記錄存儲器的方法
2023-06-04 17:16:41
專利名稱：記錄存儲器的方法
技術領域：
本發明涉及記錄光學存儲裝置和相變光學存儲裝置的多級記錄。
背景技術：
相變光學記錄介質採用可以在非晶態和晶態之間發生可逆結構變化的材料。這些狀態之間的變化受「活性材料」對不同級別的聚焦雷射能量的曝光控制。一般在商業上可以購到的具有這種能力的活性材料包括諸如GexSbyTez等合金和改性的SbTe共晶體。這種光學裝置一般設計成在活性材料處於非晶相時，裝置所測得的反射率比它處於晶相時低，例如，非晶的標記寫在結晶的光道上。這種技術傳統的用法是通過同時改變標記(非晶相區)的頻率和長度以及改變把標記隔開的間隔(結晶區)的頻率和長度來記錄數據。每當發生轉變時，例如，光道的非晶區轉變為結晶區(或相反)時，便可以定義轉一個邏輯「1」。若在一個定時周期內不發生變化，則可以定義一個邏輯「0」。採用這一方案，重要的是，標記不論長短，其寬度必須保持恆定。若試圖在寫長標記時讓介質曝光於恆定功率級別的雷射，則寫入過程中積聚的熱能不是引起標記的寬度不斷增大，就是使標記再結晶。因此，標記的建立可能涉及對雷射功率級別的調製，亦即引入「冷卻」次數調製。採取一種類似CD-RW的寫入策略時，雷射功率調製在兩個電平之間0.5和1.0mW之間的低(L)和8和12mW之間的高(H)。對於工作在標稱轉速「2X」(＝2.4m/s)下的光碟，波長為780nm和數字孔徑(NA)為0.55，定時周期(T)為115.5ns。最小的標記在時間跨度3T中寫入，而最長的標記在時間跨度14T中寫入。一個NT標記利用以下的調製方法寫入1TH+(N-1)(0.5TL+0.5TH)。在這種情況下，所用的最窄雷射脈衝寬度為0.5T，亦即58ns。這種傳統的記錄策略剛好涉及兩個反射率級別(結晶為高，而非晶為低)，於是稱作兩級記錄。
試圖增大數據存儲密度，使之超過上述傳統的兩級方法，預想一種多級記錄策略。採用這種方法時，用這樣的方法建立「固定」長度和寬度的標記，使得測量的反射率具有多個級別，亦即在由「純」非晶相定義的可能的最低反射率和由「純」晶相定義的可能的最高反射率之間的任何地方。例如，見1992年9月15日授予Kudo等人的美國專利No.5148335，通過引用將其結合到本文中。這裡公開的是，利用大小恆定和密度變化的標記的多級光學記錄策略，標記放在空隙之間。
儘管Kudo的寫入策略在理論上是可行的，但是其公開中描述的寫入策略被認為是不實際的，因為在寫入其中所示的標記類型時出現許多問題。例如由於大量的標記再結晶，標記的下降沿往往解析度有限。這在平面XY方向以及截面XZ方向都很明顯。而這個邊沿的有限解析度本身又限制了所記錄的信號的抖動。由於這種「軟」邊沿，結果作為回讀策略的標記邊沿檢測碰到了困難。這種依賴關係在現實世界中造成了額外的問題，即即使是原始光道(亦即不含標記)的反射率往往由於通常與光碟彎曲相關的聚焦和尋道問題引起的可變性而圍繞光碟(亦即在其旋轉時)往往發生周期性變化。
有報告指出一種為克服諸如Kudo等的寫入策略的某些缺陷而設計的寫入策略，它是利用大量的能量或高熱負荷來壓制要寫入標記處的局部熱環境，來形成標記。用高的熱預算來壓制局部熱環境會使標記的一部分和以前寫入的標記的一部分再結晶。儘管據報導這種寫入策略可提供密度較高的數據儲存，但通過壓制局部熱環境標記的尺寸可能過分擴大，造成不同光道之間的明顯串音。
發明概述本發明通過提供一種利用這樣的標記，即每個標記都是通過向所述介質施加多個能量脈衝來形成的，把信息記錄在狀態可變的光學記錄介質上的方法，克服上述和其它缺陷。所述脈衝具有有效的寬度和幅度，允許在標記形成過程中有至少50％(最好是至少55％)的容性冷卻。
在本發明的另一方面，每個標記都可以通過向所述介質施加脈衝寬度短的多個能量脈衝來形成。採用短脈衝時，適當的脈衝寬度可以由裝置的熱時間常數和/或相變材料的再結晶速率決定。每個脈衝寬度最好小於14毫微秒。
通過使容性冷卻最大化或通過利用脈衝寬度短的多個脈衝，有3件事成為可能(1)標記形狀可以獨立控制；(2)不論在平面上還是在厚度方向上晶粒形成都能達到高度重合；(3)以前寫入的標記所受的影響減到最小甚至為零。
標記形狀可以用幾種方式完成。標記的精密成形可以通過調整每個脈衝的幅度(功率)和調整每個脈衝的長度(寬度)，每個標記利用兩個(或多個)脈衝完成。標記成形還可以通過調整脈衝之間的周期來達到。脈衝調整的決定可以基於(i)數據單元的物理長度；(ii)光碟運行時的線性光道速度；(iii)每個標記要求的實際脈衝個數；和(iv)標記的最小寬度。
