JP3963427B2 - 光情報記録媒体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相変化型光記録媒体、書き換え可能な光記録媒体に関し、大容量光ファイル、デジタルビデオディスクに応用される。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー光を照射し、熱により非晶質相と結晶相の可逆的相変化を利用したいわゆる相変化型光記録媒体は、Rewritable ＣＤ, Rewritable ＤＶＤとして実用化されている。
Rewritable ＤＶＤにおいては、直径１２０ｍｍで、容量片面４．７Ｇｂｙｔｅ、記録線速１０ｍ／ｓ前後である。両面においては９Ｇｂｙｔｅにもなる。しかし、容量、高速記録、高転送速度は、大容量のコンテンツを扱うこれからの時代において、より大容量、高転送速度が要求される。半導体レーザーの波長がいまや４００ｎｍまで可能になっており、波長及び対物レンズの高ＮＡ化で容量が高くできる。この場合、基板の溝ピッチなどを詰めることにより、現状２０Ｇｂｙｔｅが可能となっている。高転送速度を実現するために記録線速を速くすると、ＬＤの発光パルスのパルス幅が狭くなること、パルスの立ちあがりと立ち下がり時間が限られているため、マーク端の位置制御、マークの面積が狭くなることにより、記録特性が劣化してくる。感度も悪くなってくる。従って、記録密度と記録線速を共に上げることは、特性上限界がある。また、溝ピッチを狭くして、密度を上げる場合も、溝形成上の限界、スポット径によるクロストーク、クロスイレースによる記録再生信号が劣化する。そこで、これら限界を打破する方法として、２層あるいはそれ以上の層を増やした多層化する方法がある。相変化型記録媒体の場合は、２層目を記録するためには、１層目の層を光が充分透過しないと記録感度が不足し、透過性を上げるために急冷させるための反射放熱層を薄くすると非晶質相が形成しにくくなったり、あるいは透過性を重視した材料では熱伝導率が低くなり同じく非晶質相が形成しにくくなることから、多層化にも限界がある。
【０００３】
多層化によらずに容量を上げる方法としては、多値技術がある（特開２００１−０８４５９１号公報）。これらは、マーク長とマーク間の長さを変えて、これら反射率差を読む。たとえば、これによれば反射信号が８段階であれば、すなわち８値となる。しかし、多値技術の場合は、容量を飛躍的に向上させるためには、４値、８値よりさらにこの値を増やす必要がある。相変化の場合、密度が高くなればなるほどすなわち基本マーク長が短くなればなるほど、わずかなマーク長の制御が難しくなる。また、高ＮＡ化により、レーザー光のスポット径を小さくし、高密度記録を行なう方法として、ＳＩＬレンズを用いた方法がある（特許第０２５５３２７５号公報）。ＮＡを１以上にして、波長以下のスポット径を狙うものであるが、記録媒体とヘッド間距離が５０ｎｍ程度の非常に狭い距離を要求される。これらは、媒体表面との摩擦による媒体が傷ついたり、媒体表面の異物とヘッドがぶつかりクラッシュしてしまう。
【０００４】
従って、記録媒体はカートリッジに入れることが必須となる。回折限界を超える方法として、ＳＩＬレンズを用いる方法以外に開口部近傍に存在するエバネセント光を利用し、波長依存性のない微小スポットを得る方法がある。これらには、ヘッド側に微小開口部を設ける方法（特開平１０−１５３６０４号公報）、記録媒体側に温度により、光学定数の変化を起こす層を設け、微小開口部を形成する方法がある（Appl.Phys.lett.,vol.73,No.15,pp2078-2080,1998）。
【０００５】
前者は、記録媒体とヘッド間距離を数１０ｎｍにしなければならないため、ＳＩＬ方式と同様の問題がある。また、現状静止のみの記録が可能にはなっているが、さらに記録パワーが低いために高速に記録する場合は感度が悪くなるので、高速記録に限界がある。後者は、記録媒体とヘッド間距離を離すことはできるが、再生信号のＳＮ比が小さいことと、開口の大きさを熱で制御するためにその大きさに限界がある。
【０００６】
記録密度を飛躍的に向上させるためには、光の回折限界を超えて波長以下のスポット径を得ることで、微小マークの記録再生はできるが、相変化型光記録媒体は非晶質相と結晶相の相変化を熱で行なういわゆるヒートモードであり、エバーネセント光を利用した近接場方式では、微小スポットが得られても記録パワーが小さく、静止状態では記録はできても高い線速になればなるほど感度が低下してしまい、記録ができない、再生信号のＳＮが小さいという問題があった。
【０００７】
また、近接場方式より媒体とヘッド間距離が広くとれ、スポット径を小さくできる波長４００ｎｍ、ＮＡ０．８５のヘッドを用いた場合、記録パワー、感度が大きく不足することがなくても、ヒートモードを用いる限り、マークの滲みによるマーク長の制御が難しいこと、溝のピッチが狭くなると隣接トラックへのマークの滲み、クロスイレースの問題がある。溝に記録する場合は、隣接トラックへの熱拡散を防ぐために、溝をより深くして拡散を防ぐ方法があるが、溝幅がより狭くなるにつれ、深い溝を精度よく形成することは難しくなる。このように、記録密度を高めるために、マーク長及びマーク間を短くし、容量を上げるために溝ピッチを狭くしていくと、マーク間干渉、マークの広がりのために限界がある。これらは、記録時の発光パルスの立ち上がり、立ち下がり時間、ＯＮパルス、ＯＦＦパルスの幅をいかに制御できるかによるが、これも周波数が高くなるにつれ制御にも限界がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、ヒートモードを用いた場合でも、マークの滲み、マーク間干渉がなく、高い密度にしてもより速い線速度で感度不足がなく記録可能な媒体の構成及び構成材料、記録方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明の（１）「基板上に、下部保護層、非晶質相と結晶相の間の可逆的相変化を利用した相変化記録層、上部保護層の順に積層された構造を有する記録セル部を多数設けるとともに、前記多数の記録セル部を隔離層で互いに隔離した構成としたことを特徴とする光記録媒体」、（２）「基板上に、放熱層、下部保護層、非晶質相と結晶相の間の可逆的相変化を利用した相変化記録層、上部保護層の順に積層された構造を有する記録セル部を多数設けるとともに、前記多数の記録セル部を隔離層で互いに隔離した構成としたことを特徴とする光記録媒体」、（３）「前記相変化記録層が、
【００１０】
【数３】
Ａ１−ｘＢｘ
で、ＡがＡｇ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇｅ，Ｇａ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｓｂのうち少なくとも一つ以上、ＢがＴｅ，Ｓｅのうち少なくとも一つ以上からなり、
【００１１】
【数４】
１０<ｘ<９０
であることを特徴とする前記第（１）項または第（２）項に記載の光記録媒体」、（４）「前記記録セルの直径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする前記第（１）項乃至第（３）項の何れか１に記載の光記録媒体」、（５）「前記記録セルの記録層の融点が５００℃以下、結晶化温度が１５０℃以上であることを特徴とする前記第（３）項に記載の光記録媒体」、（６）「前記下部保護層材料が、ＺｎＳ，ＺｎＯ，ＩｎＯ，ＩｎＳｎＯ，Ａｌ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５，ＡｌＮのうち少なくとも１種類を含むことを特徴とする前記第（１）項または第（２）項に記載の光記録媒体」、（７）「前記上部保護層が、ＳｉＯ２，ＳｉＮ，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，ＺｎＳ，Ｙ２Ｏ３のうち少なくとも１種類を含むことを特徴とする前記第（１）項または第（２）項に記載の光記録媒体」、（８）「前記隔離層が、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２，Ｙ２Ｏ３及びこれらの混合物であることを特徴とする前記第（１）項に記載の光記録媒体」、（９）「前記記録セルがトラック方向、半径方向に一定の間隔で、螺旋状に配列していることを特徴とする前記第（１）項乃至第（７）項の何れか１に記載の光記録媒体」、（１０）「前記第（１）項または第（２）項に記載の媒体の媒体表面に、屈折率２以上をもつ半球型の誘電体層を記録セル上に配置することを特徴とする光記録媒体」、（１１）「前記誘電体層が、Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＺｎＯ，Ｉｎ２Ｏ５であることを特徴とする前記第（９）項に記載の光記録媒体」により達成される。
【００１２】
