Brevet FR2544515A1 — publié le 19841019

L'invention concerne un élément photoconducteur sensible à des ondes électromagnétiques telles que la lumière (ce terme étant utilisé au sens large, englobant les rayons ultraviolets, la lumière visible, les rayons infrarouges, les rayons X et les rayons gamma). Des matières photoconductrices, qui constituent des éléments de formation d'images pour électrophotogra- phie dans des dispositifs capteurs d'image à semiconducteur ou dans le domaine de la formation d'images, ou des couches photoconductrices dans des dispositifs de lecture de manuscrits, doivent avoir une haute sensibilité, un rapport signal/bruit élevé /ourant photoélectrique (I mi 7, des caractéristiques-spectrales correspondant à celles des ondes électromagnétiques irradiées, une réponse rapide à la lumière, une résistance d'obscurité de valeur souhaitée ainsi qu'une inocuité envers le corps humain pendant l'utilisation En outre, dans un dispositif capteur d'image à semiconducteur, il est également nécessaire que l'image résiduelle puisse être aisément traitée en un temps prédéterminé En particulier, dans le cas d'un élément de formation d'images pour électrophotographie devant être assemblé dans un dispositif électrophotogra- phique destiné à être utilisé en temps qu'appareil de bureau, la caractéristique précitée d'inocuité est très importante. Du point de vue mentionné ci-dessus, la matière photoconductrice qui a attiré l'attention au cours des dernières années est un silicium amorphe (désigné ci- après a-Si) dans lequel des liaisons insaturées sont modifiées par des éléments monovalents tels que des atomes d'hydrogène ou d'halogène Par exemple, les demandes de brevets de la République fédérale d'Allemagne No 2 546 967 et No 2 855 818 décrivent des applications du a-Si à une utilisation dans des éléments de formation d'images pour électrophotographie, et la demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne N O 2 933 411 décrit une application du a-Si à une utilisation dans un dispositif de lecture par transfert photoélectrique. Il est prévu d'appliquer ce silicium amorphe à un élément de formation d'images pour électrophotographie en raison de son excellente photoconductivité, sa résistance au frottement, sa résistance à la chaleur et sa relative facilité d'agrandissement de surface. D'une façon générale, dans la préparation d'un tambour photosensible pour électrophotographie compor- tant une matière photoconductrice contenant du a-Si, pour obtenir de bonnes caractéristiques photoconductrices, une pellicule de a-Si est déposée sur un substrat en forme de tambour dans des conditions telles que le substrat est chauffé à une température de 200 'C ou plus, à l'inté- rieur d'un appareil de dépôt de pellicule de a-Si. Cependant, en raison de la différence entre les coefficients de dilatation thermique du substrat en forme de tambour et de la pellicule de a-Si, et en raison également de la forte contrainte interne de la pellicule de a-Si, non seulement pendant le dépôt de la pellicule de a-Si, alors que le substrat en forme de tambour est chauffé comme décrit ci- dessus, mais également pendant le refroidissement après le dépôt, il apparait souvent un décollement de la pellicule de a-Si du substrat en forme de tambour. De nombreuses expériences ont montré que ce décollement de la pellicule se produit plus aisément lorsque cette pellicule de a-Si est épaisse De plus, même par déformation du substrat en forme de tambour à un degré ne provoquant pas de pelage dans un tambour photosensible du type Se pour électrophotographie de l'art antérieur, un décollement de la pellicule peut être provoqué dans le cas du tambour photosensible à a-Si pour les raisons mentionnées ci-dessus, à savoir la diffé- rence de coefficient de dilatation thermique et l'impor- tance de la contrainte interne de la pellicule de a-Si. En ce qui concerne la contrainte interne de la pellicule de a-Si, elle peut être allégée dans une certaine mesure par les conditions de préparation de la pellicule de a-Si (gaz de départ, puissance de décharge, température de chauffage du substrat, etc) Cependant, un tel décollement de la pellicule est un inconvénient primordial -provoquant un défaut de l'image lorsque cette pellicule est utilisée comme tambour photosensible pour électro- photographie. -De plus, le chauffage du substrat en forme de tambour pendant la préparation d'une pellicule de a-Si provoque non seulement le décollement précité de la pellicule, mais également une déformation thermique 1 o relativement aisée du substrat en forme de tambour; La déformation thermique provoque une irrégularité de la décharge utilisée pendant la préparation d'une pellicule déposée de a-Si, ce qui détruit la régularité de l'épais- seur de la pellicule de a-Si déposée et peut provoquer un défaut de l'image. L'invention a été conçue en tenant compte des divers points mentionnés cidessus et elle