JPH10502198A - 共融相平衡を示す光学記録媒体 - Google Patents

共融相平衡を示す光学記録媒体

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JPH10502198A JP50003895A JP50003895A JPH10502198A JP H10502198 A JPH10502198 A JP H10502198A JP 50003895 A JP50003895 A JP 50003895A JP 50003895 A JP50003895 A JP 50003895A JP H10502198 A JPH10502198 A JP H10502198A
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recording layer
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Abstract

(57)【要約】 基材(14)、要すれば誘電層(16)、第１記録層(18)、第２記録層(20)、要すれば保護層(22)を含む多層光学記録媒体(12)。上記第１記録層は金属および少なくとも１種のドーピング元素の合金を含有し、上記第２記録層は半導体を含有する。上記第１記録層の金属および上記第２記録層の半導体の２成分の組合せは、共融相平衡を示す。

Description

【発明の詳細な説明】 共融相平衡を示す光学記録媒体技術分野 本発明は、基材上に薄フィルム層のスタックを有する光学記録媒体に関する。背景技術 ユーザー記録可能な光学記録システムには通常、読み取りおよび記録用の集束 レーザービーム、および光学記録媒体、例えば記録可能なコンパクトディスク（ ＣＤ-Ｒ）または磁気光学ディスクが含まれる。上記媒体は一般に、透明基材に 被覆された材料のいくつかの薄層を含む。 記録中に、上記レーザービームは上記記録媒体上を走査し、同時にそのレーザ ー出力は入力データ流れに従って調節される。上記レーザーから吸収されるエネ ルギーは上記媒体の１種以上の層の物理特性の局所変化を起こし、その結果、光 学的に読み取り可能なマーク、例えばピット、バブル、または変化した複合屈折 率を有する領域となる。記録情報は次いで、低下した出力レベルで同様のレーザ ービームを用いて上記媒体を走査することにより再生される。ＣＤ-Ｒ媒体の場 合、上記書き込まれたマークの反射能は、周囲非書き込み領域の反射能に比例し て低下し、読み取りビームが上記媒体を走査するので反射光強度に変化を生じる 。この変化は、光検出器により電気信号に変換され得る。 コンパクトディスクフォーマットは当初、情報保存（ＣＤ-ＲＯＭ）および音 響記録（ＣＤオーディオ）の分野の前記録媒体に関する用途のユーザーリードオ ンリーメモリー(user-read-only-memory)システムとして設計された。上記の前 記録媒体は一般に、ピットが既に形成され、そのピット上を被覆した金属反射層 を有する射出成形基材を有する。これらの媒体は、低価格ＣＤプレイヤーにより 容易に読み取り可能であるように、上記媒体表面の平坦非記録領域からの反射率 約0.75（波長780nmで測定）を示すように設計されている。ＣＤフォーマットの 流行により、これらの高反射率媒体を用いる操作用に設計された多数のＣＤプレ イヤー装置を生み出した。 ユーザー記録可能なコンパクトディスク（ＣＤ-Ｒとして公知）媒体の需要は 、最近増加しつつある。ＣＤ-Ｒ媒体の魅力的特徴は、一旦記録されると、現存 する如何なるＣＤオーディオまたはＣＤ-ＲＯＭプレイヤーを用いても再生され 得ることである。