JP2010518541A - 高解像度光学情報記憶媒体 - Google Patents

Abstract

本発明は、光学情報の記憶に関する。
本発明によれば、提供されるのは、記録される情報をその幾何学図形が規定する物理的マークを設けられた基板（１０）と、この基板上のマークの上部を覆う３層の重ね合せ体と、この重ね合せ体の上部を覆う透明な保護層とを含む高解像度光学情報記憶構造である。この重ね合せ体は、２枚のＺｎＳ／ＳｉＯ_２誘電体層（１２、１６）間に挿入されたアンチモン化インジウムまたはアンチモン化ガリウム層（１４）を含む。
情報は、その読取レーザーの波長の許容する理論的読取解像度よりもすぐれた解像度（サイズおよび間隔に関して）を有する基板中に事前記録することができる。３層の重ね合せ体の挙動の非線形性は、そのレーザーパワーをうまく選択する場合、情報を読み取ることを可能にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学情報記録分野に関する。

光ディスク上に記録される情報密度を増すことが求められる場合、この目的は一般にその情報読取装置の性能によって制限される。ディスク上に書き込まれる物理的情報は、そのサイズがこの情報を読み取るために使用される光学システムの分解能の限界よりも小さい場合、さほど簡単には読み取ることができないというのがその基本原理である。一般には波長６５０ｎｍの赤色レーザーおよび開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）０．６で読み取る場合、通常は０．４ミクロン未満のサイズの情報を読み取る、または限界０．３ミクロンで正しく読み取る見込みはない。

しかし、いわゆる超解像法が情報を読み取るために考案されており、その物理的サイズは波長よりも小さく、またはるかに小さくさえある。これらの方法は、ある種の材料の非線形の光学的性質に基づいている。「非線形の性質」という表現は、その材料の光学的性質が、それが受ける光の強度と共に変化することを意味すると考えられる。一般にはこの変化の直接の原因は、その照射による熱加熱である。すなわちその原因は、熱、光学、熱光学、および／または光電子的効果により読取レーザースポットの寸法よりも小さな寸法でその材料の光学的性質を局所的に変えることになる読取レーザー自体である。この性質の変化のためにこのきわめて小さな体積中に存在する光学情報は検出可能になるが、一方この変化がない場合には光学情報は検出されないことになる。

この活用される現象は、原理的には使用されることになる読取レーザーの２つの性質に基づいている。すなわち、
−第一にこのレーザーはきわめて小さな断面（その波長程度の）を有するように非常に強く収束されるが、そのパワー分布はその中心では非常に強いが周辺では非常に弱まるガウス分布であり、かつ
−第二に読取レーザーパワーを、ビームの中心では断面の小さな部分におけるそのパワー密度は層の光学的性質を著しく変えるが、断面のこの小さな部分の外側のパワー密度はこの光学的性質を著しくは変えず、この変化なしには読み取ることができないはずの情報の読取りを可能にする傾向のある方向に光学的性質を変えるように選択する。

例えば、光ディスク上に形成される物理的マークからなるビットの読取りがこの物理的マークに直角なレーザービームの透過を必要とする場合、この光学的性質の変化は光の透過の増加である。したがってこの非線形の層は物理的マークに向かうビームの経路中に挿入される。レーザービームの中心部は、その光が層を通り抜けるにつれて入射光の強度が前記層をより透明にするのでそのマークの所まで層を通り抜けることができるが、一方、光線の周辺部は、層をより透明にするのに足りるほどには層の光学指数を変えないので通り抜けないことになる。したがってそれは、あたかもその波長によって許容される直径よりもはるかに狭い直径を通って焦点を結ぶビームが使用されているかのようである。

様々な理論的提案が、これらの原理を活用するために体系化されてきたが、どれも工業開発につながっていない。米国特許第５，１５３，８７３号明細書は、その理論を思い起こさせる。米国特許第５，３８１，３９１号明細書は、非線形の反射率特性を有するフィルムの例を与える。米国特許第５，５６９，５１７号明細書は、結晶相の変化を受ける様々な材料を提案している。

