JPS6038001B2 - サ−マルヘツド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は棚化バナジウムと酸素とからなる薄膜発熱抵抗
体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、ニクロム酸化錫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、窒化タンタルが耐
熱性に優れ、信頼性も高く、又固有抵抗値も２５０〜３
００仏○ｃ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
３００３０以上の高温に於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１００００／０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、膜厚を薄くする等の方
法を用いるが、その際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
Ｖ給するためには必然的に電流が大きくなり、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多層配線の場合に表面の凹凸が
激しくなり摩耗にも弱くなるなど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、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用いたサーマルヘッドを提供し、
その特徴とするところは棚化バナジウムと酸素とからな
る発熱抵抗体にある。

この発熱抵抗体におては、棚化バナジウムと酸素とが原
子的なスケールで混在している。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は棚化バナジウムと酸素
とからなる本発明に係る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Ｖ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縄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。本発明の棚化バナジウムと酸素とからなる
薄膜発熱抵抗体の製造はスパッタリング、電子ビーム蒸
着いずれも可能であり、スパッタリングによって製造す
る方法としては、アルゴンと酸素の混合雰囲気中で棚化
バナジウムのターゲットをスパッタリングする方法、棚
素と金属バナジウムを同時にターゲットとする方法、金
属バナジウムのみをターゲットとしてアルゴン、酸素、
ジボランを含む雰囲気中で活性スパッタリングを行う方
法などがある。棚化バナジウムをターゲットとする場合
、例えば石英皿等の上に棚化バナジウムを粉末の状態も
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℃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。

また棚素と金属バナジウムを同時にターゲットとする場
合には棚素と金属バナジウムを混合するか、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‐汁ｏｒｒ〜
５×ｌｏ‐ＩＴｏｒｒのアルゴンと酸素との混合雰囲気
で行うのが良く、好ましくは１×１０‐Ｔｏｍ〜１×１
０‐ＩＴｏｒｒカギよい。また、金属バナジウムをター
ゲットとして、アルゴン、酸素、ジボランの混合雰囲気
中で活性スパッタリングを行う場合には全ガス圧１×１
げびｏｒｒ〜５×１０‐ＩＴｏｎ、好ましくは１×１０
‐２ｒｏｒｒ〜５×１０‐２Ｔｏｍ、そのなかでジボラ
ンの分圧は全圧力の１〜１０％、好ましくは２〜６％で
ある。

上記のいずれのスパッタリング工程中においても、雰囲
気中の酸素分圧を０．１〜１０％で選択することにより
、発熱抵抗体中に酸素を原子比でバナジウムの０．００
５以上含有されることができる。

酸素含有量は少なすぎては効果がなく、逆に多すぎると
比抵抗の制御が難かしく、耐熱性も悪くなるのでバナジ
ウムの０．０１〜１．０（原子比）が適当であり、０．
０５〜０．６がより好ましく、０．１〜０．３が最も好
ましい。このように作成した発熱抵抗体の固有抵抗値は
１５０〃Ｑ弧〜５０００仏○弧まで選択可能である。発
熱抵抗体を電子ビーム黍着で製造する場合には、磁化バ
ナジウムの粉末を約１００ｋｇ／水以上の圧力でプレス
してタブレットを作り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。

この時、ニードルバルブ等によって酸素を含む気体を鰭
子ピ−ム蒸着中に導入することによって発熱抵抗体中の
酸素含有量をバナジウムの０．００５〜１．０（原子比
）とすることができる。このようにして作成された薄膜
発熱抵抗体は棚化バナジウムと酸素より成り（但し不純
物としてＣ．Ｎなどを含有）、固有抵抗値を高く設定す
れば、電極部の抵抗値がある程度高くても良いから製造
工程が容易になり、電極を薄くすることにより表面の凹
凸が少〈なった耐摩耗性が改良される。

また電極部での電圧降下が無視できる程度であることか
ら、薄膜発熱抵抗体の発熱ムラによる発色濃度ムラも小
さくなり、マトリクス配線などの電極パターンの設計が
自由になる。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〜５００ｑｏの基板加熱を行
うことによって、基板と薄膜発熱抵抗体との密着性が向
上し、膜の安定性に効果がある。

