DE2920446A1

DE2920446A1 - Duennfilm-waermedrucker

Info

Publication number: DE2920446A1
Application number: DE19792920446
Authority: DE
Inventors: Jerome Brian Haase; James Michael Thompson; Adrian Maurice Tobin
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1978-05-24
Filing date: 1979-05-21
Publication date: 1979-11-29
Also published as: IT7922197A0; GB2022019A; CA1113884A; FR2426568A1; US4169032A; JPS54155848A; JPS575187B2; IT1166777B; GB2022019B; FR2426568B1

Description

Dünnf iIm-Wärmedrucker

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 1O5O4

kd/eb

Die Erfindung betrifft einen Wärmedrucker, insbesondere einen DünnfiIm-Wärmedrucker.

Es sind verschiedene Wärmedruckköpfe bekannt, auch solche, die nach der Dünnfilmtechnologie hergestellt wurden. Dünnfilm-Vorrichtungen weisen den Vorteil einer geringen Masse auf, welche ein schnelles Anheben der Temperatur und eine kurze Verweilzeit bei dieser erhöhten Temperatur gestattet, und deshalb können mit DünnfiIm-Vorrichtungen leicht die höheren Druckgeschwindigkeiten, die gegenwärtig in Drucktechnologie angestrebt werden, realisiert werden. Die Dünnfilmtechnologie ist jedoch sehr kostenaufwendig, und deshalb ist jede Vorrichtung oder Technologie, welche die Herstellungskosten und die Verfahrensschritte bei gleichzeitigem Erhalt eines verbesserten Produktes senkt, kommerziell von Bedeutung, insbesondere wenn die Vorrichtungen, die so hergestellt wurden im Hinblick auf den Wettbewerb mit solchen, die nach anderen Herstellungsverfahren und aus anderen Materialien hergestellt wurden, günstig abschneiden.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Dünnfilm-Wärmedruckers und ein Verfahren zu seiner Herstellung, das einfach und kostengünstig durchführbar ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Dünnfilm-Wärmedrucker gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß den Patentansprüchen 4 bis 8.

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Bei der Dünnfilm-Technologie der vorliegenden Erfindung wird ein poliertes Keramiksubstrat in eine Vakuumkammer gebracht und nach der Evakuierung Argon und Stickstoff bis zum Erreichen eines bestimmten Partialdrucks eingeleitet. Während der einmaligen Evakuierung ohne Unterbrechung des Vakuums werden drei Schichten auf die polierte Oberfläche durch Hochfrequenzoder Gleichspannungszerstäuben aufgebracht, und ein Diffusions· sperrschicht wird gebildet. Die erste Schicht besteht aus Tantalnitrid in einer Schichtdicke von 25 bis 100 nm. Nach dem Abscheiden dieser Schicht wird das Verfahren etwa 10 Minuten lang unterbrochen. Während dieser Zeit bildet sich eine Oxynitrid-Diffusionssperrschicht an der Oberfläche der Tantalnitridschicht. Anschließend werden sukzessive Schichten eines beständigen Leiters (Gold) und eine haftvermittelnde Schicht (Tantalnitrid), die die Adhäsion später aufgetragener überzüge zu dem Gold günstig beeinflußt, auf die Unterlage aufgetragen. Im Anschluß an die Abscheidung dieser drei Schichten wird ein gewünschtes Stegmuster von Leitern und Widerstandselementen für den Wärmedruck unter Anwendung der Photolithographie und chemischer ätzverfahren gebildet. Nach dem selektiven Ätzen der drei aufgestäubten Schichten wird ein verschleißfester überzug über das Stegmuster aufgetragen, wobei zuvor auch ein überzug aus abdichtendem Material aufgetragen werden kann. Diese letzten überzüge bedecken im allgemeinen die ganze Oberfläche mit Ausnahme der freigelegten Leiterteile, welche als Endanschlüsse verwendet werden.

Die Erfindung wird anhand der Abbildungen und der speziellen Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen vergrößerten Querschnitt eines Moduls, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, wobei ein Schnitt durch einen Leiter und ein

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Wärmedruckstelle, an der der metallische Leiter unterbrochen ist, gezeigt wird.

Fig. 2 einen vergrößerten Plan eines Wärmedruckmoduls gemäß der Erfindung.

