JP7681003B2

JP7681003B2 - サーマルプリントヘッド及びその製造方法並びにサーマルプリンタ

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Publication number: JP7681003B2
Application number: JP2022514134A
Authority: JP
Inventors: 聡蔭山
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2020-04-10
Filing date: 2021-04-09
Publication date: 2025-05-21
Anticipated expiration: 2041-04-09
Also published as: US20230036070A1; JPWO2021206169A1; CN115427232A; WO2021206169A1; US12023940B2

Description

この発明は、サーマルプリントヘッド及びその製造方法並びにサーマルプリンタに関し、詳しくは、抵抗体層にタンタル及び窒素を含む材料を使用したものに関する。

従来、セラミック基板の表面にグレーズ層を設け、グレーズ層の表面の一部分に部分グレーズ層をさらに設け、グレーズ層から部分グレーズ層にまでまたがって発熱抵抗層を設け、発熱抵抗層のうちの発熱領域をはさんで発熱抵抗層の表面に導体を設けてなるサーマルプリントヘッドが提供されている（特許文献１を参照）。また、半導体基板に異方性エッチングを行って主面に傾斜側面を有する天面を形成し、この半導体基板に絶縁層、抵抗体層、配線層、絶縁性保護層等を順に形成してなるサーマルプリントヘッドも提供されている（特許文献２を参照）。

このようなサーマルプリントヘッドの抵抗体層は、窒化タンタルによって形成されることがあり、窒化タンタルには電気伝導を確保するために比較的低濃度の窒素を含有するＴａ_２Ｎなどが使用されることがあった（特許文献３、４を参照）。

特開昭６０－４２０６９号公報特開２０１７－１１４０５７号公報特開昭６３－２５７６５３号公報特開平４－９３２６２号公報

しかしながら、低濃度の窒素を含有する窒化タンタルで抵抗体層を形成すると、隣接する絶縁層及び保護層から抵抗体層に酸素が拡散し、抵抗率が増加するなど特性が劣化することがあった。

この開示は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、タンタル及び窒素で構成された抵抗体層であって、隣接する層からの酸素の拡散を低減して特性の劣化を抑制するような抵抗体層を含むサーマルプリントヘッド及びその製造方法並びにサーマルプリンタを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、この出願に係るサーマルプリントヘッドは、主面を有し主面に凸部が形成された基板と、主面及び凸部に形成された抵抗体層と、凸部の一部の発熱部において抵抗体層が露出するように抵抗体層を覆う配線層と、基板の主面に抵抗体層及び配線層を覆うように形成された保護層と、を備え、抵抗体層は、タンタルを含有する主抵抗体層と、主抵抗体層の下側に積層された窒化タンタルを含有する第１の副抵抗体層及び前記主抵抗体層の上側に積層された窒化タンタルを含有する第２の副抵抗体層の少なくとも一方と、を備え、第１の副抵抗体層及び第２の副抵抗体層が含有する窒化タンタルは（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造の共晶体を含んでいる。

この出願に係るサーマルプリンタは、前記サーマルプリントヘッドと、サーマルプリントヘッドの発熱部に対向して配置されたプラテン、とを備えている。

この出願に係るサーマルプリントヘッドの製造方法は、主面を有し前記主面に凸部が形成された基板を提供する工程と、主面及び凸部に抵抗体層を形成する工程と、凸部の一部の発熱部において抵抗体層が露出するように抵抗体層を覆う配線層を形成する工程と、基板の主面に抵抗体層及び配線層を覆うように保護層を形成する工程と、を含み、抵抗体層は、タンタルを含有する主抵抗体層と、主抵抗体層の下側に積層された窒化タンタルを含有する第１の副抵抗体層及び前記主抵抗体層の上側に積層された第２の副抵抗体層の少なくとも一方と、を備え、第１の副抵抗体層及び第２の副抵抗体層が含有する窒化タンタルは（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造の共晶体を含んでいる。

この開示によると、隣接する絶縁層及び保護層からタンタル及び窒素で構成された抵抗体層への酸素の拡散を低減し、酸素の拡散による抵抗体層の特性の劣化を抑制することができる。

図１は、第１の実施の形態のサーマルプリントヘッドが有するヘッド基板の断面図である。図２は、第１の実施の形態の抵抗体層の断面図である。図３は、第１の実施の形態の抵抗体層の他の態様を示す断面図である。図４は、第１の実施の形態のサーマルプリントヘッドのプロセスフロー図である。図５は、第１の実施の形態のサーマルプリントヘッドのプロセスフロー図である。図６は、窒素含有量と窒化タンタルの抵抗率及びその面内ばらつきの関係を示すグラフである。図７は、抵抗体層の窒素含有量とＳＳＴ耐圧との関係を示すグラフである。図８は、第１の実施の形態のサーマルプリントヘッドのプロセスフロー図である。図９は、第１の実施の形態のサーマルプリントヘッドのプロセスフロー図である。図１０は、第２の実施の形態のサーマルプリントヘッドが有するヘッド基板の断面図である。図１１は、第２の実施の形態の抵抗体層の断面図である。図１２は、第２の実施の形態の抵抗体層の他の態様を示す断面図である。図１３は、第２の実施の形態のサーマルプリントヘッドのプロセスフロー図である。図１４は、第２の実施の形態のサーマルプリントヘッドのプロセスフロー図である。図１５は、第２の実施の形態のサーマルプリントヘッドのプロセスフロー図である。図１６は、第２の実施の形態のサーマルプリントヘッドのプロセスフロー図である。図１７は、第２の実施の形態のサーマルプリントヘッドのプロセスフロー図である。図１８は、第２の実施の形態のサーマルプリントヘッドのプロセスフロー図である。図１９は、実験例の抵抗体層の断面図である。図２０は、実験例の抵抗体層における元素の分布を示す図である。図２１は、実験例におけるエネルギーと発熱効率及び抵抗率の変化率との関係を示すグラフである。

以下、サーマルプリントヘッド及びその製造方法並びにサーマルプリンタについて、図面を参照して詳細に説明する。開示される実施の形態は、すべて例示のためであり、開示された実施の形態に限らず当業者に自明な範囲で様々な態様が含まれることはいうまでもない。

以下の説明で使用される図面は、いずれも模式的に描かれている。これらの図面は、理解を容易にするために適宜省略され、適宜誇張されて描かれている場合がある。図面におけるどちら側かについて説明する場合には、図面中の符号が正立するように図面を置いて図面を見るものとする。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態のサーマルプリントヘッドは、主面を有し主面に凸部が形成された基板と、主面及び凸部に形成された抵抗体層と、凸部の一部の発熱部において抵抗体層が露出するように抵抗体層を覆う配線層と、基板の主面に抵抗体層及び配線層を覆うように形成された保護層と、を備え、抵抗体層は、タンタルを含有する主抵抗体層と、主抵抗体層の下側に積層された窒化タンタルを含有する第１の副抵抗体層及び主抵抗体層の上側に積層された窒化タンタルを含有する第２の副抵抗体層の少なくとも一方と、を備え、第１の副抵抗体層及び第２の副抵抗体層が含有する窒化タンタルは（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造の共晶体を含んでいる。第１の副抵抗体層及び第２の副抵抗体層は、隣接する基板及び保護層から抵抗体層の主抵抗体層への酸素の拡散を低減し、酸素の拡散による抵抗体層の特性の劣化を抑制することができる。

抵抗体層は、第１の副抵抗体層及び第２の副抵抗体層の両方を含んでもよい。第１の副抵抗体層及び第２の副抵抗体層は、それぞれ隣接する基板及び保護層から抵抗体層のタンタル層への酸素の拡散を低減することができる。

保護層は、窒化シリコン及び酸化シリコンの少なくとも一つを含んでもよい。保護層は、抵抗体層及び配線層を覆って電気的及び機械的に隔離することができる。

配線層は、銅を含んでもよい。銅は電気伝導度が高く、低損失で電流を流すことができる。

抵抗体層と配線層との間に積層された補助抵抗体層をさらに備え、配線層は、発熱部において補助抵抗体層が露出するように補助抵抗体層を覆い、露出した補助抵抗体層は一部で抵抗体層が露出するように抵抗体層を覆ってもよい。補助抵抗体によって、発熱の効率をさらに高めることができる。

補助抵抗体層は、チタンを含んでもよい。薄膜に形成されたチタンは、抵抗体として発熱することができる。

基板はセラミック基板であり、凸部はガラスグレーズ層によって形成されていてもよい。セラミック基板は電気的な絶縁を提供し、ガラスグレーズ層は抵抗体層及び補助抵抗体層から発生した熱を蓄えることができる。

