CN1838280A - 波导多层只读光卡及其软刻印制作方法 - Google Patents

Abstract

波导多层只读光卡及其软刻印制作方法涉及三维数据存储器中波导多层只读光卡的基本结构及其制作方法，该波导多层只读光卡由芯层(1)与包层(2)交替复合层叠而成，在每一包层(2)的表面上刻印有承载信息的数据坑(3)；采用折射率较低的透明硅橡胶作为包层(2)材料，采用折射率与透明硅橡胶不同的透明材料作为芯层(1)，作为包层(2)材料的透明硅橡胶为聚二甲基硅氧烷，采用薄玻璃片作为芯层(1)的材料。该方法包括模板制作、信息复制、多层粘合三个基本过程；该只读光卡存储容量大，有利于工业化生产。

Description

波导多层只读光卡及其软刻印制作方法

技术领域

本发明属于光信息存储技术，具体涉及三维数据存储器中波导多层只读光卡的基本结构及其制作方法。

背景技术

三维光学存储器中数据不只记录在介质的表面，而是记录在具有一定厚度的介质体内。三维光存储主要有两种方式：一是全息体存储二是多层位存储。多层位存储要求光学系统能够对任意层面进行选址并有效克服层间串扰的影响。多层位存储通常采用双光子方式记录，以提高存储密度和减少层间串扰。但双光子技术需要采用结构复杂、体积庞大的大功率(约10²W量级)脉冲激光光源(如Nd：YAG钇钕石榴石激光器)，成本昂贵。从而使多层位存储仍处于实验室研究阶段，难以得到实际应用。

2002年我国南京师范大学梁忠诚课题组提出一种基于新原理的波导多层光存储新技术(Zhongcheng Liang，Tao Yang，Hai Ming，Jianping Xie，A novel3D multilayered waveguide memory.Proc.SPIE Vol.4930，pp.134-137，2002；中国发明专利：ZL02138417.7；ZL02138418.5)。波导多层光存储的基本原理包括：利用波导缺陷记录数据；利用波导缺陷的漏光效应读出数据；利用波导对光的空间约束作用抑制层间串扰。该方法可以采用单光子记录材料，从而克服双光子记录方式设备和技术上的困难。读出数据可采用传导光照明方式，通过收集波导缺陷漏出的散射光来读取数据，这样既保持了发光型读出灵敏度高的优点，又不存在双光子技术中荧光读出的数据擦除效应。

存储卡是一种将信息记录在特定存储介质中并以卡片形式应用的数据存储技术。根据存储介质的不同，存储卡主要有磁卡、IC卡(集成电路卡)和光卡三种类型。磁卡技术具有使用方便、成本低廉的优点，但缺点是安全性能低、存储容量小(低于1KB)。IC卡的特点是具有编程功能，抗破坏性好、保密性强，但存储容量不超过10KB。光卡是继磁卡、IC卡之后的又一项存储卡技术，与磁卡和IC卡相比，光卡具有存储量大(2MB以上)、存储时间长(10年以上)、不受磁场干扰、不易磨损、成本低等优点，因此具有广阔的应用前景。目前光卡的核心技术掌握在世界上仅有的两家光卡制造公司手中(美国LCC公司和日本的CANON公司)，国内尚没有具有自主知识产权的光卡制造企业。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种存储容量大，有利于工业化生产的波导多层只读光卡及其软刻印制作方法。

技术方案：本发明将波导多层存储方法与光卡技术相结合，提出波导多层光卡新技术，并提出一种实现波导多层只读光卡的软刻印制作方法。软刻印(softlithography)技术是一种基于自组装和复制模塑原理的微米和纳米加工方法，是相对于微制造领域中占据主导地位的刻蚀技术而言的微图形转移和微制造的新方法。软刻印的基本思想就是用软性聚合物对微图形进行简便而又精确的复制。本发明将软刻印技术变化后移植应用于波导多层光卡的数据复制和制作过程，这不但有利于产品的工业化批量生产，同时由于软刻印技术具有纳米级空间分辨能力，还为光卡的数据存储容量提供了巨大的发展潜力。

本发明的波导多层只读光卡由芯层与包层交替复合层叠而成，在每一包层的表面上刻印有承载信息的数据坑；采用折射率较低的透明硅橡胶作为包层材料，采用折射率与透明硅橡胶不同的透明材料作为芯层。作为包层材料的透明硅橡胶为聚二甲基硅氧烷，采用薄玻璃片作为芯层的材料。

