JPH0699601A

JPH0699601A - 薄膜保護層およびサーマルヘッド

Info

Publication number: JPH0699601A
Application number: JP27665892A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Hashimoto; 靖橋本
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1994-04-12

Abstract

(57)【要約】【目的】サーマルヘッドの薄膜保護層の体積抵抗率を
高くして、これまで薄膜保護層とリード層および発熱用
抵抗体層の間に形成していた絶縁層を不要にすること
と、成膜温度を低くすることでリード層電極の材質の選
択幅を広げること、そして、薄膜保護層形成時の内部応
力を制御することで、製造時の製品不良を無くす。【構成】サーマルヘッドの薄膜保護層が、ホウ素、リ
ン、ケイ素、窒素および必要に応じて酸素を含む原料ガ
スをプラズマ分解して堆積したホウ素、リン、ケイ素、
窒素および必要に応じて酸素を含有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜保護層とその薄膜保
護層を有するサーマルヘッドとに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ビデオプリンタ、券売機、ファク
シミリ、計算機端末装置、印字装置、記録計等の出力方
式の一つとして用いる感熱プリンタ用のサーマルヘッド
は、例えば図２に示すように構成される。すなわち、基
体２上には蓄熱用のグレーズ層３を介し、発熱用抵抗体
層４が形成され、一方、この発熱用抵抗体層４には一対
のリード層５１、５３が接続されている。最上層として
は、感熱紙との摺接による発熱用抵抗体層４とリード層
５１、５３との磨耗・破損等を防止するため、耐磨耗性
能を持たせた薄膜保護層７が配されている。この際、薄
膜保護層７の下には通常、絶縁層６が形成され、最上層
である薄膜保護層とリード層との絶縁性を保っている。

【０００３】そして、使用時にはリード層５１、５３を
介して発熱用抵抗体層４に通電することにより、リード
層５１、５３間の領域の発熱用抵抗体層４を発熱させ、
この熱を絶縁層６および薄膜保護層７を介してこれに相
対的に摺接される感熱紙上に与え、感熱記録が行われ
る。

【０００４】このようなサーマルヘッドにおいて、薄膜
保護層７には、硬度が高く耐磨耗性に優れ、均質で耐熱
性に優れたものが要求されるため、これまでに種々の提
案がなされてきた。

【０００５】例えば、特開昭５５−２７８６３号公報で
はＢ₁₃Ｐ₂ の組成を有する無定型のリン・ホウ素化合物
を主成分とする薄膜を常圧ＣＶＤ法を用いて成膜するこ
とで、耐磨耗性、耐熱性に優れた薄膜を形成できること
が、また、特開昭５６−１２０５１２号公報では、常圧
ＣＶＤ法を用いて成膜したＢ、Ｐ、Ｓｉを含有する薄膜
が同様の性能に関してさらに好ましいことが提案されて
いる。

【０００６】しかし、これらの提案の方法で調製した薄
膜は、耐磨耗性および耐熱性については満足する性能が
得られるが、薄膜保護層７の体積抵抗率が低すぎるた
め、薄膜保護層７とリード層５１、５３および発熱用抵
抗層４との間に絶縁層６を形成する必要がある。絶縁層
６を形成せずにリード層５１、５３の上に直接薄膜保護
層７を形成すると、リード層５１、５３に通電した時、
一部は発熱用抵抗体層４の発熱に使用されずに薄膜保護
層７を経由してリード層５１、５３間を導通するため好
ましくない。

【０００７】また、常圧ＣＶＤ法による成膜法では、約
６００〜７００℃の高温で成膜されるため、リード層５
１、５３電極の選択に際し、高融点の材質のみ使用可能
という制約がある。これはリード層５１、５３電極の材
質選択をする上で大きな制約になっている。

