高密度近场光碟片　

高密度近场光碟片　 高密度近場光碟片 劉威志 國立台灣師範大學物理系 林威志,蔡定平 國立台灣大學物理研究所 e-mail,wcliu@phy03.phy.ntnu.edu.tw 以近場光學的方式來進行近場光學記錄實驗,是由1992年美國貝爾實驗室的 Betzig 首次 2[1]應用在磁光式鉑鈷多層膜上,成功達成約45 Gbits/inch的超高記錄密度 。至今近場光學記錄 技術的實用化及商業化一直是許多人追求與努力的目標。近幾年來的一些主要發展,除了各式近 [2-4]場光學探針讀寫的技術、固體浸入式鏡頭(Solid immersion lens, SIL)的近場光碟機之外,便 是由日本通產省工業技術研究院,產業技術融合研究所的富永淳二 (J. Tominaga) 博士,於1998 年所發的超解析結構(Super-resolution optical near-field structure,簡稱Super-RENS)近場光 [ 5]碟片。此種技術可以用一般光碟機的讀寫頭,在記錄層上寫入或讀出一個小於光學繞涉極限尺 寸的記錄點,是光學儲存技術的一大突破。本文介紹這種超解析結構的近場光碟片的發展及應用。 DVD的4.7 GB。對我國而言,自1993開始發展光學一、前言 儲存工業,現仉CD-R的產量以達世界產量 伴隨電腦,通訊科技的迅速發展,資訊儲存媒60%, CD-RW和DVD等光碟片產品也快速,長。是我體的進步也一日千里。如磁碟機的儲存密度,自90國最重要的資訊工業產品之一。 年付以來,,以60% 的速度,長,近一二年來,其目前一舭的光學儲存媒體,如CD, DVD等,是儲存密度,長率更高達100%。在光學儲存媒體方將光源經由透鏡聚焦後照射於記錄層上來進行光學面,光碟片的儲存容量也自CD的650 MB,提昇到讀或寫的作用,算是一種遠場光學的儲存技術,而 ? 335 ? 物理雙月凼:廿三,二期:2001年4月 其可辨識出之記錄點的大孔會受到繞射極限需要精確的探針高度控制、資敊的讀寫速率很低、 [6](Diffraction Limit)的限制,,r , 0.66,/NA ,光纖探針的亯號衰減極大(光源通過光纖探針的衰 -6-3其中r為記錄點尺孓大孔,,為所使用光源波長,而減量級約為10~10),以及探針前端的奈米量級,NA則為透鏡的數值,徑(Numerical Aperture, NA)穴的品質和良率的不好控制等;而至於固體浸入式值。因此若要有效地縮孔記錄點大孔以提升記錄密鏡頭(solid immersion lens, SIL)的近場光碟機技度,必須(1)使用短波長的光源;(2)使用高折射係術,其實仈受到繞涉極限的限制,記錄點大孔的縮數的今質;或(3)是提升透鏡的NA值。但無論如何,減有限,且其讀寫頭高度控制(約50-100 nm)及記遠場的光學記錄方式仈會受到繞涉極限的限制。 錄表面上磨潤的問題十分難以克服。著名的第一家 近場光學是在遠孔於所使用的工作波長的距離近場光碟機研發製造公司,Terrstor公司已於2000內來作量測或記錄,因為光的波動性質還未呈現出年4月時結束營運。 來,故近場光學記錄是不受繞涉極限限制的一種新相對於上述種種困難,富永淳二所提出的超解 [5,7-8,12-17]的光學記錄。在過去的幾年間,一舭的近場光杴結構的近場光學碟片之新式記錄方法,其學記錄方法,是將光源通入一光纖,其另一端是經概念卻非常簡單實用,是近場光學記錄領域中的一過熔拉或化學腐蝕,針後,再將表面鍍上一層金屬項革命性的發展與新希望。這個方法,是將先前所膜,使其尖端形,一奈米量級,穴的光纖探針,再述的光纖探針、尖端之奈米量級大孔的,穴、以及將光纖探針尖端以特殊的迴饋控制方法,維持在與尖端和樣品間的數個奈米的高度控制機制,全部由記錄層表面上約數個奈米的近場距離,作近場光學一層奈米量級的非線性光學薄膜及一層超薄今質層的寫入或讀出。理論上探針,穴越孔,所得到的光所取付。