用于藍寶石光盤的數字化數據存儲

付明磊，徐武超，樂孜純*，伊凡·高博夫，德米特羅·曼科

(1.浙江工業大學 理學院，浙江 杭州 310023；2.烏克蘭國家科學院 信息記錄研究所，烏克蘭 基輔 03113；3.浙江工業大學 義烏科學技術研究院，浙江 義烏 322001)

?

用于藍寶石光盤的數字化數據存儲

付明磊1,3，徐武超1，樂孜純1,3*，伊凡·高博夫2,3，德米特羅·曼科2,3

(1.浙江工業大學 理學院，浙江 杭州 310023；2.烏克蘭國家科學院 信息記錄研究所，烏克蘭 基輔 03113；3.浙江工業大學 義烏科學技術研究院，浙江 義烏 322001)

為了解決長時數據存儲的難題，開展了以數字格式在藍寶石光盤表面寫入數據的研究工作。根據艾林方程，分析了利用常用無機材料進行數據存儲的數據失效時間。描述了在藍寶石材料為基底的光盤上以數字格式記錄數據的基本工藝流程，重點介紹了用于藍寶石光盤的離子束刻蝕系統。實驗結果顯示，藍寶石光盤表面刻蝕的信息坑寬度為0.6 μm，深度為0.2 μm，磁道節距為1.6 μm，符合ISO/IEC 10149:1995規定的CD-ROM格式數據存儲要求，表明采用本文提出的方法實現藍寶石光盤的數字化數據存儲是可行的。此外，這種基本工藝流程不僅適用于藍寶石光盤，同樣適用于其它以高度穩定的材料(如石英玻璃)作為基底的光盤。

藍寶石光盤；光學數據存儲；長時數據存儲；干法刻蝕

1　引　言

隨著云存儲技術和高速互聯網技術的發展，人們對使用光盤進行數據存儲的需求量不斷降低。但光盤在歸檔數據存儲領域依然占據優勢[1-6]。比如，在需要存儲重要文獻、歷史檔案、世界文化遺產信息、基因數據等珍貴資料時，光盤存儲往往會作為首選方案。在“大數據”背景下，人們對光盤數據存儲的可靠性和時效性提出了更高的要求，即長時數據存儲。然而，目前常用的光盤大多以聚碳酸酯(PC)材料為基底，由于PC材料本身的穩定性較低，以及光盤金屬層與基底層的黏附性較弱，因此目前的光盤難以滿足長時數據存儲的要求[7-8]。

為了解決長時數據存儲的問題，國內外研究者嘗試了多種技術方案。這些方案的共性是選用穩定性高的材料作為記錄媒質或基底[9-13]。文獻[14]采用金屬陶瓷作為記錄媒質，文獻[15]采用石英作為基底材料。文獻[16]采用鎢作為記錄媒質，同時以氮化硅進行封裝。在文獻[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，真正實用化的技術方案是由法國ARNANO公司設計的超長壽命Nanoform光盤[19]。采用藍寶石材料作為基底，存儲容量為一萬張A4紙。但Nanoform光盤的數據是以模擬格式記錄的，嚴重制約了光盤的應用范圍。

相比以模擬格式寫入數據，數字格式主要存在以下優勢。(1)數字信號對信號電平的精度要求不敏感，這意味著讀取系統可以具有更大的誤差允許范圍；(2)數字信號可以存儲更多類型的文件格式，如視頻文件、音頻文件等，而模擬格式只能對圖像進行存儲。單晶藍寶石材料在物理性質和化學性質方面具有突出優勢。比如，它具有9級表面硬度(金剛石10級)、2 318K的熔點等。因此，采用單晶藍寶石材料制作的光盤具有抗磨損擦傷、防火、防化學腐蝕、防紫外線輻射等性能。然而，正是因為這些優勢，在藍寶石光盤表面以數字格式寫入數據是一項具有挑戰性的工作。

本文介紹了在藍寶石材料為基底的光盤上以數字格式記錄數據的工藝流程，重點介紹了用于藍寶石光盤的離子束刻蝕系統和相關的實驗結果，證實了采用藍寶石光盤作為長時數據存儲載體的可行性。

