DE69719601T2

DE69719601T2 - Optisches Datenspeichersystem mit mehreren Aufzeichnungsschichten vom wieder einschreibbaren Phasenänderungstyp

Info

Publication number: DE69719601T2
Application number: DE69719601T
Authority: DE
Inventors: Hal Jervis Rosen; Kurt Allan Rubin; Wade Wai-Chung Tang
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1997-05-22
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2017-05-23
Also published as: JP3392706B2; EP0810590B1; US5761188A; KR100247718B1; JPH10116441A; TW414892B; EP0810590A2; KR970076595A; DE69719601D1; CN1094631C; EP0810590A3; CN1167313A

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft allgemein optische Datenspeichersysteme und insbesondere ein solches System, das ein optisches Medium mit mehreren Aufzeichnungsschichten verwendet.

Hintergrund der Erfindung

Optische Datenspeichersysteme wie optische Plattenlaufwerke ermöglichen die Speicherung großer Datenmengen auf dem optischen Medium. Die Daten werden durch Fokussieren eines Laserstrahls auf die Aufzeichnungsschicht des Mediums und nachfolgendes Empfangen des reflektierten Lichtstrahls abgerufen.
Bei WORM-Systemen, (write-once read-many, einmal schreiben, mehrmals lesen), schreibt der Laser Daten durch Anbringen dauerhafter Markierungen in der Aufzeichnungsschicht. Nach dem Aufzeichnen der Daten in dem Medium können sie nicht mehr gelöscht werden. Ein Beispiel stellt ein Phasenänderungs-WORM- System dar, das Legierungen mit Phasenänderung als Aufzeichnungsmaterial und einen Laserstrahl verwendet, der Daten durch lokale Umwandlung des Phasenänderungsmediums von einer ersten in eine zweite Phasenstruktur schreibt. Die WORM- Funktion wird dadurch erreicht, dass die zweite Phasenstruktur des Mediums nicht einfach zur ersten Phasenstruktur zurückkehrt, was zu dauerhaft gespeicherten Datenbits führt.
Ein reversibles oder wieder beschreibbares Phasenänderungssystem hingegen verwendet ein Medium, das zwei stabile Phasen aufweist. In dem Medium wird ein Datenbit gespeichert, indem eine kleine lokale Stelle in eine stabile Phase überführt wird. Das Datenbit kann durch Rückführung der lokalen Stelle in die Anfangsphase gelöscht werden. Die Anfangsphase ist üblicherweise eine kristalline Phase, und der Laserstrahl schreibt Daten durch lokale Umwandlung des Materials in der Datenschicht in eine stabile amorphe Phase. Dies erfolgt durch Erhitzen der kristallinen Phase über deren Schmelzpunkt und rasches Abkühlen, sodass die ungeordnete Struktur an dieser Stelle erhalten bleibt und zu einer amorphen Struktur führt. Das Datenbit kann später durch Rückwandlung der amorphen Phase zur kristallinen Anfangsphase gelöscht werden. Dies wird durch Erhitzen des amorphen Bereichs und Halten der Temperatur bei oder oberhalb der Kristallisationstemperatur oder alternativ durch Schmelzen und langsames Abkühlen erreicht, bis der Bereich auskristallisiert ist. Bei dieser Art von Phasenänderungssystem werden die Daten aufgrund der Änderung des Reflexionsgrades zwischen einem kristallinen Bereich und einem amorphen Bereich im Medium gelesen oder nachgewiesen.
Es sind auch reversible oder wieder beschreibbare optische Aufzeichnungssysteme mit. Phasenänderung bekannt, bei denen der unbeschriebene oder Anfangszustand eine amorphe Phase der Datenschicht und der beschriebene oder Aufzeichnungszustand die kristalline Phase ist. Diese Arten optischer Aufzeichnungssysteme werden oft als "Umkehrschreibsysteme" bezeichnet. In der US-Patentschrift 5 383 172 wird ein Umkehrschreibsystem beschrieben, bei dem das Löschen der kristallinen Phase der beschriebenen Datenschicht durch Pulsen des Lasers gemäß einem speziellen Muster erfolgt. Das gewählte spezielle Impulsmuster weist solche Energieniveaus und Impulslängen auf, bei denen die unbeschriebenen amorphen Bereiche der Datenschicht in der Nähe der zu löschenden geschriebenen Daten nicht kristallisieren.
Zur Erhöhung der Speicherkapazität einer optischen Speicherplatte sind Systeme mit mehreren Aufzeichnungsschichten vorgeschlagen worden. Bei einer optischen Speicherplatte mit zwei oder mehr Aufzeichnungsschichten kann man auf die verschiedenen räumlich voneinander getrennten Aufzeichnungsschichten durch Ändern der Lage des Brennpunkts der Linse zugreifen. Der Laserstrahl tritt durch die näher gelegene Aufzeichnungsschicht, um Daten aus der (den) weiter entfernt gelegenen Aufzeichnungsschicht(en) zu lesen oder in sie zu schreiben. Bei Speicherplatten mit mehreren Aufzeichnungsschichten ist es erforderlich, dass die zwischen der Plattenoberfläche, auf die das Laserlicht auftrifft, und den letzten oder am weitesten entfernt gelegenen Aufzeichnungsschichten liegenden Aufzeichnungsschichten transparent sind. Beispiele dieses Ansatzes sind in den US-Patentschriften 5 202 875, 5 097 464 und 4 450 553 enthalten. In der US-Patentschrift 5 555 537 wird ein optisches Aufzeichnungssystem mit mehreren Datenschichten beschrieben, bei dem die einzelnen Aufzeichnungsschichten aus einem WORM-Material mit Phasenänderung bestehen.
Bei der Verwendung von mehreren Aufzeichnungsschichten in wieder beschreibbaren Speicherplatten mit Phasenänderung besteht ein Problem darin, dass die herkömmliche wieder beschreibbare Struktur zur Verwendung in Einzelaufzeichnungsschichten gedacht ist und daher nur einen geringen Transmissionsgrad aufweist. Um die Wärmeabführung der Aufzeichnungsschicht zu verbessern, muss die herkömmliche Struktur außerdem eine wärmeabführende metallische Reflexionsschicht aufweisen, die unmittelbar neben der Aufzeichnungsschicht angeordnet ist. Die metallische Reflexionsschicht in der herkömmlichen wieder beschreibbaren Struktur mit Phasenänderung ist lichtundurchlässig, sodass keine weiter entfernt liegenden Aufzeichnungsschichten beschrieben werden können. Wenn die unmittelbar neben den zwischenliegenden Aufzeichnungsschichten befindliche metallische Schicht entfernt wird, um die Struktur transparent zu machen, verliert die Aufzeichnungsschicht darüber hinaus die erforderlichen Wärmeableitungseigenschaften, die für den Phasenübergang zwischen einem kristallinen Bereich und einem amorphen Bereich des Mediums entscheidend ist. Hierdurch verliert die Aufzeichnungsschicht ihre Funktion als wieder beschreibbare Aufzeichnungsschicht mit Phasenänderung.
Es wird ein wieder beschreibbares optisches Datenspeichersystem mit Phasenänderung und mehreren Aufzeichnungsschichten benötigt, das ein gutes Signal aus den näher zum einfallenden Laserlicht gelegenen Aufzeichnungsschichten liefert und gleichzeitig das Schreiben und Löschen in allen Aufzeichnungsschichten mit ausreichender Laserenergie ermöglicht, ohne dass in der Nähe der Aufzeichnungsschichten metallische wärmeableitende Schichten benötigt werden.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung ist ein optisches Datenaufzeichnungsmedium, das Folgendes umfasst:
(a) ein erstes lichtdurchlässiges Substrat mit einer ersten Oberfläche, die eine äußere Oberfläche zum Empfangen von einfallendem Laserlicht bildet, und einer der ersten Oberfläche gegenüber liegenden zweiten Oberfläche;
(b) einen auf der zweiten Oberfläche des ersten Substrats gebildeten und um die Dicke des ersten Substrats von der äußeren Oberfläche des Substrats entfernten ersten Aufzeichnungsstapel;
