CN101354900B

CN101354900B - 一种具有超分辨近场结构的只读光盘

Info

Publication number: CN101354900B
Application number: CN2007101196550A
Authority: CN
Inventors: 刘前; 郭传飞; 曹四海
Original assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Current assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2027-07-27
Also published as: CN101354900A

Abstract

本发明涉及具有超分辨近场结构的只读光盘，包括：衬底，在衬底上顺序沉积的第一超分辨近场结构层，热阻记录介质层和保护层，或者再在热阻记录介质层沉积第二超分辨近场结构层；所述的第一超分辨近场结构层由顺序沉积的第一介电层、掩模层和第二介电层组成；所述的第二超分辨结构层由顺序沉积的第一介电层、掩模层和介电保护层组成。本发明提供的光盘由于采用超分辨近场结构和热阻记录介质，综合了双金属热阻记录介质和超分辨近场结构的优点。该光盘结构能突破衍射极限实现近场记录，快速读写，适应各种光波段的光盘驱动器，兼容性好，价格低廉，有较高的信噪比，能适应超高密度光存储的要求。

Description

一种具有超分辨近场结构的只读光盘

技术领域

本发明涉及一种具有超分辨近场结构的只读光盘，特别是涉及一种采用双金属层热阻记录介质和超分辨近场结构的只读光盘。

背景技术

尽管人们通过采用短波长激光及增大NA的方法可以获得更小的记录点，但由于受衍射极限R＝0.61λ/NA的限制(R是分辨距离，λ是所用激光的波长，NA是透镜的数值孔径)，传统的光存储方法无法使光盘的存储密度有数量级的上升。1992年，美国贝尔实验室的E.Betzig等人利用近场光学扫描显微镜(SNOM)成功地在磁光存储介质上获得了60纳米(nm)的记录点阵列，存储密度达到45Gbits/inch²(见E.Betzig，Trautman J K，Wolfe R，etal.Appl.Phys.Lett.，1992，61(2)：142-144.)，但是由于SNOM的光纤头难以与记录介质表面保持近场距离(通常在100nm以内)并且读写速度太慢而无法用于实际的存储系统。然而，这却让人们认识到了近场记录的巨大潜力。1998年日本的J.Tominaga成功地利用超分辨近场结构解决了激光头和记录介质表面之间无法在高速读写中保持近场距离的问题，该结构由两层电介质薄膜层和中间的掩模层薄膜组成(见Tominaga J，Nakano T andAtoda N.Appl.Phys.Lett，1998，73，2078)。这种超分辨近场结构与现有的光盘系统是兼容的，因而这种近场光学记录的方法易于产业化。在超分辨近场结构技术中，掩模层材料起了一个重要的作用。根据材料不同，掩模层有金属型(如Sb)和氧化物型(如PtO_x，WO_x，PdO_x和AgO_x)。

光存储领域目前普遍采用激光照射下发生晶态和非晶态转变的硫化物系材料作为记录介质，典型的材料有GeSbTe系列(如Ge₂Sb₂Te₅)和AgInSbTe系列。硫化物系记录材料成分配比较复杂，要获得好的记录材料性能通常还需要掺杂，而且在读写中容易因相变不完全影响信噪比。

目前正在研究过程中的采用超分辨近场结构的光盘一般用硫化物系材料作为记录介质。本发明涉及的光盘结构包括超分辨近场结构，同时包括一层双金属热阻记录介质。

发明内容

本发明的目的在于：提出用一种双金属热阻薄膜作为记录介质，成分简单易调节，对激光波长不敏感、对热敏感而具有很好的激光波长兼容性，并能克服上述已有的采用硫化物系材料作为记录介质，具有材料成分配比较复杂，记录材料通常还需要掺杂，而且在读写中容易因相变不完全影响信噪比的缺陷；并利用超分辨近场结构实现突破衍射极限的记录，从而提供一种利用超分辨近场结构在双金属热阻记录介质上进行记录的光盘。

