先進光碟奈米記錄點之檢測研究
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(2) 致. 謝. 首先我要感謝我的父母勞心勞力將我扶養長大，讓我在求學的過程中， 沒有經濟的壓力和煩惱，能夠專注於課業及研究上，其次我要感謝蔡定平 老師，蔡老師的實驗室是一個相當優質的實驗室，人才濟濟，資源豊富， 是個很好的學習環境，另外老師常說處事的道理及態度我時常在思考，覺 得很受用。 在做實驗的過程中，我首先要感謝的是林怡君，感謝她教我使用實驗 儀器，教我實驗的技巧及該注意的地方，另外亦常常與我們研究生共患難， 真是由衷地感謝她，再來是感謝高宗聖和朱正弘學長教導我實驗的觀念和 簡報的製作，再來是感謝張祖欣和羅智鴻幫我製作實驗的樣品，最後我要 感謝的是杜孟禎，感謝她在我低潮的時候仍是給我加油打氣。. ~~感謝實驗室所有成員，相遇即是緣份~~.
(3) 摘. 要. 在本論文中，為使商用光碟機雷射讀寫光源達到最佳的讀寫效率以及 提高記錄點訊號讀寫的重複性，我們藉由雷射讀寫光源寫入方式的改變 (Radial Orientation Spot, ROS type)，在商用可複寫式光碟片 DVD+RW 溝軌 中，寫下串列的相變化記錄點訊號。並利用導電式原子力顯微儀 (Conductive Atomic Force Microscope, C-AFM) 探測相變化記錄點的技術， 探討不同雷射讀寫光源寫入方式對於相變化記錄點形貌改變的影響。 此外，在以氧化鋅 (ZnOx) 作為近場主動層的近場光碟膜層結構中， 為得到最佳化的記錄點讀寫訊號，我們藉由氧化鋅近場光碟膜層結構的改 變以及 C-AFM 量測相變化記錄點的技術，分析並探討氧化鋅近場主動層對 於相變化記錄層 Ge2Sb2Te5 的作用，並藉由實驗結果得到膜層結構改變對於 記錄點讀寫訊號的影響。.
(4) Abstract In this study, to get the optimized reading and writing efficiency of the pick-up head in commercial optical driver and promote the repetition of recording marks on phase-change material, we record and readout series of mark trains on commercial rewritable DVD disk (DVD+RW) with radial orientation spot (ROS type).. For further studies, the technique of imaging. phase-change recording marks with conductive atomic force microscope (C-AFM) is applied to investigate the relation between different writing strategy and the topographic change of recording marks. Moreover, in the study of the near-field optical disk with zinc oxide (ZnOx) near-field active layer, we also optimize the layered structure of ZnOx-type near-field optical disk and investigate the recording marks with C-AFM. From the experimental results, the optical and thermal effect of ZnOx near-field active layer can be obtained and the readout signals of layered structure change are studied as well..
(5) 目. 錄. 前言……………………………………………………………………………1. 第一章 光儲存媒體的發展與紹…………………………………………......2 1-1 光碟的規格與歷史…………………………………………………..……2 1-2 光碟簡介……………………………………………………………..……6 1-3 藍光光碟……………………………………………….…………………12 1-4 近場光碟………….…………………………………………….…..…….16. 第二章 實驗儀器架構………………………………………………….……22 2-1 鍍膜儀器設備………………………………………………...……….…22 2-2 光碟測試機……..……………………………………………….…….…26 2-3 導電式原子力顯微儀 C-AFM…………………………………….….…30 2-3.1 原子力顯微儀 AFM………………………………………………..….30 2-3.2 導電式原子力顯 C-AFM……………………………………….…..….34. 第三章 實驗結果與分析………………………………………….……..…..37 3-1 實驗數據結構…………………………………………………….………37 3-2 商用可複寫式光碟 DVD+RW………………………………………….38 3-2.1 實驗動機…….………………………………………………………...38.
(6) 3-2.2 改變參數…………………………………………………………..……39 3-2.3 使用 CATS 儀器量測光碟的 DC Jitter 值及 PI Sum8 值…………..…40 3-2.4 實驗數據…………………………………………………….……….…41 3-2.5 比較與分析………………………………………………….……….….44 3-3 近場光碟……….………………………………..……………………..…46 3-3.1 實驗動機…………………………………………………………..……46 3-3.2 實驗樣品製備……………………………………………………..……47 3-3.3 實驗參數…………………………………………………………..……47 3-3.4 實驗數據…………………………………………………….…….……48 3-3.5 比較與分析…………………………………………………………..….54. 第四章 結論…..…………………………………………………………..…..65. 參考文獻…………………………………………………………………..…..66.
(7) 圖 目 錄 第一章 光儲存媒體的發展與介紹 圖 1-1 光碟朝高容量的目標發展，其中 800、400、200 為寫入記錄點的直 徑大小………………………………………………………………………..…5 圖 1-2 CD、DVD 與 HD DVD 的光碟容量與光碟機的基本規格……..….5 圖 1-3 讀取光碟記錄點時所對應的反射光強度及判讀的位元碼…….…...6 圖 1-4 CD 與 DVD 的光碟結構與使用電射波長示意圖…………………..7 圖 1-5 DVD-5(單層單面)DVD-9(雙層單面)DVD-10(單層雙面)DVD- 18(雙 層雙面)…………………………………...……………………………………..8 圖 1-6 DVD-RW 與 DVD+RW 的溝軌表面形貌……………………..……..9 圖 1-7 結晶態與非結晶態的晶格排列與反射率………………………...…10 圖 1-8. 寫入或抹除可複寫式光碟所對相變化材料加熱及冷卻的過. 程…………………………………………………………………………...…..11 圖 1-9 DVD±RW 與 DVD±R 光碟的膜層結構比較…………………….…11 圖 1-10 Blu-ray Disk 的商用標記………………………………………..…13 圖 1-11 DVD 與 BD 的讀寫機制比較圖…………………………………….13 圖 1-12. 一般 HD DVD 的商用標記……………………………………..….14. 圖 1-13 當欲辦示的兩目標距離在半個波長以內時，受限於繞射極限而無 法辦示…………………………………………………………………..……..16.
(8) 圖 1-14. Dr. Eric Betzig 首次發展出近場光學顯微儀的探針與記錄點影. 像[10]……...………………………………………………………………….... 17 圖 1-15 利用超解析結構光碟片取代光纖探針讀寫架構的示意圖……….18 圖 1-16. (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 3.5mW, 曲線 A)和高 功率(大於 3.5mW,曲線 B)時的訊號強度比較圖。[11]…………………….….19 圖 1-17. ZnOX 近場光碟的 CNR 訊號與膜層結構[19]………………..……..21. 第二章 實驗儀器架構 圖 2-1 日本芝蒲(Shibaura)株式會社製造的四靶濺鍍機，型號為 ”CFS 4EP – LL (i-miller)”…………………………………………………………...22 圖 2-2 腔體內射頻反應機制示意圖………………………………….……23 圖 2-3 濺鍍機內結構示意圖………………………………………….……24 圖 2-4 光碟測試機結構示意圖……………………………………….……26 圖 2-5 碟片驅動盒 (Disc driver box) 內部架構…………………….…….27 圖 2-6 量測載子雜訊比 (CNR) 訊號的流程………………………….….28 圖 2-7 位能隨著探針至樣品表面距離而改變………………………….…31 圖 2-8 美國 Asylum 公司製造的原子力顯微儀 MFP-3D………………...34 圖 2-9 導電式原子力顯微儀架構示意圖……………………………….…35 圖 2-10 導電性探針由左向右掃描的過程中，同時獲得樣品的形貌以及電.
(9) 性訊號…………………………………………………………………..……..36 圖 2-11 將光碟部份膜層剝除後進行 C-AFM 量測…………………….…36 圖 2-12. C-AFM 同時獲得樣品表面的形貌和電性差異的實驗結果……..36. 第三章 實驗結果與分析 圖 3-1 光碟機的雷射光點寫在光碟片的角度可分為三個種類： DOS type、ROS type、TOS type……………………………………………...38 圖 3-2 光碟機中連接 Laser Diode 的控制晶片與 Laser Diode 的 driver 兩訊 號線間的電阻即為終端電阻。……………………………………………..…39 圖 3-3 將寫入策略最佳化的示意圖……………………………………...…40 圖 3-4 商用光碟機的終端電阻為 100 歐姆使用 ROS type 經複寫二次後 (DOW1)所寫下之商用光碟片 DVD+RW 經 CATS 儀器所量測的 DC Jitter 值 及 C-AFM 影像……………………………………………………………..…41 圖 3-5. 商用光碟機的終端電阻為 82 歐姆使用 ROS type 經複寫二次後. (DOW1)所寫下之商用光碟片 DVD+RW 經 CATS 儀器所量測的 DC Jitter 值 及 C-AFM 影像……………………………………………………………..…42 圖 3-6 使用 ROS type 未調變光碟機內終端電阻而將寫入策略最佳化經複 寫二次(DOW1)後所寫下之商用光碟片 DVD+RW 經 CATS 儀器所量測的 DC Jitter 值及 C-AFM 影像……………………………………………………43 圖 3-7 使用 DOS type 經複寫兩次後(DOW1)使用不同的參數所對應的 DC.
