具有部分反射金合金层的双层光学介质 【发明领域】
总体而言，本发明涉及光学介质领域，具体说来，涉及具有两个或多个信息存储层的光学介质范畴。发明背景
在数据存储介质领域中，对更大存储容量和更高性能的需求似乎永无止境。在预先记录的光盘领域，如CD盘，VCD盘，通常通过增加单位光盘面积上的存储量来增大存储容量。但是，在光学记录系统中可实现的最大数据存储密度受到了光学系统可分辨的最小细节的限制。对于传统的远场成象系统而言，可分辨的最小细节的尺寸受到衍射效应的限制，而接近于可用光源的波长，其光源通常是固态激光二极管。于是，一种提高光盘存储容量的方法是缩短激光二极管的波长。尽管激光二极管发出的适用波长已经被逐步缩短，但由于固态技术和材料的局限性这种缩短并不显著。
现在已经提出了许多用于提高光学记录系统存储容量的技术。其中包括：(1)更高效的数据编码方法，例如脉冲宽度调制；(2)光学的和／或磁的超高分辨技术；(3)恒定角速度分区记录；(4)先进的数据信道检测方法，如空间响应／最大似然检测，及(5)同时在光盘的槽和背区域上记录。
与提高存储容量地前述方法有赖于光盘单位面积上存储量的增加不同，提高光盘容量的另一种方法是在光盘上添加附加存储层，这种附加存储层可以单独地记录或再现。于是，这种情况下的解决途径是提高光盘的可寻址面积。由于这种途径仅仅通过适度增加介质与记录系统的复杂程度即可具有大大提高介质存储容量的潜力，因此它颇具吸引力。如果要在光盘的一侧用光束再现多个存储层，例如2个，则光盘上其中的一个存储层必须有足够的反射率以使其可被光束再现出来，而且还要有足够的透射率以使让光束能穿过第一存储层而到达第二存储层。发明概述
因此，本发明提供了一种具有部分反射层和透明间隔层的光盘，它可以使一束再现光束聚焦在光盘中的两个不同平面的任一平面上。该盘包括一透明基片，在该透明基片的一个侧面上具有特征图纹，如凹坑。与该特征图纹相邻设有一个部分反射层。在该部分反射层的上方设有一透明聚合物间隔层，且在该间隔层上方有一高反射层。
部分反射层包括含两种金属的金属合金，一种金属是金，另一种是其折射率实部为n虚部为K的金属，其中在650nm波长处测得为n≤1且K≥2。该金属合金具有通式AuxMy，其中10＜x＜90且10＜y＜90，而M是第二种金属。一个优选实施例中第二金属具有n≤0．8且K≥3。在另一个实施例中n≤0．65且K≥3．5。
在一个实施例中，第二金属是银，且金属合金具有通式AuxAgy，其中10＜x＜90而10＜y＜90。在另一些优选实施例中，15＜x＜90而10＜y＜85；15＜x＜40而60＜y＜85；20＜x＜80而20＜y＜80；20＜x＜60而40＜y＜80；以及20＜x＜40而60＜y＜80。
在另一个实施例中，第二金属是铜。在此实施例中，金属合金最好具有通式AuxCuy，其中80＜x＜90且10＜y＜20。在本发明的另一个实施例中，金属合金包括金，银，和铜，并且具有通式AuxAgyCuz，其中20＜x＜75，20＜y＜75，且5＜z＜20。
在本发明的一个实施例中，基片由聚碳酸酯制成，而间隔层由光致聚合物制成。在间隔层与高反射层相邻的一侧可以设有一第二凹坑或特征图纹。间隔层的厚度最好在5至100μm范围内。
本发明还包括一种包含有上述介质的光学存储系统。该系统进一步包括一可被定位以透过基片入射到该介质上的聚焦激光束，用于调节激光束焦点位置落在或者部分反射层或者高反射层上的装置，以及一被设置为可检测从该介质反射出来的激光束的光电检测器。
本发明还包括具有上述部分反射层的双层预先记录光盘，和采用此种光盘的存储系统。附图的简要说明
图1表示本发明的光学数据存储系统。
图2是反射率作为含金的部分反射层厚度函数的一个曲线图。
图3是根据本发明一个实施例中，折射率实部(n)作为金-银合金薄膜层中含银量函数的一个曲线图。
图4是根据本发明另一个实施例中，折射率实部(n)作为金-铜合金薄膜层中含铜量函数的一个曲线图。详细说明
图1表示出本发明的光学数据存储系统10。光学存储介质12包括：透明基片14，第一数据凹坑图纹15上面的部分反射薄膜层16，透明间隔层18，和第二数据凹坑图纹19上面的高反射层20。激光器30向介质12发射激光束，如图1所示。光电检测器32检测激光束中被薄膜层16或20反射的光，而且该检测器根据该薄膜层上具体光斑处凹坑的有无检测出光强的调制信号。