本发明的目的是这样完成的：

根据本发明的一个方面，提供一种具有超分辨近场结构的只读光盘，包括顺序沉积的第一超分辨近场结构层，热阻记录介质层(12)和保护层(11)，其中，所述热阻记录介质层为一种双金属薄膜，该双金属薄膜为下列组合中的任何一种：BiIn，BiSn，BiSn，BiAl，BiZn，SnIn，SnSb，SnAl，SnZn，InSb，InAl，InZn，SbAl，SbZn或AlZn。

在上述的技术方案中，还包括衬底(16)，所述的衬底(16)为工业通用的PC光盘基片，其中衬底的厚度约0.6mm。

在上述的技术方案中，所述第一超分辨近场结构层由顺序沉积的第一介电层(15)、掩模层(14)和第二介电层(13)组成，其中所述的第一介电层(15)，掩模层(14)，第二介电层(13)，热阻记录介质层(12)，保护层(11)的厚度分别是20-200nm，2-50nm，10-40nm，10-120nm，20-200nm。

在上述的技术方案中，所述的保护层(11)、第一介电层(15)、第二介电层(13)为(ZnS)_x(SiO₂)_1-x，其中x取值范围为0.7-0.9。

在上述的技术方案中，所述的掩模层(14)为氧化物AgO_x，WO_x，PtO_x，PdO_x或金属Sb，其中x的数值由沉积时的氩气和氧气流量，以及溅射功率决定。

根据本发明的一个方面，提供一种具有超分辨近场结构的只读光盘，包括顺序沉积的第一超分辨近场结构层、热阻记录介质层(12)和第二超分辨近场结构层，其中，所述热阻记录介质层为一种双金属薄膜，该双金属薄膜为下列组合中的任何一种：BiIn，BiSn，BiSn，BiAl，BiZn，SnIn，SnSb，SnAl，SnZn，InSb，InAl，InZn，SbAl，SbZn或AlZn。

在上述技术方案中，还包括衬底(16)，所述的衬底(16)为工业通用的PC光盘基片，其中衬底的厚度约0.6mm。

在上述技术方案中，所述第一超分辨近场结构层由顺序沉积的第一介电层(15)、掩模层(14)和第二介电层(13)组成，

所述第二超分辨近场结构层由顺序沉积的第一介电层(15)、掩模层(14)和介电保护层(17)组成，

其中所述的第一介电层(15)，掩模层(14)，第二介电层(13)，热阻记录介质层(12)，保护层(11)和介电保护层(17)的厚度分别是20-200nm，2-50nm，10-40nm，10-120nm，20-200nm和20-200nm。

在上述技术方案中，所述的保护层(11)、第一介电层(15)、第二介电层(13)和介电保护层(17)为(ZnS)_x(SiO₂)_1-x，其中x取值范围为0.7-0.9。

在上述技术方案中，所述的掩模层(14)为氧化物AgO_x，WO_x，PtO_x，PdO_x或金属Sb，其中x的数值由沉积时的氩气和氧气流量，以及溅射功率决定。

在上述技术方案中，所述的第一超分辨结构和第二超分辨结构的掩模层(14)为同种氧化物，为AgO_x，WO_x，PtO_x或PdO_x，其中x的数值由沉积时的氩气和氧气流量，以及溅射功率决定。

本发明中采用超分辨近场结构和热阻记录介质的光盘综合了热阻型双金属薄膜记录介质和超分辨近场结构的优点。从近红外到软X光波段的激光，经聚光镜会聚后，作用在掩模层上。掩模层分解为金属粒子和氧气(氧化物)或熔化(金属Sb)，形成10nm量级的光孔径，并在孔径后面产生隐失场。金属粒子作为光散射中心，产生局域表面等离子体共振增强效应，使掩模层后面的隐失场强度增强可达两个数量级。Sb熔化后的光孔径也能产生表面等离子体增强效应。掩模层后面的介电层的厚度在近场距离内，因此热阻记录介质薄膜处于很强的近场光中，热阻薄膜受热转变，光密度迅速变小(透射率大幅度增加)，成为记录点，并且记录点的大小与光孔径大小接近，从而实现近场记录，获得超高存储密度。

