JP2928525B2 - 保護膜形成用スパッタリングターゲット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、スパッタリングターゲットに関し、特に、
サーマルヘッドや密着センサなどに用いられる保護膜の
形成に好適なスパッタリングターゲットに関する。

（従来の技術） 近年、サーマルヘッドは少音、省保守、低ランニング
コストなどの利点を生かして、ファクシミリ、ワードプ
ロセッサ用プリンタなどの各種記録装置に多用されるよ
うになってきている。

一方、これらの機器は小型化、低価格化、低電力化が
要請されており、このためサーマルヘッドにも小型で安
価で、かつ高効率のものが望まれている。

さらに、サーマルヘッドや完全密着型センサなどの固
体デハイスにおいては、高硬度でかつ耐クラック性に優
れた保護膜の要求が強くなっている。

ところで、従来のサーマルヘッドは、高抵抗基体とし
てAl₂O₃の純度が90％以上のセラミックス基板を使用し
ている。しかしながら、このようなセラミックス基板を
形成する際に、原料粉末からアルカリ金属成分を除去す
る処理、高温焼成、高温焼成時に生じた基板の反りを修
正するための仕上げ研磨など多くの工程を必要とするた
め、生産コストが高くなるという問題があった。

このため、セラミックス基板に替わる高抵抗基体とし
て金属基板を使用し、この金属基板上に熱の放散および
蓄熱をコントロールする保温層を形成することが行なわ
れている。

このようなサーマルヘッドの一例を第２図を参照して
説明する。

第２図において、たとえばFe−Cr合金よりなる金属基
板１上に、保温層２が形成されている。この保温層２と
してはグレーズガラスや、ポリイミド樹脂、エポキシ樹
脂などが用いられている。

さらに、保温層２上には、樹脂をCDEやAshingから保
護し、後に形成する抵抗層形成時の抵抗値制御を容易に
し、ワイヤーボンディング性を改善するためにSiO₂、Si
N、SiCなどからなる下地層３が設けられている。

続いて、下地層３上には、たとえばTa−SiO₂、Ti−Si
O₂などからなる発熱抵抗体４が形成され、この発熱抵抗
体４上には、発熱部５となる開口部を有するように、た
とえばAl、Al−Si−Cuなどからなる個別電極６および共
通電極７が形成されている。

そして最終的に、保護膜８が少なくとも上記発熱部５
を被覆するように形成されている。この保護膜８は、た
とえばSi−Ｏ−Ｎ、Si₃N₄、SiCなどからなる保護膜が用
いられているが、酸化防止層と耐摩耗層を別々の層とし
て設けたり、必要に応じて接着層を設ける場合もある。

このようなサーマルヘッドは、耐熱性および付着力の
面では充分にサーマルヘッドの動作に耐えられることは
確認されている。しかしながら、このサーマルヘッドを
ファクシミリなどの装置に組み込んで走行テストを行っ
た結果、走行中に異常な抵抗値変化を示し、印字に影響
を及ぼす現象が多々認められた。

このような異常な抵抗値変化を示した特異点を詳細に
調べた結果、サーマルヘッドと感熱紙の間に巻き込まれ
た塵芥などの異物がサーマルヘッドの保護膜に亀裂（ク
ラック）を生じさせ、亀裂が発熱抵抗体まで達した場合
に、特異点が生じることがわかった。しかも、Al₂O₃上
にグレースガラスを形成した高抵抗基体を用いた場合、
あるいは金属基体上にガラス層を形成した高抵抗基体を
用いた場合には、他の構成が同じサーマルヘッドでもこ
のような現象は認められず、保温層として樹脂を用いた
場合に特有な現象であることがわかった。

これは、ガラス層を保温層に用いた場合、ガラス層は
硬度が高く、また、保護膜と同一程度の変形しかないた
めに、保護膜の局部的な変形が阻止されるのに対し、保
温層としてポリイミドなどの樹脂を用いた場合、樹脂は
弾性が大きく変形能が保護膜より著しく大きいため、保
護膜に局所的な集中荷重が加わった場合、樹脂層は大き
く変形するが、保護膜はこの変形に追従できず、保護膜
が割れてしまうためと考えられた。

このため、種々の保護膜材料についてテストを行った
ところ、Ta₂O₅やSiO₂は硬度に乏しく、Si₃N₄、SiC、Al₂
O₃は靭性に乏しく、いずれもクラックが発生し、使用に
耐えるものではなかった。

クラッチの発生を防止できる保護膜材料としては、特
開昭60−4077号公報、62−3968号公報に記載されてい
る、高硬度、高靭性のSi−Al−Ｏ−Ｎを主体とするサイ
アロン膜が挙げられる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このサイアロン膜はAr雰囲気中でスパ
ッタリングを行った場合、スパッタ率が低く、しかもこ
の雰囲気中ではAlが金属成分として析出しやすく絶縁性
が低下するという問題があった。