尽管图纹15和19被称为“数据凹坑图纹”，但凹坑图纹15和19可以是能存储信息的任何凹坑或凹槽的图纹，不管是数据信息、伺服或循迹信息还是格式化信息等等。
独立地读取第一或第二凹坑图纹15或19的能力，取决于普通光盘读出系统较为有限的焦深特性。普通光学记录机／播放机所采用的、用于在介质存储层上形成限制了衍射的激光光斑的镜头，具有适中(0．4至0．6)的数值孔径，以提高分辨率和存储密度。这种镜头显示出的焦深(即在聚焦的光斑尺寸大致保持在衍射限度内的情况下，焦距变化的范围)大约为2μm；当焦距变化大时光斑的尺寸迅速扩大。因此，如果部分反射薄膜层16表现出适度的透过率，且两个数据凹坑图纹15与19分开的距离比光学系统焦深大，则激光器30可以聚焦在任一数据凹坑图纹上，并且与其它数据凹坑图纹之间的串音足够低。于是，尽管激光器30的光会被两层16和20一起反射回到检测器32，但仅有激光聚焦于其上的那一层会强烈地调制反射光强，从而能使其数据读出。
通过先聚焦在反射层16或20之一上，并在转换焦点位置而聚焦到另外的反射层上之前再现出整个该层上的数据，介质10上的数据凹坑图纹15和19可以很容易地被再现出来。另外，在完全再现出包含在数据凹坑图纹15和19之一中的数据之前，可能需要一次或多次转换焦点位置。在任何一种情况下，利用由透明层18分隔开的两个数据凹坑图纹，都能有效地使光学记录介质10的数据存储容量加倍。
另一种结构可以包括两个透明基片，在它们的一个表面上分别有不同的模制或复制数据凹坑图纹。本文所述的金属半反射层被沉积在第一基片上的第一数据凹坑图纹上，而高反射层被沉积在第二基片上的第二数据凹坑图纹上。然后，用透明粘合剂(可以还是光致聚合物或其它聚合物材料)将两个涂覆的基片粘合在一起，使得两个粘合表面之间有均匀的间隔。本领域的普通技术人员应该知道实现上述金属半反射层以构成有两个或多个信息表面的光学存储介质的其它方法，其中这些信息表面可以被入射到光盘结构一个侧面上的光束寻址。
透明基片14可以采用能以足够保真度支承模制出的数据凹坑图纹15的适合作光盘基片的聚合物材料，如聚碳酸酯或者非晶态聚烯烃。此外，可以采用如玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯等平板基片，并借助于光致聚合物复制来形成数据凹坑图纹。
透明间隔层18可以是聚合物，如光致固化聚合物，其复折射率实部n大约在1．45至1．6范围，虚部K小于10-4更适宜小于10-5。透明间隔层18应足够地厚，以使激光器30聚焦在任何一个数据凹坑图纹15和19上而串音最小。这具体反映到厚度上，是适宜在大约5至100μm的范围内，更适宜在大约10至50μm的范围。
高反射层20可以是对再现数据所用的激光波长具有高反射率的金属层。现行所用的激光二极管光源的辐射波长大约在600至850nm的范围内。铝，金，银，铜及它们的合金可以在该波长范围呈现出适当的高反射率。高反射层20适宜具有至少70％的反射率，更适宜为至少80％。
为了减小光学数据存储系统10的复杂程度和降低成本，需要使每个数据凹坑图纹15和19中读出信号的平均信号电平近似相等。于是，当检测器32检测时，层16和20的视在反射率也近似相等。
在本文中，术语“视在反射率”是指入射到透明基片14的光当在任意层16或20的平坦区域上聚焦成光斑时，理论上可以被光学读出设备检测到的光功率百分比。假设读出设备包括一个激光器，一个适当结构的光路，和一个光电检测器。再假设光路中最靠近透明基片14的光学元件是一个大数值孔径的物镜(＞0．4)。在本文中，术语“内表面反射率”或“内界面反射率”是指入射到介质结构内界面上(如，透明基片14与部分反射层16之间的界面或间隔层18与高反射层20之间的界面)的光被反射的光功率百分比。