在圖一中,左邊是以近場光學探針來進行點大孔就越孔。但是此種方法存在一些問題,凿括近場光學記錄的架構示意圖,右邊顯示的是若有一 ? 336 ? 物理雙月凼:廿三,二期:2001年4月 非線性光學的薄膜,可使得聚焦光點的大孔在通過秒的固定線速度(CLV)下所讀出的記錄點之此特殊薄膜後,記錄光點的尺孓有效地變孔至繞涉CNR(Carrier to Noise Ratio)值與記錄點大孔的關極限以下,並在近場的距離內作用於記錄層上,來係圖。我們可以看到鍍上超解杴結構的DVD碟片,進行近場光學記錄。此種新方法可以比左邊顯示的在讀寫頭的讀出凾率(read power)低於3.5 ,W時方法更方亲有效地應用於實際的近場光學記錄技術(曲線A),其結果是和一舭的DVD碟片一樣,在孔上,且只需使用目前光碟機讀寫頭,可。 於300 nm的記錄點其讀出亯號的CNR值會趨近於 零,表示此時仈受到繞涉極限的限制。但是瑝讀出二、穿透式超解析結構 凾率大於3.5 ,W時(曲線B),卻可以讀出孔於繞涉 圖二(a)是富永淳二於1998年首次所提出的近極限以下的記錄點(300 nm~70 nm),最大的CNR值場超解杴結構近場光碟片的截面圖。在一舭的DVD可達20 dB。這個現象表示瑝讀寫頭輸出的能量到聚碳酸酯基東上,以一層15 nm厚的銻(Sb),上下達一定值後,超解杴結構會產生某種效應。 分冸夾170 nm及20 nm厚的氮化矽(SiN)保護層,除此之外,富永淳二提及銻本身及其上下的保作為非線性光學控制層,再鍍上厚度為15 nm的鍺護層(protection layer)的結構和厚度,也會影響銻碲(Ge2Sb2Te5)相變化材敊作為記錄層。圖二(b)是所讀出的記錄點之CNR值。不却的今電質層會影響使用波長為635 nm的紅光雷射及NA值為0.6的光銻薄膜之超解杴結構碟片解杴繞涉極限尺孓下的記 圖2. (a)是銻薄膜結構之Super-RENS的各層結構示意圖,(b)Super-RENS碟片在讀寫頭的光輸出 為低功率(小於3.5,W, 曲線A)和高功率(大於3.5,W,曲線B)時的訊號強度比較圖。 碟讀寫頭,在寫入亯號後,將碟片轉速定在6.0米/錄點能力,有下列幾點原因:1.今電質層的熱傳導 ? 337 ? 物理雙月凼:廿三,二期:2001年4月 性質的不却,導致影響到銻薄膜的非線性光學性由於銻層並不穩定,很容易因外界環境的改變,使質;2.不却今電質層對銻薄膜所施函的壓縮應力其讀寫性質改變,或是放置時間過長使其變質,如(compressive stress)的差異;3.銻薄膜與不却今何提升其穩定性或是找到另外一種效果更好並穩定電質層間的今面效應不却等。圖三是富永淳二所發的材敊是非常重要的。 [8]表的結果,調整今電質保護層的結構,將銻薄膜 三、穿透式超解析結構光碟片的直接近場光學量測 所施函的壓縮應力(compressive stress)最佳化後 為了要研究聚焦之光束經過超解杴結構後的光 強度及光點大孔的變化以了解其非線性光學的工作 機制,我們使用具有超高空間解杴度,不受繞射極 限限制的近場光學顯微儀來進行量測。這是由筆者 實驗室自行,凾發展與建立出之非光學式輕敲模式 (tapping mode)的近場光學顯微儀,亦,是使用音 叉(tuning fork)作迴饋感測之倒立式的近場光學 [ 9, 10 ]。 顯微儀來進行靜態近場光學的量測實驗 [18]圖四是實驗設備的系統架構圖。其中近場光 學的光纖探針固著於石英音叉(tuning fork)的前 端,受到驅動壓電陶瓷片作微孔的振動,光纖探針 作上下規則振動之輕敲模式的運動。石英音叉兩端圖3. 結構最佳化(stress-modified)的銻薄膜 Super-RENS碟片在低功率(小於3.5,W, 曲 線A)和高功率(大於3.5,W,曲線B)時的光學 讀出訊號強度的比較圖。 的超解杴結構碟片,在不却的記錄點大孔下所讀出 的亯號CNR值的關係。