DE69733642T2 - Optisches aufzeichnungsmedium mit phasenwechsel-aufzeichnungsschicht - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Aufzeichnungsmedium, welches ein Substrat und über diesem übereinander angeordnete, dünne Schichten aufweist, wobei die übereinander angeordneten Schichten eine erste dielektrische Schicht und eine zweite dielektrische Schicht, eine Aufzeichnungsschicht, welche zwischen zwei kristallographischen Zuständen wechseln kann und zwischen den dielektrischen Schichten angeordnet ist, eine dritte dielektrische Schicht, welche zwischen der Aufzeichnungsschicht und der ersten dielektrischen Schicht angeordnet ist, sowie eine reflektierende Schicht aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf die Verwendung eines solchen optischen Aufzeichnungsmediums bei Einsätzen mit hoher Speicherdichte und hoher Datenflussrate.
  • Eine auf dem Phasenwechselprinzip basierende Speicherung optische Informations- und Datenspeicherung ist attraktiv, da sie die Möglichkeiten des direkten Überschreibens (DOW) und der hohen Speicherdichte mit der problemlosen Verträglichkeit mit Nur-Lese-Systemen kombiniert. Eine optische Phasenwechselaufzeichnung umfasst die Ausbildung mikrometergroßer und submikrometergroßer, amorpher Aufzeichnungsmarkierungen in einer dünnen, kristallinen Schicht unter Verwendung eines fokussierten Strahls. Während der Aufzeichnung von Informationen wird das Medium gegenüber dem fokussierten Laserstrahl, welcher entsprechend den aufzuzeichnenden Informationen moduliert wird, bewegt. Nach Erwärmung durch den Strahl auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur wird die Aufzeichnungsschicht abgekühlt, wodurch die Ausbildung amorpher Informationsmarkierungen auf den freien Flächen der Aufzeichnungsschicht, welche auf den nicht freien Flächen kristallin bleibt, bewirkt wird. Eine Löschung aufgezeichneter, amorpher Markierungen wird realisiert, indem die Aufzeichnungsschicht während eines Zeitraums, der länger als die Kristallisationszeit der Aufzeichnungsschicht ist, mittels eines Strahls auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur erwärmt wird, wodurch an der Stelle der Markierung eine Rekristallisation der Aufzeichnungsschicht stattfinden kann. Die amorphen Markierungen stellen die Datenbits dar, welche durch Abtasten des Auf zeichnungsmediums durch einen schwachen, fokussierten Strahl über das Substrat reproduziert werden können. Reflexionsdifferenzen der amorphen Markierungen gegenüber der kristallinen Aufzeichnungsschicht ermöglichen einen modulierten Laserstrahl, welcher dann von einem Detektor in einen modulierten Photostrom entsprechend den codierten, aufgezeichneten, digitalen Informationen umgewandelt wird. Bei dem modulierten Photostrom handelt es sich um ein HF-Informationssignal, welches die aufgezeichneten Markierungen und daher die aufgezeichneten Informationen darstellt.
  • Die Hauptprobleme bei der optischen Phasenwechselaufzeichnung sind die erforderliche, große Anzahl Überschreibzyklen (Kreislauffähigkeit), d.h. die Anzahl wiederholter Schreib-(Amorphisierungs-) und Lösch-(Rekristallisations-)-Operationen sowie eine richtige Kristallisationsgeschwindigkeit. Eine hohe Kristallisationsgeschwindigkeit ist insbesondere bei Einsätzen mit einer hohen Datenflussrate erforderlich, wobei die komplette Kristallisationszeit kürzer als 100 ns, vorzugsweise 30 bis 70 ns, sein muss. Wenn die Kristallisationsgeschwindigkeit nicht hoch genug ist, um die lineare Geschwindigkeit des Mediums relativ zu dem Laserstrahl abzugleichen, können die alten Daten (amorphen Markierungen) von der vorherigen Aufzeichnung während des direkten Überschreibens (DOW) nicht komplett gelöscht (rekristallisiert) werden. Hierdurch entsteht ein hoher Störpegel.
