JP2006107588A

JP2006107588A - 光情報記録媒体、その再生方法及びその製造方法

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Publication number: JP2006107588A
Application number: JP2004290891A
Authority: JP
Inventors: Toshimichi Shintani; 俊通新谷; Jiichi Miyamoto; 治一宮本; Yumiko Anzai; 由美子安齋; Hiromi Kudo; 裕美工藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-10-04
Also published as: US20060072434A1; US7680025B2; JP4349248B2; CN1758346A; CN1758346B

Abstract

【課題】光ディスクの記録データの高密度化のために、光学分解能よりも小さなマークを再生することを目的として、超解像技術が提案されているが、従来の超解像技術では超解像効果を有する膜の結晶粒や分子の揺らぎによって超解像効果を示す領域が揺らぐため、高密度化に限界があった。
【解決手段】記録マーク自体が超解像効果を有し、かつ記録マーク同士を分断することにより、超解像効果を示す領域の揺らぎを低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は高密度光ディスク技術に関わる。

現在、大容量情報記録技術として、単位面積内により多くの情報を格納することのできる高密度光記録技術の研究開発が進められている。現在製品化されている光ディスク技術では、レーザ光をディスク上にレンズで集光し、ディスク上に記録されたデータの再生及び／又は記録を行っている。データを高密度化するために、これまでは、集光したレーザスポットのサイズを小さくする技術が開発されてきた。スポットサイズは、光源波長をλ、対物レンズの開口数をNAとすると、λ／NAに比例する。即ち、光源波長を小さく、レンズのNAを大きくすることによって、ディスク1枚に格納される情報量の大容量化が進められてきた。ここで光源波長、対物レンズのNA、直径12cmに格納されるデータの容量の組を、（波長, NA, 容量）と書くとすると、CDでは（780nm, 0.5, 650MB）、DVDでは（650nm, 0.6, 4.7GB）である。また、青色レーザ光源を用いた技術では2通りの組が提案されており、それらは（405nm, 0.85, 25GB）、（405nm, 0.65, 20GB）である。この記録容量で、高精細TV画像のデータを約2時間記録することができる。

しかしながら、例えば放送局などの業務用システムやセキュリティシステムへの用途としては上記の記録容量は不足であり、例えばディスク1枚で100GB以上の容量が要求されている。また、数10年から100年程度の長期保存が望まれる画像データなどは、その大量のデータ格納媒体の保管場所の関係上、なるべく多くのデータを1枚のディスクに記録することが望まれる。その要求される容量は数100GBから1TB以上である。

しかしながら、上記の方法による更なる大容量化は困難であると思われる。まず、光源の短波長化は、光源である半導体レーザの開発が非常に困難であり、また半導体レーザが開発されたとしても、その光源は紫外光であるため、ディスク基板や保護膜が光を吸収するようになり、良好な記録再生品質を確保することが困難であると予想される。対物レンズのNAを大きくする研究は現在進められており、例えばJapanese Journal of Applied Physics第42巻1101頁〜1104頁（2003年）において、NAを1.8とした場合の技術が報告されている。しかしこのシステムでは、記録再生に用いる光が通常の伝播光ではなく、近接場光と呼ばれる、レンズに局在する光であるため、レンズをディスク表面に非常に接近させ、かつその両者の距離を保ったまま、レンズがディスク上を移動する機構を有する必要がある。このようなシステムは磁気記録のハードディスクに酷似しており、光ディスクの利点であるディスクの交換が困難となる。

この困難を解決する為に、ディスクに何らかの機構を設けることによって、実効的に光学分解能を向上させる超解像技術が提案されている。
例えば、Japanese Journal of Applied Physics第32巻5210頁〜5213頁には、相変化記録膜を用いた媒体超解像技術が報告されている。通常、相変化記録膜はCD-RW、DVD-RAM、DVD±RW、Blu-ray Discなどの書換え型ディスクの記録膜に用いられるが、ここではこの記録材料を記録膜として用いるのではなく、上記の光磁気ディスクにおける再生層と同様、光学分解能を実効的に向上させる層として用いる。このような層(膜)をここでは超解像層（膜）と呼ぶ。この方法では、再生専用（ROM）ディスクに相変化記録膜をスパッタによって製膜し、再生時に相変化記録膜の一部を融解する。ディスクの反射率が、融解した部分の方が十分に高ければ、再生信号のうち、融解した部分から得られる信号が支配的になる。即ち、相変化膜が融解した部分が実効的な再生光スポットとなる。融解部分の面積は光スポットよりも小さいので、再生光スポットが縮小したことになり、光学分解能が向上する。

また特許文献１には、相変化膜を超解像膜として用いるが、その相変化膜の膜厚が記録パターンに応じて変調されており、相変化膜の薄い部分と厚い部分を設ける方法が提案されている。この方法におけるディスク作製方法は、まず記録マークパターンを有するマスクを光学リソグラフィー技術によって作製し、相変化膜をスパッタによって製膜する際にそのマスクを通してスパッタするか、或いはスパッタ後、そのマスクを通して例えば反応性イオンエッチングなどでパターニングすることにより、相変化膜の膜厚を変調させる。このようにして作製したディスクを再生する際、再生光パワーを調節すれば、相変化膜の薄い部分のみが融解し、厚い部分が融解しないようにすることができる。このことにより、上記の相変化膜を超解像膜として用いる方法と同様に、超解像効果を得ることができる。

また超解像技術の他に、記録特性の向上を目的として、特許文献２には、凹状カプセルに信号を記録することが記載されている。この文献では、基板に等しい長さの凹状ピットのアレイを作製し、その基板に相変化記録膜、保護膜、反射膜を積層し、ピット部分の相変化記録膜の結晶・アモルファスの状態を、通常の相変化記録と同じ方法で制御する。ここで、凹状ピットは記録単位となる。通常の書換え型相変化記録媒体では、ディスク上の同じ場所にデータを多数回書き換えると、記録膜の膜厚のムラがディスク内に生じ、記録再生特性が劣化する。この理由の一つは、データ書換えの際、走査する光スポットで記録膜を融解するが、その融解部分に生じる温度勾配に誘発されて記録膜の流動が生じるためである。特許文献２の方法を用いることにより、記録膜が融解する場所は凹状ピットの内部であるので、記録膜の流動が抑制され、書換え回数が向上する。
大容量光ディスクを達成するために、超解像技術以外に、多層光ディスク技術が提案されている。この技術では、1枚の光ディスクが複数の記録面を有し、それらの記録面の記録データを独立に記録及び／又は再生する。多層光ディスク技術は、例えばJapanese Journal of Applied Physics第38巻1679頁〜1686頁に報告されている。この方法で記録再生を行う場合、通常の光ディスクと同様にディスクの基板側から光を入射し、記録再生する記録面に光スポットの焦点を当てる。再生時には反射光量を検出する。即ち、基板側から見て奥の層を記録再生する場合、手前側の層を光が透過する必要がある。通常の光ディスクでは、反射率を考慮して構造を設計するが、多層光ディスクでは、一番奥の層以外は、ある程度以上の透過率を確保する必要がある。即ち、各層の反射率と透過率の両方に対する要請を満たすようにディスク構造を設計する。また、ある層を再生している際の他の層に記録されているマークの影響を防ぐため、各層の距離をある程度以上離す。この方法で4層の追記型光ディスクを達成した例がProceedings of SPIE第5069巻90頁〜97頁において報告されている。その報告における各層の透過率は、基板側から順に81.6%、74.4%、63.3%、0%であり、ドライブで再生する際の反射光量は全ての層において5％以上の反射率を得ている。

