JP4571238B2 - フェーズ変化記録層を有する光学記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は基板とその上に設けられた薄層の積層とを有する光学記録媒体に関するもので、その積層は第１誘電体層及び第２誘電体層、二つの結晶学的状態間で変化でき且つ前記の誘電体層間に配置された記録層、前記の記録層と第１誘電体層との間に配置された第３誘電体層、及び反射層を具えている。
本発明はまた高記憶密度及び高データ速度応用におけるそのような光学記録媒体の使用にも関係している。
それが直接オーバーライト（DOW:direct overwrite）の可能性と読取専用システムと容易な互換性を有する高記憶密度とを結合するので、フェーズ変化原理に基づく光学情報又はデータ記録装置は魅力的である。フェーズ変化光学記録は、合焦された放射線ビームを用いる、結晶薄膜におけるマイクロメーター寸法及びサブマイクロメーター寸法のアモルファス記録マークの形成を伴っている。情報を記録中に、この媒体は記録されるべき情報に従って変調される合焦された放射線ビームに対して動かされる。溶融温度以上の温度への放射線ビームによる加熱の後に、その記録層は急冷却され、それにより露出されない範囲において透明なままである記録層の露出された範囲内に、アモルファス情報マークの形成を生じる。書き込まれたアモルファスマークの抹消は、その記録層の結晶化時間よりも長い時間の間溶融温度以下の温度へ放射線ビームにより記録層を加熱し、マークの位置における記録層に再結晶化を許容することにより実現される。そのアモルファスマークがデータビットを表現し、そのデータビットは低出力の合焦された放射線ビームにより基板を通して記録媒体を走査することにより再生され得る。結晶記録層に対するアモルファスマークの反射差が変調されたレーザー光ビームを生じさせ、それが続いて検出器によりコード化された、記録されるディジタル情報に従って変調された光電流に変換される。その変調された光電流が、書き込まれたマーク、及び、従って書き込まれた情報を表現している高周波数情報信号である。
フェーズ変化光学記録における主な問題点は、必要な多数のオーバーライトサイクル（サイクラビリティー）、すなわち反復される書込（アモルファス化）及び抹消（再結晶化）動作の数、及び正しい結晶化速度である。高い結晶化速度は高いデータ速度応用において特に要求され、そこでは完全な結晶化時間は100nsよりも短く、好適には30〜70ns程度に短くなくてはならない。結晶化速度がレーザー光ビームに対して媒体の線型速度と釣り合うために充分高くない場合には、先の記録による古いデータ（アモルファスマーク）が、直接オーバーライト（DOW:direct overwrite）中に完全に消去され（再結晶化され）ないだろう。このことが高雑音レベルを生じるだろう。
冒頭文節に記載された種類の光学記録媒体は、米国特許明細書第5,234,737号から既知である。フェーズ変化型のこの既知の媒体は、順に、第１誘電体層、フェーズ変化Ge-Sb-Te合金の記録層、第２誘電体層、及び金属反射層から成っている層の積層を支持するディスク状の基板を具えている。そのような層の積層は、IPIM構造とも呼ばれ得て、そこでＭは反射すなわち鏡層を表現し、Ｉは誘電体層を表現し且つＰはフェーズ変化記録層を表現している。好適にはSiO₂の第３誘電体層が、放射線ビームによってその媒体内に情報を書き込み中にその媒体の所望の熱的動作を達成するために、第１誘電体層と記録層との間に配置された。第３誘電体層の材料もまた、MgF₂、CaF₂、Al₂O₃、CeF₃、NdF₃、LaF₃、NaF、NiF、Na₃LaF₆、ZnS、ZnS-SiO₂、SiC、In₂O₃、SnO₂、Si₃N₄、Ta₂O₅、SiO、TiO、TiO₂、TiN、TiC及びZrO₂から選ばれ得る。この既知の記録媒体の欠点はそれのサイクラビリティーが比較的低いことである。
