專利名稱：數(shù)字光學(xué)媒體錄制和復(fù)制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及對諸如數(shù)字光盤之類的數(shù)字光學(xué)媒體進行母盤制作、錄制和復(fù)制的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在包括菲利浦電子公司、索尼公司、Thomson and Discovision Associate(DVA)在內(nèi)各方歷經(jīng)二十余年的努力下，數(shù)字小型光盤技術(shù)有了較大的發(fā)展。該項技術(shù)(包括該項技術(shù)的擴展技術(shù)和改進技術(shù))已經(jīng)被世界上最大的消費電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家和計算機公司接受為標準。由于存儲容量較大而光盤與重放裝置的單位成本又較低，所以除去版權(quán)方面的費用，全球該領(lǐng)域內(nèi)的銷售額和技術(shù)許可費每年也要數(shù)以幾十億美元計。該項技術(shù)已經(jīng)成為各種類型數(shù)字化數(shù)據(jù)永久存儲的世界標準。
數(shù)字小型光盤(或者CD)由盤片組成，每塊盤片由優(yōu)質(zhì)塑料制成，直徑為120毫米而厚度為1.2毫米，表面鍍有鋁薄層(50鈉米厚)。這些盤片最多可以容納12億字節(jié)的數(shù)字化信息。常用的糾錯技術(shù)一般使盤片的有效存儲容量縮減為680兆字節(jié)左右。
小型光盤技術(shù)中采用的數(shù)字光學(xué)錄制基本原理基于局部反射率調(diào)制，其中反射率不同的多個區(qū)域代表了一個個數(shù)據(jù)比特。局部反射率的最常用方法是所謂的“相位坑”方法。相位坑的深度必須精確地等于讀取數(shù)據(jù)所用光源光線波長的四分之一(大約120鈉米)。相位坑可以用幅度體代替，其中反射率因反射鍍層的不連續(xù)性或者光線在凹面或凸面微觀結(jié)構(gòu)上的散射而下降。
CD上的凹坑(或者幅度體)排列成螺旋線狀，起點在距盤片“插孔”中心20毫米處并以單根螺旋線軌跡形式延續(xù)到距盤片外邊緣幾個毫米的范圍內(nèi)?？蓪⒄麠l螺旋軌跡線視為有相位坑的點和無相位坑的點組成的長線。如果因紅色激光束在某一點上無反射而檢測到凹坑，則光電檢測器和相關(guān)的電路就將此解釋為數(shù)字“1”。如果點上沒有凹坑，則解釋為“0”和(零)。這種連續(xù)的“1”和“0”串包含了光盤上記錄的數(shù)字信息。凹坑的額定寬度為0.6微米；某圈螺旋軌跡線與其內(nèi)外圈螺旋軌跡線相距1.6微米。
現(xiàn)有的CD制造工藝可以分為獨立的三個過程母盤制作、壓模制造和復(fù)制。以下描述現(xiàn)有CD工藝的一般步驟。
A.母盤制作1.根據(jù)規(guī)定的格式預(yù)制原版數(shù)據(jù)；2.準備覆蓋光刻膠層的光學(xué)拋光玻璃盤(或者玻璃母盤)；3.玻璃母盤在激光束記錄器內(nèi)，用按預(yù)制原版數(shù)據(jù)調(diào)制的聚焦激光束曝光。聚焦激光束在玻璃母盤表面沿著螺旋線軌跡行進，光強由聲光調(diào)制器控制其開啟和關(guān)閉。光刻膠層的曝光區(qū)域與相位坑的位置和尺寸對應(yīng)；4.使玻璃母盤顯影，并且沖洗掉光刻膠曝光區(qū)域；5.在完成上述步驟后對質(zhì)量進行檢查。
B.壓模制造1.利用真空淀積方法在玻璃壓模的光刻膠圖案上淀積銀薄層；2.利用電鍍方法在銀層上淀積存鎳層，從而形成鎳板陽模。這樣就制作出了一副陽模。
3.鎳制陽模是玻璃母盤的復(fù)制陰模(即它的凸起對應(yīng)相位凹坑)。鎳制陽?？梢杂米髯⑸涑尚螇耗?，但是由于制作成本較高，所以一般不用作壓模。因此利用電鍍和分離方法制作出若干陰模(復(fù)制陽模)；4.利用電鍍和分離方法由陰模制作出壓模(玻璃母盤的復(fù)制陰模)；5.在完成上述步驟后對質(zhì)量進行檢查。
C.復(fù)制1.鎳制壓模被用于聚碳酸酯CD基片的高壓注射成形；2.在基片冷卻后通過濺射方法涂覆鋁反射層；3.在鋁層上旋轉(zhuǎn)涂敷保護層并隨后通過紫外線輻射凝固；4.將螺旋軌跡線的衍射效率作為成品檢驗的判據(jù)。
由于復(fù)制生產(chǎn)過程中的打上印記和包裝步驟大部分是離線進行的，所以省略了對它們的介紹。母盤制作過程(包括光刻膠旋轉(zhuǎn)涂膠和淀積)一般需要在100級超凈設(shè)施內(nèi)耗時3-4小時。壓模生產(chǎn)需要在100級超凈設(shè)施內(nèi)耗時5-8小時。最后，高效的注塑成形復(fù)制速度為每4秒生產(chǎn)一張CD。
上述現(xiàn)有的CD生產(chǎn)方法具有如下的缺點◎母盤制作和壓模生產(chǎn)需要長時間使用昂貴的設(shè)備和設(shè)施；◎現(xiàn)有技術(shù)工序速度慢并且是分立的。每張CD分開來處理，制造一張CD至少需要4秒鐘，時間較長；◎現(xiàn)有技術(shù)工序涉及到高溫和高壓過程。塑料的熔點在300℃左右，注射成形壓力為20-40噸。由于高壓注塑成形中明顯的應(yīng)力分布不均和快速冷卻過程中的溫度梯度，會引起雙折射問題(即折射率的各向異性)；◎為了盡量減小工藝引發(fā)的光學(xué)非均勻性帶來的雙折射，采用了非常昂貴的聚碳酸酯塑料作為基片材料；◎在基片的聚碳酸酯樹脂合成工藝中包括氯化步驟。殘留的氯原子與CD的鋁涂層反應(yīng)從而縮短了CD的預(yù)期使用壽命；◎由于注模塑成形工藝復(fù)雜和質(zhì)量易受影響，所以為了滿足對唱片CD和CDROM快速增長的需求，需要投入大量的資金；◎當今，建造一個具有規(guī)模經(jīng)濟的工廠需要7500萬美元的投入；特別大的設(shè)施需要1億美元以上的投資。由于采用超純材料，所以每張CD制造費用至少為40美分。
