Brevet FR2545234A1 — publié le 19841102

L'invention concerne un élément photoconducteur présentant une certaine sensibilité à des ondes électro- magnétiques telles que la lumière (ce terme étant utilisé- ici au sens large et englobant les rayons ultraviolets, la lumière visible, les rayons infrarouges, les rayons X et les rayons gamma), ainsi qu'un support pour cet élément photo- conducteur, et notamment un support perfectionné et un élément photoconducteur domportant un tel support et conve- nant à une utilisation comme élément photosensible pour électrophotographie. On compte utiliser du silicium amorphe (désigné ci-après a-Si), dans lequel des liaisons insaturées sont modifiées par des éléments monovalents, dans des applications à un élément de formation d'images pour électro- photographie, en raison de son excellente photoconductivité, de son excellente résistance au frottement et de son excellente résistance à la chaleur De plus, le a-Si ne pose pratiquement pas de problème sanitaire, lors de sa préparation, pour l'environnement et, de plus, l'agran- dissement de la surface d'un élément photosensible peut également être obtenu de façon aisée et avantageuse. Cependant, le a-Si seul peut parfois avoir une résistance d'obscurité qui est légèrement trop faible pour une utilisation dans un élément photosensible pour électrophotographie En conséquence, ce problème est généralement résolu par l'application d'une couche destinée à s'opposer à l'injection de charges à partir du support ou par dopage avec un additif Un autre problème est que l'affinité pour l'eau de la surface augmente, car une pellicule d'oxyde Si OX se forme naturellement sur la sur- face du a-Si dans l'environnement dans lequel un appareil électro- photographique est généralement placé Si l'appareil est utilisé dans des conditions mettant en oeuvre un processus électrophotographique dans lequel des décharges d'effluves sont souvent employées, les charges superficielles migrent sur la surface de l'élément photosensible dans des conditions de forte humidité, ce qui a pour conséquence la formation d'une image dite, classiquement, floue. Pour empêcher ceci, on utilise, comme couche protectrice de surfacedu Si NX, du Si CX, etc et, en outre, on utilise souvent une couche antiréflexion, une couche absorbant la lumière, une couche d'adhésion, etc, si cela est né- cessaire. Ainsi, pour une application pratique du a-Si en tant qu'élément photosensible pour électrophotographie, de nombreux types de gaz doivent être utilisés pour former l'élément photoconducteur à couches multiples convenant à la fonction prévue, et ayant une dimension lui permettant d'être utilisé comme élément photosensible électrophoto- graphique Dans ce cas, l'uniformité de l'élément photo- conducteur est très importante Par exemple, si un manque d'uniformité des caractéristiques photoconductrices ou un défaut tel qu'une piqûre existe, non seulement il est impossible d'obtenir une belle image, mais, de plus, un tel élément photoconducteur ne peut plus être mis en oeuvre en pratique. On sait que la morphologie d'une pellicule de a-Si est fortement influencée par la forme de la surface du support Dans un tambour photosensible pour électro- photographie présentant une grande surface devant présen- ter, pratiquement en tous points, les mêmes caractéristiques photoconductrices, l'état de la surface du support est très important, et la présence d'une saillie ou d'un évi- dement à la surface du support affecte l'uniformité de la pellicule, de sorte qu'une structure en colonne ou une saillie sphérique peut être formée et provoquer un manque d'uniformité de la photoconduction. L'aluminium est une matière qui est avantageuse en de nombreux points, en tant que support pour un élément photoconducteur, en particulier un support pour un élément photosensible pour électrophotographie Cependant, pour utiliser comme support une matière à base d'aluminium, il faut que sa surface soit soumise à une finition spécu- laire Cette opération pose divers problèmes dus à la présence de parties dures appelées point dur En parti- culier, un tel point dur oppose une résistance à l'outil de coupe utilisé dans l'opération de-finition spéculaire de la surface du support, ce qui peut provoquer l'appari- tion de défauts à la surface d'un cylindre d'aluminium. Par