CN1201532A - 数字光学媒体录制和复制系统 - Google Patents

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CN1201532A CN96198064A CN96198064A CN1201532A CN 1201532 A CN1201532 A CN 1201532A CN 96198064 A CN96198064 A CN 96198064A CN 96198064 A CN96198064 A CN 96198064A CN 1201532 A CN1201532 A CN 1201532A
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J·艾得尔京
I·M·维特伯斯基
D·A·丘托夫
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Abstract

本发明提供一种数字光盘复制的新方法和系统,该方法分为制作光盘媒体母盘和快速复制母盘两个步骤。光盘媒体包括外部表面(213)、伸长部件(211)、数据区域(221)、辅助区域(222)、激光束(302)和将激光束聚焦在伸长部件选定区域上的聚焦系统(317)。

Description

数字光学媒体录制和复制系统
发明领域
本发明通常涉及对诸如数字光盘之类的数字光学媒体进行母盘制作、录制和复制的系统。
背景技术
在包括菲利浦电子公司、索尼公司、Thomson and Discovision Associate(DVA)在内各方历经二十余年的努力下，数字小型光盘技术有了较大的发展。该项技术(包括该项技术的扩展技术和改进技术)已经被世界上最大的消费电子产品生产厂家和计算机公司接受为标准。由于存储容量较大而光盘与重放装置的单位成本又较低，所以除去版权方面的费用，全球该领域内的销售额和技术许可费每年也要数以几十亿美元计。该项技术已经成为各种类型数字化数据永久存储的世界标准。
数字小型光盘(或者CD)由盘片组成，每块盘片由优质塑料制成，直径为120毫米而厚度为1.2毫米，表面镀有铝薄层(50钠米厚)。这些盘片最多可以容纳12亿字节的数字化信息。常用的纠错技术一般使盘片的有效存储容量缩减为680兆字节左右。
小型光盘技术中采用的数字光学录制基本原理基于局部反射率调制，其中反射率不同的多个区域代表了一个个数据比特。局部反射率的最常用方法是所谓的“相位坑”方法。相位坑的深度必须精确地等于读取数据所用光源光线波长的四分之一(大约120钠米)。相位坑可以用幅度体代替，其中反射率因反射镀层的不连续性或者光线在凹面或凸面微观结构上的散射而下降。
CD上的凹坑(或者幅度体)排列成螺旋线状，起点在距盘片“插孔”中心20毫米处并以单根螺旋线轨迹形式延续到距盘片外边缘几个毫米的范围内。可将整条螺旋轨迹线视为有相位坑的点和无相位坑的点组成的长线。如果因红色激光束在某一点上无反射而检测到凹坑，则光电检测器和相关的电路就将此解释为数字“1”。如果点上没有凹坑，则解释为“0”和(零)。这种连续的“1”和“0”串包含了光盘上记录的数字信息。凹坑的额定宽度为0.6微米；某圈螺旋轨迹线与其内外圈螺旋轨迹线相距1.6微米。
现有的CD制造工艺可以分为独立的三个过程：母盘制作、压模制造和复制。以下描述现有CD工艺的一般步骤。
A.母盘制作
1.根据规定的格式预制原版数据；
2.准备覆盖光刻胶层的光学抛光玻璃盘(或者玻璃母盘)；
3.玻璃母盘在激光束记录器内，用按预制原版数据调制的聚焦激光束曝光。聚焦激光束在玻璃母盘表面沿着螺旋线轨迹行进，光强由声光调制器控制其开启和关闭。光刻胶层的曝光区域与相位坑的位置和尺寸对应；
4.使玻璃母盘显影，并且冲洗掉光刻胶曝光区域；
5.在完成上述步骤后对质量进行检查。
B.压模制造
1.利用真空淀积方法在玻璃压模的光刻胶图案上淀积银薄层；
2.利用电镀方法在银层上淀积存镍层，从而形成镍板阳模。这样就制作出了一副阳模。
3.镍制阳模是玻璃母盘的复制阴模(即它的凸起对应相位凹坑)。镍制阳模可以用作注射成形压模，但是由于制作成本较高，所以一般不用作压模。因此利用电镀和分离方法制作出若干阴模(复制阳模)；
4.利用电镀和分离方法由阴模制作出压模(玻璃母盘的复制阴模)；
5.在完成上述步骤后对质量进行检查。
C.复制
1.镍制压模被用于聚碳酸酯CD基片的高压注射成形；
2.在基片冷却后通过溅射方法涂覆铝反射层；
3.在铝层上旋转涂敷保护层并随后通过紫外线辐射凝固；
4.将螺旋轨迹线的衍射效率作为成品检验的判据。
