CN101410898B - 制造数据存储介质的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制造数据存储介质的方法，包括步骤：a)涂覆包括聚合物材料的层(2)到模板表面(1)的至少一部分上，由此得到改性的模板表面(2’)；b)夹住目标表面(3)与步骤(a)中制造的所述改性的模板表面(2’)，由此得到一组件；以及c)引入液体(4)到步骤(b)中获得的所述组件的周围，由此将所述改性的模板表面(2’)的包括聚合物材料的层(2)转移到所述目标表面(3)上的至少一相邻区域上。

Description

制造数据存储介质的方法
技术领域
本发明涉及制造数据存储介质的方法。
背景技术
基于原子力显微镜(AFM)的数据存储装置已由P.Vettiger等人在“Themillipede-more than 1000 tips for future AFM data storage，IBM JournalResearch Development，Vol.44，No.3，March 2000”中公开。该存储装置基于用探针(每个具有尖端(tip))阵列对存储介质进行x、y机械扫描而具有读写功能。探针并行操作，操作期间每个探针扫描存储介质的相关场区(field)。存储介质包括聚合物层。每个尖端具有20-40nm之间的直径，尖端以接触模式跨聚合物层的表面移动。该接触模式通过对探针施加力使探针的尖端能接触聚合物层的表面来实现。为此，探针具有悬臂，在悬臂的端部携带尖端。位由聚合物层中的凹入标记或非凹标记来表示。在装置以读/写模式操作期间，悬臂跨越聚合物层的表面移动时它们对这些形貌变化作出响应。
凹入标记通过热机械记录而形成在聚合物层上。这通过加热相对于聚合物层以接触模式操作的各探针的尖端来实现。尖端的加热通过专用于凹入标记的写入/形成的加热器实现。聚合物层在被加热的尖端接触的区域局部软化。结果在所述层上产生凹入，该凹入例如具有与在其形成中使用的尖端的直径相当的纳米级直径。
读取也通过热机械概念完成。探针利用专用于读取/检测凹入标记过程的加热器被加热。在该情况下，探针被加热但不导致其关联尖端的加热，即加热温度不足以如写入所必需的那样软化聚合物层。热检测是基于这样的事实：当探针在凹入中移动时探针与存储介质之间的热传导改变，因为在该情况下热传输更有效率。结果，悬臂的温度下降且因此其电阻也改变。于是该电阻变化被测量且用作测量信号。
目前，用于上述存储装置中的聚合物层通过旋涂选择的聚合物到基板例如硅晶片上来制备。当在一般位尺寸长度级上测量时用该方法制造的聚合物层的表面粗糙度在1-2nm左右。
如上所述，信息以凹入标记和非凹标记的形式编码到聚合物层中。考虑到一般由旋涂得到的表面粗糙度，希望在用于检测信息的存储装置的寿命规格期间获得大于10dB的信噪比(SNR)。为了获得这样的检测裕度(sensingmargin)，每个凹入应一般形成有例如10nm左右的深度。因为凹入的横向尺寸在与其深度相同的量级，不可避免地，存储装置的记录密度因此受到限制。
因此，需要提供一种制造数据存储介质的方法，当用于数据存储装置时，与使用以前提出的方法例如旋涂制造的数据存储介质相比，该数据存储介质使所述装置达到增大的记录密度。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种制造数据存储介质的方法，包括步骤：a)涂布包括聚合物材料的层到模板表面的至少一部分上，由此得到改性的模板表面；b)将步骤(a)中制造的改性的模板表面与目标表面夹住，由此得到一组件；c)将液体引入到步骤(b)中得到的组件的周围，由此将改性的模板表面的包括聚合物材料的层转移到目标表面上的至少一相邻区域。