exemple, des fissures d'environ 1 à 10 gm, des criques analogues à des cratères et d'autres très petits évidements et saillies peuvent apparaître. Ce problème a fait l'objet d'études importantes qui ont abouti à la constatation que le point dur, qui est la cause de défauts apparaissant dans l'opération d'usi- nage de la surface du support, est dû à des impuretés constituées de divers éléments, comprenant Fe, Ti et Si contenus dans l'aluminium Parmi ces impuretés, le fer, notamment, forme difficilement une solution solide avec l'aluminium, mais il forme plus facilement un composé -15 intermétallique Fe-Al ou Fe-Al-Si qui est dispersé sous la forme d'un point dur dans la matrice d'aluminium et l'apparition de ce point dur est notablement accrue à une teneur particulière de Fe ou au-delà de cette teneur Il est également apparu que la teneur en Mg de l'alliage d'aluminium affecteaussi les caractéristiques de coupe de l'alliage d'aluminium. L'invention découle des divers points indiqués ci-dessus et elle est basée sur la constatation qu'un élément photoconducteur, dont les caractéristiques photo- conductrices présentent une excellente régularité, peut être obtenu au moyen d'un alliage d'aluminium ayant une composition particulière et utilisé comme support pour une pellicule déposée de a-Si. L'invention a pour objet un élément photo- conducteur dont les caractéristiques électriquegoptiques et photoconductrices sont d'une uniformité excellente L'inven- tion a également pour objet un élément photoconducteur pour électrophotographie pouvant donner une image de haute qualité, présentant peu de défauts L'invention a également pour objet un élément photoconducteur comportant un support comprenant de l'aluminium en tant que consti- tuant principal et une couche photoconductrice qui est appliquée sur le support et qui contient une matière amorphe comprenant des atomes de silicium en tant que matrice, le support comprenant un alliage d'aluminium ayant une teneur en Fe de 2000 ppm en poids, ou moins L'invention a pour autre objet un support pour élément photoc-onducteur, comprenant un alliage d'aluminium ayant une teneur en Fe de 2000 ppm en poids, ou moins. Conformément à un aspect de l'invention, il est prévu un élément photoconducteur comportant un support comprenant de l'aluminium en tant que constituant prin- cipal, et une couche photoconductrice qui est appliquée sur le support et qui contient une matière amorphe compre- nant des atomes de silicium en tant que matrice, le support comprenant un alliage d'aluminium ayant une teneur. en Fe de 2000 ppm en poids, ou moins. Conformément à un autre aspect de l'invention, il est prévu un support pour élément photoconducteur comprenant un alliage d'aluminium ayant une teneur en Fe de 2000 ppm en poids ou moins. 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 est une élévation schématique d'un appareil pour la préparation d'un élément photoconducteur par le procédé de décomposition par décharge d'effluves. L'élément photoconducteur selon l'invention est constitué d'un support réalisé en alliage d'aluminium et d'une couche photoconductrice appliquée sur le support et qui contient une matière amorphe comprenant des atomes de silicium en tant que matrice, contenant de préférence au moins l'un des atomes d'hydrogène et des atomes d'halo- gène en tant qu'atomes constitutifs O Cette couche photo- conductrice peut comporter une couche d'arrêt en contact avec le support, et une autre couche d'arrêt superficielle située sur la surface de la couche photoconductrice. Le support de l'élément photosensible selon l'invention est réalisé en un alliage d'aluminium ayant une teneur en Fe de 2000 ppm en poids, ou moins Des matériaux étendus à base d'alliage d'aluminium pour usage général contiennent généralement environ 0,15 à 1,0 % de fer en tant qu'impureté Le-fer présente une faible solubilité solide dans l'aluminium en formant une solution solide, et il est sujet à la formation d'un composé inter- métallique tel que Fe-Al ou Fe-Al-Si, se manifestant donc par des points durs dans la matrice d'aluminium En particulier, de tels points durs augmentent brusquement avec l'accroissement de la teneur en Fe aux environ de 2000 ppm, cette valeur étant une limite critique, et cette forte teneur en Fe nuit à l'usinage de finition spéculaire de la