由于复制生产过程中的打上印记和包装步骤大部分是离线进行的，所以省略了对它们的介绍。母盘制作过程(包括光刻胶旋转涂胶和淀积)一般需要在100级超净设施内耗时3-4小时。压模生产需要在100级超净设施内耗时5-8小时。最后，高效的注塑成形复制速度为每4秒生产一张CD。
上述现有的CD生产方法具有如下的缺点：
◎母盘制作和压模生产需要长时间使用昂贵的设备和设施；
◎现有技术工序速度慢并且是分立的。每张CD分开来处理，制造一张CD至少需要4秒钟，时间较长；
◎现有技术工序涉及到高温和高压过程。塑料的熔点在300℃左右，注射成形压力为20-40吨。由于高压注塑成形中明显的应力分布不均和快速冷却过程中的温度梯度，会引起双折射问题(即折射率的各向异性)；
◎为了尽量减小工艺引发的光学非均匀性带来的双折射，采用了非常昂贵的聚碳酸酯塑料作为基片材料；
◎在基片的聚碳酸酯树脂合成工艺中包括氯化步骤。残留的氯原子与CD的铝涂层反应从而缩短了CD的预期使用寿命；
◎由于注模塑成形工艺复杂和质量易受影响，所以为了满足对唱片CD和CDROM快速增长的需求，需要投入大量的资金；
◎当今，建造一个具有规模经济的工厂需要7500万美元的投入；特别大的设施需要1亿美元以上的投资。由于采用超纯材料，所以每张CD制造费用至少为40美分。
为了克服现有技术存在的问题，已经开发出替代现有技术的新工艺。例如，有人提出一种降低机械和温度应力的方法，它用压纹的方法代替注射成形工艺。在该项技术中，相位坑用幅度体代替。由于边缘光散射和屏蔽掩膜选择性淀积金属涂层中的不连续性，幅度体的反射率降低。由于用金属蒸发制造屏蔽掩膜的复杂性以及其它一些缺点，压纹法迄今为止还未进入实用化。
替代高温/高压注射成形工艺的另一种方法是美国专利No.4,423,137中提出的接触光刻复制方法，该专利被转让于Quixote股份公司，图1A、1B、1C和1D示出了该方法。如图1A所示，该工艺包括采用接触光刻与平面刚性母掩膜，母掩膜包括涂覆反射金属层2的平板玻璃基片1，孔径3对应CD的凹坑图案。平板刚性母掩膜被复制到覆盖反射层5和光刻胶层6的平板刚性基片4上。在图1B中，光刻胶6的区域61在光线下曝光并去除，从而使反射涂层2的下层区域51曝光。在图1C中，区域51被腐蚀掉，而在图1D中光刻胶6被去除掉。最终的结构代表了多个幅度体，做成一定大小并分布在基片表面，且对应于母板上反射涂层的开孔。随后的步骤是涂覆保护层、层叠刚性透明盘片和打上印记，这样就制造出符合ISO 9660标准的CD。
接触光刻工艺作为一种半导体器件制造中的微观图案转印方法，从60年代起就被业界熟知。成功实现接触光刻的主要要求是减少光学掩膜(例如图1A中的金属图案母板1和2)与基片4上光刻胶涂层61之间的间隙。对于表面积小(1-5cm2)的情况，这种要求是可行的，但是对于表面积较大的情况(例如直径为12厘米的CD基片)，要可靠地控制间隙如果不能说是不可能，那也是极其困难的。而且，如果要在大批量复制工艺中应用接触光刻技术，则会无法保持母板与基片之间均匀的小间隙。基于上述以及其它原因，美国专利No.4,123,137中揭示的复制工艺虽然在理论上可行，但却无法在实用中推广。
人们普遍认为，由于连续工艺的速度快、可靠性高并且成本低，所以与批量或分立工艺相比具有较大的优势。显而易见的是，现有技术的注射成形技术基本上属于分立的CD制造方法。因此采用连续CD复制方法将会对现有技术作出重大的改进。
Polaroid公司的W.Dennis Slafer等人所发表的“薄护层光学媒体的连续制造工艺”一文(刊登在SPIE Vol.1663《光学数据存储》(1992)第324页)中揭示一种连续制造CD的方法。在该方法中，薄膜基片的连续网用滚筒表面的微型凸起压纹，并且通过金属化达到一定的反射率，为了达到标准厚度，连续网层叠在厚的透明塑料板上。在整个复制过程中合成塑料网的处理和传送速度是恒定的直到它被分割为单片CD。Polaroid文章所介绍的复制方法采用的是众所周知的连续网处理、印制和层叠技术。但是，利用滚筒曲面上微型凸起对塑料薄膜压纹控制起来比较困难，特别是在网速较高的情况下。因此，作为复制CD的方法，这项现有技术有缺点显著，不实用。
值得注意的是，现有的CD唱片和CD ROM媒体标准可以用新标准代替，新标准提高了更大的新型存储容量。诸如数字视频光盘(DVD)之类的新标准富有竞争力，它们利用了更小的微观特征并且多层结构中的纹道凹坑更小。在这些新要求下，就微观空间分辨率和产量而言，现有的注射成形方法已经没有多少潜力。此外，新的CD技术使其它已知的现有技术变得更加不实用。因此明显需要一种替代的方法和系统，能够复制高分辨率的光学媒体和具有多层结构和其它新形状的新媒体类型。
发明内容