また、上記課題は、本発明の（１２）「前記第（１）項乃至第（１１）項の何れか１に記載の記録媒体の記録時のパルスが、再生時のパワーかそれ以下のバイアスパワーと、記録パワーの２つのレベル、消去時は再生時のパワーかそれ以下のパワーと記録パワーより低い消去パワーの２つのレベルをもつパルス信号からなり、記録パワー及び消去パワーは記録セルに照射され、記録セル間はバイアスパワーが照射されることを特徴とする光記録方法」により達成される。
【００１３】
本発明の第１の構成を図１に示す。基板上に下部保護層、非晶質相と結晶相の間の可逆的相変化を利用した相変化記録層、上部保護層の順に積層された構造を有する記録セル部を多数設けるとともに、前記多数の記録セル部を隔離層で互いに隔離するように構成されている。ここで用いる基板は、必ずしも透明である必要はない。媒体に入射する光の方向は、基板側からでなく基板とは反対側の面からである。基板としては、現在、ＣＤ及びＤＶＤで使用されているポリカーボネートの他に、シリコン、アルミニウム、ＳｉＯ２、金属酸化物、ＳｉＣなどがあるが、平面性が良く、高温、高湿状態に置かれても変形、反りが小さいことが望ましい。さらに耐熱性に優れていることが望ましい。下部保護層は、ＺｎＳ，ＳｉＯ２，ＺｎＯ，ＩｎＯ，ＩｎＳｎＯ，ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３，ＴｉＯ２があるが、熱伝導率は比較的高く、吸収が小さいものを用いる。また、記録層の結晶化を促進しないことが望ましい。膜厚は、５ｎｍから２０ｎｍが良い。膜厚が薄すぎると環境保護性が悪く、厚すぎると、成膜中に温度が上昇し、基板との熱膨張率差により基板の反りや膜にクラックが生じるなどの問題がある。上部保護層は、Ｙ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＳｉＮ，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，ＺｎＳの単体か、これら単体以外に混合物を用いても良い。この層は、光の干渉効果により、反射光を高めることと、同時に記録層を保護する。屈折率は、２以上、吸収はないほうがよい。膜厚は、２０ｎｍから１００ｎｍがよい。
【００１４】
記録層に用いる相変化記録材料は、
【００１５】
【数５】
Ａ１−ｘＢｘ
で、ＡがＡｇ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｍｎ，Ｓｂのうち少なくとも一つ以上、ＢがＴｅ，Ｓｅのうち少なくとも一つ以上からなり、
【００１６】
【数６】
０<ｘ<９０
である。本発明の特徴は、高密度記録を達成するために、１ビットあたりの大きさを小さくすることであるが、ビット長すなわち記録マークサイズが１００ｎｍ以下を狙っている。従って、記録層の膜厚は１０ｎｍ−２０ｎｍであるため、記録マークの面積が１００ｎｍ＊１００ｎｍ以下、例えば１０ｎｍ＊１０ｎｍになると、０次元構造に近くなる。従来のように、基板上に一様に記録膜が連続的についている２次元構造と異なる性質が現れてくる。その一つは、エネルギーバンドが離散的になってくる、バンドギャップが広がる、熱物性の面からは、構成原子の頻度因子がより大きくなり、結晶化が促進され、結晶化温度が低くなる、さらに融点が下がるなどのバルクに比べて、大きく性質が異なる現象が現れる。これら現象は、微小ビットである記録セルのサイズ依存性があり、小さくなればなるほどこれら性質がより顕著になると考えられる。
【００１７】
相変化型記録媒体において、マークサイズが小さくなるにつれ不利と言われているのは、ヒートモードであるためにマークの広がり、マークエッジの滲み、これに伴うマーク間干渉の影響が大きくなるためということであるが、個々の記録セルを独立させればこれら影響が無視できるレベルになる。さらに、サイズ効果により、融点、結晶化温度が降下するために、高線速で記録する場合、感度が高くなるために大出力ＬＤにより大きな記録パワーを要することもなくなる。これらにより、ヒートモードを用いた従来の記録方式でも高密度化が可能になる。しかしながら、バンドギャップが広がることは光吸収率が減少することであり、結晶化温度が降下する点は、その温度が１００℃を下回ってくると、データ保存性が問題となる。ただし、これら現象はセルを小さくすればするほど現われる現象であるが、光のスポット径は回折限界により制限があるために、いくらでも小さくはできない。従って、微小なセルを分解能を高く検出するためのヘッドをどの方式を用い、隣接するセルの情報を読み取ってしまうクロストークをいかに抑えるかの技術が重要である。
【００１８】
記録層材料の構成元素のうち、Ａは主に結晶化速度が速く、結晶相を形成するために要する元素、Ｂは非晶質相を安定にする元素である。ただし、Ａ元素からどの元素を選ぶかにより結晶化速度を調整することが可能である。一方、Ｂ元素単体では融点が低く、低い温度でも結晶化してしまう。従って、組成比、選択する元素の組み合わせが重要となる。例えば、ＳｂＴｅの場合、Ｓｂが７０ａｔ％、Ｔｅが３０ａｔ％の場合は、融点は約６００℃であるが、結晶化温度が１２０℃前後と低く、しかも、結晶化速度が比較的速いために高温における保存性は悪い。Ａ元素は、３０ａｔ％から７０ａｔ％が好ましい。Ｘの範囲は３０から７０ａｔ％である。Ａ元素群のうちから結晶化速度及び結晶化温度を添加元素と添加量により記録線速度に応じて調整する。組成としては、例えばＩｎ２．０Ｇａ２．０Ｇｅ４．０Ｓｂ６０Ｔｅ３２となる。融点は、４５０℃以下、結晶化温度は低いほど良いが保存性を考慮して、１５０℃以上が好ましい。記録層の厚さは薄いほど良いが、再生信号が小さくなることと、非晶質相と結晶相の反射率差が小さくなるため１０ｎｍから２０ｎｍが良い。上部保護層は、環境保護以外に光干渉により反射信号を増幅する作用があり、膜厚は保護効果に必要な厚さと必要な反射率を得るための厚さから決められる。好ましい膜厚は２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００１９】
記録セル部のもう一つの構成を図２に示す。この構成は、基板上に、放熱層を付加した構成である。記録層の非晶質相の形成を促進するために、放熱効率を上げて、過冷却状態からの冷却速度を速くする。放熱材料は、保護層よりも熱伝導率が高いことが望ましいので、金属、合金材料が良い。Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｐｄ，Ｔａなどの単体、あるいは、これら合金がある。放熱効率を上げるには膜厚は厚いほどよいが、あまり厚くなっても放熱性に限界がある。一方、薄すぎると放熱性が悪くなってくるので、３０ｎｍから１００ｎｍが良い。また、後で述べるように、記録セル作製上、放熱層があまり厚すぎたり、セル全体が厚くなりすぎるとナノサイズに加工がしにくくなる。これら記録セルは、記録セル径かそれ以下の一定間隔で並んでいる。記録セルの配列のさせ方としては、記録再生をＣＤ，ＤＶＤのように媒体を回転させて行なう場合は螺旋状にする。あるいは同心円状でも良い。これら記録セルは、隔離層と呼ばれる誘電体層で隔離される。隔離層は記録セルの保護だけではなく、繰り返し記録を行なった場合に、セル間の記録層の流動により、セル同士、あるいは各セルの記録層同士が結合してしまうことを防ぐ役目もある。隔離層は、熱伝導率がセルを構成している層より低いことが望ましいが、透明な誘電体層であれば良い。また、記録層材料の構成元素が隔離層間を移動することがないよう、構成元素の原子半径より大きい元素を含むことが必要である。酸化物であって、ＺｒＯ２，ＴｉＯ２，Ｙ２Ｏ３，ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３あるいはこれら混合物があるが、緻密でクラックなどの欠陥のない膜がよい。記録セルは、直径１００ｎｍ以下、トラック方向のセル間隔はセル半径程度ないしそれ以下とする。半径方向の間隔も、同程度が良い。しかし、セルは必ずしも、円型である必要はなくトラック方向の長さＬｔ，半径方向の長さＬｒはＬｒ＞Ｌｔのような矩形、あるいは楕円状でも良い。これらは、記録再生のヘッドにより、サイズ、間隔が決められる。
【００２０】
本発明における、記録セル作製及び媒体の製造方法例を以下に説明する。ナノオーダーの領域の加工は、フォトリソグラフィー、電子線リソグラフィー、収束イオンビームなどを用いる方法があるが、ＲＯＭディスクのようにコンテンツが入っている原盤を作製し、ポリカーボネートを型に流し込み転写する成型方法であれば、量産は問題ないが、書き換え型記録媒体の場合は、一枚一枚を微細加工していたのでは量産にかなりの時間を要する。そこで、多数の媒体を短時間に作製することが可能な、量産を考慮したプロセスが望ましい。
【００２１】