(c) wobei der erste Aufzeichnungsstapel eine erste Aufzeichnungsschicht, eine auf der gegenüber der äußeren Plattenoberfläche gelegenen Oberfläche des Substrats zum Schutz des Substrats während des Erhitzens der ersten Aufzeichnungsschicht gebildete lichtdurchlässige dielektrische Schicht, wobei die erste Aufzeichnungsschicht auf und in Kontakt mit der dielektrischen Schicht auf dem Substrat gebildet ist, und eine auf und in Kontakt mit der ersten Aufzeichnungsschicht gebildete lichtdurchlässige Interferenzdünnschicht umfasst, wobei die dielektrische Schicht und die optische Interferenzdünnschicht einen Brechungsindex, der sich deutlich vom Brechungsindex der ersten Aufzeichnungsschicht unterscheidet, und eine Schichtdicke aufweisen, die zur konstruktiven Interferenz des Lichts ausreicht, wobei der erste Aufzeichnungsstapel lichtdurchlässig ist; und
(d) einen zweiten eine zweite Aufzeichnungsschicht umfassenden Aufzeichnungsstapel, wobei der zweite Aufzeichnungsstapel einen Abstand vom ersten Aufzeichnungsstapel aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass: Die erste Aufzeichnungsschicht eine Legierung mit reversibler Phasenänderung vom Umkehrschreibtyp mit einer Zusammensetzung der Form GexTeySbz ist, mit 10 < x < 15, 45 < y < 55, 38 < z < 48 und x + y + z = 100%, wobei die erste Aufzeichnungsschicht eine amorphe Anfangsphase aufweist, die durch Aufnahme von Laserlicht in eine kristalline Phase umgewandelt und reversibel in die amorphe Phase zurückgeführt werden kann; die optische Interferenzdünnschicht eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die höher als die Leitfähigkeit der auf dem Substrat gebildeten dielektrischen Dünnschicht ist; und die zweite Aufzeichnungsschicht aus einem Material mit reversibler Phasenänderung mit einer kristallinen Anfangsphase besteht, die bei Aufnahme von Laserlicht mit einem Energieniveau in eine amorphe Phase umgewandelt werden kann, das höher als das, Energieniveau ist, das für die Umwandlung der ersten Aufzeichnungsschicht von ihrer amorphen Anfangsphase in die kristalline Phase erforderlich ist. Durch die optische Interferenzdünnschicht werden der Kontrast, der Reflexionsgrad und der Transmissionsgrad des Aufzeichnungsstapels optimiert. Die optische Interferenzdünnschicht ist ebenfalls nicht absorbierend, sodass Laserlicht hindurchtreten kann, um es auf eine Aufzeichnungsschicht in einem weiter entfernt gelegenen Aufzeichnungsstapel zu fokussieren. Dadurch kann die weiter entfernt gelegene Aufzeichnungsschicht unter Einsatz einer geeigneten Laserenergie beschrieben werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart umfasst die optische Speicherplatte ferner ein zweites Substrat und einen zweiten Aufzeichnungsstapel auf dem zweiten Substrat, und das erste und das zweite Substrat sind durch einen Luftspalt voneinander getrennt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun lediglich beispielhaft unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Plattenspeichersystems der vorliegenden Erfindung mit einer wieder beschreibbaren optischen Speicherplatte mit Phasenänderung mit mehreren Aufzeichnungsschichten ist;
Fig. 2A eine Querschnittsansicht einer aus zwei mit mehreren Aufzeichnungsschichten laminierten Substraten bestehenden optischen Speicherplatte mit wieder beschreibbaren Aufzeichnungsschichten mit Phasenänderung ist;
Fig. 2B eine Querschnittsansicht einer mit einem Luftspalt versehenen optischen Speicherplatte mit mehreren wieder beschreibbaren Aufzeichnungsschichten mit Phasenänderung ist;
Fig. 2C eine Querschnittsansicht einer aus einem mit mehreren Aufzeichnungsschichten laminierten Substrat bestehenden optischen Speicherplatte mit wieder beschreibbaren Aufzeichnungsschichten mit Phasenänderung ist;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des optischen Plattenspeicherlaufwerks ist, bei dem die optische Speicherplatte eine Struktur mit zwei Aufzeichnungsschichten und einem Luftspalt aufweist;
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Controllersystems des optischen Plattenspeichersystems der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht der optischen Speicherplatte mit zwei mit mehreren Aufzeichnungsschichten laminierten Substraten ist, die die mehreren wieder beschreibbaren Aufzeichnungsschichten mit Phasenänderung zusammen mit benachbarten optischen Interferenzdünnschichten gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 6 ein Graph der Löschwirkung bei gepulstem Löschen in Abhängigkeit von der Löschleistung für die erste Datenschicht einer Speicherplatte mit zwei Aufzeichnungsschichten gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 7A ein Graph der Datenleseunsicherheit und der Schreibmarkenlänge in Abhängigkeit von der Laserschreibleistung für die erste Datenschicht einer Speicherplatte mit zwei Aufzeichnungsschichten gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 7B ein Graph der Datenleseunsicherheit und der Schreibmarkenlänge in Abhängigkeit von der Laserschreibleistung für die zweite Datenschicht einer Speicherplatte mit zwei Aufzeichnungsschichten gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Datenspeichersystems mit einer optischen Speicherplatte gemäß der vorliegenden Erfindung mit der allgemeinen Bezugszahl 10. Das System 10 enthält eine optische Datenspeicherplatte 12 mit mehreren Aufzeichnungsschichten. Die Platte 12 ist vorzugsweise austauschbar auf einer Führungsspindel 14 befestigt, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist. Die Spindel 14 ist mit einem Spindelmotor 16 verbunden, der wiederum mit einem Systemgehäuse 20 verbunden ist. Der Motor versetzt die Spindel 14 und die Platte 12 in Drehung.
Unterhalb der Platte 12 ist ein optischer Kopf 22 angebracht. Der Kopf 22 ist an einem Arm 24 befestigt, der wiederum an einer Stellvorrichtung, wie beispielsweise einem Schwingspulenmotor 26, befestigt ist. Der Schwingspulenmotor 26 ist am Gehäuse 20 befestigt und bewegt den Arm 24 und den Kopf 22 unterhalb der Platte 12 in radialer Richtung.
Fig. 2A ist eine Querschnittsansicht der optischen Speicherplatte 12 mit mehreren Aufzeichnungsschichten. Die Speicherplatte 12 weist zwei Substrate 50, 56 auf, die durch eine feste transparente Abstandsschicht 44 voneinander getrennt sind. Die Platte 12 weist eine äußere Oberfläche 49 auf, auf die der Laserstrahl auftrifft. Das Substrat 50 besteht aus einem lichtdurchlässigen Material wie Glas, Polykarbonat oder einem anderen polymeren Material. Das Substrat 56 kann aus einem ähnlichen Material wie das Substrat 50 bestehen, es kann aber bei Ausführungsarten, bei denen das Licht nicht durch das Substrat 56 treten muss, aus einem Material bestehen, das nicht lichtdurchlässig ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsart weisen die Substrate 50, 56 eine Dicke von 0,6 mm auf. Das Substrat 50 weist einen auf ihm gebildeten Dünnschicht-Aufzeichnungsstapel 90 und das Substrat 56 einen auf ihm gebildeten Dünnschicht-Aufzeichnungsstapel 92 auf. Die Aufzeichnungsstapel 90, 92 enthalten jeweils eine Aufzeichnungsschicht aus einem wieder beschreibbaren Material mit Phasenänderung und mindestens eine lichtdurchlässige dielektrische Schicht, wie im Folgenden näher beschrieben wird. Bei der vorliegenden Erfindung besteht die in dem Stapel 90 enthaltene Aufzeichnungsschicht aus einem Material mit Phasenänderung vom umgekehrten Schreibtyp. Die Substrate 50, 56 weisen optische Spurrillen oder -marken und/oder Header- Informationen auf, die durch Spritzgießen, einen Photopolymerprozess oder einen Pressvorgang in den Oberflächen neben den Aufzeichnungsstapeln 90 bzw. 92 gebildet wurden. Alternativ können die Spurmerkmale in den Substraten gebildete Vertiefungen oder in den Aufzeichnungsschichten aufgezeichnete Schreibmarken sein. Bei der bevorzugten Ausführungsart ist die Abstandsschicht 44 aus einem optisch hochtransparenten optischen Kitt hergestellt, der auch dazu dient, die Substrate 50, 56 zusammen zu halten. Die Dicke der Abstandsschicht 44 beträgt vorzugsweise 10 um-300 um.
