JPS58501370A - 光学的情報記憶装置 - Google Patents

光学的情報記憶装置

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JPS58501370A JP57502920A JP50292082A JPS58501370A JP S58501370 A JPS58501370 A JP S58501370A JP 57502920 A JP57502920 A JP 57502920A JP 50292082 A JP50292082 A JP 50292082A JP S58501370 A JPS58501370 A JP S58501370A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光学的情報記憶装置 本発明は、光学的情報記憶装置に関する。
2 技術の背景 光学的な方法によるデータ記憶装置として種々の方法が提案され、かつ採用され ている。それら方式のうち、典型的な方式は、基材上にテルル合金を蒸着したも のである。このような媒体に情報を記憶するには、テルル合金を局所的に溶融す る。テルル合金を局所的に溶融することによって、下部の基材が露出するような 空白部分が作られ、それによって、その部分の反射特性を変化させる。しかしな がら、このような方式の欠点は、テルル合金が酸素の存在中で比較的不安定なこ とであり、そのためハーメチック・シールが必要となるので、情報を書込む部分 を溶融するだめの所要エネルギーが高くなることである。
発明の要約 半導体材料あるいは種々のプラスチックなどの表面を、放射に対して一様で、か つ高い吸収特性が得られるように微細に表面加工する。加工表面は、多数の突起 あるいは円柱から成り立ち、例えばケバ状あるいは(2) 特表明5F1501370 (2) 綿毛状にすることができる。情報を光学的:て記憶するのは、加工表面の局所区 域について光学特性を変化させること、つまり突起の1つまたはいくつかをm刀 ≧しこれをつぶすことによって局所的に表面の吸収特性を低下させることによっ て成し遂げられる。
図面の説明 第1および第2図は、本発明に従う光学的記憶媒体の2つの例を遠近図法で拡大 したものである。
詳細な説明 例えば第1図に例示されるように、空所14および残存する記憶構造体16から なる媒体を用いることは光学的記憶作用に2つの顕著な利点をもたらすことにな る。第1の利点は、局所区域に存する空所が記憶媒体表面に平行な方向に、伝達 する熱を十分に低減させることである。したがって、光学的記録作用つまり所要 の部分を島状に溶融することが、書込みエネルギーの入射する区域に本質的に限 定されることである。同じ記憶材料でまったく空所のない場合に比べると、隣接 区域へ影響する横方向へのエネルギーの伝達は著るしく低減される。それ故、こ の媒体は記憶密度を高くすることができる。第2の利点は、記憶構造体の寸法お よび間隔を適切に作ることによって、光吸収の良い媒体が作られることである。
書込み前の状態で吸収が良いことにより、コントラストが良くなり、また書込( 6) みエネルギーの4・1」用効率も良くなる。
本発明の作用を応用した媒体を作るのに広範囲の材料を用いることができる。例 えば、シリコンあるいはゲルマニウムのような半導体、ポリスチレンなどのプラ スチックおよびGeSe2のような化合物が利用可能な材料である。これらの材 料は、所要の構造となるよう、つまり所要の記憶構造体を形成するように、なる べく材料の表面から内部へ広がるような空所を作るように材料を除去するように 処理される。情報を記憶するには、光源、例えばレーザーからのエネルギーがこ の媒体中の1つの区域に加えられる。エネルギーは記憶構造体の1つまたはいく つか、あるいは1つの記憶構造体の一部を溶融する作用を起すのに用いられ、こ れによって処理面の光学特性を変化さすことになる。特定の区域の光学特性を選 択的に変化させることによって処理面と未処理面に光学的な違いが付けられる。