発熱部は、凸部の頂部を含む領域に形成されていてもよい。発熱部に紙が容易に到達することができる。

主抵抗体層は、２２％ａｔｍ以下の窒素を含み、主抵抗体層が含有するタンタル及び窒素は体心立方格子構造を形成してもよい。このような極低濃度の窒素を含む主抵抗体層は、抵抗率が低く大電流を流して発熱させることができる。

第１の実施の形態のサーマルプリンタは、サーマルプリントヘッドと、サーマルプリントヘッドの発熱部に対向して配置されたプラテンと、を備えている。サーマルプリントヘッドは抵抗体の特性の劣化が抑制されているため、安定した性能を有するサーマルプリンタを提供することができる。

第１の実施の形態のサーマルプリントヘッドの製造方法は、主面を有し主面に凸部が形成された基板を提供する工程と、主面及び凸部に抵抗体層を形成する工程と、凸部の一部の発熱部において抵抗体層が露出するように抵抗体層を覆う配線層を形成する工程と、基板の主面に抵抗体層及び配線層を覆うように保護層を形成する工程と、を含み、抵抗体層は、タンタルを含有する主抵抗体層と、主抵抗体層の下側に積層された窒化タンタルを含有する第１の副抵抗体層及び前記主抵抗体層の上側に積層された窒化タンタルを含有する第２の副抵抗体層の少なくとも一方と、を備え、第１の副抵抗体層及び第２の副抵抗体層が含有する窒化タンタルは（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造の共晶体を含んでいる。第１の副抵抗体層及び第２の副抵抗体層は、隣接する基板及び保護層から抵抗体層のタンタル層への酸素の拡散を低減し、酸素の拡散による抵抗体層の特性の劣化を抑制することができる。

抵抗体層を形成する工程は、チャンバ内において窒素ガスの流量を制御することにより主抵抗体層と第１の副抵抗体層及び第２の副抵抗体層の少なくとも一方とを堆積させてもよい。窒素ガスの流量を制御するだけで足りるため容易である。

抵抗体層を形成する工程の後で配線層を形成する工程の前に抵抗体層と配線層との間に積層されるように補助抵抗体層を形成する工程をさらに含み、発熱部において、配線層を形成する工程は補助抵抗体層が露出するように補助抵抗体層を覆い、補助抵抗体層を形成する工程は露出した補助抵抗体層の一部で抵抗体層が露出するように抵抗体層を覆ってもよい。補助抵抗体によって、発熱の効率をさらに高めることができる。

基板を提供する工程は、セラミック基板を提供する工程と、セラミック基板の主面に凸部をガラスグレーズ層によって形成する工程とをさらに含んでもよい。セラミック基板は電気的な絶縁を提供し、ガラスグレーズ層は抵抗体層及び補助抵抗体層から発生した熱を蓄えることができる。

図１は、第１の実施の形態のサーマルプリントヘッド１０が有するヘッド基板１１の概略的な構造を示す断面図である。第１の実施の形態のサーマルプリントヘッド１０において、アルミナのようなセラミックで構成されたヘッド基板１１の平坦な主面１１ａには、ガラスグレーズ層により凸部１２が形成され、凸部１２は主面１１ａにおいて一方向に延びている。凸部１２は、断面がアール形状を有していてもよい。ヘッド基板１１には、アルミナに代えて窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような他の種類のセラミックを使用してもよい。凸部１２を横切るように主面１１ａ及び凸部１２には、タンタル及び窒素から構成された抵抗体層２１が形成されている。

配線層２２は、凸部１２の一部に形成された複数の発熱部２０において抵抗体層２１が露出するように、抵抗体層２１を覆っている。複数の発熱部２０は、それぞれ矩形の平面形状を有し、図１の手前から奥に沿う方向に沿って並ぶ。複数の発熱部２０は、凸部１２の頂部を含む所定の領域に形成されてもよい。配線層２２は、銅のような金属で形成される。配線層２２は、チタンに銅を積層して形成してもよいし、銅とチタンの合金で形成してもよい。配線層２２は、複数の発熱部２０のそれぞれにつながる独立した配線を有する。配線層２２は、外部電極２７から供給された電流を伝送し、複数の発熱部２０において露出する抵抗体層２１に両側から独立した配線を経由して電流を供給する。

保護層２５は、酸化シリコンのような絶縁体で構成され、ヘッド基板１１の主面１１ａに抵抗体層２１及び配線層２２を覆うように形成されている。保護層２５は、窒化シリコンのような他の種類の絶縁体で形成されてもよい。外部電極２７は、保護層２５の上に露出し、保護層２５を貫いて配線層２２に接続している。

ヘッド基板１１は、通常、図示しない放熱板に固定される。放熱板はヘッド基板１１が取り付けられる固定部材である。放熱板は金属板（例えば、アルミニウム板、鋼板まど）によって構成される。

サーマルプリントヘッド１０は、サーマルプリンタ１１０に含まれる図示しない取付部材に、ねじ止めなどによって固定される。サーマルプリンタ１１０は、ローラ状のプラテン１０１を有する。プラテン１０１は、サーマルプリントヘッド１０の複数の発熱部２０が並んで延びる方向（図１の手前から奥に沿う方向）に沿って延び、複数の発熱部２０に対向して配置される。サーマルプリンタ１１０が使用される際には、プラテン１０１と複数の発熱部２０との間に印字媒体１０２（例えば感熱紙など）が配置される。プラテン１０１に押圧された印字媒体１０２は、複数の発熱部２０に接しながら移動する。印字媒体１０２は、図１の右側から左側に移動する。ローラ状のプラテン１０１に代えて平坦なプラテン（大きな曲率半径の曲面を有するプラテンを含む）を使用してもよい。

図２に示すように、第１の実施の形態のサーマルプリントヘッド１０においては、抵抗体層２１は、窒化タンタルを含有する第１の副抵抗体層２１ａ、タンタルを含有する主抵抗体層２１ｂ及び窒化タンタルを含有する第２の副抵抗体層２１ｃが順に積層されて形成されている。主抵抗体層２１ｂが含有するタンタルは、体心立方格子構造（ＢＣＣ）であり、極低濃度の窒素を含んでもよい。この極低濃度とは、例えば２２ａｔｍ％以下である。第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃが含有する窒化タンタルは、（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造（ＦＣＣ）の共晶体で構成されている。

抵抗体層２１において、主抵抗体層２１ｂは低抵抗率であり、主要な電気伝導の経路となり、抵抗体層２１の電気的特性の支配的な要因になっている。また、主抵抗体層２１ｂは、窒素を含有しても極低濃度であり、展延性に優れている。したがって、主抵抗体層２１ｂは、発熱部２０を加熱するために主抵抗体層２１ｂに大電流を断続的に流して膨張及び収縮のサイクルを繰り返しても、容易に断線することはない。

抵抗体層２１において、主抵抗体層２１ｂは、第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃに積層され、電気的に接続されている。したがって、仮に主要な電気伝導の経路となる主抵抗体層２１ｂが断線したとしても、電気伝導は第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃを介して維持される。このため、抵抗体層２１の全体が容易に断線することはない。

抵抗体層２１は、ヘッド基板１１の主面１１ａに形成され、その一部は保護層２５によって覆われている。ヘッド基板１１はセラミックで構成されるが、セラミックにアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のような酸素を含有する材料が使用されている。また、保護層２５は絶縁体で構成されるが、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）のような酸素を含有する材料が使用されることがある。このような酸素を含有する材料から抵抗体層２１に酸素原子が侵入することがある。

抵抗体層２１においては、ヘッド基板１１と主抵抗体層２１ｂとの間に第１の副抵抗体層２１ａが介在し、主抵抗体層２１ｂにヘッド基板１１から影響が及ばないように保護している。例えば、アルミナのような酸素を含有する材料で構成されているヘッド基板１１から酸素原子が抵抗体層２１に侵入しても、第１の副抵抗体層２１ａが障壁となって侵入を第１の副抵抗体層２１ａ内に留め、主抵抗体層２１ｂへの到達を阻止している。

また、保護層２５と主抵抗体層２１ｂとの間に第２の副抵抗体層２１ｃが介在し、主抵抗体層２１ｂに保護層２５から影響が及ばないように保護している。例えば、保護層２５が酸化シリコンのような酸素を含有する材料で構成されているときに、保護層２５から酸素原子が抵抗体層２１に侵入しても、第２の副抵抗体層２１ｃが障壁となって侵入を第２の副抵抗体層２１ｃ内に留め、主抵抗体層２１ｂへの到達を阻止している。

