CN1134774C - 带有部分反射薄膜层的双层光学介质 - Google Patents

带有部分反射薄膜层的双层光学介质 Download PDF

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Abstract

一种双层预记录光盘(12)，包括一个透明的衬底(14)，一个部分反射层(16)，一个透明隔层(18)，和一个高反射层(20)。在衬底上有一数据凹道图形(15)，它邻接部分反射层；在隔层上有另一数据凹道图形(19)，邻接高反射层。部分反射层可以由碳化硅构成。一道从衬底入射的光束，可以读出激光(30)所聚焦的任一层的数据凹道区上的编码的数据。这种双层盘的数据存储容量是传统单层盘的二倍。

Description

带有部分反射薄膜层的双层光学介质
发明的领域
本发明总体上涉及光学介质领域，尤其涉及使用两个或多个信息存储层的光学介质领域。
发明的背景
在数据存储领域里，要求介质的存储能力和性能不断提高似乎永无止境。在预记录光盘领域，如压缩盘(CD)和视盘(VD)，通常通过提高盘上每单元区域的存储密度来提高存储容量。然而，在一个光学记录系统中所能获得的最大存储密度受光学系统所能分辨的最小特征的限制。对于传统的远场成象系统，最小分辨特征的大小受衍射的影响，大约等于所用光源(通常为一固态激光二极管)的波长。于是，提高盘存储容量的一个方法是减小激光二极管的波长。然而，尽管激光二极管发射的波长一直在稳步减小，由于固态技术和材料的限制，这种减小的幅度却不曾很大。
已经提出的一些提高光学记录系统存储容量的技术包括：(1)更高效的数据编码方案，即脉宽调制；(2)光和/或磁超分辨率；(3)以恒定角速度的分带记录(zoned recording)；(4)先进的数据通道检测方法，如局部响应/最大似然检测；(5)在盘的纹道(groove)和棱边(land)处一起记录。
由于前述提高存储容量所采取的方法都依靠提高盘上每单元区域的存储密度，因此，一个提高光盘容量的可能的方法是在盘上使用能够独立记录或再生的附加存储层。于是，这个发明的方法是增加盘上的可寻址区域。本方法是诱人的，因为它只需适度地提高介质和记录系统的复杂性，就有极大地提高介质存储能力的潜力。
如果多个存储层，例如2个，由来自盘的一侧的光束所再生，那么盘的存储层之一必须具有足够的反射以使它能够被光束所再生，同时又必须具有足够的透明度以使光束能够穿透第一存储层而达到第二存储层。然而，这样一种盘已被证明很难构造，特别是只使用单激光源的情况下。
发明简述
由此，本发明提供一个带有部分反射层和一个透明隔层的光盘，它可使单个再生光束聚焦在盘上的两个不同平面的任意一个上。此盘包括一个透明的基片，在基片的一侧带有一凹道图形。邻接凹道图形的部分反射层具有一折射率，在500～850nm范围内任一波长下测量，其实分量(n)在2.6到3.2之间，虚分量(k)小于0.4。在部分反射层上有一透明的聚合物隔层，隔层上是一高反射层。
在本发明的一个实施方式中，基片含有聚碳酸酯，隔层含有光聚合物。在邻接高反射层的隔层的一侧设有第二凹道图形。部分反射层的内表面反射率在部分反射层±10％的厚度变化范围内最好只有小于±0.03的变化。隔层的厚度约为5～100μm。
在本发明的另一实施方式中，部分反射层包含碳化硅。部分反射层中硅和碳的比率以1∶1.3为佳。在又一另外实施方式中，部分反射层包含的碳化硅带有5～15原子百分比的氧。部分反射层的厚度最好在30至80nm之间。
本发明还包括含上述介质的光学存储系统，此系统包括一个定位成通过基片进入介质的聚焦激光束，用于调节激光束在部分反射层或高反射层上聚焦位置的装置，并设置一个光检测器以检测从介质中射出的反射激光束。
在这里使用的“碳化硅”或“SiC”是指硅和碳的混合物，其成份为30-50原子百分比的硅，35-60原子百分比的碳，和0-20原子百分比的氧，这些由x射线光电频谱测量得出，并且硅-碳的化学计量范围在SiC0.9到SiC1.4之间。