(10) Jitter 值………………………………………………………………………...44 圖 3-8 本實驗室於 2003 年發表之 ZnOX 新型近場光碟與未加主動層光碟 的 CNR 訊號比較[19]………………………………………………………..…46 圖 3-9 改變 ZnOX 新型超解析近場光碟片中主動層與記錄層的距離即間隔 層厚度………………………………………………………………………....47 圖 3-10. 未 讀 取 (Original) 間 隔 層 厚 度 為 0nm 、 10nm 的 C-AFM 影. 像……………………………………………………………………………....48 圖 3-11. 未 讀 取 (Original) 間 隔 層 厚 度 為 20nm 、 30nm 的 C-AFM 影. 像…………………………………………………………………………..…..49 圖 3-12. 未 讀 取 (Original) 間 隔 層 厚 度 為 40nm 、 50nm 的 C-AFM 影. 像……………………………………………………………………………....49 圖 3-13. 未 讀 取 (Original) 間 隔 層 厚 度 為 60nm 、 70nm 的 C-AFM 影. 像……………………………………………………………………………....50 圖 3-14. 未 讀 取 (Original) 間 隔 層 厚 度 為 80nm 、 90nm 的 C-AFM 影. 像…………………………………………………………………………..…..50 圖 3-15 未讀取(Original)間隔層厚度為 100nm 的 C-AFM 影像…………..51 圖 3-16. 讀取一次(Read once)間隔層厚度為 0nm、10nm 的 C-AFM 影. 像……………………………………………………………………………....51 圖 3-17. 讀取一次(Read once)間隔層厚度為 20nm、30nm 的 C-AFM 影.
(11) 像……………………………………………………………………………....52 圖 3-18 讀取一次(Read once) 間隔層厚度為 40nm、50nm 的 C-AFM 影 像……………………………………………………………………………....52 圖 3-19. 讀取一次(Read once)間隔層厚度為 60nm、70nm 的 C-AFM 影. 像……………………………………………………………………………....53 圖 3-20. 讀取一次(Read once)間隔層厚度為 80nm、90nm 的 C-AFM 影. 像…………………………………………………………………………..…..53 圖 3-21. 讀 取 一 次 (Read once) 間 隔 層 厚 度 為 100nm 的 C-AFM 影. 像……………………………………………………………………………....54 圖 3-22. 不同寫入功率亦可決定記錄點的大小…………………………....54. 圖 3-23 未讀取(Original)記錄記的長度隨間隔層不同的改變…………….55 圖 3-24. 所示，以間隔層為 50nm 為例，量測記錄點的長度及寬度和面. 積……………………………………………………………………………....56 圖 3-25. 隨著間隔層厚度的改變，使用寫入功率為 21mw 寫入策略為. 2T4T，2T=100nm 所寫下之記錄點長度的曲線分佈………………………..57 圖 3-26. 隨著間隔層厚度的改變，使用寫入功率為 21mw 寫入策略為. 2T4T，2T=100nm 所寫下之記錄點寬度的曲線分佈………………………..57 圖 3-27. 隨著間隔層厚度的改變，使用寫入功率為 21mw 寫入策略為. 2T4T，2T=100nm 所寫下之記錄點面積的曲線分佈………………………..57.
(12) 圖 3-28. 主動層與記錄層間存在某個近場相互作用的效應…………...….58. 圖 3-29. 記錄點的外圈(Outer mark)皆會非結晶程度介於背景(初鍍態)與記. 錄點(非晶態)的區域，即 C-AFM 影像中呈現灰色的部份…………………59 圖 3-30. 未讀取非結晶態記錄點與外圈灰色記錄點的寬度及面積比. 較…………………………………………………………………………..…..60 圖 3-31. 達到非結晶態的雷射能量才會發生主動層與記錄層間的偶合效. 應……………………………………………………………………………....60 圖 3-32. 讀 取 一 次 (Read once) 與 未 讀 取 (Original) 之 記 錄 點 大 小 比. 較……………………………………………………………………………....61 圖 3-33 未讀取(Original)和讀取一次(Read once)隨間隔層厚度改變之記錄 點長度曲線分佈……………………………………………………………....61 圖 3-34 未讀取(Original)和讀取一次(Read once)隨間隔層厚度改變之記錄 點寬度曲線分佈……………………………………………………………....62 圖 3-35 未讀取(Original)和讀取一次(Read once)隨間隔層厚度改變之記錄 點面積曲線分佈…………………………………………………………..…..62 圖 3-36 圖 3-37. 4mW 的讀取功率為外圈不完全非晶態的擦拭功率…………..…63 隨著間隔層厚度的改變，使用寫入功率為 21mw 寫入策略為. 2T4T，2T=100nm 所寫下之記錄點面積的曲線分佈…….…………….…..64 圖 3-38. 未讀取(Original)每一間隔層厚度記錄點之 CNR 訊號……….…64.
(13) 前言 知識的累積在人類的文明中一直是伴演著非常重要的角色，從遠古時 代的口耳相傳，到石器、木材的刻寫，以及紙張和印刷的技術，種種顯示 了資訊的存儲深深的決定文明發展的速度。而隨著科技的進步，進入了數 位化的時代，大量的資訊相對地需要較大的儲存媒體，也因此各種儲存技 術的研究也同步地在進行，其中光儲存在近數十年來由於它的普遍性及便 利性，一直佔有相當的地位，光儲存品質的改善及容量的研發也就顯的非 常重要，而本論文即是針對光存儲領域中的可複寫式光碟及新型近場超解 析光碟做研究與討論。. 1.
(14) 第一章 光儲存媒體的發展與介紹 1-1 光碟的規格與歷史 ▪ 歷史與發展 光碟最初的產品即為大家所熟知的 LD(Laser Vision Disc)，其產品為 1972 年由荷蘭飛利浦(Philips)公司所推出，而當時 LD 儲存的信號都是類比 的形式，不同於現今 CD、DVD 是以數位的方式記錄，所謂類比的信號是 指其影像和聲音的信號都要經過 FM(Frequency Modulation)頻率調變、線性 疊加，然後再進行限幅放大，之後的信號再以凹坑的長短來表示；而數位 信號的儲存則是先把類比的信號進行數位處理，接著再經過編碼的動作之 後再記錄在光碟上，與類比信號的方式相比較，好處是對於外來的干擾和 雜訊較敏感，所以可用以校正碟面之缺陷、刮傷或沾汙而引起的讀取錯誤。 LD 所錄製的聲音的影片的畫質相當好，但是其內容卻沒有經過編碼壓縮， 光碟過大的體積不容易保存和攜帶，十分的不方便；另外 LD 並沒有制定 統一的標準，對於消費者來說，亦是相當的不便。 因此，到了 1982 年，由飛利浦(Philips)和新力(Sony)公司共同制定了 CD-DA 紅皮書(Red Book)，定義雷射唱碟的直徑為 12 公分，錄音時間為 74 分鐘，其中在制定錄音時間這個部份有個小插曲，因為當時有許多人認 為一張光碟片錄製的時間應剛好為一小時，即 60 分鐘，而當時 Sony 公司 的大賀典雄先生卻認為一張 CD 應該至少能夠完整的收錄貝多芬的第九號 交響曲“合唱”，而這首曲子的長度就是 74 分鐘，以古典樂來說，這幾乎可 說是最長的一首曲子，因此很快地這樣的規格即被消費大眾所接受。. 2.
(15) CD-DA 規格的制定算是非常的成功，但是隨著電腦資訊業的突飛猛 進，飛利浦公司和索尼公司便想利用 CD 的讀取機制作為電腦大容量的唯 讀記憶體，因而產生了 CD-ROM 的黃皮書(Yellow Book)，這個規格主要是 為了光碟上每個資料塊定義一個位址代號，這樣的話可以迅速的在光碟上 找到所需的資料，且為了降低錯誤率，使用了所謂 CRC 的方式，作為錯誤 檢測和錯誤校正的方法，另外為了能夠和電腦的檔案完全相容，又制定了 CD-ROM 的檔案標準系統，即 ISO9660 ，至此，CD-ROM 已可廣泛的應 用。 接著談到 DVD，DVD 的起源是在九零年代初，美國電影製片顧問委 員會依據好萊塢七大電影製片公司的願望書，發表了對於影音品質方面的 要求，其中包括了影像及聲音品質要高於 LD 以及能夠在一張光碟片中記 錄 135 分鐘的影音內容。從這兩個要求中，很清楚地可以看出來必須提升 光碟片的容量，也因此有了 DVD 的產生，但是 DVD 規格的制定卻不如 CD 那麼順利，由於 CD 的關鍵專利都是由新力公司與飛利浦等公司所擁 有，因此到了 DVD 的時代時，日本許多家電公司看準了它所帶來的市場而 為互相角逐，也而成立了 DVD 論壇(DVD forum)，主要訂制了可支援 133 分鐘影像的 DVD-Video 和以 MPEG-II 技術為壓縮模式，而在電腦儲存的規 格戰場中，則是由飛利浦、新力等公司共同提出的 DVD+RW 規格，力戰 先鋒(Pioneer)公司所提出且受論壇支持的 DVD-R 和 DVD-RW 規格。另外 再加上 DVD-RAM，DVD 燒錄技術就出現了另消費者眼花撩亂的三大種類 (DVD-RAM、DVD+R/RW、DVD-R/RW)一共五種規格，這三大種類彼此互 不相讓，也因此形成現今市場多種相容規格的光碟機。. 3.