次に実施例に基づいて説明する。

（実施例 １） １１００ｑｏでホットプレスした５インチ径の磁化バナ
ジウムＶＢ〔米国リサーチ社製、純度９９％〕のターゲ
ットを用いて、充分に洗浄されたガラス厚５０仏ｍのグ
レーズドアルミナ基板を３００℃に基板加熱しながらア
ルゴン圧力４×１０‐２Ｔｏｎ、酸素圧３×１０‐３Ｔ
ｏｍ、混合ガス雰囲気中で高周波２極スパッタリングを
行った。

スパッタ率は２００Ａ／分、投入パワーは３．０Ｗ／の
で５分間スパッタしたところ、１０００Ａの膜厚の薄膜
発熱抵抗体が得られた。比抵抗は１２００〃○仇、面積
抵抗は１２００／口であった。この膜の組成をイオンマ
イクロアナラィザで調べたところ酸素がバナジウムの０
．２３（原子比）含まれていた。この上にチタン１山Ａ
、アルミニウムをｌＡｍ電子ビーム蒸着で付け、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パタ
ーンを形成し、これをサーマルヘッドＡ，とした。さら
にこの上に保護層として酸化シリコン（Ｓｉ０２）を１
仏ｍ、酸化タンタル（Ｔａ２０５）をｌｏＡｍ連続的に
スパッタで積層し、サーマルへツドんとした。比較の為
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
‐２Ｔｏｍ、窒素分圧が１×１０‐４Ｔｏｎの条件で１
０００Ａの厚さの窒化タンタル薄膜発熱抵抗体のサーマ
ルヘッドＢ，を作成した。この窒化タンタル薄膜発熱抵
抗体は比抵抗が２６０仏○伽で面積抵抗は２６０／口で
あった。サーマルヘッドＢ，に対し、さらに保護膜とし
て酸化シリコン（Ｓｉ０２）をｌＡｍ、酸化タンタル（
Ｔａ２０５）を１０仏ｍ連続的にスパッタで積層し、サ
ーマルヘッド＆とした。これらのサーマルヘッドに対し
て、５０ＨＺで８ｈｓの矩形波を３０分ごとにＩＷ／協
ずつパワーアップしながら加速テストを行った。

この結果を第２図に示す。同図から明らかなように、本
発明にかかる製造方法で作成した薄膜発熱抵抗体を有す
るサーマルヘッドは高印加電力に耐えることができ、高
温での抵抗変化が少し、ことがわかつた。つまり、比較
例では保護膜なしでは実用するのが驚かしいのに対して
、本発明に係るサーマルヘッドは保護膜なしでも実用で
き、保護膜をつけた場合には非常に良い耐熱性が得られ
た。（実施例 ２） １３００ｏｏでホットプレスした６インチ径の棚化バナ
ジウム（Ｖ＆）のターゲットを用いて、充分に洗浄され
たガラス厚５０山ｍのグレーズドアルミナ基板を２０び
０に基板加熱して、アルゴン圧力４×１０‐汀ｏｒｒ、
酸素圧４×１０‐３Ｔｏｎの混合ガス雰囲気中で高周波
２極スパッタリングを行った。

スパッタ率は２００Ａ／分投入パワーは３．０Ｗ／めで
３分間スパッタしたところ、６００△の膜厚の本発明薄
膜発熱抵抗体が得られた。比抵抗は２３００ｒＱ仇、面
積抵抗は３９００／口であった。この上にバナジウム１
０△、アルミニウムを１ムｍ電子ビーム蒸着で付け、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
パターンを形成し、さらにこの上に保護層として酸化シ
リコン（Ｓｉ０２）を２山ｍ、酸化アルミニウム（ＡＩ
２０３）を５ｒｍ連続的にスパッタで積層し、サーマル
ヘッドを作成した。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施したところ、サーマルへッドん
と同様な結果が得られた。

