CN1541368A - 记录存储器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种把信息写入光学存储装置的方法。所述方法包括通过用所施加的能源照射活性材料，把标记写在光学存储装置的活性材料上。在一个实施例中，所施加的能源提供多个能量脉冲。在另一个实施例中，超过形成标记所需的能量的过剩能量以把标记增大、假标记形成、再结晶和反向结晶减到最小的方式释放或耗散。所述方法通过增大容性冷却的贡献来提供较好的冷却特性。

Description

记录存储器的方法
相关申请的引用
本申请是David Tsu提交的、序号为No.60/258078，2000年12月22日归挡、题为“记录存储器方法”的美国临时申请(其公开内容通过引用结合在本文中)的完成。
发明领域
本发明涉及记录光学存储装置和相变光学存储装置的多级记录。
发明背景
相变光学记录介质采用可以在非晶态和晶态之间发生可逆结构变化的材料。这些状态之间的变化受“活性材料”对不同级别的聚焦激光能量的曝光控制。一般在商业上可以购到的具有这种能力的活性材料包括诸如GexSbyTez等合金和改性的SbTe共晶体。这种光学装置一般设计成在活性材料处于非晶相时，装置所测得的反射率比它处于晶相时低，例如，非晶的标记写在结晶的光道上。这种技术传统2的用法是通过同时改变标记(非晶相区)的频率和长度以及改变把标记隔开的间隔(结晶区)的频率和长度来记录数据。每当发生转变时，例如，光道的非晶区转变为结晶区(或相反)时，便可以定义转一个逻辑“1”。若在一个定时周期内不发生变化，则可以定义一个逻辑“0”。采用这一方案，重要的是，标记不论长短，其宽度必须保持恒定。若试图在写长标记时让介质曝光于恒定功率级别的激光，则写入过程中积聚的热能不是引起标记的宽度不断增大，就是使标记再结晶。因此，标记的建立可能涉及对激光功率级别的调制，亦即引入“冷却”次数调制。采取一种类似CD-RW的写入策略时，激光功率调制在两个电平之间：0.5和1.0mW之间的低(L)和8和12mW之间的高(H)。对于工作在标称转速“2X”(＝2.4m/s)下的光盘，波长为780nm和数字孔径(NA)为0.55，定时周期(T)为115.5ns。最小的标记在时间跨度3T中写入，而最长的标记在时间跨度14T中写入。一个NT标记利用以下的调制方法写入：1TH+(N-1)(0.5TL+0.5TH)。在这种情况下，所用的最窄激光脉冲宽度为0.5T，亦即58ns。这种传统的记录策略刚好涉及两个反射率级别(结晶为高，而非晶为低)，于是称作两级记录。
试图增大数据存储密度，使之超过上述传统的两级方法，预想一种多级记录策略。采用这种方法时，用这样的方法建立“固定”长度和宽度的标记，使得测量的反射率具有多个级别，亦即在由“纯”非晶相定义的可能的最低反射率和由“纯”晶相定义的可能的最高反射率之间的任何地方。例如，见1992年9月15日授予Kudo等人的美国专利No.5148335，通过引用将其结合到本文中。这里公开的是，利用大小恒定和密度变化的标记的多级光学记录策略，标记放在空隙之间。
尽管Kudo的写入策略在理论上是可行的，但是其公开中描述的写入策略被认为是不实际的，因为在写入其中所示的标记类型时出现许多问题。例如由于大量的标记再结晶，标记的下降沿往往分辨率有限。这在平面XY方向以及截面XZ方向都很明显。而这个边沿的有限分辨率本身又限制了所记录的信号的抖动。由于这种“软”边沿，结果作为回读策略的标记边沿检测碰到了困难。这种依赖关系在现实世界中造成了额外的问题，即即使是原始光道(亦即不含标记)的反射率往往由于通常与光盘弯曲相关的聚焦和寻道问题引起的可变性而围绕光盘(亦即在其旋转时)往往发生周期性变化。
有报告指出一种为克服诸如Kudo等的写入策略的某些缺陷而设计的写入策略，它是利用大量的能量或高热负荷来压制要写入标记处的局部热环境，来形成标记。用高的热预算来压制局部热环境会使标记的一部分和以前写入的标记的一部分再结晶。尽管据报道这种写入策略可提供密度较高的数据储存，但通过压制局部热环境标记的尺寸可能过分扩大，造成不同光道之间的明显串音。
发明概述
本发明通过提供一种利用这样的标记，即每个标记都是通过向所述介质施加多个能量脉冲来形成的，把信息记录在状态可变的光学记录介质上的方法，克服上述和其它缺陷。所述脉冲具有有效的宽度和幅度，允许在标记形成过程中有至少50％(最好是至少55％)的容性冷却。
在本发明的另一方面，每个标记都可以通过向所述介质施加脉冲宽度短的多个能量脉冲来形成。采用短脉冲时，适当的脉冲宽度可以由装置的热时间常数和/或相变材料的再结晶速率决定。每个脉冲宽度最好小于14毫微秒。
通过使容性冷却最大化或通过利用脉冲宽度短的多个脉冲，有3件事成为可能：(1)标记形状可以独立控制；(2)不论在平面上还是在厚度方向上晶粒形成都能达到高度重合；(3)以前写入的标记所受的影响减到最小甚至为零。
