適於使用紫外雷射源存儲數據的光學記錄盤的製作方法

2023-12-02 16:46:16 1

專利名稱：適於使用紫外雷射源存儲數據的光學記錄盤的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學記錄載體，其使用記錄/讀取設備來存儲數據。所述記錄/讀取設備包括波長λ在230nm至270nm範圍內的紫外雷射器。該記錄設備包括用於在光學記錄盤上聚焦雷射束的物鏡。該物鏡具有預定的數值孔徑NA。
光學數據存儲系統在數據容量方面歷經了逐年的提高。光學存儲系統，特別是光碟，是通過單色雷射束讀取的，所述雷射束經由物鏡會聚在盤上。光碟的數據容量受限於該單色雷射束的焦點尺寸。光斑尺寸與所使用的雷射的波長(λ)和物鏡的數值孔徑(NA)成比例DNA]]>光碟的總數據容量由讀出和/或記錄系統的光斑尺寸決定。
通過提高物鏡的數值孔徑(NA)並減小雷射的波長(λ)，總數據容量從650M字節(CD，NA＝0.45，λ＝780nm)提高到了4.7G字節(DVD，NA＝0.60，λ＝650nm)，甚至達到了25G字節(BD，前身是DVR，NA＝0.85，λ＝405nm)。BD(藍光碟)的數據密度是按光學比例從DVD的數據容量推導的。
聚焦雷射束必須由一個控制機構驅動，以便在數據的讀出或記錄期間精確地跟蹤軌道。軌道是在盤上將要記錄信息的區域。通常的軌道具有螺旋形狀。為了在盤上讀取或記錄信息，雷射束的焦點必須跟隨軌道。為此目的，在光碟上提供一種螺旋溝槽結構。對於僅溝槽記錄(groove-only recording)，數據被寫在溝槽階面(grooveplateau)內或相鄰的槽脊階面(land plateau)上。本文中，我們將最靠近入射雷射束的階面表示為槽上階面(on-groove plateau)。最遠離入射雷射束的階面稱為槽內階面(in-groove plateau)。數據也可同時寫在槽內階面與槽上階面上。這種記錄方案稱為槽內/槽上記錄(in-groove/on-groove recording)。

圖13示意地表示了槽內/槽上的同時記錄。軌道是數據被寫在槽上或槽內階面的位置(僅溝槽記錄)，或是被同時寫在槽內和槽上階面的位置(槽內/槽上記錄)。兩個軌道之間的距離稱為軌距(TP)。
跟蹤誤差是雷射束的焦點的預期位置與實際位置之間的偏差。焦點的預期位置是在軌道的中心處。用來產生跟蹤誤差信號的光學參數通常叫做推挽信號。為了檢測焦點相對於軌道的空間偏移，記錄/讀取設備具有輔助檢測器以用來基於溝槽結構產生推挽信號。利用該推挽信號來控制致動器，致動器在盤的旋轉期間定位記錄頭，從而在軌道上定位焦點。
溝槽結構由槽深d、側角θ、槽寬L1和溝槽佔空比來表徵。圖2中給出了它們的定義。在如圖2所示的槽內排布的情況下，兩個相鄰溝槽之間的間距等於軌距。槽深d即為溝槽的深度。溝槽佔空比定義為槽寬L1除以軌距TP。側角θ決定了溝槽與相鄰階面之間的斜度。在當前的定義下，槽上就是指入射雷射束首先到達的基板部分(階面)，槽內就是指遠離入射雷射束的基板部分(溝槽)。
此外，溝槽形狀還對局部的光吸收具有顯著影響。這例如可以從藍光碟系統(DVR系統)的初始相態中的槽脊/溝槽記錄方案中了解，其中槽脊和溝槽階面表現出不同的記錄現象。在槽脊/溝槽的定義方案中，就寫入功率和熱交叉寫入(通過在中心軌道中寫入標記而可部分擦除相鄰軌道中的標記的現象)而言，觀察到槽脊和溝槽加熱之間明顯的差異。溝槽(槽內)加熱傾向於更高的寫入功率和更多的熱交叉寫入。因此，在同時考慮跟蹤與光學吸收的情況下，具有最佳性能的溝槽形狀的合適選擇對於高質量的光學數據記錄是最為重要的。
