JP2000052584A

JP2000052584A - サーマルヘッド

Info

Publication number: JP2000052584A
Application number: JP10220358A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kashiwatani; 誠柏谷; Junji Nakada; 純司中田
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1998-08-04
Filing date: 1998-08-04
Publication date: 2000-02-22
Anticipated expiration: 2018-08-04
Also published as: JP3172139B2; US6061077A

Abstract

(57)【要約】【課題】保護膜の腐食や摩耗が極めて少なく、しかも熱
や機械的衝撃に対しても保護膜の割れや剥離の発生を防
止して、十分な耐久性を有し、長期に渡って高い信頼性
を発揮できるサーマルヘッドを提供する。【解決手段】発熱素子を保護する保護膜として、下層保
護膜と、その上に形成される中間層保護膜と、その上に
複数層形成される炭素を主成分とするカーボン保護膜と
を有し、かつ、カーボン保護膜の応力を、下層から上層
に向かって順次高くすることにより、前記課題を解決す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種のプリンタ、
プロッタ、ファックス、レコーダ等に記録手段として用
いられる感熱記録を行うためのサーマルヘッドの技術分
野に属する。

【０００２】

【従来の技術】超音波診断画像の記録に、フィルム等を
支持体として感熱記録層を形成してなる感熱材料を用い
た感熱記録が利用されている。また、感熱記録は、湿式
の現像処理が不要であり、取り扱いが簡単である等の利
点を有することから、近年では、超音波診断のような小
型の画像記録のみならず、ＣＴ診断、ＭＲＩ診断、Ｘ線
診断等の大型かつ高画質な画像が要求される用途におい
て、医療診断のための画像記録への利用も検討されてい
る。

【０００３】周知のように、感熱記録は、感熱材料を加
熱して画像を記録する、発熱抵抗体と電極とを有する発
熱素子が一方向（主走査方向）に配列されてなる発熱体
（グレーズ）が形成されたサーマルヘッドを用い、グレ
ーズを感熱材料に若干押圧した状態で、両者を前記主走
査方向と直交する副走査方向に相対的に移動しつつ、Ｍ
ＲＩやＣＴ等の画像データ供給源から供給された記録画
像の画像データに応じて、グレーズの各画素の発熱素子
にエネルギーを印加して発熱させることにより、感熱材
料の感熱記録層を加熱して発色させて画像記録を行う。

【０００４】このサーマルヘッドのグレーズには、感熱
材料を加熱する発熱体、あるいはさらに電極等を保護す
るため、その表面に保護膜が形成されている。従って、
感熱記録時に感熱材料と接触するのは、この保護膜で、
発熱体は、この保護膜を介して感熱材料を加熱し、これ
により感熱記録が行われる。保護膜の材料には、通常、
耐摩耗性を有するセラミック等が用いられているが、保
護膜の表面は、感熱記録時には加熱された状態で感熱材
料と慴接するため、記録を重ねるにしたがって摩耗し、
劣化する。

【０００５】この摩耗が進行すると、感熱画像に濃度ム
ラが生じたり、保護膜としての強度が保てなくなるた
め、発熱体等を保護する機能が損なわれ、最終的には、
画像記録ができなくなる状態に陥る（ヘッド切れ）。特
に、前述の医療用途のように、高品質で、かつ高画質な
多階調画像が要求される用途においては、高品質化およ
び高画質化を計るために、ポリエステルフィルム等の高
剛性の支持体を使用する感熱フィルムを用い、さらに、
記録温度（印加エネルギー）や、感熱材料へのサーマル
ヘッドの押圧力を高く設定する方向にある。そのため、
通常の感熱記録に比して、サーマルヘッドの保護膜にか
かる力や熱が大きく、摩耗や腐食（腐食による摩耗）が
進行し易くなっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようなサーマルヘ
ッドの保護膜の摩耗を防止し、耐久性を向上する方法と
して、保護膜の性能を向上する技術が数多く検討されて
おり、中でも特に、耐摩耗性や耐蝕性に優れた保護膜と
して、炭素を主成分とする保護膜（以下、カーボン保護
膜とする）が知られている。例えば、特公昭６１−５３
９５５号および特公平４−６２８６６号（前記出願の分
割出願）の各公報には、サーマルヘッドの保護膜とし
て、ビッカーズ硬度が４５００kg/mm²以上のカーボン保
護膜を形成することにより、優れた耐摩耗性と共に、保
護膜を十分に薄くして優れた応答性も実現したサーマル
ヘッド、およびその製造方法が開示されている。また、
特開平７−１３２６２８号公報には、下層のシリコン系
化合物層と、その上層のダイヤモンドライクカーボン層
との２層構造の保護膜を有することにより、保護膜の摩
耗および破壊を大幅に低減し、高画質記録が長期に渡っ
て可能なサーマルヘッドが開示されている。

【０００７】このようなカーボン保護膜は、ダイヤモン
ドに極めて近い特性を有するもので、非常に硬度が高
く、また、化学的にも安定である。そのため、感熱材料
との摺接に対する耐摩耗性や耐蝕性という点では優れた
特性を発揮する。しかしながら、カーボン保護膜は、優
れた耐摩耗性を有するものの、硬いが故に脆い、すなわ
ち靭性が低い。そのため、発熱素子の加熱によるヒート
ショックや熱的なストレス、カーボン保護膜とこれに接
する層との熱膨張係数の違いによるストレス、記録中に
感熱材料とサーマルヘッド（グレーズ）との間に混入す
る異物による機械的衝撃等によって、比較的容易に割れ
や剥離が生じてしまうという問題点がある。保護膜に割
れや剥離が生じると、ここから摩耗や腐食、さらには腐
食による摩耗が進行して、サーマルヘッドの耐久性が低
下してしまい、やはり、長期に渡って高い信頼性を発揮
することはできない。