标记形状可以用几种方完成。标记的精密成形可以通过调整每个脉冲的幅度(功率)和调整每个脉冲的长度(宽度)，每个标记利用两个(或多个)脉冲完成。标记成形还可以通过调整脉冲之间的周期来达到。脉冲调整的决定可以基于(i)数据单元的物理长度；(ii)光盘运行时的线性光道速度；(iii)每个标记要求的实际脉冲个数；和(iv)标记的最小宽度。
按照本发明的另一方面，提供一种多级记录策略。在多级记录策略中，标记提供两个以上的记录级别。在多级记录策略中，每个标记可以利用多个能量脉冲形成。在一个实施例中，脉冲特性选择得允许至少50％的容性冷却。在另一个实施例中，选择脉冲、使其具有较短的脉冲宽度(亦即，最好小于约14毫微秒)。在其一个优选方面，多级记录装置具有多个预先决定的尺寸均匀的数据单元，其中每个形成的标记都完全在相应的数据单元内提供。标记可以用避免改变或明显改变其它数据单元的标记的方法写入。在其另一个优选的方面，标记记录级别可通过标记的宽度分辨，而同时保持标记的长度基本上恒定。
按照本发明的另一个方面，提供一种低热预算记录策略，设计来把标记的增大、假标记的形成、标记的再结晶和反向结晶减到最小。低热预算策略提供一种把形成标记所需的过剩能量减到最小，用标记完整性不受影响的方法耗散这些过剩的能量。
因而通过利用按照本发明的记录策略使容性冷却的效果和/或低热预算策略的好处来改善标记的形成，以便减少串音并把抖动减到最少。
为了更完整地理解本发明，参考以下的详细描述和附图。
附图的简要说明
图1是带有记录光道的光相盘的平面视图和具有多个按照本发明的方法形成的标记的分解视图；而
图2是描绘利用按照本发明的方法加热和冷却存储介质的示意图。
对推荐实施例的详细描述
按照一个推荐的实施例，本发明提供一种通过形成一系列可分辨的标记，每个标记均用能有效提供至少50％容性冷却的多个能量脉冲形成，把信息记录在状态可变的光学记录介质上的方法。按照另一个推荐的实施例，本发明提供一种以设计得使标记增大、假标记的形成、再结晶和反向结晶减到最小的低热预算策略，把信息记录介质在状态可变的光学记录介质上的方法。
状态可变的光学记录介质可以是具有能够响应诸如投射的光束能量、电能或热能等能量的输入而从第一状态改变为第二状态的存储材料的任何一种装置。
状态可变的光学记录介质最好是非烧蚀性的相变光盘。相变光盘可以是制成具有若干层，包括例如保护层、反射层、上绝缘层、活性层或相变层、下绝缘层和光盘基片的类型的光盘。相变光盘也可以用其它方法配置或分层，其中各层起控制反射率、加热和冷却以及热分布的作用。
光学记录装置具有状态可变的数据存储介质或活性材料。状态可变的数据存储介质是任何一种能够按照能量的输入而改变状态的可逆变材料，诸如硫族化物材料或相变合金。状态可变数据贮存介质可以以任何一种适当的形式提供，包括相变材料的离散的单层、光学调制的多层或宜于存储数据的任何其它形式。数据贮存介质最好是相变薄膜。相变材料最好包括选自包括Te，Ge，Sb，Se，In和Ag一组的一种元素或几种元素的组合。推荐的相变材料包括Te和Sb为主要组份的硫族化物GexSbyTez，AgwInxSbyTez等。对于可以应用于本发明的相变材料的其它示例，参见美国专利No.5912104；4653024；4820394；4737934；4710899；5912104；5128099和5936672。其公开通过引用结合在本文中。
相变材料(宜用作光盘数据存储材料的)的一般具有结晶态和非晶态。数据贮存材料一般在制造过程中淀积成非晶态，并初始化为结晶态，准备记录。然后通过形成一系列非晶态标记把数据记录或存储在相变介质上。
于是，数据是通过在介质上形成一系列标记而记录在相变记录介质上的。一般说来，标记可以是在相变记录介质上形成的任何可分辨的标记。标记最好是非烧蚀性的，并为记录信息或数据提供手段，这些信息和数据可以通过检测反射率的变化从相变光学记录介质读出。在相变介质中，标记可以形成为相变材料的至少部分地非晶态区域，标记基本上完全是非晶态的。
标记可以利用任何适当的能源形成，包括激光、电感加热元件、电阻加热元件等。标记最好利用诸如激光等光能源形成。按照本发明的一个方面，每个标记都可以通过向光学记录介质施加至少两个能量脉冲形成。每个标记的形状可以通过调整脉冲参数加以控制。例如，每个脉冲的幅度(功率)和/或每个脉冲的持续时间(宽度)和/或脉冲之间的周期是可以加以调整以改变标记形状的全部参数。适当调整这些脉冲参数，便可以形成宽度均匀或宽度呈锥形的标记。所选择的适当脉冲参数可以至少部分地取决于(i)要写入的标记的物理长度；(ii)光盘运行时的光道线速度；(iii)每个标记要求的实际脉冲个数；和(iv)标记的最小宽度。
尽管不希望受理论的约束，但是人们相信，光学记录介质的冷却行为具有几个不同的分量。一个分量是与热能传导(亦即阻性)流有关的相对较为缓慢的冷却分量。这个阻性分量在这里称作“传导冷却”。另一个分量是与热能的容性(亦即抗性)贮存有关的相对较快的分量。这个抗性分量在这里称作“容性冷却”。光学介质的冷却行为(亦即传导冷却和容性冷却的相对数量)取决于几个因素。例如，冷却行为取决于介质的内在特性-亦即光学记录介质本身的特性和结构。材料特性包括导热率以及光学记录介质的比热。冷却行为还取决于外部因素，亦即如何将光学能量加到介质上。例如，冷却行为取决于施加于介质的能量的参数。因而，光学记录介质的容性冷却对于传导冷却的相对数量(因而所述介质总的冷却速率)可以通过调整为形成标记而采用的所施加的能源的参数加以控制。在一个推荐的实施例中，所施加的能源在形成标记时采取施加在所述介质上的能量脉冲的形式。
