TW200849241A - High-resolution optical information storage medium - Google Patents

Description

200849241 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於光學資訊記錄的領域。 【先前技術】 當在追求記錄在光碟上的資訊密度之增加時，此目標 通常受到資訊讀取裝置的效能所限制。基本原理爲寫在碟 片上的物理資訊若其尺寸比用來讀取此資訊的光學系統之 解析度限制較爲小之時，就不能非常容易地讀取。典型 地’當以65 0奈米波長的紅光雷射和一 0.6數値孔徑讀取 時，通常沒有希望正確地讀取具有小於0.4微米尺寸，或 於〇 · 3微米限制値的資訊。 不過，所謂的超高解析法業經發明來讀取資訊，其物 理尺寸小於或甚至遠小於波長。此等方法係建基於某些材 料的非線性光學性質。表達語“非線性性質”係經了解爲意 指下述事實：材料的某些光學性質隨著其所接收到的光之 強度而改變。通常，此改變的直接肇因係由於此照明所致 加熱：即該讀取雷射本身會在比讀取雷射點的尺寸較小的 尺寸上經由熱，光學，熱-光學及/或光電效應而局部地修 改材料的光學性質。因爲性質上的改變，存在於此非常小 容積中的光學資訊變得可偵測，而沒有此改變其不會變爲 可偵測。 所利用的此現象主要係建基於要使用的讀取雷射的兩 種性質： -5- 200849241 -第一，雷射係非常強聚焦以具有極小的橫截面（具 有波長的級次），但其功率分布爲高斯式（Gaussian)者，其 中心非常強而周圍則高度地衰減；及 -第二，讀取雷射功率係經選擇成使得在光束中心一 小橫截面部分上的功率密度明顯地改變該層的光學性質， 而在此小橫截面部分之外的功率密度不能明顯地修改此光 學性質；光學性質係以一傾向於可促成資訊的讀取之方向 而修改’沒有此等修改該資訊就不能被讀取。 例如，在其中對一由在光碟上形成的物理標記所組成 的位元之讀取需要雷射光束正確地對此物理標記之透射的 情況中，在光學性質上的改變爲光學透射率的增加。因此 將非線性層插置於朝向物理標記的光束路徑中。由於隨著 光通過該層，入射光的強度會使該層更透明，雷射光束的 中心可通過該層達到與標記一樣地遠，而因爲光束周緣沒 有將該層的光學指數修改到足以使其更透明，所以光束周 緣不能通過。其因而爲如同使用聚焦透過比其波長所允許 者遠較爲窄的直徑之光束。 各種理論性的提議已經計畫來利用此等原理，但都尙 未造成工業發展。美國專利US 5 153 873有回顧該理 論。美國專利US 5 3 8 1 3 9 1給予一具有非線性反射性質 的膜之例子。美國專利US 5 569 5 1 7提出各種會發生晶 相改變的材料。 在現存提供最佳選項之技術中，係使用氧化鉑（PtOx) 層夾置於兩層硫化鋅/氧化矽化合物層之間，該整體配件 -6 - 200849241 係插置於兩AglnSbTe或GeSbTe化合物的二層之間並再 將此等組合體插置於硫化鋅/氧化矽化合物的層之間。 A g I n S b T e或G e S b T e材料具有牽涉到在強烈的雷身寸照明下 的相改變之性質。其例子可參考Applied Physics Letters Vol. 83，No. 9，Sept. 2003，Jooho Kim et al·，“Super-Resolution bt elliptical bubble formation with PtOx and AglnSbTe layers”和 Japanese Journal of Applied Physics Vol· 43，No· 7B，2004，Jooho Kim et al. “Signal Characteristcs of S up e r - R e s o 1 u t i ο n Near-Field Structure Disc in Blue Laser System”，及於相同的期刊中，Duseop Yoon et al., “Super-Resolution Read-Only Memory Disc Using Super-Resolution Near-Field Structure Technology”。 此等文件所述結構主要依賴氧化鈾膨脹泡的製造，其 係經限制在夾置彼等的層之間。此等泡係於雷射寫入過程 中形成且可在讀出過程中被辨識，即使用波長等於該等泡 之尺寸數倍的讀取雷射亦然。 不過此等泡難以製造且特別難以控制該等泡的體積。 且也特別難以調整雷射功率來獲得於讀取時的超解析度效 應：太低的雷射功率不會得到結果而太高的雷射功率會顯 著地減少可能的讀取週期的數。 【發明內容】 本發明提出一種遠較爲簡單的結構，其更容易實行， 200849241 需要適當的讀取雷射功率水平且能夠經歷許多讀取週期而 不使讀取訊號持續地降低。根據本發明的結構直接地依賴 某些材料的非線性性質而不需要對彼等施以太難控制的泡 膨脹法。 本發明提供一種高解析光學資訊儲存結構’包括裝有 物理標記的基板，其幾何構型界定所記錄資訊；一個三層 重合層，其覆蓋在該基板上的標記頂部上；及透明保護 層，其覆蓋在此重合層的頂部上，該重合層包括插置於兩 個硫化鋅/氧化矽（ZnS/Si02)介電層之間的銻化銦或銻化鎵 層。 經發現在此銻化物層周圍的ZnS/Si02層之存在促成 用良好的訊/雜比以超解析模式讀取資訊所需讀取雷射功 率顯著地減低。於此，讀取功率的問題係關鍵者，因爲， 一方面，需要相對高的功率以由光學性質的局部改變獲得 超解析效果，但另一方面，高功率傾向於逐漸地摧毀所記 錄的資訊，限制可能的讀取週期數目，但具有儘可能高的 讀取週期數目係有需要者。 較佳地，該基板係由聚碳酸酯，塑膠或聚合物所製 成。 在化合物中的銻原子比率爲45%至55%，銦或鎵比率 爲介於 45%和至100%之剩餘者爲銻比率。In5GSb5()或 Ga5GSb5G化學計量的化合物係非常合適者，但從化學計量 的小偏差係可接受者。

