JPH0872280A

JPH0872280A - サーマルヘッド

Info

Publication number: JPH0872280A
Application number: JP6214420A
Authority: JP
Inventors: Riyuuichi Utsuka; 竜一兎束
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-08
Filing date: 1994-09-08
Publication date: 1996-03-19
Anticipated expiration: 2018-12-08
Also published as: JP3474274B2

Abstract

(57)【要約】【目的】寿命特性に優れたサーマルヘッドを提供する
こと。【構成】サーマルヘッドを構成する発熱抵抗体中の金
属が、化学量論組成に基づく酸化金属として存在する比
率、および非化学量論組成に基づく酸化金属として存在
する比率、そして金属として存在する比率の和を１００
％とした場合に、化学量論組成に基づく酸化金属として
存在する比率が３５〜６５％、金属として存在する比率
が１５〜４５％、そして残部が非化学量論組成に基づく
酸化金属として存在する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、製版機やファクシミリ
等の発熱記録装置に用いられるサーマルヘッドに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】サーマルヘッドを構成する発熱抵抗体の
材料として、現在、サーメット系が広く用いられてい
る。その代表的なものとしてＴａ−Ｓｉ一Ｏが知られて
いる。Ｔａ−Ｓｉ−Ｏは、通常ＴａとＳｉＯ2 の粉末を
混合焼結して作製したターゲットを用い、スパッタ膜と
して形成されている。なお、Ｔａ−Ｓｉ一Ｏ膜は、以下
のような特長を持っている。

【０００３】１）高い比抵抗の膜が容易に得られる。例
えば、ターゲット中のＳｉＯ2 比やスパッタ圧力等の制
御で、数〜数１０ｍΩ・ｃｍの比抵抗膜を容易に形成で
きる。抵抗値の高いサーマルヘッドは、容量の小さい電
源を利用できることからコストの低下に有利で、また効
率の面からも有利である。そのために、スパッタ膜その
もののシート抵抗を高めることが望まれる。

【０００４】このため、膜厚を薄くしてシート抵抗を高
めることが考えられる。しかし膜厚を薄くするとサーマ
ルヘッドの寿命の面で問題が生じる。したがって、高い
比抵抗膜が得られることは大きな特長である。

【０００５】また、他の抵抗材料として、ＴａＮやＮｂ
一Ｓｉ−Ｏ等が知られている。しかしＴａＮは高い比抵
抗の膜の作製が困難である。また、Ｎｂ一Ｓｉ−Ｏは高
い比抵抗を得ようとすると抵抗温度係数が負の方向に大
きくなり使用に耐えなくなる。２）抵抗値の安定性が優
れる。サーマルヘッドとして駆動する場合、あるいは製
造工程に部品として流す場合に抵抗値の変動が少ない。
このため、高寿命のサーマルヘッドを高歩留りで製造で
きる。なおＮｂ−Ｓｉ−Ｏは、スパッタバッチ内での抵
抗値は均一であるが、製造工程に流している際に抵抗値
がばらつきやすい。また、サーマルヘッドとして駆動す
る場合の抵抗値の変動も大きい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】Ｔａ一Ｓｉ−Ｏ膜は発
熱抵抗体として優れた特徴を持っている。しかし、その
特性は成膜条件によって影響される。したがって、比抵
抗が小さい場合は膜厚を薄くすることになり、前記した
ように寿命特性に支障をきたす。また、比抵抗が大きい
場合は膜厚を厚くしなければならず成膜時間が長くな
る。このとき、１つのターゲットから成膜できる基板数
が少なくなる。このような理由から、比抵抗の範囲は、
通常、１０〜２０ｍΩ・ｃｍ程度となるように管理され
製造される。しかし、発熱抵抗体の比抵抗の範囲を限定
してサーマルヘッドを製造した場合でも、特性にばらつ
きが生じることがわかった。これは、比抵抗が少なくと
も膜の形態的構造や各元素含有率の関数であること、し
たがって比抵抗が例え同一でも膜の形態的構造や各元素
含有率が異なれば製品の特性が相違することを示してい
る。

