CN101606201A - 高分辨率光学信息存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及信息的光学存储。本发明提供一种高分辨率光学信息存储结构，其包括带有物理标记的基片(10)，所述物理标记的几何结构确定了所记录的信息；在所述基片的标记上面的三层叠层；在这个叠层上的一个透明保护层(18)，所述叠层包括插在两个ZnS－SiO2介电层(12、16)之间的锑化铟或锑化镓层(14)。所述信息可以高于读取激光波长所允许的理论读取分辨率的分辨率(尺寸和间距)预记录在基片上。如果正确选择激光功率，所述三层叠层的非线性行为使得能够读取信息。

Description

高分辨率光学信息存储介质
技术领域
本发明涉及光学信息记录的领域。
背景技术
当人们试图增加在光盘上记录的信息密度时，这个目标通常受到信息读取装置的性能的限制。基本原理是写到光盘上的物理信息不能被很容易地读取，如果其尺寸小于用于读取这个信息的光学系统的分辨率的限度。通常，当用650nm波长、数值孔径为0.6的红色激光读取时，一般没有希望能正确读取尺寸小于0.4微米或0.3微米的信息。
然而，已经发明出所谓的超分辨率方法来读取物理尺寸小于或甚至远小于波长的信息。这些方法是基于特定材料的非线性光学特性。术语“非线性特性”理解为该材料的特定光学性能随着其接收的光强度的变化而变化。通常导致这种变化的直接原因是由于照射产生的加热：正是读取激光自身将在小于读取激光点的尺寸上通过热效应、光学效应、热光效应和/或光电效应局部改变该材料的光学性能。因为性能上的变化，在这个非常小容量中存在的光学信息变得可探测，而如果没有这种变化其将不可能被探测。
这个现象原理上是基于所用的读取激光的两个性能：
-首先，激光是非常高度集中的，从而具有极小的横截面(波长级的)，但是其功率分布是Gaussian分布，在中心非常强但周边极度减弱；以及
-其次，选择读取激光功率使得在一小部分横截面上，在激光束的中心的功率密度，显著改变这一层的光学性能，而在这部分横截面之外的功率密度不显著改变该光学性能；改变该光学性能使得可以读取如果没有这种改变而不能被读取的信息。
例如，所述光学性能的改变是在读取由光盘上形成的物理标记组成的比特需要激光束正好透射到该物理标记上的情况下，增加光学透射。因此将非线性层置于激光束透射到物理标记的路径中。激光束的中心可以穿过该层直到所述标记，因为随着光穿过该层，入射光的强度使得该层更加透明，而激光束周边将穿不过去，因为其没有足够改变该层的光学指数而使其更透明。因此似乎已经使用了穿过比其波长所允许的更窄的直径的光束。
已经有很多理论提议来开发这些原理，但是还没有应用到工业上的。专利US 5153873重复了这个理论。专利US 5381391给出了一个具有非线性反射性能的膜的实例。专利US 5569517提出了多种经历结晶相变化的材料。
目前提供最多选择的一种技术是使用氧化铂(PtOx)层，其夹在两个硫化锌/氧化硅化合物层之间，这整个组件插在两个AgInSbTe或GeSbTe化合物层之间，这个组件再插在硫化锌/氧化硅化合物层之间。所述AgInSbTe或GeSbTe材料具有的性能包括在强激光照射的作用下发生相变化。在以下文献中有实例：Applied Physics Letters Vol.83，No.9，Sept.2003，Jooho Kim等人的“Super-Resolution by elliptical bubble formation with PtOx andAgInSbTe layers”，Japanese Journal of Applied Physics Vol.43，No.7B，2004，Jooho Kim等人的“Signal Characteristics of Super-Resolution Near-fieldStructure Disc in Blue Laser System”，和在同一个期刊上，Duseop Yoon等人的“Super-Resolution Read-Only Memory Disc using super-ResolutionNear-Field Structure Technology”。
在这些文献中描述的结构主要依赖于封闭在层之间的氧化铂膨胀气泡(expansion bubble)的产生。这些气泡在激光写入期间形成，可在读出期间识别，读取激光的波长甚至等于气泡尺寸的数倍。
然而，这些气泡很难产生，而且特别难以控制气泡的体积。还特别难以调节激光功率以获得读出时的超分辨率效果：太低的激光功率得不到结果，而太高的激光功率显著降低可能的读取周期数。
发明内容
本发明提出了一种简单得多的结构，其较容易操作，需要适当的读取激光功率水平，并能够经历很多读取周期而没有显著降低读取信号。本发明的结构直接依赖于特定材料的非线性特性，而不需要使其经受很难控制的气泡膨胀过程。
