以下においては、本発明について、電子写真感光体を形成する場合を例にとって、図1ないし図5を参照しつつ説明する。
図1に示した電子写真感光体1は、円筒状基体10の外周面に、電荷注入阻止層11、光導電層12および表面層13を順次積層形成したものである。
円筒状基体10は、電子写真感光体1の支持母体となるものであり、少なくとも表面に導電性を有するものとして形成されている。この円筒状基体10は、たとえばアルミニウム(Al)、ステンレス(SUS)、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、スズ(Sn)、金(Au)、銀(Ag)などの金属材料、もしくは例示した金属材料を含む合金材料により、全体が導電性を有するものとして形成されている。円筒状基体10はまた、樹脂、ガラス、セラミックスなどの絶縁体の表面に例示した金属材料、あるいはITOおよびSnO2などの透明導電性材料による導電性膜を被着したものであってもよい。例示した材料のうち、円筒状基体10を形成するための材料としては、Al系材料を用いるのが最も好ましく、また円筒状基体10の全体をAl系材料により形成するのが好ましい。そうすれば、電子写真感光体1を軽量かつ低コストで製造可能となり、その上、電荷注入阻止層11や光導電層12をa−Si系材料により形成する場合には、それらの層と円筒状基体10との間の密着性が高くなって信頼性を向上させることができる。
円筒状基体10としては、外周面がフッ素化されているものを使用することもできる。たとえば円筒状基体10がAl製である場合には、円筒状基体10としては外周面にフッ化アルミニウム膜が形成されたものを使用することができる。円筒状基体10として、外周面がフッ素化されたものを使用すれば、画像メモリ特性を改善することができるため、画像品質の向上を図ることができる。
円筒状基体10の外周面におけるフッ素原子の割合は、たとえば1atm%以上70atm%以下とされる。これは、円筒状基体10の外周面におけるフッ化原子の割合が不当に大きいと、円筒状基体10の外表面から堆積膜が剥離しやすくなる一方、フッ素原子の割合が不当に小さいと画像メモリ特性の改善効果を十分に得ることができなくなるからである。
ここで、フッ素原子の原子割合は、X線電子分光分析(ESCA:Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)により円筒状基体の外表面の組成を評価したときの値として定義される。
電荷注入阻止層11は、円筒状基体10からのキャリア(電子)の注入を阻止するためのものであり、たとえばa−Si系材料により形成されている。この電荷注入阻止層11は、たとえばa−Siに、ドーパントとして硼素(B)、窒素(N)、あるいは酸素(O)を含有させたものとして形成されており、その厚みは2μm以上10μm以下とされている。
光導電層12は、レーザ光などの光照射によってキャリアを発生させるためのものであり、たとえばa−Si系材料、あるいはSe−Te、As2Se3などのa−Se系材料により形成されている。ただし、電子写真特性(たとえば光導電性特性、高速応答性、繰り返し安定性、耐熱性あるいは耐久性)および表面層13をa−Si系に材料により形成した場合における表面層13との整合性を考慮した場合には、光導電層12は、a−Si、もしくはa−Siに炭素(C)、窒素(N)、酸素(O)などを加えたa−Si系材料により形成するのが好ましい。また、光導電層12の厚みは、使用する光導電性材料および所望の電子写真特性により適宜設定すればよく、a−Si系材料を用いて光導電層12を形成する場合には、光導電層12の厚みは、たとえば5μm以上100μm以下、好適には10μm以上80μm以下とされる。
表面層13は、電子写真感光体1の表面を保護するためのものであり、画像形成装置内での摺擦による削れに耐え得るように、たとえばa−SiCやa−SiNなどのa−Si系材料、あるいはa−Cなどにより形成されている。この表面層13は、電子写真感光体1に照射されるレーザ光などの光が不当に吸収されることのないように、照射される光に対して充分広い光学バンドギャップを有しており、また、画像形成における静電潜像を保持出来得る抵抗値(一般的には1011Ω・cm以上)を有するものとされている。表面層13の厚みは、たとえば0.2μm以上1.5μm以下とされる。
電子写真感光体1における電荷注入阻止層11、光導電層12および表面層13は、たとえば図2および図3に示したプラズマCVD装置2を用いることにより形成される。
プラズマCVD装置2は、支持体3を反応室4に収容したものであり、回転手段5、ガス供給手段6および排気手段7をさらに備えている。
支持体3は、円筒状基体10を支持するためのものであるとともに、第1導体として機能するものである。この支持体3は、フランジ部30を有する中空状に形成されているとともに、円筒状基体10と同様な導電性材料により全体が導体として形成されている。支持体3は、2つの円筒状基体10を支持できる長さ寸法に形成されており、導電性支柱31に対して着脱自在とされている。そのため、支持体3では、支持した2つの円筒状基体10の表面に直接触れることなく、反応室4に対して2つの円筒状基体10の出し入れを行なうことができる。