【０００８】本発明の目的は、前記従来技術の問題点を
解決することにあり、炭素を主成分とする保護膜を有す
るサーマルヘッドであって、保護膜の腐食や摩耗が極め
て少なく、しかも熱や機械的衝撃に対しても保護膜の割
れや剥離の発生を防止して、十分な耐久性を有し、長期
に渡って高い信頼性を発揮し、これにより、長期に渡っ
て高画質の感熱記録を安定して行うことができるサーマ
ルヘッドを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、発熱素子を保護する保護膜として、下層
保護膜と、その上に形成される中間層保護膜と、その上
に複数層形成される炭素を主成分とするカーボン保護膜
とを有し、かつ、前記カーボン保護膜の応力が、下層か
ら上層に向かって順次高くなることを特徴とするサーマ
ルヘッドを提供する。

【００１０】また、前記下層保護膜が、セラミックス保
護膜であり、前記中間層保護膜が、４Ａ族の金属、５Ａ
族の金属、６Ａ族の金属、珪素およびゲルマニウムから
なる群より選択される少なくとも１種を主成分とするの
が好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明のサーマルヘッドに
ついて、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に
説明する。

【００１２】図１に、本発明にかかるサーマルヘッドの
発熱素子の概略断面図を示す。図示例のサーマルヘッド
１０は、例えば、最大Ｂ４サイズまでの画像記録が可能
な、約３００ｄｐｉの記録（画素）密度の感熱記録を行
うもので、保護膜に特徴を有する以外は、感熱材料Ａへ
の感熱記録を行う発熱素子が一方向（主走査方向図１
において紙面と垂直方向）に配列されるグレーズが形成
された公知の構成を有するものである。なお、本発明の
サーマルヘッド１０の幅（主走査方向）、解像度（記録
密度）、記録階調等には特に限定は無いが、幅は５cm〜
５０cm、解像度は６dot/mm（約１５０ｄｐｉ）以上、記
録階調は２５６階調以上であるのが好ましい。

【００１３】また、本発明のサーマルヘッド１０で感熱
記録を行う感熱材料Ａは、透明なポリエチレンテレフタ
レート（ＰＥＴ）フィルム等を支持体として、その一面
に感熱記録層を形成してなる、通常の感熱材料である
が、良好なスティッキングの低減等の点で、潤滑剤を含
有する感熱材料Ａが好適に利用される。

【００１４】図１に、示されるように、サーマルヘッド
１０は、基板１２の上（図示例において、サーマルヘッ
ド１０は、上から感熱材料Ａに押圧されるので、図１中
では下となる）に形成されるグレーズ層（畜熱層）１４
と、その上に形成される発熱（抵抗）体１６と、その上
に形成される電極１８と、その上に形成される、発熱体
１６および電極１８からなる発熱素子等を護するための
保護膜とを有して構成される。図示例のサーマルヘッド
１０の保護膜は、発熱体１６および電極１８を覆って形
成される下層保護膜２０と、下層保護膜２０の上に形成
される中間層保護膜２２（以下、中間層２２とする）
と、中間層２２の上に形成される炭素を主成分とする複
数層の保護膜、すなわち第１カーボン保護膜２４および
第２カーボン保護膜２６とからなる４層構成を有する。

【００１５】本発明のサーマルヘッド１０は、保護膜以
外は、基本的に公知のサーマルヘッドと同様の構成を有
する。従って、それ以外の層構成や各層の材料には特に
限定はなく、公知のものが各種利用可能である。具体的
には、基板１２としては耐熱ガラスやアルミナ、シリ
カ、マグネシアなどのセラミックス等の電気絶縁性材料
が、グレーズ層１４としては耐熱ガラスやポリイミド樹
脂等の耐熱性樹脂等が、発熱体１６としてはニクロム
（Ni-Cr)、タンタル、窒化タンタル等の発熱抵抗体が、
電極１８としてはアルミニウム、銅等の導電性材料が、
各種利用可能である。なお、発熱素子（グレーズ）に
は、真空蒸着、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition) 、
スパッタリング等のいわゆる薄膜形成技術およびフォト
エッチング法を用いて形成される薄膜型発熱素子と、ス
クリーン印刷などの印刷ならびに焼成によるいわゆる厚
膜形成技術を用いて形成される厚膜型発熱素子とが知ら
れているが、本発明に用いられるサーマルヘッド１０
は、いずれの方法で形成されたものであってもよい。

【００１６】本発明のサーマルヘッド１０に形成される
下層保護膜２０としては、サーマルヘッドの保護膜とな
りうる耐熱性、耐蝕性および耐摩耗性を有する材料であ
れば、公知の材料が各種利用可能であり、好ましくは、
各種のセラミックス材料が例示される。具体的には、窒
化珪素(Si₃N₄) 、炭化珪素(SiC) 、酸化タンタル(Ta
₂O₅) 、酸化アルミニウム(Al₂O₃) 、サイアロン(SiAlO
N)、酸化珪素(SiO₂)、窒化アルミニウム(AlN) 、窒化ホ
ウ素(BN)、酸化セレン(SeO) 、窒化チタン(TiN) 、炭化
チタン(TiC) 、炭窒化チタン(TiCN)、窒化クロム(CrN)
、およびこれらの混合物等が例示される。中でも特
に、成膜の容易性や製造コスト、機械的摩耗や化学的摩
耗に対する耐摩耗性等の点で、窒化物、炭化物が好まし
く、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン等が好適に利用さ
れる。また、下層保護膜２０には、物性調整のため、金
属等の微量の添加物が含まれてもよい。