本发明提供了一种高分辨率光学信息存储结构，其包括带有物理标记的基片，所述物理标记的几何结构确定了所记录的信息；在所述基片的标记上面的三层叠层；在这个叠层上的一个透明保护层，所述叠层包括插在两个硫化锌/氧化硅(ZnS/SiO2)化合物介电层之间的锑化铟或锑化镓层。
已经发现在所述锑化物层周围ZnS/SiO2层的存在使得可以显著降低在超分辨率模式中读取信息需要的读取激光功率并具有满意的信噪比。现在读取功率的问题很严重，因为，一方面，需要较高的功率以通过光学性能的局部改变来获得超分辨率效应，但是另一方面，高功率往往逐渐损坏所记录的信息，限制了可能的读取周期数，而具有尽可能高的读取周期数是期望的。
所述基片优选由聚碳酸酯、塑料或聚合物制成。
在所述化合物中锑的原子比为45％-55％，铟或镓的比例为45％至达到100％的余数之间。In50Sb50或Ga50Sb50化学计量化合物是非常适合的，但是稍稍偏离化学计量也是可接受的。
InSb或GaSb层的厚度优选为10-50nm，最好为20-30nm。
ZnS/SiO2介电层每层的厚度优选为20-100nm，最好为50-70nm。选择ZnS和SiO2的原子比例优选在ZnS 85at％/SiO2 15at％(85/15的比例)和ZnS70at％/SiO2 30at％(70/30的比例)之间。
本发明特别适用于用通常波长为约400nm的蓝色激光来读取信息，然后在光盘上预记录的信息能够具有100nm或更小的尺寸(宽度和长度)，也就是说小于读取波长的四到五倍。然而，本发明也适用于用红色激光(波长为600-800nm)读取，这是非常有利的，因为其具有与标准分辨率的传统光盘读出器的相容性-同一个红色激光读出器可以读取装有标准分辨率的信息的盘，也可以读取装有超分辨率形式的信息的盘。在这种情况下，光盘基片上刻的物理标记可具有200nm或更小的尺寸(长度和宽度)。
附图说明
本发明的其它特征和优势在下面参照附图进行更详细的描述。
-图1显示的是本发明的光学信息存储结构。
-图2显示的是对该结构测量的作为读取激光的功率的函数的反射率曲线和透射曲线。
-图3是对InSb的情况和GaSb的情况分别测量的作为读取激光的功率的函数的两个反射率曲线。
-图4是基片的原子力显微镜图，在该基片中预形成了间隔最小80nm的尺寸最小为80nm的标记。
-图5是显示本发明的结构中信噪比的曲线。
-图6是位于锑化铟层两边的各种介电物质的信噪比对比曲线图。
具体实施方式
图1显示的是本发明的光学信息存储介质的一般结构。它包括基片10，其优选是通常用于光盘的有机材料，特别是聚碳酸酯。所述基片在实践中是扁平圆盘的形式，传统上是将信息沿着近同心磁道写入盘中。由箭头20表示的读取激光束置于圆盘前面，在圆盘旋转时将看到信息穿过它。
基片10包括确定所记录的信息的物理标记，在这个实施例中，所述物理标记是浮雕的形式印在基片的上表面上。该浮雕例如是由凹槽形成，其宽度对于所有写入的信息都是大致固定的，但其长度和在信息运行方向上的间距确定了所写入信息的内容。信息是通过分析由该结构反射的激光束的相来读取的，所述相在开始时和通过每个物理标记后发生了变化。所述凹槽可通过例如用镍模压制聚碳酸酯或塑料基片来预刻，所述镍模用非常高分辨率的电子束蚀刻工具来制造。
物理标记的宽度、长度和间距可以低于用于读取它们的光学读取系统的理论光学分辨率。通常，约400nm波长的蓝色激光与数值孔径为0.85的聚焦光学器件一起使用，小心的话分辨率的理论物理限值为约120nm。这里，从长度或间距方面来说，标记可以用小于80nm的分辨率来进行预刻。
在传统的光盘中，所述浮雕会用简单的铝层覆盖，但是这种铝层不能使蓝色激光探测尺寸和间距为80nm的标记。
根据本发明，标记用一个三叠层覆盖，所述三叠层顺序由ZnS/SiO2化合物的介电层12、锑化铟(InSb)或锑化镓(GaSb)层14和ZnS/SiO2化合物的介电层16构成。所有这些用一个透明保护层18覆盖。
所述InSb或GaSb层14是具有非线性光学性能的层，已经发现该三叠层结构-GaSb或InSb层两边有两层ZnS/SiO2介电层-的反射率可以非常显著的增加，当其用功率为1-2毫瓦(实践中相当于每平方微米约7毫瓦的功率密度)的激光束照射时。
图2显示的是基片+三叠层+保护层18结构的反射率变化(上部曲线R)和透射率变化(下部曲线T)作为405nm照射激光的功率的函数的曲线图。下层ZnS/SiO2层12具有70nm的厚度，含有约80％ZnS对20％SiO2(原子比)。上层16具有相同的组成，厚度为50nm。中间层是由厚度为20nm、基本相同化学计量组成的InSb构成。这个测量实施例表明叠层结构的反射率随着照射功率变化很大。因此，对于约1.3mW功率的读取激光，因为激光束能量的Gaussian分布，在聚焦点中心和周边之间反射率将发生很大变化，因此有非常显著的超分辨率效应的可能性。
