JPS6038006B2 - サ−マルヘツド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は棚化クロムと酸素とからなる薄膜発熱抵抗体を
有するサーマルヘッドさらにはその製造方法に関する。

熱印字記録に用いられるサーマルヘッドは例えばガラス
のような電気的な絶縁性と平滑面とを有する基板上に複
数個の発熱抵抗体と、この発熱抵抗体に電力を供給する
ための電気導体とを設け、記録すべき情報に従って必要
な熱パターンが得られるように、対応する発熱抵抗体に
電気導体を介して電流を流して発熱させ、記録媒体に接
触することにより記録を行なうものである。そこに用い
られる発熱抵抗体としては、従来窒化タンタル、ニクロ
ム酸化錫等の薄膜発熱抵抗体、銀−パラジウム等を用い
た厚膜発熱抵抗体、シリコン半導体を用いた半導体発熱
抵抗体がある。このうち薄膜発熱抵抗体を用いたサーマ
ルヘッドは厚膜発熱抵抗体、半導体発熱抵抗体等と比較
して熱応答性がよく耐熱性、耐熱衝撃性に優れ、寿命が
長く、信頼性が高い等の特徴を有している。この薄膜発
熱抵抗体としては、従釆、窒化タンタルが耐熱性に優れ
、信頼性も高く、又固有抵抗値も２５０〜３００仏○肌
と比較的高い値で製造の制御性もよいため、特に多く用
いられている。しかるに窒化タンタルは約３００００以
上の高温に於ては急激に酸化されその抵抗値が急激に増
加し、記録紙に印字する場合、印字濃度を劣化させる欠
点がある。

一般にはこの欠点を補うために酸化シリコン（Ｓｉ０２
）の耐酸化保護層を設け更にその上に酸化タンタル（Ｔ
ａ２４）の耐摩耗層を設けてサーマルヘッドとして使用
しているが、サーマルヘッドを長時間駆動させた時の抵
抗変化はなお十分満足できるものではなかった。特に近
年、高速サーマルヘッドの要求が増加しつつあるためヘ
ッドの通電パルス中を短か〈して感熱紙を発色させる必
要があり、従って電力は従来より増加することになり、
発熱抵抗体はさらに高温になるから寿命はより短くなる
。そのためさらに耐熱性のある発熱抵抗体が要求されて
いる。また、室化タンタルの面積抵抗は、通常５００／
口前後で、サーマルヘッドとして特に大きくした場合で
も１００Ｑ／□程度であり更に抵抗値を大きくするため
にはトリミングを行なったり、膜厚を薄くする等の方法
を用いるが、その際製造工程が複雑になったり、寿命に
対して悪影響を生じたりする等の欠点が発生する。

このように窒化タンタル薄膜発熱抵抗体では面積抵抗を
大きくとれないため、抵抗体を加熱するだけの電力を供
給するためには必然的に電流が大きくなり、電気導体の
抵抗値が問題になる。

即ち、薄膜発熱抵抗体の抵抗値に対して電気導体の抵抗
値が無視できなくなるから、抵抗体に接続された各電気
導体の距離の差異により各抵抗体の発熱量が異ってしま
い、記録パターンに濃度差が生じ記録品質が劣る。更に
記録密度を上げるため、薄膜発熱抵抗体の大きさを小さ
くすると、薄膜発熱抵抗体の面積抵抗値は不変で電気導
体の抵抗値のみ増大するから、電気導体における電力消
費が問題になるし、又これを避けるために電気導体の厚
さを極端に大きくすること多層配線の場合に表面の凹凸
が激しくなり摩耗にも弱くなるなど構造上大きな不都合
が生じることになる。又電流が大きいことは加熱用電源
、スイッチング回路等の容量を大きくしなければならな
い等の不都合も生じる。本発明は上記の点を改良し、酸
化されにくく抵抗値が安定で、比抵抗を高い値まで選択
できる薄膜発熱抵抗体を用いたサーマルヘッドを提供し
、その特徴とするところは棚化クロムと酸素とからなる
発熱抵抗体にある。

