DE3525113A1 - Substrat fuer einen amorphen silicium-fotorezeptor - Google Patents
Substrat fuer einen amorphen silicium-fotorezeptorInfo
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Description
Stanley Electric Co., Ltd., Nakameguro-2-9-13,
Meguro-ku, Tokyo/Japan
Die Erfindung bezieht sich auf ein Substrat für einen amorphen Silicium-Fotorezeptor für Zwecke der Elektrofotographie.
Vor noch nicht langer Zeit wurde eine Technik der Herstellung eines
nicht kristallinen Silicium-Filmes, Wasserstoffatome enthaltend, entwickelt, und dieses nicht kristalline Silicium soll nachstehend kurz als a-Si-Film
bezeichnet werden. Dieser Film wird auf einem Substrat entwickelt durch Zerlegen von Silan-Gas durch eine Glimmentladung unter Verwendung des
*- Plasma-CVD-Verfahrens (Chemical Vapor Deposition). Dieser a-Si-Film wurde in
der Praxis als Halbleitermaterial eingeführt, das die Steuerung seines
'10 Leitfähigkeitstyps sowie seiner Trägerdichte ermöglicht für die Herstellung
verschiedener Halbleitereinrichtungen eines relativ breiten Anwendungsbereiches, wie Solarbatterien und Dünnfilmtransistoren zu niedrigen
Kosten. Auch wurde in dieser Technik ein erheblicher Fortschritt in jüngster Zeit gemacht hinsichtlich a-Si-Filmen mit einem hohen spezifischen Widerstand,
der mit guter Reproduzierbarkeit hergestellt werden kann. Demgemäß hat ein a-Si-Film mit einem hohen spezifischen Widerstand, niedergeschlagen auf der
Oberseite eines MetallSubstrats, wie eines Aluminium-Chips, das Interesse von
Anwendern erweckt, die dieses Material als Fotorezeptor für Zwecke für Elektrofotographie einsetzen wollen, wo das Material in der Lage ist,
ausgezeichnete Eigenschaften zu zeigen einschließlich der Fotoempfindlichkeit
und der mechanischen Dauerhaftigkeit. Auf diesem Gebiet erfolgen noch ausgedehnte Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, um durch a-Si-Material
konventionelles fotorezeptives Material, wie Selen, zu ersetzen.
Ein Beispiel für eine Vorrichtung für die Herstellung eines solchen
konventionellen a-Si-Fotorezeptors für Zwecke der Elektrofotographie ist in
Fig. 1 gezeigt. Eine Reaktionskammer 1 ist an eine Evakuierungsöffnung 2 zum
Abpumpen des Inneren der Kammer angeschlossen, in der ein ziemlich hohes
Vakuum erzeugt wird. Ein Substrat 3 für einen Fotorezeptor wird in die Reaktionskammer 1 eingesetzt. Dieses Substrat 3 soll jedoch elektrisch leitend
sein, so daß Aluminium (Al) oder eine Aluminiumlegierung im allgemeinen als Substratmaterial verwendet wird. Das Substrat hat oft die Form eines Zylinders
im Hinblick auf die Überlegung, daß das Substrat 3 in eine Kopiermaschine
eingesetzt wird. Das Substrat 3 ist innerhalb der Reaktionskammer 1 mittels eines Drehantriebs 4 drehbar angeordnet und darüberhinaus ist Vorsorge dafür
getroffen, daß das Substrat 3 einer angemessenen Temperatur zu dem Zeitpunkt ausgesetzt werden kann, daß ein a-Si-Film ausgesetzt wird, wofür ein
elektrisches Heizregister 5 innerhalb des zylindrischen Substrats vorgesehen ist, das an eine äußere Leitungsquelle 6 angeschlossen wird.
Innerhalb der Reaktionskammer 1 ist eine zylindrische Elektrode 7 vorgesehen, die das erwähnte zylindrische Substrat 3 umgibt. Diese Elektrode 7
ist mit einer Mehrzahl von Gasaustrittsöffnungen 8 versehen, die in ihrer Wandung ausgebildet sind. Diese Öffnungen sind an eine Gaszuführeinrichtung 9
angeschlossen, die sich außerhalb der Reaktionskammer 1 befindet, um mit einem Gas gespeist zu werden, wie SiH4 und anderen Gasen, so daß das Gas in das
Innere der Elektrode 7 unter Druck durch die öffnungen 8 eintreten kann.
