JP4227799B2

JP4227799B2 - サーマルヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JP4227799B2
Application number: JP2002325393A
Authority: JP
Inventors: 清佐藤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: CN1265968C; CN1498767A; JP2004155160A

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、フォトプリンタやサーマルプリンタ等に搭載されるサーマルヘッド及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術およびその問題点】
フォトプリンタやサーマルプリンタ等に搭載されるサーマルヘッドでは、印字品位の向上を図るため、ヘッド内における複数の発熱抵抗体同士の抵抗ばらつきを抑制する対策が種々とられている。この対策の一つとして、抵抗膜上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜の平面的な大きさで発熱抵抗体の抵抗長及び／又は抵抗幅を正確に規定することが提案されている。このような絶縁膜を備えるサーマルヘッドは従来、次のように形成されている。すなわち、フォトリソグラフィ技術を用いて複数の発熱抵抗体上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜及び複数の発熱抵抗体上に導体を形成する。次に、フォトリソグラフィ技術を用いて導体パターンを形成し、不要な導体を除去する。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて、絶縁膜を露出させる開放部を導体に形成している。
【０００３】
しかしながら、上記製造方法では、フォトリソグラフィ技術を用いて絶縁膜を形成するため、フォトリソグラフィ工程を合計３回行うことになり、製造工程が長くなってしまう欠点がある。また上記製造方法によれば、導体が絶縁膜を介し発熱抵抗体にオーバーレイして形成されるため、導体のオーバーレイによる熱損失が生じていた。
【０００４】
【特許文献】
特開平７−２９７１１号公報
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記問題点に鑑み、複数の発熱抵抗体上に形成された絶縁バリア膜を有するサーマルヘッドにおいて、より少ない工程数で形成でき、且つ、導体が発熱抵抗体上にオーバーレイしていないサーマルヘッド及びその製造方法を得ることを目的とする。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、発熱抵抗体の抵抗長を定めるレジストを用いて絶縁バリア膜の不要部分を除去した後、このレジストを用いてリフトオフにより導体を形成すれば、導体を発熱抵抗体上にオーバーレイさせることなく形成でき、且つ、フォトリソグラフィ工程を減らせることに着目してなされたものである。
【０００７】
すなわち、本発明は、複数の発熱抵抗体と、この各発熱抵抗体の平面的な大きさを定める絶縁バリア膜と、前記各発熱抵抗体の抵抗長方向の両端部それぞれに導通する導体とを備え、この導体の前記発熱抵抗体側の端部が、発熱抵抗体及び絶縁バリア膜上にオーバーレイすることなく発熱抵抗体に向かって膜厚が減少するように傾斜して形成されていることを特徴としている。
【０００８】
絶縁バリア膜は、ＳｉＯ₂、ＳｉＯＮ、ＡｌＳｉＯ、Ａｌ₂Ｏ₃のいずれかによって形成されていることが好ましい。これらの絶縁無機酸化物材料を用いれば、絶縁バリア膜は、発熱抵抗体の表面酸化を防止する機能、発熱抵抗体をエッチングによるダメージから保護する機能、及び発熱抵抗体の抵抗値変化を抑制する機能を発揮する。