このように、隣接するヘッド基板１１及び保護層２５から抵抗体層２１に酸素原子が侵入しても、酸素原子は第１の副抵抗体層２１ａ又は第２の副抵抗体層２１ｃ内に留められ、電気的特性の支配的な要因になる主抵抗体層２１ｂに侵入することは阻止されている。したがって、主抵抗体層２１ｂに酸素原子が侵入することにより生じ得る特性の劣化は低減され、抵抗体層２１を含むサーマルプリントヘッド１０の電気的特性は維持され、ひいてはサーマルプリントヘッド１０の長寿命化が図られる。また、仮に主抵抗体層２１ｂが断線したとしても、第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃを介して電気伝導が維持されるため、サーマルプリントヘッド１０の長寿命化が図られる。

図３は、抵抗体層２１の他の態様を示す断面図である。図２においては、抵抗体層２１は、第１の副抵抗体層２１ａ、主抵抗体層２１ｂ及び第２の副抵抗体層２１ｃが積層されていたが、このような構造に限らない。第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃは、隣接する層から抵抗体層２１に酸素原子の侵入があり得る一方にのみ設けてもよい。

図３（ａ）は、第１の副抵抗体層２１ａに主抵抗体層２１ｂを積層して構成した抵抗体層２１を示す断面図である。例えば、ヘッド基板１１（図１参照）のセラミックが酸素を含有するアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）で構成され、保護層２５（図１参照）が酸素を含有しない窒化シリコン（ＳｉＮ）で構成されている場合には、ヘッド基板１１から抵抗体層２１に酸素原子が侵入することはあり得るが、保護層２５から酸素原子は供給されない。したがって、主抵抗体層２１ｂへの酸素原子の侵入を阻止するための障壁としては、ヘッド基板１１と主抵抗体層２１ｂとの間に介在するように第１の副抵抗体層２１ａを設ければよく、主抵抗体層２１ｂは、第２の副抵抗体層２１ｃが介在することなく保護層２５に直接に接してもよい。

このような場合、抵抗体層２１にヘッド基板１１から酸素原子が侵入しても、酸素原子は第１の副抵抗体層２１ａ内に留められ、電気的特性の支配的な要因になる主抵抗体層２１ｂに到達することは阻止されている。したがって、抵抗体層２１を含むサーマルプリントヘッド１０の電気的特性は維持され、ひいてはサーマルプリントヘッド１０の長寿命化が図られる。

図３（ｂ）は、主抵抗体層２１ｂに第２の副抵抗体層２１ｃが積層して構成した抵抗体層２１を示す断面図である。例えば、ヘッド基板１１（図１参照）のセラミックが酸素を含有しない窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成され、保護層２５（図１参照）が酸素を含有する酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で構成されている場合には、ヘッド基板１１から酸素原子は供給されないが、保護層２５から抵抗体層２１に酸素原子が侵入することがあり得る。したがって、主抵抗体層２１ｂへの酸素原子の侵入を阻止するための障壁としては、主抵抗体層２１ｂと保護層２５との間に介在するように第２の副抵抗体層２１ｃを設ければよく、主抵抗体層２１ｂは、第１の副抵抗体層２１ａが介在することなくヘッド基板１１に直接に接してもよい。

このような場合、抵抗体層２１に保護層２５から酸素原子が侵入しても、酸素原子は第２の副抵抗体層２１ｃ内に留められ、電気的特性の支配的な要因になる主抵抗体層２１ｂに到達することは阻止されている。したがって、抵抗体層２１を含むサーマルプリントヘッド１０の電気的特性は維持され、ひいてはサーマルプリントヘッド１０の長寿命化が図られる。

このように、抵抗体層２１が、主抵抗体層２１ｂに第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃの一方のみが積層して構成される場合にも、主抵抗体層２１ｂは第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃの一方に電気的に接続されている。したがって、仮に主要な電気伝導の経路となる主抵抗体層２１ｂが断線したとしても、電気伝導は第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃの一方を介して維持される。このため、抵抗体層２１の全体が容易に断線することはなく、抵抗体層２１を含むサーマルプリントヘッド１０の長寿命化が図られている。

第１の実施の形態のサーマルプリントヘッド１０を組み込んでサーマルプリンタ１１０を構成してもよい。このようなサーマルプリンタ１１０は、サーマルプリントヘッド１０と、サーマルプリントヘッド１０の発熱部２０に対向して配置されたプラテン１０１とを有している。第１の実施の形態のサーマルプリントヘッド１０は長寿命化が図られているため、このようなサーマルプリントヘッド１０を組み込んで構成したサーマルプリンタ１１０も長寿命化を図ることができる。

図４から図５は、第１の実施の形態のサーマルプリントヘッド１０のプロセスフロー図である。図４に示す工程においては、平坦な主面１１ａを有するアルミナのようなセラミックで構成されたヘッド基板１１を提供し、ヘッド基板１１の主面１１ａに一方向に延びる凸部１２を印刷などによりガラスグレーズ層によって形成する。ガラスグレーズ層は、例えば主面１１ａの上にスクリーン印刷されたガラスペーストを焼成することによって形成される。ヘッド基板１１には、アルミナに代えて他の種類のセラミックを使用してもよい。図４から図５は、１個のサーマルプリントヘッド１０に相当する１個のヘッド基板１１を示す。実際には、ヘッド基板１１の厚さ方向に沿って視て（平面視して）、矩形状の平面形状を有するセラミック基板に、複数のヘッド基板１１が例えば格子状に含まれる。言い換えれば、セラミック基板はセラミックウェハーである。

図５に示す工程においては、ヘッド基板１１の主面１１ａ及び凸部１２を横切るように抵抗体層２１を形成する。図２に示したように、抵抗体層２１は、第１の副抵抗体層２１ａ、主抵抗体層２１ｂ及び第２の副抵抗体層２１ｃが順に積層されて構成されている。

この工程では、図４に示した工程で主面１１ａに凸部１２を形成したヘッド基板１１をチャンバに格納し、チャンバに原料ガスの窒素ガスとキャリアガスのアルゴンガスの混合ガスを流し、タンタルをターゲットとしてスパッタして窒化タンタルを主面１１ａ及び凸部１２に堆積させる。混合ガス中の窒素ガスの流量が大きくなるように調整することによって、高濃度の窒素を含有する第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃを堆積させる。また、窒素ガスの供給を停止し、アルゴンガスのみを流してタンタルをスパッタし、主抵抗体層２１ｂを堆積させる。

第１の副抵抗体層２１ａ、主抵抗体層２１ｂ及び第２の副抵抗体層２１ｃの堆積は、スパッタはチャンバ内にヘッド基板１１を格納したまま順に窒素ガスの流量を調整して行われる。このため、主抵抗体層２１ｂを堆積させる工程において、第１の副抵抗体層２１ａを堆積させる工程で流した窒素ガスがチャンバ内に残留し、主抵抗体層２１ｂに極低濃度の窒素が含有されることがある。

図６は、スパッタにより成膜された窒化タンタルについて、窒素含有量と窒化タンタルの抵抗率及びその面内ばらつきの関係を示すグラフである。図中の曲線ａは窒化タンタルの抵抗率であり、曲線ｂは窒化タンタル抵抗率の面内ばらつきである。

成膜された窒化タンタルにおいて、窒素含有量は窒素ガスの流量に伴って増加し、横軸の窒素の含有量は窒素ガスの流量に読み替えることができる。曲線ａに示す抵抗率は、窒素の含有量又は窒素ガスの流量が増加するに従い増加している。一方、曲線ｂに示す抵抗率の面内ばらつきは、窒素ガスの流量又は窒素の含有量が増加するに従い減少している。

図中において、低濃度の窒素を含有する第１領域Ｒ１は、抵抗体層２１の内でタンタルを含有する主抵抗体層２１ａに対応している。第１領域Ｒ１は、抵抗率が低く、発熱部２０において大電流を流して発熱させるために使用されるが、抵抗率の面内ばらつきは大きくなっている。この第１領域Ｒ１において、窒化タンタルは体心立方格子構造のような不安定な構造に成膜されている。第１領域Ｒ１よりも窒素の含有量がさらに低い領域においても、同様に窒化タンタルは体心立方格子構造に成膜される。

