI-
Thermoaufzeichnungskopf durch Schleuderbeschichtungsauftrag
einer 2 bis 5 µm dünnen Polyimidschicht auf das
Silicumsubstrat 71 hergestellt. Nach einer ersten Härtung
der Polyimidschicht wurde diese durch Photoätzen entfernt,
ausgenommen der Heizwiderstand und die Steuerschaltung.
Sodann wurde eine Endhärtung durchgeführt. Diese Reihe von
Verfahrensschritten war die gleiche, wie sie üblicherweise
bei der Halbleiterfertigung angewandt wird, mit der
Abänderung, daß eine Abstufung der dünnen Polyimidschicht
kontinuierlich durch eine automatische Verfahrensweise
vorgenommen wurde. Dies bedeutet, daß unter Verwendung der
dünnen Polyimid-Wärmeisolationsschicht die zur Erzeugung der
dicken herkömmlichen doppelschichtigen Struktur der
Wärmeisolationsschicht angewandten Abstufungsverfahren durch
technologisch einfache, übliche Halbleiter-
Bearbeitungsverfahren vorgenommen werden können. Es ist
darauf hinzuweisen, daß ein Durchgangsloch in der SiO2- oder
Si3N4-Schicht an der Stelle gebildet wird, wo die
Steuerschaltung mit dem Heizwiderstand und dem
Verdrahtungsleiter verbunden ist.
Der monolithische LSI-Thermoaufzeichnungskopf wurde durch
Ausbildung eines Heizwiderstands 70 auf der
Heizisolationsschicht, die aus der vorstehend beschriebenen
doppelschichtigen Struktur bestand, und durch Verbinden mit
der entsprechenden Steuerschaltung vollendet. Obgleich in
Fig. 9 nicht gezeigt, besteht der Thermoaufzeichnungskopf
tatsächlich aus einer Mehrzahl von Heizwiderständen 70 (aus
einem Dünnfilm-Widerstand aus einer Cr-Si-SiO-Legierung und
einem aus Nickel, Chrom, Molybdän, Tantal oder Wolfram
bestehenden Dünnfilm-Leiter gemäß der vorstehend
beschriebenen Ausführungsform) und Sammelelektroden 72 (der
Steuer-LSI-Schaltung) in einer Teilung von beispielsweise
200 dpi in senkrechter Richtung zum in Fig. 9 gezeigten
Querschnitt. Die Mehrzahl der Heizwiderstände 70 ist an der
der Sammelelektrode 72 gegenüberliegenden Seite durch eine
gemeinsame Nickel-Dünnfilm-Leiterelektrode 63′ verbunden.
Sieben Signalleitungen sind mit der Steuer-LSI-Schaltung zu
deren Steuerung verbunden: Eine Ansteuerungsleitung, eine
Abtastleitung, eine Taktleitung, eine Verriegelungsleitung,
eine Stromquellenleitung, eine IC-Stromquellenleitung und
die vorerwähnte gemeinsame Elektrode (Erde). Diese Leitungen
steuern gemeinsam sämtliche Heizwiderstände. Der in Fig. 9
gezeigte monolithische Thermoaufzeichnungskopf kann eine
Breite von weniger als 3 bis 4 mm aufweisen und gemäß der
nachstehend näher beschriebenen Fig. 10 befestigt werden.
Die Länge des Kopfes wird jedoch durch die Größe des
Silicium-Wafers festgelegt. Daher kann aus einem Wafer von 6
Zoll ein Thermoaufzeichnungskopf von nur der halben Länge
eines A4- oder B4-Papierblatts hergestellt werden.
