JPS61134944A - 光学的情報記憶媒体 - Google Patents

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】 産業上の利用分野 本発明は光ディスクにおけるように光学的に情報を記憶
する媒体に係り、特に一旦記録した情報を消去して新た
に記録することができる光学的情報の記憶媒体に関する
。

従来の技術 光学的な情報の記憶は記憶の速度および密度が高いので
今後有望な情報記憶方法として注目を集めている。従来
、光学的な情報の記憶媒体とじては、第１に、金属薄膜
にレーザビームを照射して、照射部位に微細な穴を設け
ることによって情報を記録するものがある。しかし、こ
の媒体は情報を記録することはできるが消去して記録を
行なうことは不可能であるという制約がある。そこで、
第２に、光学的に情報を記録するだけでなく消去および
再記録を行なうことが可能な記憶媒体として、Ｔｅ□Ｇ
ｅ＋ｓ　Ｓｚ　Ｐ　ｚのような非晶質半導体薄膜を用い
て、その２つの構造状態、すなわち、安定な高抵抗状態
（これは原子または分子間配列の乱れた状態でいわゆる
非晶質状態である）と安定な低抵抗状態（これは原子ま
たは分子の規則正しい配列状態でいわゆる結晶状態であ
る）との間を可逆的に変化・させて情報を記録、消去お
よび再記録するものが知られている（特公昭４７−２６
８９７号公報参照）。

発明が解決しようとする問題点 しかし、上記の消去可能な記憶媒体は、一方に原子配列
の乱れた状態（非晶質状態）を使っているため本質的に
情報保持における不安定さがつきまとっていた。なぜな
らば、非晶質状態は結晶状態へ至る準安定な状態であり
、熱エネルギーあるいは化学エネルギーの印加により容
易に結晶状態・へ遷移するため、情報が失われ易いから
である。

また、非晶質と結晶質という大きな相違のある状態間を
遷移させるという使い方をするため、（り返して記録お
よび消去している間に材料の疲労が起こり、そのために
記録および消去の可能なくり返し回数が少ないという欠
点がある。

問題点を解決するための手段 本発明の目的は、光パルスを照射することにより情報を
記録し、しかも必要な時にはすでに記録した情報を消去
でき、さらに情報を安定に保持できる新しい光情報記憶
媒体を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、規則正しい原子
配列をもった微結晶の集合体からなる薄膜であるが光学
的特性に差異のある２つ以上の安定状態が存在する薄膜
に対して、パワーおよび時間幅の異なる２種類の光パル
スを照射することによって、その２つの安定状態のどち
らかの状態を取らせて情報を記憶するようにしたもので
ある。

すなわち、本発明の方法では、記憶薄膜において情報の
記録を行なうための光学的特性の異なる２つの安定状態
は両方共に結晶質である。共に結晶質であるが光学的特
性が異なる２つの安定な状態の間の遷移を利用するもの
である。ここで、非晶質と区別する意味で結晶質と称す
る場合薄膜が規則正しい原子配列をもつ領域の寸法（微
結晶の粒径）が少なくとも約５ｎｍ以上、通常２０〜３
０ｎｍ以上のものをさしている。

本発明における微結晶質記憶薄膜の２つの安定な状態は
適当な条件の光パルスを照射することにより可逆的に遷
移することが可能であるため、一旦記録したものであっ
ても消去することができ、何回でもくり返して利用でき
る。

この微結晶ｉｔ！膜の２つの安定状態は、一般に、電気
伝導度が高いけれどもその電気伝導度の間に本質的な差
異は存在しない（これに対して、非晶質では結晶質に較
べて電気伝導度が本質的に低い）。

しかし、この微結晶質薄膜の２つの結晶質の安定状態は
光学的特性、すなわち、光反射率、光透過率等に若干の
違いが生じるため、情報の記録状態、消去状態をそれぞ
れの反射率の違いとして識別することができる。また、
その２つの安定状態は、わずかな体積変化や膜形状の変
形を伴っているため、等価的に光学的な違いを増加させ
る効果をもつ。

