JP2506787B2

JP2506787B2 - 光学的情報記録部材

Info

Publication number: JP2506787B2
Application number: JP62170253A
Authority: JP
Inventors: 信夫赤平
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-07-08
Filing date: 1987-07-08
Publication date: 1996-06-12
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: JPS6414741A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、光・熱等を用いて高速かつ高密度に情報を
記録再生する光学的情報記録再生媒体に関するものであ
る。

従来の技術レーザー光をレンズ系によって収束させると直径がそ
の光の波長のオーダーの小さな光スポットを作ることが
できる。したがって小さい出力の光源からでも単位面積
あたりのエネルギー密度の高い光スポットを作ることが
可能である。これを情報の記録・再生に利用したものが
光学的情報記録媒体である。以下、「光記録媒体」ある
いは単に「媒体」と記述する。

光記録媒体の基本的な構造は表面が平坦な基板上にレ
ーザースポット光照射によって何らかの状態が変化する
記録薄膜層を設けたものである。信号の記録・再生は以
下のような方法を用いる。すなわち、平板状の媒体を例
えばモーター等による回転手段や並進手段により移動さ
せ、この媒体の記録薄膜面上にレーザー光を収束し照射
する。記録薄膜はレーザー光を吸収し昇温する。レーザ
ー光の出力をある閾値以上に大きくすると記録薄膜の状
態が変化して情報が記録される。この閾値は記録薄膜自
体の特性の他に基材の熱的な特性・媒体の光スポットに
対する相対速度等に依存する量である。記録された情報
は記録部に前記閾値よりも十分低い出力のレーザー光ス
ポットを照射し、その透過光強度、反射光強度あるいは
それらの偏光方向等何らかの光学的特性が記録部と未記
録部で異なることを検出して再生する。

したがって、小さいレーザーパワーで状態が変化し、
大きな光学的変化を示す材料および構造が望まれる。

記録薄膜としてはBi、Teあるいはこれらを主成分とす
る金属薄膜、Teを含む化合物薄膜が知られている。これ
らはレーザー光照射により薄膜が溶融あるいは蒸発し小
孔を形成する穴開け型の記録を行い、この記録部からの
反射光量が変化することを検出して再生を行う。また、
他に相変化型と呼ばれる、形状の変化を伴わずに光学的
な変化をする記録媒体がある。材料としては、アモルフ
ァスカルコゲン化物薄膜、テルルおよび酸化テルルから
なるTe−TeO₂を主成分とする酸化物系薄膜がある（特公
昭54−3725号公報）。これらはレーザー光照射により薄
膜の消衰係数あるいは屈折率のうち少なくともいずれか
１つが変化して記録を行い、この部分で透過率あるいは
反射率が変化することを検出して信号を再生する。

媒体の構造によって光記録媒体の特性を向上させる試
みとしては、米国RCA社の提案している三層構造（Tri−
layer stucture）と呼ばれる記録媒体構造がある。これ
は記録薄膜層の他に光の金属反射層を透明な誘電体層を
はさんで設け、光の干渉効果を利用して光の吸収効率を
高めかつ反射率変化を大きく得られる構造である。また
記録薄膜が薄くても吸収効率を確保することが可能で単
位体積あたりの記録層の吸収エネルギーが大きい記録媒
体を提供できる。

発明が解決しようとする問題点以上のような光記録媒体の中で穴開け型のものは反射
率変化は大きく取れるが、きれいな穴を形成することが
難しく再生時のノイズが大きい。また、密着した保護構
造がとれず、いわゆるエアーサンドイッチ構造といわれ
る複雑な中空構造をとる必要があり、製造が難しくコス
ト高である。

三層構造記録媒体は吸収が大きく変化量も大きいが構
造が複雑で製造が難しくコスト高である。また、反射層
に熱伝導率の大きい金属を用いているので、吸収された
熱が反射層に逃げ記録薄膜層の昇温を妨げ、記録感度に
限界がある。

これらに比べて相変化型の記録媒体は形状変化を伴わ
ないので簡単な構造がとれ製造が容易で低コストの媒体
であるが、検知しうる光学的な変化量が比較的小さく十
分な信号量が得にくいという問題点がある。さらに、十
分な変化量が得られる記録薄膜の膜厚の許容値が小さい
という問題点もある。