【００１７】下層保護膜２０の形成方法には特に限定は
なく、前述の厚膜形成技術や薄膜形成技術等を用いて、
公知のセラミックス膜（層）の成膜方法で形成すればよ
いが、中でも特に、ＣＶＤが好適に利用される。周知の
ように、ＣＶＤは、反応室中に導入した気体原料に、熱
や光等のエネルギを加え、種々の化学反応を誘起させ
て、基板上に物質を堆積被覆して成膜する技術である
が、下層保護膜２０をＣＶＤで形成することにより、非
常に緻密で、しかもクラック等の欠損部がない下層保護
膜２０を形成することができ、その結果、より耐久性に
優れ、かつ画質的にも有利なサーマルヘッドを作成する
ことができる。

【００１８】下層保護膜２０の厚さには特に限定はない
が、好ましくは０．２μｍ〜２０μｍ程度、より好まし
くは２μｍ〜１５μｍ程度である。下層保護膜２０の厚
さを上記範囲とすることにより、耐摩耗性と熱伝導性
（すなわち記録感度）とのバランスを好適に取ることが
できる等の点で好ましい結果を得る。また、下層保護膜
２０は多層構成でもよい。下層保護膜２０を多層構成と
する際には、異なる材料を用いて多層構成としてもよ
く、あるいは、同じ材料で密度等の異なる層を有する多
層構成であってもよく、あるいは、その両者を有するも
のであってもよい。

【００１９】図示例のサーマルヘッド１０は、このよう
な下層保護膜２０の上に中間層２２を形成し、その上に
カーボン保護膜（第１カーボン保護膜２４および第２カ
ーボン保護膜２６）を有する４層構成の保護膜を有す
る。前述のように、カーボン保護膜は化学的に非常に安
定であるため、下層保護膜２０の上層にカーボン保護膜
を有することにより、下層保護膜２０、発熱体１６、電
極１８等の化学腐食を有効に防止し、サーマルヘッドの
寿命を長くすることができるが、さらに、この中間層２
２を有することにより、下層保護膜２０とカーボン保護
膜の密着性、衝撃吸収性等を向上し、より、耐久性や長
期信頼性に優れた、長寿命のサーマルヘッドを実現でき
る。

【００２０】サーマルヘッド１０に形成される中間層２
２としては、周期表４Ａ族（４族＝チタン族）の金属、
同５Ａ族（５族＝バナジウム族）の金属、同６Ａ族（６
族＝クロム族）の金属、Ｓｉ（珪素）およびＧｅ（ゲル
マニウム）からなる群より選択される少なくとも１種を
主成分とするのが、上層であるカーボン保護膜および下
層である下層保護膜２０との密着性、ひいてはカーボン
保護膜の耐久性の点から好ましい。具体的には、Ｓｉ、
Ｇｅ、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリ
ブデン）およびこれらの混合物等が好適に例示される。
中でも特に、カーボンとの結合性等の点で、Ｓｉ、Ｍｏ
が好ましく、最も好ましくはＳｉである。

【００２１】中間層２２の形成方法には特に限定はな
く、前述の厚膜形成技術や薄膜形成技術等を用いて、中
間層２２の形成材料に応じた公知の成膜方法で形成すれ
ばよいが、好ましい一例として、スパッタリングが例示
され、また、プラズマＣＶＤも利用可能である。また、
中間層２２は多層構成としてもよい。中間層２２を多層
構成とする際には、異なる材料を用いて多層構成として
もよく、あるいは、同じ材料で密度等の異なる層を有す
る多層構成であってもよく、あるいは、その両者を有す
るものであってもよい。

【００２２】ここで、中間層２２の形成に先立って、ラ
ッピングやエッチング等による処理を行ってもよい。こ
れにより、下層保護膜２０と中間層２２との間、ならび
に中間層２２とカーボン保護膜２４との間における密着
力を向上でき、サーマルヘッドの耐久性を向上できる。
この際における下層保護膜２０の表面粗度には特に限定
はないが、Ｒａ値で１ｎｍ〜０．１μｍが好適である。

【００２３】図示例のサーマルヘッド１０においては、
この中間層２２の上に、炭素を主成分とする第１カーボ
ン保護膜２４が形成され、その上に、炭素を主成分とす
る第２カーボン保護膜２６が形成される。両者は応力が
異なるものであり、上層の第２カーボン保護膜２６の方
が、高い応力を有する。カーボン保護膜は化学的に非常
に安定であるため、下層保護膜２０の化学腐食を有効に
防止し、サーマルヘッドの耐久性向上に好適であるのは
前述の通りであるが、本発明においては、このカーボン
保護膜を多層にして、上層に向かって順次高い応力を有
する構成とすることにより、カーボン保護膜と、下層の
中間層２２や下層保護膜２０との密着性をより高くし
て、前述のヒートショックや熱ストレス、下層との熱膨
張係数の違いによるストレス、不純物による機械的衝撃
等に起因する、カーボン保護膜の割れや剥離を防止し
て、より耐久性および信頼性に優れた、長寿命なサーマ
ルヘッドを実現している。

【００２４】なお、本発明において、炭素を主成分とす
るカーボン保護膜とは、５０原子％（ａｔｍ％）超の炭
素を含有するカーボン膜で、好ましくは炭素および不可
避的不純物からなるカーボン膜のことである。本発明の
サーマルヘッドにおいて、カーボン保護膜を形成する炭
素以外の添加成分としては、水素、窒素、フッ素、Ｓ
ｉ、およびＴｉ等が好適に例示される。添加成分が水
素、窒素およびフッ素である場合には、カーボン保護膜
中のこれらの含有量は５０ａｔｍ％未満であるのが好ま
しく、添加成分がＳｉおよびＴｉである場合には、カー
ボン保護膜中のこれらの含有量は２０ａｔｍ％以下であ
るのが好ましい。

