记录主盘及其衍生的光可读数据载体的制作方法

专利名称：记录主盘及其衍生的光可读数据载体的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种制造记录主盘的方法，用此法在衬底上提供至少一层光敏材料，接着用光束辐照选定的位置，然后显影致使它在被辐照过的位置处具有局域化的凹陷。
本发明还涉及到一种用这种方法制造的记录主盘。
本发明还涉及到一种由这种记录主盘衍生出来的新颖的光可读数据载体。
在《信号储存技术中的聚合物》(纽约Plenum出版社1989年出版，书号ISBN 0-306-43390-7)中，特别是在P.E.J.Legierse和J.H.T.Pasman的文章(PP155-172)中，阐述了上述的方法。在其中所述的方法中，所用的光敏材料层直接沉积在玻璃衬底表面上，然后用聚焦激光束辐照远离衬底一侧的光敏层。
光敏材料(光抗蚀剂)层包含例如碱可溶的聚合物(诸如酚醛清漆)，用光敏抗溶剂(诸如O-苯醌二嗪农)可使其变为不可溶。当用光子(最好是紫外或蓝色波长)局部辐照时，此光敏部分经历局部分解，变成碱可溶的反应产物(此时为三茚基羧酸)。于是局部被辐照过的区域就可溶于碱溶液，致使在光敏层中形成凹陷(所谓显影过程)。利用锐聚焦激光束(例如由Ar离子激光器或He-Cd激光器得到的)可获得平面宽度相当小的凹陷。例如，密致盘(CD)主盘中的数据位凹陷通常体现为宽约500nm、深约150nm而长度可变的细长坑。
这种已知的方法的一个固有问题是有关显影过程得到的局域化凹陷的几何形状。例如，假设聚焦激光束被用来在光敏层的表面上投射一个小的圆形光斑。作为众所周知的衍射效应的一个结果，这种光斑实际上包含一个由一系列模糊的同心环所围绕的中央亮斑(所谓埃利斑一Airydisc)。横过此埃利斑的光强分布不是均匀的，而是呈高斯分布。结果，斑的中央区比外围区含有高得多的光剂量。在辐照过的区域的后续显影过程中，观察到给定区域的显影速率正比于该区域先前的辐照程度。因此，辐照过的区域其中央比外围的显影快得多。因此，通过光敏层向着衬底的渗透显影在被辐照区的中央进行得比其边缘更快，致使得到的凹陷中心处的深度比其外围更大(例如见图3)。在常规制造的主盘中，这种凹陷的定界壁的特征是逐渐变细的。
由于这种逐渐变细的凹陷几何形状对表面清晰度和主盘表面上凹陷的组合密度有不良影响，故这种逐渐变细的凹陷几何形状实在是不可取。理想的主盘凹陷应上有陡峭的侧壁，致使其宽度Wb(沿一给定的局部方向)在其整个深度内基本上不变；这种凹陷则可按最佳的表面密度配置在主盘表面上。相反，在底部宽度为Wb的逐渐变细的凹陷情况下，相应的表面上的宽度Wt显著地超过Wb，致使这种凹陷在给定面积内可获得的最大表面密度显著地小于上述的理想情况。变细的程度越缓慢，这一表面密度就越低。
本发明的目的是提供一种带有相当陡的侧壁的局域化表面凹陷的记录主盘。
这些目的是按根据第一节的方法来达到的，其特征是在衬底和光敏材料之间设置一个介电材料膜，从而辐照至少在光敏层中感应一个平均强度为Ya的光学驻波，此波的相位于是借助于将介电膜的厚度选取为使其在光敏层和介电膜界面Ipd处的强度Yi超过Ya而具体化。
此处的量Ya定义为驻波局部最大强度(Y+)和局部最小强度(Y-)的算术平均值。驻波的波长∧定义为二个相邻局部强度最大值或强度最小值之间的外推间距。
在不存在驻波的情况下，辐照光束在(薄而透明的)光敏层中具有同渗透深度成函数关系的基本上恒定的强度。但在存在光学驻波的情况下，在这一恒定的背景强度上将迭加一个强度调制，致使在给定的辐照区域中，得到的光强不再与渗透浓度无关。借助于规定Yi＞Ya，驻波使光敏层的边界最靠近于带有相对光强余量的衬底，从而增大了光敏材料下部的曝光程度。结果，当辐照区接着被显影时，沿衬底方向从光敏层表面的渗透显影速率将显著地增大，在得到的局域化凹陷中引起更陡得多的界定壁。
对本发明的一个关键性理解是，借助于在光抗蚀剂同衬底之间引入一个任意厚度d的介电膜，使存在于空气/光抗蚀剂界面同Ipd界面之间的驻波的相位可变。这样就可适当地调整厚度d以有利地改变驻波局部最大值相对于界面Ipd的相对位置。