附图的简要描述
图1示出一基于本发明的光学数据存储系统。
图2是一计算机产生的图形，表示对不同的材料，在650nm下，其内表面反射率随厚度变化的函数关系。
图3是一计算机产生的图形，表示基于本发明的碳化硅材料，在650nm下，其内表面反射率随厚度变化的函数关系。
图4是一计算机产生的图形，表示基于本发明，在780nm下，其表反射率随碳化硅厚度变化时的函数关系。
图5示出基于本发明，不同材料折射率的实分量(n)与波长的函数关系。
图6示出基于本发明，不同材料折射率的虚分量(k)与波长的函数关系。
图7A-7C示出根据例1所构造的光学记录介质中各层的显微照相。
一个基于本发明的光学数据存储系统10示于图1。光学存储介质12包括一透明基片14，在第一数据凹道图形15之上的一个部分反射薄膜层16，一个透明隔层18，和在第二数据凹道图形19之上的一个高反射薄膜层20。如图1所示，一个激光器30向介质12发射一束激光。被任一薄膜12或20反射的光线被检测器32所检测，它可检测出根据在薄膜层上某一点是否存在凹道而产生的光强度调制。
尽管图形15和19被说成是”数据凹道图形”，凹道图形15和19可以是任何能够存储信息的凹道或纹道，信息可以是数据、伺服或跟踪信息、格式信息等等。
基于典型的光盘读出系统具有相对受限的聚焦深度特性，它有能力各自独立地读出第一或第二凹道图形15或19中的任一个。使用在典型的光记录/播放器上的用于在介质存储层上形成一个受衍射限制的激光发射点的透镜具有适当大小数值的孔径(0.4-0.6)以提高分辨率和增加存储密度。这样的透镜具有约2μm的焦深(即聚焦变化范围，在此范围内聚焦点大小保持在近似受衍射限制的范围；对于大的聚焦变化，照明点的大小增长很快。因此，如果部分反射薄膜层具有足够的透射率，并且两个数据凹道图形15和19之间的距离相对于光系统的焦深足够大，那么使激光30在任一数据凹道上聚焦，并且使其相互之间的干扰低得可以接受是可能的。于是，尽管来自激光30的光束将同时被层16和20反射到检测器32，只有激光聚焦到的层才强烈的调制反射光强度，因此使数据被读出。
在介质10上的数据凹道图形可以最容易被再生，首先在反射层16或20之一上聚焦，然后在变换聚焦位置到另一反射层聚焦之前读出整个层上的数据。另一方面，在完全读出包含在凹道图形15和19之一上的数据之前，可能需要不止一次的转换聚焦位置。但在任何情况下，使用由透明层18隔开的两个数据凹道图形可以有效地使光记录介质10的数据存储容量倍增。
透明基片14可以用适合作光盘基片的聚合材料，它应能支持数据凹道图形制模并具有充分的保真度，如聚碳酸酯或非晶体聚烯烃。除此之外，也可以使用诸如玻璃或“有机玻璃”等平基片，并用光聚合物复制的方法构造数据凹道图形15，这将在数据凹道图形19的形成中描述。
透明的隔层18可以是聚合物，如一种可光固化聚合物，它的复折射率的实分量n的范围约为1.45-1.6，虚分量k小于10-4，若小于10-5则更理想。透明的隔层应有足够的厚度以使激光30以最小的串扰在任一数据凹道图形15和19上聚焦。这就要求其厚度一般在约5到100μm范围内，最好在30到50μm之间。
高反射层20可以是一金属层，它在用于再生数据的激光的波长下表现出高反射率。目前所用的激光二极管光源发出的波长范围从约600到850nm。铝、金、银、铜及其合金在这一波长范围内具有合适的高反射率。高反射层20的反射系数一般至少为70％，至少为80％则更为理想。
为了最大程度的降低光学数据存储系统10的复杂性和成本，有必要使从数据凹道图形15和19读出信号的平均水平大约相等。这样，对检测器32而言层16和20的表观反射率，也应该近似相等。