為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，已經(jīng)開發(fā)出替代現(xiàn)有技術(shù)的新工藝。例如，有人提出一種降低機械和溫度應(yīng)力的方法，它用壓紋的方法代替注射成形工藝。在該項技術(shù)中，相位坑用幅度體代替。由于邊緣光散射和屏蔽掩膜選擇性淀積金屬涂層中的不連續(xù)性，幅度體的反射率降低。由于用金屬蒸發(fā)制造屏蔽掩膜的復(fù)雜性以及其它一些缺點，壓紋法迄今為止還未進入實用化。
替代高溫/高壓注射成形工藝的另一種方法是美國專利No.4,423,137中提出的接觸光刻復(fù)制方法，該專利被轉(zhuǎn)讓于Quixote股份公司，

圖1A、1B、1C和1D示出了該方法。如圖1A所示，該工藝包括采用接觸光刻與平面剛性母掩膜，母掩膜包括涂覆反射金屬層2的平板玻璃基片1，孔徑3對應(yīng)CD的凹坑圖案。平板剛性母掩膜被復(fù)制到覆蓋反射層5和光刻膠層6的平板剛性基片4上。在圖1B中，光刻膠6的區(qū)域61在光線下曝光并去除，從而使反射涂層2的下層區(qū)域51曝光。在圖1C中，區(qū)域51被腐蝕掉，而在圖1D中光刻膠6被去除掉。最終的結(jié)構(gòu)代表了多個幅度體，做成一定大小并分布在基片表面，且對應(yīng)于母板上反射涂層的開孔。隨后的步驟是涂覆保護層、層疊剛性透明盤片和打上印記，這樣就制造出符合ISO 9660標準的CD。
接觸光刻工藝作為一種半導(dǎo)體器件制造中的微觀圖案轉(zhuǎn)印方法，從60年代起就被業(yè)界熟知。成功實現(xiàn)接觸光刻的主要要求是減少光學(xué)掩膜(例如圖1A中的金屬圖案母板1和2)與基片4上光刻膠涂層61之間的間隙。對于表面積小(1-5cm2)的情況，這種要求是可行的，但是對于表面積較大的情況(例如直徑為12厘米的CD基片)，要可靠地控制間隙如果不能說是不可能，那也是極其困難的。而且，如果要在大批量復(fù)制工藝中應(yīng)用接觸光刻技術(shù)，則會無法保持母板與基片之間均勻的小間隙。基于上述以及其它原因，美國專利No.4,123,137中揭示的復(fù)制工藝雖然在理論上可行，但卻無法在實用中推廣。
人們普遍認為，由于連續(xù)工藝的速度快、可靠性高并且成本低，所以與批量或分立工藝相比具有較大的優(yōu)勢。顯而易見的是，現(xiàn)有技術(shù)的注射成形技術(shù)基本上屬于分立的CD制造方法。因此采用連續(xù)CD復(fù)制方法將會對現(xiàn)有技術(shù)作出重大的改進。
Polaroid公司的W.Dennis Slafer等人所發(fā)表的“薄護層光學(xué)媒體的連續(xù)制造工藝”一文(刊登在SPIE Vol.1663《光學(xué)數(shù)據(jù)存儲》(1992)第324頁)中揭示一種連續(xù)制造CD的方法。在該方法中，薄膜基片的連續(xù)網(wǎng)用滾筒表面的微型凸起壓紋，并且通過金屬化達到一定的反射率，為了達到標準厚度，連續(xù)網(wǎng)層疊在厚的透明塑料板上。在整個復(fù)制過程中合成塑料網(wǎng)的處理和傳送速度是恒定的直到它被分割為單片CD。Polaroid文章所介紹的復(fù)制方法采用的是眾所周知的連續(xù)網(wǎng)處理、印制和層疊技術(shù)。但是，利用滾筒曲面上微型凸起對塑料薄膜壓紋控制起來比較困難，特別是在網(wǎng)速較高的情況下。因此，作為復(fù)制CD的方法，這項現(xiàn)有技術(shù)有缺點顯著，不實用。
值得注意的是，現(xiàn)有的CD唱片和CD ROM媒體標準可以用新標準代替，新標準提高了更大的新型存儲容量。諸如數(shù)字視頻光盤(DVD)之類的新標準富有競爭力，它們利用了更小的微觀特征并且多層結(jié)構(gòu)中的紋道凹坑更小。在這些新要求下，就微觀空間分辨率和產(chǎn)量而言，現(xiàn)有的注射成形方法已經(jīng)沒有多少潛力。此外，新的CD技術(shù)使其它已知的現(xiàn)有技術(shù)變得更加不實用。因此明顯需要一種替代的方法和系統(tǒng)，能夠復(fù)制高分辨率的光學(xué)媒體和具有多層結(jié)構(gòu)和其它新形狀的新媒體類型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種數(shù)字光學(xué)錄制的新方法和系統(tǒng)。工藝過程分為兩個獨立的操作步驟在伸長部件(例如圓柱體)表面進行光學(xué)錄制的母盤制作，以及在基本平行圓柱體表面的柔性薄膜表面對母盤記錄進行快速復(fù)制。
在一個實施例中，本發(fā)明的母盤單元包括諸如圓柱體或其它合適形狀部件之類的伸長部件，具有規(guī)定的旋轉(zhuǎn)軸。伸長部件可以由對輻射能量(例如激光束能量)透明的材料構(gòu)成。伸長部件在外表面上包括光學(xué)厚層，使少量輻射能量通過。
激光束或其它類型的聚焦能量可以聚焦在伸長部件表面的選定區(qū)域，從而燒蝕或不燒蝕地熔化光學(xué)厚層的相應(yīng)區(qū)域。熔化后，光學(xué)厚層的選定區(qū)域在光學(xué)上變薄或者完全去除，從而使較大的輻射能量通過。激光束可以控制成熔化光學(xué)厚層區(qū)域以形成光學(xué)薄層，對例如小型光盤(CD)的布局進行編碼。為了對伸長部件編碼，可以采用一種索引，它將小型光盤編碼的笛卡爾坐標映射到包含位置編碼信息的表格中。
在形成伸長部件作為母盤之后，可以在伸長部件內(nèi)提供均勻的輻射以開始復(fù)制過程。均勻的輻射可以由沿伸長部件旋轉(zhuǎn)軸放置的光源提供或者可以是其它形式的輻射，例如任何合適頻帶內(nèi)的電磁輻射源。
