JP4561897B2 - Rom媒体の製造方法 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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Rspace、Rpit、Rmeltと書くことにする。再生信号を大きくするには、(1)RspaceとRmeltの反射率差を大きくすること、(2)RspaceとRpit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Rspace=Rpit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、RspaceとRpitの差の絶対値 |Rspace−Rpit | 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、
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0.24μm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。
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Ti及びRi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Ri driveとすると、
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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3μm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。
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 (5)
- ディスク基板上に形成された超解像物質の膜を結晶化し、
前記超解像物質の膜に対して所定面積のスポットサイズを有する光を照射することにより前記超解像物質の膜上に熱分布を形成し、前記スポットサイズ内の一部の領域をアモルファス化し、
当該アモルファス化した領域以外の部分を除去することにより、情報が記録された、超解像物質の凹凸パターンを形成し、
当該凹凸パターン上に前記超解像物質よりも熱伝導率の低い材料の膜を形成することにより、前記凹凸パターンの凹部を前記熱伝導率の低い材料で充填することを特徴とするROM媒体の製造方法。 - 前記超解像物質の凹凸パターン形成後、当該凹凸パターンの凸部を結晶化し、
当該結晶化された凸部を含む凹凸パターン上に前記熱伝導率の低い材料の膜を形成し、
前記熱伝導率の低い材料の膜をアルカリ溶液に浸すことにより前記凸部上の膜を除去し、
もって表面を平坦化することを特徴とする請求項1記載のROM情報記録媒体の製造方法。 - 前記超解像物質の凹凸パターンの形成において、前記超解像材料の膜をアルカリ溶液に浸すことにより前記アモルファス化した領域以外の部分を除去することを特徴とする請求項1記載のROM媒体の製造方法。
- 前記熱伝導率の低い材料で充填した後に表面を平坦化し、その後中間層を介して、第2の凹凸パターンを形成することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のROM媒体の製造方法。
- 前記超解像物質として相変化材料を用いることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のROM媒体の製造方法。
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