本发明相对已有技术具有如下优点：

本发明提供的具有超分辨近场结构的只读光盘，由于采用了超分辨近场结构和双金属热阻记录介质相结合的光存储结构，其中的超分辨近场结构能突破衍射极限，实现近场记录；其中的双金属热阻薄膜是一种全新的记录介质。该光盘结构可以获得突破衍射极限的记录点，快速读写，而且适用从近红外到软X波段的激光，兼容性好，价格低廉；此外，还由于金属表面等离子增强效应使得读出信号的信噪比较高，解决了记录点变小导致信噪比下降的问题。

本发明涉及的双金属热阻记录介质，它能在曝光激光的功率密度超过某一阈值之后光密度急剧下降，并有纳秒(ns)级的超快响应速率，适合于快速记录。相对于常用的硫化物系和有机记录材料，双金属热阻记录介质具有如下优点：

1.双金属薄膜热阻记录介质是热敏感材料，而对波长不敏感，从近红外到软X射线波段的激光都能使它发生转变，因而兼容性好，它能适应目前市场上的各种光盘驱动器；受近场光作用后，曝光点处的薄膜变透明，实现近场记录。

2.热阻记录介质薄膜采用的金属价格便宜，容易获取，成本低；制备方法多样，可采用磁控溅射、离子溅射、蒸镀等方法制备。

3.双金属热阻薄膜记录介质成分配比简单，可调节范围大，能实现连续的成分调节，比GeSbTe等硫化物系薄膜制备方便。

4.热阻记录介质发生转变的所需的激光功率密度较低。

5.热阻薄膜转变后有高稳定性，有利于光盘信息的长时间保存。

本发明涉及到的超分辨近场结构具有如下优点：

1.采用近场记录，能获得可见光波长1/10量级大小的记录点，突破衍射极限。

2.采用金属氧化物作为掩模层，激光作用下产生的金属纳米粒子能产生很强的局域表面等离子体共振增强效应，从而使得掩模层上纳米级的光孔径附近的隐失场增强，使得实现几十纳米尺寸的记录也能获得高的信噪比；采用金属Sb作为掩模层会在激光作用下熔化形成光孔径，也能产生表面等离子体共振增强效应，有较高的信噪比。

3.采用双氧化物掩模层结构的光盘由于其金属表面等离子共振增强效应更强因而可以具有更高的信噪比。

附图说明

图1本发明的具有超分辨近场结构的只读光盘组成示意图。

图2本发明的具有超分辨近场结构的只读光盘另一实施例组成示意图。

图面说明如下：

11-保护层 12-热阻记录介质层 13-第二介电层

14-掩模层 15-第一介电层 16-衬底

17-介电保护层

具体实施方式

以下结合制备方法和附图对本发明的具有超分辨近场结构的只读光盘进行详细地说明：

实施例1

参考图1，制备一张以工业通用的PC光盘基片为衬底16的具有超分辨近场结构的只读光盘；其中PC衬底的厚度约0.6mm。用ACS-4000-C4型磁控溅射仪在衬底16上依次沉积(射频溅射)：150nm的ZnS-SiO₂第一介电层15，溅射功率为100W，沉积时间为2200s，氩气流量为25sccm；5nm厚度的PtO_x掩模层14，x＝1.6，溅射功率为150W，沉积时间为40s，气体流量为25sccm，中氩气和氧气的流量各12.5sccm；20nm的ZnS-SiO₂介电层13，溅射功率为100W，沉积时间为300s，氩气流量为25sccm；40nm的BiIn双金属热阻记录介质层12，先沉积In再沉积Bi，各沉积20nm厚，溅射In的功率为50W，沉积时间160s，溅射Bi的功率为20W，沉积时间为160s，氩气流量均为25sccm；40nm的ZnS-SiO₂保护层11，溅射功率30W，沉积时间600s，氩气流量为25sccm。以上所有的薄膜层都在室温下，背景压强为2.5×10^-5Pa条件下沉积的，其中所用的ZnS-SiO₂是含ZnS为80％的标准靶材。