【００２５】本発明のサーマルヘッド１０において、カ
ーボン保護膜の応力には特に限定はないが、最上層のカ
ーボン保護膜と最下層カーボン保護膜とで２倍〜１０倍
程度の応力差を有するのが好ましい。なお、薄膜の応力
は下記式で算出できるので、カーボン保護膜の応力は、
一例として、成膜基板の反り量で比較することができ、
反り量が大きい程、高応力である。Ｓ＝ｄＥＤ²／［３Ｌ²（１−ｖ）］上記式において、Ｓは薄膜の応力を；Ｅは基板のヤン
グ率を；ｖは基板のポアゾン比を；Ｄは基板の厚さ
を；Ｌは薄膜の長さを；ｄは基板の反り量を；そ
れぞれ示す。

【００２６】さらに、カーボン保護膜の層数にも特に限
定はなく、複数層であればよいが、サーマルヘッドの生
産性、層間の密着性等の点で、２層〜５層とするのが好
ましい。

【００２７】このようなカーボン保護膜の成膜方法には
特に限定はなく、目的とするカーボン保護膜の組成に応
じた、公知の成膜方法がすべて利用可能であるが、好ま
しい方法として、スパッタリング、特にマグネトロンス
パッタリングや、ＣＶＤ、特にプラズマＣＶＤが好適に
例示される。このような成膜手段を用いる場合には、成
膜条件を調整することにより、前述のように、応力の異
なる複数層のカーボン保護膜を成膜することができる。

【００２８】例えば、カーボン保護膜をスパッタリング
によって形成する際には、成膜中の真空度（系内の圧
力）を調整することにより、カーボン保護膜の硬度を調
整することができ、具体的には、真空度を高くすること
によって、高硬度すなわち高応力のカーボン保護膜を形
成することができる。また、プラズマを発生するための
ガスとともに、水素ガスを流入して、その流量を調整す
ることにより、カーボン保護膜の応力を調整することが
できる。具体的には、プラズマ発生ガスとしてアルゴン
を用いた場合には、水素ガスの流量がアルゴン流量の５
％〜１０％である時が最も硬度の高いカーボン保護膜を
成膜することができ、水素量が増えるに応じて膜は軟化
するので、これを利用して、応力の異なる複数層のカー
ボン保護膜を形成することができる。なお、スパッタリ
ングによって成膜を行う場合のカーボン保護膜の応力の
制御方法には特に限定はなく、例えば、成膜中の真空度
や水素ガス流量と膜の硬度との関係をあらかじめ実験等
によって調べておき、これに応じて、所望する応力のカ
ーボン保護膜を形成すればよい。

【００２９】また、ＣＶＤによってカーボン保護膜を形
成する際には、基板となるサーマルヘッドに印加するバ
イアス電圧を調整することによって、応力の異なるカー
ボン保護膜を形成することができる。周知のように、Ｃ
ＶＤで成膜を行う際には、基板に負のバイアス電圧を印
加しながら成膜を行うのが好ましいが、一般的に、基板
バイアス電圧を印加しながらＣＶＤで成膜したカーボン
膜は、基板バイアス電圧が０から負に向かうに従って硬
度が高くなり、−２００Ｖ〜−３００Ｖの範囲で硬度が
最も高く、これを超えて負になると、逆に硬度が低くな
っていく。従って、これを利用して、応力の異なる複数
層のカーボン保護膜を形成することができる。なお、Ｃ
ＶＤによって成膜する場合のカーボン保護膜の応力の制
御方法には特に限定はなく、例えば、先のスパッタリン
グと同様、成膜中のバイアス電圧と膜の硬度との関係を
あらかじめ実験等によって調べておき、これに応じて、
所望する応力のカーボン保護膜を形成すればよい。

【００３０】カーボン保護膜２４は、５０℃〜４００℃
程度、特に、サーマルヘッド１０の使用温度に加熱しな
がら形成してもよい。これにより、カーボン保護膜２４
と中間層２２ひいては下層保護膜２０との密着性をさら
に向上でき、ヒートショックや感熱記録中の異物混入に
よる機械的衝撃による割れや剥離、ならびに高パワー記
録によるカーボン膜の変質や消失に対する、より一層優
れた耐久性を得ることができる。なお、加熱は、ヒータ
等の加熱手段を用いる方法や、サーマルヘッド１０に通
電する方法で行えばよい。

【００３１】このようなカーボン保護膜の硬度には特に
限定はなく、サーマルヘッドの保護膜として十分な硬度
を有すればよい。例えば、図示例のような２層のカーボ
ン保護膜を有する構成であれば、下層の第１カーボン保
護膜２４は、ビッカーズ硬度で１０００kg/mm²〜２００
０kg/mm²程度が、上層の第２カーボン保護膜２６であれ
ば、ビッカーズ硬度で２０００kg/mm²〜３０００kg/mm²
程度が好適に例示される。

【００３２】下層保護膜２０、中間層２２およびカーボ
ン保護膜を有する本発明のサーマルヘッド１０におい
て、中間層２２およびカーボン保護膜の厚さには特に限
定はないが、好ましくは、中間層２２は０．０５μｍ〜
１μｍ、より好ましくは０．１μｍ〜１μｍである。カ
ーボン保護膜の厚さは、全体で０．５μｍ〜５μｍ、特
に、１μｍ〜３μｍが好ましい。また、図示例のよう
に、２層のカーボン保護膜を有する構成であれば、下層
の第１カーボン保護膜２４および上層の第２カーボン保
護膜２６共に、０．５μｍ〜１．５μｍが好ましい。