為了完成復(fù)制過程，提供了包括光學(xué)擾動層的薄膜，其中光學(xué)擾動層可以根據(jù)輻射能量進行變動。例如，薄膜可以包括反射層和反射層上的光刻膠層。
伸長部件隨后沿規(guī)定的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，而薄膜的光刻膠層直接與伸長部件的外表面接觸。由于伸長部件由透明材料構(gòu)成，所以薄膜的光刻膠層透過伸長部件外部表面上的光學(xué)薄層區(qū)域受到均勻輻射的曝光。因此，薄膜的光刻膠層經(jīng)過曝光而在伸長部件外部對數(shù)據(jù)進行編碼。
在光刻膠層如上所述曝光后，薄膜光刻膠層上受到均勻輻射曝光的區(qū)域被去除。隨后，通過腐蝕那些與光刻膠層被去除區(qū)域?qū)?yīng)的區(qū)域，去除薄膜的反射層，并去除整個光刻膠層，從而留下腐蝕過的薄膜反射層作為母盤副本。
通過使薄膜作均勻的平移運動和使伸長部件作均勻的旋轉(zhuǎn)運動可以實現(xiàn)圓柱體表面母盤圖案到薄膜的快速連續(xù)復(fù)制。光學(xué)擾動層的曝光劑量由運動速度和均勻輻射的強度確定。
附圖的簡要說明圖1A、1B、1C和1D為采用接觸光刻法的現(xiàn)有技術(shù)復(fù)制方法剖面圖。
圖2A和2B示出了按照本發(fā)明如何根據(jù)CD的螺旋編碼(圖2B)將數(shù)據(jù)以光柵方式編碼到母盤上的方法。
圖3示出了按照本發(fā)明的母盤系統(tǒng)各組成單元。
圖4示出了實現(xiàn)本發(fā)明的計算機系統(tǒng)。
圖5為基本步驟的流程圖，按照本發(fā)明，它們實現(xiàn)了從螺旋編碼(圖2B)到光柵化笛卡爾坐標編碼(圖2A)的轉(zhuǎn)換。
圖6為表格樣本部分，它可以根據(jù)圖5的基本步驟，按照本發(fā)明形成。
圖7A和7B示出了可以按照本發(fā)明在母盤上編碼的數(shù)據(jù)實例的剖面圖和平面圖。
圖8示出了用于本發(fā)明復(fù)制階段的薄膜剖面圖。
圖9示出了在本發(fā)明復(fù)制階段采用的部件。
圖10為流程圖，示出了本發(fā)明復(fù)制階段完成的基本步驟。
圖11為按照本發(fā)明制造的CD成品的剖面圖。
實施發(fā)明的較佳方式本發(fā)明包括兩個部分母盤工藝和系統(tǒng)以及復(fù)制工藝和系統(tǒng)。以下作詳細描述。
1.母盤制作在制作母盤之前，記錄在CD上的輸入數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式(例如ECMA-119格式)預(yù)先制作原版，并存儲在磁帶、磁光驅(qū)動器或其它高速、大容量存儲設(shè)備403中(將在圖4中詳述)。為了便于描述本發(fā)明，我們以小型光盤(CD)為例，但是作為本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員，是不難將這里所述的原理應(yīng)用到其它媒體(包括DVD或其它等價的媒體技術(shù))上的。
參見圖2B和前面所述，CD201的比特序列通常記錄為用角坐標定義的螺旋線202。數(shù)據(jù)編碼一般開始于CD最內(nèi)端部分，而向外延伸的螺線定義了串行數(shù)據(jù)流。
參見圖2A，按照本發(fā)明，提供諸如空心圓柱體或其它合適形狀的部件之類的伸長部件211用于母盤制作。雖然可以用不同形狀的部件211，但是以下將伸長部件211稱為“圓柱體211”。
如下所述，伸長部件211的外部表面可以用與CD上的數(shù)據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)編碼。但是與采用螺線方式在伸長部件211外部213編碼數(shù)據(jù)不同(如現(xiàn)有技術(shù)所述)，本發(fā)明引入一種新技術(shù)，為了使外部表面213的編碼以光柵方式進行，將數(shù)據(jù)從角坐標格式化為笛卡爾坐標。以下借助圖3描述圓柱體211外部表面213的光柵編碼。
參見圖2A和3，空心圓柱體211具有限定的轉(zhuǎn)軸320，在合適裝置305(例如Newport公司制造的運動控制器)的控制下以一定速度圍繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。伸長部件211的轉(zhuǎn)動由零件號為PM500-360R的超精度旋轉(zhuǎn)臺架305提供。激光頭302的平移由零件號為PM500-6L的超精度線性臺架3108提供。
在實施例中，空心圓柱體211可以由UV透明材料(例如單晶藍寶石)構(gòu)成。圓柱體211的尺寸(寬度和直徑)提供了足夠的表面以容納一幅或多幅120毫米CD的圖像。對于其它類型的媒體，圓柱體211的尺寸可以根據(jù)需要改動。圓柱體211的外部表面213可以涂覆一層低熔點合金250(參見圖7A、7B和8以及討論)或其它材料的薄層(30-50鈉米)。
圓柱體211的外部表面區(qū)域213被分割為兩個區(qū)域圓柱體表面213的平坦CD上數(shù)據(jù)區(qū)所含圖像對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)221和輔助區(qū)域222。輔助區(qū)域222包含定位標記，它是平行于圓柱體軸320的200鈉米寬紋，或其他等效標記。寬紋截面可以是三角形、半圓形或其它任何形狀，這些形狀使得聚焦在該紋上的UV激光束的反射率比著落點的反射率低60％。
參見圖3，CW激光(例如氬離子激光器的257鈉米線或者氦-鎘金屬蒸汽激光器的325鈉米線)可以聚焦在圓柱體211的外部表面。激光器302激光輻射的聚焦借助眾所周知的反饋控制細聚焦系統(tǒng)317實現(xiàn)。