正如上一个实施例所指出的，每个标记都是通过施加多个脉冲形成的。在本发明的一个实施例中，选择脉冲的参数使得活性材料的容性冷却增大。更具体地说，可以选择能量脉冲的参数使得容性冷却占活性材料总冷却的至少50％，就是说，至少有50％是容性冷却。最好容性冷却与其它冷却相比占优势。能量脉冲和光学存储装置的参数可以配对，最好使容性冷却占至少55％，容性冷却占至少60％较好，容性冷却占至少70％最好。因而，通过采用设计成加强容性冷却、使之超过传导冷却的能量脉冲方案并且通过增大容性冷却的相对比例来产生标记，从而可以达到活性材料总的冷却速率。
如上所述，在光学介质总的冷却速率中，容性冷却是比较快速的冷却分量，而传导冷却是比较缓慢的冷却分量。适当选择写入光学介质时用的能量脉冲参数，便可以增大介质总的冷却速率。图2表示受10毫微秒激光脉短冲照射的存储光盘活性材料层中部的温度曲线。曲线A表示从时刻0至时刻10毫微秒光学记录介质的加热。如曲线B所示，在10毫微秒时刻，所述介质开始冷却。图2表示初始冷却非常快，随后是比较缓慢的时间较长的冷却。尽管光盘系统复杂，但是总的冷却行为可以用刚好两个指数衰减函数的线性组合来描述。亦即
Tf＝FfastC+Fslow(1-C)
式中
Ffast＝Taje-t-t0)/a+Taf(1-e-(t-t0)/a)和
Fslow＝Tbje-(t-t0)/b+Tbf(1-e-(t-t0)/b)
式中，C是快速的容性冷却的比例，t0是冷却期开始的时间(亦即＝10ns)。分量a和b分别为快速和缓慢的冷却时间常数，Tai和Taf涉及快速分量的指数衰减中的初始和最终温度，类似地，Tbi和Tbf表示慢速分量。
初始冷却具有小于1毫微秒的快速冷却时间常数“a”，主要由容性冷却控制分量(这取决于包括硫族化物和绝缘层的相对热容等因素)。反之，缓慢冷却分量具有大于约6毫微秒的冷却时间常数“b”，由传导冷却控制分量(这取决于硫族化物和绝缘层的导热率)。总的冷却中较快的容性冷却由算出的曲线C表示。比较缓慢的传导冷却分量由算出的曲线D表示。因而，通过仔细调整把信息写入光学介质时用的能量脉冲或所施加的能源的参数，即可控制介质的冷却速率。
如上所述，通过加强容性冷却，即可改善对标记形状的控制。还可以在把对以前写入的标记的影响减到最小的情况下写入标记。另外，不论在光学介质的平面方向还是在厚度方向上在晶粒形成的均匀性方面可以达到高水平。
在一个实施例中，通过把脉冲宽度相对较短的能量脉冲施加在传统的光学存储装置和其它上，便可以达到适当的冷却行为。短的脉冲宽度可以根据装置的热时间常数和/或相变材料的的再结晶速率决定。在本发明的一个实施例中，每个标记都用多个能量脉冲形成，每个脉冲具有宜小于14毫微秒的脉冲宽度，小于10毫微秒较好，而小于7毫微秒最好。另外，脉冲宽度可以小于2毫微秒，小于1毫微秒较好，小于500微微秒最好。
正如上面及以下讨论的，标记形成的热管理(和标记的最终形状)还可以受光学记录介质内在特性，包括材料特性以及介质结构影响。这些特性可以加以调整并包括以下一个或几个：
(1)热容低的活性相变层(元素)。这便于进行快速加热和快速冷却。
(2)非常薄的活性相变层。非常薄的活性相变层有助于对降低冷却元件的热阻，因为硫族化物材料的导热率趋于低。另外，较小的厚度提供最后必须带走的总热量。
(3)与活性元件相邻的非活性元件具有高的热容。与活性元件相邻的高热容对快速冷却分量有贡献。
(4)存储材料和反射层(D2层)之间的绝缘材料的厚度不应仅仅在热学的考虑上调整，而是还应该从光学耦合的目的调整。尽管较薄的D2层确实可以导致缓慢冷却分量的较低的时间常数。
(5)采用较短的能量脉冲的记录策略可以用来充分利用容性冷却的快速冷却分量。
按照本发明的另一个实施例，提供一种多级记录策略，它利用提供两级以上的记录级别的标记，例如，在论及“0状态”或空白时该标记具备2比特信息。每个标记可以用本发明的上述方法形成。
多级记录策略最好包括尺寸均匀的数据单元的利用。标记信息最好完全在相应数据单元的边界或尺寸内提供。所述标记可以用避免改变或明显改变其它数据单元的标记的方法写入。在多级记录策略的一个推荐的方面，记录级别可以用标记的宽度区分，而标记的长度基本上保持不变。通过利用本发明的方法形成可检测的多级标记，容性冷却的作用可以利用来改善标记的形成，以便减少串音并把抖动减到最少。
参见图1，其中整体地用10来标记的是光盘的平面视图，分解视图14取自12处的部分记录了的光道34。光道34分成多个尺寸均匀的预定的数据单元(如点线所示，仅为举例说明而画出)16，18，20，22，24，26。光道34记录了多个标记28、30、32，这些为多级记录形成的标记具有多个记录级别、以允许多于两比特的信息。标记是利用本发明上述和后述详细说明的方法形成的。每个标记的记录级别可以通过每个数据单元结晶态/非晶态的面积或体积的比例加以区分。标记28，30，32是非晶态，提供3个不同的反射率级别。如图所示，记录级别由标记宽度W决定，而标记之间的标记长度保持不变。于是，具有较窄宽度的标记单元，诸如标记32，其反射率的数值比具有较宽宽度的标记的数据单元20，诸如数据单元28的高。
