光学信息介质和读取方法

专利名称：光学信息介质和读取方法
技术领域：
本发明涉及一种具有高记录密度的光学信息介质和读取该介质中信息的方法。
背景技术：
光学信息介质包括只读光盘如高密盘、可重写记录光盘如磁光记录盘和相变记录光盘、以及使用有机染料作为记录材料的只写一次记录光盘。
一般而言，与磁记录介质相比，光学信息介质具有较高的信息密度。近年来对处理大量信息如图像的需要要求进一步提高记录密度。提高单位面积的记录密度可通过减小道距，或者减少记录标记之间或相位坑之间的距离或空白来实现。然而，如果轨迹密度或线密度相对读取光束的光斑太大，则载波/噪声比(C/N)降低，直到信号无法读出的程度。信号读出时的分辨率由束斑的直径决定。更直观地说，如果读取光束的波长为λ，读取设备的光学系统的数值孔径为NA，那么读出极限一般由空间频率2NA/λ给出。因此，缩短读取光束的波长和增加NA是提高读出时C/N和分辨率的有效途径。一些技术研究的结果显示，这些有效途径的引进还有待解决很多技术上的问题。
在此情况下，几种超过由光衍射决定的读出极限的方法被提出。这些方法就是人们通常所知的超分辨率读出方法。
最常见的超分辨率读出过程是在记录层上形成一个屏蔽层(mask layer)。基于激光光束限定一个光强分布接近高斯分布的光斑这一事实，一个小于束斑的光学孔径在屏蔽层中形成，从而使束斑被缩小在衍射极限内。此过程根据光学孔径形成机制分为热模式和光子模式。
热模式是当束斑被照射时屏蔽层在温度为某特定值以上的区域里改变其光学特性。例如，热模式被用于JP-A 5-205314中公开的光盘。此光盘在根据信息信号形成光学可读记录坑的透明基片上加有一层反射系数随着温度变化的材料。也就是说该材料层用作屏蔽层。在JP-A 5-205314中用作屏蔽层材料的是镧族元素，示例中用的是铽Tb。在JP-A 5-205314的光盘中，当照射读取光时，材料层的反射系数由于读取光被扫描光斑内的温度分布而改变。读操作完成后，反射系数随着温度的降低而恢复到原来的状态。材料层在读的过程中不会发生熔化。另一个已知的热模式的例子是一个能超分辨率读出的介质，如日本专利No.2,844,824中公开的，该介质具有一个由非晶质-结晶相变材料制成的屏蔽层，其中在束斑中形成的高温区转换到晶体来增大反射系数。然而这种介质是不实用的，因为读操作完成后屏蔽层必须转换回到非晶质状态。
热模式介质要求读出功率在各种情况下被严格控制，包括介质的线速度，因为光学孔径的大小仅仅决定于屏蔽层中的温度分布。这就需要一个复杂的控制系统，从而需要一个昂贵的介质驱动器。热模式面临的问题还有读的性能随着读操作的反复进行而恶化，因为屏蔽层被反复加热容易变坏。
另一方面，光子模式是屏蔽层暴露于束斑下，在光子密度增加到超出一定值的范围内其光学特性发生变化。例如，光子模式被用于JP-A 8-96412的信息记录介质、JP-A 11-86342的光学记录介质和JP-A10-340482的光学信息记录介质中。更直观地说，JP-A 8-96412公开了一种由酞菁染料或其衍生物分散在树脂或无机绝缘材料中形成的屏蔽层，以及由硫属元素化物形成的屏蔽层。JP-A11-86342用一个包含半导体材料的超分辨率读出膜作为屏蔽层，该半导体材料具有一个曝光后电子被激发到受激能级以改变光吸收特性的禁止带。例如屏蔽层可以是在SiO2基体中分散着CdSe微粒。JP-A 10-340482使用一个玻璃层作为屏蔽层，其中透射光的光强分布随着照射光的光强分布非线性地变化。
并不像热模式的超分辨率读出介质，光子模式的超分辨率读出介质较能抵抗反复读取造成的损坏。
在光子模式里，光学特性的变化区由射入的光子数决定；反过来，射入的光子数取决于介质相对于束斑的线速度。同样在光子模式中，光学孔径的大小取决于读取光的功率，指示过量功率的提供造成光学孔径过大以至无法实现超分辨率读出。因此，光子模式也要求按照要读出的坑或记录标记的线速度和大小来严格控制读取光的功率。另外，光子模式要求根据读取光的波长来选择屏蔽层形成材料。也就是说，光子模式的介质与多波长读取是不相容的。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种能以超出衍射极限的高分辨率读取并将读出功率对线速度的依赖性减至最小的光学信息介质。另一个目的是提供一种读取在该光学信息介质中记录的信息的方法。
这些以及其它一些目的，是由以下限定的本发明来达到的。
(1)一种光学信息介质，包括一具有凸起和凹坑并/或能够形成记录标记的信息支承表面，和一具有提高空间分辨率功能的功能层。
(2)一种光学信息介质，包括一具有凸起和凹坑并/或能够形成记录标记的光学支承表面，和一个功能层，其中使用波长大于4NA·PL的读取光可以读出在所述信息支承表面上记载的信息，其中PL是所述凸起和凹坑或所述记录标记的最小尺寸，NA是读取光学系统的数值孔径，将读取光的功率设置在所述功能层不会改变其复数折射率的范围内，将读取光辐射到由功能层构成的所述信息支承表面，或者通过功能层到达所述信息支承表面，或者通过所述信息支承表面到达功能层。
(3)一种光学信息介质，包括一具有凸起和凹坑并/或能够形成记录标记的信息记录表面，以及一个功能层，其中使用波长大于4NA·PL的读取光可以读出在所述信息支承表面上记载的信息，其中PL是所述凸起和凹坑或记录标记的最小尺寸，NA是读取光学系统的数值孔径，将读取光的功率设置在功能层的反射光的光强按照线性比率随着读出功率变化的范围内，将读取光辐射到由功能层构成的信息支承表面，或者通过功能层辐射到达信息支承表面，或者通过信息支承表面辐射到达功能层。
(4)前述(1)至(3)中任一所述的光学信息介质，其中最佳读出功率被予先记录下来。
(5)一种光学信息介质，包括一形成在带有承载信息的坑的表面上的基片和一位于该基片成坑表面上的功能层，所述功能层引起以下(A)和(B)两种现象现象(A)是当波长大于4NA·PL的读取光被辐射时，坑里载有的信息可被读出，其中PL是所述坑的最小尺寸，NA是读取光学系统的数值孔径；现象(B)是读出的结果依照坑的深度而变化，而且长度小于λ/4NA的坑在读出结果为最大时其深度比长度大于或等于λ/4NA的坑在读出结果为最大时之深度要小，假设读取光的波长为λ。
(6)一种光学信息介质，包括一形成在带有承载信息的坑的表面上的基片和一位于该基片成坑表面上的功能层，其中，当波长大于4NA·PL的读取光被辐射时，在上述坑里载有的信息能被读出，其中PL是上述坑的最小长度，NA是读取光学系统的数值孔径，假设读取光的波长为λ、基片的折射率为n和坑的深度为d，则在整个介质中满足λ/10n≤d＜λ/6n(7)一种光学信息介质，包括一形成在带有承载信息的坑的表面上的基片和一位于该基片成坑表面上的功能层，其中，当波长大于4NA·PL的读取光被辐射时，在上述坑里载有的信息能被读出，其中PL是上述坑的最小长度，NA是读取光学系统的数值孔径，假设读取光的波长为λ、上述坑中包含长度小于λ/4NA且深度为dS的坑和长度至少为λ/4NA且深度为dL的坑，且满足dS＜dL。
(8)如前述(7)的光学信息介质，其中假设上述基片的折射率为n和坑的深度为dS，则满足λ/10n≤dS＜λ/6n。
(9)如前述(7)的光学信息介质，其中假设上述基片的折射率为n和坑的深度为dL，则满足λ/8n＜dL＜λ/4n。
(10)关于一种光学信息介质，其包括一具有凸起和凹坑并/或能够形成记录标记的信息支承表面和一功能层，一种用于读出在该信息支表承面上的信息的方法，包括以下步骤使用波长大于4NA·PL的读取光，其中PL是所述凸起和凹坑或记录标记的最小尺寸，NA是读取光学系统的数值孔径，将读取光的功率设置在所述功能层不会改变其复数折射率的范围内，以及将读取光辐射到由功能层构成的所述信息支承表面，或者通过功能层到达所述信息支承表面，或者通过所述信息支承表面到达功能层。
