DE2612542A1

DE2612542A1 - Mit amorphem selen beschichtete perforierte unterlagen und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2612542A1
Application number: DE19762612542
Authority: DE
Inventors: Norman Carlile Miller
Original assignee: Multigraphics Inc
Current assignee: AB Dick Co
Priority date: 1975-03-25
Filing date: 1976-03-24
Publication date: 1976-09-30
Also published as: CA1050703A; FR2305507B1; US4046565A; DE2612542C3; JPS51119628A; DE2612542B2; GB1546945A; NL7602984A; FR2305507A1

Description

Addressograph-Multigraph Corporation, Cleveland, Ohio 44122, USA

Mit amorphem Selen beschichtete perforierte Unterlage und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektrofotografischen Verfahren und Vorrichtungen und bezieht sich insbesondere auf eine fotoleitfähige Beschichtung eines Substrats und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Elektrofotografische Verfahren zum Herstellen von Kopien von grafischen Originalen unter Benutzung fotoleitfähiger Medien sind allgemein bekannt. Das grundsätzliche Verfahren besteht darin, im Dunkeln an einem Fotoleiter eine elektrostatische G-anzflächenladung anzubringen und dann den aufgeladenen Fotoleiter mit einem Licht-Schatten-Muster zu belichten, das durch elektromagnetisches Bestrahlen eines grafischen Originals erzeugt wurde. Dadurch wird die Ladung an den vom Licht getroffenen Bereichen des Fotoleiters abgeführt, wobei ein dem Original entsprechendes elektrostatisches Ladungsbild verbleibt. Ein entwickeltes Bild wird erzeugt, indem auf das elektrostatische Ladungsbild ein elektroskopiscb.es Pulver aufgebracht und das Bild dann fixiert wird, oder durch Übertragen und Fixieren an einem geeigneten Empfängermedium, beispielsweise an unbeschichtetem Papier. Dieses Verfahren wurde auch in abgewandelten Ausführungsformen angewandt.

609 8 40/ 103k original inspected ^/2

- 2 - 47

Bei einem solchen abgewandelten Verfahren werden Lochvorrichtungen benutzt, die durch Auftragen einer fotoleitfähigen Schicht an einem elektrisch leitenden Sieb, Gitter oder einer ähnlichen, mit Öffnungen versehenen Unterlage hergestellt werden. Derartige Vorrichtungen wirken als Ionenmodulatoren, die so ausgebildet werden können, daß sie einen Strom geladener Teilchen durch die Öffnungen selektiv in einem einem grafischen Original entsprechenden Muster durchlassen.

Ein durch Auftragen einer fotoleitfähigen Schicht an einem mit Öffnungen versehenen metallischen Substrat erzielter einfacher zweischichtiger Gitteraufbau wird in der US-PS 3 220 324 beschrieben. Dieses Gitter kann dazu benutzt werden, an einem dielektrischen Auffang- oder Zielelement ein elektrostatisches Ladungsbild anzubringen. Das aufgetragene Ladungsmuster entspricht dem Licht-Schatten-Muster, das durch, elektromagnetisches Bestrahlen eines grafischen Origxnals erzeugt wurde.

In elektrofotografischen Verfahren sind viele verschiedene Arten sowohl von organischen als auch anorganischen Fotoleitern verwendet worden. Aufgrund seiner vorteilhaften elektrischen Eigenschaften ist jedoch Selen der am meisten verwendete Fotoleiter.

Das Auftragen von Selen an Flächen zur Ausbildung einer fotoleitfähigen Schicht daran geschieht im allgemeinen durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäuben. Beim Aufdampfverfahren wird Selen erhitzt und die Dämpfe werden am gewünschten Substrat kondensiert. Das Aufdampfen erfolgt im allgemeinen in einem Vakuum von 10 ^ Torr oder höher, um die Menge an vorhandenen gasförmigen Verunreinigungen, die die fotoleitenden Eigenschaften des aufgebrachten Selens nachteilig beeinflussen, auf ein Geringstmaß herabzusetzen.

/3 609840/1034

- 3 - 47 752

Beim Zerstäubungsverfahren werden durch Zerstäuben einer Selenkathode durch Anlegen eines hohen elektrischen Hochfrequenzpotentials zwischen der Kathode und einer Anode Selen atome auf ein zwischen der Kathode und der Anode angeordnetes Substrat aufgesprüht. Das Zerstäuben geschieht ebenfalls in einem Vakuum in Gegenwart eines inerten Gases.

