JPH02137944A - 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とる。

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（異情雫耗で、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。（加熱時、ボイドの発
生、クラックの発生がないこと） （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、緻密で吸湿性がない
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。

上述した事柄に対して、特に（３）は、信頼性の面で重
要であり、こうした問題に対しては、プラズマＣＶ　Ｄ
　（ケミカルヴ工−パデポジション）法が効果がある。

なぜなら、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より、膜を堆積させる方法である
だめ、成膜に要するエネルギー（電力）が小さくて済み
、異常放電による粒状突起、ピンホール等の欠陥が生じ
にくく、また、緻密かつ段差被覆性に優れているだめ、
下層膜の電界腐食が生じにくり、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、５ＩＨ４ｒＮ２ガス、
ＳｉＨ４、ＮＨ３ガス、ＳｉＨ４、Ｎ２　、　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、−船釣に用いられている。それは、Ｓｉ
Ｎ膜のアルカリイオン阻止能が大きく、また吸湿性が低
いためである。一方、ＳｉＮ膜の応力は、極めて大きく
、通常厚く堆積したり、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た
め、クラックが生じ易く、使用に供せない。このため、
例えば、特開昭６２−１４５７３５号公報にあるように
、シリコンオキシナイトライド膜（以降５１０Ｍ膜と表
記）、しかも原料ガスとして、ＳｉＨ４，Ｎ２０　、Ｎ
２　　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、ＳｉＨ４゜
ＮＨ３，Ｎ２０やＳｉＨ４、ＮＨ５、Ｎ２　、　Ｎ２０
　等が報告されており、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６００’Ｃ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
、Ｓｉ　−Ｈ、Ｓｉ　−Ｎ２　、　Ｏ−Ｈ、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Ｎ２゜Ｎ２０等の
形で、膜の外へ抜は出る。この様に膜中の水素が離脱す
る際、気泡やクラックの発生を伴い、サーマルヘッドの
耐摩耗保護膜のように、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を原料ガスとして用いた場合には、元々の原
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０８４５ａＶと小さく、Ｎ２０
−＋Ｎ２＋０の分解で生じるＯによって水素が引き抜か
れるため、膜中に存在する水素が少なくなる。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
膜した場合にも、５ｉ−Ｈ等の形で水素は残り、これを
減らそうとすれば、Ｎ２０を多めに供給しなければなら
ず、この際、膜中の水素濃度は少なくなるが、同時に５
ｉ−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、機械的な摩耗の観点からも、
高硬度であることが絶対的に重要な要因である。

以上のように、従来、プラズマＣＶＤ法により形成した
保護膜においては、サーマルヘッド用保護膜の様に、高
硬度かつ高耐熱性を有するという要求を満足することは
、難しかった。

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ため、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ＳｉＮ膜における５ｉ−Ｈ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く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←れる。これに対して、こ
の５ｉ−Ｈの水素を引き抜く目的で原料ガスにＮ２０等
の酸素を供給するものを用いると、５ｉ−Ｈ結合は、明
らかに減るが、同時に、膜中に、５ｉ−０結合も増える
ため、硬度が著しく低下し、従って、サーマルヘッド用
保護膜の様に、高硬度かつ高耐熱であることが必要な用
途においては、必ずしも、両者を満足したものを得るこ
とが容易ではなかった。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、サーマルヘ
ッド用保護膜の様に、高耐熱性と高硬度のいずれも必要
な用途において、しかも、プラズマＣＶＤ法を用いて、
両者を実用上満足せしめるようにする膜構成を提供する
ことを主な目的としている。

課題を解決するだめの手段 この課題を解決するために、本発明は、下層が珪素、酸
素、窒素でなる層、中間層が、珪素、酸素、窒素、炭素
でなる層、上層が、珪素、窒素。

炭素でなる層の三層の膜を耐摩耗保護膜に用いたもので
ある。

作用 この構成における三層構成の耐摩耗保護膜は、下層が、
珪素、酸素、窒素でなる層、中間層が、珪素、酸素、窒
素、炭素でなる層、上層が、珪素。

窒素、炭素でなる層で構成されており、耐熱性に関して
は、下層から上層に向かうに伴い膜中の水素濃度が増し
て、上層に向かうに伴い耐熱性は低下するが、発熱抵抗
体で発生した熱が、最高温度として、ＳＯＯ℃であって
も、実際に、耐摩耗保護膜上層の表面温度は、サーマル
ヘッドの構成における温度勾配から、発熱抵抗体の表面
温度に比して、かなり低いため、実用上問題ない。

一方、高硬度に対しては、明らかなように、上層に向か
うに伴い、５ｉ−１，５ｉ−Ｎ等高硬度化に寄与する結
合を増やし、５ｉ−００様な、硬度を低下させる因子を
減らすことにより、実質的な硬度を増加せしめることが
できる。

