CN1768379A - 具有超高解析近场结构的记录介质及其再现方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种使用在其上已经预记录了信息的超高解析近场结构(Super－RENS)来实现载噪比(CNR)的只读记录介质，其包括：基底，将所述信息记录在其表面上；反射层，其在所述基底上面由相变材料构成；第一电介质层，其形成在所述反射层上面；和掩膜层，其在所述第一电介质层上面由金属氧化物或纳米颗粒构成。

Description

具有超高解析近场结构的记录介质及其再现方法和设备
                            技术领域
本发明涉及一种在其上已经记录了信息的只读记录介质，更具体地讲，涉及一种具有超高解析近场结构(Super-RENS，super-resolution near-fieldstructure)的在其上已经预记录了用光学方式可读的信息的只读记录介质、用于读取所述信息的方法及其再现设备。
                            背景技术
包括数字通用盘(DVD)的光盘作为被设计用于记录图像数据或计算机数据的高密度记录介质继续得到普及。具体地讲，比如在其上已经预记录了电影或计算机程序的DVD-ROM的只读光盘通常被用来容易地分配大量信息。
信息以标记(凹坑)的形式被预记录在只读光盘的基底上。为了读出所述信息，光盘再现设备将激光束发射到所述光盘上，光电检测器检测根据排列标记存在或不存在而变化的反射束的强度。例如，如果所述标记存在，则所述反射束的强度降低，而如果所述标记不存在，则所述强度增加。
因此，可被记录在只读光盘上的信息的量由在所述再现设备中可读的标记(凹坑)的大小确定。减小标记(凹坑)的大小通过在每张盘上记录更多的信息来增加可被记录在所述光盘上的信息的密度。
通过再现设备可读的标记的大小由与其它因素一道的再现设备的光学系统的分辨率极限(RL)确定。理论上光学系统的RL可以通过方程(1)来计算：
                RL＝λ/(4×NA)                      ...(1)
其中，λ是激光束的波长，NA是物镜的数值孔径。
在通常使用的红色激光的情况下，通过将λ＝635nm和NA＝0.6代入方程(1)获得265nm的RL。当使用蓝色激光时，通过将λ＝405nm和NA＝0.65代入方程(1)获得156nm的RL。即，使用所述红色激光的光盘再现设备不允许具有不超过265nm的长度的标记(凹坑)被读取。即使在使用短波长的蓝色激光的光盘再现设备中，读取具有不超过156nm长度的标记(凹坑)也是困难的。
图1是示出在基底上只具有银反射层的传统只读光盘的标记长度和载噪比(CNR)之间的关系的曲线图。当标记深度分别是50nm、70nm和100nm时进行测量，再现设备的RL是265nm。
从图1可以明显看出：当标记长度大于290nm时，由于CNR大于40dB，所以可以成功地从光盘读取以标记(凹坑)的形式记录的信息。然而，对于小于290nm的标记长度，CNR急剧降低。对于265nm(即，再现设备的RL)的标记长度，CNR大约是16dB，如果标记长度小于250nm，则CNR大约降低到零。
作为一种用于改进由方程(1)定义的光盘再现设备的RL的技术，Super-RENS受到很高的关注，并且这种结构已经被应用到相变记录光盘(查阅“Applied Physics Letters，Vol.73，No.15，Oct.1998”和“Japanese Journal ofApplied Physics，Vol.39，Part 1，No.2B，2000，pp.980-981”)。