(11)关于一种光学信息介质，其包括一具有凸起和凹坑并/或能够形成记录标记的信息支承表面和一功能层，一种用于读出在该信息支承表面上的信息的方法，包括以下步骤使用波长大于4NA·PL的读取光，其中PL是所述凸起和凹坑或记录标记的最小尺寸，NA是读取光学系统的数值孔径，将读取光的功率设置在使功能层的反射光的光强可按照线性比率随着读出功率变化的范围内，以及将读取光辐射到由功能层构成的所述信息支承表面，或者通过功能层到达所述信息支承表面，或者通过所述信息支承表面到达功能层。
(12)如前述(10)和(11)的方法，其中在读取时上述功能层的温度被提高到高于一对应于构成上述功能层的材料的予定值。
(13)如前述(12)的方法，其中所述功能层的温度通过至少利用激光光束的辐射来提高。
(14)如前述(12)或(13)的方法，其中所述功能层的温度通过至少利用周围温度的提高来提高。
(15)如前述(10)至(14)中任一所述的方法，其中一最佳读出功率被予先记录在光学信息介质里，该最佳功率在读操作之前被读出，并使用该最佳功率下的读取光来进行读操作。


图1是根据本发明一个实施例的光学信息介质的局部剖面图。
图2是根据本发明另一个实施例的光学信息介质的局部剖面图。
图3A和3B是根据本发明进一步实施例的光学信息介质的局部剖面图。
图4A，4B和4C是根据本发明又一些实施例的光学信息介质的局部剖面图。
图5是C/N对坑长度的曲线图。
图6是C/N对读出功率的曲线图。
图7是C/N对读出功率的曲线图。
图8是C/N对读出功率的曲线图。
图9是C/N对读出功率的曲线图。
图10是反射光光强对读出功率的曲线图。
图11是反射光光强对读出功率的曲线图。
图12是反射光光强对读出功率的曲线图。
图13是反射光光强对读出功率的曲线图。
图14是W层的反射率对温度的曲线图。
图15是C/N对线速度的曲线图。
图16是C/N对Mo-W合金中钨含量的曲线图。
图17是C/N对读出功率的曲线图。
图18是C/N对读出功率的曲线图。
图19是C/N对读出功率的曲线图。
图20是反射光光强对读出功率的曲线图。
图21是反射光光强对读出功率的曲线图。
图22是反射光光强对读出功率的曲线图。
图23是C/N对层10厚度的曲线图。
图24是C/N对反复读出次数的曲线图。
图25是有和没有保护层时C/N对读出功率的曲线图。
图26是有和没有保护层时C/N对反复读出次数的曲线图。
图27是C/N对读出功率的曲线图，图27A和27B分别对应没有和有金属层。
图28是C/N对读出功率的曲线图。
图29是C/N对线速度的曲线图，图29A和97B分别对应没有和有金属层。
图30是C/N对层10最终温度的曲线图。
图31是C/N对层10最终温度的曲线图。
图32是C/N对层10最终温度的曲线图。
图33是表示C/N随着光学信息介质所处的环境中温度改变而变化的曲线图。
图34是C/N对坑深度的曲线图。
图35是反射光强度对读出功率的曲线图；图36是载波/噪声比对读出功率的曲线图；图37是反射光强度对读出功率的曲线图；图38是载波/噪声比对读出功率的曲线图；图39是载波/噪声比对读出功率的曲线图。
具体实施例方式
本发明的光学信息介质有一个信息支承表面。该信息支承表面指的是一个具有以坑和/或槽为形式的凸起或凹坑的区域，一个可形成记录标记的区域，或者一个具有凸起和凹坑且能形成记录标记的区域。这表明本发明既可应用于只读介质又可应用于光学记录介质(只写一次或可重写介质)。在只读介质中，一个形成有坑的基片表面构成信息支承表面。在光学记录介质中，由记录层构成信息支承表面。该记录层可以是一个相变层、一个以有机染料为基础的层，和一个以其他有机材料或无机材料为基础的层中的任一个。记录信息采取的形式为具有与周围环境不同光学常数(如反射率)的标记，凹进标记或凸起标记。
我们发现，通过给光学信息介质提供一个由特殊材料构成且该特殊材料具有合适厚度的层，光学信息介质具备本质上不同于以往技术机制的超分辨率读出能力。其中使用的特殊材料至少从以下元素选择一个Nb，Mo，W，Mn，Pt，C，Si，Ge，Ti，Zr，V，Cr，Fe，Co，Ni，Pd，Sb，Ta，Al，In.Cu，Sn，Te，Zn和Bi，或者是包含其中一个或多个元素的合金或化合物，并且该元素或其化合物占主要含量。其中，具备超分辨率读出的层为指定的功能层。功能层的提供得以检测大小在由光衍射决定的分辨率极限以下的坑、槽或记录标记。
以下将结合附图具体描述本发明。
应用于如图1所示的介质结构参见图1，说明光学信息介质的一例结构。图1所示的光学信息介质是只读介质，其中包括一个表面形成有坑21的透光基片2和与该带坑表面密接的层10。在图中读取光从下面射入。当层10具有特定组成和特定厚度时，它起到了功能层的作用。
由元素或合金构成的层10图1所示的光盘样品通过以下步骤制成。所用的基片2是一个把聚碳酸酯(折射率n＝1.58)注模成一个直径为120mm厚度为0.6mm的盘，其中相位坑在注模的同时形成。基片2属于带状类型，即基片上有多个能形成坑的环形区域，这些区域具有同心的螺旋形轨迹，且在每个形成坑的区域里坑的长度相同。也就是说，不同长度的相位坑在单一基片上形成。每个形成坑的区域里坑的长度具有一个值如图5所示。相邻坑之间的距离与坑的长度相等。层10由15nm厚的硅层或100nm厚的铝合金(Al-1.7％Cr)层构成。层10通过溅射形成。
使用光盘测试器(激光波长635nm，数值孔径0.60)测量这些样品在线速度为11m/s和读出功率为3mW时的载波/噪声(C/N)比。因为所用的光盘测试器的临界空间频率为2NA/λ，其计算值为2NA/λ＝1.89×103(线对/mm)，只要空间频率等于或小于1.89×103(线对/mm)，各行坑长等于相邻坑之间间距的坑可被读出。对应此可读空间频率的坑长(＝间距)PL由下式给出PL≥λ/4NA＝265(nm)。
于是可得出结论，如果C/N从一个坑长小于265nm的坑行获得，那么超分辨率读出是可能的。
对于这些样品，C/N对应坑长在图5中被标绘出来。含有15nm厚的Si层的样品的C/N在坑长为200到250nm之间时大于40dB。含有100nm厚的Al合金层的样品在坑长小于250nm时C/N为零即没有产生信号。在可读空间频率范围内当坑长为300nm时，含有Al合金层的样品的C/N大约等于含有Si层的样品的C/N。从这些结果可知使用15nm厚的Si层能够超分辨率读出。
在此描述中，当至少20dB的C/N被获得时介质被认为是可读的(能读取)。为了在实际中运用此介质，最好要求C/N至少为30dB，更可取的是至少为40dB。
接下来，从Nb，Mo，W，Mn，Pt，C，Si，Ge，Ti，Zr，V，Cr，Fe，Co，Ni，Pd，Sb，Ta，Al，In. Cu，Sn，Te，Zn，Bi，Au和Ag中选择任一元素来构成层10，并在从5nm到100nm的范围内改变其厚度，这样来制成光盘样品。对于这些样品，当读出功率在1mW到7mW的范围内改变时测量一个坑长为250nm的坑行的C/N。测量C/N使用的光盘测试器同上，线速度为11m/s。表1至4说明C/N与层10厚度的关系。表1至4针对构成层10的各种不同材料，列出了当读出功率在1mW到7mW之间改变时从一定厚度的层10中获得的最大C/N。表1针对最大C/N至少为40dB的样品，表2针对最大C/N至少为30dB但小于40dB的样品，表3针对最大C/N至少为20dB但小于30dB的样品，表4针对最大C/N小于20dB的样品。