按照本發明的另一方面，提供一種多級記錄策略。在多級記錄策略中，標記提供兩個以上的記錄級別。在多級記錄策略中，每個標記可以利用多個能量脈衝形成。在一個實施例中，脈衝特性選擇得允許至少50％的容性冷卻。在另一個實施例中，選擇脈衝、使其具有較短的脈衝寬度(亦即，最好小於約14毫微秒)。在其一個優選方面，多級記錄裝置具有多個預先決定的尺寸均勻的數據單元，其中每個形成的標記都完全在相應的數據單元內提供。標記可以用避免改變或明顯改變其它數據單元的標記的方法寫入。在其另一個優選的方面，標記記錄級別可通過標記的寬度分辨，而同時保持標記的長度基本上恆定。
按照本發明的另一個方面，提供一種低熱預算記錄策略，設計來把標記的增大、假標記的形成、標記的再結晶和反向結晶減到最小。低熱預算策略提供一種把形成標記所需的過剩能量減到最小，用標記完整性不受影響的方法耗散這些過剩的能量。
因而通過利用按照本發明的記錄策略使容性冷卻的效果和/或低熱預算策略的好處來改善標記的形成，以便減少串音並把抖動減到最少。
本發明提供一種對光學相變材料進行記錄的方法，所述方法包括以下步驟通過向所述相變材料施加多個能量脈衝來形成標記，每個所述脈衝具有小於14毫微秒的脈衝寬度。
本發明還提供一種把信息記錄在包括相變材料的光學記錄介質上的方法，所述方法包括以下步驟向所述相變材料施加具空間分布圖的能量，所述空間分布圖限定了所述能量與所述相變材料的空間重疊區域，所述能量提供所述空間重疊區域內的溫度分布圖，所述溫度分布圖限定了溫度的空間分布，所述空間分布包括熔化所述空間重疊區域中所述相變材料的部分的溫度；形成與所述相變材料的所述熔化部分重合的標記，所述標記包括非晶相，所述非晶相在所述空間重疊區域冷卻時形成，所述冷卻釋放超過形成所述非晶相所需能量的過剩能量；向與所述標記重合的空間區域以外的所述相變材料部分耗散所述過剩能量，沒有在所述標記以外的所述部分內形成非晶相而進行所述耗散。
為了更完整地理解本發明，參考以下的詳細描述和附圖。
附圖的簡要說明
圖1是帶有記錄光道的光相盤的平面視圖和具有多個按照本發明的方法形成的標記的分解視圖；而圖2是描繪利用按照本發明的方法加熱和冷卻存儲介質的示意圖。
對推薦實施例的詳細描述按照一個推薦的實施例，本發明提供一種通過形成一系列可分辨的標記，每個標記均用能有效提供至少50％容性冷卻的多個能量脈衝形成，把信息記錄在狀態可變的光學記錄介質上的方法。按照另一個推薦的實施例，本發明提供一種以設計得使標記增大、假標記的形成、再結晶和反向結晶減到最小的低熱預算策略，把信息記錄介質在狀態可變的光學記錄介質上的方法。
狀態可變的光學記錄介質可以是具有能夠響應諸如投射的光束能量、電能或熱能等能量的輸入而從第一狀態改變為第二狀態的存儲材料的任何一種裝置。
狀態可變的光學記錄介質最好是非燒蝕性的相變光碟。相變光碟可以是製成具有若干層，包括例如保護層、反射層、上絕緣層、活性層或相變層、下絕緣層和光碟基片的類型的光碟。相變光碟也可以用其它方法配置或分層，其中各層起控制反射率、加熱和冷卻以及熱分布的作用。
光學記錄裝置具有狀態可變的數據存儲介質或活性材料。狀態可變的數據存儲介質是任何一種能夠按照能量的輸入而改變狀態的可逆變材料，諸如硫族化物材料或相變合金。狀態可變數據貯存介質可以以任何一種適當的形式提供，包括相變材料的離散的單層、光學調製的多層或宜於存儲數據的任何其它形式。數據貯存介質最好是相變薄膜。相變材料最好包括選自包括Te，Ge，Sb，Se，In和Ag一組的一種元素或幾種元素的組合。推薦的相變材料包括Te和Sb為主要組份的硫族化物GexSbyTez，AgwInxSbyTez等。對於可以應用於本發明的相變材料的其它示例，參見美國專利No.5912104；4653024；4820394；4737934；4710899；5912104；5128099和5936672。其公開通過引用結合在本文中。
相變材料(宜用作光碟數據存儲材料的)的一般具有結晶態和非晶態。數據貯存材料一般在製造過程中澱積成非晶態，並初始化為結晶態，準備記錄。然後通過形成一系列非晶態標記把數據記錄或存儲在相變介質上。
