JPS6016084B2 - サーマルヘツド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は棚化チタ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−パラジウム等を用
いた淳膜発熱抵抗体、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、耐熱衝撃性に殴れ、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２５０〜３０
０ｒＱ弧と比較的高い値で製造の制御性をよいため、特
に多く用いられている。しかるに窒化タンタルは約３０
０℃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。また窒化タンタルの面積抵抗は、通
常５００／口前後で、サーマルヘッドとして特に大きく
した場合でも１０００／□程度であり更に抵抗値を大き
くするためにはトリミングを行なったり、濃厚を薄くす
る等の方法を用いるが、その降製造工程が複雑になった
り、寿命に対して悪影響を生じたりする等の欠点が発生
する。このように窒化タンタル薄膜発熱抵抗体では面積
抵抗を大きくとれないため、抵抗体を加熱するだけの電
力を供給するためには必然的に電流が大きくなり、電極
や配線に使用する電気導体の抵抗値が問題になる。即ち
、薄膜発熱抵抗体の抵抗値に対して電気導体の抵抗値が
無視できなくなるから、抵抗体に接続された各電気導体
の距離の差異により各抵抗体の発熱量が異なってしまい
、記録パターンに濃度差が生じ記録品質が劣る。更に記
録密度を上げるため、薄膜発熱抵抗体の大きさを小さく
すると、薄膜発熱抵抗体の面積抵抗値は不変で電気導体
の抵抗値のみ増大するから、電気導体における電力消費
が問題になるし、又これを避けるために電気導体の厚さ
を極端に大きくすると構造上大きな不都合が生じること
になる。又電流が大きいことは加熱用電源、スイッチン
グ回路等の容量を大きくしなければならない等の不都合
も生じる。本発明は上記の点を改良して、酸化されにく
く抵抗値が安定で、比抵抗を高い値まで選択できる薄膜
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
て棚化チタ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は棚化チタ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給するための電気導体
で、アルミニウム、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組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。棚化チタ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、棚化チタンの粉末を約１００ｋ
９／が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
化チタンを使う方法と、棚素と金属チタンを同時にター
ゲットとする方法と、金属チタ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。棚化チタン
をターゲットとする場合、例えば石英皿等の上に馴化チ
タ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１１００午○以上の真空ホットプレスにより暁結させ
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。また側素と金属を同時にターゲットとする
場合には側素と金属チタンを混合するか、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‐汀ｏｒｒ〜１×１０‐ＩＴｏｎがよ
い。また活性スパッタリングを行う場合には金属チタン
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‐汀ｏｎ〜５×１
０‐ＩＴｏｒｒで好ましくは、１×１０‐２Ｔｏｎ〜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
は電子ビーム黍着中に於いて２００℃〜５００ｑｏの基
板加熱を行うことによって基板に対して棚化チタンの密
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午
Ｃ〜６５０℃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２００ｏｏ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℃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２００〜６
５０ｑｏが望ましい。このようにして得られた棚化チタ
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／協であったのに対して、最大松〜２
３Ｗ／桝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
の棚化チタン薄膜抵抗体の固有抵抗値は２００山○抑〜
５×１ぴ仏○仇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１３００午○でホットプレスした棚化チタン〔Ｔｉ
Ｂ、三溝和化学薬品製、Ｔｉ船．７０％、Ｂ３０．７２
％〕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‐なｏｒｒ、基板加熱温度
２００午○の条件にて４００Ａの厚さの発熱体を作製し
た。

この固有抵抗値は約３６０ム○弧でこの時の面積抵抗は
約９００／口であった。この上にチタンを１０Ａ、アル
ミニウムを１５仏の電子ビームで蒸着した後、選択エッ
チングで４本／側の分解能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仏肌蒸
着したサーマルヘッドＡ，２、酸化アルミニウムを膜厚
８ムの黍着したサーマルヘッドＡ．３、酸化マグネシウ
ムを膜厚５仏の蒸着したサーマルヘッドＡ，４、及び酸
化シリコンを膜厚１．５一肌次いで酸化タンタルを膜厚
６〃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×ｌｏ‐４Ｔｏｍ
の条件で４００Ａ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Ｔａがであった。
また固有抵抗値は２４０＃○抑でこの時の面積抵抗値は
６００／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仏の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仏肌設
け更にその上に６山机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Ｂ，３を用意した。用意され
たこれらのサーマルヘッド‘こ対して、パルス幅６肌ｓ
５０ＨＺの繰り返し電圧を印加し、その供聯合電力を３
■針こＩＷａｔｔ／柵ずつ増加させて加速テストを行っ
たときの抵抗例率等ｘｌ。。（％）帆船果を第側こ示す
。