導電性支柱31は、円筒状基体10と同様な導電性材料により全体が導体として形成されており、反応室4の中心において、後述するプレート42に対して絶縁材32を介して固定されている。導電性支柱31には、導板33を介して直流電源34が接続されている。この直流電源34は、制御部35によってその動作が制御されている。制御部35は、直流電源34を制御することにより、導電性支柱31を介して、支持体3にパルス状の直流電圧(図5参照)を供給するように構成されている。
導電性支柱31の内部には、セラミックパイプ36を介してヒータ37が収容されている。セラミックパイプ36は、絶縁性および熱伝導性を確保するためのものである。ヒータ37は、円筒状基体10を加熱するためのものである。ヒータ37としては、たとえばニクロム線やカートリッジヒータを使用することができる。
ここで、支持体3の温度は、たとえば支持体3あるいは導電性支柱31に取り付けられた熱電対(図示略)によりモニタされており、この熱電対におけるモニタ結果に基づいて、ヒータ37をオン・オフさせることにより、円筒状基体10の温度が目的範囲、たとえば200℃以上400℃以下から選択される一定の範囲に維持される。
反応室4は、円筒状基体10に対して堆積膜を形成するための空間であり、円筒状電極40および一対のプレート41,42により規定されている。
円筒状電極40は、第2導体として機能するものであり、支持体3の周囲を囲む円筒状に形成される。この円筒状電極40は、円筒状基体10と同様な導電性材料により中空に形成されており、絶縁部材43,44を介して一対のプレート41,42に接合されている。
円筒状電極40は、支持体3に支持させた円筒状基体10と円筒状電極40との間の距離D1が10mm以上100mm以下となるような大きさに形成されている。これは、円筒状基体10と円筒状電極40との距離D1が10mmよりも小さい場合は反応室4に対する円筒状基体10の出し入れなどにおいて作業性を充分に確保できず、また円筒状基体10と円筒状電極40との間で安定した放電が得ることが困難となり、逆に、円筒状基体10と円筒状電極40との距離D1が100mmよりも大きい場合は、装置2が大きくなってしまい単位設置面積当たりの生産性が悪くなるためである。
円筒状電極40は、ガス導入口45および複数のガス吹き出し孔46を有しているとともに、その一端において接地されている。なお、円筒状電極40は、必ずしも接地する必要はなく、直流電源34とは別の基準電源に接続してもよい。円筒状電極40を直流電源34とは別の基準電源に接続する場合、基準電源における基準電圧は、たとえば−1500V以上1500V以下とされる。
ガス導入口45は、真空反応室4に供給すべき洗浄ガスや原料ガスを導入するためのものであり、ガス供給手段6に接続されている。
複数のガス吹き出し孔46は、円筒状電極40の内部に導入された洗浄ガスや原料ガスを円筒状基体10に向けて吹き出すためのものであり、図の上下方向等間隔で配置されているとともに、周方向にも等間隔で配置されている。複数のガス吹き出し孔46は、同一形状の円形に形成されており、その孔径は、たとえば0.5mm以上2.0mm以下とされている。もちろん、複数のガス吹き出し孔46の孔径、形状および配置については、適宜変更可能である。
プレート41は、反応室4が開放された状態と閉塞された状態とを選択可能とするためのものであり、プレート41を開閉することによって反応室4に対する支持体3の出し入れが可能とされている。プレート41は、円筒状基体10と同様な導電性材料により形成されているが、下面側に防着板47が取着されている。これにより、プレート41に対して堆積膜が形成されるのが防止されている。この防着板47もまた、円筒状基体10と同様な導電性材料により形成されており、防着板47はプレート41に対して着脱自在とされている。
プレート42は、反応室4のベースとなるものであり、円筒状基体10と同様な導電性材料により形成されている。プレート42と円筒状電極40との間に介在する絶縁部材44は、円筒状電極40とプレート42との間にアーク放電が発生するのを抑える役割を有するものである。このような絶縁部材44は、たとえばガラス材料(ホウ珪酸ガラス、ソーダガラス、耐熱ガラスなど)、無機絶縁材料(セラミックス、石英、サファイヤなど)、あるいは合成樹脂絶縁材料(テフロン(登録商標)などのフッ素樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ビニロン、エポキシ、マイラー、PEEK材など)により形成することができるが、絶縁性を有し、使用温度で充分な耐熱性があり、真空中でガスの放出が小さい材料であればば特に限定はない。ただし、絶縁部材44は、成膜体の内部応力および成膜時の温度上昇に伴って生じるバイメタル効果に起因する応力により反りが発生して使用できなくなるのを防止するために、一定以上の厚みを有するものとして形成されている。たとえば、絶縁部材44をテフロン(登録商標)のような熱膨張率3×10−5/K以上10×105/K以下の材料により形成する場合には、絶縁部材44の厚みは10mm以上に設定される。このような範囲に絶縁部材44の厚みを設定した場合には、絶縁部材44と円筒状基体10に成膜される10μm以上30μm以下のa−Si膜との界面に発生する応力に起因するそり量が、水平方向(円筒状基体10の軸方向に略直交する半径方向)の長さ200mmに対して、水平方向における端部と中央部との軸方向における高さの差で1mm以下とすることができ、絶縁部材44を繰り返し使用することが可能となる。