本发明提供了一种数字光学录制的新方法和系统。工艺过程分为两个独立的操作步骤：在伸长部件(例如圆柱体)表面进行光学录制的母盘制作，以及在基本平行圆柱体表面的柔性薄膜表面对母盘记录进行快速复制。
在一个实施例中，本发明的母盘单元包括诸如圆柱体或其它合适形状部件之类的伸长部件，具有规定的旋转轴。伸长部件可以由对辐射能量(例如激光束能量)透明的材料构成。伸长部件在外表面上包括光学厚层，使少量辐射能量通过。
激光束或其它类型的聚焦能量可以聚焦在伸长部件表面的选定区域，从而烧蚀或不烧蚀地熔化光学厚层的相应区域。熔化后，光学厚层的选定区域在光学上变薄或者完全去除，从而使较大的辐射能量通过。激光束可以控制成熔化光学厚层区域以形成光学薄层，对例如小型光盘(CD)的布局进行编码。为了对伸长部件编码，可以采用一种索引，它将小型光盘编码的笛卡尔坐标映射到包含位置编码信息的表格中。
在形成伸长部件作为母盘之后，可以在伸长部件内提供均匀的辐射以开始复制过程。均匀的辐射可以由沿伸长部件旋转轴放置的光源提供或者可以是其它形式的辐射，例如任何合适频带内的电磁辐射源。
为了完成复制过程，提供了包括光学扰动层的薄膜，其中光学扰动层可以根据辐射能量进行变动。例如，薄膜可以包括反射层和反射层上的光刻胶层。
伸长部件随后沿规定的旋转轴转动，而薄膜的光刻胶层直接与伸长部件的外表面接触。由于伸长部件由透明材料构成，所以薄膜的光刻胶层透过伸长部件外部表面上的光学薄层区域受到均匀辐射的曝光。因此，薄膜的光刻胶层经过曝光而在伸长部件外部对数据进行编码。
在光刻胶层如上所述曝光后，薄膜光刻胶层上受到均匀辐射曝光的区域被去除。随后，通过腐蚀那些与光刻胶层被去除区域对应的区域，去除薄膜的反射层，并去除整个光刻胶层，从而留下腐蚀过的薄膜反射层作为母盘副本。
通过使薄膜作均匀的平移运动和使伸长部件作均匀的旋转运动可以实现圆柱体表面母盘图案到薄膜的快速连续复制。光学扰动层的曝光剂量由运动速度和均匀辐射的强度确定。
附图的简要说明
图1A、1B、1C和1D为采用接触光刻法的现有技术复制方法剖面图。
图2A和2B示出了按照本发明如何根据CD的螺旋编码(图2B)将数据以光栅方式编码到母盘上的方法。
图3示出了按照本发明的母盘系统各组成单元。
图4示出了实现本发明的计算机系统。
图5为基本步骤的流程图，按照本发明，它们实现了从螺旋编码(图2B)到光栅化笛卡尔坐标编码(图2A)的转换。
图6为表格样本部分，它可以根据图5的基本步骤，按照本发明形成。
图7A和7B示出了可以按照本发明在母盘上编码的数据实例的剖面图和平面图。
图8示出了用于本发明复制阶段的薄膜剖面图。
图9示出了在本发明复制阶段采用的部件。
图10为流程图，示出了本发明复制阶段完成的基本步骤。
图11为按照本发明制造的CD成品的剖面图。
实施发明的较佳方式
本发明包括两个部分：母盘工艺和系统以及复制工艺和系统。以下作详细描述。
1.母盘制作
在制作母盘之前，记录在CD上的输入数据按照规定的格式(例如ECMA-119格式)预先制作原版，并存储在磁带、磁光驱动器或其它高速、大容量存储设备403中(将在图4中详述)。为了便于描述本发明，我们以小型光盘(CD)为例，但是作为本领域内的普通技术人员，是不难将这里所述的原理应用到其它媒体(包括DVD或其它等价的媒体技术)上的。
参见图2B和前面所述，CD201的比特序列通常记录为用角坐标定义的螺旋线202。数据编码一般开始于CD最内端部分，而向外延伸的螺线定义了串行数据流。
参见图2A，按照本发明，提供诸如空心圆柱体或其它合适形状的部件之类的伸长部件211用于母盘制作。虽然可以用不同形状的部件211，但是以下将伸长部件211称为“圆柱体211”。
如下所述，伸长部件211的外部表面可以用与CD上的数据对应的数据编码。但是与采用螺线方式在伸长部件211外部213编码数据不同(如现有技术所述)，本发明引入一种新技术，为了使外部表面213的编码以光栅方式进行，将数据从角坐标格式化为笛卡尔坐标。以下借助图3描述圆柱体211外部表面213的光栅编码。
参见图2A和3，空心圆柱体211具有限定的转轴320，在合适装置305(例如Newport公司制造的运动控制器)的控制下以一定速度围绕转轴转动。伸长部件211的转动由零件号为PM500-360R的超精度旋转台架305提供。激光头302的平移由零件号为PM500-6L的超精度线性台架3108提供。
在实施例中，空心圆柱体211可以由UV透明材料(例如单晶蓝宝石)构成。圆柱体211的尺寸(宽度和直径)提供了足够的表面以容纳一幅或多幅120毫米CD的图像。对于其它类型的媒体，圆柱体211的尺寸可以根据需要改动。圆柱体211的外部表面213可以涂覆一层低熔点合金250(参见图7A、7B和8以及讨论)或其它材料的薄层(30-50钠米)。
