JPH021341A - 薄膜型サーマルヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、感熱記録に用いる薄膜型サーマルヘッドと、
その製造方法に関するものである。

従来の技術 一般に薄膜型サーマルヘッドは、絶縁性基板上に、多数
の発熱抵抗体列と、これに電力を供給する導体層を設け
、これらの上に、耐摩耗保護膜を形成した構成を取る。

ところで、この構成において、耐摩耗保護膜に要求され
る性質としては、次の事柄が挙げられる。

（１）耐摩耗性が良好なこと。（機械的な摩耗（硬度、
摩擦係数が関与）、電気化学的な摩耗（異常摩耗で、紙
と耐摩耗保護膜の反応が関与）のいずれも小さいこと） （２）耐熱性が良好であること。

（３）発熱抵抗体、導体層等、耐摩耗保護膜の下に形成
された膜の電界腐食が生じないこと。（紙等の吸湿下で
の、駆動時に生じ段差被覆性が良好なこと、ピンホール
フリーであることｒ　ＦＩＩ密で吸湿性がないこと） （４）発熱抵抗体、導体層、基板等の下地との密着性が
良好なこと。

（５）耐静電気性が良好なこと。（特に乾燥下、熱転写
方式の様に、転写紙であるＰＥＴ（絶縁物）と、耐摩耗
保護膜の摺動時に生じる静電気により静電破壊が生じる
） これらの事柄が考えられる。

これらに対して、従来、耐摩耗保護膜の形成には、スパ
ッタリング法が多用されてきた。しかし、スパッタリン
グ法では、高速成膜時に、大電力を投入した際、スプラ
ッツが発生しやすく、これに依り、耐摩耗保護膜に粒状
突起物や、その脱離に依りピンホールが発生したり、導
体層パターン（導体層厚１μｍ程度）の段差被覆が不十
分等の為、これら欠陥部分を通して、下層膜の電界腐食
を招くケースがあった。こうした問題に対しては、プラ
ズマＣＶＤ　（ケミカルバーパ　デイポジション）法が
効果がある。何故なら、プラズマＣＶＤ法は、基本的に
原料ガスの分解と表面反応の促進に依り膜を堆積させる
方法である為、物理的に固体ターゲット表面をたたいて
、ターゲット物質を基板上に堆積させるスパッタリング
法に比して、エネルギー（電力）が小さくて済み、異常
放電に依る粒状突起、ピンホール等の欠陥が生じにくり
、また、緻密かつ段差被覆性に優れている為、下層膜の
電界腐食が生じにくく、信頼性が格段に改善される。