プレート42および絶縁部材44には、ガス排出口42A,44Aおよび圧力計49が設けられている。排気口42A,44Aは、反応室4の内部の気体を排出するためのものであり、排気手段7に接続されている。圧力計49は、反応室4の圧力をモニタリングするためのものであり、公知の種々のものを使用することができる。
図4に示したように、回転手段5は、支持体3を回転させるためのものであり、回転モータ50および回転力伝達機構51を有している。回転手段5により支持体3を回転させて成膜を行なった場合には、支持体3とともに円筒状基体10が回転させられるために、円筒状基体10の外周に対して均等に原料ガスの分解成分を堆積させることが可能となる。
回転モータ50は、円筒状基体10に回転力を付与するものである。この回転モータ50は、たとえば円筒状基体10を1rpm以上10rpm以下の一定の回転数で回転させるように動作制御される。回転モータ50としては、公知の種々のものを使用することができる。
回転力伝達機構51は、回転モータ50からの回転力を円筒状基体10に伝達・入力するためのものであり、回転導入端子52、絶縁軸部材53および絶縁平板54を有している。
回転導入端子52は、反応室4内の真空を保ちながら回転力を伝達するためのものである。このような回転導入端子52としては、回転軸を二重もしくは三重構造としてオイルシールやメカニカルシール等の真空シール手段を用いることができる
絶縁軸部材53および絶縁平板54は、支持体3とプレート41との間の絶縁状態を維持しつつ、回転モータ50からの回転力を支持体3に入力するためものであり、たとえば絶縁部材44などの同様な絶縁材料により形成されている。ここで、絶縁軸部材53の外径D2は、成膜時において、支持体3の外径(後述する上ダミー基体38Cの内径)D3よりも小さくなるように設定されている。より具体的には、成膜時における円筒状基体10の温度が200℃以上400℃以下に設定される場合、絶縁軸部材53の外径D2は、支持体3の外径(後述する上ダミー基体38Cの内径)D3よりも0.1mm以上5mm以下、好適には3mm程度大きくなるように設定される。この条件を満たすために、非成膜時(常温環境下(たとえば10℃以上40℃以下))においては、絶縁軸部材53の外径D2と支持体3の外径(後述する上ダミー基体38Cの内径)D3との差は、0.6mm以上5.5mm以下に設定される。
絶縁平板54は、プレート41を取り外しするときに上方から落下するゴミや粉塵などの異物が円筒状基体10へ付着するのを防止するためのものであり、上ダミー基体38Cの内径D3より大きな外径D4を有する円板状に形成されている。絶縁平板54の直径D4は、円筒状基体10の直径D3の1.5倍以上3.0倍以下とされ、たとえば円筒状基体10として直径D3が30mmのものを用いる場合には、絶縁平板54の直径D4は50mm程度とされる。
このような絶縁平板54を設けた場合には、円筒状基体10に付着した異物に起因する異常放電を抑制することができるため、成膜欠陥の発生を抑制することができる。これにより、電子写真感光体1を形成する際の歩留まりを向上させ、また電子写真感光体1を用いて画像形成する場合における画像不良の発生を抑制することができる。
図2に示したように、ガス供給手段6は、洗浄ガスタンク60、複数の原料ガスタンク61,62,63、複数の配管60A,61A,62A,63A、バルブ60B,61B,62B,63B,60C,61C,62C,63C、および複数のマスフローコントローラ60D,61D,62D,63Dを備えたものであり、配管64およびガス導入口45を介して円筒状電極40に接続されている。
洗浄ガスタンク60は、洗浄ガスが充填されたものである。洗浄ガスとしては、ClF3を含むものが用いられる。洗浄ガスは、窒素ガスなどの不活性ガスをさらに含んでいてもよい。各原料ガスタンク61〜63は、原料ガスが充填されたものである。原料ガスとしては、たとえばB2H6、H2(またはHe)、CH4あるいはSiH4が用いられる。
バルブ60B〜63B,60C〜63Cおよびマスフローコントローラ60D〜63Dは、反応室4に導入するガス成分の流量、組成およびガス圧を調整するためのものである。もちろん、ガス供給手段6においては、各原料ガスタンク61〜63に充填すべきガスの種類、あるいは複数の原料ガスタンク61〜63の数は、円筒状基体10に形成すべき膜の種類あるいは組成に応じて適宜選択すればよい。