現在最も大きな選択肢を与える技術のなかでは、硫化亜鉛／酸化ケイ素化合物の２枚の層間に挟まれた酸化白金（ＰｔＯ_ｘ）層の使用があり、その集成体全体をＡｇＩｎＳｂＴｅまたはＧｅＳｂＴｅ化合物の２枚の層間に挿入し、この集成体をさらに硫化亜鉛／酸化ケイ素化合物の層間に挿入する。ＡｇＩｎＳｂＴｅまたはＧｅＳｂＴｅ材料は、強いレーザー照射の影響下での相変化を伴う特性を有する。例は、ユーホー・キム（Ｊｏｏｈｏ Ｋｉｍ）らによるＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．８３，Ｎｏ．９，Ｓｅｐｔ．２００３の「ＰｔＯ_ｘ層およびＡｇＩｎＳｂＴｅ層を用いた楕円形バブルの形成による超解像（Ｓｕｐｅｒ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｂｙ ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ ｂｕｂｂｌｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ＰｔＯ_ｘ ａｎｄ ＡｇＩｎＳｂＴｅ ｌａｙｅｒｓ）」中に、またユーホー・キムらによるＪａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．７Ｂ，２００４の「青色レーザーシステムにおける超解像近接場構造ディスクの信号特性（Ｓｉｇｎａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｓｕｐｅｒ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｉｓｃ ｉｎ Ｂｌｕｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ）」中に、またドゥソープ・ユーン（Ｄｕｓｅｏｐ Ｙｏｏｎ）らによる同一雑誌の「超解像近接場構造技術を用いた超解像読取り専用メモリディスク（Ｓｕｐｅｒ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ Ｄｉｓｃ Ｕｓｉｎｇ Ｓｕｐｅｒ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」中に見出すことができる。

主にこれらの論文中に記載されている構造は、それらを挟む層間に限られる酸化白金の発泡バブルの生成に大部分は依拠している。これらのバブルはレーザー書込みの間に形成され、バブルサイズの数倍に等しい波長の読取レーザーでさえ読出しの間に認識することができる。

しかしこれらのバブルは生成させるのが難しく、バブルの体積を制御することは特に難しい。また読出し時に超解像効果を得るようにレーザーパワーを調整することは特に難しい。すなわち、低過ぎるレーザーパワーは何の結果も与えず、また高過ぎるレーザーパワーは可能な読取サイクルの回数をかなり減らす。

本発明は、実装がより容易であり、妥当な読取レーザーパワーレベルを必要とし、かつ読取信号を実質上低下させることなく多数回の読取サイクルに耐えることができるはるかに簡単な構造を提案する。本発明による構造は、制御があまりにも困難なバブル発泡の旧方式にかけることを必要としないある種の材料の非線形特性に直接依拠する。

本発明は、物理的マークが設けられ、記録される情報をその幾何学図形が規定する基板と、この基板上のマークの上部を覆う３層の重ね合せ体と、この重ね合せ体の上部を覆う透明な保護層とを含み、この重ね合せ体が硫化亜鉛／酸化ケイ素（ＺｎＳ／ＳｉＯ_２）化合物の２枚の誘電体層間に挿入されたアンチモン化インジウムまたはアンチモン化ガリウム層を含む高解像度光学情報記憶構造を提供する。

このアンチモン化物層の周りのＺｎＳ／ＳｉＯ_２層の存在は、満足な信号対雑音比を有する超解像モードにおいて情報を読み取るために必要な読取レーザーパワーをかなり低減させることを可能にすることが分かった。ところで、一方では光学的性質の局所的変化により超解像効果を得るためには比較的高パワーが必要であるが、もう一方ではできるだけ高い読取サイクル回数を有することが望ましいのに対して、高パワーは読取サイクルの可能な回数を制限して記録された情報を次第に無効にする傾向があるので、リードパワー（ｒｅａｄ ｐｏｗｅｒ）の問題は重要である。

好ましくは基板は、プラスチックまたはポリマーのポリカーボネートから作られる。

化合物中のアンチモンの原子比率は４５％から５５％であり、インジウムまたはガリウムの比率は４５％と、１００％に対するアンチモン比率の残部との間にある。Ｉｎ_５０Ｓｂ_５０またはＧａ_５０Ｓｂ_５０化学量論化合物が非常に適しているが、化学量論からの少しの逸脱は許容できる。