résulte d'études importantes englobant les points de vue de possibilité d'application et d'utilité du a-Si en tant qu'élément photoconducteur pour des dispositifs de forma- tion d'images pour électrophotographie, des dispositifs de prise de vue à semiconducteurs, des dispositifs de lecture, etc Le résultat de ces études est que l'on a à présent trouvé que les problèmes indiqués ci- dessus tels que le décollement de la pellicule peuvent être résolus par l'utilisation d'un substrat en forme de tam- bour ayant une épaisseur particulière, en tant que support pour la pellicule déposée de a-Si. L'invention a pour objet un élément photo- conducteur pour électrophotographie pouvant donner une image de haute qualité, présentant peu de défauts tels que le manque de blanc dû au décollement de la pellicule de a-Si déposée. L'invention a également pour objet un élément photoconducteur dont les caractéristiques électriques, optiques et photoconductrices restent stables et qui présente également une excellente longévité sans subir de phénomènes de détérioration, même en cas d'utilisation répétée. Conformément à l'invention, il est prévu un élément photoconducteur comprenant un substrat en forme de tambour et une couche photoconductrice qui est appli- quée sur le substrat et qui contient une matière amorphe comprenant des atomes de silicium formant une matrice, le substrat en forme de tambour ayant une épaisseur de 2,5 mm ou plus. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limi- tatif et sur lequel la figure unique représente schémati- quement un appareil pour la préparation d'un élément photo- conducteur par un procédé de décomposition par décharge d'effluves. L'élément photoconducteur selon l'invention est constitué, dans sa forme préférée de réalisation, d'un substrat en forme de tambour, à savoir cylindrique, constituant le support pour un élément photoconducteur et de cet élément photoconducteur appliqué sur le substrat et qui contient une matière amorphe comprenant, comme matrice, des atomes de silicium et contenant de préfé- rence au moins l'un des atomes d'hydrogène et d'halogène en tant qu'atomes constitutifs La couche photoconductrice peut comporter une couche d'arrêt en contact avec le substrat en forme de tambour, ainsi qu'une couche d'arrêt superficielle située sur la surface de la couche photo- conductrice. Le substrat en forme de tambour selon l'in- vention présente une épaisseur de 2,5 mm ou plus Autre- ment dit, en utilisant un tambour ayant une épaisseur de 2,5 mm ou plus, l'amplitude de la déformation du substrat en forme de tambour peut être suffisamment réduite même lorsque le substrat risque d'être chauffé dans un appareil de dépôt de pellicule de a-Si pendant la prépa- ration d'un élément photoconducteur ou pendant l'utilisa- tion comme tambour photosensible pour électrophotographie et, par conséquent, le décollement de la pellicule déposée de a-Si peut être réduit et ramené dans une plage 2-44515 tolérable, ou bien il peut être totalement évité Le substrat en forme de tambour peut avoir plus avantageuse- ment une épaisseur de 3,5 mm ou plus. La matière de base pour le substrat en forme de tambour peut être conductrice du courant électrique ou isolante Comme matière de base électroconductrice, on peut mentionner des métaux tels que Ni Cr, acier inoxy- dable, Al, Cr, Mo, Au, Nb, Ta, V, Ti, Pt, Pd, etc ou des alliages de ces métaux. Comme matière de base isolante, on peut utili- ser classiquement des pellicules ou des feuilles de résines synthétiques, englobant les polyester, polyéthy- lène, polycarbonate, acétate de cellulose, polypropylène, polychlorure de vinyle, polychlorure de vinylidène, polystyrène, polyamide, etc, des verres, des céramiques, des papiers, etc Au moins une surface de ces supports isolants est avantageusement soumise à un traitement électroconducteur et il est souhaitable d'appliquer des couches photoconductrices sur la face à laquelle le traite- ment électroconducteur a été appliqué. Par exemple, le traitement électroconducteur d'un verre peut être effectué par la formation d'une mince pellicule de Ni Cr, Al, Cr, Mo, Au, Ir, Nb, Ta, V, Ti, Pt, In 203, Sn O 2, ITO (In 203 + Sn O 2) sur le verre En variante, une pellicule de résine synthétique telle qu'une pellicule de polyester peut être soumise en surface au traitement électroconducteur consistant en un dépôt de vapeur sous vide, en un dépôt par faisceau d'électrons ou en une pulvérisation d'un métal tel que Ni Cr, Al, Ag, Pb, Zn, Ni, Au, Cr, Mo, Ir, Nb, Ta, y, Ti, Pt, étc, ou à un traitement de stratification à l'aide dudit-métal rendant ainsi la surface électroconductrice. Comme matière de base pour le substrat en forme de tambour, il est avantageux d'utiliser de l'alu- minium car il peut être façonné relativement aisément en un tambour avec une bonne précision en ce qui concerne, par exemple, la circularité exacte, le lissé de la surface, etc, la partie de