根据本发明的第一方面，包括聚合物材料的层涂覆到模板表面的至少一部分上，由此得到改性的模板表面(步骤(a))。模板表面基于其表面粗糙度来选择，优选是相对无缺陷的。改性的模板表面被夹到目标表面，由此得到一组件(步骤(b))。目标表面是例如包括聚合物材料的层期望沉积于其上的表面。通过引入液体到组件的周围，改性的模板表面的包括聚合物材料的层转移到目标表面上的至少一相邻区域上(步骤(c))。包括聚合物材料的层以其先前与模板表面接触的表面现在被暴露的方式转移到目标表面上。本发明利用了这样的事实，即包括聚合物材料的层的暴露表面的表面粗糙度几乎是其先前接触且现在已从其分隔开的模板表面的表面粗糙度的复制(replication)。如前所述，因为选择模板表面是相对无缺陷的，所以包括聚合物材料的层的暴露表面呈现与其先前接触的模板表面相同的平坦度，且有利地，在数平方毫米的面积上呈现该点。
以上述方式，与采用旋涂法可得到的相比，能制造表面粗糙度减小的包括聚合物材料的层。因此，可以制造小于10nm深度和横向尺寸的凹入标记而不损害检测裕度和/或需要复杂的检测机制。由于在包括聚合物材料的层上形成减小尺寸的凹入标记成为可能，所以在具有该层的数据存储装置中可获得相应的记录密度的改善。另一优点是，沉积包括聚合物材料的层到目标表面上能以不需要复杂的处理设备和/或步骤的方式进行。
示例地，当在目标表面的0.1μm2面积内测量时，根据本发明第一方面沉积在目标表面上的包括聚合物材料的层的均方根(root mean squared，rms)表面粗糙度值不大于0.2nm，而在相同尺度上测量时，以前提出的技术例如旋涂获得的一般为0.5nm到1.0nm。与例如旋涂法相比，以本发明第一方面获得的改善从各方法制造的样品的表面形貌的功率谱(energy spectra)尤其明显。特别地，在一般位距离(bit distance)的波长区域，即约20nm到50nm，相对于旋涂法，本发明的第一方面获得约5倍的改善。这将在下面进一步详细论述。
根据本发明第一方面的一实施例，模板表面具有亲水性。期望地，模板表面包括下述之一的表面：云母基板、火焰退火玻璃基板、硅基板上的硅氧化物层、以及(100)表面钙钛矿基板。优选地，聚合物材料包括可交联聚合物。在该情况下，还优选地，在步骤(b)之前进行改性的模板表面的加热。期望地，液体包括极性液体。
在本发明中某些材料的亲水性用于沉积与以前提出的技术例如旋涂法获得的相比表面粗糙度减小的聚合物层到基板上。这可以通过使用具有亲水性且是相对无缺陷表面的模板表面来进行。包括聚合物材料的层涂覆到具有亲水性的模板表面，由此得到改性的模板表面(步骤(a))。改性的模板表面然后与包括聚合物的层期望沉积于其上的目标表面一起被夹住，由此得到一组件(步骤(b))。然后极性液体被引入到组件的周围。因为极性液体被吸引到模板表面(因为模板表面具有亲水性)，所以它渗透到包括聚合物材料的层与模板表面之间的界面。极性液体和亲水性模板表面之间的吸引力导致包括聚合物材料的层与模板表面之间的分离压力，由此使它们分离且使包括聚合物材料的层沉积到目标表面上与组件中改性的模板表面相邻的区域上(步骤(c))。因为包括聚合物材料的层的暴露表面先前位于与模板表面接触，所以暴露表面的表面粗糙度基本是模板表面的表面粗糙度的复制。在第一方面的一实施例中，因为选择模板表面是相对无缺陷的(见上面的论述)，所以暴露表面也呈现该性质，且因此与利用旋涂法获得的相比具有减小的表面粗糙度。