【０００９】
本発明の製造方法による態様では、抵抗膜と絶縁バリア膜を連続成膜する工程；前記絶縁バリア膜上に、前記抵抗膜の発熱抵抗体となる長さ方向の領域に位置させて、長さ方向に抵抗長Ｌを有する矩形状の第１レジストを形成する工程；この第１レジストから露出している絶縁バリア膜を除去し、該除去部分から前記抵抗膜を露出させる工程；前記第１レジストを残したまま、該第１レジスト及び前記露出させた抵抗膜を含む基板表面上に導体を形成する工程；前記第１レジスト及び該第１レジスト上の導体をリフトオフで除去する工程；前記導体及び前記絶縁バリア膜を含む基板表面上に、該導体の全長に渡って存在し、かつ、前記発熱抵抗体の抵抗幅及び前記導体のパターンの幅寸法を一定の幅寸法に規定する空間を有する第２レジストを形成する工程；及びこの第２レジストから露出している範囲の前記導体、前記絶縁バリア膜及び前記抵抗膜を除去し、さらにその後前記第２レジストを除去する工程；を有することを特徴としている。
【００１０】
この製造方法によれば、導体の発熱抵抗体側の端部が、絶縁バリア膜及び発熱抵抗体上にオーバーレイすることなく発熱抵抗体に向かって膜厚が減少するように傾斜して形成される。この傾斜部分の長さは、第１レジストの膜厚を変化させることで、調整可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態によるサーマルヘッド１を示す断面図であり、図２はサーマルヘッド１の（保護膜７を除く）を示す平面図である。サーマルヘッド１は、抵抗膜４、抵抗膜４上に形成されて複数の発熱抵抗体４ａの表面を覆う絶縁バリア膜５、複数の発熱抵抗体４ａに導通する導体（電極）６及び保護膜７を備えている。
【００１２】
抵抗膜４は、グレーズ保温層（ガラス）２を有するアルミナ基板３の上に全面的に形成されていて、複数の発熱抵抗体４ａとこの発熱抵抗体４ａよりも膜厚の薄い非発熱抵抗体４ｂとから微視的に断面逆Ｔ字形状をなしている。この抵抗膜４は、高抵抗化しやすいＴａ−Ｓｉ−Ｏ、ＴａＳｉＯＮｂ、Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏ、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｏ等の高融点金属のサーメット材料によって形成されていることが好ましい。隣接する発熱抵抗体４ａ間には、発熱抵抗体４ａの抵抗長方向（図１及び図２の左右方向）に平行な方向に細長く延びるギャップ領域（穴部）８が設けられている。ギャップ領域８からはグレーズ保温層２が露出している。
【００１３】
絶縁バリア膜５は、複数の発熱抵抗体４ａ上にのみ存在し、各発熱抵抗体４ａの平面的な大きさ（抵抗長Ｌ及び抵抗幅Ｗ）を規定している。絶縁バリア膜５は、絶縁性を有する無機酸化物により形成されることが好ましく、具体的にはＳｉＯ₂、ＳｉＯＮ、ＡｌＳｉＯ、Ａｌ₂Ｏ₃等により、約２００Å以上２０００Å以下程度の膜厚で形成されている。この範囲内の膜厚で絶縁バリア膜５が各発熱抵抗体４ａ上に存在すれば、サーマルヘッド１の動作中、各発熱抵抗体４ａへの印加電力が増大したときに該印加電力によるアニール効果（発熱抵抗体４ａを構成する元素の結晶化）が遅れ、印加電力に対するサーマルヘッドの抵抗値変化が抑制されるという効果が得られる。また絶縁バリア膜５は、発熱抵抗体４ａの表面酸化を防止する酸化防止層、製造時のエッチング工程によるダメージから発熱抵抗体４ａを保護する保護層としても機能する。
【００１４】
導体６は、全ての発熱抵抗体４ａに導通する１つのコモン電極６ａと各発熱抵抗体４ａに独立して導通する複数の個別電極６ｂとに分けられ、発熱抵抗体４ａの抵抗長方向の両端部それぞれに導通している。各個別電極６ｂの電極幅は、ギャップ領域８により規制されている。この導体６は、例えばＡｌ導体膜により形成されることが好ましい。