这里所说的“表观反射率”指的是从透明基层入射并聚焦于16或20任一层上的平面区域的一个点时，在原理上能够由一光学读出设备进行光检测的光能的一部分。假设读出设备包括一个激光器，一个设计合理的光路，和一个光检测器。进一步假设在最接近透明基片14的光路上的光学元件是一高数值孔径(＞0.4)物镜。这里所述的“内表面反射率”或“内部交界面反射率”指入射到介质结构中的交界面的光的能量被反射的那一部分(交界面指透明的基片14和部分反射层16之间的交界面，或隔层18和高反射层20之间的交界面)。
为了估计来自部分反射层16所需的反射率，我们假设高反射层20由铝构成，它能反射大约80-85％入射到隔层18和高反射层20之间的交界面上的光能。进一步假设隔层18的折射率实分量n为1.5，基片14是聚碳酸酯，其折射率实分量n为1.57，且空气和基片交界面的反射不影响读出信号。如果我们进一步假设部分反射层16是一种无吸收的理想材料，可得出大约0.35的反射率，如在基片14和部分反射层交界面所观察到的那样，将对来自层16和20的表面反射产生一个平衡。然而只是在理想情况下部分反射层16才不表现出吸收，实际的部分反射层材料很可能要表现出一些吸收。如果我们选择一种假设的部分反射层，它吸收掉不被反射的光的25％并把它定义为可以接受的吸收上限，我们发现需要大约0.25的内部交界面反射率来平衡层16和20的反射率。在这种情况下，来自两层的表观反射率约比部分反射层无吸收的情况小30％，因此，上述例子中定义基片14和层16的交界面的内表面反射率范围约为0.25-0.35。考虑到在基片和空气交界面的反射所造成的衰减，对光学读出设备而言的表观反射率的上述范围应相应变为0.24-0.33。
用作部分反射层16的候选材料包括金属、半导体和介质材料。但金属往往具有很强的吸收力，可能造成过分的信号衰减。而且，典型的金属薄膜的反射率与薄膜厚度有很强的函数关系。图2是基于光学模型的由计算机产生的图形，示出在波长为650nm的入射光下，内部表面反射率与金(Au)、铝(Al)和硅薄膜的厚度的函数关系，其中薄膜夹在一1.2mm厚聚碳酸酯基片和一层n＝1.5，k＝0的材料之间，这种材料接近透明隔层18的效果。
分析图2发现Al和Au的部分反射层的反射率随厚度变化很快，使在制造薄膜时对其厚度和均匀性的控制很困难。一个半导体硅的非晶体层所表现出的性能在所要求的反射率范围0.24-0.33中与Au相似，即薄膜厚度的微小变化可造成反射率很大的变化。然而按照所要求的0.24到0.33的反射率范围，薄膜的厚度对Al只能为4nm，对Au和Si只能为15-20nm。相对来说如此薄的薄膜其环境稳定性可能很差。
与图2所示性能相对照，发明人已发现一种含有非晶碳化硅的部分反射薄膜，它表现出的反射率与厚度的关系更加理想。如图3所展现的，它是一基于光学模型的计算机产生的图形，在650nm入射光波长下，对非晶碳化硅薄膜厚度的约35nm至65nm的变化范围，其内表面反射率仍处在我们所希望的约0.24至0.33的范围以内。厚度在此范围内的微小改变对反射率的影响要比用图2所示材料所观察到的小的多。因此，包含一个碳化硅部分反射层的双层盘要比包含图2所示材料及特性的部分反射层的双层盘在其可制造性方面有了很大的提高。
由x射线光电频谱测量得出的含约42原子百分比的硅，52原子百分比的碳，5原子百分比的氧的非晶碳化硅薄膜用于产生如图3所示图形的复折射率。图3所示的令人满意的特性源于非晶碳化硅的复折射率特性。其相对很低的k值(≈0.19，在650nm时)，使来自第二数据凹道图形20的信号衰减低到可以接受，再加上相对很大的n值(在650nm时≈3.07)，使反射率作为厚度的函数，能在如图1所示的介质结构的想要的厚度范围内能产生第一最大值。反射比作为厚度的函数，在最大值任一侧其变化率都很小，这就很好地满足了在部分反射层16的厚度变化时其反射比具有低灵敏性的要求。
