KR910002061B1 - 1회 기록 박막 합금층을 포함하는 기록 소자 - Google Patents
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Abstract
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Description
제1도는 본 발명의 기록 소자들에 사용하기 위한 기록 및 재판독장치의 개략도.
제2도는 본 발명의 광학기록 소자의 개략적인 단면도.
제3, 4, 5 및 6도는 실시예들의 몇몇의 실험 결과를 도시하는 곡선.
제7도는 본 발명의 유용한 합금 혼합물이 존재하는 다각형을 도시하는 3원 조성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
14, 18, 26, 34, 36, 38 : 렌즈 16 : 기록소자
20, 23, 24 : 반사경 21 : 비임 분할기
22 : 레이저 비임 28 : 기록 스포트(spot)
30 : 정보 트랙 40 : 검출기
41 : 보호층 42 : 비결정성 박막 광학 기록층
45 : 기판
산업상 이용분야
본 발명은 기록소자 및 기록방법에 관한 것이다.
[선행 기술]
칼코겐나이드(chalcogenide) 박막 및 비결정성-결정성 상전이를 사용한 박막 광학 기록층들이 1970년대 초 이후로 여러조사의 주제가 되어 왔다. 비결정성-결정성 전이가 원리상 가역적인 공정이기 때문에, 초기에 흥미가 집중된 것은 “소거 가능”하고 따라서 재사용 가능한 광학 기록층들이었다. 이러한 층들은 일반적으로 진공 공정에 의해 준비된다. 이 층이 이와같이 준비되었을 때는 비결정성이다. 저출력의 비교적 긴 지속시간을 갖는 레이저 펄스가 그 층상에 있는 국부 스포트(spot)를 충분한 시간동안 용융점 이하로 가열하여 그 스포트들이 결정화되도록 하기 위하여 사용된다. 이러한 결정성 스포트들이 더 높은 출력의 더 짧은 지속시간을 갖는 레이저에 의해, 결정화된 스포트들의 용융점 이상에서 스포트들의 구조를 무작위로 하기 위하여 교대로 가열될 수 있다. 레이저 펄스의 말단상에서 가열된 스포트의 냉각 속도가 매우 높아서 무작위된 구조가 비결정 상태를 달성하기 위해 동결되도록 이 층이 설계된다.
따라서, 레이저 번력과 지속시간을 조절함으로써, 이 층상에 있는 선택된 구역의 상태가 정보 기억에 사용될 수 있는 비결정성 또는 결정성 스포트들의 패턴(pattern) 을 만들기 위하여 비결정성 상태와 결정성 상태 사이에서 스위칭될 수 있다. 상 전이가 가역적이기 때문에, 이 패턴은 소거될 수 있으며 또한 상이하게 기록된 패턴으로 교체될 수 있다. 이론적으로는, 이러한 소거-기록 사이클은 임의의 여러번으로 수행될 수 있다.
제1의 난점은 연구대상의 대부분의 충돌의 결정화 속도가 보통 너무 적다는 것이다. 실제적인 응용을 위하여, 마이크로세컨드(μs) 보다 짧은 레이저 펄스들에 의해 결정화될 수 있는 층들을 갖는 것이 바람직스럽다. 현재, 이러한 능력을 나타낼 수 있는 재료들이 별로 없다. 높은 결정화 속도를 지닌 몇몇 재료들(예를들면 Te-Sn 합금)을 위하여, 데이타 보유시간은 비결정상태의 불안정성 때문에 흔히 적당하지가 않다.
대부분의 재료들의 느린 결정화 때문에, 결정화 단계는 소거 단계로서 소거가능한 광학 기록층들에 사용된다. 레이저 이동 방향으로 연장된 레이저 스포트는 효율적으로 긴 지속시간의 레이저 노출을 주기 위해 사용된다. 이러한 긴 레이저 스포트들은 고밀도 기록을 위해 사용도리 수 없다. 다른 한편으로 비결정화 단계는 이 단계가 짧은 레이저 펄스로서 수행될 수 있고, 따라서 고속도에서 행해질 수 있기 때문에 기록단계로서 사용된다.
