付明磊，徐武超，樂(lè)孜純*，伊凡·高博夫，德米特羅·曼科

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.烏克蘭國(guó)家科學(xué)院 信息記錄研究所，烏克蘭 基輔 03113；3.浙江工業(yè)大學(xué) 義烏科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 義烏 322001)

?

用于藍(lán)寶石光盤(pán)的數(shù)字化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

付明磊1,3，徐武超1，樂(lè)孜純1,3*，伊凡·高博夫2,3，德米特羅·曼科2,3

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.烏克蘭國(guó)家科學(xué)院 信息記錄研究所，烏克蘭 基輔 03113；3.浙江工業(yè)大學(xué) 義烏科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 義烏 322001)

為了解決長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的難題，開(kāi)展了以數(shù)字格式在藍(lán)寶石光盤(pán)表面寫(xiě)入數(shù)據(jù)的研究工作。根據(jù)艾林方程，分析了利用常用無(wú)機(jī)材料進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)失效時(shí)間。描述了在藍(lán)寶石材料為基底的光盤(pán)上以數(shù)字格式記錄數(shù)據(jù)的基本工藝流程，重點(diǎn)介紹了用于藍(lán)寶石光盤(pán)的離子束刻蝕系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，藍(lán)寶石光盤(pán)表面刻蝕的信息坑寬度為0.6 μm，深度為0.2 μm，磁道節(jié)距為1.6 μm，符合ISO/IEC 10149:1995規(guī)定的CD-ROM格式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，表明采用本文提出的方法實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石光盤(pán)的數(shù)字化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是可行的。此外，這種基本工藝流程不僅適用于藍(lán)寶石光盤(pán)，同樣適用于其它以高度穩(wěn)定的材料(如石英玻璃)作為基底的光盤(pán)。

藍(lán)寶石光盤(pán)；光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；干法刻蝕

1　引　言

隨著云存儲(chǔ)技術(shù)和高速互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)使用光盤(pán)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求量不斷降低。但光盤(pán)在歸檔數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域依然占據(jù)優(yōu)勢(shì)[1-6]。比如，在需要存儲(chǔ)重要文獻(xiàn)、歷史檔案、世界文化遺產(chǎn)信息、基因數(shù)據(jù)等珍貴資料時(shí)，光盤(pán)存儲(chǔ)往往會(huì)作為首選方案。在“大數(shù)據(jù)”背景下，人們對(duì)光盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性和時(shí)效性提出了更高的要求，即長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。然而，目前常用的光盤(pán)大多以聚碳酸酯(PC)材料為基底，由于PC材料本身的穩(wěn)定性較低，以及光盤(pán)金屬層與基底層的黏附性較弱，因此目前的光盤(pán)難以滿足長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求[7-8]。

為了解決長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者嘗試了多種技術(shù)方案。這些方案的共性是選用穩(wěn)定性高的材料作為記錄媒質(zhì)或基底[9-13]。文獻(xiàn)[14]采用金屬陶瓷作為記錄媒質(zhì)，文獻(xiàn)[15]采用石英作為基底材料。文獻(xiàn)[16]采用鎢作為記錄媒質(zhì)，同時(shí)以氮化硅進(jìn)行封裝。在文獻(xiàn)[17]和[18]中，作者提出采用離子束刻蝕方法在硼硅玻璃表面制作信息坑。目前，真正實(shí)用化的技術(shù)方案是由法國(guó)ARNANO公司設(shè)計(jì)的超長(zhǎng)壽命Nanoform光盤(pán)[19]。采用藍(lán)寶石材料作為基底，存儲(chǔ)容量為一萬(wàn)張A4紙。但Nanoform光盤(pán)的數(shù)據(jù)是以模擬格式記錄的，嚴(yán)重制約了光盤(pán)的應(yīng)用范圍。