如前所述，除了有一个反射比随厚度变化改变很慢的部分反射层之外，使层16和20的表观反射率近似相等也同样是我们所想要的，而使以上两特性在与部分反射层厚度相同范围内则最佳，换一种说法，最理想的是有这样一种介质结构，从层16和20来的表观反射率基本相等并对层16的厚度变化其表观反射变化不灵敏。图4为根据光学模型由计算机产生的图形，示出了上述情形。由图4可以看出，对部分反射层厚度从约50到约80nm的变化范围，(即厚度的变化大于标称值65nm的±20％，层16和20的表观反射率相差小于约±0.03。图中所示，层16和20的表观反射率的绝对值与部分反射层复折射率的实、虚分量有关，而且图4所显示的特性只在一个狭窄的复折射率数值范围内产生。
应用前述关于高反射层的反射比和基片14及光聚合物层18的光束学特性的假设，可以看出一种SiC部分反射层(在成份上与图3所使用的薄膜相同)，其波长为在使用780nm的激光时所表现出的特性与图4所显示的实际上相一致，而780nm波长正是当前压缩盘(CD)播放器所使用的，于是，非晶碳化硅在这个波长使用时接近于一种理想材料。但是，k随波长而变化，在波长范围600-650nm中使用含不多于5原子百分比氧的非晶碳化硅或许有点欠理想，因为k在780nm约为0.12，在600nm，则增长到0.24。
k值提高了约两倍，造成通过部分反射层16的光度减弱，它又减弱了高反射层20的表观反射率。因此，层16和20的表观反射率在要求的部分反射层厚度范围内将显著不等。这样就需要改变SiC的物理特性以降低k值。这可以通过使用添加剂来实现，例如加氧化硅。
图5和图6示出三种不同的非晶碳化硅的复折射率的实分量和虚分量与波长的关系，这三种样本是通过同时喷涂一个碳化硅靶和一个氧化硅靶制备出来，并改变其功率电平，从而产生三种不同的非晶碳化硅混合物.第一种中混合物含有约42原子百分比的硅，53原子百分比的碳，5原子百分比的氧。第二种第三种非晶碳化硅的混合物分别包含约8和12原子百分比的氧。如图5和图6所示，这些材料的复折射率随波长而改变。
图5和图6表示在非晶SiC中加入氧可减小制成混合物的n和k值。由于降低n值将减小基片14和层16间内交界面的最大反射率，而降低k值则能增大通过层16的光的传送，显然，在SiC中加入相对少量的氧就可用于调节最终混合物的光学特性，这样，基本上对于介质操作所想要的波长范围500-850nm之间的任一波长均可以获得如图4所示的较为满意的特性。
那些对工艺熟悉的人将会了解本发明的介质12不限于预记录介质。例如，第二数据凹道图形可以被一带驱动器跟踪信息的纹道或凹道所代替。如果将一高反射可记录材料用于高反射薄膜层20，介质12就可在第一数据凹道图形上包括预记录信息，同时允许用户在层20上记录数据。这样，在这种情况下，介质12就具有一个预记录数据层和一个用户可记录信息层。
本发明将用下面的非限定性例子做进一步说明。(所有测量都是近似的)。
例1
如图1所示的一个介质10构造如下。注塑出有数据凹道图形15的标称1.2mm厚的聚碳酸酯基片14。基片14要放置在真空中至少8小时以去除所吸收的水份。非晶碳酸硅用作部分反射层16。用一内径(ID)和外径(OD)掩膜从碳化硅靶中在基片14上的数据凹道图形15上溅射淀积碳化硅。
然后盘放置于一个自旋封套中。在盘以约50转/分(rpm)的速度旋转的同时，在盘ID附近的“环形室”结构中注入额定粘度为1350厘泊的1ml紫外线可固化光聚合物以通过分散淀积透明隔层18。然后，盘的旋转速度很快地(即在小于1秒钟内)提升到3000rpm并保持至少10秒。
随后，将盘用真空棒从自旋封套中移出，并放置在复制压印机上。盘被一种惰性气体(氮)所覆盖，并用发自一介质压力水银电弧灯的紫外线进行固化。
在模铸于基片上的数据凹道图形和随后淀积的有第二数据凹道图形复制其上的光聚合物层之间，以前面所述相同的方法，在前一层上淀积并固化第二光聚合物层，以构造出一层约34～37μm标称光聚合物隔层。
第二数据凹道图形19的构成方法如前所述，首先淀积一第三光聚合物层，但不进行紫外线固化步骤。在未经固化的光聚合物上用含有第二数据凹道图案负片的模子压印。然后用紫外线固化第三聚合层并小心的移开模具。然后对盘进行后紫外线固化。
然后将盘放置在真空中至少8小时以去除掉吸收的水分和其它真空沾染物。使用一ID掩膜，在真空中沉积约100μm的含约97原子百分比铝的高反射层20。
