JPS6038007B2 - サ−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‘ま例えばガラ
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−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
マルヘッドは厚膿発熱抵抗体、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２５０〜３００ｒＱ
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３０００
０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、高遠サ−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ｌｏｏＱノ口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チタン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、棚化チ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姿
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は棚化チタンと酸素とか
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。本発明の棚化チ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、電子ビーム葵着いず
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チタン
のターゲットをスパッタリングする方法、剛素と金属チ
タンを同時にターゲットとする方法、金属チタンのみを
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を行う方法などがある。

棚化チタンをターゲットとする場合、例えば石英皿等の
上に棚化チタンを粉末の状態もしくはプレスした状態で
着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１１００００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。

また棚素と金属チタンを同時にターゲットとする場合に
は棚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‐汀ｏｒｒ〜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‐汀ｏｒｒ〜１×１０‐Ｉ
Ｔｏｒｒがよい。

また、金属チタン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１×１０‐２ＴＯｒｒ〜５×１０‐Ｉ
Ｔｏｎ、好ましくは１×１０‐２Ｔｏｒｒ〜５×１０‐
２Ｔｏｎ、そのなかでジボランの分圧は全圧力の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モリブデンの０．００
５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難かし
く耐熱性も悪くなるのでチタンの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山○肌〜５０００仏○ｃ
の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、棚化チタンの粉末を約１００ｋ９／
均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黍着中に導
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チ
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なくなった耐摩耗
性が改良される。

また電極部での電圧虫蜂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２００００〜５００ｏＣ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インチ径の棚化チタ
ンＴｉＢ２〔三違和化学薬品製、Ｔｉ６８．７０％，Ｂ
３０．７２％〕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
ｏｏに基板加熱しながらアルゴン圧力４×１げびｏｒｒ
、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ｌｏｏＯＡ○地、面積
抵抗は１０００／口であった。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チタンの０．２
６（原子比）含まれていた。この上にチタン１０Ａ、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ｌＡｍ
、酸化タンタル（Ｔａ２０５）を１０ｒｍ連続的にスパ
ッタで積層し、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８×１０‐２
Ｔｏｍ、窒素分圧が１×１ｏ‐４Ｔｏｒｒの条件で１０
００Ａ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山○
抑で面積抵抗は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
続的にスパッタで糠層し、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ａｈｓの矩
形波を３び分ごとにＩＷ／柵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いことがわかつた。つまり、比較例
では保護膜なしでは実用するのが難かしいのに対して、
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インチ径の棚化チタ
ン（ＣｒＢ２）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４×１０‐３Ｔｏｎ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／の
で３分間スパッタしたところ、６００Ａの膜厚の本発明
薄膜発熱抵抗体が得られた。比抵抗は１９００山Ｑ肌、
面積抵抗は３１０Ｑ／口であった。この上にバナジウム
１０△、アルミニウムを１仏ｍ電子ビーム蒸着で付け、
選択エッチングで４本／帆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インチ律の金属チタン板上に、焼結した１／４ィンチ
径のホウ素板を多数個お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ックス基板を５００
℃に基板加熱してアルゴン圧：３×１０‐２Ｔｏｍ、酸
素圧２×１０‐３Ｔｏｎで、Ｒ．Ｆ．２極でスパツタし
た。スパッタ率は１００Ａ／分で８分間スパツ夕したと
ころ８００△の膜厚、固有抵抗値９２０ＡＱ伽、面積抵
抗１１５０ノロの薄膜発熱抵抗体が得られた。この上に
チタンを１０人、アルミニウムをｌｗｍ電子ビームで蒸
着した後、選択エッチング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）１０仏ｍをスパッタで穣層した。
このサーマルヘツド‘こ対して実施例１と同じ加速テス
トを行ったところ、２２Ｗ／地まで抵抗変化率は土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ツクス基板を４００
℃に基板加熱してアルコン、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３．５×１０‐２Ｔｏｒｒ
、ジボラン分圧は１．５×１０‐４Ｔｏｒｒ酸素分圧は
１×１０４Ｔｏｎ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４３０／口のく固有抵抗値
は４３０ｒＱ肌）であった。この上にバナジウムを１０
０Ａ、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（山２
０３）ｌｏＡｍをスパッタで積層した。

このサーマルヘツド‘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２２．５Ｗ／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 ５）棚化チタンの粉末を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３００００、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プで導入しながら真
空度５×１０‐６Ｔｏｎで１０００Ａの厚さに電子ビー
ムで蒸着した。

この面積抵抗は約５８０／口（固有抵抗値は約５８０仏
○伽）であった。次にこの上にチタンを１０△、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ムｍ、酸化タ
ンタル（Ｔａ２０５）を１０仏ｍ連続的にスパッタで競
層し、サーマルヘッドを作成した。このサーマルヘツド
‘こ対して実施例１と同じ加速テストを施したところ、
サーマルへッドんと同機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
ろ酸素がクロムの０．１８（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 実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、発熱抵抗体が硼化チタンと酸素とから
   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チタンの０．０
   ０５（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チタンの０．０
   １〜１．０（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 硼化チ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８項または第
   ９項記載の製造方法。 １１ 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 金属チ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 硼化チ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。