JPS63146401A - 薄膜発熱抵抗体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ジュール熱を利用する薄膜面状ヒータ、薄膜
型サーマルヘッド等に用いる薄膜発熱抵抗体に関するも
のである。

従来の技術 一般に、薄膜発熱抵抗体は、ジュール熱を利用する薄膜
型サーマルヘッド薄膜面状ヒータ等に用いられるが、本
明細書では、主に、薄膜型サーマルヘッドについて述べ
ることとする。

さて、熱印字記録に用いられるサーマルヘッドは、絶縁
性基板上に複数個の発熱抵抗体および、前記熱抵抗体に
電力を供給するための電極を設け、個々の発熱抵抗体に
電力を供給することにより、ジュール熱を発生させ、こ
れにより、印字記録を行なうものである。

これらに用いる発熱抵抗体としては、薄膜発熱抵抗体が
熱応答性が良く、高解像度化でき、信卸性が高く、また
、消費電力が小さい等の点で、優れている。

従来薄膜発熱抵抗体としては、たとえば、特開昭５２−
１４３８４１号公報にある通り、Ｔａ　−５ｉ合金等が
、耐熱性に優れている。しかしながら、近年のサーマル
ヘッドの熱印字記録の高速化を実現させるためには、数
ミリ秒の短かい印字パルスにより、記録を行なわなけれ
ばならず、そのためには、薄膜発熱抵抗体に大電力を投
入し、４００℃以上もの温度を発生させる必要がある。

加えて、高電力化は、薄膜発熱抵抗体の抵抗値を大きく
しない限り、必然的に電流が大きくなるため、次の２つ
の問題を生じる。１つは、薄膜発熱抵抗体の抵抗値に対
して、薄膜発熱抵抗体に電力を供給する電極の抵抗値が
無視できなくなるため、電極の長さの差異により、各薄
膜発熱抵抗体の発熱量が異なり、記録パターンに濃度差
を生じたり、また特に、高解像度化した際に、電極にお
ける電力消費が問題になる。これを避けるには、電極の
厚さを極端に大きくすることが考えられるが、このとき
構造上、大きな不都合を生じる。もう１つは、加熱用電
源スイッチング回路等の駆動系の電流容量を大きくしな
ければならない等の問題が生じる。

以上の点から、薄膜発熱抵抗体としては、高温安定性と
、高抵抗値の実現が可能であることの２つが最低限必要
である。これらの点から前記Ｔａ−３ｉ合金を考えると
、Ｔａ−３ｉ合金は、耐熱性が安定な組成域において、
比抵抗が、２００〜２５０μΩ−１程度と小さく、した
がって大きな抵抗値、たとえば、１０００Ωの抵抗値（
最近の技術の流れでは、これ以上の抵抗値も要求されて
いる）を得るためには、Ｌ／Ｗ＝２　（Ｌは、発熱体長
さ、Ｗは幅）として、膜厚が５０人程度と薄く、製造時
の制御が難しい上に、この程度の膜厚になると、導電キ
ャリアの膜面散乱などの薄膜のサイズ効果により、膜の
再現性が得られなかったり、また膜質としても不安定に
なる。これを避けるためには、Ｔａ−３ｉ合金の厚みを
大きくし、蛇行形状等にパターン形成し、前記り長を増
すことに依り抵抗値を上げることも可能であるが、高解
像度化する際、この方法は、製造上能しい。また、Ｔａ
−３ｔ合金は、短パルス巾駆動時の耐熱性がなお十分で
なく、したがって、Ｔａ−３ｉ合金は、サーマルヘッド
に要求される高速化、高耐熱化の点で十分なものではな
かった。

以上の点を解決するためには、高耐熱で高比抵抗な薄膜
発熱抵抗体が必要であり、このために、遷移金属、炭素
、珪素よりなるもの、たとえば、チタン炭化物と炭化珪
素でなる薄膜発熱抵抗体を用いれば、制御性良く高耐熱
性、高比抵抗のいずれも満足できるわけであるが、ここ
で、次の問題が存在する。