实施例2

参考图1，用射频磁控溅射在衬底16上依次沉积：200nm的ZnS-SiO₂第一介电层15；50nm厚度的AgO_x掩模层14；40nm的ZnS-SiO₂第二介电层13；40nm的InSn双金属热阻记录介质层12，先沉积In再沉积Sn，各沉积20nm；200nm的ZnS-SiO₂保护层11。具体沉积的工艺条件参考实施例1。

实施例3

参考图1，用射频磁控溅射法在衬底16上依次沉积：20nm的ZnS-SiO₂第一介电层15；17nm厚度的Sb掩模层14，溅射功率30W，溅射时间100s；10nm的SiO₂-ZnS第二介电层13；10nm的AlZn双金属薄膜热阻记录介质层12，AlZn双靶共溅，Al和Zn的原子比例为1∶1；40nm厚的ZnS-SiO₂保护层11。除溅射Sb掩模层14的功率和时间，其它具体沉积的工艺条件参考实施例1。

实施例4

参考图2，用磁控溅射法在衬底16上依次沉积：射频溅射100nm的ZnS-SiO₂第一超分辨近场结构层中的第一介电层15，反应射频溅射5nm厚度的PtO_x掩模层14，射频溅射20nm ZnS-SiO₂第二介电层13；直流溅射40nm的BiSb双金属热阻记录介质层12，先沉积Sb，再沉积Bi，各沉积20nm；射频溅射20nm ZnS-SiO₂第二超分辨近场结构中的第一介电层15，反应射频溅射5nm厚度的PtO_x掩模层14，射频溅射20nm ZnS-SiO₂介电保护层17。具体的溅射工艺参考实施例1。

实施例5

参考图1，用射频磁控溅射法在衬底16上依次沉积：170nm的ZnS-SiO₂第一介电层15；反应溅射15nm厚度的WO_x掩模层14；20nm ZnS-SiO₂第二介电层13；40nm的SnAl双金属热阻记录介质层12，用Sn和Al按原子比例为3∶1的合金靶材进行溅射；40nm的ZnS-SiO₂保护层薄膜11。具体溅射工艺条件参考实施例1。

实施例6

参考图2，用磁控溅射法在衬底16上依次沉积：射频溅射20nm的ZnS-SiO₂第一超分辨近场结构层的第一介电层15，射频溅射2nm的PdO_x掩模层14，射频溅射20nm的ZnS-SiO₂第二介电层14；按Sn∶Zn原子比为1∶1的靶材直流溅射10nm的SnZn热阻记录介质层12；射频溅射20nm的ZnS-SiO₂第二超分辨近场结构层的第一介电层15，射频溅射2nm的PdO_x掩模层14；射频溅射100nm的ZnS-SiO₂介电保护层17。具体的溅射工艺条件参考实施例1。

实施例7

参考图2，用射频磁控溅射在衬底16上依次沉积：20nm的ZnS-SiO₂第一超分辨近场结构层的第一介电层15，反应射频溅射5nm的AgO_x掩模层14，20nm的ZnS-SiO₂第二介电层14；BiSb按Bi∶Sb原子比为3∶1的靶材溅射40nm的BiSb热阻记录介质层12；20nm的ZnS-SiO₂作为第二超分辨近场结构层的第一介电层15，反应射频溅射5nm的AgO_x掩模层14；200nm的ZnS-SiO₂介电保护层17；具体的溅射工艺条件参考实施例1。上述各实施例中的掩模层14的x的具体数值，是由氩气和氧气的流量，以及溅射功率决定；所用的ZnS-SiO₂都是含ZnS为80％的标准靶材。