作製例を図３から図６に示す。所定の大きさの直径を有するＳｉ基板（１２）上に、あらかじめ記録セルサイズとほぼ同じサイズの直径と、トラック方向、半径方向に所定の間隔をもつ凸状のセルを有するＳｉＯ２からなる原盤（１３）を作製する。このセルの高さは、記録セルの厚さより大きい。これを電子線リソグラフィーにより一枚作製する。もう一方で、Ｓｉ基板（１５）上にＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）（１４）を狙いの記録セルの厚さとほぼ同じ厚さになるように作製する。この原盤をその後、このＰＭＭＡ側に１００℃前後の温度をかけながら押し当て転写する。これにより、図４のように示した形状となる。この基板を、スパッタリング法などによる真空成膜装置にセットし、この上に、順に保護層、記録層、保護層あるいは反射層、保護層、記録層、保護層の順に膜を作成する（図５）。この後、溶剤によるウエットエッチングにより、ＰＭＭＡを溶かす。ＰＭＭＡ上に積層された膜とともにエッチングされて、Ｓｉ基板上に積層された膜のみが残る。これにより記録セルが形成される（図６）。プロセスとしてはこれに限らない。収束イオンビーム法により、ＰＭＭＡ上にある積層膜をエッチングする方法もある。その後、隔離層をスパッタ法により、形成する。
【００２２】
図７に、隔離層にＳｉＯｘの場合の、膜厚の反射率依存性を示す。波長は４０５ｎｍである。膜厚により、反射率が変化する。セル間の反射率を記録セルの記録、消去状態の反射率より低く、できるだけ小さくするには、たとえば４０ｎｍ付近が良い。しかも、このセル間の信号はバックグラウンド信号となるため小さくすることで、ノイズも小さくできる。
【００２３】
次に、本発明の記録媒体の記録再生方法について述べる。本発明は、基板とは反対側から光を入射する表面記録方式を用いる。記録マーク長、すなわち記録セルのサイズを小さくしているため、記録スポット径を小さくすることが要求される。記録スポット径を小さくする方法は、短波長ＬＤ、高ＮＡレンズによる方法になる。媒体面のスポット径は、０．２μｍ以下が望ましい。これを可能にするには、現在検討されている４０５ｎｍ、対物レンズのＮＡが０．８５のＰＵＨがある。これによると、媒体面のビームスポット径は、約０．５μｍである。
【００２４】
本発明においてマーク長及び隣接トラック間距離は０．１μｍ以下であるため、この径以下が良い。従って、ヘッドと媒体の摩擦、クラッシュなどの問題があるが、ＳＩＬ ｌｅｎｓを用いたより高いＮＡのレンズを用いるのが有効である。一方、高ＮＡ化による方法以外に回折限界を超える微小スポットを得る方法は、近接場光、すなわち微小開口部を光が出射する際、開口近傍に存在するエバネセント光を使用する方法がある。この方法によれば、スポット径０．２μｍ以下が可能である。ヘッドと媒体面の距離は、１００ｎｍ以下になるためヘッドと媒体の摩擦の問題はある。しかし、媒体表面に硬質の膜、たとえばダイアモンドライクカーボンのような膜を設けることで、これら問題は回避できる可能性は充分ある。この微小スポット径が実現できるこの方法を使用し、記録再生する場合に本発明の記録媒体が適している。また、この近接場ヘッドの場合、波長依存性はないが記録パワーの密度を上げるには短波長の光源を用いるほうがより良い。記録層自体は、ナノオーダーのセル構造を持ちマーク間干渉、マークの広がりがなく、記録感度がよいため高速記録が可能となる。
【００２５】
一方、ヘッドと記録媒体の距離を近づけずにビームスポット径を波長以下にするためには、従来は回折限界のため不可能であった。ヘッドと媒体表面距離は、ＮＡ１．０以上になると、０．１ｍｍ以下に近づける必要があった。この場合、可搬性媒体とするには、媒体はカートリッジに入れる必要があるが、距離がナノオーダーになると可搬性がむずかしくなり、固定媒体、すなわち今のハードディスクと同じになる。そこで、媒体とヘッドの距離をできるだけ離し、しかもスポット径をより小さくする方法として、記録媒体側にレンズを埋めこむ方法がある。埋めこみ方法として、ＮＡ１．０未満の対物レンズ及びＳＩＬレンズともに媒体に作製する方法、ＳＩＬレンズのみ媒体側に作製する方法がある。いずれも、記録媒体とヘッドの距離を０．１ｍｍより大きくとることが可能である。
【００２６】
図８に、記録再生光学系と、記録媒体の構成図を示す。ＬＤから出射された光を並行光とし、ビームスプリッターを通過した後、波長板（λ／４）により円偏光となり媒体表面に入射される。図１０は同心円状、あるいは螺旋状に並んだ記録セルの図であり、図９は媒体の断面構成図である。半球状のＳＩＬレンズを図２の構成の表面に作製した場合である。このレンズの材料は、屈折率が１．５を超える透明な材料が良い。対物レンズのＮＡとＳＩＬレンズの屈折率の積により、レンズ系のＮＡが決まるが、ＮＡ０．６５、ＳＩＬの屈折率が２．４とすれば、約１．６となり、ビーム径は、ＬＤの波長をこの値で割った大きさで見積ることができる。材料としては、ＬＤの波長が４００ｎｍでも吸収が小さいものが良く、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＺｎＯ，Ｉｎ２Ｏ５がある。これら材料は加工性と耐環境性が良いことが要求されるが、特に耐環境性としては安定な酸化物が好ましい。これら材料は４００ｎｍから６６０ｎｍの帯域で、屈折率が２以上である。この構成メリットのは対物レンズとＳＩＬレンズの距離が、従来の高ＮＡレンズと異なり、広くすることができ、０．５ｍｍ−１．０ｍｍ程度の間隔がとれる。ただし、対物レンズと媒体埋めこみＳＩＬレンズの光軸がずれてはならないため、軸のずれの精度は１μｍのオーダーが要求される。これは、ヘッドの位置制御の精度を高くする、すなわちトラッキング精度が高いことが要求される。
【００２７】
本発明の記録再生ヘッドのＬＤの波長、対物レンズのＮＡは、６６０ｎｍ−４００ｎｍ、ＮＡ０．６５以上のものを用いるが、ビームスポット径を０．２μｍ以下とすることが望ましいため、ＬＤの波長はより短く、ＮＡはより高いことが望ましい。高ＮＡ対物レンズ、ＳＩＬレンズの組み合わせによる、高ＮＡレンズ系と媒体を近接させる近接場方式、微小開口部近傍に存在するエバネセント光を用いた近接場方法か、高ＮＡ対物レンズのみをヘッドに持ち、媒体に埋めこんだＳＩＬレンズと組み合わせ、微小スポットを得る方法を用いる。そのほかに、媒体に対物レンズとＳＩＬレンズ共、埋めこむ方法もある。この場合は、埋めこむ場合に、対物とＳＩＬの各レンズの光軸が一致するように作製することが必要であるが、ヘッドと媒体の距離がより広くとれるメリットがある。これらヘッドと媒体構成により、記録セルにトラッキングする方法は、セル間にガイド用ピットを基板に埋めこんでおく、いわゆるサンプルサーボ方式を用いる方法がある。記録方法は、予め記録セルを結晶状態にしておき、記録セルに記録する、すなわち非晶質相にするために、再生パワーより高いパワーを一定時間照射後再び再生パワーに戻し記録する。この照射時間はセルの端から端を通過する時間の１／２程度から、セル幅程度である。消去時は、再生パワーより大きく、記録パワーより低いパワーを照射する。照射時間はセル幅程度である。消去の場合は、結晶化温度以上になる温度まで加熱すれば良いが、記録パワー照射時間より長くとり結晶成長させる（図１１）。
【００２８】
記録パルス発生方法は、前のセルの信号を検知後、記録パルスを発生させる。この場合、確実に個々のセルに記録することが可能であるが、記録線速度が速くなるほど信号検知速度を速くしなければならないため、他の方法として、セル間隔の精度、すなわち間隔の正規分布を良くすることが必要であるが、記録パルスあるいは消去パルス印加時間間隔をセル間隔と一致させれば良い。記録信号はある変調がかけられて、記録される。セルは個々が分離されており、熱の滲みがないため、記録信号の熱干渉はないが、セルサイズが小さいためにビーム径の大きさにも限界があり、再生時に隣接セルを読んでしまう可能性も高くクロストークは出てしまう。再生方法としては、従来のようなマーク端検出ではなく、セルポジション検出であり、隣接信号を拾っても分離が可能なＰＲＭＬ方式が望ましい。
【００２９】
【実施例】
以下に、実施例を記述する。
（実施例１〜１０）
直径８０ｍｍのＳｉ基板上に、ＳｉＯ２膜を厚さ３００ｎｍつけた。電子線リソグラフィー法により、直径５０ｎｍ、高さ１５０ｎｍの大きさのセルを、トラック方向間隔５０ｎｍ、半径方向間隔５０ｎｍとし、これらセルが同心円状に並べられた構造になるように原盤を作製する（図３）。もう一方、直径８０ｍｍのＳｉ基板上にＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）をセルの高さと同じサイズの厚さで、基板と同じ直径になるように作製する。この原盤をその後、このＰＭＭＡ付基板に１００℃前後の温度をかけながら押し当て転写する。セルパターンが転写された基板をスパッタリング法などによる真空成膜装置にセットし、この上に、順に下部保護層、記録層、上部保護層を順に作製した。各膜厚は順に２５ｎｍ、１０ｎｍ、４５ｎｍとした。表１に各層の条件を示す。その後、ウエットエッチングにより、ＰＭＭＡを溶かす。ＰＭＭＡ上に積層された膜はＰＭＭＡとともにエッチングされて、Ｓｉ基板上に積層された膜のみが残る。これにより記録セルが形成される。その後、隔離層をスパッタ法により形成した。隔離層の膜厚は７５ｎｍとした。セル上の隔離層はイオンエッチングにより、除去した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
