DE60307646T2 - Mehrfach gestapelter optischer aufzeichnungsträger, welcher eine thermochrome schicht enthält - Google Patents

Mehrfach gestapelter optischer aufzeichnungsträger, welcher eine thermochrome schicht enthält Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Mehrfachstapel-Informationsträger zur Aufzeichnung von Informationen durch einen Laserstrahl, wobei der optische Informationsträger Folgendes umfasst:
    • – eine Substratschicht,
    • – zumindest zwei Aufzeichnungsstapel, die jeweils eine Aufzeichnungsschicht, zumindest eine Wärmeableitschicht, und dielektrische Schichten zwischen der Aufzeichnungsschicht und der zumindest einen Wärmeableitschicht umfassen,
    • – zumindest eine Beabstandungsschicht, die die zumindest zwei Aufzeichnungsstapel trennt,
    • – eine Abdeckschicht.
  • Derartige optische Mehrfachstapel-Informationsträger sind zum Beispiel aus US,6,190,750 bekannt. Derartige optische Informationsträger werden in der DVD- oder der DVR-Technologie als beschreibbare (einmalig beschreibbare) oder wiederbeschreibbare (mehrmals beschreibbare) Informationsträger angewendet, zum Beispiel als Doppelschichtdisk, die zwei Schichten eines Phasenänderungsmaterials umfasst. Optische Informationsträger können auch mehr als zwei Aufzeichnungsschichten, d.h., mehrere Aufzeichnungsstapel übereinander, und andere Aufzeichnungsmaterialien als ein Phasenänderungsmaterial aufweisen.
  • Bei derartigen optischen Aufzeichnungsträgern sind die Aufzeichnungsschichten aus einem Phasenänderungsmaterial wie etwa Chalkogenid-Legierungen, Ge2Sb2Te5-Legierungen, SbTe-Legierungen, usw. hergestellt. Weitere nützliche Legierungen sind In-Sb-Te, Te-Se-Te, Ag-In-Sb-Te, Ge-In-Sb-Te oder Ge-Te. Besonders nützliche Verbindungen sind in den Patentanmeldungen WO 01/13370 und WO 97/50084 beschrieben. Diese Materialien sind dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenänderungsmaterial eine kristalline und eine amorphe Phase aufweisen kann. Die amorphe Phase wird durch lokales Erhitzen der anfänglich kristallinen Aufzeichnungsschicht mit einem fokussierten Laserstrahl auf mehr als ihre Schmelztemperatur und ihr anschließendes Abschrecken (Schnellabkühlen) erhalten. Die kristalline Phase wird erhalten, indem das amorphe Material mit einem fokussierten Laserpunkt auf mehr als die Glasübergangstemperatur erhitzt wird, um eine Rekristallisierung des Phasenänderungsmaterials zu gestatten. Diese Phasenänderungen sind umkehrbar, was dieses Material für mehrere Schreibzyklen geeignet macht. Es ist auch ein Schreibzyklus möglich. Durch Anlegen einer Abfolge von Laserimpulsen mit hoher (schreibender) und niedrigerer (löschender) Laserleistung wird eine abwechselnde Abfolge von amorphen Zeichen und kristallinen Räumen erhalten, die Binärdaten darstellen. Die unterschiedlichen optischen Eigenschaften der amorphen und der kristallinen Phase gestatten ein Auslesen von Daten. Diese Art von Phasenänderungsmaterial kann auch in einmalig beschreibbaren Disks angewendet werden. Der anfängliche Zustand des Phasenänderungsmaterials kann wie abgelagert amorph oder kristallin sein, wobei die Phase des geschriebenen Zeichens sein Gegenstück ist. Dies bedeutet, dass amorphe Zeichen durch Schmelz-Abschrecken der Phasenänderungsschicht geschrieben werden können. Kristalline Zeichen können durch Kristallisierung des anfänglich amorphen Materials geschrieben werden.
