JPS6038009B2 - サ−マルヘツド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は棚化ニオブ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
触することにより言己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Ｑ
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３００ｏ
ｏ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１０００／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ニオブ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、棚化ニオブと酸素とが原子
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は棚化ニオブと酸素とか
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、アルミニュウム、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。本発明の棚化ニオブ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、アルゴンと酸素の浪合雰囲気中で棚化ニオ
ブのターゲットをスパッタリングする方法、棚素と金属
ニオブを同時にターゲットとする方法、金属ニオブのみ
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
化ニオブをターゲットとする場合 例えば石英皿等の上に棚化ニオブ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１１００００以上の真空
ホットプレスにより競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。

また棚素と金属ニオブを同時にターゲットとする場合に
は側素と金属ニオブを混合するか、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−かｏｎ〜１×１０‐ＩＴ
ｏｒｒがよい。また、金属ニオブ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ー
タリングを行う場合には全ガス圧１×１０‐２Ｔｏｎ〜
５×１０‐ＩＴｏｎ、好ましくは１×１０‐２Ｔｏｍ〜
５×１０‐２Ｔｏｎ、そのなかでジボランの分圧は全圧
の１〜１０％、好ましくは２〜６％である。

上記のいずれのスパック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ニオブの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難かしく耐
熱性も悪くなるのでニオブの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１００山○ｃの〜５０００仏Ｑ弧ま
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、棚化ニオブの粉末を約１００ｋ９／泳以
上の圧力でプレスしてタブレットを作り１×１０‐４Ｔ
ｏｎ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ニオブの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ニオブと酸
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〈なって耐摩耗性が改良さ
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２００ｏｏ〜５００００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インチ径の棚化ニオ
ブＮｂ馬〔米国ペントロン社製、純度９９．８％〕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３００００に基板加熱しな
がらアルゴン圧力４×１０‐２Ｔｏｍ、酸素圧３×１０
‐３Ｔｏｒｒ、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分間スパツタしたところ、１０００Ａの膜厚の薄膜
発熱抵抗体が得られた。比抵抗は７００仏○狐、面積抵
抗は７００／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タンタルの０．２２
（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／側の分解館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１Ａｍ、
酸化タンタル（Ｔａ２０５）を１０仏ｍ連続的にスパッ
タで積層し、サーマルヘッドふとした。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８×１０‐２Ｔ
ｏｎ、窒素分圧が１×１０‐４Ｔｏｎの条件で１０００
Ａ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−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〃ｍ、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
れらのサーマルヘツド‘こ対して、５０ＨＺで＆ｈｓの
矩形波を３０分ごとにｌｗ／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インチ径の棚化ニオ
ブのターゲットを用いて、充分に洗浄されたガラス厚５
０仏ｍのグレーズドアルミナ基板を２００つ０に基板加
熱して、アルゴン圧力４×１０‐２Ｔｏｍ、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２００ム／分、投入パワーは３．帆／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１３００舷Ｑ肌、面
積抵抗は２１５０／０であった。この上にバナジウム１
０ＡアルミニウムをｌＡｍ電子ビーム黍着で付け、選択
エッチングで４本／肋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（ＳｉＱ）を２仏ｍ、酸化アルミニウム（ＡＩ２Ｑ
）を５〃ｍ連続的にスパッタで薄層し、サーマルヘッド
を作成した。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。

（実施例 ３） ６インチ径の金属ニオブ板上に、焼結した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ニオブ：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：３×１０‐２Ｔｏｎ、
酸素圧２×１０‐３Ｔｏｍで、Ｒ．Ｆ．２極でスパツタ
した。スパッタ率は１００Ａ／分で８分間スパッタした
ところ８００Ａの膜厚、固有抵抗値６００〃Ｑの、面積
抵抗７５０／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山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）１０山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、２２．５Ｗ／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インチ径の金属ニオブ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、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
ジボラン十酸素の全圧力は３．５×１０‐２Ｔｏｍ、ジ
ボラン分圧は１．５×１０−４Ｔｏｒ「酸素分圧は１×
１０−４Ｔｏｒｒで高周波２極スパッ外こて１０００Ａ
の膜厚をつけた。面積抵抗は３００／口（固有抵抗値は
３００仏○抑）であった。この上にバナジウムを１００
Ａ、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（ＡＩ２
０３）ｌｏ仏ｍをスパッタで種層した。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／地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
） 棚化ニオブの粉末を１００ｋ９／仇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３００ｑｏ、真空度
２ｘｌｏ−６Ｔｏｒｒ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５×１０‐６Ｔｏ
ｒｒで１０００Ａの厚さに電子ビームで蒸着した。

この面積抵抗は約４００／口（固有抵抗値は約４００〃
○肌）であった。次にこの上にチタンを１０Ａ、アルミ
ニウムを】．５ム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（Ｓｊ０２）を１Ａｍ、酸化タ
ンタル（Ｔａ２０５）を１０一ｍ連続的にスパッタで糟
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
ろ酸素がニオブの０．２０（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。 東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、発熱抵抗体が硼化ニオブと酸素とから
   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ニオブの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ニオブの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 硼化ニオブ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ニオブをホツ
   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 金属ニオブ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 金属ニオブ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
   記載の造方法。 １５ 硼化ニオブ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。