この記憶媒体は、非晶質と結晶との間の変化を利用する
ものではない。非晶質相は、準安定相であるため、長期
間のうちには熱作用により次第に結晶相へ遷移するので
、この２つの相の違いを情報記憶に利用する場合は情報
が失われやすい。それに対して、本発明では、結晶相と
いう熱力学的に安定な相における２つの状態間を遷移さ
せるため、長期間情報を安定に保持することができる。

精品組織が異なりかつ光学的特性が異なる２以上の安定
状態を呈しうる微結晶質薄膜材料としては、例えば、イ
ンジウムＯｎ）　２０〜６０原子％とアンチモン５ｂ４
０〜８０原子％からなる化合物（合金）がある。また、
ｌｎ、好ましくは、２０〜６０原子％とｓｂ、好ましく
は、４０〜８ｏ原子％に更に必要に応じてアルミニウム
（Ａ＃°）。

シリコン（Ｓｔ　）　、　リン（Ｐ）、イオウ（ｓ）３
亜鉛（Ｚｎ　）　、ガリウム（Ｇａ　）　、ゲルマニウ
ム（Ｇｅ　）　、　ヒ素（Ａｓ　）　、セレン（Ｓｅ　
）　＋　ｉ艮（Ａｇ　）　、カドミウム（Ｃｄ　）　、
スズ（Ｓｎ　）　。

テルル（Ｔｅ、）、タリウム（Ｔｌ）、鉛（Ｐｂ　）　
。

ビスマス（Ｂｉ　）等の１種または２種以上を全体に対
して２０原子％以下添加してなる化合物（合金）も本発
明の記憶媒体の材料として用いることができる。

このような薄膜材料をガラス、プラスチック。

金属等の基板上に成膜するには原料成分の共蒸着、コス
パッタリング、コイオンブレーティングによって基板上
で合金化するほか、合金化した原料を蒸着やスペックリ
ングしてもよい。

こうして成膜しただけの薄膜は一般に原子配列が乱れて
おり、非晶質であるが、加熱あるいは光を照射すること
によって薄膜全体あるいは薄膜のうち記録部だけを結晶
化することができる。

本発明の記憶媒体を用いる情報記憶用の光学系の例を第
１回廊に示す。これは従来穴あけ型の追記型光ディスク
で使われているものと全く同じで゛ある。

レーザダイオードｌから出射して光（波長通常７８０〜
８３０ｒｕ＋＋）　２をビーム整形光学系３、偏位ビー
ムスプリッタ−４，１／４波長板５を通し、対物レンズ
６で集束して記憶薄膜７上に照射する。図中、８は基板
、９はレンズアクチュエータである。

反射光は偏光ビームスプリッタ−４により横方向にまげ
られレンズ１０を通して光検知器１１に当たる。光検知
器１１は４分割されておりその対角成分の信号の差が照
射ビームのフォーカスずれの程度を表わす。

通常レーザーダイオード１は記憶膜面７上で１ｍＷ程度
のパワーになるように直流発光させ、その記憶膜７から
の反射光を使って常時光ビームが膜面上で合焦点となる
ように対物レンズアクチェエータ９を制御する。記憶膜
７からの反射光量は４つの検知器の和信号として得られ
、記憶Ｍ７の信号記憶状態を知る、すなわち、情報を再
生するために使われる。

情報を記録する場合は記録すべき信号によりレーザーダ
イオードｌを強度変調するための変調電流をレーザーダ
イオード１に重畳する。また情報を消去する際には所望
の記録部分に直流的な光ビームを照射する。この場合も
再生用光ビームに消去に必要な光パワーを重畳させる。

一般に記録時は消去時よりも強いパワーが必要である。

また消去は一回の光ビームで完了しない場合がある。そ
れは薄膜を消去状態に変化させるにはある程度の時間が
必要だからである。その場合は消去ビームを何回も（何
回軽分も）同一場所に照射することによって完全な消去
状態を得ることができる。

第１図の例では使っていないが、レーザ光源を２つそな
え、そこからの一方の光ビームは第１図と同じ構成をと
り、もう一方のビームは薄膜面上で円周方向に長い（〜
１０μｍ程度）形状で照射される光学系を使うこともよ
く行われる。その場合、長いビームは消去専用に使われ
、−回の照射のみで完全な情報の消去を実現できる。

