利用原子力显微镜测量光盘上信息位的形貌
当今是信息的时代,信息像原子裂变一样迅速膨胀。光盘能够同时存储声音、图像、文字等多种媒体的信息,而且因为其具有存储密度高、价格便宜、保存寿命长和便于携带,能够满足信息化社会海量信息存储的需要等一系列其它记录媒体无可比拟的优点,故日益成为最主要的数据储存介质。光盘里的数据信息是以凹坑形式存储于盘基上,凹坑的深度和长度对数据的读取性能有直接的影响。
1986年,由IBM公司的Binnig与斯坦福大学的Quate等所发明的原子力显微镜(atomicforcemicroscopy,AFM)为直接观测微形貌提供了便利。AFM综合了力学、光学、电子学和计算机等学科和技术,它具有纳米甚至原子量级的超高分辨力。借助AFM可以获得光盘表面形貌特征信息和纳米尺度上的粗糙度,对光盘上信息位凹坑进行三维形貌检测和统计分析,可以找出影响光盘质量的直接原因。现利用AFM实现对CD-R、DVD-R光盘写入前后的表面结构成像,并在纳米级尺度上对光盘沟槽的宽度、深度、长度、间距等表面形貌参数进行测量比较,用以评价光盘质量。
下面分别是CD-R和DVD-R光盘表面形貌图(图2,图3)、三维图(图4,图5)和指定剖面的轮廓图[图6,图7(剖面线位置分别在2,3中黑线位置标出)]。图中亮度越浅,表示高度越高,反之表示高度越低。如图6至图7分别是图2,图3中黑线所示处剖面的轮廓图。图6中标号2,3两个倒三角符号指示的位置是预刻沟槽的宽度测量点即取距离沟槽底部60%的位置。预刻沟槽宽度的测量值取决于测量位置距离沟槽底部的高度以及沟槽侧壁倾角。图6中标号1,4两个倒三角符号指示的位置是预刻沟槽的深度测量点。沟槽的形状是影响光盘质量非常重要的因素。沟槽间距指的是相邻两个沟槽的中心距。在图6至图7所测得的数据中,CD-R刻录前的沟槽深度为115.79~132.76nm,平均值为126.38nm,宽度为664.06nm,间距为1563nm。而DVD-R光盘空白盘片的沟槽深度为66.958~91.447nm,平均值为76.553nm,宽度为351.56nm,间距为761.72nm。DVD-R光盘的道间距比CD-R较窄,仅仅是CD-R光盘的一半,信息存储密度更大。在CD-R和DVD-R光盘上以如图2至图3所示的连续的预刻沟槽组成螺旋状的轨道,在扫描10m10m的范围内,CD-R沟槽数为6,DVD-R沟槽数为13。沟槽本身有微弱的左右摆动,靠这种摆动来提供记录和读出的地址信息,预刻槽摆动幅度的大小将直接影响能否正确读出地址信息,所以要严格控制上下的限值。CD-R的预刻槽的摆动幅度为30nm,允许范围为25~36nm。事实上随着读写速度的提高,幅度应适当提高。2001年10月公布的橙皮书将归一化摆动幅度放宽到0.060,对应的摆动幅度是43nm。如图8所示,若在每两个相邻轨道取若干点来测量道间距的变化,CD-R的道间距的范围是1484~1641nm,则道间距的变化范围是摆动幅度的4倍,其摆动幅度为39nm。
下面分别是写入信息后,CD-R和DVD-R光盘的表面形貌图(图9,图10)、三维图(图11,图12)和指定剖面的轮廓图[图13,图14(剖面线位置分别在9,10中黑线位置标出)]。如图9和图10所示,刻录的信息以一系列凹坑的形式存储于沟槽内。凹坑代表着记录的信息,则凹坑的形状(长度、深度、宽度)对光盘记录的数据质量具有较大的影响,如抖晃、块错误率、对称性和不对称性等。DVD-R光盘的凹坑的长度3光学仪器第30卷比CD-R更短,密度更高,这样DVD-R就能存储更多的信息。写入后,沟槽的宽度和间距没有改变,深度却发生了明显的改变。由图13和图14中标号3,4两个倒三角符号指示的位置是没有信息记录的沟槽,其深度基本不变。由图13和图14中标号1,2两个倒三角符号指示的位置是有信息记录的沟槽,深度加深。写入后,沟槽的深度发生了明显的变化是因为写入时被数据调制后的激光束照到记录介质上时,激光的热效应使光照微区的膜层融化,在表面张力的作用下形成代表信息的凹坑。CD-R光盘的平均沟槽深为182.43nm。DVD-R光盘有信息记录的平均沟槽深度为119.76nm。
利用原子力显微镜可以在纳米级尺度上直接测量光盘上信息位的形貌参数如凹坑长度、凹坑深度、道间距等,这些形貌参数对检测光盘记录的数据质量具有较大的影响。通过对AFM的CD-R和DVD-R两种光盘刻录前和刻录后的表面形貌图的观察和比较分析,可知DVD-R光盘的道间距比CD-R较窄,仅仅4第4期徐琳,等:基于原子力显微镜的光盘表面微结构的检测是CD-R光盘的一半,信息存储密度更大。光盘道间距的变化范围是沟槽摆动幅度的4倍。光盘刻录后,沟槽的宽度和间距没有改变,而有信息记录的沟槽的深度明显变深,DVD-R光盘的凹坑的长度比CD-R更短。光盘发展的趋势是道间距及凹坑越来越小,刻录的信息长度也越来越小来获得更大的存储密度。高密度、高速度数据存储技术将始终是信息技术的关键研究领域和发展方向之一。