Die Impulslängenmodulation (pulse width modulation, PWM) stellt eine Möglichkeit dar, Daten als Schreibmarken in optische Speicherplatten zu schreiben. Bei der PWM kann eine Schreibmarke entweder aus einem einzelnen Punkt (auch als Teilmarke bezeichnet) oder einer Reihe sich überlappender oder angrenzender Teilmarken bestehen. Mit der PWM werden Informationen mittels des Abstandes zwischen den Übergängen oder Rändern der Schreibmarken aufgezeichnet. Einen Übergang stellt entweder der (vorlaufende) Anfangs- oder der (nachlaufende) Endrand einer Schreibmarke dar. In der US- Patentschrift 5 400 313 von IBM wird ein magnetooptisches PWM- Plattenspeicherlaufwerk beschrieben, bei dem ein modulatorgesteuerter Laser verwendet wird, der einen hochgepulsten Laserstrahl emittiert. Der Laserstrahl kann mit einer beliebigen Schreibtaktfrequenz und mit unterschiedlichen Energieniveaus gepulst werden. Der gepulste Laser schreibt im Wesentlichen runde Teilmarken mit im Wesentlichen gleicher Größe auf die Speicherplatte, wenn das Energieniveau hoch genug ist. Die unterschiedlichen Laufstrecken der PWM- Schreibmarken werden entweder, wie beim Fall der kürzesten Laufstrecke, als eine einzelne isolierte Schreibmarke oder, wie beim Fall längerer Laufstrecken, als eine Reihe angrenzender oder sich überlappender Teilmarken aufgezeichnet.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsart eines optischen PWM-Plattenspeicherlaufwerks mit einer Speicherplatte 12, einem optischen Kopf 22 und dem Mittel zur Lasersteuerung. Der optische Kopf 22 enthält eine Laserdiode 200, die ein Indium-Aluminium-Galliumphosphid- Diodenlaser sein kann, der einen primären Lichtstrahl 202 bei einer festen Wellenlänge erzeugt. Die Laserdiode 200 vermag bei mindestens zwei Energieniveaus zu arbeiten, d.i. einem ersten Energieniveau, das hoch genug ist, um die Phase der Aufzeichnungsschichten zu ändern, und einem zweiten, niedrigeren Lese-Energieniveau zum Lesen der Daten anhand der Reflexion aus den amorphen und kristallinen Bereichen in den Aufzeichnungsschichten. Üblicherweise ist die Laserdiode 200 auch in der Lage, bei mehreren unterschiedlichen Schreib- Energieniveaus zu arbeiten, um die Schreibmarkenränder genau zu positionieren, wie in der oben erwähnten US-Patentschrift 5 400 313 beschrieben wird.
Ein in der Technik bekannter Controller 314 des Plattenspeicherlaufwerks ist mit dem Laufwerk verbunden und sorgt für die Steuerung dessen verschiedener Funktionen. Der Controller 314 ist mit dem Lasertreiber 254 und einem Taktgeber 242 mit variabler Frequenz verbunden. Der Controller 314 regelt die Taktgeschwindigkeit des Taktgebers 242 in Abhängigkeit von der radialen Stellung des Kopfes 22 bezüglich der Speicherplatte 12 in geeigneter Weise. Der Taktgeber 242 erzeugt Taktsignale mit einer charakteristischen Taktzykluszeit Tc und steuert den zeitlichen Ablauf beim Schreiben und Lesen der Daten im Plattenspeicherlaufwerk. Der auch als Frequenzsynthesizer bezeichnete Taktgeber 242 mit variabler Frequenz ist auf dem Fachgebiet bekannt. Der Spindelmotor 16 wird so gesteuert, dass seine Winkelgeschwindigkeit konstant bleibt; die Lineargeschwindigkeit des Laserstrahls bezüglich der Speicherplatte 12 ändert sich dann gemäß der radialen Position des optischen Kopfs 22.
Der Taktgeber 242 ist mit einem PWM-Codierer 250 verbunden. Der Codierer 250 empfängt vom Host ein digitales Datensignal und codiert dieses mit dem gewünschten PWM-Code. Der Codierer 250 kann ein laufstreckenbegrenzter (RLL) (1, 7)-PWM-Codierer sein. PWM-Codierer sind in der Technik bekannt und führen eine Vielzahl von PWM-Codes aus. Es gibt viele verschiedene auf dem Fachgebiet bekannte Codierschemata, die zum Codieren digitaler Daten in. PWM-Schreibmarken und -lücken verwendet werden können. Die verbreitetsten Codierschemata benutzten laufstreckenbegrenzte (RLL) Codes. Diese RLL-Codes benutzen eine kleine Gruppe von Laufstrecken, durch deren verschiedene Kombinationen beliebige digitale Datenmuster codiert werden können. Ein Beispiel eines (1, 7)-Codierers wird in der US- Patentschrift 4488142 von IBM beschrieben. Der Codierer 250 ist mit einem Modulator 252 verbunden. Der Modulator 252 empfängt den PWM-Code und bewirkt, dass der Laser 200 mittels des Lasertreibers 254 beim geeigneten Laser-Energieniveau die gewünschten Datenmuster in die Datenschicht der Speicherplatte schreibt.
Während der Schreiboperation codiert der Codierer 250 in dem vom Taktgeber 242 gelieferten Takt das digitale Signal vom Host in ein digitales RLL-codiertes (1, 7)-PWM-Datensignal. Dieses codierte Datensignal wird zum Modulator 252 gesendet, der es in Instruktionen für den Lasertreiber 254 zum Schreiben des gewünschten Impulsmusters umwandelt. Der Laser 200 wird in Reaktion auf den Lasertreiber 254 (vom Schwellwert- Energieniveau bis zum höheren Schreib-Energieniveau) gepulst und liefert einen gepulsten Lichtstrahl bei den gewünschten Energieniveaus.
Während einer Leseoperation steuert der Controller 314 den Lasertreiber 254 an, damit dieser den Laser 200 anregt und einen Laserstrahl bei einem niedrigen Lese-Energieniveau erzeugt.
Der Strahl 202 wird durch die Kollimatorlinse 203 ausgerichtet, durch die Kreisblende 204 abgerundet und dann zum Strahlteiler 205 weiter geleitet. Ein Teil des Strahls 202 wird durch den Strahlteiler 205 zu einer Linse 206 und einem optischen Empfänger 207 reflektiert. Der Empfänger 207 dient der Überwachung des Energieniveaus des Laserstrahls 202. Der Strahl 202 gelangt dann vom Strahlteiler 205 zu einem Spiegel 208 und wird durch diesen reflektiert. Dann gelangt der Strahl 202 durch eine Fokussierlinse 210 und wird auf einen beugungsbegrenzten Fleck in einem der Aufzeichnungsstapel 90, 92 fokussiert. Die Linse 210 ist in einer Halterung 214 befestigt, deren Position bezüglich der Speicherplatte 12 durch einen Brennpunkt-Stellmotor 216 eingestellt wird, der ein Schwingspulenmotor sein kann. Durch den Brennpunkt- Stellmotor 216 wird die Linse 210 so verschoben, dass der Brennfleck zwischen den beiden Aufzeichnungsstapeln 90, 92 auf den Substraten 50, 56 der Speicherplatte 12 verschoben wird.
Bei einer herkömmlichen wieder beschreibbaren Struktur mit Phasenänderung mit einer einzelnen Aufzeichnungsschicht mit einer metallischen Reflexionsschicht zur Wärmeabführung ist die Anfangsphase der Aufzeichnungsschicht kristallin, und die aufgezeichneten Bits befinden sich in der amorphen Phase mit einem niedrigeren Reflexionsgrad. Bei der Speicherplatte 12 der vorliegenden Erfindung dient jedoch die amorphe Phase als Anfangsphase der der Lichtquelle nächstgelegenen Aufzeichnungsschicht, d. h. im Stapel 90. Der erste Aufzeichnungsstapel 90 weist eine Aufzeichnungsschicht mit einer amorphen Anfangsphase auf (aufgezeichnete Bits sind, in der kristallinen Phase), während der zweite Aufzeichnungsstapel 92 eine Aufzeichnungsschicht mit einer kristallinen Anfangsphase haben kann (aufgezeichnete Bits befinden sich in der amorphen Phase). Dies funktioniert so langer wie in den entsprechenden Aufzeichnungsstapeln Header- Informationsbits gespeichert sind, damit das Laufwerk erkennt, welchen Reflexionswert die aufgezeichneten Bits in den jeweiligen Aufzeichnungsstapeln besitzen. Der optische Kopf muss auch in der Lage sein, das Energieniveau des Schreibimpulses so einzustellen, dass er Datenbits sowohl in die kristalline als auch in die amorphe Phase schreiben kann.
Durch die Verwendung einer Aufzeichnungsschicht mit Umkehrschreiben (amorphe in kristalline Phase) in den dazwischen liegenden Aufzeichnungsschichten sowie einer in herkömmlicher Weise schreibenden Aufzeichnungsschicht (kristalline in amorphe Phase) in der am weitesten entfernten Aufzeichnungsschicht erhält man zusätzliche Freiheitsgrade für die Anordnung hochtransparenter Aufzeichnungsstapel mit optimalem Signal-Rausch-Verhältnis in allen Aufzeichnungsschichten, wie später noch beschrieben wird.
Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines Controllersystems des optischen Plattenspeicherlaufwerksystems 300. Der Mehrelementdetektor 234 (Fig. 3) erzeugt Ausgangssignale, die ein Datensignal, ein Fokusfehlersignal (focus error signal, FES) und ein Spurfehlersignal (tracking error signal, TES) bereitstellen. Die Signale werden durch den Signalverstärker 236 verstärkt. Das Datensignal wird zu einem PWM-Decoder 311 gesendet, der das digitale Ausgangssignal erzeugt. Das FES und das TES werden direkt zum Controller 314 gesendet. Das FES wird auch von einem Peakdetektor 310 und das TES auch von einem Peakdetektor 312 empfangen. Der Controller 314 empfängt auch Eingangssignale vom FES-Peakdetektor 310, vom TES- Peakdetektor 312 und vom Laserenergiedetektor 207. Der Controller 314 ist ein Plattenspeicherlaufwerk-Controller auf Basis eines Mikroprozessors. Der Controller 314 ist auch mit dem Lasermodulator 252 verbunden und steuert diesen; ferner ist der Controller 314 mit dem Lasertreiber 254, dem Taktgeber 242 mit variabler Frequenz, dem Kopfmotor 26, dem Spindelmotor 16 und dem Fokusstellmotor 216 verbunden und steuert diese.
Fig. 2B ist eine Querschnittsansicht einer ersten alternativen Ausführungsart einer Speicherplatte 112 mit mehreren Aufzeichnungsschichten, die anstelle der Speicherplatte 12 im System 10 stehen kann. Die Bauelemente der Speicherplatte 112 entsprechen denen der Speicherplatte 12 in Fig. 2A, jedoch weist die Speicherplatte 112 zwischen den Substraten 190, 192 keine feste Abstandsschicht auf. Statt dessen werden die Substrate 150, 152 durch einen. Luftspalt 78 voneinander getrennt. Ein äußerer Abstandsring 152 und ein innerer Abstandsring 154 befinden sich zwischen den Substraten 150, 156. Der äußere und der innere Abstandsring 152, 154 bestehen vorzugsweise aus einem Plastikmaterial und sind etwa 50 um 300 um dick. Die Abstandsringe 152, 154 können durch Kleber, Kitt, Ultraschallbonden, Lösungsbonden oder andere herkömmliche Bondverfahren mit den Substraten 150, 156 verbunden, werden. Die Abstandsringe 152, 154 können alternativ während des Gießprozesses in die Substrate 150, 156 integriert werden. Die Abstandsringe 152, 154 bilden zwischen den Substraten 150, 156 einen ringförmigen Luftspalt 78. Eine Spindelöffnung 80 reicht innerhalb des inneren Abstandsrings 154 durch die Speicherplatte 112, um die Spindel 14 aufzunehmen. Im inneren Abstandsring 154 sind eine Vielzahl von Öffnungen 82 angebracht, um die Spindelöffnung 80 mit den Luftspalten 78 zu verbinden, damit der Druckausgleich zwischen den Luftspalten 78 und der Umgebung des Plattenspeicherlaufwerks gewährleistet ist. Mit den Öffnungen 82 sind eine Vielzahl Feinfilter verbunden, um eine Verunreinigung der Luftspalte 78 durch Staubteilchen aus der Luft zu vermeiden. Die Filter können aus Quarz- oder Glasfasern bestehen. Alternativ können die Öffnungen 82 und die Filter am äußeren Abstandsring 152 angebracht sein. Die Aufzeichnungsstapel 190, 192 auf den entsprechenden Substraten 150, 156 enthalten die wieder beschreibbaren Aufzeichnungsschichten mit Phasenänderung, wobei der Stapel eine Aufzeichnungsschicht enthält, die aus einem Material mit Phasenänderung zum Umkehrschreiben gebildet ist.
Fig. 2C stellt eine Querschnittsansicht einer zweiten alternativen Ausführungsart einer Speicherplatte 412 mit mehreren Aufzeichnungsschichten dar, die anstelle der Speicherplatte 12 im System 10 stehen kann. Die Bauelemente der Speicherplatte 412 entsprechen denen der Speicherplatte 12 in Fig. 2A. Allerdings verwendet die Speicherplatte 412 nicht zwei getrennte Substrate wie in den vorangehenden Ausführungsarten, sondern stellt eine auf einem einzigen Substrat 450 hergestellte Mehrschichtstruktur dar. Die wieder beschreibbaren Aufzeichnungsstapel 490, 492 mit Phasenänderung sind durch eine feste Abstandsschicht 422 voneinander getrennt. Der Stapel 490 enthält eine aus einem Umkehrschreib- Material mit Phasenänderung gebildete Aufzeichnungsschicht. Die Abstandsschicht 422 ist eine lichtdurchlässige Schicht, die entweder durch Laminieren oder durch Abscheiden (etwa durch einen Photopolymerprozess oder durch Schleuderbeschichten) auf dem Aufzeichnungsstapel 490 auf dem Substrat 450 gebildet wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsart besteht die lichtdurchlässige Abstandsschicht 422 aus einem polymeren Material wie etwa Photopolymeren. Die obere Oberfläche der Schicht 422 weist Spurrillen und/oder Header-Informationen auf, die entweder durch einen Photopolymerprozess oder durch Aufprägen in der Oberfläche gebildet werden. Dann wird der zweite wieder beschreibbare Aufzeichnungsstapel 492 mit Phasenänderung auf der Abstandsschicht 422 abgeschieden. Dann wird auf dem Aufzeichnungsstapel 492 eine abschließende Schutzschicht 456 aus einem polymeren Material, wie etwa UV-härtendem schleuderbeschichtetem Acrylat oder Polykarbonat mit Klebeschicht, gebildet. Zwei Platten wie die Speicherplatte 412 können an ihren Schichten 456 zu einer doppelseitigen Speicherplatte miteinander verbunden werden. Bei dieser Struktur wird die doppelseitige Speicherplatte aus dem Plattenspeicherlaufwerk genommen und umgedreht, sodass das Laufwerk auf die Datenschichten beider Seiten zugreifen kann.
Im Folgenden werden die mehrfachen wieder beschreibbaren Aufzeichnungsschichten mit Phasenänderung sowie ihr Herstellungsverfahren unter Bezug auf die Speicherplattenstruktur von Fig. 2A näher beschrieben. Das System der vorliegenden Erfindung mit mehrfachen wieder beschreibbaren Aufzeichnungsschichten mit Phasenänderung kann jedoch auch mit jeder der in den Fig. 2B-2C gezeigten und beschriebenen alternativen Speicherplattenstrukturen betrieben werden.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht der optischen Datenspeicherplatte 12 mit mehreren Aufzeichnungsstapeln 90, 92, die jeweils eine wieder beschreibbare Aufzeichnungsschicht 53 bzw. 64 mit Phasenänderung enthalten. Die Speicherplatte 12 weist ein Substrat 50 mit einer äußeren Oberfläche 49 auf, auf die der Strahl des Laserlichts auftrifft. Das Substrat 50 besteht vorzugsweise aus Polykarbonat, amorphem Polyolefin (amorphous polyolefin, APO), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Glas und absorbiert bei der Aufzeichnungswellenlänge nicht. Das Substrat 50 besitzt eine Dicke von 0,6 mm, jedoch können auch andere Dicken eingesetzt werden. Auf der entgegengesetzten äußeren Oberfläche 49 des Substrats 50 können vorgeprägte Adressen und Rillen für die Spurverfolgung durch den Laserlichtstrahl gebildet werden. Durch Sputtern oder Verdampfen wird auf dem Substrat 50 eine dielektrische Dünnschicht 51 abgeschieden. Die dielektrische Schicht 51 dient als Schutzschicht, sodass das Substrat 50 durch die während des Schreibens und Löschens auf die Aufzeichnungsschicht 53 einwirkende hohe Temperatur nicht deformiert wird. Die dielektrische Schicht 51 dient auch als optische Interferenzschicht, zum Optimieren des Transmissionsgrades des näher zum einfallenden Lichtstrahl gelegenen ersten Aufzeichnungsstapels 90, sodass Daten auch in den weiter entfernten Aufzeichnungsstapel 92 geschrieben bzw. aus ihm gelesen werden können.