例えば、適当な記憶構造体かめるとすると、溶融していない区域は極端に黒く見 えるのに対し、溶融している区域は平滑で十分に反射する表面を形成することに なる。
このようにして非常に高いコントラストが得られる。
これに加えて、比較的小さな記憶構造体を用いることによって、さらにこれら構 造体に個有の断熱性により高い記憶密度を得ることかでさる。このような物体を 用いることによって、d当り60メガビット以上の記(4) 憶冨、四とわず刀・の書込みエネルギーにより、15.1以上のコントラストを 得ることができる。
シリコン、ゲルマニウムあるいは各種のプラスチックのような毒性がなく安い材 料を用いることができる。
この作用は、記憶媒体のハーメチック・シールには依存しないので、そのような シールに必要な経費も不要となる。この媒体は、手近な方法で製造できるし、ま た特別な読取り光源も必要ではない。
一般に、記憶構造体は孤立した島状をなしている。
しかしながら、例えば記;意媒体全体を1つの螺旋状の記憶構造体で占め、しか も所要の特性を与えるような構造を考えることができる。当然のことながら、記 憶構造体あるいは空所の形状および密度を規定し、そのうえで媒体全体の構造を 規定することもできる。しかしながら、ここでは説明の都合上、材料の構造は空 所及び記憶構造体によって規定することにする。
A、コントラストに関する特性 記憶媒体に作られる空所は、平均深さを光書込み用として用意した記録媒体中に おいて、究極的には記憶情報の読出しに用いられることになる光の吸収保さの1 0パーセント以上にする必要がある。(この基準は当然のことながら、記録媒体 を作る紫材が十分に吸収性があり、10ミクロンよりも深いところは必要とされ ないことを意味している。また、この基準は、吸収(5) 係改が読取り光源の全波長にわたって、はぼ等しいことでも仮定している。この 仮定が満されない場合は、この基準は、強度が最大となる波長の吸収距離に対し て満されるようにしなければならない。) 平均保さは先ず初めに、それぞれの 孤立空所区域の一番深い点から媒体表面にある空所の開口部までの距離を測定す ることによって得られる。(孤立空所区域とは、空所内で媒体表面で10“平方 オングストロームの面積を占める部分またはこの面積よりも狭く完全に孤立した 空所のことである。) これらの距離の平均値が所要値である。(表面の不規則 性、たとえば、100オングストロームの深さ以下の欠陥性の孔は、本発明の目 的としては、空所とは考えないこととする。)同様に、空所または記憶構造体を 横断する直線距離の中央値は、媒体の特性距離として知られるものであるが、こ れは読取り光の波長と等しいか短かくする必要がある。(この場合も、多波長の 光源の場合では、強度が最大となる波長がこの基準に用いられる。) 媒体の特 注距離は、1)媒体表面19に平行で、表面と平均保さの中点にある仮想平面を 画くこと。2)この仮想平面と記憶構造体とが交叉することによってできる曲線 上の点をランダムに選び(ランダムに100点をとれば代表値を得るには一役に は十分である)。3)ステップ2で決定した交叉曲線の、各点を通る接線を特表 明58−501370 (3) 画く。4)各点から上記の接線に垂直でありステップ1で決定した交叉曲線によ って囲まれた記憶構造体を横断する方向に直線を画き、そしてこの直線が曲線と 交叉する点で止め、次にこの交叉曲線に囲捷れだ区域から離れる方向で、他の記 憶構造体の交叉曲線に突き当る点で止める。5)ステップ4の各直線の終点の軌 跡に注をつけ、6)ステップ2の各点からそれに対応する終点までの距離を測り 、7ン ステップ6で決定した値から、この空所を横断する距離の中央値および 記憶構造体を横断する距離の中央値を計算し、そして8)これら2つの値υうち 小さい方を特性距離とする。もし読取り用の放射の波長に対して、この基準が( 後に0節で述べるコントラストおよび強度の両方に共通する基準とともに)満さ れると、記憶媒体のうち、そのような構造を有する部分は素材よりもはるかに反 射の少ないものとなる。そのため良好なコントラストが得られるようになる。