Ｔｌｌ　　耐酸化性 （２）　　製造プロセスにおけるシート抵抗の変動（１
）については、たとえば、チタン炭化物と炭化珪素であ
る薄膜発熱抵抗体（以降ＴｉＣ−３ｉＣと略記する）は
、通常ＴｉＣとＳｉＣの焼結体をターゲットとし、スパ
ッタリングにより形成される。この際、スパッタリング
時の入射イオンの持つ高いエネルギーによる解離現象の
ため、形成される薄膜の組成は、必ずしも化学量論的組
成のＴｉＣとＳｉＣの混合物ではな（、また、スパッタ
リングで形成した膜は、一般にアモルファス状態でガス
を内蔵しやすい等の性質も有し、これらにより、耐酸化
性が十分でない０通常、サーマルヘッドは、薄膜発熱抵
抗体上に、紙に印字する際の接触摩耗を防ぎ、かつ酸化
を防止するための保護層を形成するため、酸素が遮断さ
れ、ＴｉＣ−３ｉＣは、極めて良好な耐熱性を有する。

しかし保護層にピンホール等の形成不良がある際、そこ
を通して薄膜発熱抵抗体が酸化され、寿命が著しく劣化
する等の問題があった。

また（２）のような問題、具体的には、薄膜発熱抵抗体
上に、前述したように、電力供給用の電極を形成するわ
けであるが、この際、この電極層と薄膜発熱抵抗体の界
面には、反応層ができ、パターニングプロセスで、この
反応層が削り取られるため、薄膜発熱抵抗体の形成時の
シート抵抗と、これにパターニングを施した後の仕上り
の抵抗値。

形状から算出されるシート抵抗の間に、良好な再現性が
得られない等の問題があった。

発明が解決しようとする問題点 上述したように従来のサーマルヘッド・の薄膜発熱抵抗
体材料であるＴａ−３ｉ合金は、サーマルヘッドの高速
化、高耐熱化のためには、なお十分な特性を有していな
い、遷移金属、炭素、珪素でなるＦ！膜発熱抵抗体は、
形成温度依存性が小さく、したがって制御性良く作成で
き、高速化、高耐熱化に十分対応できるが、なお、保ｆ
ｆＪ！ｉにピンホール等の欠陥がある際、酸化され寿命
の劣化が著しいと共に、製造プロセス変動により、シー
ト抵抗の良好な再現性が得られないなどの問題があった
。

かかる点から本発明は、サーマルヘッドの高速化、高耐
熱化のために必要な条件、すなわち高抵抗値したがって
高比抵抗で、高温安定性に優れ、高耐熱性を有し、かつ
耐酸化性に冨み、作成時の再現性の良好な薄膜発熱抵抗
体を提供することを主な目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明は、上記問題点を解決するために、薄膜発熱抵抗
体を二層構造とし、下層は、遷移金属。

炭素、珪素でなるもの、特にチタン炭化物と炭化珪素で
なるものを選び、上層が珪素、酸化珪素。

炭化珪素、窒化珪素のいずれかよりなるもの、特に珪素
もしくは酸化珪素でなるもので構成したものである。

作用 上述した構成における下層のチタン炭化物と炭化珪素で
なる材料Ｎ（以降ＴｉＣ−３ｉＣと略記）は、形成温度
依存性が小さく　（低温形成が可能）、制御性良く作成
でき、高温安定性に優れ、耐熱性も良好である。しかし
ながら、保！！層にピンホール等の欠陥がある場合、酸
化により、寿命の劣化が著しい、また、パターン形成時
に、電極との反応層がエツチングにより削り取られたり
、またＴｉＣ−３ｉＣ自体が電極のエツチング液によっ
てエツチングされる等によりシート抵抗の良好な再現性
が得られない等の問題があった。このため、ＴｉＣ−３
ｉＣ上に上層として、珪素もしくは、酸化珪素を適切な
厚さ形成する。このとき、珪素は、その表面の自然酸化
膜が極めて堅ろうであるため、（酸化珪素は言うまでも
ない）、その酸化防止効果により、下層を保護するため
、耐酸化性が飛曜的に向上すると共に、この上層の珪素
、酸化珪素がエツチング液に対するバッファ層になるた
め、上述した下層のＴｉＣ−３ｉＣは、エツチングされ
ず、極めて良好なシート抵抗の再現性を得ることができ
る。加えて、二層構成にしても、ＴｉＣ−３ｉＣのみ（
−引の場合と同様、形成温度依存性が小さく、形成時の
制御性が良い。