圆柱体211的外部表面区域213被分割为两个区域：圆柱体表面213的平坦CD上数据区所含图像对应的数据区221和辅助区域222。辅助区域222包含定位标记，它是平行于圆柱体轴320的200钠米宽纹，或其他等效标记。宽纹截面可以是三角形、半圆形或其它任何形状，这些形状使得聚焦在该纹上的UV激光束的反射率比着落点的反射率低60％。
参见图3，CW激光(例如氩离子激光器的257钠米线或者氦-镉金属蒸汽激光器的325钠米线)可以聚焦在圆柱体211的外部表面。激光器302激光辐射的聚焦借助众所周知的反馈控制细聚焦系统317实现。
细聚焦系统317包括带辅助红外半导体激光器的单光束或双光束系统。圆柱体表面213上激光束的定位可以通过两种类型的运动控制到25钠米的精度：激光器302的聚焦系统沿超精度台架308的线性运动以及圆柱体211借助超精度旋转台架305的围绕转轴320的转动。
如上所述，为制作母盘而在圆柱体211上编码的数据在数据光栅化录制到圆柱体211之前必须从角坐标格式化为笛卡尔坐标。参见图2A和2B，虽然数据在CD上以螺线方式202编码，但是本发明比较好的是以光栅化格式212在圆柱体211母盘上进行对数据编码。为了实现光栅化，聚焦系统317运行超精度线性台架308的长度，圆柱体211在超精度旋转台架305控制下围绕转轴转动，并且不断重复该循环。因此，数据按照本发明实施例以图2A标号212所示的光栅化方式编码。
为了使激光器302和聚焦系统317在圆柱体211上正确地对数据编码，CD上螺线编码的数据必须首先格式化为笛卡尔坐标。因此，当激光器302沿其路径307运动时，并且当圆柱体211在每个激光器302运动间隔期间连续转动时，正确地对数据进行编码。
图4示出了为将角坐标转换为笛卡尔坐标采用的计算机系统400的框图，由此使得图3所示的母盘制作单元405可以正确地制作母盘。在一实施例中，图4的计算机系统包含CPU401、随机存储器402、输入存储设备403和输出存储设备404。存储设备403和404是如上所述的磁带、磁光驱动器或者其它任何高速、大容量存储设备。例如，图4的计算机系统可以包含标准的PC配置，带有足够的内存并且足够快的处理速度。
图5为利用图4的计算机将CD上数据的角位置转换为笛卡尔坐标的各种步骤的流程图。在坐标转换期间，记录在角坐标(步骤501)(记录头沿螺线轨迹运动)中的格式化序列的数据比特位置被改变为步骤502中的笛卡尔坐标(记录头沿光栅轨迹运动)。为了将角坐标准确地映射为笛卡尔坐标，定位系统的分辨率必须足够高，以再现母盘鼓211表面上原先的螺线图案。对于CD，这意味着激光束定位精度必须至少为50钠米。对于其它类型的媒体，可以采用其它合适的精度。
根据母盘编码和数据变换的速度，转换的比特序列直接从CPU401(实时处理)沿线路411或者从输出存储设备沿线路412耦合到母盘制作单元405。为了将存储在输入存储设备403上的输入角坐标变换为存储在输出存储设备404上的输出笛卡尔坐标而由CPU401完成的步骤有标准排序问题。
排序问题的解决方案是将连续的比特串映射到矩形模板上，从而沿严格限定的螺线路径依次排列各比特，每个比特用斑点区域表示。螺线相邻匝之间的距离等于1.6微米；表示连续比特的相邻斑点区域之间的距离为1微米。假定每个比特位置的散射不能超过相邻比特的10％，则每个斑点区域必须位于边长ε为0.1微米的正方形内。于是，代表矩形模板的方形栅格必须具有0.1μm×0.1μm的单元。CD区域内这些单元的总数为1.13×1012，大约是CD上编码串比特总数的100倍。
为了标明上述栅格的方形单元，可以采用两个整数编号(x，y)。第一个整数x表示从左到右的列号，第二个整数y表示从下到上的行号。总的行数或列数L等于1.2×106。目标是将比特串映射到方形栅格(x，y)内，从而使所有的比特位置依次沿螺线路径排列。
例如，坐标可变换如下：
              x(n)＝ε-1{R+r(n)cos(n)}
              y(n)＝ε-1{R+r(n)sin(n)}
                         方程1式中：
R＝最外圈纹道半径，R≈60毫米；
Ro＝最内圈纹道半径，Ro≈20毫米；
n＝从0到N-1的比特串中比特的序号；
N＝比特串中比特总数，N≈1010；
r(n)＝对应第n比特的斑点区域与光盘中心之间的距离；
D＝沿螺线路径的相邻斑点区域之间的固定距离，D≈1微米；
δ＝相邻圈之间的距离(纹道间距)，δ≈1.6微米；
x和y＝以光盘中心为原点的直角坐标；
ε＝基本单元的大小，ε＝0.1微米。
