НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

Гринько Дмитро Олександрович

УДК 681.3.07

РОЗРОБКА оптичних носiїв iнформацiї

на основi

високороздільних реєструючих середовищ

Спеціальність 05.27.06 -"Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем реєстрації інформації Національної Академії наук України, місто Київ.

Науковий керівник: Доктор технічних наук, ст. наук. спів. Крючин Андрій Андрійович, ІПРІ НАН України, м. Київ, зав. відділом, заст. директора.

Офіційні опоненти: Доктор фіз.-мат. наук, Коваленко Валерій Фадейович, Національний університет ім. Т.Г. Шевченка, м. Київ, професор

Кандидат технічних наук, Єрмолович Анатолій Васильович, журн. "Электронные компоненты и системы" заст. гол. редактора

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства НАН України, м. Київ

Захист відбудеться 18 січня 2002 р. о 16 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників Національної Академії Наук України за адресою: 03 028, Київ-28, пр. Науки, 45.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників Національної Академії Наук України.

Автореферат розісланий 16 грудня 2002 року.

Вчений секретар Спеціалізованої ради кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Оптичні компакт-диски (КД) широко використовуються як носії інформації оптичних запам'ятовуючих пристроїв (ЗП) на протязі останніх двох десятиліть і безумовно посіли місце наймасовіших та найдешевших носіїв. Інтенсивні дослiдження та розробки в області оптичних ЗП спрямовані на пошуки нових функціональних можливостей у збереженні та обробці інформації, пiдвищення щiльностi та швидкості запису, надійності збереження та зниження вартості збереження iнформацiї. Функціональна iнтеграцiя оптичних, механічних, плiвкових, мiкрорельєфних елементів в оптичних носіях інформації потребує розробки нових реєструючих середовищ (РС), технологій та методiв проектування для подальшого розвитку галузі оптичного запису, обробки та збереження інформації.

Підвищення щiльностi запису та вимог до надійності збереження інформації зумовили відмову від методiв, що використовують утворення отворів в тонких плівках сфокусованим лазерним променем, та стимулювало використання фазових переходів різноманітної природи. У КД для одноразового запису використовують інтерференційні багатошарові тонкоплівкові структури з полімерів, металів та органічних барвників, в яких достатньо потужний сфокусований лазерний промінь викликає незворотне знебарвлення. Для тиражування КД використовують мікрорельєфні носiї-оригiнали, що традиційно одержують методами лазерної фотолітографії та рідинного травлення. Металеві копії з поверхні носіїв-оригіналів використовують як матриці для тиражування КД.

Традиційні багатошарові носії інформації з різнорідних матеріалів та багатоопераційні методи одержання матриць для тиражування КД трудомісткі у розробці і проектуванні, потребують використання складних засобів для зменшення дефектності та мають відносно високу вартість. Зокрема проблемами технології сучасних оптичних дисків, для яких в даній роботі пропонуються рішення, є наступні. Утрудненість ефективного контролю записаної інформації під час лазерного експонування та травлення фоторезиста носія–оригіналу, що знижує якість та вихід придатних носіїв. Утворення специфічного для рідинного травлення виду дефектів фоторезиста носія-оригіналу у вигляді мікрорельєфних виступів V-подібного профілю, які створюють групові дефекти під час тиражування. Складність розробки та виробництва дисків CD та DVD для зчитування на одній довжині хвилі за умови використання багатошарових інтерференційних структур.

Підвищення щiльностi запису, необхідність підвищення якості носiїв та зниження їх вартості зумовлюють розробку одношарових носіїв та нових методiв оптичного запису, при якому мікрорельєфна структура носія висотою біля 0,1 мкм з перiодом 0,6-1,6 мкм формується безпосередньо пiд час запису i може бути використана для одержання дисків для одноразового запису, носіїв-оригіналів та матриць. Створення таких носіїв інформації потребує синтезу РС з передбачуваними характеристиками, основними з яких є швидкість формування відбитка під час запису та нелінійна порогова характеристика РС у вигляді залежності коефіцієнта відбиття носія від потужності лазерного випромінювання.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослідження виконано у Інституті проблем реєстрації інформації Національної академії наук України у відповідності до державних науково-технiчних програм: 6.1 "Системи і засоби для створення інформаційного середовища України" та 6.3 "Конкурентноздатні засоби обчислювальної техніки для вирішення завдань інформатизації України".

Метою роботи є розробка та експериментальне дослідження носiїв iнформацiї оптичних запам'ятовуючих пристроїв на основi одношарових реєструючих середовищ з безпосереднім формуванням запису в процесі незворотного фазового перетворення, зокрема оптичних носiїв для одноразового запису та мікрорельєфних носiїв-оригiналiв для тиражування компакт-дисків.

Мета досягається вирiшенням наступних задач.

1. синтез тонкоплiвкового реєструючого середовища з незворотнiм фазовим перетворенням, що має заданi нелінійні порогові характеристики та швидкість формування відбитка; вивчення та систематизація властивостей плівок у вигляді діаграм стану; вивчення впливу легуючих додаткiв на будову та оптичнi властивостi плiвок; визначення змiни в будовi плiвок пiд дією лазерного опромiнення.

2.Дослідження фізико-технічних основ процесу безпосереднього формування рельєфу носія-оригінала під час запису.