このAlが析出するという問題は、Arに５％〜10％程度
のO₂またはN₂を添加することにより改善されるが、スパ
ッタ率がさらに落ちるという問題が生じていた。

このように、多数の発熱抵抗体を有するサーマルヘッ
ドでは、保温層としてポリイミド樹脂などの低い熱拡散
率を有する樹脂を用いることによって、熱効率に優れ、
曲げ加工が可能で小型化し易いという長所が付与される
反面、樹脂層が軟かいために塵芥などの巻き込みによっ
て保護膜に局所的応力が加わった時、樹脂層と保護膜と
の変形量に大きな差が生じ、亀裂が生じ、これが発熱抵
抗体まで達すると、抵抗値異常を起こし、印字性能を劣
化させてしまうという問題があった。

本発明は、このような問題に対処してなされたもの
で、局所的応力が加わった場合にもクラックの発生がな
く、信頼性の高い保護膜を形成することができ、長時間
の使用に際しターゲットの組成およびスパッタ膜の特性
にほとんど変化を生じさせない、安定な保護膜形成用ス
パッタリングターゲットを提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の目的は、ZrO₂1mol％〜40mol％を含有し、残
部が実質的にSi₃N₄からなることを特徴とする保護膜形
成用スパッタリングターゲットによって達成される。

また、本発明の目的は、ZrO₂1mol％〜40mol％とY₂O
₃0.05mol％〜10mol％とを含有し、残部が実質的にSi₃N₄
からなることを特徴とする保護膜形成用スパッタリング
ターゲットによっても達成される。

本発明のスパッタリングターゲットとしては、まず、
ZrO₂1mol％〜40mol％を含有し、残部が実質的にSi₃N₄か
らなるものが挙げられる。このZrO₂の含有量を上記範囲
とした理由は次のとおりである。

すなわち、ZrO₂の含有量が1mol％以下では得られる保
護膜の強度が充分でなく、一方40mol％を超えると、Zr
が金属成分として析出しやすく絶縁性が低下するため好
ましくない。より好ましい含有量は5mol％〜20mol％の
範囲である。

このほか、本発明におけるスパッタリングターゲット
として、上記成分に加えてY₂O₃0.05mol％〜10mol％を含
有し、残部が実質的にSi₃N₄からなるものが挙げられ
る。

この場合、Y₂O₃の含有量が0.05mol％以下では得られ
る保護膜の強度が充分でなく、一方、10mol％を超える
と、Ｙが金属成分として析出しやすく絶縁性が低下する
ため好ましくない。より好ましい含有量は、0.3mol％〜
1mol％の範囲である。

（作 用） 本発明のスパッタリングターゲットを使用してスパッ
タリングを行った場合、金属のZrまたは金属のZrとＹが
保護膜中に適度に分散しているため、保護膜の靭性に優
れ、クラックなどの発生を防止することができる。

また、本発明のスパッタリングターゲットは、スパッ
タリングにおいてスパッタ率が高く、Ar雰囲気中にO₂や
N₂を添加してもスパッタ率の低下がなく、コストダウン
を図ることが可能である。

（実施例） 以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１ Si₃N₄粉末（平均粒度0.5μｍ）中にZrO₂粉末（平均粒
度0.03μｍ）が5mol％となるようにZrO₂粉末を加え、エ
タノール中、12時間ボールミル後、乾燥し、N₂雰囲気中
1775℃で２時間ホットプレス成形し、次いでダイヤモン
ド研削を行い、^φ203×8^tの本発明のスパッタリングタ
ーゲットを作製した。

また、第１図は本発明のスパッタリングターゲットを
用いて形成した保護膜を使用したサーマルヘッドを示す
図であり、たとえば次に述べる方法で製造される。

まず、たとえばCrを18重量％含有する厚さ0.5mm程度
のFe合金からなる金属基板１をレベリング後、所定の寸
法に切断し、ばり取り後、有機溶剤中にて脱脂洗浄後、
50〜70℃に保持した希硫酸中に浸漬し、表面に形成され
ている酸化物層を除去するとともに表面をミクロ的に荒
らすための活性化処理を行う。

次に、ポリアミック酸をＮ−メチル−２−ピロリドン
などの溶剤を用いて所定の粘度に調整し、上記金属基板
１上に所定の膜厚に塗布し、焼成炉を用いて50℃で１時
間、80℃で30分、次いで120℃で30分、250℃で１時間、
450℃で１時間の加熱を行い、溶剤成分を除去するとと
もに、脱水環化反応を進行させて成膜し、耐熱樹脂から
なる保温層２を形成する。

しかる後、この保温層２上にSiH₄ガスとN₂ガスおよび
SiH₄ガスとCH₄ガスを用いて、基板温度150〜300℃でプ
ラズマCVDで連続してSiN層31およびSiC層32よりなる下
地層３を形成する。

この後、Ta−SiO₂からなる発熱抵抗体４、さらに発熱
部５となる開口部が形成されるようにマスキングされた
A1からなる個別電極６および共通電極７を形成し、ウェ
ットエッチングやドライエッチングにより所定のパター
ンを形成する。

この後、マスキング膜を除去し、この発熱部５を被覆
するように、上述した本実施例のスパッタリングターゲ
ットを用いて、不活性ガス雰囲気、たとえばAr中もしく
はN₂およびO₂の少なくとも一方を含むAr中でのスパッタ
リングを行い、保護膜８を形成する。この保護膜８の厚
さは、通常１μｍ〜７μｍ、好ましくは２μｍ〜４μｍ
である。

