JPS6013281B2 - サーマルヘツド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は棚化タングステン薄膜を有するサーマルヘッド
さらにはその製造方法に関する。

熱印字記録に用いられるサーマルヘッド‘ま例えばガラ
スのような電気的な絶縁性と平滑面とを有する基板上に
複数個の発熱抵抗体と、この発熱抵抗体に電力を供給す
るための電気導体とを設け、記録すべき情報に従って必
要な熱パターンが得られるように、対応する発熱抵抗体
に電気導体を介して電流を流して発熱させ、記録媒体に
接触することにより記録を行なうものである。

そこに用いられる発熱抵抗体としては、従釆窒化タンタ
ル、ニクロム等の薄膜発熱抵抗体、銀−パラジウム等を
用いた厚膜発熱抵抗体、シリコン半導体を用いた半導体
発熱抵抗体がある。このうち薄膜発熱抵抗体を用いたサ
ーマルヘッドは厚膜発熱抵抗体、半導体発熱抵抗体等と
比較して熱応答性がよく耐熱性、耐熱衝撃性に優れ、寿
命が長く「信頼性が高い等の特徴を有している。この薄
膜発熱抵抗体としては、従来、窒化タンタルが比較的耐
熱性に優れ、信頼性も高く、又固有抵抗値も２５０〜３
００ム○のと比較的高い値で製造の制御性もよいため、
特に多く用いられている。しかるに窒化タンタルは約３
００００以上の高温に対しては急激に酸化されその抵抗
値が急激に増加し、記録紙に印字する場合、印字濃度を
劣化させる欠点がある。

一般にはこの欠点を補うために酸化シリコン（Ｓｉ０２
）の耐酸化保護層を設け更にその上に酸化タンタル（Ｔ
ａ２Ｑ）の耐摩耗層を設けてサーマルヘッドとして使用
しているが、サーマルヘッドを長時間駆動させた時の抵
抗変化は少くなく、なお十分満足できるものではなかっ
た。特に近年高速サーマルヘッドの要求が増加しつつあ
るためヘッドの通電パルス中を短か〈して感熱紙を発色
させる必要があり、従って電力は従来より増加すること
になり、発熱抵抗体はさらに高温になるから寿命はより
短かくなる。そのため、さらに耐熱性のある発熱抵抗体
が要求されている。本発明は上記の点を改良して、酸化
されにくく抵抗値が安定な薄膜発熱抵抗体を有するサー
マルヘッドを提供することを目的とし、その特徴とする
ところは、薄膜発熱抵抗体として磁化タングステンを使
用したサーマルヘッド、前記発熱体を覆う保護膜との組
合せ、さらには前記薄膜発熱抵抗体の製造方法にある。
以下、図面を参照しながら詳細に説明する。

第１図は本発明に適用するサーマルヘッドの形状例の要
部断面図である。同図中の１はセラミックスガラスある
いは、グレーズドセラミツクスのような電気的な絶縁物
で形成された基板である。２は棚化タングステンの薄膜
発熱抵抗体である。

３は該薄膜発熱抵抗体に電力を供孫合するための電気導
体で、アルミニュウム、金等の電気良導体で、形成され
ている。

又４は薄報発熱抵抗体及び電気導体の保護層で、例えば
電子ビーム蒸着、スパッタ一等によって作製した酸化シ
リコン、酸化マグネシュウム、酸化アルミニウム、酸化
タンタルあるいはこれらを絹合せた多層構成が用いられ
、これによってサーマルヘッドの寿命を一層長くするこ
とができる。棚化タングステンの薄膜発熱抵抗体の製造
は電子ビーム蒸着、スパッタリングいずれも可能であり
、電子ビーム蒸着での製造は棚化タングステンの粉末を
約１００ｋ９′地以上の圧力でプレスしてダブレツトを
作り１×１０‐４Ｔｏｒｒ以上の高真空度であらかじめ
一定温度に保った基板上に蒸着させることができる。