3.Теоретичне та експериментальне дослiдження особливостей процесу формування інформаційних відбитків в результаті оптично стимульованого фазового перетворення, розробка моделі процесу запису та методів визначення її параметрів; систематизація та пояснення зв'язку між умовами синтезу плівок, властивостями реєструючого середовища та носiїв iнформацiї.

4.Розробка основ технології носiїв iнформацiї оптичних ЗП для одноразового запису, носiїв-оригiналiв для тиражування компакт-дисків та експериментальне дослідження носіїв.

Об'єкти дослiдження: технологія та методи створення носiїв iнформацiї оптичних ЗП, тонкоплівкові реєструючі середовища з незворотним фазовим перетворенням. Предметом дослідження є оптичні носiї iнформацiї для одноразового запису, носiї-оригiнали для тиражування компакт-дисків, процеси формування відбитків запису, тонкі плівки оксидів молібдену, вольфраму, заліза, нікелю модифіковані органiчними сполуками, процеси фазових переходiв в плівках пiд дією тепла та сфокусованого лазерного променя, процеси одержання плівок хімічним осадженням з газової фази окислювальним термічним розкладом карбонілів.

Методи дослiдження: фізичне моделювання технологічних процесів, експериментальні дослiдження фізико-хімічних процесів утворення плівок, експериментальне дослідження властивостей тонких плівок методами спектрофотометрії, оптичної мікроскопії, спектроскопії комбінаційного розсіяння, елiпсометрiї, електронної мiкроскопiї, пошарового кількісного Оже-аналiзу, рентгенiвської фотоелектронної спектроскопiї, тунельної мікроскопії, методи вимiрювання характеристик оптичних носiїв iнформацiї вiдповiдно стандарту ISO9171, методи математичного моделювання фізико-хімічних процесів запису інформації, теоретичний аналіз на основi феноменологічної моделi стимульованих лазерним випромінюванням фазових переходiв в тонких плiвках. Обробка результатів експериментів виконана за допомогою статистичних та оптимiзацiйних чисельних методiв.

Наукова новизна отриманих результатів.

1.Запропоновано створення носiїв для одноразового запису та носiїв - оригіналів для тиражування компакт-дисків на єдиній технологічній, функціональній, матеріалознавчій, конструктивній i проектній основi, яке базується на:

·

· експериментально одержаних діаграмах стану плiвок РС,

· механізмі та моделі процесу фазових перетворень в плівках під дією сфокусованого лазерного променя.

2.Одержано та систематизовано експериментальні дані по властивостях тонкоплiвкових РС на основi оксидів d-металів, модифікованих органічними сполуками. З'ясовано механізм незворотних фазових перетворень пiд дією сфокусованого лазерного опромінення та запропоновано модель оптичного запису на цих РС, що дозволяє розраховувати, відтворювати та прогнозувати властивостi носiїв.

3.Одержано ефект безпосереднього рельєфоутворення внаслідок фазового перетворення в тонких плiвках під час дiї iмпульсiв сфокусованого лазерного випромінювання. Експериментально одержано рельєфоутворення на тонких плiвках нестехiометричних оксидів d-металів, модифікованих органічними сполуками. Запропоновано використати такий метод запису для одержання мiкрорельєфних носiїв-оригiналiв безпосереднiм формуванням на відміну від існуючого багатоопераційного літографічного методу.

4.На основi одержаних фактичних знань про РС та запропонованих основ технології розроблено, експериментально отримано та досліджено носій для одноразового запису та носій-оригінал з безпосереднім формуванням рельєфу.

Практична цінність та реалізація результатів роботи.

1.Запропоновано тонкоплiвковi, високороздільні РС на основi оксидiв d-металiв, модифікованих органічними сполуками, які дозволяють одержувати запис безпосередньо як у вигляді мікрорельєфу, так і у вигляді фазових відбитків і можуть бути використані у носіях оптичних ЗУ з підвищеною шільністю та швидкістю запису. Вивчено властивостi плівок та з'ясовано механізм запису. Одержано дiаграми стану РС, феноменологічні моделі структурних перетворень i рельєфоутворення пiд дією лазерного променя, що дозволяють розраховувати i прогнозувати властивостi плiвок.

2. Розроблені технологічні методи відтворення властивостей плівок РС.

3.Розроблено спосіб запису безпосереднiм рельєфоутворенням i запропоновано використати його для виготовлення носiїв-оригiналiв.

4.Запропоновано метод проектування носiїв iнформацiї оптичних ЗП, який дозволяє виконувати розробку носiїв - оригіналів i носiїв для одноразового запису на єдиній функціональній, технологічній, матеріалознавчій, конструктивній i проектній основi.

5. Запропоновано та проаналізовано технологічні схеми виготовлення компакт-дисків на основі запропонованих РС.

6. Одержано носій для одноразового запису i носій-оригінал. Визначено їх характеристики. Спроектовано дискові носiї, що задовольняють вимогам стандартів ISO-9171, ECMA-154.

Результати досліджень використані при розробці дискового носія для одноразового запису ЕС 5150, накопичувача iнформацiї на оптичних циліндрах ЕС 5153, носiїв-оригiналiв та матриць для тиражування КД в Інституті проблем реєстрації інформації НАН України. Продано ліцензію компанії SAMSUNG на носій інформації та спосіб його виготовлення.