B、記憶密度に関する特性 情報を記憶するためには、少なくとも記憶構造体の等側面積について、光学特性 を変化させる必要がある。
(等側面積とは、特性距離の長さを直径とする円の面積をいうものである。情報 の書込みにより記憶構造体が変えられる区域は変化しだ構造体が媒体表面に平行 (7) 断された部分の総面積である。) この書込み作・用において、もし特定の等側 面積1つを指定し、かつこれを変化させることができるのであれば、そのような 区域の1つが書込み光源面を占めればよいことになる。(書込み光源面)ま書込 みエネルギーによって記憶媒体の表面に描かれる断面で定義される。) しかし ながら、一般に望まれるような書込み速度では、等側面積の1つを特別に選ぶこ とはできない。適度の書込み速度つまり1〜100メガビット/秒では、書込み 区域内で平均して、記憶構造体の等側面積の少なくとも1o倍、できれば50倍 が書込み光源面を占めるようにするのが望ましい。50+1メ一ター程度の寸法 の記憶構造体は製作可能であるので、非常に高い記憶密度が可能となる。
既に開示したように、書込み時の横方向の熱伝達が低いことは、記憶密度に対し て有利に作用することになる。もし0節の基準が満されると、過剰(C内部結合 した構造体による過剰な熱的干渉がさけられる。たとえば、第2図((島状の記 憶構造体の間にある皮膜状の接続部20が示されている。それでも媒体は特別な 基準を満すので過剰の熱伝達はない。
記・億溝造体の形状および壁の角度が特別であっても大きな影響はない。たとえ ば、第2図に示されるような円柱状の構造体まだは円錐状構造体でもよい。
(8) C1記憶密度及びコントラストの双方に関する特性記憶密度およびコントラスト を良好にするためにはどの書込み区域でも記憶構造体の総面積を10から90パ ーセントの間に、できれば20から80%にすることが望ましい。
D0代表的な媒体の形状を作るための処理適当な寸法の記憶構造体および空所を 作るの′に種々の技術を利用することができる。例えば1981年8月15日発 行の米国特許4,284,689に記述されているように、マスクの形式に依存 するプラズマ・エツチング技術が利用できる。簡単に述べると、この処理法は、 処理すべき材料をスパッター材の板の上に置き、このスパッター材の一部を蒸着 するものである。記憶構造体用のエツチング材が挿入されると、この媒質にプラ ズマ放電が起る。エツチング材は、記憶構造体をエツチングするばかシでなく、 スパッター材とも作用して蒸気圧の低い化合物となって記憶媒体の表面に蒸着す る。さらにエツチング材は、記憶媒体上に蒸着した材料が、媒体をぬらさずに、 むしろ塊となって多数の小山状の構造となるものを選ぶ。小山のない所は空所と なり、そして小山のめる区域は、島が作られることになる。この製法によって、 0.2ミクロン以上の波長の多くは02〜1,6ミクロンの彼畏域の光の読取り に適した寸法の記憶構造体および空所を有する構造が作られる。
もう一つの製法は、記憶媒体の材料上に、これをぬらさない材料を蒸着するもの である。マスクが記憶媒体表面に、材料が分離して山々を形成する。しかしなが ら、前述の方法と異なシエッチング材は特にマスク材料および記憶媒体の両方を エツチングするものが選ばれる。さらに、このエツチング材はマスク材料のエツ チング率が記憶媒体に対する率よりも2倍以上遅くなるものが選ばれる。マスク した記憶媒体をエツチング材の中に入れ放電すると、エツチングが進行し0.2 ミクロン以上の波長、多くは02〜1.3ミクロンの波長の光を読取るのに適当 な寸法をもった円錐状の記憶構造体が作られる。