本發明的目的是提供一種用於存儲數據的光學記錄載體，它對於深度UV記錄具有成比例擴大的數據容量，並針對跟蹤和光學吸收進行了優化。
該目的是通過一種用於存儲數據的光學記錄載體實現的，所述光學記錄載體的特徵在於對於僅溝槽記錄和槽內/槽上記錄，螺旋軌道都具有0.55×λ/NA與0.75×λ/NA之間的軌距TP。λ是用於讀取/記錄數據的紫外雷射的波長，其範圍在230nm至270nm之間。NA是用於將雷射束會聚於光學記錄盤上的物鏡的數值孔徑。例如目前用於藍光碟系統的高端物鏡的典型數值孔徑為NA＝0.85。在這種情況下，λ＝266nm的系統的有效光斑半徑R0(即雷射光斑強度下降到其最大強度的1/e處的半徑)為R0＝99nm。表1中比較了R0的這個值與其它三種已知系統(CD、DVD和BD)的值。相關的光斑面積和預期數據容量也在表中給出了。若考慮有效光斑面積(πR02)，則可以看出UV系統的數據容量預期可達到60-65G字節。對於數值孔徑NA＝0.65，所得到的數據容量低於數值孔徑NA＝0.85的情形。
表14代光學存儲系統的光斑尺寸和測算數據容量總之，對於λ＝266nm和NA＝0.85來說，有效光斑半徑R0約為100nm。如果追求過小的軌距，則光斑將極廣地覆蓋相鄰軌道和寫入數據，這可導致數據破壞、讀出數據時的光學串擾以及推挽跟蹤信號的嚴重劣化。另一方面，如果追求過寬的軌距，則將達不到目標數據容量。本發明獲得了關於最小熱交叉寫入、可接受的光學串擾、可接受的推挽信號以及最大可實現數據容量的最佳數據軌距。圖1中給出了CD、DVD、BD和UV系統的跨軌(橫向)溫度分布的數值模擬。
圖1示出了作為雷射脈衝加熱(50ns的寫入脈衝)的結果的對於CD、DVD、BD和UV條件下的跨軌(橫向)溫度分布。該分布是以軌道中心的最高溫度為基準被標準化了，且被描繪成跨軌(橫向)坐標的函數，而該跨軌坐標以有效光斑尺寸(R0)為度量單位。
可以看出所有的溫度分布都服從類似的曲線。從圖中我們可以看到在徑向位置y＝2×R0的相鄰軌道的中心的溫度已下降到了最高溫度Tmax的0.2倍。
在基於相變的可重寫光碟中，熱交叉寫入特別是因中心軌道的寫入而導致的相鄰軌道中的標記的(部分)重結晶。雷射引入的重結晶發生在高於結晶溫度(200℃-300℃)的溫度。軌道中的最高溫度(Tmax)約為800℃-1000℃，以使足夠寬的標記熔融。取決於記錄材料的具體性能，相鄰軌道中的0.2Tmax或更低的溫度是一個避免熱交叉寫入的合理基準。在此情形中，相鄰軌道處的溫度保持在200℃以下。如果我們將TP＝2×R0作為軌距的最小值，則可以避免熱交叉寫入。如果光斑強度分布服從高斯分布，則可得到下面的R0的表達式R0＝0.52*1.22*λ/(2*NA)為儘量避免熱交叉寫入，優選為TP＝2×R0。於是TP＝2*R0TP＝2*0.52*1.22*λ/(2*NA)TP＝0.63*λ/NA值0.63附近的範圍是所要求的，即0.55*λ/NA＜TP＜0.75*λ/NA下限0.55是通過在實際材料中的熱交叉寫入決定的。上限0.75與數據容量有關。由此提供了一種具有優化了軌距的使用UV雷射的光碟。
優選地，所述光記錄盤的特徵是槽深為d，其中所述的槽深在112n0]]>和14n0]]>之間，n0是光記錄盤的覆蓋層的折射率。槽深決定了用於跟蹤的推挽信號的幅度。推挽信號必須足夠強以便確定雷射光斑是否在軌道上。
