DE3614947C2 - Thermokopf und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Thermokopf und ein Verfahren zu dessen Herstellung, insbesondere eine kristalline Struktur in einer Heizfolie eines Thermo­ kopfes.

Es gibt ein thermisches Aufzeichnungssystem, das auf thermischem Wege Bildinformationen dadurch aufzeichnet, daß ein thermisch aufzeichnender Kopf (ein Thermokopf) in gleitende Berührung mit dem Aufzeichnungsmedium ge­ bracht wird; dieser Thermokopf umfaßt Widerstands-Heiz­ elemente, die jeweils entsprechend der Bildinformation selektiv erhitzt werden. Da in neuerer Zeit Heizelemente mit guter Leistung und wärmeempfindliche Materialien entwickelt wurden, richtet sich nunmehr zunehmende Auf­ merksamkeit auf dieses System.

Die in einem solchen System zur thermischen Aufzeichnung eingesetzten Thermoköpfe lassen sich in drei Typen einteilen, nämlich Thermoköpfe vom Dickfilm-, vom Dünn­ film und vom Halbleiter-Typ. Nach herrschender Ansicht bedürfen von diesen drei Typen die Thermoköpfe vom Dick­ film- und vom Halbleiter-Typ im gegenwärtigen Stadium noch weiterer wissenschaftlicher Erforschung, da die bei diesen Typen eingesetzten Heizwiderstände in vielen Punkten nicht vollständig bekannt sind, darunter auch die Änderungen der physikalischen Eigenschaften der Widerstände mit der Zeit, wenn sie wiederholten Thermoschocks und Wärmeimpulsen hoher Temperatur ausge­ setzt werden.

Andererseits hat der in dem Thermokopf vom Dünnfilm-Typ eingesetzte Widerstand eine relativ kurze Lebensdauer, wenn unter harten Bedingungen gearbeitet wird, eignet sich jedoch wegen seiner geringen Wärmekapazität für das Drucken mit hoher Geschwindigkeit. Außerdem ist dieser Typ in bezug auf sein Bindungsvermögen an das Substrat gut und in seiner mechanischen Festigkeit hervorragend. Aus diesen Gründen findet der Thermokopf vom Dünnfilm- Typ Beachtung bei der zunehmenden Nachfrage nach Geräten für das Hochgeschwindigkeits-Drucken.

Der Thermokopf vom Dünnfilm-Typ umfaßt gewöhnlich ein isolierendes Substrat, eine auf dem Substrat gebildete gestreifte Schicht, eine auf der gestreiften Schicht aufgebrachte Heizwiderstands-Schicht, eine Mehrzahl auf der Widerstandsschicht nebeneinander befindlicher Elek­ troden zur Versorgung der Widerstands-Schicht mit elek­ trischer Energie sowie eine auf die Elektroden auf ge­ tragene Schicht aus einem gegen Reibungsverschleiß be­ ständigen Material.

Die Heizwiderstands-Schicht besteht im allgemeinen aus Tantalnitrid (Ta₂N), Nichrome (NiCr), Tantal-Silicium­ dioxid (Ta-SiO₂) oder dergleichen.

Von diesen Stoffen wird Tantalnitrid, das nicht in der Natur vorkommt, durch ein Verfahren der reaktionsfähigen Zerstäubung hergestellt. Im einzelnen wird, wie bei­ spielsweise in der US-PS 3 763 026 beschrieben Tantal als Target in einer Atmosphäre aus einer Mischung aus Argon und Stickstoff zerstäubt, wodurch Tantal-Atome emittiert werden. Diese Atome reagieren mit dem Stick­ stoff-Gas unter Bildung eines dünnen Tantalnitrid-Films. Die Zusammensetzung des gebildeten dünnen Films variiert in Abhängigkeit von dem Partialdruck des Stickstoffs während der Zerstäubung, und entsprechend damit vari­ ieren auch die physikalischen Eigenschaften des Dünn­ films. Somit hängen die Charakteristika des Films stark von dem Aufbau der Zerstäubungsapparatur und den Bedin­ gungen der Film-Herstellung ab. Aus diesem Grunde wird der Dünnfilm, der für die Heizwiderstände Verwendung findet, in einem Bereich hergestellt, in dem der spezi­ fische Widerstand und der Temperatur-Koeffizient des spezifischen Widerstandes sich mit einer Änderung des Stickstoff-Partialdrucks nur in geringem Maße ändern, d. h. in einem als Plateau bezeichneten flachen Bereich, der in Fig. 8 dargestellt ist, in der der spezifische Widerstand und TCR über dem Stickstoff-Partialdruck aufgetragen sind. Aus JP-PS 57-83 473 ist ein Thermokopf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.