상술한 기록-소거-기록 사이클이 실제로 유용한 광학 기록 층들에 관해서 공지된 재료들이 거의 없다. 소거가능한 상 변화형 광학기록 층들이 상업화되지 못하였다.
상당한 주의가 소위 “1회-기록” 박막 광학기록 층들에 집중되었다. 1회-기록은 그 층들이 단 한번 기록 될 수 있다는 것을 단순히 의미한다. 이러한 층들은 소거될 수 없어서 다음 기록을 위하여 재사용될 수 없다.
박막광학기록 층들이 준비될 때 일반적으로 비결정성이기 때문에, 결정화 단계를 기록 단계로서 1회-기록 층들에 사용하는 것이 바람직스럽다. 그러나, 느린 결정화 문제가 높은 데이타 속도의 달성을 방해한다. 높은 데이타 속도는 컴퓨터와 함께 사용하기 위해 설계된 1회-기록 층들에 관하여 결정적이다.
유럽 특허 출원 제0184452호는 안티몬-인듐 및 안티몬-인듐-주석 합금들의 소거가능한 광학기록 층들을 광범위하게 기술한다. 정보기록과 소거는 두개의 상이한 결정성 상태를 정보가 기록될 수 있기 전에 두개의 결정성 상태들 중에 한 상태로 먼저 변환되어야만 한다. 벌크(bulk) 열처리 또는 연장된 레이저 노출중 어느 하나에 의해 달성된 결정화 단계는 비결정성 상태보다 더 적은 반사율을 갖는다. 실시예는 그 출원에 개시된 재료들이 매우 느린 결정화 속도를 갖는다는 것을 나타낸다. 또한 이 출원은 개시된 광학기록 층들이 일반적으로 비결정성 상태의 불안정성 때문에 비결정성-결정성 전이 과정에 사용하기 위하여 부적당하다는 것을 알러준다.
실험적인 증거는 결정성-결정성 기록과 빠른 비결정성-결정성 기록들이 상호 배타적이라는 것을 보여준다. 하나의 기록 모드(mode)에 적당한 성질을 나타내는 조성물들은 다른 기록 모드에 관해서는 적당하지가 않다.
다른 문제는, 비결정성-결정성 전이과정을 받는 재료들을 포함하는 대부분의 칼코겐의 보통 부식 경향이 있다는 것이다.
[해결되어야 할 문제]
그 문제는 선행기술이 a) 1.0μs 이하의 결정화 속도, b) 양호한 부식방지, c) 안정한 비결정성 상태, 및 d) 고 속도, 고 밀도 기록 능력의 결합을 포함하는 1회 기록 광학 기록층들을 제공하지 않는다는 것이다.
[문제를 해결하는 수단]
본 발명은 제7도에 기술된 안티몬, 인듐 및 주석의 3원 조성도의 다각형내의 조성물을 갖는 합금의 1회 기록 비결정성 막막 광학기록 층을 포함하는 기록 소자를 제공하는 것으로서 여기서, 이 다각형은 다음과 같은 장점들과 원자로 퍼센트로 나타낸 해당하는 좌표를 갖는다.
본 발명은 또한, a) 제7도의 상술한 다각형내에 있는 조성물, 및 b) 결정성 구역들 모두가 비결정성 상태보다 더 높은 반사율을 지닌 동일한 상태인 비결정성과 결정성 구역들의 패턴을 갖는 기록소자를 제공한다.
[동작 모드]
정해진 다각형의 바깥쪽의 합금 조성물로부터 형성된 층들은 a) 부착된 것과 같은 결정성이거나 또는 b) 실제로 사용하기 위하여 매우 느리게 결정화 한다는 것이 발견되었다. 이 층들은 최소한 80℃의 비결저성-결정성 전이 온도를 갖는다.