槽深應當這樣選擇槽內反射的波長λ的光束與槽上反射的波長λ的光束之間會發生部分相消性幹擾。如果從槽脊反射的光束和從溝槽反射的光束之間的光學延遲為λ/(n0×2)，即2×d×n0＝λ/2，則兩束光相互完全抵消，且從光碟上反射的光的總強度最小。nO是記錄疊層與物鏡之間的介質的折射率。當使用覆蓋層時，該折射率n0是該覆蓋材料的折射率，對於空氣入射的記錄，n0＝1。d是槽深，而2×d×n0是從槽內和槽上反射的光束之間的光學延遲。槽上和槽內之間的光程差定義為d×n0或光學延遲的一半。
由此，為了避免完全的相消幹擾，以不至於得到極低的反射光強度及因此得到極低的信號幅度，槽深應當小於d＝λ/(4×n0)。對於大於這個值的槽深，推挽信號的極性會反轉。因此，在實際的盤中使用約λ/8的光程差。λ/12的最小光程差將保證足夠強的跟蹤信號。但這並不是一個嚴格的限度，因為推挽幅度不僅取決於槽深，而且同樣取決於軌距對於較大的軌距，稍淺的溝槽也能被接受。
本發明既覆蓋僅溝槽記錄，也覆蓋槽內/槽上記錄。僅溝槽記錄是只用槽內或槽上階面進行記錄的記錄方案。在槽內/槽上記錄中，兩個階面都被用來記錄。圖13中描繪了藍光碟條件下的兩種記錄方案。箭頭指示了入射雷射束。圖13中示出了槽內/槽上記錄的曲線圖(上圖)和僅溝槽記錄的曲線圖(下圖)。下圖表示了一種記錄方案，其中用槽上階面進行記錄。下圖的軌距TP等於320nm，且等於相鄰階面的中心之間的距離。上圖的軌距TP等於300nm，且等於一個階面的中心與一個相鄰溝槽的中心的距離。上圖中兩個相鄰階面的中心之間的距離等於600nm。
優選地，所述光碟具有的佔空比DC在30％和70％之間。如果佔空比接近0％或100％，則推挽信號將消失。
現在將參照附圖來描述本發明的一個優選實施例。
圖1示出了作為雷射脈衝加熱(50ns的寫入脈衝)的結果的對於CD、DVD、BD和UV條件下的跨軌(橫向)溫度分布。該分布是以軌道中心的最高溫度為基準被標準化了，且被描繪成跨軌(橫向)坐標的函數，而該跨軌坐標以有效光斑尺寸(R0)為度量單位。
圖2是本發明的優選實施例的示意圖。
圖3示出了溝槽形BD和UV介質的跨軌溫度分布。所顯示的是槽內和槽上的溫度分布。
圖4示出了對於多個槽深的槽內加熱的跨軌溫度分布(UV記錄條件)。
圖5示出了對於兩個槽深的槽上加熱的跨軌溫度分布(UV記錄條件)。
圖6示出了作為徑向位置的函數的推挽信號，該徑向位置以軌距為標準。記錄是通過覆蓋層來進行的。軌距TP等於175nm且溝槽佔空比等於50％。
圖7示出了作為徑向位置的函數的推挽信號，該徑向位置以軌距為標準。記錄是通過覆蓋層來進行的。軌距TP等於200nm且溝槽佔空比等於50％。
圖8示出了作為徑向位置的函數的推挽信號，該徑向位置以軌距為標準。記錄是通過覆蓋層來進行的。軌距TP等於225nm且溝槽佔空比等於50％。
圖9示出了作為徑向位置的函數的推挽信號，該徑向位置以軌距為標準。所進行的是空氣入射記錄。軌距TP等於175nm且溝槽佔空比等於50％。
圖10示出了作為徑向位置的函數的推挽信號，該徑向位置以軌距為標準。所進行的是空氣入射記錄。軌距TP等於200nm且溝槽佔空比等於50％。
圖11示出了作為徑向位置的函數的推挽信號，該徑向位置以軌距為標準。所進行的是空氣入射記錄。軌距TP等於200nm且溝槽佔空比等於50％。
圖12展示了兩個圖，它們表示在溝槽佔空比為30％、50％和70％的光碟中進行槽內和槽上加熱的跨軌溫度分布。