【００１５】
保護膜７は、ヘッド動作時に生じる摩擦から絶縁バリア膜５及び導体６を保護する耐磨耗性保護膜であり、例えばＳｉＡｌＯＮやＴａ₂Ｏ₅等の耐摩耗性材料により形成されている。不図示であるが、サーマルヘッド１にはさらに、発熱抵抗体４ａを通電制御するための駆動ＩＣやＰＣＢ（ＰｒｉｎｔＣｉｒｃｕｉｔＢｏａｒｄ）等も備えられている。このサーマルヘッド１は、フォトプリンタやサーマルプリンタ等に搭載され、発熱抵抗体４ａの発する熱を感熱紙またはインクリボンに与えることで印刷を行なう。
【００１６】
以上のような全体構造を有するサーマルヘッド１において、導体６は、発熱抵抗体４ａ側の端部が該発熱抵抗体４ａに向かって膜厚が減少するように傾斜した先細形状をなしており、発熱抵抗体４ａ及び絶縁バリア膜５の上にオーバーレイすることなく形成されている。別言すれば、発熱抵抗体４ａの抵抗長方向における導体６の間隔（コモン電極６ａと個別電極６ｂの間の長さ）が絶縁バリア膜５で規定された抵抗長Ｌに一致している。このように導体６が絶縁バリア膜５上に形成されていなければ、導体６をオーバーレイさせた場合に生じていた発熱抵抗体４ａの熱損失がなくなり、サーマルヘッド１の熱効率が上昇する。さらに本実施形態のように導体６の発熱抵抗体４ａ側の端部が先細形状をなしていれば、導体６での放熱が減少するので、サーマルヘッド１全体としての熱効率をより上昇させることができる。また、絶縁バリア膜５と導体６間の段差が小さくなるので、絶縁バリア膜５及び導体６と保護膜７とを良好に密着させることができ、且つ、プラテンとの接触効率が上がって印字効率を向上させることができる。
【００１７】
次に、図１に示すサーマルヘッドの製造方法の一実施形態について説明する。図３〜図９は、サーマルヘッド１の製造工程を示す（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。
【００１８】
先ず、図３（ａ）（ｂ）に示すように、アルミナ基板３のグレーズ保温層２上に全面的に、抵抗膜４と絶縁バリア膜５を同一真空中で連続成膜する。成膜にはスパッタや蒸着法を用いることができる。抵抗膜４は、高抵抗化しやすいＴａ−Ｓｉ−Ｏ、ＴａＳｉＯＮｂ、Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏ、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｏ等の高融点金属のサーメット材料で形成することが好ましい。絶縁バリア膜５は、絶縁性を有する無機酸化物により形成されることが好ましく、具体的にはＳｉＯ₂、ＳｉＯＮ、ＡｌＳｉＯ、Ａｌ₂Ｏ₃等により形成するのがよい。この絶縁バリア膜５は、約２００Å以上２０００Å以下程度の膜厚で形成する。この膜厚範囲内であれば、絶縁バリア膜５が、複数の発熱抵抗体４ａの表面酸化を防止する機能、複数の発熱抵抗体４ａをエッチングダメージから保護する機能、及びヘッド動作時に、印加電力による発熱抵抗体４ａの抵抗値変化を抑制する機能を十分に発揮することができる。
【００１９】
抵抗膜４と絶縁バリア膜５を形成したら、アニール処理を施す。このアニール処理は、ヘッド使用開始後の発熱抵抗体４ａの抵抗変化を減少させるため、予め大きい熱的負荷を加えて抵抗膜４の抵抗値を安定させる加速処理である。
【００２０】
続いて、フォトリソグラフィ技術を用い、図４（ａ）（ｂ）に示すように形成すべき発熱抵抗体の抵抗長Ｌを定める第１レジストＲ１を絶縁バリア膜５に形成し、第１レジストＲ１に覆われていない部分の絶縁バリア膜５をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）またはウエットエッチングにより除去する（図５（ａ）（ｂ））。第１レジストＲ１はリフトオフ用レジストで形成する。
【００２１】