記録および消去時に使われる光ビームのパワー条件は同
機の径や回転数つまり記４ａ薄膜の速度により異なる。

後出の実施例の記憶膜において、回転数と半径位置を変
えることによって、薄膜の一点がφ１μｍの光ビームに
さらされる時間を変えて、記録と消去に対応する光学的
変化を示すパワーと照射時間の関係を求めると第２図の
ようになった。同図中、縦軸は照射ビームパワー、横軸
は照射時間を表わし、反射率が増加した場合にＯ印、反
射率が減少した場合にΔ印を付している。強い短いパル
スを照射すると膜の反射率は上昇し、弱く長いパルスを
照射すると反射率は反対に減少する。

また、反射率の変化に伴って透過率も変化する。

ｒｎｓｂの膜の場合、反射率が増加すると透過率は減少
し、反射率が減少すると透過率は増大するが、その変化
は反射率に比較し、わずかである。

信号の大きさは記録および消去の状態の反射率の差にほ
ぼ比例しているが、その相対的な変化を記録時の照射時
間に対して求めたものを第３・図に示す。同図中、縦軸
に相対コントラスト、横軸に記録照射時間を表わす。こ
の場合記録時のパワーと消去時の条件は固定しである。

照射時間を増加するとともに反射率の相対的な変化量は
増加するが、ある時間を越えると逆に低下する。すなわ
ら最適な条件がある。

記憶および再生用の光としてはコヒーレントな光である
レーザー光が好ましいが、その波長は半導体レーザー光
に限らず、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光、Ｈｅ　−Ｃｄ　レー
ザー光、Ａｒ　レーザー光その他であってもよい。

我々は後出の第６図（イ）および第７図（イ）の写真の
回折パターンを詳細に分析した結果、結晶構造の２つの
状態の反射率変化は、ＩｎＳｂの合金膜の場合、つぎの
ような原因によるのではないかという推測をするに敗っ
た。

第６図（イ）および第７図（イ）は対応する第６図（ロ
）および第７図（ロ）の透過顕微鏡写真に示された像（
明視野像）の中心部のみを調べたものである。明視野像
では中心部の結晶粒がみかけ上大きさが異ってい′るよ
うに見えるが、回折線の詳細な分析では″以下のことが
わかっている。すなわち、第６図（イ）、第７図（イ）
にはヒもにＩｎ５ｅＳｔ）ｓｏ　（立方晶ａ０＝６．４
７８　人）とＳｂ（大方晶ａｏ　”４．３０７人、ｃ０
＝１１．２７３人）が観測されるが、その回折線の強度
の強弱の比が第６図（イ）と第７図（ロ）で逆になって
いる。

つまり、第６図（イ）ではＩｎｇ。ＳｂＳ。の回折線が
ｓｂよりも強（出ているが、第７図（イ）ではｓｂの回
折線の方がＩｎ５゜ｓｂｓ。よりも強く出ている。この
ことは、光の照射条件により合金Ｉｎ　−Ｓｂからｓｂ
の析出する量が異なることを示している。純粋なｓｂｌ
膜の反射率は７０％であるのに対してＩｎｋ。Ｓｂ、。

の薄膜の反射率は４０％であることが知られているので
、ｓｂの析出量が多い程反射率は高いことが説明できる
。

１ｎｓａｓｔ）ｓｏとｓｂのバランスに差ができるのは
薄膜の２種類の光照射による加熱冷却過程の差異によっ
て、（１１Ｓｂ元素が膜の横方向に移動するか、（２）
Ｉｎ５゜Ｓｂ、。の中に固溶できる量が異ってその上ｓ
ｂの析出量が異なるか、２つの可能性が考えられる。

しかし、いずれにしろ、両者の状態とも明らかな結晶状
態であることにはかわりない。

また、結晶状態ではあるが、反射率が見かけ上昇なるよ
うな薄膜の２つの状態の生成する可能性は、上記のほか
にも考えられる。他の可能性としては、結晶粒の大きさ
が異なりそのため光を散乱する能力が異って反射率に差
が生じるものがある。