【０００７】例えば、各元素含有率が同一でも膜構造が
密であれば比抵抗は低くなり、また粗であれば比抵抗は
高くなる。また、同一の構造でもＴａ含有率が多いほど
比抵抗は低くなる。なお形態的構造の範囲については、
それを厳密に限定管理することは困難である。これは、
Ｔａ一Ｓｉ−Ｏ膜にいわゆる長距離秩序性がないため
で、Ａｓ−Ｄｅｐｏ膜（成膜後のままで他に処理を施さ
ない状態の膜）とこれを９００℃で真空熱処理した膜に
ついて、Ｘ線回折やラマン散乱分光等で比較分析して
も、なんらの有意差も認められないほどである。

【０００８】このことから、比抵抗に併せて各元素の含
有率を限定管理することが必要とされることがわかる。
この場合、例えば湿式分折法によれば精度よく各元素の
含有率を知ることができる。しかし、比抵抗と各元素の
含有率を併せて管理することは面倒である上、さまざま
な不具合が発生する。これらは、生産品の抜き取り検査
という形では対応が困難である。

【０００９】ところで、比抵抗はシート抵抗と膜厚の積
で与えられる。しかし、基板グレーズ層の表面性や抵抗
膜厚の薄さ（通常８００オングストローム以下）から、
精度の良い膜厚値が得にくい。これは測定された比抵抗
値の精度の悪さを意味する。したがって、精度良く測定
する場合、基板として所定のガラス基板を用い、また膜
厚も厚くする（１５００オングストローム以上）といっ
たことが必要となる。各元素の含有率を測定する場合
も、精度の良い測定値を得るためには膜厚を厚くする必
要がある。また基板も、通常のグレーズドアルミナ基板
は使用できない。これは、グレーズ中のＳｉＯ2 が湿式
分析液中に溶出し、抵抗膜成分中のＳｉＯ2 と区別がつ
かなくなるためである。そのため、基板として、テフロ
ンフィルム等を用いるといった配慮が必要となる。しか
し、これは真空槽汚染の危険がある。例えば、スパッタ
時の熱によってテフロンフィルムが溶解し、真空槽の内
壁に蒸着するという問題がある。

【００１０】本発明は、上記した欠点を解決するもの
で、寿命特性に優れたサーマルヘッドを提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、支持基板と、
この支持基板上に形成された発熱抵抗体と、この発熱抵
抗体に接続された電極とを具備し、前記発熱抵抗体がＳ
ｉとＯと残部が実質的に金属とからなるサーマルヘッド
において、前記発熱抵抗体中の金属が、化学量論組成に
基づく酸化金属として存在する比率、および非化学量論
組成に基づく酸化金属として存在する比率、そして金属
として存在する比率の和を１００％とした場合に、化学
量論組成に基づく酸化金属として存在する比率が３５〜
６５％、金属として存在する比率が１５〜４５％、そし
て残部が非化学量論組成に基づく酸化金属として存在す
ることを特徴としている。

【００１２】また、支持基板と、この支持基板上に形成
された発熱抵抗体と、この発熱抵抗体に接続された電極
とを具備し、前記発熟抵抗体がＳｉとＯと残部が実質的
にＴａとからなるサーマルヘッドにおいて、前記発熱抵
抗体中のＴａが、Ｔａ2 Ｏ5として存在する比率、およ
びＴａ2 Ｏ5 以外の酸化Ｔａとして存在する比率、そし
て金属Ｔａとして存在する比率の和を１００％とした場
合に、Ｔａ2 Ｏ5 として存在する比率が４５〜５５％、
Ｔａ金属として存在する比率が２７〜３７％、そして残
部がＴａ2 Ｏ5 以外の酸化Ｔａとして存在することを特
徴としている。また、前記比率が、光電子分光法によっ
て求められている。