ところで、このプラズマＣＶＤを用いた保護膜としては
、通常、半導体ＩＣ等でＳｉＨ４、Ｎ２ガス。

ＳｉＨ４、ＮＨ３ガス、Ｓ工Ｈ４ｒ　Ｎ２　ｒ　ＮＨ３
ガス等を原料ガスとして用いたＳｉＮ　（シリコンナイ
トライド）膜が、−殻内に用いられている。それは、Ｓ
ｉＮ膜のアルカリイオン阻止能が大きく、また吸湿性が
低い為である。一方、Ｓ工Ｈ膜の応力は、極めて大きく
、通常、厚くつけたり、熱が加わると、応力割れを引き
起こす。サーマルヘッドの耐摩耗保護膜は、摩耗特性お
よび信頼性の観点から、通常６μｍ程度の厚さが必要で
ある為、クラックが生じやすく、使用に供せない。この
為、例えば、特開昭６２−１４６７３６号公報にある様
にンリコンオキンナイトライド膜（以降５ｉＯＮ膜と表
記）、しかも原料ガスとして、ＳｉＨ４，Ｎ２０　、　
Ｎ２を用い、プラズマＣＶＤ法により成膜した膜は、有
用である。５ｉＯＮ膜の原料ガスとしては、この他に、
Ｓ’Ｈｅ　＋　ＮＨ３１Ｎ２０ヤ５ｉＨｅ　＋　ＮＨｓ
　ｌ　Ｎ２１　Ｎ２０等カ報告されており、これらは、
いずれも成膜の低電力化を主体として考えられているが
、サーマルヘッドの様に、短時間でパルス加熱を必要と
する場合、その表面温度は、最高で５００℃程度まで上
昇する。この際、原料ガス中に水素含有量が多く、これ
が、膜中に、ＳニーＨや５ｉ−Ｎ２．　Ｎ−Ｎ２等の形
で比較的結合エネルギーの低い生成物として、多量に残
っている。これらの形で存在する水素は、５００℃程度
の加熱によっても比較的簡単に膜の外へ抜は出る。この
様に膜中水素が離脱する際、気泡や、クラックの発生を
伴い、サーマルヘッドの耐摩耗保護膜の様に、長期に渡
る耐熱性が要求される用途で用いることは、難しい。こ
の点、ＳｉＨ４、Ｎ２０　、　Ｎ２を原料ガスとした場
合には、元元の原料ガスにおける水素含有量が少ないこ
とおよびＮ２０ガスの解離エネルギーが、０．８４５　
ｅ　Ｖと小さく、Ｎ２０→Ｎ２＋０の分解で生じる０に
よって水素が引き抜かれる為、膜中に存在する水素が少
なくな乃。従って、耐熱性が向上する。しかしながら、
この原料ガス系で成膜した場合も、５ｉ−Ｈの形で水素
結合は残り、これを減らそうとすれば、Ｎ２ｏを大量に
供給しなければならず、この際、ｊ膜中の水素が少なく
なるが、同時に５ｉ−０結合も増加し、硬度が著しく低
下する。サーマルヘッド用保護膜としては、摩耗の観点
からも、高硬度であることが絶対的に重要な要因である
。従って、この点、即ち、膜中の結合エネルギーの低い
形で存在する水素を減らし、なおかつ、高硬度化する為
には、通常、入射電力を増加させ、基板温度を高くする
ことが必要である。入射電力を増加させることにより、
低耐熱（低結合エネルギー）の５ｉ−Ｈ結合を減少させ
、高耐熱（高結合エネルギー）のＮ−Ｈ結合を増加させ
ると共に、窒素の分解と、膜中への取り込みを増し、壕
だ、基板温度を高くすることにより、膜中に取り込む水
素を減らすことが可能である。このうち、高入射電力化
は、異常放電の発生を助長する為、必ずしも得策ではな
く、従って、高硬度かつ高耐熱な膜を得ることが難しか
った。また、サーマルヘッド用耐摩耗保護膜としては、
その内部応力が圧縮応力の方が好ましく、またこの圧縮
応力の発生原因が、膜のイオン衝撃によるものであり、
この点で、原料ガス中のＮ２の７Ｆ離電圧が高い為、十
分なイオン衝２が与えられない為、圧縮応力を向上させ
ることが、り！ＩＩ：　Ｌかった。

発明が解決しようとする課題 この様に、プラズマＣＶＤ法により形成した保護膜は、
緻密で、粒状突起、ピンホール等の欠陥の低減化と、段
差被覆性に優れ、下層膜の腐食防止に対して、大きな効
果があり、信頼性が格段に向上するが、一方で、原料゛
ガスを分解して堆積させる形成方式である為、ガスが未
分解の形で膜中に取り込まれることがある。例を示せば
、ＳｉＨ４を用いたプラズマＳｉＮ膜における５ｉ−Ｎ
結合等である。この５ｉ−Ｈの様に未分解で膜中に残存
する水素は、結合エネルギーが比較的小さい為、加熱に
より水素が離脱し、その際、膜に気泡、クラックが発生
する等、耐熱性に問題を生じることが考えられる。これ
に対しては、ＳｉＮ膜に酸素を導入しだンリコンオキシ
ナイトライド膜（５ｉＯＮ　ＩＩＩ　）　カ、耐クラツ
ク性を向上させる面で有用である。この５ｉＯＮ膜は、
通常、原料ガスとして、ＳｉＨ４、Ｎ２　。