特開平7-244870号公報

特開平5-282674号公報 Japanese Journal of Applied Physics第42巻1101頁〜1104頁（2003年） Japanese Journal of Applied Physics第32巻5210頁〜5213頁 Japanese Journal of Applied Physics第38巻1679頁〜1686頁 Proceedings of SPIE第5069巻90頁〜97頁

上記の従来の方法では、主に熱を用いて、光スポット内に光学的変化領域を形成することによって超解像効果を得る。これらの方法では光学分解能が実効的に向上し、通常の再生方法では十分な信号を得ることのできないサイズのマークの再生信号を得ることができ、光ディスクの記録容量の向上、即ち記録データの高密度化が可能となる。
しかしながら、通常、光スポット内の熱分布は揺らぎを有する。この理由は、ディスクを形成する膜の少なくとも幾つかが多結晶であることに起因する結晶粒の存在や、或いは膜の欠陥などによって、熱拡散の一様性が失われるからである。このことにより、超解像効果によって形成された実効的な再生光スポットのサイズや形状は揺らぎを有し、このことが通常の再生方式には存在しなかったノイズや再生エラーを生ずる原因となる。このようなノイズをここでは超解像ノイズと呼ぶ。

超解像膜は、有機膜を除いて全て多結晶である。これらの膜の結晶粒径は材料によっても異なるが、一般に数10nm以上である。有機膜も分子サイズでその単位が決まり、それは10nm程度である。即ち、超解像における実効スポット径は数10nm揺らぐ。
スポット径の揺らぎは通常の光ディスクドライブにおいて、例えばオートフォーカスサーボのエラーなどによって起こる。通常光ディスクドライブでは、オートフォーカスエラーによるスポット径揺らぎが約5%以内になるようにする。このことから、超解像における実効スポット径も5%の揺らぎを許容するとし、かつ結晶粒などによる熱揺らぎが20nm程度であるとすると、実効スポット径は400nm以上であることが要求される。現在製品化されているBlu-ray Discでは、光源波長を405nm、対物レンズのNAを0.85とするので、λ/NAが約480nmとなる。Blu-ray Discの記録容量は23.3GB程度であるので、超解像によって達成される記録容量はその(480/400)²倍で約33.5GBとなる。これが媒体超解像技術による記録密度の向上の限界である。よって、[従来の技術]において記載したような、数100GBから1TBといった記録容量を達成することは困難である。

また、多層光ディスクについては、[背景技術]において記載したように、各層の透過率と反射率を考慮して設計する必要があるため、記録面の層数は上限を有する。何故ならば、例えば一番基板側の層を考慮する場合、層数を多くするためには高い透過率を確保する必要があるが、透過率を高くすると反射率は低くなり、そのためその層の信号振幅が低下する。逆にその層の信号量を向上させるために反射率を高くすると、奥の層に到達する光量が少なくなるため、奥の層の信号振幅が低下する。

特許文献１の方法では、相変化膜の膜厚が変調されているが、記録膜は連続しているので、マーク部分を融解した際に、スペース部分への熱伝導により、スペース部分の一部は融解する可能性が大きい。そのスペース部分の融解面積は、記録膜の結晶粒径、記録膜内の欠陥、膜厚が変化する変遷部分の揺らぎなどに依存するため、上記の超解像効果の限界と同様の議論が成り立つ。また、特許文献１では、相変化膜の膜厚を、マスクを用いたスパッタや、マスクを用いたRIEなどで行うが、スパッタやRIEなど、プラズマを用いる方法では、マスクの裏面にプラズマが漏れ込むため、膜厚変遷部分はゆるやかになる。その変遷部分の幅はプロセス条件にも依存するが、概ね100nm程度である。変遷部分はマークの前後にあるので、この方法ではマーク長を200nm以下にすることは困難である。即ち、この方法でBlu-ray Discと同等かそれ以上の記録容量を達成することは難しい。

特許文献２の方法では、記録時の物質流動を抑制することにより、書換え回数の向上を達成することはできるが、データ再生時は従来の方法を用いるため、記録密度は光源波長と対物レンズのNAで決定される光スポットサイズで決定される。よって記録密度や記録容量の向上には効果を示さない。

上記の課題の解決のために、各々の記録マークが分離されており、その記録マークを融解することによる超解像効果を用いてデータを再生する。その概念図を図１に示す。図１はディスクに光を入射した場合の模式図であり、(a)が断面図、(b)が上面図である。ディスク基板101の上に、記録マークに対応するピット102が、ピット間をピットよりも熱伝導率の低い材料からなる熱遮断膜である断熱材103によって完全に分離した状態で設置されている。その上には保護膜104が製膜されている。ピットは記録マークであるため、記録データに対応してその長さは変調されている。

このディスクに記録されたデータをドライブで再生するために、レーザ光105を対物レンズ106を通してディスクに入射する。このことにより、ディスク上に集光スポット108を形成する。この時、光スポットの中心付近の光強度の強い部分のみでピットを融解するように、入射パワーを設定する。光スポット108は記録マークであるピット102に比べて十分大きく、光スポット108内にピット102は多数存在する。通常この状態であると、再生信号に複数のピットの情報が多重され、それらを分離できず、データの再生は不可能となる。しかしピットが１つだけ融解することにより、そのピットは他のピットとは再生信号に異なる強度で寄与するため、融解したピットだけの情報を取り出すことができる。融解領域を1つのピットに限ることが重要であるので、ピット間はピットよりも熱伝導率の低い材料からなる断熱材103で分離することが望ましい。熱伝導率の低い材料としては、例えば非晶質状態のSiO₂、光ディスクの保護膜として用いられるZnS-SiO₂、及びSnO₂などが挙げられる。

これは超解像の一種であるが、マークが完全に分離されていることが特徴である。このことにより超解像ノイズを完全に除去し、記録データの高密度化を達成することができる。このことを概念的に図２に示す。入射光のガウシアンビームのプロファイル201が、例えば入射光パワーが高くなり、202のようになったと仮定する。超解像効果を示す温度の閾値203により、実効スポット径は204から205のように大きくなる。この揺らぎを、例えば実効スポット径204の5％程度に抑制する必要がある。即ち、実効スポット径204が100nmであれば、実効スポット径の揺らぎを5nm以下にする必要がある。これに対し、本発明(b)では、ガウシアンビーム内の温度がピットの融点206以上となった部分が超解像効果を示すが、超解像膜の役割を果たすピットが不連続であるため、最大の揺らぎは最小ピット長以下であればよい。即ち、最小ピット長が50nmであったとすると、揺らぎは25nm程度まで許容される。その範囲で温度分布が揺らいでも、融解されるピットの個数は変わらないので、再生信号振幅は殆ど変わらない。しかも、不連続ピットを用いることにより、例えば超解像膜の欠陥などによる再生エラーは生じない。例えばピット内に欠陥があったとしても、再生時には融解するので、原子が動くことによりその欠陥は解消される。

更に本発明は、従来の超解像技術で得られる再生信号よりもノイズを低減し、S/N比を向上させる効果も有する。その理由は、従来の超解像技術では超解像膜がディスク全面に製膜されており、その膜がノイズの原因となっていたが、本発明では、不連続ピット以外の膜を透明な誘電体膜とした場合、ノイズの原因となるのはピットのみであり、そのピットはディスクの一部分にしか存在しないためである。ここで、どの程度ノイズが低減されるかを見積もる。