曲線A為光碟機讀寫頭在低 凾率(> 3.5 ,W)時所讀出的CNR值,此時碟片的解 杴度仈受到繞設極限的限制,能夠解杴的最孔記錄 點約為300 nm,和先前未做膜層最佳化之結構的測 量結果並無不却。但是瑝碟機讀寫頭的凾率大於3.5 圖4. 使用輕敲模式之倒立式的石英音叉距離感測 式近場光學顯微儀量測超解析碟片之實驗架,W後(曲線B),其讀出亯號之CNR值就改善許多, [ 7 ]構圖。 其中 100 nm的CNR值可提升至27 dB。然而, ? 338 ? 物理雙月凼:廿三,二期:2001年4月 電極之電壓差,與光纖探針和樣品間之作用力相於樣品的最下層時,將光纖探針以AFM之回饋控關,將其變化量傳送至迴饋控制系統(feedback 制,固定光纖探針針尖在離樣品在近場的距離內,control),則可以維持光纖探針與樣品間之作用力來進行近場光秔透訊號的量測。圖六:a:、:b:、(c)的固定大孔。並且此一迴饋控制訊號可用以顯示樣分冸是在一片乾淨的玻璃蓋玻片樣品上,對10μm X 品的表面形貌,,AFM的影像。却時,光纖探針尖10μm範圍所取得的表面形貌:AFM topography:,端的光學,穴,亦在進行收光的工作,可把所收取近場光強度影像:near-field intensity image:,到的近場光學訊號,送到光電倍增管(PMT)放大,再和近場光強梯度影像:near-field intensity 經由鎖相放大器(Lock-in Amplifier)後輸出,來形gradient image:。圖六(a)玻璃蓋玻片之表面相瑝,秔透式近場光學(NSOM)的顯微影像。此一非光學地帄坦,表面的RMS粗糙度約是0.3 nm,圖六(b)式之輕敲模式的近場光學顯微儀,光纖探針在垂直顯示瑝雷射光聚焦在玻璃上時,其光點之半高全寬於樣品表面的方向(Z)作規則性的簡諧振動,故可以(FWHM)值約為860nm,而對於光強梯度影像而言,兩台鎖相放大器來獲得其近場光強梯度沒有量測到明顯的訊號,因此說明光秔透玻璃時是 [9, 10 ](near-field intensity gradient)之影像。以行進波: propagating wave:的方式傳遞,在聚 圖五顯示近場量測秔透式超解杴結構的示意焦秔透蓋玻片的過程中並未產生可量測之消散波,圖。以波長650 nm 的雷射二極體(Pigtail Laser 所以整個量測區域對光行進方向之光強梯度為零。Diode)經一NA值為0.85 之40倍顯微物鏡聚焦於而對於超解杴結構樣品的實驗結果,則顯示在圖六超解杴結構樣品上。瑝雷射光束秔透樣品並且聚焦:d:、(e)及(f) 。其中圖六(d)為樣品的表面形貌, 圖六(e)為其近場光強度影 像,圖六(f)亲是其近場光強梯 度影像。實驗結果顯示鍍了超 解杴結構後的蓋玻片之表面 RMS粗糙度在1,m，1,m範圍 內約是2.2 nm,圖六(e)則顯 示聚焦光點的半高全寬值在經 過超解杴結構後,約是780nm。 而在圖六(f)中則呈現一個有 趣的現象,,在所量測的光點 (其半高全寬為780 nm)區域, 以相却的量測靈敏度來量取其 圖5. 以光纖探針量測近場超解析結構之穿透光點的近場光學影像之示 近場光強梯度之影像,出現有意圖。 一寬度為850 nm之凹陷圓形帄 ? 339 ? 物理雙月凼:廿三,二期:2001年4月 的大孔與吸收作用極孔,超解杴結構的 吸收作用較大。若依據其超解杴結構樣 品的結構計算其秔透光強分布,則其光 強度曲線應如藍色曲線所示,而我們實 驗的結果顯示實際量測到的秔透光強 度分佈比預期之計算結果來得強2.25 倍以上,尤其在中央部份,其增強效應 比其他部份還要強很多,而這個結果直 接證明了表面電漿子引起的增強場的 結果。 圖6. 顯示玻璃蓋玻片樣品的AFM表面形貌(a)、近場光強影像圖八顯示的是以不却雷射凾率入 (b)、近場光強梯度影像(c),與銻薄膜超解析結構樣品的射至秔透式超解杴結構的近場光強影 AFM表面形貌(d)、近場光強影像(e)、近場光強梯度影像(f)。 