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研究生:張崇銘
研究生(外文):Jhang Chong-Ming
論文名稱:銻薄膜應用於穿透式超解析近場光碟之特性研究
論文名稱(外文):A Study of the Characteristics of Sb Thin Films for use in Transmitting-type Super-resolution Near-Field Structure Disc
指導教授:何永鈞
指導教授(外文):Yung Chiun Her
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:材料工程學研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:84
中文關鍵詞:超解析近場光碟
外文關鍵詞:Super-RENS
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摘要
以銻(Sb)薄膜為遮罩層的穿透式超解析近場結構光碟,在讀取時,銻遮罩層經雷射加熱,在雷射光點中央溫度高於銻熔點的區域受到介電層內應力的作用,會形成一小於繞射極限的熔融透明孔徑,因此可讀取到小於繞射極限下的紀錄點。本研究將探討在不同升溫速率下,不同厚度的Sb薄膜在有無ZnS-SiO2介電層保護下的相變化行為,並觀察經熱退火與高功率雷射脈衝退火下單層Sb薄膜與多層ZnS-SiO2 /Sb/ZnS-SiO2多層薄膜的晶體結構與顯微組織的變化,以便了解以Sb薄膜為遮罩層的穿透式超解析近場結構光碟的寫入與讀取機制。
由實驗結果得知,Sb單層薄膜在低於10~15 nm的臨界厚度時,其初濺鍍狀態是呈非結晶態,升溫過程中,Sb薄膜在~100oC附近會由非結晶相轉變成結晶相;當Sb單層薄膜的厚度大於此一臨界厚度時,其初濺鍍狀態是呈結晶態,升溫過程中,Sb薄膜的晶體結構並不會有任何改變。在ZnS-SiO2介電層保護下,Sb薄膜呈結晶態所需的臨界厚度會提高至15~20 nm 之間,高於此一臨界厚度的Sb才能應用於穿透式超解析近場結構光碟。在寫入與讀取過程中,若以較小的雷射功率寫入資料,Sb遮罩層之結構不會發生變化,讀取時,雷射點中央溫度大於Sb熔點的區域,會形成一微小的開口,用以讀取小於繞射極限的訊號,在這種條件下,超解析近場結構光碟的寫入與讀取將可以重複。當寫入的雷射功率增加時,在Sb遮罩層會形成非晶質態的暫時開口,不過讀取時,一樣可形成一微小的開口,讀取小於繞射極限的訊號,而且光碟的寫入與讀取一樣是可以重複的。當施予更高的雷射功率時,因雷射點中央溫度大於Sb熔點的熔融區變大,加上ZnS-SiO2介電層的拉伸應力作用,在Sb遮罩層會形成一永久性的開口,讀取時,此一永久性的開口可以有效縮小雷射點的大小,讀取低於繞射極限的訊號,在這種條件下,超解析近場結構光碟將只能一次寫入。
Abstract
Sb thin film has been adopted as a mask layer for the transmitting-type super-resolution near-field structure (super-RENS) disk .During readout,a transparent aperture smaller than the diffraction limit will be formed in the center region of the laser center spot,where the temperature in the Sb mask layer is higher than the melting point of Sb,under the influence of internal stress induced by the dielectric layer。As a result,the recorded marks beyond the resolution limit can be successfully retrieved。In this study,we investigated the phase change behavior of Sb thin film of different thickness with and without ZnS-SiO2 protection。The structural changes of single-layered Sb and multi-layered ZnS-SiO2/Sb/ZnS-SiO2 films under thermal annealing and pulsed laser irradiation will be examined to understand the recording and readout mechanisms of transmitting-type super-RENS disk with a Sb mask layer。