Elektrische Hochfrequenzleistung wird der Elektrode 7 von einer Leistungsquelle 1o zugeführt, die an die Elektrode 7 angeschlossen wird, um
eine Glimmentladung zwischen der Elektrode 7 und dem Substrat 3 bei einer
entsprechenden Substrattemperatur zu entwickeln und bei einem entsprechenden Gasdruck. Im Ergebnis werden SiH4-GaS und andere Startmaterialgase, die in die
Reaktionskammer von der Gaszufuhreinrichtung 9 eingespeist werden, durch die Glimmentladung zerlegt, so daß a-Si-enthaltendes Siliciumhydrid auf der
Oberfläche des Substrats 3 niedergeschlagen wird. Um einen a-Si-Film mit einem
hohen spezifischen Widerstand zu erhalten, werden Methoden angewandt, um bestirnte Volumina von N^-Gas und BpHg-Gas in das SiH4-GaS einzumischen.
Die Dicke eines a-Si-Films, die erforderlich ist für einen Fotorezeptor
für Zwecke der Elektrofotografie, soll in der Größenordnung von 5 bis 5o pm
liegen, vorzugsweise bis 1o bis 3oum. Hinsichtlich der physikalischen Grundeigenschaft der Schichtstruktur der Schichtzusammensetzung einer
a-Si-Schicht selbst wie auch der Fertigungsverfahren der a-Si-Schicht wurden
zahlreiche Entwicklungen und Forschungen durchgeführt, und diese sind auch
noch im Gange. Beim gegenwärtigen Stand der Technik sind jedoch keine
Untersuchungen bekannt geworden hinsichtlich der Möglichkeit, daß eine a-Si-Schicht sowohl als Träger wie auch als elektroleitendes Material für das
Substrat des Fotorezeptors eingesetzt würde.
Als Material für das Substrat eines Fotorezeptors für elektrofotographische Zwecke sind Metalle wünschenswert, weil das Substrat im
allgemeinen elektrisch leitend sein soll. Ein anderer Grund dafür besteht darin, daß die Bildung einer a-Si-Schicht als Film auf der Oberseite des
Substrats durchgeführt wird, während das Innere der Reaktionskammer aufgeheizt wird, so daß das Substrat keine Deformationen unter Wärmeeinwirkung zeigen
darf. Schließlich soll das Substrat leicht bearbeitbar sein, d.h. maschinell
verformbar sein, damit es bequem in ein Kopiergerät, einen Drucker oder dergleichen eingebaut werden kann, und das Material muß auch eine hohe
mechnische Festigkeit, geringes Gewicht und eine lange Lebensdauer besitzen.
Schließlich wird von dem Substrat auch noch verlangt, daß es das zu erzeugende
Bild nicht nachteilig beeinflussen darf. Auf Grundlage dieser Überlegungen werden Metalle wie Aluminium oder Aluminiumlegierung in weitem Maße als
Material zur Fertigung des Substrats für einen Fotorezeptor eingesetzt. Dieses Substrat wird zunächst entweder durch Extrusion oder durch Ziehen gefertigt,
um eine grobzylindrische Struktur zu erzielen und wird dann einer Oberflächenschleif- oder -honbearbeitung unterworfen. In dem Schritt vor dem
Niederschlagen eines a-Si-Filmes auf dieses Substrat ist es üblich, die
Oberfläche des Substrats einer Spiegelschliffbearbeitung zu unterwerfen sowie
einer fettabtragenden Reinigung.