上記のＩｎ５ｂＯ例でも、このメカニズムが反射率変化
に寄与している可能性は捨てきれない。

また、薄膜の形状変化が光の散乱の具合を異ならせるこ
ともありうる。膜の表面が平坦であるか、あるいは凹レ
ンズ状または凸レンズ状に変形しているかで光の散乱効
果は明らかに異なる。

また別の可能性として、結晶質ではあっても膜の冷却過
程の差異によって異なる結晶相を生成する場合あありう
る。例えば、強くて短い光パルスを照射すると膜は溶融
するが急激に冷却されるため、通常の溶融冷却凝固の過
程では得られない準安定な結晶相が出現することもあり
うる。

以上の如く、その原因は種々考えられるものの、結果的
には結晶体でありｔｒがら反射率あるいは光学的特性が
見かけ上変化するものであればよい。

実施例 （実施例１） ＩｎＳｂ　　薄膜の作成 第１図を参照すると、外径３０ｃｍ厚さ１．２ｍｎ＋の
アクリル基板２１上にＩｎ、。Ｓｂ６゜の合金薄膜２２
を真空・蒸着法により形成する。各成分の蒸着源は独立
に温度制御し、基板を回転させ、蒸着中の成分レートが
ほぼ一定になるように制御する。形成した薄膜の厚さ９
０ｎｍであった。さらにその上に有機高分子の保ｉ［２
３を形成する。材料はＩｎＳｂの記録膜に悪影響を及ぼ
さないものであれば何でもよいが、例えば、ＰＭＭ＾、
ポリスチレン等の熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬
化樹脂、紫外線硬化型の樹脂であってもよい。第２図に
示す如く、各層２１．２２．２３間に安定化層２４とし
てごく薄い無ｍ質（例えば、５ｉ０１．　Ｃｅ０ｚ、５
ｎ０２．Ｚｎ５）の透明膜を挿入してもよい。

光反肚！変止 半導体レーザ（λ−８３０ｎｗ＋）光をコリメータレン
ズおよび対物レンズでビーム径を１μｍに絞った光学ヘ
ッドを使い、円板を回転しながら、半導体レーザを直接
変調して円板上にパルス光の列を照射した。この際、レ
ーザ光線の最小に絞られる位置が記録膜上にくるように
対物レンズの位置を制御した。このとき、記録層膜上に
照射される光ビームの強さはＭＡＸ　２０ｗＧ１であっ
た。

円板を６０Ｏｒｐｍで回転し、レーザパワーを５ｍＷに
なるようにして円板上に照射すると、回転につれて記録
膜からの反射率が次第に低下した。５回転でほぼ変化が
停止したのでレーザパワーを１ｍＷ以下に低下させた。

次に、ビークパワー２０ｍＷで２ＭＨｚの矩形波で半導
体レーザを駆動し、１回転分だけ円板上に照射すると、
パルス状に光照射された部分の反射率が上昇した。１１
で連続的に円板上の反射率を測定したところ、２　Ｍ）
ｌｚの信号がＣ／Ｎ４０ｄＢで検出された。

さらに、パワー５ｍＷにて連続照射したところ、再び反
射率は低下し、２　ＭＨ２の信号成分は消えた。

すなわち、変調されたパルス光照射とそれより低パワー
の連続光照射により信号の記録消去のくり返しが可能で
あり、このくり返しは少なくとも１０４回以上を越える
ことが確認された。

次に、円板の一部を分割し静止状態で光パルスを照射し
た。上記の例で円板回転状態で円板上の記録膜の一点が
レーザ光（φ１μｍ）と横切る時間はほぼ２００ｎｓで
あるので、この時間に会わせて光パルスを照射した。ま
ず、５１のパワーで２００ｎｓずつ５回照射したところ
反射率が低下した。次に、場所をかえて同じように５ｍ
Ｗで２００ｎｓ　５回照射したのち、１０ｍＷにて２０
０ｎｓ　１回照射したところ、再び反射率が上昇した。