細聚焦系統(tǒng)317包括帶輔助紅外半導(dǎo)體激光器的單光束或雙光束系統(tǒng)。圓柱體表面213上激光束的定位可以通過兩種類型的運動控制到25鈉米的精度激光器302的聚焦系統(tǒng)沿超精度臺架308的線性運動以及圓柱體211借助超精度旋轉(zhuǎn)臺架305的圍繞轉(zhuǎn)軸320的轉(zhuǎn)動。
如上所述，為制作母盤而在圓柱體211上編碼的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)光柵化錄制到圓柱體211之前必須從角坐標格式化為笛卡爾坐標。參見圖2A和2B，雖然數(shù)據(jù)在CD上以螺線方式202編碼，但是本發(fā)明比較好的是以光柵化格式212在圓柱體211母盤上進行對數(shù)據(jù)編碼。為了實現(xiàn)光柵化，聚焦系統(tǒng)317運行超精度線性臺架308的長度，圓柱體211在超精度旋轉(zhuǎn)臺架305控制下圍繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，并且不斷重復(fù)該循環(huán)。因此，數(shù)據(jù)按照本發(fā)明實施例以圖2A標號212所示的光柵化方式編碼。
為了使激光器302和聚焦系統(tǒng)317在圓柱體211上正確地對數(shù)據(jù)編碼，CD上螺線編碼的數(shù)據(jù)必須首先格式化為笛卡爾坐標。因此，當激光器302沿其路徑307運動時，并且當圓柱體211在每個激光器302運動間隔期間連續(xù)轉(zhuǎn)動時，正確地對數(shù)據(jù)進行編碼。
圖4示出了為將角坐標轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標采用的計算機系統(tǒng)400的框圖，由此使得圖3所示的母盤制作單元405可以正確地制作母盤。在一實施例中，圖4的計算機系統(tǒng)包含CPU401、隨機存儲器402、輸入存儲設(shè)備403和輸出存儲設(shè)備404。存儲設(shè)備403和404是如上所述的磁帶、磁光驅(qū)動器或者其它任何高速、大容量存儲設(shè)備。例如，圖4的計算機系統(tǒng)可以包含標準的PC配置，帶有足夠的內(nèi)存并且足夠快的處理速度。
圖5為利用圖4的計算機將CD上數(shù)據(jù)的角位置轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標的各種步驟的流程圖。在坐標轉(zhuǎn)換期間，記錄在角坐標(步驟501)(記錄頭沿螺線軌跡運動)中的格式化序列的數(shù)據(jù)比特位置被改變?yōu)椴襟E502中的笛卡爾坐標(記錄頭沿光柵軌跡運動)。為了將角坐標準確地映射為笛卡爾坐標，定位系統(tǒng)的分辨率必須足夠高，以再現(xiàn)母盤鼓211表面上原先的螺線圖案。對于CD，這意味著激光束定位精度必須至少為50鈉米。對于其它類型的媒體，可以采用其它合適的精度。
根據(jù)母盤編碼和數(shù)據(jù)變換的速度，轉(zhuǎn)換的比特序列直接從CPU401(實時處理)沿線路411或者從輸出存儲設(shè)備沿線路412耦合到母盤制作單元405。為了將存儲在輸入存儲設(shè)備403上的輸入角坐標變換為存儲在輸出存儲設(shè)備404上的輸出笛卡爾坐標而由CPU401完成的步驟有標準排序問題。
排序問題的解決方案是將連續(xù)的比特串映射到矩形模板上，從而沿嚴格限定的螺線路徑依次排列各比特，每個比特用斑點區(qū)域表示。螺線相鄰匝之間的距離等于1.6微米；表示連續(xù)比特的相鄰斑點區(qū)域之間的距離為1微米。假定每個比特位置的散射不能超過相鄰比特的10％，則每個斑點區(qū)域必須位于邊長ε為0.1微米的正方形內(nèi)。于是，代表矩形模板的方形柵格必須具有0.1μm×0.1μm的單元。CD區(qū)域內(nèi)這些單元的總數(shù)為1.13×1012，大約是CD上編碼串比特總數(shù)的100倍。
為了標明上述柵格的方形單元，可以采用兩個整數(shù)編號(x，y)。第一個整數(shù)x表示從左到右的列號，第二個整數(shù)y表示從下到上的行號。總的行數(shù)或列數(shù)L等于1.2×106。目標是將比特串映射到方形柵格(x，y)內(nèi)，從而使所有的比特位置依次沿螺線路徑排列。
例如，坐標可變換如下x(n)＝ε-1{R+r(n)cos(n)}y(n)＝ε-1{R+r(n)sin(n)}方程1式中R＝最外圈紋道半徑，R≈60毫米；Ro＝最內(nèi)圈紋道半徑，Ro≈20毫米；n＝從0到N-1的比特串中比特的序號；N＝比特串中比特總數(shù)，N≈1010；r(n)＝對應(yīng)第n比特的斑點區(qū)域與光盤中心之間的距離；D＝沿螺線路徑的相鄰斑點區(qū)域之間的固定距離，D≈1微米；δ＝相鄰圈之間的距離(紋道間距)，δ≈1.6微米；x和y＝以光盤中心為原點的直角坐標；ε＝基本單元的大小，ε＝0.1微米。
由方程1獲得的{x(n)，y(n)}組按照n升序排列。為了產(chǎn)生用于母盤制作的比特串，該序列必須按照x和y的升序重新排列。即，(x，y)隨n的變化必須轉(zhuǎn)換成n隨(x，y)的變化，記住(x，y)是方程1定義的某些整數(shù)?？紤]到序列很長，在步驟503中可以再劃分適合置入快速RAM中替換的初始子序列細分。具體而言，必須獲取每個固定x的子序列集(列)n{0，y}；n{1，y}；n{2，y}；n{3，y}；…n{x，y}；…n{L-1，y}方程2式中L＝1.2×106，是列(或行)的總數(shù)。