窒素の含有量が所定の濃度を超える高濃度の窒素を含有する第２領域Ｒ２は、抵抗体層２１の内で窒化タンタルを含有する第１の副抵抗体層２１ｂ及び第２の副抵抗体層２１ｃに対応している。第２領域Ｒ２において抵抗率の面内ばらつきは小さく、窒化タンタルは安定した構造に成膜されたことを示しているが、抵抗率は高くなっている。このため、第２領域Ｒ２は、大電流を流して発熱させるためには適していない。

第２領域Ｒ２は、チャンバに窒素ガスが過剰に供給された状態であり、窒素ガスの流量が増加しても窒化タンタルに含有される窒素の濃度の増加が飽和するような領域である。第２領域Ｒ２の窒化タンタルは、含有する窒素の濃度が所定値を超えた（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造の共晶体のような安定な状態にある。この窒素の濃度の所定値（所定の濃度）は、第２領域Ｒ２における窒素含有量の下端（図６においては左端）に対応している。

図７は、スパッタにより成膜した窒化タンタルについて、窒素の含有量と耐圧性との関係を示すグラフである。この耐圧性は、ステップストレステスト（ＳＳＴ）により測定した。耐圧性は、窒素含有量が増加するに従い減少している。図中において使用可能な第３領域Ｒ３を耐圧性が０．１１ｍＪ以上であるとすると、対応する使用可能な窒素の含有量は約２２ａｔｍ％以下であった。したがって、耐圧性の観点から、窒素の含有量が約２２ａｔｍ％以下である極低濃度の窒化タンタルが使用可能である。

第１の実施の形態によると、図２に示したように、抵抗体層２１は、第１の副抵抗体層２１ａ、主抵抗体層２１ｂ及び第２の副抵抗体層２１ｃが順に積層されて構成されている。第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃを構成する窒化タンタルは、含有する窒素の濃度が所定値を超えて安定な状態にあり、窒素含有量の範囲は図６の領域Ｒ２にあってもよい。この領域Ｒ２において、窒化タンタルは（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造の共晶体で構成された安定した構造に成膜される。

また、主抵抗体層２１ｂは、極低濃度の窒素を含有してもよいタンタルから構成され、窒素含有量の範囲は図６の第１領域Ｒ１又はさらに窒素含有量が低い範囲にあってもよい。第１領域Ｒ１及びさらに窒素含有量が低い範囲では抵抗率のばらつきが大きく、窒化タンタルは不安定な構造に成膜される。主抵抗体層２１ｂは、このように不安定な構造に成膜されるが、安定な構造を有する第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃの間に積層されている。したがって、抵抗体層２１を構成する第１の副抵抗体層２１ａ、主抵抗体層２１ｂ及び第２の副抵抗体層２１ｃの全体では安定した構造を形成している。

抵抗体層２１において、第１の副抵抗体層２１ａ、主抵抗体層２１ｂ及び第２の副抵抗体層２１ｃの内で低抵抗率である主抵抗体層２１ｂは、主要な電気伝導の経路となり、抵抗体層２１の電気的特性の支配的な要因になっている。主抵抗体層２１ｂは、極低濃度の窒素を含んでもよいタンタルで構成されているため、窒素濃度は図７に示した使用可能な第３領域Ｒ３に対応している。このため、抵抗体層２１を含むサーマルプリントヘッド１０の耐圧性が確保されている。

なお、図３に示した抵抗体層２１の他の態様のように、抵抗体層２１は、主抵抗体層２１ｂと、第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃの一方のみとが積層されて構成されてもよい。すなわち、抵抗体層２１は、図３（ａ）に示したように第１の副抵抗体層２１ａに主抵抗体層２１ｂが積層して構成されてもよいし、図３（ｂ）に示したように主抵抗体層２１ｂに第２の副抵抗体層２１ｃが積層して構成されてもよい。

このような場合にも、主面１１ａに凸部１２を形成したヘッド基板１１をチャンバに格納し、チャンバに原料ガスの窒素ガスとキャリアガスのアルゴンガスの混合ガスを流し、タンタルをターゲットとしてスパッタして窒化タンタルを主面１１ａ及び凸部１２に堆積させる。混合ガス中の窒素ガスの流量が大きくなるように調整することによって、高濃度の窒素を含有する第１の副抵抗体層２１ａ又は第２の副抵抗体層２１ｃを堆積させる。また、窒素ガスの供給を停止し、アルゴンガスのみを流してタンタルをスパッタし、主抵抗体層２１ｂを堆積させる。これらの作業は、主抵抗体層２１ｂと、第１の副抵抗体層２１ａ又は第２の副抵抗体層２１ｃの一方とを所定の順序で堆積させるように、チャンバ内にヘッド基板１１を格納したまま窒素ガスの流量を調整してスパッタが行われる。

抵抗体層２１において、第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃの一方を構成する窒化タンタルは、含有する窒素の濃度が所定値を超えて安定な状態にあるものであり、窒素含有量の範囲は図６の領域Ｒ２にあってもよい。この領域Ｒ２において、窒化タンタルは（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造の共晶体で構成された安定した構造に成膜される。

タンタル層２１ｂは、極低濃度の窒素を含有してもよいタンタルから構成され、窒素含有量の範囲は図６の第１領域Ｒ１又はさらに窒素含有量が低い範囲にあってもよい。第１領域Ｒ１及びさらに窒素含有量が低い範囲では抵抗率のばらつきが大きく、窒化タンタルは不安定な構造に成膜される。主抵抗体層２１ｂはこのように不安定な構造に成膜されるが、主抵抗体層２１ｂは安定な構造を有する第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃの一方と積層されている。したがって、抵抗体層２１を構成する主抵抗体層２１ｂと、第１の副抵抗体層２１ａ及び第２の副抵抗体層２１ｃの一方との全体では安定した構造を形成している。

図８から図９は、第１の実施の形態のサーマルプリントヘッド１０のプロセスフロー図である。図８及び図９は、図４及び図５に示したプロセスフローに続くものである。図８に示す工程においては、ヘッド基板１１の主面１１ａに、凸部１２を横切るように形成された抵抗体層２１を覆うように配線層２２を形成する。配線層２２は、銅のような金属で形成されている。なお、配線層は２２、チタンに銅を積層して形成してもよいし、銅とチタンの合金で形成してもよい。配線層２２は、凸部１２の一部で途切れ、発熱部２０において抵抗体層２１が露出するようにしている。

図８に示す工程において、抵抗体層２１がエッチングされて複数の発熱部２０（図１参照）が形成される。複数の発熱部２０は、それぞれ矩形の平面形状を有し、図８の手前から奥に沿う方向に沿って並ぶ。図８に示す工程において、エッチングによって配線層２２のパターンを形成する。配線層２２のパターンは、複数の発熱部２０のそれぞれにつながる独立した配線を有する。

図９に示す工程においては、抵抗体層２１及び配線層２２を覆うようにヘッド基板１１の主面１１ａ及び凸部１２に保護層２５を形成する。保護層２５は、窒化シリコンのような絶縁体によって形成される。保護層２５は、酸化シリコンのような他の絶縁体で形成されてもよい。図９に示した工程にさらに続いて、図１に示したように外部電極２７が形成され、図示しないダイシング等の工程を経て個別のサーマルプリントヘッド１０が得られる。ダイシング等の工程によって、矩形状の平面形状を有するセラミック基板から複数のヘッド基板１１が作製される。

第１の実施の形態のサーマルプリントヘッド１０の製造方法において、図５に示した抵抗体層２１を形成する工程においては、タンタルをターゲットとしてスパッタするチャンバに供給する窒素ガスの流量を適切に制御することによって窒素の含有量を制御している。スパッタにより抵抗体を形成する従来の工程に比べると、窒素の流量を適切に制御する操作を追加するだけで足りるため、容易に実施することができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態のサーマルプリントヘッドは、主面を有し主面に形成された基板と、主面及び凸部に形成された抵抗体層と、凸部の一部の発熱部において抵抗体層が露出するように抵抗体層を覆う配線層と、基板の主面に抵抗体層及び配線層を覆うように形成された保護層と、を備え、抵抗体層は、タンタルを含有する主抵抗体層と、主抵抗体層の下側に積層された窒化タンタルを含有する第１の副抵抗体層及び主抵抗体層の上側に積層された窒化タンタルを含有する第２の副抵抗体層の少なくとも一方と、を備え、第１の副抵抗体層及び第２の副抵抗体層が含有する窒化タンタルは（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造の共晶体を含んでいる。第１の副抵抗体層及び第２の副抵抗体層は、隣接する基板及び保護層から抵抗体層の主抵抗体層への酸素の拡散を低減し、酸素の拡散による抵抗体層の特性の劣化を抑制することができる。