於是，數據是通過在介質上形成一系列標記而記錄在相變記錄介質上的。一般說來，標記可以是在相變記錄介質上形成的任何可分辨的標記。標記最好是非燒蝕性的，並為記錄信息或數據提供手段，這些信息和數據可以通過檢測反射率的變化從相變光學記錄介質讀出。在相變介質中，標記可以形成為相變材料的至少部分地非晶態區域，標記基本上完全是非晶態的。
標記可以利用任何適當的能源形成，包括雷射、電感加熱元件、電阻加熱元件等。標記最好利用諸如雷射等光能源形成。按照本發明的一個方面，每個標記都可以通過向光學記錄介質施加至少兩個能量脈衝形成。每個標記的形狀可以通過調整脈衝參數加以控制。例如，每個脈衝的幅度(功率)和/或每個脈衝的持續時間(寬度)和/或脈衝之間的周期是可以加以調整以改變標記形狀的全部參數。適當調整這些脈衝參數，便可以形成寬度均勻或寬度呈錐形的標記。所選擇的適當脈衝參數可以至少部分地取決於(i)要寫入的標記的物理長度；(ii)光碟運行時的光道線速度；(iii)每個標記要求的實際脈衝個數；和(iv)標記的最小寬度。
儘管不希望受理論的約束，但是人們相信，光學記錄介質的冷卻行為具有幾個不同的分量。一個分量是與熱能傳導(亦即阻性)流有關的相對較為緩慢的冷卻分量。這個阻性分量在這裡稱作「傳導冷卻」。另一個分量是與熱能的容性(亦即抗性)貯存有關的相對較快的分量。這個抗性分量在這裡稱作「容性冷卻」。光學介質的冷卻行為(亦即傳導冷卻和容性冷卻的相對數量)取決於幾個因素。例如，冷卻行為取決於介質的內在特性-亦即光學記錄介質本身的特性和結構。材料特性包括導熱率以及光學記錄介質的比熱。冷卻行為還取決於外部因素，亦即如何將光學能量加到介質上。例如，冷卻行為取決於施加於介質的能量的參數。因而，光學記錄介質的容性冷卻對於傳導冷卻的相對數量(因而所述介質總的冷卻速率)可以通過調整為形成標記而採用的所施加的能源的參數加以控制。在一個推薦的實施例中，所施加的能源在形成標記時採取施加在所述介質上的能量脈衝的形式。
正如上一個實施例所指出的，每個標記都是通過施加多個脈衝形成的。在本發明的一個實施例中，選擇脈衝的參數使得活性材料的容性冷卻增大。更具體地說，可以選擇能量脈衝的參數使得容性冷卻佔活性材料總冷卻的至少50％，就是說，至少有50％是容性冷卻。最好容性冷卻與其它冷卻相比佔優勢。能量脈衝和光學存儲裝置的參數可以配對，最好使容性冷卻佔至少55％，容性冷卻佔至少60％較好，容性冷卻佔至少70％最好。因而，通過採用設計成加強容性冷卻、使之超過傳導冷卻的能量脈衝方案並且通過增大容性冷卻的相對比例來產生標記，從而可以達到活性材料總的冷卻速率。
如上所述，在光學介質總的冷卻速率中，容性冷卻是比較快速的冷卻分量，而傳導冷卻是比較緩慢的冷卻分量。適當選擇寫入光學介質時用的能量脈衝參數，便可以增大介質總的冷卻速率。圖2表示受10毫微秒雷射脈短衝照射的存儲光碟活性材料層中部的溫度分布圖(profile)。曲線A表示從時刻0至時刻10毫微秒光學記錄介質的加熱。如曲線B所示，在10毫微秒時刻，所述介質開始冷卻。圖2表示初始冷卻非常快，隨後是比較緩慢的時間較長的冷卻。儘管光碟系統複雜，但是總的冷卻行為可以用剛好兩個指數衰減函數的線性組合來描述。亦即Tf＝FfastC+Fslow(1-C)式中Ffast＝Taje-(t-t0)/a+Taf(1-e-(t-t0)/a)和Fslow＝Tbje-(t-t0)/b+Tbf(1-e-(t-t0)/b)式中，C是快速的容性冷卻的比例，t0是冷卻期開始的時間(亦即＝10ns)。分量a和b分別為快速和緩慢的冷卻時間常數，Tai和Taf涉及快速分量的指數衰減中的初始和最終溫度，類似地，Tbi和Tbf表示慢速分量。
初始冷卻具有小於1毫微秒的快速冷卻時間常數「a」，主要由容性冷卻控制分量(這取決於包括硫族化物和絕緣層的相對熱容等因素)。反之，緩慢冷卻分量具有大於約6毫微秒的冷卻時間常數「b」，由傳導冷卻控制分量(這取決於硫族化物和絕緣層的導熱率)。總的冷卻中較快的容性冷卻由算出的曲線C表示。比較緩慢的傳導冷卻分量由算出的曲線D表示。因而，通過仔細調整把信息寫入光學介質時用的能量脈衝或所施加的能源的參數，即可控制介質的冷卻速率。
如上所述，通過加強容性冷卻，即可改善對標記形狀的控制。還可以在把對以前寫入的標記的影響減到最小的情況下寫入標記。另外，不論在光學介質的平面方向還是在厚度方向上在晶粒形成的均勻性方面可以達到高水平。