Infolgedessen müssen zur Erzeugung eines Kopfes von A4- oder
B4-Größe zwei monolithische LSI-Aufzeichnungsköpfe von
halber Länge auf dem Kühlblock 81 verbunden ("die-bonded")
werden. Jedoch steuern nur die sieben Signaldrähte am
Stecker 82 den Kopf. Ein äußerst dünner
Thermoaufzeichnungskopf von nur 3 bis 4 mm Breite kann unter
Anwendung dieses einfachen Montageverfahrens hergestellt
werden. Der Kühlblock 81 ist aus einer Fe-42% Ni-Legierung
gefertigt, da der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient dieses
Materials nahe bei dem des Siliciumsubstrats 31 liegt. Der
Heizwiderstand 80 wird durch Löten befestigt. Eine dünne
Schutzschicht 65 kann gegebenenfalls vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß wurden an diesem Thermoaufzeichnungskopf
SST-Tests durch Anwenden von 0,3 ms Impulsen mit Pausen
zwischen den Impulsen von 3 ms durchgeführt. Der
Thermoaufzeichnungskopf zeigte eine Antiimpuls-Kenngröße von
0,28 mJ, was praktisch identisch mit dem Wert des
Thermoaufzeichnungskopfes Nr. 3 in der sechsten und siebten
Ausführungsform ist. Die zur Erzeugung von Bildern des
gleichen Tonwerts, wie er vom Thermoaufzeichnungskopf gemäß
der sechsten und siebten Ausführungsform entstand,
erforderliche Energie wurde auf 0,12 mJ halbiert und die
Antiimpuls-Toleranz wurde erheblich auf 2,3 verbessert.
Der Heizwirkungsgrad ist verbessert, da der Heizwiderstand 2
bis 5 µm gegenüber den umgebenden Teile vorsteht, wodurch
dessen Kontakt mit dem wärmeempfindlichen Papier verbessert
wird. Die Gründe hierfür sind: die wärmeisolierende
Harzschicht 74 besteht aus einem Polyimid, das eine äußerst
geringe Wärmeübertragungsrate aufweist; die Si3N4-Schicht,
die als Schutzschicht zum Schutz gegen Verkratzen bei
Eindringen von körnigem Material zwischen dem Heizwiderstand
und dem wärmeempfindlichen Papier verwendet wird, weist eine
hohe Wärmeübertragungsrate auf; die Si3N4-Schutzschicht ist
weniger als 1 µm dick; und Wärme kann in wirksamerer Weise
übertragen werden, wenn die Breite des Aufzeichnungsimpulses
verkürzt wird. Ferner wird trotz der Verkürzung der Pausen
zwischen den Impulsen auf 2 bis 3 ms keine Schweifbildung
beobachtet, da die Wärmeisolationsschicht aus einer
doppelschichtigen Struktur aus einer wärmebeständigen
Harzschicht und einer anorganischen Isolationsschicht
gebildet ist und da das Siliciumsubstrat eine hohe
Wärmeübertragungsrate aufweist.
Erfindungsgemäß wurde bestätigt, daß bei weiterer Verkürzung
der Pausen zwischen den Impulsen auf 2 bis 3 ms die Dicke
der wärmebeständigen Harzschicht 74 der doppelschichtigen
Struktur der Wärmeisolationsschicht weiter auf etwa 2 µm
verringert werden kann.
Erfindungsgemäß wurden echte Aufzeichnungstests unter
Anwendung von 0,12 mJ/Punkt-Impulsen in einer Breite von 0,3
ms bei Pausen zwischen den Impulsen von 3 ms mit dem
Thermoaufzeichnungskopf gemäß der achten Ausführungsform der
Erfindung zur Bestimmung von dessen Lebensdauer
durchgeführt. Der Thermoaufzeichnungskopf erzeugte in
erfolgreicher Weise 100 Millionen Impulse oder mehr pro
Heizwiderstand. Erfindungsgemäß wurden ferner echte
Aufzeichnungstests unter Anwendung von 0,11 mJ/Punkt-
Impulsen in einer Breite von 0,1 ms und Pausen zwischen den
Impulsen von 2 ms durchgeführt. Es ergab sich, daß die
Beständigkeit der Heizwiderstände bei 20 bis 30 Millionen
Impulsen um 10% erhöht wurde. Bei derart kurzen
Impulsbreiten ergibt sich eine Lebensdauer, die mit
Heizwiderständen mit dicken herkömmlichen Schutzschichten
vergleichbar ist, da der erfindungsgemäße Heizwiderstand
eine Temperatur erreicht, die etwa 200 bis 300°C unter den
Ergebnissen der Simulationsversuche bei gleichem Tonwert
liegt. Ferner verringert die 2 bis 3 µm dicke anorganische
Isolationsschicht 75 zwischen dem Dünnfilm-Widerstand 62 aus
der Cr-Si-SiO-Legierung und der wärmebeständigen Harzschicht
74 die vom Polyimid abgenommene Temperatur um 50 bis 100°C.
