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MEDIO DE ALMACENAMIENTO OPTICO REGRABABLE Y USO DEL MISMO
Descripción de la Invención La invención se refiere a un medio de almacenamiento óptico regrabable para el registro de datos a alta velocidad que se pueden borrar, por medio de un rayo enfocado de luz lasérica, el medio comprende: un substrato, y una pila de capas sobre el substrato; tal pila incluye: una primera capa dieléctrica; una capa de registro de un material de cambio de fase que comprende una aleación que consiste de Ge, Sb y Te; y una capa reflectora de metal. La invención también se refiere al uso de tal medio de registro óptico en aplicaciones de datos de alta velocidad. Una modalidad de un medio óptico de almacenamiento de datos del tipo mencionado . en el párrafo de inicio es conocido de la patente de los Estados Unidos de América US 5,935,672 presentada por los Solicitantes. Un medio óptico de almacenamiento de datos basado en el principio de cambio de fase es atractivo, a causa de que combina las posibilidades de una sobreescritura directa (DOW) (por sus siglas en inglés) y una densidad de almacenamiento elevada con compatibilidad facilitada con sistemas de almacenamiento de datos ópticos solamente para Ref.157015 lectura. El almacenamiento de datos, en este contexto, incluye el almacenamiento de datos de video digitales, de audio digitales y de programas. El registro óptico con cambio de fase involucra la formación de marcas de registro amorfas de tamaño de submicrómetros en una capa de registro cristalina utilizando un rayo enfocado de luz lasérica de potencia relativamente elevada. Durante el registro de la información, el medio es movido con respecto al rayo enfocado de luz lasérica que es modulado de acuerdo con la información que va a ser registrada. Las marcas son formadas cuando el rayo de luz lasérica de potencia elevada funde la capa de registro cristalina. Cuando el rayo de luz lasérica es apagado y/o subsiguientemente movido con relación a la capa de registro, el enfriamiento rápido de las marcas fundidas se lleva a cabo en la capa de registro, dejando una marca de información amorfa en las áreas expuestas de la capa de registro que permanecen cristalinas en las áreas no expuestas . El borrado de las marcas amorfas escritas es realizado por recristalización a través de calentamiento con el mismo rayo láser a un nivel de potencia inferior, sin fundir la capa de registro. Las marcas amorfas representan los bits de datos, los cuales pueden ser leídos, por ejemplo por medio del substrato, por un rayo enfocado de luz lasérica de potencia relativamente baja. Las diferencias de reflexión de las marcas amorfas con respecto a la capa de registro 3
cristalina ocasionan un rayo de luz lasérica modulado el cual es convertido subsiguientemente por un detector en una fotocorriente modulada de acuerdo con la información registrada . Uno de los requerimientos más importantes en el registro óptico de cambio de fase es una alta velocidad de transmisión de los datos, lo cual significa que los datos pueden ser escritos y reescritos en el medio con una velocidad de datos del usuario de al menos 25 Mbits/s. Tal velocidad elevada de transmisión de los datos requiere que la capa de registro tenga una velocidad de cristalización elevada, es decir un tiempo breve de cristalización, durante DOW. Para asegurar que las marcas amorfas registradas previamente puedan ser recristalizadas durante DOW, la capa de registro debe tener una velocidad de cristalización apropiada para que corresponda a la velocidad del medio con relación al rayo de luz lasérica. Si la velocidad de cristalización no es lo suficientemente elevada, las marcas amorfas desde el registro previo, que representan los datos antiguos, no pueden ser borrados completamente, es decir recristalizados , durante DOW. Esto provoca un nivel de ruido elevado. Una velocidad de cristalización elevada es requerida particularmente en los medios de registro de alta densidad y de registro óptico de datos a alta velocidad, tal como en un disco conformado CD-RW (por sus siglas en inglés) de alta 4