２つの操作をくり返すと、反射率はくり返し上下するこ
とが確認された。

積益盪遺■Ｕ通 上記の分割した円板から記録膜をはがし、電子顕微鏡に
て膜の結晶構造を調べた。

まず、成膜後レーザ光照射を全く行なっていない未記録
部は、結晶の規則正しい配列に起因する電子の回折は見
られず、非晶質状態であった。次に、多数回光パルス照
射して反射率を低下させた部分は、第３図の写真（イ）
（０）に見られる如く、約１μｍのスポット状に完全に
結晶化していることがわかった。さらに、強パルス照射
によって、再び反射率を増加させた部分を観察したとこ
ろ、第４図の写真（イ）（０）に見られる如く、同様に
結晶状態であり、ただし中心部の結晶粒の大きさが大き
くなっていることが判明した。第３図および第４図の写
真は、それぞれ電子顕微鏡による（イ）が電子線回折パ
ターン、（ロ）が明視野像である。この電子顕微鏡の観
察により、記憶膜は結晶と非晶質（または成膜後の状態
に近い結晶の乱れた状Ｂ）との間の相転移によって情報
を記録するのではなく、一旦結晶化した後に結晶と結晶
の間の状態変化によって情報を記録していることが判明
した。

なお、走査型電子顕微鏡による観察では、光照射された
部分に膜のわずかな凹凸が見出された。

しかも、記録部分・と消去部分は凹凸の方向が逆である
ことも確認できた。

ｌ久倣専皮 次に、石英基板上に上記の例と同様にして形成した薄膜
を電気炉にて加熱して、取り出し、室温に冷却してから
電気伝導度を測定した。その結果を第５図にグラフとし
て示す。１９０℃付近に急激な電気伝導度の増加が見ら
れる。これは非晶質から結晶に遷移したときの電気伝導
度の変化である。

しかし、２００℃以上では電気伝導度の大きな変化は見
・られない。電子顕微鏡観察の結果から記録および消去
の両状態とも結晶状態であることがわかっているので、
情報記録に利用している２つの結晶状態の電気伝導度に
は、非晶質と結晶質の電気伝導度の差異と異なり、本質
的な差異はないと考えられる。

耐久試験 前記の情報を記録したディスクを７０℃相対湿度８５％
の雰囲気中に置き、時々室温にもどしてＣ／Ｎを測定し
たところ、第６図に示す如く、３ケ月を経過してもＣ／
Ｈの低下量は３ｄＴＩ以下であった。

これは記録に使われたＩｎＳｂの薄膜が化学的に安定で
あり、長期間の情報保持に適していることを示している
。

（実施例２） 実施例１におけるＩｎ４゜５ｂｈｏｆｊｔ膜の作成と同
様にして但しＩｎとｓｂの組成をいろいろに変えてアク
リル基板上にＩｎとｓｂの合金薄膜を作成した。

こうして作成した媒体を次のようにして評価した。円板
を静止した状態で半導体レーザー（８３０ｎｍ）光をコ
リナートレンズ及び対物レンズにより１μｍに絞った光
学ヘッドによりパワー、パルス幅を変えた２種のレーザ
ー光パルスを交互に照射し、その間低パワーのレーザー
光で反射率を測定する。

この方法で１０　ｍＷ、　２００ｎｓのレーザー光と５
１゜５００ｎｓのレーザー光を照射した後の反射率に差
のあるものが見いだされた。反射率は可逆的に変化し、
大パワー短パルスで反射率が上昇し、小パワー長パルス
で反射率は下降する０合金′ａ膜の組成依存性を調べた
ところ、ｓｂが２０〜８０原子％の範囲内で反射率が可
逆的に変化した。しかし、Ｉｎの多い領域ではＩｎの偏
析が生じるため実用上適当ではなく、適当な範囲はｓｂ
が４’Ｏ〜８゜原子％であることがわかった。

（実施例３） ＩｎＳｂの媒体に添加剤を加え、その効果を見た。

Ｓｅを全体に対し５，１０．２０原子％になるよう添加
した媒体を実施例２の方法で評価した。その結果、Ｉｎ
が多い組成でもＩｎの偏析が起きなくなった。第１０図
に示すように偏析の起きない領域が増え、安定化に役立
っていることがわかった。

