DE19912589C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Materialuntersuchung optischer Speichermedien - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Materialuntersuchung optischer SpeichermedienInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Materialuntersuchung eines
optischen Speichermediums.
Einmal beschreibbare (Read-Only) oder wiederbeschreibbare (Rewritable) optische
Datenspeicher basieren auf Materialien oder Schichten, die bei Einstrahlung von
Licht, insbesondere von Laserlicht, und evtl. unter Zuhilfenahme eines Magnetfeldes
ihre optischen oder magnetischen Eigenschaften verändern. Nachdem auf einem
solchen Material eine dauerhafte Veränderung eingebracht wurde, kann diese
Veränderung später mit Licht oder einem Magnetsensor wieder abgetastet werden.
Während bei Read-Only-Speichern die Veränderung irreversibel eingebracht wird,
muß sie bei Rewritable-Speichern reversibel d. h. löschbar sein.
Entwicklungsziele bei der Herstellung derartiger Speichermedien sind vornehmlich,
Materialien und Schichten daraufhin zu untersuchen, ob in ihnen mit Licht oder mit
der Kombination Licht/Magnetfeld irreversible oder reversible Veränderungen
hervorgerufen werden können, welche wiederum mit Licht oder einem Magnetsensor
erkannt werden können. Besonders wichtig ist es hierbei, das dynamische Verhalten
der Materialien sowie Schichten während der Energiedeposition in Form von Licht
oder Magnetfeld zu untersuchen, da für hohe Speicherdichten und hohe
Schreibgeschwindigkeiten möglichst kleine Markierungen mit möglichst kurzen
Laserpulsen geschrieben werden sollen.
Ein typisches Beispiel für derartige moderne Speichermedien sind sogenannte
"Phase-Change-Disks" wie sie in der CD-RW, d. h. Rewriteable Disk, repräsentiert
sind (Zitat: Marchant: "Optical Recording", Addison-Wesley, 1990). Das hierfür verwendete
Material, das als Informationsträger dient (z. B. Chalkogenide oder Silber/Zink-
Verbindungen) kann in verschiedenen physikalischen Phasen vorliegen. Typisch ist
eine stabile kristalline Phase und eine metastabüe amorphe Phase, welche
unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen. Das Material befindet sich
zunächst in der kristallinen Phase, in der es eine hohe optische Reflektivität aufweist.
Durch die Einstrahlung eines kurzen Laserpulses wird das Material lokal erwärmt und
an dieser Stelle aufgeschmolzen; durch das abrupte Abbrechen des Laserpulses
verbleibt es jedoch dauerhaft in einer amorphen Phase, welche eine geringere
Reflektivität aufweist als die kristalline Phase. Das abrupte Abrechen des
Laserpulses bzw. der abrupte Stop der Energiezufuhr in Form von
elektromagnetischer Energie, die sich innerhalb des Materials in thermische Energie
umwandelt, führt innerhalb des Materials zu einem Quenching-Prozeß, der eine
kontinuierliche Phasenrückumwandlung in die kristalline Phase verhindert.
Markierungen, die mit diesem Prozeß in das Material geschrieben werden
erscheinen demzufolge als dunkle Punkte (amorphe Stellen) auf einer hellen
Oberfläche (kristalline Fläche).
Strahlt man dagegen mit einem kontinuierlichen Laserstrahl auf die markierte oder
nicht-markierte Oberfläche ein, so findet der Quench-Prozeß nicht statt, d. h. die zu
einem dauerhaften amorphen Zustand führende Phasenumwandlung findet nicht
statt, da sich das Material langsam abkühlen kann und so in die kristalline Phase
zurückkehren kann. Auf diese Weise können auch einmal markierte Stellen gelöscht
werden.
Zwar geht aus der EP 0869 485 A1 ein Verfahren zum Lesen und Löschen von auf
einem optischen Datenträger abgespeicherten Informationen mithilfe zweier
Laserstrahlen hervor, von denen ein Laserstrahl die Informationen liest und der
aridere Laserstrahl die gelesene Information zeitgleich löscht, doch ist dieses
Verfahren nicht auch zur Materialuntersuchung geeignet, zumal gerade dynamische
Prozesse, die innerhalb des Materials während der Erhitzung durch den Laserstrahl
stattfinden, nicht berücksichtigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Materialuntersuchung eines optischen
Speichermediums, das zuverlässig Aussage über die Oberflächenbeschaffenheit
optischer Speichermedien gestattet. Insbesondere soll eine insitu-Untersuchung
möglich sein, mit der man sofort bei einem bestimmten Energieeintrag auf die
Oberfläche des Speichermediums auf die Auswirkungen auf das Reflexionsverhalten
und damit auf die ablaufenden Oberflächeneffekte schließen kann. Es soll möglich
sein dynamische Veränderungen in für optische Speicherung geeigneten, Materialien
hervorzurufen und ihre Dynamik während des Prozesses der Veränderung zu
beobachten.
Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken
vorteilhaft ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Materialuntersuchung eines optischen
Speichermediums derart vorgesehen, daß ein erster kontinuierlicher Laserstrahl auf
eine Oberfläche des Speichermediums gerichtet wird. Sein an der Oberfläche
reflektierter Strahl wird zur Untersuchung der Oberflächenreflektivität vor, während
und nachdem mit einem zweiten Laserstrahl wenigstens am Ort des
Reflexionsereignisses des ersten Laserstrahls eine Veränderung des
Reflexionsverhaltens der Oberfläche bewirkt wird, verwendet.
Unter dem Begriff des Reflexionsereignisses ist der Oberflächenbereich auf dem
optischen Speichermedium zu verstehen, an dem der erste Laserstrahl zur
Oberflächenuntersuchung reflektiert wird.
Der auf die Oberfläche gerichtete, kontinuierliche Laserstrahl dient als Lesestrahl,
dessen Rückreflex vom zu untersuchenden Material auf Intensität und Polarisation
hin gemessen werden kann.
Zusätzlich kann ein Magnetfeldsystem in Form eines Elektromagneten vorgesehen
werden, der das optische Speichermedium einem zeitlich konstantem oder
veränderlichen Magnetfeld aussetzt.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf
die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 Aufbau zur Materialuntersuchung eines optischen Speichermediums
Für die Erzeugung des Schreib- und Lesestrahles dienen zwei Laserquellen (1) und
(2) mit unterschiedlichen Wellenlängen, wobei die Anordnung so gehalten ist, daß
die Wahl als Schreib- oder Lesequelle frei ist. Die beiden linear p-polarisierten
Laserstrahlen werden mittels eines dichroitischen Spiegels (3) auf eine gemeinsame
optische Achse gebracht. Sie gelangen durch einen teildurchlässigen polarisierenden
Strahlteiler (4), dessen Teilungsverhältnis beispielsweise 80%/20% beträgt (80%
Transmission für p-polarisiertes Licht, 20% Reflexion für p-polarisiertes Licht, 100%
Reflexion für s-polarisiertes Licht). Danach gelangen die Laserstrahlen durch eine
Verzögerungsplatte (5), die üblicher Weise als variable Verzögerungsplatte auf
Flüssigkristallbasis ausgelegt ist.
Für den Test von Phase-Change Materialien wird die Verzögerung auf ein Viertel der
Laserwellenlänge eingestellt - die Laserstrahlen werden zirkular polarisiert.
Für den Test von magneto-optischen Materialien erfolgt keine Verzögerung, sondern
lediglich eine einstellbare Korrektur der Elliptizität des rückgestreuten Lichtes.
Beide Laserstrahlen werden dann mittels eines zweiten dichroitischen Spiegels (6),
welcher die beiden Laserwellenlängen reflektiert, den restlichen sichtbaren
Spektralbereich aber durchläßt, in einen Mikroskopaufbau eingekoppelt. Durch das
Objektiv (7) werden die beiden Strahlen beugungsbegrenzt auf das zu
untersuchende Material (8) fokussiert.