在步驟504中，如下式所示，方程2的每列(子序列)按照行號y的升序排列n{x，y}＝n{x，y1}，n{x，y2}，n{x，y3}…方程3式中0＜y1＜y2＜y3＜y4…＜L-1顯然，方程3的每個子集n(x，y)的行號y只是0與L-1之間整數(shù)的一小部分；每個相應(yīng)的數(shù)值描述了比特串中相應(yīng)比特n的斑點區(qū)域位置。
圖6示出了如上所述由圖5的步驟形成的表格實例。雖然圖6表中的比特只代表CD上各種比特的樣例，但是卻取自實際的CD。在第一欄601中的相對數(shù)字1-10(極坐標n(φ，r))的指定只是方便需要。
圖6表格的第二列602和第三列603分別表示角坐標φ(n)和r(n)。下面的兩列604和605分別包括計算的笛卡爾坐標x(n)和y(n)。根據(jù)笛卡爾坐標值，將新的整數(shù)n(x，y)606分配給數(shù)據(jù)比特。為生成制作母盤所用表格的最終步驟504中對表格的行進行排序，從而使比特606按照n(x，y)的升序排列。
一旦生成圖6的表格，從而將數(shù)據(jù)的角位置轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標，就可以通過調(diào)制器303控制激光束302以在圓柱體211外部對數(shù)據(jù)編碼。當激光302沿著圖2A中標號212表示的光柵路徑行進時，圖6的表格被用來確定螺線202內(nèi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)位置。因此，在沿著激光302路徑上的每個點處，這里圓柱體211已經(jīng)轉(zhuǎn)過已知的角度，激光可以被調(diào)制從而在圓柱體211外部表面上進行合適的數(shù)據(jù)編碼。以下進一步描述激光302的調(diào)制。
為了在圓柱體211上進行數(shù)據(jù)編碼，可由聲光調(diào)制器300控制激光302，從而將能量聚焦在圓柱體211的外部表面以熔化金屬合金250。激光輻射通過單模光纖精確地耦合到安裝在線性臺階308上的精密聚焦啟動器。在實施例中，激光頭302的聚焦激光輻射強度控制在圓柱體211金屬涂層250局部熔解閾值以上、金屬涂層250局部燒蝕閾值以下。圓柱體213表面金屬涂層250在激光302的輻射下熔化。熔化后，液態(tài)金屬250積累在固相材料邊緣，從而在上述均勻的涂層250內(nèi)形成孔251(參見圖7A、7B和8)。
在實施例中，選擇激光頭302的輻射強度使得在圓柱體211的金屬涂層250內(nèi)沒有燒蝕。在這種情況下，圓柱體211表面由激光302產(chǎn)生的熱量可以控制在圓柱體211表面金屬涂層250熔點之上，但是圓柱體211透明材料熔點之下。在另一實施例中，選擇激光頭302的輻射強度使得金屬涂層250內(nèi)發(fā)生燒蝕。與此同時，薄膜901曝光期間的UV910的強度小于制作母盤時聚焦激光束強度幾個數(shù)量級，因此在復(fù)制期間不會熔化(以下將詳述)。
在CPU401的控制下，激光頭302發(fā)射的UV激光強度由光電調(diào)制器300、磁光調(diào)制器300調(diào)制。存儲在存儲設(shè)備404內(nèi)用笛卡爾坐標格式表示的CD母盤數(shù)據(jù)被用來調(diào)制激光束。如果激光頭302的聚焦激光脈沖能量大于圓柱體211表面合金涂層250的燒蝕閾值，則在該位置形成圓形開孔251。這種開孔251與未制作負片的金屬涂層250相比光學(xué)上減薄，可以使圓柱體211發(fā)射的UV輻射之類的輻射能量通過。圓柱體211內(nèi)的UV能量用于本發(fā)明的復(fù)制過程，將在下面描述。通過在調(diào)制的聚焦激光束沿光柵路徑212移動時有選擇地重復(fù)熔化步驟，在圓柱體211表面形成代表記錄信息二進制比特的多個數(shù)據(jù)區(qū)域。圖7A和7B分別表示部分圓柱體211表面213上已編碼數(shù)據(jù)區(qū)域的剖面圖和平面圖。
如上所述，雖然有下列兩點與普通明顯工藝不同，但是圓柱體211上編碼的數(shù)據(jù)圖案與普通母盤制作工藝形成的玻璃母盤表面類似(1)本發(fā)明的母盤制作工藝用于三維圓柱體表面213，而普通的母盤制作在二維平面內(nèi)進行；(2)在本發(fā)明中，激光頭302的激光束完成光柵運動(例如圖2A)，而在普通的母盤工藝中，激光束以螺線方式編碼CD(例如圖2B)。
本發(fā)明的母盤圓柱體211可以重復(fù)使用多次。具體而言，通過在合金熔點上均勻加熱可以去除圓柱體211表面213上的熔化記錄250、251。當熔化時，合金250均勻擴展到整個表面并填充在因局部熔化或激光燒蝕形成的開孔內(nèi)。固化后，可以重復(fù)進行上述的母盤制作過程。雖然圓柱體211可以重復(fù)使用，但是母盤圓柱體211使用次數(shù)過多會因燒蝕而損失合金材料。但是損失的材料很容易通過在圓柱體表面213蒸發(fā)合金250得到補充。在用于母盤制作的同一裝置內(nèi)可以加熱和軟熔圓柱體。
2.復(fù)制一旦圓柱體211用數(shù)據(jù)編碼，就可以進行編碼數(shù)據(jù)復(fù)制。利用本發(fā)明的復(fù)制技術(shù)，圓柱體表面213上的母盤圖案利用接觸光刻技術(shù)可以非?？斓貜?fù)制到柔性基片901上。通過提供連續(xù)網(wǎng)狀薄膜材料901的媒體基片，如下所述，可以獲得極高的復(fù)制速度。
以下借助圖8、9和10描述復(fù)制工藝。圖8和9描述了本發(fā)明復(fù)制部分的結(jié)構(gòu)單元，而圖10描述了復(fù)制過程中完成的各個步驟。以下的討論全參照圖10的步驟描述。
