JPH069163B2 - 薄膜発熱抵抗体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ジュール熱を利用する薄膜面上ヒータ，薄膜
型サーマルヘッド等に用いる薄膜発熱抵抗体に関するも
のである。

従来の技術 一般に、薄膜発熱抵抗体は、ジュール熱を利用する薄膜
型サーマルヘッド薄膜面状ヒータ等に用いられるが、本
明細書では、主に、薄膜型サーマルヘッドについて述べ
ることとする。

さて、熱印字記録に用いられるサーマルヘッドは、絶縁
性基板上に複数個に発熱抵抗体および、前記熱抵抗体に
電力を供給するための電極を設け、個々の発熱抵抗体に
電力を供給することにより、ジュール熱を発生させ、こ
れにより、印字記録を行なうものである。

これらに用いる発熱抵抗体としては、薄膜発熱抵抗体が
熱応答性が良く、高解像度化でき、信頼性が高く、ま
た、消費電力が小さい等の点で、優れている。

従来薄膜発熱抵抗体としては、たとえば、特開昭５２−
１４３８４１号公報にある通り、Ｔａ−Ｓｉ合金等が、
耐熱性に優れている。しかしながら、近年のサーマルヘ
ッドの熱印字記録の高速化を実現させるためには、数ミ
リ秒の短かい印字パルスにより、記録を行なわなければ
ならず、そのためには、薄膜発熱抵抗体に大電力を投入
し、４００℃以上もの温度を発生させる必要がある。加
えて、高電力化は、薄膜発熱抵抗体の抵抗値を大きくし
ない限り、必然的に電流が大きくなるため、次の２つの
問題を生じる。１つは、薄膜発熱抵抗体の抵抗値に対し
て、薄膜発熱抵抗体に電力を供給する電極の抵抗値が無
視できなくなるため、電極の長さの差異により、各薄膜
発熱抵抗体の発熱量が異なり、記録パターンに濃度差を
生じたり、また特に解像度化した際に、電極における電
力消費が問題になる。これを避けるには、電極の厚さを
極端に大きくすることが考えられるが、このとき構造
上、大きな不都合を生じる。もう１つは、加熱用電源ス
イッチング回路等の駆動系の電流容量を大きくしなけれ
ばならない等の問題が生じる。

以上の点から、薄膜発熱抵抗体としては、高温安定性
と、高抵抗値の実現が可能であることの２つが最低限必
要である。これらの点から前記Ｔａ−Ｓｉ合金を考える
と、Ｔａ−Ｓｉ合金は、耐熱性が安定な組成域におい
て、比抵抗が、２００〜２５０μΩ−cm程度と小さく、
したがつて大きな抵抗値、たとえば、１０００Ωの抵抗
値（最近の技術の流れでは、これ以上の抵抗値も要求さ
れている）を得るためには、Ｌ／Ｗ＝２（Ｌは、発熱体
長さ，Ｗは幅）として、膜厚が５０Å程度と薄く、製造
時の制御が難しい上に、この程度の膜厚になると、導電
キャリアの膜面散乱などの薄膜のサイズ効果により、膜
の再現性が得られなかつたり、また膜質としても不安定
になる。これを避けるためには、Ｔａ−Ｓｉ合金の厚み
を大きくし、蛇行形状等にパターン形成し、前記Ｌ長を
増すことに依り抵抗値を上げることも可能であるが、高
解像度化する際、この方法は、製造上難しい。また、Ｔ
ａ−Ｓｉ合金は、短パルス巾駆動時の耐熱性がなお十分
でなく、したがつて、Ｔａ−Ｓｉ合金は、サーマルヘッ
ドに要求される高速化，高耐熱化の点で十分なものでは
なかつた。

以上の点を解決するためには、高耐熱で高比抵抗な薄膜
発熱抵抗体が必要であり、このために、遷移金属，炭
素，珪素よりなるもの、たとえば、チタン炭化物と炭化
珪素でなる薄膜発熱抵抗体を用いれば、制御性良く高耐
熱性、高比抵抗のいずれも満足できるわけであるが、こ
こで、次の問題が存在する。