表1C/N(dB)对层10的厚度(最C/N≥40dB)层10 层10的厚度(nm)材料5 10 15 20 30 50 100Nb 38.4- 34.3- 44.140.332.8Mo - 41.243.0- 39.626.49.2W 32.243.043.638.232.724.37.7Mn 33.237.635.3- 40.735.122.7Pt - 39.140.2- 30.213.24.3C 33.2- - - 40.940.931.0Si 45.543.247.1- 41.444.940.5Ge 37.441.345.0- 44.442.540.7表2C/N(dB)对层10的厚度(40dB＞最大C/N≥30dB)层10 层10的厚度(nm)材料5 10 15 20 30 50 100Ti - 29.635.437.237.537.429.8Zr - - 20.9- - 36.728.8V 33.1 - 31.1- 36.639.632.4Cr - 35.226.8- 20.411.14.8Fe 28.6 29.535.8- 35.229.47.9Co - 31.837.039.435.926.36.2Ni - - 36.3- 37.128.85.0Pd - 32.838.0- 31.414.55.4Sb - 29.435.6- 36.133.323.7Ta - 23.325.0- 31.533.821.5Al - 34.926.4- 0.0 0.0 0.0In 33.6 24.221.3- 27.925.922.2
表3C/N(dB)对层10的厚度(30dB＞最大C/N≥20dB)层10 层10的厚度(nm)材料5 10 15 2030 50 100Cu - 21.90.0 - 7.6 9.3 8.6Sn - 25.526.9- 21.09.9 3.7Te 28.0 23.625.9- 27.024.018.0Zn 0.00.0 12.8- 0.0 29.010.6Bi 0.00.0 0.0 - 13.023.711.4表4C/N(dB)对层10的厚度(最大C/N＜20dB)层10 层10的厚度(nm)材料 5 10 15 20 30 50 100Ag 19.27.47.8- 0.00.00.0Au 12.28.95.64.98.35.57.1从表1至4可知，为了使超分辨率读出成为可能，对应所用的某个特定元素，层10的厚度必须最佳化。例如，如表2所示，当层10是厚度为15nm的Al层时，超分辨率读出是可能的。但当Al层厚度为100nm时，即接近传统的ROM盘如CD-ROM和DVD-ROM的反射层的厚度时，超分辨率读出是不可能的，就像传统的ROM盘一样。
仅仅对于产生的最大C/N位于上述样品中的那些样品，图6至9表示C/N相对于读出功率Pr的关系。图6至9所示样品分别对应表1至4所示样品。沿着一个坑长为250nm的坑行测量C/N。测量C/N使用跟上面相同的光盘测试器，线速度为11m/s。从图6至9可知，对于大多数样品，C/N随着读出功率的增大而增大。尽管这些曲线图中未表示读取输出，读取输出的状况与C/N相同。在图6至9中，有的样品在高Pr区域缺乏数据是因为层10在该Pr下变坏而没有产生读出信号，或者意味着由于测试器的反射光光强检测系统的饱和而没有数据提供。
对于产生的最大C/N位于上述样品中的那些样品，图10至13表示了反射光光强相对于读出功率Pr的关系。图10至13所示样品分别对应表1至4所示样品。为了表示反射光光强与已有技术使用屏蔽层的超分辨率介质的不同，图13绘出了一个以相变材料层为屏蔽层的光盘的结果。该光盘在上述同样基片上通过按顺序叠加80nm厚的ZnS-SiO2的第一绝缘层、20nm厚的Ge2Sb2Te5屏蔽层(相变材料层)、23nm厚的ZnS-SiO2的第二绝缘层和一100nm厚的Al反射层而制成，屏蔽层被照样沉积，即屏蔽层处于非结晶状态。反射光光强在坑长为250nm的坑行上测量。反射光光强是整个坑行的反射光光强的平均值，也就是在由坑和相邻坑之间的空白组成的记录轨迹上的平均反射光光强。测量使用的光盘测试器同上，线速度为11m/s。从图10至13可知，除了具有屏蔽层的对比样品，其他所有样品的反射光光强按非常大的线性比例随着读出功率Pr的增大而增大。这意味着读出功率对反射系数的影响不是很大，即复数折射率(n+iK)不随读出功率的变化而变化。相比之下，已有技术的具有屏蔽层的超分辨率介质要求读出功率(热或光的强度)在一个临界值之上以形成光学孔径，而且反射系数通过该临界值时经历突变。因此，在图13的对比样品曲线中，转折点位于读出功率对反射光光强的曲线图的临界值处。值得注意的是，图13所示的对比样品的Pr对反射光光强的曲线在Pr＝2mW处由于屏蔽层的结晶化出现第一个转折点，在Pr＝6mW处由于屏蔽层的熔化存在第二个转折点。
正如不能超分辨率读出的样品(例如，图13所示的具有Au层和Ag层的样品)，本发明的能够超分辨率读出的样品的反射率不受读出功率的影响。这些结果表明，不同于已有技术的按热模式或光子模式形成光学孔径的超分辨率介质，本发明采用的超分辨率读出机制并不利用由温度或光强改变造成的反射率变化。
应当指出，相变材料层也可在此用作该功能层，如下文将描述的那样。无论是非晶态的还是结晶的，均可在此利用作为功能层的相变材料层，能在辐照不改变其复数折射率的读出光射实现超分辨率读出。
为了检验反射率变化的热效应进行了进一步的实验。在此实验中，试验样品的制成是通过在以1.2mm厚的载片玻璃为形式的基片上溅射15nm厚的钨层或100nm厚的钨层。温度对钨层反射率的影响从加热显微镜观察。样品以30℃/分钟的速率被加热，并在635nm波长下测量其反射率。图14显示了在100℃到400℃的温度范围内温度对反射率的影响。从图14可知，在加热到400℃的过程中，两种样品的反射率都没有显著的变化。该结果正好与图10-13的结果吻合。
对于具有像层10那样的15nm厚的钨层的样品来说，图15表示其C/N比，它们是在1-5mW范围内改变读出功率Pr并在3-11m/s范围内改变线速度LV的情况下测得的。该C/N是利用与上述相同的光盘测试仪在具有坑长度为250nm的坑行上进行测试的。从图15可看出，观察到在线速度上没有明显的C/N相关性。也就是说，在所测线速度范围内线速度对超分辨率读出的效果影响不大。因此在此线速度范围内，即使线速度被改变也没有必要控制读出功率。在如此大的范围内自由选择线速度，是现有技术的热模式或光子模式的超分辨率介质所无法达到的。虽然图15只表示具有15nm厚钨层的样品的结果，但对于在上述样品中所有能够超分辨率读出的样品来说，在如此大的线速度范围内没有观察到线速度对C/N有很大影响。
值得注意的是，当使用波长为780nm的读取光在坑长为250nm的坑行和坑长为300nm的坑行测量时，上述每个样品都确保能超分辨率读出。
另外，对于由15nm厚的钨钼(W-Mo)合金构成层10的样品，使用同上的光盘检测器在11m/s的线速度测量一个坑长为250nm的坑行的C/N。结果见图16。从图16可知，使用合金时超分辨率读出也是可能的。
另外，对于层10由喷涂15nm厚的Tb19.5Fe70.5Co7Cr3(原子比)合金形成的样品，使用同上的光盘测试器在线速度为11m/s下，沿着一个坑长为250nm的坑行测量C/N。注意，虽然上述成分的合金层可以被用作磁光记录层，但在这里它用作只读光盘样品的反射层。在图35中，反射光光强作为读出功率Pr的函数被绘出。在图36中，C/N作为读出功率Pr的函数被绘出。从图35可看出，在这个样品里，反射光的光强也是按照线性比率随着读出功率变化的。同样从图36可以看出，在这个样品里，超分辨率读出也能够实现，由磁光记录材料形成的层10在本发明中被用作功能层。
针对层10为15nm厚钨层的样品进行了进一步的读取测试。使用一层粘合剂将一片0.6mm厚的聚碳酸酯粘接到层10上。通过将读取光穿过聚碳酸酯平板射到层10来读出信号。可以理解的是，增加聚碳酸酯平板是为了补偿读取光学系统的物镜的散焦。因此，沿着一个坑长为250nm的坑行，C/N在读出功率为2mW、3mW和4mW时分别是13.8dB、21.8dB和27.8dB，指示可能的超分辨率读出。这些结果表明当读出是穿过层10上形成的透明树脂层(粘接层)上进行时，超分辨率读出是可能的。
由化合物构成的层10即使当层10由各种化合物如氮化物、氧化物、氟化物、硫化物和碳化物等构成时，本发明的光学信息介质也可以超分辨率读出，其固有作用被发挥。值得注意的是这里使用的化合物不仅限于化学当量关系的化合物，还包括金属或非金属与氮、氧等的化合物，其中氮、氧等的比率小于化合物中的比率。也就是说，在本发明的范围内，层10可以包含一个以单个元素或其合金形式使用时能够被超分辨率读出的金属或非金属和另外加入的元素，最好至少从氮、氧、氟、硫和碳中选择一个元素。