Beträgt jedoch die Gesamtdicke der anorganischen
Isolationsschicht 75 und der Schutzschicht 65 weniger als 1
bis 2 µm, so kann der Walzendruck eine Ermüdungsdeformation
in der Polyimidschicht hervorrufen, was eine
Beeinträchtigung des Heizwiderstands zur Folge hat.
Infolgedessen muß die Gesamtdicke der anorganischen
Isolationsschicht 75 und der Schutzschicht 65 bei mechanisch
festem Si3N4 als Schutzschicht mehr als 2 µm betragen. Im
Hinblick auf die Produktivität ist eine Gesamtdicke im
Bereich von 2 bis 4 µm optimal.
Selbst wenn eine Steuerschaltung durch ein Halbleiter-
Herstellungsverfahren mit einer Einteilung von 2 bis 3 µm
hergestellt wird, kann das Gebiet der Vorrichtung in einen
Bereich von 300 bis 500 µm Breite fallen. Da der
Heizwirkungsgrad auf das etwa 3-fache verbessert ist,
beträgt der Wärmefluß zum Siliciumsubstrat etwa 1/3 des
Werts von herkömmlichen Köpfen. Es hat sich bei Simulationen
herausgestellt, daß der Abstand zwischen den
Heizwiderständen höchstens 200 µm betragen soll, um einen
Temperaturanstieg der Vorrichtung über 100°C zu verhindern.
Herstellungsverfahren zur Bildung einer 10 µm Einteilung
können sogar für 600 dpi-Heizwiderstände verwendet werden.
In beiden Fällen ist es möglich, einen
Thermoaufzeichnungskopf unter Anwendung eines Verfahrens mit
äußerst günstiger Produktivität herzustellen. Dieses
hochproduktive Verfahren senkt die Herstellungskosten für
einen hochwertigen monolithischen Si-Thermoaufzeichnungskopf
auf die Höhe für einen durchschnittlichen herkömmlichen
Thermoaufzeichnungskopf. Ein Thermoaufzeichnungskopf mit
einem Wafer von 5 oder 6 Zoll Länge kann mit einer
Punktdichte von 1000 dpi bei etwa den gleichen Kosten
hergestellt werden. Ein Thermoaufzeichnungskopf der Größe A4
oder B4 kann durch Verbindung von zwei Wafern hergestellt
werden. Bei diesem Verfahren ist die Punktdichte auf 400 dpi
begrenzt. Mehrere tausend Leitungsverbindungsmaßnahmen sind
zur Herstellung eines herkömmlichen
Thermoaufzeichnungskopfes unter Verwendung eines glasierten
Keramiksubstrats erforderlich. Ferner ist die Punktdichte
des Leitungskopfes auf 200 bis 300 dpi beschränkt. Im
Gegensatz dazu sind beim erfindungsgemäßen
Thermoaufzeichnungskopf nur 20 Leitungsverbindungsvorgänge
erforderlich. Ferner kann der Thermoaufzeichnungskopf um
1/10 oder 1/20 enger als der herkömmliche
Thermoaufzeichnungskopf ausgestaltet werden. Der
Heizwirkungsgrad ist etwa 3-fach höher (von 0,34 mJ auf 0,12
mJ), die Aufzeichnungsgeschwindigkeit ist um ein Mehrfaches
schneller, und eine kontinuierliche Zufuhr des
Aufzeichnungspapiers ist möglich. Diese Faktoren tragen dazu
bei, bei Telefax-Geräten die Größe zu verringern, den
Energieverbrauch zu senken, die Geschwindigkeit zu erhöhen
und die Bildqualität zu verbessern (d. h. die fortlaufende
Zufuhr des Aufzeichnungspapiers und die Steuerung der
zeitlichen Abstimmung der Aufzeichnung werden verbessert).
