JPS6038005B2 - サ−マルヘツド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は棚化ランタン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−パラジウ
ム等を用いた厚勝発熱抵抗体、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‘ま厚膜発熱抵抗体、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〜
３００ム○肌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
ａ２４）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１０００／０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
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こ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ランタと酸素とからなる
発熱抵抗体にある。

この発熱抵抗体においては、棚化ランタンと酸素とが原
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は棚化ランタンと酸素と
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、スバッター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。本発明の棚化ランタン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ラン
タンのターゲットをスパッタリングする方法、棚素と金
属ランタンを同時にターゲットする方法、金属ランタン
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方法等がある。

棚化ランタンをターゲットとする場合、例えば石英皿等
の上に棚化ラン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１１００ｑｏ以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。

また棚素と金属ランタンを同時にターゲットとする場合
には棚素と金属ランタンを混合するか、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‐汀ｏｎ〜５ ×
１０‐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‐勿ｏｎ〜１×１０‐
ＩＴｏｒｒがよい。

また、金属ランタンをターゲットとして、アルゴン、酸
素、ジポ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１×１０‐汀ｏｒｒ〜５×１０‐Ｉ
Ｔｏｒｔ、好ましくはｌｘｌｏ‐２ｒｏｒｒ〜５×１０
‐２Ｔｏｎ、３のなかでジボランの分圧は全力の１〜１
０％、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ランタンの０．００５
以上含有させることができる。

酸素含有量は少なすぎては効果がなく、逆に多すぎると
比抵抗の制御が驚かし〈、耐熱性も悪くなるのでモリブ
デンの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
２００仏Ｑ伽〜５０００仏○仇まで選択可能である。発
熱抵抗体を電子ビーム蒸着で製造する場合には、棚化ラ
ンタンの粉末を約１００ｋ９／泳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。

この時、ニードルバルブ等によって酸素を含む気体を電
子ビーム蒸着中に導入することによって発熱抵抗体中の
酸素含有量をモリブデンの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
発熱抵抗体は棚化ランタンと酸素より成り（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
が少く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２００つ０〜５００ｏｏ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インチ径の棚化ラン
タンいＢ６〔米国Ｒｅｓｅａｒｃｈ社製、純度９９．９
％〕のターゲットを用いて、充分に洗浄ミれたガラス厚
５０〃ｍのグレーズドアルミナ基板を３００ｏＣに基板
加熱しながらアルゴン圧力４×１０‐２Ｔｏｎ、酸素圧
３×１０‐３Ｔｏｎ、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仏○肌、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ランタンの０．
１８（原子比）含まれていた。この上にチタン１０Ａ、
アルミニウムをｌｒｍ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１０山ｍ連続的にス
パッタで穣層し、サーマルへッドんとした。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‐
２Ｔｏｎ、窒素分圧が１×１ｏ‐４Ｔｏｒｒの条件で１
０００△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○
肌で面積抵抗は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１仏ｍ、酸化タンタル（Ｔａ２０５）を１０仏ｍ連
続的にスパッタで穣層し、サーマルヘッド塁とした。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／嫌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簸かしいのに対して
、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） １３００００でホットプレスした６インチ径の棚化ラン
タン（ＬａＢ）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２００
００に基板加熱して、アルゴン圧力４×１０‐汀ｏｒｒ
、酸素圧４×１０‐３Ｔｏｒｒ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２１００仏Ｑ肌、
面積抵抗は３５０Ｑ／口であった。この上にバナジウム
１０△、アルミニウムを１〆ｍ電子ビーム葵着で付け、
選択エッチングで４本／肋の分離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仏ｍ、酸化アルミニウム（Ｎ
２０３）を５仏ｍ連続的にスパッタで種層し、サーマル
ヘッドを作成した。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施したところ、サーマルヘッド
〜と同様な結果が得られた。（実施例 ３） ６インチ径の金属ランタン板上に、糠結した１′４ンチ
径のホウ素板を多数個おいて表面積比で金属ランタン：
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ックス基板を５００
００に基板加熱してアルゴン圧：３×１げびｏｒｒ酸素
圧２×１０‐３Ｔｏｎ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１０４０仏Ｑの、面積抵
抗１３００／口の薄膜発熱抵抗体が得られた。この上に
チタンを１０△、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４本／肌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）１０ムｍ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、２３Ｗ／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インチ径の金属ランタン板をターゲッ
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
つ０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
十ジボラン＋酸素の全圧力は３．５×１０‐２Ｔｏｒｒ
、ジボラン分圧は１．５×１０‐４Ｔｏｒｒ、酸素分圧
は１×１０‐４Ｔｏｒｒで高周波２極スパッタにて１０
００Ａの膜厚をつけた。面積抵抗は５００／口の（固有
抵抗値は５００山Ｑ肌）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／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
（Ｎ２０３）ｌｏＡｍをスパッタで競層した。

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２２．５Ｗ／磯まで抵抗変化率は士
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 ５） 棚化ランタンの粉末を１００ｋｇ／ｃ鰭以上でプレスし
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３００００、真
空度２×１０‐５Ｔｏｒｒ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５×１０‐６
Ｔｏｒｒ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
○ｃの）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〃ｍ、酸化
タンタル（Ｔａ２０５）を１０仏ｍ連続的にスパッタで
種層し、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。

この腰の組成をイオンマイクロアナラィザで調べたとこ
ろ酸素がランタンの０．１５（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。

弟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、発熱抵抗体が硼化ランタンと酸素とか
   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ランタンの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ランタンの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 硼化ランタン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ランタンをホ
   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 金属ランタン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 金属ランタン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 硼化ランタン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項また第１６項
   記載の製造方法。