Ｎ２０系もしくは、ＳｉＨ４、ＮＨ３＋　Ｎ２０系テ成
Ｍすｈるが、後者は、原料ガス中に存在する水素量が多
く、膜中に水素結合を伴うので、未だ耐熱性に劣る。こ
れに対して、前者は、原料ガス中の水素含有量が少ない
為、膜中に存在する水素量を低減化でき、耐熱性が向上
し、サーマルヘッド用保護膜に適していると言える。と
ころが、このＳｉＨ４１Ｎ２１Ｎ２０の原料ガスに依る
プラズマ５ｉＯＮ膜においては、次の事柄が問題となる
。それは、Ｎ２の電離電圧、解離エネルギーが大きく、
従って、入射電力を大きくしなければならないこと。従
って、入射電力を大きくしなければ、膜中への窒素の取
り込みが減り、Ｎ−Ｈ等の高耐熱な結合も生じにくくな
る。また５ｉ−Ｎ結合の様に高硬度化に重要な因子が減
り、Ｎ２０ガスの分解のみが促進され、この酸素が５ｉ
−Ｈの水素は、引き抜いて、減少せしめるが、同時に、
Ｓｉ−〇結合も大量に生成される為、硬度の低下が著し
い等、サーマルヘッド用耐摩耗保護膜として必要な、”
高硬度″に対して阻害的要因を与える。この様に、Ｓｉ
Ｈ４、Ｎ２１　Ｎ２０ガスを用いたプラズマ５ｉＯＮ膜
は、サーマルヘッド用保１穫膜に必要な高耐熱性、高硬
度を両立させる為には、異常放電を生じやすい高入射電
力領域で成膜することが必要であり、成膜装置の安定性
における問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、比較的低入
射電力においても、高硬度化、高耐熱熱化の両方が達成
できるようにすることを主な目的としている。

課題を解決するための手段 この課題を解決する為に、本発明は、原料ガスとして、
ＳｉＨ４もしくはＳｉ２Ｈ６とＮ２．Ｎ２０および人ｒ
もしくはＨｅガス系、あるいは、人ｒもしくはＨｅで冷
水したＳｉＨ４もしくはＳ工２Ｈ６とＮ２．Ｎ２０ガス
系を用い、プラズマＣＶＤ法で、特に基板温度３５０℃
以上で形成したシリコンオキシナイトライド（Ｓ工ＯＮ
　）膜を耐摩耗保護膜に用いた薄膜型サーマルヘッドお
よび、その製造方法を提供したものである。

作用 この構成における原料ガス中のＡｒもしくはＨｅば、イ
オン化エネルギーが、Ｎ２に比して小さい。

従って、同−入射電力において、人ｒやＨｅがイオン化
することに依り、正イオン、電子密度が増加し、従って
、ＳｉＨ４との衝突確率も増して、ＳｉＨ４の分解を促
進し、成膜の高速化、膜中の５ｉ−Ｎ結合の低減化が図
れ、また、膜のイオン衝撃が増して、この加熱効果に依
り、膜が緻密になると共に、膜表面のダングリングボン
ドが増して、表面反応を促進し、窒素の取り込みを増す
と共に、低結合エネルギーな結合を排斥し、従って、成
膜速度が向上し、高硬度化、高耐熱化を同時に達成する
と共に、膜のイオン衝撃が増し、圧縮応力が強まり、こ
の方法を用いて形成した５ｉＯＮ膜を耐摩耗保護膜とし
て用いることで、信頼性の高い薄膜型サーマルヘッドと
することが可能となる。

実施例 本実施例では、従来のＳｉＨ４、Ｎ２　、　Ｎ２０を原
料ガスとして用い、プラズマＣｖＤ法により堆積した５
ｉＯＮ膜と、本発明の一実施例として、ＳｉＬ　Ｉ　Ｎ
２１Ｎ２０　、　Ａｒを原料ガスとして用いて、プラズ
マＣＶＤ去により堆積した５ｉＯＮ膜を対比させながら
述べる。