Wie vorstehend beschrieben, weist ein Dünnfilm-
Widerstandsmaterial aus einer Ta-Si-SiO-Legierung zahlreiche
ähnliche Eigenschaften wie das in den vorstehenden
Ausführungsformen beschriebene Dünnfilm-Widerstandsmaterial
aus der Cr-Si-SiO-Legierung auf. Erfindungsgemäß wurde ein
Thermokopf mit Heizwiderständen aus Dünnfilm-
Widerstandsmaterial aus einer Ta-Si-SiO-Legierung
hergestellt. Die gleichen Bewertungstests wurden damit
durchgeführt. Die Testergebnisse zeigten, daß der einzige
Unterschied zwischen den beiden Materialien darin besteht,
daß der Dünnfilm-Widerstand aus der Cr-Si-SiO-Legierung
brach ("severed"), nachdem die Rate der
Widerstandsveränderung während des SST-Tests (vgl. Fig. 11)
und des Lebensdauertests (vgl. Fig. 13) absank und sodann
anstieg, während der Dünnfilm-Widerstand aus der Ta-Si-SiO-
Legierung brach, nachdem die Rate der Widerstandsveränderung
langsam aber kontinuierlich angestiegen war (ohne Absinken).
Infolgedessen kann ein schutzschichtfreier Dünnfilm-
Widerstand aus einer Ta-Si-SiO-Legierung zur Herstellung
eines Thermoaufzeichnungskopfes für eine
Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung verwendet werden, wenn der
lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats 5×10
-6/°C oder weniger beträgt. Ein monolithischer LSI-
Thermoaufzeichnungskopf gemäß der neunten Ausführungsform
kann gemäß den Angaben bei der siebten und achten
Ausführungsform hergestellt werden.
Wie in Fig. 10 gezeigt ist, wurden der vorstehend
beschriebene Heizwiderstand und die LSI-Steuerschaltung auf
dem Siliciumsubstrat 31 in einem Thermoaufzeichnungskopf von
200 dpi befestigt. Das etwa 3 mm breite Siliciumsubstrat 31
wurde zunächst mit dem etwa 4 mm breiten Kühlblock 81
verbunden. Das Siliciumsubstrat 31 wurde sodann elektrisch
mit einem Stecker 82 am Kühlblock 31 verbunden. Es ist
darauf hinzuweisen, daß diese Teile mit einem Einzeldraht-
Verbindungsverfahren, bei dem man den Golddraht 83
verwendet, oder mit einem Bandträgerverfahren so verbunden
werden können, daß die Anzahl der Verbindungen der Anzahl
der Steuersignalleitungen oder Stromquellenleitungen
entspricht. Auf diese Weise läßt sich ein dünner, kompakter
Thermoaufzeichnungskopf herstellen.
Der Thermoaufzeichnungskopf dieser Bauart weist einen
schutzschichtfreien Dünnfilm-Heizwiderstand aus einer Cr-Si-
SiO-Legierung auf, die auf einem Substrat mit geringem
Wärmeausdehnungskoeffizienten vorliegt. Bei dieser
Ausführungsform wird die bisher als unerläßlich angesehene
Wärmeisolationsschicht mit einer herkömmlichen Dicke von 50
bis 100 µm auf eine Dicke von nur 8 µm verringert. Dies wird
durch die äußerst kurze Impulszeit von 0,1 bis 0,3 ms, die
in der vorstehenden Ausführungsform beschrieben ist, und die
Verringerung des Wärmeflusses zur Wärmeisolationsschicht
aufgrund eines Wegfalls der Schutzschichten erreicht. Es
kann sogar eine SiO2-Schicht, die so dünn ist, wie es das
Siliciumsubstrat erlaubt, als wärmebeständige Schicht
verwendet werden.