由这些化合物构成层10可以有效地扩展读出功率的范围、提高C/N和减少重复读取导致的C/N降低。下面将描述对由化合物构成的层10所进行的实验。
作为本实验所用的样品，层10是通过在氩气氛中进行溅射或在氩气加活性气体中进行活性溅射而制成的。所用溅射靶是硅(Si)、钽(Ta)或铝(Al)，活性气体使用的是N2或O2。针对以不同流速通过活性气体形成的层10的那些样品，沿坑长为250nm的坑行的C/N在读出功率的范围为1mW到7mW变化时被测量。测量C/N使用跟上面相同的光盘测试器，线速度为11m/s。图17、18和19分别表示用Si、Ta和Al作为靶时℃/N相对于读出功率的关系。用Si和Ta靶时层10的厚度为15nm，用Al靶时层10的厚度为30nm。值得注意的是，活性气体的流量比(标注为N2流量比或O2流量比)是活性气体的流速除以活性气体和氩气的总流速。
从图17看出，当N2流量比的为零时，也就是当层10仅由硅构成时，C/N在Pr＝3mW时为最大值，在Pr＝4mW时变小，在Pr＝5mW时由于层10的恶化没有数据提供。从图18看出，当层10由钽构成时，只有在Pr＝1mW时读出是可能的，使用更大功率时由于层10的恶化读出不能实现。同样从图17和18可看出，当增加活性气体的流量比时，在较低Pr处C/N降低，但由于可使用较高的读出功率最大C/N被提高了。当活性气体流量比进一步增加时，最大C/N降低，最后超分辨率读出不能实现。
从图19看出，当层10由铝构成，读出功率为3mW或更高时，因为测试器的反射光检测系统的饱和，超分辨率读出是不可能的。随着N2的流量比提高，读出成为可能，获得很高的C/N。当N2的流量比进一步提高时，超分辨率读出最终成为不可能。
对于层10是通过在Ar+N2气氛中溅射锗靶形成15nm厚的Ge-N层的那种样品，超分辨率读出是可能的。使用同上的光盘检测器在11m/s的线速度下测量该样品沿着一个坑长为250nm的坑行的C/N。读出功率为7mW时获得42.6dB的C/N。对于通过在氩气氛中溅射SiC靶形成15nm厚的层10的那种样品，超分辨率读出也是可能的。使用同上的光盘检测器在11m/s的线速度下测量该样品沿着一个坑长为250nm的坑行的C/N。当读出功率为5mW、6mW和7mW时C/N分别是20.2dB、23.9dB和27.9dB。在两种情况下，C/N随着读出功率的增加而增加得到确定。
对于图17、18和19所示的样品，反射光的光强相对读出功率的关系在图20、21和22中绘出。从这些曲线图可知，反射光的光强按很大的线性比例随着读出功率Pr的增加而增加，如图10到13所示。这意味着反射率受读出功率的影响不大。从而说明即使层10由化合物而不是纯元素构成时超分辨率读出的生成机制也是不变的。
图23表示由使用铝靶形成的层10，N2流量比为0或0.08时C/N相对于层10厚度的关系。此曲线图中的C/N是当读出功率在1mW到7mW的范围内改变时获得的最大C/N。从图23可知层10的渗氮提高了最大C/N，并显著地扩大了满足超分辨率读出的层10的厚度范围。
接下来说明在引进或不引进N2的情况下使用硅作为溅射靶形成的样品。这些样品被检验由重复读取操作造成的C/N降低。在这些样品中，层10的厚度为15nm。此处，形成时没有引进N2的样品使用的读出功率为3mW，形成时引进了N2的样品使用的读出功率为6mW或7mW。结果绘在图24的曲线图里。
从图24可知，形成时没有引进N2的样品经过100,000次重复读取后，C/N降低了多于10dB。相比之下，形成时引进了N2的样品即使经过了100,000次重复读取，C/N几乎没有降低。而且，当读出功率为7mW时，此样品的初始C/N高于形成时没有引进N2的样品。从这些结果可知，由化合物构成层10显著地增进了层10相对重复读取的稳定性。
基于上述实验的结果，由化合物构成的层10的功能和优点将在下文描述。
在上述实验中，氮气、氧气、氟气、硫或碳被引进到一个金属或非金属薄膜中。随着引进元素量的增多，薄膜增加了透明度或失去金属光泽。当引进的元素的量接近化学当量时，薄膜达到很高的透明度。在图17到19中，当层10的透明度相对较低时，超分辨率读出是可能的；当层10的透明度相对较高时，超分辨率读出变为不可能。若层10由化合物构成而具有较高透明度时，C/N在低Pr下降低。这说明热模式参与了本发明的超分辨率读出介质。更具体的说，由于层10的透明度增加而导致C/N在低Pr下降低，可能是因为最终的温度由于层10吸收光的减少而降低。这说明根据本发明反射率受读出功率影响不大的介质不像已有技术的热模式读出介质，其超分辨率读出不依赖光学孔径的形成。
同样从图17到19可知，当层10是通过给一个基本元素加上适量的氮气或氧气来形成化合物而沉积时，可行的读出功率范围被扩大，最大C/N被提高。这表明读出功率范围的扩大和最大C/N的提高是因为化学稳定性提高了和由化合物形成的层10的透明度提高了。从图23的结果还可知，满足超分辨率读出的层10的厚度范围被显著扩大是因为层10是用化合物制成的。这表明层10的透明度由于化合物形成而提高关系到可行厚度范围的扩大。从图24的结果可进一步看出，使用化合物形成层10可以很大程度地抑制由重复读取导致的C/N的降低。这表明层10的化学稳定性的提高有助于抑制C/N的降低。
首先描述化合物形成引起的层10化学稳定性的提高和伴随的优点。一般而言，除重金属(如Au)以外金属和非金属天然地以化合物如氧化物和硫化物的形式出现。此事实表明在通常的环境里，金属和非金属以化合物形式存在比以纯元素存在更稳定。也就是说，通过把金属或非金属转换为化合物它们的化学稳定性有很大的提高。另一方面，高功率读取和重复读取造成层10的恶化是因为层10的温度提高引起化学变化(以氧化为典型)。层10因为与空气接触所以易于在施加读出功率过程中因受热而恶化。然而，层10如果由化合物形成则可以抑制化学变化。这样，更高功率下读取变为可能，最大C/N提高了，C/N因重复读取而恶化。因此，当使用一个在相对低的读出功率下恶化的材料时，由化合物形成层10是非常有效的。
接下来描述由于化合物形成引起的层10透明度的提高和伴随的优点。当层10由化合物形成时，如上所述其透明度提高，其光反射率随之降低。当层10的光反射率降低时，反射光检测系统是不可能饱和的。这就带来可行的读出功率的提高以及最大C/N的增加。因为由化合物形成的层10的每单位厚度的透明度增加了，所以即使层10的厚度增加也可以避免反射光检测系统的饱和。因此，如图23所示，满足超分辨率读出的层10的厚度范围显著地扩大了。所以，当使用一个在相对低的读出功率下导致反射光检测系统饱和的材料时，由化合物形成层10是非常有效的。
另一方面，当引进的氮气或氧气的量增加时，超分辨率读出变为不可能，因为层10变得太透明了，也就是说其吸收系数接近零，以致于读出光未能取得层10的功能。所以，当层10由化合物形成时，将金属或非金属转化为化合物的程度必须对应该金属或非金属的类型恰当地控制，以产生足够高的C/N。更具体地说，引进的氮气或氧气的量最好限制在化学当量之下。在上述的实验中，即使在层10中使用相当于化学当量的SiC时，超分辨率读出也是可能的。降低碳的含量可获得更高的C/N。
在上述实验中，由化合物形成的层10是通过使用活性气体如氮气或氧气采用活性溅射技术或采用以化合物为靶的溅射技术制成的。其它的技术如CVD也可以采用。
应用于如图2所示的介质结构接下来，制成如图2所示结构的介质样品。此样品的获得是通过在图1所示的介质层10上提供一个在通常的光学信息介质中常见的用树脂做的保护层或外涂层6。保护层6是采用旋转镀膜技术通过照射紫外线来固化紫外线可固化树脂而制成。在固化结束时保护层的厚度为10μm。此样品的层10是通过溅射形成的15nm厚的硅层。如上一个没有保护层的参照样品被制成。使用同上的光盘测试器，以11m/s的线速度旋转光盘并改变读出功率沿一个坑长为250nm的坑行测量每个样品的C/N。图25表示该样品的C/N对读出功率的关系。