在Super-RENS中，在光盘上形成特殊的掩膜层，并且在掩膜层中产生的表面等离子体激元被用来再现信息。有两种类型的Super-RENS：锑(Sb)透射和氧化银(AgOx)分解。在Sb透射的Super-RENS中，由于激光束，Sb掩膜层经受相变，所以它变得透明。在AgOx分解类型的Super-RENS中，通过应用激光束AgOx掩膜层被分解成Ag和O，然后Ag产生表面等离子体激元。
图2示出使用传统Super-RENS在可记录光盘上记录的原理。如图2所示，记录介质具有：第一电介质层112-1，在透明的聚碳酸酯层111上由比如ZnS-SiO2或SiN的电介质材料构成；掩膜层113，由Sb或AgOx构成；保护层114，用比如ZnS-SiO2或SiN的电介质材料制成；记录层115，由GeSbTe构成；和第二电介质层，用比如ZnS-SiO2的材料制成，所述所有层被顺序地堆叠。
这里，用SiN制成保护层114和第一电介质层112-1以与Sb掩膜层113一起使用，而用ZnS-SiO2制成保护层114和第一电介质层112-1以与AgOx掩膜层113一起使用。在再现信息的同时，在其中发生近场相互作用的保护层114防止掩膜层113和记录层115之间的反应。如果掩膜层113是用Sb制成的，则由于激光束的应用Sb经受相变所以变得透明。如果掩膜层113是用AgOx制成的，则激光束使AgOx分解成Ag和O，并且Ag产生本地(local)等离子体激元。
激光束从具有大约10mW至15mW的输出功率的激光器117被发射，并由会聚透镜118将其会聚在记录介质上。当由激光照射的记录层115的区域被加热到高于大约600℃的温度时，所述区域经受相变成为无定形状态，并且所述区域的吸收系数减小。此时，在由激光照射的掩膜层113的区域中，Sb的晶体结构改变，或者AgOx在准可逆反应中被分解。由于掩膜层113的区域作为记录层115的探针(probe)，所以可以成功地再现具有低于RL大小的极微的标记。
然而，和可记录的记录介质不同，只读记录介质具有预制在基底上的标记以及不同的层叠结构。此外，所述只可读记录介质需要只应用2-3mW的微弱激光来实现Super-RENS效果。因此，对于所述只读记录介质，确定可实现高CNR的材料和层叠结构的类型成为主要关心的事情。
                           发明内容
本发明提供一种只读记录介质和从所述只读记录介质读取信息的方法及其再现设备，其中，被设计成所述只读介质使用超高解析近场结构(Super-RENS)来实现高载噪比(CNR)。
根据本发明的一方面，提供一种在其上已经预记录了信息的只读记录介质，包括：基底，将所述信息记录在其表面上；反射层，在所述基底上面由相变材料构成；第一电介质层，形成在所述反射层上面；和掩膜层，在所述第一电介质层上面由金属氧化物构成。
这里，由相位材料构成的所述反射层、在所述反射层上面形成的所述第一电介质层和用金属氧化物制成的所述掩膜层的存在引起Super-RENS操作，因此能够以高CNR来读取具有低于再现设备的光学分辨率极限的大小的标记。所述记录介质还包括夹在所述基底和所述反射层之间的第二电介质层，所述第二电介质层也引起Super-RENS操作。根据本发明，在所述掩膜层内的纳米颗粒引起Super-RENS操作，因此能够以高CNR来读取具有低于再现设备的光学分辨率极限的大小的标记。
构成所述掩膜层的金属氧化物是稀有金属氧化物，所述稀有金属氧化物是铂氧化物(PtOx)、金氧化物(AuOx)、银氧化物(AgOx)和钯氧化物(PdOx)之一。所述金属氧化物也可以是比如钨氧化物(WOx)的高熔点金属氧化物。本发明可以通过适当地选择用于构成所述掩膜层的所述氧化物来引起Super-RENS操作。
用于构成所述反射层的所述相变材料是银铟锑碲化合物(AgInSbTe或AIST)、碳(C)、锗锑碲化合物(GeSbTe)、锗(Ge)、钨(W)、钛(Ti)、硅(Si)、猛(Mn)、铝(Al)、铋(Bi)、镍(Ni)、钯(Pd)和碲(Te)之一。Super-RENS可通过适当地选择用于构成所述反射层的所述相变材料而被操作。
