JPS6022801B2 - サ−マルヘツド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は棚化クロム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
ための鰭気導体とを設け、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電
気導体を介して亀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−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を
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、又固有抵抗値も２５０〜３０
０ムＱ奴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。しかるに塗化タンタルは約３０
０つ○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〈なく、なお十分満足できるものではなかっ
た。また、特関昭５２−１０９班７号公報に記載された
サーマルヘッド用抵抗発熱体は、Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，
Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔａなどの蛙化物、炭化物、棚化物、窒化
物またはニクロム、カルタンという低抵抗の硬質耐熱材
料と、Ｓｉ０２，Ｚｒ０２，Ｔｈｏ２，ＭｇＯ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。などの酸化物、ガラス、Ｓｉ３Ｎ４やＡＩＮの窒
化物またはＳｉなどの高額抗単体元素のいずれか１つま
たはこれらの混合物である電気的絶縁材料とを混合した
ものである。

従来は、抵抗値を上げるために、抵抗体材料と高抵抗の
材料を混合しなければならないと考えられていた。

特関昭５２−１０９９４７号公報に記載されたサーマル
ヘッド用抵抗発熱体も上記の考え方に基づいてなされた
ものである。しかし、抵抗体材料と高抵抗の材料を混合
する場合、混合比や混合状態のちよっとした変動により
比抵抗が大きく変わるので、抵抗値の再現性に大きな問
題があった。

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
抵抗体として棚化クロム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。ム、酸化アルミニウム、酸
化タンタル等あるいはこれらを細合せた多層構成が用い
られ、これによってサ−マルヘツドの寿命を一層長くす
ることができる。

棚化クロム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
の製造は棚化クロムの粉末を約１００ｋ９／仇以上の圧
力でプレスしてタブレットを作り、１×１０‐４Ｔｏｍ
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
化クロムを使う方法と、棚素と金属クロ以下、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は棚化クロムの薄膜発熱抵
抗体である。３は該薄膜発熱抵抗体に電力を供聯合する
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、酸化マグネシウムを同時にターゲットとする方
法と、金属クロム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。棚化クロムをターゲットと
する場合、例えば石英皿等の上に棚化クロムを粉末の、
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
ｑｏ以上の真空ホットプレスにより嫌結させたターゲッ
トを使用する方が、スパッタリングの制御は行いやすい
。また棚素と金属クロムを同時にターゲットする場合に
は棚素と金属クロムを混合するか、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‐汀ｏｒｒ〜５×１０
‐ＩＴｏｍのアルゴン雰囲気で行うのがよく、好ましく
は１×１げび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クロム板などの
金属単体をターゲットとして、アルゴン、シポランの混
合ガス雰囲気中で行ない、その時のガス圧はアルゴンを
ジボランの全ガス圧１×１０‐汀ｏｎ〜５×１０‐ＩＴ
ｏｒｒで好ましくは、１×１０‐２Ｔｏｍ〜５×１０‐
２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２０００○〜５００ｏｏの基板加熱を行う
ことによって基板に対して棚化クロムの密着性が向上し
、又腰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２００〜６５０００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２００ｑｏ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６５００
０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の使用上の制約或いは
制御の困難このため熱処理温度は２００〜６５００○が
望ましい。このようにして得られた棚化クロムのサーマ
ルヘッドは酸化されにくくて安定で、従釆の窒化タンタ
ルを用いたサーマルヘッドの使用電力限界が最大１７〜
１８Ｗ／めであったのに対して、最大２１〜２２Ｗ／嫌
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。さらにこの棚化ク
ロム薄膜抵抗体の固有抵抗値は７０仏０仇〜５×１ぴム
○の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。また、本発明のサーマルヘッドは、いままでの説
明で明らかなように、発熱抵抗体として高抵抗の材料を
混入しない。このため、材料の混合比や混合状態を考慮
する必要がなく、容易に所定の抵抗値を得ることができ
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１１０ぴ０でホットプレスした棚化クロムＣｒＢ２
（米国ペントロン社製、Ｃｒ７０．２％，Ｂ２９．３％
のもの）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‐かｏｒｒ，基板加熱
温度２０ぴ０の条件にて１０００Ａの厚さの発熱体を作
製した。