示例地，在第一方面的一实施例中，模板表面可选择为云母基板的表面。除了是亲水性的以外，选择云母是因为其独特的属性，即解理时，它产生相对无缺陷的表面。包括聚合物材料的层涂覆到新解理的云母的至少一部分表面上，由此得到改性的云母表面(步骤(a))。聚合物材料可例如包括可交联聚合物，诸如苯乙烯-苯并环丁烯无规共聚物(PS-BCB)。为了激活PS-BCB的组分之间的交联，改性的云母表面可例如加热到约220摄氏度约30分钟。与使前述交联反应发生相关的优点在于后面的退火和/或在溶剂中浸没不影响根据第一方面一实施例制造的数据存储介质的表面外貌。然后，改性的云母表面与包括PS-BCB的层期望沉积于其上的目标表面一起被夹住，由此得到一组件(步骤(b))。然后，极性液体例如水被引入到组件的周围。由于云母表面具有亲水性，水分子将被吸引到云母表面，所以它渗透到包括PS-BCB的层与云母表面之间的界面中。这导致包括PS-BCB的层从云母表面分离并沉积到目标表面上与组件中改性的云母表面相邻的区域(步骤(c))。因为包括PS-BCB的层的暴露表面先前位于与云母表面接触，所以PS-BCB的暴露表面的表面粗糙度基本是云母表面的表面粗糙度的复制。在第一方面的一实施例中，因为选择云母表面是相对无缺陷的(见上述)，所以PS-BCB的暴露表面也呈现该性质，且因此与使用旋涂法可获得的相比，其具有减小的表面粗糙度。
当然，第一方面的实施例不限于使用云母基板的表面用于模板表面。事实上，具有亲水性和与云母相同/相似的表面质量的任何其他表面都可使用。例如，模板表面可包括火焰退火玻璃基板、硅基板上的硅氧化物层以及(100)表面钙钛矿基板之一的表面。另外，第一方面的实施例不限于使用PS-BCB作为聚合物材料。事实上，任何其它合适的可交联聚合物都可使用。
根据第一方面的另一实施例，模板表面可包括提供在支承体上的牺牲层的表面。优选地，牺牲层包括水溶性盐、硅氧化物、金属和有机材料的层之一。当牺牲层包括硅氧化物层时，液体优选包括氢氟酸。
可选择牺牲层以进一步促进包括聚合物材料的层容易地转移到目标表面上。包括聚合物材料的层被涂覆到牺牲层的至少一部分上(步骤(a))。如此改性的牺牲层然后接触目标表面且与其一起被夹住，由此得到一组件(步骤(b))。为了促进包括聚合物材料的层从牺牲层转移到目标表面上与组件中改性的牺牲层相邻的区域上，该层通过引入适当选择的液体而被溶解。
优选地，牺牲层选择为水溶性盐例如氯化钠、氯化钾等的层。
期望地，牺牲层包括硅基板上的硅氧化物层。在这种情况下，硅氧化物层的去除可通过使用包括有效蚀刻硅氧化物层的氢氟酸的液体而被促进。
优选地，牺牲层包括金属层，在这种情况下，液体可包括例如合适的酸性蚀刻剂。
期望地，牺牲层包括有机材料，其具有形成有序取向层即高度有序的薄膜的属性。有机材料可例如是包括自有序烷基分子、自有序嵌段共聚物等的材料。有机材料也可以是能形成液晶层的材料。牺牲层包括有机材料时，液体可以是适于与有机材料一起使用且能溶解有机材料的容积。
本发明还延及根据本发明的方法实施例制造的数据存储介质和包括该数据存储介质的数据存储装置。
根据本发明的一方面的特征可应用到任意其它方面，反之亦然。
附图说明
现在将以示例方式参考附图，附图中：
图1示出本发明一实施例中的步骤；
图2示出通过旋涂(图2a)和本发明的一实施例(图2b)沉积在硅基板上的PS-BCB层的AFM图像；
图3示出图2的示例的功率谱(power spectra)；
图4示出根据本发明一实施例制备的数据存储介质；以及
图5示出根据本发明另一实施例的步骤。
具体实施方式
说明书中，相同的附图标记或符号用于指示相同或相似部件。
现在参照图1，其示出根据本发明一实施例的步骤。
如图1a，在步骤(a)中，包括聚合物材料的层2被涂覆到模板表面1的至少一部分上，由此获得改性的模板表面2’。在本发明一实施例中，改性的模板表面是模板表面1和涂覆于其上的包括聚合物材料的层2的结合。
如图1b所示，在步骤(b)中，步骤(a)中制造的改性的模板表面2’接触目标表面3并与其夹在一起，由此获得一组件。目标表面3可以例如是期望沉积包括聚合物材料的层2到其上的表面。