本发明涉及的实施方式还可以多样化，各层薄膜除了磁控溅射，还可以用离子溅射、蒸镀等方式制备。实施例1至实施例7提供了一些具体实施方案，本发明的具体保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种具有超分辨近场结构的只读光盘，包括顺序沉积的第一超分辨近场结构层，热阻记录介质层(12)和保护层(11)，其特征在于，所述热阻记录介质层为一种连续的双金属薄膜，用于受近场光作用后受热转变为透明，以实现近场记录，该双金属薄膜为下列组合中的任何一种：BiIn，BiSn，BiSn，BiAl，BiZn，SnIn，SnSb，SnAl，SnZn，InSb，InAl，InZn，SbAl，SbZn或AlZn。

2.根据权利要求1所述的具有超分辨近场结构的只读光盘，其特征在于，还包括衬底(16)，所述的衬底(16)为工业通用的PC光盘基片，其中衬底的厚度约0.6mm。

3.根据权利要求1所述的具有超分辨近场结构的只读光盘，其特征在于，所述第一超分辨近场结构层由顺序沉积的第一介电层(15)、掩模层(14)和第二介电层(13)组成，其中所述的第一介电层(15)，掩模层(14)，第二介电层(13)，热阻记录介质层(12)，保护层(11)的厚度分别是20-200nm，2-50nm，10-40nm，10-120nm，20-200nm。

4.根据权利要求3所述的具有超分辨近场结构的只读光盘，其特征在于，所述的保护层(11)、第一介电层(15)、第二介电层(13)为(ZnS)_x(SiO₂)_1-x，其中x取值范围为0.7-0.9。

5.根据权利要求3所述的具有超分辨近场结构的只读光盘，其特征在于，所述的掩模层(14)为氧化物AgO_x，WO_x，PtO_x，PdO_x或金属Sb，其中x的数值由沉积时的氩气和氧气流量，以及溅射功率决定。

6.一种具有超分辨近场结构的只读光盘，包括顺序沉积的第一超分辨近场结构层、热阻记录介质层(12)和第二超分辨近场结构层，其特征在于，所述热阻记录介质层为一种连续的双金属薄膜，用于受近场光作用后受热转变为透明，以实现近场记录，该双金属薄膜为下列组合中的任何一种：BiIn，BiSn，BiSn，BiAl，BiZn，SnIn，SnSb，SnAl，SnZn，InSb，InAl，InZn，SbAl，SbZn或AlZn。

7.根据权利要求6所述的具有超分辨近场结构的只读光盘，其特征在于，还包括衬底(16)，所述的衬底(16)为工业通用的PC光盘基片，其中衬底的厚度约0.6mm。

8.根据权利要求6所述的具有超分辨近场结构的只读光盘，其特征在于，

所述第一超分辨近场结构层由顺序沉积的第一介电层(15)、掩模层(14)和第二介电层(13)组成，

9.根据权利要求8所述的具有超分辨近场结构的只读光盘，其特征在于，所述的保护层(11)、第一介电层(15)、第二介电层(13)和介电保护层(17)为(ZnS)_x(SiO₂)_1-x，其中x取值范围为0.7-0.9。

10.根据权利要求8所述的具有超分辨近场结构的只读光盘，其特征在于，所述的掩模层(14)为氧化物AgO_x，WO_x，PtO_x，PdO_x或金属Sb，其中x的数值由沉积时的氩气和氧气流量，以及溅射功率决定。

11.根据权利要求8所述的具有超分辨近场结构的只读光盘，其特征在于，所述的第一超分辨结构和第二超分辨结构的掩模层(14)为同种氧化物，为AgO_x，WO_x，PtO_x或PdO_x，其中x的数值由沉积时的氩气和氧气流量，以及溅射功率决定。