  • Bei einem Doppelstapel-Informationsträger werden beide Informationsschichten (Aufzeichnungsschichten) durch den gleichen optischen Laserstrahl beschrieben und gelesen. Um auf den tiefen Aufzeichnungsstapel zuzugreifen, muss der erste Aufzeichnungsstapel halbdurchlässig sein. Um fähig zu sein, Daten in den tiefen Aufzeichnungsstapel zu schreiben, benötigt der erste Aufzeichnungsstapel eine Durchlässigkeit von etwa 50 %. Wenn die Reflexion des ersten Aufzeichnungsstapels 10 % beträgt, bleibt eine Absorption des einfallenden Lichts von etwa 40 %. Eine Übertragung von 50 % wird nur erzielt, wenn dicke metallische Wärmeableitschichten aus den Aufzeichnungsschichten weggelassen werden. Diese dicken metallischen Schichten werden typischerweise in herkömmlichen Phasenänderungs-Aufzeichnungsstapeln verwendet. Das Weglassen einer dicken metallischen Wärmeableitschicht führt zu einem langsam abkühlenden Verhalten. Das Wärmeansprechen kann durch das Hinzufügen von dünnen metallischen Schichten wie etwa Ag-Schichten von 10 nm oder halbdurchlässigen Wärmeableitschichten verbessert werden. Obwohl die Abkühlgeschwindigkeit durch das Hinzufügen dieser halbdurchlässigen Wärmeableitschichten deutlich verbessert wird, beträgt die Absorption immer noch 40 %. Als Folge wird viel mehr Laserleistung benötigt, um die Phasenänderungsschicht zum Schreiben von amorphen Zeichen in die kristalline Schicht schmelz-abzuschrecken. Typischerweise wird die doppelte Schreibleistung benötigt, wenn halbdurchlässige Wärmeableitschichten mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa dem Fünffachen jener von ZnS-SiO2, wie es typischerweise in Einzelstapel-Phasenänderungsdisks verwendet wird, angewendet werden.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Mehrfachstapel-Informationsträger bereitzustellen, der während des Schreibens, insbesondere in den ersten Aufzeichnungsstapel, eine verbesserte Empfindlichkeit aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen wie in Anspruch 1 beanspruchten Informationsträger gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest ein Aufzeichnungsstapel ferner zumindest eine thermochrome Schicht umfasst, die temperaturabhängige optische Eigenschaften aufweist, um die Empfindlichkeit zumindest eines der Aufzeichnungsstapel während der Aufzeichnung zu verbessern.
  • Die Erfindung beruht auf der Idee, dass das Vorhandensein einer thermochromen Schicht nur wahrgenommen wird, wenn Daten in den ersten Aufzeichnungsstapel geschrieben werden, d.h., der Laserstrahl auf diesen Phasenänderungs-Aufzeichnungsstapel fokussiert ist. Genauer soll ein optischer Doppelstapel-Aufzeichnungsträger als ein Beispiel betrachtet werden, der zwei Stapel umfasst, die durch eine Beabstandungsschicht mit einer Dicke von etwa 10 bis 100 μm (die niedrigeren Werte beziehen sich auf Informationsträger mit hoher Dichte wie etwa BD (das frühere DVR-System), und die höheren Werte beziehen sich zum Beispiel auf DVD-Doppelstapeldisks) getrennt sind. In einem Zustand, wenn der einfallende Laserstrahl auf den tiefen Aufzeichnungsstapel fokussiert ist, erfährt der erste Aufzeichnungsstapel einen defokussierten Laserstrahl. Obwohl die Absorption des ersten Aufzeichnungsstapels immer noch 40 % beträgt, wird die optische Energie über eine sehr große Fläche gestreut. Die optische Dichte ist so niedrig, dass der erste Aufzeichnungsstapel nicht wirksam erhitzt wird. In dieser Situation bleibt die zusätzliche thermochrome Schicht bei einer niedrigen Temperatur und werden die optischen Eigenschaften dieser thermochromen Schicht nicht merklich verändert.
  • Im anderen Zustand, wenn der Laserstrahl auf die erste Aufzeichnungsschicht fokussiert ist, ist die optische Energiedichte aufgrund des beugungsbeschränkten optischen Punkts viel höher. Die absorbierte Laserleistung, 40 % des einfallenden Lichts, wird nun in einer sehr kleinen Fläche konzentriert, so dass der entsprechende Temperaturanstieg leicht die Schmelztemperatur des Phasenänderungsmaterials ausmacht. Wenn sich in der Nähe der Phasenänderungsschicht eine thermochrome Schicht befindet, wird diese thermochrome Schicht ebenfalls einen deutlichen Temperaturanstieg (100 bis 200 °C) erfahren. Dieser Temperaturanstieg reicht aus, um eine deutliche Änderung der optischen Eigenschaften dieser thermochromen Schicht zu gestatten. Dies führt entweder zu einer erhöhten Reflexion oder einer erhöhten Absorption der thermochromen Schicht. Eine erhöhte Absorption führt zu einer erhöhten Temperatur. Auf diese Weise wird eine selbststärkende Wirkung erzielt, bei der es sich darum handelt, dass mehr Laserleistung wirksam verwendet wird, um den ersten Aufzeichnungsstapel zu erhitzen, um ein Schreiben und Löschen von Daten zu ermöglichen.