Eine Schicht 53 eines Materials mit reversibler Phasenänderung vom Umkehrschreibtyp wird durch Sputtern oder Verdampfen auf der dielektrischen Schicht 51 abgeschieden, um im ersten Aufzeichnungsstapel 90 als Aufzeichnungsschicht zu dienen. Das bevorzugte Material für die Schicht 53 ist eine Legierung mit Phasenänderung und der Zusammensetzung GexTeySbz (10 < x < 15, 45 < y < 55, 38 < z48; und x + y + z = 100%) mit einer Schichtdicke von 5 nm-50 nm. Diese Legierungsart vom umgekehrten Schreibtyp mit reversibler Phasenänderung wird in der zuvor erwähnten US- Patentschrift 5 383 172 beschrieben. Bei der in dieser Patentschrift beschriebenen Zusammensetzung muss jedoch unmittelbar neben der Aufzeichnungsschicht eine metallische Wärmeableitungsschicht liegen, damit die Aufzeichnungsschicht wieder beschreibbar ist. Üblicherweise wird eine Aluminiumschicht (Al) mit einer üblichen Schichtdicke von mehr als 10 nm verwendet, jedoch weist eine solche Schicht einen Transmissionsgrad von weniger als 10% auf. Daher eignet sich dieser herkömmliche Aufzeichnungsstapel nicht für optische Speicherplatten mit mehreren Aufzeichnungsschichten, bei denen der Transmissionsgrad höher als ungefähr 30% sein muss. Das Beseitigen der wärmeabführenden Schicht zum Erhöhen des Transmissionsgrades würde zu anderen Problemen führen. Das liegt daran, dass die Zusammensetzung die Dicke der Aufzeichnungsschicht 53 (GeSbTe) vom Umkehrschreibtyp neu optimiert werden müsste, um die Kristallisationszeit und -temperatur der Aufzeichnungsschicht aufeinander abzustimmen, damit das Material beim Löschen wieder in die amorphe Phase zurückkehrt.
Bei der vorliegenden Erfindung werden auf der Aufzeichnungsschicht 53 eine oder mehrere zusätzliche Schichten, wie zum Beispiel die optischen Interferenzschichten 55, 59 und die halbdurchlässige nichtmetallische Wärmeableitungsschicht 57, abgeschieden. Mittels der optischen Interferenzeffekte dünner Schichten können der Transmissionsgrad, der Reflexionsgrad und die Absorption des Mehrschicht-Aufzeichnungsstapels 90 (Aufzeichnungsschicht 53, dielektrische Schichten 51, 55, 59 und die nichtmetallische Wärmeableitungsschicht 57) durch Abwandeln der einzelnen Schichtdicken eingestellt werden. Die Schichten 51, 53, 55, 57 und 59 bilden gemeinsam eine Interferenzschichtstruktur. Konstruktive Interferenz tritt dann ein, wenn für jede einzelne Schichtdicke die passende Dicke und der entsprechende Realteil (n) der Schichtbrechzahl gewählt wird. Eine große Differenz zwischen der Brechzahl der Schichten 51, 55, 57 und 59 und der Brechzahl der benachbarten Schicht (Aufzeichnungsschicht 53) steigert die Interferenzwirkung für eine bestimmte Schichtdicke und führt zu einer Optimierung des Signalkontrasts und des Reflexionsgrades des Aufzeichnungsstapels 90. Weiterhin sollten die Interferenzschichten 51, 55, 57 und 59 eine geringe Absorption aufweisen (kleiner Imaginärteil des Brechungsindexes, d. h. kleiner Extinktionsfaktor k), sodass der auf die zweite Aufzeichnungsschicht 64 fokussierte Lichtfleck mit möglichst wenig Absorption durch die Aufzeichnungsschicht 53 und die Schichten 51, 55, 57 und 59 tritt.
Dielektrische Materialien wie Zn und/oder Cr im Gemisch mit 5, Se und/oder Te werden für die optischen Interferenzschichten 51, 55, 57 und 59 bevorzugt. Diese Materialien können durch Sputtern, Aufdampfen oder Schleuderbeschichtung auf das Substrat 50 aufgebracht werden. Dielektrische Materialien wie SiOx, TiOx, ZrOx und CuxO (mit x zwischen 1 und 2,1), SiN, SiC, amorphes 51 oder organische Polymere oder Mischungen verschiedener Dielektrika u. ä. sind ebenfalls brauchbar Weitere geeignete Materialien für die optischen Interferenzschichten 51, 55, 57 und 59 sind Oxide und Nitride eines der folgenden Elemente: Al, Ti, Zr, Cu, Hf, Ta, Nb, Cr und W. Diese Materialien oder deren Mischungen können sich in der amorphen oder in der kristallinen Phase befinden. Um die amorphe Phase einzunehmen, ist ein breiter Bereich von Zusammensetzungen möglich. SiOx kann beispielsweise eine Zusammensetzung von 1 < x < 2,1 aufweisen. Die optischen Interferenzwirkungen werden mit üblichen Rechenverfahren für Interferenz-Dünnschichten berechnet, wie sie zum Beispiel in Optical Properties of Thin Solid Films, O. H. Heavens, Academic Press, 1955, beschrieben werden.
Eine weitere wichtige Eigenschaft der Schichten 51 und 59 ist deren geringe thermische Leitfähigkeit, während die Schichten 55 und 57 zum Zwecke der Wärmeableitung eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen müssen. Die Schicht 51 wird zum Schutz des Substrats 50 vor Deformation während des Schreib- /Löschprozesses eingesetzt; daher sollte das Material der Schicht 51 einen hohen Schmelzpunkt und eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Da sich im Aufzeichnungsstapel 90 keine metallische wärmeableitende Schicht befindet, müssen die Kristallisationstemperatur und die Kristallisationszeit der Aufzeichnungsschicht 53 durch geeignete Auswahl der Zusammensetzung der Aufzeichnungsschicht 53 und der Dicken der Schichten 55 und 57 gut aufeinander abgestimmt werden. Deshalb sollte die der Schicht 53 benachbarte Wärmeableitungsschicht 55 thermisch stabil sein und eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Die thermische Stabilität ist erforderlich, damit die Aufzeichnungsschicht 53 sich im geschmolzenen Zustand während des Schreib-/Löschprozesses nicht verschiebt und sie mehr Schreib-/Löschzyklen übersteht. Wird jedoch für die Schicht 55 kein hartes, hochdurchlässiges und thermisch hochleitfähiges Dielektrikum verwendet, können diese Funktionen durch die Schichten 55 und 57 übernommen werden. Zum Beispiel kann die Schicht 55 aus einem stabilen und hochdurchlässigen Dielektrikum bestehen, das nicht unbedingt eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzen muss, dies gilt unter der Voraussetzung, dass ihre Schichtdicke klein genug ist, um die thermische Leitfähigkeit des Stapels 90 nicht negativ zu beeinflussen. Dann kann die Schicht 57 ein durchlässiger Wärmeleiter sein, damit die in der Schicht 53 erzeugte Wärme durch die dielektrische Schicht 55 abgeführt wird. Wenn die Schicht 57 jedoch sowohl hohe Festigkeit als auch Wärmeleitfähigkeit aufweist, wird die dielektrische Schicht 55 nicht benötigt. Allgemein kann für die Schicht 51 ein nichtabsorbierendes Material mit einer thermischen Leitfähigkeit von weniger als 0,05 W/cmk verwendet werden. Für die Schichten 55 und 57 wird eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,01 W/cmK bevorzugt. Zum Beispiel besitzt SiOx bei 400 K eine Wärmeleitfähigkeit von 0,015 W/cmK. Die Schicht 59 dient zum Maximieren der optischen Interferenzwirkung des Aufzeichnungsstapels 90 und sollte daher einen hohen k-Wert aufweisen. Eine weitere Funktion der Interferenzschicht 59 besteht in der Optimierung des Reflexionskontrasts zwischen den aufgezeichneten und nicht aufgezeichneten Bereichen der Aufzeichnungsschicht 53.
Der optischen Interferenzschicht 59 ist eine harte Abstandsschicht 44 benachbart, die die beiden Aufzeichnungsstapel 90, 92 voneinander trennt. Die Abstandsschicht 44 ist vorzugsweise nichtabsorbierend wie beispielsweise ein schleuderbeschichtetes Photopolymer (UV- härtendes Acrylat) oder ein optisch transparenter Kitt, der die beiden Substrate 50, 56 mit ihren jeweiligen Aufzeichnungsstapeln 90, 92 verbindet. Der zweite Aufzeichnungsstapel 92 umfasst eine harte transparente dielektrische Schicht 62, die auf die zweite Aufzeichnungsschicht 64 aufgesputtert oder aufgedampft ist. Die Aufzeichnungsschicht 64 ist auf eine weitere feste dielektrische Schicht 66 abgeschieden, die an die auf dem Substrat 56 abgeschiedene Wärmeableitungsschicht 68 angrenzt. Da der Stapel 92 der letzte Aufzeichnungsstapel der optischen Speicherplatte mit mehreren Aufzeichnungsschichten ist und nicht mehr lichtdurchlässig zu sein braucht, kann für die Schicht 68 eine metallische Schicht verwendet werden. Bei Verwendung einer herkömmlichen Wärmeableitungsschicht 68 müssen die Zusammensetzung und die Dicke der zweiten Aufzeichnungsschicht 64 aufeinander abgestimmt werden und unterscheiden sich von den Werten der ersten Aufzeichnungsschicht 53. Der Stapel 9% der zweiten Aufzeichnungsschicht 64, die dielektrischen Schichten 62, 66 und die metallische Schicht 68 werden auf dem zweiten Substrat 56 abgeschieden. Das Substrat 56 kann aus denselben Materialien wie das Substrat 50 oder aus opaken Materialien wie beispielsweise opaken Plastikmaterialien und aus metallischen Materialien wie beispielsweise Aluminium gebildet werden.