例えば絶縁バリア膜５がＳｉＯ２で形成されている場合は、ＣＦ４を用いたＲＩＥによって絶縁バリア膜５を除去することが可能である。このとき、抵抗膜４がＴａＳｉＯ又はＴａＳｉＯＮｂで形成されていれば、第１レジストＲ１から露出している絶縁バリア膜５と共に、該絶縁バリア膜５の直下位置にある抵抗膜４も所定厚さだけ除去される。この工程により、抵抗膜４は図５（ａ）に示されるような断面逆Ｔ字形状となる。一方、抵抗膜４がＣｒ−Ｓｉ−Ｏで形成されている場合は、ＣＦ４を用いたＲＩＥを行なうと、抵抗膜４が絶縁バリア膜５のエッチングストッパーとして機能する。この場合、抵抗膜４は成膜段階とほぼ同じ平坦な状態で保たれ、図５（ａ）に示すような断面逆Ｔ字形状にはならない。
【００２２】
上記ＲＩＥまたはウエットエッチング工程が終了したら、図６（ａ）（ｂ）に示すように第１レジストＲ１を残したまま、導体成膜前にプリクリーニングを行なう。そして、真空を破らずに同一真空中で、露出している抵抗膜４を含む基板表面上に導体６を成膜する。成膜にはスパッタや蒸着法を用いることができる。導体６を成膜したら、図７（ａ）（ｂ）に示すように、第１レジストＲ１及び第１レジストＲ１上の導体６をリフトオフにより除去する。このようにリフトオフを用いれば、導体６は、絶縁バリア膜５及び発熱抵抗体４ａの抵抗長方向の両端部それぞれにオーバーレイすることなく形成され、発熱抵抗体４ａ側の端部が該発熱抵抗体４ａに向かって膜厚が減少するように傾斜した先細形状となる。導体６の先細端部（傾斜部分）の長さｘは、第１レジストＲ１の膜厚を変化させることで、調整することができる。
【００２３】
続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて、図８（ａ）（ｂ）に示すように形成すべき発熱抵抗体の抵抗幅Ｗ及び導体パターンを定める第２レジストＲ２を導体６上に形成し、この第２レジストＲ２に覆われていない部分の導体６、絶縁バリア膜５及び抵抗膜４を除去して該除去部分からグレーズ保温層２を露出させた後、図９（ａ）（ｂ）に示すように第２レジストＲ２を剥離する。絶縁バリア膜５及び導体６を除去する際にはウエットエッチングまたはＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いることができ、抵抗膜４を除去する際にはＲＩＥを用いることができる。上記グレーズ保温層２の露出する範囲がギャップ領域８である。このギャップ領域８により、つながっていた発熱抵抗体４ａが個々の（複数の）発熱抵抗体４ａに切り離され、絶縁バリア膜５は各発熱抵抗体４ａの上にのみ存在することとなる。すなわち、各発熱抵抗体４ａの平面的な大きさ（抵抗長Ｌ及び抵抗幅）は、該各発熱抵抗体４ａの表面を覆う絶縁バリア膜５によって規定される。
【００２４】
第２レジストＲ２を除去したら、後工程で形成する保護膜との密着性を高めるため、逆スパッタ等により絶縁バリア膜５及び導体６を所定厚さだけ除去し、該絶縁バリア膜５及び導体６の新たな膜面を露出させる。この逆スパッタ工程では、絶縁バリア膜５により複数の発熱抵抗体４ａが覆われているので、複数の発熱抵抗体４ａがエッチングダメージを受けることがなく、複数の発熱抵抗体４ａの抵抗値にばらつきが生じることはない。
【００２５】
本実施形態では、この工程で絶縁バリア膜５及び導体６を１００Å程度除去し、最終的に、絶縁バリア膜５の膜厚を２００Å以上２０００Å以下の範囲内に調整する。この範囲内であれば、絶縁バリア膜５が、複数の発熱抵抗体４ａの表面酸化を防止する機能、複数の発熱抵抗体４ａをエッチングダメージから保護する機能、及びヘッド動作時に、印加電力による発熱抵抗体４ａの抵抗値変化を抑制する機能を十分に発揮することができる。
【００２６】
そして、露出させた絶縁バリア膜５及び導体６の新たな膜面上に、ＳｉＡｌＯＮやＴａ₂Ｏ₅等の耐摩耗性材料からなる保護膜８を形成する。この保護膜８の形成にはバイアススパッタ法を用いることができる。以上により、図１に示すサーマルヘッド１を得ることができる。