由方程1获得的{x(n)，y(n)}组按照n升序排列。为了产生用于母盘制作的比特串，该序列必须按照x和y的升序重新排列。即，(x，y)随n的变化必须转换成n随(x，y)的变化，记住(x，y)是方程1定义的某些整数。考虑到序列很长，在步骤503中可以再划分适合置入快速RAM中替换的初始子序列细分。具体而言，必须获取每个固定x的子序列集(列)：
n{0，y}；n{1，y}；n{2，y}；n{3，y}；…n{x，y}；…n{L-1，y}
                   方程2式中：
L＝1.2×106，是列(或行)的总数。
在步骤504中，如下式所示，方程2的每列(子序列)按照行号y的升序排列：
         n{x，y}＝n{x，y1}，n{x，y2}，n{x，y3}…
                          方程3式中
0＜y1＜y2＜y3＜y4…＜L-1
显然，方程3的每个子集n(x，y)的行号y只是0与L-1之间整数的一小部分；每个相应的数值描述了比特串中相应比特n的斑点区域位置。
图6示出了如上所述由图5的步骤形成的表格实例。虽然图6表中的比特只代表CD上各种比特的样例，但是却取自实际的CD。在第一栏601中的相对数字1-10(极坐标n(φ，r))的指定只是方便需要。
图6表格的第二列602和第三列603分别表示角坐标φ(n)和r(n)。下面的两列604和605分别包括计算的笛卡尔坐标x(n)和y(n)。根据笛卡尔坐标值，将新的整数n(x，y)606分配给数据比特。为生成制作母盘所用表格的最终步骤504中对表格的行进行排序，从而使比特606按照n(x，y)的升序排列。
一旦生成图6的表格，从而将数据的角位置转换为笛卡尔坐标，就可以通过调制器303控制激光束302以在圆柱体211外部对数据编码。当激光302沿着图2A中标号212表示的光栅路径行进时，图6的表格被用来确定螺线202内相应的数据位置。因此，在沿着激光302路径上的每个点处，这里圆柱体211已经转过已知的角度，激光可以被调制从而在圆柱体211外部表面上进行合适的数据编码。以下进一步描述激光302的调制。
为了在圆柱体211上进行数据编码，可由声光调制器300控制激光302，从而将能量聚焦在圆柱体211的外部表面以熔化金属合金250。激光辐射通过单模光纤精确地耦合到安装在线性台阶308上的精密聚焦启动器。在实施例中，激光头302的聚焦激光辐射强度控制在圆柱体211金属涂层250局部熔解阈值以上、金属涂层250局部烧蚀阈值以下。圆柱体213表面金属涂层250在激光302的辐射下熔化。熔化后，液态金属250积累在固相材料边缘，从而在上述均匀的涂层250内形成孔251(参见图7A、7B和8)。
在实施例中，选择激光头302的辐射强度使得在圆柱体211的金属涂层250内没有烧蚀。在这种情况下，圆柱体211表面由激光302产生的热量可以控制在圆柱体211表面金属涂层250熔点之上，但是圆柱体211透明材料熔点之下。在另一实施例中，选择激光头302的辐射强度使得金属涂层250内发生烧蚀。与此同时，薄膜901曝光期间的UV910的强度小于制作母盘时聚焦激光束强度几个数量级，因此在复制期间不会熔化(以下将详述)。
在CPU401的控制下，激光头302发射的UV激光强度由光电调制器300、磁光调制器300调制。存储在存储设备404内用笛卡尔坐标格式表示的CD母盘数据被用来调制激光束。如果激光头302的聚焦激光脉冲能量大于圆柱体211表面合金涂层250的烧蚀阈值，则在该位置形成圆形开孔251。这种开孔251与未制作负片的金属涂层250相比光学上减薄，可以使圆柱体211发射的UV辐射之类的辐射能量通过。圆柱体211内的UV能量用于本发明的复制过程，将在下面描述。通过在调制的聚焦激光束沿光栅路径212移动时有选择地重复熔化步骤，在圆柱体211表面形成代表记录信息二进制比特的多个数据区域。图7A和7B分别表示部分圆柱体211表面213上已编码数据区域的剖面图和平面图。
如上所述，虽然有下列两点与普通明显工艺不同，但是圆柱体211上编码的数据图案与普通母盘制作工艺形成的玻璃母盘表面类似：(1)本发明的母盘制作工艺用于三维圆柱体表面213，而普通的母盘制作在二维平面内进行；(2)在本发明中，激光头302的激光束完成光栅运动(例如图2A)，而在普通的母盘工艺中，激光束以螺线方式编码CD(例如图2B)。
本发明的母盘圆柱体211可以重复使用多次。具体而言，通过在合金熔点上均匀加热可以去除圆柱体211表面213上的熔化记录250、251。当熔化时，合金250均匀扩展到整个表面并填充在因局部熔化或激光烧蚀形成的开孔内。固化后，可以重复进行上述的母盘制作过程。虽然圆柱体211可以重复使用，但是母盘圆柱体211使用次数过多会因烧蚀而损失合金材料。但是损失的材料很容易通过在圆柱体表面213蒸发合金250得到补充。在用于母盘制作的同一装置内可以加热和软熔圆柱体。
