JPS6038008B2 - サ−マルヘツド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は棚化タンタル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、従釆窒化タンタ
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、耐熱衝撃性に殴
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、従来、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２５０〜３
００仏Ｑ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３
００ｏｏ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、高遠サ−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く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、窒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１０００／口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
聯合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タンタルと酸素とからなる
発熱抵抗体にある。

この発熱抵抗体においては、棚化タンタルと酸素とが原
子的なスケールで混在している。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要
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は棚化タンタルと酸素と
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、アルミニュウム、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、酸化マグネシュウム、酸化アルミニウム、酸化
タンタルあるいはこれらを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。本発明の棚化タンタル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タン
タルのターゲットをスパッタリングする方法、棚素と金
属タンタルを同時に夕−ゲットとする方法、金属タンタ
ル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。棚化タンタルをターゲットとする場合、例えば石英
皿等の上に棚化タンタル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１１００ｑｏ以上の真空ホットプ
レスにより糠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。また棚素と金属タンタ
ルを同時にターゲットとする場合には棚素と金属タンタ
ルを混合するか、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‐汀ｏｒｒ〜５×ｌｏ−ＩＴｏｒｒ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‐りｏｍ〜１×１０‐ＩＴｏｒｒがよい。

また、金属タンタル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１×１げびｏｒｒ〜５×１０‐ＩＴ
ｏｍ、好ましくは１×１０‐２ｒｏｒｒ〜５×１０‐２
Ｔｏｍ、そのなか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タンタルの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タンタ
ルの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が最も好まし
い。このように作成した発熱抵抗体の固有抵抗値は１０
０仏○肌〜５０００仏○肌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、棚化タンタ
ルの粉末を約１００ｋ９／仇以上の圧力でプレスしてタ
ブレットを作り１×１０‐４Ｔｏｍ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、ニードルバルブ等によって酸素を含む気
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タンタルの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タンタルと酸素より成り（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
凹凸が少く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小
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２００℃〜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インチ径の磁化タン
タルＴａＢ２のターゲットを用いて、充分に洗浄された
ガラス厚５０〃ｍのグレーズドアルミナ基板を３００ｏ
ｏに基板加熱して、アルゴン圧力４×１げびｏｒｒ、酸
素圧３×１０‐３Ｔｏｒｒ、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分間スパッタしたところ、１０００Ａの膜厚の薄膜
発熱抵抗体が得られた。比抵抗は６００山○肌、面積抵
抗は６００／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タンタルの０．２１
（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／側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１一ｍ、
酸化タンタル（Ｔａ２０５）を１０仏ｍ連続的にスパッ
タで頃層し、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８×１０‐２Ｔ
ｏｍ、窯秦分圧が１×ｌｏ‐４Ｔｏｒｒの条件で１００
０人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○
肌で面積抵抗は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１仏ｍ、酸化タンタル（Ｔａ２０５）をｌｏＡｍ連
続的にスパッタで穣届し、サーマルヘッド珍とした。こ
れらのサーマルヘッドに対して、５０ＨＺで母ｈｓの矩
形波を３０分ごとにＩＷ／柵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‘ま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） １３００ｏｏでホットプレスした６インチ径の棚化タン
タル（ＴａＢ２）のターゲットを用いて、充分に洗浄さ
れたガラス厚５０れｍのグレーズドアルミナ基板を２０
０ｏｏに基板加熱して、アルゴン圧力４×１０‐幻ｏｒ
ｒ、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２００△／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１１００仏○ｃの
、面積抵抗は１８０Ｑ／□であった。この上にバナジウ
ム１０△、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／側の分解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仏ｍ、酸化アルミニウム（
山２０３）を５仏ｍ連続的にスパッタで横層し、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、サーマルヘッ
ドふと同機な結果が得られた。

（実施例 ３） ６インチ径の金属タンタル坂上に、糠結した１／４イン
チ径のホウ素板を多数個遣いて表面積比で金属タンタル
：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ツクス基板を５００
ｑｏに基板加熱してアルゴン圧：３×１０‐２Ｔｏｎで
、酸素圧２×１０‐汀ｏｒｒ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８００△の膜厚、固有抵抗値５４０ｒ○抑、面
積抵抗６７０／□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ｌＡｍ電子ビームで
蒸着した後、選択エッチング４本／職分解館をもつサー
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仏ｍをスパッタで積層した
。このサーマルヘッドに対して実施例１と同じ加速テス
トを行ったところ、２２．５Ｗ／嫌まで抵抗変化率は±
２％以内で、窒化タンタルを用いたサーマルヘツド‘こ
比して非常に良好な結果が得られた。

（実施例 ４） ６インチ径の金属タンタル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
ｏｏ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３．５×１０‐２Ｔｏｒｒ
、ジボラン分圧は１．５×１げ４Ｔｏｒｒ酸素分圧はｌ
ｘｌｏ‐４Ｔｏでてで高周波２極スパッタにて１０００
△の膜厚をつけた。面積抵抗は３００／口の（固有抵抗
値は３００ム○肌）であった。この上にバナジウムを１
００Ａ、金をｌＡｍ電子ビームで蒸着した後、選択エッ
チングで４本／肋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
２０３）１０ｒｍをスパッタで穣層した。

このサ山マルヘツド‘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２２Ｗ／桝まで抵抗変化率は土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） 棚化タンタルの粉末を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３００午○、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５×１０‐６Ｔ
ｏｒｒで１０００Ａの厚さに電子ビームで蒸着した。

この面積抵抗は約３６０／口（固有抵抗値は約３６０仏
○弧）であった。次にこの上にチタンを１０△、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／側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山ｍ、酸化
タンタル（Ｔａ２０５）をｌｏＡｍ連続的にスパッタで
積層し、サーマルヘッドを作成した。このサーマルヘツ
ド‘こ対して実施例１と同じ加速テストを施したところ
、サーマルヘッドＡ２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
ろ酸素がタンタルの０．０９（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、発熱抵抗体が硼化タンタルと酸素とか
   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タンタルの０．
   ００５（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タンタルの０．
   ０１〜１．０（原子比）であ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 硼化タンタル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タンタルをホ
   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 金属タンタルと硼素とを同時にターゲツトするよ
   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 金属タンタル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
   記載の造方法。 １５ 硼化タンタル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。