NL8200415A

NL8200415A - Optische uitleesbare informatieschijf.

Info

Publication number: NL8200415A
Application number: NL8200415A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1982-02-04
Filing date: 1982-02-04
Publication date: 1983-09-01
Also published as: AU1087183A; JPS58137151A; EP0086009A1; US4509161A

Description

ίν * ψ ^ y ΡΗΝ 10.260 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Optische uitleesbare izifanriatieschijf" —

De uitvinding heeft betrekking qp een optisch uitleesbare infannatieschfijf die een substraatplaat bevat welke aan één of beide zijden voorzien is van een reflecterende optische structuur.

De optische uitleesbare informatieschijven kunnen globaal 5 in twee hoofdtypen worden ingedeeld. Het eerste hoofdtype omvat schijven die van fabriekswege geheel zijn voorzien van optisch uitleesbare informatie zoals beeldinformatie of geluidinformatie. Schijven voorzien van beeldinformatie zoals bijvoorbeeld een speelfilm noemt men wel VLP (Video Long Play) platen en schijven met geluidinf ormatie, het alternate tief van de bekende granmofoonplaat, zijn bekend onder de benaming ALP (Audio Long Play) platen of compact discs. Dit laatste vanwege de geringe diametrale afmetingen van de schijf in de orde van grootte van 10-15 cm. Men zou kunnen spreken van "voorbespeelde” platen.

De schijven worden in grote aantallen, uit kunststof ver-15 vaardigd met behulp van een persproces, spuitgietproces of gietproces. Hierbij, wordt gebruik gemaakt van matrijzen die aan het oppervlak voorzien zijn van een optische structuur welke wordt gecopieerd in de te fabriceren kunststof informatieschijf. Het verkregen kunststofproduct wordt aan de zijde van de optische structuur voorzien van een reflec-20 tielaagje van Ag of Al.

Het tweede hoofdtype heeft betrekking op schijven die van fabriékswege niet of slechts ten dele voorzien zijn van optisch uitleesbare informatie. De gebruiker kan zelf de door hem gewenste informatie inschrijven met behulp van gepulseerd laserlicht. De aldus ge-25 registreerde informatie kan optisch worden uitgelezen. Eên dergelijke schijf wordt ook vel optische registreer schijf genoemd. De registreer-schijf bevat een substraatplaat die bij voorkeur transparant is en vervaardigd is uit een transparante kunststof of bij voorkeur uit glas.

Op de substraatplaat bevindt zich een voor laserlicht gevoelige laag 30 zoals bijvoorbeeld een laag van telluur of een telluur verbinding.

Door bestraling met laserlicht dat conform de te registreren informatie is gepulseerd, ontstaan gaatjes in de gevoelige registreerlaag. Deze informatiebits kunnen met laserlicht in reflectie of in transmissie 8200415

» V

t « PHN 10.260 2 ------------worden uitgelezen. Dikwijls is tussen de substraatplaat en de gevoelige laag een extra laag van bijvoorbeeld kunststof aangebracht waarmede oneffenheden in het oppervlak van de substraatplaat worden gemaskeerd.

In de tussenlaag kan een optisch uitleesbaar informatiespoor zijn aan-5 ‘ gebracht, ook vel servospoor genoemd, dat informatie bevat ten aanzien van de plaats en snelheid van registratie van gegevens* Er is ook voorgesteld om een meerlaagsysteem toe te passen in een optische registreerschijf teneinde bij registratie van informatie zoveel mogelijk laserlicht te absorberen. Een zodanig meerlaagsysteem omvat een 10 reflecterende laag, een transmissie laag en een absorptie laag. In dit verband kan verwazen worden naar de Nederlandse octrooiaanvrage 7903915 (PHN 9461) ten name van Aanvrager.