Wenn die Absicht besteht, den Thermokopf für den Druck mit hoher Geschwindigkeit zu betreiben, muß im übrigen eine große elektrische Energie wiederholt, wenn auch nur momentan, an die Heizwiderstände des Thermokopfes ange­ legt werden, was bewirkt, daß die Qualität der Tantal­ nitrid-Schicht, wie oben erwähnt wurde, rasch vermindert wird. Aus diesem Grunde besteht eine starke Nachfrage nach einem Heizwiderstand, der eine lange Betriebsdauer und eine hohe Zuverlässigkeit im Betrieb besitzt.

Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Thermokopf mit langer Betriebsdauer und einer hohen Zu­ verlässigkeit im Betrieb verfügbar zu machen.

In einem Thermokopf gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Heizschicht aus Tantalnitrid hergestellt, die in (101)-Ebene ausgerichtet ist.

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Thermokopfes gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Heizfolie ein Film aus Tantalnitrid (Ta₂N), das mittels eines Ver­ fahrens der reaktiven Zerstäubung gebildet wird, bei dem der Stickstoff-Partialdruck so eingestellt wird, das das Tantalnitrid in der (101)-Ebene ausgerichtet wird.

Das heißt, daß die vorliegende Erfindung unter Beachtung der Tatsache durchgeführt wird, daß das durch das Ver­ fahren der reaktiven Zerstäubung hergestellte Tantal­ nitrid unterschiedliche kristalline Strukturen sogar innerhalb seines Plateau-Bereichs besitzt und der Un­ terschied der Kristallstrukturen des als Material der Heizwiderstands-Schicht verwendeten Tantalnitrids eine unterschiedliche Haltbarkeit der Heizwiderstands-Schicht gegenüber wiederholten Wärmeimpulsen verursacht. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Tantalnitrid-Film gebildet, der in einem Teil des Plateau- Bereichs, in dem der Stickstoff-Partialdruck niedriger ist, in der (101)-Ebene ausgerichtet ist.

Gemäß dem Verfahren der reaktiven Zerstäubung kann ein in der (101)-Ebene ausgerichteter Tantalnitrid-Film in einfacher Weise dadurch erhalten werden, daß man den Stickstoff-Partialdruck im Bereich von 1,0×10^-2 bis 1,9×10^-2 steuert.

Die Verwendung des Heizwiderstands-Films mit einer solchen kristallinen Struktur macht es möglich, einen Thermokopf herzustellen, der über die Zeit stabil und in seinem Betrieb hochgradig zuverlässig ist.

Fig. 1 zeigt eine Querschnitt-Ansicht eines Teils eines Thermokopfes gemäß einer Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung.

Fig. 2 zeigt das Ergebnis einer Struktur-Analyse eines in dem gleichen Thermokopf eingesetzten Heizwiderstands- Films, wenn der Film einer Röntgenbeugung unterzogen wird.

Fig. 3 zeige Variationen des Widerstands des Thermo­ kopfes der Ausführungsform und eines Thermokopfes des Standes der Technik, wenn diese Thermoköpfe einem Test unter zunehmender Belastung ausgesetzt werden.