【００１３】

【作用】本発明では、サーマルヘッドを構成する発熱抵
抗体がＳｉとＯとそれ以外の残部が実質的に金属とから
なる場合において、前記発熱抵抗体中の金属が、化学量
論組成に基づく酸化金属として存在する比率と、非化学
量論組成に基づく酸化金属として存在する比率と、金属
として存在する比率の和を１００％とした場合、化学量
論組成に基づく酸化金属として存在する比率が３５〜６
５％、金属として存在する比率が１５〜４５％、残部が
非化学量論組成に基づく酸化金属として存在している。
例えば、Ｔａ2 Ｏ5 として存在する比率が４５〜５５
％、Ｔａ金属として存在する比率が２７〜３７％、残部
がＴａ2 Ｏ5 以外の酸化Ｔａとして存在している。な
お、前記比率は光電子分光法によって求められたもので
ある。

【００１４】またＴａ2 Ｏ5 として存在する比率が５５
％より大きく、あるいはＴａ金属として存在する比率が
２７％より小さくなると、発熱抵抗体のＴＣＲ（抵抗温
度係数）が負方向に増大し、サーマルヘッドの寿命特性
が劣化してくる。また、Ｔａ2 Ｏ5 として存在する比率
が４５％より小さく、あるいはＴａ金属として存在する
比率が３７％よりも大きくなると、発熱抵抗体のＴＣＲ
は滅少する。しかし、比抵抗が小さいため、膜厚を薄く
する必要があり、やはりサーマルヘッドの寿命特性が劣
化してくる。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例について説明する。支持基板
としてアルミナ基板を使用し、その表面をグレーズ処理
した。そして、グレーズ処理した面に発熱抵抗体を形成
した。なお、発熱抵抗体膜はＲＦスパッタリング法で形
成され、ターゲットとしては、Ｔａ：４７ｍｏｌ％、Ｓ
ｉＯ2：５３ｍｏｌ％の組成からなる焼結体を用いた。
成膜条件は、ターゲットへのＲＦ電力：２．２Ｗ／ｃｍ
²、Ａｒ圧力＝１．０Ｐａとした。

【００１６】上記した条件で発熱抵抗体膜を形成し、そ
の後、成膜室を１０^-5Ｐａ台の真空に引き、試料を大気
に晒すことなく、１０^-7Ｐａ台の分折室に移送した。こ
こで、Ｘ線光電子分光によりスペクトルを得た。なお、
この装置は成膜室において基板を加熱する機構も有して
いる。そして、膜を形成した後の熱処理条件を変え、Ａ
〜Ｃの３種類の試料を作成し、Ｘ線光電子分光により分
析した。

【００１７】（試料Ａ）成膜後の熱処理を実施しない。
膜中に含まれるＴａ原子の含有率は５０ｍｏｌ％であっ
た。これは、ターゲット中のＴａ含有率：４７ｍｏｌ％
に比ベて、Ｔａリッチで、ターゲット組成と膜組成との
間にズレがあった。

【００１８】次に化学結合状態を解折した。その結果、
抵抗体膜のＴａは、Ｔａ2 Ｏ5 として存在する比率、そ
してＴａ2 Ｏ5 以外の酸化Ｔａとして存在する比率、金
属Ｔａとして存在する比率の和を１００％とした場合、
Ｔａ2 Ｏ5 として存在する比率が５８％、Ｔａ金属とし
て存在する比率が２１％、残部がＴａ2 Ｏ5 以外の酸化
Ｔａとして存在していた。

【００１９】（試料Ｂ）成膜後に真空中で７００℃×１
０分の熱処理を実施した。膜中に含まれるＴａ原子の含
有率は、試料Ａと同様５０ｍｏｌ％であった。また、化
学結合状態の解折結果、抵抗体膜のＴａは、Ｔａ2 Ｏ5
として存在する比率、Ｔａ2 Ｏ5 以外の酸化Ｔａとして
存在する比率、そして金属Ｔａとして存在する比率の和
を１００％とした場合、Ｔａ2 Ｏ5 として存在する比率
が４９％、Ｔａ金属として存在する比率が３１％、残部
がＴａ2 Ｏ5 以外の酸化Ｔａとして存在していた。