(16) 至今 DVD 規格的戰爭尚未結束，隨即下個世代光儲存的爭奪卻又開始 了，由於高畫質電視以及數位電視的產生，相對地也就需要更高的儲存容 量，例如若是要記錄 2 小時高畫質影像內容時，需要約 22.5Gb 至 25Gb 的 容量，DVD 的儲存容量=4.7Gb 已不敷使用，因此在克服許多技術上的困難 之後，由新力所領軍的許多公司組成藍光光碟論壇(Blu-Ray Disc forum)， 在 2004 年 3 月時首先推出了商用的藍光光碟機以及藍光光碟片(Blu-Ray Disc)，但是因為其價格過高和需要使用卡匣來保護，所以當時藍光光碟規 格並沒有受到電影製片業者的青睞；另一方面則是由東芝(Toshiba)和 NEC 所領軍的許多公司所組成的高儲存密度 DVD 即 HD DVD，由於 HD DVD 不需要卡匣的保護，並且其製作成本較低，因此率先得到 DVD 論壇的認 証。但現今兩方各有其優缺點，勝負還很難說，因為就規格上來說，BD 和 HD DVD 都是採用相同的視訊碼 MPEG-2、VC1 及 H.264，BD 的儲存容量 卻是比 HD DVD 大上許多，然而雖然 BD 的容量較大，能夠儲存較高畫質 的影像，但是 HD DVD 的製程卻是較容易，也較便宜，並且和現今 DVD 光碟機有較高的相容性，也就是說現在的 DVD 光碟機產業可以繼續使用現 有的設備生產 HD DVD 光碟而只需做出很小的調整，因此綜觀各項考量至 今仍是難分高下。 無論光碟規格的歷史發展如何，由圖 1-1 中可看出光碟的研發皆是朝 向更高容量的目標邁進，繼藍光光碟之後，成為下一世代的新型高密度儲 存光碟也就成了眾人注目的焦點。. 4.
(17) >100GB > CD×150 高密度儲存方法. TB 4.7GB CD×7. 27GB CD×50. < 100nm DVD/4.7GB Track Pitch=0.74µm Pit Length=0.4µm. GB. MB. recording pits. BD-DVD/27GB Track Pitch=0.35µm Pit Length=0.2µm. CD (650MB). CD/650MB Track Pitch=1.6µm Pit Length=0.83µm. 800 1990. 1980. 200. 400. 2000. 2005. 2010. 圖 1-1 光碟朝高容量的目標發展，其中 800、400、200 為寫入記錄點的直徑大小. ▪ 規格 如圖 1-2 所示，一般 CD 光碟片使用紅光雷射來進行讀寫動作，並使用光學 數值孔徑(NA)值為 0.45 的透鏡，記錄密度達到 700MB。一般 DVD 同樣也 是使用紅光雷射，不同的是使用的工作波長為 650 奈米，較 CD 光碟片的 780 奈米短了許多，所用之聚焦透鏡 NA 值也提高為 0.6，使得 DVD 容量 可提升至 4.7GB。新一代 HD DVD 記錄密度則可更高於 15GB，其設計原 理也是以降低波長及增加透鏡 NA 值的方式，使用 405 奈米藍光雷射及 0.85 之高 NA 值透鏡。 讀取符號大小 記錄容量 光學數值孔徑(NA) 雷射波長 碟機產品. 700MB. 4.7GB. 15G/25GB. 0.45. 0.6. 780nm. 650nm. 0.85 405nm. CD. DVD. HD DVD. 圖 1-2 CD、DVD 與 HD DVD 的光碟容量與光碟機的基本規格. 5.
(18) 1-2 光碟簡介 ▪ 光碟的讀取機制 光碟的讀取機制基本上是利用當光碟機中的雷射照射在經由光碟機所 寫下的記錄點時，雷射光點照射在記錄點上及沒照射在記錄點上所偵測到 的反射率是不同的，因此利用反射率的改變來判讀出 1 與 0 的位元碼. 記錄點位置. (a) 反射光強度. (b). 振幅. (c). 時間. 時間. (d) 圖 1-3 讀取光碟記錄點時所對應的反射光強度及判讀的位元碼. 由圖 1-3 可看出，當雷射光點經過記錄點即圖 1-3(a)，反射光強度會降低即 圖 1-3(b)，將光強度變化轉為電氣信號，再把振幅產生變化的部份訂為 1， 而不產生變化的部份為 0 即圖 1-3(c) (d)，將一連串的位元串經過編碼與壓 縮之後即為電腦可判讀的資訊，當然各類型的光碟所使用的寫入方式和編 碼方式都是不同的。. 6.
(19) ▪ 唯讀型光喋 CD-ROM CD-ROM 的全名為 Compact Disc-Read Only Memory，也就是僅可讀取 而不能進行寫入的動作。CD-ROM 的直徑為 12cm，而一般它的膜層結構依 次為 1.2mm 的聚碳酸脂(Polycarbonate)基板、預刻記錄層，和 0.01mm 的保 護層膜，溝軌的間距是 1.6µm，其中預刻記錄層是經由已製好的壓型片再 注模後塗上反射性的鋁膜而成，且記錄點是凹坑的形式，因此光碟機讀取 光碟中的資料時，雷射聚焦在預刻記錄層上，當光點照射在凹坑形式的記 錄點時，會因角度的不同而使得部份的光散射及繞射，使得反射率降低， 進而判讀出 0 與 1 的位元碼。 DVD-ROM DVD-ROM 的全名為 Digital Versatile Disc，即數位多媒體光碟，DVDROM 的直徑同 CD 為 12cm，但以結構上來說，如圖 1-4 所示 CD. DVD. λ=780nm. λ= 650nm. 物透鏡 NA=0.45. 物透鏡 NA=0.6 基板 記錄層 基板. 1.2mm. 1.2mm. 記錄點. 1.6μm. 0.74μm. 圖 1-4 CD 與 DVD 的光碟結構與使用電射波長示意圖. 不同於 CD 的是溝軌間距為 0.74µm，且利用兩片厚度為 0.6mm 的塑膠基. 7.
(20) 板，其中包夾記錄層，反射層，以及保護層，且 DVD 使用兩片 0.6mm 塑 膠基板的原因是 DVD 的記錄密度雖較 CD 來的高，但相對的在讀取上也較 容易造成誤差，因此提升記錄層與讀寫頭的距離可以有效的減小因碟片翹 曲斷造成讀寫頭與記錄點相對位置變化所造成的誤差。另外 DVD 為了增加 儲存容量，可使用雙層記錄層及雙面記錄，如圖 1-5 所示，分為 DVD-5(單 層單面，4.7Gb，133 分鐘)、DVD-9(雙層單面，8.5Gb，242 分鐘)、DVD-10(單 層雙面，9.4Gb，266 分鐘)、DVD-18(雙層雙面，17Gb，484 分鐘)。. DVD-5 One side / one layer 4.7GB. DVD-9 One side / Dual layer 8.5GB. DVD-10 Dual side / one layer 9.4GB. DVD-18 Dual side / Dual layer 17GB. 圖 1-5 DVD-5(單層單面)DVD-9(雙層單面)DVD-10(單層雙面)DVD-18(雙層雙面). ▪ 僅寫一次型光喋 CD-R CD-R 基本上和 CD-ROM 是大同小異的，但 CD-R 為可寫入式光碟， 即 CD-R 的記錄層的材質為有機化學染料，這種材料的性質是遇熱熔化再 冷卻後會因為分子鍵結被打斷而產生形變。因此，當光碟機中的雷射光點. 8.
(21) 聚焦在 CD-R 中的記錄層時，會形成和 CD-ROM 類似的一個凹坑，也就是 所謂的記錄點。但這樣的形變是無法恢復的，也就是記錄點不可抹除而重 新寫入，所以是僅寫一次型光碟。. DVD+R、DVD-R DVD 同樣也針對可寫入的功能而使用有機化學染料作為記錄層的材 料，在寫入的部份其原理是和 CD-R 相同的，但是依照它的規格又可分為 DVD+R 和 DVD-R，這兩個規格的光碟的膜層結構相同的，都有染料記錄 層和金屬反射層，且溝軌間距同樣為 0.74µm，而其中最大的差異在於光碟 機讀取光碟時，尋軌的機制不同，DVD-R 是使用較低頻率的 wobble (140.6kHz)來記錄軌道和速度，而位址和其它訊息則是記錄在兩 land 之間 的小凸點；而 DVD+R 則是使用較高頻率的 wobble(817.4kHz)，也就是利用 溝軌的扭曲而將位址和其它訊息即包含在 wobble 中，圖 1-6 為 DVD+RW 與 DVD-RW 由 AFM 所量測的溝軌形貌。. DVD-RW. DVD+RW. Topography. Topography. 圖 1-6 DVD-RW 與 DVD+RW 的溝軌表面形貌. 9.