一方、スパッタリングで作製するときにはターゲットに
馴化タングステンを使う方法と、棚素と金属タングステ
ンを同時にターゲットとする方法と、金属タングステン
のみをターゲットとして活性スパッタリングを行う方法
とがある。棚化タングステンをターゲットとする場合、
例えば石英皿等の上に棚化タングステンを粉末の状態も
しくはプレスした状態で置くことによりターゲットとし
て用いることもできるが、あらかじめ１１００ｑｏ以上
の真空ホットプレスにより競結させたターゲットを使用
する方が、スパッタリングの制御は行いやすい。また棚
素と金属タングステンを同時にターゲットとする場合に
は棚素と金属タングステンを混合するか、又は一方を他
方に埋め込んだり表面の一部に配置したりして、行うこ
とができる。いずれの場合にも１×１０‐３Ｔｏｎ〜５
×１０‐ＩＴｏｍのアルゴン雰囲気で行うのがよく、好
ましくは１×１０‐かｏｒｒ〜１×１０‐ＩＴｏｒｒが
よい。また活性スパッタリングを行う場合には金属タン
グステン板などの金属単体をターゲットとして、アルゴ
ン、ジボランの混合ガス雰囲気中で行ない、その時のガ
ス圧はアルゴンとジボランの全ガス圧１×１０‐２Ｔｏ
ｍ〜５×１０‐ＩＴｏｒｒで好ましくは、１×１０‐２
Ｔｏｎ〜５×１０‐２Ｔｏｎでジボランは全圧力の１〜
１０％で好ましく．は２〜６％がよい。またスパッタリ
ング中あるいは電子ビーム蒸着中に於いて２００ｑｏ〜
５００午０の基板加熱を行うこによって基板に対して棚
化タングステンの密着性が向上し、又膜の安全性に効果
がある。さらにまたスパッタリングあるいは電子ビーム
蒸着の後で２００〜６５０ｏｏの温度で真空中、大気中
又はアルゴンガス等の雰気中で熱処理を行うことにより
必要な抵抗値にコントロールすることができ、しかもサ
ーマルヘッドとして使用する場合の安定性も増加するた
め寿命に対して効果がある。熱処理温度は２００００以
下では低抗値変化は非常に少ないために長時間の熱処理
時間が要求され、一方６５０℃以上では抵抗値の変化が
急激に起こったり又ガラス等の基板では使用できなくな
るなど使用上の制約或いは制御の困難さのため熱処理温
度は２００〜６５０ｏｏが望ましい。このようにして得
られた棚化タングステンのサーマルヘッドは酸化されに
くくて安定で、従来の窒化タンタルを用いたサーマルヘ
ッドの使用電力限界が最大１７〜１８Ｗ′ゆであったの
に対して、最大２１〜２２Ｗ／地の電力供給に対しても
十分使用できる。このことは「発熱抵抗体に大きな電力
を印加して高温とする高速印字用のサーマルヘッド‘こ
も好適である。さらにこの棚化タングステン薄膜抵抗体
の固有抵抗値は１００〆○肌〜５×１ぴム○狐と広い範
囲の中から選択できるので高抵抗値に設定すれば発熱さ
せるための電流は少なくてすみ、電極を薄く作製するこ
とができるので製造工程が簡単になり、凹凸が少なくな
るため摩耗に対しても強くなる。また電極部の抵抗の影
響による薄膜発熱抵抗体の発熱量も無視できる。次に実
施例に塞いて説明する。

実施例 １ あらかじめ十分に洗浄されたグレーズドセラミックス基
板に１３００ｑｏでホットプレスした棚化タングステン
（米国ペントロン社製）をターゲットとして、高周波２
極スパッタで、アルゴンのトータル圧力５×１０‐汀ｏ
ｎ、基板加熱温度２００ｑｏの条件にて５００Ａの厚さ
の発熱体を作製した。

この面積抵抗は約５００′口（固有抵抗値は２５０〆○
肋）であった。この上にチタンを１０Ａ、アルミニウム
を１．５山仇電子ビームで蒸着した後、選択ェッチング
で４本／肋の分解をもつサーマルヘッドＡ，．を形成し
た。次いで該サーマルヘッドＡ，．に保護層として電子
ビーム蒸着により酸化タンタルを膜厚６ムの蒸着したサ
ーマルヘッドＡ，２、酸化アルミニウムを膜厚８ｒの蒸
着したサーマルヘッドＡ，３、酸化マグネシウムを膜厚
５ｒの蒸着したサーマルヘッドへ４、及び酸化シリコン
を膜厚１．５〆机次いで酸化タンタルを膜厚６仏仇の二
層構成に蒸着したサーマルヘッドＡ，５を用意した。比
較のために、高周波２極の反応スパッタリングによって
タンタルをターゲットとし、アルゴンと窒素の全圧力が
８×１０‐２Ｔｏｎ、窒素分圧が１×１０‐４Ｔｏｎの
条件で５００への厚さの窒化タンタル発熱抵抗体のサー
マルヘッドＢ，．を作製した。この薄膜をＸ線回折で分
析したところＴａ２Ｎであった。また面積抵抗値は４０
０／口（固有抵抗値は２００山Ｑ伽）であった。次いで
該サーマルヘッドＢ，にスパッタリングによって６山厚
の酸化タンタル保護層を設けたものＢ，２と、酸化シリ
コン膜を１．５山凧設け更にその上に６山肌厚の酸化タ
ンタル漢を設けた２層構成の保護層を有するものＢ３を
用意した。用意されたこれらのサーマルヘッドに対して
、パルス幅６ｗｓ５０ＨＺの繰り返し電圧を印加し、そ
の供給電力を３ぴがこＩＷａｔｔ′協ずつ増加させて加
速テスト飾ったとき微抗変化率等ｘｌｏｏ（％）の測定
結果を第２図に示す。

