光学记录介质和用该介质的记录和重现方法

专利名称：光学记录介质和用该介质的记录和重现方法
技术领域：
本发明涉及一种用于光学记录和重现信息的光学记录介质(其后称为 "光学信息记录介质，，或"信息记录介质")和对该光学记录介质的记录和 重现方法。
背景技术：
作为一种以超过重现所记录信息的光学系统分辨率极限的记录的周期 来重现高密度信息的技术，正在开发光学记录介质的超分辨率技术，其涉及 在介质上的超分辨率层，其中重现了微小标记或凹点。超分辨率层材料通常 为相变材料。例如，专利文献1纟皮露了一种在相凹点(phase pit)上形成相变材冲+层 且在重现射束点内使相变材料层的一部分液化，由此重现对应于分辨率极限 的相凹点。专利文献2披露了 一种提供Ge-Te合金的标记层并且在所述掩膜层上形 成具有增加的光透射率的重现窗的方法，由此重现记录的标记。专利文献3披露了 一种提供包含三种元素Ge、 Sb和Te作为主要组分的 光阀层(optical shutter layer)且在重现射束点内熔化一部分光阀层，由此重 现记录的标记。专利文献4披露了 一种提供Sb的掩模层且釆用重现束照射掩模层以在 其中形成光孔(optical aperture )，由此重现记录的信息。专利文献5披露了 一种超分辨率重现方法，其中掩模层由能够超饱和的 吸收的染料材料制成。如从下述情况理解，现有技术文献涉及比如掩才莫层、重现窗、光阀、和 光孔的术语，常规的超分辨率重现方法改变在超分辨率材料的一小部分重现 射束点的光学性能以减小有效的束直径，由此来重现微小标记或凹点。在改 变超分辨率材料一小部分重现射束点的光学性能的一种方法中使用了相变 材料作为超分辨率材料，其中在重现射束点内的一小部分相变材料被熔化。
其后参考图l概述了常规的超分辨率重现方法。图l是光学记录介质的
剖面图，该光学记录介质包含超分辨率材料层101、记录层102、基板103、 记录标记或记录凹点104、形成于超分辨率材料层中的光孔105、和激光束 106。箭头107指示射束点的直径方向，且箭头108指示激光束移动方向。
如图l所示，在常规的超分辨率重现方法中，光孔形成在射束点直径内 贯通一部分超分辨率材料层以重现微小标记。射束点直径内的区域，除了光 孔以外，由超分辨率材料层遮挡。记录层102如从光源106观看位于超分辨 率材料层101后。利用由超分辨率材料层阻挡的射束点，减小了到达记录层 102的光量，减弱了信号的强度。当为了获得较高记录密度使得记录标记或 记录凹点104较小时，则光孔105必须较小。因此，射束点直径的相当大部 分由超分辨率材料阻挡，进一步将信号的强度减弱到使信号可能不被检测的 程度。
专利文献1日本专利(JP-B ) No. 3361079 专利文献2日本专利(JP-B ) No. 3602589 专利文献3日本特开公才艮(JP-A) No. 08-306073 专利文献4日本特开公报(JP-A) No. 2000-229479 专利文献5日本特开公报(JP-A) No. 2003-15758
发明内容
本发明的目的是提供一种光学记录介质以及该光学记录介质的记录和 重现方法，该光学记录介质允许记录和重现用超过光学拾取器的分辨率极限 的周期记录的高密度信息，其中记录的信息被重现而不在超分辨率材料层中 形成光孔。这里，分辨率极限指的是超过由X/2NA计算的周期，其中人是光 波长且NA是物镜的数值孔径。
解决上述的问题的手段如下。
<1>一种光学记录介质，包含层状结构，具有包含相变材料的第一可变 形材料层，其在记录波长下吸收光以发热且经历发热熔化和变形；和包含一 种材料的第二可变形材料层，该材料包含透射光且经历热变形和改变的氧化 硅(SiOx; 0<x￡2)，其中在记录信息之后，第一可变形材料层的厚度根据记 录的信息而改变，使得记录的标记的中心比端部厚，且基于记录的信息，第 二可变形材料层对应于在第 一可变形材料层上形成的凹凸图案被变形和改
变，且其中第 一 可变形材料层当重现信息时从固态改变到熔化态。
<2>如以上<1>所述的光学记录介质，其中记录标记为第一和第二变形材 料层的变形的部分。
<3>如以上<1>和<2〉所述的光学记录介质，其中第 一可变形材料层至少 包含锑Sb和碲Te且Sb对Te的组成比例Sb/Te为1.5到5。
<4>如以上<1>到<3>的任一所述的光学记录介质，其中第二可变形材料 层至少包含锌化合物和SiOx，其中x是2或更小，且锌化合物对SiOx的组 成比例锌化合物/SiOx为1.5到9。
<5>如以上<4>所述的光学记录介质，其中第二可变形材料层中的锌化合 物通过激光照射或热处理而结晶。
<6>如以上<4>所述的光学记录介质，其中第二可变形材料层中的锌化合 物通过激光照射或热处理而硬化。
<7>如以上<1>到<6>的任一所述的光学记录介质，其中在重现期间通过 激光照射或加热改变记录标记的形式。
<8>如以上<1>到<7>的任一所述的光学记录介质，其中光学记录介质包 含设置于基板和第 一可变形材料层之间的无机介电层。
<9>如以上<8〉所述的光学记录介质，其中无机介电层至少包含ZnS和 SiOx，其中x为2或更小。
<10>—种光学记录介质的记录和重现方法，包含采用在记录信息期间第 二可变形材料层与第一可变形材料层通过熔化一起被变形和改变的强度进 行激光束照射，及检测通过用在重现记录的信息期间熔化第一可变形材料层 的强度进行激光束照射导致的第 一可变形材料层从固态到熔化态的信号电 平的改变，其中该光学记录介质包含层状结构，具有包含相变材料的第一可 变形材料层，其在记录波长下吸收光以发热且经历发热熔化和变形；和包含 一种材料的第二可变形材料层，该材料包含透射光且经历热变形和改变的氧 化硅(SiOx; 0<x^2 )，