2.复制
一旦圆柱体211用数据编码，就可以进行编码数据复制。利用本发明的复制技术，圆柱体表面213上的母盘图案利用接触光刻技术可以非常快地复制到柔性基片901上。通过提供连续网状薄膜材料901的媒体基片，如下所述，可以获得极高的复制速度。
以下借助图8、9和10描述复制工艺。图8和9描述了本发明复制部分的结构单元，而图10描述了复制过程中完成的各个步骤。以下的讨论全参照图10的步骤描述。
步骤1001。参见图9，提供了诸如三层薄膜之类的柔性薄膜901。图8提供了图9的薄膜901的剖面图。参见图8，薄膜901可以包含例如与0.05微米反射涂层802(例如铝)结合的0.1-1.0微米正光刻胶层801，而涂层802与15-200微米的柔性聚合物薄膜803(例如DuPont Mylar型薄膜)结合。当然，这些厚度仅仅包含柔性薄膜901的一个实施例，其它合适的厚度和等效材料也一样。
薄膜结构901的单元801、802和803有以下的用途：光刻胶层801可以选择通过圆柱体211的透明区域曝光；铝层802为反射媒体，在后面的复制过程中被编码；聚合物薄膜803是柔性的但是稳定的基片，提供了在复制过程重复步骤中媒体层的连续传送手段。光刻胶层801和铝层802形成光学扰动层，如下所述，随后根据辐射能量而修改。
步骤1002。线性UV光源910(例如长电弧高压气体灯)与圆柱体211转轴320共轴，使得辐射能量均匀发射。为了使光刻胶801曝光，如图9所示，三层合成薄膜901与圆柱体211外部表面213紧密接触。图8示出了与合成薄膜901接触的圆柱体表面213的放大剖面图。在曝光期间，圆柱体211内部线性光源910的UV辐射穿过圆柱体211的透明结构、圆柱体211外部表面213金属涂层内的开孔251，并到达位于圆柱体表面213中开孔251上的光刻胶层801区域。圆柱体表面开孔251如上所述，在母盘制作过程中形成。
在滚筒971和972的系统输送网状薄膜901时，圆柱体211转动，任何给定时刻下母盘圆柱体211外表面的线速度等于滚筒971和972输送网状薄膜901的线速度。当网状薄膜901在滚筒971处与圆柱体表面213接触时开始曝光，在网状薄膜901在滚筒972处脱离圆柱体211时结束。可以提供不透光隔板来保护网状薄膜901在接触圆柱体211之前和脱离之后不受到曝光。曝光剂量由线性光源910的强度和网状薄膜901的线速度决定。
线性光源910的强度和网状薄膜901的线速度比较好的是线性相关，并且由下面方程式4表示：
                  Dv＝1
方程4式中
D＝以J/cm3为单位的所需光刻胶801剂量；
v＝以cm/sec为单位的线速度；
I＝以J/(sec.cm2)为单位的线光源辐射能量强度。
本发明所采用的光学和机械结构提供了如下的重要优点：
◎在薄膜901运动时曝光。
◎圆柱体213与薄膜901之间的间隔由于图9所示的结构很容易做得最小，从而尽可能地提高编码分辨率。
◎为了实现曝光均匀而在现有技术掩膜校准中采用的复杂光学系统被便宜而有效的线光源910代替。
在光刻胶801如上所述曝光之后，以下步骤可以显影光刻胶801、腐蚀反射层802并且去除光刻胶801。这些步骤对应处理光刻胶材料的标准程序：
1.步骤1003。曝光之后，薄膜901经过显影并且在洗去曝光光刻胶801的地方形成凹坑。由此在大小和位置对应圆柱体表面213金属涂层250内开孔251的光刻胶801内形成光刻胶掩膜。
2.步骤1004。薄膜901在去离子水中漂洗和干燥。
3.步骤1005。在100℃下烘干光刻胶。
4.步骤1006。利用碱性腐蚀液(例如氢氧化钠溶液)通过光刻胶801的凹坑腐蚀铝反射层802。也可以采用干法等离子体刻蚀。
5.步骤1007。薄膜901在去离子水中漂洗和干燥。
6.步骤1008。用无机溶剂冲洗光刻胶801。
7.步骤1009。  薄膜在去离子水中漂洗和干燥。
通过接触曝光和上述7个步骤1003-1009，圆柱体211表面213上的编码图案通过曝光和显影被转印到光刻胶层801上，并且随后从光刻胶801通过腐蚀转印到网状薄膜901的金属层802上。因此，在网状薄膜901所含铝层802内反射率降低的多个开孔代表光盘重放装置(例如标准的CD播放机)可以读取的数字记录信息。
.步骤1010。参见图11，为了使薄膜901与标准的重放装置兼容，通过增加光学级的透明非双折射媒体层1101，媒体901的厚度可以增加至1.0-1.2毫米，并且可以按照标准的CD大小在网状薄膜901内识别CD图案。1.2毫米厚的聚苯乙烯膜1102可以层叠在柔性基片上，其折射率与粘合剂1103的匹配，并且随后在微波场内凝固。在该步骤后，夹层结构1101、901和1102(例如1.2毫米聚苯乙烯膜在2微米铝薄膜上，而铝薄膜在50微米Mylar基片上)将不是柔性的，最好接着处理成刚性片。