步驟1001。參見圖9，提供了諸如三層薄膜之類的柔性薄膜901。圖8提供了圖9的薄膜901的剖面圖。參見圖8，薄膜901可以包含例如與0.05微米反射涂層802(例如鋁)結(jié)合的0.1-1.0微米正光刻膠層801，而涂層802與15-200微米的柔性聚合物薄膜803(例如DuPont Mylar型薄膜)結(jié)合。當然，這些厚度僅僅包含柔性薄膜901的一個實施例，其它合適的厚度和等效材料也一樣。
薄膜結(jié)構(gòu)901的單元801、802和803有以下的用途光刻膠層801可以選擇通過圓柱體211的透明區(qū)域曝光；鋁層802為反射媒體，在后面的復(fù)制過程中被編碼；聚合物薄膜803是柔性的但是穩(wěn)定的基片，提供了在復(fù)制過程重復(fù)步驟中媒體層的連續(xù)傳送手段。光刻膠層801和鋁層802形成光學(xué)擾動層，如下所述，隨后根據(jù)輻射能量而修改。
步驟1002。線性UV光源910(例如長電弧高壓氣體燈)與圓柱體211轉(zhuǎn)軸320共軸，使得輻射能量均勻發(fā)射。為了使光刻膠801曝光，如圖9所示，三層合成薄膜901與圓柱體211外部表面213緊密接觸。圖8示出了與合成薄膜901接觸的圓柱體表面213的放大剖面圖。在曝光期間，圓柱體211內(nèi)部線性光源910的UV輻射穿過圓柱體211的透明結(jié)構(gòu)、圓柱體211外部表面213金屬涂層內(nèi)的開孔251，并到達位于圓柱體表面213中開孔251上的光刻膠層801區(qū)域。圓柱體表面開孔251如上所述，在母盤制作過程中形成。
在滾筒971和972的系統(tǒng)輸送網(wǎng)狀薄膜901時，圓柱體211轉(zhuǎn)動，任何給定時刻下母盤圓柱體211外表面的線速度等于滾筒971和972輸送網(wǎng)狀薄膜901的線速度。當網(wǎng)狀薄膜901在滾筒971處與圓柱體表面213接觸時開始曝光，在網(wǎng)狀薄膜901在滾筒972處脫離圓柱體211時結(jié)束?？梢蕴峁┎煌腹飧舭鍋肀Ｗo網(wǎng)狀薄膜901在接觸圓柱體211之前和脫離之后不受到曝光。曝光劑量由線性光源910的強度和網(wǎng)狀薄膜901的線速度決定。
線性光源910的強度和網(wǎng)狀薄膜901的線速度比較好的是線性相關(guān)，并且由下面方程式4表示
Dv＝1方程4式中D＝以J/cm3為單位的所需光刻膠801劑量；v＝以cm/sec為單位的線速度；I＝以J/(sec.cm2)為單位的線光源輻射能量強度。
本發(fā)明所采用的光學(xué)和機械結(jié)構(gòu)提供了如下的重要優(yōu)點◎在薄膜901運動時曝光。
◎圓柱體213與薄膜901之間的間隔由于圖9所示的結(jié)構(gòu)很容易做得最小，從而盡可能地提高編碼分辨率。
◎為了實現(xiàn)曝光均勻而在現(xiàn)有技術(shù)掩膜校準中采用的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)被便宜而有效的線光源910代替。
在光刻膠801如上所述曝光之后，以下步驟可以顯影光刻膠801、腐蝕反射層802并且去除光刻膠801。這些步驟對應(yīng)處理光刻膠材料的標準程序1.步驟1003。曝光之后，薄膜901經(jīng)過顯影并且在洗去曝光光刻膠801的地方形成凹坑。由此在大小和位置對應(yīng)圓柱體表面213金屬涂層250內(nèi)開孔251的光刻膠801內(nèi)形成光刻膠掩膜。
2.步驟1004。薄膜901在去離子水中漂洗和干燥。
3.步驟1005。在100℃下烘干光刻膠。
4.步驟1006。利用堿性腐蝕液(例如氫氧化鈉溶液)通過光刻膠801的凹坑腐蝕鋁反射層802。也可以采用干法等離子體刻蝕。
5.步驟1007。薄膜901在去離子水中漂洗和干燥。
6.步驟1008。用無機溶劑沖洗光刻膠801。
7.步驟1009。
薄膜在去離子水中漂洗和干燥。
通過接觸曝光和上述7個步驟1003-1009，圓柱體211表面213上的編碼圖案通過曝光和顯影被轉(zhuǎn)印到光刻膠層801上，并且隨后從光刻膠801通過腐蝕轉(zhuǎn)印到網(wǎng)狀薄膜901的金屬層802上。因此，在網(wǎng)狀薄膜901所含鋁層802內(nèi)反射率降低的多個開孔代表光盤重放裝置(例如標準的CD播放機)可以讀取的數(shù)字記錄信息。
.步驟1010。參見圖11，為了使薄膜901與標準的重放裝置兼容，通過增加光學(xué)級的透明非雙折射媒體層1101，媒體901的厚度可以增加至1.0-1.2毫米，并且可以按照標準的CD大小在網(wǎng)狀薄膜901內(nèi)識別CD圖案。1.2毫米厚的聚苯乙烯膜1102可以層疊在柔性基片上，其折射率與粘合劑1103的匹配，并且隨后在微波場內(nèi)凝固。在該步驟后，夾層結(jié)構(gòu)1101、901和1102(例如1.2毫米聚苯乙烯膜在2微米鋁薄膜上，而鋁薄膜在50微米Mylar基片上)將不是柔性的，最好接著處理成剛性片。
步驟1011、1012。復(fù)制中的最后一個程序是用精密的水刀將各光盤從膜網(wǎng)上分出。在光刻期間形成的定位標記使中央開孔和周邊切割準確。標號可以在脫離網(wǎng)狀薄膜901前后印制在成品CD上。利用在脫離網(wǎng)狀薄膜901之前印制CD上的標號，可以達到自動化(如用膠印等)。但是，利用現(xiàn)有的工藝技術(shù)(如絲網(wǎng)印刷等)也可以在光盤脫離網(wǎng)狀薄膜901后印制標號。
本發(fā)明的母盤制作和復(fù)制工藝與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有許多重大的優(yōu)點，包括◎大大簡化了母盤制作過程。如果需要，可以在緊湊的空間內(nèi)進行而無需昂貴的凈化室。母盤制作的時間與現(xiàn)有技術(shù)4-5小時相比，減少到1-1.5小時(包括光刻膠涂層和檢查)。
◎無需形成陽模、陰模，壓模制作裝置也省卻。