surface sur laquelle du a-Si est déposé peut être aisément réglée en température pendant la préparation du tambour, et l'aluminium est également avan- tageux du point de vue économique. Des exemples d'atomes d'halogène pouvant être incorporés dans la couche photoconductrice de l'élément photoconducteur selon l'in- vention peuvent comprendre du fluor, du chlore, du brome et de l'iode, le chlore et surtout le fluor étant particulièrement avantageux La couche photoconductrice peut contenir, comme constituants autres que les atomes de silicium, d'hydrogène et d'halogène et comme constituant déter- minant le niveau de Fermi ou la bande interdite, les atcmes du groupe III du Tableau Périodique tels que du bore, du gallium, etc, les atames du groupe V du Tableau Périodique tels que l'azote, le phosphore, l'arsenic, etc, des atomes d'oxygène, de carbone, de germanium, soit seuls, soit en combinaison convenable. Une couche d'arrêt est prévue à des fins telles que l'amé- lioration de l'adhésion entre la couche photoconductrice et le substrat en forme de tambour ou pour agir sur l'aptitude à recevoir des charges, et, suivant la fonction prévue, une couche de a-Si ou une couche de Si microcristallin, contenant des atomes du groupe III du Tableau Périodique, des ata"es du groupe V du Tableau Périodique, des atomes d'oxygène, des atomes de carbone, des atames de germanium, est formée en une seule épaisseur ou en plusieurs épaisseurs. De plus, on peut appliquer, en tant que couches destinées à aepêcher l'injection de charges superficielles ou en tant que couches protectrices, une couche supérieure constituée de a-Si contenant des atomes de carbone, des atomes d'azote, des atomes d'oxygène, avantageu- sement en grande quantités, ou bien une couche superficielle d'arrêt camprenant une matière organique à haute résistance. Dans la présente invention, pour la formation de la couche photoconductrice constituée de a-Si, des procédés de dépôt sous vide utilisant un phénomène de décharge connu dans la technique peuvent être appliqués, tels que le procédé à décharge d'effluves, le procédé de pulvérisation ou le procédé d'implantation ionique. Un exemple de préparation d'un élément photo- conducteur réalisé par le procédé de décomposition par décharge d'effluves, sera à présent décrit. 2 '44515 La figure unique représente un appareil pour la préparation d'un élément photoconducteur par le procédé de décomposition par décharge d'effluves La cuve 1 de déposition est constituée d'une plaque de base 2, d'une paroi 3 et d'une plaque supérieure 4 La cuve 1 de déposition renferme une cathode 5 et un substrat 6 en forme de tambour est placé à la partie centrale de la cathode 5 et assume également la fonction d'une anode. Pour la formation d'une pellicule déposée de a-Si sur le substrat en forme de tambour à l'aide de cet appareil de préparation, le robinet 1 d'entrée pour l'alimentation en gaz et le robinet 8 de fuite étant d'abord fermés, le robinet 9 de décharge du gaz est ouvert afin que le vide soit établi dans la'cuve-1 de déposition. Lorsque l'indicateur de vide 10 affiche une valeur d'en- viron 665 10-6 Pa, on ouvre le robinet 4 d'arrivée de gaz d'alimentation pour permettre à un mélange de gaz de départ, tel que du Si H 4 gazeux, du Si 2 H 6 gazeux, du Si F 4 gazeux, etc, dosés dans des proportions de mélange souhaitées dans le régulateur 11 de débit massique, de pénétrer dans la cuve 1 de déposition On commande l'ou- verture du robinet 9 de décharge de gaz tout en surveillant la valeur affichée par l'indicateur 10 de vide afin que la pression puisse atteindre une valeur souhaitée dans la cuve 1 de déposition Ensuite, après confirmation que la température superficielle du substrat 6 en forme de tambour a été portée à une valeur souhaitée par l'élément chauffant 12, la source 13 d'alimentation en énergie à haute fréquence est réglée à une puissance souhaitée de façon à déclencher une décharge d'effluves dans la cuve 1 de déposition. Pendant la formation d'une couche, pour uni- formiser cette formation, le substrat 6 en forme de tam- bour est mis en rotation par un moteur 14, à une vitesse constante Ainsi, une pellicule déposée de a-Si peut être formée sur le substrat 6 en forme de tambour. La présente invention sera décrite en détail en référence aux exemples suivants. Exemple 1 A l'aide de l'appareil de préparation repré- senté sur la figure 1 et par le procédé de décomposition par décharge d'effluves décrit en détail ci-dessus, on forme des pellicules déposées de a-Si sur six types de substrat d'aluminium, en forme de tambour, ayant un dia- mètre extérieur de 80 mmn et des épaisseurs différentes dans les conditions suivantes. Ordre des couches Gaz de départ Epaisseur des déposées utilisés couches Après que l'état de décollement de la pelli- cule sur le tambour photosensible pour électrophotogra- phie ainsi préparé a été observé, chacun de ces tambours photosensibles