在一個實施例中，通過把脈衝寬度相對較短的能量脈衝施加在傳統的光學存儲裝置和其它上，便可以達到適當的冷卻行為。短的脈衝寬度可以根據裝置的熱時間常數和/或相變材料的的再結晶速率決定。在本發明的一個實施例中，每個標記都用多個能量脈衝形成，每個脈衝具有宜小於14毫微秒的脈衝寬度，小於10毫微秒較好，而小於7毫微秒最好。另外，脈衝寬度可以小於2毫微秒，小於1毫微秒較好，小於500微微秒最好。
正如上面及以下討論的，標記形成的熱管理(和標記的最終形狀)還可以受光學記錄介質內在特性，包括材料特性以及介質結構影響。這些特性可以加以調整並包括以下一個或幾個(1)熱容低的活性相變層(元素)。這便於進行快速加熱和快速冷卻。
(2)非常薄的活性相變層。非常薄的活性相變層有助於對降低冷卻元件的熱阻，因為硫族化物材料的導熱率趨於低。另外，較小的厚度提供最後必須帶走的總熱量。
(3)與活性元件相鄰的非活性元件具有高的熱容。與活性元件相鄰的高熱容對快速冷卻分量有貢獻。
(4)存儲材料和反射層(D2層)之間的絕緣材料的厚度不應僅僅在熱學的考慮上調整，而是還應該從光學耦合的目的調整。儘管較薄的D2層確實可以導致緩慢冷卻分量的較低的時間常數。
(5)採用較短的能量脈衝的記錄策略可以用來充分利用容性冷卻的快速冷卻分量。
按照本發明的另一個實施例，提供一種多級記錄策略，它利用提供兩級以上的記錄級別的標記，例如，在論及「0狀態」或空白時該標記具備2比特信息。每個標記可以用本發明的上述方法形成。
多級記錄策略最好包括尺寸均勻的數據單元的利用。標記信息最好完全在相應數據單元的邊界或尺寸內提供。所述標記可以用避免改變或明顯改變其它數據單元的標記的方法寫入。在多級記錄策略的一個推薦的方面，記錄級別可以用標記的寬度區分，而標記的長度基本上保持不變。通過利用本發明的方法形成可檢測的多級標記，容性冷卻的作用可以利用來改善標記的形成，以便減少串音並把抖動減到最少。
參見圖1，其中整體地用10來標記的是光碟的平面視圖，分解視圖14取自12處的部分記錄了的光道34。光道34分成多個尺寸均勻的預定的數據單元(如點線所示，僅為舉例說明而畫出)16，18，20，22，24，26。光道34記錄了多個標記28、30、32，這些為多級記錄形成的標記具有多個記錄級別、以允許多於兩比特的信息。標記是利用本發明上述和後述詳細說明的方法形成的。每個標記的記錄級別可以通過每個數據單元結晶態/非晶態的面積或體積的比例加以區分。標記28，30，32是非晶態，提供3個不同的反射率級別。如圖所示，記錄級別由標記寬度W決定，而標記之間的標記長度保持不變。於是，具有較窄寬度的標記單元，諸如標記32，其反射率的數值比具有較寬寬度的標記的數據單元20，諸如數據單元28的高。
利用本發明的方法成形的標記還可能用來限制標記本身再結晶的數量。這個標記本身的再結晶可能在標記周圍的局部區域被過分加熱到傳導冷卻主導標記冷卻的程度(亦即＞50％)時出現。過熱的結果是冷卻時間相對較長。延長的冷卻時間使形成為非晶態的標記明顯地再結晶。本身的再結晶可能導致標記尺寸的明顯收縮。在某些情況下，標記尺寸可能縮小1％或更多，但可能高達10％，50％，或者甚至高達100％。利用按照本發明一個或多個方面形成標記，標記就不僅可以在寫入時不出現明顯的本身再結晶，而且寫入時不會改變其它標記，諸如相鄰數據單元的標記，還可以利用來顯著地改善標記的邊沿檢測。此外，通過避免顯著的本身再結晶，標記可以以連續的方式沿著數據單元寫入，例如，完全填充相應數據單元長度的標記。
從外源向相變材料施加能量，提供向相變材料澱積和加入能量的方法。澱積的能量的數量取決於所施加的能量的數量和傳遞給相變材料的所施加的能量比例。在一個推薦的實施例中，能量從外源向相變材料能量傳遞是通過吸收發生的。較強的吸收導致向相變材料加入更多的能量。
加到相變材料的能量引起其溫度上升。相變材料的溫度隨著所施加的能量上升而上升。足夠長地曝露於外部能源時，相變材料的溫度飽和到最大值。移去外部能源時，相變材料的溫度降低。施加雷射脈衝期間溫度上升，而雷射脈衝源移去時溫度下降的示例，示於這裡的圖2。
溫度上升的幅度，可以達到的最高溫度、相變材料的加熱速率和冷卻速率取決於諸如澱積的能量、所施加的能量的空間分布圖、相變層的厚度、施加能量的區域的面積和體積、相變材料的導熱率和熱容以及相變材料存在的堆疊或結構中存在的其它層的存在、厚度、化學成分、熱特性等的因素。
本發明的一個目的是形成非晶態標記。為了形成標記，必須施加足夠的能量，使相變材料的溫度上升到高得足以使非晶態標記形成。非晶態標記的形狀受所施加的能量的空間分布圖、施加能量的時間長短和相變材料內能量的最終效果以及周圍相鄰層的影響。