（実施例１１〜２０）
直径８０ｍｍのＳｉ基板上に、ＳｉＯ２膜を厚さ３００ｎｍつけた。電子線リソグラフィー法により、直径５０ｎｍ、高さ１５０ｎｍの大きさのセルを、トラック方向間隔５０ｎｍ、半径方向間隔５０ｎｍとし、これらセルが同心円状に並べられた構造になるように原盤を作製する（図３）。もう一方、直径８０ｍｍのＳｉ基板上にＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）をセルの高さと同じサイズの厚さで、基板と同じ直径になるように作製する。この原盤をその後、このＰＭＭＡ付基板に１００℃前後の温度をかけながら押し当て転写する。セルパターンが転写された基板をスパッタリング法などによる真空成膜装置にセットし、この上に、順に放熱層、下部保護層、記録層、上部保護層を順に作製した。各膜厚は順に６０ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、４０ｎｍとした。表２に各層の条件を示す。その後、ウエットエッチングにより、ＰＭＭＡを溶かす。ＰＭＭＡ上に積層された膜はＰＭＭＡとともにエッチングされて、Ｓｉ基板上に積層された膜のみが残る。これにより記録セルが形成される。その後、隔離層をスパッタ法により形成した。隔離層の膜厚は１１５ｎｍとした。セル上の隔離層はイオンエッチングにより、除去した。
【００３２】
【表２】
【００３３】
ピックアップヘッドの対物レンズのＮＡ０．６５、ＬＤ波長４０５ｎｍ、屈折率２．３の半球状ＳＩＬレンズを用いて、実施例１から１０及び実施例１１から２０の各媒体について、記録再生を行なった。再生パワー０．１ｍＷ、記録パワー２ｍＷ、消去パワー０．８ｍＷとして、実施例９及び実施例１９について、記録線速度５ｍ／ｓ、記録時のパルス周波数１００ＭＨｚにより、記録再生を行なった。このとき使用した媒体の記録セルは、半径位置２５ｍｍに記録セル５０ｎｍ、セル間隔１００ｎｍ（セル端から隣のセル端の距離）とし、円周上に１トラックのみ形成した。予め、すべてのセルが結晶相になるように、初期化を行なった。この場合のトラッキングはサンプルサーボ方法を用い行なった。セルを非晶質相と、結晶相が交互になるよう記録した場合の特定周波数帯域における信号対雑音比、Ｃ／Ｎ比は実施例９において、４５ｄＢ、実施例１９において、４８ｄＢであった。実施例９及び実施例１９の記録層の融点、結晶化温度を予め、熱重量、示差熱分析法により膜厚を２００ｎｍとして測定したところ、各々５８５℃，２１０℃であった。ＬＤ波長６５０ｎｍ、ＮＡ０．６５において、従来の記録媒体構成において、記録後に最適消去パワーを照射して、非晶質から結晶相に相変化するときの媒体温度と、本発明により消去した場合の消去パワーによる媒体温度の比を計算により求め、その比に測定温度５８５℃をかけて求めたところ、融点は、約４８５℃であった。一方、結晶化温度は、消去パワーを徐々に上げていき結晶化が開始した消去パワーを従来媒体と比較し、その比と測定値２１０℃から求めたところ約１６０℃であった。
【００３４】
図１２は、実施例１９の場合のセルが非晶質相（記録）、結晶相（消去）の場合の反射率を結晶相の反射率で規格化し、各セル位置の規格化反射率を示した場合である。アモルファスの反射信号レベルをスライスレベルとして２値化し、“１”、“０”とする。アモルファス状態のセルと、セル間の反射率が同じになるような構成にしても良い。
【００３５】
（実施例２１〜２５）
実施例１１から１５の媒体構成において、記録セル上に電子線リソグラフィー法により、直径１５０ｎｍの大きさの半球状のＴｉＯ２膜を作製した。この膜がいわゆるＳＩＬレンズになる。このレンズの中心はセルの中心と同じになるように作製される。表３に実施例を示す。
【００３６】
【表３】
【００３７】
ＴｉＯ２レンズの屈折率は２．３である。ピックアップの対物レンズのＮＡは０．８５、波長４０５ｎｍである。対物レンズと媒体側レンズの距離は０．５ｍｍとした。この場合のトラッキング方式をサンプルサーボ方式とし、トラッキング精度を良くするために、線速は３．５ｍ／ｓとした。セルは、円周上に一列のみ作製した。１セル毎に記録を行ない、Ｓ／Ｎ比を測定した結果、実施例２１において４０ｄＢであった。
【００３８】
【発明の効果】
以上、詳細かつ具体的な説明から明らかなように、本発明の請求項１、２に示す構成により、大容量かつ高速に記録再生が可能な相変化記録媒体が提供できる。
また、本発明の請求項３に示す記録層材料及び組成を用いることにより、記録特性に優れ、高速記録において低い記録パワー、消去パワーで記録消去が可能であり、しかも結晶、非晶質状態が安定である相変化記録材料が提供できる。
また、本発明の請求項４に示す記録セルの大きさにすることで、大容量でしかも高速記録において低い記録パワー、消去パワーで記録消去が可能な相変化記録材料が提供できる。
また、本発明の請求項５に示す記録セルの記録層の熱物性を有することにより、高速記録が可能であり、しかも安定な相変化記録媒体が提供できる。
本発明の請求項６から請求項９に示す上部保護層、下部保護層、隔離層材料を用いることにより、記録特性がすぐれた相変化記録媒体が提供できる。
本発明の請求項１０に示す構成のレンズを用いることにより、ピックアップヘッドを近づけることなく記録再生が可能であり、媒体面をヘッドがクラッシュすることがなく、しかも可搬な大容量相変化記録媒体を提供できる。
請求項１１に示す材料を請求項１０のレンズに用いることにより、ピックアップヘッドを近づけることなく記録再生が可能であり、媒体面をヘッドがクラッシュすることがなく、しかも可搬な大容量相変化記録媒体を提供できる。
請求項１２に示す記録消去方式を用いることにより、複雑な記録消去パルスを発生させず、単純なパルス波形を用いることが可能であり、高速記録も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の記録セル部の構成例を示した図である。
【図２】本発明の記録セル部の構成例を示した別の図である。
【図３】本発明における記録セル作製及び媒体の製造方法例を示した図である。
【図４】本発明における記録セル作製及び媒体の製造方法例を示した別の図である。
【図５】本発明における記録セル作製及び媒体の製造方法例を示した別の図である。
【図６】本発明における記録セル作製及び媒体の製造方法例を示した別の図である。
【図７】本発明の隔離層にＳｉＯｘの場合の、膜厚の反射率依存性を示した図である。
【図８】本発明の記録再生光学系と記録媒体の構成を示した図である。
【図９】本発明の媒体の断面構成図である。
【図１０】本発明の記録セルの図である。
【図１１】本発明の記録セルにトラッキングする方法の１例を示した図である。
【図１２】実施例１９の場合の各セル位置の規格化反射率を示した図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 隔離層
３ 下部保護層
４ 相変化記録層
５ 上部保護層
６ 基板
７ 隔離層
８ 放熱層
９ 下部保護層
１０ 相変化記録層
１１ 上部保護層
１２ Ｓｉ基板
１３ ＳｉＯ２
１４ ＰＭＭＡ
１５ Ｓｉ基板
１６ 保護層
１７ 隔離層
１８ ＬＤ
１９ コリメータレンズ
２０ 偏光ビームスプリッタ
２１ フォトダイオード
２２ 対物レンズ
２３ λ／４波長板
２４ 対物レンズ
２５ 記録媒体
２６ 半球状レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、相変化型光記録媒体、書き換え可能な光記録媒体に関し、大容量光ファイル、デジタルビデオディスクに応用される。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー光を照射し、熱により非晶質相と結晶相の可逆的相変化を利用したいわゆる相変化型光記録媒体は、Rewritable ＣＤ, Rewritable ＤＶＤとして実用化されている。
Rewritable ＤＶＤにおいては、直径１２０ｍｍで、容量片面４．７Ｇｂｙｔｅ、記録線速１０ｍ／ｓ前後である。両面においては９Ｇｂｙｔｅにもなる。しかし、容量、高速記録、高転送速度は、大容量のコンテンツを扱うこれからの時代において、より大容量、高転送速度が要求される。半導体レーザーの波長がいまや４００ｎｍまで可能になっており、波長及び対物レンズの高ＮＡ化で容量が高くできる。この場合、基板の溝ピッチなどを詰めることにより、現状２０Ｇｂｙｔｅが可能となっている。高転送速度を実現するために記録線速を速くすると、ＬＤの発光パルスのパルス幅が狭くなること、パルスの立ちあがりと立ち下がり時間が限られているため、マーク端の位置制御、マークの面積が狭くなることにより、記録特性が劣化してくる。感度も悪くなってくる。従って、記録密度と記録線速を共に上げることは、特性上限界がある。また、溝ピッチを狭くして、密度を上げる場合も、溝形成上の限界、スポット径によるクロストーク、クロスイレースによる記録再生信号が劣化する。そこで、これら限界を打破する方法として、２層あるいはそれ以上の層を増やした多層化する方法がある。相変化型記録媒体の場合は、２層目を記録するためには、１層目の層を光が充分透過しないと記録感度が不足し、透過性を上げるために急冷させるための反射放熱層を薄くすると非晶質相が形成しにくくなったり、あるいは透過性を重視した材料では熱伝導率が低くなり同じく非晶質相が形成しにくくなることから、多層化にも限界がある。