  • Bevorzugte Ausführungsformen des optischen Mehrfachstapel-Aufzeichnungsträgers sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. In einer ersten Ausführungsform weisen die thermochromen Schichten eine temperaturabhängige Absorptionseigenschaft auf, in welchem Fall vorzugsweise ein thermochromes Farbstoffmaterial, insbesondere ein Cyanin- oder Phthalocyanin-Farbstoff, als Material verwendet wird. Nach einer alternativen Ausführungsform weisen die thermochromen Schichten eine temperaturabhängige Reflexionseigenschaft auf, in welchem Fall vorzugsweise Vanadiumdioxid als Material verwendet wird.
  • Eine weitere Verbesserung der Empfindlichkeit während des Schreibens kann durch eine Ausführungsform erzielt werden, in der jeder. Aufzeichnungsstapel zumindest eine thermochrome Schicht umfasst. Außerdem umfasst in einer anderen Ausführungsform zumindest ein Aufzeichnungsstapel zumindest zwei thermochrome Schichten, d.h., eine thermochrome Schicht an jeder Seite des Aufzeichnungsstapels, die davon durch eine dielektrische Schicht getrennt ist. Daher kann sogar jeder Aufzeichnungsstapel zwei auf diese Weise angeordnete thermochrome Schichten umfassen.
  • Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher erklärt werden, wobei
  • 1 diagrammatisch einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines optischen Informationsträgers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • 2 diagrammatisch einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform eines optischen Informationsträgers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 die Reflexion während und nach dem Gleichstromschreiben als eine Funktion der Gleichstromleistung für zwei Aufzeichnungsgeschwindigkeiten zeigt,
  • 4 die Reflexion eines Phthalocyanin-Farbstoffs als eine Funktion der Temperatur zeigt, und
  • 5 die temperaturabhängige Reflexion von IPI-Farbstoff-Stapeln zeigt.
  • 1 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines Doppelschicht-Informationsträgers gemäß der vorliegenden Erfindung diagrammatisch. Von oben, wo das Laserlicht L einfällt, nach unten sind gezeigt:
    • – eine Abdeckschicht C zum Schutz,
    • – eine erste durchlässige Wärmeableitschicht H1, die zum Beispiel aus Indium-Zinnoxid (ITO), Aluminiumnitrid (AlN) oder Hafniumnitrid (HfN) hergestellt ist,
    • – eine dielektrische Schicht I als Interferenzschicht, die z.B. aus Ta2O5, ZnS-SiO2, TiO2, hergestellt ist,
    • – eine erste thermochrome Schicht T1 als Absorptionsschicht, die zum Beispiel aus einem thermochromen Farbstoff hergestellt ist,
    • – eine dielektrische Schicht I,
    • – eine erste Phasenänderungs-Aufzeichnungsschicht P1, die z.B. aus Ge2Sb2Te5 oder dotiertem SbTe hergestellt ist,
    • – eine dielektrische Schicht I,
    • – eine zweite thermochrome Schicht T2,
    • – eine dielektrische Schicht I,
    • – eine zweite Wärmeableitungsschicht H2,
    • – eine Beabstandungsschicht R, um die beiden Aufzeichnungsstapel optisch und thermisch zu trennen (10 bis 100 μm),
    • – eine dielektrische Schicht I,
    • – eine dritte Wärmeableitungsschicht H3,
    • – eine dielektrische Schicht I,
    • – eine dritte thermochrome Schicht T3,
    • – eine dielektrische Schicht I,
    • – eine zweite Phasenänderungs-Aufzeichnungsschicht P2,
    • – eine dielektrische Schicht I,
    • – eine vierte thermochrome Schicht T4 als Absorptionsschicht,
    • – eine dielektrische Schicht I,
    • – eine vierte Wärmeableitungsschicht H4, die nicht halbdurchlässig sein muss, sondern aus einem Metall, z.B. Ag, Al, hergestellt sein kann, und
    • – ein Substrat S, z.B. aus Polycarbonat.
  • Wie oben erklärt sind dann, wenn der Laserstrahl L auf den zweiten Aufzeichnungsstapel L2 fokussiert ist, immer noch 50 % der einfallenden Laserleistung zum Schreiben in den unteren Stapel L2 verfügbar, da die thermochromen Schichten T1, T2 bei Temperaturen bis zu etwa 100 °C eine ausreichend hohe Übertragungsrate aufweisen. Doch wenn der Laserstrahl L auf den oberen Aufzeichnungsstapel L1 fokussiert ist, erhitzt sich der Stapel L1 einschließlich der zusätzlichen thermochromen Schichten T1 und T2. Dies ist mit einer deutlichen Änderung der optischen Eigenschaften der thermochromen Schicht verbunden und führt zu einer erhöhten Absorption des Stapels L1 aufgrund einer erhöhten Reflexion oder Absorption der thermochromen Schichten T1, T2. Daher wird mehr Laserleistung wirksam verwendet, um die erste Aufzeichnungsschicht P1 zu erhitzen, und wird eine selbststärkende Wirkung bereitgestellt.