E、書込み情報の処理 記憶媒体の材料は、その光学特性を変えられるものが選ばれる。例えば、記憶構 造体を溶かすが、記憶構造体を蒸発させるか、あるいは島の形状には影響を及ば さフエいで放射に対する島の吸収特性を変化させること、たとえば、シリコンか ら透明な酸化物への変換のような吸収材の変換などによって、そのような変化を 起こさせることができる。レーザーのような典型的な書込み光源としては、適当 な記憶媒体を変化させるに十分なエネルギーが得られるユ代表的な材料で、50 ÷1秒から10マイクロ秒の4込み時間に対して100ミリワツト/um2の範 囲のエネルギーレベルを放射する光源が所要の変化、たとえば記憶媒体の光学特 性の変化をもたらす程度の溶融を起させる。)(書込み時j闇が遅くてもよけれ ば、さらに低いレベルが適当である。)利用可能7よ材料の代表的なものがシリ コン、ゲルマニウムおよび金属被膜ポリスチレンである。書込み光源のスペクト ル分布は、そのエネルギーの少なくとも10%が記1意媒体に吸収されるように 選ばなければならない。例えば、アルゴンまたはヘリウム・ネオン・レーザー光 源は、それぞれシリコン、ゲルマニウムおよび金属被膜ポリスチレンに利用でき る。情報を書込むには、記憶媒体が区域ごとに、情報によりコード化された形状 で溶融される。例えば、書込み作用により高い反射率を持つようになった部分は 1とされ、まだ吸収する部分は0を割当てることができる。このようにしてディ ジスフル情報は容易に記憶式れる。もちろん、この手11頁、は書込まれた記憶 媒体を製造する優先権主張の方法ではめるが、書込ま7ユ)そ媒:本っマスター コピーもこの優先権主張の方法で製造でき、またそのコピーもこのマスターコピ ーからスタンプと1同じような平頭で製造することも期待できる。
F、 記憶媒体の保護 必らずしも不可欠なことではないが、記憶媒体が剥離しないように保護するのが 望ましい。これに関して(11) は、記憶媒体を書込み後(て例えばポリ(メタクリル酸メチル)など高価でない 保護被膜で被うことができる。
しかしながらゲルマニウムなどの材料に対17ては、これよりも望ましい方法が 可能である。ゲルマニウムを註込み前にポリ(メタクリル酸メチル)などの比較 的安い材料で破うことができる。例えば、アルゴン・イオン・レーザーを用いて 、ゲルマニウム中の記憶媒体:は透過性のポリ(メタクリル酸メチル)の被膜を とおして溶融される。このようにして記憶媒体は書込み前においても剥離を防止 できる。
下記の例は、本発明の実例である。
例 1 1インチ平方のガラス基材が顕微鏡スライドから切出された。基材は、先ず洗浄 材を溶かした温水中に浸して清浄にされた。この溶材は超音波により約5分間攪 拌さitだ。次に基材は温水および脱イオン水の中で順次すすがれ、脱イオン水 中で糸くずの出ないあわ拭きとり具で洗い落され、そして再び蒸気脱油装置の中 で順次トリクロールエタンおよびアイソプロピルアルコールによって清浄化され た。
清浄化された基材は、拡散ポンプ付の蒸着装置の試りl持詣内に置かれた。この 基材は、蒸着源から約5インチの位置で正面をこの蒸着源に向けて置いた。蒸着 源は、それぞれニオブおよびシリコンをおさめた2つのるつぼを有していた。る つぼからの蒸発は、るつぼの中床を4十ロボルトの成子ビームでたたいて発生さ せた。ビームの電力密度は蒸着密度が毎秒約6オングストロームの率となるよう に調整された。チェンバーが真空に引かれ、そして基材は約450Cに加熱され た。ニオブを入れた第1のるつぼを用いて約180オングストロームのニオブが 基材上に蒸着されたにニオブは、次に蒸着するシリコンのカラス基材に対する付 着強度を改善するために蒸着された。)。ニオブの蒸着中は真空チェンバーは約 i o−5トールの圧力に保持された。ニオブ層の蒸着後、第2のるつぼを用い て同様の方法により125ミクロン厚のシリコン層が蒸着された。シリコン層を 作るときの蒸着率は、毎秒約60オングストロームであり、またシリコン蒸着中 のチェンバー圧力は約6X10−5)−−ルであった。
従来のダイオード蒸着システムを用いて、リアクション・イオン・エツチング処 理が行われた。このシステムは、光学的に密な水で冷却するバフル板のついた油 拡散ポンプと液体窒素冷却のトラップを用いていた。
プラズマは、直径5インチの平行な2枚の水冷電極に接続した1356メガヘル ツの無線周波(百)発信器によって発生さオtだ。蒸着システムのr(整合回路 は試料がエツチングされるべき電至に全電力が洪1.@されるように同調がとら れた。エツチングされる試料がのせられる市水は水冷室4夕に熱的に接読されt 直径5インチのアルミニウム板(てよって被われていた。第2の一極は溶融石英 で被われ、電気的に接地されていた。