利用本发明的方法成形的标记还可能用来限制标记本身再结晶的数量。这个标记本身的再结晶可能在标记周围的局部区域被过分加热到传导冷却主导标记冷却的程度(亦即＞50％)时出现。过热的结果是冷却时间相对较长。延长的冷却时间使形成为非晶态的标记明显地再结晶。本身的再结晶可能导致标记尺寸的明显收缩。在某些情况下，标记尺寸可能缩小1％或更多，但可能高达10％，50％，或者甚至高达100％。利用按照本发明一个或多个方面形成标记，标记就不仅可以在写入时不出现明显的本身再结晶，而且写入时不会改变其它标记，诸如相邻数据单元的标记，还可以利用来显著地改善标记的边沿检测。此外，通过避免显著的本身再结晶，标记可以以连续的方式沿着数据单元写入，例如，完全填充相应数据单元长度的标记。
从外源向相变材料施加能量，提供向相变材料淀积和加入能量的方法。淀积的能量的数量取决于所施加的能量的数量和传递给相变材料的所施加的能量比例。在一个推荐的实施例中，能量从外源向相变材料能量传递是通过吸收发生的。较强的吸收导致向相变材料加入更多的能量。
加到相变材料的能量引起其温度上升。相变材料的温度随着所施加的能量上升而上升。足够长地曝露于外部能源时，相变材料的温度饱和到最大值。移去外部能源时，相变材料的温度降低。施加激光脉冲期间温度上升，而激光脉冲源移去时温度下降的示例，示于这里的图2。
温度上升的幅度，可以达到的最高温度、相变材料的加热速率和冷却速率取决于诸如淀积的能量、所施加的能量的空间分布、相变层的厚度、施加能量的区域的面积和体积、相变材料的导热率和热容以及相变材料存在的堆叠或结构中存在的其它层的存在、厚度、化学成分、热特性等的因素。
本发明的一个目的是形成非晶态标记。为了形成标记，必须施加足够的能量，使相变材料的温度上升到高得足以使非晶态标记形成。非晶态标记的形状受所施加的能量的空间分布、施加能量的时间长短和相变材料内能量的最终效果以及周围相邻层的影响。
所施加能量的空间分布是指由外部能源提供的能量的空间分布。空间分布限定了所施加能量的边界和这些边界内的强度、功率或能量强度的其它量度。所施加能量的边界限定了由外部能源提供的能量的空间区域。边界内的区域直接从外部能源接收能量，边界以外的区域则不是如此。或者，能源的边界可以看作是能源传播籍以提供能量的空间区域或其它介质。光能源的边界表示，例如，从非零光强度到零光强度的转变。被照亮的空间区域接收非零光强度，并在所施加的光能源边界内，而不被照亮的空间区域在所述边界之外。当向相变材料或其它介质施加时，外部能源的边界限定了能源与相变材料空间重叠的区域。当外部光源，例如施加在相变材料上时，空间重叠区域相当于光能通过材料传播时照亮的相变材料部分。入射时或在所施加的能量的传播途径上所施加的能量直接作用在空间重叠区域内的点上。空间重叠包括相变材料的表面上和体积内这样限定的点。
所施加的能量的空间分布可以是均匀的或不均匀的。在均匀的空间分布内，能量的强度在所施加的能量的边界内基本上是一样的。被加热得使表面温度在所有的点上基本上相同的热表面，例如，可以用作均匀的热能源。在非均匀的空间分布内，能量的强度在能源的边界内是空间变化的。许多外部光能源具有非均匀的空间分布。在典型的激光束中，例如，光强度在光束边界内是按照这样的强度分布在空间上变化的，即光束中心强度最高，在光束边界内在离开光束中心的位置上强度按照高斯函数降低。
空间分布决定了所施加的能量与相变材料的空间重叠，以及空间重叠区域内具体位置上外部能源与相变材料的相互作用的强度。具有均匀空间分布的外部能源对其与相变材料的空间重叠区域内所有的点都将具有基本上相似的作用。具有非均匀空间分布的外部能源对空间重叠区域内不同的点具有可变的效果。可变的效果是按照强度分布或其边界内能源的强度出现的。作为一个例子，考虑具有高斯强度曲线的激光束通过相变材料的传播。若所述光束直接垂直于相变材料表面，则空间重叠的区域预期将基本上是圆柱形，同时所述光束沿着圆柱形的纵轴产生最大的效果，因为高斯激光束的强度在中心最高。按照激光束的高斯强度分布，空间重叠区域的其它点将在较小的程度上受到影响。圆柱形以外的点是在空间重叠区域之外并且在高斯光束通过相变材料传播时不直接受高斯光束的影响。
所施加的能量的空间分布通过限定接触区或所施加的能量与相变材料的空间重叠区来影响非晶态标记的形状。在不存在诸如此后将要描述的互补效应的情况下，非晶态标记只可以在空间重叠区域内形成，因为这个区域代表了相变材料加上能量的部分。若加上足够的能量，把温度提升到形成非晶相所需的温度或更高，则会形成标记。因此，标记的形状和尺寸决定于所施加能量的空间分布。若所施加的能量的边界内的强度分布是这样的：使得空间重叠区域内所有的点都被加热到足以形成非晶相的温度，则标记将与空间重叠区域的整体重合。若只有空间重叠区域内选定的点被加热到足以形成非晶相的温度，则标记将只与这些点重合。于是，标记可能整个地或部分地与所施加的能量与相变材料空间重叠的区域重合。
