DE69724744T2

DE69724744T2 - Reversibles optisches informationsmedium

Info

Publication number: DE69724744T2
Application number: DE69724744T
Authority: DE
Inventors: Fu Guo ZHOU; Howard James COOMBS; Philippe Johan DUCHATEAU
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1996-06-27
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2017-06-12
Also published as: EP0846322A1; JPH11513166A; KR100465001B1; EP0846322B1; DE69724744D1; WO1997050084A1; KR19990044139A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Informationsmedi um zur löschbaren Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung mit Hilfe eines Laserstrahls, wobei das Medium ein Substrat aufweist, welches übereinander angeordnete Schichten in der folgenden Reihenfolge trägt: eine erste dielektrische Schicht, eine Aufzeichnungsschicht aus einem Phasenveränderungsmaterial mit einer Legierung aus Ge, Sb und Te, eine zweite dielektrische Schicht sowie eine Metallspiegelschicht, wobei die zweite dielektrische Schicht eine Dicke von 15 bis 50 nm und die Metallspiegelschicht eine Dicke von 60 bis 160 nm aufweist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf die Verwendung eines solchen optischen Aufzeichnungsmediums bei Anwendungen mit hoher Speicherdichte und hoher Datenflussrate.
Eine, auf dem Phasenveränderungsprinzip basierende, optische Informations- und Datenspeicherung ist attraktiv, da sie die Möglichkeiten eines direkten Überschreibens (DOW) und einer hohen Speicherdichte mit einfacher Kompatibilität bei Nurlesesystemen kombiniert. Eine optische Phasenveränderungsaufzeichnung umfasst die Ausbildung submikrometergroßer, amorpher Aufzeichnungsmarkierungen in einer dünnen, kristallinen Schicht unter Verwendung eines fokussierten Laserstrahls. Während der Aufzeichnung von Informationen wird das Medium gegenüber dem fokussierten Laserstrahl, welcher entsprechend den aufzuzeichnenden Informationen moduliert wird, bewegt. Dieses ruft eine Löschung in der Phasenveränderungs-Aufzeichnungsschicht hervor und bewirkt die Ausbildung amorpher Informationsbits in den freien Bereichen der Aufzeichnungsschicht, welche auf den nicht freien Flächen kristallin bleibt. Eine Löschung geschriebener, amorpher Markierungen wird durch Rekristallisierung durch Erhitzung mit dem gleichen Laser realisiert. Die amorphen Markierungen stellen die Datenbits dar, welche durch einen schwachen, fokussierten Laserstrahl über das Substrat reproduziert werden können. Reflexionsdifferenzen der amorphen Markierungen gegenüber der kristallinen Aufzeichnungsschicht ermöglichen einen modulierten Laserstrahl, welcher dann von einem Detektor in einen modulierten Fotostrom entsprechend den codierten, aufgezeichneten, digitalen Infor mationen umgewandelt wird. Der modulierte Fotostrom ist durch ein HF-Signal mit einer niedrigsten Grundfrequenz dargestellt. Der Spitze-zu-Spitze-Wert des Fotostroms wird als I₁₁ und der dieser Frequenz zugeordnete Spitzenwert des HF-Signals als I_peak bezeichnet. Die Modulation m wird definiert als: m = I11/Ipeak und ist zu dem optischen Kontrast M proportional, wobei dieser definiert wird als: M = (RH – RL)RH wobei R_H und R_L jeweils die Reflexionen des kristallinen und amorphen Materials darstellen.
Die Hauptprobleme bei der optischen Phasenveränderungsaufzeichnung sind die erforderliche, große Anzahl Überschreibzyklen (Kreislauffähigkeit), d. h. die Anzahl wiederholter Schreib-(Amorphisierung) und Lösch-(Rekristallisation)-operationen sowie eine richtige Kristallisationsgeschwindigkeit. Eine hohe Kristallisationsgeschwindigkeit ist insbesondere bei hochdichten Aufzeichnungen und Verwendung einer hohen Datenflussrate, wie zum Beispiel einem plattenförmigen DVD-RAM und einem optischen Band, wobei die komplette Kristallisationszeit kürzer als 100 ns, vorzugsweise 30 bis 70 ns, sein muss, erforderlich. Ist die Kristallisationsgeschwindigkeit nicht hoch genug, um die lineare Geschwindigkeit des Mediums relativ zu dem Laserstrahl abzugleichen, können die alten Daten (amorphen Markierungen) während des direkten Überschreibens von der vorherigen Aufzeichnung nicht vollständig entfernt (rekristallisiert) werden. Hierdurch entsteht ein hoher Störpegel.
Ein bekanntes Material zur Phasenveränderungsaufzeichnung basiert auf Ge-Sb-Te. Jedoch erfüllt keines der bekannten Aufzeichnungsmedien sämtliche Anforderungen für die optische Phasenveränderungsaufzeichnung, insbesondere, was die Anforderungen in Bezug auf Kreislauffähigkeit und Kristallisationsgeschwindigkeit betrifft.
