DE3614947C2 - Thermokopf und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Thermokopf und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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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.
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