CN1882991A - 用于制造荧光光学信息载体的方法及其装置和载体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制造高对比度光存储盘的方法。该方法包括使用所谓的液体压印技术工序，该工序对大量制造荧光光学数据存储盘有好处。本发明还涉及高对比度光学存储盘，其包括信息层，信息层包括基底上的荧光染料。信息层包括槽脊和凹槽的结构，其中槽脊具有大致为零的厚度；和凹槽具有有限的厚度。光学存储盘最好为多层。本发明还涉及适合制造高对比度的光学荧光存储盘的装置。
Description
技术领域
本发明涉及制造荧光光学信息载体的方法。
本发明还涉及荧光光学信息载体。
此外本发明涉及用于制造荧光光学信息载体的装置。
本发明与光学数据存储和制造光学数据存储盘特别相关，尤其与能用作数据存储介质的高对比度多层荧光光盘相关。
背景技术
在光记录领域，增加信息载体的容量是趋势。已经研究的用于增加数据容量的方法包括在信息载体中使用许多信息层。例如，DVD(数字视频盘)可包括两个信息层。信息依靠光束使用局部折射指数变化或存在的表面起伏结构记录在信息层上或从信息层读取。
为了增加信息载体层的数目，已经提出荧光多层信息载体。1999年12月28日授权的美国专利US 6,009,065描述了这种荧光多层信息载体和用于从该载体读取的光盘装置。
在各信息层中，信息是以一系列的荧光和非荧光单元贮存或记录的，荧光单元由与光束相互作用时能产生荧光辐射的荧光物质组成。载体层通过间隔层分离，该间隔层对于一定波长的光束和荧光辐射是透明的。
光束通过物镜聚焦在载体层上。当所述层的荧光单元吸收光束能量时，产生荧光信号。该荧光信号由于所谓的行程偏移而具有波长，其不同于激发束的波长。因此，荧光信号和非寻址层之间的交互作用相对较小，因为非寻址层在荧光信号的波长下的吸收是相对较小。
然后检测单元检测荧光信号。检测单元包括用于分离来自寻址层的荧光信号和来自非寻址层的荧光信号的装置。例如，共焦点地插入到光电二极管的前面，以便在空间上阻碍来自非所述层的荧光信号。
荧光数据存储因为感光感应发射的光而施加在多层介质系统上，所述光是不连贯的，具有与激发束不同的波长。因而，在来自不同的层的光子之间不会发生不利的干涉效应。然而，与相位光栅系统相反，在“一”和“零”之间的发射对比不是通过折射或反射束的干涉实现的。它仅通过发射光的强度差异实现。用于调制发射的两个可能性是吸收率和或发射度空间调制。两个可能性都可通过单位面积光束直径上染料的有效局部浓度实现。该有效局部浓度可调整为化学意义上(单位体积的分子数)的浓度，或者物理意义上(每分子的吸收率)的浓度或者简单为层厚度的变化。后者是最明显的，虽然已经提出通过改变分子定向(相对于入射偏振束的跃迁力矩)而改变吸收率。
改变层厚度从而制造数据层可通过以下实现：(i)结构化基底，荧光层通过旋涂施加在基底上，或(ii)在通过压印将荧光层施加到扁平的基底上之后结构化荧光层。前者方法(i)粗略显示在图1中。基底可使用相同的技术结构化，该技术被用于传统的光记录介质(ROM)，比如喷射造型。该方法的问题在于在旋涂的同时形成连续层，在干燥后连续层的层厚度已经被调制，但是层厚度不会等于零。增加凹槽的深度可以增大调制，但是这种结构的复制工艺限制了这一点。如图2粗略显示的第二个方法(ii)也遇到类似的问题。不可能将槽脊的层厚度减小到零，这个事实限制了凹槽的层厚度与槽脊的层厚度的比值，凹槽结构的纵横比受到复制工艺的限制。图1显示现有技术中用于在信息载体盘的结构化基底上制造荧光层的工序。在步骤100中，采用的结构化基底104上涂抹有荧光层102。基底104可使用类似的技术结构化，该技术被用于传统的光学记录介质(例如ROM)，例如喷射造型。在步骤110的旋涂形成连续层之后和在干燥之后层108形成。但是槽脊具有的厚度不等于零。