圖13是槽脊/溝槽加熱和僅溝槽加熱和記錄的示意圖。
圖2是本發明的一個實施例的示意圖。它展示了所提出的共形的(conformal)溝槽形狀。在一個預置溝槽的基板上沉積MIPI疊層(M表示金屬，I表示介電層，P表示相變層)。圖2所示的光學記錄載體包括下列各層覆蓋層、頂介電層、相變層PC、底介電層、金屬層和最後的基板層。
錐形29表示聚焦的入射電磁輻射束的方向。「槽內」指的是在基底中模壓的溝槽。此處考慮的是僅溝槽記錄的方案。槽內/槽上記錄方案是本發明的另一種實現方式，本實施例並未涉及。在如圖2所示的槽內排布的情況下，兩個相鄰溝槽之間的節距等於軌距TP。其它的溝槽尺寸有側寬FW、槽內寬度L1、槽上寬度L2、側角θ和槽深d。「槽上」就是槽脊階面。如圖2中所示，記錄介質的軌距TP等於200nm；槽深等於20nm；溝槽佔空比等於50％。槽內和槽上寬度L1和L2都是100nm。側角等於60°。側寬FW等於11.5nm。
下面的表2列出了圖2中所示的本實施例的光碟的屬性。N是各個層的折射率，K是在266nm的波長下不同層的吸收率。
表2疊層設計中各層的層厚及光學性能(波長λ＝266nm)
圖2中所示的光學記錄盤為波長等於266nm的雷射和數值孔徑NA＝0.85的物鏡進行了優化。由TP＝0.64×λ/NA得到軌距等於200nm。這恰在所附的權利要求1覆蓋的範圍內。20nm的槽深相當於17.5n0,]]>這恰在所附的權利要求2覆蓋的範圍內。50％的佔空比則包含在所附的權利要求3中。
圖3中給出了槽深為20nm的BD與UV光記錄載體的跨軌溫度分布。BD疊層的其它參數為TP＝320nm、FW＝11.5nm、L1＝L2＝160nm(DC＝50％)，UV溝槽形狀的參數為TP＝200nm、FW＝11.5nm、L1＝L2＝100nm(DC＝50％)。UV介質相當於圖2中的實施例。所顯示的是對於槽內和槽上加熱的溫度分布。為便於比較槽內和槽上加熱之間的差別，將槽上分布偏移了1/2TP。對於20nm深的溝槽，可以看到槽內和槽上加熱之間的差別在BD記錄條件(NA＝0.85、λ＝405nm)下是相對較小的，而該差別在UV記錄條件(NA＝0.85、λ＝266nm)下是顯著的。對於兩種記錄系統，槽上加熱都帶來了較低的旁瓣和更寬的中央峰溫度。
圖3中顯示的較窄的兩條曲線表示的是對於槽內和槽上軌道的UV溫度分布。由於UV曲線具有更小的旁瓣和一個高的峰值，UV曲線的溫度分布優於BD曲線的溫度分布。因此它更容易避免熱交叉寫入。
熱交叉寫入是在寫入中心軌道期間部分地擦除或覆寫了存在於相鄰軌道中的標記的現象。槽內加熱會導致相鄰軌道的較高溫度，因此槽內記錄對於熱交叉寫入更加敏感。在UV系統的情況下，相鄰軌道中的標記位於y＝TP＝200nm處。因此，旁瓣只能達到100nm而幾乎不可能導致相鄰標記的重結晶。若將熔融邊界作為標記形成的基準，則槽上記錄會產生更寬的標記。顯然，槽上記錄比槽內記錄需要更小的寫入功率。
圖4中示出了對於各種槽深的槽內加熱的跨軌溫度分布。從該分布圖中看，很明顯25nm的槽深帶來了軌道中心的最高溫度。圖5示出了對於槽上加熱的跨軌溫度分布。中心軌道處的溫度分布更寬，並且也具有更不顯著的旁瓣。
對於UV記錄來說，槽內和槽上加熱都可以考慮。在僅溝槽記錄的情況下，標記被部分地寫入到相鄰的側面和階面處。如果標記所需要的寬度超過中心階面，則槽內記錄是合適的。人們可以有利地使用相對較高的旁瓣，對於寫入標記只需要中等的功率電平。如果追求的是窄的標記，例如為了進一步縮小數據軌距，則推薦槽上記錄方式。從熱學的角度看，優選的槽深約為20-25nm。另外，佔空比的影響也是重要的。
