KR920009367B1 - 박막 써멀 헤드 및 그 보호막 제작방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

박막 써멀 헤드 및 그 보호막 제작방법

제1도는 종래의 박막 써멀 헤드의 단면도.

제2도는 종래의 노말 스파터링밥에 의한 보호막 형성과정.

제3도는 본 발명에서 사용되는 RF바이어스 스파터링 장치.

제4도는 RF바이어스 스파터링법에 의한 보호막 형성과정.

제5도는 본 발명에 따른 박막써멀 헤드의 단면도.

본 발명은 팩시밀리 및 프린처 에서 사용되는 박막써멀헤드(Thermal Head)에 관한 것으로 특히 박막써멀 헤드 및 그 보호막 제작방법에 관한 것이다.

박막써멀 헤드는 병렬로 배열된 다수개의 발열저항체에 전류를 흘림으로써 전기에너지를 열에너지로 전환시켜 도형이나 문자등을 기록하는 팩시밀러 및 프린터에서 쓰이는 소자이다.

제1도는 종래의 박막써멀 헤드의 단면도이다.

상기 제1도에 나타낸 바와 같이 글레이즈(glaze : 유리질)가 도포된 알루미나 기판(2)상에 발열저항체막(3)을 형성하고, 상기 발열저항체막(3)위에 배선막(4a,4b)을 형성한 후 소정부위를 제외하고 통상의 식각과정을 실시하여 미세회로를 구성한 다음 보호막(5)을 형성함으로써 박막써멀헤드(1)가 완성된다. 여기서 상기 글레이즈가 도포된 알루미나 기판(2)은 절연기판의 역할을하며, 상기 배선막(4b)을 통해 흐르는 전류는 상기 발열저항체막(3)을 통과하면서 주울열(Joule heat)을 발생하며 상기 배선막(4a)을 통해 빠져나간다.

상기 보호막(5)은 발열저항체막(3)이 대기중의 산소 및 수분과 반응하여 급격히 산화 및 부식이 일어나는 형상을 방지할 뿐만 아니라, 감열기록지와 접촉으로 인해 발생하는 상기 배선막(4a,4b)과 발열저항체막(3)의 손상과 마모를 방지하기 위한 막이다.

도형이나 문자등을 기록하기 위해 상기 박막써멀 헤드(1)와 플레이튼롤(7)사이에 감열기록지(6)가 삽입되어 있다.

상기 감열기록지(6)의 표면에는 화학약품처리가 되어있어 상기 박막써멀 헤드( 1)의 배선막(4b)으로 부터 상기 발열저항체막(3)을 통과하여 배선막(4a)으로 흐르는 전류가 상기 발열저항체막(3)을 통과할때 발생되는 주울열증 상방향으로 전달되는 주울열(13)이 감열기록지에 전해지면 상기 감열기록지(6)의 화학물질이 화학반응을 일으켜 종이를 검게 발색(發色)시킴으로써 상기 감열기록지(6)에 인자(印字)를 행하게 된다. 또한 상기 플레이튼 롤(7)은 소정의 압력을 상기 감열기록지(6)에 가함으로써 감열기록지(6)와 박막써멀 헤드(1)간의 밀착성을 좋게 함과 동시에 일정한 속도로 감열기록지(6)를 좌측방향(14)으로 이동시키는 역할을 한다.

상기 제1도에서 (8)은 발열저항체부이고, (9)는 감열기록지(6)상의 유효 발색면적을 나타낸 것이며 11(a)와 11(b)는 보호막 단차부에 존재하는 미세균열(Micro crack)이고 (12)는 돌출부를 나타내며, (10)은 상기 감열기록지(6)에서 묻어나 보호막 단차부에 퇴적된 화학물질을 나타낸다.

종래에는 보호막을 제작하는 방법으로 노말스파터링(Normal Sputtering)법을 사용해 왔다.

그러나 노말스파터링법을 사용할 경우 상기 발열저항체부(8)좌우에서 배선막 두께 만큼의 단차로 인해서 상기 단차부 상부면에 형성되는 보호막에는 미세균열 및 돌출부가 반드시 존재하게된다.