图2显示的现有技术工序中用于在信息载体盘的未结构化基底上制造结构化荧光层的工序。在步骤200中硬质压模202和未结构化基底206一起使用，荧光层204涂抹到该基底上。在步骤210中，施加硬质压模202，荧光层204将变形为结构化荧光层208。在步骤220中，硬质压模202将被移除，可能在硬化步骤之后形成最终的结构化荧光层210。因为压模202是硬质的，所以不可能使用这些方法实现结构化表面，其中槽脊具有零厚度(或者甚至不接近零)。
到目前为止，制造在凹槽和槽脊之间具有尽可能高对比度的荧光数据层的盘是不可行的。改善调制的根本步骤是将槽脊(或凹槽)中的发射实际减小到零。除此之外，对于光学只读存储器介质，优选的工艺是是整个层在单个步骤中结构化，以便加速工艺过程和使成本尽可能低。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于在基底上制造光学信息层的易于实践、低成本的工艺，以及能执行该工艺的装置。该工艺尤其适合于光学存储盘，因为它必须可能大量生产，例如只读光盘(或其混合盘)。方法的适用目标是荧光光学存储盘，这些盘可能是多层的。
本发明的另一个目的是提供光学存储盘，其包括信息层，信息层包括基底上的荧光染料。信息层包括槽脊和凹槽的结构，其中槽脊具有大致为零的厚度；和凹槽具有有限的厚度。
为了信息层的最大调制，发明人提出采用如下方式结构化荧光介质：槽脊(或凹槽)区域的层厚度实际变为零，但是在其余区域处它具有强信号要求的厚度。对于多层介质，发明人发现为了最小化来自不同层的本底辐射，尤其优选具有零厚度的连续(槽脊)区域和具有最大厚度的凹槽。
在一个实施例中，例如，从通过工艺(i)和(ii)(如上所述，分别对应图1和图2)获得的介质开始，发明人通过蚀刻结构化荧光层而实现目标，例如反应离子蚀刻。在这种工艺中，材料通过离子轰击从表面移除，如图3粗略所示。优选地在垂直于表面的方向上移除。采用这种方式，不影响图案的横向分辨率。选择蚀刻等离子成分，以致侵蚀速度在荧光层和基底(或者在基底和荧光层之间涂抹的涂层)之间存在很大差异。采用这种方式，蚀刻实际上将在界面处停止。这种方法可能的缺点是额外的蚀刻步骤，其增加介质的成本，在蚀刻期间增加对荧光染料的潜在损害。
在另一个实施例中，实现真正零厚度的优选技术包括所谓的液体压印工艺。在该工艺中，在软性压模的帮助下结构化在液态层中进行。到目前为止，液体压印技术用于半导体技术仅仅是设想，类似地(参见WO0120402-A1“通过液体压印制造具有精细特征的装置”)。发明人显示如何将液体压印技术应用于制造高对比度荧光数据存储介质。该技术对用于包括只读存储器(ROM)的光学存储介质尤其重要，因为它们典型地需要大量生产。
参考以下描述的实施例，本发明的这些及其他方面将被阐明而变得显而易见。
附图说明
现在参考附图通过示例更详细地描述本发明，其中：
图1显示现有技术在结构化的基底上制造荧光层的步骤；
图2显示现有技术通过压印在扁平基底上制造结构化荧光层的步骤；
图3显示根据本发明通过先压印后蚀刻在扁平基底上制造结构化荧光层的步骤；
图4a显示根据本发明制造荧光信息载体盘的步骤；
图4b显示根据本发明制造荧光信息载体盘的替代的步骤；
图5显示根据本发明用于制造荧光信息载体盘的装置，还显示制造盘的阶段或步骤；
图6显示根据本发明用于制造荧光信息载体盘的替代的装置，还显示制造盘的阶段或步骤；
图7显示根据本发明用于制造荧光信息载体盘的另外一个的装置，还显示制造盘的阶段或步骤。
在整个附图中，相同的附图标记引用相同的元件、或大致执行相同功能的元件。
具体实施方式
图3显示根据本发明通过先压花后蚀刻在扁平基底上制造结构化荧光层的步骤。
图3的步骤300从通过工艺过程(i)和(ii)(分别在图和图2中描述)获得的介质开始。在步骤300中，来自位于载体306上的层304的结构化荧光通过离子轰击从表面被移除。优选地在垂直于表面的方向上被移除。采用这种方式，不影响图案的横向分辨率。蚀刻一直延续到荧光304在凹槽处被移除。选择蚀刻等离子成分，以致侵蚀速度在荧光层和基底(或者在基底和荧光层之间涂抹的涂层)之间存在很大差异。采用这种方式蚀刻实际上在交界面，载体306处停止。