因此，有可能通过控制所施加的能量的空间分布来控制标记的形状，因为所述空间分布在相变材料内建立了温度分布，而这个温度分布对标记的可否形成是决定性的。温度分布描述了作为所施加的能量的结果在相变材料内的一些位置上达到的温度空间分布。在初始入射时，在所施加的能量与相变材料空间重叠的区域内建立温度分布，因为正是这个区域是直接受所施加的能量影响的。空间重叠区域内每个位置上的初始温度是在所述位置上所施加的能量的强度所特有的。在初始入射之后的时间里，每一个位置上的温度发生变化。若初始入射之后相变材料连续曝露在所施加的能量之下，则由于额外的能量传递到相变材料，导致一个位置上的温度可能上升。因为在相变材料内能量的耗散或其它能量传播方式，一个位置上的温度还可能以低于仅靠所加能量来预测的低的速率降低(或升高)。能量传播的效果将在下面更详细地描述。
除了所施加的能量的空间分布以外，所施加的能量的施加时间或时间长短是影响标记形状的另一个因素。在刚刚施加能量时相变材料上某处的温度低于形成非晶相所要求的温度，则在所述位置上最初不形成标记。但若延长的曝光所提供的额外能量足以把所述位置上的温度提升到形成非晶相所要求的温度以上，则继续施加能量会导致标记形成。
所施加的能量的时间长短也会影响标记形成，即使加上足够的能量把相变材料的温度提升到形成非晶相所要求的温度或更高，因为为了让标记形成，相变材料必须在形成非晶相所需的温度或更高的温度下存在一段足够长的时间。这种现象的一个例子是过热，即尽管材料温度已经上升到可以产生非晶相的温度以上，但是材料的晶相仍旧保持。过热出现在温度已经高得足以形成非晶相的时间长度太短时。于是，控制施加能量的时间长度至少有两种途径可以对标记的形状提供控制。
除了空间分布和所施加能量的时间外，影响标记形状的第三个因素是能源加在相变材料上的能量的最终效果。直接加在相变材料特定部位或区域的能量并非不确定地停留在那个位置或那些区域内，而是可能传输到相变材料的其位置或区域。传导冷却和容性冷却过程便是能量从相变材料的一个位置传输到另一个位置，或者从相变材料传输到相邻或周围的材料的一些例子。能量传输的净效果是能量从高能区域重新分布到低能量区域。例如，热能从高温区域流动到低温区域。
能量的传输通过影响相变材料的温度分布来影响标记的形成。相变材料的温度分布取决于向材料中特定位置添加能量的速率以及各位置之间能量的再分布。如前所述，标记形成要求把相变材料加热到足够高的温度，并保持足够长的时间。能量传输可能起到这样的作用：防止在相变材料中特定位置上达到形成非晶相所要求的温度，或防止相变材料特定的点在足以形成非晶相的长时间周期里保持足够高的温度的作用。
能量传输还通过提供所施加的能量与相变材料空间重叠区域以外的相变材料部分间接接收能量的机制来影响标记形成。如前所述，所施加的能量初始入射相变材料提供了直接把能量加在空间重叠区域的机制。这个区域决定于所施加的能量的边界及其通过相变材料传播的方向。尽管空间重叠区域以外相变材料部分不直接接受能量，但是它们会通过能量的传输间接地接受能量。淀积在空间重叠区域的能量可能传输到空间重叠区域以外的区域。这种能量传输代表一种间接将能量淀积到不与所加能量直接相互作用的相变材料部分的机制。间接能量传输机制可能导致空间重叠区以外的相变材料的温度上升。因而能量传输影响相变材料的温度分布。
从标记形成的观点看，能量传输可能通过间接提供能量导致空间重叠区域以外形成标记。这种效果可能在空间重叠区域以外间接提供的能量总量足以使相变材料空间重叠区域以外的部分的温度上升到形成非晶相所要求的温度或更高的温度时出现。其后果是，标记形成可能发生在空间重叠区域以外。这种效果可能是不希望的，因为它可能导致不希望出现的标记形成、标记增大的趋势或存储密度的降低。标记增大可能导致标记边界模糊，还可能导致标记之间的串音。
为了控制标记的形状，重要的是控制相变材料的温度分布。影响给定时间的温度分布的因素包括向相变材料施加能量的速率、所施加的能量的时间长短、相变材料内所施加的能量的空间分布和相变材料内能量的再分布或传输速率。相变材料的加热和冷却速率以及相变材料内特定点受到这些因素影响。所施加的淀积入相变材料的能量总量在下文中称作标记形成可用的能量预算。在本发明一个推荐的实施例中，相变材料内可用于标记形成的能量是热能，而能量预算是热能预算，后者可以称作热预算。热预算可以以所施加的热能的形式或通过从所施加的能量转化为淀积的相变材料上的热能接收。
热预算的管理是控制标记形成和形状的一个重要因素。通过热预算的管理，温度分布可以得到控制，而标记的形成可以选择性地出现在相变材料与预期形状对应的区域。管理热预算的一种策略是选择性地施加或使热预算指向要求形成标记的相变材料区域。随着标记形成的进展和标记增大，热预算减少，直至剩余的能量不足以使标记进一步增大。标记形成的停止可能在可用的热预算不足以使相变材料的部分的温度上升到足以允许非晶相形成时出现。