この発熱抵抗体においては、側化クロムと酸素とが原子
的なスケ−ルで混在している。以下、図面を参照しなが
ら詳細に説明する。

第１図は本発明に適用するサーマルヘッドの形状例の菱
部断面図である。同図中の１はセラミックス、ガラスあ
るいは、グレーズドセラミツクスのような電気的な絶縁
物で形成された基板である。２は棚化クロムと酸素とか
らなる本発明に係る薄膜発熱抵抗体である。

３は該薄膜発熱抵抗体に電力を供給するための電気導体
で、アルミニウム、金等の電気良導体で、形成されてい
る。

又４は薄膜発熱抵抗体及び電気導体の保護層で、例えば
電子ビーム蒸着、スパッタ一等によって作製した酸化シ
リコン、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化タ
ンタルあるいはこれらを燈合せた多層構成が用いられ、
これによってサーマルヘッドの寿命を一層長くすること
ができる。本発明の棚化クロムと酸素とからなる薄膜発
熱抵抗体の製造はスパッタリング、電子ビーム蒸着いず
れも可能であり、スパッタリングによって製造する方法
としては、アルゴンと酸素の混合雰囲気中で棚化クロム
のターゲットをスパッタリングする方法、棚素と金属ク
ロムを同時にターゲットとする方法、金属クロムのみを
ターゲットとしてアルゴン、酸素、ジボランを含む雰囲
気中で活性スパッタリングを行う方法などがある。

棚化クロムをターゲットとする場合、例えば石英皿等の
上に棚化クロムを粉末の状態もしくはプレスした状態で
置くことによりターゲットとして用いることもできるが
、あらかじめ１１００００以上の真空ホットプレスによ
り暁結させたターゲットを使用する方が、スパッタリン
グの制御は行いやすい。

また棚素と金属クロムを同時にターゲットとする場合に
は棚素と金属クロムを混合するか、又は一方を他方に埋
め込んだり表面の一部に配置したりして、行うことがで
きる。いずれの場合にも１×１０‐坪ｏｒｒ〜５×１０
‐ＩＴｏｎのアルゴンと酸素との混合雰囲気で行うのが
良く、好ましくは１×１０‐汀ｏｎ〜１×１０‐ＩＴｏ
ｒｒがよい。

また、金属クロムをターゲットとして、アルゴン、酸素
、ジボランの混合雰囲気中で活性スパッタリングを行う
場合には全ガス圧１×１０‐２Ｔｏｎ〜５×１０−ＩＴ
ｏｎ、好ましくは１×１０‐２Ｔｏｒｒ〜５×１０‐２
Ｔｏｎ、その中でジボランの分圧は全圧力の１〜１０％
、好ましくは２〜６％である。

上記のいずれのスパッタリング工程中においても、雰囲
気中の酸素分圧を０．１〜１０％で選択することにより
、発熱抵抗体中に酸素を原子比でクロムの０．００５以
上含有させることができる。酸素含有量は少なすぎては
効果がなく逆に多すぎると比抵抗の制御が難かしく、耐
熱性も悪くなるのでクロムの０．０１〜１．０（原子比
）が適当であり、０．０５〜０．６がより好ましく、０
．１〜０．３力ミ最も好ましい。このように作成した発
熱抵抗体の固有抵抗値は１００仏Ｑ肌〜５０００ム○抑
まで選択可能である。発熱抵抗体を電子ビーム蒸着で製
造する場合には、棚化クロムの粉末を約１００ｋ９／の
以上の圧力でプレスしてタブレットを作り１×１０‐４
Ｔｏｎ以上の高真空度であらかじめ一定温度に保った基
板上に蒸着させることができる。この時、ニードルバル
プ等によって酸素も含む気体を電子ビーム蒸着中に導入
することによって発熱抵抗体中の酸素含有量をモリブデ
ンの０．００５〜１．０（原子比）とすることができる
。このようにして作成された薄膜発熱抵抗体は棚化クロ
ムと酸素より成り（但し不純物としてＣ．Ｎなどを含有
）、固有抵抗値を高く設定すれば、電極部の抵抗値があ
る程度高くても良いから製造工程が容易になり、電極を
薄くすることにより表面の凹凸が少〈なって耐摩耗性が
改良される。