ＩｎＳｂまたはＧａＳｂ層の厚さは、好ましくは約１０から５０ナノメートル、また最適には２０から３０ナノメートルの間である。

各ＺｎＳ／Ｓｉｏ_２誘電体層は、好ましくは２０から１００ナノメートル、また最適には５０から７０ナノメートルの間である。ＺｎＳとＳｉＯ_２の原子比率は、好ましくはＺｎＳ_{８５原子％}／ＳｉＯ_{２ １５原子％}（比率８５／１５）と、ＺｎＳ_{７０原子％}／ＳｉＯ_{２ ３０原子％}（比率７０／３０）の間の範囲内で選択される。

具体的には本発明は、一般に約４００ナノメートルの波長を有する青色レーザーを用いて情報を読み取るために適用可能であり、その光ディスク上に事前記録される情報は１００ナノメートル以下、すなわち読取り波長の４分の１から５分の１のサイズ（幅および長さ）を有することができる。しかし本発明はまた、赤色レーザー（波長６００から８００ナノメートル）を用いて読み取るのにも適用可能であり、これは標準的な分解能の従来の光ディスク読取装置との互換性を可能にする、すなわち同じ赤色レーザーが標準解像度の情報坦持ディスクおよび超解像形態の情報坦持ディスクを読み取ることができるので非常に有利である。この場合、光ディスクの基板上に記録される物理的マークは、２００ナノメートル以下のサイズ（長さおよび幅）を有することができる。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面に関して与えられる下記の詳細な説明を読めば明らかになるはずである。

本発明による光学情報記憶構造を示す図である。 この構造について読取レーザーのパワーの関数として測定された反射率曲線および透過率曲線を示す図である。 読取レーザーのパワーの関数として測定されたそれぞれＩｎＳｂのケースおよびＧａＳｂのケースについての２つの反射率曲線を示す図である。 最低８０ナノメートル相隔てた最小サイズ８０ナノメートルを有するマークが事前形成されている基板の原子間力顕微鏡写真を示す図である。 本発明による構造における信号対雑音比を示す曲線である。 両側をアンチモン化インジウム層で挟まれた様々な誘電体物質について描いた比較の信号対雑音比曲線を示す図である。

図１は、本発明による光学情報記憶媒体の一般構造を示す。それは、好ましくは有機材料、とりわけ慣習的に光ディスク用に使用されるポリカーボネートである基板１０を含む。基板は、実際には平らな円盤の形態であり、情報はほぼ同心のトラックに沿ってディスク中に慣習的に書き込まれる。ディスクの正面に配置される矢印２０で示した読取レーザービームが、ディスクが回転するに従ってビームを通り過ぎる情報を判断することになる。

基板１０は、記録された情報を規定する物理的マークを含み、この例では物理的マークは基板の上面に型押しされた浮彫の形態に作られる。浮彫は、例えばピットから形成され、その幅は書き込まれるすべての情報について大体固定されているが、その長さおよび情報の走行方向の間隔が書き込まれる情報の内容を規定する。情報は、その構造が反映するレーザービームの相を解析することによって読み取られ、その相はそれぞれの物理的マークによってパスの始めでまた終りで変わる。ピットは、ポリカーボネートまたはプラスチックの基板を、例えば超高分解能電子ビームエッチングツールを用いて製造されるニッケル金型によりプレス加工することによって事前記録することができる。

物理的マークの幅、長さ、および間隔は、それらを読み取るために使用されることになる光学式読取システムの理論的光学解像度以下であることができる。一般にはそれは、その開口数が０．８５の集束用光学部品と共に使用される波長約４００ナノメートルの青色レーザーであり、分解能の理論上の物理的限界は、予防措置が講じられる場合、約１２０ナノメートルである。この場合、マークはあとで分かるように長さおよび間隔に関して８０ナノメートル未満の解像度で事前記録することができる。

従来の光ディスクの場合、浮彫は単純なアルミニウム層で被覆されているであろうが、このアルミニウム層は、青色レーザーによる８０ナノメートルのサイズおよび間隔を有するマークの検出を可能にしないであろう。

本発明によればマークは、順にＺｎＳ／ＳｉＯ_２化合物の誘電体層１２、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）またはアンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）層１４、およびＺｎＳ／ＳｉＯ_２化合物の誘電体層１６からなる三重の層で被覆される。この全体が、透明な保護層１８で被覆される。