第１０図において、○印は偏析が起きないこと、Ｘ印は
偏析が起きること、斜線を付した領域では偏析が起きな
いことを表わしている。

ｓｂに代えてＳｉ　、Ｐ、Ｓ、Ｇｅ　、Ａｓを添加した
場合にも同様な結果が得られた。

（実施例４） Ｉｎとｓｂの原子比を一定（４０：６０）にして２口を
全体に対して５，１０．２０原子％になるように添加し
た記憶媒体を作成し、実施例２の方法で評価した。そし
て、反射率の変化量を高反射率状態の反射率で割った値
として求めた反射率コントラストを下記表に示す。

表からＺｎの添加によってコントラストが増加すること
がわかる。

Ｚｎに代えてＡ１１．Ａｇ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｐｂ。

Ｔｅ、１３ｉを添加した場合にも同様な結果が見られた
。

（実施例５） Ｉｎ、：！：Ｓｂの原子比を一定（４０：　６０）にし
てＡｓを全体に対して５，１０．２０原子％になるよう
に添加した記憶媒体を実施例２の方法で評価した。

その際、高パフー短パルスのレーザ光のパワーだけをい
ろいろに変えて反射率のコントラストを求めた。その結
果を第１１図に示すが、図に見られるように、Ａｓの添
加によって記憶媒体の感度が向上した。

Ａｓに代えてＧａ、Ｐｂ、Ｓｎを添加した場合にも同様
の結果が得られた。

発明の効果 本発明によれば、薄膜に光パルスを照射するのみで・高
密度に記録でき、しかも必要な時には消去および再記録
でき、さらに長期間安定に情報を保持できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光学的情報記憶および再生方法の
光学系を示す模式図、第２図はレーザー光照射の条件に
よる記憶膜の反射率の変化を示すグラフ図、第３図は記
憶照射時間に関する記憶相対コントラストを表わすグラ
フ図、第４図および第５図は本発明を実施するための光
学的情報記憶媒体の要部断面図、第６図（イ）（−は記
憶媒体の低反射率部の電子顕微鏡による電子線回折パタ
ーンの写真および薄膜の結晶組織の写真、第７図（イ）
　ｔｏ）は記憶媒体の高反射率部の電子顕微鏡による電
子線回折パターンの写真および薄膜の結晶組織の写真、
第８図はＩｎＳｂ薄膜の電気伝導度の温度変化を示すグ
ラフ図、第９図はＩｎＳｂ薄膜のＣ／Ｎの長時間変化を
示すグラフ図、第１０図はＩｎＳｂ系にＳｅを添加した
場合に偏析するかどうかを表わしたＩｎ−３ｂ−Ｓｅ三
元状態図、第１１図はＩｎＳｂにＡｓを添加した場合の
反射率コントラストをレーザ光パワー強度に関して表わ
したグラフ図である。 ■＝・−・レーザーダイオード、２−光、３・・・ビー
ム整形光学系、 ４・・−偏光ビームスプリソター、 ５−１　／　４波長板、　６・−・対物レンズ、７〜記
憶薄膜、　　　８一基板、 ９−・−レンズアクチュエータ、 １０・・・レンズ、　１１・−光検知器、２１・−・ア
クリル基板、　２２−ＩｎＳｂ薄膜、２３−・有機質保
護膜、　２４・−・無機質安定化層。 照射時間（ｎｓ） 第３図 第６図　　　　　　第７　’ｊ”ｊ、Ｎ（（イ）　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　（イ）ｆすｌパン−、ｔｌ１才１′１・１７　、／
…１牛チト″粂　　゛″″″−−−−″″　　　　　　
　西！ｌ惇′１噌　−−一゛−−−ｌｐｒ＋゛Ｉ）ｖｒ
ｒ 第８図 第９図 経過時間　（月） 第１０図 第１１図 しＤ／ぐワ’　　　（ｍｗ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、結晶組織が異なりかつ光学的特性も異なる２つの安
   定状態を取り得る微結晶体からなる記憶薄膜から成り、
   該記憶薄膜に異なる条件の光エネルギーを照射して該２
   つの安定状態を選択的に生起させることによって情報を
   記録および（または）消去することを特徴とする光学的
   情報記憶媒体。