surface du support Etant donné que l'irrégularité de la surface du support produit un effet nuisible très sensible sur les caractéristiques photo- conductrices de la pellicule de Si déposée, il est néces- saire de la limiter très sévèrement La teneur en Fe de l'alliage d'aluminium est de préférence de 1000 ppm en poids ou moins. En ce qui concerne les caractéristiques d'usi- nage par coupe pour donner à l'alliage d'aluminium un fini spéculaire, la teneur en Mg de l'alliage d'laluminium produit également une action synergique par laquelle la caractéristique d'usinage de l'alliage d'aluminium peut être améliorée en permettant la coexistence du Mg dans l'alliage, et la plage de teneur en fer contenu dans l'alliage peut alors être élargie La teneur en Mg de l'alliage d'aluminium peut avantageusement être de l'ordre de 0,5 à 10 % en poids, et notamment, de préférence, de 1 à 5 % en poids Si la teneur en Mg est très élevée, une corrosion intergranulaire indésirable tend à appa- raitre aux limites intercristallines. Les-pport peut avoir toute forme souhaitée. Par exemple, pour une utilisation en électrophotographie, dans le cas de la production de copies successives à grande vitesse, il se présente avantageusement sous la forme d'une bande sans fin ou d'un cylindre Le support peut avoir une épaisseur convenablement déterminée afin que l'élément photoconducteur puisse être formé comme souhaité Lorsqu'une certaine flexibilité est demandée à l'élément photoconducteur, ce dernier est réalisé à une épaisseur aussi faible que possible, dans la plage lui permettant d'assumer sufficamment la fonction d'un support. Cependant, dans ce cas, pour des raisons de préparation et de manipulation du support, ainsi aue pour des raisons de résistance mécanique, le support est réalisé de façon à avoir une épaisseur avantageusement égale à 10 gm ou plus. Des exemples des atomes d'halogène pouvant être contenus dans la couche photoconductrice de l'élément photoconducteur selon l'invention peuvent comprendre le fluor, le chlore, le brome et l'iode, le chlore et surtout le fluor étant particulièrement avantageux Comme consti- tuants autres que les atomes de silicium, les atomes d'hydrogène et les atomes d'halogène devant être contenus dans la couche photoconductrice, cette dernière peut conte- nir, en tant que constituant destiné à limiter le niveau de Fermi ou la bande interdite, les atomes du groupe III du Tableau Périodique tels que le bore, le gallium, etc, les atomes du groupe V du Tableau Périodique tels que l'azote, le phosphore, l'arsenic, etc, des atomes d'oxygène, de carbone et de germanium, soit seuls, soit en combinaison convenable Une couche d'arrêt est prévue afin d'améliorer l'adhésion entre la couche photoconductrice et le support ou afin de limiter l'aptitude à recevoir des charges et suivant l'utilisation prévue, une couche de Si ou une couche de Si microcristalline contenant les atomes du groupe III du Tableau Périodique, les atomes du groupe V du Tableau Périodique, des atomes d'oxygène, de carbone, de germanium, est formée en une seule couche ou en couches multiples. Comme couche destinée à empêcher l'injection de charges superficielles ou couche protectrice, on peut appliquer sur la couche photoconductrice une couche sup 6- rieure comprenant du a-Si contenant des atomes de carbone, des atomes d'azote, des atomes d'oxygène, de préférence en grandes quantités, ou bien une couche d'arrêt super- ficielle comprenant une matière organique à haute résistance. 254523 4 Daxis la présente invention, pour la formation de la couche photoconductrice constituée de a-Si, des procédés de déposition sous vide utilisant les phénomènes de décharge connus 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 conformément au procédé de décomposi- tion par décharge d'effluves est décrit ci-dessous. La figure unique représente un appareil pour la préparation d'un élément photoconducteur par le procédé de décomposition par décharge d'effluves La chambre 1 de déposition est constituée d'une plaque de base 2, d'une paroi 3 et d'une plaque supérieure 4 Il est prévu, à l'intérieur de la chambre de déposition, une cathode 5 et un support 6 en forme de tambour, réalisé en alliage d'aluminium ayant une composition particulière pour la formation d'une pellicule déposée de a-Si, est placé dans la