【０００８】さらに、耐磨耗性および耐熱性を持たせて
サーマルヘッドの耐久性を向上させる薄膜が得られる方
法として、特開昭６１−４４７０３号公報等では、Ｂ、
Ｐ、Ｓｉを含有する薄膜をプラズマＣＶＤ法を用いて成
膜することが提案されている。この方法で成膜すると、
より低温での成膜が可能なため、リード層５１、５３電
極の材質の選択幅が大きく広がり、また薄膜保護層７の
耐久性の面でも常圧ＣＶＤ法に比べて進歩が見られる
が、薄膜保護層７の体積抵抗率は常圧ＣＶＤ法によるも
のと同様に低いため、やはり絶縁層６を形成させる必要
があること、さらにその上、この方法で成膜した膜は、
内部応力が高く、サーマルヘッド製造工程において、製
品の一部で薄膜保護層７と下部の層との間で剥離が生じ
やすくなり、実用化には難しい問題を持っている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の主たる目的
は、薄膜保護層の体積抵抗率を高くして、これまで薄膜
保護層とリード層および発熱用抵抗体層の間に形成して
いた絶縁層を不要にすること、成膜温度を低くすること
でリード層電極の材質の選択幅を広げること、そして、
薄膜保護層形成時の内部応力を制御することで、製造時
の製品不良を無くすことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】これらの課題を解決する
ための具体的条件は、まず、絶縁層の形成を不要にする
ために、薄膜保護層の体積抵抗率を１０⁸ Ω・cm以上に
なるように成膜すること。

【００１１】体積抵抗率が１０⁸ Ω・cm未満の値ではリ
ード層電極に通電した時、一部が薄膜保護層を導通する
問題が生じるためである。そして、成膜温度を低くする
ためにプラズマＣＶＤ法を採用すること。プラズマＣＶ
Ｄ法を採用することで、これまでの常圧ＣＶＤ法での成
膜温度６００〜７００℃を４００℃以下に下げても成膜
することが可能となり、リード層電極の材質選択幅を大
きく広げることになり、リード層電極の材料価格の低下
等に貢献することができる。また、成膜時の剥離、歪み
等による製品不良を無くすために、成膜工程で発生する
内部応力を制御する手法を開発する必要がある。この
時、内部応力は小さい値（０により近い）が良く、その
値は−１．５×１０⁹dym/cm²〜＋１．５×１０⁹dym/cm²
の範囲にあればよいが、好ましくは−１×１０⁹dym/cm²
〜０×１０⁹dym/cm²である。内部応力測定値がプラス側
に大きいことは膜に引張応力が発生していることで、マ
イナス側にその絶対値が大きいことは膜に圧縮応力が発
生していることになり、それぞれ膜の歪み、そして膜の
剥離の原因となるためである。

【００１２】また、当然ながら、上記の条件を満足させ
るために硬度をこれまでより低下させることは耐磨耗性
の点からも好ましくなく、後述するビッカース硬さ試験
機による測定で、好ましくは通常Hvが１５００以上であ
る。

【００１３】これらの条件を満足させるための薄膜保護
層の形成方法を種々検討した結果、プラズマＣＶＤ法に
より成膜する時に、既存の方法による材料のほかにＮ₂
Ｏ、ＮＯ₂ 、Ｎ₂ 、ＮＨ₃ またはＮＦ₃ 等を共存させる
ことで、形成された膜のひずみがなくなり、また体積抵
抗率も実用に適する値が得られ、さらに、サーマルヘッ
ドを形成する上で十分な硬度が得られることがわかっ
た。

【００１４】従って、前記の目的は下記（１）〜（７）
の本発明により達成される。（１）ホウ素、リン、ケイ素および窒素を含む原料ガス
をプラズマ分解して堆積したホウ素、リン、ケイ素およ
び窒素を含有する薄膜保護層。（２）４０〜８０at％のホウ素と、５〜２０at％のリン
と、１０〜５０at％のケイ素と、２〜２０at％の窒素と
を含有する上記（１）の薄膜保護層。（３）前記原料ガスはさらに酸素を含み、ホウ素、リ
ン、ケイ素、窒素および酸素を含有する上記（１）また
は（２）の薄膜保護層。（４）２０at％以下の酸素を含有する上記（３）の薄膜
保護層。（５）４０〜８０at％のホウ素と、５〜２０at％のリン
と、１０〜５０at％のケイ素と、２〜２０at％の窒素と
を含有する薄膜保護層。（６）さらに２０at％以下の酸素を含有する上記（５）
の薄膜保護層。（７）上記（１）〜（６）のいずれかの薄膜保護層を有
するサーマルヘッド。