(22) ▪ 可複寫型光喋 CD-R 與 DVD+R、DVD-R 在介紹 CD-R 與 DVD+R、DVD-R 可複寫型光碟片以前，必須先說明它 的原理，它基本上是利用相變化的材料，在不破壞物理結構的情況下，由 雷射聚焦後使記錄層的性質發生改變，也就是“相(Phase)”的改變， “相”在 可複寫式光碟片中指的就是結晶態(Crystalline)與非結晶態(Amorphous)。即 圖 1-7 所示. 圖 1-7 結晶態與非結晶態的晶格排列與反射率. 由於結晶態的晶格排列的較整齊，對於雷射光的反射率較高，相對者， 非結晶態的晶格排列的雜亂，對於雷射光的反射率較低。基於這樣的物理 性質，可複寫型的光碟片都是使用相變化的金屬化合物作為記錄層的材 質。而一般剛鍍膜及壓製好的光碟片，記錄層是屬於初鍍態(As-deposit)， 再經過了初始化，也就是雷射長時間的照射後，即可使記錄層變為結晶態， 接著光碟機中的雷射光點聚焦在記錄層上使之變為非晶態，形成了記錄 點，這樣的記錄點是可以利用較低功率的雷射抹除而又回與背景相同的結 晶態，雖然寫入和抹除都是利用雷射光照射，但是兩者除了雷射功率不同 以外，如圖 1-8 所示，結晶態或非晶態經雷射加熱後冷卻的時間也是不同. 10.
(23) 的，光碟寫入的機級在於記錄層加熱達到熔點後快速冷卻形成非結晶態； 而抹除記錄點的機制為記錄層經雷射加熱後未達到熔點即以較慢的速度冷 卻，讓晶格有充份的時間排列整齊，形成結晶態。. 圖 1-8 寫入或抹除可複寫式光碟所對相變化材料加熱及冷卻的過程. CD-RW 和 DVD+Rw 以及 DVD-Rw 皆即為可複寫型的 CD 光碟片，其 光碟膜層結構與僅寫一次型光碟不同處在於可複寫型光碟的記錄層材質為 相變化材料(Phase change material)，以及兩側多了兩層介電質保護層以防止 在重複寫入的過程中，破壞了相變化記錄層，即圖 1-9 所示。 DVD±R. DVD±RW 反射層. 反射層. 介電質保護層. 染料記錄層. 相變化記錄層 介電質保護層. 光碟基板. 光碟基板. 圖 1-9 DVD±RW 與 DVD±R 光碟的膜層結構比較. 11.
(24) 1-3 藍光光碟 ▪ 藍光 DVD 技術 由於高畫質電視以及高畫質影像的推出，DVD 的容量漸漸地已不夠使 用，因此資訊儲存必須因應這樣的需求，提高儲存的容量，而 由著名的 Rayleigh 準則公式：. d L = 1.22λ/2N.A. d L 為可辨別的最小距離，λ 為光碟機中電射光的波長，N.A 為透鏡的數值孔徑. 若要提高單位面積的儲存密度，最直接的方法就是縮小光點，而光點 大小與“波長/數值孔徑”成正比，因此以此公左來說，若要提高記錄容量， 最直接的作法即為縮短光源的波長 λ 和提高數值孔徑 N.A 值，讓雷射可辦 別的最距離 dL 變的更小，以增加記錄點的密度，藍光系列的光碟即是將數 值孔徑 N.A 值提高和減小波長 λ，以 Blu-ray Disk 為例，波長為 405nm，數 值孔徑為 0.6；HD DVD 的波長為 405nm，數值孔徑為 0.65，但波長的減小 及數值孔徑的提升皆有技術上的限制，例如雷射波長的縮短是受限於雷射 二極體材料；而數值孔徑大小則是當數值孔徑提高時，透鏡焦點距離縮短， 使得光學讀寫頭更加貼近碟片，相對地對光碟的平穩要求也就更高，但因 碟片在射出成型時，外側迅速冷卻，內側仍保持熱度，由於冷卻時的不平 衡會產生彎曲的現象，因此數值孔徑無法無限提升。. 12.
(25) ▪ 藍光光碟兩大規格 Blu-ray Disk Blu-ray Disk(簡稱 BD)的命名主要是由於它採用藍光波長為 405nm 進 行讀寫的動作，圖 1-10 為一般商用 BD 的標記. 圖 1-10 Blu-ray Disk 的商用標記. Blu-ray Disk 將傳統的 DVD 波長由 650nm 改為 405nm，儲存密度提高 了(650/405)2=2.58 倍；以及將物透鏡的數值孔徑由原來的 0.6 提升為 0.85， 儲存密度提高(0.85/0.6)2=2 倍，利用縮短波長及提升物透鏡的數值孔徑，將 可提升記錄密度 2.58x2=5.16 倍，換言之，單層的 Blu-ray Disk 的儲存容量 為約為 25GB，足以儲存一部兩小時 HD 畫質的電影。 當 Blu-ray Disk 光碟傾斜時，由於數值孔徑的提高，會提高產生的像差 因此將靠近雷射的那一側的基板厚度縮小為 0.1mm 的薄膜，如圖 1-11 所 示，以減少像差的產生。. 波長 650nm. 405nm. NA 0.6. 0.85. 護罩層厚度 0.6mm. 0.1mm. DVD. Blu-ray. 圖 1-11 DVD 與 BD 的讀寫機制比較圖. 13.
(26) HD DVD HD DVD 的全名為 Heigh Definition Disk-高畫質光碟，過去名為 AOD(Advanced Optical Disk)-先進光學光碟，在 2003 年的一個 DVD 論壇的 會議中才將其名改為 HD DVD。圖 1-12 為一般 HD DVD 的商用標記。. 圖 1-12 一般 HD DVD 的商用標記. HD DVD 與 Blu-ray Disk 基本上都是架構於藍光(波長=405nm)雷射 下，但物透鏡的數值孔徑 N.A.卻不同，BD 的 N.A.值為 0.85，而 HD DVD 的 N.A.為 0.65；另外 BD 的其中一層保護層厚度為 0.1mm，HD DVD 的保護 層厚度和傳統的 DVD 一樣是 0.6mm。單層 HD DVD 的儲存容量一般約為 15GB。雖然 BD 的儲存容量較大，但 HD DVD 和過去傳統的 DVD 有較高 的相容性，也就是說光碟的製造廠商只需將商用 DVD 光碟機作微小的改變 即可量產 HD DVD 光碟機。. ▪. Blu-ray Disk 及 HD DVD 之爭 首先比較 Blu-ray Disk 及 HD DVD 規格上的不同，表 1-1 所示 項目. Blu-ray Disk(僅寫一次). HD DVD(僅寫一次). 記錄容量(單層光碟). 25GB. 15GB. 記錄容量(雙層光碟). 50GB. 30GB. 雷射波長. 405nm. 405nm. 透鏡數值孔徑 NA. 0.85. 0.65. 光碟直徑. 12cm. 12cm. 光碟厚度. 1.2mm. 1.2mm. 護罩層厚度. 0.1mm. 0.6mm. 溝軌間距. 0.32µm. 0.41µm. 14.
(27) 錯誤修正方式. LDC+BIS 碼. RS. 調變方式. 1，7 PP. ETM, RLL (1,10). 資料傳送速率. 36Mbps. 36.55Mbps. 影像記錄方式. MPEG-2 VC1 及 H.264. MPEG-2 VC1 及 H.264. 錯誤修正方式. LDC+BIS code. Reed-Solomon product code. 表 1-1 BD 與 HD DVD 在規格上的比較. 首先，比較 Blu-ray Disk 和 HD DVD 規格上的不同，如表 1-1 所示， 雖然 Blu-ray Disk 和 HD DVD 都是採用相同的視訊碼 MPEG-2、VC1 及 H.264，但以 Blu-ray Disk 的儲存容量較高，而 HD DVD 的優勢在於製程卻 是較容易且成本較低，另外其背後所支持的公司，Blu-ray Disk 是以 SONY 為首加上 Philips、Pioneer、Mistrubishi、Panasonic、Sharp、Mac、Dell、JVC、 LG、Sam Sung 等各大公司支持； HD DVD，是以 Toshiba 為首加上 NEC、 Sanyo、Time-Warner、IBM、Intel、Microsoft 等各大公司支持，各有其優 缺點，也因此 Blu-ray Disk 及 HD DVD 之爭始終未停。. 15.