如图1c所示，在步骤(c)中，通过引入液体4到步骤(b)中获得的组件的周围，改性的模板表面2’的包括聚合物材料的层2被转移到目标表面3上至少相邻的区域上。在本发明一实施例中，包括聚合物材料的层2可被转移到目标表面3上位于与改性的模板表面2’直接相邻的区域上。在进行步骤(c)之后，通过加热目标表面3，包括聚合物材料的层2可被转移到整个目标表面3上或者其一部分上(例如位于与步骤(c)中包括聚合物材料的层2转移到其上的目标表面3的区域相邻)。
以示例方式，聚合物材料是苯乙烯-苯并环丁烯无规共聚物(polystyrene-r-benzocyclobutene random copolymer，PS-BCB)，其具有是可交联聚合物的属性，其具有疏水性，且其不是吸湿性的。模板表面1是新解理的云母的表面。选择云母是因为具有亲水性及其独特的属性，即解理时其产生相对无缺陷的表面。在该情况下，在步骤(a)中，PS-BCB的层2通过旋涂被涂覆到云母表面1上，由此得到改性的云母表面2’。通常，通过滴PS-BCB溶液到云母表面1上且然后以约2000转每分钟的速度旋转云母表面1来进行旋涂。以此方式，PS-BCB的层2以约100nm的厚度涂覆到云母表面1上。当然，可以通过改变PS-BCB在其溶液中的权重来使PS-BCB以所需的厚度沉积到云母表面1上。在PS-BCB的层2被旋涂到云母表面1上之后，所得到的改性的云母表面2’在220摄氏度被加热约30分钟。这样做以激活PS-BCB中组分的交联反应。
在步骤(b)中，使步骤(a)中制造的改性的云母表面2’接触目标表面3并与其夹在一起，由此得到一组件。目标表面3可以是例如硅基板的表面。所述“夹”可通过适合本发明实施例的应用(例如适合于数据存储介质的单个或大规模制造)的任何方法和/或装置来实现。
在步骤(c)中，极性液体4例如水被引入到步骤(b)中获得的组件的周围。一般地，这通过将组件浸在水中来进行。由于被亲水性的云母表面1吸引，水分子渗透包括PS-BCB的层2与云母表面1之间的界面。水分子和云母表面1之间的吸引力导致分离压力施加在包括PS-BCB的层2与云母表面1之间，使它们自发分开。这些表面的分开还受到排斥水分子的PS-BCB的疏水特性的辅助。以此方式，改性的云母表面2’的包括PS-BCB的层2转移到硅基板3上的至少一相邻区域。然后云母表面1被浮脱，转移到硅基板上的包括PS-BCB的层2用氮气吹干。
从图1d可以看出，包括PS-BCB的层2以其先前接触云母表面1的表面现在被暴露的方式转移到硅基板3上。本发明利用了这样的事实，即包括PS-BCB的层2的暴露表面5的表面粗糙度几乎是其先前接触且现在已从其分开的云母表面1的表面粗糙度的复制。因为新解理的云母具有相对无缺陷的属性，所以包括PS-BCB的层2的暴露表面5表现出与其先前接触的云母表面1相同的平坦度，且有利地，在数平方毫米的面积上表现出此点。
本发明允许包括聚合物材料的层2以不需复杂的处理设备和/或步骤的方式沉积到目标表面3上。在给出以示范本发明的原理的上述示例中，通过利用作用在水4分别与亲水性云母表面1和层2中的疏水性PS-BCB之间的表面力，进行PS-BCB的层2到硅基板3上的转移。
如前所述，当在目标表面3的0.1μm2面积中测量时，以上述方式沉积到目标表面3上的包括聚合物材料的层2的均方根(rms)表面粗糙度值约≤0.2nm，而当在相同尺度上测量时，以先前提出的技术例如旋涂法获得的均方根表面粗糙度值为0.5nm至1nm。以本发明一实施例获得的相对于旋涂法的表面粗糙度值改善证实于图2中，图2示出通过旋涂法(图2a)和本发明(图2b)沉积在云母表面1上的包括PS-BCB的层2的AFM图像。通过这些图像的灰度变化示出表面形貌的改变。比较图2a和2b显见，利用本发明一实施例制造的包括PS-BCB的层2的表面形貌且因此表面粗糙度的变化小于用旋涂法获得的。
为了在图2a和2b所示的层之间进行定量比较，请参照图3，图3示出它们的表面形貌的功率谱。这里，在图3中，图2a的旋涂样品的谱由“x”指示，根据本发明一实施例制造的样品由“y”指示，检测机械的电子噪声由“z”指示。