(1) 耐酸化性 (2) 製造プロセスにおけるシート抵抗の変動 (1)については、たとえば、チタン炭化物と炭化珪素で
ある薄膜発熱抵抗体（以降ＴｉＣ−ＳｉＣと略記する）
は、通常ＴｉＣとＳｉＣの焼結体をターゲットとし、ス
パッタリングにより形成される。この際、スパッタリン
グ時の入射イオンの持つ高いエネルギーによる解離現象
のため、形成される薄膜の組成は、必ずしも化学量論理
的組成のＴｉＣとＳｉＣの混合物ではなく、また、スパ
ッタリングで形成した膜は、一般にアモルフアス状態で
ガスを内蔵しやすい等の性質も有し、これらにより、耐
酸化性が十分でない。通常、サーマルヘッドは、薄膜発
熱抵抗体上に、紙に印字する際の接触摩耗を防ぎ、かつ
酸化を防止するための保護層を形成するため、酸素が遮
断され、ＴｉＣ−ＳｉＣは、極めて良好な耐熱性を有す
る。しかし保護層にピンホール等の形成不良がある際、
そこを通して薄膜発熱抵抗体が酸化され、寿命が蓄しく
劣化する等の問題があつた。

また(2)のような問題、具体的には、薄膜発熱抵抗体上
に、前述したように、電力供給用の電極を形成するわけ
であるが、この際、この電極層と薄膜発熱抵抗体の界面
には、反応層ができ、パターニングプロセスで、この反
応層が削り取られるため、薄膜発熱抵抗体の形成時のシ
ート抵抗と、これにパターニングを施した後の仕上りの
抵抗値，形状から算出されるシート抵抗の間に、良好な
再現性が得られない等の問題があつた。

発明が解決しようとする問題点 上述したように従来のサーマルヘッドの薄膜発熱抵抗体
材料であるＴａ−Ｓｉ合金は、サーマルヘッドの高速
化，高耐熱化のためには、なお十分な特性を有していな
い。遷移金属，炭素，珪素である薄膜発熱抵抗体は、形
成温度依存性が小さく、したがつて制御性良く作成で
き、高速化，高耐熱化に十分対応できるが、なお、保護
層にピンホール等の欠陥がある際、酸化され寿命の劣化
が著しいと共に、製造プロセス変動により、シート抵抗
の良好な再現性が得られないなどの問題があつた。

かかる点から本発明は、サーマルヘッドの高速化，高耐
熱化のために必要な条件、すなわち高抵抗値したがつて
高比抵抗で、高温安定性に優れ、高耐熱性を有し、かつ
耐酸化性に富み、作成時の再現性の良好な薄膜発熱抵抗
体を提供することを主な目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明は、上記問題点を解決するために、薄膜発熱抵抗
体を二層構造とし、下層は、遷移金属，炭素，珪素でな
るもの、特にチタン炭化物と炭化珪素でなるものを選
び、上層が珪素，酸化珪素，炭化珪素，窒化珪素のいず
れかよりなるもの、特に珪素もしくは酸化珪素でなるも
ので構成したものである。

作用 上述した構成における下層のチタン炭化物と炭化珪素で
なる材料層（以降ＴｉＣ−ＳｉＣと略記）は、形成温度
依存性が小さく（低温形成が可能）、制御性良く作成で
き、高温安定性に優れ、耐熱性も良好である。しかしな
がら、保護層にピンホール等の欠陥がある場合、酸化に
より、寿命の劣化が著しい。また、パターン形成時に、
電極との反応層がエツチングにより削り取られたり、ま
たＴｉＣ−ＳｉＣ自体が電極のエッチング液によつてエ
ッチングされる等によりシート抵抗の良好な再現性が得
られない等の問題があつた。このため、ＴｉＣ−ＳｉＣ
上に上層として、珪素もしくは、酸化珪素を適切な厚さ
形成する。このとき、珪素は、その表面の自然酸化膜が
極めて堅ろうであるため、（酸化珪素は言うまでもな
い）、その酸化防止効果により、下層を保護するため、
耐酸化性が飛躍的に向上すると共に、この上層の珪素，
酸化珪素がエッチング液に対するバッファ層になるた
め、上述した下層のＴｉＣ−ＳｉＣは、エッチングされ
ず、極めて良好なシート抵抗の再現性を得ることができ
る。加えて、二層構成にしても、ＴｉＣ−ＳｉＣのみ
（一層）の場合と同様、形成温度依存性が小さく、形成
時の制朗御性が良い。