現存のＣＤプレイヤーとの適合性を保証するために、ＣＤ-Ｒ 媒体はそのディスクの平坦領域の反射率≧0.70、および記録出力４〜８mＶを要 求する国際仕様を満たすことが望ましい。合わせて考えると、これら２つの要求 値はＣＤ-Ｒ媒体の設計にかなりの制約を与える。 現行のＣＤ-Ｒ媒体構造は通常、有機染料の記録層をベースとしており、それ はスピン(spin)被覆により被覆される。上記記録層は、金などの材料製の金属レ フレクター(reflector)層により被覆され、それは一般にスパッター蒸着される 。そのような構造体は満足に記録するのに対して、多くの付随する欠点を有する 。例えば、そのような媒体の製造は比較的経費がかかる。加えて、上記媒体の染 料分光応答は非常に狭く、その媒体は異なる製造元のレコーダー（通常、僅かに 異なるレーザー波長を有する）とは適合し得ない。上記染料ベースのＣＤ-Ｒ媒 体の長期耐環境安定度および長期公文書収容安定性も問題となる。 上記染料ベースの媒体構造体の代わるものとして、金属、例えば金、銀、銅ま たはアルミニウムの少なくとも１つの層を含む媒体構造体を用いることにより、 一般に要求反射率を達成し得ることは公知である。しかしながら、これらの金属 層に直接記録するには、その金属層の高融点および高熱伝導度のために、非常に 高いレーザー出力が必要である。高熱伝導度により、上記レーザーによる熱を迅 速に上記記録領域から放散する。 （発明の要旨） 本発明は、記録可能なコンパクトディスク(ＣＤ-Ｒ)用途に用いるのに十分高 い反射率および適正な記録出力を有する光学記録媒体を提供する。上記媒体は以 下の順に、透明基材、金属および少なくとも１種のドーピング元素の合金を含有 する第１記録層、および半導体を含有する第２記録層を含む。要すれば、誘電層 を上記基材および第１記録層の間に提供してもよく、保護層を第２記録層上に提 供してもよい。本明細書中では金属は、電子の損失によりカチオンを形成する能 力を有する元素材料として定義され、一般に高い電気伝導度および熱伝導度、延 性、展性、および光沢のある外観のバルク(bulk)特性により特徴付けられる。半 導体は、金属より大きな電気抵抗を有する材料であり、一般に10-2〜10-9Ωcmで ある。ドーピングは、上記バルク材料の物理特性を変化させるための少量の材料 の他の材料中への導入として定義される。 上記第１記録層中の金属および第２記録層中の半導体は、２成分共融相平衡を 示すように選択される。共融相平衡は、元素または化合物の特定の２成分の組合 せのある一定の中間組成物を意味し、その混合物はどちらかの成分の融点のかな り下の温度でそれだけで溶融する。上記金属および少なくとも１種のドーピング 元素の合金は、アルミニウム-クロム(Ａl-Ｃr)、金-コバルト(Ａu-Ｃo)、および アルミニウム-チタン(Ａl-Ｔi)から成る群から選択され、最も好ましくはＡl-Ｃ rである。上記ドーピング元素の目的は、上記第１記録層の熱伝導度を低下する ことである。熱伝導度および電気伝導度は相互関係を有し、電気伝導度は本発明 の目的の熱伝導度の相対的尺度として用いられる。 上記ドーピング元素は、上記媒体のシート電気伝導度が0.1ジーメンス(Ｓ)以 下に低下するように十分な量で存在する。上記半導体はゲルマニウム(Ｇe)、シ リコン(Ｓi)、およびそれらの組合せから成る群から選択され、最も好ましくは Ｇeである。上記媒体の780nmでの平坦面反射率は好ましくは約0.55〜約0.85であ り、最も好ましくは約0.70〜約0.80の範囲である。要すれば含まれる誘電層およ び保護層はそれぞれ、更に別の単層または複数層を有さない媒体より大きい環境 安定度を有する媒体を提供する。 本発明は、集束レーザービーム、光検出器、および前述の媒体を有する光学記 録システムも含む。図面の簡単な説明 図１は、本発明の光学記録システムの概略図である。 