なかんずく、再書込できるディジタルビデオディスク（DVD）及び光学テープのような、高速記録に適しており、且つ反復記録及び消去動作中に卓越したサイクラビリティーを有し、良好な直接オーバーライト特性に帰着する消去可能光学記録媒体を提供することが、本発明の目的である。高速記録はこれに関して少なくともコンパクトディスク標準による速度の二倍である2.4m/sのレーザー光ビームに対する媒体の線型速度を意味するように理解されねばならない。その媒体のジッターは少なくとも10⁵直接オーバーライトサイクル中は、低い、一定レベルになくてはならない。ジッターは記録マークの形状の歪みの尺度であり、且つ情報信号における立ち上がり及び立ち下がり縁の時間ずれとして測定される。
この目的は冒頭文節において記載された光学記録媒体による本発明に従って達成され、それは第３誘電体層が炭化物を具えていることを特徴としている。既知の記録媒体の調査が、熱的衝撃のもとでのその積層の動作、すなわち書き込み中の温度の突然の増加及び減少がサイクラビリティーを制限することを示した。特に、記録層と隣接する誘電体層の高温における化学分解及び記録層内への原子の拡散がその記録層に影響し、書き込まれたマークの品質の悪化に帰着する。記録層と隣接する少なくとも１個の誘電体層が高形成エンタルピーを有する透明な材料で作られた場合に、この問題点は緩和され得る。その炭化物の階級における材料はこの要求に従う。高形成エンタルピーがその材料を非常に安定にし、それでそれは高書込温度において分解しない。その炭化物層はかくして非常に高いサイクラビリティーを与える。その上、その炭化物層が記録層の高結晶化速度を生じて、一方比較的低いレベルに放射線ビームの書込出力を維持する。その炭化物層は記録層の両側に配置されてもよい。記録層と基板又は反射層との間に炭化物の単一層を有する積層が所望の熱的特性を実現できないので、その炭化物層はもう一つの材料の誘電体層、ここでは第１誘電体層と結合されねばならない。
炭化物を具えている第４誘電体層が記録層と第２誘電体層との間に配置された場合に、結晶化時間は更に低減され得る。
第１及び第２誘電体層はZnSとSiO₂との混合物、例えば（ZnS）₈₀（SiO₂）₂₀で好適に作られる。その層はSiO₂、TiO₂、ZnS、AlN及びTa₂O₅でも作られ得る。
金属鏡層に対しては、Al、Ti、Au、Ni、Cu、Ag及びCrのような金属、及びこれらの金属の合金が用いられ得る。
反射層と誘電体層との両方が、真空蒸着又はスパッタリングにより設けられ得る。
任意に、その積層の最も外側の層が、例えば紫外線硬化されるポリ（メタ）アクリル酸エステルの保護層によって環境から遮蔽される。
本発明による記録媒体の特殊の実施例においては、第３、及びあるいは第４誘電体層が２nmと８nmとの間の厚さを有している。この炭化物の比較的高い熱伝導性は、その層の厚さが小さい場合にその積層に小さい影響のみを有し、それによりその積層の熱的設計を容易にする。サイクラビリティーへのこの炭化物層の好都合な影響はその厚さ範囲内で維持される。
もう一つの実施例においては、第３誘電体層が第１誘電体層の厚さとほぼ等しい厚さを有している。ほぼとは第１及び第３層の合計の厚さの20％の範囲内に対して等しいことを意味している。厚さの同一性はこの媒体の製造において好都合である。一般に、基板が異なる化合物のターゲットを有する部署の系列に沿って段階的に動く真空室内で、この積層は蒸着されるか又はスパッターされる。各部署における休止時間はほぼ等しく、且つある部署において堆積される層の厚さは堆積工程をオン及びオフに切り換えることにより一部分決定される。従って、薄い層の堆積はある部署において利用できるよりも少ない時間を必要とし得て、一方厚い層の堆積は同じターゲットを有する二つの隣接する部署を要求さえもし得る。それ故にほぼ等しい厚さの二つの層により比較的厚い層と比較的薄い層とを置き換え、それによって堆積部署の数と積層の製造時間とを低減することは好都合である。その上、（ZnS）₈₀（SiO₂）₂₀のような高価な材料の厚い層と、SiCのようなより安価な薄い層とが、等しい厚さの二つの層により置き換えられる場合は、製造もより安価になる。