2　長時數據存儲光盤制作材料分析

通常，數據以信息坑的形式刻蝕在光盤的基底表面。一旦光盤的存儲環境溫度超過了光盤基底的熔點，所記錄的數據將丟失。因此，可以根據信息坑的老化時間評估光盤數據存儲的數據失效時間。假設兩種光盤基底材料的熔點分別為T1和T2，由這兩種基底材料制作光盤的數據失效時間分別是t1和t2，根據艾林方程(Eyring equation)，光盤數據存儲失效時間與光盤基底材料熔點的關系為[1-3,7]：

(1)

Okino Y.[20]和Slattery O.[21]等人的研究表明：在20℃溫度和40%相對濕度的存儲條件下，以聚碳酸酯(PC)為基底材料的光盤的數據失效時間為20～50年。假定在一般存儲條件下(即沒有維持溫度條件和濕度條件)，以聚碳酸酯(PC)為基底材料的光盤數據失效時間為10年計算，可以估計以高穩定性無機材料為基底的光盤的數據失效時間。其中，式(1)中T取20 ℃(或者293 K)。表1所示的理論分析結果表明，采用藍寶石材料作為基底制作的光盤，其數據存儲時間可達數千年。

表1　以無機材料為基底的光盤數據失效時間

如圖1所示，藍寶石光盤在結構上可分為襯底層、反射層和保護層。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乎光盤數據的有效存儲時間。

圖1　藍寶石光盤結構Fig.1　Structure of sapphire optical disk

3　藍寶石光盤的數據記錄過程

圖2　藍寶石光盤數據記錄過程Fig.2　Stages of data recording process on the optical disc for long-term data storage

對于以聚碳酸酯(PC)為基底的光盤(可錄光盤)，其數據記錄比較簡單，一般采用高強度激光來進行數據寫入。對于藍寶石這種穩定性高的無機材料，采用這種激光刻蝕的方法進行數據記錄將比較困難，且成本昂貴。ISO/IEC 10149:1995標準對數字格式光盤的磁道結構提出了嚴格要求，考慮到采用干蝕法更易實現刻蝕深度的均勻性[22-23]，因此選用干法刻蝕技術在藍寶石光盤基底表面以CD-ROM格式(根據ISO/IEC 10149:1995)記錄數據，其技術流程如圖2所示。對于藍寶石材料(折射率為1.77)，如果以CD格式進行數字格式寫入數據，需要信息坑的深度在110 nm[24]。首先，通過熱蒸發在藍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移，提高刻蝕深度。然后，利用離心機在藍寶石基底表面沉積光刻膠。接下來，通過聚焦激光束將需要存儲的數據記錄在光刻膠層。通過對光刻膠進行選擇性刻蝕，得到刻蝕掩膜。掩膜將決定光盤的信息格式(CD格式、DVD格式或BD格式)。之后，還需對裸露出的鉻膜進行化學刻蝕。接下來，通過離子束刻蝕方法在藍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　用于藍寶石光盤的離子束刻蝕系統

在藍寶石光盤的數據記錄過程中，離子束刻蝕是關鍵環節。通過反復實驗，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，可以獲得對于藍寶石材料的最大刻蝕速率為5 nm/min。通過調整刻蝕時間，可以實現對藍寶石光盤信息坑深度的精確控制。采用由具有冷陰極的離子源產生的離子束對基底材料進行刻蝕。在強電場作用下，CF4與Ar首先會被電離，形成等離子體[25]：

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

(2)

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

(3)

離子束刻蝕系統如圖3所示，該系統工作在真空環境下。氣體源存在于2個頂部開有小孔的容器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生等離子體，其中離子束被靜電場分離出，并由螺旋線圈3產生的磁場聚焦。離子束由帶正電荷的粒子2形成，到達工件1表面形成表面電荷。由于事先在工件(藍寶石襯底層)表面鍍了一層鉻膜，所以多余的表面電荷會被轉移，因此不會發生由于表面電荷沉積而對刻蝕作用產生抑制的現象，有助于提高刻蝕深度。

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

需要注意的是，由于藍寶石材料的主要成分為Al2O3，在刻蝕完成后，藍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　實驗結果及討論

在藍寶石光盤中以CD格式記錄數據。首先，對藍寶石基底進行徹底清洗，依次采用氫氟酸(HF)、超聲波清洗器、液態丙酮、異丙酮進行處理，最后進行15 min的高壓放電。然后，通過轉速為2 800 rpm的離心機在藍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 ℃溫度下進行1 h退火處理。在制作刻蝕掩膜前，為降低離子束對掩膜的刻蝕速率，通過熱蒸發在藍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據記錄和選擇性刻蝕后，需要去除暴露出來的鉻膜。最后，當離子束刻蝕完成后，藍寶石光盤基底需在2%的KOH溶液中浸泡10 h以去除殘余光刻膠。