排気手段7は、反応室4のガスをガス排出口42A,44Aを介して外部に排出するためのものであり、メカニカルブースタポンプ71およびロータリーポンプ72を備えている。これらのポンプ71,72は、圧力計49でのモニタリング結果により動作制御されるものである。すなわち、排気手段7では、圧力計49でのモニタリング結果に基づいて、反応室4を真空に維持できるとともに、反応室4のガス圧を目的値に設定することができる。反応室4の圧力は、たとえば1.0Pa以上100Pa以下とされる。
次に、プラズマCVD装置2を用いた堆積膜の形成方法について、円筒状基体10にa−Si系膜が形成された電子写真感光体1(図1参照)を作製する場合を例にとって説明する。
まず、反応室4の内部にClF3を含む洗浄ガスを供給することにより反応室4の洗浄を行なう。反応室4への洗浄ガスの供給は、バルブ60B〜63B,60C〜63Cの開閉状態を適宜制御しつつ、マスフローコントローラ60Dを制御することにより、洗浄ガスタンク60の洗浄ガスを、配管60A,64およびガス導入口45を介して円筒状電極40の内部に導入することにより行なわれる。円筒状電極40の内部に導入された洗浄ガスは、複数のガス吹き出し孔46を介して円筒状基体10に向けて吹き出される。
洗浄ガスの供給時における反応室4の温度は、たとえば100℃以下に調整される。除去すべき成分がa−Siなどである場合には、反応室4の温度を高く設定したほうが洗浄効果が高くなるが、必要以上に反応室4の温度を高く設定すると、装置2の内部に錆が発生する可能性が高くなるため、反応室4の温度は100℃以下とするのが好ましい。反応室4の温度は、制御部35によってヒータ37の発熱温度(供給電力)を制御することによって調整することができ、また反応室4における不当な温度上昇を抑制するために、装置2を外部から水冷などにより冷却してもよい。
洗浄ガスの供給時における反応室4の圧力は、常圧以下、たとえば10Pa以上105Pa以下とされる。反応室4の圧力は、排気手段7によってガス排出口42A,44Aを介して反応室4から排出させる洗浄ガスの流量を、メカニカルブースタポンプ71(図2参照)およびロータリーポンプ72(図2参照)の動作を制御することにより調整される。
このような洗浄方法は、ガスを用いて洗浄を行なうものであるため、ウェットエッチングや物理的エッチングによって洗浄を行なう場合のように各種の部品を分解し、それを再組み立てする必要がない。そのため、ガスを用いた洗浄方法では、反応室4の洗浄に要する労力を軽減することが可能となる。
反応室4に洗浄ガスを供給している間においては、円筒状電極40と支持体3との間へのパルス状の直流電圧を印加してもよい。このようなパルス状の直流電圧の印加は、制御部35によって直流電源34を制御することにより行なわれる。
より具体的には、制御部35は、円筒状電極40が接地されている場合には、支持体(導電性支柱31)に対して、−3000V以上−50V以下の範囲内の負のパルス状直流電位V1(図5参照)を供給する。
一方、円筒状電極40が基準電源(図示略)に接続されている場合には、支持体(導電性支柱31)に対して供給するパルス状直流電位V1は、基準電源により供給される電位V2を基準電位として、たとえば−3000V以上−50V以下の範囲(目的とする電位差ΔV)となるように設定される。また、基準電源により供給する電位V2は、支持体3(円筒状基体10)に対して負のパルス状電圧(図5参照)を印加する場合には、たとえば−1500V以上1500V以下に設定される。ここで一例を挙げれば、目的とする電位差ΔVを−3000Vに設定し、基準電源により供給される基準電位が500Vの場合には、支持体(導電性支柱31)に対して供給するパルス状直流電位V1は、−2500Vとされる。
制御部35はまた、直流電圧の周波数(1/T(sec))が300kHz以下に、duty比(T1/T)が20%以上90%以下となるように直流電源34を制御する。
なお、本発明におけるduty比とは、図5に示したようにパルス状の直流電圧の1周期(T)(円筒状基体10と円筒状電極40との間に電位差が生じた瞬間から、次に電位差が生じた瞬間までの時間)における電位差発生T1が占める時間割合と定義される。たとえば、duty比20%とは、パルス状の電圧を印加する際の、1周期に占める電位差発生(ON)時間が1周期全体の20%であることを言う。
反応室4に洗浄ガスを供給している間にパルス状に直流電圧を印加した場合には、反応室4の内部に付着した堆積膜をエッチングする速度を高めることできるばかりか、a−Si系膜を形成したときに生じる残渣であるa−SiNやa−SiOなどの残渣を効率良く除去することが可能となる。その結果、洗浄方法としてClF3を含む洗浄ガスを用いたガスエッチングを採用した場合であっても、洗浄時間の短縮化するとともに、残渣の少ない清浄な状態に反応室4の内部を保つ事が可能となる。