이하 노말스파터링법 및 이에 따른 보호막 단차부상에 존재하는 미세균열과 자치의 구성은, 외부에 아르곤(Ar)가스 주입구가 달린 스파터쳄버와, 상기 스파터쳄버의 상간과 하단에 각각 장착된 기판과 타겟, 그리고 상기 스퍼터챔버 일단에 게이트벨브와 상기 게이트밸브에 연결되면서 돌출되어 장치된 진공펌프로 되어 있다.

상기 스파터챔버내에 아르곤(Ar)가스를 주입하여 소정의 압력을 유지하게 한 다음 상기 타켓측에 RF전력을 인가하고 상기 기판측을 접지시키게 되면 상기 스파터챔버내에 있는 아르곤가스가 이온화하여 전자와 Ar+이온과 Ar 중성원자가 혼재된 플라즈마(plasma)가 형성된다. 상기 플라즈마중 Ar+이온이, 타켓측에 인가된 RF전력에 의해서 유기되는 네가티브(negative)전압에 의해 상기 타겟으로 끌려가서 타겟표면과 강하게 충돌하게 된다. 이때 충돌에 의해 결합이 끊어진 타겟의 구성 물질이 원자 또는 분자 상태로 튀어나와 접지되있는 기판쪽으로 이동함으로써 기판상부면에 상기 타겟의 구성물질과 동일한 보호막을 형성하게 된다.

제2a-c도는 종래의 노말스파터링법에 의한 보호막 형성과정을 나타낸 것이다.

상기 제2a도는 절연기판(20)의 상부면에 대해 측벽부가 임의의 각 θ를 이루고 있는 박막배선(21)상부에 보호막[22(a)]이 형성되는 초기상태를 나타낸 것이다. 여기서 23은 노말스퍼터링 공정중 타겟에서 튀어나와 기판쪽으로 이동하는 원자 또는 분자상태의 물질흐름을 나타낸다. 상기 제2a도에서 보는바와 같이 상기 물질흐름(23)의 방향에 대해 직각으로 놓인 절연기판(20) 및 박막배선(21)의 상부면에서의 보호막성장속도는 상기 박막배선(21)의 측벽부에서의 보호막성장속도보다 빠르게 되어 박막배선(21)의 모서리 부분에 형성되는 보호막은 돌출하기 시작한다.

상기 제2b도는 상기 제2a도에 이어 계속 보호막이 형성되는 과정을 나타낸것으로, 박막배선(21)은 모서리 부분의 돌출부에 의해서 상기 박막배선(21)의 측벽부는 더욱 가려지게 되어 상기 박막배선(21)의 측벽부에 형성되는 보호막의 성장속도는 보호막 형성과정이 진행될수록 상대적으로 다른 부분보다 더욱 느려지게 되고, 따라서 상기 박막배선(21) 모서리 부분의 보호막 돌출현상은 더욱 심해진다.

상기 제2c도는 보호막이 환성된 단면을 나타낸 것으로 돌출부(21)가 두드러지게 존재하고, 절연기판(20)상부면에서 성장한 보호막의 성장방향이 상기 박막배선(2 1)측벽부에서 성장한 보호막의 성장방향과 상이함으로 해서 완성된 보호막[22(c)]에는 필연적으로 미세균열(25)이 존재하게 된다.

상술한 바와 같이 노말스파터링법을 사용하여 보호막을 형성할 경우 상기 제1도의 발열저항체부(8)좌우의 배선막(4a,4b)두께 만큼의 단차로 인해서, 상기 단차부에 형성되는 보호막에는 미세균열 및 돌출부가 반드시 존재하게 된다. 한편 인자(印字)를 행할때 감열기록지가 박막써멀 헤드의 발열저항체부 상부에 밀착되어 이동하면서 상기 감열기록지의 화학물질이 모호막의 단차부에 쌓이게 된다. 이때 상기 퇴적된 화학물질이 함유된 Na⁺및 Cl^-이온들이, 대기중 수분의 영향과 상기 발열저항체부에서 발생하는 열 및 인가된 전계효과 등에 의해 보호막의 단차부에 존재하는 상기 미세균열을 통해서 쉽게 확산, 침투하게 된다.