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−により作製した棚化チタン薄膜発熱抵
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．針音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、棚化チタン薄膜発熱抵
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，２）、酸化アルミニウム（Ａ，３）、酸化マグネシ
ウム（ん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Ｂ３とほぼ同等であり、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Ｂ２よ
りもはるかに優れていた。又、棚化チタン上に酸化シリ
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給
電力は、援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、棚化チタン薄膜発熱抵
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６仏のスパ
ッタしたサーマルヘツドん２、酸化アルミニウムを膜厚
８一肌スパツタしたサーマルへッドん３、酸化マグネシ
ウムを膜厚５ｒ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〃ｍ次いで酸化タンタル６〃机
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舞を用意した。

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Ａ２
２では１８Ｗ／柵、Ａ２３では１８．５Ｗ／桝、ん４で
は１９．０Ｗ／協、ん５では２３Ｗ／めであり非常に良
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 棚化チタン〔ＴｉＢ２、三鰹和化学薬品製、Ｔｉ６８７
０％、Ｂ３０．７２％〕の粉末を１００ｋ９／均以上で
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
○、真空度５×１０‐６Ｔｏｎで１０００Ａの厚さに電
子ビームで黍着した。

この固有抵抗値は約１０００山○伽でこの時の面積抵抗
は約１０００／□であった。次にこの上にチタンを１０
Ａ、アルミニウムを１．５Ａ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／側この分解能をもっ
た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仏仇蒸着したサーマルヘ
ッドＣ，２、酸化アルミニウムを膜厚８山凧蒸着したサ
ーマルヘッドＣ，３、酸化マグネシウムを膜厚５〆の蒸
着したサーマルヘッドＣ，４、及び酸化シリコン１．５
Ａ仇次いで酸化タンタル６ム机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１０．５
Ｗ／協、Ｃ．２では１６．０Ｗ′柵、Ｃ，３では１６．
５Ｗ′柵、Ｃ．４では１６．５Ｗ／嫌、Ｃ，５では１９
．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
層をスパッタ一により形成し、酸化タンタル６山肌のサ
ーマルヘッドＣ２２、酸化アルミニウム８ｒ仇のサーマ
ルヘッドＣ２３、酸化マグネシウム５ｒｍのサーマルヘ
ッドＣ２４、酸化シリコン１．５仏肌次いで酸化タンタ
ル６〃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‘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、Ｃ２では１８．５Ｗ／協、Ｃ２
３では１９Ｗ／桝、Ｃ２４では２０Ｗ／磯、Ｃ濁では２
２Ｗ′めであった。実施例 ６ ６インチ径の金属チタ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
℃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。アルゴン十ジボラ
ンの圧力は３．５×１０‐汀ｏｒｒ、ジボラン分圧は１
．５×１０‐４Ｔｏｎで高周波２極スパッタにて８００
Ａの膜厚をつけた。この固有抵抗値は磯ｏｒ○肌でこの
時の面積抵抗は１１００／□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／側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（ＡＩ２Ｑ）１０ム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
おこなったところ２０Ｗ／桝まで抵抗変化率は±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 ６６インチ径の金属チタン板上に、暁結した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
チタン：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ツクス基板を５００
００に基板加熱してアルゴン圧；３×１げびｏｎで、Ｒ
．Ｆ．２極でスバッタした。スパッタ率は１００Ａ／分
で１０分間スパツタしたところ１０００Ａの膜厚、固有
抵抗値１５００仏○弧でこの時の固有抵抗値１５００／
□の薄膜発熱抵抗体が得られた。この上にチタンを１０
Ａ、アルミニウムを１山肌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（
Ｔａ２０５）１０仏のをスパッタで鍵層した。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行った
ところ１８．５Ｗ／柵まで抵抗変化率は±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 ７
，５インチ径の石英皿に棚化チタンの粉末を置
いてターゲットとした。十分に洗浄されたグレーズドセ
ラミツクス基板を、基板加熱２００００、アルゴン分圧
５×１０‐２Ｔｏｍで高周波２極スパッタを行った。ス
パッタ率を１５０Ａ／ｍｉｎで６分間スパツタしたとこ
ろ固有抵抗値９９０仏○仇でこの時の面積抵抗１１００
／口の棚化チタ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仏の電子ビームで蒸着した後
、選択エッチングで４本／肌分解館をもつサーマルヘッ
ドパターンを形成した。次に５５０℃で１餌時間空気中
で熱処理したところ、発熱抵抗体の抵抗値は１１００／
口から１８００／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（Ｍｇ○）を８山肌の厚さ
にスパツタしてサーマルヘッドＤ，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６ｍｓ、１５Ｗａ比／柵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。

５×１ぴ回の印加パルス回数でＤ，．の抵抗変化率が１
２％以上であるのに対してＤ８は６％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１１００／口から１０００／
口に変化した。

ここで保護膜として酸化マグネシウム（Ｍｇ０）８山肌
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、５×１ぴ回のパルス印加回数に於いて
も抵抗変化率は４％以下だった。

【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。 第ー図 第２図 寿ろ図

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、発熱抵抗体が硼化チタンであることを
   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チタン薄膜を
   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チタ
   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チタンをホツ
   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 金属チタンをターゲツトとし、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 金属チタ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。