次いで、プラズマCVD装置2のプレート41を取り外した上で、複数の円筒状基体10(図面上は2つ)を支持させた支持体3を、反応室4の内部にセットし、再びプレート41を取り付ける。
支持体3に対する2つの円筒状基体10の支持に当たっては、支持体3の主要部を外套した状態で、フランジ部30上に、下ダミー基体38A、円筒状基体10、中間ダミー基体38B、円筒状基体10、および上ダミー基体38Cが順次積み上げられる。
各ダミー基体38A〜38Cとしては、製品の用途に応じて、導電性または絶縁性基体の表面に導電処理を施したものが選択されるが、通常は、円筒状基体10と同様な材料により円筒状に形成されたものが使用される。
ここで、下ダミー基体38Aは、円筒状基体10の高さ位置を調整するためのものである。中間ダミー基体38Bは、隣接する円筒状基体10の端部間で生じるアーク放電に起因する円筒状基体10に成膜不良が発生するのを抑制するためのものである。この中間ダミー基体38Bとしては、その長さがアーク放電を防止できる最低限の長さ(本実施形態では1cm)以上を有し、その表面側角部が曲面加工で曲率0.5mm以上または端面加工でカットされた部分の軸方向の長さ及び深さ方向の長さが0.5mm以上となるように面取りがされたものが使用される。上ダミー基体38Cは、支持体3に堆積膜が形成されるのを防止し、成膜中に一旦被着した成膜体の剥離に起因する成膜不良の発生を抑制するためのものである。上ダミー基体38Cは、一部が支持体3の上方に突出した状態とされる。
次いで、反応室4を密閉状態とし、回転手段5により支持体3を介して円筒状基体10を回転させるとともに、反応室4にClF3を含む洗浄ガスを供給する。反応室4への洗浄ガスの供給は、反応室4に円筒状基体10を収容させる前の洗浄と同様な手法および条件において行なわれる。
このようにして反応室4に円筒状基体10を収容した後に洗浄を行なうようにすれば、反応室4の内部をさらに洗浄できるばかりでなく、円筒状基体10の外周面をも洗浄することができる。そのため、円筒状基体10に成膜時の残渣が付着することを抑制できるため、円筒状基体10の外周面に成膜残渣の付着に起因して発生する球状突起など成膜欠陥が生じることを抑制することが可能となる。また、円筒状基体10の外周面を、ClF3を含む洗浄ガスにより洗浄することにより、外周面をフッ素化することができる。これにより、円筒状基体10の外周面に光導電層12などの堆積膜を形成したときに、画像メモリ特性を改善することが可能となる。
反応室4に洗浄ガスを供給している間においては、反応室4に円筒状基体10を収容する前の洗浄と同様に、円筒状電極40と支持体3との間へのパルス状の直流電圧を印加してもよい。このようなパルス状の直流電圧の印加は、反応室4に円筒状基体10を収容する前の洗浄と同様な条件下、たとえば円筒状電極40が接地されている場合には、支持体(導電性支柱31)に対して、−3000V以上−50V以下の範囲内の負のパルス状直流電位V1(図5参照)を供給することにより行なわれる。
真空室4に洗浄ガスを供給している間にパルス状に直流電圧を印加した場合には、反応室4の内部に付着した堆積膜を、より効率良くエッチング除去することができるとともに、円筒状基体10に残渣が付着することを、より効率良く抑制することができる。
次いで、円筒状基体10を加熱し、排気手段7により反応室4を減圧する。
円筒状基体10の加熱は、たとえばヒータ37に対して外部から電力を供給してヒータ37を発熱させることにより行なわれる。このようなヒータ37の発熱により、円筒状基体10が目的とする温度に昇温される。円筒状基体10の温度は、その表面に形成すべき膜の種類および組成によって選択されるが、たとえばa−Si系膜を形成する場合には250℃以上300℃以下の範囲に設定され、ヒータ37をオン・オフすることにより略一定に維持される。
一方、反応室4の減圧は、排気手段7によってガス排出口42A,44Aを介して真空反応室4からガスを排出させることにより行なわれる。反応室4の減圧の程度は、圧力計49(図2参照)での反応室4の圧力をモニタリングしつつ、メカニカルブースタポンプ71(図2参照)およびロータリーポンプ72(図2参照)の動作を制御することにより、たとえば10−3Pa程度とされる。
次いで、円筒状基体10の温度が所望温度となり、反応室4の圧力が所望圧力となった場合には、ガス供給手段6により反応室4に原料ガスを供給するとともに、円筒状電極40と支持体3との間にパルス状の直流電圧を印加する。これにより、円筒状電極40と支持体3(円筒状基体10)との間にグロー放電が起こり、原料ガスが分解され、原料ガスの分解成分が円筒状基体10の表面に堆積される。
一方、排気手段7においては、圧力計49のモニタリングしつつ、メカニカルブースタポンプ71およびロータリーポンプ72の動作を制御することにより、真空反応室4におけるガス圧を目的範囲に維持する。すなわち、反応室4の内部は、ガス供給手段6におけるマスフローコントローラ61D〜63Dと排気手段7におけるポンプ71,72によって安定したガス圧に維持される。反応室4におけるガス圧は、たとえば1.0Pa以上100Pa以下とされる。