以上の通り、下層にＴｉＣ−３ｉＣ，上層に珪素もしく
は酸化珪素からなる材料層を有する二層構造の薄膜発熱
抵抗体は、極めて容易かつ安定に作成することが可能で
、再現性良く、高抵抗で高温安定性、耐酸化性に優れ高
耐熱衝撃性を有するため、たとえば、これに用いること
で、容易に、′ｉ？１ｌｌＩ型サーマルヘッドの高速化
、高耐熱化に対等することができる。

実施例 （実施例１） 第１図（ａｌに本発明における薄膜発熱抵抗体の基本構
成を示す、実施例では、下履材料層にＴｉｃ−ＳｔＣ１
上層材料層に珪素（以降Ｓｉと略記）からなる二層構造
の薄膜発熱抵抗体を用いた。

さて、第１図において、電気的絶縁性基板１上に、スパ
フタリング等の薄膜形成技術により、ＴｉＣ−３ｉＣで
なる下層材料層２と、Ｓｉでなる上層材料層３の二層構
造の薄膜発熱抵抗体４を形成した。第２図にこの薄膜発
熱抵抗体４を大気中で、１時間熱処理した際のシート抵
抗の変化を示す、同図で、横軸は、熱処理温度、縦軸は
、シート抵抗変化率（初期値からの変化）を意味する。

また、曲＆Ｉ５は、本発明の下層材料層ＴｉＣ−３ｉＣ
２と上層材料ＪｉＳｉ３でなる二層構造の薄膜発熱抵抗
体４のシート抵抗変化特性の一例として、上層Ｓｉ厚１
００人でまたシート抵抗が１０００Ω／口の場合につい
て示しである。また、参考として、曲線６は、ＴｉＣ−
３ｉＣのみ（上層Ｓｉなし）　（シート抵抗１０００Ω
／口）のシート抵抗変化特性を示す０曲ｖＡ５，６の比
較から、上層Ｓｊ３は、たかだか１００人の厚さである
にも関わらず、本発明の通り、二層構造の薄膜発熱抵抗
体４とすることで、耐酸化性が飛曜的に向上し、８００
℃においても、酸化せず、シート抵抗変化も小さいこと
は明らかである。これは、上層材料層３１３の表面にで
きる酸化膜が堅ろうで、酸素の侵入を防止するためであ
る。このように本発明の二層構造の薄膜発熱抵抗体４は
、８００℃程度まで耐酸化性を有し、酸化雰囲気中でも
劣化することがないため、酸化防止膜等の保護膜を形成
しないでも、薄膜面状ヒータ等に用いることが可能であ
る。

（実施例２） 第３図に、本発明における薄膜発熱抵抗体の薄膜型サー
マルヘッドへの応用例を示す、同図で、通常サーマルヘ
フドは、実施例１と同様、電気的絶縁性基板１上に、ス
パッタリング等の薄膜形成技術を用い、下層材料１ｉＴ
ｉｃ−３ｉＣ２と、上層材料層Ｓｉ３でなる二層構造の
薄膜発熱抵抗体４を形成し、この上に薄膜発熱抵抗体４
に通電するための電極７を形成した後、フォトリソグラ
フィー技術によりパターン形成し、この上に、絶縁物、
半導体等でなる保護層８（保護層８は、通常、薄膜発熱
抵抗体の酸化防止と、紙に印字する際の接触摩耗を防ぐ
ために存在する）を形成した構成をとる。

第４図に示すように、薄膜発熱抵抗体４をパターン形成
した際の発熱体長さし、発熱体幅Ｗと抵抗値Ｒより、仕
上がり時の薄膜発熱抵抗体４のシート抵抗をＰｓｃａｌ
ｌとすれば、Ｐｓｃａｌｌ−Ｒ＊（Ｗ／Ｌ）であり、こ
れと、薄膜発熱抵抗体４の成膜時のシート抵抗Ｐ３との
関係を、上層材料層Ｓｉ３の有無により、第５図に示す
、同図で、下層ＴｉＣ，−５ｉＣの比抵抗は、２ｍΩ−
（２）の場合を示し、横軸はＰｓ、縦軸は、Ｐｓｃａｌ
を表す。