所施加能量的空間分布圖是指由外部能源提供的能量的空間分布。空間分布圖限定了所施加能量的邊界和這些邊界內的強度、功率或能量強度的其它量度。所施加能量的邊界限定了由外部能源提供的能量的空間區域。邊界內的區域直接從外部能源接收能量，邊界以外的區域則不是如此。或者，能源的邊界可以看作是能源傳播籍以提供能量的空間區域或其它介質。光能源的邊界表示，例如，從非零光強度到零光強度的轉變。被照亮的空間區域接收非零光強度，並在所施加的光能源邊界內，而不被照亮的空間區域在所述邊界之外。當向相變材料或其它介質施加時，外部能源的邊界限定了能源與相變材料空間重疊的區域。當外部光源，例如施加在相變材料上時，空間重疊區域相當於光能通過材料傳播時照亮的相變材料部分。入射時或在所施加的能量的傳播途徑上所施加的能量直接作用在空間重疊區域內的點上。空間重疊包括相變材料的表面上和體積內這樣限定的點。
所施加的能量的空間分布圖可以是均勻的或不均勻的。在均勻的空間分布圖內，能量的強度在所施加的能量的邊界內基本上是一樣的。被加熱得使表面溫度在所有的點上基本上相同的熱表面，例如，可以用作均勻的熱能源。在非均勻的空間分布圖內，能量的強度在能源的邊界內是空間變化的。許多外部光能源具有非均勻的空間分布。在典型的雷射束中，例如，光強度在光束邊界內是按照這樣的強度分布在空間上變化的，即光束中心強度最高，在光束邊界內在離開光束中心的位置上強度按照高斯函數降低。
空間分布決定了所施加的能量與相變材料的空間重疊，以及空間重疊區域內具體位置上外部能源與相變材料的相互作用的強度。具有均勻空間分布圖的外部能源對其與相變材料的空間重疊區域內所有的點都將具有基本上相似的作用。具有非均勻空間分布圖的外部能源對空間重疊區域內不同的點具有可變的效果。可變的效果是按照強度分布或其邊界內能源的強度出現的。作為一個例子，考慮具有高斯強度分布圖的雷射束通過相變材料的傳播。若所述光束直接垂直於相變材料表面，則空間重疊的區域預期將基本上是圓柱形，同時所述光束沿著圓柱形的縱軸產生最大的效果，因為高斯雷射束的強度在中心最高。按照雷射束的高斯強度分布圖，空間重疊區域的其它點將在較小的程度上受到影響。圓柱形以外的點是在空間重疊區域之外並且在高斯光束通過相變材料傳播時不直接受高斯光束的影響。
所施加的能量的空間分布圖通過限定接觸區或所施加的能量與相變材料的空間重疊區來影響非晶態標記的形狀。在不存在諸如此後將要描述的互補效應的情況下，非晶態標記只可以在空間重疊區域內形成，因為這個區域代表了相變材料加上能量的部分。若加上足夠的能量，把溫度提升到形成非晶相所需的溫度或更高，則會形成標記。因此，標記的形狀和尺寸決定於所施加能量的空間分布圖。若所施加的能量的邊界內的強度分布是這樣的使得空間重疊區域內所有的點都被加熱到足以形成非晶相的溫度，則標記將與空間重疊區域的整體重合。若只有空間重疊區域內選定的點被加熱到足以形成非晶相的溫度，則標記將只與這些點重合。於是，標記可能整個地或部分地與所施加的能量與相變材料空間重疊的區域重合。
因此，有可能通過控制所施加的能量的空間分布圖來控制標記的形狀，因為所述空間分布圖在相變材料內建立了溫度分布圖，而這個溫度分布圖對標記的可否形成是決定性的。溫度分布圖描述了作為所施加的能量的結果在相變材料內的一些位置上達到的溫度空間分布。在初始入射時，在所施加的能量與相變材料空間重疊的區域內建立溫度分布圖，因為正是這個區域是直接受所施加的能量影響的。空間重疊區域內每個位置上的初始溫度是在所述位置上所施加的能量的強度所特有的。在初始入射之後的時間裡，每一個位置上的溫度發生變化。若初始入射之後相變材料連續曝露在所施加的能量之下，則由於額外的能量傳遞到相變材料，導致一個位置上的溫度可能上升。因為在相變材料內能量的耗散或其它能量傳播方式，一個位置上的溫度還可能以低於僅靠所加能量來預測的低的速率降低(或升高)。能量傳播的效果將在下面更詳細地描述。
除了所施加的能量的空間分布圖以外，所施加的能量的施加時間或時間長短是影響標記形狀的另一個因素。在剛剛施加能量時相變材料上某處的溫度低於形成非晶相所要求的溫度，則在所述位置上最初不形成標記。但若延長的曝光所提供的額外能量足以把所述位置上的溫度提升到形成非晶相所要求的溫度以上，則繼續施加能量會導致標記形成。