ＩｎＳｂまたはＧａＳｂ層１４は非線形の光学特性を有する層であり、三重の層構造、すなわち両側を２枚のＺｎＳ／ＳｉＯ_２誘電体層で挟まれたＧａＳｂまたはＩｎＳｂ層の反射率は、それを１から２ミリワットのパワー（実際には１平方ミクロン当たり約７ミリワットのパワー密度に相当する）を有するレーザービームによって照射した場合、非常に顕著に増加することを見出した。

図２は、基板＋三重の層＋保護層１８の構造物の反射率の変動曲線（上部の曲線Ｒ）および透過率の変動曲線（下部の曲線Ｔ）を４０５ナノメートル照射レーザーのパワーの関数として表示により示す。下側のＺｎＳ／ＳｉＯ_２層１２は、厚さ７０ナノメートルを有し、２０％のＳｉＯ_２に対して約８０％のＺｎＳを含有する（原子比率）。上側の層１６は同一組成と厚さ５０ナノメートルを有する。中間層は、厚さ２０ナノメートルおよび実質上化学量論的組成を有するＩｎＳｂから作られる。この測定例は、重ね合せ構造物の反射率が照射パワーと共に大きく変わることを示す。したがってパワー約１．３ｍＷの赤色レーザーの場合、そのビームエネルギーのガウス分布のために反射率は、焦点の中心部とその周辺部の間でかなり変わることになり、よってきわめて顕著な超解像効果の可能性がある。

図３は、他の測定値、すなわち先の段落において定義した構造物の比較反射率の測定値およびＩｎＳｂをＧａＳｂと取り替えた同じ構造物の比較反射率の測定値を表す。ＧａＳｂの場合の結果は、それらがより高いリードパワーを必要とするので劣るが、その使用できるパワー範囲はより大きい。

図４は、重ね合わされる３層１２、１４、１６の堆積に先立って情報を基板上に事前記録することができる方法、すなわち可変の長さおよび間隔の孔を目隠しする方法を思い起こさせる。矢印は、基板が読取レーザーの下を進む方向を示す。

図５は、サイズ８０ｎｍおよび間隔８０ｎｍを有する規則正しいマークが形成されている基板の場合の、したがってレーザー読取システムの定周波数のパワー信号の理論上もとになるＣＮＲ（搬送波対雑音比（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ））の単位デシベルの測定値を読取レーザーパワーの関数として示す。これらのマークは、その２０ナノメートルの活性層がＩｎＳｂまたはＧａＳｂのどちらかである前述の三重の層で被覆される。表示を挙げれば、マークを本発明による三重の層によるのではなく２５から４０ナノメートルのアルミニウム（ＲＯＭ光ディスクの場合のように）で被覆する場合、ＣＮＲ比はゼロ（マークはまったく検出されない）である。更にこれらの曲線は、アンチモン化インジウムのＣＮＲはパワー１．３ｍＷの場合、３５ｄＢに近いが、一方アンチモン化ガリウムの場合については同じＣＮＲを得るためにパワーはそれどころか２ｍＷであるはずであるので、パワーの見地からはアンチモン化インジウムがＧａＳｂよりも有利であることを示す。

図６は、規則正しい８０ｎｍの間隔をあけた８０ｎｍの事前記録マークを有する３種類の基板試料に関してこのＣＮＲの他の比較測定値を示す。これらのマークは３種類の試料において同一である。左側の曲線のみがＺｎＳ／ＳｉＯ_２化合物の誘電体層を使用し、右側の２つの曲線は、誘電体としてそれぞれ酸化ケイ素ＳｉＯ_２および窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４を使用する。この場合、非線形の光学層はアンチモン化インジウムＩｎＳｂである。ＺｎＳ／ＳｉＯ_２層を有する本発明の場合、高いＣＮＲを達成するにはるかに低いリードパワーが必要なことが分かる。

最後に、これら３種類の構造の読取り挙動を、こうして記録された一律の情報に関して複数回の読取操作を行うことによって実験的に調べた。一つの構造は本発明のものであり、その他は誘電体層としてＳｉＯ_２またはＳｉ_３Ｎ_４を使用したものである。ＳｉＯ_２に関してはパワー２．７４ミリワットに対して十分な信号対雑音比で情報を読み取ることが可能であったが、３４回の読取サイクル後に読取信号が低下するのが観察された。Ｓｉ_３Ｎ_４に関してはパワー２．２６ミリワットで読み取ることが可能であったが、２４０回の読取サイクル後に低下が観察された。しかし本発明により提案されたＺｎＳ／ＳｉＯ_２層に関してはパワー１．６６ミリワットで読み取ることが可能であり、また信号の顕著な低下は８０００回の読取サイクル後に観察されたに過ぎなかった。したがってその結果は明らかに超解像状態でのその構造物の反射率の増加に基づいており、透過の増加には基づいておらず、三重の層構造の下に存在する物理的マークを読み取らなければならないことが知られている反射よりも有利であると考えることができるので、その予想外の特徴にもかかわらず、これは試みられた他の構造と比べて提案した構造の重要性を明らかにする。