如步骤310所示，在蚀刻之后制造完整的结构化荧光层308。如310所示，层308的槽脊具有足够的厚度，凹槽具有零厚度。
图4a显示制造根据本发明实施例的荧光信息载体盘的工序。
在步骤410中软性压模400是由模具402得到的例如PDMS(聚二甲氧基硅氧烷)模制件，该软性压模典型地包含要求的微观结构。模具402可以是Ni垫片，其使用已存在的冲压技术制造，其被用于DVD基底的喷射造型，除了较高的结构深度之外。
在步骤420中压模410被转移到固态基底403上，以便帮助操作。
在步骤425中基底406(典型的光学基底)涂有溶液404，该溶液为常用溶剂中的荧光染料和聚合物，该荧光染料类似香豆素-30，该聚合物类似聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或聚乙烯醇(PVA)，该常用溶剂类似乳酸乙酯或乙醇。调整溶液404中的聚合物浓度以获得用于后续旋压和压印工序的最佳溶液粘度。溶液404中的染料浓度调节到聚合物具有最高效率(避免急冷)。
步骤430包括将溶液404旋压到具有要求厚度的层407(典型为小于结构深度一半的数量级；原因见下文)。
在步骤440中压模400被施加到层407(典型为湿层)。压模400至少位于基底406上，直到压模400(压模典型地类似橡胶材料)下面的溶液404的液态膜被挤出以便形成溶液404的结构化层408。表面张力典型执行挤出动作。优选地被挤出的液态膜材料移动到存在于压模450中的腔409。在液态膜材料移动之后，腔409的厚度d1应大于结构化层408的厚度。否则层407将太厚。另一方面如果层407的厚度不够，则结构化层408的厚度也会不够。所以在最佳情况中，407的厚度应满足厚度d2几乎与厚度d1一样大。换句话说：凹槽表面积(例如方形层416的上表面)相对于压模接触基底406的一侧的总表面积可确定层407的最大允许厚度。
在步骤450中压模400被小心释放。
结构化层408在步骤460中在稍微高的温度下被干燥，以便形成干燥的结构化层412。至此描述的工序具有成本效率，兼容薄基底上的工序。在染料上没有热负荷。压模400可以是重复使用。然而限制来自要求低粘度的溶液404。要求低粘度是为了实现压模400下面的材料移动的合理速率。在溶剂蒸发的情况下，这导致在干燥结构化层408之后减少了已干燥的结构化层412的厚度。
图4b显示制造根据本发明实施例的荧光信息载体盘的替代的工序。步骤410、420、425、430和440大致类似图4a中的描述。
在优选实施例中，溶剂在层414中使用，该层在压印(例如，通过UV照射，其能开始或加速聚合反应)之后在步骤470中被硫化为聚合物网络。应注意到步骤470的硫化可与步骤440的施加压模400形成结构化层408大致同时进行。在硫化的情况下，聚合物不是必需的，因为使用的特殊(活性)溶剂能硫化为聚合物(活性溶剂典型地通过在UV光下曝光形成基，该基将依次起反应形成聚合物)。硫化过程可以在一秒内执行。典型地，硫化过程在贫氧环境下执行，例如氮气环境。
干燥处理可包括将位于层414中的溶剂扩散到压模400中的扩散过程。压模400能被多次使用，但是应该小心，它不能太充满溶剂，否则扩散过程将慢下来。当溶剂数量有限时，干燥处理可执行得相当快速，例如因为层141的厚度有限(例如，典型地为小于1微米数量级)。由于替代的或组合方案，干燥也可在层416已经形成之后执行。干燥处理可通过升高周围温度而加速。
替代地，在另一个优选实施例的步骤470中，层414必然组分的化学反应固化层414。
在步骤480中，在移除压模400后，形成完整的结构化层416，结构化层保持在基底406上。
应注意到，图4a和4b、5、6、和7显示的结构未按比例描绘。同样典型地仅局部绘制结构，以便更加清楚地改善它们的功能。此外，只显示压模的一部分是可能的，例如，压模400实际上是具有例如弯曲形状的较大压模的一部分。例如，弯曲压模的一部分在层404和407上方，弯曲压模的另一部分形成结构化层408或414，弯曲压模的另一部分现在仍在412或416上方。图5、6和7将更详细地阐明这些。