InSb或GaSb層的厚度較佳地爲約10至50奈米且最 200849241 理想地介於2 0至3 0奈米間。

ZnS/Si02介電層較佳地各具有20與100奈米間，且 最理想地50與7〇奈米間的厚度。ZnS和Si02的原子比 率較佳地係選自 ZnS85at%/Si〇2 15at%(85/15 比率）和 ZnS7〇at%/Si02 3()at%(7〇/3〇 比率）之間的範圍。 本發明特別可應用於使用典型地具有約400奈米波長 的藍光雷射讀取資訊’在光碟上預先記錄的資訊即可具有 1 0 0奈米或更小的尺寸（寬度和長度）’亦即較讀取波長小 四至五倍。不過’本發明也適用於使用紅光雷射（從6 0 0 至8 0 0奈米的波長）讀取，此係非常有利者，因其可促成 與具有標準解析度的傳統光碟讀取器之相容性-相同的紅 光雷射讀取器可讀取載有標準解析度的資訊之碟片且以超 解析形式載著資訊的碟片。在此情況中，sH錄在光碟基板 上的物理標記可具有200奈米或更小的尺寸（長度和寬 度）。 【實施方式】 圖1顯示根據本發明光學資訊儲存媒體的一般結構。 其包括基板1 0，其較佳地爲有機材料和特別地爲聚碳酸 酯，其係光碟所慣用者。該基板實際上係呈扁平碟片形式 且資訊係以慣用方式沿著接近同心圓軌道寫入碟片。一讀 取雷射光束，由箭頭20所指示者，置於碟片前端，當碟 片旋轉時可看到流過其之資訊。 基板1 0包括界定所記錄資訊的物理標記’且於此例 -9 * 200849241 中該等物理標記係以沖壓在基板上表面上的浮雕形式所 製。浮雕係例如從坑（pit)所形成，其寬度係對於所有寫入 資訊約略地固定，但其長度和在資訊運行方向中的間隔界 定寫入資訊的內容。資訊係經由分析結構所反射的雷射光 束之相位而讀取，該相位會在每一物理標記行經的開始和 結束處改變。坑可經由壓製聚碳酸酯或塑膠基板而預先記 錄，例如利用業經使用非常高解析電子束蝕刻工具製造的 鎳模具。 物理標記的寬度、長度和間隔可能低於將用來讀取彼 等的光學讀取系統之理論光學解析度。典型地，此爲約 4 00奈米波長的藍光雷射，以其數値孔徑爲0.85的聚焦光 學儀器使用，當採取預防措施時，解析度的理論物理限値 爲約1 20奈米。於此，該等標記可用以長度或間隔計，以 小於80奈米的解析度預先記錄，如後面可看出者。 在習用光碟的情況中，浮雕係用簡單的鋁層覆蓋，但 此鋁層不能讓藍光雷射偵測具有8 0奈米的尺寸和間隔的 標記。 根據本發明，該標記係以依次由Z n S / S i Ο 2化合物的 介電層 12，銻化銦（InSb)或銻化鎵（GaSb)層 14和 ZnS/Si〇2化合物的介電層16所組成三重層所覆蓋。所有 此等係以透明保護層1 8所覆蓋。