【００２７】
以上の実施形態では、発熱抵抗体４ａの抵抗長を定める第１レジストＲ１を用いて絶縁バリア膜５の不要部分を除去し、この第１レジストＲ１を残したまま導体６を成膜した後に、第１レジストＲ１をリフトオフにより除去しているので、導体６が発熱抵抗体４ａ及び絶縁バリア膜５の上にオーバーレイすることなく形成される。すなわち、導体６は、絶縁バリア膜５上には形成されず、発熱抵抗体４ａ及び絶縁バリア膜５の両端部にのみ形成される。このように導体６が絶縁バリア膜５上に形成されていなければ、導体６が発熱抵抗体４ａ上にオーバーレイしている場合に生じる発熱抵抗体４ａの熱損失がなくなり、サーマルヘッド１の熱効率が向上する。また、絶縁バリア膜５を露出させるための開放部を導体６に形成する必要がなくなり、該開放部を形成するためのフォトリソグラフィ工程を行なわずに済む。よって、本実施形態で行なうフォトリソグラフィ工程は２回で済み、フォトリソグラフィ工程を３回必要とする製造方法よりも製造工程が短くなる。
【００２８】
また本実施形態では、導体６の発熱抵抗体４ａ側の端部が該発熱抵抗体４ａに向かって膜厚が減少した先細形状に形成されているので、導体６での放熱を減少させることができ、サーマルヘッド１全体としての熱効率をより向上させることができる。また導体６の発熱抵抗体４ａ側の端部が先細形状であれば、絶縁バリア膜５と導体６間の段差が小さくなるので、絶縁バリア膜５及び導体６と保護膜８とを良好に密着させることができ、且つ、プラテンとの接触効率が向上し、この結果、印字効率も向上する。
【００２９】
また本実施形態では、各発熱抵抗体４ａの表面が絶縁バリア膜５で覆われるため、この絶縁バリア膜５によって、複数の発熱抵抗体４ａの表面酸化を防止することができると共に、製造工程中のエッチングまたはスパッタによるダメージから複数の発熱抵抗体４ａを保護することができる。すなわち、表面酸化やエッチングダメージによる、複数の発熱抵抗体４ａ同士の抵抗値のばらつきを十分に抑えることができる。また各発熱抵抗体４ａの表面に絶縁バリア膜５が存在していれば、発熱抵抗体４ａへの印加電力が増大したときに該印加電力によるアニール効果（発熱抵抗体４ａを構成する元素の結晶化）が遅れることから、印加電力に対するサーマルヘッドの抵抗値変化を抑制することができる。
【００３０】
以上の実施形態において、抵抗膜４は非発熱抵抗体４ｂが発熱抵抗体４ａよりも薄い膜厚で形成された断面逆Ｔ字形状を微視的になしているが、抵抗膜４は均一な膜厚で形成されていてもよいのは勿論である。抵抗膜４の非発熱抵抗体４ｂが発熱抵抗体４ａよりも削られるか否かは、絶縁バリア膜５を除去するためのＲＩＥ又はウエットエッチング工程時に用いるエッチャント及び抵抗膜４の形成材料によって決まる。
【００３１】
また本実施形態では、グレーズ保温層２がアルミナ基板３上の全面に形成された全面グレーズタイプのサーマルヘッド１について説明したが、本発明は部分グレーズやリアルエッジ、ダブルグレーズ、ＤＯＳ等の他タイプにも適用可能である。また本発明は、シリアルヘッドにもラインヘッドにも適用可能である。
【００３２】
また本実施形態では、ヘッド基板としてアルミナ基板３を用いているが、アルミナ基板３に替えてシリコン基板を用いることも可能である。シリコン基板を用いる場合には、保温層として酸化物の蒸着膜やスパッタ膜からなる保温層を用いることが好ましい。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、導体の発熱抵抗体側の端部が、発熱抵抗体及び絶縁バリア膜上にオーバーレイすることなく形成されるので、導体が発熱抵抗体上にオーバーレイしている場合に生じる発熱抵抗体の熱損失がなくなり、サーマルヘッドの熱効率が向上する。また、絶縁バリア膜を露出させるための開放部を導体に形成する必要がなくなり、該開放部を形成するためのフォトリソグラフィ工程を行なわずに済むので、従来よりも製造工程が短くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるサーマルヘッドを示す断面図である。