【０００３】
多層化によらずに容量を上げる方法としては、多値技術がある（特開２００１−０８４５９１号公報）。これらは、マーク長とマーク間の長さを変えて、これら反射率差を読む。たとえば、これによれば反射信号が８段階であれば、すなわち８値となる。しかし、多値技術の場合は、容量を飛躍的に向上させるためには、４値、８値よりさらにこの値を増やす必要がある。相変化の場合、密度が高くなればなるほどすなわち基本マーク長が短くなればなるほど、わずかなマーク長の制御が難しくなる。また、高ＮＡ化により、レーザー光のスポット径を小さくし、高密度記録を行なう方法として、ＳＩＬレンズを用いた方法がある（特許第０２５５３２７５号公報）。ＮＡを１以上にして、波長以下のスポット径を狙うものであるが、記録媒体とヘッド間距離が５０ｎｍ程度の非常に狭い距離を要求される。これらは、媒体表面との摩擦による媒体が傷ついたり、媒体表面の異物とヘッドがぶつかりクラッシュしてしまう。
【０００４】
従って、記録媒体はカートリッジに入れることが必須となる。回折限界を超える方法として、ＳＩＬレンズを用いる方法以外に開口部近傍に存在するエバネセント光を利用し、波長依存性のない微小スポットを得る方法がある。これらには、ヘッド側に微小開口部を設ける方法（特開平１０−１５３６０４号公報）、記録媒体側に温度により、光学定数の変化を起こす層を設け、微小開口部を形成する方法がある（Appl.Phys.lett.,vol.73,No.15,pp2078-2080,1998）。
【０００５】
前者は、記録媒体とヘッド間距離を数１０ｎｍにしなければならないため、ＳＩＬ方式と同様の問題がある。また、現状静止のみの記録が可能にはなっているが、さらに記録パワーが低いために高速に記録する場合は感度が悪くなるので、高速記録に限界がある。後者は、記録媒体とヘッド間距離を離すことはできるが、再生信号のＳＮ比が小さいことと、開口の大きさを熱で制御するためにその大きさに限界がある。
【０００６】
記録密度を飛躍的に向上させるためには、光の回折限界を超えて波長以下のスポット径を得ることで、微小マークの記録再生はできるが、相変化型光記録媒体は非晶質相と結晶相の相変化を熱で行なういわゆるヒートモードであり、エバーネセント光を利用した近接場方式では、微小スポットが得られても記録パワーが小さく、静止状態では記録はできても高い線速になればなるほど感度が低下してしまい、記録ができない、再生信号のＳＮが小さいという問題があった。
【０００７】
また、近接場方式より媒体とヘッド間距離が広くとれ、スポット径を小さくできる波長４００ｎｍ、ＮＡ０．８５のヘッドを用いた場合、記録パワー、感度が大きく不足することがなくても、ヒートモードを用いる限り、マークの滲みによるマーク長の制御が難しいこと、溝のピッチが狭くなると隣接トラックへのマークの滲み、クロスイレースの問題がある。溝に記録する場合は、隣接トラックへの熱拡散を防ぐために、溝をより深くして拡散を防ぐ方法があるが、溝幅がより狭くなるにつれ、深い溝を精度よく形成することは難しくなる。このように、記録密度を高めるために、マーク長及びマーク間を短くし、容量を上げるために溝ピッチを狭くしていくと、マーク間干渉、マークの広がりのために限界がある。これらは、記録時の発光パルスの立ち上がり、立ち下がり時間、ＯＮパルス、ＯＦＦパルスの幅をいかに制御できるかによるが、これも周波数が高くなるにつれ制御にも限界がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、ヒートモードを用いた場合でも、マークの滲み、マーク間干渉がなく、高い密度にしてもより速い線速度で感度不足がなく記録可能な媒体の構成及び構成材料、記録方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明の（１）「基板上に、下部保護層、非晶質相と結晶相の間の可逆的相変化を利用した相変化記録層、上部保護層の順に積層された構造を有する記録セル部を多数設けるとともに、前記多数の記録セル部を隔離層で互いに隔離した構成としたことを特徴とする光記録媒体」、（２）「基板上に、放熱層、下部保護層、非晶質相と結晶相の間の可逆的相変化を利用した相変化記録層、上部保護層の順に積層された構造を有する記録セル部を多数設けるとともに、前記多数の記録セル部を隔離層で互いに隔離した構成としたことを特徴とする光記録媒体」、（３）「前記相変化記録層が、
【００１０】
【数３】
Ａ１−ｘＢｘ
で、ＡがＡｇ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇｅ，Ｇａ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｓｂのうち少なくとも一つ以上、ＢがＴｅ，Ｓｅのうち少なくとも一つ以上からなり、
【００１１】
【数４】
１０<ｘ<９０
であることを特徴とする前記第（１）項または第（２）項に記載の光記録媒体」、（４）「前記記録セルの直径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする前記第（１）項乃至第（３）項の何れか１に記載の光記録媒体」、（５）「前記記録セルの記録層の融点が５００℃以下、結晶化温度が１５０℃以上であることを特徴とする前記第（３）項に記載の光記録媒体」、（６）「前記下部保護層材料が、ＺｎＳ，ＺｎＯ，ＩｎＯ，ＩｎＳｎＯ，Ａｌ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５，ＡｌＮのうち少なくとも１種類を含むことを特徴とする前記第（１）項または第（２）項に記載の光記録媒体」、（７）「前記上部保護層が、ＳｉＯ２，ＳｉＮ，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，ＺｎＳ，Ｙ２Ｏ３のうち少なくとも１種類を含むことを特徴とする前記第（１）項または第（２）項に記載の光記録媒体」、（８）「前記隔離層が、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２，Ｙ２Ｏ３及びこれらの混合物であることを特徴とする前記第（１）項に記載の光記録媒体」、（９）「前記記録セルがトラック方向、半径方向に一定の間隔で、螺旋状に配列していることを特徴とする前記第（１）項乃至第（７）項の何れか１に記載の光記録媒体」、（１０）「前記第（１）項または第（２）項に記載の媒体の媒体表面に、屈折率２以上をもつ半球型の誘電体層を記録セル上に配置することを特徴とする光記録媒体」、（１１）「前記誘電体層が、Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＺｎＯ，Ｉｎ２Ｏ５であることを特徴とする前記第（９）項に記載の光記録媒体」により達成される。
【００１２】
また、上記課題は、本発明の（１２）「前記第（１）項乃至第（１１）項の何れか１に記載の記録媒体の記録時のパルスが、再生時のパワーかそれ以下のバイアスパワーと、記録パワーの２つのレベル、消去時は再生時のパワーかそれ以下のパワーと記録パワーより低い消去パワーの２つのレベルをもつパルス信号からなり、記録パワー及び消去パワーは記録セルに照射され、記録セル間はバイアスパワーが照射されることを特徴とする光記録方法」により達成される。
【００１３】
本発明の第１の構成を図１に示す。基板上に下部保護層、非晶質相と結晶相の間の可逆的相変化を利用した相変化記録層、上部保護層の順に積層された構造を有する記録セル部を多数設けるとともに、前記多数の記録セル部を隔離層で互いに隔離するように構成されている。ここで用いる基板は、必ずしも透明である必要はない。媒体に入射する光の方向は、基板側からでなく基板とは反対側の面からである。基板としては、現在、ＣＤ及びＤＶＤで使用されているポリカーボネートの他に、シリコン、アルミニウム、ＳｉＯ２、金属酸化物、ＳｉＣなどがあるが、平面性が良く、高温、高湿状態に置かれても変形、反りが小さいことが望ましい。さらに耐熱性に優れていることが望ましい。下部保護層は、ＺｎＳ，ＳｉＯ２，ＺｎＯ，ＩｎＯ，ＩｎＳｎＯ，ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３，ＴｉＯ２があるが、熱伝導率は比較的高く、吸収が小さいものを用いる。また、記録層の結晶化を促進しないことが望ましい。膜厚は、５ｎｍから２０ｎｍが良い。膜厚が薄すぎると環境保護性が悪く、厚すぎると、成膜中に温度が上昇し、基板との熱膨張率差により基板の反りや膜にクラックが生じるなどの問題がある。上部保護層は、Ｙ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＳｉＮ，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，ＺｎＳの単体か、これら単体以外に混合物を用いても良い。この層は、光の干渉効果により、反射光を高めることと、同時に記録層を保護する。屈折率は、２以上、吸収はないほうがよい。膜厚は、２０ｎｍから１００ｎｍがよい。