介电膜的选定厚度将决定特定情况下Yi的准确界面值。本发明人利用数值计算技术并接着在主盘测试中进行实验研究，已确定了各种不同介电材料的最佳厚度和辐照波长。在得到的主盘上进行的衍射测量已证实，随着界面Ipd不断逼近驻波的局部最大值，光敏层中局域化凹陷的壁轮廓显著地变得更陡。
若有需要，当然也能够使驻波的相位成为使局部强度最大值位于某一位置而不是位于上述界面Ipd的附近。借助于适当改变介电膜的厚度就可达到这种相位调整。
应该指出的是，如有需要，本发明的方法允许在衬底和介电膜之间设置多种额外的层。这种额外层可实现例如扩散势垒、改善附着性等等的作用。同样，本发明的方法允许介电层本身是复合的，只要其整个垂直范围在所用的辐照波长下是光学透明的就行。
根据本发明的方法的最佳实施例的特征是，介电材料选择成其折射率小于光敏材料的折射率(在辐照波长下)。此时，数值计算表明能够使驻波最大值准确地定位于界面Ipd。另一方面，在介电膜的折射率大于或等于光敏层的折射率(在辐照波长下)的情况下，数值计算指出，尽管有可能得到“接近的最大值”(强度约为局部最大强度的70-90％)，但精确的强度最大值无法置于上述界面处。
适用于本发明的方法的介电材料包括Y2O3、SiO2、Al2O3、Si3N4以及诸如MgF2、BaF2、LiF和NaF之类的氟化物及这些材料的混合物。这些广泛使用的介电物质易于应用(例如在氧、氮或氟的空气中经由溅射沉积或蒸发沉积)，相对便宜，具有良好的粘附性，并有满意的抗腐蚀特性。
当本发明的方法同玻璃衬底一起使用时，获得了特别满意的结果。这种衬底的主要优点是其透明度非透明衬底的采用将不利地引起干涉最小值出现在衬底同覆盖的介电层的交界面处，从而使在界面Ipd处获得所需的驻波最大值的任务变得复杂。但这一考虑绝对不排除采用玻璃以外的衬底材料，例如各种金属(如Cu)、氧化物(如Al2O3)以及半导体(如Si)。
根据本发明的驻波波长A通常为140-160nm(在波长为458nm的Ar离子激光器的情况下)，而典型的(Yt－Ya)/Ya比值大约位于0.1-0.5范围(例如SiO2介电质为0.1，Si3N4为0.5)。
本发明的方法一经被用来选择性地使光敏层具有轮廓确定的侧壁陡峭的凹陷，就可规定很多附加工序来生产所谓的记录盘片。有关这种盘片的更详细情况可参阅美国专利4650735。上述的典型工艺步骤包括(1)提供带有导电薄膜的光敏层的暴露面，此导电薄膜精确地符合上述面上各个凹陷的形貌。这种薄膜须用非电学的方法来提供(例如溅射沉积、蒸发沉积或从含金金属离子和还原剂的电镀溶液的沉积)，这是因为光敏层材料通常不是导电体。此膜只需要几个nm厚，而且可包含Ag、Ni或TiNi之类的材料。(2)接着在上述导电薄膜上提供一个相对厚的金属层。这种金属层通常(至少)为几个μm厚，且一般包含Ni。由于下方的薄膜是导电的，此金属层可用电解方法来制备；(3)将光敏层从步骤(1)和(2)中提供于其上的材料结构分离。分离之后，上述结构新的暴露面呈现局域化高程形貌表面图形，此图形是原来光敏层中凹陷图形的负像。这种图形化结构称为父盘；(4)如有需要，则接着从步骤(3)中产生的父盘制出所谓的母盘。在产生这种母盘的典型方法中，先从父盘清除掉步骤(1)产生的导电薄膜，然后用氧化方法钝化下方金属层的新暴露表面。再在这一氧化表面上电解沉积一个相对厚的Ni层，并接着从其上分离。分离之后，这一沉积的Ni层将呈现一个局域化的形貌凹陷，此凹陷是父盘中高程图的负像，却是原来光敏层中凹陷图形的正像。
如有需要，可重复这些步骤以便获得进一步的盘片(所谓的子盘)。
本发明的又一目的是提供一种光学可读的数据载体，其中数据以极陡峭的局域化形貌变化(诸如坑或凸起)来代表，以极高的分辨率被储存。而且，本发明的目的是如有需要，这种改善了的分辨率可伴随有上述形貌变化在数据载体表面上更高的表面安置密度，从而提高记录密度。