圖12中解釋了藍光碟條件下的佔空比的影響。圖13的上圖示出了槽內記錄的溫度分布。圖13的下圖示出了槽上記錄的溫度分布。兩個圖中的軌距TP、槽深d和側角都是相等的。兩幅圖中都顯示了對於不同佔空比DC(即30％、50％和70％)的溫度分布。相比於槽上記錄，槽內記錄的溫度分布中的旁瓣更大。大的佔空比導致寬的溫度分布。對於小佔空比的情況，則得到狹窄的溫度分布。
圖6至11中示出了不同光碟結構的推挽跟蹤信號。圖6至11中的推挽信號是計算結果。在透過覆蓋層(折射率n0＝1.5)記錄的情況下和在空氣入射記錄(折射率n0＝1.0)的情況下對於三個不同的軌距(TP)假設λ＝266nm且NA＝0.85的跟蹤信號。
圖6示出了作為徑向位置的函數的推挽信號，該徑向位置以軌距為標準。記錄是通過覆蓋層來進行的。軌距TP等於175nm且溝槽佔空比等於50％。在圖7中，記錄是透過覆蓋層進行的，軌距TP等於200nm且溝槽佔空比等於50％。在圖8中，記錄是透過覆蓋層進行的，軌距TP等於225nm且溝槽佔空比等於50％。在圖9中，所進行的是空氣入射記錄，軌距TP等於175nm且溝槽佔空比等於50％。在圖10中，所進行的是空氣入射記錄，軌距TP等於200nm且溝槽佔空比等於50％。在圖11中，所進行的是空氣入射記錄，軌距TP等於200nm且溝槽佔空比等於50％。
在溝槽幾何尺寸的選擇上必須考慮的另一個要求是跟蹤所需的推挽信號。從數據容量的角度看，小的軌距是合適的，但這會劣化推挽信號從而使跟蹤的可靠性打折扣。實際應用中，0.2的標準化推挽信號在跟蹤可靠性和徑向數據密度之間提供一個良好的折衷。
圖7的示圖中的20nm槽深的曲線是圖2中所示的優選實施例的光碟的曲線。對於上述曲線，標準化推挽信號超過了0.2。因此優選實施例的光碟提供了令人滿意的推挽信號。
權利要求
1.適於使用記錄/讀取設備來存儲數據的光學記錄載體(20)，所述記錄/讀取設備包括紫外雷射源和物鏡(21)，該雷射源發射波長λ在230nm至270nm的範圍內的電磁輻射(29)，該物鏡(21)的數值孔徑為NA，用於將該電磁輻射會聚在該光學記錄載體上，其特徵在於螺旋軌道(22)的軌距TP在0.55×λ/NA和0.75×λ/NA之間。
2.如權利要求1所述的光學記錄載體，其特徵在於槽深為d，其中所述槽深在 和 之間，n0是該光學記錄載體的覆蓋層的折射率，或者在光學記錄載體不具備覆蓋層的情況下，n0等於1。
3.如權利要求1或2所述的光學記錄載體，其特徵在於溝槽佔空比在30％和70％之間。
全文摘要
一種適於使用記錄/讀取設備來存儲數據的光學記錄載體(20)，所述記錄/讀取設備包括紫外雷射源，該雷射源發射波長X在230nm至270nm的範圍內的電磁輻射(29)。該記錄/讀取設備還包括物鏡(21)，用於將電磁輻射(29)會聚在該光學記錄載體上。NA是該物鏡(21)的數值孔徑。該光學記錄載體包括螺旋軌道(22)，其軌距TP在0.55×λ/NA和0.75×λ/NA之間。
文檔編號G11B7/24079GK1930614SQ200580007476
公開日2007年3月14日 申請日期2005年3月3日 優先權日2004年3月9日
發明者E·R·梅恩德斯, A·米傑裡特斯基, H·C·F·馬坦斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司