以上の通り、下層にＴｉＣ−ＳｉＣ、上層に珪素もしく
は酸化珪素からなる材料層を有する二層構造の薄膜発熱
抵抗体は、極めて容易かつ安定に作成することが可能
で、再現性良く、高抵抗で高温安定性，耐酸化性に優れ
高耐熱衝撃性を有するため、たとえば、これに用いるこ
とで、容易に、薄膜型サーマルヘッドの高速化，高耐熱
化に対等することができる。

実施例 （実施例１） 第１図(a)に本発明における薄膜発熱抵抗体の基本構成
を示す。実施例では、下層材料層にＴｉＣ−ＳｉＣ、上
層材料層に珪素（以降Ｓｉと略記）からなる二層構造の
薄膜発熱抵抗体を用いた。

さて、第１図において、電気的絶縁性基板１上に、スパ
ッタリング等の薄膜形成技術により、ＴｉＣ−ＳｉＣで
ある下層材料層２と、Ｓｉでなる上層材料層３の二層構
造の薄膜発熱抵抗体４を形成した。第２図にこの薄膜発
熱抵抗体４を大気中で、１時間熱処理した際のシート抵
抗の変化を示す。同図で、横軸は、熱処理温度、縦軸
は、シート抵抗変化率（初期値からの変化）を意味す
る。また、曲線５は、本発明の下層材料層ＴｉＣ−Ｓｉ
Ｃ２と上層材層Ｓｉ３でなる二層構造の薄膜発熱抵抗体
４のシート抵抗変化特性の一例として、上層Ｓｉ厚１０
０Åでまたシート抵抗が１０００Ω／□の場合について
示してある。また、参考として、曲線６は、ＴｉＣ−Ｓ
ｉＣのみ（上層Ｓｉなし）（シート抵抗１０００Ω／
□）のシート抵抗変化特性を示す。曲線５，６の比較か
ら、上層Ｓｉ３は、たかだか１００Åの厚さであるにも
関わらず、本発明の通り、二層構造の薄膜発熱抵抗体４
とすることで、耐酸化性が飛躍的に向上し、８００℃に
おいても、酸化せず、シート抵抗変化も小さいことは明
らかである。これは、上層材料層Ｓｉ３の表面にできる
酸化膜が堅ろうで、酸素の浸入を防止するためである。
このように本発明の二層構造の薄膜発熱抵抗体４は、８
００℃程度まで耐酸化性を有し、酸化雰囲気中でも劣化
することがないため、酸化防止膜等の保護膜を形成しな
いのでも、薄膜面状ヒータ等に用いることが可能であ
る。

（実施例２） 第３図に、本発明における薄膜発熱抵抗体の薄膜型サー
マルヘッドの応用例を示す。同図で、通常サーマルヘッ
ドは、実施例１と同様、電気的絶縁性基板１上に、スパ
ッタリング等の薄膜形成技術を用い、下層材料層ＴｉＣ
−ＳｉＣ２と、上層材料層Ｓｉ３でなる二層構造の薄膜
発熱抵抗体４を形成し、この上に薄膜発熱抵抗体４に通
電するための電極７を形成した後、フォトリソグラフィ
ー技術によりパターン形成し、この上に、絶縁物，半導
体等でなる保護層８（保護層８は、通常、薄膜発熱抵抗
体の酸化防止と、紙に印字する際の接触摩耗を防ぐため
に存在する）を形成した構成をとる。

