DE3650354T2 - Optische Datenspeicherungsvorrichtung. - Google Patents

Optische Datenspeicherungsvorrichtung.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine optische Speichervorrichtung, wobei optische Daten in einem Material gespeichert werden&sub1; das durch das Aufbringen von projizierter Strahlenergie darauf zwischen detektierbaren Zuständen umschaltbar ist.
  • Nichtablative zustandsänderbare Datenspeichersysteme, beispielsweise optische Datenspeichersysteme, zeichnen Informationen in einem zustandsänderbaren Material auf, das durch das Aufbringen von projizierter Strahlenergie darauf, beispielsweise optischer Energie, zwischen wenigstens zwei detektierbaren Zuständen umschaltbar ist.
  • Ein zustandsänderbares Datenspeichermaterial ist in einer Datenspeichereinrichtung vorgesehen, die einen solchen Aufbau hat, daß eine Schicht Datenspeichermaterial zwischen Einkapselungsschichten eingekapselt und von einem Substrat abgestiitzt ist. Bei optischen Datenspeichereinrichtungen weisen die Einkapselungsmaterialien beispielsweise Antiablationsmaterialien und -schichten, Wärmeisolationsmaterialien und -schichten, Antireflexmaterialien und -schichten, Reflexionsschichten und chemische Trennschichten auf. Außerdem können verschiedene Schichten mehr als eine dieser Funktionen ausüben. Beispielsweise können Antireflexschichten auch Antiablationsschichten und Wärmeisolationsschichten sein. Die Dicken der Schichten einschließlich der Schicht aus zustandsänderbarem Datenspeichermaterial sind optimiert, um die zur Zustandsänderung erforderliche Energie zu minimieren und das hohe Kontrastverhältnis, das hohe Träger- Rausch-Verhältnis und die hohe Stabilität von zustandsänderbaren Datenspeichermaterialien zu optimieren.
  • Das zustandsänderbare Material ist ein Material, das fähig ist, aus einem detektierbaren Zustand in einen anderen detektierbaren Zustand oder Zustände durch das Aufbringen von projizierter Strahlenergie darauf umgeschaltet zu werden. Zustandsänderbare Materialien sind derart, daß die detektierbaren Zustände hinsichtlich ihrer Morphologie, ihrer Oberflächentopographie, ihres relativen Ordnungsgrads, ihres relativen Fehlordnungsgrads, ihrer elektrischen Eigenschaften, ihrer optischen Eigenschaften einschließlich ihrer Brechwerte und des Reflexionsvermögens oder von Kombinationen von ein oder mehr dieser Eigenschaften verschieden sein können. Der Zustand eines zustandsänderbaren Materials ist detektierbar durch die elektrische Leitfähigkeit, den spezifischen elektrischen Widerstand, den optischen Transmissionsgrad, die optische Absorption, die optische Brechung, das optische Reflexionsvermögen oder Kombinationen davon.
  • Die Bildung einer Datenspeichereinrichtung ist ein Vakuumverfahren, das die Abscheidung der Einzelschichten umfaßt, beispielsweise durch Vakuumbedampfen, chemische Abscheidung aus der Gasphase bzw. CVD-Verfahren und/oder Plasmaspritzen. Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet Plasmaspritzen Aufbringen durch Sputtern, Glimmentladung und plasmaunterstützte chemische Abscheidung aus der Gasphase.
  • Materialien auf Tellurbasis werden als zustandsänderbare Materialien für die Datenspeicherung verwendet, wenn die Zustandsänderung eine strukturelle Änderung ist, die sich durch eine Änderung des Reflexionsvermögens zeigt. Dieser Effekt wird beispielsweise von J. Feinleib, J. deNeufville, S.C. Moss und S.R. Ovshinsky in "Rapid Reversible Light- Induced Crystallization of Amorphous Semiconductors", Appl. Phys. Lett., Bd. 18(6), S. 254-257 (15. März 1971), und in der US-PS 3 530 441 von S.R. Ovshinsky, Method and Apparatus For Storing And Retrieving Of Information, beschrieben. Eine neuere Beschreibung von Tellur-Germanium-Zinn-Systemen ohne Sauerstoff findet sich bei M. Chen, K.A. Rubin, V. Marrello, U.G. Gerber und V.B. Jipson, "Reversibility And Stability of Tellur Alloys for Optical Data Storage", Appl. Phys. Lett., Bd. 46(8), S. 734-736 (15. April 1985). Eine neuere Beschreibung von Tellur-Germanium-Zinn-Systemen mit Sauerstoff findet sich bei M. Takenaga, N. Yamada, S. Ohara, K. Nishiciuchi, M. Nagashima, T. Kashibara, S. Nakamura und T. Yamashita in "New Optical Erasable Medium Using Tellur Suboxide Thin Film", Proceedings SPIE Conference on Optical Data Storage, Arlington, VA, 1983, S. 173-177.
  • Zustandsänderbare Materialien auf Tellurbasis sind im allgemeinen Ein- oder Mehrphasensysteme, (1) wobei die Ordnungserscheinungen einen Keimbildungs- und Wachstumsprozeß umfassen (der homogene und heterogene Keimoildungen oder beide umfaßt), um ein System von fehlgeordneten Materialien in ein System von geordneten und fehlgeordneten Materialien umzuwandeln, und (2) die Glasumwandlungs- bzw. Verglasungserscheinung Schmelzen und rasches Quenchen des phasenänderbaren Materials umfaßt, um ein System von fehlgeordneten und geordneten Materialien in ein System von weitgehend fehlgeordneten Materialien umzuwandeln. Die obigen Phasenänderungen und Trennungen treten über relativ geringe Distanzen mit innigem Ineinandergreifen der Phasen und grober struktureller Diskriminierung auf und sind in bezug auf lokale Änderungen der Stöchiometrie hochempfindlich.
  • Bei Speichermaterialien vom Chalkogentyp umfassen die Leistungsmeßgrößen (1) das Kontrastverhältnis, d. h. die Differenz der Reflexionsgrade der Zustände, dividiert durch die Summe der Reflexionsgrade der Zustände, und (2) die Träger-Rausch-Verhältnisse sowohl (a) des "Schreib"- als auch (b) des "Lösch"-Zustands. Der Ausfallmodus des Speichermaterials zeigt sich durch die Verschlechterung der Leistungsmeßgrößen in bezug auf die Anzahl von Zyklen. Das heißt, ein Ausfall kann sich zeigen durch (1) eine Abnahme des Kontrastverhältnisses mit zunehmender Anzahl von Zyklen oder durch (2) eine Abnahme des Verhältnisses zwischen Schreibsignal und Rauschen oder eine Zunahme des Verhältnisses zwischen gelöschtem Träger und Rauschen. Der genaue Mechanismus für diese Ausfälle ist bisher nicht vollständig verstanden worden.
  • Diese Ausfallarten werden jedoch mit beobachtbaren physischen Phänomenen identifiziert. Beispielsweise wurden nach statischer Prüfung ringartige Bereiche beobachtet, die einzelne diskrete Zonen des Speichermediums umgeben, die einem oder mehr Schreib-Lösch-Zyklen unterworfen worden waren. Außerdem wurden nach dynamischer Prüfung symmetrische sichelförmige Bereiche parallel zu den Informationsspuren auf dem Speichermedium beobachtet, die an den Rändern der zyklisch beanspruchten Zellen lagen. Man glaubt, daß diese ringähnlichen und sichelförmigen Bereiche phasenänderbares Material einer Mischstruktur enthalten, das unvollständig umgeschaltet wurde oder Zyklen unvollständig durchlaufen hat. Die Anwesenheit von Bereichen gemischter Struktur wird mit einem Verlust der Materialleistung unter dynamischen Bedingungen in Verbindung gebracht.
  • Eine weitere Leistungsmeßgröße ist die Ordnungs- oder Löschdauer. Eine schwerwiegende Einschränkung der Datenspeicherrate ist eine lange Ordnungs- oder Löschdauer. Ordnen oder Löschen erfolgt durch die Kristallisation von verglasten oder beschriebenen Punkten. Eine Schicht aus phasenänderbarem Material jedoch, die ausreichend dünn ist, um eine erste Randreflexion zu ermöglichen, ist so dünn, daß die Glasumwandlung oder das Beschreiben des Punkts im wesentlichen durch die gesamte Schicht hindurch erfolgt. Bei den meisten Zusammensetzungen aktiver Schichten findet die Kristallisation der Punkte beim Löschen von den Seiten aus statt, wo sich etwas unverglastes Material befindet, um als Keimoildungsstellen zu dienen. Somit hängt die Löschdauer teilweise von dem Durchmesser des Punkts ab.