그렇게 되면 상기 발열, 저항체막 및 배선막은 확산, 침투된 상기 이온들과 쉽게 반응하여 부식되거나 발열저항체막의 저항이 규정치 이상으로 상승되어 박막써멀 헤드의 파손, 기능저하 및 수명 단축을 초래한다.

또한 보호막 단차부에 존재하는 돌출부는 감열기록지와 발열저하체부간의 유효접촉면적을 감소시키기 때문에 인자품질이 떨어지고, 상기 감열기록지상에 적정면적의 발색을 일으키기 위해서는 더 많은 주울열을 발생시켜야 하기 때문에 소비전력이 커지게 되는 등 많은 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 박막써멀 헤드 및 그 보호막 제직방법에 있어서 상기 박막써멀 헤드의 보호막 단차부에 미세균열 및 돌출부가 발생하기 않는 박막써멀 헤드 및 그 보호막을 제작하는 방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 보호막을 형성시키는 스파터(sputte r)장비는 타겟측에 RF전력을 인가하고, 기판측에도 RF전력을 인가하는 RF바이어스 스파터링법을 사용하되, 타겟측의 RF전력을 기판측의 RF전력보다 더 크게 인가함을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제3도는 본 발명에서 사용되는 RF바이어스 스파터링 장치이다.

상기 RF바이어스 스파터링 장치의 구성은, 외부에 아르곤(Ar)가스 주입구가 달린 스파터챔버(sputter chamber)(39)와 상기 스파터챔버(39)하단에 외부로 부터 RF전력(41)을 인가할 수 있는 음극(31) 및 상기 음극(31)에 장착된, 형성하고자 보호막 재료로된 타겟(33)과, 상단에 스파터챔버(39)외부로 부터 RF전력(40)을 인가할 수 있는 기판 홀더(Holder)(32) 및 상기 기판홀더에 장착된 발열저항체막 및 배선막이 형성된 알루미나 절연기판(34)과, 상기 스파터챔버(39)일단에 게이트벨브(Gate Valve )(35)와, 상기 게이트벨브(35)에 연결되면서 돌출되어 장치된 진공펌프(36)로 되어 있다.

상술한 RF바이어스 스파터링장비를 사용하는 RF바이어스 스파터링법은 전술한 노말스파터링 방법과 마찬가지로 타겟측에 RF전력을 인가하면서, 동시에 기판측에도 RF전력을 인가하되, 타겟측의 RF전력밀도를 기판측의 RF전력밀도보다훨씬 크게 해주는 점이 본 발명의 특징이다.

상기 제3도와 같은 RF바이어스 스파터링장치를 사용했을때 보호막의 단차부에 돌출부 및 미세균열이 존재하지 않는 이유를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제4a-c도는 RF바이어스 스파터링법에 의한 보호막 형성과정을 나타낸 단면도이다.

상기 제4a도에서 보는 바와 가타이 절연기판(55)의 상부면에 대해 박막배선(5 6)의 측벽부가 임의의 각 θ₁을 이루고, 상기 박막배선(56)상부에 보호막(57a)이 형성되는 초기상태를 나타낸 것이다.

일반적으로 스파터링시에 기판에 퇴적되는 물질의 성장속도는 타겟으로 부터 튀어나와 기판측으로 날아오는 물질의 이동방향(58)에 대해 퇴적되는 부위가 어떤 각도로 놓여 있는가에 의해 좌우된다. 즉 원자 또는 분자의 흐름(58)에 대해서 직각으로 놓인 기판 부위에서의 성장속도가 최대이고 퇴적되는 부위가 임의의 각도를 이루어 증가할수록 물질의 퇴적, 성장속도는 서서히 감소하여 임의의 각(θ1)이 90°가 되면, 즉 타겟으로부터 날아오는 물질의 방향과 평행하게 놓인 부위에는 거의 퇴적이 일어나지 않아 성장속도는 매우 느리게된다. 한편 RF바이어스 스파터링법에서는 기판측에도 RF전력을 인가해 줌으로써 타겟측에 일어나는 현상이 상기 기판측에도 일어나게 된다. 다시말해서, 타겟측에서 일어나는 현상인 Ar⁺이온에 의한 충돌로 물질의 결합이 끊어지면서 튀어나오는 에칭(Etching)현상이 기판측에도 일어남으로써, 상기 기판측에 퇴적된 보호막의 에칭이 일어나게 되는 것이다.