velocidad, DVD-RW (por sus siglas en inglés) , DVD+RW (por sus siglas en inglés) , DVD-RAM (por sus siglas en inglés) , DVR-rojo y azul, las cuales son respectivamente las abreviaturas del Disco Compacto conocidas y Disco de Video o Versátil Digital + RW y -RAM de alta densidad, de la nueva generación, en donde RW y RAM se refieren a la capacidad de regrabación de tales discos, y discos de almacenamiento óptico de Registro de Video Digital, en donde rojo y azul se refieren a la longitud de onda del rayo láser utilizado. Para estos nuevos discos, el tiempo de borrado completo (CET) (por sus siglas en inglés) tiene que ser inferior que 40 ns . CET está definido como la duración mínima de un impulso de borrado para la cristalización completa de una marca amorfa escrita en un medio ambiente cristalino. El CET es medido con un probador estático. Para DVD+RW, el cual tiene una densidad de registro de 4.7 GB por disco de 120 mm, una velocidad de transmisión de bits de los datos del usuario de 26 Mbits/s es necesaria, y para DVR-azul dicha velocidad es de 35 Mbits/s. Para las versiones de alta velocidad de DVD+RW y DVR-azul se requieren velocidades de transmisión de los datos de 50 Mbits y más elevadas. La velocidad de transmisión de datos para aplicaciones de Audio/Video (AV) es determinada por la corriente de información de AV pero para aplicaciones de datos de computadora no aplica ninguna restricción en la velocidad de transmisión de los datos, es decir, mientras más 5
grande sea, es mejor. Cada una de estas velocidades de bits de los datos pueden ser traducidas a un CET máximo el cual está influido por varios parámetros, por ejemplo el diseño térmico de las pilas de registro y los materiales de la capa de registro utilizados. El medio conocido del tipo de cambio de fase comprende un substrato con forma de disco que lleva una pila de capas que consisten, en sucesión, de una primera capa dieléctrica, una capa de registro de una aleación de Ge-Sb-Te de cambio de fase, una segunda capa dieléctrica y una capa reflectora de metal . Tal pila de capas puede ser referida como una estructura de IPIM (por sus siglas en inglés) , en donde representa una capa reflectora de metal, I representa una capa dieléctrica y P representa una capa de registro del cambio de fase. La patente describe un compuesto Ge5oxSb4o- 0xTe60-iox en tal fórmula 0.166 < x < 0.444. Los materiales de Ge-Sb-Te estequiométricos que caen dentro del intervalo mencionado, por ejemplo Ge2Sb2Te5, son utilizados como la capa de registro por ejemplo para los discos de DVD-RAM. Estas composiciones estequiométricas tienen un proceso de cristalización dominado por la nucleación. Esto significa que el borrado de una marca amorfa escrita ocurre por nucleación en la marca y el crecimiento subsiguiente. De acuerdo con dicha patente, el CET de dicha capa de Ge-Sb-Te se reduce por el incremento de su espesor hasta 25 nm y luego tiende a llegar a ser constante durante un incremento adicional del espesor de la capa a un valor de aproximadamente 50 - 60 ns . Un intervalo de espesor de entre 25 y 35 nm ha sido reivindicado para su uso en el registro de datos a alta velocidad. Cuando el espesor de la capa de registro llega a ser más pequeño que 25 ns, el CET se incrementa a valores arriba de 80 ns . El medio de registro conocido muestra un CET mínimo de su capa de registro de aproximadamente 50 - 60 ns y el CET tiende a incrementarse cuando se va a espesores de la capa de registro más pequeños. Para aplicaciones de capas de registro múltiples es deseable que la capa de registro, la cual está más cercana al rayo de luz lasérica de lectura/registro, tenga una transmisión óptica relativamente elevada para permitir la lectura y escritura en capas de registro adicionales. Una transmisión óptica relativamente elevada de la capa de registro sólo puede ser lograda cuando su espesor es inferior que 25 nm. Sin embargo, a espesores de la capa de registro de 25 nm o menores, el CET del medio conocido se incrementa a valores los cuales son menos adecuados para el registro de datos a alta velocidad. Es un objeto de la invención proporcionar un medio de almacenamiento óptico regrabable de la clase descrita en el párrafo de inicio, que tiene una capa de registro con un espesor inferior que 25 nm y un CET de máximo 40 ns, 7