其中在记录信息之后，第 一可变形材料层的厚度根据记录的信息而改 变，使得记录的标记的中心比端部厚，且基于记录的信息，第二可变形材料 层对应于在第 一可变形材料层上形成的凹凸图案被变形和改变，且其中第一 可变形材料层当重现信息时从固态改变到熔化态。
<11>如以上<10>所述的光学记录介质的记录和重现方法，其中记录标记
为第 一和第二变形材料层的变形的部分。
<12>如以上<10>所述的光学记录介质的记录和重现方法，其中光源是半 导体激光，激光束功率水平在信息的记录期间;陂调制在至少Pl和P2的两个 水平之间，其中对应于记录的信息，满足P1〉P2，且在记录的信息的重现期 间激光束功率水平被设定在水平P3,其中满足P2〉P3。
<13>如以上<12>所述的光学记录介质的记录和重现方法，其中半导体激 光具有390nm到410nm的波长。


图l是显示常规的超分辨率重现方法的视图。
图2是本发明的光学记录介质沿(未记录的)记录轨道的剖面图。
图3是本发明的光学记录介质沿(已记录的)记录轨道的剖面图。
图4A是显示在本发明的记录方法中使用的光学记录介质的结构的视图。
图4B是显示本发明的记录方法的照射操作的视图。
图4C是显示本发明的记录方法的加热操作的视图。
图4D是显示本发明的记录方法的冷却操作的视图。
图5A是显示本发明的重现方法的记录状态的视图。
图5B是显示本发明的重现方法的重现状态的视图。
图5C是显示本发明的重现方法的记录标记的平面图。
图6A是显示在本发明的重现方法中信号电平变化的视图，其中未记录 的部分用低功率重现。
图6B是显示在本发明的重现方法中信号电平变化的另一视图，其中未 记录的部分用低功率重现。
图6C是显示在本发明的重现方法中信号电平变化的视图，其中未记录 的部分用高功率重现。
图6D是显示在本发明的重现方法中信号电平变化的另一视图，其中未 记录的部分用高功率重现。
图6E是显示在本发明的重现方法中信号电平变化的视图，其中记录的 部分用高功率重现。
图6F是显示在本发明的重现方法中信号电平变化的视图，其中记录的
部分用高功率重现。
图7A是解释在本发明的记录和重现方法中激光功率水平的设定方法的视图。
图7B是显示图7A中的功率水平的光学记录介质的状态的视图。 图7C是显示在本发明的记录和重现方法中激光功率水平的设定方法的 视图。
图7D是显示了图7C中的功率水平的光学记录介质的状态的视图。 图7E是显示在本发明的记录和重现方法中激光功率水平的设定方法的 视图。
图7F是显示了图7E中的功率水平的光学记录介质的状态的视图。 图7G是显示在本发明的记录和重现方法中激光功率水平的设定方法的 视图。
图7H是显示了图7G中的功率水平的光学记录介质的状态的视图。 图8是显示了示范性记录和重现设备的视图。 图9是显示了示例的光学记录介质的结构的视图。 图IO是显示了在示例中记录脉沖的设定方法的视图。 图11是显示在重复记录最小的标记之后的示例中光学记录介质的剖面 图像。
图12是显示了由ZnS-SiOx层的组成比例改变的晶态的表。
图13是显示了由ZnS-SiOx层的组成比例在沉积速度上的变化曲线图。
图14是显示了 ZnS-SiOx层的化学键:接状态的测量结果的曲线图。
图15是显示了 ZnS-SiOx层的X射线衍射的测量结果的曲线图。
图16是显示了由激光照射引起变形信号的示范性测量装置的视图。
图17是显示了由激光照射引起变形信号的测量结果的视图。
图18是显示了在重现操作中光学记录介质的状态的视图。
具体实施例方式
本发明的光学记录介质包含层状结构，具有包含相变材料的第一可变 形材料层，其吸收进行记录的波长下的光以产生热且经历放热熔化及变形； 第二可变形材料层，包含一种含有透射光的氧化硅(SiOx; 0<x$2)的材料 且经历热变形和改变；和其他如需要的层。
在该光学记录介质中，在记录信息后，第一可变形材料层的厚度根据记 录的信息而改变，使得记录的标记的中心比端部厚，且基于记录的信息，第 二可变形材料层对应于在第 一可变形材料层上形成的凹凸图案被变形和改 变，且当重现信息时第 一可变形材料层从固态改变到熔化态。
记录标记为第一和第二变形材料层的变形的部分。
图2和3显示了本发明的示范性光学记录介质。图2是沿未记录状态的
记录轨道的光学记录介质的剖面图。光学记录介质包含第一可变形材料层
201、第二可变形材料层202、无机介电层203和基板204。无机介电层可以 被省略。
第一可变形材料层201由在记录波长下吸收激光束的光且经历发热熔化 和变形的材料制成。使用了相态在固态和熔化态之间转换的相变材料。优选 地，该材料具有200。C到70(TC的熔点。可以使用低熔点材料，比如Bi、 Sn、 Sb、 Zn、和Te。也可以使用金属间化合物材料，比如InSb、 InTe、和SbSn。
更优选地，第一可变形材料层至少包含锑(Sb)和碲(Te)且Sb到Te (Sb/Te)的组成比例为1.5到5。更优选地，Sb/Te比为2到3。落在该范围 内的SbTe化合物属于5相晶系。具有5相化合物的SbTe化合物当被加热时 熔化而没有相分离或相转移(phase transition )。碲(Te )可以为氧化碲(TeOx, 其中x为2或更小)。可以使用SbTe二元系统材料和包含Sb和Te以外的元 素的材料，例如GeSbTe的三元系统材料和例如AglnSbTe的四元系统材料。