【００１４】
記録層に用いる相変化記録材料は、
【００１５】
【数５】
Ａ１−ｘＢｘ
で、ＡがＡｇ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｍｎ，Ｓｂのうち少なくとも一つ以上、ＢがＴｅ，Ｓｅのうち少なくとも一つ以上からなり、
【００１６】
【数６】
０<ｘ<９０
である。本発明の特徴は、高密度記録を達成するために、１ビットあたりの大きさを小さくすることであるが、ビット長すなわち記録マークサイズが１００ｎｍ以下を狙っている。従って、記録層の膜厚は１０ｎｍ−２０ｎｍであるため、記録マークの面積が１００ｎｍ＊１００ｎｍ以下、例えば１０ｎｍ＊１０ｎｍになると、０次元構造に近くなる。従来のように、基板上に一様に記録膜が連続的についている２次元構造と異なる性質が現れてくる。その一つは、エネルギーバンドが離散的になってくる、バンドギャップが広がる、熱物性の面からは、構成原子の頻度因子がより大きくなり、結晶化が促進され、結晶化温度が低くなる、さらに融点が下がるなどのバルクに比べて、大きく性質が異なる現象が現れる。これら現象は、微小ビットである記録セルのサイズ依存性があり、小さくなればなるほどこれら性質がより顕著になると考えられる。
【００１７】
相変化型記録媒体において、マークサイズが小さくなるにつれ不利と言われているのは、ヒートモードであるためにマークの広がり、マークエッジの滲み、これに伴うマーク間干渉の影響が大きくなるためということであるが、個々の記録セルを独立させればこれら影響が無視できるレベルになる。さらに、サイズ効果により、融点、結晶化温度が降下するために、高線速で記録する場合、感度が高くなるために大出力ＬＤにより大きな記録パワーを要することもなくなる。これらにより、ヒートモードを用いた従来の記録方式でも高密度化が可能になる。しかしながら、バンドギャップが広がることは光吸収率が減少することであり、結晶化温度が降下する点は、その温度が１００℃を下回ってくると、データ保存性が問題となる。ただし、これら現象はセルを小さくすればするほど現われる現象であるが、光のスポット径は回折限界により制限があるために、いくらでも小さくはできない。従って、微小なセルを分解能を高く検出するためのヘッドをどの方式を用い、隣接するセルの情報を読み取ってしまうクロストークをいかに抑えるかの技術が重要である。
【００１８】
記録層材料の構成元素のうち、Ａは主に結晶化速度が速く、結晶相を形成するために要する元素、Ｂは非晶質相を安定にする元素である。ただし、Ａ元素からどの元素を選ぶかにより結晶化速度を調整することが可能である。一方、Ｂ元素単体では融点が低く、低い温度でも結晶化してしまう。従って、組成比、選択する元素の組み合わせが重要となる。例えば、ＳｂＴｅの場合、Ｓｂが７０ａｔ％、Ｔｅが３０ａｔ％の場合は、融点は約６００℃であるが、結晶化温度が１２０℃前後と低く、しかも、結晶化速度が比較的速いために高温における保存性は悪い。Ａ元素は、３０ａｔ％から７０ａｔ％が好ましい。Ｘの範囲は３０から７０ａｔ％である。Ａ元素群のうちから結晶化速度及び結晶化温度を添加元素と添加量により記録線速度に応じて調整する。組成としては、例えばＩｎ２．０Ｇａ２．０Ｇｅ４．０Ｓｂ６０Ｔｅ３２となる。融点は、４５０℃以下、結晶化温度は低いほど良いが保存性を考慮して、１５０℃以上が好ましい。記録層の厚さは薄いほど良いが、再生信号が小さくなることと、非晶質相と結晶相の反射率差が小さくなるため１０ｎｍから２０ｎｍが良い。上部保護層は、環境保護以外に光干渉により反射信号を増幅する作用があり、膜厚は保護効果に必要な厚さと必要な反射率を得るための厚さから決められる。好ましい膜厚は２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００１９】
記録セル部のもう一つの構成を図２に示す。この構成は、基板上に、放熱層を付加した構成である。記録層の非晶質相の形成を促進するために、放熱効率を上げて、過冷却状態からの冷却速度を速くする。放熱材料は、保護層よりも熱伝導率が高いことが望ましいので、金属、合金材料が良い。Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｐｄ，Ｔａなどの単体、あるいは、これら合金がある。放熱効率を上げるには膜厚は厚いほどよいが、あまり厚くなっても放熱性に限界がある。一方、薄すぎると放熱性が悪くなってくるので、３０ｎｍから１００ｎｍが良い。また、後で述べるように、記録セル作製上、放熱層があまり厚すぎたり、セル全体が厚くなりすぎるとナノサイズに加工がしにくくなる。これら記録セルは、記録セル径かそれ以下の一定間隔で並んでいる。記録セルの配列のさせ方としては、記録再生をＣＤ，ＤＶＤのように媒体を回転させて行なう場合は螺旋状にする。あるいは同心円状でも良い。これら記録セルは、隔離層と呼ばれる誘電体層で隔離される。隔離層は記録セルの保護だけではなく、繰り返し記録を行なった場合に、セル間の記録層の流動により、セル同士、あるいは各セルの記録層同士が結合してしまうことを防ぐ役目もある。隔離層は、熱伝導率がセルを構成している層より低いことが望ましいが、透明な誘電体層であれば良い。また、記録層材料の構成元素が隔離層間を移動することがないよう、構成元素の原子半径より大きい元素を含むことが必要である。酸化物であって、ＺｒＯ２，ＴｉＯ２，Ｙ２Ｏ３，ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３あるいはこれら混合物があるが、緻密でクラックなどの欠陥のない膜がよい。記録セルは、直径１００ｎｍ以下、トラック方向のセル間隔はセル半径程度ないしそれ以下とする。半径方向の間隔も、同程度が良い。しかし、セルは必ずしも、円型である必要はなくトラック方向の長さＬｔ，半径方向の長さＬｒはＬｒ＞Ｌｔのような矩形、あるいは楕円状でも良い。これらは、記録再生のヘッドにより、サイズ、間隔が決められる。
【００２０】
本発明における、記録セル作製及び媒体の製造方法例を以下に説明する。ナノオーダーの領域の加工は、フォトリソグラフィー、電子線リソグラフィー、収束イオンビームなどを用いる方法があるが、ＲＯＭディスクのようにコンテンツが入っている原盤を作製し、ポリカーボネートを型に流し込み転写する成型方法であれば、量産は問題ないが、書き換え型記録媒体の場合は、一枚一枚を微細加工していたのでは量産にかなりの時間を要する。そこで、多数の媒体を短時間に作製することが可能な、量産を考慮したプロセスが望ましい。
【００２１】
作製例を図３から図６に示す。所定の大きさの直径を有するＳｉ基板（１２）上に、あらかじめ記録セルサイズとほぼ同じサイズの直径と、トラック方向、半径方向に所定の間隔をもつ凸状のセルを有するＳｉＯ２からなる原盤（１３）を作製する。このセルの高さは、記録セルの厚さより大きい。これを電子線リソグラフィーにより一枚作製する。もう一方で、Ｓｉ基板（１５）上にＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）（１４）を狙いの記録セルの厚さとほぼ同じ厚さになるように作製する。この原盤をその後、このＰＭＭＡ側に１００℃前後の温度をかけながら押し当て転写する。これにより、図４のように示した形状となる。この基板を、スパッタリング法などによる真空成膜装置にセットし、この上に、順に保護層、記録層、保護層あるいは反射層、保護層、記録層、保護層の順に膜を作成する（図５）。この後、溶剤によるウエットエッチングにより、ＰＭＭＡを溶かす。ＰＭＭＡ上に積層された膜とともにエッチングされて、Ｓｉ基板上に積層された膜のみが残る。これにより記録セルが形成される（図６）。プロセスとしてはこれに限らない。収束イオンビーム法により、ＰＭＭＡ上にある積層膜をエッチングする方法もある。その後、隔離層をスパッタ法により、形成する。
【００２２】
図７に、隔離層にＳｉＯｘの場合の、膜厚の反射率依存性を示す。波長は４０５ｎｍである。膜厚により、反射率が変化する。セル間の反射率を記録セルの記録、消去状態の反射率より低く、できるだけ小さくするには、たとえば４０ｎｍ付近が良い。しかも、このセル間の信号はバックグラウンド信号となるため小さくすることで、ノイズも小さくできる。
【００２３】