haciéndolo adecuado para el registro de datos a alta velocidad . Este objeto es logrado de acuerdo con la invención por un medio de almacenamiento óptico como se describió en el párrafo de inicio, el cual está caracterizado porque la aleación tiene una composición definida por la fórmula GexSbyTez en porcentajes atómicos, en donde 0 < x < 15, 50 < y < 80, 10 < z < 30 y x + y + z = 100, y la capa de registro tiene, un espesor seleccionado del intervalo de 7 a 18 nm. Estos materiales tienen un proceso de cristalización dominado por el crecimiento. Esto significa que el borrado de la marca ocurre por el crecimiento directo desde el límite entre la marca amorfa escrita y el fondo cristalino. La nucleación dentro de la marca amorfa escrita no ocurre antes de que este crecimiento sea terminado. Sorprendentemente, el CET de estos materiales primero se reduce rápidamente con el incremento del espesor de la capa y luego se incrementa nuevamente durante el incremento adicional del espesor de la capa. El CET llega a ser más breve que 40 ns cuando la capa de registro tiene un espesor seleccionado del intervalo de 7 a 18 nm. La dependencia del espesor del CET de las composiciones de Ge-Sb-Te reivindicadas puede ser entendida como sigue. La reducción inicial fuerte del CET con el incremento del espesor de la capa de registro del cambio de fase es un resultado de la competición entre las contribuciones del material de la interfaz y el material a granel. Cuando la capa es relativamente delgada, la fracción del volumen del material localizado en la interfaz es grande, la cual es de manera frecuentemente estructuralmente muy diferente de su forma a granel, por ejemplo tiene más defectos. Con el incremento del espesor de la capa, la fracción del material que está en la forma a granel se incrementará, y arriba de un cierto espesor el comportamiento del material será gobernado por la forma a granel . Aparentemente, los materiales a granel tienen una velocidad de crecimiento más favorable que los materiales de la interfaz . Durante el incremento adicional del espesor de la capa del cambio de fase, el incremento del CET puede ser provocado por el incremento en el volumen del material . El proceso de cristalización de la capa de Ge-Sb-Te reivindicada está dominado por el crecimiento. El volumen del material que va a ser cristalizado llega a ser importante. El tamaño de los cristalitos es típicamente de 10 nm. Cuando la capa es delgada, es necesario un crecimiento bidimensional , el cual necesita un tiempo más breve. Cuando la capa llega a ser más gruesa, se requiere un crecimiento tridimensional, y naturalmente es necesario un tiempo más prolongado. En una modalidad favorable del medio de almacenamiento óptico de acuerdo con la invención, la capa de registro tiene un espesor seleccionado del intervalo de 8.5 hasta 13 nm. En este intervalo, el CET es inferior que 35 ns lo cual hace posible velocidades de transmisión de los datos aún más altas . En otra modalidad favorable del medio de almacenamiento óptico de acuerdo con la invención, la segunda capa dieléctrica tiene un espesor de 20 a 40 nm. Un intervalo de espesor óptimo para la segunda capa dieléctrica, es decir la capa entre la capa de registro y la capa reflectora de metal, es encontrada entre 15 y 50 mm, preferentemente entre 20 y 40 nm. Cuando esta capa es demasiado delgada, el aislamiento térmico entre la capa de registro y la capa reflectora de metal es afectado adversamente. Como resultado, la velocidad de enfriamiento de la capa de registro es incrementada, lo cual conduce a un proceso de cristalización lento y a una capacidad de ciclizacion pobre. La velocidad de enfriamiento será reducida por el incremento del espesor de la segunda capa dieléctrica. El CET no es sensible al espesor de la capa reflectora de metal. El espesor puede estar por ejemplo en el intervalo desde 20 hasta 200 nm. Pero la capacidad de ciclizacion es afectada adversamente cuando la capa reflectora de metal es más delgada que 60 nm, a causa de que la velocidad de enfriamiento es demasiado lenta. Cuando la capa reflectora de metal es de 160 nm o más gruesa, la capacidad de ciclizacion se deteriora adicionalmente , 10
y la potencia de registro y borrado debe ser elevada a causa de la conducción térmica incrementada. Preferentemente, el espesor de la capa reflectora de metal es de entre 80 y 120 nm. En todavía otra modalidad favorable del medio de almacenamiento óptico de acuerdo con la invención, la primera capa dieléctrica tiene un espesor de 70 a 500 nm. Cuando la primera capa dieléctrica tiene un espesor inferior que 70 nm, la capacidad de ciclización del medio es afectada adversamente. Los espesores mayores que 500 nm pueden provocar tensiones en la capa y son costosos para depositarse . En una modalidad especial del medio de almacenamiento óptico de acuerdo con la invención, una capa de registro adicional está presente en la pila que tiene la misma composición que la (primera) capa de registro. El registro adicional puede ser intercalado entre capas dieléctricas semejantes a las capas dieléctricas de la (primera) capa de registro. Las capas auxiliares adicionales pueden estar presentes. En un medio así llamado de apilación de registro múltiple, dos o más capas de registro están presentes, separadas entre sí por capas intermedias a una distancia más grande que la profundidad del foco del rayo de luz lasérica. Algunas veces los diseños de pilas múltiples están representados por Ln en la cual n denota 0 o un número 1 1