【図２】図１のサーマルヘッド（保護層を形成する前の状態）を示す平面図である。
【図３】図１に示すサーマルヘッドの製造方法の一工程を示す（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。
【図４】図３に示す工程の次に行なわれる一工程の（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。
【図５】図４に示す工程の次に行なわれる一工程の（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。
【図６】図５に示す工程の次に行なわれる一工程の（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。
【図７】図６に示す工程の次に行なわれる一工程の（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。
【図８】図７に示す工程の次に行なわれる一工程の（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。
【図９】図８に示す工程の次に行なわれる一工程の（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。
【符号の説明】
１サーマルヘッド
２グレーズ保温層
３アルミナ基板
４抵抗膜
４ａ発熱抵抗体
４ｂ非発熱抵抗体
５絶縁バリア膜
６導体
６ａコモン電極
６ｂ個別電極
７保護膜
８ギャップ領域（穴部）
Ｒ１第１レジスト
Ｒ２第２レジスト

Claims

複数の発熱抵抗体と、この各発熱抵抗体の平面的な大きさを定める絶縁バリア膜と、前記各発熱抵抗体の抵抗長方向の両端部それぞれに導通する導体とを備え、
この導体の前記発熱抵抗体側の端部が、前記発熱抵抗体及び前記絶縁バリア膜上にオーバーレイすることなく前記発熱抵抗体に向かって膜厚が減少するように傾斜して形成されていることを特徴とするサーマルヘッド。
請求項１記載のサーマルヘッドにおいて、前記絶縁バリア膜がＳｉＯ₂、ＳｉＯＮ、ＡｌＳｉＯ、Ａｌ₂Ｏ₃のいずれかによって形成されているサーマルヘッド。
抵抗膜と絶縁バリア膜を連続成膜する工程；
前記絶縁バリア膜上に、前記抵抗膜の発熱抵抗体となる長さ方向の領域に位置させて、長さ方向に抵抗長Ｌを有する矩形状の第１レジストを形成する工程；
この第１レジストから露出している絶縁バリア膜を除去し、該除去部分から前記抵抗膜を露出させる工程；
前記第１レジストを残したまま、該第１レジスト及び前記露出させた抵抗膜を含む基板表面上に導体を形成する工程；
前記第１レジスト及び該第１レジスト上の導体をリフトオフで除去する工程；
前記導体及び前記絶縁バリア膜を含む基板表面上に、該導体の全長に渡って存在し、かつ、前記発熱抵抗体の抵抗幅及び前記導体のパターンの幅寸法を一定の幅寸法に規定する空間を有する第２レジストを形成する工程；及び
この第２レジストから露出している範囲の前記導体、前記絶縁バリア膜及び前記抵抗膜を除去し、さらにその後に前記第２レジストを除去する工程；
を有することを特徴とするサーマルヘッドの製造方法。
請求項３記載のサーマルヘッドの製造方法において、前記第１レジストの膜厚によって、前記絶縁バリア膜に向かって傾斜して形成される前記導体の傾斜部分の長さを調整するサーマルヘッドの製造方法。
請求項３または４記載のサーマルヘッドの製造方法において、ＳｉＯ₂、ＳｉＯＮ、ＡｌＳｉＯ、Ａｌ₂Ｏ₃のいずれかによって前記絶縁バリア膜を形成するサーマルヘッドの製造方法。