在图25中，没有保护层的样品在大部分读出功率的范围内具有更高的C/N。这是因为保护层起到了散热层的作用从而使层10被读取光照射时可达到较低的温度。这又表明根据本发明的介质的超分辨率读出涉及到热模式。
在图25中，随着读出功率的增加，没有保护层的样品的C/N饱和，然后减小了一点。接着，在读出功率为5mW时，由于层10的恶化而没有数据提供。相比之下，具有保护层的样品的C/N单调平缓地增长直到读出功率达到7mW。从这些结果可得出结论，保护层起到了散热层的作用，具有扩大读出功率范围的功能。
接下来，制成如图25所示的样品，只是层10的元素和厚度改成表5的数据。测试有或没有保护层对C/N的影响。层10各个厚度的最大C/N和得到该最大C/N的读出功率如表5所示。
表5有或无树脂保护层时的C/N(dB)(括号内的值为以mW为单位的读出功率)层10 树脂 层10的厚度(nm)材料 保护层5 10 15 30 50 100Nb 无- 10.534.3- - -(1) (2)Nb 有- 35.237.5- - -(7) (7)Mo 无24.7- - - - -(2)Mo 有31.3- - - - -(7)W 无32.2- - - - -(2)W 有35.7- - - - -(6)Ge 无- 41.345.044.4- -(2) (2) (2)Ge 有- 43.642.841.8- -(5) (4) (4)V 无- - 31.1- - -(2)V 有- - 38.4- - -(7)Cr 无 11.7 35.2- - - -(1) (2)Cr 有 35.8 38.6- - - -(7) (7)Pd 无 8.6 - - - - -(2)Pd 有 35.9 - - - - -(7)Sb 无 -29.435.6- - -(1) (2)Sb 有 -34.436.7- - -(4) (4)Ta 无 -23.325.031.5- -(1) (1) (2)Ta 有 -35.837.535.0- -(5) (5) (7)In 无 -- 21.327.925.9-(2) (1) (2)In 有 -- 38.530.411.7-(7) (6) (3)Te 无 -- 25.927.024.018.0(1) (1) (1) (1)Te 有 -- 35.230.629.128.1(3) (2) (2) (3)Bi 无 -- 0.0 13.023.711.4(1) (1) (1) (1)Bi 有 -- 28.123.226.622.9(6) (3) (3) (3)
参照表5，现考虑由钽(Ta)形成的层10。没有保护层时，厚度为10nm的层10在读出功率为2mW时恶化，在读出功率为1mW时产生最大C/N为23.2dB。有保护层时，样品产生信号直到读出功率达到6mW，且在该读出功率下C/N高达35.8dB。其它的样品也证实了提供保护层可以使用较高的读出功率。尤其是比较那些没有保护层而因层10的恶化不能在较低读出功率下产生较高C/N的样品，保护层的提供允许使用更高的读出功率，从而大大提高C/N。从表5还可知，保护层的提供还显著地扩大了满足超分辨率读出的层10的厚度范围。
提供保护层带来的优点从以上实验的结果中显而易见。因为保护层的传热性比空气高，故提供保护层可促进层10的冷却。同时保护层将层10与空气隔离。因此，提供保护层可防止层10聚集热量，从而可防止化学变化。这样即使使用较高的读出功率层10也不会恶化。正如以上实验结果所证明，本发明的光学信息介质一般产生一个随着读出功率的增加而增加的读取输出量，该输出量的增加一直持续到层10因在读出过程中受热而恶化或刚好在这之前。这从而表明通过给层10没有保护层6而在较低读出功率下恶化的样品加上保护层，以较高功率读取成为可能，从而获得较高的C/N。
接下来对有或无保护层的样品进行反复读取以检查C/N的恶化。这些样品的层10是10nm厚的锗层。对于没有保护层的样品使用的读出功率为2mW，对有保护层的样品使用的读出功率为3mW或4mW。结果见图26。
在图26中，没有保护层的样品开始的C/N为41.3dB，经过16,000次反复读取后减少了约10dB。相比之下，有保护层的样品开始的C/N在读出功率为3mW时要低一点，为38.3dB，而且一点也没有减低直到读取了100,000次。在读出功率为4mW时，该样品开始的C/N较高，为42.7dB，在读取了100,000次以后才稍稍减少到39.7dB，表明C/N的恶化减小了。从这些结果可知，提供保护层可显著地增进抗反复读取的稳定性。这表明层10的冷却速度提高和层10与空气隔离引起了稳定性的增进。
应该理解的是，虽然在上述实验中使用的是树脂保护层，但使用由各种无机物如氧化物、氮化物、硫化物和碳化物等形成的保护层，只要它们的热传导性比空气高，都可以得到相同的结果层10的厚度从以上描述的实验结果可以看出，由基本金属或非金属构成的层10最好应该针对各个元素有以下厚度。
Nb小于等于100nmMo小于等于70nm，特别是小于等于45nmW小于等于70nm，特别是小于等于40nmMn小于等于100nm，特别是小于等于70nmPt小于等于40nm，特别是小于等于30nmC小于等于100nmSi小于等于100nmGe小于等于100nmTi小于等于100nmZr小于等于100nm，特别是从25nm到100nmV小于等于100nmCr小于等于30nm，特别是小于15nmFe小于等于80nm，特别是小于等于50nmCo小于等于70nm，特别是小于等于45nmNi小于等于70nm，特别是小于等于50nmPd小于等于40nm，特别是小于等于30nmSb小于等于100nm，特别是小于等于60nmTa小于等于100nm，特别是小于等于60nmAl小于等于20nm，特别是小于15nmIn小于等于100nm，特别是小于10nmGu小于等于10nmSn小于等于40nmTe小于等于70nmZn从40nm到90nmBi从25nm到70nm值得注意的是，对于那些即使厚为100nm也能产生足够高C/N的元素来说，从运行性能的角度看，没有必要设定厚度为100nm的上限，但为了防止生产能力降低最好把厚度限定在100nm以内。同样更可取的是，无论层10由何种元素构成，保证其厚度至少为2nm。如果层10太薄，反射率会太低以至跟踪伺服系统不能很好工作从而不能产生满意的C/N。
当层10由化合物构成时，层10的合适厚度范围被扩大，从前面实验的结果可知。
现在将描述由合金构成的功能层。以下使用的术语“功能元素”指的是单独就能构成功能层的元素。
当此功能层由二元合金按简单固体溶液形式构成时，如上述的W-Mo合金(其中两个元素都是功能元素)，那么此合金层被用作功能层，如图16所示。
对于简单固体溶液形式的合金层来说，希望至少一个最好所有组成元素是功能元素。功能元素的摩尔比最好至少占整个组成元素的50％。
正如简单固体溶液形式的合金层，对于非晶质合金层如所述的磁光记录材料层来说，希望至少一个最好所有组成元素是功能元素。功能元素的摩尔比最好至少占整个组成元素的50％。
下文将要描述的以Ag-In-Sb-Te为基础的相变材料属于相分离类型的合金，其中Sb相在结晶时与其它相分离。对于这样一种相分离类型的合金，希望至少一个最好所有组成相能够单独构成功能层。例如，在结晶的Ag-In-Sb-Te合金中，Sb相单独起到了功能层的作用。
正如单元素层，合金层必须满足厚度要求以起到功能层的作用。例如，简单固体溶液形式的合金层可以设置为对于各个功能元素的单元素层为足够厚度，以起到功能层的作用，如图16所示。
最好是在确实检查合金层的特定组成和厚度是否能使合金层起到功能层的作用以后决定其特定组成和厚度。例如，金属间化合物如所述的相变材料Ge2Sb2Te3经常表现出与各个组成元素单独存在时不同的特性。