Im allgemeinen werden mit den bekannten Aufdampfungs- und Zerstäubungsverfahren Selenschichten mit Dicken im Bereich zwischen etwa 10 und 200 um hergestellt. Es hat sich gelegentlich herausgestellt, daß bei diesen verhältnismäßig großen Dicken der übliche Trägerbereich unzureichend ist, was zum Pesthalten von Elektronen oder Löchern und dem darausfolgenden Nichterfüllen der Leistungserwartungen führt.

Es war bisher auch schwierig, gleichmäßige SelenbeSchichtungen zu erzielen, insbesondere bei Verwendung von mit Öffnungen versehenen Substraten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Beschichten von Flächen mit Potoleitern zu schaffen, insbesondere zum gleichmäßigen Auftragen dünner Selenschichten an unregelmäßigen, insbesondere perforierten Flächen, wie z.B. Sieben oder Gittern. Ferner soll es möglich sein, durch Beschichten von Gittern mit Selen einen Ionenmodulator mit einer hohen Ladungsaufnahme herzustellen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird amorphes Selen im Vakuum in Gegenwart eines inerten Gases verdampft und zum gleichmäßigen Niederschlagen an einer unregelmäßigen Fläche, beispielsweise an einer Platte mit deutlichen Erhebungen und Vertiefungen, an einem Sieb oder an einem Gitter, gebracht. Die Ladungsaufnahme der sich ergebenden beschichteten Fläche kommt der Ladungsaufnahme bei der Durchschlagsspannung des Dielektrikums

609840/1034

- 4 ~ 47 752

näher, als bisher erreicht werden konnte. Außerdem sind die Forderungen hinsichtlich des Tragerbereich.es um einen wesentlichen Paktor gemildert und die Quantenausbeute ist maximiert.

Die Erfindung wird im folgenden mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Hochreines amorphes Selen, das ist Selen mit einer Reinheit von 99,999$ oder darüber, wird in ein kegelförmiges oder rechteckiges Schiffchen aus Tantal, Molybdän oder rostfreiem bzw. korrosionsbeständigem Stahl, eingesetzt, das die Verdampf ungsque He oder den Verdampfer in einem Hochvakuumsystem bildet, das mittels einer Öl-Diffusionspumpe, einer Turbomolekularpumpe oder einer Ionenpumpe erzeugt werden kann. Mittels einer Öl-Diffusionspumpe erzeugte Vakuumsysteme werden wegen ihrer Betriebssicherheit,und weil sie hohen Durchsatz des benutzten inerten Gases aufrechterhalten, bevorzugt. Das Selen kann, in jeder beliebigen zweckdienlichen Form, beispielsweise in Tabletten-Form, zur Anwendung kommen. Der Verdampfer ist mit einer Vorrichtung zum Erhitzen des zu verdampfenden Selens versehene Eine mit Selen zu beschichtende Fläche wird in einen Halter eingesetzt, der im gewünschten Abstand vom Verdampfer und im wesentlichen in einer Ebene mit diesem angeordnet ist. Der Halter kann, im Bedarfsfall, mit Heizelementen ausgestattet sein, um die Fläche, z.B. ein Metallgitter, an der das Selen niedergeschlagen werden soll, aufheizen zu können. Eine zweckdienliche Temperatur beträgt beispielsweise zwischen 50 und 60 ⁰C.

Das Vakuumsystem wird durch Pumpen auf den niedrigen 10" -Torr-Bereich evakuiert, und die Selentabletten werden durch Widerstandsbeheizen des Verdampfers auf eine Temperatur im Bereich von etwa 170 bis 250 ⁰G geschmolzen und entgast. Das Substrat ist gegen den Verdampfer durch eine Blende abgeschirmt. Die Temperatur des Schiffchens wird geregelt, um die angestrebte Selen-Mederschlagsrate am Substrat zu erzielen. Die Dicke des Selen-Niederschlags kann mittels eines Quarzkristall-Dickenmessers am Substrat oder mit anderen bekannten Vorrichtungen gemessen werden.

609840/1034 _/5

- 5 - 47 752

Ein inertes Gas von hoher Reinheit, "beispielsweise Helium, Neon, Argon, Krypton oder Xenon, vorzugsweise Argon mit einer Reinheit von 99»999$ oder darüber, wird mittels eines Dosierventils (leak valve) in das Hochvakuumsystem so eingeleitet, daß sich das inerte Gas auf einen Druck im Bereich von etwa

—A — 2
1.10 ^ bis 6.10 Torr einstellt und auf diesem Druck gehalten wird. Vorzugsweise wird ein Druck im Bereich von etwa 1.10~^J bis 3.10 Torr benutzt. Es wird ein hoher Argon-Durchsatz beibehalten, um die Anwesenheit von Gasverunreinigungen, die sonst in den Selenfilm miteingelagert werden könnten, so gering wie möglich zu halten.