所施加的能量的時間長短也會影響標記形成，即使加上足夠的能量把相變材料的溫度提升到形成非晶相所要求的溫度或更高，因為為了讓標記形成，相變材料必須在形成非晶相所需的溫度或更高的溫度下存在一段足夠長的時間。這種現象的一個例子是過熱，即儘管材料溫度已經上升到可以產生非晶相的溫度以上，但是材料的晶相仍舊保持。過熱出現在溫度已經高得足以形成非晶相的時間長度太短時。於是，控制施加能量的時間長度至少有兩種途徑可以對標記的形狀提供控制。
除了空間分布圖和所施加能量的時間外，影響標記形狀的第三個因素是能源加在相變材料上的能量的最終效果。直接加在相變材料特定部位或區域的能量並非不確定地停留在那個位置或那些區域內，而是可能傳輸到相變材料的其位置或區域。傳導冷卻和容性冷卻過程便是能量從相變材料的一個位置傳輸到另一個位置，或者從相變材料傳輸到相鄰或周圍的材料的一些例子。能量傳輸的淨效果是能量從高能區域重新分布到低能量區域。例如，熱能從高溫區域流動到低溫區域。
能量的傳輸通過影響相變材料的溫度分布圖來影響標記的形成。相變材料的溫度分布圖取決於向材料中特定位置添加能量的速率以及各位置之間能量的再分布。如前所述，標記形成要求把相變材料加熱到足夠高的溫度，並保持足夠長的時間。能量傳輸可能起到這樣的作用防止在相變材料中特定位置上達到形成非晶相所要求的溫度，或防止相變材料特定的點在足以形成非晶相的長時間周期裡保持足夠高的溫度的作用。
能量傳輸還通過提供所施加的能量與相變材料空間重疊區域以外的相變材料部分間接接收能量的機制來影響標記形成。如前所述，所施加的能量初始入射相變材料提供了直接把能量加在空間重疊區域的機制。這個區域決定於所施加的能量的邊界及其通過相變材料傳播的方向。儘管空間重疊區域以外相變材料部分不直接接受能量，但是它們會通過能量的傳輸間接地接受能量。澱積在空間重疊區域的能量可能傳輸到空間重疊區域以外的區域。這種能量傳輸代表一種間接將能量澱積到不與所加能量直接相互作用的相變材料部分的機制。間接能量傳輸機制可能導致空間重疊區以外的相變材料的溫度上升。因而能量傳輸影響相變材料的溫度分布圖。
從標記形成的觀點看，能量傳輸可能通過間接提供能量導致空間重疊區域以外形成標記。這種效果可能在空間重疊區域以外間接提供的能量總量足以使相變材料空間重疊區域以外的部分的溫度上升到形成非晶相所要求的溫度或更高的溫度時出現。其後果是，標記形成可能發生在空間重疊區域以外。這種效果可能是不希望的，因為它可能導致不希望出現的標記形成、標記增大的趨勢或存儲密度的降低。標記增大可能導致標記邊界模糊，還可能導致標記之間的串音。
為了控制標記的形狀，重要的是控制相變材料的溫度分布圖。影響給定時間的溫度分布圖的因素包括向相變材料施加能量的速率、所施加的能量的時間長短、相變材料內所施加的能量的空間分布圖和相變材料內能量的再分布或傳輸速率。相變材料的加熱和冷卻速率以及相變材料內特定點受到這些因素影響。所施加的澱積入相變材料的能量總量在下文中稱作標記形成可用的能量預算。在本發明一個推薦的實施例中，相變材料內可用於標記形成的能量是熱能，而能量預算是熱能預算，後者可以稱作熱預算。熱預算可以以所施加的熱能的形式或通過從所施加的能量轉化為澱積的相變材料上的熱能接收。
熱預算的管理是控制標記形成和形狀的一個重要因素。通過熱預算的管理，溫度分布圖可以得到控制，而標記的形成可以選擇性地出現在相變材料與預期形狀對應的區域。管理熱預算的一種策略是選擇性地施加或使熱預算指向要求形成標記的相變材料區域。隨著標記形成的進展和標記增大，熱預算減少，直至剩餘的能量不足以使標記進一步增大。標記形成的停止可能在可用的熱預算不足以使相變材料的部分的溫度上升到足以允許非晶相形成時出現。
可以通過適當地管理熱預算完成標記的形成。形成給定形狀的標記所要求的熱預算由必須將溫度提高到足以允許非晶相形成的標記形狀相關的相變材料的體積決定。標記形狀的橫向和垂直方向的尺寸定義了與標記相關的相變材料的體積。對於給定的標記尺寸，可以算出最小熱預算，它相當於把與標記相關的相變材料體積的所有點的溫度提升到足以允許非晶相形成的最低溫度所需的最小熱量。
