JPS6038010B2 - サ−マルヘツド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は棚化タングステン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山○仇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
００ｑ０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
ａ２Ｑ）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ノロ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グステンと酸素とか
らなる発熱抵抗体にある。

この発熱抵抗体においては、棚化タングステンと酸素と
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は棚化タングステンと酸
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絹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。本発明の棚化タングステンと酸素とからな
る薄膜発熱抵抗体の製造はスパッタリング、電子ビーム
葵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、アルゴンと酸素の浪合雰囲気中で棚
化タングステンのターゲットをスパッタリングする方法
、棚素と金属タングステンを同時にターゲットとする方
法、金属タングステン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。

棚化タングステン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グステン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夕−ゲツトとして用いるこ
ともできるが、あらかじめ１１００ｑｏ以上の真空ホッ
トプレスにより焼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グステンを同時にターゲットとする
場合には棚素と金属タングステンを混合するか、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ｏｒ
ｒ〜５×１０‐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ｌｘｌｏ‐汀ｏｒｒ〜
１×１０‐ＩＴｏｒｒがよい。

また、金属タングステン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‐オｏｒｒ〜５×１０‐
ＩＴｏｍ、好ましくは１×１０‐ごｒｏｒｒ〜５×１０
‐２Ｔｏｍ、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ク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、タングヌテンの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
比抵抗の制御が驚かし〈、耐熱性も悪くなるのでニオブ
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１５０
ム○伽〜５０００ムＱのまで選択可能である。発熱抵抗
体を電子ビーム葵着で製造する場合には、棚化タングス
テンの粉末を約１００ｋ９／仇以上の圧力でプレスして
タブレットを作り１×１０‐４Ｔｏｒｒ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を含む気体を電
子ビーム黍着中に導入することによって発熱抵抗体中の
酸素含有量をタングステンの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タングステンと酸素より成り（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
の凹凸が少くなった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２００ｏｏ〜５００ｏｏ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‘こ効果がある。

次に実施例に基づいて説明する。

（実施例 １） １１００ｑｏでホットプレスした５インチ径の棚化タン
グステンＷＢ〔米国ペントロン社製〕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
ァルミナ基板を３０び０に基板加熱しながらアルゴン圧
力４×１０‐汀ｏｎ、酸素圧３×１０‐汀ｏｒｒ、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分間スパツタしたところ、１０００Ａの膜厚の薄膜
発熱抵抗体が得られた。比抵抗は７５０仏○抑、面積抵
抗は７５０／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グステンの０．
２４（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〆
ｍ、酸化タンタル（Ｔａ２０５）を１０仏ｍ連続的にス
パッタで積層し、サーマルヘッドふとした。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‐
２Ｔｏｎ、窒素分圧が１×１０‐４Ｔｏｎの条件で１０
００Ａ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ムｍ、酸化タンタル（Ｔａ２０５）を１０一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、５０ＨＺでａｈｓの矩
形波を３０分ごとにｌｗ／協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） １３００ｑｏでホットプレスした６インチ径の棚化タン
グステン（ＷＢ）のターゲットを用いて、充分に洗浄さ
れたガラス厚５０ｗｍのグレーズドアルミナ基板を２０
０℃に基板加熱して、アルゴン圧力４ｘｌｏ‐２Ｔｏｎ
、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分間スパッ夕したところ、６００Ａの膜厚の本発明
薄膜発熱抵抗体が得られた。比抵抗は１４００ＡＱ弧、
面積抵抗は２４００／口であった。この上にバナジウム
１０Ａ、アルミニウムをｌｒｍ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（
Ｎ２０３）を５仏ｍ連続的にスパッタで穣層し、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
んと同様な結果が得られた。（実施例 ３） ６インチ径の金属タングステン板上に、暁結した１／４
インチ径のホウ素板を多数個おいて表面積比で金属タン
グステン：棚化がおよそ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
ｏｏに基板加熱してアルゴン圧：３×１０‐汀ｏｎ、酸
素圧２×１０‐３Ｔｏｎで、Ｒ．Ｆ．２蚤でスパッタし
た。スパッタ率は１００Ａ／分で８分間スバツタしたと
ころ８００人の膜厚、固有抵抗値６４０ムＱ肌、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ｌＡｍ電子ビームで蒸着
した後、選択エッチングで４本／側分解能をもつサーマ
ルヘッドパタ−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をスパッタで度層した。
このサーマルヘッドーこ対して実施例１と同じ加速テス
トを行ったところ、２１ｗ／柵まで抵抗変化率は士２％
以内で、窒化タンタルを用いたサーマルヘッドに比して
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グステン板をター
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ツクス基板を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＋酸素の全圧力は３．５×１０‐５Ｔｏｎ、
ジボラン分圧は１．５×１０−４Ｔｏｎ酸素分圧は１×
１０‐４Ｔｏｒｒ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（固有抵抗値は
３００仏○抑）であった。この上にバナジウムを１００
Ａ、金を１仏ｍ電子ビームで蒸着した後、選択エッチン
グで４本／柳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（ＡＩ２
０３）ｌｏＡｍをスパッタで穣層した。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）棚化タングステンの粉末を１００ｋ９／泳以上
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３０
０ｏｏ、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
×１０‐６Ｔｏｍ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４００仏
○抑）であった。次にこの上にチタンを１０Ａ、アルミ
ニウムを１．５山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山ｍ連続的にスパッタで穣
層し、サ一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
ーマルへツ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
ろ酸素がタングステンの０．２１（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グステンと酸素
   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グステンの
   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グステンの
   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 硼化タングステン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 アルゴンと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グステン
   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 金属タングステン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 金属タングステン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 硼化タングステン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。