ライン８は、上層Ｓｉ３がない場合、ライン９は、上層
Ｓｉ３がある場合（Ｓ　１ＪＥ１００人）である。

ライン８より上ＪｉＳｉ３がない場合は、Ｐｓに比して
Ｐｓｃａｌｌは相対的に大きく、Ｐｓ−１，４にΩ／口
程度から大きく直線からずれ、Ｐｓｃａｌは急激に増大
する。これに比して、ライン９は、ＰｓとＰｓ（ａｊが
ほぼ同一で、Ｐｓ−２にΩ／口程度まで直線性を有して
いる。これは、上Ｎ５１３がない場合、電極７と薄膜発
熱抵抗体の界面にできる反応層が、パターン形成プロセ
スのエツチングで削り取られたり、また、薄膜発熱抵抗
体自体が、電極７のエツチング液でエツチングされる等
の問題により、（通常数十人程度、削り取られる）再現
性を損なうと共に、Ｐｓ＝１．４にΩ／口程度から上記
エツチング効果により、Ｐｓｃａｌにおいて、膜厚が１
００人近傍のサイズ効果（表面散乱による抵抗が付加さ
れる）の生じる領域に入るため、ＰＳｃａｌの急激な増
廂につながる。これに比して、上層Ｓｉ３がある場合、
エツチングにより削り取られる領域は、上Ｎ　Ｓ　ｉ　
３の一部で、下・層ＴｉＣ−３ｉＣ２は何ら制約を受け
ない、したがって、下層ＴｉＣ−３ｉＣ２自体が成膜時
にサイズ効果を生じる膜厚１００人程程度したがってＰ
ｓ−２にΩ／口程度までは、Ｐｓ−Ｐｓｃａｊは良好な
直線性を有し、Ｐ　Ｓ、　Ｐ　５ｃａｊｌの値は、はぼ
同一となっている。また、比抵抗の観点からは、上層Ｓ
ｉ３に関して少なくとも本実施例の通りＳｔ厚１００人
までは、上層Ｓｉ３が無い場合と、はぼ同一と考えられ
る。この上層Ｓｉ３の厚みの規定は、膜の形成プロセス
温度により異なり、たとえば、電極７の形成温度を高く
すれば、上層Ｓｉ３への電極７の拡散が生じ、上層Ｓｉ
３に起因するコンタクト抵抗は減少するため、一般的な
、トンネリング現象が生じる１００Å以下に必ずしもす
る必要はない、しかしながら、電極７の拡散度の違いに
よる抵抗バラツキが生じることも考えられるため、上層
Ｓｉ３の厚さは、せいぜい２００人程程度限度と考えら
れる。

以上のように、下層ＴｉＣ−３ｉＣと上ＦｉＳｉでなる
二層構造の薄膜発熱抵抗体は、プロセス変動を低減化で
き、したがって良好な再現性が得られると共に、制御可
能なシート抵抗領域が大きくなり、極めて容易に高抵抗
化できる。

次に、本発明の薄膜発熱抵抗体を、第３図に示す構造と
し、耐熱衝撃性を調べた。第６図は、連続パルス印加試
験の結果である。試験条件としては、印加パルス中１　
、　０５ｓｅｃ、周Ｍ２０　ｍ５ｅｃ、印加電力密度６
４Ｗ／ｍｍ２として連続パルス印加した。同図で、横軸
は、パルス印加回数、縦軸は、抵抗変化率を表わす（抵
抗変化率が＋５％を越えたパルス回数を寿命とする）、
ラインｌＯは、従来の薄膜発熱抵抗体であるＴａ−３＋
金合金５００℃形成）、ライン１１．１２は、いずれも
、本発明の上１ｓｉ（厚さ１００人）、下層ＴｉＣ−３
ｉＣの二層構造の薄膜発熱抵抗体で、各々３５０℃、６
５０℃で形成したものである。

ライン１０〜１２より、本発明の薄膜発熱抵抗体は、従
来のＴａ−Ｓｉ合金に比して、格段に耐熱性が向上して
いると共に、形成温度が、３５０〜６５０℃の違いにも
関わらず、特性に差がない等から低温形成が可能である
と共に、形成温度の制御範囲を広く取うても、抵抗値の
再現性が良好である。また、第３図の保護層８を形成し
ないものについても、ライン１１．１２とほぼ同一の特
性を有し、酸化による劣化は生じなかった。したがって
、本発明における薄膜発熱抵抗体は、制御性。