第１図に、原料ガスとして、従来のＳｉＨ４，Ｎ２゜Ｎ
２ｏヲ用イた場合オヨヒ、本ｆ？４明ノ”ｉＨｅ　Ｉ　
Ｎ２１　Ｎ２０１Ａｒを用いた場合の、Ｎ２０流量と、
ビッカース硬度、内部応力の関係を示す。

成膜に用いた装置は、平行平板型（容量結合型）プラズ
マＣＶＤ装置で、電極板形状６００ｍｍＸ６００ｍｍ角
で、電極間距離２０ｍｍとし、１７周波数１３．５６　
ＭＨｚ、　ＲＦ電力５ｏｏｎ、ガス圧力１２５Ｐａ。

基板温度３５０℃、　ＳｉＨ４：　３５５ｃａｎ一定と
して、ＳｉＨ４，Ｎ２．　Ｎ、、Ｏ系では、Ｎ２　：　
５００　ｓｃｃｍ　、　ＳｉＨ４゜Ｎ２．　［２０、Ａ
ｒ系では、Ｎ２　：　４００．ｓｃｃｍ　、　Ａｒ　：
１ｏｏｓｃｃｍ（Ｎ２＋Ａｒ　）−タル流量５００　ｓ
ｅｃｍ　）として、各々Ｎ２０流量を、０〜６０ＳＣＣ
ｍで変化させて成膜している。

第１図の、直線１は、ビッカース硬度を示し、曲線２は
、内部応力を示す。直線３および曲線４は、各々、従来
のＳｉＨ４、Ｎ２　、　Ｎ２０ガス系でのビッカース硬
度、内部応力を示し、また、直線６および曲線６は、本
発明の５ＩＨ４，Ｎ２．Ｎ２ｏ、Ａｒカス系での各々、
ビッカース硬度、内部応力を示す。これらより明らかな
様に、Ａｒガスを付与した本発明の５ｉＯＮ膜は、従来
のガス系を用いて成膜した５ｉＯＮ膜よりも、高硬度か
つ圧縮応力が強まる。

これは、Ａｒガスを添加することにより、人ｒはＮ２に
比して、イオン化エネルギーが小さい為、Ａｒのイオン
化が促進され、従って、膜のイオン衝撃が増して、膜が
緻密化することによる。加えて膜のイオン衝撃に依り、
表面にダングリングボンドが生じやすく、これにより窒
素の膜中取り込みが幾分増すことも影響を与えている。

第２図に第１図で、Ｎ２０流量１５　ＳＱＣｍのときの
ポイント７゜８における赤外吸収スペクトルを示す。同
第２図の９がＳｉＬ４．Ｎ２．Ｎ２０ガス系、１０が本
発明のＳｉＨ４，Ｎ２．Ｎ２０．Ａｒ　−）ｆ、ｚ、系
テノ各々赤外吸収スペクトルである。同図より明らかな
様に、５ｉ−０結合、５ｉ−Ｎ結合による吸収において
は、大きな変化は見られないが、２１５０ｃｍ　　付近
の５ｉ−Ｈ系請今による吸収と３３５０ｃｍ”付近のＮ
−Ｎ結合による吸収においては、差が見られる。Ａｒを
イ」加した場合の方が、５ｉ−Ｈの吸収が減り、Ｎ−Ｈ
の吸収が幾分増加しており、このことは、前述した通り
、ＡｒがＮ２に比して、イオン化エネルギーが小さい為
に、イオン化が促進され、ＳｉＨ４ガスの分解を促進す
ると共に、膜表面のイオン衝撃が増し、ダングリングボ
ンドを発生させる（　５ｉ−Ｈ城る）と共に、膜表面に
結合エネルギーを与える為、高耐熱な結合であるＮ−Ｎ
結合が増加することを意味する。衆知の通り、５ｉ−Ｎ
結合に配位する水素は、４００〜４５０℃で容易に離脱
し始め、Ｎ−Ｎ結合に配位した水素は、６５０℃程度で
も容易に離脱しない。この様に水素が離脱する際、膜に
気泡クラックが発生し、信頼性をそこなう。