次に、本発明の記録媒体の記録再生方法について述べる。本発明は、基板とは反対側から光を入射する表面記録方式を用いる。記録マーク長、すなわち記録セルのサイズを小さくしているため、記録スポット径を小さくすることが要求される。記録スポット径を小さくする方法は、短波長ＬＤ、高ＮＡレンズによる方法になる。媒体面のスポット径は、０．２μｍ以下が望ましい。これを可能にするには、現在検討されている４０５ｎｍ、対物レンズのＮＡが０．８５のＰＵＨがある。これによると、媒体面のビームスポット径は、約０．５μｍである。
【００２４】
本発明においてマーク長及び隣接トラック間距離は０．１μｍ以下であるため、この径以下が良い。従って、ヘッドと媒体の摩擦、クラッシュなどの問題があるが、ＳＩＬ ｌｅｎｓを用いたより高いＮＡのレンズを用いるのが有効である。一方、高ＮＡ化による方法以外に回折限界を超える微小スポットを得る方法は、近接場光、すなわち微小開口部を光が出射する際、開口近傍に存在するエバネセント光を使用する方法がある。この方法によれば、スポット径０．２μｍ以下が可能である。ヘッドと媒体面の距離は、１００ｎｍ以下になるためヘッドと媒体の摩擦の問題はある。しかし、媒体表面に硬質の膜、たとえばダイアモンドライクカーボンのような膜を設けることで、これら問題は回避できる可能性は充分ある。この微小スポット径が実現できるこの方法を使用し、記録再生する場合に本発明の記録媒体が適している。また、この近接場ヘッドの場合、波長依存性はないが記録パワーの密度を上げるには短波長の光源を用いるほうがより良い。記録層自体は、ナノオーダーのセル構造を持ちマーク間干渉、マークの広がりがなく、記録感度がよいため高速記録が可能となる。
【００２５】
一方、ヘッドと記録媒体の距離を近づけずにビームスポット径を波長以下にするためには、従来は回折限界のため不可能であった。ヘッドと媒体表面距離は、ＮＡ１．０以上になると、０．１ｍｍ以下に近づける必要があった。この場合、可搬性媒体とするには、媒体はカートリッジに入れる必要があるが、距離がナノオーダーになると可搬性がむずかしくなり、固定媒体、すなわち今のハードディスクと同じになる。そこで、媒体とヘッドの距離をできるだけ離し、しかもスポット径をより小さくする方法として、記録媒体側にレンズを埋めこむ方法がある。埋めこみ方法として、ＮＡ１．０未満の対物レンズ及びＳＩＬレンズともに媒体に作製する方法、ＳＩＬレンズのみ媒体側に作製する方法がある。いずれも、記録媒体とヘッドの距離を０．１ｍｍより大きくとることが可能である。
【００２６】
図８に、記録再生光学系と、記録媒体の構成図を示す。ＬＤから出射された光を並行光とし、ビームスプリッターを通過した後、波長板（λ／４）により円偏光となり媒体表面に入射される。図１０は同心円状、あるいは螺旋状に並んだ記録セルの図であり、図９は媒体の断面構成図である。半球状のＳＩＬレンズを図２の構成の表面に作製した場合である。このレンズの材料は、屈折率が１．５を超える透明な材料が良い。対物レンズのＮＡとＳＩＬレンズの屈折率の積により、レンズ系のＮＡが決まるが、ＮＡ０．６５、ＳＩＬの屈折率が２．４とすれば、約１．６となり、ビーム径は、ＬＤの波長をこの値で割った大きさで見積ることができる。材料としては、ＬＤの波長が４００ｎｍでも吸収が小さいものが良く、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＺｎＯ，Ｉｎ２Ｏ５がある。これら材料は加工性と耐環境性が良いことが要求されるが、特に耐環境性としては安定な酸化物が好ましい。これら材料は４００ｎｍから６６０ｎｍの帯域で、屈折率が２以上である。この構成メリットのは対物レンズとＳＩＬレンズの距離が、従来の高ＮＡレンズと異なり、広くすることができ、０．５ｍｍ−１．０ｍｍ程度の間隔がとれる。ただし、対物レンズと媒体埋めこみＳＩＬレンズの光軸がずれてはならないため、軸のずれの精度は１μｍのオーダーが要求される。これは、ヘッドの位置制御の精度を高くする、すなわちトラッキング精度が高いことが要求される。
【００２７】
本発明の記録再生ヘッドのＬＤの波長、対物レンズのＮＡは、６６０ｎｍ−４００ｎｍ、ＮＡ０．６５以上のものを用いるが、ビームスポット径を０．２μｍ以下とすることが望ましいため、ＬＤの波長はより短く、ＮＡはより高いことが望ましい。高ＮＡ対物レンズ、ＳＩＬレンズの組み合わせによる、高ＮＡレンズ系と媒体を近接させる近接場方式、微小開口部近傍に存在するエバネセント光を用いた近接場方法か、高ＮＡ対物レンズのみをヘッドに持ち、媒体に埋めこんだＳＩＬレンズと組み合わせ、微小スポットを得る方法を用いる。そのほかに、媒体に対物レンズとＳＩＬレンズ共、埋めこむ方法もある。この場合は、埋めこむ場合に、対物とＳＩＬの各レンズの光軸が一致するように作製することが必要であるが、ヘッドと媒体の距離がより広くとれるメリットがある。これらヘッドと媒体構成により、記録セルにトラッキングする方法は、セル間にガイド用ピットを基板に埋めこんでおく、いわゆるサンプルサーボ方式を用いる方法がある。記録方法は、予め記録セルを結晶状態にしておき、記録セルに記録する、すなわち非晶質相にするために、再生パワーより高いパワーを一定時間照射後再び再生パワーに戻し記録する。この照射時間はセルの端から端を通過する時間の１／２程度から、セル幅程度である。消去時は、再生パワーより大きく、記録パワーより低いパワーを照射する。照射時間はセル幅程度である。消去の場合は、結晶化温度以上になる温度まで加熱すれば良いが、記録パワー照射時間より長くとり結晶成長させる（図１１）。
【００２８】
記録パルス発生方法は、前のセルの信号を検知後、記録パルスを発生させる。この場合、確実に個々のセルに記録することが可能であるが、記録線速度が速くなるほど信号検知速度を速くしなければならないため、他の方法として、セル間隔の精度、すなわち間隔の正規分布を良くすることが必要であるが、記録パルスあるいは消去パルス印加時間間隔をセル間隔と一致させれば良い。記録信号はある変調がかけられて、記録される。セルは個々が分離されており、熱の滲みがないため、記録信号の熱干渉はないが、セルサイズが小さいためにビーム径の大きさにも限界があり、再生時に隣接セルを読んでしまう可能性も高くクロストークは出てしまう。再生方法としては、従来のようなマーク端検出ではなく、セルポジション検出であり、隣接信号を拾っても分離が可能なＰＲＭＬ方式が望ましい。
【００２９】
【実施例】
以下に、実施例を記述する。
（実施例１〜１０）
直径８０ｍｍのＳｉ基板上に、ＳｉＯ２膜を厚さ３００ｎｍつけた。電子線リソグラフィー法により、直径５０ｎｍ、高さ１５０ｎｍの大きさのセルを、トラック方向間隔５０ｎｍ、半径方向間隔５０ｎｍとし、これらセルが同心円状に並べられた構造になるように原盤を作製する（図３）。もう一方、直径８０ｍｍのＳｉ基板上にＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）をセルの高さと同じサイズの厚さで、基板と同じ直径になるように作製する。この原盤をその後、このＰＭＭＡ付基板に１００℃前後の温度をかけながら押し当て転写する。セルパターンが転写された基板をスパッタリング法などによる真空成膜装置にセットし、この上に、順に下部保護層、記録層、上部保護層を順に作製した。各膜厚は順に２５ｎｍ、１０ｎｍ、４５ｎｍとした。表１に各層の条件を示す。その後、ウエットエッチングにより、ＰＭＭＡを溶かす。ＰＭＭＡ上に積層された膜はＰＭＭＡとともにエッチングされて、Ｓｉ基板上に積層された膜のみが残る。これにより記録セルが形成される。その後、隔離層をスパッタ法により形成した。隔離層の膜厚は７５ｎｍとした。セル上の隔離層はイオンエッチングにより、除去した。
【００３０】
【表１】
（実施例１１〜２０）
直径８０ｍｍのＳｉ基板上に、ＳｉＯ２膜を厚さ３００ｎｍつけた。電子線リソグラフィー法により、直径５０ｎｍ、高さ１５０ｎｍの大きさのセルを、トラック方向間隔５０ｎｍ、半径方向間隔５０ｎｍとし、これらセルが同心円状に並べられた構造になるように原盤を作製する（図３）。もう一方、直径８０ｍｍのＳｉ基板上にＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）をセルの高さと同じサイズの厚さで、基板と同じ直径になるように作製する。この原盤をその後、このＰＭＭＡ付基板に１００℃前後の温度をかけながら押し当て転写する。セルパターンが転写された基板をスパッタリング法などによる真空成膜装置にセットし、この上に、順に放熱層、下部保護層、記録層、上部保護層を順に作製した。各膜厚は順に６０ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、４０ｎｍとした。表２に各層の条件を示す。その後、ウエットエッチングにより、ＰＭＭＡを溶かす。ＰＭＭＡ上に積層された膜はＰＭＭＡとともにエッチングされて、Ｓｉ基板上に積層された膜のみが残る。これにより記録セルが形成される。その後、隔離層をスパッタ法により形成した。隔離層の膜厚は１１５ｎｍとした。セル上の隔離層はイオンエッチングにより、除去した。