【００３３】中間層２２がカーボン保護膜に対して厚す
ぎると、中間層２２の割れ、剥離が生じる場合があり、
逆に、中間層２２が薄すぎると、中間層としての機能を
十分に発揮できなくなってしまう。これに対し、中間層
２２およびカーボン保護膜２４の厚さを上記範囲内とす
ることにより、中間層２２の有する下層への密着力およ
び衝撃吸収力、カーボン保護膜の有する耐久性等の機能
を、安定して、バランス良く実現できる。

【００３４】なお、本発明のサーマルヘッドに形成され
る保護膜は、前述の構成に限定はされず、下層保護膜２
０、中間層２２および複数層のカーボン保護膜を有し、
かつ、カーボン保護膜が下層から上層に向かって順次応
力が高くなるものであれば、各種の構成が利用可能であ
る。例えば、カーボン保護膜を形成した後、その表面に
潤滑剤やワックスを塗布し、あるいはさらに、ヒータ等
を用いた加熱やサーマルヘッドの駆動によって焼き付け
てもよい。この際においては、カーボン保護膜を酸素エ
ッチングした後に、潤滑剤等の塗布および焼き付けを行
ってもよい。潤滑剤やワックスには特に限定はなく、各
種のものが利用可能であるが、例えば、感熱材料Ａに含
有される潤滑剤や、耐熱性を有するコーティング剤、好
ましくは滑性に優れるコーティング剤が各種利用可能で
ある。

【００３５】図２に、本発明のサーマルヘッドの保護膜
の形成に好適な成膜装置の概念図を示す。図示例の成膜
装置５０は、基本的に、真空チャンバ５２と、ガス導入
部５４と、第１スパッタリング手段５６と、第２スパッ
タリング手段５８と、プラズマ発生手段６０と、バイア
ス電源６２と、基板ホルダ６４とを有して構成される。

【００３６】この成膜装置５０は、系内すなわち真空チ
ャンバ５２内に２つのスパッタリングによる成膜手段と
プラズマＣＶＤによる成膜手段を有するものであり、異
なる組成の複数層の成膜を連続的に、さらに系内を開放
することなく行うことが可能である。従って、成膜装置
５０を用いることにより、例えば、異なるターゲットを
用いたスパッタリングによって、あるいはスパッタリン
グとプラズマＣＶＤとによって、中間層２２（あるいは
下層保護膜２０）とカーボン保護膜の形成を、容易かつ
効率よく行うことができる。

【００３７】真空チャンバ５２は、ＳＵＳ３０４等の非
磁性材料で形成されるのが好ましく、内部（成膜系内）
を排気して減圧とする真空排気手段６６が配置される。
真空チャンバ５２内のプラズマやプラズマ発生用の電磁
波によってアークが発生する箇所は、ＭＣナイロン、テ
フロン（ＰＴＦＥ）等の絶縁部材で覆ってもよい。

【００３８】ガス導入部５４は、２つのガス導入管５４
ａおよび５４ｂを有する。一例として、ガス導入管５４
ａは、プラズマを発生するためのガスを導入し、ガス導
入管５４ｂは、プラズマＣＶＤの反応ガスを導入する。
なお、プラズマ発生用のガスとしては、例えば、ヘリウ
ムやネオン等の不活性ガスが用いられる。他方、カーボ
ン保護膜を成膜するための反応ガスとしては、メタン、
エタン、プロパン、エチレン、アセチレン、ベンゼン等
の炭化水素化合物のガスが例示され、中間層２２を成膜
するための反応ガスとしては、中間層２２の形成材料を
含む各種のガスが例示される。

【００３９】スパッタリングでは、カソードにスパッタ
リングするターゲット材を配置し、カソードを負電位に
すると共に、ターゲット材の表面にプラズマを発生させ
ることにより、ターゲット材（その原子）を弾き出し
て、対向した配置した基板の表面に付着させ、堆積する
ことにより成膜する。第１スパッタリング手段５６およ
び第２スパッタリング手段５８は、共に、スパッタリン
グによって基板表面に成膜を行うものであり、第１スパ
ッタリング手段５６は、カソード６８、ターゲット材７
０の配置部、シャッタ７２および高周波（ＲＦ）電源７
４等を有して構成され、他方、第２スパッタリング手段
５８は、カソード７６、ターゲット材７０の配置部、シ
ャッタ７８および直流電源８０等を有して構成される。
上記構成より明らかなように、第１スパッタリング手段
５６と第２スパッタリング手段５８は、配置位置および
電源が異なる以外は基本的に同じ構成を有するので、以
下の説明は、異なる部分以外は、第１スパッタリング手
段５６を代表例として行う。

【００４０】両電源の出力や性能には特に限定はなく、
目的とする成膜に必要にして必要にして十分な性能を有
するものを選択すればよい。例えば、前述の中間層２２
およびカーボン保護膜２４の形成を行う装置であれば、
ＲＦ電源７４としては、周波数１３．５６ＭＨｚで最高
出力５ｋｗのＲＦ電源を、他方、直流電源８０として
は、最高出力１０ｋｗの負電位の直流電源を、それぞれ
用いればよい。また、両電源の少なくとも一方、特にカ
ーボン保護膜２４の成膜を行うものに、変調器を組み合
わせ、パルス変調、例えば、２ｋＨｚ〜１００ｋＨｚで
パルス変調可能にするのが好ましい。これにより、カー
ボン保護膜２４等の成膜時にアーク放電を検出した際
に、電圧の反転を行なうことができ、より好適なカーボ
ン保護膜２４等の成膜が可能となる。