从图3可以看出，利用本发明一实施例沉积在云母表面1上的包括PS-BCB的层2的功率谱(曲线y)的幅度达到比旋涂法获得的(曲线x)低一个数量级。这转变为，利用本发明一实施例沉积在云母表面1上的包括PS-BCB的层2中的凹入深度与利用旋涂法准备的相比减小到三分之一，然而，尽管更浅了，但其能够以与用于通过旋涂制备的包括PS-BCB的层2的SNR相当的SNR检测到。由于与旋涂法相比，利用本发明一实施例制造的包括PS-BCB的层2具有减小的表面粗糙度，所以在该层上可以形成更浅的凹入标记，而不会损及检测裕度和/或需要复杂的检测设备。因为凹入标记的横向尺寸与其深度一起缩放，所以对于利用本发明一实施例制造的包括PS-BCB的层2，与旋涂法相比，所形成的凹入标记的数目可增大，这得到增大的记录密度性能。
可利用本发明一实施例获得的相对于例如旋涂法的改善从一般的位(bit)距离的频率区域中的功率的幅度来看尤其明显。具体地，在约0.02/nm处(在图3中由标记“相关区域”的箭头指示)，与利用本发明一实施例的沉积在云母表面1上的包括PS-BCB的层2相关的功率谱的幅度为180左右，而用旋涂法获得的为约36(这些单位与图3一致)。另外，后一信号受到检测系统的电子噪声的限制，其由曲线“z”指示。于是，在数据存储介质中一般位距离的波长区域，本发明一实施例相对于旋涂法获得至少5倍的改善。
图4示出根据本发明一实施例制造的数据存储介质。x轴和y轴表示记录的像元(pixel)的数量。在该情况下，像元到像元的距离是约4nm。以约24nm的节距(pitch)写入凹入(indentation)，对于d＝1代码(即，在数据道中凹入标记(′1′)之间有至少一个非凹标记(′0′))，这转变为1.4万亿位每平方英寸的存储密度。凹入的深度是约2nm，总体SNR是约8db，这对于获得小于10-4的原始位误差率(raw bit error rate)是足够的，即，平均而言且没有采用校正机制，对于10000位获得一个误差。预期SNR主要受限于检测凹陷所使用的系统的电子噪声。有利地，凹入的减小的深度造成凹入周围轮缘(rim)形成的减少，轮缘的形成通常干扰和扭曲凹入的检测。
对于模板表面1，本发明不限于使用云母。事实上，可以使用亲水性且具有与云母相同/相似表面质量的其他基板。例如，火焰退火的玻璃基板的表面、硅基板上的硅氧化物层、或者(100)表面钙钛矿可被使用，这些对于在用于批量制造数据存储介质的环境中实施本发明是优选的。在(100)表面钙钛矿的情况下，这可由ABO3表示，其中元素A是镧系碱土金属，B是过渡金属，O是氧。其特定例子是钛酸锶。
作为选择，模板表面1可包括在支承体上的牺牲层。参照图5a，在步骤(a)中，包括聚合物材料的层2被涂覆到设置在支承体7上的牺牲层6的至少一部分上，由此得到改性的牺牲层2”。在该情况下，改性的牺牲层2”当作是包括聚合物材料的层2和其上涂覆层2的牺牲层6的结合。
从图5b可以看出，在步骤(b)中，改性的牺牲层2”然后接触目标表面3并与目标表面3夹在一起，由此得到一组件。如图5c所示，为了促进包括聚合物材料的层2从改性的牺牲层2”转移到与组件中改性的牺牲层2”相邻的目标表面3的区域上，通过引入适当的液体4来溶解牺牲层6(步骤(c))。
支承体7可包括例如Si(111)、Si(110)、Si(100)、Ge(100)晶体表面等，这样做是因为这些晶体表面的外貌(profile)。
牺牲层6可选择为水溶性盐例如氯化钠、氯化钾等的层。
作为选择，牺牲层6可包括硅基板7上的硅氧化物层。在该情况下，可通过使用包括氢氟酸(其有效地蚀刻硅氧化物层6)的液体4促进步骤(c)中硅氧化物层6的去除。
牺牲层6可包括金属层，在该情况下，液体4可包括例如合适的酸性蚀刻剂。