在完成對藍寶石光盤表面刻蝕后，采用原子力顯微鏡對光盤表面微結構進行檢測，以便對刻蝕效果進行評估。圖4和圖5分別給出了原子力顯微鏡下藍寶石光盤表面數據結構圖像和截面分析曲線。結果顯示，信息坑的寬度約為0.6 μm，深度約為0.2 μm，磁道節距約為1.6 μm，這樣的深度和形狀使得數據易于被讀取或復制。因此，該方法實現藍寶石光盤的數字化數據存儲是可行的。

圖4　CD格式藍寶石光盤表面數據結構Fig.4　Data structure in CD format on the surface of sapphire optical disc

圖5　藍寶石光盤縱向截面分析曲線Fig.5　Section analysis curve for sapphire optical disc

本次實驗是以CD格式在藍寶石光盤表面記錄數據。同時，也考慮以高密度媒體格式(DVD格式或者BD格式)記錄數據的可能性。然而，數據記錄密度的增加會使基底表面結構的特征尺寸減小，例如BD格式光盤信息坑的磁道寬度僅為150 nm。這就意味著需要對現有的離子束刻蝕系統做進一步改良。提高離子束刻蝕系統的刻蝕精度可以從兩個方面入手：(1)尋找性能更為優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。

本文研究的藍寶石光盤，其制作方法類似于傳統光盤的母盤制作方法[26]。所不同的是，相比于制作母盤時在玻璃襯底上刻蝕數據，在藍寶石這種高度穩定的材料上刻蝕數據難度更大、成本更高。區別于制作母盤時所采用的方法流程，本文提出的方法預先在藍寶石襯底表面覆蓋了一層鉻膜，大大提高刻蝕深度。但是，由于所述方法對刻蝕設備(離子束刻蝕機)的要求過高，因此該方法目前很難普及，只能面向一些特殊的機構，用于保存更有價值的數據。在數據讀取方面，由于藍寶石材料具有明顯的各向異性，當掃描光束入射到藍寶石襯底中會發生雙折射，產生像差，從而影響信息讀取的可靠性和分辨率。在這一點上，可采用增加補償板的方式來對像差進行補償。研究發現，石英是一種與藍寶石具有相反各向異性的材料，因此可采用石英補償板來補償藍寶石襯底的像差。

5　結　論

本文介紹了利用藍寶石光盤進行數字式數據存儲的基本工藝流程，重點介紹了所采用的離子束刻蝕系統和所得到的實驗結果。實驗結果顯示，藍寶石光盤信息坑的寬度約為0.6 μm，深度約為0.2 μm，磁道節距約為1.6 μm，符合ISO/IEC 10149:1995規定的CD-ROM格式數據存儲要求。此外，這種基本工藝流程不僅適用于藍寶石光盤，同樣適用于其它以高度穩定的材料(如石英玻璃)作為基底的光盤。目前，相對于聚碳酸酯(PC)光盤，藍寶石光盤的制作成本相對較高，因此短時間內很難大規模普及。但是，藍寶石光盤在長時數據存儲中的優異性能使得它在歸檔數據存儲(特別是價值高、具有重要意義的數據)中依然具有較廣闊的應用空間。在未來工作中，將努力提高藍寶石光盤的數據記錄密度，優化藍寶石光盤的制作工藝流程。

[1]信息技術信息交換和可錄類光盤記錄媒體:光盤檔案壽命的評估試驗方法(上)(ISO/IEC 10995-2008)(征求意見稿)[J]. 記錄媒體技術, 2010, 03: 24-41.

Information technology—Digitally recorded media for information interchange and storage—Test method for the estimation of the archival lifetime of optical media(Ⅰ) (ISO/IEC 10995-2008) [J].ChinaMediatech, 2010, 03:24-41.(in Chinese)

[2]信息技術信息交換和可錄類光盤記錄媒體:光盤檔案壽命的評估試驗方法(中) [J].記錄媒體技術, 2010, 04: 39-60.