本发明的光学记录介质使用了第 一可变形材料层在固态和熔化态之间 的转变来检测重现信号。因此在固态和熔化态之间的转变的过程中的相分离 或相转移导致了多个信号电平，恶化了信号质量或使得难于检测信号电平。 使用了仅在固态和熔化态之间转变的以上的材料。第一可变形材料层仅在固 态和熔化态之间进行转变保证了高质量重现信号。
第二可变形材料层202由在记录波长下具有高光学透射率的材料制成。 由于具有高光学透射率，第二可变形材料层允许下面的第一可变形材料层接
收并吸收更多的光。因此，第一可变形材料层被容易地变形且第二可变形材 料层反映了第 一可变形材料层的变形。第二可变形材料层优选地由当被沉积 后具有低密度和/或柔性且当被加热后变为固化和/或硬化。使用由这样的材 料制成的第二可变形材料层使得可以通过根据第 一可变形材料层的变形来 使得第二可变形材料层变形，从而进行记录，由与光照射相关的热引起第一
可变形材料层的变形。优选地，第二可变形材料层具有比第一可变形材料层 更高的熔点。更优选地，它们具有大的熔点差异。期望第二可变形材料具有
100(TC或更高的熔点，且第一可变形材料层具有200'C到70(TC的熔点，如 上所述。熔点上的这样的差异阻碍了在记录/重现过程中第一和第二可变形材 料层的相互扩散，防止信号质量的恶化。
第二可变形材料层包含锌化合物和氧化硅(SiOx，其中x为2或更小)， 且锌化合物对氧化硅的组成比例(锌化合物/SiOx)在1.5到9的范围。使用 这样的材料减小了被变薄的残余应力，且可以在大面积基板上均匀地形成层 而没有膜分离。还可以已高速进行沉积由此减小生产成本。
优选地，第二可变形材料层为包含氧化硅(SiOx,其中x为2或更小)， 和添加材料M的材料。添加材料M的示例包括硫化物，比如ZnS、 CaS、 BaS等等；硒化物，比如ZnSe、 BaSe等等；氟化物，比如CaF2和BaF2;和 氧化物，比如ZnO。包含氧化硅(SiOx，其中x为2或更小)和添加材料M 的材料可以通过賊射迅速沉积。高速沉积导致了生产光学记录介质的成本减 小。
更优选地，第二可变形材料层为至少包含锌化合物和氧化硅(SiOx，其 中x为2或更小)的材料。除了氧化锌以外的锌化合物的示例包括ZnS、ZnSe、 ZnTe等等。在这些锌化合物中，ZnS是最优选的。锌化合物对氧化物的组成 比例，锌化合物/SiOx在1.5到9的范围。如果组成比例以摩尔％表达，其 在锌化合物(60摩尔％ ) -SiOx ( 40摩尔％ )到锌化合物(90摩尔％ ) -SiOx
(10摩尔％)的范围。图12显示了由组成比例的晶态变化。已对在非晶态 或晶态的沉积层进行了研究。假设锌化合物为ZnS,还研究了 ZnS/SiOx的 组成比例和晶态之间的关系。ZnS-SiOx层通过RF賊射在室温的氩气氛中在 硅衬底上形成ZnS-SiOx层。通过X射线衍射研究了该层的晶态。使用了 一 种Philps公司的X，pert MRD的X射线衍射测量装置，利用Cu的Ka射束 作为光源采用45kV的X射线管电压和40mA的管电流。使用了一种层测量 方法、低角度入射非对称衍射，其中射束以0.5。固定的角度入射到层表面， 使用光源的光学系统中的镜子以控制检测器的角度。当假设衍射角为在X射 线衍射剖面的29时，决定为在非晶状态，其中所有衍射峰值的半高全宽
(FWHM)为2°以上。图12显示了 ZnS/SiOx的组成比例和ZnS-SiOx层的 晶态之间的关系。ZnS-SiOx层的晶态由ZnS/SiOx的组成比例而变化。具有
9以下的组成比例的沉积的层为非晶状态。处于非晶状态减小了层的残余应 力且可以存大面积基板上均匀地形成层。因此，组成比例的上限为9。图13
显示了 ZnS-SiOx层的沉积速度。如上所述，在室温下氩气氛中通过RF賊射 沉积ZnS-SiOx层。沉积速度才艮据ZnS/SiOx的组成比例变化且随着组成比例 变小而降低，如图13所示。如果沉积速度减小过多，因为沉积时间被不必 要地延长而不实用。因此，组成比例的下限为接近1.5。因此，使该层处于 在一定程度的高沉积速度下的非晶状态的组成比例在1.5到9的范围内。示 例被示为采用ZnS作为锌化合物；然而，其他锌化合物也具体相同的模式。 因此，锌化合物对硅化合物的组成比例，锌化合物/SiOx被设定在1.5到9 的范围内。
对于以上的材料，锌化合物可以包含氧化锌(ZnOx，其中x为1或更 小)。图14为在第二可变形材料层的化学键接状态的研究结果。介质的组成 为聚碳酸酯基板/ZnS ( 80摩尔％ ) -SiOx ( 20摩尔％ ) /AglnSbTe/ZnS ( 80 摩尔％ ) -SiOx ( 20摩尔％ )。使用GammadataScienta AB公司的XPS检测 器，在辐射设备Spring-8上利用射束线BL39XU,在光电子的掠出角为80°, 8KeV的单色高能X射线作为光源且测量的场为1000x 70(Him2的条件下通 过的光电子发射能镨(XPS)来研究氧元素的键接状态。因为高能X射线被 用于样品的测量且高能光电子被射出以到达检测器，且没有被表面污染物所 妨碍，所以不再需要采用Ar离子在最外表面上进行蚀刻。在提议号为 No.2005B0842的超前大规模研究设备实验计划的有效提议下进行测量。使 用了应用软件"XPSPEAK Ver4.1"通过峰拟合来获得峰的半高全宽 (FWHM)。图14显示了氧元素的1S轨道的光电子能谱。光电子能谱由两 个峰组成。高键接能的峰是具有SiOx的Si-O键的氧元素的光电子能谱。低 键接能的峰是具有氧化锌的Zn-0键的氧元素的光电子能谱。因此，利用 ZnS-SiOx作为示例，显示了包含锌化合物和氧化硅(SiOx，其中x为2或 更小)的第二可变形材料层的化学键状态。锌化合物包含ZnS和氧化锌， ZnOx。两种材料之间的差异由在ZnOx中包含ZnS的一种在ZnS-SiOx中的 SiOx的中间态来緩和。通过緩和两个异质材料之间的差异降低了层的残余 应力，且可以在大面积基板上均匀地形成层。