entero positivo. La primera pila a través de la cual se introduce al rayo de luz lasérica es llamado L0, mientras que cada pila más profunda está representada por Lx .. Ln. Más profundo se va a entender en términos de la dirección del rayo de luz lasérica de entrada. Durante la escritura sobre, y la lectura desde, tal medio, el rayo de luz lasérica es enfocado sobre la capa de registro de una de las pilas de Ln. Por ejemplo, en el caso de un medio de doble pila con una pila L0 y una Li, para tener una señal de lectura y de energía de escritura suficiente, la pila L0 debe ser suficientemente transparente. Esto solamente es posible cuando la capa de registro de la pila L0 tiene un espesor relativamente bajo de 25 nm o más delgado. La pila de Li, siendo la pila más profunda, puede tener una capa de registro más gruesa a causa de que no necesariamente tiene que ser ópticamente transparente. De acuerdo con la invención, un CET bajo es combinado con un espesor de la capa de registro bajo que hacer a la capa de registro de acuerdo con la invención, adecuada para su uso en el medio de registro de pilas múltiples . La primera y segunda capas dieléctricas se pueden hacer de una mezcla de ZnS y Si02, por ejemplo (ZnS) 8o (Si02) 20 -Las alternativas son, por ejemplo Si02, Ti02, ZnS, A1N y Ta205. Preferentemente, la capa dieléctrica comprende un carburo, de manera semejante a SiC, WC, Tac, ZrC o TiC. Estos materiales 12
tienen una velocidad de cristalización más elevada y una mejor capacidad de ciclización que la mezcla de ZnS-Si02. Para la capa reflectora de metal, se pueden usar los metales tales como Al, Ti, Au, Ni, Cu, Ag, Cr, Mo, , y Ta y aleaciones de estos metales. El substrato del medio de almacenamiento de los datos es al menos transparente para la longitud de onda del rayo láser y se hace, por ejemplo, de policarbonato , metacrilato de polimetilo (PMMA) , poliolefina amorfa o vidrio. La transparencia del substrato solamente se requiere cuando el rayo de luz lasérica se introduce a las pilas de registro por medio de la cara de entrada del substrato. En un ejemplo típico, el substrato tiene forma de disco y tiene un diámetro de 120 mm y un espesor de 0.1, 0.6 ó 1.2 mm. El substrato puede ser opaco cuando el rayo de luz lasérica se introduce a la pila por medio del lado opuesto desde el lado del substrato. En este último caso, la capa reflectora de metal de la pila está adyacente al substrato. Esto también es referido como una pila invertida. Una pila invertida es utilizada por ejemplo en el disco de DVR. La superficie del substrato con forma de disco sobre el lado de las pilas de registro, es provista preferentemente con una servoguía, la cual puede ser explorada ópticamente. Esta servoguía está constituida 13
frecuentemente por una muesca en forma de espiral y está formada en el substrato por medio de un molde durante el moldeo por inyección o prensado. Estas muescas pueden ser formadas alternativamente en un proceso de replicación en la resina sintética de la capa espadadora, por ejemplo, un acrilato curable con luz UV. Opcionalmente , la capa más externa de la pila es protegida del medio ambiente por medio de una capa protectora, por ejemplo, de poli (met) acrilato curado con luz UV. La capa protectora debe ser de buena calidad óptica, es decir debe estar substancialmente libre de aberraciones ópticas y substancialmente uniforme en su espesor, cuando la luz lasérica se introduce a las pilas de registro por medio de la capa protectora. En este caso, la capa protectora es transparente a la luz lasérica y también es llamada una capa de cubierta. Para los discos de DVR, esta capa de cubierta tiene un espesor de 0.1 mm. El registro y borrado de los datos en las capas de registro de las pilas de registro puede ser logrado utilizando un rayo láser de longitud de onda corta, por ejemplo con una longitud de onda de 660 nm o más corta (rojo a azul) . Tanto la capa reflectora de metal, como las capas dieléctricas puede ser provistas por evaporación o por deposición electrónica.