Die Blende wird geöffnet, und das aus dem Schiffchen verdampfte Selen wird am Gitter oder an einem anderen Substrat niedergeschlagen. Sobald gemäß Anzeige am Dickenmesser die angestrebte Dicke erreicht ist, wird der Filmauftrag durch Schließen der Blende und durch Abkühlen des Schiffchens beendet.

Durch das inerte Gas im System werden die verdampfenden Selenatome zwischen 5- und 150mal gestreut bzw. durcheinandergewirbelt, bevor sie am Substrat auftreffen. Die Zahl der Kollisionen kann, durch Regulieren des Druckes und des Abstandes zwischen dem Schiffchen und dem Substrat verändert werden. Die Mehrfachkollision der Selenatome auf ihrem Weg vom Verdampfer zum Substrat bewirkt, daß die verdampften Selenatome am Substrat von allen Seiten her auftreffen. Der nach dem Verfahren hergestellte Selenfilm wird auf diese Weise dazu gebracht, sich den Konturen des Substrates anzupassen. Beispielsweise kann die gesamte Fläche der Drähte eines geflochtenen oder in Galvanotechnik hergestellten Siebes oder Gitters auf diese Weise gleichmäßig beschichtet werden.

Der Abstand zwischen Verdampfer und Substrat wird so eingestellt, daß er vielen mittlere* frei# Weglängen für die Selenafeome entspricht. , Ein Abstand von, beispielsweise, etwa 12,5 bis 50 cm kann gute Erfolge bringen.

/6 609840/1034

- ο - 47 752

Das Verfahren hat gegenüber herkömmlichen thermischen Verdampf längsverfahren den Vorteil eines gleichmäßigeren Selen-Niederschlags am Substrat. Ein anderer Vorteil gegenüber herkömmlichen Verdampfungsverfahren besteht darin, daß die Notwendigkeit vermieden wird, das Substrat zu kippen und zu drehen, um einen gleichmäßigeren Niederschlag an allen seinen Bereichen zu erreichen. Das Verfahren nach der Erfindung ist dem Hochfrequenz-Zerstäuben insofern überlegen, als kein Auffangelement hergestellt werden muß, die Niederschlagsrate höher ist und wenig Leistung bzw. Strom vernichtet bzw. vergeudet wird. Außerdem ist es im Gegensatz zu herkömmlichen Niederschlagsverfahren nicht notwendig, das Substrat zu kühlen. Dort, wo ein Hochfrequenz-Plasma angewandt wurde, mußte das Substrat auf wenigstens -50 ⁰C abgekühlt werden, bedingt durch die vom Plasma in das Substrat verteilte Leistung bzw. Wärme.

Die Durchschlagsspannung von ebenem Selenfilm unter den Bedingungen einer Koronaentladung im Dunkeln beträgt im allgemeinen etwa 40 V je Mikrometer. Bisher wurde festgestellt, daß Filme an unregelmäßigen und perforierten Flächen, die durch Aufdampfen von Selen bei normalem Einfall auf ein ortsfestes Substrat hergestellt wurden, sieh mit etwa 1 bis 3 Ϊ je Mikrometer aufluden und eine Ladungsaufnahme zwischen 1/13 und 1/40 der Durchschlagsspannung hatten. Durch Kippen und Drehen des Gitters während des Aufdampfens wurde die Ladungsaufnahme für diesen Film-Typ etwas verbessert. In diesem Pail lud sich der Selenfilm mit etwa 4 bis 6 V je Mikrometer auf. Das heißt, die Ladungsaufnahme betrug etwa I/IO bis 1/8 der anfänglichen Durchschlagsspannung. Es wurde festgestellt, daß durch Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung die Ladungsaufnahme Niveaus näher der Durchschlagsspannung erreichte. Wird beispielsweise der Argondruck von

— λ —2

etwa 1.10 !Eorr auf 3.10 Torr erhöht, schwankt die Ladungsaufnahme zwischen etwa I/5 und I/3 der Durchschlagsspannung oder zwischen etwa 8 bis 14 V je Mikrometer. Diese höhere Ladungsaufnahme ermöglicht es, zur Erzielung einer

/7 609840/1034

- 7 - 47 752

angestrebten Ladungshöhe "bedeutend dünnere Selenfilme zu benutzen. Das endgültige Ergebnis kann dementsprechend in der Größenordnung von etwa 50 bis 100 V liegen.