以在所述基底的表面上形成的标记的形式记录所述信息。所述掩膜层、所述第一电介质层和所述反射层的厚度分别在1.5nm至10.0nm、10nm至60nm和10nm至80nm的范围内。本发明使得能够通过适当地确定所述掩膜层、所述第一电介质层和所述反射层的厚度来操作Super-RENS。记录介质还可包括在掩膜层上形成的第三电介质层。
根据本发明的另一方面，提供一种用光学方式读取记录在上面描述的只读记录介质上的信息的方法，其中，照射所述记录介质的激光束的功率在1.5mW至4.5mW的范围内。由于所述读取方法使得用于照射所述记录介质的激光束的功率能够被适当地确定，所以可以以高CNR来读取具有低于再现设备的光学分辨率极限的大小的标记。此外，不管所述激光束是从所述基底面发射的还是从所述记录介质的信息面发射的，都可以这样做。
根据本发明的另一方面，提供一种用光学方式读取记录在所述只读记录介质上的信息的再现设备，其中，照射所述记录介质的激光束具有1.5mW至4.5mW的范围内的功率。所述再现设备适当地使用所述记录介质的所述Super-RENS来以高CNR读取具有低于光学分辨率极限的大小的标记。
本发明的另外方面和/或优点将在下面的描述中被部分地阐述，并且部分地根据描述将变得清楚，或者可以通过实施本发明而被了解。
                          附图说明
通过参考附图对示例性实施例进行的详细描述，本发明上面和/或其它特性及优点将会变得更加清楚，其中：
图1是示出在传统只读光盘中的标记长度和载噪比(CNR)之间的关系的曲线图；
图2示出使用传统超高解析近场结构(Super-RENS)在可记录光盘上记录的原理；
图3是示出根据本发明实施例的用于显示具有Super-RENS的只读记录介质的结构的代表性的示图；
图4是示出根据本发明实施例的在只读记录介质中标记长度和CNR之间的关系的曲线图；
图5是示出根据本发明实施例的在只读介质中读出激光功率(Pr)和CNR之间的关系的曲线图；
图6是示出根据本发明实施例的在只读记录介质中恒定线速率(CLV)和CNR之间的关系的曲线图；
图7A和图7B是显示对从Super-RENS ROM盘读取的信号进行的时域和频域测量结果的照片；
图8A和图8B是显示分别对从Super-RENS ROM盘和传统ROM盘读取的信号进行时域和频域测量的结果的照片；
图9A和图9B是显示分别对从Super-RENS ROM盘和传统ROM盘读取的信号进行时域和频域测量的结果的照片；和
图10是示出根据本发明实施例的当用从只读记录介质上的信息面发射的激光束来读取信息时标记长度和CNR之间的关系的曲线图。
                       具体实施方式
现在将详细描述本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的部件。下面通过参照附图来描述这些实施例以解释本发明。
参照图3，超高解析近场结构(Super-RENS)ROM具有顺序地堆叠在基底10上的第二电介质层20、反射层30、第一电介质层40、掩膜层50和第三电介质层60。基底10可由透明聚碳酸酯构成，在其上可形成标记或凹坑(未示出)。通常，记录在Super-RENS ROM上的信息是由标记的存在或不存在表示的数字信号。标记可被记录在基底的表面的凹槽上。从标记反射的光束的强度根据标记的长度和深度变化。
第二电介质层20在基底10上形成，在所述基底10上标记已经形成。第二电介质层20、第一电介质层40和第三电介质层60由比如ZnS-SiO2的电介质材料构成。在这个实施例中，电介质层20、电介质层40和电介质层60的厚度分别是0至60nm、10nm至60nm、0至200nm。