実施した実験は、赤色レーザーの場合と全く同様に青色レーザーについても本発明による構造の最適な層厚は、
−下側のＺｎＳ／ＳｉＯ_２層が約５０から７０ナノメートル、
−ＧａＳｂまたはＩｎＳｂ層が約２０から３０ナノメートル、
−上側のＺｎＳ／ＳｉＯ_２層が約５０から６０ナノメートル
であることを実証した。

ＺｎＳ／ＳｉＯ_２化合物の好ましい原子組成は、約２０％のＳｉＯ_２に対して８０％のＺｎＳである。

これら層の堆積は、何も特定の問題を提起しない。すなわちそれらは誘電体の場合のように活性層の場合も同様に、当該材料を含むターゲットからの陰極スパッタ−によって、またはプラズマ増強蒸着（ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって通常どおり堆積することができる。

Claims (13)

1. 高解像度光学情報記憶構造であって、記録される前記情報をその幾何学図形が規定する物理的マークを設けられた基板（１０）と、前記基板上の前記マークの上部を覆う３層（１２、１４、１６）の重ね合せ体と、前記重ね合せ体の上部を覆う透明な保護層（１８）とを含み、前記重ね合せ体が、２枚のＺｎＳ／ＳｉＯ_２誘電体層（１２、１６）間に挿入されたアンチモン化インジウムまたはアンチモン化ガリウム層（１４）を含む、構造。
2. 前記アンチモン化物層（１４）中のアンチモンの原子比率が、４５％から５５％であり、前記インジウムまたはガリウムの比率が、４５％と、１００％に対するアンチモン比率の残部との間にあることを特徴とする、請求項１に記載の構造。
3. 前記アンチモン化物層（１４）が、化学量論的ＩｎＳｂまたはＧａＳｂ層であることを特徴とする、請求項２に記載の構造。
4. 前記ＩｎＳｂまたはＧａＳｂアンチモン化物層の厚さが、１０から５０ナノメートルの間であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の構造。
5. 前記ＩｎＳｂまたはＧａＳｂアンチモン化物層の厚さが、２０から３０ナノメートルであることを特徴とする、請求項４に記載の構造。
6. 前記ＺｎＳ／ＳｉＯ_２誘電体層のそれぞれが、２０から１００ナノメートルの間の厚さを有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の構造。
7. 前記基板上の前記マークを被覆する下側の前記ＺｎＳ／ＳｉＯ_２層（１２）が、約５０から７０ナノメートルの厚さを有することを特徴とする、請求項６に記載の構造。
8. 上側の前記ＺｎＳ／ＳｉＯ_２層（１６）が、約５０から６０ナノメートルの厚さを有することを特徴とする、請求項６または７に記載の構造。
9. ＺｎＳおよびＳｉＯ_２の前記原子比率が、ＺｎＳ_{８５原子％}／ＳｉＯ_{２ １５原子％}（比率８５／１５）と、ＺｎＳ_{７０原子％}／ＳｉＯ_{２ ３０原子％}（比率７０／３０）の間の範囲内で選択されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の構造。
10. 前記基板が、ポリカーボネートから作られることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の構造。
11. 前記基板上に記録される前記物理的マークが、型押成形（ｓｔａｍｐｉｎｇ−ｉｍｐｒｅｓｓｅｄ）ピットであることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の構造。
12. 青色レーザー読取装置により超解像の状態で読み取られることを意図される光ディスクの製作への請求項１から１１のいずれか一項に記載の構造の適用であって、前記物理的マークの一部が１００ナノメートル未満の長さおよび幅を有する、適用。
13. 赤色レーザー読取装置により超解像の状態で読み取られることを意図される光ディスクの製作への請求項１から１１のいずれか一項に記載の構造の適用であって、前記物理的マークの一部が２００ナノメートル未満の長さおよび幅を有する、適用。