Wie in dem Schnittbild gemäß Fig. 1 gezeigt ist, enthält die Druckkopfstruktur eine keramische Unterlage oder ein Substrat 10 mit einer polierten Oberfläche 11. Auf dieser polierten Oberfläche wird in bestimmten Bereichen eine Tantalnitridschicht 12 gebildet. Eine Sperrschicht aus Oxynitrid ist auf der Tantalnitridschicht angeordnet zur Verhinderung der Diffusion des Goldes 13 über der Tantalnitridschichtschicht 12 in die darunterliegende Schicht 12. Die Goldschicht 10 bildet ein Muster von hochleitenden Stegen, welche selektiv unterbrochen sind und das Widerstandselement für den Wärmedruck 15 bilden, indem der Strom erzwungenermaßen durch die Tantalnitridschicht, welche einen hohen Widerstand aufweist, zwischen den Enden 17 des Goldleitermaterials fließen muß. Das Gold wird auf die darunterliegende Tantalnitridschicht in einer Schichtdicke von 1000 nm aufgestäubt. Da Gold zu passiv ist und eine gute Haftung von Siliciumdioxid auf Gold nicht gewährleistet ist, wird eine zweite Tantalnitridschicht 20 aufgetragen, die eine bessere Verbindung mit den nachfolgend aufgetragenen abriebfesten Schutzüberzügen gestattet. Ein Schutzüberzug wird aus einer Siliciumdioxidschicht 22 und einer Tantaloxidschicht 24 gebildet. Diese passivierenden, verschleiß festen überzüge weisen nicht immer eine stöchiometrische Zusammensetzung auf. Das Siliciumdioxid 22 verhindert eine Oxidation des Tantalnitrid-Wärmewiderstandselements 15, durch das wiederholt ein Strom geschickt wird, um eine hohe Temperatur über 200 C und typischerweise in der Größenordnung von 300 bis 400° C während des Druckvorgangs aufrechtzuerhalten. Der abschließende überzug 24 aus Tantaloxid muß abriebfest sein, weil der Schaltkreis direkt mit dem wärmeempfindlichen Papier

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- 6 in Kontakt ist.

Der Druckkopf, der in Fig. 2 gezeigt ist, wird hergestellt, indem das polierte Keramiksubstrat 10 in eine Vakuumkammer gebracht wird und Tantalnitrid- und Goldschichten durch Hochfrequenz- oder Gleichspannungsaufstäuben aufgetragen werden. Die Vakuumkammer wird auf einen Druck von etwa 1 χ 10~ Torr evakuiert. Die Atmosphäre innerhalb der Kammer wird so eingestellt, daß sie 1 χ 10~ Torr Argon und von 10~ bis 5 χ Torr Stickstoff und 1 χ 1O~ Torr Restgas enthält. Während des Aufstäubens wird normalerweise eine Spannung von 50 bis 200 Volt an das Substrat angelegt, damit der Einbau von Unreinheiten vermieden wird. Die beiden Tantalnitridschichten und die Goldschicht werden dann aufgestäubt, ohne das Vakuum zu unterbrechen. Während des Aufstäubens von Tantalnitrid werden Argon und Stickstoff zugeführt, während des Aufstäubens der Goldschicht dagegen wird nur Argon zugeführt. Während des ersten Teils des Aufstäubens wird eine 20 bis 100 nm dicke Schicht aus Tantalnitrid gebildet, dann folgt eine 10 minütige Pause vor dem Aufstäuben der Goldschicht. Während dieser Pause bildet sich ein Oxynitrid-Diffusionsperrfilm an der Oberfläche der Tantalnitridschicht durch den Stickstoffgehalt des Gases, mit dem der Partialdruck eingestellt wurde und den Sauerstoff der Restatmosphäre innerhalb der Kammer. Die Diffusionssperrschicht verhindert, daß die nachfolgend aufgetragene GoIdchicht die Widerstandswerte der darunterliegenden Tantalnitridschicht nachteilig beeinflußt und macht das Aufbringen einer Sperrschicht aus einer Nickelchromlegierung in einen weiteren Prozeßschritt vor dem Auftragen des Leitermaterials Gold überflüssig. Anschließend wird eine Goldschicht in einer Dicke von 100 bis 1000 nm auf die Tantalnitridschicht, bzw. auf die Oxynitrid-Diffusionsperrschicht aufgestäubt, und eine ,weitere Tantalnitridschicht wird mittels Hochfrequenz- oder jGleichspannungsaufstäuben auf die Goldschicht Aufgetragen. Nach diesen Schritten wird das beschichtete Substrat aus der