De optische schijven van de bovenbeschreven types zijn genoegzaam uit de literatuur bekend en bovendien in de handel verkrijg-15 baar. Voor informatieschijven van het eerste type kan bijvoorbeeld worden verwezen naar de Nederlandse octrooiaanvrage 7611395 (PHN 8576) ten name van Aanvrager. Het tweede type informatieschijven is sinds het begin van de jaren zeventig bekend* Verwezen mag worden naar de Nederlandse octrooiaanvrage 7906728 (PHN 9571) ten name van Aanvrager. In de -· 20 laatstgenoemde literatuurplaats is een optische registreerschijf beschreven die een ablatieve registreerlaag bevat waarin door bestraling met laserlicht smeltgebiedjes warden gevormd die vervolgens openspringen waarbij een gat wordt gevormd. In het Amerikaanse octrooischrift 1.117.419 wordt een registreerlaag beschreven welke een kleurstof bevat, 25 die is opgenomen in een bindmiddel. Bij bestraling met laserlicht ontleedt de kleurstof en worden aldus kleurloze informatiegebiedjes (bits) in een gekleurde achtergrond verkregen.

Toepassing van een reflectielaag van Ag of Al in informa-tieschijven van het eerste type heeft het bezwaar dat de stabiliteit 30 van het laagje, vooral op wat langere termijn, duidelijk te wensen overlaat. Een Al laagje vertoont op de duur gaatjes die de kwaliteit van de optische structuur sterk nadelig beïnvloeden. De chemische en physische stabiliteit van Al blijken niet voldoende te zijn. Een Ag laagje heeft een wat betere weerstand tegen oxidatieve aantasting doch 35 heeft het nadeel dat op de duur zwartkleuring optreedt wat het product minder aantrekkelijk maakt. Ook is de hechting van een opgedampt of gesputterd zilverlaagje op een kunststof ondergrond zoals een ondergrond van een acrylaat kunststof of methacrylaat kunststof problematisch.

8200415 PHN 10.260 3 * * t ------------ Bij informatieschijven van het tweede type is de physische en ----- chemische stabiliteit van de optische structuur, die bijvoorbeeld bestaat uit informatiebits aangebracht in een laag van een telluur-legering, niet optimaal. De laag vertoont op de duur een kwaliteits-5 ' vermindering als gevolg van aantasting zoals oxidatie. Bovendien is een telluur bevattende laag giftig. Kleurstof bevattende lagen zoals aangegeven in het voomoemde Amerikaanse octrooischrift zijn niet lang houdbaar. De kleurstof vertoont een donkerreactie waarbij ontkleuring plaatsvindt zonder dat de schijf met laserlicht wordt bestraald. De 10 kleurstof bevattende laag kan niet in reflectie worden uitgelezen hetgeen verschillende procestechnische nadelen heeft.

Volgens de uitvinding wordt een optische uitleesbare infor-matieschijf verschaft die de voomoemde nadelen niet of in sterk verminderde mate heeft. Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrek-15 king op een optisch uitleesbare informatieschijf die een substraatplaat bevat welke aan één of beide zijden is voorzien van een reflecterende optische structuur die een reflecterend laagje bevat dat is samengesteld uit een nitride, carbide of boride van een overgangsmetaal dat gekozen is uit de groep bestaande uit titaan, zirkoon, hafnium, chroom, niobium, 20 molybdeen, lanthaan, tantaal,;vanadium en wolfraam.

De nitriden, carbiden en boriden van voomoemde metalen zijn stabiele verbindingen. Ze worden niet aangetast door water of waterige oplossingen van zwakke zuren en basen. De stoffen zijn niet gevoelig voor luchtoxidatie bij normale omgevingstemperatuur. Pas bij hogere 25 temperaturen van ongeveer 400°C vindt luchtoxidatie plaats. De verbindingen zijn physisch stabiel en vertonen voorts een zeer grote bestendigheid tegen mechanische krachten. Het is een uitermate hard en slijtvast materiaal net een uitstekende krasvastheid. De hardheid be- o draagt omstreeks 1000-3000 kg/mm . De verbindingen hébben een hoog 30 smeltpunt van 2000-400Q°C in vacuum. Een laagje samengesteld uit voor-noemd nitride, carbide of boride hecht uitstekend op nagenoeg iedere ondergrond, in het bijzonder op kunststof en op glas. Het laagje volgt de contouren van de optische structuur goed hetgeen van groot belang is voor de kwaliteit van de reflékterende optische structuur. Hierbij 35 moet worden bedacht dat de struktuurdetails zeer geringe afmetingen bezitten van cmstreeks 0,1^um tot 3yUm.