抵抗体層は、第１の副抵抗体層及び第２の副抵抗体層の両方を含んでもよい。第１の副抵抗体及び第２の副抵抗体層は、それぞれ隣接する基板及び保護層から抵抗体層の主抵抗体層への酸素の拡散を低減することができる。

抵抗体層と配線層との間に積層された補助抵抗体層をさらに備え、発熱部において、配線層は補助抵抗体層が露出するように補助抵抗体層を覆い、露出した補助抵抗体層は一部で抵抗体層が露出するように抵抗体層を覆ってもよい。補助抵抗体によって、発熱の効率をさらに高めることができる。

第２の実施の形態のサーマルプリンタは、サーマルプリントヘッドと、サーマルプリントヘッドの発熱部に対向して配置されたプラテンと、を備えている。サーマルプリントヘッドは抵抗体の特性の劣化が抑制されているため、安定した性能を有するサーマルプリンタを提供することができる。

第２の実施の形態のサーマルプリントヘッドの製造方法は、主面を有し主面に凸部が形成された基板を提供する工程と、主面及び凸部に抵抗体層を形成する工程と、凸部の一部の発熱部において抵抗体層が露出するように抵抗体層を覆う配線層を形成する工程と、基板の主面に抵抗体層及び配線層を覆うように保護層を形成する工程と、を含み、抵抗体層は、タンタルを含有する主抵抗体層と、タンタル層の下側及び上側にそれぞれ積層された窒化タンタルを含有する第１の副抵抗体層及び前記主抵抗体層の上側に積層された窒化タンタルを含有する第２の副抵抗体層の少なくとも一方と、を備え、第１の副抵抗体層及び第２の副抵抗体層は（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造の共晶体を含んでいる。

第１の副抵抗体層及び第２の副抵抗体層は、隣接する基板及び保護層から抵抗体層の主抵抗体層への酸素の拡散を低減し、酸素の拡散による抵抗体層の特性の劣化を抑制することができる。

抵抗体層を形成する工程の後で配線層を形成する工程の前に抵抗体層と配線層との間に積層されるように補助抵抗体層を形成する工程をさらに含み、発熱部において、配線層を形成する工程は補助抵抗体層が露出するように補助抵抗体層を覆い、補助抵抗体層を形成する工程は露出した補助抵抗体層が一部で抵抗体層が露出するように抵抗体層を覆ってもよい。補助抵抗体によって、発熱の効率をさらに高めることができる。

基板を提供する工程は、半導体基板を提供する工程と、半導体基板の主面に異方性エッチングにより凸部を形成する工程と、凸部を形成した基板の主面及び凸部を覆うように絶縁層を形成する工程と、をさらに含み、抵抗体層を形成する工程は絶縁層上に抵抗体層を形成し、保護層を形成する工程は絶縁層、抵抗体層及び配線層を覆うように保護層を形成してもよい。異方性エッチングにより、傾斜面を有する凸部を容易に形成することができる。

凸部を形成する工程は、第１異方性エッチングにより凸部の頂面を両側から挟む第１傾斜面を形成する工程と、第２異方性エッチングにより頂面と第１傾斜面との間に第２傾斜面を形成する工程と、を含み、抵抗体層は凸部の頂面、第１傾斜面及び第２傾斜面の少なくとも一つに形成されていてもよい。第２傾斜面をさらに有することにより、紙がより滑らかに摺動するようにすることができる。

図１０は、第２の実施の形態のサーマルプリントヘッド３０が有するヘッド基板３１の概略的な構造を示す断面図である。第２の実施の形態のサーマルプリントヘッド３０において、シリコンのような半導体で構成されたヘッド基板３１の平坦な主面３１ａには、異方性エッチングにより凸部３１ｂが形成されている。凸部３１ｂは、主面３１ａにおいて一方向に延び、主面３１ａに接する第１傾斜面３１ｃと、第１傾斜面３１ｃと凸部３１ｂの頂面３１ｅとの間に形成された第２傾斜面３１ｄとによって、両側から挟まれている。ヘッド基板３１には、シリコンに代えて炭化シリコンのような他の種類の半導体を使用してもよい。また、シリコンには適切な不純物をドープしてもよい。

主面３１ａ及び凸部３１ｂを覆うように酸化シリコンにより絶縁層３２が形成されている。絶縁層３２は、発熱部４０において熱を蓄える役割も果たし、蓄熱層とも称される。
主面３１ａ及び凸部３１ｂには、凸部３１ｂを横切るように、タンタル及び窒素から構成された抵抗体層４１が形成されている。絶縁層３２には、酸化シリコンに代えて窒化シリコンのような他の種類の絶縁体を使用してもよい。

補助抵抗体層４２は、一方の第２傾斜面３１ｄに形成された発熱部４０において抵抗体層４１が露出するように、抵抗体層４１を覆っている。補助抵抗体層４２は、密着性に優れるチタンのような金属で形成されている。ここで、前記一方の第２傾斜面３１ｄは、凸部３１ｂを挟んで外部電極４７と対向している。なお、発熱部４０は、一方の第２傾斜面３１ｄに限らず、凸部３１ｂの頂面３１ｅ、他方の第２傾斜面３１ｄ及び二つの第１傾斜面３１ｃの少なくともいずれか一つに形成してもよい。

配線層４３は、複数の発熱部４０において補助抵抗体層４２が露出するように、補助抵抗体層４２を覆っている。複数の発熱部４０は、それぞれ矩形の平面形状を有し、図１０の手前から奥に沿う方向に沿って並ぶ。配線層４３は、電気伝導に優れる銅のような金属で形成されている。配線層４３は、複数の発熱部４０のそれぞれにつながる独立した配線を有する。配線層４３は、外部電極４７から供給された電流を伝送し、複数の発熱部４０において露出する補助抵抗体層４２に両側から独立した配線を経由して電流を供給している。配線層４３から補助抵抗体層４２に供給された電流は、発熱部４０において補助抵抗体層４２から露出する抵抗体層４１に両側から供給される。

保護層４５は、窒化シリコンのような絶縁体で構成され、ヘッド基板３１の主面３１ａに抵抗体層４１、補助抵抗体層４２及び配線層４３を覆うように形成されている。保護層４５は、酸化シリコンのような他の絶縁体で形成されてもよい。外部電極４７は、保護層４５の上に露出し、保護層４５を貫いて配線層４３に接続している。

ヘッド基板３１は、通常、図示しない放熱板に固定される。放熱板はヘッド基板３１が取り付けられる固定部材である。放熱板は金属板（例えば、アルミニウム板、鋼板まど）によって構成される。

サーマルプリントヘッド３０は、サーマルプリンタ１３０に含まれる図示しない取付部材に、ねじ止めなどによって固定される。サーマルプリンタ１３０は、ローラ状のプラテン１０１を有する。プラテン１０１は、サーマルプリントヘッド３０の複数の発熱部４０が並んで延びる方向（図１０の手前から奥に沿う方向）に沿って延び、複数の発熱部４０に対向して配置される。サーマルプリンタ１３０が使用される際には、プラテン１０１と複数の発熱部４０との間に印字媒体１０２（例えば感熱紙など）が配置される。プラテン１０１に押圧された印字媒体１０２は、複数の発熱部４０に接しながら移動する。印字媒体１０２は、図１０の右側から左側に移動する。ローラ状のプラテン１０１に代えて平坦なプラテン（大きな曲率半径の曲面を有するプラテンを含む）を使用してもよい。

図１１に示すように、第２の実施の形態のサーマルプリントヘッド３０においては、抵抗体層４１は、窒化タンタルを含有する第１の副抵抗体層４１ａ、タンタルを含有する主抵抗体層４１ｂ及び窒化タンタルを含有する第２の副抵抗体層４１ｃが順に積層されて形成されている。主抵抗体層４１ｂが含有するタンタルは、体心立方格子構造（ＢＣＣ）であり、極低濃度の窒素を含んでもよい。第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃが含有する窒化タンタルは、（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造（ＦＣＣ）の共晶体で構成されている。

抵抗体層４１において、主抵抗体層４１ｂは低抵抗率であり、主要な電気伝導の経路となり、抵抗体層４１の電気的特性の支配的な要因になっている。また、主抵抗体層４１ｂは、窒素を含有しても極低濃度であり、展延性に優れている。したがって、主抵抗体層４１ｂは、発熱部４０を加熱するために主抵抗体層４１ｂに大電流を断続的に流して膨張及び収縮のサイクルを繰り返しても、容易に断線することはない。

