JPS6016082B2 - サーマルヘツド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は棚化ニオブ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は例えばガラス
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、従来窒化タンタ
ル、ニクロム等の薄膜発熱抵抗体、銀一パラジウム等を
用いた厚膜発熱抵抗体、シーＪ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腰発熱抵抗体、半導体発熱抵抗体等
と比較して熱船、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
〜３００ｒ○抑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３００ｑＣ以上の高温に対しては急激に酸化されその
抵抗値が急激に増化し、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−マルヘツドとして使用
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くして感熱紙を発色
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棚化ニオブを使用し
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はセラミックガラスあるい
は、グレードセラミッ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は棚化ニオブの薄膜発熱抵抗体
である。

３は該薄膜発熱抵抗体に電力を供給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は薄膜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、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化タ
ンタル等あるいはこれらを粗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。棚化ニオブ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、棚化ニオブの粉末を約１００
ｋｇ′の以上の圧力でプレスして、タブレットを作り、
１×１０‐４Ｔｏｎ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棚
化ニオブを使う方法と、棚素と金属ニオブを同時にター
ゲットとする方法と、金属ニオブ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。棚化ニオブ
をターゲットとする場合、例えば石英皿等の上に棚化ニ
オブ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１１０ぴＯＬ久上の真空ホットプレスにより焼結させ
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。また棚素と金属ニオブを同時にターゲット
とする場合には棚素と金属ニオブを混合するか、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１×１０‐３Ｔｏ
ｎ〜５×１０‐ＩＴｏｒｒのアルゴン雰囲気で行うのが
よく、好ましくはＩＸＩＯ‐２Ｔｏｎ〜１ｘｌｏ‐ＩＴ
ｏｒｒがよい。また活性スパッタリングを行う場合には
金属ニオブ板などの金属単体をターゲットとして、アル
ゴン、ジポ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‐汀ｏ
ｒｒ〜５×１０‐ＩＴｏｒｒで好ましくは、１×１０‐
汀ｏｒｒ〜５×１０‐２Ｔｏｎでジポランは全圧力の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２００ｏｏ〜
５００ｑｏの基板加熱を行うことによって基板に対して
棚化ニオブの密着性が向上し、又膜の安定性に効果があ
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２００〜６５０『０の温度で真空中、大気中又は
アルゴンガス等の雰囲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２００℃以下で
は抵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『Ｃ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
ほ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２００〜６５０℃が望ましい。このようにして得られ
た棚化ニオブのサーマルヘッドは酸化されにくくて安定
で、従来の室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２０〜２１．５ｗ／柵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。さらにこの棚化ニオブ薄膜抵抗体の固有抵抗値
は１００仏Ｑ弧〜５×１ぴム○抑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
で製造工程で簡単になり、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。次に実施例に基いて
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１３０ぴ○でホットプレスし
た棚化ニオブＮｂＢ〔米国ペントロン社製、９９．８％
純度〕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５×１げびｏｎ、基板加熱温度２
００午○の条件にて１０００△の厚さの発熱体を作製し
た。この固有抵抗値は約２００〆○仇でこの時の面積抵
抗は約２００／口であった。この上にチタンを１０Ａ、
アルミニウムを１．５仏の電子ビームで蒸着した後、選
択エッチングで４本／凧の分解館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薄厚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８山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５ム机蒸着したサーマルヘッドＡ，４、
及び酸化シリコンを濃厚１．５山肌次いで酸化タンタル
を膜厚６山肌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８×１０‐２Ｔｏｒｒ、窒素分圧が１
×１０‐４Ｔｏｍの条件で１０００Ａ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
。また固有抵抗値は２４０〆○弧でこの時の面積抵抗値
は２４０／口であった。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仏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１１．５ムｍ
設け更にその上に６ｒｍ厚の酸化タンタル膜を設けた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６のｓ
５０ＨＺの繰り返し電圧を印加し、その供Ｖ給電力を３
０分にＩＷａｔｔ／磯ずつ増加させて腿テスト飾ったと
きの抵抗側率等ｘｌｏ。

（％）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ニオブ薄膜発熱抵
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．牙苔の電力を供給できる。又、
保護層を設けることにより、単位面積当りに供聯合でき
る電力は大中に改善されるが、棚化ニオブ薄膜発熱抵抗
体は電子ビーム葵着によって作製した酸化タンタル（Ａ
，２）、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＆３とほぼ同種度の結果が得られ、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、棚化ニオ
ブ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
供給電力は、接触圧により異なるが大体１１〜１４Ｗ／
め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、棚化ニオブ薄膜発
熱抵抗体の場合は酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸
化マグネシュウ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６Ａのスパツタし
たサーマルヘツドん２、酸化アルミニウムを膜厚８山肌
スパツタしたサーマルへツドん３、酸化マグネシウムを
膜厚５Ａｗ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仏の次いで酸化タンタル６ム肌の膜厚
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Ａ歯を用意した。