【００４１】図示例においては、無酸素銅やステンレス
等からなるバッキングプレート８２（８４）をカソード
６８に固定し、その上にターゲット材７０をＩｎ系ハン
ダや機械的な固定手段で固定する。なお、中間層２２の
形成に用いられるターゲット材７０としては、４Ａ族、
５Ａ族、６Ａ族の各金属や、ＧｅやＳｉの単結晶等が好
適に例示される。また、カーボン保護膜を形成するため
に用いられるターゲット材７０としては、焼結カーボン
材、グラッシーカーボン材等が好適に例示される。ま
た、図示例の装置は、マグネトロンスパッタリングを行
うものであり、カソード６８の内部には、磁石６８ａ
（７６ａ）が配置される。マグネトロンスパッタリング
は、ターゲット材７０表面に磁場を形成してプラズマを
閉じ込めてスパッタリングを行うものであり、成膜速度
が早い点で好ましい。

【００４２】図示例の成膜装置５０は、マイクロ波とＥ
ＣＲ磁場とによってプラズマを発生させる、マイクロＥ
ＣＲ波放電を利用するプラズマＣＶＤでカーボン保護膜
等の成膜を行うものであり、プラズマ発生手段６０は、
マイクロ波電源８６、磁石８８、マイクロ波導波管９
０、同軸変調器９２、誘電体板９４、放射状アンテナ９
６等を有して構成される。マイクロ波電源８６は、カー
ボン保護膜等の成膜に必要にして十分な出力を有するも
のを適宜選択すればよい。また、ＥＣＲ磁場発生用の磁
石８８としては、所望の磁場を形成できる永久磁石や電
磁石を適宜用いればよい。真空チャンバ５２内へのマイ
クロ波の導入は、マイクロ波導波管９０、同軸変調器９
２、誘電体板９４等を用いて行われる。

【００４３】基板ホルダ６４は、サーマルヘッド１０
（その本体）等の被成膜材（成膜基板）を固定するもの
である。図示例の成膜装置５０は、３つの成膜手段を有
するものであり、基板ホルダ６４は各成膜手段、すなわ
ちスパッタリング手段５６および５８と、プラズマＣＶ
Ｄを行うプラズマ発生手段６０に基板となるグレーズを
対向できるように、基板ホルダ６４を揺動する回転部９
８に保持されている。また、基板ホルダ６４とターゲッ
ト材７０や放射状アンテナ９６との距離は、公知の方法
で調整可能にされる。なお、基板とターゲット材７０も
しくは放射状アンテナ９６との距離は、膜厚分布が均一
になる距離を選択設定すればよい。

【００４４】ここで、前述のように、下層保護膜２０の
表面や、中間層２２の表面は、必要に応じてエッチング
で粗面化される。さらに、プラズマＣＶＤで硬質膜を得
るためには、基板に負のバイアス電圧を印加しながら成
膜を行うのが好ましい。そのため成膜装置５０では、基
板ホルダ６４に高周波電圧を印加するバイアス電源６２
が接続される。また、プラズマＣＶＤの際には、高周波
の自己バイアス電圧を使用するのが好ましい。

【００４５】以上、本発明のサーマルヘッドについて詳
細に説明したが、本発明は上述の例に限定はされず、本
発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変
更等を行ってもよいのはもちろんである。

【００４６】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を挙げ、本発明
をより詳細に説明する。［実施例１］公知のサーマルヘッドの製造方法と同様に
して、基板１２上に蓄熱層１４を形成し、その上に発熱
体１６を形成し、その上に電極１８を形成した。さら
に、その上に、通常のスパッタリングによって厚さ４μ
ｍの窒化珪素膜（Si₃N₄)を形成して、基となるサーマル
ヘッドを作製した。従って、本実施例では、この窒化珪
素膜が下層保護膜２０となり、この下層保護膜２０上に
中間層２２が形成され、この中間層２２上にカーボン保
護膜が形成される。このようなサーマルヘッドに、以下
のような、図３に示される成膜装置５０を用いて、中間
層２２および第１カーボン保護膜２４および第２カーボ
ン保護膜２６を形成した。

【００４７】ａ．真空チャンバ５２真空排気手段６６として、排気速度が１５００Ｌ（リッ
トル）／分のロータリーポンプ、同１２０００Ｌ／分の
メカニカルブースタポンプ、および同３０００Ｌ／秒の
ターボポンプを、各１台ずつ有する、ＳＵＳ３０４製で
容積が０．５m³の真空チャンバ５２を用いた。ターボポ
ンプの吸引部にオリフィスバルブを配置して、開口度を
１０％〜１００％まで調整できる。

【００４８】ｂ．ガス導入部５４最大流量１００[sccm]〜５００[sccm]のマスフローコン
トローラと、直径６ミリのステンレス製パイプを用い
て、プラズマ発生ガス用と反応ガス用の２つのガス導入
管５４ａおよび１０４ｂを形成した。

【００４９】ｃ．第１スパッタリング手段５６および第
２スパッタリング手段５８永久磁石６８ａおよび７６ａとしてSm-Co 磁石を配置し
た、幅６００mm×高さ２００mmの矩形のカソード６８お
よび７６を用いた。バッキングプレート８２および８４
として、矩形状に加工した無酸素銅を、カソード６８お
よび７６にＩｎ系ハンダで張り付けた。また、カソード
６８および７６内部を水冷することにより、磁石６８ａ
および７６ａ、カソード６８および７６、ならびにバッ
キングプレート８２および８４の裏面を冷却した。な
お、ＲＦ電源７４としては、周波数１３．５６ＭＨｚで
最高出力５ｋｗのＲＦ電源を、直流電源８０としては、
最大出力１０ｋＷの負電位の直流電源を、それぞれ用い
た。また、直流電源８０には、変調器を組み合わせて、
供給電力を２ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲でパルス状に
変調可能とした。