抵抗体層４１において、主抵抗体層４１ｂは、第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃに積層され、電気的に接続されている。したがって、仮に主要な電気伝導の経路となる主抵抗体層４１ｂが断線したとしても、電気伝導は第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃを介して維持される。このため、抵抗体層４１の全体が容易に断線することはない。

抵抗体層４１は、ヘッド基板３１を覆う絶縁層３２上に形成され、その一部は保護層４５によって覆われている。ヘッド基板３１は半導体で構成されるが、絶縁層３２に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）のような酸素を含有する材料が使用されている。また、保護層４５は窒化シリコン（ＳｉＮ）のような絶縁体で構成されるが、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）のような酸素を含有する材料が使用されることがある。このような酸素を含有する材料から抵抗体層４１に酸素原子が侵入することがある。

抵抗体層４１においては、絶縁層３２と主抵抗体層４１ｂとの間に第１の副抵抗体層４１ａが介在し、主抵抗体層４１ｂに絶縁層３２から影響が及ばないように保護している。例えば、酸化シリコンのような酸素を含有する材料で構成されている絶縁層３２から酸素原子が抵抗体層４１に侵入しても、第１の副抵抗体層４１ａが障壁となって侵入を第１の副抵抗体層４１ａ内に留め、主抵抗体層４１ｂへの到達を阻止している。

また、保護層４５と主抵抗体層４１ｂとの間に第２の副抵抗体層４１ｃが介在し、主抵抗体層２１ｂに保護層４５から影響が及ばないように保護している。例えば、保護層４５が酸化シリコンのような酸素を含有する材料で構成されているときに、保護層４５から酸素原子が抵抗体層４１に侵入しても、第２の副抵抗体層４１ｃが障壁となって侵入を第２の副抵抗体層４１ｃ内に留め、主抵抗体層４１ｂへの到達を阻止している。

このように、隣接する絶縁層３２及び保護層４５から抵抗体層４１に酸素原子が侵入しても、酸素原子は第１の副抵抗体層４１ａ又は第２の副抵抗体層４１ｃ内に留められ、電気的特性の支配的な要因になる主抵抗体層４１ｂに侵入することは阻止されている。したがって、主抵抗体層４１ｂに酸素原子が侵入することにより生じ得る特性の劣化は低減され、抵抗体層４１を含むサーマルプリントヘッド３０の電気的特性は維持され、ひいてはサーマルプリントヘッド３０の長寿命化が図られる。また、仮に主抵抗体層４１ｂが断線したとしても、第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃを介して電気伝導が維持されるため、サーマルプリントヘッド３０の長寿命化が図られる。

図１２は、抵抗体層４１の他の態様を示す断面図である。図１１においては、抵抗体層４１は、第１の副抵抗体層４１ａ、主抵抗体層４１ｂ及び副抵抗体層４１ｃが積層されていたが、このような構造に限らない。第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃは、隣接する層から抵抗体層４１に酸素原子の侵入があり得る一方にのみ設けてもよい。

図１２（ａ）は、第１の副抵抗体層４１ａに主抵抗体層４１ｂを積層して構成した抵抗体層４１を示す断面図である。例えば、絶縁層３２（図１０参照）が酸素を含有する酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で構成され、保護層４５（図１０参照）が酸素を含有しない窒化シリコン（ＳｉＮ）で構成されている場合には、絶縁層３２から抵抗体層４１に酸素原子が侵入することはあり得るが、保護層４５から酸素原子は供給されない。したがって、主抵抗体層２１ｂへの酸素原子の侵入を阻止するための障壁としては、絶縁層３２と主抵抗体層４１ｂとの間に介在するように第１の副抵抗体層４１ａを設ければよく、主抵抗体層４１ｂは、第２の副抵抗体層４１ｃが介在することなく保護層４５に直接に接してもよい。

このような場合、抵抗体層４１に絶縁層３２から酸素原子が侵入しても、酸素原子は第１の副抵抗体層４１ａ内に留められ、電気的特性の支配的な要因になる主抵抗体層４１ｂに到達することは阻止されている。したがって、抵抗体層４１を含むサーマルプリントヘッド３０の電気的特性は維持され、ひいてはサーマルプリントヘッド３０の長寿命化が図られる。

図１２（ｂ）は、主抵抗体層４１ｂに第２の副抵抗体層４１ｃが積層して構成した抵抗体層４１を示す断面図である。例えば、絶縁層３２（図１０参照）が酸素を含有しない窒化シリコン（ＳｉＮ）で構成され、保護層４５（図１０参照）が酸素を含有する酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で構成されている場合には、ヘッド基板３１から酸素原子は供給されないが、保護層４５から抵抗体層４１に酸素原子が侵入することがあり得る。したがって、主抵抗体層４１ｂへの酸素原子の侵入を阻止するための障壁としては、主抵抗体層４１ｂと保護層４５との間に介在するように第２の副抵抗体層４１ｃを設ければよく、主抵抗体層４１ｂは、第１の副抵抗体層４１ａが介在することなく絶縁層３２に直接に接してもよい。

このような場合、抵抗体層４１に保護層４５から酸素原子が侵入しても、酸素原子は第２の副抵抗体層４１ｃ内に留められ、電気的特性の支配的な要因になる主抵抗体層４１ｂに到達することは阻止されている。したがって、抵抗体層４１を含むサーマルプリントヘッド３０の電気的特性は維持され、ひいてはサーマルプリントヘッド３０の長寿命化が図られる。

このように、抵抗体層４１が、主抵抗体層４１ｂに第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃの一方のみが積層して構成される場合にも、主抵抗体層４１ｂは第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃの一方に電気的に接続されている。したがって、仮に主要な電気伝導の経路となる主抵抗体層４１ｂが断線したとしても、電気伝導は第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃの一方を介して維持される。このため、抵抗体層２１の全体が容易に断線することはなく、抵抗体層２１を含むサーマルプリントヘッドの長寿命化が図られている。

第２の実施の形態のサーマルプリントヘッド３０を組み込んでサーマルプリンタ１３０を構成してもよい。このようなサーマルプリンタ１３０は、サーマルプリントヘッド３０と、サーマルプリントヘッド３０の発熱部４０に対向して配置されたプラテン１０１とを有している。第２の実施の形態のサーマルプリントヘッド３０は長寿命化が図られているため、このようなサーマルプリントヘッド３０を組み込んで構成したサーマルプリンタ１３０も長寿命化を図ることができる。

図１３から図１５は、第２の実施の形態のサーマルプリントヘッド３０のプロセスフロー図である。図１３から図１５は、１個のサーマルプリントヘッド３０に相当する１個のヘッド基板３１が示される。実際には、ほぼ円形の平面形状を有するシリコン基板に、複数のヘッド基板３１が例えば格子状に含まれる。言い換えれば、シリコン基板はシリコンウェハーである。

図１３に示す工程においては、シリコンのような半導体で構成されたヘッド基板３１を提供し、ヘッド基板３１の主面３１ａに一方向に延びる凸部３１ｂを異方性エッチングにより形成する。凸部３１ｂは、主面３１ａに接する第１傾斜面３１ｃと、第１傾斜面３１ｃと凸部３１ｂの頂面３１ｅとの間に形成された第２傾斜面３１ｄとによって、両側から挟まれている。ヘッド基板３１には、シリコンに代えて炭化シリコンのような他の種類の半導体を使用してもよい。また、シリコンには適切な不純物をドープしてもよい。

図１４に示す工程においては、ヘッド基板３１の主面３１ａ及び凸部３１ｂに酸化シリコンにより絶縁層３２を形成する。絶縁層３２には、酸化シリコンに代えて窒化シリコンのような他の種類の絶縁体を使用してもよい。

図１５に示す工程においては、ヘッド基板３１の主面３１ａ及び凸部３１ｂを横切るように、絶縁層３２上に抵抗体層４１を形成する。図１１に示したように、抵抗体層４１は、第１の副抵抗体層４１ａ、主抵抗体層４１ｂ及び第２の副抵抗体層４１ｃが順に積層されて構成されている。