图5显示根据本发明用于制造荧光信息载体盘的装置的一个实施例，还显示制造盘的阶段或步骤。
图5显示的装置包括转鼓520，位于鼓520外表面的软性压模500，具有孔550的标线片530，以及UV源540。图5还显示信息载体，其包括基底506，新形成的结构化层512，已经涂抹到基底506上的溶液504，以及正在形成的新结构508。信息载体相对于装置移动，因为鼓520和压模500是旋转的，因而压模500外表面的速度与信息载体在正在形成新结构508的该点处的速度大致相同。转鼓520的速度确定压模600与结构608接触的时间。UV源540通过孔550和通过具有UV光的基底506照射新结构。UV光在结构508中开始聚合反应，以便最后产生新形成的结构化层512。层512典型地包括凹槽(方形的512)和槽脊(方形之间的空闲空间)。UV光激活感光引发剂，其发起溶液504中溶剂的聚合反应。反应在在新结构508中进行。当被UV光曝光时，感光引发剂分解成基，其能依次开始与反应溶剂反应以便产生聚合物。溶液504典型地包括反应溶剂和荧光染料。在图5装置的替代的实施例中，孔550至少部分位于层512的下侧，因为直到压模500从形成层512的基底506释放以后才开始反应也是可能的。
图6显示根据本发明用于制造荧光信息载体盘的装置的另一个实施例，还显示制造盘的阶段或步骤。
图6显示装置包括转鼓620，位于鼓620外表面的软性压模600。图6还显示信息载体，其包括基底606，新形成的结构化层612，已经涂抹到基底606上的溶液604，以及正在形成的新结构608。信息载体相对于装置移动，因为鼓620和压模600是旋转的，因而压模600外表面的速度与信息载体在正在形成新结构608的该点处的速度大致相同。溶液604典型地包括溶剂、荧光染料和聚合物。当压模600接触或大致足够接近结构606时，溶剂将大致扩散到软性压模600中，因为软性压模600从信息载体上方移动。图6显示已扩散的溶剂660的结果。结构608最后产生新形成的结构化层612。层612典型地包括凹槽(方形的612)和槽脊(方形之间的空闲空间)。在图6装置的二中择一的实施例中，在新形成的结构化层612已经通过干燥工艺形成之后，溶剂可以从溶液604中移除。有可能实现充足的溶剂移除任何扩散到软性压模600中的溶剂，但组合也是可能的。
图7显示的装置，所谓的波形印刷设备，包括压力施加基底770和软性压模700。图7还显示信息载体，其包括基底706，新形成的结构化层712，已经涂抹到基底706上的溶液704，以及正在形成的新结构708。正在行进的波形780相对于装置和信息载体移动。基底770适合于感应压模700中正在行进的波形780。波形780从压模700的一侧移动到另一侧。在工艺过程中，压模700与溶液704和基底708接触，从而形成层712。需要很好地控制波形780的速度。溶液704典型地包括溶剂、荧光染料和聚合物。在一个实施例中，当压模700接触或大致足够接近结构706时，溶剂将大致扩散到软性压模700中，因为软性压模700从信息载体上方移动。结构708最后产生新形成的结构化层712。层712典型地包括凹槽(方形的712)和槽脊(方形之间的空闲空间)。在图7装置的替代的实施例中，在新形成的结构化层712已经通过干燥工艺形成之后，溶剂可以从溶液704中移除。有可能实现充足的溶剂移除任何扩散到软性压模700中的溶剂，但组合也是可能的。
熟悉本领域技术的普通人员将意识到通过调整所述的步骤可设计供选择的方案制造荧光层。
上文仅仅阐明本发明的原则。因而应理解熟悉本领域技术的人员能设计各种装置，虽然该装置未在此文中明确描述或显示，但体现了本发明的原则，因而在本发明的实质和范围之内。
Claims (20)
1.一种在基底上制造光学信息层的方法，该方法包括以下步骤：
将溶液旋压(430)到基底上，其中溶液包括荧光染料；
接触(440)溶液和形成结构化层的基底上的结构化压模；
固化(470)结构化层；和