これらのサーマルヘッドについて実施例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ん２
では１８．５ｗ／協、Ａ２３では１９．０ｗ／柵、Ａ松
では１９．０ｗ／地、Ａ濁では２１．５ｗ′柵であり非
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 棚化ニオブＮｂＺ〔米国ペントロン社製純度９９．８％
〕の粉末を１００ｋ９／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３０ぴ０、真空度５×１０‐
汀ｏｍで８００Ａの厚さに電子ビームで蒸着した。

この固有抵抗値は約私０〃○仇でこの時の面積抵抗は約
８００／口であった。次にこの上にチタンを１０Ａ、ア
ルミニウムを１．５ｒ仇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／帆の分解能をもったパタ−
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、
酸化タンタルを腰厚６ムの蒸着したサーマルヘッドＣね
、酸化アルミニウムを膜厚８山肌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５ｒ肌蒸着したサ
ーマルヘッドＣ，４、及び酸化シリコン１．５一肌次い
で酸化タンタル６ムｍ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１１．５ｗ′嫌、
Ｃ，２では１６．５ｗ／協、Ｃ，３では１７．０Ｗ／協
、Ｃ．４では１７．５ｗ／地、Ｃ，５では１８．５ｗ／
めであった。

本実施例の電子ビーム蒸着で作成した棚化ニオブ発熱抵
抗体も窒化タンタル発熱抵抗体より非常に良かつた。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
層をスパッタ一により形成し、酸化タンタル６ムｍ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凶、酸化シリコン１．５ム肌次いで酸化タンタ
ル６仏ｍ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‘こ対して実施例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１７．５ｗ／協、Ｃ２
３では１８．５ｗ′協、Ｃ２４では１８．５ｗ′協、Ｃ
２５では２０ｗ／めであった。実施例 ５ ６インチ径の金属ニオブ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板を４００ｑ
ｏに基板加熱してアルゴン、ジボ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‐汀ｏｒｒ、ジボラソ分圧は１
．５×１０‐４Ｔｏｍで高周波２極スパッタにて７００
Ａの膜厚をつけた。この固有抵抗値は１０５０〆○抑で
、この時の面積抵抗は１５００／口であった。この上に
バナジウムを１００Ａ、金をｌｒ肌電子ビームで蒸着し
た後、選択エッチングで４本／肋分解能をもつサーマル
ヘッドパターンを形成した。次いで保護膜として酸化ア
ルミニウム、（ＡＩ２０３）１０ムのをスパッタで積層
した。このサーマルヘツＷこ対して実施例１と同じ加速
テストをおこなったところ１８．０ｗ／軌まで抵抗変化
率は±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インチ径の金属ニオブ板上に、燐結した１／４インチ
径のホウ素板を多数個遣いて表面積比で金属ニオブ：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‐汀ｏｒｒで、
Ｒ．Ｆ．２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の膜厚、固有抵
抗値は９６０ム○奴でこの時の面積抵抗１２００／口の
薄膜発熱抵抗体が得られた。この上にチタンを１０Ａ、
アルミニウムをｌｒ肌電子ビームで葵着した後、選択エ
ッチングで４本／抑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（Ｔａ２
０５＞１０山肌をスパッタで積層した。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、１７．５ｗ／松まで抵抗変化率は±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ニ
オブ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セラミックス基板を、基板
加熱２００午○、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
ｉｎで９分間スパツタしたところ固有抵抗値３１５ｒＱ
肌でこの時の面積抵抗値３５０／口の棚化ニオブ薄膜発
熱抵抗体が得られた。この上にチタンを１００Ａ、金を
ｌＡｗ電子ビームで蒸着した後、選択エッチングで４本
／肋分解能をもつサーマルヘッドパターンを形成した。
次に５５０℃でｌｑ時間空気中で熱処理したところ、発
熱抵抗体の抵抗値は３５０／口から９５０／口に増大し
た。この発熱抵抗体上に保護膜として酸化マグネシウム
（Ｍや）を８仏の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６のｓ、１４Ｗａ比／嫌の矩
形波を継続して印加した時の抵抗変化率測定結果を第３
図に示す。

１ぴ回の印加パルス回数でＤ，．の抵抗変化率が約１０
％であるのに対してＤ，２は約７％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３５０′口から３１０／口に変化した。

ここで保護膜として酸化マグネシウム（Ｍｇ０）８ｒの
をスパツタしてサーマルヘッドＤ，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、１×１ぴ回のパルス印加回数に於いて
も抵抗変化率は約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・・・
・・・電気導体、４・・・・・・保護層。 裏ー図 第ろ図 第２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、発熱抵抗体が硼化ニオブであることを
   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。 ６ 電子ビーム蒸着によって基板上に硼化薄膜を製造す
   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つて基板上に硼化ニオ
   ブ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ニオブをホツ
   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 金属ニオブをターゲツトとし、アルゴンとジボラ
   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 金属ニオブ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。