根据本发明，这些目的在一种光学可读的数据载体中被实现，这种载体包含一个衬底，其表面Sr配置有对应于所记录数据位的局域化形貌变化的从属图形，在此表面上至少沉积了一个金属反射层，其特征是上述从属图形是根据上述本发明方法制造的记录主盘中具有局域化凹陷的主盘图形压印的正像或负像。上述衬底可包含例如玻璃、金属或聚合材料聚碳酸酯是特别适合于此目的的材料。
上节所述的压印的正像或负像可借助于上述的盘片(父盘、母盘或子盘)而得到。如前面提到的Legierse和Pasman文章中所述，特别是在pp156-157中，有几种方法用这种盘片来压制合成材料层中的记录图形，包括光聚合反应成模、压模和注模之类的方法。整个主要工序的特性是用本发明方法在原始光敏层中产生的局域化形貌变化的清晰轮廓都满意地保留在后续制造的各个盘片并最终保留在最后数据载体本身中。以这种方式，本发明的方法使得有可能制造具有极高数据位分辨率的新颖数据载体，有可能大大提高数据储存密度。原则上，用此处讨论的本发明的技术，可达到宽约200-350nm(在半深度处)和侧壁—底面夹角为50-70°(在最陡点处)的轮廓分明的坑。
在表面Sr上设置金属反射层使聚焦光束从其上有效地反射。这种光束可从远离衬底的载体侧面碰撞到反射层。或者，在透明衬底情况下，光束可以通过衬底本身射至Sr。在两种情况下，如果沿表面Sr适当地扫描，光束都会遇到其中的各个形貌变化。通常，这种变化体现有坑或凸起，而且其深度(即垂直于Sr的线度)为mλ/4n，其中λ是所用光束的波长，n是光从其中撞到反射层的媒质的折射率，m是奇整数。这种实施例使得有可能根据熟知的相差效应来鉴别所记录的信息。
数据载体可具体化为盘、带或卡片，或单面或双面。例如，双面载体可借助于将二个单面载体背靠背地固定在一起来制造。在盘的情况下，在盘表面上还可提供一个所谓的导槽(伺服磁道)，以方便用控制光束来系统地检索所记录的信息。这种导槽可借助于具有精细螺纹图形的盘片压印在盘表面上。
本发明及其优点将借助于典型的实施例和下列附图来进一步描述，图的尺寸并不一致，其中

图1示出了直接涂覆有一层光抗蚀剂材料的衬底的局部剖面；在图2中，图1的物件用聚焦激光束进行了局域化辐照；图3示出了在碱溶液中显影后的图2中辐照过的物件；图4示出了适用于本发明方法的主盘媒质局域化辐照的局部剖面，此媒质含有一个夹在衬底和光抗蚀剂材料层之间的适当选定的介电膜；图5示出了在碱溶液中显影后的图4的物件；图6的情况除辐照和显影条件外，都同图5所示情况相似；图7是根据本发明的盘状数据载体的局部透视图，其表面具有对应于所记录的数据位的轮廓分明的形貌变化。
实施例1(不是根据本发明)图1-3示出了在不适用于本发明方法的主盘媒质中主盘工序的几个连续步骤。三个图中相同的部位用相同的参考号表示。
图1示出了一个直接配有一层光敏材料3的玻璃衬底1。这个层3的厚度通常为60-180nm范围，且含有酚醛清漆和1-2％重量比的O-苯醌二嗪农的混合物。
在图2中，层3用锐聚集Ar离子激光束5(波长为458nm)进行局部辐照。所用的曝光剂量通常在1-15mJ/mm2范围，辐照持续时间根据所用的光敏材料而定，通常在10ns-10μs范围。辐照区中的蓝光吸收使O-苯醌二嗪农局部分解成碱可溶的3-茚基羧酸。层3接着被显影，亦即用碱溶液进行处理，此羧酸溶解于碱溶液中。
图3示出了显影结果，在层3中制得了一个凹陷7。此凹陷7的侧壁9逐渐变细，致使凹陷在表面11处的宽度Wt远大于在表面13处的相应宽度Wb。
实施例2图4-6示出了根据本发明的控制方法的各个方面。三个图中相同的元件用相同的参考号表示。
图4示出了一个相继配有介电膜4和光敏层6的玻璃衬底2。层6的组分和厚度同上述实施例1中层3的完全相同。如此处所示，层6用聚焦激光束8(同实施例1中所用的完全相同)进行局域化辐照并穿透膜4。层4的厚度已计算并选定为对辐照束8的特定波长，使驻波最大值发生在层6的表面14处(即界面Ipd处)。结果，此表面14接收到显著地大于实施例1中表面13所接收的光强。