Based on the experimental observations,it was found that the single-layered Sb film with thickness lower than the critical thickness (10-15nm) was amorphous in the as-deposited state,and will transform to crystalline Sb phase at ~100℃ during nonisothermal annealing。When the thickness of Sb film is greater than the critical thickness,the as-deposited Sb film became crystalline,and remained unchanged during annealing。 With ZnS-SiO2 protction,the critical thickness for Sb film to become crystalline phase increased to 15~20 nm which is also the minimum thickness for Sb film to be used in the transmitting-type super-RENS disk。During the recording and readout processes,when a low recording power is applied,no structure change will occur in the Sb mask layer,and a small aperture will be created at the center region of laser spot,where the temperature is higher than the melting point of Sb,to retrieve the recording marks beyond the diffraction limit。Under this condition,the super-RENS disk is rewritable。When recording power is increased,although an amorphous aperture will be formed in the Sb mask layer during recording,a small aperture still can be created to retrieve the recording marks,and super-RENS disk is also rewritable。However,when higher laser power is applied,a permanent aperture will be created in the center region of laser spot during recording due to the melting of Sb mask layer and the tensile stress induced by ZnS-SiO2 protection layers。During readout,this permanent aperture can effectively reduce the size of laser spot to read the recording marks beyond the diffraction limit so the super-RENS can only be write-once。
總 目 錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅲ
總目錄 Ⅵ
圖目錄 Ⅶ
表目錄 XI
第一章 緒論 1
第二章 理論背景與文獻回顧 3
2.1 傳統近場光學技術 5
2.2 超解析近場結構與原理 7
2.2.1 發散式超解析近場結構 7
2.2.2 穿透式超解析近場結構 .13
2.3 超解析近場結構光碟遮罩層之特性 .15
第三章 實驗步驟 23
3.1 實驗設計 19
3.2 基材準備與處理 25
3.3 濺鍍工作原理 25
3.4 各膜層之濺鍍 27
3.5 退火處理 28
3.6 鍍膜性質 28
3.6.1 表面形貌量測 28
3.6.2 晶體結構分析 30
3.6.3 顯微組織觀察 31
3.6.4 光熱性質分析 31
3.6.5 光學性質分析 32

第四章 實驗結果與討論 34
4.1 初鍍膜Sb薄膜表面形貌 34
4.2 初濺鍍晶體結構分析與顯微組織觀察 36
4.2.1 單層Sb薄膜 36
4.2.2 ZnS-SiO2/Sb/ZnS-SiO2多層薄膜 40
4.3 熱光性質分析 43
4.4 熱退火狀態Sb薄膜組成與結構分析 47
4.4.1單層Sb薄膜 47
4.4.2 ZnS-SiO2/Sb/ZnS-SiO2多層薄膜 52
4.5 相變化活化能 55
4.6 薄膜光學性質分析……………………………………………...58
4.7 雷射退火之顯微組織觀察 64
第五章 結論 69
參考文獻 71



圖 目 錄
圖2.1 光纖探針之近場光學讀寫示意圖 6
圖2.2 光學飛行讀寫頭(a)與固態浸入式透鏡(b)示意圖 6
圖2.3 超解析近場結構中氧化銀(AgOx)受雷射光作用之示意圖 9
圖2.4 超解析近場結構光碟之記錄與讀取機制 10
圖2.5 以PtOx遮罩層所形成超解析近場結構之TEM圖 11
圖2.6 兩種不同型式之表面電漿波 12

圖2.7 典型AgOx超解析近場光碟中Ag金屬顆粒密度與非線
性光學的關係........................................13