ここでＲはテスト前の抵抗値、△Ｒは抵抗値の変化分で
ある。スパッタ一により作製した棚化タングステン薄膜
発熱抵抗体Ａ，．は窒化タンタル薄膜発熱抵抗体Ｂ，と
比べて、単位面積当り約１．５倍の電力を供給できる。

又、保護層を設けることにより、単位面積当りに供給で
きる電力は大中に改善されるが、棚化タングステン薄膜
発熱抵抗体は電子ビーム蒸着によって作製した酸化タン
タル（Ａは）、酸化アルミニウム（Ａ，３）、酸化マグ
ネシュウム（Ａ，４）の、保護層を一層だけ使用した場
合でも、二層の保護層をもつ窒化タンタル薄膜発熱抵抗
体のサーマルヘッドＢ，３よりも優れ、一層の保護層を
有する窒化タンタル薄膜発熱抵抗体のサーマルヘッドＢ
，２よりもはるかに優れていた。又、棚化タングステン
上に酸化シリコンと酸化タンタルの二層の保護層を設け
たサーマルヘッドＡ，５はさらに大中に改善された。こ
の最大供給電力の増大は定電力駆動の場合、発熱現象に
ともなう発熱抵抗体の劣化が軽減されることを意味する
。通常、感熱記録紙への熱エネルギー伝達に際しての供
聯合電力は、接触圧により異なるが大体ｉｌ〜１４Ｗ／
桝で十分であるから窒化タンタル薄膜発熱抵抗体の場合
は酸化シリコンと酸化タンタルの組合せ等の二層構成の
保護層が必須のものであるのに対し、棚化タングステン
薄膜発熱抵抗体の場合は酸化タンタル、酸化アルミニウ
ム、酸化マグネシゥュム等の一層の保護層のみで十分印
字でき、二層の保護層があると更に寿命がのびることが
わかる。実施例 ２実施例１で用意したのと同じサーマ
ルヘッドＡ，．に対して保護層として酸化タンタルを膜
厚６山肌スパツタしたサーマルヘツドん２、酸化アルミ
ニウムを膜厚８仏肌スパッタしたサーマルへッドん３、
酸化マグネシュウムを膜厚５仏仇スパッタ−したサーマ
ルへッドん４、及び酸化シリコン１．５山肌次いで酸化
タンタル６仏肌の膜厚に二層構成の保護層をスパッタリ
ングで作製したサーマルヘッドＡ２５を用意した。

これらのサーマルヘツド‘こついて実施例１と同じテス
トを行い抵抗変化率を測定した。その結果抵抗変化率が
急激に増加する単位面積当りの電力限界値はそれぞれＡ
２２では１９Ｗ′秘、ん３では１９．５Ｗ／桝、Ａ汝で
は１９．５Ｗ′柵、ん５では２２Ｗ′協であり非常に良
好な結果を示した。保護層は電子ビーム蒸着よりスパッ
タ‐で作製した方がより良い結果を示した。実施例 ３ 棚化タングステン（米国ペントロン社製）の粉末を１０
０ｋ９／鮒以上でプレスしたタブレットを作成し、あら
かじめ充分に洗浄されたグレーズドセラミックス基板上
に基板加熱３００ｑ○、真空度５×１０‐汀ｏｒｒで１
０００△の厚さに電子ビームで義着した。