このサーマルヘッドを用いて薄膜用超微少ヌープ硬
度計を用いた硬度評価、膜破壊時に発生するアコース
ティックエミッションを検知するセンサーを持ったスク
ラッチ試験機を用いた膜破壊強度の測定、実機を用い
て、プラテン圧160g/cm、印加エネルギー0.23mJ/dot、
パルス幅2.2msで10kmの走行テストを行った。

また、保護膜を形成する際のスパッタ率を測定した。

これらの結果を第１表に示す。

実施例２ 保護膜を形成するためのスパッタリングターゲットと
して、Si₃N₄粉末（平均粒度0.5μｍ）中にZrO₂粉末（平
均粒度0.03μｍ）が10mol％となるようにZrO₂粉末を加
え、エタノール中、12時間ボールミル後、乾燥し、N₂雰
囲気中1775℃で２時間ホットプレス成形し、次いでダイ
ヤモンド研削を行い、^φ203×8^tの本発明のスパッタリ
ングターゲットを作製した。

このスパッタリングターゲットを用いて形成した保護
膜を有するサーマルヘッドを実施例１と同一条件で製造
し、その特性を実施例１と同一条件で測定した。

その結果を第１表に示す。

実施例３〜４ 保護膜を形成するためのスパッタリングターゲットと
して、Si₃N₄粉末（平均粒度0.5μｍ）中にZrO₂粉末（平
均粒度0.03μｍ）が10mol％、およびY₂O₃粉末（平均粒
度1.0μｍ）が、0.3mol％となるようにZrO₂粉末とY₂O₃
粉末とを加え、エタノール中、12時間ボールミル後、乾
燥し、N₂雰囲気中1775℃で２時間ホットプレス成形し、
次いでダイヤモンド研削を行い^φ203×8^tのターゲット
を作製した。

さらに、Si₃N₄粉末中のZrO₂粉末と、Y₂O₃粉末の含有
量が、ZrO₂20mol％−Y₂O₃0.3mol％となるように各粉末
を混合し、上記方法により^φ203×8^tのターゲットを作
製した。

この実施例のスパッタリングターゲットを用いて形成
した保護膜を有するサーマルヘッドを実施例１と同一条
件で製造し、その特性を実施例１と同一条件で測定し
た。

その結果を第１表に示す。

比較例１〜４ Si₃N₄、SiON、SiO₂/Ta₂O₅、およびSi₃N₄−10wt％Al₂O
₃を使用してそれぞれのスパッタリングターゲットを作
製し、これらのターゲットを用いて形成した保護膜を有
するサーマルヘッドを実施例１と同一条件で製造し、そ
の特性を実施例１と同一条件で測定した。

それらの結果を、実施例の結果と併せて第１表に示
す。

以上の結果から明らかなように、本発明のスパッタリ
ングターゲットを用いて形成した保護膜は強度に優れ、
また、保温層として樹脂を使用した場合でもクラックの
発生を防ぐことができた。

さらに、本発明のスパッタリングターゲットはスパッ
タ率が高く、保護膜形成の工程におけるコストダウンを
図ることができた。

また、長時間に渡る成膜後も、ターゲットの組成およ
びスパッタ膜の特性に変化を生じさせることがなかっ
た。

なお、この実施例ではサーマルヘッドについて説明し
たが、本発明のスパッタリングターゲットは上述したサ
ーマルヘッドに限らず、Al₂O₃基板を用いたサーマルヘ
ッドの保護膜や、さらに光磁気記録用完全密着型センサ
ー用の保護膜を形成する場合にも有効である。

［発明の効果］ 本発明のスパッタリングターゲットには、これによっ
て形成される保護膜が高硬度、高靭性であるため、保温
層として樹脂を使用した場合に保護膜で発生し易い亀裂
（クラック）を防止することができ、信頼性の高い保護
膜を得ることができる。

さらに、本発明のスパッタリングターゲットは、高い
スパッタ率で保護膜を形成することができるため、コス
トダウンを図ることができる。

また、長時間の使用に対しても安定であり、ターゲッ
トの組成および得られるスパッタ膜の特性に変化を生じ
させない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の保護膜を使用したサーマルヘッドを示
す図であり、第２図は従来のサーマルヘッドを示す図で
ある。 １……金属基板 ２……保温層 ３……下地層 ４……発熱抵抗体 ５……発熱部 ６……個別電極 ７……共通電極 ８……保護膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石上 隆 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８ 株式 会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 菊池 誠 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８ 株式 会社東芝横浜事業所内 (56)参考文献 特開 昭60−9770（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/335

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ZrO₂1mol％〜40mol％を含有し、残部が実
   質的にSi₃N₄からなることを特徴とする保護膜形成用ス
   パッタリングターゲット。
2. 【請求項２】ZrO₂1mol％〜40mol％とY₂O₃0.05mol％〜10
   mol％とを含有し、残部が実質的にSi₃N₄からなることを
   特徴とする保護膜形成用スパッタリングターゲット。