この固有抵抗値は約２５０仏Ｑ弧でこの時の面積抵抗は
約２５０／口であった。この上にチタンを１０Ａ，アル
ミニウムを１．５４凧電子ビームで蒸着した後、選択エ
ッチングで４本／脚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腹厚６〃
肌葵着したサーマルヘッドＡ，２，酸化アルミニウムを
膜厚８山肌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仏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〃仇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８×１０‐２Ｔｏｎ，窒素分圧が１×１０‐Ｔｏｎ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山Ｑｍ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１．５ｗの設
け、更にその上に６山肌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ツド‘こ対して、パルス幅６のｓ
，５ｍセの繰り返し電圧を印加し、その供給電力を３０
分に１肌ｔｔ／協ずつ増加させ伽速テストを行ったとき
の抵級修学ｘ１血（％）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−により作製した棚化クロム薄膜発熱抵
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１．２倍の鰭力を供給できる。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、棚化クロム薄膜発熱抵抗
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（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Ｂ３とほぼ同程度で、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
もはるかに簾れてし・た。又、棚化ク。ム上に酸化シリ
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
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、棚化クロム薄膜発熱抵抗体の
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−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山肌スパッタし
たサーマルヘッドＡ２，酸化アルミニウムを膜厚８仏の
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５ムのでスパッタ‐したサーマルへッドん４，及び
酸化シリコン１．５仏肌次いで酸化タンタル６ム仇の膜
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篤を用意した。

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
を行い抵抗変イＧ率を測定した。その結果抵抗変化率は
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１９．５Ｗ／嫌，Ａ２３では２０．０Ｗ／協，Ａ
２４では２０．０Ｗ／職２ 、Ａ２５では２２Ｗ／孫で
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） 棚化クロムＣｒ＆（米国ペントロン社製Ｃｒ７０．２％
，Ｂ２９．３％）の粉末を１００ｋ９／係以上でプレス
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３００℃，真
空度５×１０‐６Ｔｏｎで１０００Ａの厚さに電子ビー
ムで燕着した。

この固有抵抗値は約７５０〃○功でこの時の面積抵抗は
約７５０／口であった。次にこの上にチタンを１０Ａ，
アルミニウムを１．５山川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／風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ムの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仏爪蒸着したサーマル
ヘッドＣ，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Ｃ，４，及び酸化シリコン１．５仏の次
いで酸化タンタル６仏のの一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、抵坑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１１Ｗ／嫌，Ｃ，
２では１８Ｗ／柵，Ｃ，３では１８．５Ｗ／柵，Ｃ，４
では１８．５Ｗ／協，Ｃ，５では２０Ｗ／軌であった。

本実施例の電子ビーム蒸着で作成した棚化クロム発熱抵
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−により形成し、酸化タンタル６〃仇のサ
ーマルヘッドＣ２２，酸化アルミニウム８〃仇のサーマ
ルヘッドＣ２３，酸化マグネシウム５ｒ仇のサーマルヘ
ッドＣ２４，酸化シリコン１．５山肌次いで酸化タンタ
ル６山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、Ｃ２では１９Ｗ／松，Ｃめでは１
９．５Ｗ／協，Ｃ２４では１９．５Ｗ／か亨 Ｃ霧では
２２Ｗ／めであった。（実施例 ５） ６インチ径の金属クロム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ツクス基板を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３５×１０‐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４４０ｒＱ仇でこ
の時の面積抵抗は５５０／口であった。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（ＡＩ２０８）１０りのをスパッタで積層した。こ
のサーマルヘッドーこ対して実施例１と同じ加速テスト
をおこなったところ１９Ｗ／嫌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インチ径の金属クロム坂上に、競結した１′４インチ
径のホウ素板を多数個置いて表面積比で金属クロム：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
００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１び分間スパツタしたところ１０００Ａの膜厚固有
抵抗値は．９００山○弧でこの時の面積抵抗９００／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１ｒｍ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（Ｔａ
２０５）１０〃ｍをスパッタで積層した。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、１９．５Ｗ／松まで抵抗変イＧ率‘ま士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 ７）５インチ径の石英皿
に棚化クロム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２０ぴ０，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／ｍｉ
ｎで１晩ご間スパッ夕したところ固有抵抗値３５０〆Ｑ
ので、この時の面積抵抗３５０／口の柳川ヒクロム薄膜
発熱抵抗体が得られた。この上にチタンを１００Ａ，金
をｌＡｗ・鰭子ビームで蒸着した後、選択エッチングで
４本／職分藤能をもつサーマルヘッドパターンを形成し
た。次に５５０００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３５０ノロから１４００／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ム机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，１４Ｗａ
ｔｔ／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。

１ぴ回の印加パルス回教でＤ，．の抵抗変化率が１２％
以上であるのに対してＤ，２は９％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６５０ｑ
ｏ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（Ｍｇ○）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と同じ耐久性を行った。

その結果を第３図中に示すが、実施例７の例よりもさら
に良好な結果が得られ、１ぴ回のパルス印加回数に於い
ても抵抗変化率は約１４％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ｌ図 第２図 弟ろ図

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、発熱抵抗体が硼化クロムであることを
   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つて基板上に硼化クロム薄膜を
   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クロ
   ム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クロムをホツ
   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 金属クロムをターゲツトとし、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 金属クロム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。