  • US-A-5 234 737 (Ueno), JP-A-05217211 (Ricoh), JP-A-02064937 (Matsushita) und EP-A-0 825 595 (Matsushita) beschreiben sämtlich optische Phasenwechsel-Aufzeichnungsmedien, welche sich aus übereinander angeordneten Schichten zusammensetzen. JP-A-05217211, welches den relevantesten Stand der Technik darstellt, zeigt übereinander angeordnete Schichten mit dünnen, Carbid enthaltenden Barriereschichten zwischen der oberen und unteren dielektrischen Schicht und der Phasenwechsel-Aufzeichnungsschicht.
  • Ein optisches Aufzeichnungsmedium der eingangs erwähnten Art ist aus US-Patent US-A-5 234 737 bekannt. Das bekannte Medium vom Phasenwechseltyp weist ein plattenförmiges Substrat auf, welches übereinander angeordnete Schichten trägt, die nacheinander aus einer ersten dielektrischen Schicht, einer Aufzeichnungsschicht aus einer Ge-Sb-Te-Phasenwechsellegierung, einer zweiten dielektrischen Schicht sowie einer reflektierenden Metallschicht bestehen. Ein solcher Schichtenstapel kann als IPIM-Struktur bezeichnet werden, wobei M eine reflektierende bzw. Spiegelschicht, I eine dielektrische Schicht und P eine Phasenwechsel-Aufzeichnungsschicht darstellt. Eine dritte dielektrische Schicht, vorzugsweise aus SiO2, wurde zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der Aufzeichnungsschicht angeordnet, um ein gewünschtes Wärmeverhalten des Mediums während des Einschreibens von Informationen in das Medium mit Hilfe eines Strahls zu erreichen. Das Material der dritten dielektrischen Schicht kann ebenfalls aus MgF2, CaF2, Al2O3, CeF3, NdF3, LaF3, NaF, NiF, Na3LaF6, ZnS, ZnS-SiO2, SiC, In2O3, SnO2, Si3N4, Ta2O5, SiO, TiO, TiO2, TiN, TiC und ZrO2 ausgewählt werden. Nachteil des bekannten Aufzeichnungsmediums ist, dass dessen Kreislauffähigkeit relativ gering ist.
  • Der Erfindung liegt unter anderem als Aufgabe zugrunde, ein löschbares, optisches Aufzeichnungsmedium vorzusehen, welches sich zur Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung, wie z.B. eine überschreibbare DVD und eine Bildplatte, eignet, und welches während wiederholter Aufzeichnungs- und Löschoperationen eine ausgezeichnete Kreislauffähigkeit aufweist, wodurch sich gute DOW-Charakteristiken ergeben. Unter Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung wird in diesem Zusammenhang eine lineare Geschwindigkeit des Mediums von mindestens 2,4 m/s relativ zu dem Laserstrahl verstanden, was zweimal die Geschwindigkeit gemäß dem CD-Plattenstandard ausmacht. Der Jitter des Mediums sollte, zumindest während 105 DOW-Zyklen, auf einem niedrigen, konstanten Niveau Liegen. Jitter ist ein Maß für die Verzerrung der Form einer Aufzeichnungsmarkierung und wird als Zeitversetzung von ansteigenden und abfallenden Flanken in dem Informationssignal gemessen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein optisches Aufzeichnungsmedium, wie in dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben, vorgesehen ist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Abstand zwischen der Aufzeichnungsschicht und der reflektierenden Schicht 40 nm oder weniger beträgt.
  • Die Dicke der dielektrischen Schichten zwischen der Aufzeichnungsschicht und der reflektierenden Schicht beträgt 40 nm oder weniger und beträgt vorzugsweise 20 nm oder mehr. Eine geringere Dicke resultiert in einer erhöhten Abkühlungsgeschwindigkeit der Aufzeichnungsschicht und, infolgedessen, einer unerwünschten Zunahme der Schreibleistung. Eine größere Dicke als 40 nm verringert zu sehr den thermischen Kontakt zwischen der Aufzeichnungsschicht und dem Reflektor, wodurch sich eine zu geringe Abkühlungsgeschwindigkeit der Aufzeichnungsschicht und eine schlechtere Aufzeichnungsleistung ergibt.
  • Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 einen Querschnitt eines Aufzeichnungsmediums gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 einen Querschnitt eines weiteren Aufzeichnungsmediums gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines optischen Aufzeichnungsmediums gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Aufzeichnungsmedium weist ein Substrat 1 auf, welches zum Beispiel aus einer Kunststoff- oder Glasschicht vorgesehen werden kann. Ein, in einer Vorrichtung zur optischen Abtastung erzeugter Strahl, wie zum Beispiel in US-Patent 3 376 842 (PHN 6.296) beschrieben, mittels welchem der Aufzeichnungsträger beschrieben und/oder gelesen werden kann, tritt durch eine Eintrittsfläche 2 des Aufzeichnungsträgers in das Substrat ein. Dieser Strahl ist in der Figur durch einen Pfeil p schematisch dargestellt. Ein auf dem Substrat angeordneter Schichtenstapel 3 weist zwei dielektrische Schichten 4 und 5, eine Aufzeichnungsschicht 6, zwei weitere dielektrische Schichten 7 und 8 sowie eine reflektierende Schicht 9 auf. Auf der Seite des Schichtenstapels kann der Aufzeichnungsträger mit einer Schutzschicht versehen sein, welche aus einem organischen Material vorgesehen werden kann. Die Informationen werden oder wurden in der Aufzeichnungsschicht in Form von Informationsbereichen, die sich optisch von ihrem Umfeld unterscheiden, hinterlegt. Diese Bereiche können zum Beispiel einen anderen Brechungsindex und folglich einen anderen Reflexionsfaktor als ihr Umfeld aufweisen.
  • Durch entsprechendes Auswählen der Dicke sowie der Brechungsindizes der Schichten in Schichtenstapel 3 besteht die Möglichkeit, die Reflexion des gesamten Aufzeichnungsträgers sowie den optischen Kontrast der Bereiche in dem gewünschten Wert vorzusehen. Ebenso ist es möglich, den Kontrast der Bereiche umzukehren; d.h. wenn ein Bereich einer Aufzeichnungsschicht ohne angrenzende Schichten eine geringere Reflexion als dessen Umfeld aufweist, kann die Reflexion dieses Bereichs gegenüber seinem Umfeld durch Anordnen der angrenzenden Schichten erhöht werden.
  • Der Schichtenstapel des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels des Aufzeichnungsmediums weist die folgenden Charakteristiken auf. Die dielektrische Schicht 4 besteht aus dem dielektrischen Material (ZnS)80(SiO2)20 und besitzt eine Dicke von 115 nm. Die dielektrische Schicht 5 ist eine SiC-Schicht mit einer Dicke von 5 nm. Die Aufzeichnungsschicht 6 besteht aus GeSb2Te4 und hat eine Dicke von 27 nm. Die dielektrische Schicht 7 ist durch eine SiC-Schicht mit einer Dicke von 5 nm dargestellt. Die dielektrische Schicht 8 setzt sich aus (ZnS)80(SiO2)20 zusammen und weist eine Dicke von 21 nm auf. Die reflektierende Schicht 9 ist eine Schicht aus einer Aluminiumlegierung, z.B. AlCr oder AlTi, mit einer Dicke von 100 nm. Die vollständige Löschzeit betrug bei Messung 44 ns, was kurz genug ist, um eine Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung zu ermöglichen. Der Jitter einer von dem Medium abgerufenen Datenstruktur als eine Wirkungsweise des Überschreibzyklus zeigt keine wesentliche Überhöhung. Die Anzahl Überschreibzyklen vor Wahrnehmen einer Beeinträchtigung des Mediums beläuft sich auf 1200 000. Die Schreibleistung für das Medium ist relativ gering und beträgt 19 mW an der Eintrittsfläche des Mediums bei einer relativen Geschwindigkeit von 7,2 m/s zwischen dem Strahl und dem Medium.
  • Die Kreislauffähigkeit wird als die Anzahl Überschreibzyklen gemessen, wobei der Jitter auf 12% der Taktzeit Tc angestiegen ist. Bei dem Jitter handelt es sich um die Standardabweichung der Differenz zwischen den ansteigenden und abfallenden Flanken in dem Informationssignal und dem aus dem Informationssignal wiedergegebenen Datentakt. Zum Beispiel sollte der Jitter bei einem CD-Standardformat, beschrieben mit dem sogenannten EFM-Code bei der CD-Geschwindigkeit von 1,2 m/s und Taktzeit von 230 ns, geringer als 28 ns sein.