  • Eine optische Speichereinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in US-A-3 778 785 beschrieben. Gemäß dieser Druckschrift wird eine Dünnschicht aus einem Chalkogenmaterial Te&sub8;&sub0;Ge&sub1;&sub5;As&sub5; mit einer Schichtdicke von 60 nm verwendet. Die Löschgeschwindigkeit liegt in der Größenordnung von 3 us oder höher. Die thermische Eindringtiefe bzw. Wärmeeindringtiefe ist geringer als 30 nm, und die optische Absorptionskonstante α ist 5 10&sup5; cm&supmin;¹.
  • Ferner beschreibt US-A-4 357 366 eine optische Speichereinrichtung mit einem ersten Substrat, einer Einkapselungsschicht aus SiO&sub2; auf dem ersten Substrat, einer phasenänderbaren Datenspeichermedium-Schicht, die von der Einkapselungsschicht abgestützt und damit in Kontakt ist, wobei die Speichermediumschicht phasenänderbares Tellur aufweist. Ein zweites Substrat ist über der Speicherschicht angeordnet, wobei die Dicke ca. 30 nm beträgt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Löschgeschwindigkeit der optischen Speichereinrichtung zu erhöhen, so daß nicht nur das Schreiben, sondern auch das Löschen von Informationen sehr rasch durchgeführt werden kann, und zwar mit relativ einfachen Mitteln.
  • Die Erfindung ist in Anspruch 1 gekennzeichnet, und bevorzugte Ausführungsformen sind in Unteransprüchen angegeben. Gemäß der Erfindung ist eine erste Einkapselungsschicht zwischen dem Substrat und der Datenspeicherschicht angeordnet. Ein zweites Substrat ist auf der Oberfläche der Datenspeicherschicht entgegengesetzt zu dem ersten Substrat angeordnet. Das phasenänderbare Chalkogenmaterial der Speicherschicht weist als eine Hauptkomponente Te87-88Ge&sub5;Sn&sub6;O3-4 auf.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Speicherschicht eine Dicke von wenigstens der Wärmeeindringtiefe d. Eine Dicke von wenigstens 200 nm wird bevorzugt.
  • Die Erfindung verbessert die Umschaltgeschwindigkeit, die Löschfähigkeit und die Gesamtleistung der optischen Einrichtung durch ein oder mehr Mittel, die einzeln oder in Kombination angewandt werden können. Die erste Möglichkeit ist die Verwendung einer optisch nichtdurchlässigen Chalkogenidschicht, um die Rückkristallisation und erhöhte Umschaltgeschwindigkeit zu fördern. Die zweite Möglichkeit verwendet einen Zweikomponenten-Löschstrahl, um ein vollständigeres Löschen zu erreichen. Die dritte Möglichkeit verwendet einen relativ breiten Löschstrahl, um so mehr Energie auf die Spurränder zu konzentrieren und ein vollständigeres Löschen zu erreichen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Datenspeichereinrichtung bereitgestellt, die eine optisch nichtdurchlässige Chalkogenschicht als Datenspeichermedium, ein das Medium abstützendes Substrat und dielektrische Schichten aufweist, die das Chalkogenid- Datenspeichermedium einkapseln.
  • "Optisch nichtdurchlässig" bedeutet einen optischen Transmissionsgrad von weniger als ungefähr 5 % im ungeordneten oder Glaszustand.
  • Die optische Dicke der Chalkogenidschicht sollte ausreichend dick sein, um einen optischen Transmissionsgrad von weniger als 5 % in dem ungeordneten oder Glaszustand zu erhalten.
  • Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung muß die Chalkogenidschicht auch ausreichend dick sein, so daß die Energie des projizierten Strahls das Chalkogenidmaterial nicht durch die gesamte Schicht hindurch verglast, sondern nur durch einen oberen Bereich, der als Vertiefung geformt sein kann. Für Energieimpulse der vorgesehenen Dauer und Energiedichte sollte die thermische Dicke also derart sein, daß eine Glasumwandlung durch die gesamte Chalkogenidschicht vermieden wird. Unter der Vertiefung aus Glaszustandsmaterial befindet sich Chalkogenidmaterial in einem kristallisierten oder geordneten Zustand.
  • Wir haben gefunden, daß die Tiefe des Glaszustandspunkts des Phasenänderungsmaterials typischerweise drei- bis zehnmal kleiner als der Durchmesser des Glaszustandspunkts ist und daß das Kristallisationsverhältnis von der Punktgröße unabhängig ist. Unter Nutzung dieser Feststellung haben wird Einrichtungen mit einer Schicht aus Phasenänderungsmaterial hergestellt, die dicker ist, als bisher als optimal angesehen wurde. Auf diese Weise konnten wir eine signifikant höhere Kristallisationsrate erzielen, als sie bisher bei ähnlichen Chalkogenidschichten mit 80 bis 120 nm Dicke beobachtet wurde. Die mikroskopische Untersuchung von Datenspeichereinrichtungen mit den hier vorgesehenen Chalkogenid- Dickschichten zeigt, daß das erreicht wird durch Vorsehen von Keimen oder Keimbildungsstellen durch eine Erscheinung, die wir als "Rückwachstum" bezeichnen. "Rückwachstum" bedeutet, daß Kristalle Keime bilden und die Kristallisation ausgehend von unverglastem Chalkogenidmaterial in der Schicht hinter dem verglasten Chalkogenmaterial und daran angrenzend, jedoch entfernt von der Quelle der Glasbildungsenergie, abläuft, d. h. daß die Kristallisation ausgehend von einem Bereich unter den verglasten Punkten abläuft.
  • Bei der Erfindung muß die Dicke der Chalkogenidschicht, d. h. die Schicht des Phasenänderungsmaterials, ausreichend sein, so daß eine vorübergehende Wärmeübertragung aufgrund des Glasbildungs- oder Schreibimpulses der projizierten Strahlenergie aus dem verglasten Punkt ausreichend gering ist, um eine vollständige Glasbildung durch die gesamte Schicht hindurch zu vermeiden. Das heißt, die Energie des projizierten Strahls durchdringt nicht die gesamte Schicht des eine Phasenänderung erf ahrenden Chalkogenidmaterials.
  • Es wird angenommen, daß die Kristallisation von der Grenzfläche zwischen den Zuständen, d. h. der Grenzfläche zwischen dem Glaszustand und dem kristallisierten Zustand, ausgeht, wobei die dem Zyklus nicht unterliegenden Kristalle als Keimbildungsstellen dienen. Das Rückwachstum läuft viel rascher als das Seitenwachstum des Standes der Technik ab, weil die Wachstumsachse zu der größten Dimension der Punkt größe senkrecht und nicht parallel dazu ist. Im vorliegenden Fall läuft das Rückwachstum nur durch die Tiefe des Punkts von ca. 0,1 um anstatt durch den Radius des Punkts von ungefähr 1 um wie im Fall des seitlichen Wachstums ab.
  • Durch die Erfindung wird eine Selbstausrichtung der zwei Zustände entlang der Zustandsgrenzfläche oder der Phasengrenzfläche vorgesehen. Beim Stand der Technik läuft die Kristallisation durch eine Schichtgrenzfläche ab. Gemäß der Erfindung läuft die Kristallisation durch eine Phasengrenzfläche desselben Materials ab, und neue wachsende Kristalle werden mit den nichtverglasten Kristallen richtig ausgefluchtet. Infolgedessen ist die Gefahr weit geringer, daß das Kristallwachstum unerwünschte Strukturen und damit einhergehende Restsignale beim Löschen zeigt, die durch Unregelmäßigkkeiten in früheren Wachstumsmustern bewirkt wurden.
  • Man glaubt, daß das Rückwachstum in einer besseren Kontrolle der Größe, Orientierung, Volumenfraktion und Wachstumsrate der Kristalle resultiert. Es wird daher angenommen, daß die optisch undurchlässige, kristalline Chalkogenidschicht gleichbleibende und sogar bevorzugte Orientierungen ergibt und die Zeit zum Umschalten aus dem weniger geordneten detektierbaren Zustand in den stärker geordneten detektierbaren Zustand verkürzt.
  • Ferner wird angenommen, daß die Erfindung die von der Zyklusvorgeschichte abhängige Änderung der Ordnung des geordneten Materials vermindert, und zwar, weil die Keime oder Keimbildungsstellen selber keinem Zyklus oder keiner Zustandsänderung unterliegen und infolgedessen das Phasenänderungsmaterial in jedem Zyklus gleichbleibend kristallisiert. Das führt zu einer erheblichen Verbesserung der Stabilität und der Unveränderlichkeit der Zyklusvorgeschichte.