ノイズの原因は、システムノイズ、レーザノイズ、媒体ノイズに分けられる。媒体ノイズは、膜ノイズ、マークノイズなどに分けられる。システムノイズ以外はディスクの反射率に依存するが、比較を簡単にするために、このディスクと本発明のディスクの反射率は等しいとする。また、ピットがディスクに占める面積は、ディスクのデータ領域の1/4であると仮定する。通常、トラック方向にはマークとスペースの割合は等しいが、マーク幅はトラック幅の1/2程度である。よって、マークはトラック方向に半分、ディスク半径方向に半分であるので、占有面積は1/4程度となる。即ち本発明では、膜のノイズ源からの反射光量が1/4となり、膜ノイズは12dB程度低減する。他のノイズは従来技術とほぼ同じと考えられる。従来技術の典型的な相変化ディスクと、本発明のディスクを再生した場合のノイズの内訳を表1に示す。この表より、本発明の信号のノイズは1.3dB低減されることがわかる。

1.3dBのノイズ低減がもたらす利点の度合いは、SN比、符号間干渉、信号再生方式などに依存するが、ここでは現実の光ディスクに基づいて利点の度合いを見積もる。まず、SN比のみに起因するデータ再生時のエラー率を見積もる。従来のディスクのSN比を、通常の光ディスクと同様の18dBであると仮定する。即ち、本発明のディスクのSN比は19.3dBであるとする。また、信号再生方式は、CDやDVDのそれと同様、最短マーク長からの信号振幅を増幅させる等価器を用いることを前提とする。すると、従来ディスクと本発明のディスクの再生信号のジッタはそれぞれ5.7％、4.88％となるので、データエラー率は1.11×10^-18、1.22×10^-24となる。実際には、これらに符号間干渉やサーボエラーに起因するエラーが加わるが、SN比に起因するエラー率は本発明により6桁低減されることがわかる。上記のエラー率は両者とも十分に低いが、コンピュータ用途にはエラーが全く許されない為、6桁のエラー率低減は非常に大きな効果となる。

本発明において、ピットを構成する材料として、GeSbTeやAgInSbTeなどの相変化記録材料を用いることが望ましい。その理由は主に3つある。それを下に述べる。
第一に、ピット作製が容易であることである。相変化記録材料はアモルファス状態と結晶状態でアルカリ溶液に対する溶解度が異なるためである（Applied Physic Letters第85巻639頁〜641頁）
第二に、相変化記録は微小パターンの形成に適している。その理由は、結晶内に、その結晶をレーザ照射によって局所的に融解して急冷することでアモルファスマークを記録する際、融解部分の周辺は徐冷されるために結晶化する。これを再結晶化と呼ぶが、この再結晶化によって融解した領域よりも小さなサイズのマークが形成されるため、記録のための光スポットのサイズよりも小さなマークを、高パワーマージンで記録することができる。例えば50nmのマークを再現性良く記録することは、現在の光リソグラフィー技術では困難であるが、相変化記録では可能である。これらのことをシミュレーションと実験によって示した例が、前出のApplied Physic Letters第85巻639頁〜641頁に報告されている。

第三に、相変化記録膜の融点は550℃〜650℃程度であり、その温度は適切であることである。例えば融点が低すぎると、ドライブ内温度などで最適な再生光パワーが異なり、エラーの原因となる。特にドライブ内温度は数10℃から80℃程度になることもあり、例えばピットの融点が100℃前後であったとすると、ドライブ内温度が熱揺らぎの原因となる。融点が600℃前後であれば、ドライブ内温度は調整範囲内である。逆に融点が高すぎると、再生光パワーを高くしなければならず、ドライブの消費電力の増大と光源である半導体レーザの劣化を招く。この意味で、相変化記録材料の融点はで適当である。

ディスクの膜構造を以下に検討する。膜構造は、再生信号、記録特性、ディスク作製方法などを考慮して設計すべきであるが、ここでは良好な再生信号を得るための設計について述べる。
ここでは従来の光ディスクドライブでデータを再生することを前提とする。その場合、ディスクの反射率を考慮する必要がある。ここでは図３(a)のような構造のディスクを想定する。図１の断熱材103として、ここでは熱伝導率の低いSiO₂を用いた。
図３(a)の構成では、記録膜層にSiO₂部分303、定常状態のピット部分304、融解したピット部分305が存在するので、これらの3つの反射率を考慮する必要がある。ここで、それぞれの反射率をR_space、R_pit、R_meltと書くことにする。再生信号を大きくするには、(1)R_spaceとR_meltの反射率差を大きくすること、(2)R_spaceとR_pitの差を小さくすることの2点が重要である。上記(2)において、例えばR_space＝R_pitが厳密に満たされているとすると、記録マークはピットが融解しない限りは反射光の変調に寄与しないので、ピットが融解した場所のみが信号に寄与する。逆に、R_spaceとR_pitの差の絶対値 |R_space−R_pit | は再生時のノイズとして現れる。上記のことから、ここでは再生信号の評価関数Fを、

と定義し、この信号評価関数Fを大きくするようにディスク構造を設計することを目標とする。

図３(b)に、記録膜層303、304、305が全て同じ膜厚d_recを有するときの、d_recとR_space、R_pit、R_melt及びFの関係を計算した結果を示す。ここでは光源波長を青紫色レーザである400nmを想定し、かつピットを構成する材料は、典型的な相変化記録膜材料であるGeSbTeとした。図３(b)に示した計算では、302、306、307の膜厚をそれぞれ55nm、30nm、20nmとした。その理由は、この組み合わせでFが大きな値となるからであるが、Fを大きく確保する構造は他にも存在する。他の組み合わせについては後述する。図３(b)より、drecが20nm付近でR_space ≒ R_pit となり、Fが非常に大きな値となる。更にFの分子である |R_space−R_melt | は約15％である。通常の相変化光ディスクでのマーク部分とスペース部分の反射率差は15〜25％程度であるので、それと同等の反射率差が得られることがわかる。即ち、上記の構造は超解像ノイズを殆ど完全に除去し、かつ大きな信号を得ることができるため、従来の超解像技術に比べてS/N比を向上することができる。
本発明によって達成される記録容量を見積もる。図４に、本発明で得られる信号振幅のマーク長依存性を計算した結果を示す。ここで縦軸は無限に長いマークで得られる振幅で規格化した。トラック幅を0.24mmとし、マーク幅はその半分であると仮定した。一般に相変化マークの形状は、その記録膜種類と記録方式によって、円形マークか或いはマーク幅の広いシェブロンマークになる。このことは、例えばJapanese Journal of Applied Physics第41巻631頁〜635頁に、そのメカニズムも含めて報告されている。このことから、図４には円形マークと、シェブロンマークに似た長方形マークに関する計算結果を示した。比較のために、25GB容量のBlu-ray Discの最短マーク列で得られる振幅の計算結果も記した。

ここで、得られるべき振幅の下限値を、Blu-ray Discの最小振幅と同じと仮定すると、図４より、本発明で達成される最短マーク長は、円形マークの場合は0.06mm、シェブロンマークの場合は20nmであることがわかる。25GB容量のBlu-ray Discの最短マーク長は0.149 mm、トラックピッチは0.32 mmであるので、本発明によって達成される記録容量は、ディスクサイズやフォーマット効率などの条件がBlu-ray Discと等しいと仮定すると、円形マークの場合で約83GB、シェブロンマークの場合で約248GBとなる。