圖2.8 以Sb當遮罩層之超解析近場結構截面圖 14
圖2.9 Sb薄膜受雷射光照射後在自由能平衡狀態所產生的”開口”
示意圖 15
圖2.10 Super-RENS碟片在讀寫頭的光輸出為低功率(A)和高功率
(B)時的訊號強度比較圖 17
圖2.11 反射比與溫度的關係圖 19
圖2.12 多層結構中分別使用SiN與ZnS-SiO2介電保護層之應
力狀態圖 20
圖2.13 結構最佳化(stress-modified)的銻薄膜Super-RENS碟
片在低功率和高功率時的光學讀出訊號強度的比較圖 21
圖3.1 實驗流程圖 24
圖3.2 Kaufman type寬束離子源結構剖面圖 26
圖3.3 Kaufman type離子源主體與電源配置示意圖 26
圖3.4 雙離子束濺鍍系統配置示意圖 27
圖3.5 掃描式原子探測顯微鏡示意圖 29
圖3.6 低掠角X光繞涉法示意圖 30
圖3.7 溫度-穿透率量測系統 32
圖3.8 紫外可見光光譜儀示意圖 33
圖4.1 Sb(10nm)單層薄膜初鍍膜的表面形貌圖 35
圖4.2 Sb(15nm)單層薄膜初鍍膜的表面形貌圖 35
圖4.3 Sb(20nm)單層薄膜初鍍膜的表面形貌圖 36
圖4.4 初鍍膜在不同厚度結構的Sb薄膜的X光繞射圖 37
圖4.5 Sb(10nm)單層薄膜初鍍膜之(a)明視野(b)擇區繞射圖 39
圖4.6 Sb(15nm)單層薄膜初鍍膜之(a)明視野(b)擇區繞射圖 39
圖4.7 Sb(20nm)單層薄膜初鍍膜之(a)明視野(b)擇區繞射圖 40
圖4.8 ZnS-SiO2/Sb(10nm)/ZnS-SiO2多層薄膜初鍍膜之(a)明視
野(b)擇區繞射圖 41
圖4.9 ZnS-SiO2/Sb(15nm)/ZnS-SiO2多層薄膜初鍍膜之(a)明視
野(b)擇區繞射圖 42
圖4.10 ZnS-SiO2/Sb(20nm)/ZnS-SiO2多層薄膜初鍍膜之(a)明視
野(b)擇區繞射圖 42
圖4.11 不同厚度Sb薄膜以10℃/min升溫速率下穿透功率對溫度變化的關係圖 44
圖4.12 多層薄膜以不同厚度Sb薄膜在10℃/min升溫速率下穿透功率對溫度變化的關係圖 46
圖4.13 Sb(10nm)單層薄膜初鍍膜與經200℃熱處理之X光
繞射圖 48
圖4.14 Sb(15nm)單層薄膜初鍍膜與經200℃熱處理之X光
繞射圖 48
圖4.15 Sb(20nm)單層薄膜初鍍膜與經200℃熱處理之X光
繞射圖 49
圖4.16 Sb不同厚度的單層薄膜經200℃熱處理之X光繞射圖…….49
圖4.17 Sb(10nm)單層薄膜經200℃熱處理後之(a)明視野(b)擇區
繞射圖 51
圖4.18 Sb(15nm)單層薄膜經200℃熱處理後之(a)明視野(b)擇區
繞射圖 51
圖4.19 Sb(20nm)單層薄膜經200℃熱處理後之(a)明視野(b)擇區
繞射圖 52
圖4.20 ZnS-SiO2/Sb(10nm)/ZnS-SiO2多層薄膜經200℃熱處理後之
(a)明視野(b)擇區繞射圖 53
圖4.21 ZnS-SiO2/Sb(15nm)/ZnS-SiO2多層薄膜經200℃熱處理後之
(a)明視野(b)擇區繞射圖 54
圖4.22 ZnS-SiO2/Sb(20nm)/ZnS-SiO2多層薄膜經200℃熱處理後之
(a)明視野(b)擇區繞射圖 54
圖4.23 Sb(10nm)單層薄膜在不同升溫速率從室溫加熱至200℃熱處理後穿透功率與溫度變化的關係圖 56
圖4.24 ZnS-SiO2/Sb(10nm)/ZnS-SiO2多層薄膜在不同升溫速率從
室溫加熱至600℃後熱處理後穿透功率與溫度變化的關係圖 57
圖4.25 ZnS-SiO2/Sb(15nm)/ZnS-SiO2多層薄膜在不同升溫速率從
室溫加熱至600℃後熱處理後穿透功率與溫度變化的關係
圖. 57
圖4.26厚度10nm的Sb單層單層與厚度為10nm和15nm的ZnS-SiO2/Sb/ZnS-SiO2多層薄膜相變溫度之ln ( A / Tx2 )對( 1 / Tx )關係圖. 58
圖4.27 不同厚度 Sb單層薄膜初濺鍍與經200℃熱處理後之穿透率59
圖4.28 初鍍膜與經熱處理ZnS-SiO2/ Sb(10nm)/ZnS-SiO2
三層薄膜之穿透率與波長關係圖. 62
圖4.29 初鍍膜與經熱處理ZnS-SiO2/ Sb(15nm)/ZnS-SiO2
三層薄膜之穿透率與波長關係圖 62
圖4.30 初鍍膜與經熱處理ZnS-SiO2/ Sb(10nm)/ZnS-SiO2
三層薄膜之穿透率與波長關係圖 63
圖4.31 ZnS-SiO2/Sb(20nm)/ZnS-SiO2多層薄膜3~12mW藍光雷射
功率寫入,100~1000ns脈衝時間照射矩陣TEM圖 66
圖4.32 ZnS-SiO2/Sb(20nm)/ ZnS-SiO2三層薄膜6~12mW籃光雷射
功率寫入、700ns脈衝時間照射TEM圖 67
圖4.33 不同雷射功率寫入,對以Sb為遮罩層的超解析近場結構光碟讀取機制 68


表 目 錄
表2.1 在波長632.8nm雷射照射下,Sb薄膜之折射指數 17
表3.1 各膜層厚度 28
表4.1 藍光λ=405nm、紅光λ=635nm,在不同遮蔽層厚度
ZnS-SiO2/Sb/ZnS-SiO2多層膜初濺鍍與經熱處理之穿透
率值 63
參考文獻
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