优选地通过激光照射或热处理来结晶第二可变形材料层中的锌化合物。 结晶为一种状态，其中在第二可变形材料层的X射线散射沐f射能谱测量中， 通过激光照射或加热，对应于锌化合物中的晶体结构的表面分离的衍射或散 射峰强度增加。优选地通过激光照射或热处理来硬化第二可变形材料层中的锌化合物。硬化为一种状态，其中从当由金刚石片等制成的压头(Berkovich压头)被 压入层表面中时所获得的压入深度计算的硬度增加。本发明的光学记录介质的记录标记通过激光照射或加热处理而变形。记 录标记至少由支持基板、第一可变形材料层和第二可变形材料层的变形部分 来构成。所述变形为一种状态，其中通过激光照射或加热当压电元件上如音 叉等的固定探针在剪切力控制下被移动到接近介质表面时检测到的位移信 号被改变。无机介电层被设置在第 一可变形材料层和支持基板的交界面上。无机介 电层用于减小对于基板的热扩散，且防止基板在信息的记录期间变形。其还 用于减小对于基板的热扩散并降低在信息重现期间对于重现信息所需的激 光功率水平。无机介电层可以由任何材料制成，只要其可以减小在第一可变形材料层中生成的热传导到基板上。例如，可以使用硅化合物，比如SiCb、 SiON和SiN;硫化物，比如ZnS、 CaS、 BaS;硒化物，比如ZnSe、 BaSe; 氟化物，比如CaF2和BaF2;和碳化物，比如SiC。优选地，无才几介电层由 包含氧化硅(SiOx，其中x为2或更小)和添加材料M。添加材料M可以 包括硫化物，比如ZnS、 CaS、 BaS;硒化物，比如ZnSe、 BaSe;氟化物， 比如CaF2和BaF2;和氧化物，比如ZnO。包含氧化硅(SiOx，其中x为2 或更小)和添加材料M的材料可以通过溅射迅速沉积，其高速沉积导致了 光学记录介质的生产成本的减小。更优选地，材料包含锌化合物和SiOx，其在被照射激光加热和改变后 具有非常低的热导率。使用这样的材料的无机介电层203有效地减小了对于 基板的热传导。在第二可变形材料层202和无机介电层204由同一材料制成 的情形，可以以低成本生产光学记录介质。基板204可以为玻璃或石英基板、在半导体中使用的Si或SOI (绝缘体 上硅)基板、用于HDD (硬盘)的AI或脱玻化的玻璃基板，和比如聚碳酸 酯、聚丙烯、聚烯烃、环氧、乙烯酯和聚乙烯对苯二酸酯(PET)。图3是在记录信息之后沿记录轨道的光学记录介质的剖面图。光学记录 介质包含第一可变形材料层301、第二可变形材料层302、无机介电层303
和基板304。标号305指示记录标记周期。图3显示了重复记录的最小周期 的记录标记。标号306指示记录标记的中心且标号307指示记录标记的端部。 这里，记录标记指的是第一和第二可变形材料层的变形的部分。第一可变形 材料层301具有在记录标记的中心的厚度308和在记录标记的端部的厚度 309。第二可变形材料层302在记录标记的中心具有厚度310和在记录标记 的端部的厚度311。通过变形来完成记录且第一可变形材料层在厚度上被改 变。第一可变形材料层在记录标记中心306厚而在记录标记端部307薄。第 一可变形材4+层在记录标记中心突起且在记录标记端部凹陷。记录标记中心 厚度308和记录标记端部厚度309之间的差异为大致5nm到50nm。第二可 变形材料层302依据形成于第 一可变形成材料层上的凹凸图案而被变形。换 言之，第二可变形材料层用作覆盖形成于第一可变形材料层上的凹凸图案的壳层。将参考图4A到6F在其后描述本发明的实施方式。图4显示了本发明的记录方法。图4A显示了光学记录介质的结果，该 光学记录介质包含第一可变形材料层401、第二可变形材料层402、无机介 电层403和基板404。图4B到4D显示了在光照射之后的介质的变化(随时 间顺序的变化)。图4B显示了光照射过程。标号305指示光。光从第二可变形材料层一 側被投射到第一和第二可变形材料层401和402的层状结构上。光源为激光 源，优选地为比如GaN激光的半导体激光。半导体激光具有优选地370nm 到780nm、更优选地390nm到410nm的波长。使用半导体激光提供了廉价 的记录方法和设备。当在高速下调整激光束功率水平的情况下，半导体激光 允许高速记录高密度信息。可以使用具有390nm到410nm的波长的短波激 光射束以形成进行高密度信息记录的微小激光射束。第二可变形材料层402由光透射材料制成。光405由第一可变形材料层 401吸收。第一可变形材料层401吸收光且在用光照射的点放热熔化。在图 4B中，箭头406指示第一可变形材料层的移动和聚集。材料当熔化时移动 并聚集。箭头407指示第一可变形材料层中的记录位置。第一可变形材料层 在其聚集时被变形。图4B中的标号408指示第二可变形材料层如何被变形。 第二可变形材料层具有低密度和/或是柔性的。因此，当第一可变形材料层被