Die Anmelderin hat festgestellt, daß die oben genannten Punkte hinsichtlich
der Eigenschaft eines Fotorezeptors deutlich beeinflußt werden durch die Qualität und Eigenschaft des verwendeten Substrats und hat in der japanischen
Patentanmeldung Nr. Sho 58-135957bestimmte Bedingungen offenbart hinsichtlich der Qualität und Eigenschaft von Aluminiumlegierungen zur
Verwendung als Ausgangsmaterial für das Substrat eines Fotorezeptors. Es hat sich jedoch gezeigt, daß selbst dann, wenn die Qualität und Eigenschaft
des verwendeten Substrats sich nicht änderten, die Kristallkörner, die sich in der Oberfläche des Substratmetalls befinden, sich in ihrer Größe ändern
könnten infolge der Unterschiede in den Herstellungsverfahren, wie auch der Bearbeitungstechniken des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung und daß
eine solche Veränderung in der Größe der Kristalle die Qualität des
elektrofotografischen Bildes, das hergestellt werden soll, in hohem Maße beeinflußt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Substrat für einen a-Si-Fotorezeptor
zu schaffen, der stabil und wiederholbar die Herstellung von Bildern guter Qualität ermöglicht.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale, während die Unteransprüehe
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung definieren.
Als Substrat wird also Aluminium verwendet oder eine Aluminiumlegierung,
wenn als Fotorezeptor amorphes Silicium eingesetzt wird und die Baugruppe in einem elektrofotografischen Gerät eingesetzt wird. Wesentlicher
Punkt der Erfindung ist die Einstellung der Größe der Kristallkörner,
die sich in der Oberfläche des Substrats befinden, und zwar derart, daß die Qualität des Bildes, das hergestellt wird, nicht beeinträchtigt wird.
Insbesondere werden Kristallkörner mit einem Durchmesser von 1 cm oder
kleiner vorgesehen.
Es hat sich gezeigt, daß unter Anwendung der Erfindung Kopien oder
Druckabzüge exzellenter Qualität erzielbar sind, ohne daß sich unerwünschte helle und dunkle Flecken entwickeln, d.h. ungleichförmige Schatten, die
zurückzuführen wären auf jene Kristallkörner, die sich in der Oberfläche des Substrats eines a-Si-Fotorezeptors befinden.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefüg-
ten Zeichnungen im einzelnen erläutert.
Fig. 1 zeigt in Diagrammform ein konventionelles Plasma-CVD-Gerät
zur Verwendung bei der Herstellung eines a-Si-Fotorezeptors.
Fig. 2 ist ein Foto eines kopierten Bildes, erzeugt von einem a-Si-Fotorezeptor unter Verwendung eines konventionellen Substrats aus
einer Aluminiumlegierung.
Fig. 3 ist ein Foto eines kopierten Bildes, erzeugt mit einem
a-Si-Fotorezeptor unter Verwendung eines Substrats ähnlich dem nach Fig. 2,
jedoch unter Anwendung der Lehre der vorliegenden Erfindung.
Die Unterschiede des Gegenstandes der Erfindung mit dem Stand der Technik werden nachstehend erläutert.
Fig. 2 ist ein Muster einer Kopie eines schwarzen Kontaktabzugs, erhalten durch Verwendung eines a-Si-Fotorezeptors, hergestellt nach dem
konventionellen Verfahren ohne Einstellung der Größe der Kristallkörner.
Als Substrat für diesen a-Si-Fotorezeptor wurde eine Aluminiumlegierung verwendet (Typ JIS 3003; dabei bedeutet JIS "Japan Industrial Standard"),
und auf der Oberfläche dieses Substrats war ein a-Si-Film bis zu einer
Dicke von 20 pm niedergeschlagen worden. Die Kristallkörner, die sich in
der Oberfläche dieses Aluminiumlegierungssubstrats befinden, haben einen maximalen Durchmesser von etwa 2 cm. Wie man aus Fig. 2 entnimmt, hat es
sich gezeigt, daß die hellen und dunklen Stellen des Bildes sich in
Übereinstimmung mit der Größe und Form der Kristallkörner des Substratmetalls
ausbilden. Der Grund, warum die Größe und Form der Kristallkörner der Substratoberfläche die Qualität des Bildes beeinflussen, wird in folgendem
vermutet:
Eine fotorezeptive a-Si-Schicht wird mit einer geringen Dicke von etwa 50 pm maximal ausgebildet. Um diese fotorezeptive Schicht in hoher
Qualität trotz Massenproduktion zu erzielen, verwendet man die Plasma-CVD-Technik.