相比以模擬格式寫(xiě)入數(shù)據(jù)，數(shù)字格式主要存在以下優(yōu)勢(shì)。(1)數(shù)字信號(hào)對(duì)信號(hào)電平的精度要求不敏感，這意味著讀取系統(tǒng)可以具有更大的誤差允許范圍；(2)數(shù)字信號(hào)可以存儲(chǔ)更多類(lèi)型的文件格式，如視頻文件、音頻文件等，而模擬格式只能對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)。單晶藍(lán)寶石材料在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)方面具有突出優(yōu)勢(shì)。比如，它具有9級(jí)表面硬度(金剛石10級(jí))、2 318K的熔點(diǎn)等。因此，采用單晶藍(lán)寶石材料制作的光盤(pán)具有抗磨損擦傷、防火、防化學(xué)腐蝕、防紫外線輻射等性能。然而，正是因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì)，在藍(lán)寶石光盤(pán)表面以數(shù)字格式寫(xiě)入數(shù)據(jù)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。

本文介紹了在藍(lán)寶石材料為基底的光盤(pán)上以數(shù)字格式記錄數(shù)據(jù)的工藝流程，重點(diǎn)介紹了用于藍(lán)寶石光盤(pán)的離子束刻蝕系統(tǒng)和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了采用藍(lán)寶石光盤(pán)作為長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體的可行性。

2　長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)光盤(pán)制作材料分析

通常，數(shù)據(jù)以信息坑的形式刻蝕在光盤(pán)的基底表面。一旦光盤(pán)的存儲(chǔ)環(huán)境溫度超過(guò)了光盤(pán)基底的熔點(diǎn)，所記錄的數(shù)據(jù)將丟失。因此，可以根據(jù)信息坑的老化時(shí)間評(píng)估光盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)失效時(shí)間。假設(shè)兩種光盤(pán)基底材料的熔點(diǎn)分別為T(mén)1和T2，由這兩種基底材料制作光盤(pán)的數(shù)據(jù)失效時(shí)間分別是t1和t2，根據(jù)艾林方程(Eyring equation)，光盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)失效時(shí)間與光盤(pán)基底材料熔點(diǎn)的關(guān)系為[1-3,7]：

(1)

Okino Y.[20]和Slattery O.[21]等人的研究表明：在20℃溫度和40%相對(duì)濕度的存儲(chǔ)條件下，以聚碳酸酯(PC)為基底材料的光盤(pán)的數(shù)據(jù)失效時(shí)間為20～50年。假定在一般存儲(chǔ)條件下(即沒(méi)有維持溫度條件和濕度條件)，以聚碳酸酯(PC)為基底材料的光盤(pán)數(shù)據(jù)失效時(shí)間為10年計(jì)算，可以估計(jì)以高穩(wěn)定性無(wú)機(jī)材料為基底的光盤(pán)的數(shù)據(jù)失效時(shí)間。其中，式(1)中T取20 ℃(或者293 K)。表1所示的理論分析結(jié)果表明，采用藍(lán)寶石材料作為基底制作的光盤(pán)，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間可達(dá)數(shù)千年。

表1　以無(wú)機(jī)材料為基底的光盤(pán)數(shù)據(jù)失效時(shí)間

如圖1所示，藍(lán)寶石光盤(pán)在結(jié)構(gòu)上可分為襯底層、反射層和保護(hù)層。信息是以信息坑形式直接刻蝕在襯底層上的，所以襯底層材料的選擇直接關(guān)乎光盤(pán)數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)時(shí)間。

圖1　藍(lán)寶石光盤(pán)結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of sapphire optical disk

3　藍(lán)寶石光盤(pán)的數(shù)據(jù)記錄過(guò)程

圖2　藍(lán)寶石光盤(pán)數(shù)據(jù)記錄過(guò)程Fig.2　Stages of data recording process on the optical disc for long-term data storage