Bei einer in Fig. 5 gezeigten bevorzugten Ausführungsart der optischen Speicherplatte 12 mit einem Laser bei einer Arbeitswellenlänge von 650 nm bestehen die beiden Substrate 50, 56 aus Polykarbonat der Dicke 0,6 mm. Die erste harte dielektrische Schicht 51 besteht aus ZnS oder SiO&sub2; oder einer Mischung aus beiden mit einer Dicke von 70 nm-150 nm. Die erste Aufzeichnungsschicht 53 besteht aus Ge&sub1;&sub1;Te&sub4;&sub7;Sb&sub4;&sub2; mit einer Dicke von 15 nm. Die dielektrische Schicht 55 besteht aus ZnS oder SiO&sub2; oder einer Mischung aus beiden mit einer Dicke von 10 nm. Die Wärmeableitungsschicht 57 besteht aus amorphem 51 mit einer Dicke von 50 nm. Die optische Interferenzschicht 59 besteht aus Si&sub3;N&sub4; mit einer Dicke von 60 nm. Der Transmissionsgrad des Stapels 90 mit diesen Schichten beträgt 31%, wenn sich die Aufzeichnungsschicht 53 in der amorphen (oder unbeschriebenen) Phase befindet, und 15%, wenn sie sich in der kristallinen (oder beschriebenen) Phase befindet. Wenn für die Aufzeichnungsschicht im Stapel 90 herkömmliche wieder beschreibbare Materialien mit Phasenänderung (kristalline Phase als Anfangsphase) verwendet würden, besäße der Aufzeichnungsstapel 90 keinen ausreichenden Transmissionsgrad, da zum Beschreiben des zweiten Aufzeichnungsstapels 92 durch den Stapel 90 hindurch eine zu hohe Laserenergie erforderlich wäre. Bei Verwendung von Material mit Phasenänderung vom Umkehrschreibtyp mit einer amorphen Anfangsphase (aufgezeichnete Bits in der kristallinen Phase) wird jedoch die zum Beschreiben der Aufzeichnungsschicht 64 im weiter entfernten Stapel 92 erforderliche Laserenergie verringert. Wenn Datenbits in die Aufzeichnungsschicht 53 geschrieben werden, bleibt die Schicht 53 nicht mehr vollständig amorph. Zieht man jedoch in Betracht, dass das Verhältnis Spurbreite/Spurabstand ein halb beträgt und es amorphe Bereiche zwischen den Bits gibt, verbleiben selbst bei einer voll beschriebenen Schicht normalerweise mehr als 70% der Aufzeichnungsschicht noch in der amorphen Phase.
Angesichts der gegenwärtig als Lichtquelle zur Verfügung stehenden Laserdioden ist eine solche wieder beschreibbare Aufzeichnungsstruktur mit Phasenänderung vom Umkehrschreibtyp mit einem Transmissionsgrad von mehr als 30% und einem Reflexionsgrad von mehr als 10% erforderlich, um eine zuverlässige Funktion mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis zu gewährleisten. Die Abstandsschicht 44 ist ein UV-härtendes, schleuderbeschichtetes Photopolymer mit einer Dicke von 200 um. Die dielektrische Schicht 62 des Stapels 92 besteht aus ZnS oder SiO&sub2; oder einer Mischung der beiden mit einer Dicke von 100 nm. Die zweite Aufzeichnungsschicht 64 im Stapel 92 ist aus einem wieder beschreibbaren Material mit Phasenänderung vom herkömmlichen Typ (einer GeTeSb-Legierung vom nicht umgekehrten Schreibtyp) mit einer Dicke von 25 nm gebildet. Die zweite dielektrische Schicht 66 besteht aus ZnS oder SiO&sub2; oder einer Mischung der beiden mit einer Dicke von 15 nm. Die metallische Wärmeableitungsschicht 68 besteht aus Al mit einer Dicke von 100 nm. Wenn das Laserlicht eine kürzere Wellenlänge besitzt, um den Schreibfleck zu verkleinern und die Aufzeichnungsdichte zu erhöhen, muss die Dicke der Wärmeableitungsschicht 57 und der dielektrischen Schicht 59 angepasst werden. Zum Beispiel sind bei einer Wellenlänge des Laserlichts von 500 nm für die Schichten 57 und 59 Dicken von 25 nm bzw. 65 nm optimal.
Bei einem speziellen Beispiel eines halbdurchlässigen Aufzeichnungsstapels 90 einer Speicherplatte mit zwei Aufzeichnungsschichten ähnlich der oben beschriebenen und in Fig. 5 gezeigten bevorzugten Ausführungsart wurde die Aufzeichnungsschicht 53 des Aufzeichnungsstapels 90 aus Ge&sub1;&sub1;Te&sub4;&sub7;Sb&sub4;&sub2; gebildet. Die transparenten dielektrischen Schichten 51 und 55 wurden aus SiO&sub2; gebildet. Die halbdurchlässige Wärmeableitungsschicht 57 wurde aus amorphem 51 und die optische Interferenzschicht 59 aus Si&sub3;N&sub4; gebildet. Der Stapel 90 wurde auf einem Polykarbonatsubstrat 50 abgeschieden. Die dielektrische Schicht 51 wurde durch Sputtern mit einer Dicke von 70 nm auf dem Substrat 50 abgeschieden. Die Aufzeichnungsschicht 53 war 15 nm dick und durch Sputtern auf der Schicht 51 abgeschieden. Die zweite dielektrische Schicht 55 mit einer Dicke von 1 nm wurde auf die Schicht 53 aufgesputtert. Die Schicht 57 bestand aus amorphem 51 mit einer Dicke von 50 nm, das auf die dielektrische Schicht 55 aufgesputtert wurde. Die optische Interferenzschicht 59 war 75 nm dick und wurde auf die dielektrische Schicht 57 aufgesputtert. Die Aufzeichnungsschicht 64 des Aufzeichnungsstapels 92 wurde aus einer GeTeSb-Legierung vom nicht umgekehrten Schreibtyp gebildet. Die transparenten dielektrischen Schichten 62 und 66 wurden aus einer Mischung von ZnS (80%) und SiO&sub2; (20%) gebildet. Die metallische Wärmeableitungsschicht 68 wurde aus Al gebildet. Der Stapel 92 wurde auf dem Polykarbonatsubstrat 56 abgeschieden. Die beiden Aufzeichnungsstapel 90 und 92 besaßen die in der folgenden Tabelle 1 gezeigten Werte des Transmissionsgrades, des Reflexionsgrades und der Absorption bei der Wellenlänge von 780 nm: Tabelle 1
Diese Speicherplatte mit zwei Aufzeichnungsschichten wurde in einem dynamischen Prüfstand getestet. Ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 780 nm wurde durch eine Linse mit einer numerischen Apertur von 0,55 fokussiert. Die Speicherplatte wurde so in Rotation versetzt, dass die Geschwindigkeit des lokalen Mediums 10,7 m/s betrug. Da die Anfangsphase der Schicht 53 im Stapel 90 amorph ist, wurden die Datenbits als kristalline Phase eingeschrieben. Zum Aufzeichnen der PWM- Daten wurden Laserimpulse einer Länge von 8 Taktzyklen (8%) verwendet. Jeder Taktzyklus (Tc) betrug 30 ns. Um diese Datenbits in der ersten Aufzeichnungsschicht 53 zu löschen und die beschriebenen Bereiche wieder in die amorphe Anfangsphase zurückzuführen, wurde eine Folge von 20 ns-Impulsen mit einem Tastverhältnis von 67% verwendet. Während des Löschens wird das Energieniveau des Lasers auf das höchste Schreib- Energieniveau gesetzt, jedoch ist die Impulslänge jedes Löschimpulses kürzer als die eines Schreibimpulses. Durch dieses gepulste Löschen wird sichergestellt, dass während des Löschens keine unbeschriebenen amorphen Bereiche in der Nähe von beschriebenen kristallinen Bereichen kristallisiert werden. Bei der zweiten Aufzeichnungsschicht 64 im Stapel 92 war die kristalline Phase die Anfangsphase der Aufzeichnungsschicht 64. Bei dieser zweiten Aufzeichnungsschicht ist die Wahl der Anfangsphase unkritisch, sodass auch die amorphe Phase als Anfangsphase verwendet werden kann. Allerdings muss für jede einzelne Anfangsphase die optische Interferenzstruktur so gewählt werden, dass der Reflexionsgrad und der Signalkontrast vom Aufzeichnungsstapel optimal sind. Zum, Aufzeichnen von PWM-Daten mit einer Länge von STC in der zweiten Aufzeichnungsschicht 64 wurden Laserimpulse einer Länge von 20 ns verwendet. Jeder Taktzyklus (T0) war 35, 4 ns lang.