図２は、光学記録後の図１に示した媒体の概略図である。 図３は、本発明の光学記録媒体のいくつかの態様に関する、第１記録層中のド ーピング元素濃度とシート電気伝導度(σ)および反射率(Ｒ)の両方との関係を表 すグラフである。 図４は、図３に示した光学記録媒体の同一態様に関する、シート電気伝導度( σ)と記録マーク当たりのエネルギー(Ｅw)との関係を表すグラフである。詳細な説明 上記図に関して、図１には本発明の光学記録媒体を示す。システム10には、媒 体12、レーザー24、および光検出器26が含まれる。媒体12は、以下の順に、透明 基材14、要すれば誘電層16、第１記録層18、第２記録層20および要すれば保護層 22を含む。情報を読み取り、記録するために、レーザー24からの好適な出力の集 束レーザービームが、基材14を通して上記媒体に入り、要すれば含まれる誘電層 16を通過し、第１記録層18および第２記録層20から実質的に反射され、光検出器 26に入る前に示した経路に沿って基材14を通って上記媒体を出る。 基材14は、レーザービームに対して高透過性を有する如何なる材料から形成さ れてもよく、それは非磁性であり、かつ寸法安定性を有する。上記基材は通常、 優れた衝撃強さを有するポリマー材料、例えばポリカーボネート、ポリメチルメ タクリレート、アクリレートまたはエポキシから作製される。ＣＤ-Ｒ用途では 、基材は通常、呼称直径120mmを有するディスクであり、トラッキングのために 片面にプリフォームしたスパイラル溝を有する。 要すれば含まれる誘電層16を、基材14の溝付側に被覆してもよい。上記誘電層 は、環境ファクター、例えば熱および湿分による媒体の耐劣化性を提供し、上記 媒体の搬送波雑音比を増加する。誘電材料は通常、高電気抵抗により特徴付けら れ、絶縁体として供され得る。本発明の媒体に関して、他の実質的に透明な誘電 材料、例えば窒化ケイ素、酸化タンタル、炭化ケイ素、ホウケイ酸ガラス、酸化 イットリウム等を用いてもよいが、上記誘電層には二酸化ケイ素または酸化アル ミニウムが好ましい。 基材14上または要すれば含まれる誘電層16上に被覆した第１記録層18は、レー ザービームにより搬送された出力の内のわずかを吸収する。レーザー24からの出 力の残りのほとんどは、少量が第１記録層を通って伝達されるが、第１記録層か ら反射されて上記媒体外へ出る。第１記録層は、金属および少なくとも１種のド ーピング元素の合金を含有する。ドーピング元素を含有しない媒体に比較して、 十分量のドーピング元素の存在により上記媒体のシート電気伝導度を低下するこ とが明らかであると同時に、上記金属は記録可能なコンパクトディスク媒体に必 要な高反射率を提供する。好ましい合金には、Ａl-Ｃr、Ａu-ＣoおよびＡl-Ｔi 半導体が含まれる。上記ドーピング元素は好ましくは約１〜約12原子％の範囲で 存在する。上記第１記録層は、所望の反射率を提供するのに十分厚く、通常約５ 〜40nmである。 第１記録層18に隣接する第２記録層20は半導体を含有する。好ましい半導体は 、Ｓi、Ｇeまたはそれらの組合せが含まれる。第２記録層は、半導体と合金され た別の材料を０〜30原子％の範囲で含んでもよい。上記別の材料には、アルミニ ウム、クロム、酸素、チタン、タンタル、または他の元素、またはそれらの組合 せを含んでもよい。第２記録層の厚さは好ましくは、約20〜約100nmの範囲であ る。 記録時に、レーザー24は第１記録層18および第２記録層20を局所的にその２層 が共に溶融し混合するのに十分な出力で操作される。再凝固により、実質的に非 晶質である記録スポット28を図２に示されるように媒体12中に形成する。 記録方法を容易にするため、第１および第２記録層用の材料は特に、上記金属 および半導体が２成分共融相平衡を示すように選択される。