InSb或GaSb層14爲一具有非線性光學性質的層且 業經發現該三重層結構-由二個ZnS/Si02介電層側接GaSb 或InSb層-之反射率在用具有i至2毫瓦（實際相應於每 -10- 200849241 平方微米約7毫瓦的功率密度）的功率之雷射光束照射時 可非常明顯地增加。 圖2顯示經由基板+三重層+保護層18結構的折射率 變異曲線（頂部曲線R)和透射率變異曲線（底部曲線T)表 示）作爲405奈米照射雷射的功率函數。下ZnS/Si〇2層12 具有70奈米的厚度並含約80% ZnS對20% Si02 (原子百 分比）。上層1 6具有相同的組成及5 0奈米的厚度。居中 層係具有20奈米厚度的InSb所製且爲實質地化學計量的 組成。此測量例顯示出疊置結構的反射率隨著照射功率有 大幅變化。因此，使用約1 · 3毫瓦功率的讀取雷射，因爲 光束能量的高斯（Gaussian)分布，所以折射率在焦點中心 和周圍之間有顯著地變異，因而非常明顯的超解析效果是 可能發生的。 圖3表示其他測量，即針對前段所界定的結構和一相 同的結構但其中以GaSb取代InSb者之比較反射率測量。 GaSb情況的結果較差，因彼等需要較高的讀取功率；不 過，可用的功率範圍爲較大。 圖4回顧在重疊三層12,14，16，即各種長度和間隔的 盲洞，疊置之前，在基板上預先記錄資訊的方法。箭頭指 出基板在讀取雷射下的運行方向。 圖5顯示CNR (載波雜訊比（Carrier Noise Ratio))(以 分貝爲單位）的測量作爲讀取雷射功率的函數，其係在基 板上已經形成具有8 0奈米尺寸和8 0奈米間隔的規則標 記，因此理論上引起雷射讀取系統輸出訊號的固定頻率之 -11 - 200849241 情況中。此等標記係由前面提及的三重層所覆蓋，2 0奈 米活性層爲I n S b或G a S b。爲了給予指示，若標記係以2 5 至40奈米的鋁（如於ROM光碟中者）而不是由本發明三重 層所覆蓋時，CNR比率爲零（標記完全沒有被偵測）。此等 曲線再次顯示出，從功率觀點看來，銻化銦較銻化鎵更爲 有利，因爲CNR在1 .3毫瓦功率時接近35 dB，而對於 GaSb要獲得相同的CNR卻要2毫瓦。 圖6顯示此CNR的其他比較性測量’其係對具有8 0 奈米預先記錄的8 0奈米規則間隔之標記之三個基板試片 進行，此等標記在三個試片中皆爲相同。僅有左側的曲線 使用ZnS/Si 〇2化合物的介電層，右側的兩曲線分別使用 氧化矽Si02和氮化矽Si3N4作爲介電層。非線性光學層在 此爲銻化銦InSb。可看出在本發明具ZnS/Si〇2層的情況 中，要達到高CNR需要遠較爲低的讀取功率。 最後，經由對經如此記錄的一致資訊之多重讀取操作 實驗性地硏究三種結構的讀取表現’其中一個結構爲本發 明者且其他者係使用Si02和Si3N4作爲介電層。使用 Si 〇2時，對於2.74毫瓦的功率’能夠以足夠的訊/雜比讀 取資訊，但觀察到在34讀取週期之後讀取訊號降低。使 用Si3N4時，能夠以2.26毫瓦的功率讀取，但觀察到在 240讀取週期之後降低。不過’使用本發明提出的 Z n S / S i Ο 2層時，能夠用1 · 6 6毫瓦的功率讀取且觀察到僅 在8 0 0 0讀取週期之後才有明顯的訊號降低。此因此了解 到，不論其意外的特質’所提出結構相較於所欲之其他結 -12- 200849241 構的重要性·，因爲其明顯地係建基於結構反射率的超解析 度之增加而不是在透射率上的增加，其在獲知要讀取三重 層結構下的物理標記之下，可能被認爲比反射率更爲有 利。 所進行的實驗證實對於藍光雷射，如同對紅光雷射， 本發明結構的最理想層厚度爲如下： - 下ZnS/Si02層：約50至70奈米； -GaSb或InSb層：約20至30奈米； -上ZnS/Si02層：約50至60奈米。 對於ZnS/Si02化合物的較佳原子組成爲約80% ZnS 對 2 0% Si02。 該等層的沉積沒有造成特別的問題-彼等可合宜地從 包含標的材料之靶經由陰極濺鍍所沉積，活性層的情況如 同介電層情況同等地好，或由電漿增強氣相沉積所沉積。 【圖式簡單說明】 本發明其他特性和優點在閱讀下面參照後附圖式所給 詳細說明而變得明白，其中： -圖1顯示根據本發明的光學資訊儲存結構； -圖2顯示對此結構所測量的反射率曲線和透射率曲 線，作爲讀取雷射功率的函數； -圖3顯示分別對InSb情況和對GaSb情況，所測量 的兩條反射率曲線，作爲讀取雷射功率的函數。 -圖4顯示基板的原子力顯微圖，其中預先形成具有 -13- 200849241 由最小8 0奈米所間隔分開的8 0奈米之最小尺寸之標記。 -圖5顯示指出在根據本發明結構中的訊/雜比的曲 線；及 -圖6顯示對側接銻化銦層的各種介電物質標繪的比 較性訊/雜比曲線。 【主要元件符號說明】 1 0 :基板 12，16 : ZnS/Si02 介電層 1 4 :銻化銦或銻化鎵層 1 8 :透明保護層 2〇 :讀取雷射光束 14-