この面積抵抗は約６５０′口（固有抵抗値は約６５０〃
Ｑ弧）であった。次にこの上にチタンを１０人、アルミ
ニウムを１．５仏の電子ビームにより蒸着した後、選択
エッチングにより４本ノ職の分解能をもつパターンを形
成してサーマルヘッドＣ，．とした。このサーマルヘッ
ドＣ，．に保護膜として電子ビーム蒸着により、酸化タ
ンタルを膜厚６山肌泰肴したサーマルヘッドＣ，２、酸
化アルミニゥムを膜厚８ムの蒸着したサーマルヘッドＣ
，３「酸化マグネシュウムを膜厚５仏の蒸着したサーマ
ルヘッドＣ，４、及び酸化シリコン１．５仏肌次いで酸
化タンタル６ｒ肌の二層構成に蒸着したサーマルヘッド
Ｃ，５を用意し、実施例１と同じテストを行った。その
結果、抵抗変化率が急激に増加する単位面積当りの電力
の限界値はそれぞれＣ，．では１１．０Ｗ／磯、Ｃ，２
では１７．５Ｗ′磯、Ｃ，３では１８．０Ｗ′柵、Ｃ，
４では１８．０Ｗ′の、Ｃ，５では１９．５Ｗ′秘であ
った。

本実施例の電子ビーム蒸着で作成した棚化タングステン
発熱抵抗体も窒化タンタル発熱抵抗体より非常に良かっ
た。実施例 ４ 実施例３で用意したサーマルヘッドＣ，．に対して保護
層をスパッタ−により形成し、酸化タンタル６ム肌のサ
ーマルヘッドＣ２２、酸化アルミニウム８山肌のサーマ
ルヘッドＣ２３、酸化マグネシュウム５山肌のサーマル
ヘッドＣ％、酸化シリコン１．５仏の次いで酸化タンタ
ル６仏肌の二層構成としたサーマルヘッドＣ２５を用意
した。

これらのサーマルヘッドに対して実施例１と同じテスト
を行い抵抗変化率を測定した。

その結果、抵抗変化率が急激に増加する単位面積当りの
電力限界値はそれぞれ、Ｃ滋では１８．５Ｗ′嫌、Ｃ２
３では１９．０Ｗ′後、Ｃ２４では１９．０Ｗ′協、Ｃ
２５では２０．５Ｗ′地であった。実施例 ５ ６インチ蓬の金属タングステン板をターゲットとして用
いた。

充分に洗浄されたグレーズドセラミックス基板を４００
ｏｏに基板加熱してアルゴン、ジポラン混合ガス雰囲気
中で活性スパッタリングをおこなった。アルゴン＋ジボ
ランの圧力は３．５×１０‐２Ｔｏｒｒ、ジジボラン分
圧は１．５×１０‐４Ｔｏｎで高周波数２極スパッタに
て１０００Ａの膜厚をつけた。面積抵抗は４００／口（
固有抵抗値は４００ＡＱ弧）であった。この上にバナジ
ウムを１００Ａ、金をｌＡｍ電子ビームで蒸着した後、
選択エッチングで４本ノ肋分解館をもつサーマルヘッド
パターンを形成した。次いで保護層として酸化アルミニ
ウム（ＡＩ２Ｑ）１０山肌をスパッタで鏡層した。この
サーマルヘッドに対して実施例１と同じ加速テストをお
こなったところ２０．５Ｗ′松まで抵抗変化率は土２％
以内であった。本例もまた前記比較例の窒化タンタルを
用いたサーマルヘッドより非常に良好な結果が得られた
。実施例 ６ ６インチ径の金属タングステン坂上に、暁結した１′４
インチ座のホウ素板を多数個遣いて表面積比で金属タン
グステン：棚素がおよそ１：２になるようにしたターゲ
ットを用いた。

充分に洗浄されたグレーズドセラミックス基板を５００
℃に基板加熱してアルゴン圧：３×１０‐２Ｔｏｒｒで
、Ｒ．Ｆ４２極でスパッタした。スパッタ率は１００Ａ
／分で８分間スパッタしたところ８００Ａの濃厚、固有
抵抗値１２８０山○抑、面積抵抗１６００′口の薄膜発
熱抵抗体が得られた。この上にチタンを１０人、アルミ
ニウムをｌＡｍ電子ビームで蒸着した後、選択エッチン
グで４本ノ側分解能をもつサーマルヘッドパターンを形
成した。次に保護膜として酸化タンタル（Ｔも０５）１
０ム肌をスパッタで横層した。このサーマルヘッド‘こ
対して実施例１と同じ加速テストを行ったところ、２０
Ｗ′柵まで抵抗変化率は士２％以内で、窒化タンタルを
用いたサーマルヘッドより非常に良好な結果が得られた
。実施例 ７５インチ径の石英皿に棚化タングステンの
粉末を置いてターゲットとした。