◎可以利用相對較小的同一裝置進行母盤制作和復(fù)制過程。
◎本發(fā)明的圓柱體211使得媒體薄膜901在連續(xù)運動時曝光。在媒體薄膜901連續(xù)輸送時可以進行復(fù)制過程所有相應(yīng)的步驟。
◎復(fù)制過程的連續(xù)性以較低的成本提供了產(chǎn)量。根據(jù)圓柱體211的大小，本發(fā)明的工藝可以做到以0.1-0.3秒/片的速度生產(chǎn)成本大約為5美分/片的CD。
◎復(fù)制期間的接觸光刻在圓柱體表面213上進行。這克服了接觸光刻在剛性平面上進行的困難而提高了分辨率。
◎利用本發(fā)明實現(xiàn)的分辨率為250鈉米以下。這超過了新采用的高密度記錄標準的要求。
◎媒體薄膜901的微觀形狀只用光學(xué)和化學(xué)手段完成。完全不用機械方法改變表面形態(tài)，因此消除了機械應(yīng)力引起的非均勻性和雙折射。
●工藝在180度(華氏)以下進行，因此消除了溫度梯度和顯影的雙折射。
◎雙折射的抑制使得可以采用比聚碳酸酯塑料更便宜的材料作為圓柱體211的透明基片。
◎分辨率提高和雙折射使得誤碼率降低并且可以使用高速重放裝置。
◎本發(fā)明的復(fù)制方法適用于新光學(xué)媒體技術(shù)所用多層結(jié)構(gòu)的制造。
雖然上面借助附圖對本發(fā)明實施例進行了描述，但是很容易在不偏離本發(fā)明范圍和精神的情況下作出各種修改。
權(quán)利要求
1.一種對光學(xué)媒體的數(shù)據(jù)區(qū)域進行編碼的系統(tǒng)，其特征在于包括(a)具有規(guī)定轉(zhuǎn)軸的伸長部件，其中伸長部件在外部表面包括多個區(qū)域，每個區(qū)域或者是光學(xué)薄層或者是光學(xué)厚層；(b)在伸長部件內(nèi)提供均勻輻射的裝置；(c)包括光學(xué)擾動層的薄膜，其中光學(xué)擾動層可以根據(jù)輻射能量變動；(d)在薄膜與伸長部件外部表面接觸的同時使伸長部件圍繞規(guī)定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的裝置，其中薄膜透過伸長部件外部表面的各光學(xué)薄層區(qū)域受到均勻輻射的曝光；(e)在受到均勻輻射曝光的區(qū)域變動薄膜的光學(xué)擾動層的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于伸長部件外部表面的多個區(qū)域?qū)?yīng)光盤的編碼排列。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于伸長部件由對輻射能量透明的材料組成。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于伸長部件包括圓柱體。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于伸長部件是空心的。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于均勻輻射裝置發(fā)射紫外線。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于均勻輻射裝置包括沿著伸長部件規(guī)定轉(zhuǎn)軸放置的線光源。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于薄膜光學(xué)擾動層由反射輻射能量的材料組成。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于變動裝置變動光學(xué)擾動層從而使得光學(xué)擾動層在受到均勻輻射的曝光區(qū)域不反射輻射能量。
10.一種對光學(xué)媒體的數(shù)據(jù)區(qū)域進行編碼的系統(tǒng)，其特征在于包括(a)具有規(guī)定轉(zhuǎn)軸的伸長部件，其中伸長部件在外部表面包括多個區(qū)域，每個區(qū)域或者是光學(xué)薄層或者是光學(xué)厚層；(b)在伸長部件內(nèi)提供均勻輻射的裝置；(c)包括反射層和光刻膠層的薄膜；(d)在薄膜與伸長部件外部表面接觸的同時使伸長部件圍繞規(guī)定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的裝置，其中薄膜的光刻膠層透過伸長部件外部表面的各光學(xué)薄層區(qū)域受到均勻輻射的曝光；(e)去除受到均勻輻射曝光的各區(qū)域中薄膜所含光刻膠層的裝置；(f)去除已由所述光刻膠層去除裝置去除光刻膠層的區(qū)域附近的各區(qū)域中薄膜所含反射光刻膠層的裝置。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于進一步包括從薄膜去除光刻膠層的裝置。
12.一種對光學(xué)媒體的數(shù)據(jù)區(qū)域進行編碼的系統(tǒng)，其特征在于包括(a)具有規(guī)定轉(zhuǎn)軸的伸長部件，其中伸長部件在外部表面具有光學(xué)厚層區(qū)域或者是光學(xué)薄層或者是光學(xué)厚層；(b)在伸長部件表面聚焦能量的裝置；(c)控制能量聚焦裝置從而使能量聚焦在所選光學(xué)厚層區(qū)域上的裝置，聚焦能量熔化所選區(qū)域的光學(xué)厚層，從而在伸長部件外部表面形成光學(xué)薄層區(qū)域；(d)在伸長部件內(nèi)提供均勻輻射的裝置；(e)包括光學(xué)擾動層的薄膜，其中光學(xué)擾動層可以根據(jù)輻射能量變動；(f)在薄膜與伸長部件外部表面接觸的同時使伸長部件圍繞規(guī)定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的裝置，其中薄膜透過伸長部件外部表面的各光學(xué)薄層區(qū)域受到均勻輻射的曝光；(g)在受到均勻輻射曝光的區(qū)域變動薄膜的光學(xué)擾動層的裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于聚焦能量包括激光束。