Es ist übereinstimmende Meinung der Fachwelt, daß der Wachstumsprozeß eines a-Si-Films entsprechend dieser bekannten Technik eine Art von
Oberflächenreaktion darstellen kann, die in der Form abläuft, daß SiH. Gas und andere Ausgangsmaterialgase in Radikale (freie Radikale) durch eine
Glimmentladung, die auf sie einwirkt, zerlegt werden und daß diese Radikale
sich auf der Oberfläche des Substrats ablagern, um sich progressiv in a-Si umzuwandeln. Demgemäß wird angenommen, daß die a-Si-Schicht, die progressiv
auf der Oberfläche des Substrats niedergeschlagen wird, in hohem Maße einem
epitaxialähnlichen Wachstum folgt, während sie in gewissem Maße von der
Orientierung der Kristalle abhängt, die in der Substratoberfläche vorliegen.
Demgemäß und auch wegen der Tatsache, daß der hergestellte Film eine geringe Dicke besitzt, wird angenommen, daß sich eine a-Si-Schicht bildet
mit Filmqualitäten entsprechend der Orientierung der Größe und der Form der
Kristallkörner an entsprechenden Stellen der Oberfläche des Substrats und daß diese Faktoren manifest werden als ungleichförmige helle und dunkle
Stellen in dem erzielten Bild. Auch sind die Zusammensetzungen der entsprechenden
Kristallkörner, die gebildet werden zu dem Zeitpunkt der Verfestigung der Kristalle bei dem Herstellungsverfahren des Aluminiumlegierungssubstrats
für jedes Kristallkorn etwas unterschiedlich, so daß ein gewisses Maß potentieller Barrieren vorhanden wäre an den Grenzflächen zwischen oder
in den Grenzschichten der betreffenden Kristallkörner. Im Ergebnis wird es, abhängig von den jeweiligen Kristallkörnern, einige Unterschiede geben in
der Menge von Trägern, die von der Substratseite in die a-Si-Schicht injiziert werden, was ein Typ des Bildherstellungsprozesses ist, und dies
wird auch als Ursache angesehen für solche ungleichförmigen dunklen und hellen Stellen, die sich in der Kopie gemäß Fig. 2 zeigen.
Wie oben erörtert, hat es sich gezeigt, daß die Größe und Form der
Kristallkörner in der Oberfläche des Substrats stark die Qualität des Bildes beeinflussen, das von dem a-Si-Fotorezeptor geliefert wird. Um
dieses Problem zu lösen, hat es sich als am wirksamsten erwiesen, die Größe
der Kristallkörner so zu begrenzen, daß sie einen bestimmten Wert nicht überschreitet.
Fig. 3 ist eine Probe eines kopierten Bildes ähnlich dem nach Fig.
2 von einem schwarzen Kontaktdruck, hergestellt unter ähnlichen Kopierbedingungen
wie nach Fig. 2 unter Verwendung einer a-Si-Schicht derselben Filmdicke wie die a-Si-Schicht für die Kopie nach Fig. 2, und ausgebildet
unter denselben Bedingungen wie jene nach Fig. 2, wobei jedoch die Kri-
Stallkörner, die in der Oberfläche des Substrats aus Aluminiumlegierung
(JIS 3003) vorhanden waren, so eingestellt wurden, daß sie eine Größe von
etwa 100 pm entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung hatten. Die Bearbeitung des Substrats, wie Schleifen und Reinigen, wurde in derselben
Weise wie für das konventionelle Substrat vorgenommen.
Das Ergebnis bestand darin, daß sich kein unerwünschtes Muster von hellen und
dunklen Stellen zeigte und daß man ein Bild von ausgezeichneter Qualität erzielen konnte.
unterschiedlich sein, abhängig vom Typ des herzustellenden Bildes. Wenn jedoch
Wert gelegt wird auf die getreue Reproduktion eines Bildes, wurde die folgende Schlußfolgerung als Ergebnis zahlreicher Experimente gezogen, daß nämlich die
Größe der Kristal!körner höchstens etwa 1 cm betragen sollte, üblicherweise
1oo pm oder kleiner und vorzugsweise 2o um oder noch kleiner.