本技術は、多層光ディスクに応用する場合にも利点を有する。多層ディスクの構造設計の際、反射率と透過率の両方を確保するためには、通常、透過率が約50％となるようにする。このことにより、4層ディスクが可能となる。通常に光ディスクは、記録面全体に記録膜などが存在するが、図３(a)の構造では記録ピットは部分的にしかなく、スペース部分は薄いAg薄膜のみであるため、高い透過率を確保できることが期待される。
本発明で達成される層数を見積もることを試みる。今、層数がn層の多層ディスクがあり、光入射側から第1層、第2層、・・、第i層、・・、第n層と呼び、各層の単層での透過率及び反射率をT_i及びR_iとし、ドライブにおいて第i層目を再生する際に得られる反射率をR_i ^driveとすると、

と書ける。T_jを二乗するのは、反射光量を検出してデータを再生する場合は、同じ層を2回通過するからである。ここで層数を見積もる際に、前出の4層光ディスクの文献での設計指針と同様に、全ての層に対してR_i ^drive＞4％を仮定した。また、|R_space−R_pit | ＜0.5％も条件に加えた。この条件で得られた膜設計値と各層の反射率、透過率を図５に示す。ここでディスク構造は図３(a)のそれを仮定し、膜の番号をそれぞれ基板301側から順に、膜302をfilm1、膜303、304、305を纏めて全て同じ膜厚としてfilm2、膜306をfilm3、膜307をfilm4とした。

図５の結果より、8層光ディスクが可能となることがわかる。図５の結果において、ドライブにおいて得られる融解ピットとスペースの反射率差は、全ての層で4.3％〜6.2％であり、前出の4層ディスクの報告の結果と同等か或いはそれ以上の振幅が得られることがわかった。1層の記録容量が83GBであるとすると、8層で約660GBの記録容量が可能となる。シェブロンマークを用いた場合、1層で248GBであるので、8層で約2TBの容量が可能となる。更に、本発明と多層ディスクの組み合わせは、層間クロストークを低減する効果を有する。通常、多層光ディスクではデータを記録再生する層以外の層にも光が照射され、その層からの反射光の一部がドライブの光検出器に入射するため、記録再生する層以外の層の影響を完全に消去することはできない。この影響を層間クロストークと呼ぶ。層間クロストークの大きさは光学条件やディスクの仕様に依存するが、層間クロストークを低減するためには、なるべく層間距離を大きくすることが重要である。しかし層間距離を大きくすると、例えば最も奥の層を記録再生する場合、光学条件の観点からすると、基板厚さが最適値からずれていることに等しく、それは球面収差を生ずる原因となる。このことは、例えばJapanese Journal of Applied Physics第42巻5624頁〜5633頁に記載されている。

しかし本発明では|R_space−R_pit | を小さくするようにディスク構造を設計し、光スポットが焦点を結び、パワー密度が大きくなった場合にのみ記録マークが融解し、そのことによってマークが検出されるため、光スポットが焦点を結ばない層に記録されたマークの影響は無視できる程度に小さい。よって層間距離を大きくする必要はない。層間距離は、スポットの焦点深度以上に層間を離すことと、焦点を結ばない層のピットが融解しない程度に熱伝導を抑制することが重要である。スポットの焦点深度は、例えばBlu-ray Discの条件では約300nm程度であり、かつ熱伝導は、最短ピット間距離で制御するため、例えばピット間が100nm程度であれば隣のピットを融解することなくデータを再生することができる。よって層間距離は500nm程度以上あれば十分であり、8層を4μm以下の厚さ内で作製することができる。続いて、球面収差補正を行わない場合について検討する。青色レーザでNA0.85を用いた場合、球面収差量の上限を、DVD-ROMの規格の値と同じ値に設定すると、フォーカス最適位置から5μmのずれまで許容されることが分かっている。したがって、8層ディスクの場合で、かつ、８層の中心がフォーカス最適位置の場合、層間距離は、5÷3.5=1.4μmとなる。したがって、このような条件において、層間距離を1.4μm以下にすれば、球面収差補正機構が不要となる。

更に、通常の多層ディスクの場合、例えばJapanese Journal of Applied Physics第43巻4983頁〜4986頁に報告されているように、層間クロストークを低減させるために、各層の間の中間層の厚さを全て異なる値にする必要があるが、本発明の場合は層間クロストークが十分に低いため、全ての中間層の厚さを同じにすることができる。このことにより、全ての中間層を作製するプロセスに対して同じ装置を使用することができるため、ディスク作製コストを低減することができる。
上記のように、本発明はCDサイズで単層100GB程度、多層化することにより500GBから1TB以上の記録容量を達成することができる。

次に、本発明のディスクの作製方法について述べる。図１(a)や図３(a)の構造のディスクを作製する方法は複数ある。ここではその幾つかについて述べる。
最も簡単な方法は、相変化膜に直接マークを記録し、相変化記録膜のアモルファスと結晶でアルカリ溶液に対する溶解度が異なることを利用して、マーク部分のみを残す方法である。そのプロセスを図6に示す。マークを記録する前に(a)のように膜を積層する。相変化記録膜はスパッタによって製膜した場合はアモルファス状態であるので、結晶化して(b)のようにする。結晶化は(a)の試料をベークしてもいいし、レーザ光を照射し、その際に記録膜に光が吸収されることによって発生する熱で行っても構わない。(b)に試料にレーザ光を照射してマークを記録し、保護膜を剥離して(d)のようにする。保護膜が例えばSiO₂などの場合、相変化記録膜との接着性が低いため、比較的容易に剥離する。例えばそのSiO₂の一部が相変化記録膜上に残っていたとしても、次のエッチングの過程で容易に剥離する。
(d)の試料をアルカリ溶液に浸して結晶部分を溶解して(e)のように凹凸ピットを作製し、それに保護膜と反射膜を製膜して基板をUV樹脂などで接着して(f)のようなディスクを作製すれば、図１(a)のようなディスクになる。ただし図6(f)の状態だと、凹凸は反射膜まで残っており、この点が図１(a)と異なる。

図１(a)の構造にするには、図６(e)の次にまず保護膜のみを製膜する。この時に、相変化記録膜のピットを結晶化しておく。この試料をアルカリ溶液に短時間浸すと、相変化記録膜の部分の表面が溶解し、相変化膜のピット部分の上にある保護膜のみがリフトオフされ、(h)のように平坦になる。或いは保護膜がSiO₂であった場合、ピット部分が溶解する前に液体に浸しただけで剥離する。この場合、液体はアルカリ溶液である必要はなく、例えば水でも構わない。(h)の試料に反射膜を製膜し、基板を接着すれば図１(a)の同じ構造のディスクを得ることができる。

図６の方法は、１枚のディスクを作製するのに、マークを一つ一つ記録する必要があり、時間を要する。一方、通常のROMディスクの作製には、原盤を作製する際はマークを一つ一つ記録して凹凸を作製するが、その原盤からスタンパを作製し、スタンパに溶解したポリカーボネートを流し込み、凹凸パターンの複製を作製する。これを射出成型と呼ぶ。この方法だと、原盤を作製するには時間を要するが、スタンパを作製した後は、ディスク1枚あたりの生産時間は非常に短くなる。