Особистий внесок здобувача полягає у створенні РС на основі оксидів металів, модифікованих органічними сполуками, технології оптичних носіїв інформації для одноразового запису та носіїв-оригіналів для тиражування КД з використанням цих РС, виконанні експериментів та оформленні результатів. Основні результати експериментальних досліджень та практичних розробок одержані особисто автором. Він брав безпосередньо участь в постановці задач, розробці методик досліджень, обробці та інтерпретації результатів експериментів, написанні наукових статей, оформленні матеріалів заявок на винаходи та патенти. Постановку задачі, дослідження фізико-хімічних властивостей зразків плівок та інтерпретацію результатів проведено у творчому співробітництві зі співавторами наукових праць ( Інститут проблем реєстрації інформації НАН України, Інститут фізики напівпровідників НАН України, Інститут проблем матеріалознавства НАН України).

Апробація роботи. Матеріали, що містяться в дисертації, представлялися на 16-ти Міжнародних, Всесоюзних та Республіканських конференціях, зокрема: Всесоюзной конференции "Проблемы оптической памяти" (Москва,1990), 6-е Всесоюзное совещание "Применение металлоорганических соединений для получения неорганических покрытий и материалов" (Нижний Новгород 1991), Всесоюзной конференции "Совершенствование памяти информационных и робототехнических систем" (Москва, 1989), международной конференции "Оптические методы диагностики материалов и изделий микро-, опто- и квантовой электроники" (Киев 1993), міжнародній конференції "Correlation Optics" (Черновці 1993), SPIE's 40th Annual Meeting "Optical Science, Engieneering and Instrumentation" (San-Diego 1995), International Conferens "Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro- and Quantum Electronics" (Kiev 1995,1996, 2000).

Публiкацiї. За темою дисертацiї опублiковано 14 статей та тез доповідей, одержано 9 авторських свiдоцтв СРСР та 20 закордонних патентiв.

Структура та обсяг дисертацiйної роботи. Дисертацiйна робота складається iз вступу, п'яти глав, пiдсумкiв та списку лiтератури. Роботу викладено на 145 сторiнці машинописного тексту, який включає 69 малюнків, 11 таблиць i список лiтератури з 113 найменувань.

КОРОТКИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

У вступi обгрунтовано актуальнiсть синтезу носiїв оптичних ЗП на основi одношарових тонкоплiвкових РС з незворотнiм фазовим перетворенням, сформульовано мета i основнi задачi дисертацiйної роботи, основнi положення, якi виносяться на захист.

В першiй главi проаналiзовано основнi принципи створення носiїв оптичних ЗП та напрямки їх розвитку. Показано зв'язок мiж iнформацiйними характеристиками сигналу, що реєструється, фiзичною структурою записiв, конструкцiєю носiя, технологією одержання носія, методами забезпечення якостi та методами розробки iснуючих носiїв оптичних ЗП та РС.

В другій главі увага зосереджена на аналізі технологічних проблем розробки сучасних носіїв інформації: пiдвищенні щiльностi запису, спрощенні конструкції та технології, аналізі загальних закономірностей фазових перетворень в тонких плівках. запрпоновано методи вирішення проблем та обгрунтовано постановку задач дослідження.

Проаналізовано зміну виходу придатних носiїв при пiдвищеннi щiльностi запису внаслідок випадкового дефектоутворення. Показано, що задача підвищення щільності запису оптичних носіїв інформації вимагає скорочення кількості технологічних операцій та розробки нових одношарових РС замість існуючих багатошарових.

Проаналізовано процес оптично стимульованого фазового переходу в тонких плівках з нелінійними пороговими характеристиками. Показано, що використання тонких плівок РС з наперед передбачуваною та відтворюваною нелінійною пороговою характеристикою взаємодії із сфокусованим лазерним променем дозволяє підвищити щільність запису та формувати відбитки з розмірами 0,3- 0,6 мікрона.

Проаналізовано зв'язки мiж такими характеристиками фазових переходiв в тонких плiвках i параметрами носiїв iнформацiї на їх основi, як порогова потужність запису, строк збереження запису, число зчитувань, потужнiсть зчитування. Показано, що для аналізу процесів запису та проектування носiїв з оптично симульованим фазовим переходом доцільно використовувати залежності швидкості формування відбитка від потужності лазерного променя.

Доведено співвідношення між основними характеристиками РС, які визначаються експериментально, та прогнозованими характеристиками носія інформації

v(Pr) Ј_ (NM)-1Ч'v(Pw)Ч' ttw/ttr ,

v(0) Ј_ M-1 v(Pw)Ч' ttw/tts ,

де v(P) - швидкість запису в залежності від потужності лазерного променя;

ttw - тривалість імпульсу запису;

ttr - тривалість імпульсу зчитування, що залежить від швидкості сканування та діаметра сфокусованого лазерного променя;

tts - тривалість збереження інформації носієм;

N - допустиме число зчитувань;

M- допустиме погіршення співвідношення сигнал/шум в результаті N зчитувань і тривалого збереження носія;

Pw- потужність лазерного променя під час запису;

Pr - потужність лазерного променя під час зчитування.

Проаналізовано фізичні обмеження швидкості формування відбитка, пов'язані з загальними закономірностями незворотних фазових переходів в тонких плівках, і зроблено висновок, що максимальна швидкість запису відбитка визначається будовою речовини плівки, тому задача розробки носія інформації на основі РС з незворотнім фазовим переходом має матеріалознавчу складову.