变形时第二可变形材料层^皮变形。图4C显示了加热过程。箭头指示直接在光照射之后介质内的主要热传导。在图4B的光照射过程中发生了相似的热传导。图4C中的箭头409指 示来自第一可变形材料层的热传导。第一可变形材料层吸收光并生热。来自 第一可变形材料层的热加热了第二可变形材料层。图4C中的标号410指示 第二可变形材料层在变形之后经历变化。第二可变形材料层当被加热时被改 变。变形的第二可变形材料层被热改变为固化和硬化的状态。图4D显示了冷却过程。第一可变形材料层通过自然冷却从熔化态被固 化，例如结晶。第二可变形材料层在变形和热改变后成为固化和/或硬化状态。 第二可变形材料层在冷却之后保持变形的轮廓。图4D中的标号411指示固 化的第一可变形材料层。图4D中的标号412指示被变形和改变的第二可变 形材料层。第二可变形材料层根据第 一可变形材料层的变形而被变形和改 变。在本发明中，光以熔化并变形第一可变形材料层的强度发射，且因此变 形并改变第二可变形材料层，产生了图3或图4D所示的记录的状态。图5和图6A到6F显示了本发明的重现方法。为了重现记录的信息，光 以熔化第 一可变形材料层的强度发射，但是不变形第二可变形材料层。图5A为在图3或图4D所示的记录的状态中的记录标记的放大视图。 其包含第一可变形材料层501和第二可变形材料层502。在层内的热传导主 要依赖于厚度，且热导率与厚度成比例地变化。第一可变形材料层在记录标 记端部503厚度减小。第一可变形材料层吸收光并发热。因为在记录标记端 部的减小的厚度，在第一可变形材料层内的热难于在记录轨道方向上传输到 相邻的记录标记。换言之，热趋于被局限于每个记录标记中。图5B显示了重现的状态。其具有处于熔化态的第一可变形材料层504、 第二可变形材料层505、激光束506、和激光束507的移动方向。根据第一 可变形材料层被变形和改变之后，第二可变形材料层处于固化和/或硬化状 态。在重现的过程中，第二可变形材料层505保持其轮廓。第二可变形材料 层505形成了壳且第一可变形材料层504在壳内熔化。根据第二可变形材料 层的壳，第一可变形材料层熔化及固化。因此，即使其在重现过程中熔化， 第 一可变形材料层可以反复地被重现而不损失其轮廓。图5C是显示记录标记的状态的平面图。标号508指示激光射束的直径。 标号509指示激光束的移动方向。标号510指示位于激光射束的中心的记录
标记且其为熔化状态。如图5A所示，第一可变形材料层在记录边界端部503 具有减小的厚度；因此，热区域局限于每个记录标记中。因此，即使在激光 射束中心的记录标记510处于熔化状态，紧接在记录标记510之前的记录标 记511也可以处于固态。因此，通过在重现过程中的旋转，在每个记录标记 中的第 一可变形材料层熔化。图6A到6F显示了重现信号电平变化。图6A、图6C和图6E为光学记 录介质的平面图，显示第一可变形材料层和记录标记的状态。图6B、图6D 和图6F显示了对应于光学记录介质的平面图的重现信号电平变化。图6A显示了利用低功率重现的未记录的部分且图6B显示了对应的重 现信号电平。标号601指示激光射束直径；标号602为第一可变形材料层； 标号603为激光束的移动方向；且标号604为信号电平的时间顺序变化。信 号电平是固定的。图6C显示了利用高功率重现的未记录的部分且图6D显示了对应的重 现信号电平。标号601指示激光射束直径；标号602为第一可变形材料层； 标号603为激光束的移动方向；且标号605为第一可变形材料层的熔化部分。 利用增加的激光功率，第一可变形材料层熔化且熔化的部分被部分地落在激 光射束内。标号606指示信号电平的时间顺序变化。信号电平是固定的。在 低功率重现期间，信号电平606稍低于信号电平604，因为第一可变形材料 层的熔化部分605部分地在激光射束内。图6E显示了利用高功率重现的记录的部分且图6F显示了对应的重现信 号电平。标号601指示激光射束；标号602为第一可变形材料层；标号603 为激光束的移动方向；且标号605为第一可变形材料层的熔化部分；标号607 为炫化态的记录标记；标号608为固态的记录标记；标号609为当激光射束 在记录标记的中心时的信号电平；且标号610为当激光射束在记录标记之间 时的信号电平。如上所述，在激光射束中心的记录标记607处于熔化态而紧 接在前头的记录标记608处于固态。热趋于被局限在记录标记中。因此，第 一可变形材料层602的熔化温度的阈值在层部分和记录标记部分不同。记录 标机部分在层部分之前炫化，且记录标记在射束中心熔化。如信号电平609 所示，当记录标记熔化时信号电平降低。如信号电平610所示，当激光射束 在记录标记之间时，位于前头的记录标记608处于固态，且激光射束内的熔 化的部分的比率被改变且信号电平增加。记录标记被按顺序逐一熔化。激光 射束内的熔化部分的比例根据激光射束对于记录标记的相对位置而变化。因 此，检测了对应于记录标记周期的周期性信号，其在高信号电平611和低信号电平612之间变化。在本发明的记录和重现方法中，光在熔化和变形第一可变形材料层的强 度进行照射，且因而变形和改变第二可变形材料层，由此产生了一种记录模 式，其中热容易被局限于每个记录标记中。为了重现记录的信息，光在熔化 第一可变形材料层，但是不变形第二可变形材料层的强度下进行照射。因此， 通过旋转与在每个记录标记中第一可变形材料层的熔化相关的信号电平变 化，允许超过光学分辨率极限的记录的信息的检测。将其后参考图7A到7H描述本发明的实施方式。图7A、 7C、 7E和7G显示了激光功率水平。图7B、 7D、 7F和7H是 显示在对应的功率水平的光学记录介质的状态的横截面图。图7B显示了功率水平705的光学记录介质。光学记录介质包含第一可 变形材料层701、第二可变形材料层702、无机介电层703和基板704。水平 705为光学记录介质没有变化的功率水平。图7D显示了功率水平707的光 学记录介质。标号710指示熔化态的第一可变形材料层。标号711指示从第 一可变形材料层到第二可变形材料层的热传导。标号712指示改变的状态的 第二可变形材料层。功率水平707是将介质温度升高到第一可变形材料层被 熔化和变形而且第二可变形材料层被改变的阈值温度之上的功率水平。图7F 显示了用于未记录的部分的功率水平707和用于记录的部分的增加的功率水 平709的光学记录介质。