本发明的波导多层只读光卡的软刻印制作方法包括模板制作、信息复制、多层粘合三个基本过程；

模板制作：首先通过传统的光刻法制作玻璃母板，然后利用玻璃母板通过电铸法获得金属母板，最后利用金属母板通过注塑法或压印法获得聚合物模板；

信息复制：即将模板上的信息转移到硅橡胶包层表面的过程，首先将加入交联剂的流态硅橡胶单体均匀旋涂于模板表面，并加热预固化形成预定厚度的硅橡胶包层；然后将芯层玻璃片粘贴于包层硅橡胶表面；最后，待冷却后将聚合物模板剥离，这样信息就被刻印到硅橡胶表面，这一过程结束后得到印有信息的芯层-包层复合片；

多层粘合：将多个芯层-包层复合片叠合在一起，稍加压力，使玻片与硅橡胶表面共形接触，再通过加热使玻片与硅橡胶键合，形成一体。

本发明的关键之一在于将波导多层存储与光卡存储技术相结合，提出了一种新型的波导多层只读光卡存储器结构方案。发明要点在于采用折射率较低的透明硅橡胶作为包层材料，同时将信息刻印在硅橡胶表面。这种结构具有光耦合效率高、光散射效率强的优点。

本发明的关键之二在于提出一种波导多层只读光卡的软刻印制作方法，该方法包括“模板制作、信息复制、多层粘合”三个基本过程。发明要点在于：采用硅橡胶材料对信息进行软刻印方法复制，具有信息容量大，便于批量制作的特点。采用聚合物材料制作软刻印的模板，有利于模板与硅橡胶的剥离。在实施例中选择玻片作为芯层，PDMS作为包层，可以通过热键合法使二者直接粘合，有利于简化制作工艺，提高器件性能。

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

1、提出了波导多层光卡存储概念，技术原理新、存储容量大。

2、提出一种波导多层只读光卡的结构设计，采用低折射率透明硅橡胶作为包层材料，同时将信息刻印在硅橡胶表面，具有光耦合效率高、光散射效率强的优点。

3、提出一种波导多层只读光卡的软刻印制作方法，采用软刻印方法复制信息，具有空间分辨率高、信息容量大、便于批量生产的优势。

4、采用聚合物材料制作软刻印的模板，有利于模板与硅橡胶的剥离。在实施例中选择玻片作为芯层，PDMS作为包层，可以通过热键合法使二者直接粘合，有利于简化制作工艺，提高器件性能。

附图说明

图1波导多层只读光卡的结构和原理示意图。图中有芯层1、包层2、数据坑3。

图2波导多层只读光卡的软刻印制作流程图。

具体实施方式

本发明提出一种波导多层只读光卡存储器，其芯层材料采用折射率较高的透明基片，包层材料采用折射率较低的透明硅橡胶，信息是刻印在硅橡胶表面的凹坑。当各层粘合后，某层基片及与之相邻的两硅橡胶层构成平面波导结构，硅橡胶表面的数据坑形成波导缺陷。当读出光耦合进入芯层后，将在数据坑处产生散射，散射光由读出系统收集后恢复相应的信息。本发明具体实施例中采用高性能的薄玻璃片作为芯层材料，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为硅橡胶包层材料，同时承载信息。这是由于玻璃与PDMS两者的折射率差值较大，有利于能量的耦合；同时，玻片与PDMS之间可以通过热键合法粘合，无需外加粘合剂，这种情况下数据坑是玻璃与硅橡胶之间形成的空气隙。

本发明提出一种实现上述波导多层只读光卡的软刻印制作方法，该方法包括“模板制作+信息复制+多层粘合”三个基本过程。

模板是指表面印有信息台阶的硬质聚合物平板，用于最终将信息转移到硅橡胶表面。模板制作可以采用与制作CD-ROM光盘相似的方法：首先通过传统的光刻法制作玻璃母板，然后利用玻璃母板通过电铸法获得金属母板，最后利用金属母板通过注塑法或压印法获得聚合物模板。本发明具体实施例中采用了聚碳酸脂(PC)作为模板材料，是因为通常情况下PC与PDMS表面间键合作用微弱，可以将两者轻易地剥离。

信息复制是将模板上的信息转移到硅橡胶包层表面的过程。信息复制过程借鉴了软刻印技术：首先将加入交联剂的流态硅橡胶单体均匀旋涂于模板表面，并加热预固化形成预定厚度的硅橡胶包层。然后将芯层玻璃片粘贴于包层硅橡胶表面，本发明实施例中采用加热法使玻片与硅橡胶层键合在一起。最后，待冷却后将聚合物模板剥离，这样信息就被刻印到硅橡胶表面。这一过程结束后得到印有信息的芯层-包层复合片。