反応室4への原料ガスの供給は、バルブ60B〜63B,60C〜63Cの開閉状態を適宜制御しつつ、マスフローコントローラ61D〜63Dを制御することにより、原料ガスタンク61〜63の原料ガスを、所望の組成および流量で、配管61A〜63A,64およびガス導入口45を介して円筒状電極40の内部に導入することにより行なわれる。円筒状電極40の内部に導入された原料ガスは、複数のガス吹き出し孔46を介して円筒状基体10に向けて吹き出される。そして、バルブ61B〜63B,60C〜63Cおよびマスフローコントローラ60D〜63Dによって原料ガスの組成を適宜切り替えることにより、円筒状基体10の表面には、電荷注入阻止層11、光導電層12および表面保護層13が順次積層形成される。
たとえば、電荷注入阻止層11をa−Si系の堆積膜として形成する場合には、原料ガスとして、SiH4(シランガス)などのSi含有ガス、B2H6などのドーパント含有ガス、および水素(H2)やヘリウム(He)などの希釈ガスの混合ガスが用いられる。ドーパント含有ガスとしては、ホウ素(B)含有ガスの他に、窒素(N)あるいは酸素(O)含有ガスを用いることもできる。
光導電層12をa−Si系の堆積膜として形成する場合には、原料ガスとして、SiH4(シランガス)などのSi含有ガスおよび水素(H2)やヘリウム(He)などの希釈ガスの混合ガスが用いられる。光導電層12においては、ダングリングボンド終端用に水素(H)やハロゲン元素(F、Cl)を膜中に1原子%以上40原子%以下含有させるように、希釈ガスとして水素ガスを用い、あるいは原料ガス中にハロゲン化合物を含ませておいてもよい。また、原料ガスには、暗導電率や光導電率などの電気的特性及び光学的バンドギャップなどについて所望の特性を得るために、周期律表第13族元素(以下「第13族元素」と略す)や周期律表第15族元素(以下「第15族元素」と略す)を含有させてもよく、上記諸特性を調整するために炭素(C)、酸素(O)などの元素を含有させてもよい。
第13族元素および第15族元素としては、それぞれホウ素(B)およびリン(P)が共有結合性に優れて半導体特性を敏感に変え得る点、および優れた光感度が得られるという点で望ましい。電荷注入阻止層11に対して第13族元素および第15族元素を炭素(C)、酸素(O)などの元素とともに含有させる場合には、第13族元素の含有量は0.1ppm以上20000ppm以下、第15族元素の含有量は0.1ppm以上10000ppm以下となるように調整される。また、光導電層12に対して第13族元素および第15族元素を炭素(C)、酸素(O)等の元素とともに含有させる場合、あるいは、電荷注入阻止層11および光導電層12に対して炭素(C)、酸素(O)等の元素を含有させない場合には、第13族元素は0.01ppm以上200ppm以下、第15族元素は0.01ppm以上100ppm以下となるように調整される。なお、原料ガスにおける第13属元素あるいは第15属元素の含有量を経時的に変化させることにより、これらの元素の濃度について層厚方向にわたって勾配を設けるようにしてもよい。この場合には、光導電層12における第13族元素および第15族元素の含有量は、光導電層12の全体における平均含有量が上記範囲内であればよい。
また、光導電層12については、a−Si系材料に微結晶シリコン(μc−Si)を含んでいてもよく、このμc−Siを含ませた場合には、暗導電率・光導電率を高めることができるので、光導電層22の設計自由度が増すといった利点がある。このようなμc−Siは、先に説明した成膜方法を採用し、その成膜条件を変えることにより形成することができる。たとえば、グロー放電分解法では、円筒状基体10の温度および直流パルス電力を高めに設定し、希釈ガスとしての水素流量を増すことによって形成できる。また、μc−Siを含む光導電層12においても、先に説明したのと同様な元素(第13族元素、第15族元素、炭素(C)、酸素(O)など)を添加してもよい。
表面層13をa−SiC系の堆積膜として形成する場合には、原料ガスとして、SiH4(シランガス)などのSi含有ガスおよびCH4などのC含有ガスの混合ガスを供給する。原料ガスにおけるSiとCとの組成比については、連続的あるいは間欠的に変化させてもよい。すなわち、Cの比率が高くなるほど成膜速度が遅くなる傾向があるため、表面層13における光導電層12に近い部分についてはC比率が低くなるようにしつつ、自由表面側についてはC比率が高くなるように表面層13を形成するようにしてもよい。たとえば、表面層13の光導電層12側(界面側)においては、水素化アモルファスシリコンカーバイト(a−Si1−xCx:H)におけるx値(炭素比率)が0を超えて0.8未満の比較的Si構成比の高い第1のSiC層を堆積した後、x値(炭素比率)が0.95以上1.0未満程度までC濃度を高くした第2のSiC層を堆積した2層構造であってもよい。