この工程では、図１４に示した工程で主面３１ａ及び凸部３１ｂに絶縁層３２を形成したヘッド基板３１をチャンバに格納し、チャンバに原料ガスの窒素ガスとキャリアガスのアルゴンガスの混合ガスを流し、タンタルをターゲットとしてスパッタして窒化タンタルを絶縁層３２に堆積させる。混合ガス中の窒素ガスの流量が大きくなるように調整することによって、高濃度の窒素を含有する第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃを堆積させる。また、窒素ガスの供給を停止し、アルゴンガスのみを流してタンタルをスパッタし、主抵抗体層４１ｂを堆積させる。第１の副抵抗体層４１ａ、主抵抗体層４１ｂ及び第２の副抵抗体層４１ｃを順に堆積させるように、スパッタはチャンバ内にヘッド基板３１を格納したまま順に窒素ガスの流量を調整して行われる。このため、主抵抗体層４１ｂを堆積させる工程において、第１の副抵抗体層４１ａを堆積させる工程で流した窒素ガスがチャンバ内に残留し、主抵抗体層４１ｂに極低濃度の窒素が含有されることがある。

既述の図６は、スパッタにより成膜された窒化タンタルについて、窒素含有量と窒化タンタルの抵抗率及びその面内ばらつきの関係を示すグラフである。図中の曲線ａは窒化タンタルの抵抗率であり、曲線ｂは窒化タンタル抵抗率の面内ばらつきである。

図中において、低濃度の窒素を含有する第１領域Ｒ１は、抵抗体層２１の内でタンタルを含有する主抵抗体層２１ａに対応し、抵抗率が低く、発熱部４０において大電流を流して発熱させるために使用されるが、抵抗率の面内ばらつきは大きくなっている。この第１領域Ｒ１において、窒化タンタルは体心立方格子構造のような不安定な構造に成膜されている。一方、窒素の含有量が所定の濃度を超える高濃度の窒素を含有する第２領域Ｒ２は、抵抗体層２１の内で窒化タンタルを含有する第１の副抵抗体層２１ｂ及び第２の副抵抗体層２１ｃに対応し、抵抗率の面内ばらつきは小さく、窒化タンタルは（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造の共晶体のような安定した構造に成膜されているが、抵抗率は高くなっている。このため、第２領域Ｒ２は、大電流を流して発熱させるためには適していない。

既述の図７は、スパッタにより成膜した窒化タンタルについて、窒素の含有量と耐圧性との関係を示すグラフである。この耐圧性は、ステップストレステスト（ＳＳＴ）により測定した。耐圧性は、窒素含有量が増加するに従い減少している。図中において使用可能な第３領域Ｒ３を耐圧性が０．１１ｍＪ以上であるとすると、対応する使用可能な窒素の含有量は約２２ａｔｍ％以下であった。

第２の実施の形態によると、図１１に示したように、抵抗体層４１は、第１の副抵抗体層４１ａ、主抵抗体層４１ｂ及び第２の副抵抗体層４１ｃが順に積層されて構成されている。第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃを構成する窒化タンタルは、含有する窒素の濃度が所定値を超えて安定な状態にあり、窒素含有量の範囲は図６の領域Ｒ２にあってもよい。この領域Ｒ２において、窒化タンタルは（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造の共晶体を含む安定した構造に成膜される。

また、主抵抗体層４１ｂは、極低濃度の窒素を含有してもよいタンタルから構成され、窒素含有量の範囲は図６の第１領域Ｒ１又はさらに窒素含有量が低い範囲にあってもよい。第１領域Ｒ１及びさらに窒素含有量が低い範囲では抵抗率のばらつきが大きく、窒化タンタルは不安定な構造に成膜される。主抵抗体層４１ｂは、このように不安定な構造に成膜されるが、安定な構造を有する第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃの間に積層されている。したがって、抵抗体層４１を構成する第１の副抵抗体層４１ａ、主抵抗体層４１ｂ及び第２の副抵抗体層４１ｃの全体では安定した構造を形成している。

抵抗体層４１において、第１の副抵抗体層４１ａ、主抵抗体層４１ｂ及び第２の副抵抗体層４１ｃの内で低抵抗率である主抵抗体層４１ｂが、主要な電気伝導の経路となり、抵抗体層４１の電気的特性の支配的な要因になっている。主抵抗体層４１ｂは、極低濃度の窒素を含んでもよいタンタルで構成されているため、窒素濃度は図７に示した使用可能な第３領域Ｒ３に対応している。このため、抵抗体層４１を含むサーマルプリントヘッド３０の耐圧性が担保されている。

なお、図１２に示した抵抗体層２１の他の態様のように、抵抗体層４１は、主抵抗体層４１ｂと、第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃの一方のみとが積層されて構成されてもよい。すなわち、抵抗体層４１は、図１２（ａ）に示したように第１の副抵抗体層４１ａに主抵抗体層４１ｂが積層して構成されてもよいし、図１２（ｂ）に示したように主抵抗体層４１ｂに第２の副抵抗体層４１ｃが積層して構成されてもよい。

このような場合にも、主面３１ａ及び凸部３１ｂに絶縁層３２を形成したヘッド基板３１をチャンバに格納し、チャンバに原料ガスの窒素ガスとキャリアガスのアルゴンガスの混合ガスを流し、タンタルをターゲットとしてスパッタして窒化タンタルを絶縁層３２に堆積させる。混合ガス中の窒素ガスの流量が大きくなるように調整することによって、高濃度の窒素を含有する第１の副抵抗体層４１ａ又は第２の副抵抗体層４１ｃを堆積させる。また、窒素ガスの供給を停止し、アルゴンガスのみを流してタンタルをスパッタし、主抵抗体層４１ｂを堆積させる。これらの作業は、主抵抗体層４１ｂと、第１の副抵抗体層４１ａ又は第２の副抵抗体層４１ｃの一方とを所定の順序で堆積させるように、チャンバ内にヘッド基板３１を格納したまま窒素ガスの流量を調整してスパッタが行われる。

抵抗体層４１において、第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃの一方を構成する窒化タンタルは、含有する窒素の濃度が所定値を超えて安定な状態にあるものであり、窒素含有量の範囲は図６の領域Ｒ２にあってもよい。この領域Ｒ２において、窒化タンタルは（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造の共晶体を含む安定した構造に成膜される。

タンタル層４１ｂは、極低濃度の窒素を含有してもよいタンタルから構成され、窒素含有量の範囲は図６の第１領域Ｒ１又はさらに窒素含有量が低い範囲にあってもよい。第１領域Ｒ１及びさらに窒素含有量が低い範囲では抵抗率のばらつきが大きく、窒化タンタルは不安定な構造に成膜される。主抵抗体層４１ｂはこのように不安定な構造に成膜されるが、主抵抗体層４１ｂは安定な構造を有する第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃの一方と積層されている。したがって、抵抗体層４１を構成する主抵抗体層２１ｂと、第１の副抵抗体層４１ａ及び第２の副抵抗体層４１ｃの一方との全体では安定した構造を形成している。

図１６から図１８は、第２の実施の形態のサーマルプリントヘッド３０のプロセスフロー図である。図１６から図１８は、図１３から図１５に示したプロセスフローに続くものである。図１６に示す工程においては、ヘッド基板３１の主面３１ａ及び凸部３１ｂを横切るように絶縁層３２上に形成された抵抗体層４１を覆うように補助抵抗体層４２を形成する。補助抵抗体層４２は、密着性に優れるチタンのような金属で形成されている。

図１７に示す工程においては、補助抵抗体層４２を覆うように配線層４３を形成する。配線層２２は、凸部３１ｂの一方の第２傾斜面３１ｄにおいて途切れ、発熱部４０において抵抗体層４１が露出するようにしている。配線層４３は、電気伝導に優れる銅のような金属で形成されている。配線層４３は、凸部３１ｂの一方の第２傾斜面３１ｄにおいて途切れ、露出した抵抗体層４１及び補助抵抗体層４２が発熱部４０を形成するようしている。

図１８に示す工程においては、抵抗体層４１、補助抵抗体層４２及び配線層４３を覆うようにヘッド基板３１の主面３１ａ及び凸部３１ｂに保護層４５を形成する。保護層４５は、窒化シリコンのような絶縁体によって形成される。保護層４５は、酸化シリコンのような他の絶縁体で形成されてもよい。図１８に示した工程に続いて、図１０に示したように外部電極４７が形成される。さらに、図示しないダイシング等の工程を経て個別のサーマルプリントヘッド３０が得られる。ダイシング等の工程によって、ほぼ円形の平面形状を有するシリコン基板から複数のヘッド基板３１が作製される。