【００３２】
【表２】
ピックアップヘッドの対物レンズのＮＡ０．６５、ＬＤ波長４０５ｎｍ、屈折率２．３の半球状ＳＩＬレンズを用いて、実施例１から１０及び実施例１１から２０の各媒体について、記録再生を行なった。再生パワー０．１ｍＷ、記録パワー２ｍＷ、消去パワー０．８ｍＷとして、実施例９及び実施例１９について、記録線速度５ｍ／ｓ、記録時のパルス周波数１００ＭＨｚにより、記録再生を行なった。このとき使用した媒体の記録セルは、半径位置２５ｍｍに記録セル５０ｎｍ、セル間隔１００ｎｍ（セル端から隣のセル端の距離）とし、円周上に１トラックのみ形成した。予め、すべてのセルが結晶相になるように、初期化を行なった。この場合のトラッキングはサンプルサーボ方法を用い行なった。セルを非晶質相と、結晶相が交互になるよう記録した場合の特定周波数帯域における信号対雑音比、Ｃ／Ｎ比は実施例９において、４５ｄＢ、実施例１９において、４８ｄＢであった。実施例９及び実施例１９の記録層の融点、結晶化温度を予め、熱重量、示差熱分析法により膜厚を２００ｎｍとして測定したところ、各々５８５℃，２１０℃であった。ＬＤ波長６５０ｎｍ、ＮＡ０．６５において、従来の記録媒体構成において、記録後に最適消去パワーを照射して、非晶質から結晶相に相変化するときの媒体温度と、本発明により消去した場合の消去パワーによる媒体温度の比を計算により求め、その比に測定温度５８５℃をかけて求めたところ、融点は、約４８５℃であった。一方、結晶化温度は、消去パワーを徐々に上げていき結晶化が開始した消去パワーを従来媒体と比較し、その比と測定値２１０℃から求めたところ約１６０℃であった。
【００３４】
図１２は、実施例１９の場合のセルが非晶質相（記録）、結晶相（消去）の場合の反射率を結晶相の反射率で規格化し、各セル位置の規格化反射率を示した場合である。アモルファスの反射信号レベルをスライスレベルとして２値化し、“１”、“０”とする。アモルファス状態のセルと、セル間の反射率が同じになるような構成にしても良い。
【００３５】
（実施例２１〜２５）
実施例１１から１５の媒体構成において、記録セル上に電子線リソグラフィー法により、直径１５０ｎｍの大きさの半球状のＴｉＯ２膜を作製した。この膜がいわゆるＳＩＬレンズになる。このレンズの中心はセルの中心と同じになるように作製される。表３に実施例を示す。
【００３６】
【表３】
ＴｉＯ２レンズの屈折率は２．３である。ピックアップの対物レンズのＮＡは０．８５、波長４０５ｎｍである。対物レンズと媒体側レンズの距離は０．５ｍｍとした。この場合のトラッキング方式をサンプルサーボ方式とし、トラッキング精度を良くするために、線速は３．５ｍ／ｓとした。セルは、円周上に一列のみ作製した。１セル毎に記録を行ない、Ｓ／Ｎ比を測定した結果、実施例２１において４０ｄＢであった。
【００３８】
【発明の効果】
以上、詳細かつ具体的な説明から明らかなように、本発明の請求項１、２に示す構成により、大容量かつ高速に記録再生が可能な相変化記録媒体が提供できる。
また、本発明の請求項３に示す記録層材料及び組成を用いることにより、記録特性に優れ、高速記録において低い記録パワー、消去パワーで記録消去が可能であり、しかも結晶、非晶質状態が安定である相変化記録材料が提供できる。
また、本発明の請求項４に示す記録セルの大きさにすることで、大容量でしかも高速記録において低い記録パワー、消去パワーで記録消去が可能な相変化記録材料が提供できる。
また、本発明の請求項５に示す記録セルの記録層の熱物性を有することにより、高速記録が可能であり、しかも安定な相変化記録媒体が提供できる。
本発明の請求項６から請求項９に示す上部保護層、下部保護層、隔離層材料を用いることにより、記録特性がすぐれた相変化記録媒体が提供できる。
本発明の請求項１０に示す構成のレンズを用いることにより、ピックアップヘッドを近づけることなく記録再生が可能であり、媒体面をヘッドがクラッシュすることがなく、しかも可搬な大容量相変化記録媒体を提供できる。
請求項１１に示す材料を請求項１０のレンズに用いることにより、ピックアップヘッドを近づけることなく記録再生が可能であり、媒体面をヘッドがクラッシュすることがなく、しかも可搬な大容量相変化記録媒体を提供できる。
請求項１２に示す記録消去方式を用いることにより、複雑な記録消去パルスを発生させず、単純なパルス波形を用いることが可能であり、高速記録も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の記録セル部の構成例を示した図である。
【図２】本発明の記録セル部の構成例を示した別の図である。
【図３】本発明における記録セル作製及び媒体の製造方法例を示した図である。
【図４】本発明における記録セル作製及び媒体の製造方法例を示した別の図である。
【図５】本発明における記録セル作製及び媒体の製造方法例を示した別の図である。
【図６】本発明における記録セル作製及び媒体の製造方法例を示した別の図である。
【図７】本発明の隔離層にＳｉＯｘの場合の、膜厚の反射率依存性を示した図である。
【図８】本発明の記録再生光学系と記録媒体の構成を示した図である。
【図９】本発明の媒体の断面構成図である。
【図１０】本発明の記録セルの図である。
【図１１】本発明の記録セルにトラッキングする方法の１例を示した図である。
【図１２】実施例１９の場合の各セル位置の規格化反射率を示した図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 隔離層
３ 下部保護層
４ 相変化記録層
５ 上部保護層
６ 基板
７ 隔離層
８ 放熱層
９ 下部保護層
１０ 相変化記録層
１１ 上部保護層
１２ Ｓｉ基板
１３ ＳｉＯ２
１４ ＰＭＭＡ
１５ Ｓｉ基板
１６ 保護層
１７ 隔離層
１８ ＬＤ
１９ コリメータレンズ
２０ 偏光ビームスプリッタ
２１ フォトダイオード
２２ 対物レンズ
２３ λ／４波長板
２４ 対物レンズ
２５ 記録媒体
２６ 半球状レンズ
Claims (12)
- 基板上に下部保護層、非晶質相と結晶相の間の可逆的相変化を利用した相変化記録層、上部保護層の順に積層された構造を有する記録セル部を多数設けるとともに、前記多数の記録セル部を隔離層で互いに隔離した構成としたことを特徴とする光記録媒体。
- 基板上に、放熱層、下部保護層、非晶質相と結晶相の間の可逆的相変化を利用した相変化記録層、上部保護層の順に積層された構造を有する記録セル部を多数設けるとともに、前記多数の記録セル部を隔離層で互いに隔離した構成としたことを特徴とする光記録媒体。
- 前記相変化記録層が、
- 前記記録セルの直径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１に記載の光記録媒体。
- 前記記録セルの記録層の融点が５００℃以下、結晶化温度が１５０℃以上であることを特徴とする請求項３に記載の光記録媒体。
- 前記下部保護層材料が、ＺｎＳ，ＺｎＯ，ＩｎＯ，ＩｎＳｎＯ，Ａｌ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５，ＡｌＮのうち少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光記録媒体。
- 前記上部保護層が、ＳｉＯ２，ＳｉＮ，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，ＺｎＳ，Ｙ２Ｏ３のうち少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光記録媒体。
- 前記隔離層が、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２，Ｙ２Ｏ３及びこれらの混合物であることを特徴とする請求項１に記載の光記録媒体。
- 前記記録セルがトラック方向、半径方向に一定の間隔で、螺旋状に配列していることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１に記載の光記録媒体。
- 請求項１または２に記載の媒体の媒体表面に、屈折率２以上をもつ半球型の誘電体層を記録セル上に配置することを特徴とする光記録媒体。
- 前記誘電体層が、Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＺｎＯ，Ｉｎ２Ｏ５であることを特徴とする請求項９に記載の光記録媒体。
- 請求項１乃至１１の何れか１に記載の記録媒体の記録時のパルスが、再生時のパワーかそれ以下のバイアスパワーと、記録パワーの２つのレベル、消去時は再生時のパワーかそれ以下のパワーと記録パワーより低い消去パワーの２つのレベルをもつパルス信号からなり、記録パワー及び消去パワーは記録セルに照射され、記録セル間はバイアスパワーが照射されることを特徴とする光記録方法。
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