また電極部での電圧降下が無視できる程度であることか
ら、薄膜発熱抵抗体の発熱ムラによる発色濃度ムラもづ
・さくなり、マトリクス配線などの電極パターンの設計
が自由になる。またスパッタリング中あるいは電子ビー
ム蒸着中に於いて２００ｏｏ〜５００ｑｏの基板加熱を
行うことによって、基板と薄膜発熱抵抗体との密着性が
向上し、膜の安定性に効果がある。

次に実施例に基づいて説明する。

（実施例 １） １１００００でホットプレスした５インチ径の棚化クロ
ムＣてＢ２〔米国ペントロン社製、Ｃｒ７０．２％、Ｂ
２９．３％〕の夕−ゲットを用いて、充分に洗浄された
ガラス厚５０仏ｍのグレーズドァルミナ基板を３０００
０に基板加熱しながらアルゴン圧力４×１０‐りｏｒｒ
、酸素圧３×１０‐３Ｔｏｎ、混合ガス雰囲気中で高周
波２極スパッタリングを行った。

スパッタ率は２００Ａ／分、投入パワーは３．０Ｗ／め
で５分間スパッ夕したところ、１０００Ａの膜厚の薄膜
発熱抵抗体が得られた。比抵抗は７００仏○肌、面積抵
抗は７００／口であった。この膜の組成をイオンマイク
ロアナラィザで調べたところ酸素がクロムの０．１９（
原子比）含まれていた。この上にチタン１０Ａ、アルミ
ニウムを１仏ｍ電子ビーム蒸着で付け、選択エッチング
で４本／柳の分解能をもつサーマルヘッドパターンを形
成し、これをサーマルヘッドＡ，とした。さらにこの上
に保護層として酸化シリコン（Ｓｉ０２）を１仏ｍ、酸
化タンタル（Ｔａ２０５）を１０仏ｍ連続的にスパッタ
で穣層し、サーマルへッドんとした。比較の為に、高周
波２極の反応スパッタリングによってタンタルをターゲ
ットとし、アルゴンと窒素の全圧力が８×１０‐２Ｔｏ
ｎ、窒素分圧が１×１ｏ‐４Ｔｏｒｒの条件で１０００
Ａの厚さの窒化タンタル薄膜発熱抵抗体のサーマルヘッ
ドＢ，を作成した。

この窒化タンタル薄膜発熱抵抗体は比抵抗が２６０仏Ｑ
伽で面積抵抗は２６０／口であった。サーマルヘッドＢ
，に対し、さらに保護膜として酸化シリコン（Ｓｉ０２
）をｌＡｍ、酸化タンタル（Ｔａ２０５）を１０仏ｍ連
続的にスパッタで積層し、サーマルヘッド＆とした。こ
れらのサーマルヘッドに対して、５皿Ｚで８ｈｓの矩形
波を３び分ごとにＩＷ／孫ずつパワーアップしながら加
速テストを行った。この結果を第２図に示す。同図から
明らかなように本発明にかかる製造方法で作成した薄膜
発熱抵抗体を有するサーマルヘッドは高印加電力に耐え
ることができ、高温での抵抗変化が少し・ことがわかつ
た。つまり、比較例では保護膜なしでは実用するのが難
かしいのに対して、本発明に係るサーマルヘッドは保護
膜なしでも実用でき、保護膜をつけた場合には非常に良
い耐熱性が得られた。（実施例 ２） １３００こ０でホットプレスした６インチ径の棚化クロ
ム（ＣｒＢ２）のターゲットを用いて、充分に洗浄され
たガラス厚５０仏ｍのグレーズドアルミナ基板を２００
００に基板加熱して、アルゴン圧力４×１０‐汀ｏｒｒ
、酸素圧４×１０‐３Ｔｏｎの混合ガス雰囲気中で高周
波２極スパッタリングを行った。