De voorkeur gaat uit naar toepassing van het nitride van titaan, zirkoon of hafnium. Vooral titaannitride is mede vanwege de 8200415 » PHN 10.260 4 .. relatief gunstige kosterijs erg interessant. Behalve een uitstekende slijtvastheid en corrosiebestendighe id vertonen deze nitriden een goede reflectie vooral bij hogere golflengten dat wil zeggen in het rood- en ó i infrarood gebied vanaf een golflengte van 600 nm. De mate van; reflectie 5 ' is niet slechts afhankelijk van de golflengte maar ook van de dikte van de laag en de samenstelling ervan. Zo is de grootte van de reflectie afhankelijk van het stikstofgehalte van het toegepaste nitride bijvoorbeeld titaannitride. Met de nitrides kunnen prachtige goudkleurige lagen worden verkregen wat het uiterlijk aanzien van het produkt zeer ten 10 goede komt. Het in de schijf volgens de uitvinding toegepaste reflecterend laagje van voomoemd nitride, carbide of boride wordt bij voorkeur aangebracht door middel van een op zich bekend.sputterproces dat is een physisch depositieproces vanuit de dampfase (FVD = physical vapour deposition). Een laagje nitride of carbide wordt bij voorkeur 15 aangebracht door middel van het bekende reactief magnetron sputterproces zoals bijvoorbeeld is beschreven in Thin Solid Films 72 (1980) biz. 535-540. In een reactief magnetron sputterproces voor de vervaardiging van een laagje nitride wordt stikstof toegepast als reaktief gas. Het plasma is argon en het target is het gekozen overgangsmetaal. Bij carbides wordt 20 methaan of acetyleen als reactief gas toegepast. Het plasma is argon en het target het gewenste overgangsmetaal. Bij de vervaardiging van een boride laagje kan geen reaktief magnetron sputterproces wordt toegepast. Een boride laagje wordt volgens een gewoon magnetron sputterproces vervaardigd waarbij het targetmateriaal is samengesteld uit het 25 gewenste boride van één van de voamoemde overgangsmetalen. Het magnetron sputterproces kan bij een relatief lage temperatuur worden uitgevoerd zoals bij 40-50¾. Hierdoor kan het reflecterend laagje worden aangebracht qp kunststof substraten zoals een substraat van polycarbo-naat, polyacrylaat of polymethylmethacrylaat zonder dat het substraat 30 door warmte wordt gedeformeerd. Zulks is van groot belang gezien de fijnheid van de optische structuur met details in de orde van grootte » van een micron of tiende delen λ/an een micron.

De reflektiékarakteristiék λ/an het door middel λ/an een reaktief magnetron sputterproces λ/erkregen laagje is afhankelijk λ/an de con-35 centratie λ/an het reaktief gas in het sputterplasma. In onderstaande tabel is de reflektiekarakteristiék λ/an een titaannitride laag met een dikte λ/an ongeveer 80 nm weergegeλ/en in afhankelijkheid van de samenstelling van -hetsputtergas. Het reaktieve gas is N2· Het plasma is Ar.

820 04 1 5 PHN 10.260 5 TABEL VM REFLECTIE VAN TITAANNITRIDE LAAG ' volgnr. % N9 in Totale rèfléktie in % bij ver- van sputrergas sputter- schillende golflengten 5 .proef samenstelling gas 400nin 500ran 600nra 7oonm 800nm 1 ‘9,5.10-i^orr Ar 18,1 36 47,5 53 56 58 2,1.10^00: N2 2 9,3.10_4Torr Ar 19,2 20,5 42,5 57 65 70 lt 2,3.1Q-4Torr N2 3 9,0.10^03^ Ar 22,4 17,5 36,5 56,5 67,5 73,5 2,6.10”4Torr N2 4 8,5.10^033: Ar 26,7 17,5 29 51 64,5 71 3,1.10_4Torr N, · · 1£ -4 5. 8,0.10 Ttorr Ar 31,0 20,5 25,5 44,5 59,5 68 3,6.10 ^Torr N2

De met proef nr. 3 verkregen laag heeft een typische goud-2Q gele kleur. Bij wat lagere stikstofpercentages van omstreeks 20% (proef 2) wordt de kleur wat lichter geel. Bij hogere stikstofpercentages (proeven 4,5) wordt de kleur wat roder als gevolg van de lagere reflekties bij 500 en 600 nm.