基板と記録層との間の誘電体層の合計の厚さは好適に70nmよりも大きいか又は70nmと等しい。合計の厚さが70nmよりも小さい場合には、サイクラビリティーが大幅に低減される。
その合計の厚さは好適には70nm＋λ／（2n）よりもよりも小さく、ここでλは記録媒体がそれに対して設計された波長であり、ｎは誘電体層の屈折率である。基板と記録層との間の誘電体層が異なる屈折率を有する場合には、二つの層の等価屈折率が用いられねばならない。より大きい合計の厚さはサイクラビリティーを少しも増大させず、且つ作るのが一層高価である。例えば波長が630nmと等しく且つ屈折率が1.5である場合は、その領域は70nmから280nmまで拡大する。
実際の合計の厚さはその媒体の所望の光学特性を達成するために全体の積層の最適化により決定される。最適化手順から所望の光学特性を与える最小合計厚さｄ_minを見出せる。この厚さが70nmと等しいか又は70nmよりも大きい場合には、この厚さは好適な厚さである。この厚さが70nmよりも小さい場合には、増大された値が70nmと等しいか又は70nmよりも大きいように、λ／（2n）の最小数のステップにより増大されねばならない。各ステップにおいてその積層の光学特性は類似するが熱的特性が変化する。好適な合計厚さは整数ｍの最小値に対して〔ｄ_min＋ｍλ／（2n）〕≧70nmを満たす値として表現され得る。
記録層と反射層との間の誘電体層の厚さは好適には20nmよりも大きいか又は20nmと等しい。より小さい厚さは、記録層の増大された冷却速度、及び従って書込出力における望ましくない増大に帰着する。その厚さは好適には40nmよりも小さい。より大きい厚さが記録層と反射器との間の熱的接触を度が過ぎて低減し、記録層の冷却速度と一層悪い記録動作とを低すぎにする。
炭化物は好適には群SiC、ZrC、TaC、TiC、WCの一員であり、且つそれらが卓越したサイクラビリティーを短い結晶化時間と結合する。SiCはそれの光学的、機械的及び熱的特性の故に、好適な材料である。
記録層は好適にはGe-Sb-Te化合物を具えている。その化合物は好適には、GeTe及びSb₂Te₃を接続する連絡線の周りで、且つTe及びSbにおける２原子％の幅を有している、三成分Ge-Sb-Te化合物図内のある範囲から取られる。この化合物は好適には化学量論的組成、例えばGe₂Sb₂Te₅、GeSb₂Te₄又はGeSb₄Te₇を有し、何故ならばこれらの材料は結晶化中にセグメント化が必要ないので速く結晶化するからである。
前記のGe-Sb-Te合金の結晶化速度は記録層の厚さに強く依存する。重要なパラメータは（nsでの）完全消去時間ｔ_eであり、それは静的に測定された結晶環境において書き込まれたアモルファスマークの完全結晶化に対する消去パルスの最小持続期間として定義される。層厚さが27nmまで増加するに従って完全消去時間ｔ_eは急速に減少し、且つ層厚さのそれ以上の増大に際して約50〜60nsの値において飽和する傾向がある。記録層が27nmよりも厚い場合には、ｔ_eは厚さに本質的に無関係である。25nmよりも大きい厚さに対して、ｔ_eは高速記録に対して必要である100nsよりも小さい。ｔ_eの観点から、記録層の厚さは少なくとも25nm、好適には少なくとも27nmでなくてはならない。記録層の厚さは、リライトサイクルの関数として光学的コントラストＭの変動を低減するために、好適には35nmよりも小さい。光学的コントラストＭは｜Ｒ_C−Ｒ_A｜／Ｒ_Cきして定義され、ここでＲ_C及びＲ_Aはそれぞれ結晶状態とアモルファス状態とにおける記録材料の反射である。SiC層がフェーズ変化層と誘電体層との間に配置された場合には、完全消去時間の厚さ依存はより薄い層へずらされる。完全消去時間の飽和値もまた25〜30nsへずらされる。