即ち、本発明の三層構成の保護膜を耐摩耗保護膜として
用いることで、高耐熱化と高硬度化の両者を満足させる
ことが可能となり、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 本実施例としては、本発明の三層構成の保護膜として、
下層の珪素、酸素、窒素でなる層の原料ガスとして、Ｓ
ｉＨ４、Ｎ２０　、　Ｎ２を用い、中間層の珪素、酸素
、窒素、炭素でなる層の原料ガスとして３１　Ｈ４＊　
Ｎ２　ｓ　ＧＯを用い、上層の珪素、窒素、炭素でなる
層の原料ガスとしてＳｉ”４　ｅ　Ｎ２　＋　Ｇ２Ｈ２
を用いて、プラズマｃｖｎ法により成膜した場合につい
て述べるものとする。

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、電極形状はｓｏｏｍｍφ。

電極間隔２ｏｍｍ、ＲＦ周波数１３５６ＭＨｚ、ＲＦ電
力ｅｓｏｏｗ　、ガス圧力１Ｔｏｒｒ下で、ガスを切り
換えることにより順次積層形成した。

この際の薄膜型サーマルヘッドの基本構成を第１図に示
す。

絶縁性基板１上に、発熱抵抗体２．導体層３を形成した
後、プラズマｃｖｎ法によシ、珪素、酸素、窒素でなる
下層４、珪素、酸素、窒素、炭素でなる中間層６、珪素
、窒素、炭素でなる上層６の三層構成でなる耐摩耗保護
膜７を形成した構成を有する。

この三層構成の耐摩耗保護膜７について述べる前に、三
層構成の個々の層の性質について述べる。

ここでは、何れの層も単独で６μｍ堆積した際の硬度と
、熱処理によるクラック、気泡等の発生および赤外吸収
スペクトルについて調べた。（成膜に用いた装置は、上
述した装置である）珪素、酸素、窒素でなる膜（下層）
については、前述したように、ＳｉＨ４、Ｎ２０　、　
Ｎ２を原料ガスとして成膜を行ったが、周知の通りＮ２
０が増加するのに伴い、５１−０結合が増加するため、
硬度は低下し、また５ｉ−Ｈ結合が減るために、耐熱性
が向上する傾向を有していた。ちなみに、５ｉＯ１Ｎ、
で、！　＝１．ｏｏ　、　Ｙ　＝０．７１　ノときノヒ
ノカース硬度は、１５００Ａ：ｇ／−で、６５０℃での
加熱後も、膜に気泡、クラック等は、発生しなかった。

珪素、酸素、窒素、炭素でなる膜（中間層）については
、ＳｉＨ４、Ｎ２．　Ｇｏを原料ガスに用いて成膜を行
った。この原料ガスにおいて、 ＳｉＨ４／”ｚ／Ｃ０＝１６．’４ｏｏ、’ｏｓＯＱｍ
のときは、第２図ａに示すように５００’Ｃの加熱後に
気泡人が発生し、また、ＳｉＨ４／Ｎ２／Ｃ０＝１ｓ１
０／４ｏｏｓｃｃｍのときは、第２図すに示すように、
ＳＯＯ℃の加熱後に、クランクＢが発生した。

前者は、５ｉ−Ｈ結合の水素の加熱による膜中からの離
脱によって生じる。一方、後者は、第３図＆に熱処理前
後の赤外吸収の変化を示すが、熱処理前の赤外吸収８と
、熱処理後の赤外吸収９より、２１５０ｃｍ’の５ｉ−
Ｈ結合による吸収と１２６０ｃｍ’の５ｉ−ＣＪによる
吸収が、熱処理により大きく減少していることがわかる
。（特に、５ｉ−ＣＨ３が多く見られるものほど、耐熱
性は、低下する傾向にある） しかしながら、例えば、ＳｉＨ４／Ｎ２／Ｃ０１６／　
３５０／　５０　ｓｃｏｍの様に、窒素過剰側で、ｃ。

を少量添加した場合は、第３図すに示すように、熱処理
前の赤外吸収１ｏと熱処理後の赤外吸収１１より、熱処
理前からＳｉ　−ＣＨ，が元々少なく、−方、３３５０
ｃｍ’のＮ−Ｈ結合による吸収が大きくなっている。ま
た５ｉ−ＯＨ５や５ｉ−Ｈの熱処理前後の吸収の大きな
変化は、見られなかった。この条件の元では、５５０℃
程度の加熱によって、膜にクラックや気泡が発生するこ
とはなかった。

（但し、６ｏｏ℃以上では、クラックが生じた）また、
この条件における膜のビッカース硬度は、２０ｏＯ〜２
２００ｋｇ／ｒＭＰを有し、ＳｉＨ４／Ｎ２１６　／　
４００　Ｂｏｏｌｌで成膜しだＳｉＮ膜ｔｙ）　１８ｏ
ｏｋｇ／ｗに比して、大きく耐熱性も高い。