标号710指示第一可变形材料层的未记录的部分， 其处于熔化态。标号712指示第二可变形材料层的未记录部分，其处于改变 的状态。标号713指示记录的部分。在记录的部分中，当第一可变形材料层 熔化时，材料移动并聚集。图7F中的箭头714指示材料的移动。第二可变 形材料层根据第一可变形材料层被变形和改变。图7F中的标号715指示以 壳形被变形的第二可变形材料层。图7H显示了图7F中的记录标记的重现。光学记录介质在功率水平706。 第一可变形材料层710处于熔化态。第二可变形材料层712在完成记录时处 于改变的形式。重现功率水平706低于在记录过程中照射在未记录部分上的 功率水平707。因此，第二可变形材料层的未记录的部分在重现过程中不变 化。就改变的状态和轮廓而言，第二可变形材料层715的记录部分713也不
变化。仅第一可变形材料层716被熔化。为了记录，激光束功率水平在P1和P2的两个水平之间被调整，其中满 足P1>P2且在记录位置功率水平升到Pl 。利用水平P2照射未记录的部分； 由此将介质温度升到第二可变形材料层被改变的阈值温度之上。为了重现， 激光束功率水平被设定在满足P2>P3的水平P3。在记录过程中，重现射束 功率水平纟皮:没定低于用于照射未记录部分的功率水平，由此在重现过程中抑 制第二可变形材料层的变化且可以反复重现，而不具有信号电平波动以改善 反复使用寿命。在其后参考图8描述一种记录和重现设备的实施方式。图8的记录和重现设备具有激光照射单元81、功率电平调整单元82、 介质旋转单元84、和信号检测单元85。其还包括光学记录介质83和激光束 86。激光束照射单元81由激光源、聚焦激光束的物镜、和驱动物镜的驱动 器。激光源为具有370nm到780nm的波长的半导体激光。物镜具有0.5到 2.0、优选0.8到0.9的数值孔径。优选地，将激光束直接照射到光学记录介 质的层表面上。换言之，激光束照射单元可以将激光束直接照射到光学记录 介质上而与基板无关。功率水平调整单元82包含功率水平调整电路821和基准信号产生电路 822。功率水平调整单元821产生激光功率水平调整信号87。调整信号87 被用于调整满足P1〉P2〉P3的至少三个水平之中的功率水平。也产生了调整 定时信号823。基准信号产生电路822基于调整定时信号823产生了脉沖基 准信号824。介质旋转单元84包含用于旋转光学记录介质的旋转台841和基准信号 产生电路842。基准信号产生电路842基于来自旋转台的信号产生了旋转基 准信号843。脉冲基准信号824和旋转基准信号843为频率同步的以旋转该 旋转台。激光束检测单元85包含了光学检测器851和伺服电路852。光学检测器 851从介质接收信号88且产生聚焦和轨道误差信号853。伺服电路852基于 误差信号产生激光束照射单元驱动信号89。基于激光束照射单元驱动信号， 操作驱动器以减小聚焦和轨道残余误差。采用以上的设备结构，激光束功率水平根据记录的信息在满足 P1>P2〉P3的至少三种不同水平之间进行改变，可完成记录和重现。
接下来，将解释本发明的另一实施方式。在该实施方式中，第二可变形材料层包含锌化合物和氧化硅(SiOx，其中x是2或更小)且锌化合物通过 激光照射或加热处理而结晶。所述结晶为一种状态，其中通过激光照射或加 热，在第二可变形材料层的X射线散射/衍射能谱测量中，对应在锌化合物 中的晶体结构的表面分离的衍射或散射峰强度增加。在图15中显示了第二可变形材料层的X射线衍射的测量结果。使用了 一种由Philips公司制造的 叫X'pert MRDX的射线衍射测量装置，其利用Cu的Ka射束作为光源，X 射线管电压为45kV且管电流为40mA。利用了一种层测量方法，低角度注 射非对称衍射方法，其中利用光源的光学系统中的镜子来调整检测器的角度 以0.5°的固定的角度将光束射入到层表面上。第二可变形材料层被形成在 硅基板上。第二可变形材料层的材料是ZnS-Si02且厚度为100nm。在形成 时且在加热处理之后测量了 ZnS-Si02层。在600。C的温度的氮气环境下在电 炉中进行30分钟的热处理。在图15中显示了 X射线衍射分布图。在ZnS-Si02 层形成之后的X射线衍射分布图中可以看见接近2 6 =28.5的宽峰(距离 d=3.13A)。结果是所述ZnS-Si02层在形成后为非结晶状态，因为所述宽峰具 有低的强度。在加热后，ZnS-Si02层的X射线衍射分布图中峰值的强度在2 6 =28.5附近增加。其结果是ZnS-Si02层的ZnS晶体通过热处理生长或增 力口，因为衍射峰的位置对应于锌闪锌矿(zinc-blende )晶体结构的ZnS的(111) 表面分离。如上所述，被形成的第二可变形材料层处于非晶状态。处于非晶 状态减小了层的残余应力且可以在大面积基板上均匀地形成层而没有层分 离。通过激光照射或热处理而进行结晶。如果所述层处于非晶状态，存在于 层中的如不饱和键等的缺陷来吸收空气中的氧和水分，且在第二可变形材料 层中产生了随时间变化的质量变化。通过进行结晶，可以减小在第二可变形 材料层的组成元素中的比如不饱和键等的缺陷，且防止重现过程中的第二可 变形材料的恶化，从而改善了反复使用寿命。接下来，将解释了本发明的另一实施方式。该实施方式显示了光学记录 介质的机械性能。第二可变形材料层包含锌化合物和氧化硅(SiOx，其中x 是2或更小)，且锌化合物通过激光照射或热处理被硬化。硬化为一种状态， 其中当由金刚石片等制成的压头(Berkovich压头)^C压入层表面中时所获 得的压入深度计算的硬度增加。其特别地进一步显示了下一个状态。最近， 纳米压痕、 一种在纳米尺度上机械性能评估的方法正在吸引注意。