上記の図６の問題を解決する方法の一つとして、図７に示す方法が可能である。基板701に保護層702と相変化膜703を製膜する。ここに熱したスタンパ704を押し付ける。ここでスタンパ上の凹凸の凸部分のみが相変化膜703に接し、その部分の温度が結晶化温度に達し、結晶化する。このことにより、スタンパのマークパターンが相変化膜703に転写され、記録マーク705が形成される。この試料をアルカリ溶液でエッチングすることにより、図７(d)のような相変化材料からなるピットが形成される。この状態は図6(e)と同じであるので、その後のプロセスは図6のそれと同様である。図７の方法によって、マークパターンをディスクに転写する時間は、通常のROMディスクを作製する際の射出成型とほぼ同程度の時間となり、ディスク作製時間の短縮化が可能となる。

スタンパ704は原盤から作製するが、原盤作製は通常のROMディスクを作製する場合と同様に、レジストをガラス基板上に塗布した試料に短波長レーザを照射することによって作製することができる。また、本発明で実現するような高密度記録を達成するマークサイズは非常に小さいため、電子線によってマークを作製することも可能である。また上記のように、相変化記録は高密度記録に適しているため、例えば原盤作製時のみ図6の(a)〜(e)の方法を用い、図6(e)を原盤としてスタンパを作製する方法も可能である。

更に、相変化膜のぬれ性を用いたディスク作製も可能である。今、図８(a)のように、基板801、保護膜802、相変化膜からなる試料があり、相変化膜はアモルファス部分803と結晶部分804の両方を有するとする。このアモルファス803と結晶804にアルカリ溶液であるエッチング液の液滴805を置くとする。すると数秒から数分で図８(b)のように結晶804はエッチング液滴805をはじき、液滴805はアモルファス803の部分に動く。これは以下のように解釈できる。アモルファスと結晶は共に、空気中でその表面が酸化する。この数nmの厚さの酸化膜がエッチング液による腐食を阻害するが、結晶は多結晶であるため、結晶粒界から腐食が起こり、エッチング耐性が低い。このことにより、結晶部分の表面酸化膜はエッチングされ、結晶部分のみ、バルク部分がエッチング液滴と接触する。相変化記録膜は、バルク部分よりも酸化した状態の方が大きな分極率を持つ。かつ一般に、分極率が大きい固体ほど水に対するぬれ性は大きい。これらのことにより、相変化記録膜では表面酸化膜の方がエッチング液に対してより高いぬれ性を有するため、図８(b)のように、より早く表面酸化膜が腐食した結晶部分ではエッチング液滴をはじき、アモルファス部分に液滴が移動する。

このことを用いてディスクを作製する方法を図９に示す。図6(d)や図７(c)のように相変化マークパターンを作製する。そこに(b)のように、例えば疎水基と親水基の両方を有する両親性分子を浮かべたエッチング液を試料表面に塗布する。図９(b)の両親性分子の丸で描かれた部分が親水基であり、線で描かれた部分が疎水基である。エッチング液はアルカリ溶液であり、その熱力学的性質は水に近いため、親水基がエッチング液に接し、疎水基は大気側を向く。(b)の状態で結晶部分の表面酸化物が溶解し、エッチング液をはじき、(c)のようになる。ここでエッチング液が蒸発して(d)のようになる。この状態で保護膜を有する基板を接触させ、(f)のように両親性分子を移動させる。この試料に相変化膜を製膜し、両親性分子を溶解する溶剤で両親性分子の部分をリフトオフすると、(h)のように相変化材料のピットパターンを作製することができる。これは図6(e)と同じ状態であり、その後は図6の方法を利用することができる。
次のディスクを作成する場合は、(a)をスタンパとして利用し、再び(b)から始めれば、高速に(h)の状態を作製することができるため、ディスクは短時間で作製することができる。

このように両親性分子を用いて膜を作製する方法はラングミュア−ブロジェット膜（LB膜）の方法と同じであり、既に確立された技術であるので、図９の方法は困難なく遂行することができる。ここで用いる両親性分子はLB膜でよく用いられる、脂肪酸であるオレイン酸、リノール酸、ステアリン酸などでよい。また生体膜を構成する分子であるリン脂質などを用いることもできる。

上記のディスク作製方法は、多層ディスク作製にも応用可能である。その方法を図１０に示す。図１０(a)は図6(i)の上部基板を接着する前の状態であり、図6、図７、図９に示した方法で作製できる。この状態に層間を隔てる役割をする中間層1006を設ける。この中間層は通常の多層光ディスクの中間層と同様、紫外線硬化樹脂をスピンコートして作製する方法や、ポリカーボネートなどのプラスチック製のフィルムを紫外線硬化樹脂で接着する方法などで作製することができる。(b)の状態に保護膜と相変化膜を製膜し、図6、図７、図９のいずれかの方法で相変化膜にマークパターンを記録する。このディスクをアルカリ溶液でエッチングし、相変化材料からなるピットを作製し、(e)の状態にする。この試料を図6の方法で(f)の状態にする。2層ディスクを作製する場合は、(f)の表面に上部基板を接着させればよく、3層以上のディスクを作製する場合は、再び(b)のプロセスから始めればよい。

従来の光ディスクドライブの光学系を用い、約100GB/面の容量を有する光ディスクの記録データの再生を可能とする。また多層化することにより、約1TBの容量を有する光ディスクも可能となる。

単層ディスクを作製し、本発明の効果を調べた。ディスク作製方法は図6に示した方法を用いた。図6の上部基板606は厚さ1.2mmのポリカーボネートであり、反射膜605はAg 20nm、上部保護層604はZnS-SiO₂ 30nm、相変化膜603はGe₅Sb₇₀Te₂₅ 20nm、下部保護層602はSiO₂ 55nm、下部基板601はポリカーボネート製の厚さ0.1mmのシートであり、紫外線硬化樹脂を用いて接着した。この膜構造は図３で計算した、信号評価関数が最大となる場合と同じである。膜は全てスパッタによって製膜し、上部基板606に反射膜、上部保護層、相変化膜、下部保護層の順に積層した。

この試料の相変化膜を相変化ディスク初期化機によって結晶化した。初期化機のレーザ波長は830nm、対物レンズのNAは0.5である。また焦点を結んだ場合のスポットは、ディスク半径方向に約200mmの長さを持ち、ディスク回転方向にはλ/NAで決まる長さ、即ち約1.7mmの長さを有する。結晶化の際には、試料を3m/sの線速度で回転し、パワー300mWのDCレーザビームを照射した。
このディスクに図１１に示す装置でアモルファスマークパターンを記録し、ディスクを作製した。エッチングの際には、pH12の水酸化ナトリウム溶液に、試料を20分間浸した。