【００１５】

【具体的構成】以下、本発明の具体的構成について詳細
に説明する。

【００１６】本発明の薄膜保護層は、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎ
およびＯを含む。

【００１７】この場合、薄膜保護層中のＢ含有率は４０
〜８０at％で、より好ましくは５０〜７０at％、Ｐ含有
率は５〜２０at％で、より好ましくは８〜１６at％、Ｓ
ｉ含有率は１０〜５０at％で、より好ましくは２０〜３
０at％、Ｎ含有率は２〜２０at％で、より好ましくは１
０〜２０at％、Ｏ含有率は０〜２０at％で、より好まし
くは０〜１０at％である。

【００１８】Ｂ含有率が４０〜８０at％の範囲を外れる
と薄膜保護層は硬度が低下して耐磨耗性が悪化し、さら
に８０at％を越えた場合は硬度の低下のみでなく耐熱性
も低下して耐久性が悪化し、また材料費の点でも高価に
なってくるという問題が生じてくる。また、Ｐ含有率が
５〜２０at％の範囲を外れると、薄膜保護層は硬度が低
下して耐磨耗性が悪化してくる。また、Ｓｉ含有率が５
０at％を越えると薄膜保護層は硬度が低下して耐磨耗性
が悪化し、１０at％以下では耐熱性が低下して耐久性が
悪化し、また内部歪みによりクラックが発生したり、剥
離が生じたりする。また、Ｎ含有率が２at％未満では圧
縮応力が大きく、剥離が生じやすくなる。

【００１９】ただし、Ｎは薄膜の体積抵抗率を高める効
果を持ち、多くても大きな問題は生じないが、通常の成
膜条件下では多く含有させることは難しく、多すぎるこ
とによりＢ、Ｐ、Ｓｉ等他の成分の含有率を低下させる
という点では好ましくない。また、ＯもＮと同様に体積
抵抗率を高くするが、Ｏ含有率が２０at％を越えてくる
と硬度が低下して耐磨耗性が悪化してくる。

【００２０】以上の組成に加えて、本発明の薄膜保護層
中には用いるソースに起因して、Ｈおよび／またはハロ
ゲンが含まれてもよい。この場合、Ｈおよび／またはハ
ロゲン量は３at％以下が好ましい。Ｈまたは／およびハ
ロゲンの含有率が、３at％を越えると耐熱性が低下して
耐久性が悪化してくるためである。

【００２１】なお、本発明の薄膜保護層は、以上のよう
にＢ、Ｐ、ＳｉおよびＮ、さらに必要に応じＯを含み、
副次的にＨまたは／およびハロゲンを含有するものであ
るが、さらにまた、概ね全体の１重量％以下の範囲で他
の元素を含有してもよい。このような元素としては、Ｇ
ｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂ等および製造装置の
材質であるステンレススチール由来の元素、例えばＮ
ｉ、Ｃｒ等を挙げることができる。

【００２２】このような組成の薄膜保護層は、通常、無
定形ないし多結晶状態をとる。

【００２３】このように、好ましくはＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎ
およびＯが上記の割合の組成を含む薄膜保護層を、後述
の条件によるプラズマＣＶＤ法により形成すると、硬度
が高く、体積抵抗率が高く、内部応力が少ない薄膜保護
層を低い成膜温度で得ることができる。

【００２４】なお、膜厚は用途に従い適宜決定すればよ
いが、通常、１〜１０μm 、特に好ましくは３〜１０μ
m である。

【００２５】プラズマ分解は、高周波法を用いるとよい
が、マイクロ波法を用いることもできる。一般に用いら
れている高周波法では、１〜３０MHz 、で０．０５〜１
W/cm² 程度の電力を投入すればよい。ここで、cm² は電
極の表面積である。