14.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于控制裝置控制能量聚焦裝置使得聚焦能量消蝕熔化所選區(qū)域的光學(xué)厚層。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于光學(xué)厚層的熔點低于伸長部件的熔點。
16.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于控制裝置控制能量聚焦裝置使得聚焦能量燒蝕地熔化所述區(qū)域的光學(xué)厚層。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于光學(xué)厚層的能量吸收帶與伸長部件的不同。
18.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于控制裝置包括(i)順序存儲光盤上拾取的多個數(shù)據(jù)比特的裝置，其中每個數(shù)據(jù)比特都具有光盤上唯一的角度位置；(ii)存儲每個數(shù)據(jù)比特的相關(guān)笛卡爾坐標位置等效值的裝置；(iii)控制能量聚焦裝置從而使能量聚焦在具有選定數(shù)字值的每個數(shù)據(jù)比特的笛卡爾坐標位置處光學(xué)厚層的裝置，從而在伸長部件外部表面形成光學(xué)薄層區(qū)域。
19.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于薄膜包含反射層和外部光刻膠層，并且變動裝置包括(i)去除受到均勻輻射曝光的各區(qū)域中薄膜所含光刻膠層的裝置；(ii)去除已由所述光刻膠層去除裝置去除光刻膠層的區(qū)域附近的各區(qū)域中所含反射層的裝置。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于變動裝置進一步包括(iii)從薄膜去除光刻膠層的裝置。
21.一種對光學(xué)媒體的數(shù)據(jù)區(qū)域進行的方法，其特征在于包括以下步驟(a)在伸長部件外部表面形成多個區(qū)域，每個區(qū)域或者是光學(xué)薄層或者是光學(xué)厚層，其中伸長部件具有規(guī)定的轉(zhuǎn)軸；(b)在伸長部件內(nèi)提供均勻的輻射；(c)在薄膜上涂覆光學(xué)擾動層；(d)在薄膜與伸長部件外部表面接觸的同時使伸長部件圍繞規(guī)定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而使薄膜透過伸長部件外部表面的各光學(xué)薄層區(qū)域受到均勻輻射的曝光；(e)在受到均勻輻射曝光的區(qū)域變動薄膜的光學(xué)擾動層。
22.一種對光學(xué)媒體的數(shù)據(jù)區(qū)域進行編碼的方法，其特征在于包括以下步驟(a)在伸長部件外部表面形成多個區(qū)域，每個區(qū)域或者是光學(xué)薄層或者是光學(xué)厚層，其中伸長部件具有規(guī)定的轉(zhuǎn)軸；(b)在伸長部件內(nèi)提供均勻的輻射；(c)在薄膜上涂覆光學(xué)擾動層；(d)在薄膜與伸長部件外部表面接觸的同時使伸長部件圍繞規(guī)定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而使薄膜透過伸長部件外部表面的各光學(xué)薄層區(qū)域受到均勻輻射的曝光；(e)去除受到均勻輻射曝光的各區(qū)域中薄膜所含光刻膠；(f)去已由所述光刻膠層去除裝置去除光刻膠層的區(qū)域附近的各區(qū)域中薄膜所含反射層。
23.一種對光學(xué)媒體的數(shù)據(jù)區(qū)域進行編碼的方法，其特征在于包括以下步驟(a)在伸長部件外部表面涂覆光學(xué)厚層，其中伸長部件具有規(guī)定的轉(zhuǎn)軸；(b)使能量聚焦在所選光學(xué)厚層區(qū)域，聚焦能量熔化所選區(qū)域的光學(xué)厚層，從而在伸長部件外部表面形成光學(xué)薄層區(qū)域；(c)在伸長部件內(nèi)提供均勻輻射；(d)在薄膜上涂覆光學(xué)擾動層；(e)在薄膜與伸長部件外部表面接觸的同時使伸長部件圍繞規(guī)定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，其中薄膜透過伸長部件外部表面的各光學(xué)薄層區(qū)域受到均勻輻射的曝光；(f)在受到均勻輻射曝光的區(qū)域變動薄膜的光學(xué)擾動層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種數(shù)字光盤復(fù)制的新方法和系統(tǒng),該方法分為制作光盤媒體母盤和快速復(fù)制母盤兩個步驟。光盤媒體包括外部表面(213)、伸長部件(211)、數(shù)據(jù)區(qū)域(221)、輔助區(qū)域(222)、激光束(302)和將激光束聚焦在伸長部件選定區(qū)域上的聚焦系統(tǒng)(317)。
文檔編號G11B7/0025GK1201532SQ96198064
公開日1998年12月9日 申請日期1996年9月27日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月29日
發(fā)明者J·艾得爾京, I·M·維特伯斯基, D·A·丘托夫 申請人:紐羅姆技術(shù)股份有限公司