应用于如图3A和3B所示的介质结构以下所述是将本发明应用到图3A和3B所示结构的介质中做的实验。图3A的光学信息介质是只读光学信息介质，其组成包括一个透光基片2、其表面上的坑21和位于成坑表面上的层10。第一个绝缘层31位于基片2和层10之间，第二个绝缘层32位于层10之上。也就是说，图3A所示的介质对应图1所示的介质，其层10夹在两个绝缘层之间。图3B所示的介质是通过在图3A所示的介质的第二个绝缘层32之上设置一个金属层5构成的。
图3A所示结构的光盘样品是按以下程序制成的。基片2与前面实验所用相同。层10是溅射形成的15nm厚的锑(Sb)层。第一个绝缘层31是150nm厚的氮化硅层。第二个绝缘层32是20nm厚的氮化硅层。这些氮化硅层是通过在氩气氛中溅射Si3N4靶形成的。
另外，图3B所示结构的光盘样品是如下制成的，即在与图3A所示结构的样品中的第二绝缘层32上形成金属层5。金属层5是用溅射铝靶形成的100nm厚的铝层。
使用同上的光盘测试器，在改变读出功率和线速度的同时沿着一个坑长为250nm的坑行测量样品的C/N。
图27A表示没有金属层5的样品的C/N对读出功率的关系。图27B表示有金属层5的样品的C/N对读出功率的关系。这些曲线图中的数据是线速度为11m/s时的测量结果。从图27A和27B看出，当介质的结构为图3A和3B所示时，超分辨率读出也是可能的。
在图27A和27B中，像图6到9所示的大部分样品一样，C/N随着读出功率的增长而单调地增长。虽然读取输出量没有在这些曲线图中绘出，但读取输出量也随着读出功率的增长而单调地增长。
图28表示没有金属层5的样品沿坑长为300nm的坑行的C/N相对读出功率的关系。从图28可知，当坑长大于由衍射决定的读出极限时，C/N不像以往的介质那样依赖于读出功率。
比较图27A和图27B，我们将研究有无金属层对读出功率Pr和C/N的影响。
当读出功率为1到2mW时，无金属层5的样品产生更高的C/N。这是因为就像上面所描述的保护层，金属层5起到了散热层的作用，从而使层10在曝露于读取光时温度较低。这表明热模式与根据本发明的超分辨率读出有关。
随着读出功率的进一步提高，无金属层5的样品的C/N饱和。然后，当读出功率为5mW时，由于层10的恶化没有数据提供。相比之下，有金属层5的样品产生的C/N单调的增加直到读出功率达到5mW，最后记下一个高于无金属层5的样品的C/N。从这些结果中可得出结论，当层10的材料被进行选择以使C/N可随着读出功率的增加而单调地增加时，金属层5的提供起到了散热层和密封层的作用，使得读出功率的上限被提高，从而获得更高的C/N。
图29A表示没有金属层5的样品的C/N相对线速度的关系，图29B表示有金属层5的样品的C/N相对线速度的关系，曲线图中表示出在不同读出功率Pr下测量的C/N值。从这些曲线图可知，当介质是按图3A或3B所示构成时，在满足超分辨率读出的线速度范围内，没有观察到C/N对线速度有很大依赖性。当读出功率为4mW且线速度达到8m/s和读出功率为5mW时，无金属层5的样品由于层10的恶化而不能读取。相比之下，有金属层5的样品，如图29B所示，即使使用5mW的读出功率也能在线速度为3到11m/s的范围内产生很高的C/N。也就是说，金属层5用作散热层和密封层对于扩大线速度范围是有效的。
根据图3B所示结构制备了一个样品，其中层10由20nm厚的Ag5.6In3.8Sb63.2Te25.2Ge22(原子比)合金层构成，第一个绝缘层31由85nm厚的ZnS-SiO2(80/20摩尔％)层构成，第二个绝缘层32由20nm厚的ZnS-SiO2(80/20摩尔％)层构成，金属层5由100nm厚的Al-Cr(1.7摩尔％)层构成。这些层用喷涂方法形成。在此样品中，作为被淀积的(as deposited)层10为非晶质状态。虽然这种组成的合成层可以用作相变类型的记录层，但是这里的层10没有用作记录层。
对于作为被淀积的样品来说，图37表示反射光光强相对于读出功率Pr的关系。从此曲线图可知，反射光光强随着Pr的增加而按照线性比率增加直到Pr达到2mW，而且当Pr从2mW增加到2.5mW时，结晶出现导致反射光光强的突变。对于这个样品，使用同上的光盘测试器在线速度为11m/s下，沿着一个坑长为250nm的坑行测量C/N。图38表示在Pr≤2mW的范围内的C/N，在该范围内反射光光强按照线性比率随Pr增加。从图38可以看出，对于这个样品，在Pr≤2mW的范围内超分辨率读出可以实现。此样品中的绝缘层是高度透明的，如前所述具有高透明度的绝缘层对超分辨率读出没有贡献。而且100nm厚的Al-Cr(1.7摩尔％)层也对超分辨率读出没有贡献。相应地，图38所示结果表明在本发明中处于非晶态的相变层起到了功能层的作用。
接下来，借助于大消磁器(a bulk eraser)对此样品的层10进行初始化或者结晶化，然后类似地测量反射光的光强和C/N。结果见图37和38。同样可知，在一个层10为结晶的相变材料层的只读介质中，反射光光强按照线性比率随着读出功率Pr增加，并且在该范围内超分辨率读出是可能的。
注意当只读介质的功能层为相变材料层时，其结构并不局限于图3B所示结构，而是可以采用图1、2和3A所示结构或其它结构。所用介质的结构可以根据包括读取波长在内的各种条件来决定。
应用于图4A和4B所示的介质结构以下所述是将本发明应用到图4A和4B所示结构的介质中做的实验。
图4A所示的光学信息介质是在透光基片2的表面上具有槽22的光学记录介质。在带槽表面上，第一绝缘层31、层10、第二绝缘层32、记录层4和第三绝缘层33按顺序叠在一起。到达基片2的入射光透过基片2和层10后到达记录层4，然后被记录层4反射，接着再次透过层10和基片2，最后从基片2射出。
图4A所示结构的光盘样品是按以下程序制成的。各个绝缘层是通过在氩气氛中溅射Si3N4靶形成的。第一绝缘层31的厚度为170nm，第二绝缘层32的厚度为20nm，第三绝缘层33的厚度为20nm。层10由厚度为15nm或100nm的锗(Ge)或钨(W)构成。记录层4属于相变类型，通过在氩气氛中溅射Ag-In-Sb-Te-Ge合金靶而形成。记录层的组成(原子式)为公式(I) (AgaInbSbcTed)1-eGee其中，a＝0.07，b＝0.05，c＝0.59，d＝0.29，e＝0.05。记录层4的厚度为20nm。
图4B所示的光学信息介质是在透光基片2的表面上具有槽22的光学记录介质。在带槽表面上，第一绝缘层31、记录层4、第二绝缘层32、层10和第三绝缘层33按顺序叠在一起。到达基片2的入射光透过基片2和记录层4后到达层10，然后被层10反射，接着再次透过记录层4和基片2，最后从基片2射出。图4B所示结构的光盘样品按照与图4A所示结构的光盘样品相同的程序制成，只是层10和记录层4间的位置关系被颠倒。
这些光盘样品每个都被设置在如上所述同样的光盘测试器上，并且以2m/s的线速度记录简单信号。简单信号的频率已被确定，从而使记录标记的长度为200nm。值得注意的是，在本实验中，相变记录层被用在没有初始化或结晶的非晶质状态。
使用光盘测试器测量样品在11m/s的线速度下的C/N。结果见表6。
表6


从表6可知，根据本发明的光学记录介质能够超分辨率读出。与上述的只读光盘样品比较，因为介质结构特别是各个绝缘层的厚度没有最佳化，这些样品一般显示较低C/N。甚至那些在表6中显示C/N低于20dB的样品，如果该介质结构被最佳化也能够产生大于20dB的C/N。使用100nm厚的钨层作为层10的样品不能产生C/N，是因为只有极少的读取光透过层10。
在发射电子显微镜下观察记录有信号的记录层。在结构如图4A所示且层10为锗层的样品中，空隙(长度为200nm)在记录层里形成以限定记录标记。在其它的样品中，结晶状的记录标记在非晶质的记录层中形成。
图4A和4B表示读取光穿过功能层照射到记录层或穿过记录层照射到功能层的结构。然而，如果功能层由一种当接受到写入功率时能形成记录标记的材料制成，那么把功能层用作记录层的结构也是可能的。
应用于图4C所示的介质结构以下描述的是把本发明应用于图4C所示结构时所做的试验。