纳米压痕 是一种方法，其中比如金刚石等的压头被压入层表面中以获得负载-位移曲线且通过负载-位移曲线分析来获得层样品的硬度。通过使用Ulvac-Phi Inc. 公司的叫做Tribo Scope的仪器进行了测量。在硅基板上形成第二可变形材 料层并且利用电炉在600°C的氮气环境下加热了 30分钟。第二可变形材料层 由ZnS-Si02制成且厚度为100nm。 ZnS-Si02层的硬度在热处理之前和之后 测量。在从负载-位移曲线获得的热处理之前的ZnS-Si02层的硬度为6GPa 且在热处理之后ZnS-SK)2层的硬度为8GPa。如上所述，形成的第二可变形 材料层的状态为柔性的材料且其通过热处理来硬化。通过采用这样的材料， 可以防止在重现过程中的第二可变形材料的恶化，从而改善了反复使用寿 命。本发明的光学记录介质的记录标记被变形且通过激光照射或热处理而 返回其初始状态。记录标记由至少支持基板、第一可变形材料层和第二可变 形材料层的变形的部分制成。所述变形为一种状态，其中当比如音叉等的在 压电元件上的固定的探针在剪应力控制下移动接近介质表面时检测的位移 信号通过激光照射或加热来改变。图16显示了测量装置。1601指示样品、1602指示圓柱的压电台。1603 指示纤维探针，1604指示为音叉的晶体换能器。纤维探针固定在音叉上且振 动。1605指示透镜，1606指示激光束和1607指示激光二极管。激光束的波 长为650nm。 1608指示激励激光器的激光驱动器，且1609指示波形发生器。 1610指示激励音叉的波形发生器，1611指示微分放大器且1612指示锁定放 大器。1613指示PID控制电路，1614指示基准电压源且1615指示一个示波 镜。1616指示用于压电驱动的双极源。样品1601的组成为聚碳酸酯基^/50nm的ZnS(80摩尔。/。 ) -SiOx(20 摩尔％ ) /20nm的AglnSbTe/45nm的ZnS ( 80摩尔％ ) - SiOx ( 20摩尔％ )。 通过具有带有数值孔径(NA )0.85的物镜的光学拾取器的记录设备，在405nm 的波长下形成了记录标记，且利用图16中所示的设备研究了通过激光照射 的记录标记的变形的状态。记录标记由作为第 一可变形材料层的变形的 AglnSbTe和作为第二可变形材料层的变形的ZnS-Si02制成，如图11所示。 在以上的状态的样品被插入图16的测量装置中，且测量了通过激光照射的 记录标记的位移。测量结果显示于图17中。1701指示了输出信号；激光脉 冲的调制信号来自波形发生器并且采用脉沖的光来照射样品。1702指示圆柱
压电台1602的位移信号的变化。这是由在剪力控制下将纤维探针1603放置 获得的位移信号，其中样品表面和纤维探针的边缘之间的间隔被保持固定， 且显示了通过激光脉沖照射样品表面产生了位移。从信号强度计算的圓柱压 电的膨胀和收缩量大致为10nm,且其显示了样品的记录标记的高度由激光 照射改变了大致10nm。因此，通过使介质组成中的记录标记由激光照射而 被变形，在重现过程中的光学性能和材料的形式的变化成为信号源。因为在 信号中包括了两种不同的变化，可以增加重现信号强度。
本发明提供了光学记录介质，其允许以超过光学拾取器的分辨率极限的 记录的周期对高密度信息进行记录和重现，而在超分辨率材料层中不形成光 孔，以及其记录和重现方法。
示例
其后参考示例进一步描述了本发明。然而，本发明不限于该示例。
具有图9 (未记录的状态中的剖面图)中所示的结构的信息记录介质由 在聚碳酸酯基板904上通过溅射以顺序地沉积50nm厚的ZnS-SiOx的无机 介电层903、 20nm厚的AglnSbTe的第一可变形材料层901、和45nm厚的 ZnS-SiOx的第二可变形材料层902来生产。
第一可变形材料层的溅射靶具有2.2的Sb/Te比。第二可变形材料层和 无机介电层的賊射靶为具有4的ZnS/Si02的ZnS和SK)2的混合物。
利用具有405nm的激光波长的GaN半导体激光在信息记录介质上进行 了记录。物镜具有0.85的数值孔径且线记录速度为4.5m/秒。图10显示了 当反复记录最小的标记时的记录脉沖的设定方法。激光功率在满足P^P2的 Pl=5mW和P2=1.8mW的两个水平之间;故调整。在介质表面测量了功率水 平。脉沖宽度W-12纳秒，脉冲周期S-44纳秒，且脉冲占空比W/S-27 %。
图11是显示反复记录的最小标记的剖面图。记录轨道由在其中心上和 周围的聚焦离子束(FIB)装置来处理，且在透射性电子显微镜(TEM)下 观察剖面。标号1101指示具有Ag (4原子％ )、 In(7原子％)、 Sb(61原子％)、 和Te ( 28原子％ )且2.2的Sb/Te比的组成的AglnSbTe的第一可变形材料 层。标号1102指示ZnS-SiOx的第二可变形材料层。标号1103指示ZnS-SiOx 的无才几介电层。标号1104指示200nm的最小标记记录周期。标号1105指示