蒸着システム中の反応ガスの流れは、圧力と流液サーホ・システムの両方によっ て制御された。圧力を監視するだめに静電容量型気圧計が用いられた。この気王 計の倍量は、CCl2F、の流れを調節するのに用いられた( c i:i、1 1”2は主ガスとして設計されているっ )。能の2つのガスO7およびArの 流れは、流量/比率制御器によって制御された。この方力によって、2次ガスの 流量1あるいは主ガスに対するそれらの流れの比率を一定に保つことができた。
流量はサーマル・マスφフローメーターを用いフルスケールで毎分10口標準立 方2ンチメータ(SCCM )の感度で全てのガスについて監視された。ガスは 装置に入る前に外部のマニホルドで混訃された。マニホルドは壁面へのカスの吸 着を少なくするため約48CVこ加熱された。
1’i’#浄化さオtたシリコン試料は、上面にシリコンが蒸着されプとアルミ ニウム板の中央に置かれ、システムは1ミリトール以下の圧力捷で引きぬかれた 。アルゴン、CCl、F、および酸素は、前述の流通制御システムを用いて同じ 1[]SCC〜r 、り盗でチェンバー内に供給された(ここで、同率とはモル 分率−が等しいことではなく、上た1(]対的なカスのポンピング速度7がプラ ズマ中でのモル分率を決めることに注意する必要がある。)。チェンバー内の全 圧は20ミリトールに制御された。rf定電力、アルミニウム板に一340Vの 自己バイアスにより、05ワツト/7に同調された。電力は全体で6分間供給さ れた。
処理済みのシリコンは、エツチング装置から取出され、光学顕微鏡の通常の試料 位置に置かれた。アノLゴンレーザー(波長488→−1メーター)の光が顕微 鏡の垂直照明器および倍率10Xの対物レンズをとおして指向され、試料の表面 に焦点を結ばれた。ビームはボッケル・セルを用いて変調された。シリコン媒体 上に;旬、試料上で約25ミリワツトの′電力を有するビームにより1マイクロ 秒5つパルスでスポットが画かれた。
処理前には材料は顕微鏡で観察すると黒く見えたが、各パルスによって1ミクロ ンのオーダーの大きさの反射する部分がてきた。
カラス基iオ上に7須次、モリブデン層、酸化シリコン層およびゲルマニウム層 を蒸着して構造を作る以外は、例1の手順に従った。例1に述べたと同じように して電子ビーム蒸音裟置内で1000オングストローム厚のモリブデン層が蒸着 された。蒸着中は、基材は200tZ” K渫たれ圧力は約10−6トールに、 壕だ蒸着率:、ま毎秒的10〜2o、tングストロームであつえ。
05) 次にJ ’J″は、通常の加熱蒸着A置、こ移さオした。この蒸合裟、谷のホー ドには、それぞれ−酸fヒシリコンおよびゲルマニウムを入れた。−酸化シリコ ンを入れたホードは電気退抗によって毎秒約60オングストロームの蒸発蒸着率 となるような温度まで部分に加熱された。
蒸着は層の厚さが1000オングストロームに達する捷で洸けられた。ここで− 酸化シリコンのポートの加熱は打ち切られ、次にゲルマニウムをKれだホードが 同様にして毎秒約20〜40オングストロームの蒸発蒸着率となるような温度ま で加熱された。この蒸着はゲルマニウム層の厚さが約1ミクロンとなる丑で続け られた( −酸化シリコンおよびゲルマニウム・すTj4−g 7>最中は、基 (オは加熱されなかった。)。
エツチング処理は、例1では処理時間は6分てあったが、ここでは4分であり、 才だカソード・バイアスは 500Vであった。書込みは約1ミリワツトのビー ムを用いてパルス、、畠1−^−ミリ秒で寿廂[7た5、作られたスポットは電 子顕微鏡によって直径約1ミクロンであることが(規整された5、 1つの4オ科では酸化シリコン、層を省略し、1だ2番目の材料では酸化シリコ ン・I@お・よびモリブデン層の両方を占1洛L=、−その曲は同じ手(1負に 従った、その結果はこれら全ての層t イ:する試料と、1ぼ同じ結果がf(I らね例 ろ スライドガラスHt:is列1と同じように用意した。キシレンに重量比15% のポリスチレンを入れた@孜が用意された。この基材を200 ORP Mで回 転したときに厚さ約1ミクロンの膜ができるように、この溶液を十分な量だけ基 材上に置いた。この膜は130Cで30分間焼かれた。例2で述べた加熱蒸着法 を用いて、厚さ約150オングストロームのスズの層がポリスチレン−J−に蒸 着された。この加熱蒸着によって達成された蒸着率は毎秒8〜10オングストロ ームであった。