【００５０】ｄ．プラズマ発生手段６０発振周波数２．４５ＧＨｚ、最大出力１．５ｋＷのマイ
クロ波電源８６を用いた。マイクロ波は、マイクロ波導
波管９０で真空チャンバ５２近傍まで導き、同軸変調器
９２で変換後、真空チャンバ５２内の放射状アンテナ９
６に導入した。プラズマ発生部は、幅６００mm×高さ２
００mmの矩形のものを用いた。さらに、ＥＣＲ用磁場
は、磁石８８としてSm-Co 磁石を複数個、誘電体板９４
の形状に合わせて配置することで形成した。

【００５１】ｅ．基板ホルダ６４回転部９８の作用により、保持した基板（すなわち、サ
ーマルヘッド１０）を第１スパッタリング手段５６およ
び第２スパッタリング手段５８に配置されたターゲット
材７０、ならびにプラズマ発生手段６０の放射状アンテ
ナ９６に対向して保持する。以下に示す、スパッタリン
グによる中間層２２およびカーボン保護膜の生成時に
は、基板とターゲット材７０の距離は１００mmとした。
さらに、エッチング用の高周波電圧が印加できるよう
に、サーマルヘッドの保持部分を浮遊電位にした。さら
には、基板ホルダ６４表面にはヒータを設け、加熱しな
がら成膜を行えるようにした。

【００５２】ｆ．バイアス電源６２基板ホルダ６４に、マッチングボックスを介して高周波
電源を接続した。高周波電源は、周波数１３．５６ＭＨ
ｚで、最大出力は３ｋＷである。また、この高周波電源
は、自己バイアス電圧をモニタすることにより、負の１
００Ｖ〜５００Ｖの範囲で高周波出力が調整可能に構成
されている。なお、このバイアス電源６２は、エッチン
グ手段を兼ねている。

【００５３】＜サーマルヘッドの作製＞前記成膜装置５
０において、発熱素子が第１スパッタリング手段５６の
ターゲット材７０の保持位置に対向するように、基板ホ
ルダ６４に前記基となるサーマルヘッドを固定した。な
お、サーマルヘッドの中間層２２の形成部分以外にはマ
スキングを施しておいた。真空排気を継続しながら、ガ
ス導入部５４によってアルゴンガスを導入し、ターボポ
ンプに設置したオリフィスバルブによって、真空チャン
バ５２内の圧力が５．０ｍTorrになるように調整した。
次いで、基板に高周波電圧を印加し、自己バイアス電圧
−３００Ｖで１０分間、下層保護膜（窒化珪素膜）のエ
ッチングを行った。

【００５４】エッチング終了後、ターゲット材７０とし
てＳｉ単結晶を第１スパッタリング手段５６のバッキン
グプレート８２に、また、焼結グラファイト材を第２ス
パッタリング手段５８のバッキングプレート８４に、そ
れぞれ固定（Ｉｎ系ハンダで張り付け）した。その後、
真空チャンバ５２内の圧力が５×１０^-6Torrになるまで
真空排気した後、圧力が２．５ｍTorrとなるようにアル
ゴンガス流量およびオリフィスバルブを調整し、シャッ
タ７２を閉じた状態でターゲット材７０に高周波電力
０．５ｋＷを５分間印加した。次いで、真空チャンバ５
２内の圧力を保ったまま、供給電力を２ｋＷの高周波電
力としてシャッタ７２を開いてスパッタリングを行い、
厚さ０．２μｍのＳｉ膜を中間層２２として形成した。
なお、Ｓｉ膜の膜厚は、あらかじめ成膜速度を求めてお
き、所定の膜厚となる成膜時間を算出して、成膜時間で
制御した。

【００５５】中間層２２の成膜後、回転部９８によって
発熱素子を第２スパッタリング手段５８のターゲット材
７０（焼結グラファイト材）に向け、真空チャンバ５２
内の圧力が５ｍTorrとなるようにアルゴンガス流量およ
びオリフィスバルブを調整し、シャッタ７８を閉じた状
態でターゲット材７０に直流電力０．５ｋＷを５分間印
加した。次いで、真空チャンバ５２内の圧力を保ったま
ま、直流電力を５ｋＷとしてシャッタ７８を開いてスパ
ッタリングを行い、厚さ１μｍの第１カーボン保護膜２
４を形成した。さらに、供給電力はそのままで、真空チ
ャンバ５２内の圧力を２．５ｍTorrに変更して、引き続
きスパッタリングを行い、厚さ１μｍの第２カーボン保
護膜２６を形成した。なお、カーボン保護膜の膜厚は、
あらかじめ成膜速度を求めておき、所定の膜厚となる成
膜時間を算出して、成膜時間で制御した。

【００５６】各カーボン保護膜の応力は、予め軟質基板
にカーボン膜を形成し、その基板の反り量から、成膜条
件による違いを求めておき、それを参照した。具体的に
は、１０mm×５０mmで１００μｍ厚のポリチレンテレフ
タレート（ＰＥＴ）フィルムの全面に０．２μｍ厚のカ
ーボン膜を形成し、カーボン膜成膜後のＰＥＴフィルム
の反り量を求めた。成膜条件は、先のカーボン保護膜と
同様とし、真空チャンバ５２内の圧力を２．５ｍTorr、
５．０ｍTorrおよび８．０ｍTorrの３種として成膜を行
なった。その結果、ＰＥＴフィルムの反り量は、２．５
ｍTorr＞５．０ｍTorr＞８．０ｍTorrの順であり、３mm
〜３０mm程度で、圧力と反比例していた。