상기한 바와 같은 스파터링에 의한 에칭속도는 Ar⁺이온의 이동방향에 대해서 에칭되는 부위가 어떤 각도로 놓여있는가에 따라 크게 달라진다.

일반적으로 스파터링에 의한 에칭속도는 Ar⁺이온의 이동방향에 대해 에칭되는 부위가 직각으로 놓여 있을때 최소가 되고 임의의 각 θ를 가지면서 증가할수록 점차 증가하게 되는데, 에칭되는 물질에 따라서 또는 스파터공정조건에 따라서 다소차이는 있으나 대략 θ가 45°부근일때 에칭속도는 최대가 되고 이후 θ가 더 증가하면 급속히 감소하게 된다. 즉 RF바이어스 스파터링법으로 보호막을 형성시킬때, 박막배선이 형성된 절연기판상에는 물질의 퇴적과 더불어 동시에 에칭형상이 일어나게 되는데 퇴적속도 및 에칭속도의 θ에대한 의존성이 서로 상이하여 이를 이용하면 보호막 단차부에 존재하는 돌출부 및 미세균열을 없앨 수가 있다. 즉 박막배선 단차부상에 보호막의 돌출부가 생기게 되면 상기 돌출부는 기판측에 인가된 RF전력에 의해 충돌하는 Ar⁺이온의 흐름에 대해서 어떤 임의의 각을 이루게되고, 따라서 이곳의 스파터에칭속도는 절연판(55) 및 박막배선(56)의 평탄부에 비해서 훨씬 빠른 속도로 에칭된다. 타겟측 및 기판측에 인가되는 RF전력밀도의 크기를 적절히 조절해주면 박막배선상의 보호막은 퇴적속도와 에칭속도의 균형에 의해 결정되는 임의의 각 θ₂를 이루면서 성장하고 돌출부는 존재하지 않게 된다. 또한 절연기판 및 박막배선상의 보호막은 성장방향이 유사하기 때문에, 상기 절연기판 상부면에 형성되는 보호막과 상기 박막배선 상부면에 형성되는 보호막이 마주쳤을때 그 계면(界面)에서는 미세균열도 존재하지 않는 매우 양호한 보호막을 얻을 수 있다.

상기 제4b도는 보호막이 형성되는 중간단계를 나타낸것으로 측벽수가 절연기판 (55)의 상부면과 임의의 각 θ₁을 이르고 있는 박막배선 상부면에 각 θ₂를 가지는 보호막(57b)이 형성되어 있음을 알 수 있다.

상기 제4c도는 보호막이 완성된 단면도를 나타낸 것으로 돌출부 및 미세균열이 존재하지 않는 보호막(57c)이 형성되었음을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명을 실시하기 위한 초기 조건은 3.3W/CM²-5.5W/CM²범위의 타겟측 RF전력밀도와 0.18W/CM²-0.31W/CM²범위의 기판측RF 전력밀도와 5-15mTorr범위의 아르곤 가스 압력을 가지도록 한다.

제5도는 본 발명에 따른 박막써멀 헤드의 단면도이다. 글레이즈(glaze : 유리질)가 도포된 알루미나 기판(62)상에 발열저항체막(63)을 형성하고, 상기 발열저항체막(63)상부면에 배선막(64a,64b)을 형성한 다음, 소정부위만을 제외하고 에칭하여 박막 미세회로를 구성한 다음, 배선막(64a,64b)상부와 발열저항체막(63)상부에 RF바이어스 스파터링법을 사용하여 보호막(65)을 형성하여 박막써멀 헤드(61)를 완성한다. 상기의 과정으로 완성된 박막써멀헤드(61)상부에 인자(印字)를 행하기 위하여 감열지(66)가 놓여지고, 상기 감열기(66)상부에는 감열지를 눌러주면서 왼쪽(71)으로의 이동을 가능하게 플레이트 롤(67)이 놓여진다. 68은 발열저항체부를 나타낸 것이고, 69는 감열지상의 유효발색 면적을 나타낸것이며, 70은 박막써멀헤드의 보호막단차부(73)에 퇴적된 감열기록지(66)의 화학물질이며, 72는 인자기록시 박막써멀헬드의 발열저항체부(68)에서 발생하는 열중에서 상부로 향하는 주울열을 나타낸 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 박막써멀헤드 및 그 보호막 제작방방법에 있어서 RF바이어스 스파터링법으로 보호막을 제잠함으로써 박막 배선 단차부에 돌출부를 및 미세균열이 없는 양호한 보호막을 구현할 수 있다.