第２の実施の形態のサーマルプリントヘッド３０の製造方法において、図１５に示した抵抗体層４１を形成する工程においては、タンタルをターゲットとしてスパッタするチャンバに供給する窒素ガスの流量を適切に制御することによって窒素の含有量を制御している。スパッタにより抵抗体を形成する従来の工程に比べると、窒素の流量を適切に制御する操作を追加するだけで足りるため、容易に実施することができる。

（実験例）
上述した第１及び第２の実施の形態と対比する実験例について説明する。この実験例は、図１０に示した第２の実施の形態のサーマルプリントヘッド３０において、抵抗体層４１を図１９に示すような均一な窒化タンタル層に代えたものである。この実験例では、第２の実施の形態のサーマルプリンタ１３０と共通する部材は、同一の符号で参照することにする。

実験例の抵抗体層４１の窒化タンタルは、発熱部４０において大電流を流すため、図６に示した窒素含有量と抵抗率及び抵抗率面内ばらつきとの関係を示すグラフにおいて、曲線ａに示した抵抗率が小さい第１領域Ｒ１に相当する窒素含有量を有している。この第１領域Ｒ１において窒素含有率は所定値以下と比較的低濃度であり、抵抗率は小さいが、曲線ｂに示した抵抗率の面内ばらつきが大きく、成膜された窒化タンタルの構造が不安定であることを示している。

図２０は、実験例の抵抗体層２１における元素の分布を示している。図２０（ａ）は耐圧試験前であり、図２０（ｂ）は耐圧試験後である。これらの図は、サーマルプリントヘッドの発熱部４０における抵抗体層４１とともに、抵抗体層４１に積層する下層の絶縁層３２及び上層の保護層４５の一部を含む断面について、Ｘ線分光分析によって元素の分布を測定したものである。

図２０（ａ）の耐圧試験前と図２０（ｂ）の耐圧試験後の酸素の分布を参照すると、耐圧試験後に、窒化タンタルで構成された抵抗体層４１から上層の窒化シリコンで構成された保護層４５にかけて窒素の濃度が低下し、窒素が失われたことが見られる。また、耐圧試験後に、窒化タンタルで構成された抵抗体層４１に下層の酸化シリコンで構成された絶縁層３２から酸素が拡散するとともに、抵抗体層４１から下層にタンタルが拡散し、抵抗体層４１から下層にかけて反応層が形成されたことが見られる。

図２１は、耐圧試験による発熱効率及び抵抗率の変化を示すグラフである。図中のデータ列ａは抵抗率であり、データ列ｂは発熱効率である。これらのデータ列ａ及びｂは、矢印の方向に試験を繰り返して得られた。耐圧試験のステップを繰り返すに従い、抵抗率が増加し、発熱効率が低下することが見られる。このような特性変化は、抵抗体層４１の窒化タンタルに酸素原子が拡散して反応層が形成されたため抵抗率が増加したことを示している。

この開示は、サーマルプリントヘッド及びサーマルプリンタの製造に利用することができる。

１０サーマルプリントヘッド１１ヘッド基板１２凸部２０発熱部２１抵抗体層２１ａ主抵抗体層２１ｂ第１の副抵抗体層２１ｃ第２の副抵抗体層２２配線層２５保護層２７外部電極３０サーマルプリントヘッド３１ヘッド基板３１ｂ凸部３１ｃ第１傾斜面３１ｄ第２傾斜面３１ｅ頂面３２絶縁層４０発熱部４１抵抗体層４２補助抵抗体層４３配線層４５保護層４７外部電極１１０、１３０サーマルプリンタ

Claims

主面を有し前記主面に凸部が形成された基板と、
前記主面及び前記凸部に形成された抵抗体層と、
前記凸部の一部の発熱部において前記抵抗体層が露出するように前記抵抗体層を覆う配線層と、
前記基板の主面に前記抵抗体層及び前記配線層を覆うように形成された保護層と、を備え、
前記抵抗体層は、
タンタルを含有する主抵抗体層と、
前記主抵抗体層の下側に積層された窒化タンタルを含有する第１の副抵抗体層及び前記主抵抗体層の上側に積層された窒化タンタルを含有する第２の副抵抗体層の少なくとも一方と、を備え、
前記第１の副抵抗体層及び前記第２の副抵抗体層が含有する窒化タンタルは（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造の共晶体を含むサーマルプリントヘッド。
前記抵抗体層は、前記第１の副抵抗体層及び前記第２の副抵抗体層の両方を含む請求項１に記載のサーマルプリントヘッド。
前記保護層は、窒化シリコン及び酸化シリコンの少なくとも一つを含む請求項１又は２に記載のサーマルプリントヘッド。
前記配線層は、銅を含む請求項１から３のいずれか一項に記載のサーマルプリントヘッド。
前記抵抗体層と前記配線層との間に積層された補助抵抗体層をさらに備え、前記配線層は、前記発熱部において前記補助抵抗体層が露出するように前記補助抵抗体層を覆い、前記露出した補助抵抗体層は一部で前記抵抗体層が露出するように前記抵抗体層を覆う請求項１から４のいずれか一項に記載のサーマルプリントヘッド。
前記補助抵抗体層は、チタンを含む請求項５に記載のサーマルプリントヘッド。
前記基板はセラミック基板であり、前記凸部はガラスグレーズ層によって形成された請求項１から５のいずれか一項に記載のサーマルプリントヘッド。
前記発熱部は、前記凸部の頂部を含む領域に形成された請求項７に記載のサーマルプリントヘッド。
前記主抵抗体層は２２％ａｔｍ以下の窒素をさらに含み、前記主抵抗体層が含有するタンタル及び前記窒素は体心立方格子構造を形成する請求項１から８のいずれか一項に記載のサーマルプリントヘッド。
請求項１から９のいずれか一項に記載のサーマルプリントヘッドと、前記サーマルプリントヘッドの発熱部に対向して配置されたプラテンと、を備えるサーマルプリンタ。
主面を有し前記主面に凸部が形成された基板を提供する工程と、
前記主面及び前記凸部に抵抗体層を形成する工程と、
前記凸部の一部の発熱部において前記抵抗体層が露出するように前記抵抗体層を覆う配線層を形成する工程と、
前記基板の主面に前記抵抗体層及び前記配線層を覆うように保護層を形成する工程と、を含み、
前記抵抗体層は、
タンタルを含有する主抵抗体層と、
前記主抵抗体層の下側に積層された窒化タンタルを含有する第１の副抵抗体層及び前記主抵抗体層の上側に積層された第２の副抵抗体層の少なくとも一方と、を備え、
前記第１の副抵抗体層及び前記第２の副抵抗体層が含有する窒化タンタルは（１１１）配向及び（２００）配向の面心立方格子構造の共晶体を含むサーマルプリントヘッドの製造方法。
前記抵抗体層を形成する工程は、チャンバ内において窒素ガスの流量を制御することにより前記主抵抗体層と前記第１の副抵抗体層及び前記第２の副抵抗体層の少なくとも一方とを堆積させる請求項１１に記載の方法。
前記抵抗体層を形成する工程の後で前記配線層を形成する工程の前に前記抵抗体層と前記配線層との間に積層されるように補助抵抗体層を形成する工程をさらに含み、
前記配線層を形成する工程は、前記発熱部において前記補助抵抗体層が露出するように前記補助抵抗体層を覆い、前記補助抵抗体層を形成する工程は前記露出した補助抵抗体層の一部で前記抵抗体層が露出するように前記抵抗体層を覆う請求項１１又は１２に記載の方法。
前記基板を提供する工程は、セラミック基板を提供する工程と、
前記セラミック基板の主面に凸部をガラスグレーズ層によって形成する工程と、をさらに含む請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
前記基板を提供する工程は、半導体基板を提供する工程と、
前記半導体基板の主面に異方性エッチングにより凸部を形成する工程と、
前記凸部を形成した基板の主面及び凸部を覆うように絶縁層を形成する工程と、をさらに含み、
前記抵抗体層を形成する工程は前記絶縁層に前記抵抗体層を形成し、
前記保護層を形成する工程は前記絶縁層、前記抵抗体層及び前記配線層を覆うように前記保護層を形成する請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
前記凸部を形成する工程は、
第１異方性エッチングにより前記凸部の頂面を両側から挟む第１傾斜面を形成する工程と、
第２異方性エッチングにより前記頂面と前記第１傾斜面との間に第２傾斜面を形成する工程と、を含み、
前記抵抗体層は前記凸部の頂面、前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面の少なくとも一つに形成された請求項１５に記載の方法。