次いで、珪素、窒素、炭素でなる膜（上層）については
、８ｉＨ４，Ｎ２．０２Ｈ２を原料ガスに用いて、成膜
を行った。このガス系においても、ＳｉＨ４とＣ２Ｈ２
のみで成膜を行った際は、膜中の５ｉ−（Ｈ３゜５ｉ−
Ｈが多く、４００℃の熱処理によっても、膜に、クラッ
クが生じた。一方、中間層の場合と同様、例えば、Ｓｉ
Ｈ４／Ｎ２／Ｃ２Ｈ２−１６／３６０／ｓｏ　ｓｃｃｍ
とＮ２過剰な状態で、Ｃ２Ｈ２を加えると、５ｉ−ＣＨ
５が減少し、変わりにＮ−Ｈ結合が増し、（Ｎ−Ｈ結合
は、結合エネルギーが大キク、高耐熱な結合と言え、こ
の結合の水素は、容易に膜から抜けない）５００℃程度
の加熱によるクラック。

気泡の発生はなかった。（但し、６５０℃では、クラッ
クが生じた）また、この膜のビッカース硬度は２５ｏｏ
ｋだ−と硬い膜であった。

以上の三層構成を形作る個々の層の単独膜としての評価
結果を、繰り返し表１に示す。

（以　下　余　白） 表１より明らかなように、三層構成の各層材料は下層か
ら上層に向かうに伴い、硬度は大きくなり、一方で、耐
熱性は低下することがわかる。

さて、三層構成の耐摩耗保護膜の各層の特性は、以上の
通りであるが、次ぎに、第１図に示すように、実際にこ
の三層構成を、先に述べた原料ガス装置を用いて作成し
た。

ここでは、珪素、酸素、窒素でなる下層４を０５μｍ、
珪素、酸素、窒素、炭素でなる中間層５を０５μｍ、珪
素、窒素、炭素でなる上層６を４μｍ成膜し、薄膜型サ
ーマルヘッドを構成した。

この薄膜型サーマルヘッドに、パルス幅１　ｍ５６０．
。

繰り返し周期１０　ｍ１ｉ６０．、印加電力１．３Ｗ／
ｄＯ１（８ｄｏｔｓ／ｍｍ　の解像度のヘッド使用時）
の電力パルスを加えたっこの際、第１図の発熱抵抗体２
と耐摩耗保護膜７の下層４との境界部の最高温度は約６
００℃程度となる。しかしながら、耐摩耗膜保護膜にお
ける温度勾配から、上層６の表面の温度は、これよりか
なり低くなっており、耐摩耗保護膜７にクラック、気泡
等は生じなかった。実際の使用条件では、発熱抵抗体２
の表面温度が、高々４００℃程度であるから、実用上何
ら信頼性を損ねることはない。即ち、耐熱性が低いと考
えられる膜でも、これを、積層構成の上層側に配置する
ことにより、十分使用に供することが可能である。また
、この三層構成で、耐摩耗性は、硬度の高い上層６で保
証されるため、極めて良好である。尚、この構成で、特
に高耐熱性を重視する場合は、珪素、酸素、窒素でなる
下層４を厚くすればよく、高硬度を重視する場合は、珪
素、窒素。

炭素でなる上層６を厚くすればよい。また、三層構成の
膜の上層６．中間層６．下層４の各々の界面、即ち下層
４〜中間層５間、中間層５〜上層６間では、ガスを段階
的に変化させて成膜する方が好ましい。例えば、本実施
例の場合で言えば、珪素、酸素、窒素でなる下層４の原
料ガスＳｉＨ４゜Ｎ２０　、　Ｎ２　　から、珪素、酸
素、窒素、炭素でなる中間層６の原料ガスＳｉＨ４，Ｎ
２．Ｇｏに切り換える際は、まずＳｉＨ４、Ｎ２０　、
　Ｎ２にＧＯを徐々に導入していき、次いでＮ２０を徐
々に減らしていき、最終的に３ｉＨ４，Ｎ２　、　Ｇｏ
にすること、中間層６〜上層６間では、ＳｉＨ４、Ｎ２
．　Ｃｏから、珪素、窒素。

炭素でなる上層６の原料ガスＳｉＨ４，Ｎ２．　Ｃ２Ｈ
，、に切り換える際に、まずＳｉＨ４、Ｎ２　、　Ｃｏ
にＣ２Ｈ２を徐々に導入していき、次いでＣＯを徐々に
減らし、最終的にＳｉＨ４ｒ　Ｎ２　＊　Ｃ２Ｈ２にす
ること等である。