Die Zweckmäßigkeit dünnerer Selenfilme wird verständlich, wenn man sich vergegenwärtigt, daß die zur Verfügung stehenden verschiedenen Selen-Sorten entsprechend unterschiedliche Trägerbereiche haben. Um in dem beispielsweise in einem Ionenmodulator verwendeten Selenfilm die angestrebten elektrischen Eigenschaften zu erzeugen, muß der Trägerbereieh, der als der Weg definiert wird, den die Elektronen oder Löcher zurücklegen, bevor sie im Bereich des hoch aufgeladenen Aufnahmebereiches des Fotoleiters festgehalten werden, gleich oder größer sein als die Filmdicke.

Hinsichtlich elektrischer Eigenschaften haben die Selenfilme nach der Erfindung eine Empfindlichkeit, als die die Energie für den Zerfall bis auf das 0,3fache der Ladungsaufnahme

ρ ρ

definiert wird, von etwa 1 μ«Τ/οπι für Löcher und 2 μ.ΐ/οπι für Elektronen. Dies beruht auf der hohen Reinheit der gemäß dem Verfahren nach der Erfindung hergestellten Filme. Dagegen sind durch Hochfrequenz-Zerstäubung hergestellte Selenfilme bei positiver Koronaentladung um wenigstens den Faktor 20 und bei negativer Koronoentladung um den Paktor 100 langsamer.

Obgleich angegeben worden ist, daß Gleichmäßigkeit der Beschichtung ein von der Erfindung angestrebtes Ziel ist, kann es zweckmäßig sein, an einer Seite des Gitters eine dickere, an der Rückseite eine dünnere Selenschicht aufzutragen. Dies kann bei Gittern mit Speicherungsfähigkeit zweckmäßig sein, wie z.B. bei den in der deutschen Anmeldung P 26 000 171.8-51 beschriebenen Gittern. Bei diesem Gitter-Typ wird an der Rückseite ein dünnerer Selenfilm angestrebt als an der Gittervorderseite, um eine zureichende Ladungsaufnahme zu sichern und gleichzeitig Durchlaß in dunklen Bereichen des Bildes zu verhindern. Um solche Filmdickenveränderungen

/8 .6 09840/1034

- β - 47 752

herbeiführen zu können, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, in einem bestimmten Abstand hinter dem Gritter eine Metallplatte anzuordnen und die unterschiedliche Dicke des Selennieder-• Schlages an der Vorder- und Rückseite des Gitters durch Verändern des Argondruckes, des Abstandes zwischen Schiffchen und Gitter und des Abstandes der Metallplatte von der Rückseite des Gitters zu steuern. Die Ladungsaufnahme an der Vorderseite des Gitters kann üblicherweise in der Größenordnung von etwa 50 V liegen, diejenige an der Rückseite des Gitters ist 5 V oder weniger, Jeweils für nach diesem Verfahren hergestellte BeSchichtungen.

Die nachstehenden Beispiele erläutern die Erfindung.

BEISPIEL 1

Ein Vakuumsystem wies eine Öl-Diffusionspumpe auf, ein rechteckiges Schiffchen aus Tantal, eine im Abstand von etwa 5 cm vom Schiffchen angeordnete Blende und, im Abstand von etwa 25,5 cm vom Schiffchen und in derselben Ebene wie dieses, einen Substrathalter mit einem Heizelement. In das Schiffchen wurden 20 g Selen mit einer Reinheit von 99»999$» in Form von !Tabletten mit einem Durchmesser von/^,?^amm, gegeben und in den Substrathalter wurde ein geflochtenes Aluminiumgitter, Drahtdurchmesser etwa 0,25 mm, Maschenweite etwa 0,75 mm, eingesetzt. Das System wurde auf einen Druck von 10 Torr evakuiert und die Selentabletten wurden durch Erhitzen des Schiffchens auf 250 ⁰C geschmolzen und entgast, wobei das Gitter durch die Blende gegen das Schiffchen abgeschirmt war. Mittels des Heizelementes des Substrathalters wurde das Gitter auf einer Temperatur von 50 bis 60 ⁰C gehalten. Mittels eines Druckregelventils (leak,valve), wurde in das System Argongas mit einer Reinheit von 99,999$ eingeleitet, bis der Argondruek 2* 10"" 3 Torr betrug. Durch Halten des Druckes auf diesem Niveau wurde der Argon-Durehsatz aufrechterhalten. Die Blende wurde geöffnet, und Selen wurde am Gitter so lange niedergeschlagen, bis eine Niederschlagsdicke von 5 bis 12 um erreicht war. Die Blende wurde dann geschlossen und das Schiffchen abkühlen gelassen.