将压模从结构化层和基底释放(480)。
2.如权利要求1所述的方法，包括从模具模制该压模的步骤；其中模具包括微观结构。
3.如权利要求2所述的方法，其中压模包括橡胶材料，所述橡胶材料包括聚二甲氧基硅氧烷(PDMS)。
4.如权利要求3所述的方法，其中溶液还包括溶剂和聚合物，以及其中固化步骤包括把一大部分溶剂扩散到压模中。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，模具包括主垫片和Ni垫片之一，该Ni垫片从主垫片处获得。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，接触步骤包括将溶液从压模底部的下侧挤出，以致底部接触载体。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，溶液包括活性溶剂，和其中固化步骤包括将一大部分活性溶剂硫化为聚合物网络。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，硫化包括使用UV光照射溶液。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，染料包括香豆素-30。
10.一种在基底上制造光学信息层的方法，该方法包括以下步骤：
将溶液旋压(430)到基底上，其中溶液包括荧光染料；
接触(440)溶液和形成结构化层的基底上的结构化压模；和
将压模从结构化层和基底释放(450)；
固化(460)结构化层。
11.如权利要求10所述的方法，其中压模包括橡胶材料，所述橡胶材料包括聚二甲氧基硅氧烷(PDMS)。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，染料包括香豆素-30，其中溶液还包括：
聚合物；和
溶剂。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，固化步骤包括通过从结构化层蒸发大量的溶剂干燥结构化层。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，干燥步骤包括升高周围温度。
15.如权利要求10所述的方法，包括以下步骤：
调整溶液中的聚合物浓度，以便实现用于旋压、接触和定位步骤的大致最佳粘度；和
将溶液中的染料浓度调整到聚合物的浓度，以便实现大致最高效率，避免急冷。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，
聚合物包括聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和聚乙烯醇(PVA)之一；和
溶剂包括乳酸乙酯和乙醇之一。
17.一种在基底上制造光学信息层的方法，该方法包括以下步骤：
将溶液旋压到基底上，其中溶液包括荧光染料；
接触溶液上的结构化压模；
将压模放置在溶液上，直到形成结构化溶液，其中结构化溶液包括槽脊和凹槽；
从结构化溶液释放压模；和
垂直于其表面蚀刻(300)结构化溶液，直到槽脊的厚度大致变成零(310)。
18.一种光存储数据盘，包括：
信息层，其包括荧光染料；和
基底(406)，信息层位于基底上；其中信息层包括槽脊和凹槽(412，416)的结构，以及其中
槽脊具有大致为零的厚度；和
凹槽具有有限的厚度。
19.如权利要求18所述的光存储数据盘，包括多个信息层，其中至少一个信息层包括只读存储器。
20.一种用于在基底上制造光学信息层的装置，该装置包括：
转鼓(520)，软性压模(500)可连接在其外表面；
具有孔的标线片(530)；
照射源(540)；和
用于移动具有液体溶液的基底的装置，因而基底位于压模的外表面和标线片之间，以及基底以大致接近于压模外表面的方向和速度移动，其中
布置照射源以致它可以通过孔朝着鼓照射具有溶液的基底。
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