为了确定部分反射层16所必需的反射率，我们假定高反射层20由铝构成，它使入射到间隔层18与高反射层20之间内界面上的光反射大约80至85％。而且还假设，间隔层18的折射率实部n为1．5，基片14是折射率实部n为1．57的聚碳酸酯，空气-基片界面处的反射对读出信号没有影响。如果我们进一步假设部分反射层16是没有吸收的理想材料，可以看出，当在基片14与部分反射层之间界面观察时的大约0．35的反射率将使层16和20的视在反射率相互平衡。部分反射层16不吸收是理想情况，实际的部分反射层材料很可能有一些吸收。如果我们选择吸收25％光(并非限定此为可接受吸收率的上限)的假想部分反射层，我们发现需要大约0．25的内表面反射率来平衡层16和20的反射率。在此情况下，两层的视在反射率大约都比部分反射层不吸收的情况少30％。所以，下面的实例将基片14与层16之间界面处的内表面反射率限定在大约0．25至0．35的范围内。考虑到基片-空气界面的反射衰减，上述范围对应于光学读出设备测得的视在反射率大约为0．24至0．33。
部分反射层16的优选材料是金。金之所以适合，是因为它低的折射率实部分量(n≈0．3)以及它的环境稳定性(见实例1)。但采用金的缺点是它昂贵的费用。申请人已经发现，为了降低部分反射层的总成本，金可以与其它较为便宜的金属制成合金。这种被合铸金属不必具有与金一样的环境稳定性(因为金会给该该合金带来环境稳定性)。其次，被合铸的材料还应该具有与金相似的低折射率实部(n)，以使得折射率实部不因合金元素的加入而明显增大。第三，被合铸的材料应该比金便宜得多。
部分反射层的金属合金应该每100％合金原子中包含至少10％，更适宜为至少15％，且最好约为至少20％金原子，以确保合金的环境稳定性。
金属合金适宜有通式AuxMy，其中10＜x＜90而10＜y＜90，M是第二金属。第二金属M适宜具有实部为(n)虚部为(K)的折射率，其中在650nm处测量n≤1且K≥2，更适宜n≤0．8且K≥3，最适宜n≤0．65且K≥3．5。一种适宜的第二金属是银。该合金适宜具有通式AuxAgy，其中10＜x＜90而10＜y＜90；更适宜15＜x＜90而10＜y＜85；更为适宜20＜x＜80而20＜y＜80；甚为适宜20＜x＜60而40＜y＜80；且最为适宜20＜x＜40而60＜y＜80。
在另一个实施例中，第二金属M可以是铜。在此优选实施例中，合金具有通式AuxCuy，其中80＜x＜90而10＜y＜20。这些取值范围保证了合金的环境稳定性。金与银和铜的合金也是适合的。这种合金应适宜具有通式AuxAgyCuz，其中20＜x＜75，20＜y＜75，且5＜z＜20。
部分反射层16适宜具有大约8至14nm范围的厚度，更适宜在大约10至12nm范围内。为了使部分反射层的反射率(R)和透射率(T)达到最大，必须使该层的吸收率(A)降至最低(因为R+T+A=1)。部分反射层的吸收率是该层折射率实部和虚部n和K乘积的函数。要使吸收最小，就应使n·K的乘积最小。由于金属的K值一般都较大，因此主要是减小n。部分反射层16的折射率适宜为在650nm波长处测得为n≤1且K≥2，更适宜为n≤0．8且K≥3，而最适宜n≤0．65且K≥3．5。
现在将参考下述非限定性的实例，进一步说明本发明。(所有测量值都是近似值)
实例1
用直流磁控管溅射技术在玻璃平板和聚碳酸酯盘上制备金薄膜。溅射压强保持在2mTorr，金的沉积速率是7．8nm／min。在玻璃平板上沉积一组金膜，以确定在650nm波长处反射率／透射率与膜厚度的相关程度。这些数据也用于获取金膜的复折射率。图2表示反射率和透射率对膜厚的依赖关系。
从这些数据中，确定650nm波长处的金膜复折射率为n=0．29和K=3．72。然后，将这个折射率用于预测聚碳酸酯／金／光致聚合物结构的反射率和透射率，该结构会给出至少0．20部分反射率和足够的透射率，以便从高反射层获得0．20的反射率。预定的厚度是11nm。对聚碳酸酯盘溅射涂覆金膜，然后密封涂覆厚度近似为11μm的光致聚合物。盘的反射率和透射率可以在平行光分光光度计上测得。在λ=650nm时，R=0．257而T=0．685。这些R和T的值可以达到从部分反射层和高反射层反射至少0．20的目标。然后，将样品盘置于80℃相对湿度85％的环境中。金膜与聚碳酸酯和光致聚合物的粘合性能极好。金部分反射光盘在该环境中反射率和透射率的变化列于如下的表1中。
表1：Au部分反射层的环境性能相对湿度85％温度80℃时的星期数反射率透射率00．257±0．0110．618±0．01910．259±0．0140．658±0．01820．267±0．0080．608±±0．006