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La capa de registro de cambio de fase puede ser aplicada al substrato por deposición al vacío. Los procesos de deposición al vacío conocidos son la evaporación (evaporación de rayos E, evaporación calorífica resistente de un crisol), deposición electrónica, Deposición por Evaporación química a presión baja (CVD) , Enchapado Iónico, Evaporación Auxiliada por Rayo Iónico, CVD mejorado por Plasma. Los procesos de CVD térmicos normales no son aplicables a causa de una temperatura de reacción demasiado elevada. La capa así depositada es amorfa y exhibe una reflexión baja, para constituir una capa de registro adecuada que tiene una reflexión elevada, esta capa primero debe ser completamente cristalizada, lo cual es referido comúnmente como la inicialización . Para este propósito, la capa de registro puede ser calentada en un horno a una temperatura arriba de la temperatura de cristalización de la aleación de Ge-Sb-Te, por ejemplo a 180 °C. Un substrato de resina sintética, tal como un policarbonato, puede ser calentado alternativamente por un rayo de luz lasérica especial de potencia suficiente. Esto puede ser realizado, por ejemplo en un registrador especial, en tal caso el rayo de luz lasérica especial explora la capa de registro en movimiento. La capa amorfa es calentada entonces localmente a la temperatura requerida para la cristalización de la capa, sin que el substrato sea sometido a una carga de calentamiento 15
desventa osa . El registro y borrado de alta densidad pueden ser logrados utilizando un rayo láser de longitud de onda corta, por ejemplo con una longitud de onda de 660 nm o más corta (rojo a azul ) . La invención será comprendida con mayor detalle por medio de las modalidades ejemplares y con referencia a las figuras que se anexan, en las cuales: la Figura 1 muestra una vista en sección transversal esquemática de un medio de almacenamiento óptico de acuerdo con la invención, la Figura 2 muestra la relación entre CET (en ns) y el espesor d3 (en nm) de la capa de registro para el material Ej emplo En la Figura 1 se muestra una parte de una sección transversal de un medio de almacenamiento óptico regrabable 10 para el registro a alta velocidad que se puede borrar de acuerdo con la invención. El registro y lectura son efectuados por medio de un rayo de luz lasérica 6. El medio 10 tiene un substrato 1 hecho de PC que tiene un diámetro de 120 mm y un espesor de 0.6 mm. Una pila de capas de IPIM está presente sobre el substrato incluyendo una primera capa dieléctrica 2 de (ZnS) 80 (Si02) 20 con un espesor d2=70 nm, una capa de registro 3 de un material de cambio de fase con la 16
composición Ge7Sb76.4Tei6.6 con un espesor ¿I3, y una segunda capa dieléctrica 4 de (ZnS) 30 (Si02) 20 con un espesor d4=20 nm y una capa reflectora metálica 5 de Al con un espesor d5= 100 nm. La capa de registro 6 que tiene un espesor d3 se hace variar entre 4 y 30 nm. Los resultados del efecto de esta variación son mostrados en la Figura 2. La capa de registro de cambio de fase 3 es aplicada al substrato por deposición por evaporación o deposición electrónica desde un objetivo adecuado. La capa 3 así depositada es amorfa y es inicializada , es decir cristalizada, en un registrador especial, como se describió al inicio. Las capas 2, 4 y 5 también son provistas por deposición electrónica. El rayo de luz lasérica 6 para el registro, reproducción o borrado de la información se introduce a la capa de registro 3 por medio del substrato 1. Las marcas amorfas son escritas con un impulso de rayo láser único de potencia Pw = 1.25 Pm (Pm = potencia del umbral de fusión) y duración de 100 ns . La potencia de borrado es Pw/2. Nótese que son posibles modalidades alternativas en las cuales el substrato 1 está presente adyacente a la capa reflectora metálica 5 mientras que el rayo de luz lasérica 6 todavía se introduce a la capa de registro 3 a través de la capa 2. En este caso una capa de cubierta ópticamente transparente, opcional, por ejemplo de 0.1 mm, puede estar presente 17
adyacente a la capa dieléctrica 2. En la Figura 2, la dependencia del CET en ns sobre el espesor d3 en nm de la capa de registro de cambio de fase 3 para el compuesto de Ge7Sb7s.4 ei6.6 es mostrada. De la curva 11 de la Figura 2 es claro que el CET se reduce rápidamente por el incremento de d3 hasta aproximadamente 10 nm, y tiende a incrementarse lentamente y saturar un valor bajo de aproximadamente 47 ns durante el incremento adicional de d3. Se debe señalar que la modalidad mencionada anteriormente ilustra en lugar de limitar la invención, y que aquellos expertos en el arte serán capaces de diseñar muchas modalidades alternativas sin apartarse del alcance de las reivindicaciones anexas. En las reivindicaciones, cualesquiera señales de referencia colocadas entre paréntesis no serán interpretadas como limitativas de las reivindicaciones. La palabra "que comprende" no excluye la presencia de elementos o etapas diferentes de aquellos listados en una reivindicación. La palabra "un" o "una" que precede a un elemento, no excluye la presencia de una pluralidad de tales elementos. El solo hecho de que ciertas medidas sean descritas en reivindicaciones dependientes mutuamente diferentes no indica que una combinación de estas medidas no pueda ser utilizada con ventaja. De acuerdo con la invención, se proporciona un medio de almacenamiento óptico que se puede borrar, el cual 18
es adecuado para la sobreescritura directa y el registro de datos a alta velocidad, tales como DVD+RW y DVR regrabable, que tienen una capa de registro del tipo de cambio de fase relativamente delgada con una velocidad posible de transmisión de los datos de al menos 25 Mb/s. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.