可以通过适当地管理热预算完成标记的形成。形成给定形状的标记所要求的热预算由必须将温度提高到足以允许非晶相形成的标记形状相关的相变材料的体积决定。标记形状的横向和垂直方向的尺寸定义了与标记相关的相变材料的体积。对于给定的标记尺寸，可以算出最小热预算，它相当于把与标记相关的相变材料体积的所有点的温度提升到足以允许非晶相形成的最低温度所需的最小热量。
原则上，淀积与特定的标记形状相关的最小热预算应该足以形成标记。但实际上，最小热预算策略有几方面的复杂性。为了有效，最小热预算策略要求在要求的标记形状的边界内每一个点上淀积足够的能量，以便把温度升高到能够允许非晶相形成的最低温度。与最小热预算策略相关的一个复杂性是有必要知道允许要求的标记形状边界内所有的点形成非晶相所要求的最小能量。这要求详细了解诸如所要求的标记整个区域的局部成分和允许从每一个点产生非晶相的最低温度等这样一些因素。若相变材料是同质的，则可以假定要求的标记的边界内所有的点都要求相同的最小施加能量。但许多材料是异质的，并在短的长度范围内表现出异质成分。在逐点的基础上对这样的材料计算形成非晶相所要求能量的最小量是困难的。即使逐点的能量已知，最小热预算还要求可以获得匹配的或者可以调整得在预期的标记边界内提供逐点最小能量的外部能源。即使所施加的均匀的最小能量是整个预期的标记边界内要求的，这或许也是不可能的。所施加的能量只有一部分淀积的相变材料内而且这个部分可能无法得知这样一个事实也令逐点施加最小能量变得复杂。
另外，最小热预算策略要求淀积的任何能量都必须保留在淀积的点上或者至少在预期的标记边界内。传输给预期的标记边界以外的区域的能量都代表损失的能量，它们内在地使最小热预算策略失效。很可能无法防止能量的传输，因为在预期的标记边界内能量的淀积提高了这些边界内的温度，并相对于标记预期边界以外的相变材料建立起温度梯度。这样的温度梯度为能量的传输提供了驱动力。若能在比与能量传输相关的时间刻度相比短得多的时间刻度上，在形成非晶相的过程中消耗所淀积的能量，或许可以防止或至少抑止这种能量传输。但是，这种条件可能是难以满足的，因为相变材料必须停留在或高于足以允许非晶相形成的温度上足够长的一段时间，以便形成标记。为形成非晶相所达到的温度变得越低，所要求的足够长的时间周期就变得越长。因为最小热预算策略意味着在预期的标记边界内逐点建立能够产生非晶相的最低温度，所以最小热预算策略所起的作用是，延长预期的标记边界内相变材料保持在一个升高了的温度下的时间长度。相对于预期的标记边界以外的相变材料部分的温度梯度存在的时间随能量传输的可能性加大而增加。
因为存在与最小热预算策略相关的困难，故可以有利地利用标记形成时超过最小热预算的能量。这些过剩的能量可以用来缓解与最小热预算策略相关的困难，并且可以补偿能量传输和其它过程所损失的能量。但是过剩能量的存在可能带来其它复杂性，因为最终须要耗散或分散超过形成具有期望的边界的标记所要求的任何能量。因此，尽管过剩的能量可以加速标记形成，但必须以这样的方式加以处理或分配，即，不得妨碍形成具有预期的大小或形状的标记这个目的。
作为一个示例，考虑用过剩热预算来把标记预期边界内的温度提高到高于形成非晶相所要求的温度。这种温度上升可能会缩短形成非晶相所需的时间，因此方便了标记形成。但是标记一旦形成，它便存在于一个高于可能有必要采用最小热预算策略的温度之下。过热的标记肯定须要冷却到其平衡温度，而且在冷却过程中释放出来的能量很可能耗散到标记边界以外的相变材料部分。这个耗散的能量导致在应该形成的标记边界以外形成非晶相，这又造成诸如标记增大或形成假标记等破坏性效果。若耗散的能量持续足够长的时间或其幅值使标记预期边界以外的相变材料部分的温度升高到足以形成非晶相的温度，则就可能出现这些效果。
若标记形成后过剩能量存在在标记边界内一段足够长的时间，则另一个复杂性就可能出现。若非晶相被加热，或者形成后仍被加热一段足够长的时间，则非晶相再结晶可能出现。在低于形成非晶相所要求的温度下可能出现再结晶，因而在新形成的非晶相冷却过程中，若冷却太慢，则可能出现再结晶。再结晶是由非晶相转变为晶相的过程。从非晶相形成晶相的条件可以用先有技术众所周知的TTT图(时间-温度-转变)描述。TTT图总结了非晶相必须停留在特定温度以便形成晶相的时间。再结晶可以出现在由最低温度与最高温度限定的温度范围内，其中最低和最高温度取决于相变材料的化学成分。为了在再结晶所要求的最低温度下认再结晶在相变材料内出现，材料必须在较长的一段时间内保持该温度。随着温度上升到超过所述最低温度，在能够产生晶相的最低温度和最高温度之间的某个温度下，再结晶需要的时间缩短，直至达到再结晶所需的最短时间。在高于能够产生晶相的最高温度的温度下，进一步提高温度会导致再结晶所需的时间延长到不再可能结晶为止。这个最高温度一般低于相变材料的熔化温度。