望むならば、要求される連絡線上のGe-Sb-Te合金に対して３原子％までSbを加えることにより、GeTeとSb₂Te₃との間の連絡線から分岐することにより、ｔ_eは増大され得る。GeSb₂Te₄へ３原子％を加えることによりｔ_eは60nsから100nsまで増大する。そのような付加が記録感度を増大し、すなわちそれは溶融しきい出力Ｐ_mを低くする。
情報媒体の基板は少なくともレーザー波長に対して透明であり、且つ、例えばポリカーボネート、ポリメチルメタアクリル酸エステル（PMMA）、アモルファスポリオレフィン又はガラスで作られる。典型的な例においては、基板はディスク状であり且つ120mmの直径と、1.2mm又は中間情報密度及び高情報密度応用に対して0.6mmの厚さを有している。
代わりに、その基板は、例えばポリエステルフイルムから作られた合成樹脂可撓性テープの形であってもよい。この方法においては光学テープが、例えば高速スピニング多角形に基づいている、光学テープレコーダにおいて用いるために得られるだろう。そのような装置においては、反射される放射線ビームがそのテープ表面を横方向に横切って走査する。
記録層の側でのディスク状の基板の表面は、好適には、光学的に走査され得るサーボトラックを設けられる。このサーボトラックはしばしば螺旋状溝により構成され、且つ射出成形又はプレッシング中にモールドによって基板内に成形される。この溝は代わりに例えばアクリレートの紫外線硬化層の合成樹脂層内に複製工程で形成され得て、それは基板上に別々に設けられる。高密度記録においてはそのような溝が例えば0.5〜0.8μmのピッチとそのピッチの約半分の幅とを有している。
高密度記録及び消去は、例えば675mm又はそれより短い（赤〜青）の波長を有する短波長レーザーを用いることにより達成され得る。
フェーズ変化記録層は適切なターゲットの真空蒸着又はスパッタリングにより基板へ貼付され得る。かくして堆積されたその層はアモルファスであり且つ低反射を現す。高反射を有する適切な記録層を構成するために、この層は最初に完全に結晶化されねばならず、それは普通に初期化と呼ばれる。この目的のために、その記録層はGe-Sb-Te合金の結晶化温度、例えば180℃以上の温度へ炉内で加熱され得る。ポリカーボネートのような合成樹脂基板は、代わりに充分な出力の放射線ビームにより加熱され得る。これは例えばレコーダ内で実現され得て、その場合にはレーザービームが動いている記録層を走査する。アモルファス層はその時、基板が不都合な熱負荷を受けること無く、その層を結晶化するために必要な温度まで局部的に加熱される。
必要な場合には、付加的な薄い金属層が基板と第１誘電体層との間へ挿入され得て、それによりいわゆるMIPIM構造を形成する。その構造はもっと複雑になるけれども、その付加的な金属層が光学的コントラストＭと同時に記録層の冷却速度を増大する。
本発明の目的、特徴及び利点が添付の図面に図解されたように、本発明の好適な実施例の以下のもっと詳細な記載から明らかになるだろう。
図１は本発明による記録媒体の断面図を示し、
図２は本発明によるもう一つの記録媒体の断面図を示している。
図１は本発明による光学記録媒体の第１実施例の断面図である。その記録媒体は、例えばプラスチック又はガラスのシートで作られ得る基板１を具えている。記録担体がそれにより書込と読取との双方又はいずれか一方をなされ得る、例えば特開昭49-50954号公報に記載されたような光学走査装置内で発生される放射線ビームが、その記録担体の入口面２を通って基板へ入る。このビームが図中に矢印によって図式的に図解されている。基板上に配置された積層３が二つの誘電体層４及び５、記録層６、二つの別の誘電体層７及び８、及び反射層９を具えている。その積層の面に記録担体が有機材料により作られ得る保護被覆を塗られてもよい。情報はそれらの周囲状況から光学的に区別される情報範囲の形で記録層内にあるか又は置かれてしまっている。これらの範囲は、例えばそれらの周囲状況と異なる屈折率及び従って異なる反射係数を有し得る。