第1のSiC層は、その膜厚が、耐圧、残留電位、膜強度などから決定され、通常0.1μm以上2.0μm以下、好適には0.2μm以上1.0μm以下、最適には0.3μm以上0.8μm以下とされる。第2のSiC層は、その膜厚が、耐圧、残留電位、膜強度、寿命(耐摩耗性)等から決定され、通常0.01μm以上2μm以下、好適には0.02μm以上1.0μm以下、最適には0.05μm以上0.8μm以下とされる。
表面層13は、上述のようにa−C層として形成することもできる。この場合、原料ガスとしては、C2H2(アセチレンガス)あるいはCH4(メタンガス)などのC含有ガスが用いられる。また、表面層13は、その膜厚が、通常0.1μm以上2.0μm以下、好適には0.2μm以上1.0μm以下、最適には0.3μm以上0.8μm以下とされる。
表面層13をa−C層として形成した場合には、Si−O結合に比べてC−O結合のほうが結合エネルギが小さいため、表面層13をa−Si系材料により形成する場合に比べて、表面層13の表面が酸化することをより確実に抑制できる。そのため、表面層13をa−C層として形成した場合には、印刷時のコロナ放電により発生するオゾンなどによって、表面層13の表面が酸化されることが適切に抑制されるため、高温高湿環境下などでの画像流れの発生を抑制することができる。
一方、円筒状電極40と支持体3との間へのパルス状の直流電圧を印加は、反応室4の洗浄を行なう場合と同様に、制御部35によって直流電源34を制御することにより行なわれる。
より具体的には、制御部35は、円筒状電極40が接地されている場合には、支持体(導電性支柱31)に対して、−3000V以上−50V以下、好ましくは−3000V以上−500V以下の範囲内の負のパルス状直流電位V1(図5参照)を供給する。
一方、円筒状電極40が基準電極(図示略)に接続されている場合には、支持体(導電性支柱31)に対して供給するパルス状直流電位V1は、基準電源により供給される電位V2を基準電位として、たとえば−3000V以上−50V以下の範囲(目的とする電位差ΔV)となるように設定される。また、基準電源により供給する電位V2は、支持体3(円筒状基体10)に対して負のパルス状電圧(図5参照)を印加する場合には、たとえば−1500V以上1500V以下に設定される。
制御部35はまた、直流電圧の周波数(1/T(sec))が300kHz以下に、duty比(T1/T)が20%以上90%以下となるように直流電源34を制御する。
なお、本発明におけるduty比とは、反応室4の洗浄を行なう場合のパルス状の直流電圧を印加する場合と同様に定義される。
一般に、13.56MHzのRF帯域以上の高周波電力を使用した場合、空間で生成されたイオン種が電界によって加速され、正・負の極性に応じた方向に引き寄せられることになるが、高周波交流により電界が連続して反転することから、イオン種が円筒状基体10および円筒状電極40には同程度の厚みに堆積膜が形成される。また、イオン種の一部は、円筒状基体10および円筒状電極40到達するより前に、空間中で再結合を繰り返し、再度ガスあるいはポリシリコン粉体などのシリコン化合物となって排気され、一部のポリシリコン化合物は反応室4に白色の粉体(残渣)として残る。
これに対して、支持体3が負極性となるように円筒状電極40と支持体3との間にパルス状の直流電圧を印加した場合には、イオン種としてのカチオンが負極である支持体3(円筒状基体10)に引き寄せられて円筒状基体10に衝突させられて堆積膜が形成される。一方、正極である円筒状電極40にはカチオンが引き寄せられないため、a−Siを形成する場合のように堆積種が多くのカチオンを含む場合には、円筒状電極40のほうが円筒状基体10よりも成膜速度が遅くなる。その結果、電荷注入阻止層11、光導電層12および表面保護層13を目的とする膜厚に形成する場合にパルス状の直流電圧を印加すれば、高周波電力を印加する場合に比べて、円筒状電極40に形成される堆積膜の厚みを小さくすることが可能となる。すなわち、支持体3が負極性となるように円筒状電極40と支持体3との間にパルス状の直流電圧を印加して堆積膜を形成すれば、反応室4の洗浄時に除去すべき堆積膜の厚みを小さくできるために、ClF3を含む洗浄ガスを用いたガスエッチングであっても、洗浄時間を短くすることが可能となる。
また、円筒状電極40と支持体3との間に負のパルス状の直流電圧を印加した場合には、カチオンが支持体3側に選択的に引き寄せられるため、カチオンなどの分解成分の再結合が生じることを抑制できる。これにより、ポリシリコン粉体などのシリコン化合物の発生、ひいてはシリコン化合物が反応室4に残ることを抑制することが可能となるため、円筒状基体10にシリコン化合物などの残渣が付着することに起因する成膜欠陥の発生を抑制することが可能となる。
次に、本発明の堆積膜形成方法を実現可能なプラズマCVD装置の他の例について、図6および図7を参照しつつ説明する。ただし、図6および図7においては、図1ないし図4を参照して先に説明した電子写真感光体1やプラズマCVD装置2と同様な要素などについて同一の符号を付してあり、以下における重複説明は省略する。