(28) 1-4 新型超解析近場光碟 ▪ 近場光學發展 近場光學的概念是於 1928 年 E.H.Synge 首次提出，即在近場的距離 內，也就是電磁波尚未產生干涉及繞射的範圍內可取得光學的訊號，以此 獲得超越繞射極限的高空間解析度；1956 年美國的 O’keefe 也提出了同樣 的想法，但受限於當時的實驗技術，無法證實，直到 1972 年 E.A.Ash 與 G.Nicholes 以約 3cm 的微波在尚未產生繞射的距離內觀測物體，得到約 1/60 波長的空間解析度，至此證明了近場光學的可行性。. ▪ 近場光學顯微儀 如圖 1-13 當欲辦示的兩目標距離在半個波長以內時. 圖 1-13 當欲辦示的兩目標距離在半個波長以內時，受限於繞射極限而無法辦示. 由於受到光的干涉和繞射效應的影響，是無法辦示的，此即為繞射極限 (diffraction limit)，而近場光學顯微儀是將近場光學的理論和探針式顯微儀 (SPM)的結合。圖 1-14 為 1992 年，AT&T 實驗室的 Dr. Eric Betzig 首次發 展出一種突破繞射極限的近場光學存儲技術，可使記錄點尺寸縮小至 100. 16.
(29) 奈米以下，有效地提高光學記錄的密度與容量。. 雷射光束 透鏡. Pt/Co磁光薄膜表面. 光纖探針. 奈米尺寸間距 記錄媒體 記錄點. E. Betzig et al., Appl. Phys. Lett. 61(2),142 (1992).. 圖 1-14 Dr. Eric Betzig 首次發展出近場光學顯微儀的探針與記錄點影像. 近場光學顯微儀的工作原理為利用一熔拉成針的光纖，在外圍鍍上一層 金屬以屏蔽雷射光，僅在光纖探針尖端留下一個大小約為數十奈米的孔 穴，將光導入光纖探針，由於尖端孔穴的尺寸遠小於雷射光波長，因此雷 射光無法直接穿越孔穴尖端，而以消散波(evanescent wave)的形式傳遞能 量。消散波是屬於一種非傳遞波(non-propagating wave)，雖然沒有繞射行 為，但能量可傳播的距離非常的短，遠小於雷射光波長。所以必須將探針 非常靠近記錄層，使消散波與記錄層發生交互作用，寫下一個尺寸遠小於 繞射極限的記錄點，圖 1-14 右邊的實驗結果顯示成功近場距離內寫入約 60 奈米大小的記錄點。使用光纖探針的近場光學記錄方法，優點除了突破繞 射極限而獲得較高的空間解析以外，以光學式的量測方式可用於一般的環 境中，且在掃描的過程中不易毀壞樣品，也不需要繁雜的樣品製備程序，. 17.
(30) 而由於此量測方式必須利用精密的壓電陶瓷來控制光纖探針作奈米量級的 精確移動，並且進行快速精密的迴饋控制，使光纖探針在遠小於一個波長 的高度內工作，因此其缺點為掃描的面積範圍有限，且掃描的速度無法太 快，再加上光纖探針非常脆弱，使得此種近場光學記錄方式一直無法商業 化。. ▪ 傳統型超解析近場光碟 1998 年，日本筑波的工業技術研究院研究員富永淳二博士於 SPIE 年會 上發表近場超解析結構光碟片，利用銻(Sb)的奈米層結構所產生的近場光學 作用，證明可以光碟測試機寫入及讀出小於 100 奈米的光學記錄點，為奈 米近場光學記錄的發展開拓提供了新的方向。近場超解析結構的理念可以 用圖 1-15 來說明：. 非線性 光學層 間隔層 記錄層 記錄層. <10nm 基板. 基板. 傳統近場光學記錄方法 (使用光纖探針) (a). 利用超解析結構於 近場光學記錄 (b). 圖 1-15 利用超解析結構光碟片取代光纖探針讀寫架構的示意圖. 18.
(31) 圖中左邊是以近場光學探針來進行近場光學記錄的架構示意圖，右邊顯 示的是若有一非線性光學的薄膜，可使得聚焦光點的大小在通過此特殊薄 膜後，記錄光點的尺寸有效地變小至繞射極限以下，再以固定厚度之透明 奈米薄膜介質層來精確控制非線性光學層與記錄層的間距，使之保持在近 場距離內，如此，可有效解決近場光學讀寫頭的瓶頸，包括近場飛行高度 的控制以及讀寫頭的磨潤問題等，且只需使用目前光碟機讀寫頭即可。圖 1-16 為首次發表之銻(Sb)薄膜近場超解析結構光碟片的膜層結構示意圖及 測試結果：. 圖 1-16(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 3.5mW, 曲線 A)和高功率(大於 3.5mW,曲線 B)時的訊號強度 比較圖。. 圖 1-16 (a)為超解析近場結構光碟片的截面圖。即在 DVD 基板上依序鍍上 170 奈米的氮化矽(SiN)、15 奈米的銻(Sb)、20 奈米氮化矽(SiN)、15 奈米的. 19.
(32) 鍺銻鍗(GeSbTe)相變化記錄層，以及 20 奈米的氮化矽保護層。(b)是使用波 長為 637 奈米的紅光雷射及 NA 值為 0.6 的光碟讀寫頭，在寫入信號後， 將 碟 片 轉 速 定 在 6.0 米 / 秒 的 固 定 線 速 度 (CLV) 下 所 讀 出 的 記 錄 點 之 CNR(Carrier to Noise Ratio)值與記錄點大小的關係圖。可以看到鍍上超解析 結構的 DVD 碟片，在讀寫頭的讀出功率(read power)低於 3.5 mW 時(曲線 A)，其結果是和一般的 DVD 碟片一樣，在小於 300 奈米的記錄點其讀出 信號的 CNR 值會趨近於零，表示此時仍受到繞射極限的限制，但是當讀出 功率大於 3.5 mW 時(曲線 B)，卻可以讀出小於繞射極限以下的記錄點(300 nm~70 nm)，最大的 CNR 值可達 20 dB。這個現象表示當讀寫頭輸出的能 量到達一定值後，超解析結構會產生某種效應。 而由本實驗室使用近場光學光強梯度顯微術(near-field optical gradient)量測 近場超解析結構的結果，發現銻薄膜本身的不均勻性、以及銻薄膜和上下 兩介電質層的邊界效應所引起的侷域性表面電漿子增強現象，是造成超解 析效應的主要原因。因此，2000 年富永淳二博士提出以氧化銀(AgOx)為近 場光學作用層的超解析近場結構，由於銀原子是表面電漿子效應最強的金 屬原子，而當雷射光聚焦於氧化銀近場作用層時，雷射聚焦光點的光熱效 應會使銀原子與氧原子暫時分離，但是由於膜層上下被硫化鋅-二氧化矽 (ZnS-SiO2)包覆，氧原子只會分佈於銀原子四周而不擴散流失，且析出之銀 原子群受到聚焦光照射後，產生極強的侷域性表面電漿子效應，使整個穿 透光點的中央區域發生侷域性增強效應，傳導及耦合至近場距離內的相變 化記錄層，在記錄層上感應及誘導地寫下小於繞射極限的光學記錄點，當 雷射光離開後，銀與氧便會再度結合為初始狀態的氧化銀，且銀與氧的分. 20.
(33) 離及再結合速度約在奈秒(ns)量級，因此能應付碟片的高速讀寫動作。此種 氧化銀超解析碟片比銻超解析結構穩定性更佳，且具有更高的載子雜訊比 (Carrier to noise ratio, CNR)，大幅提高小於繞射極限的記錄點的訊號。. ▪ 新型超解析近場光碟 ZnOX 超解析近場光碟為本實驗室於 2003 年發表之新型超解析近場光碟 片，如圖 1-17(a)為 ZnOX 新型超解析近場光碟與未加主動層光碟於不同大 小記錄點時所讀取的 CNR 訊號，圖 1-17(b)為 ZnOX 新型超解析近場光碟的 膜層結構 substrate ZnS-SiO2 ZnO ZnS-SiO2 Ge2Sb2Te5 ZnS-SiO2 bonding. (a). (b) 圖 1-17 ZnOX 新型超解析近場光碟的 CNR 訊號與膜層結構. ZnOX 新型近場光碟對於寫下小於繞射極限的記錄點能夠比以 Sb 及 AgOX 作為主動層的近場光碟片讀取到更高的 CNR 訊號，然而 ZnOX 在新型超解 析近場光碟中的機制尚未十分明確，因此本論文一部份的研究即是針對 ZnOX 新型近場光碟作研究與分析。. 21.
(34) 第二章 實驗儀器架構 2-1 鍍膜儀器設備 本實驗所使用之 ZnOX 近場光碟片之樣品製作是由日本芝蒲(Shibaura) 株式會社製造的四靶濺鍍機，型號為 ”CFS - 4EP – LL (i-miller)”即圖 2-1 所 示，其特點有：(一)、具有 load lock 室，可縮短更換樣品時抽真空的時間； (二)、具四發射源，可幫助設計更複雜的樣品結構；(三)、採用成膜側向濺 射方式，可減少灰塵雜質的沉積；(四)、高頻電源(500W)裝備自動調整控 制器；(五)、具有渦輪幫浦，可幫助減短開機時間。除此之外，另可選擇手 動操作或自動操作機器，當大量制式化的製備樣品時可節省許多操作的時 間。. 圖 2-1 日本芝蒲(Shibaura)株式會社製造的四靶濺鍍機， 型號為 ”CFS - 4EP – LL (i-miller)”. ▪ 原理 濺鍍機台工作原理為透過一外加電場，離子化氣體例如氬氣轟擊靶材 表面的原子，使其靶材內的原子獲得能量而脫離靶材表面；當其具有足夠 能量越過束縛位能障礙時，則會發生再沉積現象均勻形成薄膜。 實驗機台使用 13.56MHz 射頻交流電作為外加電場的偏壓，在此外加. 22.