十分に洗浄されたグレーズドラセラミツクス基板を、基
板加熱２００℃、アルゴン分圧５×１０‐２Ｔｏｎで高
周波２極スパッタを行った。スパッタ率を１００Ａ′ｍ
ｊｎで１０分間スパツ夕したところ３００′口の棚化タ
ングステン薄膜発熱抵抗体が得られた。この上にチタン
を１００Ａ、金を１ム机電子ビームで蒸着した後、選択
エッチングで４本／側分解能をもつサーマルへッドバタ
ーンを形成した。次に５５０００で１脚時間空気中で熱
処理したところ、発熱抵抗体の抵抗値は３０Ｑ′□から
１３Ｑ′□に増大した。この発熱抵抗体上に保護膜とし
て酸化マグネシュゥム（Ｍｇ０）を８Ａｍの厚さにスパ
ッタしてサーマルヘッド○，２を得た。また比較の為に
上記工程から熱処理を除いて得たサーマルヘッドＤ，．
も用意した。これらのサーマルヘッドに５０ＨＺで６ｍ
ｓ、１４Ｗａ比′柵の矩形波を継続して印加した時の抵
抗変化測定結果を第３図に示す。５×１ぴ回の印加パル
ス回数でＤ，．の抵抗変化率が１２％以上であるのに対
してＤ，２は１０％であり熱処理により抵抗変化が少な
くなり安定化した。

実施例 ８ 実施例７の熱処理を、Ａｒ中６５０００で２時間に変え
たところ抵抗は３００′□から２８０′□に変化した。

ここで保護膜として酸化マグネシュゥム（Ｍｇ○）８ム
肌をスパツタしてサーマルヘッド○，３を得た。ここで
実施例７と同じ耐久テストを行った。

その結果を第３図中に示すが、実施例７の例よりも良好
な結果が得られ「 ５×１び回のパルス印加回数に於い
ても抵抗変イり率１ま約５％だった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るサーマルヘッドの形状例の要部断
面図。 第２図、第３図は本発明の効果を示す特性図。１・…・
・基板、２・…・・薄膜発熱抵抗体、３・…・〇電気導
体、４・・…・保護層。 群’図 第２図 裏ろ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板と、該基板上に形成された発熱抵抗体と、該発
   熱抵抗体に電力を供給する電気導体とを有するサーマル
   ヘツドにおいて、発熱抵抗体が硼化タングステンである
   ことを特徴とするサーマルヘツド。 ２ 発熱抵抗体が酸化シリコン薄膜で覆われている特許
   請求の範囲第１項記載のサーマルヘツド。 ３ 酸化タンタルの保護膜を有する特許請求の範囲第１
   項または第２項記載のサーマルヘツド。 ４ 酸化アルミニウムの保護膜を有する特許請求の範囲
   第１項または第２項記載のサーマルヘツド。 ５ 酸化マグネシユウムの保護膜を有する特許請求の範
   囲第１項または２項記載のサーマルヘツド。 ６ 電子ビーム蒸着によって基板上に硼化タングステン
   薄膜を製造することを特徴とするサーマルヘツドの製造
   方法。 ７ ２００℃〜５００℃の基板加熱を行いながら電子ビ
   ーム蒸着を行う特許請求の範囲第６項記載の製造方法。 ８ 電子ビーム蒸着のあとで、２００℃〜６５０℃で熱
   処理を行う特許請求の範囲第６項または第７項記載の製
   造方法。９ スパツタリングによって基板上に硼化タン
   グステン薄膜の発熱抵抗体を製造することを特徴とする
   サーマルヘツドの製造方法。 １０ スパツタリングのターゲツトが硼化タングステン
   をホツトプレスしたものである特許請求の範囲第９項記
   載の製造方法。 １１ 金属タングステンをターゲツトとし、アルゴンと
   ジポランの混合ガス雰囲気中で活性スパツタリングを行
   う特許請求の範囲第９項記載の製造方法。 １２ 金属タングステンと硼素とを同時にターゲツトと
   するように配置した特許請求の範囲第９項記載の製造方
   法。 １３ １×１０＾−＾３Ｔｏｒｒ〜５×１０＾−＾１Ｔ
   ｏｒｒのアルゴン雰囲気中でスパツタリングを行う特許
   請求の範囲第９項または第１０項または第１２項記載の
   製造方法。 １４ ２００℃〜５００℃の基板加熱を行いながらスパ
   ツタリングを行う特許請求の範囲第９項ないし第１３項
   記載の製造方法。 １５ スパツタリングのあとで、２００℃〜６５０℃で
   熱処理を行う特許請求の範囲第９項ないし第１４項記載
   の製造方法。