본 발명의 소자들에 사용되는 층들은 단지 단결정성 상태안을 형성할 수 있다. 즉 결정성 상태가 기록된 층을 통하여 동일하다. 여러 기록들에서 결정성 구역들은 균일한 조성물을 갖는다. 박막 층들 상에 있는 기록 정보에 따라 변조된 레이저 비임을 그 층상에 집속시켜서 이것에 의해 그 층상에 결정성 및 비결정성 구역들의 패턴을 형성함으로써 수해된다. 모든 결정성 구역들은 동일한 상태를 갖는다.
제1도는 본 발명의 광학 기록소자(16)상에 정보를 기록하고 그 기록된 정보를 기록소자로부터 재생시키는 장치의 개략도이다. 제2도를 참조하면, 기록소자(16)는 보호층(41)과 기판(45)상에 있는 비결정성 박막광학 기록층(42)을 포함한다. 구동신호에 응답하여, 다이오드 기록 비임의 강도가 박막(42)에 기록되는 정보에 따라서 변조된다. 변조된 레이저 비임이 렌즈(14)에 의해 수집되고 렌즈(18)에 의해 평행하게 되어 반사경 소자들(20, 23, 및 24)에 의해 렌즈(26)로 향하여 이 렌즈가 제1도에 도시된 것처럼 변조된 레이저 비임을 필름(42)상의 기록 스포트(28)로 집속시킨다.
기록중에, 이 소자(16)는 1800rpm과 같은 정격속도로 회전된다. 그 결과, 정보 트랙(30)이 선택된 결정화 구역의 형태로 광학 기록 층상에 기록된다. 기록이 계속되면, 기록스포트(28)는 소자(16)를 가로질러 방사상 안쪽으로 주사하도록 하여(도시되지 않은 수단에 의해), 이것에 의해 정보가 외부 반경(r0)로 부터 내부 반경(r1)까지로 확장한 나선형 또는 동심원 트랙을 따라 기록되도록 한다. 기록된 정보 표시의 크기와 간격은 기록레이저 구동신호의 정보 내용뿐만 아니라 소자(16)상에서의 방사위치에 따라서 변화한다.
재판독 과정중에, 새로운 정보 지지소자(16)는 기록 과정중의 그 소자의 회전속도와 동일한 속도로 회전한다. 판독 페이저로부터의 레이저 비임이 렌즈들(34 및 36)에 의해 직경이 확대된다. 판독 레이저 비임의 광학 경로는 비임 분할기(21) 및 반사경들(23 및 24)에 의해 꺾이어 판독 레이저 비임이고 개구수(NA) 렌즈(26)에 의해 소자상에 있는 재생 스포트로 집속된다. 이 소자(16)는 반사형으로 가정되어서 재생 스포트를 형성하는 방사는 광학 소자(16)상에 기록된 정보표시와 상호작용을 한 후 고 개구수 렌즈(26)을 통하여 재 반사된다. 렌즈(38)는 프리즘 비임 분할기에 의해 전환되는 반사된 레이저 방사를 검출기(40)로 보내는데, 이 검출기가 검출기상에 떨어지는 반사된 레이저 방사의 발광에서의 일시적인 변화(대비)에 응답하여 전기 재생 신호를 발생한다.
본 발명의 비결정성 박막 광학 기록 층들은 비결정성 박막(42)의 선택된 부분들을 결정성 상태로 변환시키기 위하여 충분한 에너지의 전자방사를 갖는 가간섭성 비임으로 기록된다. 본 발명에서, 비결정성 박막광학 기록 층들은 이러한 변환을 만들기 위해 충분한 에너지를 제공하는 40-100 나노세컨드의 레이저 펄스에서 2-10mW의 레이저 출력으로 되는 충분한 감도이다.