Dankzij de hoge reflekties bij 800 nm kan de optische 2g informatieschij f volgens de uitvinding worden uitgelezen met een AlGaAs (Aluminium, gallium, arseen) laser, die qua kostprijs en afmetingen duidelijke voordelen heeft in vergelijk met andere lasers zoals een gaslaser. De AlGaAs laser heeft een emissiegolflengte van ongeveer 815 nm.

In een voor practische toepassing interessante uitvoerings-3fl vorm bevat de informatieschijf volgens de uitvinding een substraat-plaat die aan één of beide zijden voorzien is van een spiraalvormig of uit concentrische cirkels opgebouwd informatiespoor dat een kanteel-vormig profiel heeft van afwisselend cp hoger en lager niveau gelegen informatiegebiedjes die met laserlicht op basis van faseverschillen 3g uitgelezen kunnen worden en is afgedekt met een reflecterend laagje dat is samengesteld uit een nitride, carbide of boride van een overgangsmetaal zoals in het voorgaande is vermeld.

De inf Ormatieschij f volgens de uitvoeringsvorm behoort tot 8200415 ΗίΝ 10.260 6 * t _______het hiervoor beschreven eerste hoofdtype. In het reflecterend laagje wordt geen informatie ingeschreven. Het reflecterend laagje heeft bij voorkeur een zo groot mogelijk reflectievermogen vooral bij hogere golflengtes van omstreeks 800 nm en heeft in dit verband een laagdikte 5 ' van 50 tot 100 nm.

In een tweede gunstige uitvoeringsvorm bevat de optisch uitleesbare informatieschijf een substraatplaat die aan één of beide zijden voorzien is van een reflecterend laagje dat is samengesteld uit een nitride, carbide of boride van een overgangsmetaal zoals eerder is 10 vermeld, waarbij het reflecterend laagje een informatiespoor bevat van informatiegebiedjes die zijn samengesteld uit het oxyde van het overgangsmetaal, welke informatiegebiedjes verkregen zijn door de reflecterende laag te bestralen met gepulseerd laserlicht en welke informatiegebiedjes op basis van reflectieverschillen met laserlicht kunnen worden 15 uitgelezen.

Deze informatieschijf behoort tot het eerder beschreven tweede type. De gebruiker van de informatieschijf kan informatie registreren in het reflecterend laagje door toepassing van laserlicht dat conform de informatie is gepulseerd. Bij bestraling met laserlicht 20 zal op de belichte plaatsen van het reflecterend laagje een hoge temperatuur ontstaan waardoor het materiaal (nitride, carbide of boride) in aanwezigheid van luchtzuurstof snel wordt omgezet in het overeenkomstige oxyde. De ontstane oxydegebiedjes zijn nagenoeg transparant en hebbeneenveéllagereljohtreflectiedan het rond de gebiedjes aanwezige 25 niet omgezette materiaal. De gebiedjes kunnen qp grond hiervan met behulp van laserlicht in ^reflectie worden uitgelezen. De hoeveelheid laserlichtenergie benodigd cm in het reflecterend laagje een optisch uitleesbare bit te maken, moet bij voorkeur zo gering mogelijk zijn. Dit kan worden verwezenlijkt door een zo dun mogelijk laagje te gebruiken 30 met een dikte van bijvoorbeeld 5-25 nm. Uit proefnemingen is vastgesteld dat in een laagje titaannitride met een dikte van 15 nm, vervaardigd volgens de procescondities vermeld bij proef 4 van de in het bovenstaande weergegeven tabel, een informatiebit met een diameter van 1^um kan worden aangebracht met behulp van gepulseerd laserlicht met een 35 golflengte van 800 nm en een energie van 2,8 nJ per puls. De reflectie van een zodanig dun laagje titaannitride bedraagt bij 800 nm, 34% hetgeen voor een betrouwbare uitlezing van ingeschreven informatie voldoende is.