Ein optisches Informationsmedium der in dem einleitenden Absatz beschriebenen Art ist aus US-Patent 5 289 453 bekannt. Das bekannte Medium des Phasenveränderungstyps weist ein plattenförmiges Substrat auf, welches übereinander angeordnete Schichten trägt, die nacheinander aus einer ersten dielektrischen Schicht, einer Aufzeichnungsschicht aus einer Ge-Sb-Te-Phasenveränderungslegierung, einer zweiten dielektrischen Schicht sowie einer reflektierenden Metallschicht bestehen. Ein solcher Schichtenstapel kann als IPIM-Struktur bezeichnet werden, wobei M eine reflektierende bzw. Spiegelschicht, I eine dielektrische Schicht und P eine Phasenveränderungs- Aufzeichnungsschicht darstellt. Das Patent offenbart eine Verbindung Ge_xSb_yTe_z zur Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung (d. h. eine relative, lineare Geschwindigkeit von 8–13 m/s), welche sich in einem Bereich JKLM in dem dreiseitigen, ternären Zusammensetzungsdiagramm Ge-Sb-Te befindet, welcher Eckpunkte J (Ge_22.5Sb₂₂Te_55.5); K (Ge_12.5Sb₃₂Te_55.5); L (Ge_14.5Sb_37.5Te₄₈); M (Ge₂₆Sb₂₆Te₄₈) aufweist. Dieser Bereich weicht von der GeTe und Sb₂Te₃ verbindenden Verbindungslinie ab. Gemäß diesem Patent sollte die Dicke der Phasenveränderungs-Aufzeichnungsschicht zur Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung im Bereich von 12 bis 35 nm, vorzugsweise im Bereich von 12 bis 25 nm, liegen. Oberhalb einer Dicke von 25 nm nimmt der Jitter, welcher ein Maß für die Verzerrung der Form einer Aufzeichnungsmarke darstellt, zu. Gemäß diesem Patent erhöht sich der Jitter nicht auf den doppelten Ausgangswert nach einer 10⁵-maligen Aufzeichnungswiederholung.
Nachteil des bekannten Aufzeichnungsmediums ist, dass der Jitter während der ersten wenigen hundert DOW-Zyklen auf eine nicht akzeptable Höhe ansteigt. Dieser Effekt ist weiter unten dargestellt.
Ein optisches Informationsmedium der in dem einleitenden Absatz erwähnten Art ist aus der Europäischen Patentanmeldung EP 0644537 A2 weiter bekannt. Dieses bekannte Medium weist ein Polycarbonatsubstrat mit einer später auf dieser vorgesehenen, 150 nm dicken ZnS/SiO₂-Schicht, einer 20 nm dicken, amorphen GeSbTe-Aufzeichnungsschicht des Phasenveränderungstyps, einer 25 nm dicken ZnS/SiO₂-Schicht, einer 100 nm dicken Al-Legierungsschicht sowie einer ultraviolett-aushärtenden Harzschicht mit einer Dicke von mehreren Mikrometern auf.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter anderem ein löschbares Informationsmedium vorzusehen, welches sich zur optischen Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung, wie z. B. DVD-RAM und optisches Band, eignet und während wiederholter Aufzeichnungs- und Löschoperationen eine ausgezeichnete Kreislauffähigkeit aufweist, wodurch sich gute DOW-Charakteristiken ergeben. Unter Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung wird in diesem Zusammenhang eine lineare Geschwindigkeit des Mediums von mindestens 2,4 m/s relativ zu dem Laserstrahl verstanden, was zweimal die Geschwindigkeit gemäß dem Kompaktspeicherplattenstandard ausmacht. Der Jitter des Mediums sollte, zumindest während 10⁵ DOW-Zyklen und auch während der ersten wenigen hundert Zyklen, auf einem niedrigen, konstanten Niveau liegen.
Diese Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein optisches Informationsmedium, wie in dem einleitenden Absatz beschrieben, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Aufzeichnungsschicht eine Legierung der durch die Formel Ge_50xSb_40-40xTe_60-10x (in Atomprozent) definierten Zusammensetzung aufweist, wobei 0,166 ≤ x ≤ 0,444, erfüllt, wobei die Aufzeichnungsschicht eine Dicke von 25 bis 35 nm aufweist.
Diese Zusammensetzung ist auf einem Teil der die Verbindungen GeTe und Sb₂Te₃ verbindenden Linie des dreiseitigen Zusammensetzungsdiagramms Ge-Sb-Te, welches in 1 dargestellt ist, vorzufinden und weist die stöchiometrischen Verbindungen Ge₂Sb₂Te₅(x = 0,444), GeSb₂Te₄(x = 0,286) sowie GeSb₄Te₇(x = 0,166) auf. Es werden insbesondere diese ternären, stöchiometrischen Verbindungen bevorzugt, da, dadurch, dass während der Kristallisation keine Abscheidung erforderlich ist, diese Materialien schnell kristallisieren.
Die Kristallisationsgeschwindigkeit der Ge-Sb-Te-Legierungen hängt weitgehendst von der Schichtdicke der Aufzeichnungsschicht ab. Der wichtige Parameter ist die vollständige Löschzeit t_e (in ns), welche als Mindestdauer des Löschimpulses zur vollständigen Kristallisation einer geschriebenen, amorphen Markierung in einer kristallinen Umgebung, welche statisch gemessen wird, definiert wird. Die komplette Löschzeit t_e verringert sich mit Zunahme der Schichtdicke bis zu 27 nm rapide und hat die Tendenz, bei weiterer Zunahme der Schichtdicke bei einem Wert von etwa 50 bis 60 ns zu saturieren. Ist die Aufzeichnungsschicht dicker als 27 nm, ist t_e von der Dicke im Wesentlichen unabhängig. Ab 25 nm fällt t_e unter einen Wert von 100 ns, was zur Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung erforderlich ist. Unter dem Betrachtungspunkt von t_e sollte die Dicke der Aufzeichnungsschicht mindestens 25 nm, vorzugsweise mindestens 27 nm bertragen.