對(duì)于以聚碳酸酯(PC)為基底的光盤(pán)(可錄光盤(pán))，其數(shù)據(jù)記錄比較簡(jiǎn)單，一般采用高強(qiáng)度激光來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入。對(duì)于藍(lán)寶石這種穩(wěn)定性高的無(wú)機(jī)材料，采用這種激光刻蝕的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄將比較困難，且成本昂貴。ISO/IEC 10149:1995標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)字格式光盤(pán)的磁道結(jié)構(gòu)提出了嚴(yán)格要求，考慮到采用干蝕法更易實(shí)現(xiàn)刻蝕深度的均勻性[22-23]，因此選用干法刻蝕技術(shù)在藍(lán)寶石光盤(pán)基底表面以CD-ROM格式(根據(jù)ISO/IEC 10149:1995)記錄數(shù)據(jù)，其技術(shù)流程如圖2所示。對(duì)于藍(lán)寶石材料(折射率為1.77)，如果以CD格式進(jìn)行數(shù)字格式寫(xiě)入數(shù)據(jù)，需要信息坑的深度在110 nm[24]。首先，通過(guò)熱蒸發(fā)在藍(lán)寶石基底表面覆蓋一層鉻膜，鉻膜除了可以作為反射層的材料，還有助于表面電荷轉(zhuǎn)移，提高刻蝕深度。然后，利用離心機(jī)在藍(lán)寶石基底表面沉積光刻膠。接下來(lái)，通過(guò)聚焦激光束將需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)記錄在光刻膠層。通過(guò)對(duì)光刻膠進(jìn)行選擇性刻蝕，得到刻蝕掩膜。掩膜將決定光盤(pán)的信息格式(CD格式、DVD格式或BD格式)。之后，還需對(duì)裸露出的鉻膜進(jìn)行化學(xué)刻蝕。接下來(lái)，通過(guò)離子束刻蝕方法在藍(lán)寶石基底表面制作信息坑。在離子束刻蝕完成后，需要清除殘余的光刻膠。最后，在信息坑表面覆蓋金屬反射層。

4　用于藍(lán)寶石光盤(pán)的離子束刻蝕系統(tǒng)

在藍(lán)寶石光盤(pán)的數(shù)據(jù)記錄過(guò)程中，離子束刻蝕是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，CF4與不同比例的氬氣混合后，在電流密度為10 mA/cm2、離子束直徑為3 cm、電壓為2.6 kV條件下，可以獲得對(duì)于藍(lán)寶石材料的最大刻蝕速率為5 nm/min。通過(guò)調(diào)整刻蝕時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)寶石光盤(pán)信息坑深度的精確控制。采用由具有冷陰極的離子源產(chǎn)生的離子束對(duì)基底材料進(jìn)行刻蝕。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，CF4與Ar首先會(huì)被電離，形成等離子體[25]：

CF4+e-?CF+3+F+2e-,

(2)

Ar+e-?Ar++2e-,

(3)

離子束刻蝕系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)工作在真空環(huán)境下。氣體源存在于2個(gè)頂部開(kāi)有小孔的容器5、6，氣體噴出后首先被2 kV的電壓加速。在氣體源和地線7之間的空間由輝光放電產(chǎn)生等離子體，其中離子束被靜電場(chǎng)分離出，并由螺旋線圈3產(chǎn)生的磁場(chǎng)聚焦。離子束由帶正電荷的粒子2形成，到達(dá)工件1表面形成表面電荷。由于事先在工件(藍(lán)寶石襯底層)表面鍍了一層鉻膜，所以多余的表面電荷會(huì)被轉(zhuǎn)移，因此不會(huì)發(fā)生由于表面電荷沉積而對(duì)刻蝕作用產(chǎn)生抑制的現(xiàn)象，有助于提高刻蝕深度。

圖3　離子束刻蝕系統(tǒng)Fig.3　Scheme of ion beam etching system

需要注意的是，由于藍(lán)寶石材料的主要成分為Al2O3，在刻蝕完成后，藍(lán)寶石基底信息坑表面可能積聚一層氟化鋁薄膜。如有必要，可采用氬離子束將這層薄膜去除。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