【００２６】用いる原料ソースとしては、Ｂ源として水
素化ホウ素、例えば、ＢＨ₃ 、Ｂ₂Ｈ₆ 等、ハロゲン化
ホウ素、例えばＢＣｌ₃ 、ＢＢｒ₃ 等を用いればよく、
Ｐ源としては水素化リン、例えばＰＨ₃ 、ハロゲン化リ
ン、例えばＰＣｌ₃ 、ＰＢｒ₃ 等を用いればよく、Ｓｉ
源としてはシラン系ガス、例えばＳｉＨ₄ 、Ｓｉ₂ Ｈ₆
等、ハロゲン化シリコン、ＳｉＣｌ₄ 、ＳｉＦ₄ 等を用
いればよく、Ｎ源としては例えばＮおよびＯを含有する
Ｎ₂ Ｏ、ＮＯ₂ 等一般式ＮＯ_x で示されるもの、Ｎ₂ 、
ＮＨ₃ 、ＮＦ₃ 等を用いればよく、このとき必要に応じ
てＮＯ_x の一般式で示されるものを選択することによ
り、この原料がＯ源ともなる。以上の原料ソースの中か
ら、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎおよび必要に応じてＯを含有する
混合ガスを原料ガスとして用いればよい。

【００２７】そして、キャリアガスとしては、水素、ア
ルゴン、ヘリウム等、特にヘリウムを用い、原料ガスが
所定の量比となるように、反応系内に流入させればよ
い。

【００２８】薄膜保護層に最適な成分組成を得るための
原料ガスおよびキャリアガスの種類と組成、流量等の条
件の決定は実験的に求めればよい。

【００２９】なお、動作圧力は０．０１〜５Torr程度、
基体温度は１００〜５００℃程度、好ましくは３００〜
４００℃とすればよい。また、成膜速度は１００〜２０
００A/min 程度とすればよい。

【００３０】図１により、本発明の薄膜保護層７を用い
てサーマルヘッドを構成する代表的一例について触れる
ならば、それは以下のように行えばよい。

【００３１】すなわち、その基板２はアルミナ等のセラ
ミックス等を用いればよい。

【００３２】また、基板２上に設けられる蓄熱用のグレ
ーズ層３は、通常のガラス質から形成すればよい。な
お、グレーズ層３は、通常の場合と同様、基板上のほぼ
全域に亘って設けられ、その厚さは６０〜８０μm とす
ればよく、更には、ガラス質を含むペーストないしスラ
リーから、常法に従いスクリーン印刷法、ディップ法等
により形成すればよい。なお、グレーズ層を形成した基
板は、上記条件を満たした市販のものを使用することも
できる。

【００３３】一方、グレーズ層３上には発熱用抵抗体層
４が配置される。発熱用抵抗体層４としては、種々の方
法によって形成したものであってもよいが、その特性上
からは、多結晶シリコン薄膜であることが好ましい。

【００３４】また、この多結晶シリコン薄膜中には、
Ｐ、Ａｓ、Ｂ、Ｓｂ等の不純物が含まれていてもよい。
そして、その抵抗は２×１０^-4〜５×１０^-2Ω・cm程度
とすればよい。更に、発熱用抵抗体層４は基板上に所定
の形状で１つのみ設けられてもよいが、通常は、例えば
平行細条状となるように、多数分離されて所定の配列で
設けられるものであり、その厚みは２００〜２００００
A とすればよいが、好ましくは５００〜５０００A とす
ればよい。

【００３５】この所定の形状と所定の配列を有する発熱
用抵抗体層４には、一対のリード層５１，５３が所定間
隙で対向して接続される。リード層５１、５３として
は、各種高融点金属から、種々の方法に従い薄膜として
形成すればよいが、アルミニウム、金、ニッケル、銅、
タンタル、チタン、タングステン、モリブデン、クロム
あるいはこれらの合金、更にはタングステンシリサイ
ド、モリブデンシリサイド等から構成することが好まし
い。