Claims (1)

1. 200849241 十、申請專利範圍 1 · 一種高解析光學資訊儲存結構，其包括基板 (1 〇) ’其裝設有物理標記，其幾何構型界定所記錄的資 訊；一個三層重合層（12、14、16)，其係覆蓋在該基板的 標記之頂部；及透明保護層（1 8)，其覆蓋在此重合層的頂 部’該重合層包括插置於兩個2118/8丨〇2介電層（12，16)之 間的銻化銦或銻化鎵層（1 4)。 2. 根據申請專利範圍第1項之結構，其中在銻化物 層（14)內的銻之原子比率爲45至55%，銦或鎵的比率爲 45%間，且至1〇〇%之剩餘者爲銻比率。 3. 根據申請專利範圍第2項之結構，其中該銻化物 層（14)係一化學計量的InSb或GaSb層。 4. 根據申請專利範圍第1至3項中任一項之結構’ 其中InSb或GaSb銻化物層的厚度係介於1〇與50奈米之 間。 5. 根據申請專利範圍第4項之結構，其中InSb或 % GaSb銻化物層的厚度係從20至30奈米。 6. 根據申請專利範圍第1項之結構，其中該等 ZnS/Si02介電層各具有20與100奈米間的厚度。 7. 根據申請專利範圍第6項之結構，其中覆蓋該基 板上的標記之該下ZnS/Si02層（12)具有約50至70奈米的 厚度。 8. 根據申請專利範圍第1項之結構’其中該上 ZnS/Si02層（16)具有約50至60奈米的厚度。 -15- 200849241 9 · 根據申請專利範圍第1項之結構，其中ZnS和 Si〇2的原子比率係經選擇在ZnS85 at%/Si〇2 i5at% (85/15 比率）與ZnS7〇 at%/Si〇2 3G at% (7〇/3〇比率）的範圍內。 1〇·根據申請專利範圍第1項之結構，其中該基板係 由聚碳酸酯所製備。 11·根據申請專利範圍第1項之結構，其中記錄在基 板上的物理標記爲經衝壓刻印的坑。 1 2 . —種根據申請專利範圍第1項之結構在打算以藍 光雷射讀取器超解析讀取的光碟的製造上之應用’其中一 些物理標記具有小於100奈米的長度和寬度。 13. —種根據申請專利範圍第1項之結構在打算以紅 光雷射讀取器超解析讀取的光碟的製造上之應用’其中一 些物理標記具有小於2 0 0奈米的長度和寬度。 - 16-