在藍(lán)寶石光盤(pán)中以CD格式記錄數(shù)據(jù)。首先，對(duì)藍(lán)寶石基底進(jìn)行徹底清洗，依次采用氫氟酸(HF)、超聲波清洗器、液態(tài)丙酮、異丙酮進(jìn)行處理，最后進(jìn)行15 min的高壓放電。然后，通過(guò)轉(zhuǎn)速為2 800 rpm的離心機(jī)在藍(lán)寶石基底表面沉積一層Shipley 1813光刻膠，其厚度為150 nm，并且在90 ℃溫度下進(jìn)行1 h退火處理。在制作刻蝕掩膜前，為降低離子束對(duì)掩膜的刻蝕速率，通過(guò)熱蒸發(fā)在藍(lán)寶石基底表面覆蓋一層鉻膜以提高刻蝕深度。在完成光刻膠層上的數(shù)據(jù)記錄和選擇性刻蝕后，需要去除暴露出來(lái)的鉻膜。最后，當(dāng)離子束刻蝕完成后，藍(lán)寶石光盤(pán)基底需在2%的KOH溶液中浸泡10 h以去除殘余光刻膠。

在完成對(duì)藍(lán)寶石光盤(pán)表面刻蝕后，采用原子力顯微鏡對(duì)光盤(pán)表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，以便對(duì)刻蝕效果進(jìn)行評(píng)估。圖4和圖5分別給出了原子力顯微鏡下藍(lán)寶石光盤(pán)表面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖像和截面分析曲線。結(jié)果顯示，信息坑的寬度約為0.6 μm，深度約為0.2 μm，磁道節(jié)距約為1.6 μm，這樣的深度和形狀使得數(shù)據(jù)易于被讀取或復(fù)制。因此，該方法實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石光盤(pán)的數(shù)字化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是可行的。

圖4　CD格式藍(lán)寶石光盤(pán)表面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.4　Data structure in CD format on the surface of sapphire optical disc

圖5　藍(lán)寶石光盤(pán)縱向截面分析曲線Fig.5　Section analysis curve for sapphire optical disc

本次實(shí)驗(yàn)是以CD格式在藍(lán)寶石光盤(pán)表面記錄數(shù)據(jù)。同時(shí)，也考慮以高密度媒體格式(DVD格式或者BD格式)記錄數(shù)據(jù)的可能性。然而，數(shù)據(jù)記錄密度的增加會(huì)使基底表面結(jié)構(gòu)的特征尺寸減小，例如BD格式光盤(pán)信息坑的磁道寬度僅為150 nm。這就意味著需要對(duì)現(xiàn)有的離子束刻蝕系統(tǒng)做進(jìn)一步改良。提高離子束刻蝕系統(tǒng)的刻蝕精度可以從兩個(gè)方面入手：(1)尋找性能更為優(yōu)良的光刻膠材料作為刻蝕掩膜，例如具有更高分辨能力、更耐離子束侵蝕的掩膜材料；(2)提升離子束的聚焦能力以提高刻蝕精度。

本文研究的藍(lán)寶石光盤(pán)，其制作方法類(lèi)似于傳統(tǒng)光盤(pán)的母盤(pán)制作方法[26]。所不同的是，相比于制作母盤(pán)時(shí)在玻璃襯底上刻蝕數(shù)據(jù)，在藍(lán)寶石這種高度穩(wěn)定的材料上刻蝕數(shù)據(jù)難度更大、成本更高。區(qū)別于制作母盤(pán)時(shí)所采用的方法流程，本文提出的方法預(yù)先在藍(lán)寶石襯底表面覆蓋了一層鉻膜，大大提高刻蝕深度。但是，由于所述方法對(duì)刻蝕設(shè)備(離子束刻蝕機(jī))的要求過(guò)高，因此該方法目前很難普及，只能面向一些特殊的機(jī)構(gòu)，用于保存更有價(jià)值的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)讀取方面，由于藍(lán)寶石材料具有明顯的各向異性，當(dāng)掃描光束入射到藍(lán)寶石襯底中會(huì)發(fā)生雙折射，產(chǎn)生像差，從而影響信息讀取的可靠性和分辨率。在這一點(diǎn)上，可采用增加補(bǔ)償板的方式來(lái)對(duì)像差進(jìn)行補(bǔ)償。研究發(fā)現(xiàn)，石英是一種與藍(lán)寶石具有相反各向異性的材料，因此可采用石英補(bǔ)償板來(lái)補(bǔ)償藍(lán)寶石襯底的像差。