【００３６】この場合、リード層５１，５３は、発熱抵
抗体層４の上層に位置してもよく、また、その下層に位
置してもよい。また、リード層５１、５３の厚みは、概
ね０．５〜２μm とすればよい。

【００３７】そして、このような積層体としてのサーマ
ルヘッド下地の上面のほぼ全域に亘って、最上層とし
て、本発明の薄膜保護層７が設けられる。この際、絶縁
層６を設ける必要はない。

【００３８】以上、サーマルヘッドを構成する場合の代
表的１例について述べてきたが、この他、サーマルヘッ
ドには種々の介在層を設けたり、図示のように基板の発
熱部に対応する部分を凹状にしたり、種々の態様が可能
である。

【００３９】

【実施例】図１に示されるようなサーマルヘッドを作成
し、本発明の効果を確認した。先ず、基板２としては、
１００×１５０mm、厚さ１mm、純度９６％のアルミナを
用い、その一面上に６０〜８０μm 厚のグレーズ層３を
すでにコートしたものを購入して使用した。

【００４０】次いで、減圧ＣＶＤ法に従い、ソースとし
てシランとジボラン、ホウ素を１at％含む３０００A 厚
の多結晶シリコン薄膜を被着し、写真食刻法により、間
隙３０μm で、１００μm 幅の平行細条状の複数個の多
結晶シリコン薄膜発熱用抵抗体層４を形成した。

【００４１】この後、この上に０．８μm 厚のタングス
テン薄膜を被着し、やはり写真食刻法により、上記各細
条状発熱用抵抗体層４上において、その中央部に１００
×２３０μm の窓が形成されるようにして、タングステ
ンリード層５１，５３を形成した。

【００４２】このように形成したサーマルヘッド下地積
層体に対し、下記条件１で薄膜保護層７をそれぞれ７μ
m の厚さで、その全面に被着した。

【００４３】＜条件１＞原料として１０％Ｂ₂ Ｈ₆ ／Ｈ
ｅを３８０SCCMの流量で、２５％ＰＨ₃ ／Ｈｅを４０SC
CMの流量で、２０％ＳｉＨ₄ ／Ｈｅを２２０SCCMの流量
で、加えてＮ₂の流量を０〜４００SCCMの範囲で適宜変
えて、３００℃の基板温度で、ＲＦ電力を０．４W/cm
² 、１．３Torrにてグロー放電分解を行い、薄膜保護層
７を形成させた。

【００４４】この薄膜保護層を、電子プローブＸ線マイ
クロアナライザーを用いて常法により膜成分の組成分析
を行った。また、内部応力は表面粗さ計によりそり量を
測定して算出し、体積抵抗率は上下にＡｌ電極をもうけ
てダイオード構造を形成し、電圧−電流特性により求
め、硬度はビッカース硬さ試験機を使用して５μm 以上
厚の試料を荷重２０g 、保持時間４５秒で測定した。

【００４５】さらに薄膜保護層７と下層であるリード層
５１、５３および発熱用抵抗層４との密着性評価のた
め、ひっかき試験として最大荷重１２０ｇでひっかき法
によりひっかき強度を測定した。また、薄膜保護層７の
耐久性評価のため、電蝕試験としてリード層５１、５３
に２４Ｖの電圧をかけて６０℃で湿度９０％の環境下で
４８時間放置し、腐蝕によるドットオープン発生率を測
定して調べた。さらに薄膜保護層７の耐磨耗性評価のた
め、磨耗試験として０．２Ｗの印加電力でヘッド上に記
録紙を走行させて磨耗速度を測定した。その結果、Ｎ含
有量とひっかき強度、電蝕試験によるドットオープン発
生率および磨耗速度とは図３に示すような関係が得られ
た。