(35) 電場作用下，由於電子的質量較氬離子小，是以反應速度較快；對於交流 電場的作用下，可中和靶面所累積的電荷。又因偏壓頻率切換迅速，正離 子可一直留在電漿區內維持相當高正電位，所以濺鍍效率不會因電壓切換 而下降。射頻濺鍍相對於直流濺鍍有鍍膜速率快、成膜均勻、緻密度高、 附著性高等優點。當靶材為介電質或非金屬時，因為靶材表面導電性不佳， 是以當正離子持續撞擊陰極會使其累積正電荷，而使電位過大無法濺鍍， 因此衍生出射頻交流電法來改善以上的情形。其設計為在介電質靶材加一 金屬電極，且改用射頻交流電（13.56 MHz）；由於電子質量較小，是以飄 移速率較正離子快，因而在射頻的正半週期已飛向靶面中和了負半週期所 累積的正電荷。且其改變頻率相當快，可使正離子一直留在電漿區，因此 對靶材（陰極）仍維持相當高的正電位，使濺射得以繼續進行，即圖 2-2 所示。. substrate. plasma. RF. target Ar+ target atom. Ar:O2=20:0 s.c.c.m 圖 2-2 腔體內射頻反應機制示意圖. ▪ 樣品製備流程 機台主要架構包含兩真空腔體(vacuum chamber-S/C chamber and L/L. 23.
(36) chamber) 、冷凍幫浦(cryo pump)、機械幫浦(rotation pump)、渦輪幫浦(turbo pump)、兩個 pirani 真空計(pirani gauge)、一個離子真空計(ion gauge)及連接 真空腔體的三個氣體流量氣閥分別為氬氣(Ar)閥、氧氣(O2)閥及氮氣(N2) 閥。鍍膜之製備架構如圖 2-3 所示。 CP VENT v RP CP. MAIN v. L/L SLOW FORE v. TMP2. S/C FORE v. L/L FORE v. COND v. L/L FORE v. Tray Rotation. S/C. L/L. 圖 2-3 濺鍍機內結構示意圖. 將所需的靶材放置入真空腔內基底上，並注意此時所有閘門及閥門皆處於 關閉狀態。首先開啟 CP VENT v 充入低純度(4N)的氮氣(N2)至冷凍吸附幫 浦(cryo pump)之後關閉 CP VENT v，並打開 S/C FORE v 以機械幫浦(rotary pump)抽氣，重複進行純淨冷凍吸附幫浦等步驟三次。當冷凍吸附幫浦達到 所需的壓力後，關閉 CP VENT v 並開啟 S/C FORE v，以機械幫浦對冷凍吸 附幫浦進行抽氣，使冷凍吸附幫浦達到約 1~10 Pa，再關閉 S/C FORE v 閥。 當冷凍吸附幫浦達到所需的工作壓力後，立即啟動冷凍吸附幫浦，並以液 態氦壓縮機對冷凍吸附幫浦進行降溫的步驟和保持冷凍吸附幫浦的低溫狀 態，等待冷凍吸附幫浦之溫度降至 10 K (Kelvin)。等待的同時我們可先把 欲鍍之基板放進 L/L 真空腔內托盤上，開啟 L/L FORE v 及 S/C 和 L/L 之間 24.
(37) 的閘門，利用機械幫浦將兩真空腔(S/C 和 L/L)內壓力降至渦輪幫浦可開始 工作後，再關閉 L/L FORE v 及 S/C 和 L/L 之間的閘門。一旦冷凍吸附幫浦 之溫度達 10 K 時，MAIN v 和 COND v 就同時打開，於是冷凍吸附幫浦對 S/C 真空腔抽高真空，而渦輪幫浦則對 L/L 真空腔抽真空。此時，若 S/C 真空腔內的壓力降至約 5×10-4 Pa 附近時(達到可輝光放電的壓力)，則把基 板由 L/L 真空腔送進 S/C 真空腔內，此時 S/C 腔體壓力會略為上升。等至 壓力回至 5×10-4 Pa 時就開啟氬氣 (Ar，純度等級 5N 一瓶，提供濺鍍之電 漿氣體之用) 及所需氣體的控制閥，依設計的實驗樣品控制氣體流量，單 位為 sccm，並調節主閥使真空腔體內壓力保持約 0.5 Pa。由電子槍和靶材 的選擇，可依序在置入真空腔體的基板上，依照實驗設計的樣品，鍍上介 電質層材料硫化鋅-二氧化矽 (ZnS(80%)-SiO2(20%))、相變化光碟記錄層材料鍺 銻碲(Ge2Sb2Te5)。在鍍膜過程中，濺鍍的時間以及濺鍍功率大小的穩定， 來控制薄膜成長之速率及厚度，最後將新型超解析近場光碟樣品製作完成。. 25.
(38) 2-2 光碟測試機 本實驗 ZnOX 近場光碟片之讀取及寫入所使用的是 PULSTEC 公司的光 碟測試機 (DDU-1000). ▪ 原理及架構 光 碟 測 試 機 的 設 備 架 構 如 圖 2-4 所 示 ， 主 要 是 由 電 腦 、 示 波 器 (Oscilloscope) 、 訊 號 產 生 器 (Signal generator) 、 脈 衝 產 生 器 (Pulse generator) 、 訊 號 分 析 器 (Signal analyzer) 、 頻 譜 分 析 儀 (Spectrum analyzer) 、碟片驅動盒 (Disc driver box) 、雷射控制器 (Laser diode controller) 的 各 項 參 數 控 制 面 板 以 及 各 種 量 測 儀 器 所 組 成 ， 專 對 DVD±R/±RW 光碟片，做各種參數測試之機台，並可針對寫入的記錄點訊 號 載 子 雜 訊 比 (CNR) 、 光 碟 片 上 刻 畫 的 溝 軌 (Land / Groove) 曲 度 (Wobble) 、光碟片轉動時的抖動率 (Jitter) 、3T~14T 訊號組成的 Eye pattern 等商用碟片上所需的良率測試以及光碟片品質的檢測。. 圖 2-4 光碟測試機結構示意圖. 26.
(39) 基本上，光碟測試機架構和普通的光碟機相似，都是利用雷射光聚焦 在光碟片上，將光碟片之數位訊號讀出，並加以程式化或類比化，而二者 最大不同的是，光碟測試機的碟片驅動盒可以藉由光碟測試機上的控制面 板來控制，如雷射做寫入、讀取、擦拭等不同功率的調變及變換各項控制 參數，亦可藉由電腦及脈衝產生器 (Pulse generator) 控制雷射寫入的頻率 大小以及配合改變光碟片的轉動速度來控制寫入訊號的長短。記錄點的大 小 (Mark size) 的計算方法為：. (2T~14T) * CLV 2f 其中(2T~14T)/(2f)為寫入一記錄點所需的時間， 而 CLV 為光碟的轉速，時間乘上速度即為記錄點的長度。. 光碟片的轉動，無論是定角速度 (Constant Angle Velocity，CAV) 或是 定線速度 (Constant Linear Velocity, CLV) 都可以由外部的控制面板加以 設定調整，並且可以將光碟機之雷射讀取頭的雷射光點固定在碟片上任何 一個特定軌道做鎖軌測試。其中，碟片驅動盒 (Disc driver box) 內部架構， 如圖2-5所示。. 圖 2-5 碟片驅動盒 (Disc driver box) 內部架構. 27.
(40) 光由二極體雷射光源發出，被分光器所反射後，經過準直鏡，再通過 物鏡而形成小光點，照射於光碟片表面資料的訊號上，光由光碟片表面反 射後，通過物鏡、準直鏡、分光器，最後聚集在光電感測器 (Photo-detector) 上。而光碟片相變化材料所形成的記錄點，能造成反射光的強或弱，從而 造成光電感測器輸出電流的增大或減小，由此解讀電流訊號之大小，即可 以辨別數位化訊號為 0 或 1。. ▪ 實驗流程 就光碟片研發階段而言，我們主要是量測載子雜訊比 (CNR) 訊號，用 以確認超解析近場結構之近場效應，對於光碟測試機組僅使用到其中之部 份功能，而使用到的儀器為測試機的碟片驅動盒 (Disc driver box) 、雷射 控制器 (Laser diode controller) 、脈衝產生器 (Pulse generator) 、訊號分析 器 (Signal analyzer) 、頻譜分析儀 (Spectrum analyzer) 及訊號產生器 (Signal generator) 。做測試寫入訊號時，測試流程，如圖2-6所示。. 圖2-6 量測載子雜訊比 (CNR) 訊號的流程. 28.