図6および図7に示したプラズマCVD装置2′は、反応室4(円筒状電極40)の中心に配置された中央電極8を備えている一方で、この中央電極8を囲むように複数(図面上は5つ)の支持体3が配置されたものである。
複数の支持体3は、中央電極8の軸心を中心とする同一円周上において等間隔D5で配置されており、各支持体3と中央電極8との間の距離D6は、同様なものとされている。複数の支持体3は、1つの直流電源34に接続されており、複数の支持体3について1つの直流電源34により同時にパルス状の直流電圧を供給するように構成されている。もちろん、各支持体3について、1つずつ直流電源34を接続するようにしてもよい。
中央電極8は、円筒状電極40と同様に、各支持体3(円筒状基体10)との間に電位差を生じさせるためのものである。ここで、中央電極8と各支持体3や円筒状電極40との間には、直流電源34を制御することにより、たとえば電位差が−3000V以上−50V以下、周波数が300kHz以下、duty比が20%以上90%以下の範囲のパルス状の直流電圧が印加される。
この中央電極8は、中空状に形成されているとともに、円筒状基体10や支持体3と同様な導電性材料により全体が導体として形成されている。中央電極8の内部には、導電性支柱80、セラミックパイプ81およびヒータ82が収容されている。
導電性支柱80は、円筒状基体10と同様な導電性材料により全体が導体として形成されており、反応室4(後述する円筒状電極40)の中心において、プレート42に対して絶縁材83を介して固定されている。導電性支柱80は、接地されており、中央電極8が接地電位となるようになされている。もちろん、導電性支柱80は、直流電源34とは異なる基準電源に接続してもよく、また中央電極8に直接基準電源を接続してもよい。
セラミックパイプ81は、絶縁性および熱伝導性を確保するためのものである。ヒータ82は、中央電極8を加熱するためのものである。ヒータ82としては、円筒状基体10を加熱するためのヒータ37と同様なもの、たとえばニクロム線やカートリッジヒータを使用することができる。この場合、円筒状基体10を加熱するためのヒータ37と、中央電極8のためのヒータ82とは、個別に駆動可能なように構成してもよいが、それらのヒータ37,82は、装置構成を簡略化するために、同時にオン・オフ駆動できるようにするのが好ましい。
ただし、中央電極8のためのヒータ82は、そのヒータ容量が円筒状基体10のヒータ容量の25%以上90%以下の範囲に設定される。これは、ヒータ37,82を同時にオン・オフ駆動する構成では、ヒータ82のヒータ容量がヒータ37のヒータ容量と同等以上の場合、支持体3よりも、中央電極8の温度がより早く上昇してしまい、円筒状基体10が支持された支持体3の温度が充分上昇する前に、その周囲に配置された支持体3の温度モニタ(熱電対)が中央電極8の温度を感知し、ヒータ37,82の加熱を停止してしまうおそれがあるからである。その一方で、ヒータ82の容量がヒータ37の容量よりも小さすぎる場合、中央電極8の温度が充分に上昇したことが温度モニタ(熱電対)により感知されたときには、円筒状基体10の温度が上昇し過ぎることが起こり得るため好ましくない。
ヒータ37およびヒータ82の容量は、たとえば隣接する円筒状基体10の間の距離D4が10mm以上50mm以下、各円筒状基体10と中央電極8との距離D5が10mm以上30mm以下、真空反応室4内の反応ガス圧が13.3Pa以上133Pa以下に設定される場合には、それぞれ240W以上400W以下および60W以上360W以下とされる。
プラズマCVD装置2′では、制御部35によって直流電源34を制御することにより、各支持体3(円筒状基体10)と円筒状電極40の間、および各支持体3(円筒状基体10)と中央電極8との間にパルス状の直流電圧を印加することができる。これにより、各支持体3と、円筒状電極40およびは中央電極8との間にグロー放電が発生する。そのため、真空反応室4に原料ガスを供給した状態でグロー放電を生じさせることにより、円筒状基体10の表面に堆積膜を形成することができる。
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。
たとえば、上述の実施形態では、プラズマCVD装置2,2′は、第2導体である円筒状電極40を利用して反応室4に洗浄ガスや原料ガスを供給するように構成されていたが、円筒状電極40とは別に、ガス導入管を配置し、そのガス導入管を用いて反応室4に原料ガスを導入するようにしてもよい。ガス導入管としては、従来周知のガス導入管が好適に使用でき、ガス導入管は、たとえば反応室4内の円筒状基体10と円筒状電極40との間、あるいは円筒状基体10と中央電極8との間に適宜配置される。
本発明はさらに、円筒状基体以外の形態の基体に堆積膜を形成して電子写真感光体を形成する場合、あるいは電子写真感光体以外の目的に使用するために、基体に対して堆積膜を形成する場合にも適用することができる。