Die Kreislauffähigkeit des Mediums kann durch den Wert M₅₀₀₀₀/M₀ dargestellt sein, wenn 50000 Zyklen erforderlich sind, welcher die relative Änderung des optischen Kontrasts nach 50000 Zyklen und 0 Zyklen darstellt. In jedem Zyklus werden die geschriebenen, amorphen Markierungen durch Rekristallisieren durch Erhitzung mit einem Laserstrahl gelöscht, während die neuen, amorphen Markierungen geschrieben werden. Der Idealwert von M₅₀₀₀₀/M₀ beträgt 1,0, d. h. der optische Kontrast bleibt nach dem Durchlaufen von periodischen Vorgängen unverändert. Aus praktischen Gründen sollte dieser Wert zwischen 0,7 und 1,3 liegen, da außerhalb dieses Bereichs das Aufzeichnungsmaterial nicht mehr verwendet werden kann. Es erwies sich, dass der Wert von M_5000/M₀ von der Schichtdicke der Aufzeichnungsschicht abhängig ist. Der Wert von M₅₀₀₀₀/M₀ ist höher als 0,7, wenn die Dicke der Aufzeichnungsschicht 23 nm oder mehr beträgt. Der Wert von M₅₀₀₀₀/M₀ ist geringer als 1,3, wenn die Dicke der Aufzeichnungsschicht 35 nm oder weniger beträgt. Infolge der resultierenden Anforderungen hinsichtlich t_e und Kreislauffähigkeit sollte die Dicke der Aufzeichnungsschicht zwischen 25 und 35 nm, vorzugsweise zwischen 27 und 35 nm liegen. Wie weiter unten näher erläutert wird, weist ein Medium, welches eine Aufzeichnungsschicht mit einer Dicke zwischen 25 und 35 nm aufweist, in den ersten 10⁵ DOW-Zyklen einen konstanten, geringen Jitter auf.
Sobald der Wert von x der oben definierten Zusammensetzung 0,444 überschreitet, erhöht sich t_e in nicht mehr tragbarem Maße. So weist zum Beispiel ein Aufzeichnungsmedium mit der intermetallischen Verbindung Ge₃₉Sb₉Te₅₂ (x = 0,78) als Aufzeichnungsschicht einen t_e Wert von mindestens 120 ns auf. Ebenso ist die Kreislauffähigkeit schlecht: bereits nach 10⁴ Zyklen fällt der Wert M₁₀₀₀₀/M₀ unter 0,7. Sobald x geringer als 0,166 ist, wird die Kristallisationstemperatur inakzeptabel niedrig, d. h. die thermische Stabilität der Aufzeichnungsschicht wird reduziert.
Es ist kein wahrnehmbarer Einfluss der Dicke der ersten dielektrischen Schicht, d. h. der Schicht zwischen dem Substrat und der Phasenveränderungs-Aufzeichnungsschicht, auf t_e und den Kreislauffähigkeitswert M₅₀₀₀₀/M₀, zu verzeichnen. Somit besteht die Möglichkeit, die Dicke dieser Schicht aus anderen, zum Beispiel optischen, Gründen zu verändern, ohne dabei die thermischen Eigenschaften des Schichtenstapels nachteilig zu beeinträchtigen. Diese Schicht schützt die Aufzeichnungsschicht gegen Feuchtigkeit und das Substrat gegen thermischen Schaden und optimiert den optischen Kontrast M. Unter dem Betrachtungspunkt des Jitters beträgt die Dicke der ersten dielektrischen Schicht, wie später näher erläutert wird, vorzugsweise mindestens 70 nm. Im Hinblick auf z. B. den optischen Kontrast ist die Dicke dieser Schicht auf 500 nm begrenzt.
Ein optimaler Dickenbereich für die zweite dielektrische Schicht, d. h. die Schicht zwischen der Aufzeichnungsschicht und der Metallspiegelschicht, liegt zwischen 15 und 50 nm, vorzugsweise zwischen 20 und 40 nm. Ist diese Schicht zu dünn, wird die thermische Isolation zwischen der Aufzeichnungsschicht und der Metallspiegelschicht nachteilig beeinträchtigt. Infolgedessen wird die Abkühlungsgeschwindigkeit der Aufzeichnungsschicht erhöht, was zu einem langsamen Kristallisationsprozess und einer geringen Kreislauffähigkeit führt. Die Abkühlungsgeschwindigkeit wird durch Erhöhen der Dicke der zweiten dielektrischen Schicht verringert.
Die Zeit t_e ist für die Dicke der Metallspiegelschicht in dem Bereich von 20 bis 200 nm nicht empfindlich. Jedoch wird die Kreislauffähigkeit nachteilig beeinträchtigt, wenn die Metallspiegelschicht dünner als 60 nm ist, da die Abkühlungsgeschwindigkeit zu gering ist. Weist die Metallspiegelschicht eine Dicke von 160 nm oder mehr auf, verschlechtert sich die Kreislauffähigkeit weiter, und die Aufzeichnungs- und Löschleistung muss auf Grund der erhöhten Wärmeleitung hoch sein. Vorzugsweise liegt die Dicke der Metallspiegelschicht zwischen 80 und 120 nm.
Die erste und zweite dielektrische Schicht können aus einem Gemisch aus ZnS und SiO₂, z. B. (ZnS)₈₀(SiO₂)₂₀ bestehen. Alternativen sind z. B. SiO₂, TiO₂, ZnS, AlN sowie Ta₂O₅. Vorzugsweise wird ein Carbid, wie z. B. SiC, WC, TaC, ZrC oder TiC, verwendet. Diese Materialien ermöglichen eine höhere Kristallisationsgeschwindigkeit und eine bessere Kreislauffähigkeit als ein ZnS-SiO₂-Gemisch.
Für die Metallspiegelschicht können Metalle, wie z. B. Al, Ti, Au, Ni, Cu, Ag, Cr, Mo, W und Ta sowie Legierungen aus diesen Materialien, verwendet werden.