Аналiз матерiалознавчих та технологічних факторiв розробки носiїв показав, що для вирішення поставленої мети найбiльш ефективнi плiвкові РС на основi оксидiв перехiдних металiв, властивості яких можна регулювати шляхом зміни стехіометрії та введенням органічних додатків в структуру матеріалів. Показано, що такі плівки доцільно одержувати термічним окислювальним розкладом карбонілів в неглибокому вакуумі. сформульовані основні задачі дослідження.

В третiй главi наведено результати досліджень властивостей запропонованих для запису інформації тонких плiвок. Автором вперше одержано та систематично досліджено тонкоплівкові РС на основі оксидiв d-металiв, модифікованих органiчними сполуками.

а б в

Рис.1. Будова сполук, які утворюються в плівках оксиду вольфрама в результаті модифікації: а- ацетатною кислотою (акцептор електронів) , б- моноетаноламіном (донор електронів), в- гетерокарбонільною комплексною сполукою.

Одержано експериментальні данi про кристалічну та електронну структуру тонких плівок на основі нестехіометричних оксидів заліза, нікелю, молібдену, вольфраму, одержаних термічним окислювальним розкладом карбонілів в неглибокому вакуумі. Детально вивчено плівки на основі оксидів вольфраму та молібдену, для яких запропоновано практичне застосування.

показано, що склад плiвок оксидів легованих органічними сполуками, можна регулювати спiввiдношенням тискiв кисню, карбонiлу та вільного ліганду в газовiй фазi, а також температурою розкладу. Встановлено, що легування цих оксидів органiчними сполуками у концентрації 0,01-5мол% суттєво впливає на деякі фізичні властивості, зокрема оптичнi властивостi плiвок у видимому та ближньому iнфрачервоному дiапазонах спектру. Для деяких легуючих додатків, що мають практичне значення, на підставі аналізу рентгенівських фотоелектронних спектрів та комбінаційного розсіяння визначена будова сполук, які утворюються в оксиді вольфраму при модифікуванні, рис.1.

На підставі дослідження оптичних спектрів плівок та залежності складу плівок від тиску карбонілів в умовах спiльного окислювального термiчного розкладу гексакарбонiлiв молiбдену та вольфраму встановлено, що у склад плiвок оксиду вбудовується гетерокарбонільна комплексна сполука рис.1, в, яка виникає в результатi координацiї на поверхнi росту адсорбованих молекул гексакарбонiлiв молiбдену та вольфраму.

Залежнiсть мiж структурою та складом плiвок оксиду вольфраму, їх оптичними параметрами, електропровiднiстю, швидкiстю росту (що є основними фiзичними характеристиками РС) та температурою реактору, спiввiдношенням тискiв кисню та карбонiлу (що є основними технологiчними параметрами одержання плiвок) представленi у виглядi дiаграм стану.

З'ясовані також зміни у властивостях та структурі модифікованих плівок внаслідок дії сфокусованого лазерного променя. Аналіз рентгенівських фотоелектронних спектрів, спектрів поглинання у видимій області та комбінаційного розсіяння дозволив визначити будову сполук, які утворюються, та запропонувати схеми хімічних перетворень для модифікованого оксиду вольфраму.

В четвертiй главi викладено основнi результати дослідження процесiв фазових перетворень та формування інформаційних відбитків сфокусованим лазерним променем на запропонованих РС.

Рис.2. Вплив легуючих додатків на характеристики нелінійної взаємодії плівкових РС із сфокусованим лазерним променем. v- швидкість фазового перетворення, Р- потужність сфокусованого лазерного променя, Т - ефективна температура плівки, Тр- температура одержання плівки, 1- немодифікований оксид вольфраму WO2,6, модифікація: 2- моноетаноламіном, 3- комплексною гетерокарбонільною сполукою, 4- ацетатною кислотою. Довжина хвилі лазерного променя 532нм, діаметр -0,8 мкм.

Експериментально показано, що змiною стехiометрiї, структури плiвок та введенням додатків з електронодонорними та електроноакцепторними властивостями можна суттєво впливати на швидкiсть фазових перетворень та чутливiсть плiвок до лазерного опромiнення ( рис.2).

Донорнi додатки (2, 3, рис.2) збiльшують швидкiсть структурних перетворень. Акцепторний додаток (4, рис.2) пригнiчує структурнi перетворення. Для плiвок аморфного оксиду тривалентного залiза характерно утворення значних механiчних напружень в областях кристалiзацiї внаслiдок великої рiзницi мольних об'ємiв фаз. Для плiвок оксиду нікелю внаслiдок присутностi гратової води характернi явища, що можуть з часом привести до руйнування записаної iнформацiї. В тонких плiвках нестехiометричних оксидiв вольфраму та молiбдену та плiвках цих оксидiв, модифікованих органiчними сполуками, спостерiгаються фазовi перетворення, що супроводжуються значними змiнами в оптичних властивостях i не викликають значних механiчних напружень плiвок. В останнiх плiвках не виявленi небажанi для порогових РС явища (відсутні фотохромні та термохромні ефекти).