基材はエツチングガスが酸素のみを含むこと以外は、i;11 ’lと同じよう にしてエツチングされた。酸素は流量1o s t:c’、+で全圧10ミリメ ートルまで導入さ肚た。
基材はカソードバイアス−730vで全電力04ワツト1Mで10分間にわたり エツチングされた(スズはポリスチレンをぬらすことがないためエッチマスクと し2て採用された)。ニツチフグ後、電子顕微鏡で置注状溝造作が観察された− 1 蒸着の最中、試料を蒸発率に対し約45°の川度にして毎秒約4回転の率で回転 させながらポリスチレン上に%J 2で述べたと同じようにして、厚さ120オ ングストロームの金層が一紫啓さ)シ゛之、この用度をつけた蒸着により、ポリ スチレンの円柱状嘴聞1トは十等に金の波1莫ができた(金層の厚さは、置注l 口jI′りむし、う半而tて蒸着ぎ匹たならば、得ら肚たと考えられる厚さであ った。)。金蒸着の前には、ポリスチレンは殆んど可視光を吸収しないで、基材 は光学的【透明であった。
金蒸着後は基材は黒くなった。書込みは、光学システムとして、焦点距離0.8 7Im凸レンズを用いたほかは例1で述べたと同じレーザーを用いて行ったが、 レーザーはパルス化されなかった。その代りに試料は、幅約20ミクロン、長さ 数ミリメートルの直線の書込み軌跡が画かれた。用いたレーザーパワは約200 ミリワツトであった。結果は例1または2で得られたものほど明瞭なものではな かった。しかしながら、反射によりあるいはまた、処理領域を通してできた空白 部分を通して基材の下から観察者の方へ光を伝えることによって軌跡は明るく見 えた。顕微鏡観察の結果は円柱がビームによって溶融されていることを示してい た。
しIJ 4 ゲルマニウム層の上にポリ(メタクリル酸メチル)の約1ミクロン厚の層が被覆 される以外は、例20手順がとられた。これはクロロベンゼンに重量比6パーセ ントのポリ(メタクリル酸メチル)を入れた溶液を用いて約1800几PMで基 材を回転することによって作られた。例1の試料と比べて実質的に同じ結果が得 らitた。
FIG、2

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 表面に情報を記憶できる光学的記憶媒体において、 前記表面が記憶構造体(16)の境界を定める空所(14)を含み、 前記記憶構造体が前記表面の光学特性を局所的に変化させるだめの入力エネルギ ーに応答して変えられ、前記記憶構造体の複合平均2域が前記表面の1oから9 0パーセントであることを特徴とする光学的記憶媒体。 2、 請求の範囲1項における記憶媒体において、前記空所が、究極的には前記 情報の読取シに用いられる電磁放射に対する前記記憶媒体の吸収距離の10パー セントよシ大きな平均深さを有し、前記記憶構造体の特性距離が究極的には前記 情報の読取りに用いられる電磁放射の波長に等しいかあるいは小さな記憶媒体。 3、 請求の範囲1または2項いずれかの記憶媒体において、 前記空所の平均深さの半分で測ったとき、平均して記憶構造体の少なくとも10 個の等側面積が前記媒体の表面に入射する前記エネルギーのビーム断面によって 描かれる区域を占め、 前記等側面積が前記特性距離と同じ長さの直径を有する円り面積に等しいような 記憶媒体。 4、 請求の範囲3項の記憶媒体において、表面構造の少なくとも50個の等側 面積が前記入射エネルギーにより描かれる前記区域を占める記憶媒体。 5、 請求の範囲1または2項いずれかの記憶媒体において、 前記媒体がゲルマニウム、シリコンおよびポリスチレンから選ばれた物質からな る記憶媒体。 (1)
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