Sowohl die reflektierenden Schichten als auch die dielektrischen Schichten können durch Aufdampfen oder Aufsputtern vorgesehen werden.
Das Substrat des Informationsmediums ist zumindest für die Laserwellenlänge durchlässig und wird zum Beispiel aus Polycarbonat, Polymethacrylat (PMMA), amorphem Polyolefin oder Glas vorgesehen. In einem typischen Beispiel ist das Substrat plattenförmig und weist einen Durchmesser von 120 nm sowie eine Dicke von 1,2 mm auf.
Alternativ kann das Substrat in Form eines flexiblen Kunstharzbandes, welches z. B. aus einer Polyesterschicht hergestellt wird, vorgesehen sein. Auf diese Weise wird ein optisches Band zur Verwendung in einem optischen Bandaufnahmegerät vorgesehen, welches zum Beispiel auf einem sich schnell drehenden Polygon basiert. In einer solchen Anordnung führt der reflektierte Laserstrahl transversale Abtastungen der Bandoberfläche durch.
Die Oberfläche des plattenförmigen Substrats auf der Seite der Aufzeichnungsschicht ist vorzugsweise mit einer Servospur versehen, welche optisch abgetastet werden kann. Diese Servospur wird oftmals durch eine spiralförmige Rille vorgesehen und während des Spritzgießens oder -drucks in dem Substrat mittels einer Form ausgebildet. Diese Rille kann alternativ in einem Replikationsprozess in einer Kunstharzschicht, z. B. einer UV-Licht ausgehärteten Schicht aus Acrylat, welche auf dem Substrat getrennt vorge sehen wird, ausgebildet werden. Bei hochdichten Aufzeichnungen weist eine solche Rille einen regelmäßigen Abstand von z. B. 0,7–0,8 μm und eine Breite von 0,5 μm auf.
Optional ist die äußerste Schicht des Schichtenstapel durch eine Schutzschicht, z. B. eine UV-Licht ausgehärtete Schicht aus Poly(meth)acrylat gegen die Umgebung abgeschirmt.
Eine hochdichte Aufzeichnung und Löschung kann durch Verwendung eines Lasers für kurze Wellenlängen, z. B. einer Wellenlänge von 675 nm oder kürzer (rot bis blau), erreicht werden.
Die Phasenveränderungs-Aufzeichnungsschicht kann durch Aufdampfen oder Aufsputtern aus einer geeigneten Quelle auf das Substrat aufgebracht werden. Die so aufgebrachte Schicht ist amorph und weist eine geringe Reflexion auf. Um eine geeignete Aufzeichnungsschicht mit einer hohen Reflexion vorzusehen, muss diese Schicht zunächst vollständig kristallisiert werden, was in der Regel als Initialisierung bezeichnet wird. Zu diesem Zweck kann die Aufzeichnungsschicht in einem Ofen bis auf eine Temperatur oberhalb der Kristallisationstemperatur der Ge-Sb-Te-Legierung, z. B. 180°C, erhitzt werden. Alternativ kann ein Kunstharzsubstrat, wie z. B. Polycarbonat, durch einen Laserstrahl ausreichender Leistung erhitzt werden. Dieses kann z. B. in einem Aufzeichnungsgerät realisiert werden, wobei der Laserstrahl die sich bewegende Aufzeichnungsschicht abtastet. Die amorphe Schicht wird dann lokal auf die zur Kristallisation der Schicht erforderliche Temperatur erhitzt, ohne dass das Substrat einer nachteiligen Wärmebelastung ausgesetzt wird.
Falls gewüncht, kann t_e durch Abweichen von der Verbindungslinie zwischen GeTe und Sb₂Te₃ durch Hinzufügen von bis zu 3 Atomprozent Sb zu den Ge-Sb-Te-Legierungen auf der beanspruchten Verbindungslinie erhöht werden. Durch Hinzufügen von 3 Atomprozent zu GeSb₂Te₄ wird t_e von 60 auf 100 ns erhöht. Eine solche Zugabe erhöht die Aufzeichnungsempfindlichkeit, d. h. verringert die Schmelzschwellwertleistung P_m.