  • Die Dicke der dielektrischen Schicht I zwischen der Phasenänderungsschicht P1 und der thermochromen Schicht T1 und T2 kann so gewählt werden, dass der Temperaturabfall über diese Schichten zum optimalen Temperaturanstieg von T1 und T2 führt, so dass sich eine optimale Absorption ergibt (d.h., die Temperatur sollte 250 °C nicht überschreiten, um einen Zerfall der thermochromen Schicht zu verhindern). Für die einmalig beschreibbare Variante dieser Erfindung stellt dieser Zerfall kein Thema dar und sind diese höheren Temperaturen daher gestattet. Außerdem tragen die anderen Schichten im Stapel ebenfalls zum Wärmeansprechen des gesamten Stapels bei, weshalb ihre Dicke und ihre thermischen Eigenschaften (Lesematerial) sorgfältig gewählt werden sollten, um einen optimalen Temperaturanstieg der thermochromen Schichten sicherzustellen.
  • Die beschriebene Ausführungsform kann abgeändert werden, indem z.B. nur der obere Aufzeichnungsstapel L1 wie gezeigt mit einer oder zwei zusätzlichen thermochromen Schichten versehen wird, aber nicht der untere Aufzeichnungsstapel L2. Außerdem können mehr als zwei Aufzeichnungsstapel bereitgestellt werden. Und ferner können die dielektrischen Schichten I, die an jeder Seite der Aufzeichnungsschichten P1, P2 bereitgestellt sind, ebenfalls weggelassen werden.
  • Eine andere Ausführungsform eines optischen Informationsträgers gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 2 diagrammatisch als Querschnitt gezeigt. Darin sind erneut zwei Aufzeichnungsstapel L1, L2 bereitgestellt, die jeweils eine zusätzliche thermochrome Schicht T1 bzw. T2 umfassen. In dieser Ausführungsform sind die thermochromen Schichten T1, T2 so angepasst, dass sie eine temperaturabhängige Reflexionseigenschaft zeigen, d.h., dass die Reflexionsrate der thermochromen Schichten T1, T2 mit der Temperatur zunimmt. Vorzugsweise wird Vanadiumdioxid als Material für derartige thermochrome Schichten verwendet.
  • Die temperaturabhängige Absorption von zwei Arten von Disks (CD-R), und zwar von Cyanin- und Phthalocyanin-Farbstoffen, wurde untersucht. Die temperaturabhängige Absorption eines Phtahlocyanin-Farbstoffs ist in 3 veranschaulicht. Die Reflexion während des Gleichstromschreibens und nach dem Gleichstromschreiben ist als eine Funktion der angelegten fortlaufenden Schreibleistung angegeben. Es wird ein deutlicher Leistungsbereich beobachtet, in dem die Reflexion umkehrbar fällt. Dies zeigt an, dass die Absorption des Stapels während des Schreibens bei einer erhöhten Temperatur deutlich erhöht war, aber dass die Reflexion nach dem Durchgang des Laserpunkts, nach dem Abkühlen des Stapels, bei ihrem ursprünglichen Wert (bei Raumtemperatur) blieb.
  • Die Reflexionsänderung als eine Funktion der Temperatur wurde ebenfalls für einen Phthalocyanin-Farbstoff gemessen, siehe 4. Die Versuche wurden in einer N2- und in einer O2-Umgebung durchgeführt. Zwei Erscheinungen können deutlich beobachtet werden. Die allmählich umkehrbare Abnahme der Reflexion wird der erhöhten Absorption mit steigender Temperatur zugeschrieben. Außerdem besteht ein unumkehrbarer Zerfall des Farbstoffs um 275 °C.
  • Beide Ergebnisse veranschaulichen, dass die Absorption des Farbstoffs temperaturabhängig ist. Wenn eine Farbstoffschicht in einem IPI-Phasenänderungsstapel verwendet wird, was zu einem IPI-Farbstoff-Stapel führt, beginnt die Farbstoffschicht bei einer erhöhten Temperatur damit, Laserlicht zu absorbieren. Um für eine Anwendung in einem wiederbeschreibbaren Format einen Zerfall der Farbstoffschicht zu verhindern, sollte die dielektrische Schicht zwischen der Aufzeichnungsschicht (P) und der thermochromen Farbstoffschicht (T) vorzugsweise zwischen 10 und 200 nm und insbesondere zwischen 30 und 100 nm betragen.