積層３内の層の厚さと屈折率との適切な選択により、その範囲の光学的コントラストと同時に全体の記録担体の反射に所望の値を与えることが可能である。その範囲のコントラストを反転することもまた可能であり、すなわちなんらの隣接層無しで記録層内の範囲がそれの周囲状況よりも低い反射を有する場合には、この範囲の反射は、隣接層を設けることによりそれの周囲状況に対して増大され得る。
図１に示された記録媒体の実施例の積層は以下の特性を有している。誘電体層４は誘電体材料（ZnS）₈₀（SiO₂）₂₀で作られ、且つ115nmの厚さを有している。誘電体層５は５nm厚さのSiC層である。記録層６は27nmの厚さを有するGeSb₂Te₄で作られている。誘電体層７は５nm厚さのSiC層である。誘電体層８は誘電体材料（ZnS）₈₀（SiO₂）₂₀で作られ且つ21nmの厚さを有している。反射層９はアルミニウム合金、例えばAlCr又はAlTiの100nmの層である。完全抹消時間は高速記録を許容するために充分に短い44nsと等しいように測定された。オーバーライトサイクルの関数としてその媒体から読み取られるパターンのジッターは大きいオーバーシュートを示さない。その媒体の劣化が顕著になる前のオーバーライトサイクルの数は1,200,000である。その媒体に対する書込電力は比較的低く且つ7.2m/sの放射線ビームと媒体との間の相対速度において媒体の入口面で19mWである。
サイクラビリティー（cyclability）はジッターがクロックタイムＴ_cの12％へ増大するリライトサイクルの数として測定される。そのジッターは情報信号から回復された情報信号及びデータクロック内の立ち上がり及び立ち下がり縁間の差の標準偏差である。一例として、1.2m/sのCD速度と230nsのクロック時間とで、いわゆるEFMコードにより書き込まれた標準CDフォーマットに対して、そのジッターは28nsより低くなくてはならない。
誘電体層５及び７に対して用いられる材料の種類の影響は試験の系列内に示された。本発明によらない、第２媒体は、誘電体層５及び７に対する材料として、ZnSを用いて準備され、一方他の層４、６、８及び９の材料及び全部の層の厚さは、上記の第１実施例と同じである。サイクラビリティーは30,000であるように測定された、ZnSが他のパラメータを同じに維持して、Ta₂O₅、SiO₂、Si₃N₄及びAlNにより置き換えられた場合には、サイクラビリティーはそれぞれ35,000、70,000、100,000及び200,000である。これはSiCを用いる場合の1,200,000のサイクラビリティーと比較されねばならない。
ばらのZnS、Ta₂O₅、SiO₂、Si₃N₄、AlN及びSiCの融点は、それぞれ2,100、2,150、2,256、2,170、〜2,470及び2,970Ｋである。サイクラビリティーと溶融温度との間のこの対応が、高溶融温度が高いサイクラビリティーを生じ得ることを示唆する。類似の対応は材料の熱膨張とサイクラビリティーとの間に観測されなかった。高融点は高形成エンタルピーに関係する。高形成エンタルピーを有する化合物は分解に対して比較的安定である。書き込み中にGe-Sb-Te化合物の記録層が、約910Ｋであるそれの溶融温度よりも充分上の約1000と1100Ｋとの間の温度へ加熱される。記録中の温度はむしろZnS及びSiO₂の結晶化温度と近く、その温度は溶融温度の下の数百Ｋにある。ZnSの誘電体層はかくしてそれの結晶化温度の近くまで加熱されて、その層内の原子を動き易くさせる。これらの原子はその時記録層に向かって拡散できるようになる。記録層の特性は記録工程の劣化に帰着する外部原子の流入により影響されるだろう。記録層と隣接している誘電体層に対して用いられる材料の高溶融温度はそれ故に記録媒体の増大したサイクラビリティーに帰着するだろう。酸化物と硫化物とで作られた材料は窒化物よりも低い溶融温度を有し、窒化物が今度は炭化物よりも低い溶融温度を有する。それ故に、炭化物が記録層と隣接する誘電体層を作るために好適な材料である。