De uitlezing van geregistreerde informatie geschiedt met laserlicht 8200415 EHN 10.260 7 ·?. -o

X

___________dat aanmerkelijk zwakker is dan het laserlicht waarmede wordt inge-.......

schreven, bijvoorbeeld met laserlicht dat een factor 10 tot 100 minder energierijk is.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening 5 waarbij

Fig. 1 een dwarsdoorsnede weergeeft van een informatie-schijf volgens de uitvinding,

Fig. 2 een dwarsdoorsnede weergeeft van een andere uitvoeringsvorm van een informatieschijf volgens de uitvinding, en 10 Pig. 3 een dwarsdoorsnede is van nog een andere uit voeringsvorm van de schijf volgens de uitvinding.

In figuur 1 is met een verwij z ingscij fer 1 een substraat-plaat van polycarbonaat weergegeven met een dikte van 1,2 ran ea een diameter van 11 cm. Substraatplaat 1 is aan één zijde voorzien van een 15 optisch uitleesbaar informatiespoor 2 aangebracht door middel van een spuitgietproces. Spoor 2 heeft een kanteelvormig profiel van afwisselend op hoger niveau gelegen inforrnatiegebiedj es 3 en cp lager niveau gelegen informatiegebiedj es 4. Het niveauverschil tussen gebiedjes 3 en 4 bedraagt ^ waarin Jk. de golflengte is van het laserlicht waarmede het 20 informatiespoor wordt uitgelezen en d de brekingsindex is. BijA= 800 nm is het niveauverschil ongeveer 1,1^um. De lengte-afmetingen van de informatiegebied j es variëren conform de informatie en bedragen van 0,2 tot 3yUm. Het informatiespoor 2 is afgedekt met een reflecterend laagje 5 van titaannitride met een dikte van 60 nm. Laagje 5 is aangebracht net 25 behulp van een magnetron reactief sputterproces zoals eerder in de be-schrijvingsinièiding is vermeld. Het informatiespoor 2 wordt uitgelezen met laserlicht afkomstig van een AlGaAs laser dat via substraatplaat 1 qp het informatiespoor is gefbcusseerd. De uitlezing geschiedt op basis van phaseverschillen tussen de heengaande en de door laag 5 gereflec-30 teerde laserlichtbundel. In de lager gelegen informatiegebiedjes 4 vindt uitdoving van het laserlicht plaats. De hechting van laag 5 qp substraatplaat 1 is uitstekend.

In figuur 2 is met het verwijzingscijfer 6 een substraat-schijf van polymethylmethacrylaat weergegeven met een dikte van 1,2 mm.

35 Substraatschijf 6 is aan één zijde voorzien van een met licht geharde laklaag 7 op basis van acrylaten waarin door middel van een gietproces een informatiespoor 8 is aangebracht. Het informatiespoor 8 bevat informatiegebiedjes op hoger niveau 9 en op lager niveau 10. Het niveau- 8200415 PHN 10.260 8 t * verschil bedraagt omstreeks 1De lengte-afmetingen vah de respectievelijke gebiedjes variëren van 0,2 tot 3yUm. Het spoor is af gedekt met een laagje 11 van titaannitride, hafniumnitride of zirkoon-nitride en heeft een dikte van 70 nm. Het spoor wordt via het trans-g · par ante substraat 6 en de transparante laklaag 7, in reflectie uitgelezen met laserlicht afkomstig van een AlGaAs laser met een emissie-golflengte van 815 nm. De hechting van laagje 11 op laklaag 7 is uitstekend zoals blijkt uit de ruitjeskrasproef. Volgens de proef worden in laag 11,6 parallelle krassen aangebracht op een onderlinge afstand 10 van 1 irm. De krasdiepte is gelijk aan de dikte van laag 11 zodat deze geheel wordt doorsneden. Bovengenoemde krassen worden loodrecht doorkruist door zes andere parallelle krassen eveneens met een onderlinge afstand van 1 mm zodat 25 gebiedjes met een oppervlak van 1: mm2 ontstaan. Over de gebiedjes wordt een kleefband (cellotape) aangebracht 15 die vervolgens wordt afgetrokken. Geen van de gebiedjes bleek door de kleefband te zijn verwijderd zodat sprake is van een goede hechting van laag 11. Op laag 11 kan desgewenst een in de figuur niet weergegeven laklaagje zijn aangebracht.