再現性良く容易に高抵抗化することが可能で、また耐熱
性、耐酸化性に優れ、これを用いた薄膜型サーマルヘッ
ドは、極めて信頼性が高く、容易に、高速化、高耐熱化
が図れる。これ以外にも、摩耗性に問題がない範囲で、
保護層８を薄くすることが可能であると共に、保１ｉｉ
ｓにピンホールなどの欠陥がある場合、この欠陥を通し
て、水が侵入し、電解腐食が生じる等の点を、上層Ｓｉ
３により防止する作用等もある。

また、これに加えて、本発明の薄膜発熱抵抗体を用いる
と、たとえば、電極７、保１［Ｎ８は、通常、スパッタ
リング等の薄膜形成技術（真空等の非酸化性雰囲気技術
）を用いて形成されるが、これらを、印刷焼成形成する
技術、たとえば、１を極７にを機会、保護層８に、ガラ
スを、印刷焼成する等、８００℃程度の大気中焼成を必
要とする技術を適用しても、信頼性良くサーマルヘッド
を作成することができる等、プロセスの自由度も大幅に
増大する。

以上述べてきた通り、下層材料層ＴｉＣ−８ｒ　Ｃｓ上
層材料層Ｓｉでなる二層構造の薄膜発熱抵抗体は、形成
温度依存性が小さく、制御ｌ性。

再現性良く容易に高抵抗化でき、また、耐熱性。

高温安定性、耐酸化性が極めて優れており、信頼性、性
能の高い薄膜型サーマルヘッド、薄膜ヒータ等を容易に
実現することができる。

なお、本実施例１．２では、下層材料層にＴｉＣ−３ｉ
Ｃを用いたが、これ以外の遷移金属。

炭素、珪素の混合物を用いても、これらの混合物は、い
ずれも形成温度依存性が小さく、高抵抗化が可能で高耐
熱性を有するため、これらを用いても、同様な効果があ
った。加えて、下層材料層にＳｉを用いたが、これ以外
にも、酸化珪素は、掻めて酸化防止効果が高く、また炭
化珪素、窒化珪素なども、表層に存在する自然酸化膜の
酸化防止効果により、同様の効果があった。

発明の効果 以上述べてきたように、本発明は、下層に遷移金属、炭
素、珪素によりなる材料層、上層に珪素。

酸化珪素１炭化珪素、窒化珪素のいずれかよりなる材料
層を有する二層構造の薄膜発熱抵抗体で、形成温度依存
性が小さく、制御性、再現性良く容易に高抵抗化でき、
耐熱性、高温安定性、耐酸化性に極めて優れており、た
とえば、これを用いた薄膜型サーマルヘッドは、容易に
、高速化、高耐熱化、信頼性の向上に対応でき、その工
業的価値は非常に高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における薄膜発熱抵抗体の基本構成断面
図、第２図は同抵抗体の耐酸化性を示す特性図、第３図
は本発明の薄膜発熱抵抗体の一実施例としての薄膜型サ
ーマルヘッドの構造断面図、第４図は同ヘッドのシート
抵抗のプロセス変動を説明するための説明図、第５図は
シート抵抗のプロセス変動を示す特性図、第６図は耐熱
衝撃性を示す特性図である。 ２・・・・・・下層材料層、３・・・・・・上層材料層
、４・・・・・・薄膜発熱抵抗体。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第１図 第２図 大気上相ら４茄友（Ｃ） 第３図 第４図 第５図 ）、５（１＝：ｎ／ロジ 第６図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）下層が遷移金属、炭素、珪素によりなる材料層、
   上層が、珪素、酸化珪素、炭化珪素、窒化珪素のいずれ
   かよりなる材料層で構成されたことを特徴とする薄膜発
   熱抵抗体。
2. （２）下層の遷移金属がチタンである特許請求の範囲第
   （１）項に記載の薄膜発熱抵抗体。
3. （３）下層の遷移金属、炭素、珪素によりなる材料層が
   、チタン炭化物と炭化珪素の混合物である特許請求の範
   囲第（１）項に記載の薄膜発熱抵抗体。
4. （４）下層がチタン炭化物と炭化珪素の混合物でなる材
   料層、上層が、珪素、酸化珪素のいずれかよりなる材料
   層で構成される二層構造を有する特許請求の範囲第（１
   ）項に記載の薄膜発熱抵抗体。