本発明による記録媒体の第２実施例においては、積層３が図１に示されたものと同じ層の順序を有しているが、以下の材料及び厚さを有している。誘電体層４は（ZnS）₈₀（SiO₂）₂₀で作られ且つ60nmの厚さを有している。誘電体層５は60nm厚さのSiC層である。記録層６は27nmの厚さを有するGeSb₂Te₄で作られている。誘電体層７は５nm厚さのSiC層である。誘電体層８は（ZnS）₈₀（SiO₂）₂₀で作られ且つ21nmの厚さを有している。反射層９はアルミニウム合金の100nmの層である。
記録媒体の第３実施例は、SiC誘電体層７が存在しないことを除いて、第２実施例と同じ層厚さ及び材料を有している。
記録媒体の第４実施例は図２に示されている。それの積層はいわゆるIMIIPIIM構造を有し、且つ670nmの波長に対して設計されたものである。この媒体は次の特徴を有している。基板10は0.6mm厚さのポリカーボネート（PC）ディスクである。誘電体層11はは誘電体材料（ZnS）₈₀（SiO₂）₂₀で作られ且つ50nmの厚さを有している。鏡層12は５nmアルミニウム層である。誘電体層13は（ZnS）₈₀（SiO₂）₂₀で作られ且つ125nmの厚さを有している。誘電体層14は５nm厚さのSiC層である。記録層15は30nmの厚さを有するGeSb₂Te₄で作られている。誘電体層16は５nm厚さのSiC層である。誘電体層17は（ZnS）₈₀（SiO₂）₂₀で作られ且つ21nmの厚さを有している。反射層18はアルミニウム合金の100nm層である。この媒体は非常に高い変調を示す。

Claims (8)

1. 基板とその上に設けられた薄層の積層とを有する光学記録媒体であって、前記積層は、第１誘電体層と、炭化ケイ素（SiC）を有し、２から８ｎｍの間の厚さを有する第３誘電体層と、二つの結晶学的状態間で変化できる記録層と、炭化ケイ素（SiC）を有し、２から８ｎｍの間の厚さを有する第４誘電体層と、第２誘電体層と、反射層とを当該順序で具えている光学記録媒体において、
   前記記録層と前記反射層との間の距離は40nmよりも小さいか又は40nmと等しく、
   前記記録層はGeSbTe化合物を有する、ことを特徴とする光学記録媒体。
2. 請求項１記載の光学記録媒体において、前記第３誘電体層が前記第１誘電体層の厚さとほぼ等しい厚さを有することを特徴とする光学記録媒体。
3. 請求項１記載の光学記録媒体において、前記基板と前記記録層との間の距離が70nmよりも大きいか又は70nmと等しいことを特徴とする光学記録媒体。
4. 予め決められた波長を有する放射線ビームにより走査されるために設計された請求項１記載の光学記録媒体において、前記基板と前記記録層との間の距離が70nmと前記基板と前記記録層との間の少なくとも一つの層の屈折率により分割された波長の半分との合計よりも小さいか、又はそれと等しいことを特徴とする光学記録媒体。
5. 請求項１記載の光学記録媒体において、前記記録層と前記反射層との間の距離が20nmよりも大きいか又は20nmと等しいことを特徴とする光学記録媒体。
6. 請求項１記載の光学記録媒体において、前記化合物が化学量論的組成を有することを特徴とする光学記録媒体。
7. 請求項１記載の光学記録媒体において、前記記録層が10nmと35nmとの間の厚さを有することを特徴とする光学記録媒体。
8. 前記媒体が少なくとも2.4m/sの媒体に対する速度で放射線ビームにより走査される高速記録のための、請求項１乃至７のうちいずれか１項記載の光学記録媒体の使用。

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