スパッタ率は２００Ａ／分投入パワーは３．０Ｗ／めで
３分間スパッタしたところ、６００△の膜厚の本発明薄
膜発熱抵抗体が得られた。比抵抗は１３００ム○弧、面
積抵抗は２１５０／口であった。この上にバナジウム１
０Ａ、アルミニウムを１ムｍ電子ビーム蒸着で付け、選
択エッチングで４本／肋の分離能をもつサーマルヘッド
パターンを形成し、さらにこの上に保護層として酸化シ
リコン（Ｓｉ０２）を２山ｍ、酸化アルミニウム（ＡＩ
２０３）を５ムｍ連続的にスパッタで積層し、サーマル
ヘッドを作成した。このサーマルヘッド‘こ対して実施
例１と同じ加速テストを施したところ、サーマルへッド
んと同様な良好な結果が得られた。

（実施例 ３） ６インチ径の金属クロム坂上に、暁結した１／４ィンチ
径のホウ素板を多数個遣いて表面積比で金属クロム：棚
素がおよそ１：２になるようにしたターゲットを用いた
。

充分に洗浄されたグレーズドセラミックス基板を５００
午０に基板加熱してアルゴン圧：３×１０‐２Ｔｏｎ、
酸素圧２×１０‐３Ｔｏｎで、Ｒ．Ｆ．２極でスパッタ
した。スパッタ率は１００Ａ／分で８分間スパツタした
ところ８００Ａの膜厚、固有抵抗値私０山○仇、面積抵
抗８００／口の薄膜発熱抵抗体が得られた。この上にチ
タンを１０Ａ、アルミニウムを１仏ｍ電子ビームで蒸着
した後、選択エッチング４本／肌分解能をもつサーマル
ヘッドパターンを形成した。次に保護膜として酸化マグ
ネシウム（Ｍｇ０）１０りｍをスパッタで積層した。こ
のサーマルヘッド‘こ対して実施例１と同じ加速テスト
を行ったところ、２２Ｗ／柵まで抵抗変化率は土２％以
内で、窒化タンタルを用いたサーマルヘッド‘こ比して
非常に良好な結果が得られた。（実施例 ４）６インチ
径の金属クロム板をターゲットとして用いた。

充分に洗浄されたグレーズドセラミックス基板を４００
℃に基板加熱してアルゴン、ジボラン、酸素混合ガス雰
囲気中で活性スパッタリングをおこなった。アルゴン＋
ジボラン十酸素の全圧力は３．５×１０‐２Ｔｏｍ、ジ
ボラン分圧は１．５×１０‐４Ｔｏｒｒ酸素分圧はｌｘ
ｌｏ−４Ｔｏｒｒで高周波２極スパッ外こて１０００Ａ
の膜厚をつけた。面積抵抗は３００／口の（固有抵抗値
は３００仏○抑）であった。この上にバナジウムを１０
０△、金を１山ｍ電子ビームで蒸着した後、選択エッチ
ングで４本／肌分解能をもつサーマルヘッドパターンを
形成した。次いで保護膜として酸化アルミニウム（山２
０３）１０仏ｍをスパッタで横層した。

このサーマルヘツド‘こ対して実施例１と同じ加速テス
トをおこなったところ２１．５Ｗ／柵まで抵抗変化率は
±２％以内であった。本例もまた前記比較例の窒化タン
タルを用いたサーマルヘッドより非常に良好な結果が得
られた。（実施例 ５）棚化クロムの粉末を１００ｋｇ
／地以上でプレスしたタブレットを作成し、あらかじめ
充分に洗浄されたグレーズドセラミックス基板上に基板
加熱３００ｑｏ、真空度２×１０‐６Ｔｏｒｒまで真空
にひいた後、乾燥空気をニードルバルブで導入しながら
真空度５×１０‐６Ｔｏｎで１０００Ａの厚さに電子ビ
ームで蒸着した。