  • Außerdem weist die dickere, optisch undurchlässige Chalkogenschicht innere Reflexion auf. Beim Stand der Technik mußte die Dicke der dünneren Chalkogenschicht eine Dicke von Lambda/2n haben, wobei n der Brechungswert und Lambda die Wellenlänge ist, um den Kontrast zu maximieren, d. h. um das Glasreflexionsvermögen zu minimieren und das Kristallreflexionsvermogen zu maximieren, wobei der Kontrast gleich Rkristallin - Ramorph ist.
  • Bei dem hier vorliegenden, innere Reflexion aufweisenden Phasenänderungsmaterial wird auftreffendes Licht sowohl von der vorderen Grenzfläche (auf die das Licht auftrifft) als auch der Grenzfläche zwischen Glaszustand/kristallisiertem Zustand anstatt von der Grenzfläche zwischen der Chalkogenidschicht und der dielektrischen Schicht zurückreflektiert. Somit kann die Dicke der dicken, optisch undurchlässigen Schicht relativ ungleichmäßig sein, solange bestimmte Dicken, d. h. die Wärmeeindringdicke und die optische Dicke, überschritten werden. Dagegen hängen die Dünnschicht-Chalkogenidstrukturen des Standes der Technik auf kritische Weise von der Dicke der aktiven Chalkogenidschicht ab. Die größere Toleranz der Schichtdickenabweichung der Erfindung resultiert in weit geringeren Problemen bei der Herstellung und der Gütekontrolle.
  • Wegen der Steigerung der Kristallisationsraten aufgrund der günstigeren Geometrie der Dickschichtstruktur können Chalkogenverbindungen, die stabiler sind und gleichzeitig langsamere Eigenschaltzeiten haben, verwendet werden und gleichzeitig gute Ergebnisse erbringen. Im Stand der Technik könnte ein rasch umschaltendes Chalkogen wie beispielsweise Te&sub8;&sub3;Ge&sub5;Sn&sub6;O6-8 verwendet werden. Te&sub8;&sub3;Ge&sub5;Sn&sub6;O6-8 hat jedoch eine Kristallisationstemperatur von ca. 80 ºC. Diese relativ niedrige Kristallisationstemperatur bedeutet, daß das Material im amorphen Zustand über die Zeit relativ instabil sein kann.
  • Bei der Erfindung wird das Dünnschichtmaterial mit schneller Schaltzeit oder niedrigen Kristallisationstemperaturen erhalten mit einer dickeren Schicht einer Verbindung aus Te87-88Ge&sub5;Sn&sub6;O3-4, die eine Kristallisationstemperatur von 100 ºC hat und infolgedessen über die Zeit stabiler ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Datenspeichereinrichtung angegeben, die folgendes aufweist: ein erstes Substrat, eine auf das Substrat aufgebrachte erste dielektrische Schicht und eine auf die erste dielektrische Schicht aufgebrachte, optisch undurchlässige phasenänderbare Chalkogenschicht als Datenspeichermedium. Die optisch undurchlässige, phasenänderbare Datenspeichermedium-Chalkogenschicht hat ein Produkt von ALPHA x D größer als oder gleich 3, wobei
  • T = TO EXP(-ALPHA x D)
  • und
  • ALPHA = optischer Absorptionskoeffizient,
  • D = Dicke der aktiven Chalkogenidschicht,
  • T = Intensität des durchgelassenen Lichts, und
  • TO = Intensität des in die aktive Schicht eintretenden Lichts.
  • Auf die Schicht des zustandsänderbaren Materials kann fakultativ eine zweite dielektrische Schicht aufgebracht sein. Bei der hier vorgesehenen Chalkogenid-Dickschichtstruktur kann die zweite dielektrische Schicht unnötig sein. Ein zweites Substrat ist darauf angeordnet. Die resultierende Einrichtung zeigt im dynamischen Prüf gerät eine Unveränderlichkeit der Zyklusvorgeschichte durch mehr als wenigstens 17.000 Zyklen mit einem Kontrast von ca. 40 oder mehr db bei vollständiger Löschfähigkeit.
  • Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform praktiziert werden kann, wird projizierte Strahlenergie auf das Medium aufgebracht, um dadurch einen diskreten Bereich des Mediums zu ändern, z. B. eine Einzelzelle in dem Medium von einem Festzustand einer ersten relativen Ordnung in einen Festzustand einer zweiten relativen Ordnung durch einen zwischenzustand realtiv hoher Mobilität zu ändern. Danach wird projizierte Strahlenergie auf das Medium aufgebracht, um denselben diskreten Bereich des Mediums von dem Zustand zweiter relativer Ordnung in den Zustand erster relativer Odnung zu ändern, und zwar durch einen Zwischenzustand relativ hoher Mobilität.
  • Insbesondere umfaßt die zweite Ausführungsform der Erfindung die Umschaltung von stärker geordnetem Material, z. B. kristallinem Material, zu weniger geordnetem Material, z. B. amorphem Material, durch einen Zustand relativ hoher Mobilität, und von einem weniger geordneten Material, z. B. amorphem Material, zu stärker geordnetem Material, z. B. kristallinem Material, durch einen Zustand hoher Mobilität. Beide Phasenänderungen, beispielsweise von kristallin zu amorph and von amorph zu kristallin, umfassen das Durchlauf en eines Zustands hoher Mobilität, der durch eine relativ geringe Viskosität gekennzeichnet ist. Die Zustände hoher Mobilität können derselbe Zustand oder verschiedene Zustände hoher Mobilität sein. Die Phasenübergänge unterscheiden sich hinsichtlich der thermischen Vorgeschichte, d. h. hinsichtlich der Quenchraten sowie hinsichtlich der Schmelz- und Quenchtemperatur-Zeit-Profile.
  • Gemäß dieser zweiten Ausführungsform werden ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, um ein oder mehr Vorgänge des Einschreibens von Daten in ein zustandsänderbares Chalkogenid-Speichermedium, des Auslesens von Daten aus einem zustandsänderbaren Chalkogenid-Speichermedium oder des Löschens von Daten von dem zustandsänderbaren Chalkogenid-Speichermedium auszuführen. Das vorgesehene Verfahren umfaßt das Verglasen einer Zelle des Speichermediums von einem relativ geordneten Zustand durch einen Zustand relativ hoher Mobilität zu einem relativ fehlgeordneten Zustand. Die Erfindung umfaßt außerdem die Kristallisation der Zelle des Speichermediums aus dem relativ fehlgeordneten Festzustand durch einen Zustand relativ hoher Mobilität zurück zu dem relativ geordneten Festzustand. Die Zustände hoher Mobilität können dabei die gleichen oder verschiedene Zustände hoher Mobilität sein.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Alternative wird das Verfahren der Erfindung durchgeführt unter Anwendung eines Vielkomponentenstrahls, um die gewünschten Schmelz-Quench- Profile zu erhalten. Daten werden in das Chalkogen-Speichermedium, z. B. einen diskreten Bereich des Speichermediums, mit einem relativ energiereichen Impuls kurzer Dauer von projizierter Strahlenergie eingeschrieben. Daten werden von dem Chalkogen-Speichermedium, z. B. dem diskreten Bereich des Speichermediums, mit einem Energiestrahl gelöscht, der zwei Komponenten hat. Eine Komponente ist ein relativ energiereicher projizierter Energiestrahl kurzer Dauer. Die andere Komponente ist eine relativ energiearme projizierte Energiestrahlkomponente langer Dauer.
  • Gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung ist der Ordnungs- oder Kristallisationsvorgang vollständiger, und die Verschlechterung sowohl des momentanen als auch des zyklusabhängigen Träger-Rausch-Verhältnisses wird vermindert.
  • Eine erhebliche Verschlechterung der Struktur des phasenänderbaren Materials tritt am wahrscheinlichsten als Ergebnis des Kristallisationsvorgangs auf. Die Kristallisation verlangt das Aufbringen von relativ lang dauernden, relativ geringe Energiedichte aufweisenden Energiestrahien. Diese Strahlen haben eine Gaußsche Energieverteilung in bezug auf Zeit und Geometrie. Die Gaußsche Energieverteilung zeigt sich in der verschlechterten Struktur des phasenänderbaren Materials entfernt von der Mittellinie der Spur. Diese Verschlechterung der Struktur des phasenänderbaren Materials steht in Verbindung mit der entsprechenden beobachteten Verschlechterung der Leistung des Materials nach wiederholten Zyklen und ist für Probleme des unvollständigen löschens teilweise verantwortlich.
  • Gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung wird das Problem des unvollständigen Löschens, das sich in der beobachteten Verschlechterung der Randstruktur innerhalb des Speichermediums und durch Verluste der Materialleistung zeigt, eliminiert. Man nimmt an, daß die unvollständig umgeschalteten oder zyklisch beanspruchten Bereiche gemischter Struktur in Beziehung zu einem Gaußschen Energieverteilungsprofil der fokussierten projizierten Aufzeichnungs- und Lösch-Energiestrahlen stehen. Insbesondere basiert das zustandsänderbare Material des Speichermediums auf Zeit-Temperatur-Differenzen von diskreten Bereichen, um die Schreib- und Löschvorgänge zu bewirken. Die Temperaturgradienten über zyklisch beanspruchte Bereiche des Speichermediums erzeugen daher Zeit-Temperatur-Zwischenvorgeschichten, die zu unvollständigem Durchlaufen von Zyklen, unvollständigen Phasenänderungen oder schlechtdef inierten Grenzen zwischen Bereichen von phasenänderbaren Materialien führen können. Das wird als Verschlechterung bezeichnet. Eine Verschlechterung ändert die Struktur des phasenänderbaren Materials nahe den ständig wiederholten zyklisch beanspruchten Bereichen.
  • Gemäß der dritten Ausführungsform wird projizierte Strahl energie auf das Medium aufgebracht, um eine relativ schmale erste Spur des Mediums aus einem Zustand einer ersten relativen Ordnung in einen Zustand einer zweiten relativen Ordnung zu ändern. Danach wird projizierte Strahlenergie auf das Medium aufgebracht, um eine zweite Spur des Mediums, die ausreichend breiter als die erste Spur ist und die relativ schmale erste Spur umgibt, von dem Zustand der zweiten relativen Ordnung in den Zustand der ersten relativen Ordnung zu ändern. Auf diese Weise befinden sich alle Bereiche von unvollständig zyklisch beanspruchtem Speichermedium, die in der breiteren zweiten Spur enthalten sind, außerhalb des Bereichs der schmalen ersten Spur.
  • Dieses Verfahren sieht das Einschreiben von Daten in das Speichermedium mit einem ersten Energieimpuls einer relativ schmalen Strahlbreite vor. Die Daten werden von dem Speichermedium mit einem zweiten Energieimpuls gelöscht, dessen Strahlbreite größer als die relativ schmale Strahlbreite des ersten Energieimpulses ist. Auf diese Weise liegen alle Bereiche von unvollständig zyklisch beanspruchtem Speichermedium, die in einer zweiten Spur des Speichermediums enthalten sind, die durch den zweiten Energieimpuls größerer Strahlbreite gelöscht wurde, im wesentlichen außerhalb der Spur des Speichermediums, die von dem ersten Energieimpuls mit schmaler Strahlbreite beschrieben wurde.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform wird das Verfahren der Erfindung unter Verwendung eines defokussierten Energieimpulses zum Löschen durchgeführt. Daten werden in das Speichermedium mit einem im wesentlichen fokussierten Energieimpuls eingeschrieben. Daten werden von dem Speichermedium mit einem Energieimpuls gelöscht, der in bezug auf den im wesentlichen fokussierten Energieimpuls geringfügig defokussiert ist.
  • Nach dem Verfharen der Erfindung ist die Breite der Löschspur hinreichend größer als die der Aufzeichnungsspur, so daß die Bereiche von unvollständig gelöschtem Speichermaterial im wesentlichen außerhalb der Schreib-Lesespur auftreten, die Breite aber nicht groß genug ist, um auf angrenzende Spuren zu treffen. Somit wird das Problem des unvollständigen Löschens, das durch diese Bereiche von verschlechtertem zyklisch beanspruchtem Speichermaterial bewirkt ist, erheblich verringert.
  • Das Datenspeichermedium kann gebildet sein, indem die Materialien abgeschieden werden, um eine Abscheidung davon zu bilden. Die Abscheidung kann mehr als 200 nm dick sein.
    • DIE ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung ergibt sich besonders unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
  • Fig. 1 ist eine geschnittene isometrische Teildarstellung, nicht maßstabsgetreu, mit übertriebenen seitlichen Dimensionen und vertikalem Maßstab, einer optischen Datenspeichereinrichtung.
  • Fig. 2 ist ein detaillierter Schnitt des Teils der optischen Datenspeichereinrichtung von Fig. 1, wobei die Beziehung der verschiedenen Schichten der Einrichtung gezeigt sind.
  • Fig. 3a
  • und 3b zeigen die Kristallwachstumsstrukturen eines gelöschten Punkts auf einer Schicht aus Chalkogenid- Datenspeichermaterial, die einerseits gemäß dem Stand der Technik und andererseits gemäß einer Ausführungsform der Erfindung formuliert ist.
  • Fig. 4a
  • und 4b repräsentieren Löschdauern des Stands der Technik bzw. einer Ausführungsform der Erfindung, aufgetragen gegenüber dem Kontrast bei verschiedenen Aufzeichnungsleistungen.
  • Fig. 5 zeigt ein Datenspeichersystem, in dem die Datenspeichermediumschicht der Erfindung vorgesehen ist.
  • Fig. 6
  • bis 10 sind Darstellungen von fünf Moden der projizierten Multikomponenten-Strahlenergie.
  • Fig. 11
  • und 12 sind Darstellungen der Enegieverteilungsprofile von Energiestrahien. Die Fig. 11 und 12 zeigen die Energieverteilung als eine Funktion von Fläche, Temperatur und Zeit, wobei die Fläche auf der Horizontalachse, die Temperatur auf der Vertikalachse und die Zeit auf der dritten Achse aufgetragen sind. Fig. 11 repräsentiert das Energieverteilungsprofil des Stands der Technik. Fig. 12 repräsentiert das Profil des Energiestrahls bei defokussiertem Strahl.
  • Fig. 13 ist eine Darstellung einer Reihe von Zellen entlang einer der Schreib-Lösch-Spuren der Datenspeichereinrichtung.
    • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform der hier beschriebenen Erfindung wird eine mit projiziertem Strahl betriebene Speichereinrichtung angegeben, die eine Dickschicht eines Datenspeichermediums hat. Die Mediumschicht ist im wesentlichen optisch nichtdurchlässig, und ein Teil davon ist zwischen detektierbaren Zuständen durch das Aufbringen von projizierter Strahlenergie darauf umschaltbar.
  • Die Fig. 1 und 2 zeigen eine mit projiziertem Strahl betriebene Datenspeichereinrichtung l der Erfindung, die ein Substrat, z. B. ein Kunststoff substrat 11, eine erste dielektrische Einkapselungsschicht 21, beispielsweise eine erste Germaniumoxid-Einkapselungsschicht, eine Datenspeichermedium-Chalkogenidschicht 31, eine zweite dielektrische Schicht 41, z. B. eine zweite Germaniumoxidschicht 41, und ein zweites Substrat, z. B. ein Kunststoffsubstrat 51 hat.
  • Das phasenänderbare Material innerhalb der aktiven Schicht 31 ist eine Chalkogenzusammensetzung, die ein Chalkogen, am meisten bevorzugt Tellur, ein Vernetzungsmittel und fakultativ weitere Materialien wie Sauerstoff, Schwefel, Seien und Zinn enthält.
  • Das Chalkogen ist charakteristisch Tellur, obwohl andere Chalkogene wie beispielsweise Seien gleichzeitig damit vorhanden sein können.
  • Die Vernetzungsmittel sind Elemente der Gruppen IIIB, IVB und VB des Periodensystems. Beispielhafte Vernetzungsmittel der Gruppen III B, IV B und V B umfassen Aluminium, Indium und Gallium aus der Gruppe III B, Silizium, Germanium und Zinn aus der Gruppe IV B, Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon und Bismuth aus der Gruppe V B und Gemische davon. Am häufigsten sind die Vernetzungsmittel Germanium und Zinn, wobei eines oder mehr von Sauerstoff oder Nickel anwesend sind.
  • Bei einem Beispiel ist das Datenspeichermedium 31 im wesentlichen frei von Sauerstoff, das Chalkogen ist Tellur, und das Vernetzungsmittel ist Germanium, und zwar entweder für sich oder mit zusätzlichen Vernetzungsmitteln wie Silizium, Zinn, Arsen und/oder Antimon. Bei einem alternativen Beispiel kann die Chalkogenzusammensetzung Sauerstoff enthalten. Wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, kann ein Umschaltmodulator wie Nickel anwesend sein. Der Umschaltmodulator ist in der gemeinsam übertragenen anhängigen US- Patentanmeldung von Rosa Young und Stanford R. Ovshinsky, IMPROVED PROJECTED BEAM DATA STORAGE MEDIUM, beschrieben, und es wird hier summarisch darauf Bezug genommen. Das Atomverhältnis von Vernetzungsmitteln zu der Gesamtzusammensetzung liegt zwischen 1 und ca. 20 Atom-%. Das Atomverhältnis von Umschaltmodulator, falls anwesend, liegt zwischen ca. 1 % und ca. 20 % und bevorzugt zwischen 1 % und ca. 10 %. Die vorhandene Menge an Tellur liegt zwischen ca. 70 und ca. 90 Atom-%. Zusätzlich kann das Datenspeichermedium weitere Additive wie Zinn enthalten, wobei ein Verhältnis von Additiv zu der Gesamtzusammensetzung zwischen ca. 1 Atom-% und ca. 10 Atom-% liegt.