partie centrale de la cathode 5 et il assume également la fonction d'anode. Pour former une pellicule déposée de a-Si, sur le support en forme de tambour à l'aide de cet appa- reil de préparation, on ferme d'abord la valve ou le robinet 7 d'entrée pour l'alimentation en gaz et lie robinet 8 de fuite, et on ouvre le robinet 9 pour établir le vide dans la chambre de déposition- Lorsque l'indicateur de vide affiche une valeur d'environ 665 10 6 Pa, on ouvre le robinet 7 d'entrée du 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, dans une proportion de mélange souhaitée, réglée dans un dispositif 11 de commande à débit massique, de pénétrer dans la chambre 1 de déposition L'ouverture du robinet 9 d'évacuation est commandée sous la surveillance de l'indicateur de vide afin que la pression puisse être maintenue à une valeur souhaitée dans la chambre de déposition Après confirma- tion que la surface du support 6 en forme de tambour a été maintenue à une température souhaitée par l'élément chauffant 12, la source 13 d'alimentation en énergie à haute fréquence est réglée à une puissance souhaitée pour déclencher une décharge d'effluves dans la chambre 1 de déposition. Pendant la formation des couches, pour unifor- miser cette formation, le support 6 en forme de tambour est mis en rotation à une vitesse constante par un moteur 14 Ainsi, on peut former une pellicule de a-Si déposée sur le support 6 en forme de tambour. La présente invention sera décrite plus en détail dans les exemples suivants. Exemples 1 3, exemples comparatifs 1, 2 Sur un tour équipé d'un dispositif de décharge pneumatique (produit par la firme PNEUMO PRECISION IN Co) destiné à un usinage de précision, on monte un outil de coupe à diamant ayant une courbure de 0201 mmi à l'extrémité, de façon qu'un angle d'attaque de -5 par rapport à l'angle au centre du cylindre puisse &tre obtenu Ensuite, cinq types de cylindres en alliage d'aluminium (contenant chacun 4 % de Mg)s ayant diféu rentes teneurs en Fe, sont montés à l'aide d'un mandrin à vide sur la bride de la broche rotative de ce tour 2 et un usinage est réalisé sur ces cylindres pour leur donner une surface spéculaire 2 les conditions de l'usinage étant une vitesse circonférentielle de 1000 m/min et une vitesse d'avance de 0, 01 imn/R, en même temps que du kérosène est pulvérisé à l'aide d'une buse montée sur le tour et que la limaille est aspirée à l'aide d'une buse d'aspiration montée de façon similaire, l'usinage s'ef- fectuant jusqu'à un diamètre extérieur de 80 mm Le cylin- dre ainsi usiné de façon à présenter une surface spécu- laire est examiné à l'aide d'un microscope à métaux de façon que le nombre de défauts de surface tel que décrit en détail précédemment, des pellicules dépo- sées de a-Si sur les cylindres respectifs en alliages d'aluminium ayant été usinés de façon à avoir une surface spéculaire, la déposition s'effectuant dans les conditions suivantes. Ordre de déposition Gaz de départ Epaisseur des -des couches utilisés couches (Am) Première couche Si H 4, B 2 H 6 0,6 Deuxième couche Si H 4 20 Troisième couche Si H 4, C 2 H 4 0,1 Température du cylindre d'aluminium 250 'C Pression dans la chambre de déposition pendant la for- mation de la pellicule déposée t 40 Pa Fréquence de décharge: 13,56 M Hz Vitesse de formation de la couche déposée: 2,0 nm/s Puissance de décharge: 0,18 W/cm 2 Chacun de ces tambours photosensibles est placé dans un copieur du type " 400 RE" produit par-la firme Canon K K pour effectuer une formation d'image et on évalue les défauts des images (de 0,3 mmn de dia- mètre ou plus), Les résultats sont donnés dans le tableau I. Dans le cas des tambours photosensibles pour électrophotographie des exemples 1 à 3, 1 000 000 de feuilles de copie successives sont soumises à un essai destiné à évaluer la longévité dans les environnements respectifs suivants: température de 230 C et humidité relative de 50 %; 30 'C et humidité relative de 90 % 50 C et humidité relative de 20 % Le résultat est la confirmation d'une bonne longévité de ces tambours, sans aucune augmentation des défauts des images, et notamment sans aucune augmentation observée de défauts tels que le manque de blanc. TABLEAU ru VI u 1 0 %l La 8 % Nonbre de points Nombre de défauts Exemple Teneur en durs (points/mm 2) dus à l'usinage pour Défauts de n Fe (ppm) une surface spéculaire l'image (défauts/mm 2) (défauts/A 3) Exemple 1 100 1 O O Exemple 2 1000 20 10 5 Exemple 3 2000 100 30 10 Exemple compa- ratif 1 3000 500 100 50 Exemple compa- ratif 2 4000 2000 400 200 o C il REVENDICATIONS 1 Elément photoconducteur comportant un support comprenant de l'aluminium en tant que constituant principal et une couche photoconductrice qui est appliquée sur le support et qui contient une matière amorphe compre- nant des atomes de silicium en tant que matrice, caracté- risé en ce que le support comprend un alliage d'aluminium ayant une teneur en Fe de 2000 ppm en poids, ou moins. 