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Vakuumkammer entfernt. Unter Anwendung der Photolithographie und chemischer Ätzverfahren werden die Gold- und Tantalnitridschichten selektiv geätzt unter Ausbildung des gewünschten Stegmusters auf dem Substrat. Bereiche aller drei Schichten werden entfernt, beispielsweise die Flächen 25 in Fig. 2 zur Ausbildung des gewünschten Stegmusters. Im Bereich der Anschlußstellen, der durch die Klammer 27 angegeben ist, wird die obere Tantalnitridschicht 20 entfernt unter Freilegung des metallischen Goldes und Ausbildung der Anschlüsse 29 für Leitungen, die von dem Substrat wegführen. In den Bereichen, in denen die Tantalnitridwiderstände unter Ausbildung der Druckelemente 30, welche den Wärmedruck bewirken, aktiv sein sollen, werden sowohl die obere Tantalnitridschicht 20 wie auch die Goldschicht 13 entfernt, damit der Strom gezwungenermaßen durch die untere Tantalnitridschicht 12 zwischen den unterbrochenen Enden 17 des metallischen Goldleiters fließen muß.

Im Anschluß an das selektive Ätzen, welches zur Bildung der Stege durchgeführt wird, wird die ganze Oberfläche mit Ausnahme der Anschlußstellen 27 zuerst mit einer Siliciumdioxid- und dann mit einer Tantaloxidschicht bedeckt. Diese zuletzt aufzubringenden Überzüge werden durch Hochfrequenzaufstäuben aufgebracht, weil die dielektrischen Eigenschaften des SiIiciumdioxids und des Tantaloxids die Anwendung eines Gleichspannungsauf stäubens ausschließen.

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Claims

PATENTANS P R ti CHE

Dünnfilm-Wärmedrucker gekennzeichnet durch ein poliertes Substrat aus Keramikmaterial,

eine Tantalnitridschicht, die bestimmte Bereiche des Substrats bedeckt,

eine Oxynitrid-Diffusionssperrschicht auf der Tantalnitridschicht,

eine beständige, leitende Schicht, die bestimmte Bereiche des Oxynitridfilms bedeckt und

einen abdichtenden, verschleißfesten Überzug, der das Tantalnitrid und die Bereiche der leitenden Schicht bedeckt.
2. Dünnfilm-Wärmedrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beständige, leitende Schicht aus Gold besteht und eine Schichtdicke von 100 bis 1000 nm aufweist.
3. Dünnfilm-Wärmedrucker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Unterbrechung der Goldschicht wenigstens ein Element der Wärmedruckvorrichtung gebildet wird, so daß bei Stromdurchgang durch die unterbrochene Goldschicht die Tantalnitridschicht in der Unterbrechung lokal erhitzt wird.
4. Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Wärmedruckers, dadurch gekennzeichnet, daß ein poliertes Keramiksubstrat in eine Vakuumkammer gebracht wird und nach der Evakuierung Argon und Stickstoff bis zum Erreichen eines bestimmten Partialdrucks eingeleitet werden, daß eine Tantalnitridschicht auf die polierte Substratoberfläche aufgestäubt und das Kermiksubstrat zur Ausbildung einer Oxynitrid-Dif fusionssperrschicht auf der Oberfläche der Tantalnitridschichtschicht eine bestimmte Zeit in der Argon/ Stickstoffatmosphäre belassen wird und daß über dem Oxy-

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nitridfilm durch Aufstäuben in der gleichen Atmosphäre eine beständige, leitende Schicht aufgetragen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Aufstäuben in der gleichen Atmosphäre eine weitere Tantalnitridschicht über der beständigen, leitenden Schicht aufgetragen wird und alle Schichten während einer einmaligen Evakuierung der Kammer auf das Keramiksubstrat aufgetragen werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als leitendes Material Gold aufgestäubt wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus leitendem Material zur Ausbildung eines gewünschten Musters, das Widerstandselemente für den Wärmedruck enthält, unter Anwendung der Photolithographie chemisch geätzt wird und daß wenigstens Teile dieses Musters einschließlich der Widerstandselemente für den Wärmedruck mit einem verschleißfesten Überzug bedeckt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Überzug aus abdichtendem Material und dann ein zweiter aus verschleißfestem Material aufgetragen wird.

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