多层粘合是将印有信息的芯层-包层复合片通过一定方法粘合在一起，形成波导多层光卡结构的过程。本发明实施例采用热键合法实现多层粘合：将多个芯层-包层复合片叠合在一起，稍加压力，使玻片与硅橡胶表面共形接触，再通过加热使玻片与硅橡胶键合，形成一体。

在本发明具体实施例中，波导芯层材料采用VWR Scientific公司生产的一种生化实验专用的盖玻片(型号：WEST Chester，PA19380)，该玻片韧性很好，透光率高，其尺寸为：25(长)×25(宽)×0.15(厚)mm³，折射率为1.515。包层材料是聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)，其折射率为1.406。PDMS化学性质稳定、柔韧性好，成型方便，易于使用，是软刻印技术中常用的材料。重要的是PDMS能跟玻璃形成密封，所以可以同时作为信息的载体和粘合剂。

如图2所示，软刻印方法制作波导多层只读光卡的实施过程具体说明如下：

(一)模板制作

用于软刻印的模板材料选择聚碳酸脂(PC)透明片，厚度为0.6mm，尺寸适中。选用PC是因为PC与PDMS表面键合作用微弱，可以比较容易地将两者剥离。模板的制作过程是：玻璃母板→金属母板→聚合物模板。

1.玻璃母板：采用传统的光刻法制作。首先在玻璃基板上旋涂负性光刻胶，然后用激光直写法曝光，显影后得到玻璃母板。

2.金属母板：利用玻璃母板通过电铸法获得金属镍板。

3.聚合物模板：利用金属母板通过压印法在PC片上获得用于软刻印的聚合物模板。

(二)信息复制

1.模板的表面处理：

将聚合物模板放入超声波震荡器中作表面处理，处理液为水+洗涤剂。表面处理的作用一是清洁模板表面，二是使模板表面吸附一层表面活性剂分子，有利于模板与硅橡胶层的剥离。

2.硅橡胶的准备：

在流态硅橡胶单体中加入交联剂，放入离心机的离心管中，高速旋转后取出备用。高速离心旋转的作用是使单体和交联剂充分混合并去除混合液中的气泡。

3.硅橡胶的旋涂：

将模板吸附在匀胶机的托盘表面，在模板表面滴注准备好的流态硅橡胶。开动匀胶机使硅橡胶单体涂布于模板表面，形成一定厚度的薄膜。

4.硅橡胶的固化：

将旋涂了硅橡胶单体的聚合物模板放入干燥箱中，在80℃温度下预固化约40分钟。在预固化的硅橡胶表面覆盖芯层玻璃片后继续固化2小时以上，使盖玻片与硅橡胶层产生键合。

5.模板的剥离：

盖玻片与硅橡胶层键合后，将聚合物模板剥离，得到这样信息就被刻印到硅橡胶表面。这一过程结束后得到印有信息的芯层-包层复合片。

(三)多层粘合

采用热键合法实现多层粘合：将多个芯层-包层复合片叠合在一起，稍加压力，使玻片与硅橡胶表面密切接触，再通过加热使玻片与硅橡胶键合，形成波导多层光卡。

Claims (3)

1、一种波导多层只读光卡，其特征在于该波导多层只读光卡由芯层(1)与包层(2)交替复合层叠而成，在每一包层(2)的表面上刻印有承载信息的数据坑(3)；采用折射率较低的透明硅橡胶作为包层(2)材料，采用折射率与透明硅橡胶不同的透明材料作为芯层(1)。

2.根据权利要求1所述的波导多层只读光卡，其特征在于作为包层(2)材料的透明硅橡胶为聚二甲基硅氧烷，采用薄玻璃片作为芯层(1)的材料。

3、一种如权利要求1所述的波导多层只读光卡的软刻印制作方法，其特征在于该方法包括模板制作、信息复制、多层粘合三个基本过程。

模板制作：首先通过传统的光刻法制作玻璃母板，然后利用玻璃母板通过电铸法获得金属母板，最后利用金属母板通过注塑法或压印法获得聚合物模板；

信息复制：即将模板上的信息转移到硅橡胶包层表面的过程，首先将加入交联剂的流态硅橡胶单体均匀旋涂于模板表面，并加热预固化形成预定厚度的硅橡胶包层；然后将芯层玻璃片粘贴于包层硅橡胶表面；最后，待冷却后将聚合物模板剥离，这样信息就被刻印到硅橡胶表面，这一过程结束后得到印有信息的芯层-包层复合片；

多层粘合：将多个芯层-包层复合片叠合在一起，稍加压力，使玻片与硅橡胶表面共形接触，再通过加热使玻片与硅橡胶键合，形成一体。

Images