步骤1011、1012。复制中的最后一个程序是用精密的水刀将各光盘从膜网上分出。在光刻期间形成的定位标记使中央开孔和周边切割准确。标号可以在脱离网状薄膜901前后印制在成品CD上。利用在脱离网状薄膜901之前印制CD上的标号，可以达到自动化(如用胶印等)。但是，利用现有的工艺技术(如丝网印刷等)也可以在光盘脱离网状薄膜901后印制标号。
本发明的母盘制作和复制工艺与现有技术相比，具有许多重大的优点，包括：
◎大大简化了母盘制作过程。如果需要，可以在紧凑的空间内进行而无需昂贵的净化室。母盘制作的时间与现有技术4-5小时相比，减少到1-1.5小时(包括光刻胶涂层和检查)。
◎无需形成阳模、阴模，压模制作装置也省却。
◎可以利用相对较小的同一装置进行母盘制作和复制过程。
◎本发明的圆柱体211使得媒体薄膜901在连续运动时曝光。在媒体薄膜901连续输送时可以进行复制过程所有相应的步骤。
◎复制过程的连续性以较低的成本提供了产量。根据圆柱体211的大小，本发明的工艺可以做到以0.1-0.3秒/片的速度生产成本大约为5美分/片的CD。
◎复制期间的接触光刻在圆柱体表面213上进行。这克服了接触光刻在刚性平面上进行的困难而提高了分辨率。
◎利用本发明实现的分辨率为250钠米以下。这超过了新采用的高密度记录标准的要求。
◎媒体薄膜901的微观形状只用光学和化学手段完成。完全不用机械方法改变表面形态，因此消除了机械应力引起的非均匀性和双折射。
●工艺在180度(华氏)以下进行，因此消除了温度梯度和显影的双折射。
◎双折射的抑制使得可以采用比聚碳酸酯塑料更便宜的材料作为圆柱体211的透明基片。
◎分辨率提高和双折射使得误码率降低并且可以使用高速重放装置。
◎本发明的复制方法适用于新光学媒体技术所用多层结构的制造。
虽然上面借助附图对本发明实施例进行了描述，但是很容易在不偏离本发明范围和精神的情况下作出各种修改。

Claims (23)

1.一种对光学媒体的数据区域进行编码的系统，其特征在于包括：
(a)具有规定转轴的伸长部件，其中伸长部件在外部表面包括多个区域，每个区域或者是光学薄层或者是光学厚层；
(b)在伸长部件内提供均匀辐射的装置；
(c)包括光学扰动层的薄膜，其中光学扰动层可以根据辐射能量变动；
(d)在薄膜与伸长部件外部表面接触的同时使伸长部件围绕规定转轴转动的装置，其中薄膜透过伸长部件外部表面的各光学薄层区域受到均匀辐射的曝光；
(e)在受到均匀辐射曝光的区域变动薄膜的光学扰动层的装置。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于伸长部件外部表面的多个区域对应光盘的编码排列。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于伸长部件由对辐射能量透明的材料组成。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于伸长部件包括圆柱体。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于伸长部件是空心的。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于均匀辐射装置发射紫外线。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于均匀辐射装置包括沿着伸长部件规定转轴放置的线光源。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于薄膜光学扰动层由反射辐射能量的材料组成。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于变动装置变动光学扰动层从而使得光学扰动层在受到均匀辐射的曝光区域不反射辐射能量。
10.一种对光学媒体的数据区域进行编码的系统，其特征在于包括：
(a)具有规定转轴的伸长部件，其中伸长部件在外部表面包括多个区域，每个区域或者是光学薄层或者是光学厚层；
(b)在伸长部件内提供均匀辐射的装置；
(c)包括反射层和光刻胶层的薄膜；
(d)在薄膜与伸长部件外部表面接触的同时使伸长部件围绕规定转轴转动的装置，其中薄膜的光刻胶层透过伸长部件外部表面的各光学薄层区域受到均匀辐射的曝光；
(e)去除受到均匀辐射曝光的各区域中薄膜所含光刻胶层的装置；