5　結(jié)　論

本文介紹了利用藍(lán)寶石光盤(pán)進(jìn)行數(shù)字式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基本工藝流程，重點(diǎn)介紹了所采用的離子束刻蝕系統(tǒng)和所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，藍(lán)寶石光盤(pán)信息坑的寬度約為0.6 μm，深度約為0.2 μm，磁道節(jié)距約為1.6 μm，符合ISO/IEC 10149:1995規(guī)定的CD-ROM格式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。此外，這種基本工藝流程不僅適用于藍(lán)寶石光盤(pán)，同樣適用于其它以高度穩(wěn)定的材料(如石英玻璃)作為基底的光盤(pán)。目前，相對(duì)于聚碳酸酯(PC)光盤(pán)，藍(lán)寶石光盤(pán)的制作成本相對(duì)較高，因此短時(shí)間內(nèi)很難大規(guī)模普及。但是，藍(lán)寶石光盤(pán)在長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的優(yōu)異性能使得它在歸檔數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(特別是價(jià)值高、具有重要意義的數(shù)據(jù))中依然具有較廣闊的應(yīng)用空間。在未來(lái)工作中，將努力提高藍(lán)寶石光盤(pán)的數(shù)據(jù)記錄密度，優(yōu)化藍(lán)寶石光盤(pán)的制作工藝流程。

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ZOU ZH Q, CHEN G M, FANG H L,etal.. A study of preparing master with reactive ion beam etching[J].VacuumScienceandTechnology, 1999, 10:126-129.(in Chinese)

付明磊(1981-)，男，天津薊縣人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，2004年于浙江工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2007年于浙江工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，2010年于浙江工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件及其信息處理技術(shù)方面的研究。E-mail：fuml@zjut.edu.cn

徐武超(1992-)，男，浙江臺(tái)州人，碩士研究生，2014年于天津理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光學(xué)信息存儲(chǔ)方面的研究。E-mail：xwc@zjut.edu.cn

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Data recording in digital form on sapphire optical disk

FU Ming-lei1,3，XU Wu-chao1，LE Zi-chun1,3*，GORBOV Ivan2,3，MANKO Dmytro2,3

(1.College of Science，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China；2.Instituteforinformationrecording，NASofUkraine，Kiev03113，Ukraine；3.YiwuAcademyofScienceandTechnology，ZhejiangUniversityofTechnology，Yiwu322001，China)*Correspondingauthor,E-mail:lzc@zjut.edu.cn

To achieve long-term data storage on a sapphire optical disk, this paper researches how to record data on the sapphire optical disk surface in a digital form. On the basis of Eyring equation, the time-to-failure of data recording on the substrates made of inorganic materials was estimated. The data recording process on the sapphire optical disk with the substrate made of sapphire in digital form was introduced. Dry etching techniques as well as an ion beam etching system were emphasized. Experimental results show that the width and depth of a pit on the optical disk are 0.6 μm and 0.2 μm, respectively, the track pitch is 1.6 μm, and those parameters of the pits on the surface of sapphire optical disk are in compliance with that of CD-ROM form defined by ISO/IEC 10149:1995 standard. These results demonstrate that the proposed method is feasible to realize data recording in digital form on sapphire optical disks. The method is not only suitable for the sapphire optical disk , but also for other optical disks with substrates made of high stable materials(such as quartz glass).

sapphire optical disk; optical data storage;long term data storage; dry etching

2016-04-20；

2016-05-27.

國(guó)家高端外國(guó)專(zhuān)家資助項(xiàng)目(No.GDT20153300054);浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.2015C34011)

1004-924X(2016)10-2456-06

TQ597

Adoi:10.3788/OPE.20162410.2456