Falls gewünscht, kann eine zusätzliche, dünne Metallschicht zwischen dem Substrat und der ersten dielektrischen Schicht vorgesehen werden, wodurch eine sogenannte MIPIM-Struktur gebildet wird. Obgleich die Struktur komplizierter wird, erhöht die zusätzliche Metallschicht die Abkühlungsgeschwindigkeit der Aufzeichnungsschicht sowie den optischen Kontrast M.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 – das ternäre Zusammensetzungsdiagramm Ge-Sb-Te in Atomprozent und die Linie, welche der Formel Ge_50xSb_40-40xTe_60-10x in Atomprozent entspricht, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung 0,166 ≤ x ≤ 0,444;
2 – einen schematischen Querriss eines optischen Informationsmediums gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 – die Relation zwischen der vollständigen Löschzeit t_e (in ns) und der Dicke d₃ (in nm) der Aufzeichnungsschicht für GeSb₂Te₄-Material;
4 – die Relation zwischen der relativen Änderung des optischen Kontrasts nach 50000 Zyklen und 0 Zyklen (M₅₀₀₀₀/M₀) und der Dicke d₃ (in nm) der Aufzeichnungsschicht für GeSb₂Te₄-Material;
5 – die Relation zwischen der vollständigen Löschzeit t_e (in ns) und der Dicke d₃ (in nm) der Aufzeichnungsschicht für Ge₂Sb₂Te₅-Material;
6 – die Relation zwischen der relativen Änderung des optischen Kontrasts nach 50000 Zyklen und 0 Zyklen (M₅₀₀₀₀/M₀) und der Dicke d₃ (in nm) der Aufzeichnungsschicht für Ge₂Sb₂Te₅-Material;
7 – die Relation zwischen der vollständigen Löschzeit t_e (in ns) und der Dicke d₃ (in nm) der Aufzeichnungsschicht für GeSb₄Te₇-Material;
8 – die Relation zwischen der relativen Änderung des optischen Kontrasts nach 50000 Zyklen und 0 Zyklen (M₅₀₀₀₀/M₀) und der Dicke d₃ (in nm) der Aufzeichnungsschicht für GeSb₄Te₇-Material;
9 – die Relation zwischen der vollständigen Löschzeit t_e (in ns) und der Dicke d₃ (in nm) der Aufzeichnungsschicht für nicht erfindungsgemäßes Ge₃₉Sb₉Te₅₂-Material;
10 – die Relation zwischen der relativen Änderung des optischen Kontrasts nach 10000 Zyklen und 0 Zyklen (M₁₀₀₀₀/M₀) und der Dicke d₃ (in nm) der Aufzeichnungsschicht für nicht erfindungsgemäßes Ge₃₉Sb₉Te₅₂-Material;
11 – die Relation zwischen der vollständigen Löschzeit t_e (in ns) und der Zugabe von zusätzlichem Sb (y At. %) zu der Verbindung GeSb₂Te₄ in der Aufzeichnungsschicht;
12 – den Jitter J (in % der Taktzeit T_e) als eine Funktion der Anzahl n von DOW-Zyklen bei einer linearen Plattengeschwindigkeit von 7,2 m/s für ein nicht erfindungsgemäßes, plattenförmiges Informationsmedium A sowie ein erfindungsgemäßes Medium B; sowie
13 – die maximale Anzahl n Zyklen als eine Funktion der Dicke d₂ (in nm) der ersten dielektrischen Schicht, wenn der durchschnittliche Jitter 12% der Taktzeit erreicht.
Beispiel 1
2 zeigt schematisch einen Teil eines Querschnitts einer optischen Informationsplatte gemäß der Erfindung. Bezugsziffer 1 kennzeichnet ein plattenförmiges Glassubstrat mit einem Durchmesser von 120 mm und einer Dicke von 1,2 mm. Das Substrat 1 ist mit einem IPIM-Schichtenstapel der folgenden Struktur versehen:

– dielektrische Schicht 2 aus (ZnS)₈₀(SiO₂)₂₀ mit einer Dicke d₂ = 20 nm,
– Aufzeichnungsschicht 3 aus Ge-Sb-Te mit einer Dicke d₃,
– dielektrische Schicht 4 aus (ZnS)₈₀(SiO₂)₂₀ mit einer Dicke da = 20 nm,
– Metallspiegelschicht 5 aus Al mit einer Dicke d₅ = 100 nm.

Sämtliche Schichten werden durch Aufsputtern vorgesehen. Der anfängliche, kristalline Zustand der Aufzeichnungsschicht 3 wird durch Ausheilen der aufgebrachten, amorphen Legierung in einem Ofen bei Temperaturen bis zu 180°C erhalten.
Ein Laserstrahl zur Aufzeichnung, Reproduzierung und Löschung von Informationen tritt über das Substrat 1 in die Aufzeichnungsschicht 3 ein. Dieser Strahl ist durch einen Pfeil 6 schematisch dargestellt. Die amorphen Markierungen werden mit einem einzelnen Laserimpuls der Leistung P_w = 1,25 P_m (P_m = Schmelzschwellwertleistung) und Dauer von 100 ns geschrieben. Die Löschleistung beträgt P_w/2.
Die Abhängigkeit von t_e in ns (d. h. der Zeit, wenn die Kristallisation einer geschriebenen, amorphen Markierung abgeschlossen ist) von der Dicke d₃ (in nm) der Phasenveränderungsschicht für die Verbindung GeSb₂Te₄, s. 1 (wobei x = 0,286 die Atomprozent Ge_14.3Sb_28.6Te_57.1 vorgibt), ist in 3 dargestellt. Aus dieser Figur ist zu ersehen, dass sich t_e durch Zunahme von d₃ bis zu etwa 27 nm rapide verringert und die Tendenz hat, bei weiterer Zunahme von d₃ bei einem geringen Wert von etwa 60 ns zu saturieren.
Die d₃-Abhängigkeit der relativen Änderung des optischen Kontrasts nach 50000 Zyklen und 0 Zyklen (M₅₀₀₀₀/M₀) ist in 4 dargestellt. Weist d₃ zwischen 25 und 35 nm auf, liegt der Wert von M₅₀₀₀₀/M₀ im Bereich 1,0 ± 0,1, d. h. der optische Kontrast bleibt praktisch unverändert.
Die Verknüpfung der 3 und 4 zeigt, dass, wenn d₃ zwischen 25 und 35 liegt, eine hohe Kristallisationsgeschwindigkeit erreicht wird, welche für eine optische Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung und eine gute Kreislauffähigkeit von mindestens 50000 Zyklen erforderlich ist.
Beispiel 2
Das exemplarische Ausführungsbeispiel 1 wird unter Verwendung einer Aufzeichnungsschicht 3 mit der Zusammensetzung Ge₂Sb₂Te₅, s. 1 (wobei x = 0,444 die Atomprozent Ge_22.2Sb_22.2Te_55.6 vorgibt) wiederholt. 5 zeigt die Abhängigkeit von t_e von der Dicke d₃ der Aufzeichnungsschicht. Aus dieser Figur ist zu ersehen, dass t_e unter 100 ns fällt, wenn die Dicke d₃ = 25 nm und sich durch Zunahme von d₃ bis etwa 27 nm noch weiter verringert. t_e hat die Tendenz, bei weiterer Zunahme von d₃ bei einem geringen Wert von etwa 50 ns zu saturieren.