牺牲层6可包括有机材料，其具有形成有序取向层，即高度有序的薄膜的属性。有机材料可以是例如包括自有序烷基分子、自有序嵌段共聚物(blockcopolymer)等的材料。有机材料也可以是能形成液晶层的材料。牺牲层6包括有机材料时，液体4可以是适于与有机材料一起使用且能溶解有机材料的溶剂。
在本发明一实施例中，聚合物材料可具有疏水性(在该情况下，优选其也是吸湿性的)或亲水性。
可选择模板表面1和目标表面3从而它们各自的表面能使得步骤(c)中引入的液体的分子优选被吸引到模板表面1而不是目标表面3。示例地，应选择目标表面3呈现比模板表面1更弱的亲水性，或者具有疏水性。特别地，当两者都具有疏水性的目标表面3和聚合物材料用在本发明的实施例中时，有助于聚合物材料的层2转移到目标表面3上。由于其疏水属性，目标表面3和包括聚合物材料的层2结合地排斥极性液体4的分子。与目标表面3不具有疏水性时相比，这导致极性液体4施加更强的分离压力(其引起包括聚合物材料的层2从亲水性的模板表面1分离)。此外，作用在这些疏水性表面之间的范德瓦尔斯力促进了包括聚合物材料的层2更牢固地贴到目标表面3上。目标表面是例如硅基板、其氢钝化表面、或者涂覆在基板上的具有疏水性的聚合物层。
本发明的实施例不限于数据存储应用，可例如用在任何其它扫描探针应用中，诸如高分辨平板印刷(lighography)、生物化验等。
上面单纯以示例方式描述了本发明，可在本发明的范围内进行细节的修改。
说明书中公开的每个特征以及(合适的话)权利要求和附图可独立提供或者以任何合适的组合提供。

Claims (11)

1.一种制造数据存储介质的方法，包括步骤：
a)涂覆记录层到模板表面(1)的至少一部分上，由此得到改性的模板表面(2’)，该记录层是包括聚合物材料的层(2)；
b)夹住目标表面(3)与步骤(a)中制造的所述改性的模板表面(2’)，由此得到一组件；以及
c)引入液体(4)到步骤(b)中获得的所述组件的周围，由此将所述改性的模板表面(2’)的包括聚合物材料的层(2)转移到所述目标表面(3)上的至少一相邻区域上。
2.如权利要求1所述的制造数据存储介质的方法，其中所述模板表面(1)具有亲水性。
3.如权利要求1或2所述的制造数据存储介质的方法，其中所述模板表面(1)包括下述之一的表面：云母基板、火焰退火的玻璃基板、硅基板上的硅氧化物层和(100)表面钙钛矿基板。
4.如权利要求2所述的制造数据存储介质的方法，其中所述聚合物材料包括可交联的聚合物。
5.如权利要求2所述的制造数据存储介质的方法，还包括在步骤(b)之前加热所述改性的模板表面(2’)的步骤。
6.如权利要求2所述的制造数据存储介质的方法，其中所述液体(4)包括极性液体。
7.如权利要求1所述的制造数据存储介质的方法，其中所述模板表面(1)包括设置在支承体(7)上的牺牲层(6)的表面。
8.如权利要求7所述的制造数据存储介质的方法，其中所述牺牲层(6)包括水溶性盐、硅氧化物、金属和有机材料的层之一。
9.如权利要求8所述的制造数据存储介质的方法，其中当牺牲层(6)包括硅氧化物层时，液体(4)包括氢氟酸。
10.一种数据存储介质，其通过权利要求1所述的方法制造，该数据存储介质包括：
所述目标表面(3)；以及
在该目标表面(3)上的所述包括聚合物材料的层(2)，
其中在0.1μm2面积中测量时，该包括聚合物材料的层(2)的均方根表面粗糙度值≤0.2nm。
11.一种数据存储装置，包括通过权利要求1所述的方法制造的数据存储介质，该数据存储介质包括：
所述目标表面(3)；以及
在该目标表面(3)上的所述包括聚合物材料的层(2)，
其中在0.1μm2面积中测量时，该包括聚合物材料的层(2)的均方根表面粗糙度值≤0.2nm。
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