そのような材料の２ 成分の組合せは一般に、混合の正の（即ち、吸熱）エンタルピーにより特徴付け られる。共融２成分相の図は、２成分のある一定の中間組成物がどちらかの成分 単独の融点のかなり下の温度で液相を形成することを示している。この相挙動の 結果として、共融ペア、例えばＧeおよびＡlの薄い隣接層は、どちらかの個々の 層の融点の十分下の温度で局所界面溶融を始めると予想される。上記溶融領域は 、 前述の非晶質スポットを形成するのに十分な程度に混合すると考えられる。本発 明の記録媒体では、このようにして形成されたと考えられるスポットが、以下の 実施例で説明されるように、元の層を成す構造体と十分異なる反射率を示すこと が明らかとなった。 要すれば含まれる保護層22は、第２記録層上に被覆されて、上記記録層18およ び20を周囲環境での元素と反応するのを保護する。上記保護層はまた、上記媒体 の搬送波対雑音比を増加する。保護層22は、他の公知の誘電材料を用いてもよい が、好ましくは誘電材料、例えば酸化イットリウム、酸化アルミニウム、炭化ケ イ素、窒化ケイ素または二酸化ケイ素を含む。保護層22は通常、厚さ約10〜100n mを有する。 基材、要すれば誘電層、第１および第２記録層、および要すれば保護層に加え て、本発明の要すれば含まれる記録媒体は、更に別の層、例えばシール被膜およ び光学記録媒体に有用であることが公知のスクリーン印刷グラフィックデザイン を含んでもよい。 本発明の光学記録媒体は特に、その反射率、最適記録出力、およびシート電気 伝導度により特徴付けられる。上記媒体の波長780nmでの非記録平坦面で測定し た反射率(Ｒ)は好ましくは0.55〜0.85、より好ましくは0.70〜0.80の範囲である 。最適記録出力(Ｐo)は、出力信号の最大搬送波対雑音比(ＣＮＲ)での記録用に 用いられたレーザー出力(Ｐwrite)として定義される。Ｐoは好ましくは４〜12m Ｗ、より好ましくは４〜８mＷの範囲である。 機能的に、第１記録層の熱伝導度を低下させることにより、記録時に入射レー ザービームにより熱を発生させ、局所的記録領域に有効に保持されるということ は公知である。電気伝導度および熱伝導度への電子の寄与は、J.Appl.Phys.、第 67巻、6914頁（1990年）に開示のように、ウィーデマン-フランツ(Wiedemann-Fr anz)の法則により関連づけられ、電気伝導度は記録出力の相対的インジケーター であると考えられる。シート電気伝導度(σ)は、本発明の目的に用いられる伝導 度測定の種類である。Ｐoは一般にσと関連することが、以下の例に開示されて いるように、更に本発明の媒体では明らかにされた。シート電気伝導度は好まし くは0.01〜0.1ジーメンス(Ｓ)、より好ましくは0.01〜0.05Ｓの範囲である。 本発明の光学記録媒体を含む層は、均一でかつ制御可能な厚さを有する薄フィ ルムを作製し得る公知の真空蒸着技術により作製されてもよく、これらの技術の 内、スパッターが好ましい。有用なスパッター技術には、ＲＦおよびＤＣ磁電管 、三極管、二極管およびイオンビームが含まれる。１種以上の元素成分を含有す るフィルムを、合金ターゲットからスパッターすることにより、２種以上の単一 成分ターゲットを同時スパッターして(cosputtering)層のスタックを同時に形成 することにより、または両方の技術の組合せにより形成してもよい。同時スパッ ターの場合、層は単一合金フィルムとして一度に行えるだけ十分に薄い（単原子 層以下）。 本発明は以下の実施例を考慮することにより更に透明にする。これらの実施例 の目的に関して、上記媒体の平坦面反射率(Ｒ)および透過率(Ｔ)を、LAMBDA-9（ パーキンエルマー(Perkin-Elmer)製）分光光度計を用いて波長領域650〜850nmで 測定する。