记录标记的中心且标号1106指示记录标记的端部。第一可变形材料层1101在记录标记中心厚度4交大且在记录标记端部厚度较小。其在记录标记中心具有23nm的厚度且在记录标记端部具有12nm 的厚度。ZnS-SiOx的第二可变形材料层具有几乎均匀的厚度且根据 AglnSbTe的第一可变形材料层的凹凸图案而被变形。如从该剖面图明显，ZnS-SiOx的第二可变形材料层产生了覆盖第一可 变形材料层的凹凸图案的壳形式的记录。使用与记录中相同的装置，重现了反复记录的最小标记。重现功率水平 是0.2mW，且应用了常规的重现条件。信号处于固定电平且没有观察到周期 性信号。当设定满足P2>P3的重现功率P3 = 1.3mW时，检测到了对应于 200nrn的记录的标记周期的周期性信号。重现信号具有60mW的信号幅度。图18是显示重现过程中介质的状态的剖面图。1801指示AglnSbTe的 第一可变形材料层，标号1802指示ZnS-SiOx的第二可变形材料层。标号 1803指示ZnS-SiOx的无机介电层。1804和1805指示记录标记。第一可变 形材料层1801和第二可变形材料层1802处于变形的状态。1806指示激光束、 1807指示激光束的移动方向。记录标记1805设置于激光束的中心。1808指 示第一可变形材料层的材料AglnSbTe处于熔化状态。1809指示位于激光束 的中心的记录标记1805被变形且返回初始状态的状态。位于激光束的中心 的记录标记1805被加热，并且在第一可变形材料层发生光学常数的改变， AglnSbTe处于熔化态，且通过熔化AglnSbTe发生了记录标记1805的瞬间 变形1809。因为光学常数和机械变形的两种不同的变化成为重现信号的来 源，可以增加信号强度且超过光学拾取器的分辨率极限地重现高密度信息。工业可应用性本发明的光学记录介质包含第一可变形材料层和第二可变形材料层的 至少一层状结构，第一可变形材料层，其包含在记录波长下吸收光以发热且 经历发热熔化和变形的材料；和第二可变形材料层，其包含一种材料，该材 料包含透射光且经历热变形和改变的氧化硅(SiOx; 0<x^2)。其优选地被用 作光学记录介质，该光学记录介质允许以超过光学分辨率极限地记录和重现 高密度信息而不在超分辨率材料层中形成光孔。
权利要求
1、一种光学记录介质，包含层状结构，包括包含相变材料的第一可变形材料层，其在记录波长下吸收光以发热且经历发热熔化和变形；和包含一种材料的第二可变形材料层，该材料包含透射光且经历热变形和改变的氧化硅(SiOx；0＜x≤2)，其中在记录信息之后，第一可变形材料层的厚度根据记录的信息而改变，使得记录的标记的中心比端部厚，且基于记录的信息，第二可变形材料层对应于在第一可变形材料层上形成的凹凸图案被变形和改变，且其中当重现信息时第一可变形材料层从固态改变到熔化态。
2、 根据权利要求1所述的光学记录介质，其中记录标记为第一和第二 变形材料层的变形的部分。
3、 根据权利要求1和2所述的光学记录介质，其中第一可变形材料层 至少包含锑Sb和碲Te且Sb对Te的组成比例Sb/Te为1.5到5。
4、 根据权利要求1到3的任一所述的光学记录介质，其中第二可变形 材料层至少包含锌化合物和SiOx，其中x是2或更小，且锌化合物对SiOx 的組成比例，锌化合物/SiOx为1.5到9。
5、 根据权利要求4所述的光学记录介质，其中第二可变形材料层中的 锌化合物通过激光照射或热处理而结晶。
6、 根据权利要求4所述的光学记录介质，其中第二可变形材料层中的 锌化合物通过激光照射或热处理而硬化。
7、 根据权利要求1到6的任一所述的光学记录介质，其中在重现期间 通过激光照射或加热改变记录标记的形式。
8、 根据权利要求1到7的任一所述的光学记录介质，其中光学记录介 质包含设置于基板和第 一可变形材料层之间的无机介电层。
9、 根据权利要求8所述的光学记录介质，其中无机介电层至少包含ZnS 和SiOx,其中x为2或更小。
10、 一种光学记录介质的记录和重现方法，包含采用在记录信息期间第二可变形材料层与第 一可变形材料层的变形一 起通过熔化:f皮变形和改变的强度进行激光束照射，及检测通过用在重现记录的信息期间熔化第 一可变形材料层的强度进行 激光束照射导致的第 一可变形材料层从固态到熔化态的信号电平的改变，其中该光学记录介质包括层状结构，包括包含相变材料的第一可变形材料层，其在记录波长下吸 收光以发热且经历发热熔化和变形；和包含一种材料的第二可变形材料层， 该材料包含透射光且经历热变形和改变的氧化硅(SiOx; 0<xS2),其中在记录信息之后，第 一可变形材料层的厚度根据记录的信息而改 变，使得记录的标记的中心比端部厚，且基于记录的信息，第二可变形材料 层对应于在第一可变形材料层上形成的凹凸图案被变形和改变，且其中当重现信息时第 一可变形材料层从固态改变到熔化态。
11、 根据权利要求10所述的光学记录介质的记录和重现方法，其中记 录标记为第 一和第二变形材料层的变形的部分。
12、 根据权利要求10所述的光学记录介质的记录和重现方法，其中光 源是半导体激光，激光束功率水平在信息的记录期间被调制在至少Pl和P2 的两个水平之间，其中对应于记录的信息，满足P1〉P2，且在记录的信息的 重现期间激光束功率水平被设定在水平P3，其中满足P2>P3。
13、 根据权利要求12所述的光学记录介质的记录和重现方法，其中半 导体激光具有390nrn到410nm的波长。
全文摘要
本发明的目的是提供一种光学记录介质，其包含层状结构，包括包含相变材料的第一可变形材料层，其在记录波长下吸收光以发热且经历发热熔化和变形；和包含一种材料的第二可变形材料层，该材料包含透射光且经历热变形和改变的氧化硅(SiOx；0＜x≤2)。在记录信息之后，第一可变形材料层的厚度根据记录的信息而改变，使得记录的标记的中心比端部厚，且基于记录的信息，第二可变形材料层对应于在第一可变形材料层上形成的凹凸图案被变形和改变，且当重现信息时，第一可变形材料层从固态改变到熔化态。
文档编号G11B7/24065GK101128875SQ20068000482
公开日2008年2月20日 申请日期2006年2月15日 优先权日2005年2月21日
发明者三宫俊, 三浦博, 丰岛伸朗, 岩田周行, 林嘉隆 申请人:株式会社理光