(41) 首先設定寫入的訊號長度、光碟片轉動定線速度 (CLV) 以及寫入頻 率，將其訊息輸出到訊號分析器 (Signal analyzer) ，另外，由脈衝產生器 (Pulse generator) 送同樣的脈衝頻率到訊號產生器 (Signal generator) ，接著 由訊號產生器 (Signal generator) 傳送預設好之參數給雷射控制器 (Laser diode controller) ，以用於設定雷射寫入碟片時的頻率；另外，回傳的資料 訊號，再由訊號分析器 (Signal analyzer) 送一積分 (Sum) 的訊號至頻譜分 析儀 (Spectrum analyzer) ，將頻譜儀 (Spectrum analyzer) 的中心頻率 (Center frequency) 以及張頻 (Span) 值調整至和先前設定之參數相符合之 設定，即可由頻譜分析儀測出近場超解析結構 (Super-RENS) 光碟片之載 子雜訊比 (CNR)。. 29.
(42) 2-3 導電式原子力顯微儀 C-AFM 2-3.1 原子力顯微儀 AFM ▪ 原子力顯微儀 AFM 的發展 原子力顯微儀的概念應起於 Bining 與 Rohrer 發明了掃描式穿隧電子顯 微鏡(Scanning Tunneling Microscopy，STM)，在此之前，能夠看到原子結 構的儀器只有場離子顯微儀(Field Ion Microscopy，FIM)與電子顯微儀 (Electron Microscopy，EM)。但此兩種儀器對於樣品的製作非常麻煩，且測 量的環境非常的嚴苛，然而 STM 解決了這個困難，但是 STM 是運用電子 穿隧的原理，因此所量測的樣品必須是導體或是半導體，並不能完全解決 人類對奈米世界的探索。而 1985 年 Bining 和 Quate 發明了原子力顯微儀之 後，利用探針與樣品表面的凡得瓦爾力，來量測樣品表面的形貌，徹底的 解決了樣品及環境的限制。 由於各個對於材料的研究並不止於表面形貌，更渴望能獲得材料表面 的特性，因此基於 AFM 的架構下，更發展了許多探針與樣品表面不同作用 力的顯微儀，例如靜電力顯微儀(Electrostatic Force Microscopy，EFM)、磁 力顯微儀(Magnetic Force Microscopy，MFM)、側向力顯微儀(Lateral Force Microscopy ， LFM) 、 近 場 光 學 顯 微 儀 (Near-Field Scanning Optical Microscopy，NSOM)、表面電位顯微儀(Surface Kelvin Microscopy，SKM)、 表面電容顯微儀(Surface Capacitance Microscopy，SCM)等…皆是藉由探針 與樣品表面間不同的作用力，獲得的訊息後呈現出材料的特性。. 30.
(43) ▪ 原子力顯微儀的工作原理 原子力顯微儀不同於 STM 或 SEM 是使用穿隧式電子，而是利用探針 與樣品間原子的凡得瓦力(Van Der Waals Force)加上其它作用力來呈現材料 表面的形貌及特性，所謂凡得瓦力是指分子或原子之間的作用力，由於電 子雲和電子雲之間會有斥力存在，電子雲和原子核之間會有吸引力存在， 因此綜合其吸引力可得 Lennard-Jones potential:. φ(r)= 4ε[σ /r12+σ/r6] σ =diameter of atoms r =distance from tip to sample. 原子間隨著距離的不同會有不同大小的作用大，其能量亦會不同，圖 2-7 即位能與探針至樣品表面距離的關系 Potential Distance from tip to sample. Non-contact. Contact. Tapping. 圖 2-7 位能隨著探針至樣品表面距離而改變. 而 AFM 所使用的三種操作模式 Contact mode、Non-contact mode、 Tapping mode 即使用圖中三段較接近線性的區段，由斜率可看出 Contact mode 為斥力，Non-contact mode 及 Tapping mode 為吸引力。 31.
(44) 原子力顯微儀的工作流程為當懸梁臂(Cantilever)上的探針(Tip)與樣品 間的作用力改變時，會致使懸梁臂有著相對應的偏移量，照射在懸梁臂上 的雷射反射後的位置不同，Position-Sensitive Photodetector(PSPD)所偵測到 的訊號亦不同，而 AFM 就是依據這些訊號轉換成電訊號再經過處理後呈現 材料表面的形貌及特性；另外在掃描的過程中，此訊號亦作為控制探針與 樣品距離的回饋機制，使用具有三軸位移的壓電陶瓷掃描器，使探針在樣 品表面來回掃描，並且利用此掃描器的垂直微調能力及回饋迴路，讓探針 與樣品保持適當的距離。 由探針與樣品表面間的距離，作用力及型態可將原子力顯微儀的操作 模式主要分為三種，分別是接觸式(Contact mode)、非接觸式(Non-contact mode)、與輕敲式(Tapping mode)，三種模式各有其優缺點，由樣品的性質 來決定最適合的方式。. ▪ 接觸式(Contact mode) 接觸式的掃描，探針與樣品的表面約只有數個 A 的距離，是利用原子 間的斥力作用，探針與樣品表面直接接觸，PSPD 偵測到反射雷射光位置的 不同而呈現出物品表面的特性及形貌，而由圖 2-7 可看出接觸式的斜率較 大，也就是探針對於樣品表面性質的改變較靈敏，所得的圖像自然會較清 析；但相對缺點即是由於探針與樣品的接觸，使得在掃描的過程中，損毀 了較脆弱的樣品。 而接觸式又可分為定力模式(Constant force mdoe)及定高模式(Constant high mode) 32.
(45) (1). 定力模式：當控制器(Controler)接收到由 PSPD 感測雷射位置不 同的訊號，以 Feedback 的訊號控制壓電陶瓷掃描器使探針尖端 和樣品表面保持一定的作用力大小，即利用 scanner 的移動量呈 現樣品的表面形態。. (2). 定高模式：在掃描的過程中，scanner 保持不動而同樣利用 PSPD 感測電射位置不同，轉換成電訊號後經處理呈現樣品的表面形 態。. ▪ 非接觸式(Non-contact mode) 非接觸式的掃描，探針與樣品的表面約數十個 A 到數百個 A，是利用 原子間吸引力作用，當探針以垂直振盪的方式接近樣品表面時，由於彼此 間作用力漸漸不同，使得探針振盪的頻率亦會改變，因此非接觸模式即是 利用探針振盪的頻率的改變來呈現樣品表面的形貌以及特性。由於非接觸 式的探針和樣品表面的距離較遠，因此不會像接觸式的一以容易損毀脆弱 的樣品，它的斜率是較小的，也就是對於樣品性質的改變不如接觸式來的 靈敏，相對地所得的圖像也就沒有接觸式的清析。. ▪ 輕敲式(Tapping mode) 輕敲式和非接觸式一樣探針必須選定最佳的頻率振盪，但探針和樣品 表面的距離較近，且每次振盪都會接觸樣品表面一次，事實上輕敲式的發 展即為接觸式和非接觸式的改良，取非接觸式振盪的探針較不易損壞樣 品，而探針和樣品表面的距離較近，和接觸式同樣是使用斥力作用，所得 33.
(46) 圖像的解析度較非接觸式高。輕敲式可以說各取其優，其效能介於接觸式 與非接觸式之間，也因此被廣泛的利用。. 2-3.2 導電式原子力顯微儀 C-AFM 本實驗所使用的 AFM 型 號 為 MFP-3D， 美 國 Asylum 公司製造 MFP-3D，如圖 2-8 所示，其特色為(一)儀器所使用的電射波長為 830nm，(二) 探針作高低起伏的範圍為 16µm，絕對誤差小於 0.3nm；(三)平台作水平移 動的範圍為 100x100µm，絕對誤差小於 0.6nm，(四)C-AFM 的部份可外加 的電壓範圍由-10v 至+10v，電壓感測精準度至 10-11v.. 圖 2-8 美國 Asylum 公司製造的原子力顯微儀 MFP-3D. ▪ 原理 導電式原子力顯微儀(C-AFM)除了量測樣品的表面形貌以外，利用歐 姆定律類似電表的方式進行材料表面的電性量測，因此對於奈米級區域導 電性材料有相當高的實用性，而本實驗即是使用此方式對相變化材料進行 量測，進而了解相變化材料經由雷射寫入後的改變。導電式原子力顯微儀 為接觸式，在操作的過程中，如圖 2-9 所示，導電性樣品與導電性探針形 34.
(47) 成一個迴路，在施與探針一固定的偏壓，當探針與導電性樣品的接觸，由 量測經過樣品的電壓值訊號可以得知其表面的導電性。 NPS Sensor (Z) Piezo. Laser. Photodiode Detector. Cantilever Sample. X-Y Piezo Stage. NPS Sensor (X,Y). --. A. Cont-Pt Conductive probe Recording layer Covered layer Polycarbonate. Virtual Ground. 圖 2-9 導電式原子力顯微儀架構示意圖. 而當C-AFM的測量過程中，可同時得到接觸模式的表面地貌及探針感測的 電流訊號。圖2-10解說了在探針由左向右移動掃描的過程中，探針的高度 變化可以提供地貌影像的資訊，而外加的直流偏壓造成的區域電流流入導 電探針後，可利用歐姆定律 V = I × R 估算電阻值。. 35.