图4C所示的光学信息介质是在透光基片2的表面上具有槽22的光学记录介质。在带槽的表面上，第一个绝缘层31、层10、第二个绝缘层32、和金属层5按所述顺序叠在一起。写入/读取光从基片2一侧进入介质。图4C的结构是在图3B所示只读介质的基础上将坑21改为槽22而获得。
一个具有图4C结构和一个作为层10的Ag5.6In3.8Sb63.2Te25.2Ge2.2合金的相变材料层的光学记录盘样品被制备，如具有图3结构的只读光盘样品被制备一样。层10、第一个绝缘层31和第二个绝缘层32的组成和厚度与上述只读光盘样品相同。
在此光学记录盘样品的层10用大消磁器进行初始化或结晶化后，单个信号被记录在层10上，记录使用了同上的光盘测试器，条件如下线速度6m/s，记录功率13mW，擦除功率5mW。单个信号的频率被确定以使长为200nm的非晶态记录标记在层10中形成。接下来，使用相同的光盘测试器测量样品在线速度为6m/s下的C/N。图39表示C/N相对于读出功率Pr的关系。注意非晶态记录标记没有被图39所示范围内的读出功率擦除。
从图39可知，此样品也可以实现超分辨率读出。因为如前所述第一个绝缘层31和第二个绝缘层32以及金属层对超分辨率读出没有贡献，所以层10在本样品中不仅是记录层而且是这里定义的功能层。
按此方式，当功能层由能够在适当读出功率的光辐射下形成记录标记的材料构成时，功能层同时是记录层的这种结构是可能的。
也许在本发明中读出功率对超分辨率读出有重大的影响，下文将描述。在如图4C所示层10既是功能层又是记录层的结构中，希望通过提高层10的结晶温度，或者使第二个绝缘层32变薄而提供一可冷却(quenchable)结构，或者由高导热材料构造第二个绝缘层32和/或金属层5，以使用高功率的读取光。当然介质的设计最好是使写入特性不会受到实质性损害。
超分辨率读出的功能从前面实验的结果可知，本发明实现的超分辨率读出完全不同于传统的超分辨率读出。
首先，在传统的超分辨率读出中，无论是热模式还是光子模式，激光光束被照射到屏蔽层以限定束斑，从而使小于该束斑的区域的透射率和反射率通过利用束斑内部的能量分布而增大。因此，如导言中提到的JP-A 11-86342的图9所示，C/N随着读出功率的增加而增加，当屏蔽层的光透射率达到恒定程度时饱和。随着读出功率的进一步增加，由于光学孔径变的太大(增加的透射区域)，C/N突然降低。值得注意的是，已有技术的超分辨率读出介质显示了C/N随着读出功率改变的情况，即使该介质属于利用增加反射率的类型。
第二，由于现有技术的超分辨率读出要求一定级别以上的热或光子强度以在屏蔽层中形成光学孔径，故读出功率存在一个使介质能够超分辨率读出阀值且其反射率经过该阀值时发生巨变。
第三，已有技术的超分辨率读出存在一个问题，即在以一个恒定读出功率读取的情况下，当改变线速度时，随着线速度增加，接近束斑中心的温度降低，入射的光子数减少。因此，在传统的超分辨率读出中，无论是热模式还是光子模式，线速度的改变不可避免地带来C/N的显著变化。
相比之下，根据本发明的超分辨率读出，虽然C/N随着读出功率Pr增加而增加、饱和然后稍微降低，如图6到9和图17到19所示，但是除读取信号由于层10的恶化而丢失的情况外，可避免C/N的显著下降。同样从图10到13和图20到22可知，反射率不受读出功率的影响。而且，在根据本发明的超分辨率读出中，在很宽的线速度范围内没有观察到C/N对线速度有很大依赖性，如图15、29A和29B所示。从这些结果可得出结论，根据本发明的功能层使得超分辨率读出的生成机制完全不同于已有技术的超分辨率读出介质中的屏蔽层或类似结构。这表明在本发明里，层10本身提高了空间分辨率，而不是在层10中形成改变了透射率或反射率的微小的区域的读取光的照射。
如上所述，建议热模式参与本发明的超分辨率读出。为了证实这种参与，我们研究了C/N与层10在读取光曝光时的最终温度的关系。计算层10的最终温度(即层10达到的温度)使用层10材料在读取光波长为635nm时的折射率和吸收系数、材料的热传导率、恒定压力下的比热和密度、激光束光斑直径和介质的线速度(11m/s)作为读出功率的参数。针对层10的各个厚度，C/N相对层10最终温度的关系绘在了图30到32的曲线图里。
在这些曲线图中，观察到C/N与层10最终温度的相关性，特别是在图30中，一个明显的相关性被观察到。也就是说，观察到C/N随着层10最终温度增加而提高的趋势不取决于层10的元素。然而C/N开始上升时的温度因层10元素的不同而不同。这些结果有力地表明热模式参与了根据本发明的超分辨率读出。
如果C/N实质上由层10的最终温度决定，那么使用波长较短的读取光可以以较低功率实现超分辨率读出。因为激光波长变短了，故激光光束的光斑直径可以减小，从而功率密度可以提高。因此，使用较短波长的激光光束使得位于束斑内的层能以较低功率加热到一个预定温度。所以，较短波长的读取光允许使用较低的读出功率，除非吸收系数在较短波长下变得特别低。为了证实这点，使用波长为410nm的读取光和3mW的读出功率并以11m/s的线速度旋转介质来决定层10的最终温度。比较在此条件下层10达到的最终温度与使用波长为635nm的读取光和3mW的读出功率并以11m/s的线速度旋转介质得到的最终温度。结果证实，使用较短波长的读取光，各种材料制成的层10的最终温度均被提高。例如，由Cu制成的层10的最终温度在波长为635nm时为66℃，但在波长为410nm时提高到488℃。
如上所述，功能层的温度在根据本发明的超分辨率读出中起了重要的作用。为了证实这点，我们做了进一步的实验在前面实验中准备的样品中，层10为15nm厚的硅层的样品的C/N在室温(RT)下沿着一个坑长为250nm的坑行被测量。然后，样品在60℃下保存两天，接着测量其C/N，然后在冰箱里保存10分钟，再次测量其C/N，最后在60℃下保存5分钟，再次测量其C/N。这些C/N测量结果绘在图33的曲线图里。图33中提供了相同读出功率下不同C/N值的比较，明显地说明了通过高温保存C/N增高了，但低温保存使之降低。从这些结果可知，功能层的温度关系到根据本发明的超分辨率读出。
读取方法在本发明的介质中，如上所述，在读取操作中功能层的温度与C/N是相关的。这样，根据本发明，针对功能层的具体材料，把功能层的温度提高到一个预定值以上可以实现超分辨率读出。在本发明的实践中，为了把功能层加热到预定温度以上，仅仅可以利用读取光(激光光束)的照射，尽管周围环境温度的提高也可被额外地利用。如果仅仅通过控制周围温度就可以把功能层的温度设置在预定值以上，那么在读出功率不引起功能层温度显著变化的情况下超分辨率读出成为可能。利用周围温度的提高使得读出功率能被压低，从而在反射光检测系统由于层10的反射率太高而饱和的情况下是有效的。同时当利用周围温度的提高时，只需要通过施加读出功率把已经被加热到一定温度的层进一步被加热到预定温度，这样有助于减低功能层读取时的加热速度。因此，当构成功能层的材料在温度迅速提高时恶化，周围温度的提高是有效的。
为了提高周围温度，各种各样的加热方式都结合在加热过程中，从而介质可能被整个加热或被访问要读取的区域附近被部分加热。作为加热方式，可设置一个薄膜加热器以便面向介质驱动。或者，将一个电阻加热线圈置于光学拾取头附近使之与光学拾取头一起移动。
在本发明的介质里，使用的读出功率有一个取决于层10材料和介质结构的上限。这样予先把最佳读出功率记录在本发明的介质里就方便了。于是，最佳读出功率能在开始读取操作之前被读出，并以这个最佳功率进行读操作。而且，如果必要可以执行一个试验读操作来确定最佳读出功率。
坑深对于现有技术的具有相位坑的只读介质，我们知道当相位坑的深度为λ/4n时读取输出一般为最大，其中带有相位坑的基片的折射率为n，读取光的波长为λ。我们还知道若跟踪依靠推挽方式，当相位坑的深度为λ/8n时跟踪误差信号(推挽信号)为最大值，当相位坑的深度为λ/4n时为零。因此，对于现有技术的只读介质，通常把相位坑的深度设为居中的λ/6n。
