高密度近场光碟片.doc

高密度近場光碟片 劉威志 國立台灣師範大學物理系 林威志,蔡定平 國立台灣大學物理研究所 e-mail：wcliu@phy03.phy.ntnu.edu.tw 以近場光學的方式來進行近場光學記錄實驗，是由1992年美國貝爾實驗室的 Betzig 首次應用在磁光式鉑鈷多層膜上，成功達成約45 Gbits/inch2的超高記錄密度[1] 。至今近場光學記錄技術的實用化及商業化一直是許多人追求與努力的目標。近幾年來的一些主要發展，除了各式近場光學探針讀寫的技術、固體浸入式鏡頭(Solid immersion lens, SIL)的近場光碟機之外[2-4]，便是由日本通產省工業技術研究院，產業技術融合研究所的富永淳二 (J. Tominaga) 博士，於1998年所發表的超解析結構(Super-resolution optical near-field structure，簡稱Super-RENS)近場光碟片[ 5]。此種技術可以用一般光碟機的讀寫頭，在記錄層上寫入或讀出一個小於光學繞涉極限尺寸的記錄點，是光學儲存技術的一大突破。本文介紹這種超解析結構的近場光碟片的發展及應用。 一、前言 伴隨電腦﹑通訊科技的迅速發展，資訊儲存媒體的進步也一日千里。如磁碟機的儲存密度，自90年代以來，即以60% 的速度成長，近一二年來，其儲存密度成長率更高達100%。在光學儲存媒體方面，光碟片的儲存容量也自CD的650 MB，提昇到DVD的4.7 GB。對我國而言，自1993開始發展光學儲存工業，現今CD-R的產量以達世界產量60%，?CD-RW和DVD等光碟片產品也快速成長。是我國最重要的資訊工業產品之一。 目前一般的光學儲存媒體，如CD, DVD等，是將光源經由透鏡聚焦後照射於記錄層上來進行光學讀或寫的作用，算是一種遠場光學的儲存技術，而其可辨識出之記錄點的大小會受到繞射極限(Diffraction Limit)的限制，即r ( 0.66(/NA [6] ，其中r為記錄點尺寸大小，(為所使用光源波長，而NA則為透鏡的數值孔徑(Numerical Aperture, NA)值。因此若要有效地縮小記錄點大小以提升記錄密度，必須(1)使用短波長的光源；(2)使用高折射係數的介質；或(3)是提升透鏡的NA值。但無論如何，遠場的光學記錄方式仍會受到繞涉極限的限制。 近場光學是在遠小於所使用的工作波長的距離內來作量測或記錄，因為光的波動性質還未呈現出來，故近場光學記錄是不受繞涉極限限制的一種新的光學記錄方法。在過去的幾年間，一般的近場光學記錄方法，，(光源通過光纖探針的衰減量級約為10-6~10-3)，以及探針前端的奈米量級孔穴的品質和良率的不好控制等；而至於固體浸入式鏡頭(solid immersion lens, SIL)的近場光碟機技術，其實仍受到繞涉極限的限制，記錄點大小的縮減有限，且其讀寫頭高度控制(約50-100 nm)及記錄表面上磨潤的問題十分難以克服。著名的第一家近場光碟機研發製造公司，Terrstor公司已於2000年4月時結束營運。 相對於上述種種困難，富永淳二所提出的超解析結構的近場光學碟片之新式記錄方法[5,7-8,12-17]，其概念卻非常簡單實用，圖二(a)是富永淳二於1998年首次所提出的近場超解析結構近場光碟片的截面圖。在一般的DVD聚碳酸酯基板上，以nm厚的銻(Sb)，上下分別夾170 nm及20 nm厚的氮化矽(SiN)保護層，nm的鍺銻碲(Ge2Sb2Te5)相變化材料作為記錄層。圖二(b)是使用波長為635 nm的紅光雷射及NA值為0.6的光碟讀寫頭，在寫入信號後，將碟片轉速定在6.0米/秒的固定線速度(CLV)下所讀出的記錄點之CNR(Carrier to Noise Ratio)值與記錄點大小的關係圖。我們可以看到鍍上超解析結構的DVD碟片，在讀寫頭的讀出功率(read power)低於3.5 ?W時(曲線A)，其結果是和一般的DVD碟片一樣，在小於300 nm的記錄點其讀出信號的CNR值會趨近於零，表示此時仍受到繞涉極限的限制。但是當讀出功率大於3.5 ?W時(曲線B)，卻可以讀出小於繞涉極限以下的記錄點(300 nm~70 nm)，最大的CNR值可達20 dB。這個現象表示當讀寫頭輸出的能量到達一定值後，超解析結構會產生某種效應。 除此之外，富永淳二提及銻本身及其上下的保護層(protection layer)的結構和厚度，也會影響所讀出的記錄點之CNR值。不同的介電質層會影響銻薄膜之超解析結構碟片解析繞涉極限尺寸下的記錄點能力，有下列幾點原因：1.介電質層的熱傳導性質的不同，導致影響到銻薄膜的非線性光學性質；2.不同介電質層對銻薄膜所施加的壓縮應力(compressive stress)的差異；3