従って、膜の高耐熱化においては、５１−Ｎ結合が少な
く、［−Ｎ結合が多い方が好ましく、従って、Ａｒガス
を付加して成膜しだ５ｉＯＮ膜の方が、高耐熱性を有す
ると言える。

以上述べてきた事柄を、薄膜型サーマルヘッドの耐摩耗
保護膜に適用すると、次の通りである。

即ち、薄膜型サーマルヘッドの耐摩耗保護膜の特性とし
て要求される事柄は、硬度が大きく、圧縮応力が強く、
高耐熱性を有することであり、上述した様に従来の、Ｓ
ｉＨ４，Ｎ２．　Ｎ２０を原料ガスに用いた５ｉＯＮ膜
より、本発明の３ｉＨ４，Ｉｉ２．　［２０、Ａｒを原
料ガスに用いたＳ工ＯＮ膜の方が、適していると言える
。実際に薄膜型サーマルヘッドの耐摩耗保護膜に適用し
た際の加速試験結果を第３図に示す。同図では、パルス
幅１　、Ｏｍ　ＳｅＣ，繰り返し周期１０　ｍ５６ｃで
、連続的に電圧パルスを印加し、抵抗値が、初期抵抗値
の＋５係増以上になるノくルス印加回数を、その印加電
力における寿命と規定する方法を用い、耐摩耗保護膜の
寿命を規定している。同図で、１１ば、従来のＳｉＨ４
、Ｎ２　、　Ｎ２０による５ｉＯＮ膜、１２は、本発明
のＳｉＨ４・Ｎ２・Ｎ２°・人ｒによる５ｉＯＮ膜の寿
命ラインである。同図より、本発明ノＳｉＨ４，Ｎ２．
　Ｎ２０　、　Ａｒによる５ｉＯＮ膜の方が、寿命が向
上することがわかる。

ところで、これ以外にも、本発明のＳｉＨ４＋　Ｎ２　
ｒＮ２０　、　Ａｒを原料ガスとして用いることで、次
の点が改善される。

第１に、成膜速度が向上する。（図は、省略）これは、
明らかな様に、Ａｒを付加することで、前述した通り、
正イオン、電子密度が増加する為、成膜速度を支配する
ＳｉＨ４の分解が促進される為である。まだ、第２に、
膜の抵抗率が下がる。

（静電破壊を、リーク電流で回避するのに有利）従来の
ＳｉＨ４、Ｎ２．　Ｎ２０ガスによる５ｉＯＮ膜の抵抗
率は、１０１４Ω・Ｃｍであるが、本発明のＳｉＨ４，
Ｎ２゜Ｎ２０１人ｒによる５ｉＯＮ膜では、ムｒ流量に
よっても異なるが、少なくとも、抵抗率を２〜３桁下げ
ることが可能である。これは、Ａｒ付加に伴い、膜のイ
オン衝撃が増し、ダングリングボンド密度（欠陥密度）
が増加することに依り、膜中での、ホッピング伝導が増
す為である。これら上述した２つの付加的な改善点も、
サーマルヘッドの耐摩耗保護膜において必要な事柄であ
り、本発明のＳｉＨ４、Ｎ２　、　Ｎ、、Ｏ、Ａｒによ
り成膜した５ｉＯＮ膜は、サーマルへ、ド用耐摩耗保護
膜に適していると言える。

尚、本実施例で、成膜時基板温度は３５０℃（一定）と
したが、これは、やはり、耐熱性の阻害要因である５ｉ
−Ｈ結合が、基板温度の低下に伴い増加し、例えば、基
板温度３００’Ｃで成膜したものは、５００℃の加熱を
行うと、水素の離脱により、膜に亀裂を生じた。一方、
基板温度３５０℃以上で成膜した膜では、サーマルヘッ
ドの耐摩耗保護膜として要求される５００℃程度の加熱
下でも、膜に亀裂を生じなかった。