データは、記録に用いた装置と同じものを用いて再生した。この装置は通常のディスクテスターとROMディスクを作製する装置の両方を兼ね備えている。装置の構成について述べる。半導体レーザ1101からレーザ光が出射され、レンズ1102で平行光にする。この平行光は偏光ビームスプリッタ1103を通過する。この時、半導体レーザ1101から出射したレーザ光は直線偏光であるが、その偏光方向は、偏光ビームスプリッタ1103を完全に通過するように偏光ビームスプリッタ1103の方向を調整しておく。レーザ光はλ/4板1104で円偏光に変換され、ミラー1105、対物レンズ1106を通過してディスク1107上に焦点を結ぶ。ディスクからの反射光は対物レンズ1106、ミラー1105を通過し、λ/4板1104で直線偏光になるが、それはレーザ1101から出射した時の偏光方向とは90°異なる方向である。よってこの光が偏光ビームスプリッタ1103に入射すると、光路は90°曲げられ、フォーカス信号検出器1110及び再生信号・トラッキング信号検出器1111に入射する。両者の検出器からの信号は信号処理・制御システム系1112に入力される。同時にヘッドの半径位置をレーザ干渉計1114で検出し、その信号をシステム1112に入力する。このシステムでオートフォーカスサーボ、トラッキング信号、レーザパルス発生信号、ディスク回転速度などを制御する。

ここで、ディスク作製のための記録を行う場合には、オートフォーカスサーボを用いることはできるが、マークが存在しないので、トラッキングサーボ信号は得られない。よって記録時にはレーザ干渉計1114でヘッドの位置を制御するために、システム1112はヘッドのアクチュエータ1113に信号を送る。記録再生時にはヘッドとディスクの線速度は常に等しくなるようにする、いわゆるCLV（Constant Linear Velocity）にするために、レーザ干渉計1114の信号からディスク回転速度を制御するために、システム1112はスピンドル1115に信号を送る。また記録時には、半導体レーザ1101は、記録するマークパターンに対応したレーザパルスを出射する必要があるので、システム1112はそのレーザパルス信号をレーザ1101に送る。
ここで用いたレーザ1101の波長は405nm、対物レンズ1106のNAは0.85であり、Blu-ray Discの条件と同じである。

記録レーザパルスの波形を図１２に示す。ここで用いた記録変調方式は、最短マークが検出窓幅Twの2倍（2Tw）であり、最長マークが9Twである（1,7）変調方式を用いた。パルスは記録パワーPw、ボトムパワーPb、消去パワーPeから成り、nTwのマークを（n-1）個のパルスで記録する。図には2Tw、3Tw、5Twの場合のみが記載されている。本実施形態では、１つのパルスのうち、Pwの長さを3/8Tw、Pbの長さを5/8Twとし、Pw、Pb、Peの値はそれぞれ4.5mW、0.1mW、2.0mWとした。また記録の際のトラック幅は0.24mmとした。

トラッキング方法は、通常のROMディスクを再生する方法と同じ方法である位相差検出方式を用いた。即ち、図１１において、再生信号・トラッキング信号検出器1111を4分割とし、それぞれで得られる信号の対角成分同士の和の差を0とする方法である。この方法を通常のディスクに適用した場合、マーク長が小さくなるとトラックエラー信号が小さくなり、トラッキングサーボが不可能となるが、本発明では単一ピットを融解し、そのピットのみで信号が得られるため、トラックエラー信号が極端に小さくならず、トラッキングサーボが可能となる。

上記の（1,7）変調によるランダムパターンとは別に、本発明の効果を調べるために、マーク長とスペース長が同じ長さである単一パターンを記録し、キャリア対ノイズ比（CNR）を測定できるようにした。そのマーク長とCNRの関係を、様々な再生パワーで調べた結果を図１３に示す。図１３では、再生パワーが0.3mW及び1mWの場合で殆ど信号が得られていない。これは図３の説明で述べたように、相変化膜のピット部分が融解しない場合には、マークとスペースの反射率が殆ど等しいことによる。再生パワーが1.5mWの場合は非常に大きな信号が得られており、マーク長が40nmの場合でも約40dBのCNRが得られている。しかし再生パワーを大きくするに従って、小さいマーク長におけるCNRが小さくなる。このことは、再生パワーが大きくなることにより、融解領域が大きくなり、小さいマーク長の部分では隣のピットも融解し、実効的な分解能が低下したことによると解釈できる。融解領域の大きさはディスク構造や光学条件にも依存するので、最適再生パワーはディスク、ドライブ、及び最短マーク長に依存する。ここで用いたディスク及び光学条件では、再生パワーが約1.5mWが最適であることが推測される。

従来ディスクを用いて上記の実験を行った場合について述べる。
超解像を用いないディスクでは、再生パワーを変えても、CNRは殆ど変わらない。何故ならば、再生パワーを変えても光学分解能は変わらないので、反射光量の増大に比例して信号が向上するが、ノイズも同じだけ向上するからである。光学分解能は概ねλ/4NAであり、それ以下のマーク長では信号振幅が殆ど0となる。即ち、Blu-ray Discの条件では、約120nmである。

超解像を用いた場合のCNRの例が、例えばJapanese Journal of Applied Physics第43巻 4921頁〜4924頁に記載されている。ここでは確かに50nmマーク長まで信号が得られており、光学分解能が向上していることがわかるが、Blu-ray Discの2TマークのCNRである48dBのCNRは100nmの長さのマークでしか得られない。この一因は、超解像ノイズであると推測される。それに対し、図１３では60nmのマーク長で48dBのCNRが得られており、本発明の効果が実証された。

最短マークを40nmとして記録したランダムマークを再生した。再生の際には、例えばJapanese Journal of Applied Physics第39巻824頁〜829頁に報告されている信号処理方法の一つであるPRML（Partial Response Most Likelihood）法を用いた。再生データのエラー率は2.2×10^-6であった。通常、エラー訂正符号によってほぼ完全にデータを誤りなく再生できるエラー率の上限は1×10^-3とされており、ここで得られたエラー率はその上限よりも十分に低く、実用に耐える値である。
ディスクを分解してマーク形状を電子顕微鏡で観察した結果、マークの形状はいわゆるシェブロンマークに似た形状であり、最短マーク長40nmのマークの幅は約80nmであった。シェブロンマークとなった理由は、図１２に示した記録パルス波形におけるPeレベルによる再結晶化の結果であると思われる。このことにより、長さ40nmのマークの信号が十分な振幅で得られたと考えられる。このことにより、CDサイズで125GBの容量のディスクを作製することができた。

ここではディスクへのマークの記録と再生の両方を行うことが可能であるようなディスクテスタを作製して実験を行ったが、このディスクテスタでデータを再生する際に用いた機能は、従来のディスクドライブが有する機能とほぼ同じであるため、ここで得られた結果は従来のディスクドライブでも得られる。しかしここで用いた再生パワーは1.5mWであり、この値は従来技術の再生パワーに比べて高い。即ち、現製品のディスクドライブに再生パワーを高くする機能を追加すれば、本発明の効果は得られ、従って現製品との互換性を確保することができる。

ここでは図７に示した方法で作製したディスクのデータを再生し、エラー率を測定した。
ディスクへのデータの記録は、第1形態に述べた方法を用いた。変調符合は（1,7）変調を用い、最短マーク長を40nmとした。第1形態は図6の方法でディスクを作製したが、図6(e)の状態の型を紫外線硬化樹脂で取り、その樹脂にNiメッキを施したものを原盤とした。その原盤からNi製のスタンパを作製した。一方、1.2mm厚のポリカーボネート基板にAg 20nm、ZnS-SiO₂ 30nm、相変化材料であるGe₂Sb₂Te₅ 20nmをスパッタによって製膜した。200℃に熱したNiスタンパを、この試料に1秒間接触させ、結晶マークパターンを試料上に作製した。この試料を、膜側の表面を上にしてスピンコーターに載せ、600rpmで回転しながら試料の内側にpH13.5の水酸化ナトリウム溶液を垂らした。水酸化ナトリウム溶液を垂らしながらスピンを3分間行うことにより、結晶状態の部分が溶解され、相変化材料のピットを作製した。その試料にSiO₂を55nmスパッタし、0.1mm厚のポリカーボネートシートを紫外線硬化樹脂で接着した。