反射层30由具有400℃至900℃熔点的相变材料，比如具有600℃熔点的银铟锑碲化合物(AgInSbTe或AIST)构成。反射层30还可以由比如碳(C)、锗锑碲化合物(GeSbTe)、锗(Ge)、钨(W)、钛(Ti)、硅(Si)、猛(Mn)、铝(Al)、铋(Bi)、镍(Ni)、钯(Pd)或碲(Te)的高熔点材料构成。反射层30的厚度是10nm至80nm。
掩膜层50由比如金氧化物(AuOx)、铂氧化物(PtOx)、银氧化物(AgOx)或钯氧化物(PdOx)的稀有金属氧化物或者由比如钨氧化物(WOx)的高熔点金属氧化物构成。掩膜层50通过反应溅射来形成。例如，将氩气(Ar)和氧气(O2)注入真空室，目标Pt被溅射以将PtOx掩膜层50构成具有1.5～10.0nm的厚度。
当在掩膜层50中产生稀有金属或高熔点金属的纳米颗粒时，Super-RENS的效果也可以被实现。例如，可通过如上所述的反应溅射构成掩膜层来产生纳米颗粒，然后通过活性离子蚀刻(RIE)来还原所述掩膜层。即，在用于构成掩膜层50的PtOx中的氧被还原以产生Pt纳米颗粒。
在下面描述的测量(除了图7中示出的内容之外)中，如图3所述，以离开Super-RENS的基底10到第三电介质层60的方向向基底10垂直发射(从基底面)激光束。在图7所示的测量中，以与图3所示的方向相反的方向，即，以远离第三电介质层60到基底10的方向，向基底10垂直发射(从信息面)激光束。
图4是示出根据本发明实施例的在图3的Super-RENS ROM中标记长度和CNR之间的关系的曲线图。这里，当标记长度分别是50nm、70nm和100nm时，进行CNR的测量。
光学系统的分辨率极限(RL)是265nm。然而，当凹坑深度分别是50nm和70nm时，对于150nm的标记长度，载噪比(CNR)为40dB或更高，其充分高到能保证成功的读取操作。当凹坑深度是100nm时，对于150nm的标记长度，CNR大约是36dB。
为了比较，图4还显示了对于仅具有Ag反射层不具有掩膜层的示例的CNR测量的结果。在这种情况下，对于小于250nm的标记长度，由于CNR降低至接近零，所以不能够读取标记。
图5是示出根据本发明实施例的在Super-RENS ROM中读出激光功率Pr和CNR之间的关系的曲线图，其中，标记(凹坑)长度是150nm、标记(凹坑)深度是50nm和恒定线速率(CLV)是2m/sec。从图5可以明显看出：虽然读出信号的CNR在Pr为1mW处接近0，但是在Pr大于1mW处CNR显著增加。对于在1.9mW至2.5mW的范围内的Pr，CNR为40dB或更高，其充分高到能保证成功读出记录在Super-RENS ROM上的信息。
图6是示出根据本发明实施例的在Super-RENS ROM中CLV和CNR之间的关系的曲线图。这里，当标记(凹坑)长度是150nm和标记(凹坑)深度是70nm时进行CNR的测量。当激活跟踪伺服系统时，在CLV在2m/sec至6m/sec的范围内测量反射光束的CNR。对于2m/sec的CLV，使用的激光束的功率是2mV，对于其它的CLV，使用的激光束的功率是3mV。结果显示：对于所有的CLV，CNR大约是40dB并且恒定。从图6可以明显看出：在2m/sec的最低CLV处，对于较小的激光束功率，CNR大约为38dB，其充分高到能保证成功读取记录在Super-RENS ROM上的信息。
图7A和图7B是显示对从Super-RENS ROM盘读取的信号进行时域和频域测量的结果的照片。这些测量在这样的情况下进行：凹坑深度是50nm、CLV是2m/sec、激光束功率是2mW、激光束波长是635nm和物镜的数值孔径(NA)是0.60。另外，在图7A中，在远离盘中心的距离r为37.1mm处对150nm的标记长度进行测量。从频域测量的结果可以明显看出：CNR为41.47dB。在图7B中，在远离盘中心的距离r为51.2mm处对长度400nm的标记进行测量。结果显示CNR为52.85dB。这些测量结果证明以150nm的小标记长度可实现充分高的CNR。