  • Der Einfluss der Art des für die dielektrischen Schichten 5 und 7 verwendeten Materials zeigte sich bei einer Reihe von Versuchen. Es wird ein zweites, nicht erfindungsgemäßes Medium unter Verwendung von ZnS als Material für die dielektrischen Schichten 5 und 7 vorbereitet, während die Materialien der weiteren Schichten 4, 6, 8 und 9 sowie die Dicke sämtlicher Schichten mit diesen des obigen, ersten Ausführungsbeispiels identisch sind. Die Kreislauffähigkeit liegt bei Messung bei 30 000. Wird ZnS durch Ta2O5, SiO2, Si3N4 und AlN ersetzt, während die anderen Parameter unverändert bleiben, liegt die Kreislauffähigkeit jeweils bei 35 000, 70 000, 100 000 und 200 000. Im Vergleich dazu liegt die Kreislauffähigkeit bei Verwendung von SiC bei 1200 000.
  • Die Schmelzpunkte von massivem ZnS, Ta2O5, SiO2, Si3N4, AlN und SiC liegen jeweils bei 2100, 2150, 2256, 2170, ~ 2470 und 2970 K. Diese Übereinstimmung zwischen der Kreislauffähigkeit und der Schmelztemperatur lässt darauf schließen, dass eine hohe Schmelztemperatur eine hohe Kreislauffähigkeit bewirken kann. Eine ähnliche Übereinstimmung wurde zwischen der Wärmeausdehnung der Materialien und der Kreislauffähigkeit nicht beobachtet. Ein hoher Schmelzpunkt hängt mit einer hohen Bildungsenthalpie zusammen. Eine Verbindung mit einer hohen Bildungsenthalpie ist gegen über Zersetzung relativ stabil. Während des Beschreibens wird eine Aufzeichnungsschicht aus einer Ge-Sb-Te-Verbindung auf eine Temperatur zwischen etwa 1000 und 1100 K, wesentlich oberhalb ihrer Schmelztemperatur, welche bei etwa 910 K liegt, erwärmt. Die Temperatur während der Aufzeichnung kommt sehr nah an die Kristallisationstemperaturen von ZnS und SiO2 heran, welche einige hundert K unterhalb der Schmelztemperatur liegen. Eine dielektrische Schicht aus ZnS wird somit fast auf ihre Kristallisationstemperatur erwärmt, wodurch die Atome in der Schicht beweglich werden. Diese Atome können dann zu der Aufzeichnungsschicht hin diffundieren. Die Eigenschaften der Aufzeichnungsschicht werden durch den Zustrom von Störatomen beeinträchtigt, was in einer Beeinträchtigung des Aufzeichnungsvorgangs resultiert. Eine hohe Schmelztemperatur des für die dielektrische Schicht in Angrenzung an die Aufzeichnungsschicht verwendeten Materials resultiert daher in einer erhöhten Kreislauffähigkeit des Aufzeichnungsmediums. Aus Oxiden und Sulfiden bestehende Materialen weisen eine niedrigere Schmelztemperatur als Nitride auf, welche wiederum eine niedrigere Schmelztemperatur als Carbide aufweisen. Daher sind Carbide bevorzugte Materialien für dielektrische Schichten in Angrenzung an eine Aufzeichnungsschicht.
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Aufzeichnungsmediums gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Schichtenstapel 3 die gleiche Schichtenreihenfolge wie in 1 dargestellt, jedoch mit den folgenden Materialien und Stärken auf. Die dielektrische Schicht 4 besteht aus (ZnS)80(SiO2)20 und besitzt eine Dicke von 60 nm. Die dielektrische Schicht 5 ist durch eine 60 nm dicke SiC-Schicht dargestellt. Die Aufzeichnungsschicht 6 setzt sich aus GeSb2Te4 zusammen und hat eine Dicke von 27 nm. Die dielektrische Schicht 7 ist eine SiC-Schicht mit einer Dicke von 5 nm. Die dielektrische Schicht 8 besteht aus (ZnS)80(SiO2)20 und besitzt eine Dicke von 21 nm. Die reflektierende Schicht 9 ist durch eine 100 nm dicke Schicht aus einer Aluminiumlegierung dargestellt.
  • Ein drittes Ausführungsbeispiel des Aufzeichnungsmediums weist die gleiche Schichtendicke und die gleichen Materialien wie das zweite Ausführungsbeispiel auf, mit der Ausnahme, dass die dielektrische SiC-Schicht 7 nicht vorhanden ist.