Um nun die Größe der Kristallkörner in der Oberfläche des Substrats auf
den erwähnten spezifischen Wert einzustellen oder noch kleiner, kann beispielsweise die folgende Technik angewandt werden:
a)Bei der Verfestigung von Aluminiumschmelze oder einer Aluminiumlegierungsschmelze wird das geschmolzene Metall dem Wirkungsbereich
einer Ultraschallwelle ausgesetzt. Eine Zerlegung oder ein Minimalhalten der Größe der Kristal!körner durch das Einwirkenlassen einer Ultraschallwelle wird
erzielt durch die zerstörende Wirkung auf die Körner infolge der Reibungskraft und der Kavitationswirkung, die zwischen den zuerst entstandenen
Kristallkörnern und dem geschmolzenen Metall wirksam wird.
b) Das Aluminium oder die Aluminiumlegierung, die eingesetzt werden,
werden einer Wärmebehandlung ausgesetzt, indem das Metall während einer längeren Zeitperiode auf eine Temperatur unmittelbar unter dem Soliduspunkt
erwärmt wird, um die Größe der Kristal!körner zu verkleinern und um
gleichzeitig die Komponenten einem Diffusionsvorgang auszusetzen, wodurch die
c) Das Metall, das sich auf einer Temperatur befindet, bei der Übergang
der Phase von Liquidus zu Solidus erfolgt, wird einer bestimmten Abkühlgeschwindigkeit unterworfen, um dabei die Entwicklung der Kerne aus dem
geschmolzenen Metall zu steuern wie auch die Wachstumsgeschwindigkeit
derselben, um so die Größe der Kristallkörner minimal zu machen. Im
allgemeinen wird mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit desto eher ein Unterkühlungsphänomen eintreten, derart, daß die Rate der Entwicklung von
Nuklei zunimmt,und gleichzeitig ergibt sich eine Verringerung der Zufuhr von
gelösten Atomen infolge Diffusion, was zu einer Verzögerung des Wachstums
neuer Phasen führt, und im Ergebnis wird die Zusammensetzung der Kristalle feiner.
Es ist wünschenswert, wenn die Größe der Kristallkörner in der
5 Oberfläche des Substrats in der oben beschriebenen Weise minimal gehalten
werden kann. Selbst wenn jedoch alle Anstrengung unternommen wird, um die Größe der Kristallpartikel des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung minimal
klein zu halten, aus denen das Substrat besteht, könnte doch der Nachteil eintreten, daß beispielsweise bei Extrusion oder Ziehen des Materials zwecks
Herstellung eines zylindrischen Ausgangsrohres die Kristallstruktur selbst ebenfalls in Richtung der Kraft einer Zugbeanspruchung unterworfen wird, wie
sie bei dem Rohrherstellungsverfahren auftritt. Demgemäß wird es erforderlich
sein, darauf zu achten, daß die Minimalgröße der Körner auch bei einem weiteren Herstellungsschritt des Substrats aufrechterhalten wird, wie beim
Schleifen der Oberfläche oder beim Honen und ebenso auch beim Ätzen des Substrats.
Claims (4)
1. Substrat für einen Fotorezeptor auf Basis amorphen Siliciums, umfassend einen elektrisch leitenden Metallkörper aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung und einer fotorezeptiven Schicht aus amorphem Silicium,
niedergeschlagen auf den Metallkörper unter Verwendung eines Plasma-CVD-Geräts,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallkörner, die in der Oberfläche des Substrats vorliegen, jeweils einen Durchmesser vtjn
höchstens 1 cm aufweisen.
2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium
oder die Aluminiumlegierung hergestellt wird, indem es bzw. sie während der Verfestigung aus dem geschmolzenen Zustand einer Ultraschallwellenbeaufschlagung
ausgesetzt wird.
3. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium
bzw. die Aluminiumlegierung ein wärmebehandeltes Aluminium bzw. eine wärmebehandelte Aluminiumlegierung ist.
4. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium
oder die Aluminiumlegierung hergestellt wird durch Abkühlung mit einer
vorgegebenen Geschwindigkeit in einem Temperaturbereich, in welchem eine Phasenänderung von der Liquidusphase in die Solidusphase erfolgt.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4686165A (en) | 1987-08-11 |
| JPH0514903B2 (de) | 1993-02-26 |
| JPS6126056A (ja) | 1986-02-05 |
| DE3525113C2 (de) | 1987-04-23 |
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