従来の光記録媒体の記録薄膜は第２図に示すように膜
厚方向に光学定数（複素屈折率）が均一に分布してい
る。

相変化型の材料はエネルギー線を照射してその相を変
化させると複素屈折率が変化する。その変化は一般的に
屈折率と消衰係数が同方向に変化する。すなわち屈折率
が増加すると消衰係数も増加する。以下、このように変
化をするふたつの相をそれぞれ「低複素屈折率相」およ
び「高複素屈折率相」と記述する。

このような記録薄膜の反射率は膜厚ｄに依存する。基
材側から光を入射した場合の記録薄膜の反射率Ｒは記録
薄膜の光入射側の界面からの反射光とその反対側の界面
からの反射光の多重干渉の結果である。膜厚ｄを変化さ
せると反射率は干渉の結果、波長と屈折率によって決ま
る周期で増減するが膜厚が増加するにしたがい吸収によ
り光入射側と反対の界面に到達して反射する光量が減少
するため干渉の効果がなくなっていく。その結果として
第３図のように干渉による増減が膜厚の増加にともない
しだいに減衰する曲線を描く。高複素屈折率相では屈折
率の増加により干渉による膜厚周期が小さくなると同時
に消衰係数の増加により減衰する膜厚が小さい方向にシ
フトする。以上の結果、相変化した時の反射率差ΔＲも
膜圧により変化するが一般には第３図に示すように低複
素屈折率相で反射率が極小になる膜厚で最大になる。

したがって、低複素屈折率相で反射率が極小になる膜
厚で高複素屈折率相で十分反射率が大きくなる必要があ
る。しかし、一般に高複素屈折率相ではそのような膜厚
では干渉の効果が小さく十分大きな反射率は得られな
い。

一方、相変化をする材料の光学定数を調整する方法と
して、その材料と反応しない透明な他の材料と混合する
方法がある。カルコゲン材料の場合にはSiO₂等の酸化物
と混合膜を生成することによって複素屈折率を小さくす
ることができ、かつ相変化によって複素屈折率を変化さ
せることができる。しかし、記録膜全体の複素屈折率を
小さくすると記録膜の両側の界面の反射率が小さくなり
干渉の効果が小さい。

問題点を解決するための手段基材上に、膜厚方向に光学定数（複素屈折率ｎ＊＝ｎ
＋ik、n:屈折率 k:消衰係数 i:虚数単位）の分布があ
り界面近傍の光学定数が内部の光学定数よりも大きく、
エネルギー線照射により光学定数が変化し光学的に検知
しうる変化を生じる記録薄膜を設ける。

作用上記のような構成にすると記録薄膜とその両界面に接
する基材あるいは空気・保護層との屈折率差が大きく、
界面の反射率が確保でき、かつ記録薄膜内部の吸収を小
さくすることができるため、記録薄膜の界面からの反射
光を効率良く干渉させることができる。その結果、記録
薄膜の光学定数が変化した場合の全体の反射率の変化を
大きくとることができる。

実施例本発明の構成では第１図に示すように、記録膜の両界
面に近い部分では複素屈折率が大きく界面の反射率が大
きく、記録膜の内部では複素屈折率が小さく吸収による
干渉効果の減衰が抑えられる。その結果、低複素屈折率
相での全体の反射率の極小値が小さくでき、高複素屈折
率相での全体の反射率の極大値を大きくすることができ
る。したがって、相変化による全体の反射率変化ΔＲが
大きく取れる。

この場合、記録膜内部の複素屈折率分布を連続的にす
ると記録膜内部に光を反射する界面ができないため膜の
両界面による干渉が効率よく行われる。

つぎに、具体的な実施例を使って説明をする。

記録媒体の構成としては第４図に示すように基材１上
に記録薄膜２を設けその上に透明な密着した保護層３を
設ける。この他に第５図に示すように保護層を施さない
構成でもよい。この場合は保護層の代わりに空気（屈折
率1.0）を考えると光学的には同等であり同じ効果が得
られる。また、第６図のように記録薄膜と基材あるいは
保護層とのあいだに熱的な保護等のために透明な誘電体
等の層４を設けた構成でもよい。