Die d₃-Abhängigkeit der relativen Änderung des optischen Kontrasts nach 50000 Zyklen und 0 Zyklen (M₅₀₀₀₀/M₀) ist in 6 dargestellt. Weist d₃ zwischen 20 und 35 nm auf, liegt der Wert von M₅₀₀₀₀/M₀ im Bereich 1,0 ± 0,3, in welchem das Aufzeichnungsmedium in der Praxis verwendet werden kann.
Die Verknüpfung der 5 und 6 zeigt, dass, wenn d₃ zwischen 25 und 35 nm liegt, eine hohe Kristallisationsgeschwindigkeit erreicht wird, was für eine optische Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung und für eine gute Kreislauffähigkeit von mindestens 50000 Zyklen notwendig ist.
Beispiel 3
Das exemplarische Ausführungsbeispiel 1 wird unter Verwendung einer Aufzeichnungsschicht 3 mit der Zusammensetzung GeSb₄Te₇, s. 1 (wobei x = 0,166 die Atomprozent Ge_8.3Sb_33.3Te_58.4 vorgibt) wiederholt. 7 zeigt die Abhängigkeit von t_e von der Dicke d₃ der Aufzeichnungsschicht. Aus dieser 7 ist zu ersehen, dass t_e unter 100 ns fällt, wenn die Dicke d₃ = 24 nm und sich durch Zunahme von d₃ bis etwa 27 nm noch weiter verringert. t_e hat die Tendenz, bei weiterer Zunahme von d₃ bei einem geringen Wert von etwa 70 ns zu saturieren.
Die d₃-Abhängigkeit der relativen Änderung des optischen Kontrasts nach 50000 Zyklen und 0 Zyklen (M₅₀₀₀₀/M₀) ist in 8 dargestellt. Ist d₃ größer als 25 nm, ist der Wert von M₅₀₀₀₀/M₀ größer als 0,8. Jedoch wird der optische Kontrast zwischen kri stallin und amorph inakzeptabel gering, wenn die Aufzeichnungsschicht dicker als 35 nm ist. Unter diesem Betrachtungspunkt sollte die Dicke d₃ der Aufzeichnungsschicht 35 nm nicht überschreiten.
Vergleichsbeispiel (nicht erfindungsgemäß)
Das exemplarische Ausführungsbeispiel 1 wird unter Verwendung einer Aufzeichnungsschicht 3 mit der Atomzusammensetzung Ge₃₉Sb₉Te₅₂, s. 1 (wobei x = 0,78), welche auf der GeTe-Sb₂Te₃ verbindenden Verbindungslinie vorgesehen ist, sich jedoch außerhalb des beanspruchten Bereichs befindet, wiederholt. 9 zeigt die Abhängigkeit von t_e von der Dicke d₃ der Aufzeichnungsschicht. Die vollständige Löschzeit t_e wird mit Zunahme der Dicke d₃ der Aufzeichnungsschicht erhöht und wird bei einem hohen Niveau bei Werten von d₃ ≥ 45 nm leicht konstant. Bei keinem Wert von d₃ liegt t_e unter 100 ns, was zur Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung erforderlich ist. Ebenso ist die Kreislauffähigkeit gering. Der beste Dickenbereich liegt zwischen 25 und 47 nm, wobei nach nur 10000 Zyklen der Wert von M₁₀₀₀₀/M₀ im Bereich 0,7 ± 0,1 liegt (s. 10). Dieses weist darauf hin, dass das Aufzeichnungsmaterial nach einer solch relativ begrenzten Anzahl Zyklen beeinträchtigt wird.
Beispiele 4 bis 9
In diesen Ausführungsbeispielen wird der Einfluss der Dicke d₄ (in nm) der zweiten dielektrischen Schicht 4 auf die vollständige Löschzeit t_e und die Kreislauffähigkeit M₅₀₀₀₀/M₀ untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Bei den Tests wurden die Dicken der anderen Schichten d₂, d₃ und d₅ des IPIM-Schichtenstapels konstant gehalten. Bei den Schichten 2, 4 und 5 wurden die gleichen Materialien wie in Ausführungsbeispiel 1 verwendet. Bei der Aufzeichnungsschicht 3 wurde die Verbindung GeSb₂Te₄ eingesetzt.
Tabelle 1
Tabelle 1 zeigt, dass sowohl t_e als auch M₅₀₀₀₀/M₀ optimal ist, wenn d₄ 15 nm oder dicker ist. Da die Abkühlungsgeschwindigkeit der Aufzeichnungsschicht 3 mit Zunahme der Dicke d₄ der zweiten dielektrischen Schicht abnimmt, ist es vorzuziehen, die Dicke d₄ auf 50 nm oder weniger zu begrenzen. Daher liegt der beste Dickenbereich für die zweite dielektrische Schicht 4 im Bereich von 15 bis 50 nm, vorzugsweise von 20 bis 40 nm.
Beispiele 10 bis 15
In diesen Ausführungsbeispielen wird der Einfluss der Dicke d₂ (in nm) der ersten dielektrischen Schicht 2 auf die vollständige Löschzeit t_e und die Kreislauffähigkeit M₅₀₀₀₀/M₀ untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Bei den Tests wurden die Dicken der anderen Schichten d₃, d₄ und d₅ des IPIM-Schichtenstapels konstant gehalten. Für die Schichten 2, 4 und 5 werden die gleichen Materialien wie in Ausführungsbeispiel 1 verwendet. Für die Aufzeichnungsschicht 3 wird die Verbindung GeSb₂Te₄ eingesetzt.