【００４６】さらに、薄膜保護層７を下記条件２を用い
たほかは上記と同じ条件で成膜した。＜条件２＞原料として５％Ｂ₂ Ｈ₆ ／Ｈｅを３８０SCCM
の流量で、２５％ＰＨ₃ ／Ｈｅを２０SCCMの流量で、２
０％ＳｉＨ₄ ／Ｈｅを１１０SCCMの流量で、加えてＮ₂
Ｏの流量を０〜３０SCCMの範囲で適宜変えて、３００℃
の基板温度で、ＲＦ電力を０．４W/cm² 、１．３Torrに
てグロー放電分解を行い、薄膜保護層７を形成した。そ
の結果、ＮおよびＯ含有量と、ひっかき強度、電蝕によ
るドットオープン発生率および磨耗速度とは図４に示す
ような関係が得られた。

【００４７】また、比較のために下記条件３を用いたほ
かは上記と同じ条件で成膜した。＜条件３＞原料として５％Ｂ₂ Ｈ₆ ／Ｈｅを４．２SLM
、２５％ＰＨ₃ ／Ｈ₂ を０．８SLM 、および２０％Ｓ
ｉＨ₄ ／Ｈｅを４．６SLM の流量で、キャリアガスとし
てＨ₂ を用いて、６５０℃の基板温度で、常圧ＣＶＤ法
により薄膜保護層７を形成した。得られた薄膜保護層７
について、膜成分の組成分析、内部応力測定、体積抵抗
率測定および硬度の測定を行った。

【００４８】上記それぞれの条件で形成した薄膜保護層
７から構成されたヘッドを評価し、その代表例を表１に
まとめた。

【００４９】

【表１】

【００５０】本発明を適用したヘッドＡ、ＢおよびＤ
は、内部応力値、体積抵抗率および硬度に優れている
が、本発明外の組成のヘッドＣでは薄膜に大きな圧縮応
力が発生している上さらに体積抵抗率が低く、またヘッ
ドＥでは体積抵抗率が低いため絶縁層６を必要とする。

【００５１】

【発明の効果】本発明により成形した薄膜保護層７は、
体積抵抗率が十分に高く、既存の方法である常圧ＣＶＤ
法によりサーマルヘッドを成形するときに必要であった
絶縁層６が不要となるという製造工程上の大きなメリッ
トが得られ、その上、成膜時の温度が低いためリード層
５１、５３の材質の選択巾が大きく広がる。これは例え
ば材料価格の低減に大きく貢献する等の効果が期待でき
る。また、本発明の組成では形成した膜の内部応力が低
いため、薄膜の剥離等による製品不良を減少させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるサーマルヘッドの構成例の一つを
示す断面図。

【図２】既存のサーマルヘッドの代表的構成例の一つを
示す断面図。

【図３】実施例１の結果を示すグラフ。

【図４】実施例２の結果を示すグラフ。

【符号の説明】

１サーマルヘッド２基体３グレーズ層４発熱用抵抗体層５１、５３リード層６絶縁層７薄膜保護層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ホウ素、リン、ケイ素および窒素を含む
原料ガスをプラズマ分解して堆積したホウ素、リン、ケ
イ素および窒素を含有する薄膜保護層。
【請求項２】４０〜８０at％のホウ素と、５〜２０at
％のリンと、１０〜５０at％のケイ素と、２〜２０at％
の窒素とを含有する請求項１の薄膜保護層。
【請求項３】前記原料ガスはさらに酸素を含み、ホウ
素、リン、ケイ素、窒素および酸素を含有する請求項１
または２の薄膜保護層。
【請求項４】２０at％以下の酸素を含有する請求項３
の薄膜保護層。
【請求項５】４０〜８０at％のホウ素と、５〜２０at
％のリンと、１０〜５０at％のケイ素と、２〜２０at％
の窒素とを含有する薄膜保護層。
【請求項６】さらに２０at％以下の酸素を含有する請
求項５の薄膜保護層。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかの薄膜保護層を
有するサーマルヘッド。