基材としてはガラス・樹脂等の透明で平滑な平板を用
いる。密着保護層としては樹脂を溶剤に溶かして塗布・
乾燥したものや樹脂板を接着したもの等が使える。

記録薄膜材料としてはアモルファス・結晶間の相変化
をする材料たとえばSbTe系、InTe系、GeTeSn系、SbSe
系、TeSeSb系、SnTeSe系、InSe系、TeGeSnO系、TeGeSnA
u系、TeGeSnSb系、等のカルコゲン化合物を用いる。Te
−TeO₂系、Te−TeO₂−Au系、Te−TeO₂−Pd系等の酸化物
系材料も使える。また、結晶−結晶間の相転移をする、
AgZn系、InSb系等の金属化合物も使える。

記録薄膜に混合して光学定数を調節する材料としては
SiO₂、SiO、TiO₂、MgO、GeO₂等の酸化物、Si₃N₄、BN等
の窒化物ZnS、ZnTe、PbS等のカルコゲン化物が使える。

これらの材料の混合膜を作る方法としては多元蒸着源
を用いた真空蒸着法やモザイク状の複合ターゲットを用
いたスパッタリング法その他が使える。

実施例１相変化材料として、Ge₁₄Te₄₅Se₁₁Sb₃₀の組成を持つ４
元化合物を、光学定数調節材料としてSiO₂（屈折率1.4
6）。蒸着法としてGeTeSeSb合金とSiO₂との２つの蒸発
源を用いた電子ビーム蒸着法を用いる。２つの蒸着源か
らの蒸着レートを変えることによりGeTeSeSb材料とSiO₂
との組成比を任意に変えて成膜することが可能である。

ガラス板上に上記組成のGeTeSeSbだけを蒸着したアモ
ルファス状態の光学定数を測定したところ、波長830nm
において複素屈折率ｎ＊が4.5＋1.1iであった。これを3
00℃で５分間熱処理して結晶状態にすると6.5＋2.3iに
変化する。

この膜をポリカーボネート樹脂板（PC、屈折率1.58）
上に蒸着しさらに同じ屈折率の材質の樹脂をコーティン
グして第７図のような光学定数分布にした従来例の構成
の場合の反射率Ｒの膜厚依存性の計算値を第８図に示
す。

反射率の計算には各層の複素屈折率と膜厚からマトリ
ックス法で計算した（たとえば、久保田広著「波動光
学」岩波書店、1971年、第３章参照）。また、基材１と
密着保護層は３は無限大の膜厚をもつものとして（基材
−空気界面、密着保護層−空気界面の効果を無視）、反
射率Ｒは基材から入射した光の基材中に出射してくる比
率としてもとめた。

高複素屈折率相と低複素屈折率相の反射率差ΔＲは膜
厚90nmで最大になり約26.6％である。また、ΔＲが20％
以上とれる膜厚は85〜110nmの25nmの範囲である。

本発明の一実施例として、第９図に示すように記録薄
膜の膜厚方向の中心がSiO₂が100％の組成で、両界面
が、Ge₂₀Te₄₅Se₁₁Sb₃₀が100％の組成であり、その間が
直線的に光学定数が変化する連続的な組成分布を持った
構成の場合の反射率の膜厚依存性の計算値を第10図に示
す。

ここで連続的な組成分布をした場合の反射率の計算
は、波長より十分に小さい単位膜厚で光学定数が段階上
に変化する多層構造で近似して計算した。この単位膜厚
が波長の1/50以下にすると計算結果が単位膜厚に依存せ
ずに一定になることから連続分布の近似計算として十分
使えることがわかる。第10図および以後の計算は単位膜
厚0.5nmで行った。

ΔＲは膜厚120nmで最大値32.5％をとり、反射率が20
％以上の膜厚は95〜155nmの60nmの範囲である。このよ
うに第９図のような構成にすると反射率差ΔＲが大きく
とれ膜厚の許容値も大きくなることがわかる。