  • Fig. 2 zeigt einen Schnitt der Datenspeichereinrichtung 1 von Fig. 1 im Detail. Wie gezeigt, ist das Substrat 11 ein polymerer Flächenkörper, beispielsweise ein Polymethylmethacrylat-Flächenkörper. Das Substrat 11 ist ein optisch unveränderlicher, optisch isotroper transparenter Flächenkörper. Die bevorzugte Dicke des Substrats 11 liegt zwischen ca. 1 mm und ca. 1,5 mm.
  • Auf der Oberseite des Substrats 11 ist eine Folie, ein Flächenkörper oder eine Schicht 13, beispielsweise ein photochemisch initiierter polymerisierter Acrylepoxid-Flächenkörper angeordnet. In den polymeren Flächenkörper 13 können Vertiefungen polymerisiert, geformt oder gegossen sein. Wenn Vertiefungen anwesend sind, können sie eine Dicke von ca. 50 bis 100 nm haben. Die Folie, der Flächenkörper oder die Schicht 13 kann als Klebstoff wirken und das Substrat 11 an den Einkapselungen halten. Sie hat eine Dicke von ca. 30 bis ca. 200 um und bevorzugt von ca. 50 bis ca. 100 um.
  • Auf der Oberseite des photopolymerisierten Flächenkörpers 13 ist eine dielektrische Sperrschicht 21 angeordnet. Die dielektrische Sperrschicht 21, beispielsweise aus Germaniumoxid, hat eine Dicke von ca. 50 bis ca. 200 nm. Die dielektrische Sperrschicht 21 hat ein oder mehr Funktionen. Sie dient dazu zu verhindern, daß oxidierende Mittel zu der aktiven Chalkogenschicht 31 gelangen, und verhindert eine Verformung des Kunststoffsubstrats aufgrund einer lokalen Erwärmung der Chalkogenidschicht 31, beispielsweise während des Aufzeichnens oder Löschens. Die Sperrschicht 21 dient außerdem als reflexionsmindernde Beschichtung, wodurch die optische Empfindlichkeit der aktiven Chalkogenidschicht 31 erhöht wird.
  • Weitere Dielektrika können die Einkapselungsschichten 21, 41 bilden. Beispielsweise können die Einkapselungsschichten Siliziumnitrid sein, das geschichtet oder abgestuft ist, um ein Diffundieren von Silizium in die Chalkogenidschicht 31 zu vermeiden. Alternativ können die dielektrischen Einkapselungsschichten 21, 41 Siliziumdioxid, Aluminiumoxid oder ein anderes Dielektrikum sein. Alternativ kann die Chalkogenidschicht ausreichend dick sein, um selbstkapselnd zu sein.
  • Das Chalkogenid-Datenspeichermedium 31 hat eine Dicke
  • (1) von wenigstens d, wobei d die oben beschriebene thermische Eindringtiefe ist,
  • (2) von größer als ungefähr d* = Lambda/4n, wobei Lambda die Wellenlänge der projizierten Strahlenergie und n die Brechzahl des kristallinen Datenspeichermediums ist, und
  • (3) eine optische Dicke, die ausreichend groß ist, um im wesentlichen optisch nichtdurchlässig zu sein, wie bereits beschrieben wurde, und innere Reflexion zu zeigen. Die Dicke der Schicht des Chalkogenid-Datenspeichermediums ist wenigstens ungefähr 200 nm und bevorzugt ca. 200 bis 400 nm.
  • Auf der Chalkogenidschicht 31 und in Kontakt mit ihrer entgegengesetzten Oberfläche ist eine zweite dielektrische Schicht 41 vorgesehen, beispielsweise eine Germaniumoxidschicht. Die zweite dielektrische Schicht 41 kann, wenn sie vorhanden ist, gleiche Dicke wie die erste Schicht 21 haben, das ist aber nicht notwendig. Da jedoch die hier angegebene dicke Chalkogenidschicht 31 eine gute thermische Barriere ist, kann die zweite dielektrische Schicht 41 entfallen. Eine zweite Photopolymerschicht 49 und eine zweite Substratschicht 51 sind in Kontakt mit der entgegengesetzten Oberfläche der Einkapselungsschicht 41.
  • Die Polyacrylatschichten 13, 49 werden an Ort und Stelle gegossen oder geformt. Diese Schichten 13, 49 können an Ort und Stelle photopolymerisiert werden, z. B. durch Aufbringen von UV-Licht. Die Sperrschichten 21, 41 werden beispielsweise durch Aufdampfen von Germanium- und Germaniumoxidmaterialien oder durch Zerstäuben abgeschieden, was reaktives Zerstäuben umfaßt, wobei der Sauerstoffgehalt des reaktiven Gases, das beim reaktiven Zerstäuben eingesetzt wird, gesteuert wird. Die Chalkogenidschicht 31 kann durch Bedampfen oder durch Zerstäuben oder durch chemisches Aufdampfen gebildet werden.
  • Die hier vorgesehene Schicht aus phasenänderbarem Chalkogenidmaterial ist dicker als ihre "optische Dicke" und ihre "thermische Eindringdicke". Die thermische Eindringdicke ist die maximale Distanz in das phasenänderbare Chalkogenid, gemessen von der Seite, auf die der projizierte Energiestrahl auftrifft, die auf eine ausreichend hohe Temperatur erwärmt wird, um die Glasumwandlung durch den projizierten Energiestrahl zu bewirken. Das hinter der thermischen Eindringdicke liegende phasenänderbare Chalkogenidmaterial wird durch den projizierten Energiestrahl nicht verglast. Es kann jedoch von dem Strahl direkt kristallisiert werden.
  • Die thermische Eindringdicke ist eine Funktion der Energie, Wellenlänge und Dauer des projizierten Energiestrahls. Sie ist außerdem eine Funktion der Wärmeleitfähigkeit k und der spezifischen Wärme Cp des Chalkogenidmaterials sowie der maximalen Temperatur Tm, die von der den projizierten Energiestrahl auf nehmenden Seite des phasenänderbaren Chalkogenids erreicht wird.
  • Eine angenäherte theoretische Berechnung der thermischen Eindringdicke kann unter Anwendung der Methoden durchgeführt werden, die von William H. McAdams in Heat Transmission, 3. Aufl., McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, NY (1954), in Kapitel 3 "Transient Conduction", S. 39, "Semi-infinite Solid", in R. Byron Bird, Warren E. Stuart und Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena, John Wiley & Sons, Inc., New York, NY (1960), in Kapitel 11 "Temperature Distributions With More Than One Independent Variable", Beisp. 11.1-1, "Heating of a Semi-Infinite Slab" auf S. 353-354, und H. S. Carslaw und J.C. Jaeger, Conduction of Heat In Solids, 2. Aufl., Oxford University Press (1959), beschrieben sind; auf diese Dokumente wird hier summarisch Bezug genommen.
  • Unter Anwendung der in den obigen Texten beschriebenen Methoden kann die thermische Eindringdicke d berechnet werden unter der Annahme (1) einer maximalen Temperatur Tm bei der thermischen Eindringdicke d kleiner oder gleich der Schmelztemperatur des Chalkogenid-Phasenänderungsmaterials, (2) einer maximalen Temperatur Ts an der Oberfläche des Chalkogenid-Phasenänderungsmaterials, auf die der projizierte Energiestrahl fällt, und (3) einer Anfangstemperatur To der Chalkogenid-Phasenänderungsschicht, beispielsweise Raumtemperatur. Diese Temperaturen können durch eine reduzierte dimensionslose "nichterreichte Temperaturänderung" Y miteinander in Beziehung gesetzt werden, die wie folgt definiert ist:
  • Y = Ts - Tm/Ts - To
  • Die physikalischen Eigenschaften des Chalkogenid-Phasenänderungsmaterials werden in Beziehung gesetzt durch die dimensionslose Zahl Z, die definiert ist als:
  • z = d/2 x Quadratwurzel (ALPHA x THETA)
  • wobei
  • alpha = Wärmeleitfähigkeit/Dichte x spezifische Wärme
  • und
  • theta = Impulsdauer des projizierten Energiestrahls.