【００２０】（試料Ｃ）成膜後に真空中で１０００℃×
１０分の熱処理を実施した．膜中に含まれるＴａ原子の
含有率は、試料Ａ、Ｂと同様５０ｍｏｌ％であった。ま
た、化学結合状態の解析結果、抵抗体膜のＴａは、Ｔａ
2 Ｏ5 として存在する比率、そしてＴａ2 Ｏ5 以外の酸
化Ｔａとして存在する比率、金属Ｔａとして存在する比
率の和を１００％とした場合、Ｔａ2 Ｏ5 として存在す
る比率が３９％、Ｔａ金属として存在する比率が４３
％、残部がＴａ2 Ｏ5 以外の酸化Ｔａとして存在してい
た。上記したように、各試料Ａ〜Ｃとも、Ｔａ原子の含
有率は同一であるものの、その化学結合状態に明確な差
異が認められた。

【００２１】ここで、試料ＢのＸ線光電子分光スペクト
ルを図１に示す。横軸は電子の結合エネルギーで単位は
ｅＶ（エレクトロンボルト：ｅＶ）、縦軸は光電子の強
度で任意単位である。図は、Ｔａの４ｆ軌道におけるス
ペクトルを表している。実際のスペクトルは太線Ｍで与
えられるが、これをガウシアン近似でピーク分離すると
細線のようにｍ１〜ｍ６の６個に分けられる。そして、
金属Ｔａに由来する２つのピーク（ｍ５、ｍ６）から金
属Ｔａとして存在する比率：３１％、Ｔａ2 ０5 に由来
する２つのピーク（ｍ１〜ｍ２）からＴａ2 ０5 として
存在する比率：４９％が求まる。また残部（ｍ３〜ｍ
４）の２０％がＴａ2 ０5 以外の酸化Ｔａとして存在す
る。

【００２２】また、別途作成した試料Ａ、Ｂ、ＣのＴＣ
Ｒを測定した。なおＴＣＲは、電極膜を形成し、所定の
パターニングを行った後に、抵抗膜を真空中で室温から
６００℃まで加熱し、その後、真空状態を維持したまま
室温まで自然冷却し、そして、この温度が下降する過程
での抵抗変化から求めた。その結果、試料Ａ、Ｂ、Ｃの
ＴＣＲは、それぞれ一３３０、−１７０、−１１０ｐｐ
ｍ／℃となった。

【００２３】また、別途作成した試料Ａ、Ｂ、Ｃの比抵
抗を測定した。これは、抵抗膜のシート抵抗と膜厚の積
から導かれるもので、試料Ａ、Ｂ、Ｃの比抵抗は、それ
ぞれ１７．５、１２．５、８．８ｍΩ・ｃｍとなった。

【００２４】さらに、別途作成した試料Ａ、Ｂ、Ｃをデ
バイス化し、耐パルス寿命試験を行った。これは、発熱
抵抗体の上にＡｌからなる個別電極や共通電極を形成
し、所定のパターニングを行い、そして、個別電極や共
通電極で挟まれた発熱部をＳｉ−Ｏ一Ｎよりなる保護層
で被覆し、さらに実装を行った。これにより、抵抗体形
状：３５×６０μｍ、そして解像度：４００ｄｏｔｓ／
ｉｎｃｈの製版機用途のサーマルヘッドを作成した。そ
して、パワー：０．２８Ｗ／ｄｏｔ、パルス幅：０．５
ｍｓｅｃ、パルス周期：３．０ｍｓｅｃの駆動条件で連
続的にパルスを与え、抵抗値の変化率を評価した。この
結果が図２である。図２の縦軸は抵抗値変化率（％）、
横軸はパルス印加数（回）である。試料Ａは、初期から
１×１０⁵回のパルス印加数まで抵抗値が低下し、その
後上昇に転じ、２×１０⁶回パルス印加時点で変化率が
＋１０％を越えた。試料Ｃは初期より抵抗値は単調に増
加し、２×１０⁷回のパルス印加時点で変化率＋１０％
を越えた。試料Ｂも初期より抵抗値が単調に増加する傾
向が認められた。しかし、抵抗値は安定しており、１×
１０⁸回のパルス印加時点でも変化率は＋１．５％に留
まっている。

【００２５】＜比較例＞ここでは、あらたに試料Ｄを作
成した。試料Ｄは、ターゲットとして、Ｔａ：５０ｍｏ
ｌ％、ＳｉＯ2 ：５０ｍｏｌ％の組成からなる焼結体を
用いた。そして成膜後に熱処理を行わないこと以外は、
実施例１の試料Ｂと同様の方法で作成した。