次いで、上記媒体の吸光度(Ａ)を式 Ａ＝１−(Ｒ＋Ｔ) により計算する。シート電気伝導度(σ)を、非接触高周波数渦電流システムを用 いて測定する。上記媒体を光学記録性能に関して評価するために、マークを被覆 ディスク上に780nmレーザーを用いて記録する。レーザー出力は50％効率サイク ルを用いて記録周波数0.75MHzまたは0.72MHzで調節する。ディスクの表面速度は 約1.2m/秒であり、それによりＣＤ記録に用いられる最短マークにほぼ対応する 記録マークとなる。搬送波対雑音比（ＣＮＲ）を、分光分析装置を用いて分解能 帯域幅10kHzで記録出力(Ｐwrite)の関数として測定する。最適記録出力(Ｐo)は 、最大ＣＮＲを生ずる記録出力とみなす。記録周波数および媒体反射力のばらつ きを標準化するために、Ｐoを他の記録パラメータ、記録マーク当たりのエネル ギー(Ｅw)に導入し、それは以下の式 Ｅw＝Ｐo・Ａ・ｔw （式中、Ａは媒体の吸光度であり、ｔwは記録パルス時間（これらの実施例中で6 67または694ns）である） により得られる。Ｅwは入力記録出力を媒体の反射特性と組合せるので、多数の 媒体試料を分析する場合にはシート電気伝導度に匹敵するＰoよりＥwを用いるの が便利であり、より機能的である。 本発明は更に、以下の非限定的な実施例により説明される（全測定値は概数で ある）。 （実施例１） 本発明の１組の光学記録媒体を、バッチ式真空蒸着システムの磁電管スパッタ ーを用いることにより作製した。蒸着時の使用ガスは圧力約２ミリトールでのＡ rであった。基材には、片面にトラックピッチ1.6μmのトラッキング溝を有する 直径120mm、厚さ1.6μmのポリカーボネートディスク、2.5cm×7.6cmの顕微鏡用 スライドガラス、および直径5.1cmのシリコンウェハーを含む。 得られた媒体は４層であった。酸化イットリウムおよび炭化ケイ素約10重量％ を含有する誘電層をまず基材上に厚さ約10nmで被覆した。続いて被覆された第１ 記録層は、厚さ約20nmのＡl-Ｃr合金であった。誘導結合(inductively coupled) プラズマ分析により測定した上記合金中のＣr含量は約３原子％であった。厚さ 約50nmでＧeを含有する第２記録層が後に続いた。最後に、酸化イットリウムお よび10重量％炭化ケイ素を含有する厚さ約10nmの保護層を上記第２記録層上に蒸 着した。 ４種の薄フィルム層を被覆した顕微鏡スライドガラス基材の平坦面反射率(Ｒ) を上記基材を通して測定した。780nmで、Ｒは0.763であり、Ａは0.223であるこ とが明らかとなった。同様の被覆スライドガラス上で測定したシート電気伝導度 (σ)は0.0648Ｓであった。ＣＮＲをＰwriteの関数として測定し、Ｐo＝11.4mＶ を得た。Ｅwを計算して1.76×10-9Jであった。この媒体は、反射率に関して現行 のＣＤ-Ｒ標準に適合している。 （実施例２〜８） 実施例２〜８を、第１記録層中のＣr濃度を変えた以外は実施例１と同様にし て作製した。本質的にＣrを含有しない実施例２は比較の目的で挙げた。実施例 １を含む各実施例に関する光学および記録特性データを表１に示した。実施例２ の場合、適正光学レコーダーのレーザー出力限界20mＷを越えるので、最適記録 出力Ｐoを直接測定した。従って、ＣＮＲ−Ｐwrite曲線の初期部分を外挿するこ とによってＰoを推定した。 これらの実施例は、第１記録層中のＣr濃度の増加に伴って、σ、ＰoおよびＥw は着々と低下し、一方ＲはＣr濃度が約３原子％を越えるまであまり低下し始め なかった。Ｃr4.5原子％で、Ｒ値0.749はＣＤ-Ｒ媒体の平坦面反射率に関する現 行の仕様内であり良好であった。これらの実施例の媒体に関するＣr濃度のσお よびＲへの影響を、図３にグラフで示した。