Запропоновано феноменологiчну модель для опису термодинамiки та кiнетики фазових переходiв в тонкоплiвкових РС пiд дiєю сфокусованого лазерного променя. Швидкість фазового перетворення з зародкоутворенням описується на основі рівняння Ареніуса з енергією активації e1+e2Tn/( Tn-T), де

е1 - дифузiйна складова енергiї активацiї, пов'язана з перемiщенням атомiв плiвки в процесi упорядкування;

е2- зародкоутворююча складова енергiї активацiї, що пов'язана з питомою поверхневою енергiєю зародка та рiзницею хiмiчних потенцiалiв ;

Tn- температура фазового перетворення ;

T- ефективна температура плівки.

В тепловому балансі враховується поглинання лазерного променя плівкою, теплопередача плівки у масивну прозору підкладинку та тепловиділення внаслідок фазового перетворення у вигляді Ph = qЧ'v,

де Ph- потужність тепловиділення фазового переходу,

q - коефіцієнт тепловиділення, що відповідає ентальпії фазового переходу,

v - швидкiсть фазового перетворення або швидкість формування відбитка запису.

Особливістю моделі є припущення, що температура фазового перетворення може змінюватися в умовах інтенсивного лазерного опромінення плівки Tn=Tn0+zЧP,

де Tn0- незмінна складова температури фазового переходу;

z- фотохiмiчний параметр плiвки, що враховує зміну температури фазового переходу під дією лазерного променя;

Р- потужність лазерного променя.

Параметри моделі обраховуються шляхом числової комп'ютерної мінімізації цільової функції, що будується на експериментально одержаній залежності порогової потужності запису вiд тривалостi iмпульсу запису та запропонованої моделі фазових перетворень.

Моделювання фазових переходів узгоджується з експериментально одержаними даними, рис.2. Шляхом зiставлення значень параметрiв моделi для дослiджуваних РС з iнфрачервоними, рентгенiвськими фотоелектронними спектрами та iншими фактичними даними з'ясованi наступнi особливостi процесів запису інформації. Переходи супроводжуються рухом меж кластерiв i частковим переключенням нерівноцiнних зв'язкiв атомiв метала та кисню, а не їх обривом. Кристалiзацiя внаслiдок опромiнення на довжинi хвилi 820нм може вiдбуватися, певно, за рахунок обриву зв'язкiв метал - кисень. Важливо, що під дією лазерного промея швидкість фазових перетворень має суттєве значення при ефективній температурі плівки, яка нижче за температуру одержання плівки і при якій в звичайних умовах плівка цілком стабільна. Цей факт може бути пояснений фотоiндукованою змiною енергiї активацiї та температури фазового переходу пiд дiєю потужного опромiнення.

Рис.3. vP - діаграми для РС. 1- оксид вольфраму модифікований моноетаноламіном на скляній підкладинці; 2- оксид молібдену модифікований моноетаноламіном на полікарбонатній підкладинці. Довжина хвилі лазерного променя 532нм, діаметр -0,8 мкм.

Елементи структури плiвки, в котрих координуються частково вiдновленi атоми вольфраму, є зародками в процесах кристалiзацiї плiвок. Введення донорних або акцепторних сполук в матрицю оксиду приводить перш за все до змiни щiльностi зародкiв на декiлька порядкiв, що суттєво змiнює кiнетику структурних перетворень.

Досліджено зміни в плівках в умовах багатократної дії лазерного променя з потужністю, що менша від порогової для даного РС.

Комплексною обробкою експериментальних даних одержанi узагальненi дiаграми швидкість формування відбитка - потужність лазерного променя в діапазоні швидкостей запису 109 - 10-8 с-1 ( рис.3).

Запропоновано модель процесу безпосереднього рельєфоутворення, що вiдбувається за умови суттєвої рiзницi мольних об'ємiв фаз, зокрема - за рахунок газоутворення при розкладi органiчних сполук пiд дiєю лазерного променя. Показано, що висота мікрорельєфу пропорційна товщині плівки, молярній частці органічної фази, яка здатна розкладатися, ступеню перетворення фази1 у фазу2 та ефективній температурі в області дії сфокусованого лазерного променя.

Експериментально одержано ефект безпосереднього рельєфоутворення в плiвках, що модифікованi органiчними сполуками при концентраціях 1-5 мол%. Факт формування мікрорельєфу підтверджено дослідженням поверхні плівок, а також фотополімерних та металевих гальванопластичних копій з поверхні плівок методами електронної мікроскопії та оптичної інтерферометрії. Розміри одержаних відбитків та висота рельєфу відповідають стандартам на компакт-диски CD та DVD. Запропоновано використовувати цей ефект для виготовлення носiїв-оригiналiв та матриць.

П'ята глава присвячена дослідженню технології оптичних носiїв iнформацiї, зокрема носіїв для одноразового запису, мікрорельєфних носіїв-оригіналів для тиражування компакт-дисків та дослiдженню характеристик одержаних носіїв.

На підставі аналізу вимог до основних функціональних характеристик носііїв та діаграм стану РС визначено точність та методи регулювання основних технологічних параметрів- температури підкладинки, тиску пари карбонілів, тиску кисню та пари лігандів. Розроблено установку для одержання тонкоплівкових РС на підкладинках носіїв інформації. Наведенi результати розробки методiв та засобiв вiдтворення властивостей плiвок шляхом вiдтворення умов їх одержання.

Запропоновані технологічні схеми виготовлення комппакт-дисків з використанням запропонованих РС та ефекту безпосереднього рельєфоутворення, які дозволяють контролювати формування відбитків інформаційних одиниць в процесі запису носія-оригіналу та мають менше технологічних операцій порівняно з поширенним методом лазерної літографії.