In figuur 3 is met het verwij zingscij fer 12 een substraat- 2Q plaat van glas weergegeven met een dikte van 1,2 mm. De plaat is aan één zijde voorzien van een met licht geharde laklaag 13 op basis van acrylaten. In de laklaag is een optisch uitleesbaar servospoor 14 aangebracht dat gegevens bevat ten aanzien van de plaats en snelheid van registratie van informatie. Het servospoor 14 heeft een kanteel- 25 vormig profiel van qp hoger niveau gelegen informatiegebiedjes 15 en. op lager niveau gelegen gebiedjes 16. Het niveauverschil bedraagt A- ; de ld lengte-afmetingen van de gebiedjes variëren van circa 0,2 tot 3^um.

Het servospoor wordt in reflectie uitgelezen met laserlicht dat via de transparante plaat 12 en de transparante laklaag 13 op het spoor 14 is 3Q gefocusseerd. Laklaag 13 is afgedekt met een laag 17 van titaannitride aangebracht doormiddel van een magnetron reactief sputterproces. Laag 17 heeft een dikte van 15 nm. De reflectie van laag 17 bij een golflengte van 800 nm bedraagt 34%. In de niet van servogegevens voorziene delen bevat laag 17 optisch uitleesbare informatiebits 18 met een diameter 35 van 1^um. De bits bevatten titaanoxyde en zijn verkregen door laag 17 te bestralen met gepulseerd laserlicht afkomstig van een AlGaAs laser met een vermogen van 28 nW op de laag en een pulstijd van 0,1^usec.

Als gevolg van de belichting wordt op de belichte plaatsen onder in- 8200415

K

EHN 10.260 9-.

• ------vloed van zuurstof het nitride omgezet in titaanoxyde.

Desgewenst kan laag 13 worden weggelaten waarbij het servospoor 14 wordt aangebracht in de substraatplaat die dan bij voorkeur vervaardigd is uit kunststof. Een kunststof substraat met servo-5 ' spoor kan qp eenvoudige Wijze door middel van een spuitgietproces worden vervaardigd. Indien volstaan kan worden met een minder nauwkeurige registratie waarbij een exacte positie van de informatiegebiedjes 18 niet noodzakelijk is, kan tevens het servospoor 14 worden weggelaten.

10 15 20 25 30 35 8200415

Claims

1. Optisch uitleesbare inf ormatieschij f die een substraat- plaat bevat welke aan één of beide zijden voorzien is van een reflecterende optische structuur die een reflecterend laagje bevat dat is samengesteld uit een nitride, carbide of boride van een overgangsmetaal g dat gekozen is uit de groep bestaande uit titaan, zirkoon, hafnium, vanadium, chroom, niobium, molybdeen, lanthaan, tantaal en wolfraam.

2. Optisch uitleesbare inf ormatieschi j f volgens conclusie 1 waarbij het reflecterend laagje is samengesteld uit een nitride van titaan, zirkoon of hafnium.

3. Optisch uitleesbare inf ormatieschijf volgens conclusie 1 of 2 met een substraatplaat die aan één of beide zijdei voorzien is van een spiraalvormig of uit concentrische cirkels qpgebouwd informatie-spoor dat een kanteelvormig profiel heeft van afwisselend op hoger en lager niveau gelegen informatiegebiedj es die met laserlicht op basis . 15 van faseverschillen uitgelezen kunnen worden en is afgedékt met 'een reflecterend laagje zoals is aangegeven in conclusie 1 of 2.

4. Optisch uitleesbare inf ormatieschij f volgens conclusie 1 óf 2 met een substraatplaat die aan één of beide zijden voorzien is van een reflecterend laagje volgens conclusie 1 of 2, dat een informatie-20 spoor bevat van inf ormatiegebiedj es die zijn samengesteld uit het oxyde van een overgangsmetaal zoals is aangegeven in conclusie 1 of 2 waarbij de informatiegebiedj es verkregen zijn door de reflecterende laag te bestralen met gepulseerd laserlicht en waarbij de informatiegebiedjes op basis van reflectieverschillen met laserlicht kunnen worden uitge-25 lezen. 30 35 8200415