  • Unter Anwendung der obigen mathematischen Modelle und der angenommenen Temperaturbegrenzungen und unter Befolgung der in den obigen Texten beschriebenen Verfahren und der graphischen Lösungen ist die theoretisch vorhergesagte Wärmeenergie-Eindringdicke für einen Impuls von 200 us ungefähr 200 nm.
  • Praktische experimentelle Beobachtungen haben gezeigt, daß bei Aufzeichnungsimpulsdauern von ca. 200 ns und Aufzeichnungsleistungen von ca. 1 bis 5 mW eine Dicke der Chalkogenid-Phasenänderungsschicht von oberhalb ca. 200 bis 250 nm adäquat ist, um eine Rückkristallisation zu ergeben, wobei größere Dicken vorteilhaft sind, um praktisch kein optisches Durchlaßvermögen durch die Chalkogenid-Phasenänderungsschicht zu erhalten und um als Einkapselung und/oder Dielektrikum zu wirken.
  • Bei einem besonders bevorzugten Beispiel der Erfindung wird das Energieprofil der projizierten Energiestrahleinrichtung ausgebildet oder gesteuert zum Erhalt einer seitlich gleichmäßigen thermischen Eindringtiefe, so daß Kristallisation und Glasumwandlung nur innerhalb einer Strecke d* der Seite der Chalkogenid-Phasenänderungsschicht, in die der projizierte Energiestrahl eintritt, auftreten. Die Strecke d* ist definiert durch
  • d* = Lambda/4n
  • Lambda ist die Wellenlänge des projizierten Energiestrahls, und n ist die Brechzahl des verglasten Chalkogenid-Phasenänderungsmaterials. Die Dicke d* ergibt den maximalen Kontrast zwischen dem Schreib- und dem Löschzustand.
  • Die Fig. 3a und 3b zeigen den Unterschied der Wachstumsstruktur zwischen Kristallwachstum in einem gelöschten Punkt in einem Dünnschichtmedium nach dem Stand der Technik und in dem Dickschichtmedium der Erfindung. In Fig. 3a liegt die Dicke der Datenspeichermediumschicht in der Größenordnung von 100 nm. Bei dieser Dicke verglast der auftreffende Löschenergiestrahl einen Punkt im wesentlichen durch die Gesamtdicke der Schicht hindurch. Wenn der Punkt rekristallisiert wird, geht das Kristallwachstum von unverglasten Kristallen aus, die als Keimbildungsstellen an den Rändern des Punkts dienen können. Das resultiert in einer nach innen verlaufenden Kristallisationsfront, d. h in Randwachstum. Bei dieser Randwachstumsstruktur ist die Kristallisationszeit lang, weil das Wachstum durch den gesamten Durchmesser des gelöschten Punkts ablaufen muß.
  • In Fig. 3b ist die Schicht aus Chalkogenidmaterial viel dicker, und zwar in der Größenordnung von 200 bis 500 nm. Der auftreffende Verglasungsimpuls verglast einen Punkt nur zum Teil durch die Schicht hindurch und beläßt eine Grundschicht von Kristallen, die das verglaste Material umgeben und unter der Vertiefung aus verglastem Material liegen. Wenn der Punkt rekristallisiert wird, liefert diese Grundschicht Keimbildungsstellen. Da das Kristallwachstum in einer Richtung stattfindet, die zu dem Durchmesser des relativ flachen gelöschten Punkts senkrecht ist, rekristallisiert der Punkt viel rascher. Außerdem haben wir gefunden, daß die Orientierung der Kristalle in der Grundschicht 41 so kontrolliert werden kann, daß sie sämtlich die gleiche Orientierung mit der C-Achse des Tellurs haben, die von der Schichtvorderseite zur -rückseite orientiert ist. Die Orientierung von Grundschichtkristallen innerhalb der Chalkogenidschicht 41 kann mit Techniken gesteuert werden wie beispielsweise dem Vorsehen von Zusammensetzungsgradienten in der Schicht 41 aus Phasenänderungsmaterial, um dadurch eine abgestufte Kristallisationstemperatur zu erhalten, oder durch Vorsehen einer Impfungsschicht. Beispielsweise kann die Kristallisationstemperatur fern von dem projizierten Energiestrahl höher als die Kristallisationstemperatur auf der Seite der Phasenänderungsmaterialschicht 41, auf die der Energiestrahl auftrifft, sein. Der Gradient kann linear oder diskret sein.
  • Die gleichzeitige Verbesserung der Löschdauer ist in den Fig. 4a und 4b gezeigt, wobei die Löschdauer von Dünn- und Dickschicht-Phasenänderungsschichten gezeigt ist. In diesen Diagrammen ist die Löschimpulsdauer, d. h. die Zeit in us, gegenüber dem Kontrast für verschiedene Aufzeichnungsleistungen aufgetragen. Der Punkt wird als gelöscht angesehen, wenn der Kontrast maximiert ist und abflacht. In Fig. 4a, in der das Randwachstum der Löschmechanismus in der Schicht aus Phasenänderungsmaterial war, trat der Löschpunkt erst auf, nachdem zwischen 1 und ca. 9 us abgelaufen waren. In Fig. 4b, in der Rückwachstum der angegebene Mechanismus in einer 200 nm dicken Schicht war, wurde der Löschpunkt vor Ablauf von 0,5 us erreicht, und der Anstiegs- und Abflachungsverlauf konnte nicht detektiert werden. Die Löschdauer lag unterhalb der Bereiche, die gewöhnlich bei Schichten einer Dicke von 80 bis 120 nm beobachtet werden.
  • Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung, das in Fig. 5 gezeigt ist, wird ein optisches Datenspeichersystem angegeben, das zur Verwendung mit der optischen Datenspeichereinrichtung der Fig. 1 und 2 ausgebildet ist und darin eine optisch nichtdurchlässige, phasenänderbare Chalkogenid- Datenspeichermediumschicht aufweist. Das System weist Einrichtungen zum Aufbringen einer relativen Bewegung auf die Platte 1 auf, etwa einen Drehteller 111, der von einem Motor 113 angetrieben wird.
  • Die projizierten Strahlenergieeinrichtungen, z. B. Laser 121 und 123, werden von einer Steuereinrichtung 151 und einer Codiereinrichtung 153 gesteuert, wenn im "Schreib"- und "Lösch"- bzw. "Verglasungs"- und "Kristallisierungs"-Modus gearbeitet wird. Im "Lese"-Modus verwendet die projizierte Strahlenergieeinrichtung einen Photodetektor 131 und eine Decodiereinrichtung 155 unter Steuerung durch die Steuereinrichtung, um den Zustand der Zelle des Phasenänderungs- Speichermaterials zu bestimmen.
  • Die Steuereinrichtung 151 weist außerdem Spureinstellungsmittel auf, um die Einrichtung für die projizierte Strahl energie, den Drehteller 111 und den Motor 113 zu synchronisieren.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Umschaltung des Speichermaterials mit dem projizierten Energiestrahl von dem ersten Zustand relativer Ordnung in einen zweiten Zustand relativer Ordnung unter Bedingungen durchgeführt, die dazu führen, daß die Phasenübergänge durch Zustände hoher Mobilität hindurch ablaufen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird projizierte Strahlenergie auf das Datenspeichermedium 31 von Fig. 2 aufgebracht, um einen diskreten Bereich des Mediums 31 von einem Festzustand mit einer ersten relativen Ordnung durch einen Zwischenzustand relativ hoher Mobilität in einen Festzustand einer zweiten relativen Ordnung zu ändern. Ferner sieht die Erfindung das reversible Aufbringen von projizierter Strahlenergie auf das Medium 31 auf, um den diskreten Bereich des Mediums 31 von dem Zustand der zweiten relativen Ordnung durch einen Zustand relativ hoher Mobilität zurück zu dem Zustand der ersten relativen Ordnung zu ändern.
  • Im allgemeinen bedingt dies eine Glasumwandlung eines diskreten Bereichs des Speichermediums 31 aus einem relativ geordneten Zustand, z. B. einem kristallinen Zustand, durch einen Zustand relativ hoher Mobilität, z. B. einen geschmolzenen Zustand, in einen relativ fehlgeordneten Zustand, z. B. einen amorphen Zustand. Der diskrete Bereich kann dann reversibel umgeschaltet werden, beispielsweise durch Kristallisation von dem relativ fehlgeordneten Festzustand durch einen Zustand relativ hoher Mobilität zu dem relativ geordneten Festzustand, beispielsweise dem kristallinen Zustand. Die Zustände hoher Mobilität können dabei der gleiche Zustand oder verschiedene Zustände sein.