Fig. 6 zeigt die Löschwirkung (in dB) des Impulslöschverfahrens für die erste Aufzeichnungsschicht 53. Die Löschwirkung besteht in der Änderung der Signalstärke zwischen dem aufgezeichneten und dem gelöschten Zustand. Bei einer guten Löschwirkung liegt der Wert im Allgemeinen oberhalb ungefähr 25 dB. Fig. 6 zeigt, dass eine Löschwirkung größer 30 dB erreicht werden kann, was die Brauchbarkeit des gepulsten Löschens bei wieder beschreibbarem Material mit Phasenänderung vom Umkehrschreibtyp im ersten Aufzeichnungsstapel zeigt.
Fig. 7A und Fig. 7B sind Graphen der Lesedaten der Abweichung (jitter) zwischen dem vorderen Schreibmarkenrand und dem hinteren Schreibmarkenrand in Abhängigkeit von der Laserschreibleistung für jede der beiden Aufzeichnungsschichten. Die Abweichung ist ein Maß der Verschiebung der geschriebenen Schreibmarkenübergänge gegenüber ihren idealen Positionen auf der Speicherplatte. Eine geringe Abweichung der Schreibmarkenlänge von der korrekten Schreibmarkenlänge ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Daten mit möglichst geringer Fehlerrate gelesen werden können. Fig. 7A und Fig. 7B zeigen, dass die Lesedaten bei der korrekten Schreibmarkenlänge von 8Tc bei beiden Aufzeichnungsschichten vernünftige Abweichungswerte aufweisen. Die zum Erreichen dieser geringen Abweichungen erforderliche Schreibleistung ist bei dem zweiten Aufzeichnungsstapel 92 höher, da der Schreibstrahl den ersten Aufzeichnungsstapel 90 durchdringen muss, der einen Transmissionsgrad von 36% aufweist. Eine Laserleistung von 50 mW ist bei den gegenwärtig verfügbaren Halbleiterlasern noch erreichbar, insbesondere da kurze Impulse von 20 ns benötigt werden.
Die bevorzugte Ausführungsart der vorliegenden Erfindung ist für eine in Fig. 2A gezeigte Struktur beschrieben worden, doch kann sie in vollem Umfang auch auf die anderen in Fig. 2B-2C gezeigten Strukturen angewendet werden. Die Vorliegende Erfindung ist für eine Speicherplatte mit mehreren Aufzeichnungsschichten lediglich mit zwei Aufzeichnungsstapeln beschrieben und in den Zeichnungen gezeigt worden. Es ist jedoch möglich, mehr als zwei Aufzeichnungsstapel zu erreichen. Zwischen dem ersten und dem zweiten Aufzeichnungsstapel 90 und 92 können ein oder mehrere weitere Aufzeichnungsstapel mit wieder beschreibbaren Schichten mit Phasenänderung sowie die zugehörigen Interferenzschichten angeordnet werden. Der entscheidende Faktor besteht jedoch darin, über einen wirksamen Wärmeleiter in der Nähe der Aufzeichnungsschicht zum Ableiten der Wärme zu verfügen, sodass die Aufzeichnungsschicht wirksam zwischen der amorphen und der kristallinen Phase umgeschaltet werden kann. Diese Wärmeleitungsschicht muss bei der Aufzeichnungswellenlänge eine sehr, geringe Absorption aufweisen.
Das für die herkömmliche Schicht mit reversibler Phasenänderung im weiter entfernt gelegenen Aufzeichnungsstapel 92 verwendete bevorzugte Material ist eine GexTeySbz-Legierung. Es können jedoch auch ändere Materialzusammensetzungen für die Aufzeichnungsschicht 64 verwendet werden, die einen Phasenübergang amorph/kristallin aufweisen und deren verschiedene Strukturzustände unterschiedliche Reflexionsgrade besitzen. Eine allgemeine Regel zur Auswahl verwendbarer Zusammensetzungen besagt, dass die Materialien mit reversibler Phasenänderung eine genaue oder ungefähre stöchiometrische Zusammensetzung besitzen. Bei dieser Zusammensetzung tritt während der Kristallisation nur eine geringfügige oder keine Phasentrennung auf, sodass zwischen der amorphen Phase und der kristallinen Phase eine große Anzahl von Zyklen absolviert werden kann. Das Material besitzt vorzugsweise eine niedrige Kristallisationsgeschwindigkeit, wenn sich keine Wärmeableitungsschicht im direkten Kontakt mit ihr befindet. Bei Materialien mit hoher Kristallisationsgeschwindigkeit sollte sich ein hochwärmeleitendes Material, wie beispielsweise eine hochtransparente Wärmeleitungsschicht, in direktem Kontakt mit der Aufzeichnungsschicht befinden oder durch eine dünne (z. B. weniger als ca. 30 nm) dielektrische Schicht von ihr getrennt sein.
Zu den für die Verwendung als weiter entfernte Aufzeichnungsschicht 64 geeigneten Materialien gehören die binären Materialien GeTe, SnTe, PbTe, SbSe, Sb&sub2;Se&sub3;, Sb(1-x)Se mit 0 < x < 0,4, Bi&sub2;Se, Bi&sub2;Se&sub3;, Bi&sub2;Te, BiTe, Bi&sub2;Te&sub3;, Sb&sub2;Te, SbTe, Sb&sub2;Te&sub3;, TeSi, Ag&sub2;Se, AgSe&sub2;, Ag&sub2;Te, Ag&sub3;Te&sub2;, AgTe&sub2;, Au&sub2;Se&sub3;, AuTe&sub2;, GaSb und GeSe oder deren Kombinationen. Verwendet werden können auch ternäre Zusammensetzungen entlang der pseudobinären GeTe- Sb&sub2;Te&sub3;-Grenzlinie wie GeSb&sub2;Te&sub4;, Ge&sub2;Sb&sub2;Te&sub5; und GeSb&sub4;Te&sub7; sowie Materialien mit Zusammensetzungen entlang der InSb-GaSb- Grenzlinie. Außerdem können diese Zusammensetzungen leicht von der Stöchiometrie abweichen und durch Zugabe von Keimbildnern wie Sb, Ti, Pd, Sn oder Cr extrem schnell auskristallisieren. Andere Materialien sind In&sub3;SbTe&sub2; und (AgSbTe)x(In1-ySby)1-x. Für jedes dieser Materialien werden für jede der nichtabsorbierenden Schichten 51, 55, 57, 59, 62 und 66 gemäß den oben beschriebenen Lehren neue Schichtdicken ermittelt.
Das bevorzugte Material für die näher gelegene Aufzeichnungsschicht 53 ist ein Material mit reversibler Phasenänderung vom umgekehrten Schreibtyp der Zusammensetzung GexTeySbz (10 < x < 15, 45 < y < 55, 38 < z < 48; und x + y + z = 100%). Andere Materialien mit Phasenänderung vom umgekehrten Schreibtyp weisen Kristallisationszeiten länger als ca. 0,25 us auf. Diese Zeit Von 0,25 us ist lang genug, dass bei einer bestimmten linearen Geschwindigkeit der Datenspur, d. h. 5 m/s, aufeinander folgende Laserimpulse nicht dieselbe physische Stelle treffen, sodass diese nicht von der kristallinen Phase in die amorphe Phase übergeht. Diese längere Kristallisationszeit ist wegen der geringeren Wärmeableitung der Schichten 55 und 57 wünschenswert. Die weiter entfernte Schicht 64 hingegen unterliegt dieser Einschränkung nicht und verträgt eine kürzere Kristallisationszeit, da die Schicht 64 den Vorteil einer wirksamen metallischen Wärmeableitungsschicht 68 besitzt. Diese zusätzlichen Materialien vom Umkehrschreibtyp enthalten Materialien, die oben für die Verwendung als weiter entfernte Schicht 64 beschrieben wurden; lediglich die Zusammensetzungen müssen zum Erreichen der gewünschten Kristallisationszeiten abgestimmt werden.
Die Erfindung wurde anhand der Ausführungsart eines optischen Plattenspeicherlaufwerks beschrieben. Es gibt jedoch noch andere Arten von optischen Datenspeichersystemen, auf die die Erfindung angewendet werden kann. Diese Systeme weisen normalerweise das Merkmal auf, dass das Medium mit dem in ihm gespeicherten Daten entfernt werden kann. Systeme, die optische Medien in Form eines Bandes oder einer Karte verwenden, sind weit verbreitet. Laufwerke mit Bändern oder Karten bewegen das Band oder die Karte nicht durch Rotation, sondern durch Translation, um Daten zu lesen oder zu schreiben. Es ist wünschenswert, auch die Datenspeicherkapazität von optischen Bändern und Karten durch die Verwendung von mehreren Aufzeichnungsschichten aus wieder beschreibbarem Material mit Phasenänderung zu erhöhen. Bei dem optischen Band oder der optischen Karte können die mehreren Aufzeichnungsstapel auf einem opaken Substrat angeordnet und mit einer transparenten Schutzschicht versehen sein, auf die das Laserlicht trifft. In diesem Fall wirkt die Schutzschicht wie das zuvor beschriebene Speicherplattensubstrat. Sowohl die Schutzschicht des Bandes oder der Karte als auch das Speicherplattensubstrat stellen transparente Bauelemente mit einer äußeren Oberfläche dar, auf die das Laserlicht fällt und zu den Aufzeichnungsstapeln gelangt.