Fig. 4 zeigt Variationen des Widerstands des Thermo­ kopfes der Ausführungsform und eines solchen des Standes der Technik, wenn die Köpfe einem Test unter kontinu­ ierlicher Impuls-Einwirkung unterzogen werden.

Fig. 5 zeigt die Zusammenhänge zwischen dem Stickstoff- Partialdruck, dem spezifischen Widerstand und TCR zum Zeitpunkt der Bildung eines Tantalnitrids durch ein Radiofrequenz-Magnetron-Zerstäubungsverfahren.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Ergebnisse der Struktur-Analyse von Tantalnitrid-Filmen, die bei einem Stickstoff-Par­ tialdruck von 2,0×10^-2 Pa und einem Stickstoff-Par­ tialdruck von 2,5×10^-2 Pa gebildet worden waren, wenn die Filme jeweils einer Röntgenbeugungsuntersuchung unterzogen werden.

Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung, die den charakteristischen Bereich hervorhebt, der für einen Heizwiderstands-Film in einem Thermokopf des Standes der Technik verwendet wird.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 im Schnitt einen größeren Teil eines Thermokopfes der vorliegenden Erfindung, der ein Aluminiumoxid-Substrat 1, eine auf dem Substrat gebil­ dete gestreifte Schicht, eine aus Tantalnitrid (Ta₂N) mit einer Gitterstruktur mit hexagonal-dichtester Kugel­ packung (h.c.p) bestehende dünne Heizwiderstands-Schicht 3, die in (101)-Ebene ausgerichtet ist, einen Nichrome- Dünnfilm 4a und Gold-Dünnfilme 4b als Elektroden für die Zufuhr elektrischer Energie zu der Heizwiderstands- Schicht 3, einen Siliciumdioxid-Film 5 als einen säure­ beständigen Film, der auf diese Filme als Schicht aufge­ tragen ist, sowie einen Tantalpentoxid-Film 6 als einen gegen Reibungsverschleiß beständigen Film; diese Filme, die Schicht und das Substrat bilden einen Abschnitt R eines Heizwiderstands-Elements. Eine Mehrzahl solcher Abschnitte R liegen mit einer Dichte von 8 Abschnitten­ /mm nebeneinander.

Im Folgenden wird das Verfahren zur Fertigung des Thermokopfes erläutert. Zunächst wird mit Hilfe einer Radiofrequenz-Magnetron-Zerstäubungsapparatur die Zer­ stäubung auf das Aluminiumoxid-Substrat 1 durchgeführt, auf dem die gestreifte Schicht 2 unter einem Zerstäu­ bungsdruck von 0,55 Pa und einem Stickstoff-Partialdruck von 1,5×10^-2 Pa und mit einer Radiofrequenz(RF)- Leistung von 0,5 kW unter Einsatz von Ta als Target erzeugt wird, wodurch ein Dünnfilm 3 aus Tantalnitrid (Ta₂N) gebildet wird. Wie aus den Ergebnissen der Analyse der Kristallstruktur mittels Röntgenbeugung in Fig. 2 hervorgeht, hat der dünne Tantalnitrid-Film der Heizwiderstands-Schicht 3 eine (h.c.p)-Struktur, die in der (101)-Ebene ausgerichtet ist.

Mittels Durchführen eines bekannten Verfahrens des Photoätzens an dem so gebildeten Film 3 kann eine Heiz­ widerstands-Schicht mit einem gewünschten Muster des Heizwiderstandes gebildet werden.

Dann werden der Nichrome-Film 4a und der Gold-Dünnfilm 4b nacheinander mittels eines Aufdampfungsverfahrens als Schichten auf dem Muster des Heizwiderstandes erzeugt und einem ähnlichen Verfahren des Photoätzens unter­ zogen, wodurch ein Elektroden-Muster gebildet wird.

Schließlich werden nacheinander der säurebeständige Siliciumdioxid-Film 5 sowie der gegen Reibungsverschleiß beständige Tantalpentoxid-Film 6 gebildet.