在高反射层20上淀积一层可光固化的密封套以保护盘，并以如上所述的方法进行紫外线固化。最后一步，对盘的外圆周边进行磨光以去除在旋封和复制过程中产生的多余的光聚合物。磨光完成之后，盘被置入一中间有孔的央盘中，以约500～1000rpm的速度旋转，并轻轻地使边缘触及粘在一固定表面上的砂纸。
例2
将用以上描述的方法制造的盘放置于Nikonum-2型测量显微镜下。两个反射层的显微照片示于图7A和7B。图7A显示出部分反射层16上的数据凹道图形15。图7B显示出高反射层20上的数据凹道图形19。我们注意到，尽管显微镜的光线必须穿过部分反射层16达到高反射层20(然后从层20反射再穿过层16)，显微镜仍然能够在高反射20上聚焦。图7A和7B的显微相片显示出基底和凹道图形之间的良好的反差，可以想见它能对聚焦于任一层的激光产生足够的读出信号。图7C是显微镜聚焦于反射层16和20之间中路的一点的显微相片。显微相片说明一个驱动器是可以聚焦并区别两个数据凹道图形的。

Claims (10)

1.一种光学存储介质(12)，按顺序包括：
一透明基片(14)，在其一个主表面上有一凹道图形(15)；
一与凹道图形相邻的部分反射层(16)，在500～850nm波长范围内测量，其折射率实分量n的范围为2.6＜n＜3.2，虚分量k小于0.4；
一透明聚合物隔层(18)，其厚度范围为约5到100μm；
一高反射层(20)。
2.一种光学存储盘(12)，按顺序包括：
一透明基片(14)，在其一个主表面上有第一数据凹道图形(15)；
一与第一数据凹道图形相邻的部分反射层(16)，在波长650nm下测量，其折射率的实分量为2.6＜n＜3.2，虚分量k小于0.4；
一透明隔层(18)，在其一个主表面上有第二数据凹道图形(19)，所说的主表面是隔层上与部分反射层相反的一侧，隔层的厚度范围为约5到100μm；
一高反射层(20)，邻接第二数据凹道图形。
3.一种光学存储介质(12)，按顺序包括：
一透明基片(14)，在其一个主表面上有一凹道图形(15)；
一与凹道图形相邻的部分反射层(16)，包含碳化硅；
一透明聚合物隔层(18)；和
一高反射层(20)。
4.权利要求1，2或3的介质，其部分反射层的内表面反射率在部分反射层厚度变化±10％时，其值的变化小于±0.03。
5.权利要求1或2的介质中，其部分反射层包含碳化硅。
6.权利要求5的介质中，碳化硅含有约5～15原子百分比的氧。
7.权利要求1，2或3的介质中，其部分反射层为30到80nm厚。
8.权利要求5的介质，其部分反射层中硅和碳的比率约为1∶1.3。
9.一种光学存储系统(10)，包括：
一光学存储介质(12)，按顺序包括：
一透明基片(14)，在其一个主表面上有一凹道图形(15)；
一部分反射层(16)，包含碳化硅；
一透明聚合物隔层(18)；和
一高反射层(20)；
一聚焦激光束(30)，按从基片射入介质的方式定位；
调节激光束聚焦位置的设备，使光束能在部分反射层和高反射层的任一个上聚焦；
一光检测器(32)，定位到能检测出自介质出来的反射激光束。
10.一种预记录光盘存储系统(10)，包括：
一预记录光盘(12)，按顺序包括：
一透明基片(14)，在其一主表面有一第一数据凹道图形(15)；
一部分反射层(16)，邻接第一数据凹道图形，在650nm波长下侧量，其折射率的实分量范围为2.6＜n＜3.2，虚分量k小于0.4；
一透明隔层(18)，在其一主表面上有第二数据凹道图形(19)，所说主表面是隔层上与部分反射层相反的一侧；
一高反射层(20)，邻接第二数据凹道图形；
一聚焦激光束(30)，定位于使激光从基片射入盘的位置；
调节激光束聚焦位置的设备，使激光能在部分反射层和高反射层的任一个上聚焦；
一个光检测器(32)，定位于能检测出自盘出来的反射激光束。
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