因此，随着温度从结晶所要求的最低温度提高到能够形成晶相的最高温度，结晶所需的时间一直减小直至达到最短时间，然后再增加。结晶所需的时间的这种变化反映了导致光致晶相结晶的各种竞争性效应之间的平衡。这些因素包括非晶相原子重新排列成可能发生结晶的之间结构以及相变材料在相当长一段时间内保持这种中间结构以便发生结晶的能力。在较低的温度下，存在的热量太低，不允许非晶相原子表面移动和重组。反之移动是缓动的，而结晶所要求的时间会相应地长。在较高的温度下，存在的热量足以使非晶相原子表面移动和重组。但是，移动发生于表面，以致于有助于结晶的原子中间结构的存在时间不允许最佳结晶。反之，热能在结晶完成之前破坏了这个结构。
相关的结晶效应在标记预期边界以外存在的能量传输(或再传输)到标记预期边界之内时出现。能量可能存在于标记预期边界之外，因为它是直接由所施加的能源(例如，若所施加的能量的空间分布扩展到标记预期边界之外时就可能出现)或者它代表已经传输的直接施加在标记预期边界内的能量。存在于标记边界之外的能量回到标记边界之内是可能的。这样能量可以诱发标记部分结晶，使标记质量受影响。这种作用可以称作反向结晶。
因此，一种光学记录和标记形成所用的有效的过剩热预算管理策略不仅加速预期边界内标记的形成，而且便于进行无害的过热预算处理。诸如标记增大、假标记形成、标记边界扩散、隔开的标记合并、再结晶和反向结晶都需受到控制。
本发明提供一种通过形成具有预期形状的标记来记录信息的策略。所述策略允许施加超过最小热预算策略中所要求的数量的能量，但是力求使过剩最小化，因而可以称作低热预算策略。所述策略进一步寻求以无害的方式耗散过剩的热预算。在本发明中，热预算管理是通过以短的能量脉冲的形式施加能量来解决的。已经举例说明，短的能量脉冲提高了冷却速率，便于使能量从预期的标记边界耗散出去。按照本发明，通过更好地利用形成标记的能量，和促进过剩热预算耗散的无害机制，为能量脉冲对热预算提供更有效的控制。
本发明的一个方面是短脉冲通过使容性冷却机制超过传导冷却的机制来提高能量的耗散。容性冷却比传导冷却提供更快冷却的速率。从形成预期形状的标记的观点看，强调容性冷却是有利的，因为较快的能量耗散会把标记预期边界以外形成标记的可能性减到最小。当过剩热预算快速传输时，它传到标记预期边界以外，而不会在标记预期边界以外相变材料任何特定部分停留一段足以形成非晶相的时间。因而，标记的边界界线比较清晰。能量的快速传输还抑制再结晶，因为短脉冲所施加的能量一旦撤走，提高了的标记温度随着它的形成而迅速降低。温度的迅速降低使标记在能够产生晶相的温度下保持足以形成晶相的时间长度的可能性最小。

Claims (42)

1.一种把信息记录在光学存储装置的方法，所述装置具有状态可变的活性材料，所述方法包括以下步骤：
向所述活性材料施加多个能量脉冲，所述脉冲有效地提供至少50％的容性冷却。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述脉冲有效地提供至少55％的容性冷却。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述脉冲有效地提供至少60％的容性冷却。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述形成步骤有效地控制所述标记的形状。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述标记具有恒定的宽度或呈锥形的宽度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述标记包括非晶态材料。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述标记提供两个以上的记录级别。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：形成多个所述标记，而活性材料具有多个尺寸均匀的数据单元，每个标记都完全在数据单元内形成。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述标记都是在不显著改变其它数据单元的标记的情况下提供的。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：不同记录级别的标记由标记宽度区分。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于：每个标记的长度都是恒定的。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于：形成传导冷却是通过向所述活性材料施加多个能量脉冲而获得的，每一个所述脉冲都具有小于14毫微秒的脉冲宽度。
13.一种记录光学存储装置的方法，所述装置具有状态可变的活性材料，所述方法包括以下步骤：
向所述活性材料施加多个能量脉冲，每个所述脉冲具有小于14毫微秒的脉冲宽度。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：每个脉冲具有小于10毫微秒的脉冲宽度。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于：每个脉冲具有小于7毫微秒的脉冲宽度。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述形成步骤对控制所述标记的形状是有效的。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述标记具有恒定的宽度或呈锥形的宽度。