Erfindungsgemäß wurden kontinuierliche
Scheinaufzeichnungstests mit diesem Thermoaufzeichnungskopf
unter Anwendung von 0,25 mJ/Punkt-Impulsen mit einer Breite
von 0,3 ms und Pausen zwischen den Impulsen von 3 ms
durchgeführt. Der Thermoaufzeichnungskopf funktionierte für
50 Millionen Impulse oder mehr pro Heizwiderstand
zuverlässig. Erfindungsgemäß wurden auch kontinuierliche
Scheinaufzeichnungstests mit diesem Thermoaufzeichnungskopf
unter Anwendung von 0,22 mJ/Punkt-Impulsen mit einer Breite
von 0,1 ms und Pausen zwischen den Impulsen von 1 ms
durchgeführt. In diesem Fall funktionierte der
Thermoaufzeichnungskopf ebenfalls für 50 Millionen Impulse
oder mehr pro Heizwiderstand zuverlässig. Auch bei dieser
äußerst raschen Aufzeichnungsgeschwindigkeit konnte keine
Schweifbildung beobachtet werden. Ein Siliciumsubstrat mit
hervorragendem Wärmeübertragungsvermögen und eine dünne
Wärmeisolationsschicht ermöglichen gleichzeitig eine
geeignete Wärmeisolierung und rasche Abkühleigenschaften.
Claims (22)
1. Thermoaufzeichnungskopf für die thermische Aufzeichnung
von Bildern auf einem wärmeempfindlichen
Aufzeichnungsmaterial, umfassend
eine Dünnfilm-Widerstandsschicht aus einem Material, ausgewählt aus einer Cr-Si-SiO-Legierung und einer Ta-Si-SiO-Legierung, wobei die Dünnfilm-Widerstandsschicht einen Heizbereich zur Herstellung eines direkt anliegenden Kontakts mit dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial umfaßt, wobei die Dünnfilm-Widerstandsschicht durch gepulsten elektrischen Strom mit Energie versorgt wird, wobei sich der Heizbereich pulsweise entsprechend dem gepulsten elektrischen Strom zum Erwärmen des wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterials aufheizt und darauf ein Bild erzeugt;
eine Leiterschicht, die auf der Dünnfilm- Widerstandsschicht vorgesehen ist und aus einem Material, ausgewählt aus Nickel, Chrom, Molybdän, Wolfram und Tantal besteht; und
einen Träger für die Dünnfilm-Widerstandsschicht, auf der die Leiterschicht vorgesehen ist, wobei der Träger aus einem Material mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei 20 bis 300°C von weniger als 5 × 10-6/°C gefertigt ist.
eine Dünnfilm-Widerstandsschicht aus einem Material, ausgewählt aus einer Cr-Si-SiO-Legierung und einer Ta-Si-SiO-Legierung, wobei die Dünnfilm-Widerstandsschicht einen Heizbereich zur Herstellung eines direkt anliegenden Kontakts mit dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial umfaßt, wobei die Dünnfilm-Widerstandsschicht durch gepulsten elektrischen Strom mit Energie versorgt wird, wobei sich der Heizbereich pulsweise entsprechend dem gepulsten elektrischen Strom zum Erwärmen des wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterials aufheizt und darauf ein Bild erzeugt;
eine Leiterschicht, die auf der Dünnfilm- Widerstandsschicht vorgesehen ist und aus einem Material, ausgewählt aus Nickel, Chrom, Molybdän, Wolfram und Tantal besteht; und
einen Träger für die Dünnfilm-Widerstandsschicht, auf der die Leiterschicht vorgesehen ist, wobei der Träger aus einem Material mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei 20 bis 300°C von weniger als 5 × 10-6/°C gefertigt ist.
2. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei der Dünnfilm-
Widerstandsschicht um eine Dünnfilmschicht von 500 bis
1000 Å Dicke handelt.
3. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leiterschicht umfaßt:
einen auf der Dünnfilm-Widerstandsschicht vorgesehenen ersten Leiter in einer solchen Anordnung, daß der Heizbereich frei bleibt; und
einen auf dem ersten Leiter im Abstand zum Heizbereich vorgesehenen zweiten Leiter, um den gepulsten elektrischen Strom der Dünnfilm-Widerstandsschicht zuzuleiten.
einen auf der Dünnfilm-Widerstandsschicht vorgesehenen ersten Leiter in einer solchen Anordnung, daß der Heizbereich frei bleibt; und
einen auf dem ersten Leiter im Abstand zum Heizbereich vorgesehenen zweiten Leiter, um den gepulsten elektrischen Strom der Dünnfilm-Widerstandsschicht zuzuleiten.
4. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Leiter aus einer 500 bis
2000 Å dicken Dünnfilmschicht aus einer Legierung eines
Materials aus der Gruppe Nickel, Molybdän, Wolfram, Tantal
und Aluminium besteht.
5. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstand 200 bis 300 µm beträgt.
6. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Leiterschicht im wesentlichen
1000 Å dick ist und der Abstand im wesentlichen 2 mm
beträgt.
7. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei der ersten Leiterschicht um
eine 500 bis 1000 Å dicke Dünnfilmschicht aus einer
Legierung aus einem Material aus der Gruppe Chrom, Molybdän,
Wolfram und Tantal handelt.
8. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leiterschicht eine einzelne Schicht
ist, die auf der Dünnfilm-Widerstandsschicht so angeordnet
ist, daß der Heizbereich frei bleibt, wobei die
Leiterschicht als Leiter zum Zuleiten des gepulsten
elektrischen Stroms zur Dünnfilm-Widerstandsschicht dient.
9. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei der Leiterschicht um eine
500 bis 1000 Å dicke Dünnfilmschicht aus Nickel handelt.
10. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich beim Träger um ein Substrat aus
einem Material aus der Gruppe Silicium, Quarzglas,
Borsilikatglas, Glas mit geringem Alkaligehalt, Neo-Seram,
Mullit-Keramik, Si3N4, Ta2O5 und SiO2 handelt.
11. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 2, zusätzlich
gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zur Erzeugung
des gepulsten elektrischen Stroms, wobei die
Steuereinrichtung eine Elektrode in direktem Kontakt mit der
Dünnfilm-Widerstandsschicht aufweist.
12. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich beim Träger um eine
Isolationsschicht handelt, die am Heizbereich dicker als
gegenüber der Elektrode ist.
13. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei der Isolationsschicht um
eine SiO2-Schicht mit einer Dicke von 8 µm oder weniger
handelt.
14. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht eine erste
Isolationsschicht aus einem anorganischen Material und eine
zweite Isolationsschicht aus einem wärmebeständigen Harz
umfaßt, wobei die erste Isolationsschicht zwischen dem
Heizbereich und der zweiten Isolationsschicht zumindest im
Heizbereich vorliegt.
15. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Isolationsschicht aus einer 2
bis 3 µm dicken SiO2-Schicht besteht.
16. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Isolationsschicht aus einer 1
bis 2 µm dicken Si3N4-Schicht besteht.
17. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite Isolationsschicht aus einer
Polyimidharzschicht von 1 bis 5 µm Dicke besteht.