このディスクを、図１１に示したのと同じディスクテスタで再生した。再生パワーとエラー率の関係の実測値を図１４に示す。比較のために、図１４には従来の超解像ディスクで測定したエラー率のデータも記した。従来の超解像ディスクで得られた本発明のディスクでは、最良のエラー率は4.2×10^-3程度であり、要求されるエラー率の最大値1×10^-3よりも大きかったが、本発明のディスクでは再生パワーが1.5mWの時に最小のエラー率2.2×10^-6が得られ、更に再生パワーが1.4〜1.6mWの間で1×10^-3よりも低いエラー率が得られた。

尚、図１４は、図７に示した方法で作製したディスクのデータを再生した場合のエラー率であり、本発明のディスクの作製の仕方により、最小エラー率、及び、最小エラー率が得られる再生パワーが異なってくるものであるため、最小エラー率、再生パワーの値は、図１４に示した値に限られない。

ここでは図９に示した方法で作製したディスクのデータを再生した。
ディスクへのデータの記録は、第1形態及び第2形態に述べた方法を用いた。図９(a)の試料の表面にpH12の水酸化ナトリウム溶液をスピンコーターを用いて塗布した。この時、水酸化ナトリウム溶液は、ディスク半径20mmから60mmの部分の表面を覆った。この面積は約0.01m²である。その試料に16mgのステアリン酸を垂らした。24mgのステアリン酸が0.01m²の面積を隙間なく覆うことを予め測定しておいた。このことは、ステアリン酸の直径が約1nmであり、かつ分子量が284であることからもほぼ妥当な値である。この時点でディスクの半径20mmから60mmの表面の2/3がステアリン酸に覆われている。この状態が図９(b)に対応する。この状態を2分間保つと、図９(c)のようになった。この試料を80℃に熱したホットプレート上に10秒置き、水酸化ナトリウム溶液を蒸発させて図９(d)の状態にした。80℃程度なら、ステアリン酸は蒸発されずに試料上に残った。

ここで1.2mm厚のポリカーボネート基板にAgを20nm、及びZnS-SiO₂ 30nmをスパッタした試料Aを図９(c)の表面に近づけ、ステアリン酸を試料Aの表面に移動させた。相変化膜は疎水性であり、水に対する接触角は約70°である。それに対しZnS-SiO₂の水に対する接触角は約30°であり、ZnS-SiO₂は疎水性と親水性の中間に属する。よって、親水基が相変化膜の方向を向いているステアリン酸は、ZnS-SiO₂が接近することによってZnS-SiO₂の方へ移動した方が界面エネルギーを低減することができるため、ZnS-SiO₂の表面に移動したと思われる。

この試料に相変化膜Ge₅Sb₇₀Te₂₅をスパッタし、その試料をイソプロピルアルコールに10秒浸した。このことにより、ステアリン酸は溶解し、ステアリン酸上にスパッタされた相変化膜はリフトオフされ、除去される。アモルファス状態の相変化膜はイソプロピルアルコールに対して強い耐性を有する為、ステアリン酸の存在しない場所に製膜された相変化膜はそのまま試料上に残る。このことにより、相変化材料から成るピットを形成することができた。

この試料にSiO₂を55nmスパッタし、0.1mm厚のポリカーボネートシートを紫外線効果樹脂で接着した。この試料の記録データを図１１のディスクテスタで再生した。そのデータを図１５に示す。比較のために、従来の超解像ディスクのエラー率のデータも示した。この従来の超解像ディスクのデータは、図１４のそれと同じである。図１５より、定性的には図１４と同じ傾向のデータが得られた。最良のエラー率は第2形態のそれと同じように再生パワーが1.5mWの時に得られたが、そのエラー率は1.5×10^-7であり、第2形態のエラー率よりも良好であった。このことは、本実施形態のディスク作製方法により、第2形態の方法で作製したディスクよりもディスクノイズが低減したことが原因であると思われる。

更に、現製品のドライブを改造してデータを再生した。ドライブは2点の改造を行った。まず、再生パワーを2mW以下の任意のパワーにすることを可能とした。次に、ディスク上の特定パターンを再生し、そのエラー率が最小になる再生パワーを選ぶ機構を設けた。このドライブでデータを再生したところ、最適再生パワーは1.5mWであり、その時のエラー率は9.7×10^-8であった。

データを電子線で記録することを試みた。ガラス基板にAgを100nm、相変化材料Ge₂Sb₂Te₅を20nmスパッタした。この試料の相変化材料表面に焦点を結んだ電子線を照射し、結晶化させることによってデータを記録した。記録の際、試料を1m/sの速度で回転させ、電子線の加速電圧を10kV、電流を20nAとし、記録するマークパターンに応じて電子線をオンオフした。ここで、最短マーク長が60nm、40nm、20nmの3種類のマークパターンを記録した。

電子線でマークパターンを作製した後は、第3形態で述べた方法と同じプロセスでディスクを作製した。このディスクを、第3形態で述べたドライブで再生したところ、最短マーク長が60nmの場合のエラー率は3.4×10^-7、40nmでは2.2×10^-5、20nmでは5.8×10^-3であった。エラー率が第1〜3形態のそれと比べて低いのは、マーク形状がシェブロン形ではなく、円形であることによると思われる。

多層ディスクを作製し、記録データを再生した。
ディスク作製方法は第3形態で述べた方法とほぼ同じである。第3形態で単層ディスクを作製した後、ポリカーボネートシートを接着せずに、中間層を紫外線効果樹脂で作製した。中間層の厚さは全て3mmとした。エッチングの際、既に作製が終了した層の相変化ピットはアルカリ溶液に対して耐性を有する材料に囲まれているので、溶解せずに残った。

この方法で図５に示した膜構成の8層ディスクを作製した。このディスクのそれぞれの層を再生した際の再生パワー及びエラー率を図１６に示す。再生パワーを層によって変えた理由は、式（2）にも記したように、途中の層で光が遮られるために、再生する層に到達する光パワーや反射光量が減衰するからである。ここで、反射光量は式(2)に記したように透過率の積の2乗に依存するが、再生する層に到達する光量は透過率の積に依存する。本発明では、ピットを融解するためには再生する層に到達する光量が重要であり、再生信号の大きさの観点からは反射光量が重要であるため、両者のバランスを確保する必要がある。しかしここでは、反射光量に着目し、再生パワーは1.5mWに透過率の積の2乗を掛けた値とした。即ち、各層に到達する実効的なパワーは、1.5mWよりも大きくなる。しかしながら、図１６の結果では、良好なエラー率が得られている。この理由は以下の3点であると思われる；(1)ディスク設計の段階で各層の透過率が高いため、透過率と透過率の2乗の差があまり大きくないこと、(2)その透過率と透過率の2乗の差は再生パワーマージン内であること、(3)ここで用いたディスク構造では、第6層目から第8層目における相変化膜の膜厚が厚く、相変化ピットを融解するために必要な実効的な再生パワーが大きくなること。

以上のように、8層ディスクを作製することができた。1層の容量が125GBであるため、このディスクは1TBの容量を有する。即ち、従来の光ディスクドライブの再生パワーを可変にすることによって、1TBの容量の光ディスクの再生が可能になることが示された。