비결정성 박막상의 기록은 정적 피트(pit) 시험기와 함께 행해진다.
정적 피트 시험기는 마이크로컴퓨터가 샘플위치, 레이저 전력 및 레이저 펄스폭을 조절하는 자동화된 설비를 제공한다. 각각의 기록층은, 레이저 출력이 4mW에서 12mW까지로 변화하고 펄스폭이 40 나노세컨드에서 30,000 나노세컨드까지로 변화하는 스포트의 매트릭스(matrix)을 만들기 위하여 정적 피트 시험기의 830 나노미터 레이저 다이오드로서 노출된다. 광학 기록용 기록층의 적합성은 샘플의 노출된 구역과 노출되지 않은 구역사이, 다시말해서 결정성 상태와 비결정성 상태 사이의 반사 변화를 측정함으로써 결정된다.
반사 변화는 다음과 같이 정해지는 기록 대비(CT)로서 나타내어 진다.
여기서 Rc와 Rα는 각각 결정성 및 비결정성 상태의 반사율이다. 5퍼센트의 최소대비가 광학 기록 층들로서 유용하게 간주되는 박막층을 위하여 달성되어야만 한다.
비결정성 박막 기록 층들은 증착, 합금표적으로부터의 RF(우선 주파수)와 DC(직류) 스퍼터링, 및 개별적인 원소들의 표적으로부터의 RF와 DC 공동 스퍼터링과 같은 종래의 박막 부착 기법들에 의해 준비될 수 있다. 자계를 인가함으로써 스퍼터링 공정(마그네트론 스퍼터링)을 강화시키는 것이 또한 사용될 수 있다. 박막층들의 두께는 대비, 감도, 생상율, 재료비 제어의 용이성, 데이타 속도 등과 같은 인자들 사이의 타협에 따라서 수십으로부터 수백 나노미터로 될 수 있다.
사용될 수 있는 지지물은 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리메틸, 메타크릴레이트, 및 폴리카보네이트와 같은 플라스틱 박막, 유리판 종이판과 금속판을 포함한다.
[실시예 1]
본 발명의 실시가 다음 실시예에 기술되어 있다. 실시예에서, 각각의 박막 광학기록 층은 부호 SbxIny Snz로 표시되어 있는데 여기서 x, y 및 z는 원자퍼센트이다.
본 발명의 두 개의 비결정성 박막 광학 기록 층들이 스퍼터링 공정에 의해 준비된다. Sb와 In 분말들이 혼합되어 만들어진 표적이 1시간 동안 8mtorr Ar 분위기로 예비 스퍼터링된다. 예비 스퍼터링 단계는 안정상태의 부착상태를 수행하기 위해 설계된 것이다.
약 80nm 두께의 박막이 예비 스퍼터링된 혼합물을 3, 5분 동안 스퍼터링함으로써 준비된다. 스퍼터링된 혼합물이 유리 지지물 상에서 박막으로 부착된다. 준비된 박막에서 각 성분의 원자 분율은 유도결합 플라즈마(ICP)에 의해 결정된다.
제3도는 a) 13원자 퍼센트 인듐(곡선 1) 및 b) 18원자 퍼센트 인듐(곡선 2)을 포함하는 안티몬-인듐 박막의 비결정성-결정성 온도를 도시하는 것이다. 박막에 관한 전이 온도는 a) 144℃(곡선 2)이고 b) 175℃(곡선 1)이다. 가열속도는 25밀리-켈빈/세컨드이다. 이러한 크고 전이온도는 박막의 비결정성 상태가 매우 안정하다는 것을 보여준다. 이것이 중요한 보존 성질이다. 비결정성으로부터 결정성으로의 자연전이는 결정성 구역과 비결정성 구역 사이의 반사율 차이가 상실되므로 광학기술 층들에 해롭다.