609840/1034

/9

- 9 - 47 752

Das sich ergebende selenbeschichtete Gitter wurde aus dem Vakuumsystem herausgenommen und unter Benutzung einer positiven Korona mit einem Potential von +5000 V, die im Abstand von etwa 16 mm vom Gitter angeordnet war, in Luft im Dunkeln durch Koronaentladung aufgeladen. Die Ladungsaufnahme wurde mit 8 V je Mikrometer, die Empfindlichkeit mit 1 μ^οΐη festgestellt.

BEISPIEL 2

Bei gleichem Vorgehen wie im Beispiel 1, mit Ausnahme daß eine negative Korona mit einem Potential von -6000 V benutzt wurde, wurde die Ladungsaufnahme mit -8 V je Mikrometer und

die Empfindlichkeit mit 2 uj/cm festgestellt.

BEISPIEL 3

Bei gleichem Vorgehen wie im Beispiel 1, mit Ausnahme daß der Argondruck auf 3.10 !Dorr gehalten wurde, wurde die Ladungsaufnahme mit 14 V je Mikrometer und die Empfindlichkeit mit 1 uj/em festgestellt.

Bei einem ähnlichen Versuch unter Benutzung einer negativen Korona mit einem Potential von -6000 V ergab sich die

Empfindlichkeit ebenfalls zu 1 uj/cm .

BEISPIEL 4

Es wurde wie im Beispiel 1 vorgegangen, mit Ausnahme daß im Abstand von etwa 6,4 mm hinter dem Gitter eine Kupferplatte mit etwas größeren Abmessungen als das Gitter angeordnet wurde. Der Argondruck betrug 1.10 Torr, der Abstand zwischen Schiffchen und Gitter etwa 25 cm. Nach Herausnahme des Gitters aus dem Vakuum-Verdampfungssystem betrug die in Übereinstimmung mit dem Vorgehen in Beispiel 1 bestimmte Ladungsaufnahme 50 V an der Vorderseite und 5 V an der Rückseite.

/Ansprüche 609840/1034

Claims

ANSPRÜCHE

"1·/ Verfahren zum Herstellen eines fotolextfähxgen selenbeschichteten Trägers, insbesondere Lochträgers, für die elektrofotografische Herstellung von Kopien, bei dem man amorphes Selen im Vakuum verdampft und an einem gegebenenfalls erhitzten Substrat, insbesondere Lochsubstrat, Gitter oder dergl., kondensiert (aufdampft) , dadurch gekennzeichnet , daß das Selen in Gegenwart eines inerten Gases verdampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß amorphes Selen mit einer Reinheit von wenigstens etwa 99,999 % verdampft wird.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn

zeichnet

daß das Selen bei einem Druck im Bereich von _2

_4 _2

etwa 10 Torr bis 6.10 Torr verdampft wird.

4.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn

zeichnet

daß das Selen bei einem Druck im Bereich von

— 3 —2

etwa 10 Torr bis 3.10 Torr verdampft wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Selen bei einer Temperatur im Bereich von etwa 170 bis 250⁰C verdampft wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum, in dem sich das Selen anfänglich befindet, auf einen Druck von etwa 10~ Torr bis 10~ Torr evakuiert wird und daß dann der Druck durch Einleiten des inerten Gases auf etwa 10

_2
Torr bis 6.10 Torr exngestellt wxrd.

/2

609840/1034

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß als inertes Gas Argon verwendet wird. . ""

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß inertes Gas mit einer Reinheit von etwa 99,999 % verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Selen auf ein metallisches Substrat kondensiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß soviel Selen aufgedampft wird, daß die Selenschicht eine Ladungsaufnahme im Bereich etwa von 1/5 bis 1/3 der Durchschlagsspannung des dielektrischen Substrats hat.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß soviel Selen aufgedampft wird, daß die Ladungsaufnahme der Selenschicht etwa 8 bis 14 V je Mikrometer beträgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet , daß das Selen über der gesamten Oberfläche des Substrats in einer gleichmäßigen Schicht niedergeschlagen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß das Selen an der Vorderseite des Substrantes in einer dickeren Schicht als auf dessen Rückseite niedergeschlagen wird.

₁₀₅₈ .609840/1034