Claims

1. Optisches Datenaufzeichnungsmedium (12), das Folgendes umfasst:

(a) ein erstes lichtdurchlässiges Substrat (50) mit einer ersten Oberfläche (49), die eine Außenfläche zum Empfangen von einfallendem Laserlicht bildet, und einer der ersten Oberfläche gegenüber liegenden zweiten Oberfläche;

(b) einen auf der zweiten Oberfläche des ersten Substrats gebildeten ersten Aufzeichnungsstapel (90), der um die Dicke des ersten Substrats von der Außenfläche des Substrats entfernt ist;

(c) den ersten Aufzeichnungsstapel (90), der eine erste Aufzeichnungsschicht (53) sowie eine dielektrische Schicht (51) umfasst, die für das Licht durchlässig sind und zum Schutz des Substrats während des Erhitzens der ersten Aufzeichnungsschicht (53) an der Oberfläche des Substrats gegenüber der Außenfläche der Platte gebildete sind, wobei die erste Aufzeichnungsschicht (53) auf und in Kontakt mit der dielektrischen Schicht (51) auf dem Substrat gebildet ist und wobei eine für das Licht durchlässige optische Interferenzdünnschicht (55, 57, 59) auf und in Kontakt mit der ersten Aufzeichnungsschicht gebildet ist, wobei die dielektrische Schicht (51) und die optische Interferenzdünnschicht (55, 57, 59) den Brechungsindex, der sich deutlich vom Brechungsindex der ersten Aufzeichnungsschicht (53) unterscheidet, sowie eine zum Bewirken einer beabsichtigten Interferenz des Lichts ausreichende Dicke aufweisen, und wobei die erste Aufzeichnungsschicht (90) lichtdurchlässig ist; und

(d) einen zweiten Aufzeichnungsstapel (92), der eine zweite Aufzeichnungsschicht (64) umfasst, wobei der zweite Aufzeichnungsstapel (92) in einem Abstand vom ersten Aufzeichnungsstapel (90) entfernt angeordnet ist;

dadurch gekennzeichnet, dass:

die erste Aufzeichnungsschicht. (53) aus einer zum reversiblen Beschreiben geeigneten Legierung mit reversiblen Phasenänderungen besteht, die eine.

Zusammensetzung der Form GexTeySbz mit 10 < x < 15, 45 < y < 55, 38 < z < 48 und x + y + z += 100% aufweist, wobei die erste Aufzeichnungsschicht (53) eine amorphe Ausgangsphase aufweist, die in eine kristalline Phase umgewandelt und nach Empfang von Laserlicht wieder in die amorphe Phase zurückverwandelt werden kann;

die optische Interferenzdünnschicht (55, 57) eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die höher als die Wärmeleitfähigkeit der auf dem Substrat gebildeten dielektrischen Schicht (51) ist; und

die zweite Aufzeichnungsschicht (64) aus einem Material mit reversibler Phasenänderung besteht, das eine kristalline Ausgangsphase aufweist, welche nach Empfang von Laserlicht in eine amorphe Phase umgewandelt werden kann, dessen Energieniveau über dem Energieniveau des Laserlichts liegt, das zum Umwandeln der ersten Aufzeichnungsschicht von der amorphen Ausgangsphase in die kristalline Phase erforderlich ist.

2. Optisches Medium nach Anspruch 1, wobei das optische Medium (12) eine optische Speicherplatte ist.

3. Optische Speicherplatte nach Anspruch 2, die ferner eine für das Licht durchlässige Abstandsschicht (44) umfasst, die zwischen dem ersten (90) und dem zweiten (91) Aufzeichnungsstapel angeordnet ist und diese um die Dicke der Abstandsschicht voneinander trennt.

4. Optische Speicherplatte nach Anspruch 3, bei der der zweite Aufzeichnungsstapel (92) auf der Abstandsschicht (44) gebildet ist.

5. Optische Speicherplatte nach Anspruch 2, die ferner eine metallische lichtreflektierende Dünnschicht umfasst, die auf und in Kontakt mit dem zweiten Aufzeichnungsstapel (92) gebildet ist.

6. Optische Speicherplatte nach Anspruch 2, die ferner ein zweites Substrat (156) umfasst und bei der der zweite Aufzeichnungsstapel (192) auf dem zweiten Substrat gebildet ist und das erste (150) und das zweite Substrat durch einen Luftspalt (78) voneinander getrennt sind.

7. Optische Speicherplatte nach Anspruch 2, die ferner eine zweite auf und in Kontakt mit der ersten optischen Interferenzdünnschicht gebildete zweite optischen Interferenzdünnschicht umfasst.

8. Optische Speicherplatte nach Anspruch 2, bei der das Phasenänderungsmaterial im zweiten Aufzeichnungsstapel (92) ein oder mehrere Materialien aus der folgenden Gruppe umfasst: GeTe, SnTe, PbTe, SbSe, Sb&sub2;Se&sub3;, Sb(1-x)Se mit 0 < x < 0,4, Bi&sub2;Se, Bi&sub2;Se&sub3;, Bi&sub2;Te, BiTe, Bi2Te&sub3;, Sb&sub2;Te, SbTe, Sb&sub2;Te&sub3;, TeSi, Ag&sub2;Se, AgSe&sub2;, Ag&sub2;Te, Ag&sub3;Te&sub2;, AgTe&sub2;, Au&sub2;Se&sub3;, AuTe&sub2;, GaSb und GeSe.

9. Optische Speicherplatte nach Anspruch 2, bei der das Phasenänderungsmaterial im zweiten Aufzeichnungsstapel (92) im Wesentlichen aus einem aus der folgenden Gruppe ausgewählten Material besteht: GeSb&sub2;Te&sub4;, Ge&sub2;Sb&sub2;Te&sub5;, GeSb&sub4;Te&sub7;, In&sub3;SbTe&sub2; und (InSb)1-x(GaSb)x mit 0,5 < x < = 1.

10. Optische Speicherplatte nach Anspruch 2, bei der die optische Interferenzdünnschicht ein Oxid oder Nitrid eines aus der folgenden Gruppe ausgewählten Elements umfasst: Al, Ti, Zr, Cu, Hf, Ta, Nb, Cr und W.

11. Optische Speicherplatte nach Anspruch 2, bei der die optische Interferenzdünnschicht Zn oder Cr im Gemisch mit einem oder mehreren aus der folgenden Gruppe ausgewählten Elementen umfasst: S, Se und Te.

12. Optisches Datenspeichersystem, das Folgendes umfasst:

eine Laserlichtquelle (200) zum Erzeugen von Laserlicht (202) mit einer vorbestimmten Wellenlänge;

ein optisches Datenaufzeichnungsmedium nach einem der Ansprüche 1 bis 11;

eine zum Fokussieren des Laserlichts auf einen Fleck zwischen der Laserlichtquelle und der ersten Oberfläche des Bauelements angeordnete Linse (210); und

ein mit der Linse verbundenes Mittel (216) zum Verschieben der Linse gegenüber dem Medium, sodass der Brennfleck von einer Aufzeichnungsschicht zur anderen Aufzeichnungsschicht verschoben werden kann; wobei das Laserlicht durch die erste Aufzeichnungsschicht und die mit ihr in Kontakt befindliche optische Interferenzdünnschicht durchgelassen wird, wenn der Brennfleck auf die zweite Aufzeichnungsschicht fokussiert wird, um die Phase des Materials in der zweiten Aufzeichnungsschicht zu ändern.

13. , System nach Anspruch 12, bei dem das optische Datenspeichersystem ein System mit einem optischen Plattenspeicherlaufwerk ist, bei dem das optische Medium eine optische Speicherplatte und das erste Teil, auf das das Laserlicht auftrifft, ein Substrat ist.