2 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le support comprend un alliage d'aluminium ayant une teneur en magnésium de 0,5 à 10 % en poids. 3 Elénent photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le support se présente sous la forme d'une bande sans fin. 4 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le support se présente sous la forme d'un cylindre. Elément photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la couche photoconductrice contient des atomes d'hydrogène. 6 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la couche photoconductrice contient des atomes d'halogène. 7 Elément photoconducteur selon la-revendica- tion 1, caractérisé en ce que la couche photoconductrice contient au moins l'un des atomes appartenant au groupe III du Tableau Périodique. 8 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que les atomes appartenant au groupe III du Tableau Périodique, contenus dans la couche photoconductrice, sont des atomes choisis entre le bore et le gallium. 9 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la-couche photoconductrice contient au moins l'un des atomes appartenant au groupe V du Tableau Périodique. Elément photoconducteur selon la revendica- tion 9, caractérisé en ce que les atomes appartenant au groupe V du Tableau Périodique sont des dans le groupe constitué de l'azote, du l'arsenic. 11 Elément photoconducteur tion 1, caractérisé en ce que la couche contient des atomes d'oxygèneo 12 Elément photoconducteur tion 1, caractérisé en ce que la couche contient des atomes de carbone. 13 Elément photoconducteur tion 1, caractérisé en ce que la couche contient des atomes de germaniumo 14 Elément photoconducteur tion 1, caractérisé en ce qu'une couche atomes choisis phosphore et de selon la revendica- photoconductrice selon la revendica- photoconductrice selon la revendica- photoconductrice selon la revendica- d'arrêt est en outre prévue entre le support et la couche photoconductrice. Elément photoconducteur selon la revendica- tion 14, caractérisé en ce que la couche dgarrêt contient des atomes appartenant au groupe III du Tableau Périodique. 16 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 14, caractérisé en ce que la couche d'arrêt contient des atomes appartenant au groupe V du Tableau Périodique. 17 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 14, caractérisé en ce que la couche d'arrêt contient des atomes d'oxygène. 18 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 14, caractérisé en ce que la couche d'arrêt contient des atomes de carbone. 19 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 14, caractérisé en ce que la couche d'arrêt contient des atomes de germanium. Elément photoconducteur selon la tion 14, caractérisé en ce que la couche d'arrêt du silicium amorphe. 21 Elément photoconducteur selon la tion 14, caractérisé en ce que la couche d'arrêt du silicium microcristallin. revendicas comprend revendica- comprend Z 545234 22 Elément photoconducteur 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. 23 Elément photoconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'une couche superficielle d'arrêt est en outre prévue sur la couche photoconductrice. 24 Support pour élément photoconducteur, caractérisé en ce qu'il comprend un alliage d'aluminium ayant une teneur en Fe de 2000 ppm en poids, ou moins. Support selon la revendication 24, caracté- risé en ce que l'alliage d'aluminium présente une teneur en Mg de 0,5 à 10 % en poids. 26 Support selon la revendication 24, caracté- risé en ce qu'il se présente sous la forme d'un cylindre. 27 Support selon la revendication 24, caracté- risé en ce qu'il se présente sous la forme d'une bande sans fin.