【００５７】＜性能評価＞このようにして作製したサー
マルヘッド１０を、感熱記録装置に組み込み、Ｂ４サイ
ズの感熱材料（富士写真フイルム社製、医療用ドライ画
像記録用フィルムＣＲ−ＤＰ）にベタ画像を感熱記録し
た。その結果、４００００枚の画像記録を行っても、カ
ーボン保護膜の摩耗や剥離を生じなかった。

【００５８】［比較例］カーボン保護膜の形成時の真空
チャンバ５２内の圧力を２．５ｍTorrで一定として、厚
さ２μｍのカーボン保護膜を１層形成した以外は、前記
実施例１と同様にして、３層構成の保護膜を有するサー
マルヘッドを作成した。このようなサーマルヘッドを用
いて、実施例１と同様の感熱記録を行った結果、３００
００枚を過ぎた当たりで画質に変化が生じたので、確認
したところ、カーボン保護膜の一部に剥離が生じてい
た。以上の結果より、本発明の効果は明らかである。

【００５９】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、保護膜の腐食や摩耗が極めて少ない十分な耐久
性および信頼性を有し、長期に渡って高画質の感熱記録
を安定して行うことが可能な長寿命のサーマルヘッドを
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のサーマルヘッドの発熱素子の構成を
示す概略図である。

【図２】本発明のサーマルヘッドの製造に利用される
成膜装置の一例の概念図である。

【符号の説明】

１０サーマルヘッド１２基板１４グレーズ層１６発熱（抵抗）体１８電極２０下層保護膜２２中間層２４第１カーボン保護膜２６第２カーボン保護膜５０成膜装置５２真空チャンバ５４ガス導入部５６第１スパッタリング手段５８第２スパッタリング手段６０プラズマ発生手段６２バイアス電源６４基板ホルダ６６真空排気手段６８，７６カソード７０ターゲット材７２，７８シャッタ７４ＲＦ電源８０直流電源８２，８４バッキングプレート８６マイクロ波電源８８磁石９０マイクロ波導波管９２同軸変換器９４誘電体板９６放射状アンテナ９８回転部Ａ感熱材料

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１１月１日（１９９９．１１．
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、発熱素子を保護する保護膜として、下層
保護膜と、その上に形成される中間層保護膜と、その上
に複数層形成される炭素を主成分とするカーボン保護膜
とを有し、かつ、前記カーボン保護膜の内部応力の絶対
値が、下層から上層に向かって順次高くなることを特徴
とするサーマルヘッドを提供する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】図示例のサーマルヘッド１０においては、
この中間層２２の上に、炭素を主成分とする第１カーボ
ン保護膜２４が形成され、その上に、炭素を主成分とす
る第２カーボン保護膜２６が形成される。両者は内部応
力が異なるものであり、上層の第２カーボン保護膜２６
の方が、内部応力の絶対値（以下、単に応力とする）が
高い。カーボン保護膜は化学的に非常に安定であるた
め、下層保護膜２０の化学腐食を有効に防止し、サーマ
ルヘッドの耐久性向上に好適であるのは前述の通りであ
るが、本発明においては、このカーボン保護膜を多層に
して、上層に向かって順次高い応力を有する構成とする
ことにより、カーボン保護膜と、下層の中間層２２や下
層保護膜２０との密着性をより高くして、前述のヒート
ショックや熱ストレス、下層との熱膨張係数の違いによ
るストレス、不純物による機械的衝撃等に起因する、カ
ーボン保護膜の割れや剥離を防止して、より耐久性およ
び信頼性に優れた、長寿命なサーマルヘッドを実現して
いる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】本発明のサーマルヘッド１０において、カ
ーボン保護膜の応力には特に限定はないが、最上層のカ
ーボン保護膜と最下層カーボン保護膜とで２倍〜１０倍
程度の応力差を有するのが好ましい。なお、薄膜の応力
は、１００μｍ厚のポリエチレンテレフタレート膜等の
薄板を成膜基板として成膜した際の、薄板成膜基板の反
り量を用いて、下記式で算出できるので、カーボン保護
膜の応力は、一例として、薄板成膜基板の反り量で比較
することができ、反り量が大きい程、高応力である。Ｓ＝ｄＥＤ²／［３Ｌ²（１−ｖ）］上記式において、Ｓは薄膜の応力を；Ｅは基板のヤン
グ率を；ｖは基板のポアゾン比を；Ｄは基板の厚さ
を；Ｌは薄膜の長さを；ｄは基板の反り量を；そ
れぞれ示す。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２９】また、ＣＶＤによってカーボン保護膜を形
成する際には、基板となるサーマルヘッドに印加するバ
イアス電圧を調整することによって、応力の異なるカー
ボン保護膜を形成することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発熱素子を保護する保護膜として、下層保
護膜と、その上に形成される中間層保護膜と、その上に
複数層形成される炭素を主成分とするカーボン保護膜と
を有し、かつ、前記カーボン保護膜の応力が、下層から
上層に向かって順次高くなることを特徴とするサーマル
ヘッド。
【請求項２】前記下層保護膜が、セラミックス保護膜で
あり、前記中間層保護膜が、４Ａ族の金属、５Ａ族の金
属、６Ａ族の金属、珪素およびゲルマニウムからなる群
より選択される少なくとも１種を主成分とする請求項１
に記載のサーマルヘッド。