  • Ein viertes Ausführungsbeispiel des Aufzeichnungsmediums ist in 2 dargestellt. Sein Schichtenstapel weist eine sogenannte IMIIPIIM-Struktur auf und wurde für eine Wellenlänge von 670 nm vorgesehen. Das Medium sieht die folgenden Merkmale vor. Das Substrat 10 ist eine 0,6 nm dicke Polycarbonatscheibe. Die dielektrische Schicht 11 wird aus dielektrischem Material (ZnS)80(SiO2)20 vorgesehen und besitzt eine Dicke von 50 nm. Die Spiegelschicht 12 ist durch eine 5 nm dicke Al-Schicht dargestellt. Die dielektrische Schicht 13 besteht aus (ZnS)80(SiO2)20 und hat eine Dicke von 125 nm. Die dielektrische Schicht 14 ist eine 5 nm dicke SiC-Schicht. Die Aufzeichnungsschicht 15 setzt sich aus GeSb2Te4 zusammen und weist eine Dicke von 30 nm auf. Die dielektrische Schicht 16 ist eine SiC-Schicht mit einer Dicke von 5 nm. Die dielektrische Schicht 17 wird aus (ZnS)80(SiO2)20 vorgesehen und besitzt eine Dicke von 21 nm. Die reflektierende Schicht 18 ist durch eine 100 nm dicke Schicht aus einer Aluminiumlegierung dargestellt. Das Medium zeigt eine sehr hohe Modulation.

Claims (12)

  1. Optisches Aufzeichnungsmedium mit einem Substrat (1, 10) und einem, auf diesem vorgesehenen Block (3) aus dünnen Schichten, wobei der Schichtenblock nacheinander aufweist: eine erste dielektrische Schicht (4, 11), eine dritte dielektrische Schicht (5, 14), welche aus einem anderen Material als die erste dielektrische Schicht besteht, enthält ein Carbid und besitzt eine Dicke zwischen 2 und 8 nm, eine Aufzeichnungsschicht (6, 15), welche zwischen zwei kristallographischen Zuständen wechseln kann, eine zweite dielektrische Schicht (8, 13, 17) sowie eine reflektierende Schicht (9, 18), dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Aufzeichnungsschicht und der reflektierenden Schicht 40 nm oder weniger beträgt.
  2. Optisches Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 1, wobei eine vierte dielektrische Schicht (7, 16), welche ein Carbid enthält, zwischen der Aufzeichnungsschicht und der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet ist.
  3. Optisches Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 2, wobei die vierte dielektrische Schicht eine Dicke zwischen 2 und 8 nm aufweist.
  4. Optisches Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 1, wobei die erste dielektrische Schicht eine Dicke aufweist, welche im Wesentlichen der Dicke der dritten dielektrischen Schicht entspricht.
  5. Optisches Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen dem Substrat (1, 10) und der Aufzeichnungsschicht (6, 15) 70 nm oder mehr beträgt.
  6. Optisches Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 1, welches so vorgesehen ist, dass es durch einen Strahl mit einer vorgegebenen Wellenlänge abgetastet wird, wobei der Abstand zwischen dem Substrat und der Aufzeichnungsschicht der Summe von 70 nm entspricht oder geringer als diese ist und die Hälfte der Wellenlänge, geteilt durch den Brechungsindex der mindestens einen Schicht zwischen dem Substrat und der Aufzeichnungsschicht ausmacht.
  7. Optisches Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen der Aufzeichnungsschicht und der reflektierenden Schicht 20 nm oder mehr beträgt.
  8. Optisches Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 1, wobei das Carbid der Gruppe angehört, welcher SiC, ZrC, TaC, TiC und WC angehören.
  9. Optisches Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 1, wobei die Aufzeichnungsschicht eine GeSbTe-Verbindung enthält.
  10. Optisches Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 9, wobei die Verbindung eine stöchiometrische Zusammensetzung aufweist.
  11. Optisches Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 1, wobei die Aufzeichnungsschicht eine Dicke zwischen 10 und 35 nm aufweist.
  12. Verwendung eines, zur Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung geeigneten, optischen Aufzeichnungsmediums nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Medium durch einen Strahl mit einer Geschwindigkeit von mindestens 2,4 m/s gegenüber dem Medium abgetastet wird.
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