第４図に示すように、薄膜発熱抵抗体４をパターン形成
した際の発熱体長さＬ、発熱体幅Ｗと抵抗値Ｒより、仕
上がり時の薄膜発熱抵抗体４のシート抵抗をＰｓcalと
すれば、Ｐｓcal＝Ｒ＊（Ｗ／Ｌ）であり、これと、薄
膜発熱抵抗体４の成膜時のシート抵抗Ｐｓとの関係を、
上層材料層Ｓｉ３の有無により、第５図に示す。同図
で、下層ＴｉＣ−ＳｉＣの比抵抗は、２ｍΩ−cmの場合
を示し、横軸はＰｓ、縦軸は、Ｐｓcalを表す。ライン
８は、上層Ｓｉ３がない場合、ライン９は、上層Ｓｉ３
がある場合（Ｓｉ厚１００Å）である。ライン８より上
層Ｓｉ３がない場合は、Ｐｓに比してＰｓcalは相対的
に大きく、Ｐｓ＝１．４ｋΩ／□程度から大きく直線か
らずれ、Ｐｓcalは急激に増大する。これに比して、ラ
イン９は、ＰｓとＰｓcalがほぼ同一で、Ｐｓ＝２ｋΩ
／□程度まで直線性を有している。これは、上層Ｓｉ３
がない場合、電極７と薄膜発熱抵抗体の界面にできる反
応層が、パターン形成プロセスのエッチングで削り取ら
れたり、また、薄膜発熱抵抗体自体が、電極７のエッチ
ング液でエッチングされる等の問題により、（通常数＋
Å程度、削り取られる）再現性を損なうと共に、Ｐｓ＝
１．４ｋΩ／□程度から上記エッチング効果により、Ｐ
ｓcalにおいて、膜厚が１００Å近傍のサイズ効果（表
面散乱による抵抗が付加される）の生じる領域に入るた
め、Ｐｓcalの急激な増加につながる。これに比して、
上層Ｓｉ３がある場合、エッチングにより削り取られる
領域は、上層Ｓｉ３の一部で、下層ＴｉＣ−ＳｉＣ２は
何ら制約を受けない。したがつて、下層ＴｉＣ−ＳｉＣ
２自体が成膜時にサイズ効果を生じる膜厚１００Å程
度、したがつてＰｓ＝２ｋΩ／□程度までは、Ｐｓ−Ｐ
ｓcalは良好な直線性を有し、Ｐｓ，Ｐｓcalの値は、ほ
ぼ同一となつている。また、比抵抗の観点からは、上層
Ｓｉ３に関して少なくとも本実施例の通りＳｉ厚１００
Åまでは、上層Ｓｉ３が無い場合と、ほぼ同一と考えら
れる。この上層Ｓｉ３の厚みの規定は、膜の形成プロセ
ス温度により異なり、たとえば、電極７の形成温度を高
くすれば、上層Ｓｉ３への電極７の拡散が生じ、上層Ｓ
ｉ３に起因するコンタクト抵抗は減少するため、一般的
な、トンネリング現象が生じる１００Å以下に必ずしも
する必要はない。しかしながら、電極７の拡散度の違い
による抵抗バラツキが生じることも考えられるため、上
層Ｓｉ３の厚さは、せいぜい２００Å程度が限度を考え
られる。

以上のように、下層ＴｉＣ−ＳｉＣと上層Ｓｉでなる二
層構造の薄膜発熱抵抗体は、プロセス変動を低減化で
き、したがつて良好な再現性が得られると共に、制御可
能なシート抵抗領域が大きくなり、極めて容易に高抵抗
化できる。

次に、本発明の薄膜発熱抵抗体を、第３図に示す構造と
し、耐熱衝撃性を調べた。第６図は、連続パルス印加試
験の結果である。試験条件としては、印加パルス巾１．
０msec、周期２０msec、印加電力密度６４Ｗ／mm²とし
て連続パルス印加した。同図で、横軸は、パルス印加回
数、縦軸は、抵抗変化率を表わす（抵抗変化率が＋５％
を越えたパルス回数を寿命とする）。ライン１０は、従
来の薄膜発熱抵抗体であるＴｉＣ−ＳｉＣ合金（５００
℃形成）、ライン１１，１２は、いずれも、本発明の上
層Ｓｉ（厚さ１００Å）、下層ＴｉＣ−ＳｉＣの二層構
造の薄膜発熱抵抗体で、各々３５０℃，６５０℃で形成
したものである。ライン１０〜１２より、本発明の薄膜
発熱抵抗体は、従来のＴｉＣ−ＳｉＣ合金に比して、格
段に耐熱性が向上していると共に、形成温度が、３５０
〜６５０℃の違いにも関わらず、特性に差がない等から
低温形成が可能であると共に、形成温度の制御範囲を広
く取つても、抵抗値の再現性が良好である。また、第３
図の保護層８を形成しないものについても、ライン１
１，１２とほぼ同一の特性を有し、酸化による劣化は生
じなかつた。したがつて、本発明における薄膜発熱抵抗
体は、制御性，再現性良く容易に高抵抗化することが可
能で、また耐熱性，耐酸化性に優れ、これを用いた薄膜
型サーマルヘッドは、極めて信頼性が高く、容易に、高
速化，高耐熱化が図れる。これ以外にも、摩耗性に問題
がない範囲で、保護層８を薄くすることが可能であると
共に、保護層８にピンホールなどの欠陥がある場合、こ
の欠陥を通して、水が侵入し、電解腐食が生じる等の点
を、上層Ｓｉ３により防止する作用等もある。