相比之下，保证根据本发明具有功能层的介质具有最大读出功率的坑深不同于现有技术的只读介质。在图34中，本发明的介质的C/N相对于坑深的关系被绘出。在产生图34结果的实验中，使用图2所示结构的光盘样品。所用的基片2是由聚碳酸酯(折射系数n＝1.58)注模形成直径为120mm厚度为1.2mm的盘，其中相位坑在注膜的过程中同时形成。形成了三种类型的相位坑，长度分别为0.29μm、0.37μm和0.44μm。相邻坑的间距等于坑长。坑深的值表示为曲线图34的横坐标。值得注意的是，曲线图中表示的坑深已经根据读取光的波长λ和基片在波长λ下的折射率n被归一化了。层10由15nm厚的锗层构成。保护层6跟以前的样品一样由10μm厚的紫外线可固化树脂构成。
此实验使用了(1)一种短波长型读取系统，其中激光波长为680nm，数值孔径(NA)为0.55，可读坑长为0.31μm或更长；和(2)一种长波长型读取系统，其中激光波长为780nm，数值孔径(NA)为0.50，可读坑长为0.39μm或更长。执行读操作时将短波型的读出功率设为4mW，将长波型的读出功率设为7mW，两者的线速度都设为11m/s。对于长度为0.44μm的坑，可以实现正常读出，因为这个坑长大于两种类型的分辨率范围。对于长度为0.37μm的坑，使用短波类型的系统可以实现正常读出，使用长波类型的系统可以实现超分辨率读出。对于长度为0.29μm的坑，即使使用短波类型的系统也可以实现超分辨率读出。
从图34可知，在正常读出发生的情况下，正如现有技术已知，最大C/N在λ/4n附近获得；而在超分辨率读出发生的情况下，最大C/N在λ/8n附近获得。由此可知，在超分辨率读出的情况下，当坑深小于λ/6n时将获得更大的读出输出量，而以往通常选择λ/6n以同时保证读出输出和跟踪错误信号输出。进一步可知的是，在超分辨率读出发生的情况下，C/N从最大值下降的趋势被最小化，即使坑深设为比现有技术要浅得多的λ/10n。
虽然图34绘出的是C/N而不是读出输出量，但在上面的实验中，读出输出量变为最大值时的坑深和C/N变为最大值时的坑深相等。
从以上实验的结果可知，当需要优先选择小坑的读出输出量以实现本发明介质的超分辨率读出时，坑深d最好在整个介质中设为λ/10n≤d＜λ/6n，特别是λ/9n≤d≤λ/7n值得注意的是，图3A所示结构的介质中，当读取光穿过基片2时，第一个绝缘层31的厚度在有坑部分与剩余部分之间是相等的，因为第一个绝缘层31较薄。因此，即使基片2上由层10和另一个夹在中间的层如第一个绝缘层31形成，足够的坑深范围也可以用基片2的折射率n表示出来。
进一步，当图1中的基片2的不规则表面被倒置，在层10上形成一个透明的树脂薄层以使读取光穿过该透明树脂层时，那么在计算足够的坑深范围时使用的折射率为该透明树脂层的折射率。在本实施例中省略透明树脂层的地方，计算足够的坑深范围时使用的折射率为空气的折射率。也就是说，在这些实施例中，透明树脂层或位于读取光入射侧的空气的折射率被认为是基片的折射率。
在要求超分辨率读出的长度小于λ/4NA的坑和能够正常读出的长度至少为λ/4NA的坑同时存在的场合，两种坑被赋予不同的长度，这样两种坑都获得高读出输出量。更具体地说，设置长度小于λ/4NA的坑的深度dS和长度至少为λ/4NA的坑的深度dL满足dS＜dL。为了得到高输出量，dS最好在以下范围内λ/10n≤dS＜λ/6n，特别是λ/9n≤dS＜λ/7n。
另一方面，dL最好在以下范围内λ/8n≤dL＜λ/4n，特别是λ/7n≤dL＜λ/5n。
为了形成具有不同深度的两种坑，可以在利用例如影印法制作母模的步骤中使用两种光敏性不同的光阻材料。在此例中，一个光敏性较低的层和一个光敏性较高的层分别叠加成下层和上层。当格式为形成较浅的坑时，只有上层被曝光起反应。当格式为形成较深的坑时，上下层都被曝光起反应。或者，使用两种吸收波长不同类型的光阻材料形成一个叠加层结构的光阻材料层。同样在此例中，仅上层光致反应和上下两层都光致反应的处理被实行。
可以理解的是，上述对坑深度的控制不仅限于只读介质，也可应用于在记录介质中访问坑。
这里参考了日本专利申请号11-189800，11-242293，11-267823，11-302558和11-375067。
尽管以上描述的是一些优选的实施例，但可以对前面所述进行变化和改进。应该理解的是，在本发明的权利要求范围内，应用本发明可以不同于以上具体所述。
权利要求
1.一种光学信息介质，包括一具有凸起和凹坑并/或能够形成记录标记的信息支承表面，和一具有提高空间分辨率功能的功能层，所述功能层包括选自下列组中的至少一种元素Nb、Mo、W、Mn、Pt、C、Si、Ge、Ti、Zr、V、Cr、Fe、Co、Ni、Pd、Sb、Ta、Al、In、Cu、Sn、Te、Zn和Bi，或者包含上述元素的合金或化合物。
2.一种光学信息介质，包括一具有凸起和凹坑并/或能够形成记录标记的信息支承表面，和一个功能层，其中使用波长大于4NA·PL的读取光可以读出在所述信息支承表面上记载的信息，其中PL是所述凸起和凹坑或所述记录标记的最小尺寸，NA是读取光学系统的数值孔径，将读取光的功率设置在所述功能层不会改变其复数折射率的范围内，将读取光辐射到由功能层构成的所述信息支承表面，或者通过功能层到达所述信息支承表面，或者通过所述信息支承表面到达功能层。
3.一种光学信息介质，包括一具有凸起和凹坑并/或能够形成记录标记的信息支承表面和一个功能层，其中使用波长大于4NA·PL的读取光可以读出在所述信息支承表面上记载的信息，其中PL是所述凸起和凹坑或记录标记的最小尺寸，NA是读取光学系统的数值孔径，将读取光的功率设置在功能层的反射光的光强按照线性比率随着读出功率变化的范围内，将读取光辐射到由功能层构成的信息支承表面，或者通过功能层辐射到达信息支承表面，或者通过信息支承表面辐射到达功能层。
4.按照权利要求1至3中任一权利要求的光学信息介质，其中最佳读出功率被预先记录下来。
5.一种光学信息介质，包括一形成在带有承载信息的坑的表面上的基片和一位于该基片成坑表面上的功能层，所述功能层引起以下(A)和(B)两种现象现象(A)是当波长大于4NA·PL的读取光被辐射时，坑里载有的信息可被读出，其中PL是所述坑的最小尺寸，NA是读取光学系统的数值孔径；现象(B)是读出的结果依照坑的深度而变化，而且长度小于λ/4NA的坑在读出结果为最大时其深度比长度大于或等于λ/4NA的坑在读出结果为最大时之深度要小，假设读取光的波长为λ。
6.一种光学信息介质，包括一形成在带有承载信息的坑的表面上的基片和一位于该基片成坑表面上的功能层，其中，当波长大于4NA·PL的读取光被辐射时，在上述坑里载有的信息能被读出，其中PL是上述坑的最小长度，NA是读取光学系统的数值孔径，假设读取光的波长为λ、基片的折射率为n和坑的深度为d，则在整个介质中满足λ/10n≤d＜λ/6n。
7.一种光学信息介质，包括一形成在带有承载信息的坑的表面上的基片和一位于该基片成坑表面上的功能层，其中，当波长大于4NA·PL的读取光被辐射时，在上述坑里载有的信息能被读出，其中PL是上述坑的最小长度，NA是读取光学系统的数值孔径，假设读取光的波长为λ、上述坑中包含长度小于λ/4NA且深度dS的坑和长度至少为λ/4NA且深度dL的坑，且满足dS＜dL。
8.按照权利要求7的光学信息介质，其中假设上述基片的折射率为n和坑的深度为dS，则满足λ/10n≤dS＜λ/6n。
9.按照权利要求7的光学信息介质，其中假设上述基片的折射率为n和坑的深度为dL，则满足λ/8n＜dL＜λ/4n。
全文摘要
在一种包括一具有凸起和凹坑并/或能够形成记录标记的信息支承表面的光学信息介质中，一个功能层被加入。使用波长大于4NA·P
文档编号G11B7/005GK1551163SQ20041004463
公开日2004年12月1日 申请日期2000年6月30日 优先权日1999年7月2日
发明者菊川隆, 宇都宮肇, 新開浩, 加藤達也, 也, 肇 申请人:Tdk株式会社