Tabelle 2
Tabelle 2 zeigt, dass kein wahrnehmbarer Einfluss der Dicke d₂ der ersten dielektrischen Schicht 2 auf die Kristallisationsgeschwindigkeit t_e und Kreislauffähigkeit M₅₀₀₀₀/M₀ festgestellt wird. Jedoch schützt diese dielektrische Schicht 2 die Aufzeichnungsschicht 3 gegen Feuchtigkeit und das Substrat gegen thermischen Schaden und optimiert den optischen Kontrast M. Somit besteht die Möglichkeit, die Dicke d₂ aus anderen Gründen, z. B. optischen Gründen, zu verändern, ohne dabei die thermischen Eigenschaften des IPIM-Schichtenstapels zu beeinträchtigen. Aus anderen Gründen, nämlich Jitter, beträgt d₂, wie in Beispiel 27 dargestellt, vorzugsweise mindestens 70 nm.
Beispiele 16 bis 24
In diesen Ausführungsbeispielen wird der Einfluss der Dicke d₅ (in nm) der Metallspiegelschicht 5 auf die komplette Löschzeit t_e und die Kreislauffähigkeit M₅₀₀₀₀/M₀ untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Bei den Tests wurden die Dicken der weiteren Schichten d₂, d₃ und d₄ des IPIM-Schichtenstapels konstant gehalten. Für die Schichten 2, 4 und 5 werden die gleichen Materialien wie in Ausführungsbeispiel 1 verwendet. Für die Aufzeichnungsschicht 3 wird die Verbindung GeSb₂Te₄ eingesetzt.
Tabelle 3
Tabelle 3 zeigt, dass die komplette Löschzeit t_e unempfindlich gegen die Metallspiegelschichtdicke d₅ zwischen 20 und 200 nm scheint. Die Kreislauffähigkeit wird jedoch schlechter, wenn die Metallschicht 5 dünner als 60 nm ist. Ist die Metallspiegelschicht 5 dicker als 160 nm, wird die Kreislauffähigkeit erneut schlechter, und die Schreib- und Löschleistung des Laserstrahls muss auf Grund der erhöhten Wärmeleitung hoch sein. Daher sollte der Dickenbereich der Metallspiegelschicht 5 zwischen 60 und 160 nm, vorzugsweise zwischen 80 und 120 nm, liegen.
Beispiel 25
Bei einem optischen Informationsmedium gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel 1 wird eine Aufzeichnungsschicht 3 mit einer Dicke d₃ von 25 nm verwendet. Der Verbindung GeSb₂Te₄ in der Aufzeichnungsschicht wird eine zusätzliche Menge Sb zugegeben. 11 zeigt, dass die komplette Löschzeit t_e mit Zunehmen des zusätzlichen Sb-Gehalts (Atomprozent) erhöht wird. Die komplette Löschzeit t_e beträgt 80 ns, wenn kein zusätzliches Sb zugegeben wird (y = 0), wohingegen eine Zugabe von 3 Atomprozent Sb (y = 3) zu der Verbindung GeSb₂Te₄ eine Erhöhung von t_e auf 100 ns zur Folge hat. Bei einer Zugabe von zusätzlichem Sb zu der Verbindung wird der GeSb₂Te₄ und Sb verbindenden Verbindungslinie in dem ternären Zusammensetzungsdiagramm ( 1) gefolgt. Aus diesem Test ergibt sich, dass die Zusammensetzung der Ge-Sb-Te-Verbindung der Aufzeichnungsschicht nicht von der GeTe- und Sb₂Te₃ verbindenden Verbindungslinie abweichen sollte. Allenfalls können zusätzliche 3 Atomprozent Sb zu der Verbindung zugegeben werden.
Beispiel 26
Bei diesem Test wurde der Jitter beurteilt. Der EFM-Modulationscode (CD-Code) wird zur Erzeugung von Direktzugriffsdaten verwendet. Der Jitter J, welcher die Standardabweichung der Differenz zwischen den Kanten einer aufgezeichneten Markierung und der Position entsprechend der Taktzeit der wiedergewonnenen Daten darstellt, ist ein zur Beurteilung der Kreislauffähigkeit einer Platte verwendeter Standardparameter. Der Jitter muss unter 12% der Taktzeit T_e liegen, d. h. 30 ns bei CD-Geschwindigkeit (1,2 m/s; Taktzeit 230 ns). Die Lebensdauer einer optischen Speicherplatte wird damit durch die Zeit, wenn der Jitter J 12% der Taktzeit T_e erreicht, dargestellt. Es wird sowohl die 'Leading Edge' als auch die 'Trailing Edge' der Markierungen gemessen.
Es werden gemäß Tabelle 4 zwei Speicherplatten A und B unter Verwendung der Materialien für die Schichten gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel 1 vorbereitet. Beide Platten werden auf einer Seite des Substrats mit einer spiralförmigen Servospur in Form einer Rille versehen und in dem Aufzeichnungsgerät initialisiert. Die Rille wird mit Hilfe eines Wiederholungsverfahrens in einer UV-Licht ausgehärteten Schicht aus Acrylat vorgesehen. Diese beiden Platten sind so konstruiert, dass die Dicke d₃ der Aufzeichnungsschicht unterschiedlich ist, jedoch sind die thermischen und optischen Eigenschaften durch Abgleichen der Dicke d₂ der ersten dielektrischen Schicht 2, d. h. der Schicht zwischen dem Substrat 1 und der Aufzeichnungsschicht 3, nahezu gleich.
Tabelle 4
Platte A ist nicht erfindungsgemäß, da sich die Dicke d₃ der Aufzeichnungsschicht außerhalb des beanspruchten Bereichs befindet.