(f)去除已由所述光刻胶层去除装置去除光刻胶层的区域附近的各区域中薄膜所含反射光刻胶层的装置。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于进一步包括从薄膜去除光刻胶层的装置。
12.一种对光学媒体的数据区域进行编码的系统，其特征在于包括：
(a)具有规定转轴的伸长部件，其中伸长部件在外部表面具有光学厚层区域或者是光学薄层或者是光学厚层；
(b)在伸长部件表面聚焦能量的装置；
(c)控制能量聚焦装置从而使能量聚焦在所选光学厚层区域上的装置，聚焦能量熔化所选区域的光学厚层，从而在伸长部件外部表面形成光学薄层区域；
(d)在伸长部件内提供均匀辐射的装置；
(e)包括光学扰动层的薄膜，其中光学扰动层可以根据辐射能量变动；
(f)在薄膜与伸长部件外部表面接触的同时使伸长部件围绕规定转轴转动的装置，其中薄膜透过伸长部件外部表面的各光学薄层区域受到均匀辐射的曝光；
(g)在受到均匀辐射曝光的区域变动薄膜的光学扰动层的装置。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于聚焦能量包括激光束。
14.如权利要求12所述的系统，其特征在于控制装置控制能量聚焦装置使得聚焦能量消蚀熔化所选区域的光学厚层。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于光学厚层的熔点低于伸长部件的熔点。
16.如权利要求12所述的系统，其特征在于控制装置控制能量聚焦装置使得聚焦能量烧蚀地熔化所述区域的光学厚层。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于光学厚层的能量吸收带与伸长部件的不同。
18.如权利要求12所述的系统，其特征在于控制装置包括：
(i)顺序存储光盘上拾取的多个数据比特的装置，其中每个数据比特都具有光盘上唯一的角度位置；
(ii)存储每个数据比特的相关笛卡尔坐标位置等效值的装置；
(iii)控制能量聚焦装置从而使能量聚焦在具有选定数字值的每个数据比特的笛卡尔坐标位置处光学厚层的装置，从而在伸长部件外部表面形成光学薄层区域。
19.如权利要求12所述的系统，其特征在于薄膜包含反射层和外部光刻胶层，并且变动装置包括：
(i)去除受到均匀辐射曝光的各区域中薄膜所含光刻胶层的装置；
(ii)去除已由所述光刻胶层去除装置去除光刻胶层的区域附近的各区域中所含反射层的装置。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于变动装置进一步包括：
(iii)从薄膜去除光刻胶层的装置。
21.一种对光学媒体的数据区域进行的方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)在伸长部件外部表面形成多个区域，每个区域或者是光学薄层或者是光学厚层，其中伸长部件具有规定的转轴；
(b)在伸长部件内提供均匀的辐射；
(c)在薄膜上涂覆光学扰动层；
(d)在薄膜与伸长部件外部表面接触的同时使伸长部件围绕规定转轴转动，从而使薄膜透过伸长部件外部表面的各光学薄层区域受到均匀辐射的曝光；
(e)在受到均匀辐射曝光的区域变动薄膜的光学扰动层。
22.一种对光学媒体的数据区域进行编码的方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)在伸长部件外部表面形成多个区域，每个区域或者是光学薄层或者是光学厚层，其中伸长部件具有规定的转轴；
(b)在伸长部件内提供均匀的辐射；
(c)在薄膜上涂覆光学扰动层；
(d)在薄膜与伸长部件外部表面接触的同时使伸长部件围绕规定转轴转动，从而使薄膜透过伸长部件外部表面的各光学薄层区域受到均匀辐射的曝光；
(e)去除受到均匀辐射曝光的各区域中薄膜所含光刻胶；
(f)去已由所述光刻胶层去除装置去除光刻胶层的区域附近的各区域中薄膜所含反射层。
23.一种对光学媒体的数据区域进行编码的方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)在伸长部件外部表面涂覆光学厚层，其中伸长部件具有规定的转轴；
(b)使能量聚焦在所选光学厚层区域，聚焦能量熔化所选区域的光学厚层，从而在伸长部件外部表面形成光学薄层区域；
(c)在伸长部件内提供均匀辐射；
(d)在薄膜上涂覆光学扰动层；
(e)在薄膜与伸长部件外部表面接触的同时使伸长部件围绕规定转轴转动，其中薄膜透过伸长部件外部表面的各光学薄层区域受到均匀辐射的曝光；
(f)在受到均匀辐射曝光的区域变动薄膜的光学扰动层。
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