本発明の概念図。(a)ディスク断面図、（b）ディスク上面図。ガウシアンビームのパワー揺らぎと実効的な再生スポットサイズの揺らぎの関係の説明図。(a)従来の超解像技術、（b）本発明。本発明を実現するディスク構造の一例の説明図。(a)ディスク断面図、（b）記録膜厚と反射率及び信号評価関数の関係の計算結果。本発明におけるマーク長と信号振幅の関係の計算結果。本発明を多層ディスクに応用した場合のディスク構造とその光学特性の一例。本発明のディスク作製方法の一例。マークを直接記録する方法。本発明のディスク作製方法の一例。熱したスタンパを接触させることによって決勝マークパターンを作製する方法。相変化膜のエッチングにおける、結晶及びアモルファス部分のぬれ性の変化の説明図。(a)エッチング液を膜表面に垂らした直後、(b)数分後。本発明のディスク作製方法の一例。結晶とアモルファスの短時間エッチング後の表面のぬれ性の差を利用する方法。本発明の多層ディスク作製方法の一例。本発明の実施の形態で用いた記録及び再生装置の構成図。本発明でアモルファスマークを記録する際に照射するレーザの波形。本発明の実施の形態の第1形態において得られた再生信号のCNRのマーク長及び再生パワー依存性。本発明の実施の形態の第2形態において得られた再生信号のエラー率の再生パワー依存性。本発明の実施の形態の第3形態において得られた再生信号のエラー率の再生パワー依存性。本発明の実施の形態の第5形態において得られた、8層ディスクの各層の再生パワーと再生信号のエラー率。

符号の説明

101：基板、102：ピット、103：断熱材、104：保護膜、105：入射光、106：対物レンズ、107：融解したピット、108：光スポット、
201：ガウシアンビームのプロファイル、202：パワーが微小に高くなったガウシアンビームのプロファイル、203：超解像効果の閾値、204：実効スポット、205：パワーが微小に高くなった場合の実効スポット、206：ピットの融点、207：最小長さのピット、
301：基板、302：SiO₂、303：スペース部分のSiO₂、304：定常状態のピット、305：融解したピット、306：ZnS-SiO₂膜、307：Ag膜、308：基板、
601：下部基板、602：下部保護層、603：アモルファス状態の相変化膜、604：上部保護層、605：反射膜、606：上部基板、607：結晶状態の相変化膜、608：アモルファスマーク、
701：基板、702：保護膜、703：アモルファス状態の相変化膜、704：熱したスタンパ、705：結晶状態の記録マーク、
801：基板、802：保護層、803：相変化膜のアモルファス部分、804：相変化膜の結晶部分、805：エッチング液滴、
901：基板、902：保護層、903：相変化膜のアモルファス部分、904：相変化膜の結晶部分、905：エッチング液、906：両親性分子、907：基板、908：保護層、909：相変化膜、
1001：下部基板、1002：下部保護層、1003：相変化ピット、1004：上部保護層、1005：反射膜、1006：中間層、1007：第2層目の保護膜、1008：第2層目の相変化膜、1009：第2層目の記録マーク、1010：第2層目の相変化ピット、1011：第2層目の上部保護層、1012：第2層目の反射膜、
1101：半導体レーザ、1102：レンズ、1103：偏光ビームスプリッタ、1104：λ/4板、1105：ミラー、1106：対物レンズ、1107：ディスク、1108：ハーフミラー、1109：ミラー、1110：フォーカスサーボ信号検出器、1111：再生信号・トラッキング信号検出器、1112：信号処理・制御システム、1113：アクチュエータ、1114：レーザ干渉計、1115：スピンドル。

Claims

基板と、
前記基板上に形成された、再生ビームが照射されることによって融解する孤立パターンからなる記録ピットと、
前記記録ピット間に形成された、前記記録ピットよりも熱伝導率の低い材料からなる熱遮断膜とを有することを特徴とする情報記録媒体。
請求項１に記載の光情報記録媒体において、前記記録ピットを有する層が複数設けられていることを特徴とする情報記録媒体。
請求項２に記載の光情報記録媒体において、複数設けられた前記記録ピットを有する層の互いに隣接する層の間隔が、500nm以上1.4μm以下であることを特徴とする光情報記録媒体。
請求項１に記載の情報記録媒体において、前記記録ピットがSb、Teを含むことを特徴とする情報記録媒体。
請求項１に記載の情報記録媒体において、前記熱遮断膜は、ＳｉＯ_２を含む材料で形成されていることを特徴とする情報記録媒体。
請求項１に記載の情報記録媒体において、前記孤立パターンは、円形マーク又はシェブロンマークであることを特徴とする情報記録媒体。
孤立パターンからなる記録ピットと、前記記録ピット間に形成された、前記記録ピットよりも熱伝導率の低い材料からなる熱遮断膜とからなる層を有する情報記録媒体に対し、光を照射し、
前記記録ピットを溶融し、
溶融された前記記録ピットからの信号を検出することにより情報を再生することを特徴とする情報再生方法。
請求項７に記載の情報再生方法において、前記光の入射パワーを、最大揺らぎが前記記録ピットの最小ピット長以下となるように、設定することを特徴とする情報再生方法。
請求項７に記載の情報再生方法において、前記情報記録媒体は、前記記録ピットを有する層を複数有しており、前記複数の層のうちの第１の層に対し光を照射し、前記第１の層の記録ピットを溶融することにより情報を再生することを特徴とする情報再生方法。
基板上に形成された相変化膜に、複数の記録マークを形成するステップと、
前記相変化膜に形成された前記記録マーク以外の領域を除去した凹凸パターンを形成するステップと、
前記凹凸パターンの凹部に、熱遮断膜を形成するステップとを有し、
前記記録マークは、読み出しビーム照射時に溶融するものであることを特徴とする情報記録媒体製造方法。
請求項１０に記載の情報記録媒体製造方法において、前記記録マークは、熱エネルギーにより形成されることを特徴とする情報記録媒体製造方法。
請求項１０に記載の情報記録媒体製造方法において、前記凹凸パターンを形成するステップは、媒体をアルカリ溶液に浸すことにより、前記記録マーク以外の領域を除去するステップであることを特徴とする情報記録媒体製造方法。
請求項１０に記載の情報記録媒体製造方法において、前記凹凸パターンを形成するステップの後、前記記録ピットを結晶化し、前記相変化膜が形成された基板上に保護膜を形成し、媒体をアルカリ溶液に浸すことにより、熱遮断膜を形成することを特徴とする情報記録媒体製造方法。
請求項１０に記載の情報記録媒体製造方法において、凹凸パターンを有するスタンパにより、前記記録マークを形成することを特徴とする情報記録媒体製造方法。
請求項１０に記載の情報記録媒体製造方法において、前記記録マークが形成された相変化膜に両親性分子を有するエッチング液を塗布し、前記エッチング液が前記記録マーク以外の領域に移動後、保護膜を有する基板を接触させることにより前記両親性分子を移動させ、相変化膜を製膜することにより凹凸パターンを形成することを特徴とする情報記録媒体製造方法。
請求項１０に記載の情報記録媒体製造方法において、前記熱遮断膜を形成するステップの後、前記相変化膜上に中間層を形成し、前記中間層上にさらに相変化膜を製膜して記録マークを形成することを特徴とする情報記録媒体製造方法。