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述标记包括非晶态材料。
19.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述光学存储装置是光盘。
20.如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述活性材料包括硫族化物。
21.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述标记提供两个以上的记录级别。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于：形成多个所述标记，而活性材料具有多个尺寸均匀的预定的数据单元，每个标记都完全在数据单元内形成。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于：所述标记都是在不显著改变其它数据单元的标记的情况下提供。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于：不同记录级别的标记由标记宽度区分。
25.如权利要求22所述的方法，其特征在于：每个标记都是长度恒定的。
26.一种把信息记录在包括相变材料的光学记录介质上的方法，所述方法包括以下步骤：
向所述相变材料施加具空间分布的能量，所述空间分布限定了所述能量与所述活性材料的空间重叠区域，所述能量提供所述空间重叠区域内的温度分布，所述温度分布限定了温度的空间分布，所述空间分布包括足以允许非晶相在所述空间重叠区域内形成的温度；
形成与所述具有足以使非晶相形成的温度的所述空间分布的部分重合的标记，所述标记包括非晶相，所述非晶相在所述空间重叠区域的冷却时形成，所述冷却释放超过形成所述非晶相所需能量的过剩能量；
向与所述标记重合的空间区域以外的所述相变材料部分耗散所述过剩能量，所述耗散过程以足以防止非晶相在所述标记以外的所述部分内形成的速率发生。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述能量是以能量脉冲的形式施加的。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于：所述能量脉冲具有小于14毫微秒的脉冲持续时间。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于：所述能量脉冲具有小于10毫微秒的脉冲持续时间。
30.如权利要求27所述的方法，其特征在于：所述能量脉冲具有小于7毫微秒的脉冲持续时间。
31.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述能量是以多个能量脉冲的形式施加的。
32.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述能量是用激光施加的。
33.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述空间分布是均匀的。
34.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述空间分布是高斯分布。
35.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述相变材料包括硫族化物。
36.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述相变材料包括选自包括Ge，Sb，Sc，In，Ag，和Te族的组的元素。
37.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述空间重叠区域基本上是圆柱体。
38.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述温度分布是均匀的。
39.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述标记与所述空间重叠区域重合。
40.如权利要求26的方法，其特征在于，所述标记提供两个以上的记录级别。
41.如权利要求26的方法，其特征在于，所述冷却是容性冷却。
42.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述耗散步骤包括容性冷却。
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