18. Thermoaufzeichnungskopf zur thermischen Aufzeichnung von
Bildern auf einem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial,
gekennzeichnet durch:
eine Dünnfilm-Widerstandsschicht aus einem Material mit einem bestimmten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei die Dünnfilm-Widerstandsschicht einen Heizbereich aufweist, wobei die Dünnfilm-Widerstandsschicht durch gepulsten elektrischen Strom mit Energie versorgt wird und wobei der Heizbereich sich stoßweise entsprechend dem gepulsten elektrischen Strom aufheizt,
einen Träger für die Dünnfilm-Widerstandsschicht, wobei der Träger aus einem Material gefertigt ist, dessen linearer Wärmeausdehnungskoeffizient niedriger als der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials für die Dünnfilm- Widerstandsschicht ist; und
eine Antiabriebschicht mit einer Dicke von 1 µm oder weniger auf dem Heizbereich zur Herstellung eines direkt angrenzenden Kontakts mit dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial und zur direkten Übertragung der gepulsten Wärme vom Heizbereich auf das Material, um darauf ein Bild zu erzeugen.
eine Dünnfilm-Widerstandsschicht aus einem Material mit einem bestimmten linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei die Dünnfilm-Widerstandsschicht einen Heizbereich aufweist, wobei die Dünnfilm-Widerstandsschicht durch gepulsten elektrischen Strom mit Energie versorgt wird und wobei der Heizbereich sich stoßweise entsprechend dem gepulsten elektrischen Strom aufheizt,
einen Träger für die Dünnfilm-Widerstandsschicht, wobei der Träger aus einem Material gefertigt ist, dessen linearer Wärmeausdehnungskoeffizient niedriger als der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials für die Dünnfilm- Widerstandsschicht ist; und
eine Antiabriebschicht mit einer Dicke von 1 µm oder weniger auf dem Heizbereich zur Herstellung eines direkt angrenzenden Kontakts mit dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial und zur direkten Übertragung der gepulsten Wärme vom Heizbereich auf das Material, um darauf ein Bild zu erzeugen.
19. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 18, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei der Dünnfilm-
Widerstandsschicht um eine Dünnfilmschicht von 500 bis
1000 Å Dicke handelt, die aus einem Material aus der Gruppe
Cr-Si-SiO-Legierungen und Ta-Si-SiO-Legierungen ausgewählt
ist, wobei das Trägermaterial im Bereich von 20 bis 300°C
einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als
5 × 10-6/°C aufweist.
20. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 19, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei der Antiabriebschicht um
eine Dünnfilmschicht aus einem Material, das aus der Gruppe
Ta2O5, SiN und Si3N4 ausgewählt ist, handelt.
21. Thermoaufzeichnungskopf für einen Drucker zur
thermischen Aufzeichnung von Zeichen auf einem
wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial, gekennzeichnet
durch:
einen Kühlblock mit einem daran befestigten Stecker, wobei der Stecker eine Mehrzahl von Signalleitungen umfaßt;
ein auf dem Kühlblock vorgesehenes Substrat;
eine auf dem Substrat vorgesehene Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung mit dem Stecker durch eine Verbindung für jede einzelne Vielzahl von Signalleitungen verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung einen gepulsten elektrischen Strom erzeugt und den gepulsten elektrischen Strom an eine Sammelelektrode abgibt;
eine wärmebeständige Harzschicht, die auf dem Substrat in einem Abstand von der Sammelelektrode vorgesehen ist, wobei die wärmebeständige Harzschicht eine dem Substrat gegenüberliegende Oberfläche mit einem erhöhten Bereich aufweist;
eine anorganische Wärmeisolationsschicht aus einem Material mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei 20 bis 300°C von weniger als 5 × 10-6/°C, wobei die anorganische Wärmeisolationsschicht mindestens den erhöhten Bereich der wärmebeständigen Schicht und den Abstand zur Sammelelektrode bedeckt, wobei die Gesamtdicke der wärmebeständigen Harzschicht und der anorganischen Wärmeisolationsschicht am erhöhten Bereich größer als an der Sammelelektrode ist;
eine auf der anorganischen Isolationsschicht vorgesehene Dünnfilm-Widerstandsschicht, bei der es sich um eine Dünnfilmschicht mit einer Dicke von 500 bis 1000 Å handelt, die aus einem Material aus der Gruppe Cr-Si-SiO-Legierungen und Ta-Si-SiO-Legierungen hergestellt ist, wobei die Dünnfilm-Widerstandsschicht einen Heizbereich im wesentlichem am erhöhten Bereich aufweist, wobei die Dünnfilm-Widerstandsschicht in direktem Kontakt mit der Sammelelektrode steht, wobei die Dünnfilm-Widerstandsschicht durch den gepulsten elektrischen Strom mit Energie versorgt wird und wobei der Heizbereich stoßweise entsprechend dem gepulsten elektrischen Strom aufgeheizt wird;
eine erste Leiterschicht, die auf der Dünnfilm- Widerstandsschicht vorgesehen ist, ausgenommen am Heizbereich, wobei die erste Leiterschicht als Leiter zum Zuleiten des gepulsten elektrischen Stroms zur Dünnfilm- Widerstandsschicht dient; und
eine Antiabriebschicht, die in einer Dicke von 1 µm oder weniger auf dem Heizbereich unter Herstellung eines direkt angrenzenden Kontakts mit dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial und zur Übertragung der gepulsten Wärme vom Heizbereich zu dem Material, um darauf ein Bild zu erzeugen.