Запропоновано методику проектування носiїв iнформацiї оптичних ЗП на основi РС з фазовим переходом, яка спирається на vP-діаграми ( рис.3) та дозволяє врахувати технологічні і матерiалознавчi фактори.

Створені РС та технологія ії одержання застосована для розробки таких носiїв iнформацiї оптичних ЗП: малогабаритного імерсійного носiя цилiндричної форми для одноразового запису, дискового мiкрорельєфного носiя-оригiналу для тиражування КД, дискового носiя для одноразового запису вiдповiдно мiжнародним стандартам ISO-9171 та ECMA-154. Основнi параметри та характеристики розроблених носіїв порівнюються з нормами міжнародних стандартів в таблицi.

Таблиця. Основнi технiчнi характеристики та параметри носiїв оптичних ЗП на основі оксидів, модифікованих органічними сполуками.

Міжнародні стандарти Розробки ІПРІ НАН України

Наймен. параметра \Тип носія ISO-9171 ECMA-154 Цилiндр Носій-ригінал Диск

Довжина хвилi, нм 825 780-825 532, 760-825 440-532 440-825

Частота обертання, Гц 20-60 30-60 30 20-60 30

Швидкiсть сканування, м/с 3,77-11,3 - 1,5 3-12 3-5

Конструкція пiдкладинки, діаметр, мм диск, 120 диск, 90 циліндр 14 диск, 140 диск, 120

Показник заломления пiдкладинки 1,46-1,6 1,46-1,6 1,5 1,5 1,58

Матерiал пiдкладинки пласт. пласт. скло скло полікарб.

Коэфiцієнт вiдбиття плiвки 0,1-0,34 0,27-0,9 0,14-0,29 0,17 0,22 0,16

Макс. вiдхилення коефiц. вiдбиття плiвки, % менше 12 менше 12 2 3 3

Тип реєтруючого середовища фазовий фазовий фазов. рельєфн. фазов.

Змiна рiвня сигналу при записі не нормується не нормується вис.- низьк. вис.- низьк. вис.- низьк.

Макс. потужнiсть зчитування,мВт 1,5 1 - 2 6 10 2

Тривалiсть запису, нс 92 100 340 100 100

Потужнiсть запису, мВт менше 7 менше 7 12 35 7

Число зчитувань 105 105 105 - 105

Крок спрямовуючих, мкм 1,6 1,6 2,4 0,6 - 1,6 0,6 - 1,6

Сигнал/шум (CNR) , дб бiльше 45 бiльше 45 60 60 60

Термiн збереження, рокiв - - 10 - 10

Основнi результати та висновки дисертаційної роботи

1.Розроблено одношарові тонкоплівкові РС з незворотнім фазовим переходом для оптичного запису інформації на основі оксидів d-металів, модифікованих органічними сполуками. Модифікація оксидів d-металів органічними сполуками дозволяє одержати задані нелінійні порогові характеристики та швидкість формування відбитка запису.

2.Досліджено процеси одержання структури РС у вигляді неорганічної матриці нестехіометричного оксиду d-металу, властивості якої модифікують органічні додатки в процесі хімічного осадження з газової фази. Установлено залежнiсть мiж структурою, складом, оптичними характеристиками, електропровіднiстю та основними технологічними факторами одержання плiвок. Залежностi представленi у виглядi дiаграм стану. З'ясовано механiзм впливу модифікуючих домiшок на структурно-хімічний стан плiвок оксидiв молібдену та вольфраму.

3.З'ясовано механізм процесів оптично стимульованого формування відбитка при одноразовому записі інформації, запропоновано модель та розроблено методику визначення її параметрів на підставі експериментального дослідження РС. Показано, що органічні додатки з електронодонорними властивостями можуть прискорювати процес формування відбитка та знижувати потужнiсть запису, а акцепторнi - пригнiчують фазові перетворення.

4.Показано, що дiя сфокусованого лазерного променя на плiвки нестехiометричних оксидiв d-металiв, що модифікованi органiчними сполуками у певних концентрацiях, приводить до формування мікрорельєфу, з'ясовано механізм процесу.

5.Розроблено одношарові тонкоплівкові РС для формування мікрорельєфного носія-оригіналу безпосередньо під час запису на відміну від існуючих літографічних багатоопераційних методів.

6.Запропоновано технологічні схеми виготовлення компакт-дисків та носіїв для одноразового запису з використанням досліджених РС та безпосереднього формування мікрорельєфу під час запису.

7.Запропоновано методику проектуваня носiїв iнформацiї оптичних ЗП i носiїв-оригiналiв на основi тонкоплiвкових РС з незворотним фазовим переходом, який спирається на дiаграми стану РС та модель запису. Метод дозволяє узгодити з властивостями плiвок та умовами їх одержання такi характеристики носiїв, як швидкість запису, потужнiсть запису, потужнiсть зчитування, строк збереження iнформацiї, розмiри відбтиків, величину сигналу зчитування, шуми, прогнозувати вихід придатних носіїв.

8.Розроблено технологію виготовлення оптичних носіїв для одноразового запису та мікрорельєфних носіїв-оригіналів на основі досліджених РС.

Основні публiкації за темою дисертаційної роботи

1. Крючин А.А, Косско И.А., Фирстов С.А., Дуб С.Н., Гринько Д.А. Сравнительный анализ твердости никелевых матриц для тиражирования компакт-дисков, выращенных по струйно-катодной технологии и технологии с вращающимся катодом// Реєстрація, зберігання і обробка даних.- 2001.- т.3.- N2.- С.3-11 .