原則上，澱積與特定的標記形狀相關的最小熱預算應該足以形成標記。但實際上，最小熱預算策略有幾方面的複雜性。為了有效，最小熱預算策略要求在要求的標記形狀的邊界內每一個點上澱積足夠的能量，以便把溫度升高到能夠允許非晶相形成的最低溫度。與最小熱預算策略相關的一個複雜性是有必要知道允許要求的標記形狀邊界內所有的點形成非晶相所要求的最小能量。這要求詳細了解諸如所要求的標記整個區域的局部成分和允許從每一個點產生非晶相的最低溫度等這樣一些因素。若相變材料是同質的，則可以假定要求的標記的邊界內所有的點都要求相同的最小施加能量。但許多材料是異質的，並在短的長度範圍內表現出異質成分。在逐點的基礎上對這樣的材料計算形成非晶相所要求能量的最小量是困難的。即使逐點的能量已知，最小熱預算還要求可以獲得匹配的或者可以調整得在預期的標記邊界內提供逐點最小能量的外部能源。即使所施加的均勻的最小能量是整個預期的標記邊界內要求的，這或許也是不可能的。所施加的能量只有一部分澱積的相變材料內而且這個部分可能無法得知這樣一個事實也令逐點施加最小能量變得複雜。
另外，最小熱預算策略要求澱積的任何能量都必須保留在澱積的點上或者至少在預期的標記邊界內。傳輸給預期的標記邊界以外的區域的能量都代表損失的能量，它們內在地使最小熱預算策略失效。很可能無法防止能量的傳輸，因為在預期的標記邊界內能量的澱積提高了這些邊界內的溫度，並相對於標記預期邊界以外的相變材料建立起溫度梯度。這樣的溫度梯度為能量的傳輸提供了驅動力。若能在比與能量傳輸相關的時間刻度相比短得多的時間刻度上，在形成非晶相的過程中消耗所澱積的能量，或許可以防止或至少抑止這種能量傳輸。但是，這種條件可能是難以滿足的，因為相變材料必須停留在或高於足以允許非晶相形成的溫度上足夠長的一段時間，以便形成標記。為形成非晶相所達到的溫度變得越低，所要求的足夠長的時間周期就變得越長。因為最小熱預算策略意味著在預期的標記邊界內逐點建立能夠產生非晶相的最低溫度，所以最小熱預算策略所起的作用是，延長預期的標記邊界內相變材料保持在一個升高了的溫度下的時間長度。相對於預期的標記邊界以外的相變材料部分的溫度梯度存在的時間隨能量傳輸的可能性加大而增加。
因為存在與最小熱預算策略相關的困難，故可以有利地利用標記形成時超過最小熱預算的能量。這些過剩的能量可以用來緩解與最小熱預算策略相關的困難，並且可以補償能量傳輸和其它過程所損失的能量。但是過剩能量的存在可能帶來其它複雜性，因為最終須要耗散或分散超過形成具有期望的邊界的標記所要求的任何能量。因此，儘管過剩的能量可以加速標記形成，但必須以這樣的方式加以處理或分配，即，不得妨礙形成具有預期的大小或形狀的標記這個目的。
作為一個示例，考慮用過剩熱預算來把標記預期邊界內的溫度提高到高於形成非晶相所要求的溫度。這種溫度上升可能會縮短形成非晶相所需的時間，因此方便了標記形成。但是標記一旦形成，它便存在於一個高於可能有必要採用最小熱預算策略的溫度之下。過熱的標記肯定須要冷卻到其平衡溫度，而且在冷卻過程中釋放出來的能量很可能耗散到標記邊界以外的相變材料部分。這個耗散的能量導致在應該形成的標記邊界以外形成非晶相，這又造成諸如標記增大或形成假標記等破壞性效果。若耗散的能量持續足夠長的時間或其幅值使標記預期邊界以外的相變材料部分的溫度升高到足以形成非晶相的溫度，則就可能出現這些效果。
若標記形成後過剩能量存在在標記邊界內一段足夠長的時間，則另一個複雜性就可能出現。若非晶相被加熱，或者形成後仍被加熱一段足夠長的時間，則非晶相再結晶可能出現。在低於形成非晶相所要求的溫度下可能出現再結晶，因而在新形成的非晶相冷卻過程中，若冷卻太慢，則可能出現再結晶。再結晶是由非晶相轉變為晶相的過程。從非晶相形成晶相的條件可以用先有技術眾所周知的TTT圖(時間-溫度-轉變)描述。TTT圖總結了非晶相必須停留在特定溫度以便形成晶相的時間。再結晶可以出現在由最低溫度與最高溫度限定的溫度範圍內，其中最低和最高溫度取決於相變材料的化學成分。為了在再結晶所要求的最低溫度下認再結晶在相變材料內出現，材料必須在較長的一段時間內保持該溫度。隨著溫度上升到超過所述最低溫度，在能夠產生晶相的最低溫度和最高溫度之間的某個溫度下，再結晶需要的時間縮短，直至達到再結晶所需的最短時間。在高於能夠產生晶相的最高溫度的溫度下，進一步提高溫度會導致再結晶所需的時間延長到不再可能結晶為止。這個最高溫度一般低於相變材料的熔化溫度。
因此，隨著溫度從結晶所要求的最低溫度提高到能夠形成晶相的最高溫度，結晶所需的時間一直減小直至達到最短時間，然後再增加。結晶所需的時間的這種變化反映了導致光致晶相結晶的各種競爭性效應之間的平衡。這些因素包括非晶相原子重新排列成可能發生結晶的之間結構以及相變材料在相當長一段時間內保持這種中間結構以便發生結晶的能力。在較低的溫度下，存在的熱量太低，不允許非晶相原子表面移動和重組。反之移動是緩動的，而結晶所要求的時間會相應地長。在較高的溫度下，存在的熱量足以使非晶相原子表面移動和重組。但是，移動發生於表面，以致於有助於結晶的原子中間結構的存在時間不允許最佳結晶。反之，熱能在結晶完成之前破壞了這個結構。