  • In der anderen Ausführungsform wird vorgeschlagen, eine Farbstoffschicht als einen thermochromen Reflektor zu verwenden: bei erhöhten Temperaturen wird der Brechungsindex verändert, was zu einer erhöhten Absorption in der Aufzeichnungsschicht führt. Optische Berechnungen beweisen dies.
  • Es ist auch möglich, eine zusätzliche Farbstoffschicht auf eine einmal beschreibbare PC-Disk aufzubringen, was eine Mehrfachstapel-Disk: IPI-Farbstoff-Beabstandung-IPI-Farbstoff usw., oder Farbstoff-IPI-Farbstoff-Beabstandung-Farbstoff-IPI-Farbstoff-Beabstandung usw. ergibt.
  • Die dielektrische Schicht zwischen der Aufzeichnungs- und der Farbstoffschicht beträgt vorzugsweise zwischen 0 und 50 nm, wobei der Zerfall des Farbstoffs dann zulässig ist.
  • 5 zeigt die temperaturabhängige Reflexion von IPI-Farbstoff-Stapeln, die während des Erhitzens und des Abkühlens der Aufzeichnungsstapel gemessen wurde. Die umkehrbare Änderung der optischen Eigenschaften des Stapels, die durch die thermochrome Schicht verursacht wird, wird aus den Messungen deutlich beobachtet. Es sind Messungen der normierten Reflexion 1 und der normierten Übertragung 2 gezeigt.
  • Legende der Zeichnungen
  • 3
    • During write: während des Schreibens
    • After write: nach dem Schreiben
    • Normalised reflection: normierte Reflexion
    • DC power: Gleichstromleistung
  • 4
    • 02-flow: O2-Fluß
    • N2-Flow: N2-Fluß
    • Temperature (degC): Temperatur (°C)
  • 5
    • Reflection: Reflexion
    • Transmission: Übertragung
    • Normalised reflection, transmission: normierte Reflexion, Übertragung
    • Temperature: Temperatur

Claims (9)

  1. Optischer Mehrfachstapel-Informationsträger zur Aufzeichnung von Informationen durch einen Laserstrahl, wobei der optische Informationsträger Folgendes umfasst: – eine Substratschicht, – zumindest zwei Aufzeichnungsstapel, die jeweils eine Aufzeichnungsschicht, zumindest eine Wärmeableitschicht, und dielektrische Schichten zwischen der Aufzeichnungsschicht und der zumindest einen Wärmeableitschicht umfassen, – zumindest eine Beabstandungsschicht, die die zumindest zwei Aufzeichnungsstapel trennt, – eine Abdeckschicht. dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Aufzeichnungsstapel ferner zumindest eine thermochrome Schicht umfasst, die temperaturabhängige optische Eigenschaften aufweist, um die Empfindlichkeit zumindest eines der Aufzeichnungsstapel während der Aufzeichnung zu verbessern.
  2. Optischer Mehrfachstapel-Informationsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine thermochrome Schicht eine temperaturabhängige Absorptionseigenschaft aufweist.
  3. Optischer Mehrfachstapel-Informationsträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermochrome Schicht im Wesentlichen aus einem thermochromen Farbstoff, insbesondere Cyanin- oder Phthalocyanin-Farbstoff, hergestellt ist.
  4. Optischer Mehrfachstapel-Informationsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine thermochrome Schicht eine temperaturabhängige Reflexionseigenschaft aufweist.
  5. Optischer Mehrfachstapel-Informationsträger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermochrome Schicht im Wesentlichen aus Vanadiumdioxid hergestellt ist.
  6. Optischer Mehrfachstapel-Informationsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Aufzeichnungsstapel zumindest eine thermochrome Schicht umfasst.
  7. Optischer Mehrfachstapel-Informationsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Aufzeichnungsstapel an beiden Seiten der Aufzeichnungsschicht eine thermochrome Schicht und dielektrische Schichten zur Trennung der thermochromen Schichten von der Aufzeichnungsschicht umfasst.
  8. Optischer Mehrfachstapel-Informationsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnungsschichten aus einem Phasenänderungsmaterial hergestellt sind.
  9. Optischer Mehrfachstapel-Informationsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnungsschichten aus einem einmalig beschreibbaren Material hergestellt sind.
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