(48) 圖 2-10 導電性探針由左向右掃描的過程中，同時獲得樣品的形貌以及電性訊號. ▪ 實驗流程 如圖2-11所示，實驗的流程即是將光碟的一部份取出，把記錄層以上 的膜層剝除後進行C-AFM的量測，並同時獲得了樣品表面的形貌以及電性 差異，如圖2-12，進而量測記錄點的大小及形貌。 Red Laser Substrate ZnS-SiO2 AgInSbTe. Tip AgInSbTe ZnS-SiO2 Polycarbonate. ZnS-SiO2 Polycarbonate. Commercial Rewritable DVD Sample. Sample. 圖 2-11 將光碟部份膜層剝除後進行 C-AFM 量測. C-AFM. Topography. 圖 2-12 C-AFM 同時獲得樣品表面的形貌和電性差異的實驗結果 36.
(49) 第三章 實驗結果與分析 3-1 實驗數據結構 本章實驗結果由導電式原子力顯微儀 C-AFM 檢測可複寫式光碟記錄 點的數據主要分成二個部份：. ▪ 商用光碟： 量測商用光碟片經複寫後的記錄點，並針對 Jitter 與記錄點的大小及形貌作 分析。. ▪ 近場光碟： 改變記錄層與作用層間的間隔層的距離，即間隔層的厚度，並針對 CNR 訊 號與記錄點的大小及形貌作分析。. 37.
(50) 3-2 商用可複寫式光碟 DVD+RW 3-2.1 實驗動機 商用光碟的部份是和建興電子公司 Liter-on company 合作的，如圖 3-1 所示，以光碟機的雷射光點寫在光碟片的角度可分為三個種類：DOS type、 ROS type 及 TOS type。. 30° Diagonal oriented spot (DOS type). Laser spot. Radial oriented spot (ROS type). Tangential oriented spot (TOS type) Land. Groove. 圖 3-1 光碟機的雷射光點寫在光碟片的角度可分為三個種類： DOS type、ROS type、TOS type. 而一般過去商用碟機較多為 DOS type，但若是使用 ROS type 可以省略 DOS type 光碟機中一使電射光點轉角度的透鏡，進而縮小光碟機的體積和 製作的成本，而 ROS type 所寫下的記錄點經複寫後會使 DC Jitter 值提高， 因此若能藉由 C-AFM 量測記錄點的大小及形貌 而有效的降低 ROS type 經複寫後的 DC Jitter 值至標準值 9 %以下，即可以 ROS type 取代 DOS type。另外 DC Jitter 值為隨機寫下一光碟片後，相同的寫入策略所寫下的 記錄點其記錄點長度的標準偏差，這個部份的實驗結果是由建興公司 Lite-on company 使用 CATS 儀器所量測的。 38.
(51) 3-2.2 改變參數 ▪ 終端電阻 Terminal resistance 如圖 3-2 所示，光碟機中連接 Laser Diode 的控制晶片與 Laser Diode 的 driver 兩訊號線間的電阻即為終端電阻。. Terminal resistance Chip. LD driver. Signal line. Laser Diode. Terminal resistance. 圖 3-2 光碟機中連接 Laser Diode 的控制晶片與 Laser Diode 的 driver 兩訊號線間的電阻即為終端電阻。. 由於兩訊號線可視為一阻抗，而終端電阻即是為了達到阻抗匹配，減 少訊號的反射，使負載獲得最佳的功率，進而降低商用可複寫式光碟片的 DC Jitter 值。而原 DOS type 所使用的終端電阻為 100 歐姆，ROS type 的終 端電阻若為 100 歐姆，經複寫後的 DC Jitter 值會大於標準值 9 %造成讀取 光碟時會有很高的錯誤率，經由 try and error 的方式發現終端電阻為 82 歐 姆時能夠有效地降低商用可複寫式光碟片經複寫後的 DC Jitter 值。. ▪ 寫入策略最佳化 如圖 3-3 所示原寫入策略是使用 N-2T，即若要寫下一 3T 的最小記錄 點，可依時間分成 6 個區域，減去 2T 後即使用 4 個不同時間的 Laser Pulse， 其它不同大小的記錄點也是依此方式，而將寫入策略最佳化的動作是將寫 入一記錄點的寫入策略尾端的 Laser pulse 去除，也就是使用 N-3T 的寫入 策略，發現能有效的降低商用可複寫式光碟片經複寫後的 DC Jitter 值。 39.
(52) Reduce endmost laser pulse. Original 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 0. N-2T. 1. 2. 3. 4. 5. 6. N-3T. 圖 3-3 將寫入策略最佳化的示意圖. 3-2.3 使用 CATS 儀器量測光碟的 DC Jitter 值及 PI Sum8 值 商用光碟的部份是由本實驗室和建興電子公司 Lite-on company 合作 的，實驗的流程為建興電子公司 Lite-on company 寫下商用光碟後，經 CATS 儀器量測 DC Jitter 和 PI Sum8 值，此為光碟品質的一個重要參考指標，其 中 DC Jitter 即光碟抖動率，也就是光碟機在固定寫入策略下所寫下的記錄 點長度的標準偏差，一般商用標準上限為 9 %，超過此標準值即反應了光 碟機所寫下的資訊的準確性不高，不符合商業的需求。 DC Jitter 值的公式為：. Jitter=. σ Tw. X 100%. σ 為記錄點長度與標準記錄點長度的標準偏差，Tw 為標準記錄點的長度. 而 PI Sum8 為 8 個 ECC 區塊裡的 PI 錯誤數，一般商用標準上限為 280。而 商用光碟量測記錄點的實驗即是將建興電子公司使用商用光碟機寫好及使 用 CATS 量測好的光碟進行導電性原子顯微儀的記錄點檢測，藉此分析改 變光碟機的參數，所寫下的光碟其 DC Jitter、PI Sum8 值和記錄點大小及形 狀間的關係。 40.
(53) 3-2.4 實驗數據： ▪ 終端電阻為 100 歐姆(Original)： 圖 3-4 為商用光碟機的終端電阻為 100 歐姆使用 ROS type 經複寫二次 (DOW1)後所寫下之商用光碟片 DVD+RW 經 CATS 儀器所量測的 DC Jitter 值，其中最大值為 11.2 %，最小值為 8.5 %，平均值為 10.4 %，PI Sum8 最 大值為 82，最小值為 2，平均值為 32.1；同時使用導電式原子力顯微儀量 測 C-AFM 影像。 • DVD+RW • DOW1 C-AFM. DC Jitter DC Jitter Value •Max：11.2 % •Min： 8.5 % •Ave：10.4 %. DC Jitter Value (%). Standard 9 8 7 6. • DVD+RW • DOW1 C-AFM. PI Sum8 •Max：82 •Min： 2 •Ave：32.1. 5 4 3 2 1 0 60000. µm. 11 10. Over length:. 452 nm Over length: 452 nm. 120000. 210000. Position，Transporsed sector Current Current. 圖 3-4 商用光碟機的終端電阻為 100 歐姆使用 ROS type 經複寫二次後(DOW1)所寫下之 商用光碟片 DVD+RW 經 CATS 儀器所量測的 DC Jitter 值及 C-AFM 影像. 首先看到使用 ROS type 在與 TOS type 相同的條件下所寫下經複寫二 次後(DOW1)的光碟片其 DC Jitter 明顯超過了標準值 9 %，而記錄點未端也 明顯有拖曳的現象，因此量測每一記錄點未端拖曳的長度，平均為 452nm。 41.
(54) ▪ 終端電阻為 82 歐姆(Optimize terminal resistance)： 圖 3-5 為商用光碟機的終端電阻為 82 歐姆使用 ROS type 經複寫二次 (DOW1)後之商用光碟片 DVD+RW 經 CATS 儀器所量測的 DC Jitter 值，其 中最大值為 9.2 %，最小值為 7.6 %，平均值為 10.4 %，PI Sum8 最大值為 29，最小值為 2，平均值為 12.1；同時使用導電式原子力顯微儀量測 C-AFM 影像。 • DVD+RW • DOW1 C-AFM. DC Jitter DC Jitter Value •Max：9.2 % •Min： 7.6 % •Ave：8.9 %. DC Jitter Value (%). Standard 9 8 7 6. PI Sum8 •Max：29 •Min：2 •Ave：12.1. 5 4 3. • DVD+RW • DOW1 C-AFM. µm. 11 10. Over length: 257 nm. 2 1 060000. 120000. 210000. Position，Transporsed sector Current. 圖 3-5 商用光碟機的終端電阻為 82 歐姆使用 ROS type 經複寫二次後(DOW1)所寫下之 商用光碟片 DVD+RW 經 CATS 儀器所量測的 DC Jitter 值及 C-AFM 影像. 發現當使用 DOS type 且光碟機中之終端電阻為 82 歐姆時，經複寫二 次後的 DC Jitter 值平均為 8.9 %，已降低至標準值 9 %以下，觀察 C-AFM 影像與終端電阻為 100 歐姆比較，明顯記錄點未端拖曳的長度減少了，經 影像放大量測後，記錄點未端拖曳的長度為 257nm，這樣的結果顯示了使 42.
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