제3도는 또한 본 발명의 박막 안티몬-인듐 층들로서 달성되는 우수한 대비를 나타낸다. 13원자 퍼센트의 인듐을 포함하는 박막 안티몬-인듐의 다른 샘플은 전술한 정적 피트 시험기를 사용하여 기록된다. 그 기록은 박막상에서 결정화된 표시의 형태이다. 결정화된 기록 스포트들을 지닌 박막(Sb87 In13)이 가속 안정시험을 위하여 70℃에서 30%의 상대습도를 갖는 챔버내에 놓여진다. 45일후, 이 박막이 검사된다. 기록되지 않은 구역 또는 기록된 스포트들 상에서 어떠한 상변화 또는 부식도 관측되지 않았다. 이 박막은 부식 방지를 위한 보호층으로서 어떠한 보호층도 가지지 않는다. 이러한 시험은 기록된 스포트들을 지니는 본 발명의 박막이 열적으로 그리고 환경적으로 안정하다는 것을 보여준다.
13원자 퍼센트 인듐을 포함하는 다른 박막 샘플을 정적 피트 시험기상에서 성능시험 한다. 830nm의 파장을 지닌 펄스형의 반도체 레이저 비임이 기록을 위해 사용된다. 여러 전력과 펄스폭들에서 기록감도와 대비가 제4도에 도시되어 있다. 제4도는 비결정성 상태의 초기 반사율과 결정화된 상태의 최종 반사율 사이의 퍼센트 대비가 명확하게 측정가능하여서, 레이저 판독장치의 상태에 의해 판독될 수 있다는 것을 보여준다. 또한 이 데이타는 a) 박막의 실용 레이저 전력과 기록 속도를 사용하여 기록될 수 있으며 b) 결정성 상태의 반사율이 비결정성 상태보다 더 높다는 것을 보여준다.
[실시예 2]
조성물 범위를 갖는 다수의 비결정성 Sb-Sn 및 Sb-In 박막이 실시예 1의 방법에 따라 준비된다. 몇몇의 대표적인 조성물들은 Sb75Sn25, Sb70Sn30, Sb92Sn8, Sb77Sn23, 및 Sb71Sn29 이다. 첫번째 4개의 박막은 50ns의 레이저 펄스 길이와 6mW의 전력으로서 기록될 수 있으며 마지막 필름은 1μs의 레이저 펄스 길이와 6mW의 전력으로서 기록될 수 있다.
[실시예 3]
약 100nm 두께의 박막이 실시예 1처럼 3.5분 동안 스퍼터링 함으로써 준비된다. 제5도는 Sb/In비율이 5이며 특정한 원자 퍼센트 Sn을 포함하는 본 발명의 여러 상이한 박막의 비결정성-결정성 온도 및 반사율을 도시한 것이다.
비결정성-결정성 전이온도, 퍼센트 Sn 및 곡선번호가 아래에 기술되어 있다.
제5도에서, 대비는 박막에서의 Sn 함량을 증가시킴으로써 증가한다는 것에 주목한다. 일관되게, 결정성 구역의 반사율이 비결정성 구역보다 더 크다.
다른 박막 샘플(Sb64In16Sn20)이 전술한 정적 피트 시험기를 사용하여 기록된다. 이 기록은 박막 상에서 결정화된 표시의 형태이다. 결정화된 기록 스포트들은 지닌 박막이 가속 안정 시험을 위하여 70℃에서 30퍼센트의 상대습도를 갖는 챔버내에 놓여진다. 14일후, 이 박막이 검사된다. 기록되지 않은 박막 또는 기록된 스포트들 상에서 어떠한 상 변화 또는 부식이 관측되지 않았다. 이 박막은 부식 방지를 위한 보호층으로서 어떠한 보호층도 가지지 않는다. 이 시험은 기록된 스포트들을 지닌 본 발명의 박막이 열적으로 그리고 환경적으로 모두 안정하다는 것을 보여준다.