2. Гринько Д.А. Проектирование носителей информации оптических ЗУ на основе зависимости скорости формирования отпечатка от мощности лазерного излучения// Реєстрація, зберігання і обробка даних.- 2000.- т.2.- N2.- С.25-37

3. Гринько Д.А. Непосредственное получение микрорельефных матриц для тиражирования компакт-дисков// Реєстрація, зберігання і обробка даних.- 1999.- т.1.- N1.- С. 14-22

4. Ионов В.В., Гринько Д.А., Теологов В.В. Термодинамика и кинетика стимулированных лазерным излучением структурных превращений в тонких пленках карбонильных оксидов переходных металлов// Химическая физика.- 1996.- т.15.- N7.- P.46-52.

5. Leonets A.D., Grinko D.A. Design of optical thin-film structures for information recording based on spectrophotometric data// SPIE Proc.- 1996.- Vol.3055.- P.200-206.

6. Grinko D.O., Kryuchin A.A. Phase-change and relief-change thin films materials for thermooptic recording// SPIE Proc.- 1995.- vol. 2648.- Р. 641-644.

7. Grinko D.A., Kryuchin A.A, Naumovets A.A., Kravets V.G. Thermooptic matrix recording media on base of doped d-metals oxides. // SPIE Proc. .- 1994.- Vol.2108.-Р.182-185.

8. Ionov V.V., Grinko D.O. Nonliner transmssion of tungsten oxide with matrixed organic molecules films at focused laser irradiation influence.// SPIE Proc. .-1994.- Vol.2285.-Р. 405-414.

9. Ionov V.V., Grinko D.O., Teologov V.V. The technique for studing thermodinamics of local influence laser radiation on thin oxides films of transition metals // SPIE Proc. .-1994.- vol.2113.- Р. 27-30.

10. Реtrov V.V., Kryuchin A.A., Kostenko I.O., Grinko D.O., Kravets V.G., Bondareva E.I The matrix recording media for optical information recording // SPIE Proc.-1994.- vol.2429.-Р.87-93.

11. Гринько Д.А. Анализ плотности распределения дефектов носителей информации по длине на основе статистической модели независимых элементов. //Проблемы регистрации информации. Вопросы создания систем хранения и обработки компьютерной информации, К., "Наукова думка".- 1991.- С.128-132.

12. Гринько Д.А. Модель теплового воздействия лазерного луча на регистрирующую среду при многократном считывании информации// Проблемы регистрации информации. Вопросы создания систем хранения и обработки компьютерной информации, К., "Наукова думка".- 1991.- С.85-87.

13. Гринько Д.А., Теологов В.В.Экспериментальное изучение фототермического воздействия лазерного излучения на тонкопленочные структуры оксид переходного металла- металл.// Проблемы регистрации информации. Вопросы оптической регистрации информации, Киев, Наукова думка.- 1991.- С.138-141.-.

14. Петров В.В., Горшков Н.В., Токарь А.П., Крючин А.А., Шанойло С.М., Сергиенко Т.И, Гринько Д.А., Юдин Г.Ю.,Попович В.И., Антонов А.А. Носитель информации оптического запоминающего устройства // А.С. 1628081, 1991, бюл изобр. 6, G11B 7/00, 7/24.

15.Петров В.В., Гринько Д.А., Антонов А.А., Крючин А.А., Атамась В.А., Гринько А.М Способ восстановления рабочего слоя носителя оптической записи// а.с.1628080 ,1991, бюл. изобр 6, G11B7/00.

16.Петров В.В., Гринько Д.А., Крючин А.А., Гриценко К.П., Петров В.Н.Способ изготовления оптического носителя информации//а.с.1586433, 1991, бюл. изобр 6, G11B7/00.

17. Петров В.В., Горшков Н.В., Токарь А.П., Крючин А.А., Шанойло С.М., Скуридин В.П., Гринько Д.А., Ковтун В.Д., Антонов А.А., Зелинский А.А. Узел оптико-механического запоминающего устройства// а.с.1839270,1991, бюл.изобр 47-48, G11B7/00.

18.Petrov V, Antonov A, Tokar A, Krjuchin A, Shanoilo S, Skuridin V,Grinko D, Zelinsky A, Optical Memory//United States Patent 4829503, 1989

19. Гринько Д.А. Модификация оптических свойств тонких пленок оксидов введением органических добавок при окислительном терморазложении карбонильных соединений в вакууме // 6 Всесоюзное совещание "Применение металлоорганических соединений для получения неорганических покрытий и материалов", Нижний Новгород.-1991.- т.2.- С. 22.

АНОТАЦІЯ

Гринько Д.О. Розробка оптичних носiїв iнформацiї на основi високороздільних реєструючих середовищ - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 -"Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки"- Національна Академія наук України, Інститут фізики напівпровідників, Київ, 2002.