Der auf diese Weise erhaltene Thermokopf wurde einem Test unter zunehmender Belastung unterzogen, dessen Ergebnisse durch die Kurve a₁ in der Fig. 3 wiedergege­ ben sind. Die Kurve a₁ zeigt, daß die Rate der Änderung der Widerstände ΔR/R₀ sehr klein ist und die Durch­ bruchsleistung immerhin 1,85 W/Punkt beträgt, was die Standfestigkeit gegen eine hohe Leistung bezeichnet.

In dem Test unter zunehmender Belastung wird ein Impuls angemessener Leistung mit einer Impulsbreite von 1 ms und einer Periode von 100 Hz eine vorher festgelegte Zeitspanne (in dieser Ausführungsform 3 min) an den Thermokopf angelegt, eine vorher festgelegte Zeitspanne (5 min) angehalten, und dann werden die Änderungen ΔR in bezug auf den Anfangswiderstand R₀ gemessen. Danach wird die angelegte Leistung erhöht, und die Änderungen ΔR in bezug auf den Anfangswiderstand R₀ werden in der gleichen Weise gemessen. In der Fig. 3 bezeichnet die Ordinatenachse ΔR/R₀, und die Abszissenachse bezeichnet die angelegte Leistung (W/Punkt).

Fig. 4 zeigt die Ergebnisse eines Tests unter kontinu­ ierlicher Impuls-Einwirkung auf den Thermokopf anhand der Kurve b₁. In diesem Fall liefert der Test gute Ergebnisse.

In dem Test unter kontinuierlicher Impuls-Einwirkung wird ein Impuls von 0,6 W/Punkt mit einer Impulsbreite von 1 ms und einer Periode von 200 Hz kontinuierlich auf den Thermokopf zur Einwirkung gebracht. Die Änderungen ΔR in bezug auf den Anfangswiderstand R₀, die durch die Zunahme der Zahl der Impuls-Einwirkungen verursacht wird, wird gemessen.

Zum Vergleich zeigen die Kurven in der Fig. 5 die Be­ ziehungen zwischen dem spezifischen Widerstand p (µΩ cm), TCR (ppm/°C) und dem Stickstoff-Partialdruck pN₂ (x10^-2 Pa) dünner Filme, die mittels des RF-Magne­ tron-Zerstäubungsverfahrens unter den gleichen Bedingun­ gen wie in der Ausführungsform erhalten wurden, ledig­ lich mit der Abweichung, daß der Stickstoff-Partialdruck pN₂ innerhalb eines Bereichs von 0 bis 7×10^-2 Pa verändert wurde, wobei schwarze Punkte den spezifischen Widerstand bzw. weiße Punkte den TCR bezeichnen.

Filme, die einem Plateau-Bereich in Fig. 5 entsprachen, wurden mittels Röntgenbeugung untersucht, und die Fig. 6 und 7 zeigen die Ergebnisse der betreffenden Kristall­ struktur-Analysen. D.h. die Fig. 6 und 7 zeigen Tantal­ nitrid-Filme, die bei Stickstoff-Partialdrücken von 2,0×10^-2 bzw. 2,5×10^-2 Pa erhalten wurden. Wie aus diesen Zeichnungen deutlich hervorgeht, wird Tantalni­ trid (Ta₂N) mit einer in der (002)-Ebene ausgerichteten (h.c.p)-Struktur gebildet, wenn der Stickstoff-Partial­ druck pN₂ 2,0×10^-2 Pa beträgt, während sowohl ein Tantalnitrid (Ta₂N) mit der (h.c.p)-Struktur als auch ein Tantalnitrid (Ta₂N) mit einer kubisch flächenzen­ trierten (f.c.c) Gitterstruktur gebildet werden, wenn der Stickstoff-Partialdruck pN₂ 2,5×10^-2 Pa beträgt.