  • Der Zustand einer ersten relativen Ordnung kann ein relativ fehlgeordneter Zustand sein, der beispielsweise durch einen einzigen relativ energiereichen Impuls kurzer Dauer gebildet wird. Das Schmelz-Quench-Profil des relativ energiereichen Impulses kurzer Dauer ist so, daß es in einer raschen Quenchrate resultiert, die in der Fehlordnung des Zustands hoher Mobilität, z. B. des flüssigen Zustands, quencht. Typischerweise hat der einzige relativ energiereiche Impuls relativ kurzer Dauer eine ausreichend hohe Energie, um das Material über den Schmelzpunkt zu erwärmen, die jedoch ausreichend niedrig ist, um eine Ablation zu vermeiden. Der Impuls hat ausreichend kurze Dauer, um eine erhebliche Erwärmung angrenzender Bereiche zu vermeiden, was eine relativ rasche Abkühlung aus einem Zustand hoher Mobilität, z. B. dem flüssigen Zustand, in einen relativ fehlgeordneten Festzustand erlaubt. Im allgemeinen liegt die fokussierte Energie zwischen ca. 5 und 20 mW/um², und die Dauer ist kürzer als ca. 200 bis 400 ns.
  • Im allgemeinen ist der Zustand zweiter relativer Ordnung ein relativ geordneter Zustand, z. B. ein kristalliner, ein polykristalliner oder ein mikrokristalliner Zustand. Der Zustand relativer Ordnung wird gebildet durch Aufbringen eines Energiestrahls, der eine relativ energiereiche Komponente kurzer Dauer und eine relativ energiearme Komponente langer Dauer hat. Die relativ energiereiche Komponente kurzer Dauer sollte so sein, daß sie entweder für sich oder gemeinsam mit der energiearmen Komponente langer Dauer die Speicherzelle bis nahe dem Schmelzpunkt oder über den Schmelzpunkt des Speichermateirals erwärmt. Dies sollte ein Energieimpuls von ca. 5 bis ca. 20 mW/um² und bevorzugt von ca. 7 bis ca. 12 mW/um² sein. Der relativ energiereiche Impuls sollte eine Dauer von weniger als ca. 400 und bevorzugt weniger als 200 ns, beispielsweise von ca. 10 bis ca. 100 ns haben. Der relativ energiearme Impuls langer Dauer hat eine ausreichend niedrige Energie, um eine Ablation zu vermeiden, wenn er gemeinsam mit dem energiereichen Impuls kurzer Dauer angewandt wird, die aber ausreichend hoch ist, um das Material auf Temperaturen zu erwärmen, bei denen die Kristallisation rasch fortschreitet. Die Dauer des relativ energiearmen Impulses sollte so sein, daß eine langsame Abkühlungsrate unterstützt wird, die die Keimbildung und das Wachstum der kristallinen Form zuläßt. Der Impuls geringer Energiedichte und langer Dauer hat eine Dauer von ca. 1 bis 2 us und eine Energiedichte von ca. 1 bis 2 mW/um². Das ist etwa 1/10 der Energiedichte des energiereichen Impulses und wird über einen Zeitraum aufgebracht, der ungefähr zehnmal länger als der des energiereichen Impulses ist.
  • Die Energieimpulse können nacheinander aufgebracht werden, wie beispielsweise in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist. In Fig. 6 tritt der energiereiche Impuls vor dem energiearmen Impuls auf. In Fig. 7 tritt der energiearme Impuls vor dem energiereichen Impuls auf. Die Zeit zwischen den Impulsen ist ausreichend kurz, um das Auftreten der vorgesehenen kumulativen Effekte zuzulassen. Das heißt, die Zeit zwischen den Impulsen ist ausreichend kurz, um eine unerwünschte Wärmeableitung zwischen Impulsen zu vermeiden, um so die Ausbildung von Zwischenzuständen hoher Mobilität und anschließenden geordneten Zuständen zu ermöglichen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Impulse einander im wesentlichen überlagert. Die Impulse können gleichzeitig ausgelöst werden, wie Fig. 8 zeigt. Die Impulse können im wesentlichen gleichzeitig gelöscht werden, wie Fig. 9 zeigt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die in Fig. 10 gezeigt ist, wird der energiereiche Impuls nach dem energiearmen Impuls ausgelöst und wird vor dem Löschen des energiearmen Impulses gelöscht.
  • Auf diese Weise werden Daten in das Chalkogenid-Speichermedium 31 mit einem relativ energiereichen Impuls kurzer Dauer eingeschrieben. Die Daten werden aus dem Chalkogenspeicher mit einem komplexen Energiestrahl gelöscht, der (1) eine Komponente relativ hoher Energiedichte und kurzer Dauer und (2) eine Komponente relativ geringer Energiedichte und langer Dauer hat.
  • Gemäß der Erfindung ist das Träger-Rausch-Verhältnis im aufgezeichneten Zustand größer als 38 dB, und das Träger- Rausch-Verhältnis im gelöschten Zustand ist kleiner als ca. 6 dB.
  • Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren und ein System zum Einschreiben von Daten in die, Auslesen von Daten aus der und Löschen von Daten von der mit projiziertem Strahl arbeitenden Datenspeichereinrichtung 1 der Fig. 1 und 2 angegeben. Die Datenspeichereinrichtung hat ein Datenspeichermedium 31, das zwischen detektierbaren Zuständen durch das Aufbringen von projizierter Strahlenergie darauf umschaltbar ist. Das Datenspeichersystem 101 gemäß Fig. 7 ist zur Verwendung mit der optischen Datenspeichereinrichtung 1 bestimmt.
  • Die Umschaltung des Materials von einem Zustand einer ersten relativen Ordnung in einen Zustand einer zweiten relativen Ordnung sowie von dem Zustand der zweiten relativen Ordnung in den Zustand der ersten relativen Ordnung erfolgt durch das Aufbringen von projizierter Strahlenergie. Die Energiestrahlen nach dem Stand der Technik haben die in Fig. 11 gezeigte Energieverteilung. Wie dort gezeigt ist, haben diese Strahlen eine Gaußsche Energieverteilung sowohl in bezug auf die Zeit als auch auf die Geometrie. Der größte Teil der Energie liegt in der Mitte, d. h. sie bildet in der Mitte der Spur einen Peak und fällt an den Spurrändern steil ab. Die Energiestrahlen der Erfindung haben die in Fig. 4 gezeigte Energieverteilung. Wie dort zu sehen ist, zeigt die Energieverteilung in bezug auf die Geometrie eine abgeflachte Kurve anstelle der relativ spitz zulaufenden Kurve von Fig. 11. Es fällt ein größerer Teil der Energie auf die Ränder der Spur und weniger auf die Mitte. Man nimmt an, daß die Abflachung der Energiekurve gemäß einem Ausführungsbeispiel erreicht wird, indem der Löschenergieimpuls defokussiert wird.
  • Die Vollinien 1a und 1b von Fig. 12 definieren den Bereich der Spur, der das Speichermaterial in einem Zustand einer ersten relativen Ordnung, z. B. im Schreib- oder Verglasungszustand, enthält. Die Breite der Spur, die zwischen 1a und 1b gemessen ist, liegt im Bereich von ungefähr 0,9 bis 1,0 um. Die unterbrochenen Linien 2a und 2b definieren den Bereich, der Speichermaterial in einem Zustand einer zweiten relativen Ordnung enthält, z. B. im gelöschten oder kristallisierten Zustand unter Anwendung des Verfahrens nach dem Stand der Technik. Die Strichlinien 3a und 3b definieren den Bereich der Spur, der Speichermaterial im Zustand der zweiten relativen Ordnung, z. B. im gelöschten oder kristallisierten Zustand, bei Anwendung des Verfahrens der Erfindung enthält. Die Breite dieser größeren Spur, die zwischen 3a und 3b gemessen ist, liegt im Bereich von ungefähr 1,1 bis 1,2 um. Die Bereiche 4 und 5 enthalten unvollständig zyklisch beanspruchtes Speichermaterial, das mit den Methoden des Standes der Technik bzw. mit der Methode der Erfindung gebildet ist.
  • Gemäß dem vorliegenden Aspekt ist die Breite der Spur 3a und 3b des Speichermediums, das von dem Zustand der zweiten relativen Ordnung zu dem Zustand der ersten relativen Ordnung geändert wurde, breiter als eine Spur 1a und 1b des Speichermediums, das von dem Zustand der ersten relativen Ordnung zu dem Zustand der zweiten relativen Ordnung geändert wurde. Die breitere zweite Spur 3a und 3b ist ausreichend breiter als die erste Spur 1a und 1b, so daß Bereiche von unvollständig zyklisch beanspruchten Speichermaterialien 5 in Form etwa von ringartigen oder sichelförmigen Bereichen im wesentlichen außerhalb des Bereichs der schmalen ersten Spur 1a und 1b liegen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird projizierte Strahlenergie auf ein Speichermedium aufgebracht, um eine relativ schmale erste Spur des Mediums von einem Zustand erster relativer Ordnung in einen Zustand zweiter relativer Ordnung zu ändern. Danach wird projizierte Strahlenergie auf das Medium aufgebracht, um eine zweite Spur des Mediums, die ausreichend breiter als die relativ schmale erste Spur ist und die erste Spur umschließt, von dem Zustand zweiter relativer Ordnung zu dem Zustand erster relativer Ordnung zu ändern. Auf diese Weise treten im wesentlichen sämtliche Bereiche des unvollständig zyklisch beanspruchten Speichermediums, die innerhalb der breiteren zweiten Spur enthalten sind, nahe der oder angrenzend an die äußere Begrenzung der zweiten Spur auf und liegen dadurch außerhalb des Bereichs der schmalen ersten Spur.