Дисертацію присвячено розробці методiв створення носiїв iнформацiї оптичних запам'ятовуючих пристроїв на основi одношарових реєструючих середовищ з незворотнiм фазовим переходом, розробці та експериментальному дослiдженню оптичних дисків та рельєфних носiїв-оригiналiв. Розроблено новий підхід до синтезу реєструючих середовищ з заданими параметрами нелінійної взаємодії із сфокусованим лазерним променем, що полягає у модифікації неорганічних плівок органічними сполуками. Досліджено стан плівок та механізми впливу модифікуючих сполук на процеси запису і збереження інформації у носіях. Розроблено метод безпосередньго одержання рельєфу під час запису за рахунок різниці мольних об'ємів фаз. Запропонований метод проектування носiїв iнформацiї i носiїв-оригiналiв, який спирається на дiаграми стану плівок та модель запису, дозволяє узгодити з властивостями плiвок та умовами їх одержання потужнiсть запису, тривалість імпульсів запису, потужнiсть зчитування, строк збереження iнформацiї, розмiри відбитків, величину сигналу зчитування, прогнозувати вихід придатних носіїв. Результати роботи знайшли впровадження при проектуванні виробництва компакт-дисків та малогабаритних оптичних носіїв.

Ключові слова: носій інформації, носій-оригінал, компакт-диск, реєструюче середовище, метод проектування, тонка плівка, незворотний фазовий перехід, легування, структурно-хімічний стан, безпосереднє рельєфоутворення.

АННОТАЦИЯ

Гринько Д. А. Разработка оптических носителей информации на основе высокоразрешающих регистрирующих сред. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 -"Технология, оборудование и производство электронной техники"- Национальная Академия наук Украины, Институт физики полупроводников ", Киев, 2002.

Диссертация посвящена разработке методов создания носителей информации оптических запоминающих устройств на основе однослойных регистрирующих сред с необратимым фазовым переходом, разработке и экспериментальному исследованию оптических дисков и рельефных носителей-оригиналов.

Теоретически показано и подтверждено экспериментально, что увеличение плотности записи приводит к снижению выхода годных носителей информации в соответствии со степенной зависимостью вследствие дефектообразования. Поэтому предлагается использовать однослойные регистрирующие среды с необратимым фазовым переходом в отличие от существующих многослойных на основе органических, металлических и неорганических пленок.

Разработан новый подход к синтезу регистрирующих сред с заданными параметрами нелинейного взаимодействия со сфокусированным лазерным лучем, состоящий во введении в неорганические пленки органических добавок.

В качестве регистрирующих сред предложены и исследованы тонкие пленки на основе нестехиометрических оксидов d-металлов: вольфрама, молибдена, никеля, железа. Экспериментально изучено кристаллическое и электронное состояние пленок, механизмы влияния модифицирующих соединений на процессы записи и хранения информации в носителях. Показано, что органические добавки с электронодонорными свойствами могут ускорять процесс формирования отпечатка и понижать мощность записи, а акцепторные - подавляют фазовые превращения.

Разработан метод непосредственного получения микрорельефа во время записи сфокусированным лазерным лучем за счет разности мольных объемов фаз. Показано, что воздействие сфокусированного лазерного луча на пленки нестехиометрических оксидов d-металлов, легированных органическими добавками в определенных концентрациях, приводит к формированию микрорельефа, выяснен механизм процесса и предложена его модель.

Построена модель оптически стимулированного формирования отпечатка лазерным лучем и разработана методика определения ее параметров на основе экспериментального исследования пленок.

Исследование обобщено в виде метода разработки носителей информации оптических ЗУ и носителей-оригиналов на основе тонкопленочных РС с необратимым фазовым переходом, опирающимся на диаграммы состояния и модель формирования отпечатка. Метод позволяет согласовать со свойствами пленок и условиями их получения такие характеристики носителей, как скорость записи, мощность записи, мощность считывания, срок хранения информации, размеры отпечатков, величину сигнала считывания, шумы, прогнозировать выход годных носителей.

Разработаны основы технологии получения описанных РС и носителей информации. Разработаны и экспериментально изучены носители для однократной записи и носитель-оригинал с непосредственным формированием микрорельефа, соответствующие международным стандартам на качество носителей информации.

Ключевые слова: носитель информации, носитель-оригинал, компакт-диск, регистрирующая среда, тонкая пленка, необратимый фазовый переход, легирование, структурно-химическое состояние, непосредственное рельефообразование, скорость формирования отпечатка, скорость фазового перехода.

Abstract

Grinko D.A. Design of optical storages on the basis of high-resolution recording media. - Manuscript.

Thesis on competition for a scientific degree of candidate of sciences in technology on speciality 05.27.06- technology, equipment and production of electronics. Institute of Semiconductor Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2002.

A thesis is dedicated to development of methods for designing the information carriers of digital optical storages on the basis of recording media with irreversible phase transition, to development and experimental study of archival carriers and relief master carriers. A new approach to synthesis of recording media with given parameters of non-linear interaction with a focused laser beam consisting in the introduction into inorganic films of organic dopes during the growth is developed. A structure-chemical state of films and mechanisms of the effect of additives on the information recording and storing processes in carriers, are studied. A method of direct relief formation during recording at the expense of distinction for molal volumes of phases is developed. The proposed method of designing the information carriers and master carriers relies on constitutional diagrams of films and recording model, allows agree the recording power, recording pulse duration, reading power, term of information storage, size of pits, magnitude of reading signal with film properties and their preparation conditions, to forecast the carrier yield. The results of work have found application by designing the CDs manufacture and small-size information carriers.

Key words: information carrier, master carrier, recording medium, method of development, thin film, irreversible phase transition, doping, structure-chemical state, direct relief formation, optical disk.