基材に厚さ1.2mm・直径200mmのPC樹脂円板を用いこれ
を真空中で回転させながら上記第９図の構成の記録薄膜
を120nmの膜厚で蒸着した。さらに同じPC樹脂円盤を紫
外線硬化性の接着材で張り付けて密着保護層を設けた。
この円盤を回転させ線速度5m/secで波長830nmの半導体
レーザー高を開口数5.0のレンズ系で絞って記録薄膜上
に焦点をあわせて照射した。記録薄膜面上で8mWの出力
で周波数2M Hz変調度50％で変調した光を照射して記録
を行い、1mWの連続出力を照射してその反射光をフォト
ディテクターで検出して再生を行ったところ、第７図の
ような従来例記録薄膜の膜厚90nmの構成に比べて約1.3
倍の再生信号振幅が得られた。

また同じ構成で記録薄膜の膜厚を変化させた媒体を作
り、同様の実験をしたところ膜厚が100nmから150nmの範
囲まで従来例と同等以上の再生信号振幅が得られた。

実施例２上記実施例１と同様の構成で光学定数分布を第１図の
ように記録薄膜の膜厚方向の中心がSiO₂が100％の組成
で、両界面がGe₁₄Te₄₅Se₁₁Sb₃₀が100％の組成であり、
その間が放物線的（膜中心からの距離ｘの２乗に比例し
て）に光学定数が変化する連続的な組成分布を持った構
成の場合の反射率の膜厚依存性の計算値を第12図に示
す。ΔＲは膜厚130nmで最大値28.7％をとり、反射率が2
0％以上の膜厚は110〜180nmの70nmの範囲である。この
ように第11図のような構成にすると反射率差ΔＲが大き
くとれる膜厚の許容値が大きくなることがわかる。

実施例３上記実施例１と同様の構成で光学定数分布を第13図の
ように記録薄膜の膜厚方向の中心がSiO₂が100％の組成
で、両界面がGe₁₄Te₄₅Se₁₁Sb₃₀が100％の組成であり、
その間が指数関数的（膜中心からの距離ｘにたいしてex
p（ｘ）に比例して変化する）に光学定数が変化する連
続的な組成分布を持った構成の場合の反射率の膜厚依存
性の計算値を第14図に示す。ΔＲは膜厚130nmで最大値4
0.2％をとり、反射率が20％以上の膜厚は100〜190nmの9
0nmの範囲である。このように第13図のような構成にす
ると反射率差ΔＲが大きくとれる膜厚の許容値が大きく
なることがわかる。

発明の効果本発明によれば光吸収効率が大きく、光学的な変化量
の大きい相変化型の光記録媒体を得ることができる。

また、光学的な変化量の大きく取れる膜厚範囲が大き
い相変化型の光記録媒体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成と光学定数の分布を示す模式
図、第２図は従来例の構成と光学定数の分布を示す模式
図、第３図は従来例の反射率の膜厚依存性を説明するグ
ラフ、第４図は本発明の実施例を示す構造模式図、第５
図及び第６図は本発明の他の実施例を示す構造模式図、
第７図は従来例の光学定数分布を示すグラフ、第８図は
従来例の反射率の膜厚依存性の１例を示すグラフ、第９
図は本発明の実施例の光学定数分布を示すグラフ、第10
図は第９図の実施例の反射率の膜厚依存性を示すグラ
フ、第11図及び第13図は本発明の他の実施例の光学定数
分布を示すグラフ、第12図及び第14図はそれぞれ、第11
図及び第13図の実施例の反射率の膜厚依存性を示すグラ
フである。１……基材、２……記録薄膜、３……密着保護層、４…
…透明誘電体層。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基材上に、エネルギー線照射によって光学
定数が変化して光学的に検知し得る変化を生じる記録薄
膜を設けた光学的情報記録部材であって、記録薄膜の膜
厚方向に光学定数の分布があり、前記記録薄膜が直接接
触する基材、保護層、誘電体または空気の少なくとも何
れか１つと前記記録薄膜との界面近傍の前記記録薄膜の
光学定数が、前記記録薄膜の内部の光学定数よりも大き
いことを特徴とする光学的情報記録部材。
【請求項２】光学定数の分布が連続的であることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の光学的情報記録部
材。
【請求項３】記録薄膜が光学定数の変化する材料と、そ
の材料と反応しない透明な材料との混合物からなりその
混合比が膜厚方向に分布していることを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の光学的情報記録部材。