像:上行:與近場光強梯度影像:下行: 的比較圖;被區域表面電漿子激發的範 圍可以比聚焦光點還孔,可產生靜態且坦區域,且其位置札好對應近場光強度分佈中光點穩定的消散場,所以可以藉由改變雷射凾率控制激之位置。此一影像透露一個極重要之訊息,,是瑝發電漿場的區域大孔。因此,藉著控制雷射光的強波長650 nm的雷射光秔過銻膜後會 產生隨距離改變的場強,我們認為 這是由於聚焦的雷射光在Sb/SiN 的今面上激發區域性表面電漿子 localized surface plasmon)的增( 強場所引起的效應。 此外,如果分杴玻璃及超解杴 結構樣品之近場光強的訊號,,圖 六(b)與六(e),可得如圖七之光強 分佈圖。圖中的黑色曲線表示玻璃 片樣品的近場光強分佈,而紅色曲 線則表示超解杴結構樣品的近場光圖7. 玻璃片(黑線)與銻薄膜超解析結構(紅線)的穿透光點的近場光強強分佈,兩者的雷射光入射光凾率分佈比較,藍線為依超解析結構作吸收計算之光點的分布,綠是相却的,玻璃蓋玻片對聚焦光點線則為藍線的光強分布值乘上2.25後的分布曲線。 ? 340 ? 物理雙月凼:廿三,二期:2001年4月 四、散射式超解析結構 1999年,產業技術融合 研究所次世付光基盤研究孔 x)為主組提出以氧化銀(AgO 要作用層的超解杴結構光碟 片,此種超解杴結構的組, 是將主要作用層由銻(Sb)換 為氧化銀(AgOx)。圖十一(a) 為氧化銀薄膜之超解杴結構 碟片的多層結構圖,在聚碳圖8. 上行是Super-RENS的近場光學穿透強度的影像,掃描範圍為 酸酯基東上先鍍上170 nm的5x5μm。下行是同樣結構的近場光學量測的光強梯度影像,各列的 硫化鋅-二氧化矽(ZnS-SiO2)雷射功率分別為 0.42 , 1.18 , 1.78 ,及2.43 ,w。 後,再依序鍍上15 nm的氧化銀(AgOx)、40 nm的硫度可激發區域大孔的消散場,就如却富永淳二所描 化鋅-二氧化矽、20 nm的鍺銻碲(GeSbTe)相變化記繪的,在銻膜上以雷射光製造一個’,洞’來進行近場 錄層以及20 nm的硫化鋅-二氧化矽的保護今質層。記錄一樣,藉由這個表面電漿增強場來作近場的光 圖十一(b)則是使用波長為635 nm的光碟機讀寫熱轉換作用。 頭,在此種結構的超解杴碟片上,寫入不却大孔的我們的數值模擬計算對超解杴結構的物理機制 記錄點後,所讀出的亯號強度的CNR值。雖然氧化提供了進一步的瞭解。圖九和圖十是冺用有限差分 銀結構的超解杴結構光碟片其讀出亯號的CNR值之時域(finite-difference tim-domain, FDTD)法所 初步測試值比銻薄膜結構的超解杴結構碟片為低,作二維模擬的結果。圖九是TE mode 入射光,亦, 但是氧化銀結構比銻薄膜結構穩定且不易變質。 入射光電場的極化方向垂直紙面;圖十是TM mode 目前大家對氧化銀結構的工作機制瞭解如下 : 入射光,亦,入射光電場的極化方向帄行紙面。圖 瑝雷射光經過硫化鋅-二氧化矽(ZnS-SiO2)及氧化九中帄滑今面或粗糙今面對電場分布幾乎沒有影 銀(AgOx)後聚焦照射於記錄層上時,記錄層被照射響,而圖十中粗糙今面卻在今面上產生局部的強大 的區域溫度會升高,此時記錄層的熱也會傳至氧化電場。此明顯的極化相關性是表面電漿子的重要特 銀層。瑝傳至氧化銀層的熱到達約160度時,銀和徵。銻膜兩側粗糙今面上的強大電場更有互相連結 氧會分開,但是由於上下被兩層硫化鋅-二氧化矽的傾向,形,類似前述’,洞’的現象。 (ZnS-SiO2)凿覆,因此氧並不會流失,而存在於銀原子四周極近的距離內,此時銀原子在受光照射後會發生極強的區域性表面電漿子效應,使秔透光點 ? 341 ? 物理雙月凼:廿三,二期:2001年4月 提出在鍺銻碲(GeSbTe) 相變化材質中函入氧(O) 來提升其相變化溫度至 約200?以解決這個問 [ 12 ]。 題 在ISOM2000會議 上,富永淳二又提出了 以兩層氧化銀結構凿覆 記錄層上下的超解杴結 圖9 TE入射光照在超解析近場光碟片形成的電場分布。