Das vom Material reflektierte, im Falle magneto-optischer Materialien zusätzlich in
seiner Polarisation veränderte, Licht gelangt rückwärts über den dichroitischen
Spiegel (6) durch die Verzögerungsplatte (5). Dort wird zirkular polarisiertes Licht in
linear s-polarisiertes Licht verwandelt, bzw. die Elliptizität des Lichtes korrigiert. Der
polarisierende Strahlteiler (4) koppelt das vom Material reflektierte Licht in Richtung
auf die Detektoren aus. Es tritt durch eine λ/2-Verzögerungsplatte (9), welche dazu
dient, im Falle der Anwendung für magneto-optische Medien die beiden Signale auf
den Detektoren zum Zwecke einer guten Differenzbildung in ihrer Intensität
auszubalancieren. Ein polarisierender Stahlteiler (10) trennt die beiden
Polarisationsrichtungen auf. Beide Strahlen werden dann mittels zweier Prismen (11
und 12) in ihre Wellenlängenbestandteile zerlegt, so daß die vorher auf einer
optischen Achse laufenden Materialreflexe der beiden Laserstrahlen auf
unterschiedliche Detektoren gelenkt werden können. Über die zwei Linsen (13 und
14) werden die Materialreflexe auf jeweils zwei eng beieinanderliegende identische
Detektoren (15 und 16) gerichtet. Somit erhält der Benutzer vier Signale getrennt
nach Laserwellenlänge und nach Polarisation.
Zusätzliche Einrichtungen, wie sie für Mikroskope typisch sind ergänzen den Aufbau:
Durch Okulare kann die Probe (8) mit dem Auge oder mit einer Kamera (17) beobachtet werden. Damit lassen sich Bilder der Oberflächenveränderungen gewinnen und diese optisch vermessen. Als Auflichtquelle (18) dient eine Weißlichtquelle, die in den Mikroskopstrahlengang eingekoppelt wird. Durch das Einbringen eines Polarisators (19) im Strahlengang der Weißlichtquelle und das Einbringen eines Analysators (20) im Beobachtungsstrahlengang ist die Polarisationsmikroskopie der Oberfläche möglich.
Durch Okulare kann die Probe (8) mit dem Auge oder mit einer Kamera (17) beobachtet werden. Damit lassen sich Bilder der Oberflächenveränderungen gewinnen und diese optisch vermessen. Als Auflichtquelle (18) dient eine Weißlichtquelle, die in den Mikroskopstrahlengang eingekoppelt wird. Durch das Einbringen eines Polarisators (19) im Strahlengang der Weißlichtquelle und das Einbringen eines Analysators (20) im Beobachtungsstrahlengang ist die Polarisationsmikroskopie der Oberfläche möglich.
Die Probe befindet sich auf einem motorischen XY-Tisch (21), so daß automatisch
mehrere Meßpunkte zur Ermittlung der Statistik der Meßergebnisse gesetzt werden
können. Unter der Probe (8) befindet sich ein starker Elektromagnet (22), der die
Magnetfelder zur Untersuchung magnetooptischer Schichten erzeugt.
Die Apparatur wird von einem Zentralrechner gesteuert. Wird eine Messung
gestartet, so wird zunächst einer der beiden Laser mit geringer Leistung
kontinuierlich aktiviert. Danach wird der zweite Laser nach den Vorgaben des
Benutzers dazu veranlaßt einen Impuls mit festgelegtem Amplitudenverlauf und
festgelegter Zeitdauer (z. B. ein Rechteckimpuls) abzugeben. Die von den Detektoren
(15, 16) empfangenen vier Signale (Ss1, Ss2, Sp1, Sp2) werden mittels eines
Transientenrecorders vor, während und nach dem Laserimpuls aufgezeichnet. Der
zeitliche Verlauf der Signale gibt dann Auskunft über das dynamisch optische
Verhalten des Materials. Danach kann eine neue Stelle auf dem Material der Probe 8
für eine Wiederholung des Anlaufes angefahren werden, oder aber der Impuls in
seiner Intensität, Zeitdauer oder Form verändert werden.
Im Falle von rein reflektierenden, die Polarisation nicht beeinflussenden Materialien
können die beiden Signale einer Wellenlänge addiert werden, in jedem Fall kann
aber auch die Polarisationsabhängigkeit der Materialreflexion (z. B. die
Doppelbrechung des Materials) beobachtet werden. Im Falle magneto-optischer
Materialien werden die beiden Signale einer Wellenlänge voneinander abgezogen
um das magneto-optische Differenzsignal zu erhalten.
Zusätzlich ist es möglich die Probe auf eine Heiz- oder Kühlfläche (z. B.
Peltierelement) zu plazieren, um damit die thermische Abhängigkeit der optischen
Eigenschaften zu messen.