图3表示其它的测量，也就是上一段落限定的结构和同样的用GaSb代替InSb的结构的反射率对比测量。GaSb的结果较差，因为它们需要较高的读取功率，不过可用的功率范围更大。
图4显示的是，在沉积三叠层12、14、16，也就是长度和间距可变的盲孔之前信息可预记录在基片上。箭头指示的是基片在读取激光下面运行的方向。
图5显示的是，测量的以分贝表示的CNR(载噪比)作为读取激光的功率的函数，对于在其上已形成尺寸为80nm和间距为80nm的固定标记的基片，因此在理论上带来激光读取系统固定频率的输出信号。这些标记被上述三叠层覆盖，20nm活性层为InSb或GaSb。如果标记用25-40nm的铝(如在ROM光盘中)而不是本发明的三叠层覆盖，CNR比为0(根本没有探测到标记)。这些曲线再次表明从功率上来说，锑化铟比锑化镓更有利，因为对于1.3mW功率CNR接近35dB，而对于GaSb为得到相同的CNR功率却为2mW。
图6表示的是在三个具有固定间距为80nm的预刻80nm标记的基片试样上对比测量CNR，这些标记在这三个试样上是一样的。仅左侧的曲线使用ZnS/SiO2化合物介电层，右侧的两条曲线分别使用二氧化硅SiO2和氮化硅Si3N4作为介电层。这里非线性光学层是锑化铟InSb。可以看出在本发明ZnS/SiO2层的情况下需要低得多的读取功率来实现高的CNR。
最后，通过对因此记录的同一信息进行多次读取操作来对三种结构的读取行为进行实验研究，一种结构是本发明的结构，另外两种使用SiO2或Si3N4作为介电层。对于SiO2，在2.74毫瓦的功率下可以读取具有足够信噪比的信息，但是却观察到在34个读取周期后读取信号降低。对于Si3N4，用2.26毫瓦的功率可以读取，但是在240个读取周期后观察到信号降低。然而，对于本发明的ZnS/SiO2层，可以用1.66毫瓦的功率读取信息，并且仅在8000个读取周期后才观察到显著的信号降低。因此这也使得本发明的结构与其它结构相比很重要，尽管其已经有预料不到的特征，因为它是明显基于该结构的反射率的超分辨率的增加，而不是透射的增加，这对于需要读取位于三叠层结构下的物理标记，被认为是比反射更有利的。
所进行的测试已经证明对于蓝色激光正如红色激光一样，本发明的结构的最佳层厚度如下：
下层ZnS/SiO2层：约50-70nm；
GaSb或InSb层：约20-30nm；
上层ZnS/SiO2层：约50-60nm。
ZnS/SiO2化合物优选的原子组成为约80％ZnS对20％SiO2。
这些层的沉积没有什么特别的问题。它们可以通过阴极溅射包含这些材料的靶或者通过等离子体增强气相沉积来进行常规沉积，对活性层和介电层的沉积都一样好。

Claims (13)

1.高分辨率光学信息存储结构，其包括带有物理标记的基片(10)，所述物理标记的几何结构确定了所记录的信息；在所述基片的标记上面的三层叠层(12、14、16)；以及在这个叠层上的一个透明保护层(18)，所述叠层包括插在两个硫化锌/氧化硅(ZnS/SiO2)介电层(12、16)之间的锑化铟或锑化镓层(14)。
2.权利要求1的结构，其特征在于，在所述锑化物层(14)中锑的原子比为45％-55％，铟或镓的比例为45％至达到100％的余数。
3.权利要求2的结构，其特征在于，所述锑化物层(14)是化学计量的InSb或GaSb层。
4.权利要求1-3之一的结构，其特征在于，所述InSb或GaSb锑化物层的厚度为10-50nm。
5.权利要求4的结构，其特征在于，所述InSb或GaSb锑化物层的厚度为20-30nm。
6.权利要求1-5之一的结构，其特征在于，所述每个ZnS/SiO2介电层都具有20-100nm的厚度。
7.权利要求6的结构，其特征在于，覆盖所述基片上的标记的下层ZnS/SiO2层(12)具有约50-70nm的厚度。
8.权利要求6或7的结构，其特征在于，上层ZnS/SiO2层(16)具有约50-60nm的厚度。
9.权利要求1-8之一的结构，其特征在于，选择ZnS和SiO2的原子比例在ZnS 85at％/SiO2 15at％(85/15的比例)和ZnS 70at％/SiO2 30at％(70/30的比例)之间。
10.权利要求1-9之一的结构，其特征在于，所述基片由聚碳酸酯制成。
11.权利要求1-10之一的结构，其特征在于，刻在基片上的所述物理标记是冲压的凹槽。
12.根据权利要求1-11之一所述的结构在制造用于通过蓝色激光读取器超分辨率读取的光盘上的用途，一些物理标记具有的长度和宽度小于100nm。
13.根据权利要求1-11之一所述的结构在制造用于通过红色激光读取器超分辨率读取的光盘上的用途，一些物理标记具有的长度和宽度小于200nm。
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