相關的結晶效應在標記預期邊界以外存在的能量傳輸(或再傳輸)到標記預期邊界之內時出現。能量可能存在於標記預期邊界之外，因為它是直接由所施加的能源(例如，若所施加的能量的空間分布圖擴展到標記預期邊界之外時就可能出現)或者它代表已經傳輸的直接施加在標記預期邊界內的能量。存在於標記邊界之外的能量回到標記邊界之內是可能的。這樣能量可以誘發標記部分結晶，使標記質量受影響。這種作用可以稱作反向結晶。
因此，一種光學記錄和標記形成所用的有效的過剩熱預算管理策略不僅加速預期邊界內標記的形成，而且便於進行無害的過熱預算處理。諸如標記增大、假標記形成、標記邊界擴散、隔開的標記合併、再結晶和反向結晶都需受到控制。
本發明提供一種通過形成具有預期形狀的標記來記錄信息的策略。所述策略允許施加超過最小熱預算策略中所要求的數量的能量，但是力求使過剩最小化，因而可以稱作低熱預算策略。所述策略進一步尋求以無害的方式耗散過剩的熱預算。在本發明中，熱預算管理是通過以短的能量脈衝的形式施加能量來解決的。已經舉例說明，短的能量脈衝提高了冷卻速率，便於使能量從預期的標記邊界耗散出去。按照本發明，通過更好地利用形成標記的能量，和促進過剩熱預算耗散的無害機制，為能量脈衝對熱預算提供更有效的控制。
本發明的一個方面是短脈衝通過使容性冷卻機制超過傳導冷卻的機制來提高能量的耗散。容性冷卻比傳導冷卻提供更快冷卻的速率。從形成預期形狀的標記的觀點看，強調容性冷卻是有利的，因為較快的能量耗散會把標記預期邊界以外形成標記的可能性減到最小。當過剩熱預算快速傳輸時，它傳到標記預期邊界以外，而不會在標記預期邊界以外相變材料任何特定部分停留一段足以形成非晶相的時間。因而，標記的邊界界線比較清晰。能量的快速傳輸還抑制再結晶，因為短脈衝所施加的能量一旦撤走，提高了的標記溫度隨著它的形成而迅速降低。溫度的迅速降低使標記在能夠產生晶相的溫度下保持足以形成晶相的時間長度的可能性最小。
權利要求
1.一種對光學相變材料進行記錄的方法，所述方法包括以下步驟通過向所述相變材料施加多個能量脈衝來形成標記，每個所述脈衝具有小於14毫微秒的脈衝寬度。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於每個脈衝寬度小於10毫微秒。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於每個脈衝寬度小於7毫微秒。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述標記具有恆定的寬度或呈錐形的寬度。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述標記包括非晶態材料。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述活性材料包括硫族化物。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述標記提供兩個以上的記錄級別。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於形成多個所述標記，而活性材料具有多個尺寸均勻的預定的數據單元，每個標記都完全在數據單元內形成。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於不同記錄級別的標記由標記寬度區分。
全文摘要
一種把信息寫入光學存儲裝置的方法。所述方法包括通過用所施加的能源照射活性材料，把標記寫在光學存儲裝置的活性材料上。在一個實施例中，所施加的能源提供多個能量脈衝。在另一個實施例中，超過形成標記所需的能量的過剩能量以把標記增大、假標記形成、再結晶和反向結晶減到最小的方式釋放或耗散。所述方法通過增大容性冷卻的貢獻來提供較好的冷卻特性。
文檔編號G11B7/013GK1831960SQ20051013706
公開日2006年9月13日 申請日期2001年12月21日 優先權日2000年12月22日
發明者D·朱 申請人:能源變換設備有限公司