图8A和图8B是显示分别对从Super-RENS ROM盘和传统ROM盘读取的信号进行时域和频域测量的结果的照片。这些测量是在这样的假定下进行的：标记长度是400nm、标记深度是100nm、CLV是2m/sec、激光束功率是2mW、激光束波长是635nm和物镜的数值孔径(NA)是0.60。图8A中在Super-RENS ROM盘上进行的频域测量的结果显示CNR大约是58.5dB，而图8B中在传统ROM盘上的测量结果显示CNR大约是54.5dB，比Super-RENSROM盘上进行的频域测量的结果显示的CNR低大约4dB。因此，Super-RENSROM比传统ROM提供更好的读出性能。
如同图8A和图8B，图9A和图9B是显示分别对从Super-RENS ROM盘和传统ROM盘读取的信号进行时域和频域测量的结果的照片。这些测量是在这样的假定下进行的：标记长度是400nm、标记深度是50nm、CLV是2nm/sec、激光束功率是2mW、激光束波长是635nm和物镜的数值孔径(NA)是0.60。图9A中在Super-RENS ROM盘上进行的频域测量的结果显示CNR大约是52.85dB，而图9B中在传统ROM盘上的测量结果显示CNR大约是51.05dB，比Super-RENS ROM盘上进行的频域测量的结果显示的CNR低大约1.8dB。因此，Super-RENS ROM比传统ROM提供更好的读出性能。
此外，当再现Super-RENS ROM时，在掩膜层和反射层没有观测到漫射。
图10是示出根据本发明实施例的当用发射到Super-RENS ROM上的激光束来读取信息时标记长度和CNR之间的关系的曲线图。在对50nm和100nm的标记深度进行的该测量中，如上所述，以与图3所示的方向相反的方向，即，以离开第三电介质层60到基底10的方向将激光束垂直地发射(从信息面)到基底10。
这里，光学系统的RL是265nm。然而，当标记深度分别是50nm和100nm时，对于150nm的标记长度，CNR是35dB或更高。尽管这低于当从基底面发射时的CNR，但是它充分高到能保证成功的读取操作。为了比较，图10还显示了对于仅具有银反射层不具有掩膜层的示例的CNR测量的结果。在这种情况下，对于小于250nm的标记长度，由于CNR降低至接近零，所以不能够读取标记。
这样，可以从基底面和信息面二者读取记录在Super-RENS ROM上的信息。因此，本发明通过读取记录在Super-RENS ROM上的信息对于每个Super-RENS ROM实现更高密度信息记录，所述Super-RENS ROM具有由基底面和信息面二者经许多次形成的图3的堆叠结构。
                       产业上的可利用性
本发明提供一种在其上已经预记录了信息的只读记录介质，包括：基底，将所述信息记录在其表面；反射层，其在所述基底上由相变材料构成；第一电介质层，其叠加在所述反射层上面；和掩膜层，其在所述第一电介质层上面用金属氧化物制成。所述反射层、所述第一电介质层和所述掩膜层的存在产生了Super-RENS，因此使得能够以高CNR来读取具有低于再现设备的光学RL的大小的标记(凹坑)。
虽然本发明已参照其示例性的实施例被具体描述和显示，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (30)

1、一种在其上已经预记录了信息的只读记录介质，包括：
基底，将所述信息记录在其表面上；
反射层，在所述基底上面由相变材料构成；
第一电介质层，形成在所述反射层上面；和
掩膜层，在所述第一电介质层上面由金属氧化物构成。
2、如权利要求1所述的记录介质，还包括插在所述基底和所述反射层之间的第二电介质层。
3、如权利要求1所述的记录介质，其中，所述掩膜层包含金属的纳米颗粒。