est placé dans un copieur du type 400 RE produit par la firme Canon, Inc pour être utilisé à une formation d'image, et l'image formée est évaluée Les résultats sont donnés dans le tableau ci-après. Lorsque l'on mesure la circularité-exacte des tambours photosensibles ci-dessus ayant des épais- seurs de 1,5 mm et 2,0 mm, la différence entre la partie située le plus en retrait et laipartie située le plus en saillie est d'environ 100 Dm Par contre, dans le cas des tambours photosensibles ayant des épaisseurs de 2,5 mm et 3,0 mm, la différence est d'environ 30 m et,dans le cas des tambours photosensibles ayant des épaisseurs de 3,5 mm et 5,0 mm, elle est de 10 à 20 gm. 2 '44515 Exemple 2 Un tambour photosensible pour électrophoto- graphie est préparé par le même procédé que dans l'exem- ple 1, sauf que l'on utilise du Si 2 H 6 gazeux à la place du Si H 4 gazeux pendant la formation de la seconde couche du film déposé de a-Si sur un substrat d'aluminium, en forme de tambour, ayant un diamètre extérieur de 80 mm et une épaisseur de 3,0 mm Sur le tambour photosensible pour électrophotographie, on évalue le décollement de la pellicule et on évalue l'image d'une façon similaire à celle indiquée dans l'exemple 1 Les deux évaluations donnent de bons résultats analogues à ceux obtenus avec le tambour photosensible ayant une épaisseur de 3,0 mm dans l'exemple 1. Epaisseur 1,5 m 2,0 mm 2,5 m3,0 mm 3,5 mm 5,0 mm Ncobre de décolle * 1 A 22 16 5 2 1 1 ments de la pelli 2. cule B 7 4 1 O O O Evaluation de Q@ 'inage X O Normes d'évaluation de l'image: O Très bonne O Bonne A Pratiquement pas de problème X Problèmes en pratique * 1 A Dimension de la partie décollée 0,3 mm et représenté sans sortir du cadre de l'invention. 2 '44515 REVENDICATIONS 1 Elément photoconducteur caractérisé en ce qu'il comporte un substrat ( 6) en forme de tambour et une couche photoconductrice appliquée sur ce substrat et contenant une matière amorphe comprenant, comme matrice, des atomes de silicium, le substrat en forme de tambour ayant une épaisseur de 2,5 mm ou plus. 2 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la couche photoconductrice contient des atomes d'hydrogène. 3 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la couche photoconductrice contient des atomes d'halogène. 4 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la couche photoconductrice contient des atomes appartenant au groupe III du Tableau Périodique. Elément photoconducteur selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que les atomes appartenant au groupe III du Tableau Périodique et contenus dans la couche photoconductrice sont des atomes de bore ou de gallium. 6 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la couche photoconductrice contient des atomes appartenant au groupe V du Tableau Périodique. 7 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce que les atomes appartenant au groupe V du Tableau Périodique et contenus dans la couche photoconductrice sont des atomes d'azote, de phosphore ou d'arsenic. 8 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la couche photoconductrice contient des atomes d'oxygène. 9 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la couche photoconductrice contient des atomes de carbone. Elément photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la couche photoconductrice 2 44515 1 1 contient des atomes de germanium. 11 Elément photoconducteur selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'une couche d'arrêt est en outre prévue entre le substrat et la couche photo- conductrice. 12 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 11, caractérisé en ce que la couche d'arrêt contient des atomes appartenant au groupe III du Tableau Périodique. 13 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 11, caractérisé en ce que la couche d'arrêt contient des atomes appartenant au groupe V du Tableau Périodique. 14 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 11, caractérisé en ce que la couche d'arrêt contient des atomes d'oxygène. 15 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 11, caractérisé en ce que la couche d'arrêt contient des atomes de carbone. 16 Elément photoconducteur tion 11, caractérisé en ce que la couche des atomes de germanium. 17 Elément photoconducteur tion 11, caractérisé en ce que la couche du silicium amorphe. 18 Elément photoconducteur tion 11, caractérisé en ce que la couche du silicium microcristallin. 19 Elément photoconducteur selon la revendica- d'arrêt contient selon la revendica- d'arrêt comprend selon la revendica- d'arrêt comprend selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'une couche supérieure, compre- nant l'un des atomes de carbone, d'azote et d'oxygène, est en outre prévue sur la couche photoconductrice. Elément photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'une couche d'arrêt superficielle est en outre prévue sur l'élément photoconducteur.