在图5中，层6的辐照区已用相同于实施例1中所述的方法进行了显影。得到的局域化凹陷的侧壁10呈现出比图3中壁9更陡峭得多的变细。结果，凹陷在表面12处的宽度Wt只在一定程度上大于表面14处的相应宽度Wb′，同图3中相应的情况形成强烈反差。注意图3和5中凹陷的宽度Wt是相同的。
图6示出了一种情况，除了层66(图6)中所示凹陷比层6(图5)所示的凹陷更窄之外，均与图5的情况相似。借助于下列方法，可获得这种缩小的凹陷宽度用比图4所述更窄聚集的激光束辐照层66；采用比用来获得层6中凹陷的时间更短的显影时间；在比层6辐照过程中所用的更低的光强下辐照层66。
这些方法或者单独采用，或者组合采用。注意凹陷层66(图6)表面614处的宽度现在同凹陷7在层3(图3)表面13处的宽度相同，但图6中的Wt′显著地小于图3中的Wt。结果，图6所示的这类凹陷可比图3所示的更宽的凹陷以更大得多的彼此表面逼近来安置。
实施例3参照图4所示的多层式媒质，并按本发明获得近似最大驻波强度处于光敏层6和介电膜4之间的界面1 4处的目的，本发明者已确定对于大量不同介电材料(具有各种折射率的)的理想介电膜厚度范围。结果列于下表。
在所有情况下，介电材料膜4都位于折射率为ng的玻璃衬底2上。层6的光敏材料包含一种酚醛清漆同1-2％重量比的O-苯醌二嗪农的混合物，并且用Ar离子激光器(波长为458nm)进行辐照
>(注)诸如MgF2、BaF2、LiF、NaF。
实施例4图7是盘状数据载体21的局部透视图，其表面23具有对应于所记录的数据位的形貌变化25。载体21包含一个涂覆有Al反射薄膜29的透明的聚碳酸酯衬底27。此处的变化25具体化为表面23上局域化的高程，而且采用根据本发明的方法制造的母盘来产生。
变化25沿载体21的径向都有恒定的宽度W25，但垂直于此径向的平面长度是可变的。它们沿基本为环路的区段31安置，合起来构成一个螺旋形导槽(伺服磁道)。激光束33可穿过衬底27聚焦到膜29上，并且沿此导槽扫描。变化25垂直于表面23的高度等于λ/4n，其中λ的激光束的波长，n是聚碳酸酯衬底27的折射率。结果，从膜29返回的反射激光束35的相位依赖于入射束33是碰在一个变化25上或25之间的平坦部位上。用这种方式，就可以例如在由变化25代表的“1”位和由其间隙所代表的“0”位之间进行鉴别。
权利要求
1.一种制造记录主盘的方法，利用此法在衬底上提供至少一层光敏材料，再用光束辐照选定的位置，然后显影，使它在被辐照的位置处具有局域化的凹陷，其特征是在衬底和光敏材料之间安置一个介电材料膜，从而辐照至少在光敏层中感生一个平均强度为Ya的光学驻波，此波的相位借助于选择介电膜的厚度使此层同薄膜之间界面处的强度Yi超过Ya的方法来具体化。
2.根据权利要求1的方法，其特征是介电材料选择成其折射率小于光敏材料的折射率。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征是介电材料选自含有Y2O3、SiO2、Si3N4的组合及其混合物。
4.根据权利要求1或2的方法，其特征是介电材料包含氟化物。
5.根据权利要求4的方法，其特征是氟化物选自由MgF2、BaF2、LiF、NaF形成的组合及其混合物。
6.根据权利要求1-5中任何一个的方法，其特征是选取的衬底材料是玻璃。
7.一种用根据上述任一权利要求的方法而制造的记录主盘。
8.一种光学可读的数据载体，它包含一个衬底，其表面配置有对应于所记录的数据位的局域化形貌变化的从属图形，在此表面上至少排列一个金属反射层，其特征是上述从属图形是根据权利要求7的记录主盘中局域化凹陷的主图形压印的正像或负像。
全文摘要
一种制造记录主盘的方法，用此法在衬底(2)上至少配置一层光敏材料(6)，再用光束辐照选定的位置，然后显影，使它在被辐照的位置处具有局域化的凹陷，介电材料膜(4)排列在衬底(2)和光敏材料(6)之间，从而辐照至少在光敏层(6)中感应一个平均强度为Y
文档编号G11B7/24GK1129489SQ95190535
公开日1996年8月21日 申请日期1995年6月1日 优先权日1994年6月8日
发明者P·L·M·普特, R·D·莫顿, P·A·克拉曼 申请人:菲利浦电子有限公司