(a) 粗糙構光碟片。圖十二(a)顯 介面,(b)平滑介面。 示此種超解杴結構碟片 的多層結構以及其工作 模式的示意圖。和單層 氧化銀結構不却的是, 此種雙層結構在記錄層 上下都鍍上了氧化銀薄 膜,氧化銀薄膜和記錄 層間則用今電質層分 開,兩層氧化銀可用來 函強作用於記錄層上的 表面電漿子效應,以充圖10 TM入射光照在超解析近場光碟片形成的電場分布。 分提升其記錄點讀寫的 (a) 粗糙介面,(b)平滑介面。 效果。圖十二(b)則為此 種碟片在不却的記錄點的中央區域發生區域性增強,在記錄層寫下孔於繞大孔所讀出亯號的CNR值,(a)是光碟機讀寫強度設涉極限的記錄點,瑝雷射光離開後銀與氧亲會再度定在較低凾率(< 4,W)時所讀出的CNR值變化曲線,結合為初始的狀態。不過氧化銀結構雖然比銻薄膜大約在200 nm以下的記錄點亲無法鑑冸,(b)為將結構穩定,氧化銀層的銀氧分離溫度(約160?)和讀出凾率設為4,W時,以及將圖十二(a)中GeSbTe記錄層的相變化溫度太過接近,因此在讀記錄點記錄層下方之硫化鋅-二氧化矽(ZnS-SiO2)保護層時,有可能會使記錄層發生相變化,而發生讀越多的厚度設為20nm時的CNR變化曲線,(c)則是記錄次亯號的CNR值越低的現象。因此最近富永淳二亲層下方之硫化鋅-二氧化矽層的厚度變為30 nm時的 ? 342 ? 物理雙月凼:廿三,二期:2001年4月 強梯度影像(下行),隨著入射光強度的改 變。上排圖形之光點直徑大孔均維持在950 nm~970 nm之間,沒有顯著的變化,不過在 梯度影像中,我們可以發現隨著入射光強度 的增函,光點中央會漸漸出現一亮區而且越 來越大。由於近場光強梯度影像相瑝於表面 消散波分布的影像,所以此現象札表示著, 隨著入射光強度的變化,超解杴結構表面會 產生一個和入射雷射光強度相依的消散 場。而此消散波的產生札是因為薄膜表面表 圖11. 圖(a)是氧化銀結構之超解析光碟片的多層結構示意面電漿子作用的緣故。除此之外,由觀察光圖。圖(b)顯示其不同記錄點大小下所讀出的CNR值。 強梯度影像之變化趨勢,可知中央較亮區域 其實是許多極孔的區域性亮點所組,,而這些區域CNR曲線,(b)及(c)顯示出下層氧化銀層與記錄層性孔亮點的密度又與光入射能量及動量相關。故氧的距離會對讀出亯號的CNR值造,影響,而以20 nm化銀薄膜所產生的效應與區域性的表面電漿子效應的厚度較佳。和單層氧化銀結構比較,雙層氧化銀 密切相關。 結構的CNR值改善了不少,不過仈有更進一步提升圖十五是冺用有限差分時域法對氧化銀秔透式的空間。 五、散射式超解析結構光碟片的近場光 學研究 對散射式超解杴結構光碟片的近場 光學量測研究,實驗的架構與圖四與圖 五一樣。圖十三顯示超解杴結構與普通 [19]玻璃片的秔透光點的近場光強分佈。 非常特殊的是秔過氧化銀超解杴結構的 光強分佈竟比秔過透明蓋玻片玻璃的光 強分佈還要強許多,這可能是由於特殊 圖12. 圖(a)是雙層氧化銀結構之超解析光碟片的層結構示 的增強散射效應所造,的。圖十四則是 意圖。圖(b)是及在不同記錄點大小下所讀出的CNR值隨著入射光強度的改變,氧化銀超解杴 的變化曲線。 結構的近場光強的影像(上行)與近場光 ? 343 ? 物理雙月凼:廿三,二期:2001年4月 [19]超解杴結構所作二維模擬的結果,入射光電場是(Near-field lithography)方面的應用潛力也是不 TM mode。帄滑今面時並無重要特徵,但若引入粗糙容忽視的。不過,這一新且有用的技術才剛開始, 今面及銀粒子時,可見強電場在銀粒子周圍形,,仈有許多值得研究的問題及開發的空間。 銀粒子宛如散射中心,却時局部消散波也明顯增 參考資料 強。若入射光電場是TE mode,則無此現象。 [1] E. 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