다른 박막 샘플(Sb64In16Sn20)을 정적 피트 시험기 상에서 성능시험 한다. 830nm의 파장을 지닌 펄스형 반도체 레이저 비임이 기록을 위해 사용된다. 여러 전려과 펄스폭들에서 기록 감도와 대비가 제6도에 도시되어 있다. 제6도는 비결정성 상태의 초기 반사율과 결정화된 상태의 최종 반사율 사이의 퍼센트 대비가 명확하게 측정가능하여, 따라서 레이저 판독장치의 상태에 의해 판독될 수 있다는 것을 보여준다. 또한 이 데이타는 박막이 실용 레이저 출력과 기록 속도를 사용하여 기록될 수 있다는 것을 보여준다.
[실시예 4]
범위 조성물을 지닌 다수의 비결정성 박막이 실시예 1의 방법에 따라 제조된다. 몇몇의 대표적인 조성물들은 Sb90In9Sn1, Sb82In16Sn2, Sb79In16Sn5, Sb75In24Sn1, Sb74In7Sn19, Sb71In23Sn7, Sb66In14Sn20, Sb56In19Sn25및 Sb55In34Sn11이다. 이러한 박막들은 50ns의 레이저 펄스 길이와 6mW의 전력에서 기록될 수 있다.
[실시예 5]
다양한 조성물을 지닌 몇몇의 균일한 Sb-In-Sn 합금 스퍼터링 표적들이 고온 압축에 의해 준비된다. 이러한 박막이 스퍼터링 공정에 의해 준비된다. 몇몇의 대표적인 조성물은 Sb80In20, Sb74In13Sn13, Sb70In9Sn21, Sb70In30, Sb65In15Sn20, Sb62In12Sn26및 Sb61In15Sn24, Sb60In5Sn35, Sb57In21Sn22, Sb53In13Sn34, Sb51In39Sn10, Sb51In19Sn30및 Sb50In10Sn40이다. 이라한 박막은 비결정성이며 50ns의 레이저 펄스 길이와 6mW의 전력에서 결정화될 수 있다.
특별히 유용한 기록 및 기록소자는 제7도의 다각형내에서 다음과 같은 정점과 해당 좌표를 지니는 합금 조성물을 갖는다.
상술한 실시예들에 있는 어떠한 박막 광학 기록 층들도 두개의 상이한 결정성 상태들 사이에서 스위칭될 수 없다.
[비교 실시예]
합금 조성물이 1) Sb40In2Sn58및 2) Sb48In50Sn2로 된 박막 층들이 준비된다. 박막층(1)은 부착될 때 결정성이다. 박막층(2)은 부착될 때 비결정성이지만, 결정화시키기에는 매우 어렵다. 이러한 박막층들 모두는 본 발명의 범위 밖이다.
발명의 효과
본 발명의 소자들은 칼코겐이 풍부한 박막층들에서 나타나는 장애를 받지 않는다. 광학 기록 층들의 결정화 속도는 실용 레이저 전력을 사용하여 1μs 보다 더 적다. 따라서, 박막층들 상에서의 기록이 비결정성-결정성 전이과정을 사용하여 행해진다. 이 층들은 고 밀도, 고 속도 기록을 할 수 있다. 더욱이, 이 층들은 유럽 특허 출원 제 0184452호로 제안된 것처럼 두개의 상이한 결정성 상태들 사이에서 스위칭 될 수 없으며, 결정성 상태는 비결정성 상태보다 균일하게 더욱 반사적이다.
Claims (1)
- 안티몬, 인듐, 및 주석의 3원 조성도의 다각형내의 조성물을 갖는 합금으로된 1회 기록 비결정성 박막 광학 기록층을 포함하는 기록소자에 있어서, a) 상기 3원 조성도가,
b) 상기 다각형이
와 같은 정점들과 원자 퍼센트로 나타낸 해당좌표를 갖는, 1회 기록 박막 합금층을 포함하는 기록소자.
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