図４に示したように、記録マーク当 たりのエネルギー(Ｅw)はシート電気伝導度と共に直線的に増加した。この図は 、 光学記録媒体上に記録するのに必要な出力を低下するためのσを低下する有用性 を示した。 （実施例９〜13） 実施例９〜13を、第１記録層中の金属ドーピング元素合金がＡu-Ｃoであり、 そのＣo濃度を変え、その第１記録層を基材上に誘電層なしに直接蒸着し、保護 層がホウケイ酸ガラスを含む以外は実施例１と同様にして作製した。得られた媒 体内で、概略の層厚さは、第１記録層30nm、第２記録層50nm、および保護層15nm 、であった。第１記録層中のＣo濃度は、上記層中のＣoの体積分率およびＣoお よびＡuの原子量および密度を基礎として、各実施例の原子％計算値として決定 した。本質的にＣoを含有しない実施例９は、比較の目的で挙げた。各実施例の 光学および記録特性データを表２に示した。 傾向は前述の実施例と同様であり、第１記録層中のＣo濃度の増加に伴って、 σ、ＰoおよびＥwは低下した。これらの実施例では、ＲはＣo濃度が約14.6原子 ％を越えるまであまり低下し始めなかった。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．以下の順に 透明基材(14)、 金属および少なくとも１種のドーピング元素の合金を含有する第１記録層(18) 、および 該金属および半導体の２成分の組合せが共融相平衡を示す、半導体を含有する 第２記録層(20)、 を含む光学記録媒体(12)。 ２．以下の順に 透明基材(14)、 誘電層(16)、 Ａ1およびＣrの合金を含有し、該Ｃrを2.5〜４原子％の量で含有する第１記録 層(18)、 Ｇeを含有する第２記録層(20)、および 保護層(22)、 を含む光学記録媒体(12)。 ３．以下の順に 透明基材(14)、 金属および少なくとも１種のドーピング元素の合金を含有する第１記録層(18) 、 該金属および半導体の２成分の組合せが共融相平衡を示す、半導体を含有する 第２記録層(20)、および 保護層(22)、 を含む媒体(12)； 該媒体が該基材を通して入射するように配置した集束レーザー(24)ビームであっ て、該レーザービームが第１および第２記録層を、局所溶融および吸熱混合を起 こすまで加熱し、その結果該媒体中に形成されるべき記録スポットを生じること ができ、該記録スポットが非記録周囲領域より低い反射率を有する集束レーザー (24)ビーム；および 該媒体を出射する反射レーザービームを検出するように配置された光検出器； を含む光学記録システム。 ４．前記基材および第１記録層の間に更に誘電層(16)を含む請求項１記載の媒 体または請求項３記載のシステム。 ５．前記合金がＡl-Ｃr、Ａu-ＣoおよびＡl-Ｔiから成る群から選択される請 求項１記載の媒体または請求項３記載のシステム。 ６．前記合金がＡl-Ｃrである請求項１記載の媒体または請求項３記載のシス テム。 ７．前記ドーピング元素が、前記媒体のシート電気伝導度が0.1ジーメンス以 下となるのに十分な量で存在する請求項１記載の媒体または請求項３記載のシス テム。 ８．前記ドーピング元素が、前記合金中に約１〜約12原子％存在する請求項１ 記載の媒体または請求項３記載のシステム。 ９．前記半導体がＳi、Ｇeおよびそれらの組合せから成る群から選択される請 求項１記載の媒体または請求項３記載のシステム。 10．前記半導体が少なくとも１種の別の材料と合金され、該別の材料が０〜30 原子％存在する請求項１記載の媒体。 11．前記媒体の波長780nmでの平坦面反射率(Ｒ)が0.55〜0.85である請求項１ または２のいずれか記載の媒体または請求項３記載のシステム。
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