  • Projizierte Strahlenergie relativ schmaler Strahlbreite wird auf das Medium aufgebracht, um es von einem Zustand erster relativer Ordnung zu einem Zustand zweiter relativer Ordnung zu ändern. Der Ausdruck "Strahlbreite", wie er auf dem Gebiet der optischen Datenspeicherung verwendet wird, bedeutet im allgemeinen die Breite der Punktgröße, die von dem Strahl erzeugt wird, wenn er auf das Speichermaterial trifft. Die Erfindung sieht ferner vor, daß die projizierte Strahlenergie einer Strahlbreite, die breiter als die der relativ schmalen Strahlbreite ist, auf das Medium aufgebracht wird, um es von dem Zustand zweiter relativer Ordnung zu dem Zustand erster relativer Ordnung zu ändern. Der breitere Energiestrahl ist ausreichend breit, so daß alle diskreten Bereiche von Speichermaterial 5, die auf seiner Bahn liegen und im wesentlichen dem diskreten Bereich benachbart sind, auf den der Energiestrahl schmaler Strahl breite trifft, in den Zustand erster relativer Ordnung umgeschaltet werden.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Daten in das Speichermedium mit einem im wesentlichen fokussierten Energieimpuls eingeschrieben und von dem Speichermedium mit einem geringfügig defokussierten zweiten Energieimpuls 2 gelöscht. Die Bereiche der Spur, die von dem defokussierten zweiten Energieimpuls 2 gelöscht werden, umfassen sowohl (a) vollständig zyklisch beanspruchte Bereiche als auch (b) unvollständig zyklisch beanspruchte Bereiche 5, auf die der defokussierte Energiestrahl trifft und die im wesentlichen außerhalb der diskreten Bereiche liegen, die von dem relativ fokussierten Energiestrahl beschrieben wurden.
  • Bei einer anderen, besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Quelle des projizierten Energiestrahls ein Laser und wird defokussiert durch Auftasten einer externen Spannung auf das Fokus-Servogleichlaufsystem des Lasers. Diese Fokusabweichung wird nur während des Löschzyklus angewandt.
  • Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Quelle des projizierten Energiestrahls ein Laser, und der Punkt wird vergrößert durch Verwendung einer finalen Objektivlinse mit kleiner effektiver Apertur, gesehen von dem Lösch-Laserstrahl aus.
  • Bei einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Quelle des projizierten Energiestrahls ein Laser, und das Energieverteilungsprofil wird modifiziert durch Wahl der TEM01*-, TEM&sub0;&sub1;- oder TEM&sub1;&sub1;-Moden des Lasers, wie das auf dem Gebiet der Lasertechnik bekannt ist.
  • Bei einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Quelle des unter Energieverteilung projizierten Energiestrahls ein Laser, und sein Profil wird durch Unterbrechen des Lichtwegs geändert.
  • Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Quelle des projizierten Energiestrahls ein Laser, und seine fokussierte Strahlform wird durch Versetzen der Kollimationslinse geändert, so daß der Strahl nicht scharf fokussiert austritt.
  • Bei einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Energiestrahlguelle ein Laser und wird unter Verwendung einer mechanischen Einrichtung, beispielsweise eines Korrektionsstücks, defokussiert.
  • Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist der projizierte Energiestrahl ein Laser, und sein Energieverteilungsprofil wird modifiziert, indem der Strahl beispielsweise durch ein Beugungsgitter geteilt und die Zentren des Teilstrahls entlang den Rändern der Aufzeichnungsspur ausgefluchtet werden.
  • Die oben aufgeführten Methoden zur Modifizierung des Energieverteilungsprofils des Löschstrahls können entweder für sich oder in jeder Kombination angewandt werden.
  • Bei einem Arbeitsbeispiel des dritten Aspekts der Erfindung hatte die getestete optische Speicherplatte ein Träger- Rausch-Verhältnis im Schreibzustand von 38 bis 40 dB und eine Löschfähigkeitstiefe von ungefähr 18 bis 20 dB, wenn sie mit dem bekannten Verfahren gelöscht wurde. Die gleiche Testplatte, die mit einem defokussierten Laserstrahl der gleichen Laserausgangsleistung gelöscht wurde, erzielte eine Verbesserung der Löschfähigkeitstiefe um 3 bis 4 dB gegenüber dem Stand der Technik.
  • Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und -beispiele beschrieben, der Umfang der Erfindung wird jedoch nicht dadurch, sondern ausschließlich durch die anhängenden Patentansprüche begrenzt.

Claims (12)

1. Optische Speichereinrichtung (1), die folgendes aufweist:
ein Substrat (11);
eine Datenspeicherschicht (31) aus einem phasenänderbaren Chalkogenmaterial, das zwischen einem relativ geordneten Zustand und einem relativ fehlgeordneten Zustand reversibel änderbar ist durch das Aufbringen von projizierter Strahlenergie auf eine Strahleintrittsfläche davon, wobei das Chalkogenmaterial ein Vernetzungsmittel aufweist; wobei die Datenspeicherschicht (31) ausreichend dick ist, um zu verhindern, daß mehr als ca. 5 % des einfallenden Lichts durch sie hindurchtritt, sowie ausreichend dick ist, um relativ geordnetes Material hinter einem Bereich von relativ fehlgeordnetem Material zu belassen, nachdem der Bereich aus relativ fehlgeordnetem Material zu dem relativ fehlgeordneten Zustand geändert worden ist;
wobei eine Phasenänderung des Chalkogenmaterials aus dem relativ fehlgeordneten Zustand in den relativ geordneten Zustand von einer dazwischenliegenden Grenzfläche zu der Energiestrahl-Eintrittsfläche der Datenspeicherschicht (31) abläuft und die Grenzfläche für Licht reflektierend ist;
wobei die optische Speichereinrichtung gekennzeichnet ist durch:
eine erste Einkapselungsschicht (21), die zwischen dem Substrat (11) und der Datenspeicherschicht (31) angeordnet ist;
ein zweites Substrat (51), das auf der dem ersten Substrat (11) entgegengesetzten Oberfläche der Datenspeicherschicht (31) angeordnet ist; und
dadurch gekennzeichnet, daß das phasenänderbare Chalkogenmaterial Te87-88Ge&sub5;Sn&sub6;O3-4 als einen Hauptbestandteil aufweist.
2. Optische Speichereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschicht (31) eine Dicke von wenigstens der thermischen Eindringtiefe d hat.
3. Optische Speichereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschicht (31) eine Dicke hat, die größer als ca. d* = λ/4n ist, wobei λ die Wellenlänge der optischen Strahlenergie und n die Brechzahl des kristallinen Datenspeichermediums ist.
4. Optische Speichereinrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material und die Dicke der Speicherschicht (31) derart gewählt sind, daß die Kristallisation so stattfindet, daß die C-Achse senkrecht zu der Grenzfläche zwischen den Zuständen orientiert ist.
5. Optische Speichereinrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschicht (31) eine Dicke von wenigstens 200 nm hat.
6. Optische Speichereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Speicherschicht (31) zwischen 200 und 500 nm liegt.
7. Optische Speichereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Speicherschicht (31) zwischen 200 und 250 nm liegt.
8. Optische Speichereinrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium der Speicherschicht (31) zusätzlich Selen als ein Chalkogen enthält oder aufweist.
9. Optische Speichereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Speichermediums ferner Schwefel enthält oder aufweist.
10. Optische Speichereinrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschicht (31) ein Produkt von λ x D von wenigstens 3 hat, wobei D die Dicke der aktiven Schicht und λ der optische Absorptionskoeffizient ist
11. Optische Speichereinrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Einkapselungsschicht (25) die Speicherschicht (31) auf der Seite einkapselt, die der ersten Einkapselungsschicht (21) nicht zugewandt ist.
12. Optische Speichereinrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Vernetzungsmittel aus den Elementen der Gruppen IIIB, IVB und VB des Periodensystems ausgewählt ist.
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