在测量误差之内，金膜的反射率和透射率在置于80℃相对湿度85％的环境中并不随时间恶化。所以，在此苛刻条件下金膜的稳定性极好，表明这种材料是理想的部分反射层材料。
实例2
用共同沉积来自独立的磁控管源的Ag和Au，制备出膜AgxAu100-x。该沉积过程以2×10-7Torr为本底压强在一真空系统中完成。对于所有合金范围，溅射压强保持在2mTorr，且两个源的组合沉积速率在7至17nm／min的范围。通过变换各个源的沉积速率控制合金膜的原子组分，并通过电感耦合等离子体(ICP)组分测量方法进行交替检查。在玻璃平板上沉积9-10nm标称厚度的合金膜，以从反射率和透射率的测量中获取折射率分量n和K。折射率实部分量对Ag-Au合金中Ag含量的依赖关系曲线表示在图3中。
从图3中可知，任何二元Ag和Au合金的折射率实部(n)都小于1．0。对于含10％Ag原子至60％Ag原子范围的二元合金，折射率的实部和虚部已用于确定聚碳酸酯盘／AgxAu100-x／光致聚合物结构中合金层的厚度，该结构给出至少0．20的部分反射率和足够的透射率，以便由高反射层达到至少0．20的视在反射率。表2列出了用分光光度计测得的含10％至60％Ag原子的合金的合金膜光学参数，用于制造样品盘的合金层厚度，和所得部分反射的夹层结构的反射率和透射率。这些盘的反射率和透射率满足至少0．20的部分反射率和足以从高反射层获得至少0．20视在反射率的足够透射率的要求。
表2：对于λ=650nm时AgxAu100-x部分反射盘的特性 合金 n K t(nm) R T Ag10Au90 0.36 4.34 9 0.29±0.02 0.61±0.03 Ag20Au80 0.38 4.42 9 0.28±0.02 0.59±0.02 Ag30Au70 0.39 4.15 10 0.28±0.01 0.58±0.02 Ag40Au60 0.38 4.31 10 0.27±0.01 0.59±0.01 Ag50Au50 0.45 4.18 10 0.29±0.01 0.57±0.02 Ag60Au40 0.33 4.19 10 0.272±0.004 0.56±0.02
实例3
折射率n＜1．0的另一个合金实例是Au100-xCux合金。与Ag-Au合金一样，可以通过共同沉积来自独立的磁控管溅射源的Au和Cu制备Au-Cu合金膜。真空系统的本底压强为2×10-7Torr，溅射压强保持在2mTorr。两个源的组合沉积速率在12至18nm／min范围。通过单独控制Au和Cu源的沉积速率改变合金膜的原子组分，并通过ICP测量方法交替检查所选的Au-Cu合金组分。为了确定光学特性n和K，首先在玻璃平板上沉积标称厚度为10nm的样品合金膜。用分光光度计测量合金膜的反射率和透射率，并从λ=650nm处的测量结果中确定出折射率的实部(n)和虚部(K)。图4表示n随Cu原子百分比的变化情况。Au100-xCux膜的折射率实部(n)至少在x≤60时小于1．0。插在x=60与x=100之间的数据点表明：n将继续保持低于1．0，而K在此范围内将大于2．0。然后，与Ag-Au合金膜一样，这些膜的光学常数被用于确定聚碳酸酯盘／Ag100-xCux／光致聚合物结构中所需的合金膜厚度，该结构给出至少0．20的部分反射率和足够的透射率，以便使高反射层达到至少0．20的视在反射率。
表3列出了在分光光度计上测得的合金的光学参数，合金层厚度，和所得部分反射盘的反射率和透射率。这里的数据表明：这些有Au-Cu合金膜的盘其反射率和透射率满足至少0．20的部分反射率和足以从高反射层获得至少0．20视在反射率的足够透射率的要求。
表3：对于λ=650nm时Au100-xCux部分反射盘的特性合金 n K t(nm) R TAu90Cu10 0．43 4．24 10 0．28±0．01 0．55±0．01Au80Cu200．484．17100．29±0．020．54±0．01Au70Cu300．613．88110．28±0．010．52±0．02Au60Cu400．613．93100．26±0．010．52±0．01Au50Cu500．594．16100．25±0．010．55±0．02Au40Cu600．634．05110．29±0．0010．51±0．02