【００２６】試料Ｄの比抵抗は１２．３ｍΩ・ｃｍであ
った。これは、試料Ｂの比抵抗：１２．５ｍΩ／ｃｍと
ほぼ同一の値である。また、膜中に含まれるＴａ原子の
含有率は５３ｍｏｌ％であった。これは、試料Ｂの５０
ｍｏｌ％に比ベ、明らかにＴａリッチである。また、化
学結合状態の解折結果、抵抗体膜のＴａが、Ｔａ2 Ｏ5
として存在する比率、そしてＴａ2 Ｏ5 以外の酸化Ｔａ
として存在する比率、金属Ｔａとして存在する比率の和
を１００％とした場合に、Ｔａ2 Ｏ5 として存在する比
率が３８％、Ｔａ金属として存在する比率が４４％、残
部がＴａ2 Ｏ5以外の酸化Ｔａとして存在していた。こ
れは、試料ＢのＴａが、Ｔａ2 Ｏ5 として存在する比率
４９％、Ｔａ金属として存在する比率３１％と比較し明
確な差異が認められた。

【００２７】次に、実施例と同様にして、同一条件で試
料Ｄの耐パルス寿命試験を行った。試料Ｂとの比較を図
３に示す。図３の縦軸は抵抗値変化率（％）、横軸はパ
ルス印加数（回）である。試料Ｄの抵抗値は初期から３
×１０⁵回のパルス印加まで低下し、その後上昇に転
じ、２×１０⁷回のパルス印加時点で変化率＋１０％を
越えた。

【００２８】上記したように、従来は、寿命特性に優れ
たサーマルヘッドを安定して製造する場合、抵抗膜の比
抵抗や各元素の含有率を測定、管理する必要があり、実
務上きまざまな不具合を生じていた。本発明によれば、
比抵抗や各元素の含有率を測定する必要がなく、化学結
合状態の測定によって寿命特性に優れたサーマルヘッド
を実現できる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、寿命特性に優れたサー
マルヘッドを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明する図で、Ｔａ一Ｓｉ一
Ｏよりなる発熱抵抗体のＸ線光電子分光スペクトル図で
ある。

【図２】本発明の実施例の耐パルス寿命試験の結果を示
す図である。

【図３】本発明の実施例を対比するための耐パルス寿命
試験の結果を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持基板と、この支持基板上に形成され
た発熱抵抗体と、この発熱抵抗体に接続された電極とを
具備し、前記発熱抵抗体がＳｉとＯと残部が実質的に金
属とからなるサーマルヘッドにおいて、前記発熱抵抗体
中の金属が、化学量論組成に基づく酸化金属として存在
する比率、および非化学量論組成に基づく酸化金属とし
て存在する比率、そして金属として存在する比率の和を
１００％とした場合に、化学量論組成に基づく酸化金属
として存在する比率が３５〜６５％、金属として存在す
る比率が１５〜４５％、そして残部が非化学量論組成に
基づく酸化金属として存在することを特徴するサーマル
ヘッド。
【請求項２】支持基板と、この支持基板上に形成され
た発熱抵抗体と、この発熱抵抗体に接続された電極とを
具備し、前記発熟抵抗体がＳｉとＯと残部が実質的にＴ
ａとからなるサーマルヘッドにおいて、前記発熱抵抗体
中のＴａが、Ｔａ2 Ｏ5 として存在する比率、およびＴ
ａ2 Ｏ5 以外の酸化Ｔａとして存在する比率、そして金
属Ｔａとして存在する比率の和を１００％とした場合
に、Ｔａ2Ｏ5 として存在する比率が４５〜５５％、Ｔ
ａ金属として存在する比率が２７〜３７％、そして残部
がＴａ2 Ｏ5 以外の酸化Ｔａとして存在することを特徴
するサーマルヘッド。
【請求項３】前記比率が、光電子分光法によって求め
られたものである請求項１または請求項２記載のサーマ
ルヘッド。