einen Kühlblock mit einem daran befestigten Stecker, wobei der Stecker eine Mehrzahl von Signalleitungen umfaßt;
ein auf dem Kühlblock vorgesehenes Substrat;
eine auf dem Substrat vorgesehene Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung mit dem Stecker durch eine Verbindung für jede einzelne Vielzahl von Signalleitungen verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung einen gepulsten elektrischen Strom erzeugt und den gepulsten elektrischen Strom an eine Sammelelektrode abgibt;
eine wärmebeständige Harzschicht, die auf dem Substrat in einem Abstand von der Sammelelektrode vorgesehen ist, wobei die wärmebeständige Harzschicht eine dem Substrat gegenüberliegende Oberfläche mit einem erhöhten Bereich aufweist;
eine anorganische Wärmeisolationsschicht aus einem Material mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei 20 bis 300°C von weniger als 5 × 10-6/°C, wobei die anorganische Wärmeisolationsschicht mindestens den erhöhten Bereich der wärmebeständigen Schicht und den Abstand zur Sammelelektrode bedeckt, wobei die Gesamtdicke der wärmebeständigen Harzschicht und der anorganischen Wärmeisolationsschicht am erhöhten Bereich größer als an der Sammelelektrode ist;
eine auf der anorganischen Isolationsschicht vorgesehene Dünnfilm-Widerstandsschicht, bei der es sich um eine Dünnfilmschicht mit einer Dicke von 500 bis 1000 Å handelt, die aus einem Material aus der Gruppe Cr-Si-SiO-Legierungen und Ta-Si-SiO-Legierungen hergestellt ist, wobei die Dünnfilm-Widerstandsschicht einen Heizbereich im wesentlichem am erhöhten Bereich aufweist, wobei die Dünnfilm-Widerstandsschicht in direktem Kontakt mit der Sammelelektrode steht, wobei die Dünnfilm-Widerstandsschicht durch den gepulsten elektrischen Strom mit Energie versorgt wird und wobei der Heizbereich stoßweise entsprechend dem gepulsten elektrischen Strom aufgeheizt wird;
eine erste Leiterschicht, die auf der Dünnfilm- Widerstandsschicht vorgesehen ist, ausgenommen am Heizbereich, wobei die erste Leiterschicht als Leiter zum Zuleiten des gepulsten elektrischen Stroms zur Dünnfilm- Widerstandsschicht dient; und
eine Antiabriebschicht, die in einer Dicke von 1 µm oder weniger auf dem Heizbereich unter Herstellung eines direkt angrenzenden Kontakts mit dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungsmaterial und zur Übertragung der gepulsten Wärme vom Heizbereich zu dem Material, um darauf ein Bild zu erzeugen.
22. Thermoaufzeichnungskopf nach Anspruch 21, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kühlblock eine Breite von 4 mm
aufweist und aus einer Fe-42% Ni-Legierung gefertigt ist.
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