In 12 ist der Jitter J (in % von T_c) als eine Funktion der Anzahl n DOW-Zyklen bei einer linearen Plattengeschwindigkeit von 7,2 m/s (sechsfache CD-Geschwindigkeit) für beide Platten dargestellt. Während eines DOW-Tests werden die neuen, amorphen Markierungen geschrieben und gleichzeitig die Flächen zwischen den neuen, amorphen Markierungen während des gleichen Laserpunktdurchgangs rekristallisiert. Aus 12 ist ersichtlich, dass in den ersten 1000 DOW-Zyklen bei Platte A ein hoher Jitter-Bump beobachtet wird. Der Spitzenwert von J liegt nach 4 DOW-Zyklen oberhalb 12%. Das heißt, dass die Platte nach zweimaligem DOW nicht mehr verwendet werden kann. Dieser hohe Jitter-Bump wird hauptsächlich dem hohen 'Trailing'-Jitter, d. h. der Rückseite eines Effekts, zugeschrieben. Dieses wird durch die Restdaten, d. h. die von der vorherigen Aufnahme verbleibende, amorphe Aufzeichnung, hervorgerufen. Das heißt, dass die amorphen Markierungen von der vorherigen Aufzeichnung während des direkten Überschrei bens (DOW) nicht vollständig kristallisiert werden. Nach 1000 DOW-Zyklen erreicht der Jitter den Wert des ersten Zyklus. Bei Platte B mit einer Dicke d₃ innerhalb des beanspruchten Bereichs tritt ein solcher Jitter-Bump nicht auf. Der Jitter J weist einen geringen, konstanten Wert auf, und die Gesamtanzahl DOW-Zyklen liegt oberhalb 2 × 10⁵, bevor die obere Jittergrenze von 12% erreicht wird.
Beispiel 27
Bei diesem Test wird der Einfluss der Dicke d₂ (in nm) der ersten dielektrischen Schicht 2 auf den Jitter untersucht. Die Materialien der Schichten sowie die Dicken der anderen Schichten als Schicht 2 sind die gleichen wie in den Beispielen 10 bis 15. Die Ergebnisse der Testaufnahme in einem Aufzeichnungsgerät mit einer Wellenlänge von 780 nm sind in 13 dargestellt. Diese Figur zeigt die maximale Anzahl n DOW-Zyklen als eine Funktion von d₂. Der Wert n wird als Überschreibzahl definiert, wenn der durchschnittliche Jiter ('Leading'-Jitter + 'Trailing'-Jitter)/2] 12% der Taktzeit T_c erreicht. Es ist ersichtlich, dass die maximale Anzahl n Zyklen mit Zunahme von d₂ ansteigt und einen Wert von über 10⁵ erreicht, wenn d₂ 70 nm oder mehr beträgt.
In den Beispielen 10 bis 15 wurde gezeigt, dass t_e und M₅₀₀₀₀/M₀ gegen d₂ nicht empfindlich sind. Jedoch ist die Kreislauffähigkeit überraschenderweise gegen d₂ hochempfindlich, sobald d₂ unter 70 nm liegt, wenn der Jiter als Maßnahme der Lebensdauer verwendet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein löschbares, optisches Informationsmedium vorgesehen, welche zum direkten Überschreiben und zur Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung, wie z. B. ein DVD-RAM und ein optisches Band, mit einer Kreislauffähigkeit von mindestens 2 × 10⁵ DOW-Zyklen bei einer linearen Geschwindigkeitr von 7,2 m/s, geeignet ist.

Claims

Optisches Informationsmedium zur löschbaren Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung mit Hilfe eines Laserstrahls, wobei das Medium ein Substrat aufweist, welches übereinander angeordnete Schichten in der folgenden Reihenfolge trägt: eine erste dielektrische Schicht, eine Aufzeichnungsschicht aus einem Phasenveränderungsmaterial mit einer Legierung aus Ge, Sb und Te, eine zweite dielektrische Schicht sowie eine Metallspiegelschicht, wobei die zweite dielektrische Schicht eine Dicke von 15 bis 50 nm und die Metallspiegelschicht eine Dicke von 60 bis 160 nm aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine durch die Formel Ge_50xSb_40-40xTe_60-10x (in Atomprozent) definierte Zusammensetzung, wobei 0,166 ≤ x ≤ 0,444, und die Aufzeichnungsschicht eine Dicke von 25 bis 35 nm aufweist.
Optisches Informationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnungsschicht eine Dicke von 27 bis 35 nm aufweist.
Optisches Informationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite dielektrische Schicht eine Dicke von 20 bis 40 nm aufweist.
Optisches Informationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste dielektrische Schicht eine Dicke von 70 bis 500 nm aufweist.
Optisches Informationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallspiegelschicht eine Dicke von 80 bis 120 nm aufweist.
Optisches Informationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine stöchiometrische Verbindung der Gruppe, welcher Ge₂Sb₂Te₅, GeSb₂Te₄ sowie GeSb₄Te₇ angehören, aufweist.
Optisches Informationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Legierung 0 bis 3 Atomprozent Sb zugegeben wurde.
Optisches Informationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallspiegelschicht mindestens eines der Metalle der Gruppe, welcher Al, Ti, Au, Ni, Cr, Mo, W und Ta angehören, aufweist.
Optisches Informationsmedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat durch eine Platte oder ein Band dargestellt ist.
Verwendung eines optischen Mediums zur Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung, wie in einem der vorangegangenen Ansprüche beansprucht, wobei die relative Geschwindigkeit zwischen dem Laserstrahl und dem Medium mindestens 2,4 m/s beträgt.