この面積抵抗は約４００／口（固有抵抗値は約４００ｒ
Ｑ肌）であった。次にこの上にチタンを１０Ａ、アルミ
ニウムを１．５仏ｍ電子ビームにより蒸着した後、選択
エッチングにより４本／柳の分解能をもったパターンを
形成した後酸化シリコン（Ｓｉ０２）を１仏ｍ、酸化タ
ンタル（Ｔａ２０５）を１０仏ｍ連続的にスパッタで積
層し、サーマルヘッドを作成した。このサーマルヘッド
に対して実施例１と同じ加速テストを施したところ、サ
ーマルへッドんと同様な良好な結果が得られた。

この膜の組成をイオンマイクロアナラィザで調べたとこ
ろ酸素がクロムの０．１６（原子比）含まれていた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るサーマルヘッドの形状例の要部断
面図。 第２図は本発明の効果を示す特性図。１・・・・・・基
板、２・・・・・・薄膜発熱抵抗体、３・・・・・・電
気導体、４・…・・保護層。 弟ｌ図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板と、該基板上に形成された発熱抵抗体と、該発
   熱抵抗体に電力を供給する電気導体とを有するサーマル
   ヘツドにおいて、発熱抵抗体が硼化クロムと酸素とから
   なることを特徴とするサーマルヘツド。 ２ 発熱抵抗体において酸素の含有量がクロムの０．０
   ０５（原子比）以上である特許請求の範囲第１項記載の
   サーマルヘツド。 ３ 発熱抵抗体において酸素の含有量がクロムの０．０
   １〜１．０（原子比）であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のサーマルヘツド。 ４ 発熱抵抗体が酸化シリコン薄膜で覆われている特許
   請求の範囲第１項ないし第３項記載のサーマルヘツド。 ５ 酸化タンタルの保護膜を有する特許請求の範囲第１
   項ないし第４項記載のサーマルヘツド。６ 酸化アルミ
   ニウムの保護膜を有する特許請求の範囲第１項ないし第
   ４項記載のサーマルヘツド。 ７ 酸化マグネシウムの保護膜を有する特許請求の範囲
   第１項ないし第４項記載のサーマルヘツド。 ８ 硼化クロムと酸素とからなる発熱抵抗体をスパツタ
   リングで製造することを特徴とするサーマルヘツドの製
   造方法。 ９ アルゴン酸素とを含有する混合気体中でスパツタリ
   ングすることを特徴とする特許請求の範囲第８項記載の
   製造方法。 １０ スパツタリングのターゲツトが硼化クロムをホツ
   トプレスしたものである特許請求の範囲第８項または第
   ９項記載の製造方法。 １１ 金属クロムと硼素とを同時にターゲツトとするよ
   うに配置した特許請求の範囲第８項または第９項記載の
   製造方法。 １２ アルゴンと酸素とジボランとを含有する混合気体
   中でスパツタリングする特許請求の範囲第８項記載の製
   造方法。 １３ 金属クロムをターゲツトとする特許請求の範囲第
   １２項記載の製造方法。 １４ ２００℃〜５００℃の基板加熱を行いながらスパ
   ツタリングを行う特許請求の範囲第８項ないし第１３項
   記載の製造方法。 １５ 硼化クロムと酸素とからなる発熱抵抗体を電子ビ
   ーム蒸着で製造することを特徴とするサーマルヘツドの
   製造方法。 １６ 酸素を含む気体を導入しながら電子ビーム蒸着を
   行う特許請求の範囲第１５項記載の製造方法。 １７ ２００℃〜５００℃の基板加熱を行いながら電子
   ビーム蒸着を行う特許請求の範囲第１５項また第１６項
   記載の製造方法。