따라서 감열기록지(66)의 화합물질(70)에 하유된 성분중 Na⁺및 Cl^-이온과 수분등의 박막등이 박막써멀헤드의 구동시 상기 박막배선 단차부에 존재하는 전계 및 온도의 영향이 영향이 있더라도, 발열저항체막(63) 및 배선막(64a,64b)쪽으로 침투할 수 없다. 따라서, 상기 발열저항체막(63) 및 배선막(64a,64b)의 급격한 저항 증가 또는 부식을 방시하게 되어 박막써멀헤드(61)의 인자품질을 항상 일정하게 유지시킬수가 있고 수명단축을 방지할 수 있다. 또한 보호막(65)의 단차부에 돌출부가 존재하지 않고 임의의 각 θ₃로 완만한 경사로 이루어짐으로써 박막써멀헤드(61)의 발열저항체부(6 8)와 감열기록지(66)간의 유효접촉면적이 종래의 경우보다 증가한다. 그에 따라 감열기록지(66)상의 유효발색면적(69)이 발열저항체부(68)의 면적과 거의 1 : 1대응이 되므로 규정된 열에너지에서 소망하는 인자농도를 갖는 인자기록이 가능해 진다.

Claims (4)

1. 스파터 챔버(39)와, 상기 스파터 챔버(39)의 일단에 달린 가스 주입구(38)와, 상기 스파터 챔버(39)의 상단과 하단에 각각 장착된, 외부로 부터 RF전력을 인가할 수 있는 음극(31) 및 기판홀더(32)와, 상기 스퍼터 챔버(39)의 타단에 돌출되어 장치된 게이트 밸브(35) 및 진공펌프(36)를 구비하는 스퍼터링장치를 사용하는 박막 써멀 헤드의 보호막 제작방법에 있어서, 상기 음극에, 형성하고자 하는 보호막 재료로 돈 타겟(33)을 장착하고, 상기 기판홀더(32)에 박막배선이 형성된 기판(34)을 장착하는 제1단계와, 상기 가스주입구(38)를 통하여 스파터 챔버(39) 내로 비반응성 가스를 주입하는 제2단계와, 상기 타겟측에 RF전력을 인가하고, 상기 기판측에는 상기 타겟측에 인가된 RF전력보다 작은 RF전력을 인가하는 제3단계를 구비함을 특징으로 하는 박막 써멀 헤드의 보호막 제작방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 타겟측의 RF전력밀도가 3.3W/CM²-5.5W/CM²의 범위이고, 상기 기판측의 RF전력밀도가 0.18W/CM²-0.3W/CM²의 범위이고, 상기 비반응성 가스의 압력이 5-15mTorr의 범위 임을 특징으로 하는 박막 써멀 헤드의 보호막 제작방법.
3. 절연기판(62)과, 상기 절연기판(62) 상부면에 형성된 발열저항체막(63)과, 상기 발열저항체막(63) 상부에서 소정거리 이격되어 형성된 배선(64a,64b)과, 상기 배선사이의 노출된 발열저항체막으로 된 발열저항체(68)와, 상기 발열저항체(68) 및 배선상부면에 형성된 보호막(65)으로 구성된 박막 써멀 헤드(61)에 있어서, 상기 보호 막(65)이 상기 배선의 상부와 발열저항체 상부면에서는 거의 동일한 두께를 가지고, 상기 배선의 단차부에서는 소정의 예각으로 경사져서 형성됨을 특징으로 하는 박막 써멀 헤드.
4. 제3항에 있어서, 상기 예각이 0°보다 크고 45°보다 작음을 특징으로 하는 박막 써멀 헤드.

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