従って、成膜時の基板温度は、少なくとも、３５０’Ｃ
以上は必要である。

尚、本実施例では、５ｉＨｅ　、Ｎ２．Ｎ２０　、　Ａ
ｒヲｇ料ガスとして用い、基板温度３５０℃で、プラズ
マＣＶＤ法により形成された５ｉＯＮ膜について述べた
が、原料ガスとしては、該原料ガスのＳｉＨ４をＳｉ　
２Ｈ６に変えても、これは、相対的に、Ｓｉに対する水
素の組成が少なく、本実施例と同様の結果が得られると
共に成膜速度が向上する。まだ、該原料ガスの人ｒをＨ
ｅに変えても、Ｈｅは、イオン化エネルギーが低い為、
Ａｒと同様、膜のイオン衝惟が増す為、同様な結果が得
られる。加えて、該原料ガスは、各々独立したガス源と
する必要はなく、例えば、人ｒもしくはＨｅで希釈した
ＳｉＨ４もしくはＳｉ２Ｈ６，Ｎ２　、　Ｎ２０や、Ｎ
２で希釈したＳｉＨ４モジくはＳｉ２Ｈ６、Ｎ２０　、
人ｒもしくはＨ６（１）ガニ系を用いても、同様な結果
を得られることは、言う丑でもない。更に、基板温度に
関しては、本実施例では、サーマルヘッドの耐摩耗保護
膜の耐熱性を、５００℃としたが、これは、相当厳しい
仕様を考慮しての話であり、通常の使用温度は、３００
〜３５０℃程度で十分であり、この仕様に応じて、基板
温度を３５０℃以下にしても、良い。

発明の効果 以上の様に、本発明によれば、即ち、ＳｉＨ４もしくは
５１２Ｈ６，Ｎ２．Ｎ２０．ＡｒモジくハＨθヲ原料カ
スとして、゛プラズマＣＶＤ法により成膜した５ｉＯＮ
膜は、従来のＳｉＨ４、Ｎ、、　、　Ｎ２０による５ｉ
ＯＮ膜に比して、高硬度かつ高耐熱性を有し、圧縮性応
力が強い。また成膜速度が速く、抵抗率も低い。従って
、この膜を薄膜型サーマルヘッドの耐摩耗保護膜とする
ことで、信頼性の高い薄膜型サーマルヘッドを容易に提
供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は、各々、本発明の一実施例における作
成膜のビッカース硬度と内部応力、赤外吸収スペクトル
、耐熱パルス寿命の各々従来法で作成した膜との差異を
表わす特性図である。 直線６１曲線６：本発明の一実施例により成膜した５ｉ
ＯＮ膜の各々ビッカ− ス硬度、内部応力。 開繊１０ 二本発明の一実施例による５ｉＯＮ膜の赤外吸収スペク
トル。 第 図 ライン１２：本発明の一実施例による５ｉＯＮ膜を耐摩
耗保護膜に用いたサーマルヘッ ドの耐熱パルス寿命。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁性基板と、この基板上に設けた多数の発熱抵
   抗体列と、この発熱抵抗体列の上に設けた耐摩耗保護膜
   とを備え、上記耐摩耗保護膜は、ＳｉＨ＿４もしくはＳ
   ｉ＿２Ｈ＿６と、Ｎ＿２、Ｎ＿２Ｏと、ＡｒもしくはＨ
   ｅを原料ガスとして、プラズマＣＶＤ法により形成され
   たシリコンオキシナイトライド膜よりなる薄膜型サーマ
   ルヘッド。
2. （２）絶縁性基板上に設けた多数の発熱抵抗体列の上に
   、ＳｉＨ＿４もしくはＳｉ＿２Ｈ＿６と、Ｎ＿２、Ｎ＿
   ２Ｏと、ＡｒもしくはＨｅを原料ガスとして、プラズマ
   ＣＶＤ法によりシリコンオキシナイトライド膜よりなる
   耐摩耗保護膜を形成する薄膜型サーマルヘッドの製造方
   法。
3. （３）耐摩耗保護膜は、該原料ガスを用い、少なくとも
   基板温度３５０℃以上とし、プラズマＣＶＤ法により形
   成されたシリコンオキシナイトライド膜よりなる特許請
   求の範囲第２項に記載の薄膜型サーマルヘッドの製造方
   法。