（実施例 ３） ６インチ径の金属バナジウム坂上に、競結した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バナジ
ウム：棚化素およそ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：３×１０‐２Ｔｏｎ酸素
圧２×ｌｏ‐汀ｏｒｒで、ＲＦ．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１０００山○抑、面積抵抗
１２５０／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１仏ｍ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マ
グネシウム（Ｍｇ０）ｌｏＡｍ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
を行ったところ、２１．５ｗ／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に比し
て非常に良好な結果が得られた。

（実施例 ４） ６インチ径の金属バナジウ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ックス基板を４００
ｑＣに基板加熱してアルゴン、ジボラン、酸素混合ガス
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＋酸素の全圧力は３．５×１０‐５Ｔｏｎ、
ジボラン分圧は１．５×１０‐４Ｔｏｒｔ酸素分圧は１
×１０‐４Ｔｏｎで高周波２極スパッタにて１０００△
の膜厚をつけた。面積抵抗は５００／口の（固有抵抗値
は５００仏Ｑ伽）であった。この上にバナジウムを１０
０Ａ、金を１仏ｍ電子ビームで蒸着した後、選択エッチ
ングで４本／職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（Ｎ２
０３）ｌｏＡｍ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
をおこなったところ２１Ｗ／桝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拳化タンタルを
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 ５） 棚化バナジウムの粉末を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３００午０、真
空度２×１０‐６Ｔｏｎまで真空にひいた後、乾燥空気
をニードルバルブで導入しながら真空度５×１０‐６Ｔ
ｏｎで１０００Ａの厚さに電子ビームで蒸着した。

この面積抵抗は約７００／口（固有抵抗値は約７００仏
○肌）であった。次にこの上にチタンを１０Ａ、アルミ
ニウムを１．５仏ｍ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／側の分解能をもったパターンを
形成した後酸化シリコン（Ｓｉ０２）を１仏ｍ、酸化タ
ンタル（Ｔａ２０５）を１０山ｍ連続的にスパッタで積
層し、サーマルヘッドを作成した。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施したところ、サ
ーマルへッドんと同様な良好な結果が得られた。

この膜の組成をイオンマイクロアナラィザで調べたとこ
ろ酸素がバナジウムの０．１６（原子比）含まれていた
。

【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。 菊ｌ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、発熱抵抗体が硼化バナジウムと酸素と
   からなることを特徴とするサーマルヘツド。 ２ 発熱抵抗体において酸素の含有量がバナジウムの０
   ．００５（原子比）以上である特許請求の範囲第１項記
   載のサーマルヘツド。 ３ 発熱抵抗体において酸素の含有量がバナジウムの０
   ．０１〜１．０（原子比）である特許請求の範囲第１項
   記載のサーマルヘツド。 ４ 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項ないし第３項記載のサーマルヘツド。 ５ 酸化タンタルの保護膜を有する特許請求の範囲第１
   項ないし第４項記載のサーマルヘツド。６ 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項ないし第
   ４項記載のサーマルヘツド。 ７ 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項ないし第４項記載のサーマルヘツド。 ８ 硼化バナジウムと酸素とからなる発熱抵抗体をスパ
   ツタリングで製造することを特徴とするサーマルヘツド
   の製造方法。 ９ アルゴン酸素とを含有する混合気体中でスパツタリ
   ングする特許請求の範囲第８項記載の製造方法。 １０ スパツタリングのターゲツトが硼化バナジウムを
   ホツトプレスしたものである特許請求の範囲第８項また
   は第９項記載の製造方法。 １１ 金属バナジウムと硼素とを同時にターゲツトする
   ように配置した特許請求の範囲第８項または第９項記載
   の製造方法。 １２ アルゴンと酸素とジボランとを含有する混合気体
   中でスパツタリングする特許請求の範囲第８項記載の製
   造方法。 １３ 金属バナジウムをターゲツトとする特許請求の範
   囲第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８項ないし第１３項
   記載の製造方法。 １５ 硼化バナジウムと酸素とからなる発熱抵抗体を電
   子ビーム蒸着で製造することを特徴とするサーマルヘツ
   ドの製造方法。 １６ 酸素を含む気体を導入しながら電子ビーム蒸着を
   行う特許請求の範囲第１５項記載の製造方法。 １７ ２００℃〜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１５項または第１６
   項記載の製造方法。