また、これに加えて、本発明の薄膜発熱抵抗体を用いる
と、たとえば、電極７、保護層８は、通常、スパッタリ
ング等の薄膜形成技術（真空等の非酸化性雰囲気技術）
を用いて形成されるが、これらを、印刷焼成形成する技
術、たとえば、電極７に有機金、保護層８に、ガラス
を、印刷焼成する等、８００℃程度の大気中焼成を必要
とする技術を適用しても、信頼性良くサーマルヘッドを
作成することができる等、プロセスの自由度を大幅に増
大する。

以上述べてきた通り、下層材料層ＴｉＣ−ＳｉＣ、上層
材料層Ｓｉでなる二層構造の薄膜発熱抵抗体は、形成温
度依存性が小さく、制御性，再現性良く容易に高抵抗化
でき、また、耐熱性，高温安定性，耐酸化性が極めて優
れており、信頼性，性能の高い薄膜型サーマルヘッド，
薄膜ヒータ等を容易に実現することができる。

なお、本実施例１，２では、下層材料層にＴｉＣ−Ｓｉ
Ｃを用いたが、これ以外の遷移金属，炭素，珪素の混合
物を用いても、これらの混合物は、いずれも形成温度依
存性が小さく、高抵抗化が可能で高耐熱性を有するた
め、これらを用いても、同様な効果があつた。加えて、
上層材料層にＳｉを用いたが、これ以外にも、酸化珪素
は、極めて酸化防止効果が高く、また炭化珪素，窒化珪
素なども、表層に存在する自然酸化膜の酸化防止効果に
より、同様の効果があつた。

発明の効果 以上述べてきたように、本発明は、下層に遷移金属，炭
素，珪素によりなる材料層、上層に珪素，酸化珪素，炭
化珪素，窒化珪素のいずれかよりなる材料層を有する二
層構造の薄膜発熱抵抗体で、形成温度依存性が小さく、
制御性，再現性良く容易に高抵抗化でき、耐熱性，高温
安定性，耐酸化性に極めて優れており、たとえば、これ
を用いた薄膜型サーマルヘッドは、容易に、高速化，高
耐熱化，信頼性の向上に対応でき、その工業的価値は非
常に高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における薄膜発熱抵抗体の基本構成断面
図、第２図は同抵抗体の耐酸化性を示す特性図、第３図
は本発明の薄膜発熱抵抗体の一実施例としての薄膜型サ
ーマルヘッドの構造断面図、第４図は同ヘッドのシート
抵抗のプロセス変動を説明するための説明図、第５図は
シート抵抗のプロセス変動を示す特性図、第６図は耐熱
衝撃性を示す特性図である。 ２……下層材料層、３……上層材料層、４……薄膜発熱
抵抗体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０５Ｂ 3/14 Ｄ 7913−3Ｋ (72)発明者 里中 孝美 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−136203（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−85734（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−128101（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下層が遷移金属，炭素，珪素によりなる材
   料層、上層が、珪素，酸化珪素，炭化珪素，窒化珪素の
   いずれかよりなる材料層で構成されたことを特徴とする
   薄膜発熱抵抗体。
2. 【請求項２】下層の遷移金属がチタンである特許請求の
   範囲第(1)項に記載の薄膜発熱抵抗体。
3. 【請求項３】下層の遷移金属，炭素，珪素によりなる材
   料層が、チタン炭化物と炭化珪素の混合物である特許請
   求の範囲第(1)項に記載の薄膜発熱抵抗体。
4. 【請求項４】下層がチタン炭化物と炭化珪素の混合物で
   なる材料層、上層が、珪素，酸化珪素のいずれかよりな
   る材料層で構成される二層構造を有する特許請求の範囲
   第(1)項に記載の薄膜発熱抵抗体。