Thermoköpfe, die unter Einsatz von Tantalnitrid-Filmen gefertigt waren, die mittels des RF-Magnetron-Zerstäu­ bungsverfahrens unter den gleichen Bedingungen wie in der Ausführungsform erhalten wurden, lediglich mit der Abweichung, daß der Stickstoff-Partialdruck pN₂ auf die Werte 2,0×10^-2 Pa, 2,5×10^-2 Pa und 5,0×10^-2 Pa betrugen, wurden in ähnlicher Weise dem Test unter zu­ nehmender Belastung und dem Test unter kontinuierlicher Impuls-Einwirkung (der für 5,0×10^-2 Pa nicht durchge­ führt wurde) unterzogen. Die Fig. 3 und Fig. 4 zeigen die Test-Ergebnisse anhand der Kurven a₂ (2,0×10^-2 Pa), a₃ (2,5×10^-2 Pa), a₄ (5,0×10^-2 Pa) b₂ (2,0×10^-2 Pa) bzw. b₃ (2,5×10^-2 Pa).

Aus dem Vergleich zwischen diesen Kurven a₁ bis a₄ und b₁ bis b₃ geht hervor, daß bei Einsatz der in der (101)- Ebene ausgerichteten dünnen Tantalnitrid-Filme (ent­ sprechend den Kurven a₁ und b₁) in den Thermoköpfen diese eine ausgezeichnete Haltbarkeit gegen Wärmeimpulse sowohl in dem Test unter zunehmender Belastung als auch in dem Test unter kontinuierlicher Impuls-Einwirkung aufweisen.

In der Ausführungsform der Erfindung wird mit einem Stickstoff-Partialdruck, der 1,0 bis 1,9×10^-2 Pa beträgt, ein Thermokopf mit einem in der (101)-Ebene ausgerichteten Tantalnitrid-Film erhalten. Wenn der Stickstoff-Partialdruck kleiner als 1,0×10^-2 Pa ist, wird das Verfahren der reaktiven Zerstäubung in dem Plateau-Bereich durchgeführt, wodurch es schwierig wird, einen Thermokopf mit guter Leistung auf stabile Weise herzustellen. Wenn andererseits der Druck höher als 1,9×10^-2 Pa ist, wird der Tantalnitrid-Film in einer anderen als der (101)-Ebene ausgerichtet, was die Lebensdauer des Thermokopfes verkürzt und seine Zuver­ lässigkeit vermindert.

Obwohl in der dargestellten Ausführungsform der Heiz­ widerstands-Film mittels des RF-Magnetron-Zerstäubungs- Verfahrens hergestellt wurde, können auch andere Zer­ stäubungsverfahren, etwa ein Gleichspannungs-Magnetron- Zerstäubungs-Verfahren, eingesetzt werden.

Claims (3)

1. Thermokopf mit einem Elektrodenmuster und einem Heiz­ widerstands-Film aus Tantalnitrid (Ta₂N) zum Drucken von Bild-Informationen durch selektive Zufuhr von Energie zu dem Heizwiderstands-Film, so daß der Film den Bild- Informationen entsprechend erhitzt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Heizwiderstands-Film in der (101)- Ebene ausgerichtet ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Thermokopfes zum Drucken von Bild-Informationen durch selektive Zufuhr von Energie zu dem Heizwiderstands-Film des Thermokopfes, so daß der Film den Bild-Informationen entsprechend erhitzt wird, wobei das Verfahren die Schritte der Bildung eines Elektrodenmusters und der Bildung des Heizwiderstands­ films umfaßt, mittels eines Verfahrens der reaktiven Zerstäubung, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Bildung des Heizwiderstandsfilms einen Schritt der Bil­ dung eines in der (101)-Ebene ausgerichteten Tantalni­ trid-Films unter einem Stickstoff-Partialdruck von 1,0×10^-2 Pa bis 1,9×10^-2 Pa aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren der reaktiven Zerstäubung ein RF-Magne­ tron-Zerstäubungs-Verfahren ist.