Als Vorteile des Meßverfahrens sind zu nennen:
Das Verfahren erlaubt es, Veränderungen optischer Eigenschaften von Materialoberflächen durch die Einwirkung von Laserstrahlung und ggf. gleichzeitiger Einwirkung eines Magnetfeldes zu untersuchen, wobei die optischen Eigenschaften vor, während und nach der Einwirkung eines Lichtpulses unabhängig von diesem Lichtpuls beobachtet werden können.
Das Verfahren erlaubt es, Veränderungen optischer Eigenschaften von Materialoberflächen durch die Einwirkung von Laserstrahlung und ggf. gleichzeitiger Einwirkung eines Magnetfeldes zu untersuchen, wobei die optischen Eigenschaften vor, während und nach der Einwirkung eines Lichtpulses unabhängig von diesem Lichtpuls beobachtet werden können.
Dadurch, daß zwei Laser verwendet werden läßt sich der zeitliche und
Intensitätsverlauf des eingestrahlten Laserimpulses beliebig verändern ohne die
Eigenschaften des Lesepulses und damit des durch ihn zustande kommenden
Signals zu verändern.
Die optischen Eigenschaften lassen sich mit zwei unterschiedlichen
Laserwellenlängen wechselweise als Schreib- oder Lesestrahl untersuchen.
Das Meßgerät erlaubt es, Materialien und Schichten unter Lichtdurchlässigen
Substraten (z. B. CD-RW) zu untersuchen. Die optischen Eigenschaften lassen sich
darüber hinaus temperaturabhängig untersuchen.
Die optischen Eigenschaften lassen sich auch auf ihre Polarisationseffekte
(Doppelbrechung, Kerr-Rotation) hin untersuchen.
Während und nach der Messung kann die Oberflächenveränderung mikroskopisch
und polarisations-mikroskopisch beobachtet und/oder vermessen werden.
Das Instrument kann als Scanning-Mikroskop verwendet werden, indem das Lese-
Detektorsignal während einer XY-Verschiebung des Probentisches gemessen wird.
Damit lassen sich die Größen der Markierungen auf dem Material nicht nur rein
optisch bestimmen, sondern auch die Polarisationsabhängigkeit. Es lassen sich
außerdem Markierungsgrenzen eindeutig festlegen.
Gemeinsam mit dem Magneten kann die Magnetisierungs-Hysteresekurve von
magneto-optischen Materialien vermessen werden.
Alle vorstehend genannten Meßfunktionen können ohne große Umbauten schnell
hintereinander und vor allem in einem Aufbau durchgeführt werden.
1
Laser
2
Laser
3
dichroitischer Spiegel
4
Strahlteiler
5
Verzögerungsplatte
6
dichroitischer Spiegel
7
Objektiv
8
Speichermedium, zu untersuchendes Material
9
↔λ/2-Verzögerungsplatte
10
polarisierender Stahlteiler
11
Prisma
12
Prisma
13
optische Linse
14
optische Linse
15
Detektor
16
Detektor
17
Kamera
18
Auflichtquelle
19
Polarisators
20
Analysators
21
XY-Tisch
22
Elektromagnet
Claims (8)
1. Verfahren zur Materialuntersuchung eines optischen Speichermediums mit
einem ersten, auf eine Oberfläche des Speichermediums gerichteten kontinuierlichen
Laserstrahl, dessen an der Oberfläche reflektierter Strahl zur Untersuchung der
Oberflächenreflektivität vor, während und nachdem ein zweiter Laserstrahl, der
wenigstens am Ort des Reflexionsereignisses des ersten Laserstrahls eine
Veränderung des Reflexionsverhaltens der Oberfläche bewirkt, verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Energiedeposition simultan zum
Reflexionsereignis erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Laserstrahl gepulst betrieben wird und
eine zum ersten Lichtstrahl unterschiedliche Wellenlänge und/oder unterschiedliche
Intensität aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß am Ort des optischen Speichermediums ein
Magnetsystem vorgesehen ist, das das Speichermedium einem konstanten oder
zeitlich veränderlichen Magnetfeld aussetzt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium am Ort der Energiedeposition
durch den Energieeintrag einen physikalischen Phasensprung erfährt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium am Ort der Energiedeposition
durch den Energieeintrag eine Änderung der magnetischen Eigenschaften erfährt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß beim reflektierten Strahl zur Untersuchung der
Oberflächenreflektivität die Intensität und/oder Polarisation gemessen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung die an der Oberfläche reflektierte
Strahlung des zweiten Lichtstrahls verwendet wird.
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