4、如权利要求1所述的记录介质，其中，用于构成所述掩膜层的金属氧化物是稀有金属氧化物。
5、如权利要求4所述的记录介质，其中，所述稀有金属氧化物是从包括铂氧化物(PtOx)、金氧化物(AuOx)、银氧化物(AgOx)和钯氧化物(PdOx)的组中选择的一个。
6、如权利要求1所述的记录介质，其中，所述金属氧化物是具有高熔点的金属氧化物。
7、如权利要求6所述的记录介质，其中，所述金属氧化物是钨氧化物(WOx)。
8、如权利要求1所述的记录介质，其中，用于构成所述反射层的所述相变材料是从包括银铟锑碲化合物(AgInSbTe或AIST)、碳(C)、锗锑碲化合物(GeSbTe)、锗(Ge)、钨(W)、钛(Ti)、硅(Si)、猛(Mn)、铝(Al)、铋(Bi)、镍(Ni)、钯(Pd)和碲(Te)的组中选择的一个。
9、如权利要求1所述的记录介质，其中，所述信息以在所述基底的表面形成的标记的形式被记录。
10、如权利要求1所述的记录介质，其中，所述掩膜层、所述第一电介质层和所述反射层的厚度分别在1.5nm至10.0nm、10nm至60nm和10nm至80nm的范围内。
11、如权利要求1所述的记录介质，还包括在所述掩膜层上形成的第三电介质层。
12、如权利要求1所述的记录介质，其中，所述信息从所述基底表面或从信息表面被读取。
13、如权利要求1所述的记录介质，其中，所述相变材料具有在400℃和900℃之间的熔点。
14、如权利要求1所述的记录介质，其中，所述掩膜层通过反应溅射而形成。
15、如权利要求14所述的记录介质，其中，所述掩膜层通过反应离子蚀刻而还原。
16、一种用光学方式读取记录在根据权利要求1所述的只读记录介质上的信息的方法，其中，用于照射所述记录介质的激光束的功率在1.5mW至4.5mW的范围内。
17、如权利要求16所述的记录方法，其中，所述记录介质由所述激光束从基底面照射。
18、如权利要求16所述的记录方法，其中，所述记录介质由所述激光束从信息面照射。
19、一种用光学方式读取记录在根据权利要求1所述的只读记录介质上的信息的再现设备，其中，用于照射所述记录介质的激光束的功率在1.5mW至4.5mW的范围内。
20、一种用于构成在其上已经预记录了信息的只读记录介质的方法，包括：
在基底上由相变材料构成反射层；
在所述反射层上构成第一电介质层；和
在所述第一电介质层上由金属氧化物构成掩膜层。
21、如权利要求20所述的方法，还包括在所述基底和所述反射层之间构成第二电介质层。
22、如权利要求20所述的方法，其中，所述掩膜层包含金属的纳米颗粒。
23、如权利要求20所述的方法，其中，用于构成所述掩膜层的所述金属氧化物是稀有金属氧化物。
24、如权利要求23所述的方法，其中，所述稀有金属氧化物是从包括铂氧化物(PtOx)、金氧化物(AuOx)、银氧化物(AgOx)和钯氧化物(PdOx)的组中选择的一个。
25、如权利要求20所述的方法，其中，所述金属氧化物是具有高熔点的金属氧化物。
26、如权利要求25所述的方法，其中，所述金属氧化物是钨氧化物(WOx)。
27、如权利要求20所述的方法，其中，用于构成所述反射层的所述相变材料是从包括银铟锑碲化合物(AgInSbTe或AIST)、碳(C)、锗锑碲化合物(GeSbTe)、锗(Ge)、钨(W)、钛(Ti)、硅(Si)、猛(Mn)、铝(Al)、铋(Bi)、镍(Ni)、钯(Pd)和碲(Te)的组中选择的一个。
28、如权利要求20所述的方法，其中，所述信息以在所述基底的表面形成的标记的形式被记录。
29、如权利要求20所述的方法，其中，所述掩膜层、所述第一电介质层和所述反射层的厚度分别在1.5nm至10.0nm、10nm至60nm和10nm至80nm的范围内。
30、如权利要求20所述的方法，还包括在所述掩膜层上形成第三电介质层。
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