これは、特に、界面における密着性の確保や、急激な膜
応力の変化による剥離等を防止する意味において必要と
言える。

ところで、本三層構成の耐摩耗保護膜では、下層４の珪
素、酸素、窒素でなる層の比抵抗は、１０１５〜１０１
５Ω・ｃｍであるのに対し、中間層６の珪素、酸素、窒
素、炭素でなる層の比抵抗は、１０１１〜１０１２Ωａ
ｃｍ程度、また、上層６の珪素。

窒素、炭素でなる層の比抵抗は、１０〜１ｏ　Ω・ｃｏ
＋程度で、上層６にある程度の導電性がある為、例えば
、熱転写方式の場合に、特に、乾燥下で、転写紙である
ポリエステル（絶縁物）と耐摩耗保護膜の摺動時に生じ
る静電気を抑え、静電破壊を発生させない効果もある。

尚、本実施例では、珪素、酸素、窒素でなる下層４の原
料ガスとしてＳｉＨ４、Ｎ２０　、　Ｎ２を用いだが、
酸素の供給源として、Ｑ２．Ｃｏ２．Ｎｏ等を用いても
、同様な結果が得られる。珪素、酸素、窒素。

炭素でなる中間層６の原料ガスとしてはＳｉＨ４゜Ｎ２
．Ｃｏを用いだが、ＣＯの替わりに炭素の供給源として
、Ｃ２Ｈ２＋　Ｃ２Ｈ４ｎ　ＣＨ４＋酸素の供給源とし
て、Ｎ２０，０２．Ｃｏ２．Ｎｏ等を用いても、硬度。

耐熱性は幾分低下するが、適切に混合することにより、
同様な結果が得られる。また、珪素、窒素。

炭素でなる上層６の原料ガスとしてＳｉＨ４、Ｎ２　。

Ｃ２Ｈ２を用いたが、炭素の供給源としては、Ｃ２Ｈ４
＋０Ｍ、　　等を用いても耐熱性は幾分低下するが、同
様な結果を得ることができる。また、いずれの層におい
ても珪素の供給源としてＳｉＨ４を用いたが、Ｓｉ２Ｈ
６にしても、Ｓｉ２Ｈ６は、Ｓ工Ｈ４に比してＳｉに対
するＨの組成比が小さく、高耐熱化が図れると共に、成
膜速度の高速化を図ることができる０また、本実施例で
は、特に、成膜時の基板１の温度を３６０℃としたが、
これは、高ければ高い程、膜中水素濃度も減り、高耐熱
化が図れる。

３６０℃以下で成膜する場合も、使用用途に応じては、
十分実現可能である。（通常の使用温度は３００℃程度
）但し、膜中水素濃度が増すため、耐熱性は、劣化する
方向に向かうことを十分考慮しなければならない。

発明の効果 以上のように、本発明によれば、即ち、珪素。

酸素、窒素でなる層を下層とし、珪素、酸素、窒素、炭
素でなる層を中間層に、珪素、窒素、炭素でなる層を上
層とする三層構成を有ししかも該三層構成をいずれも、
プラズマＣＶＤ法により形成した膜を耐摩耗保護膜とす
ることで、従来、プラズマＣＶＤ法で困難であった高硬
度化と高耐熱化の両者を満足させるという課題を解決し
、従って、この耐摩耗保護膜を薄膜型サーマルヘッドに
用いることにより、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図は、本発明の一実施例にかかる薄膜型サーマルヘ
ッドの断面図である。第２図は耐熱性の劣化原因である
気泡、クラックを説明するための図、第３図は本発明の
三層構成の耐摩耗保護膜の各層の特性のうち、特に中間
層を例にとって、耐熱性を向上させる為のポイントを説
明するだめの、赤外吸収スペクトルを示す図である。 ４．５．６・・・・・・耐摩耗保護膜を構成する下層。 中間層、上層、７・・・・・・耐摩耗保護膜。 代理人の氏名　弁理士　粟　野　重　孝　ほか１名第２
図 （α）　気　　泡 １　■

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体
   列と、この発熱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、珪素、酸素、窒素でなる下層と
   、珪素、酸素、窒素、炭素でなる中間層と、珪素、窒素
   、炭素でなる上層の三層構成とし、これらの各層は、何
   れもプラズマＣＶＤ法により形成した薄膜型サーマルヘ
   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
   、プラズマＣＶＤ法により、珪素、酸素、窒素でなる下
   層を設け、次にプラズマＧＶＤにより、珪素、酸素、窒
   素、炭素でなる中間を設け、次にプラズマＣＶＤにより
   珪素、窒素、炭素でなる上層を形成する薄膜型サーマル
   ヘッドの製造方法。
3. （３）基板温度を３５０℃以上としプラズマＣＶＤ法に
   より耐摩耗保護膜を形成す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。