Information technology—Digitally recorded media for information interchange and storage—Test method for the estimation of the archival lifetime of optical media(Ⅱ)[J].ChinaMediatech, 2010, 04: 39-60.(in Chinese)

[3]信息技術信息交換和可錄類光盤記錄媒體:光盤檔案壽命的評估試驗方法(下)[J].記錄媒體技術, 2010, 05: 25-35.

Information technology—Digitally recorded media for information interchange and storage—Test method for the estimation of the archival lifetime of optical media(Ⅲ)[J].ChinaMediatech, 2010, 05: 25-35.(in Chinese)

[4]WAN SH G, CAO Q, XIE CH S. Optical storage: an emerging option in long-term digital preservation[J].FrontiersofOptoelectronics, 2015, 7(4):486-492.

[5]KIM J H, KIM J W. Reliability Estimation of Blu-Ray Recordable Media with Effect of Initial Recording Performance[J].Quality&ReliabilityEngineering, 2014.

[6]KRYUCHYN A A, PETROV V V, KOSTYUKEVYCH S O. Is there any future of optical discs[J].SemiconductorPhysicsQuantumElectronics&Optoelectronics, 2013.

[7]PETROV V, KRYUCHYN A, GORBOV I. High-density optical disks for long-term information storage[C].SPIE, 2011, 8011(1):80112J-80112J-7.

[8]GORBOV I V. The using of accelerated ageing of the optical media for estimating life expectancy of it[J].Datarecording,StorageandProcessing, 2009, 10(2):3-12.

[9]KRYUCHYN A A, PETROV V V, SHANOILO S M,etal.. Sapphire optical discs for long term data storage[C].SPIE, 2014:92010C-92010C-9.

[10]GORBOV I V, BELYAKOVSKY V O. Optical discs carriers for long-term data storage [J].DataRecording,StorageandProcessing, 2007, 9(1):73-87.

[11]ZHOU G, JESACHER A, BOOTH M,etal.. Axial birefringence induced focus splitting in lithium niobate[J].OpticsExpress, 2009, 17(20):17970-5.

[12]GORBOV I V, PETROV V V, KRYUCHYN A A. Using ion beams for creation of nanostructures on the surface of high-stable materials [J].SemiconductorPhysicsQuantumElectronics&Optoelectronics, 2007, 10(1):27-29.

[13]GORBOV I V. Basic features of optical media for long-term data storage [J].Pomiary,Automatyka,KomputerywGospodarceiOchronierodowiska, 2010, N. 4:35-37.

[14]TOPPIN E. Setting a new standart in permanent archival storage [J].Digital2Disc, 2010:42-44.

[16]VRIES J, SCHELLENBERG D, ABELMANN L,etal.. Towards gigayear Storage Using a Silicon-Nitride/Tungsten Based Medium[J].ArXiv.org,2013.

[17]VANDERLINDE W E, RUOFF A L, KRAMER E J. Diffusion of reactive ion beam etched polymers [J].AppliedPhysicsLetters, 1988, 52(2):101-102.

[18]MADOU M J.FundamentalsofMicrofabrication:theScienceofMiniaturization[M]. 2nd ed. Boca Raton, Fla: CRC Press, 2002.

[19]http://www.arnano.fr/the-ultra-long-life-nanoform.html?lang=en[OL]

[20]OKINO Y, IRIE M, KUBO T,etal.. Estimating a life expectancy of high-density recordable optical disks [C].ProceedingsofSPIE, 2005;5966.

[21]SLATTERY O, LU R, ZHENG J,etal.. Stability comparison of recordable optical discs--a study of error rates in harsh conditions[J].JournalofResearchoftheNationalInstituteofStandardsandTechnology. 2004;109:517.

[22]邱克強，周小為，劉穎，等. 大尺寸衍射光學元件的掃描離子束刻蝕[J]. 光學 精密工程，2012，20(8)：1676-1683.

QIU K Q, ZHOU X W, LIU Y,etal.. Ion beam etching of large aperture diffractive optical elements [J].Opt.PrecisionEng., 2012,20(8):1676-1683. (in Chinese)

[23]吳娜，譚鑫，于海利，等. 寬波段全息-離子束刻蝕光柵的設計及工藝[J]. 光學 精密工程，2015，23(7)：1978-1983.

WU N, TAN X, YU H L,etal.. Design and fabrication of broadhand holographic ion beam etching gratings[J].Opt.PrecisionEng., 2015,23(7):1978-1983(in Chinese).

[24]GORBOV I V. The influence of substrate’s material refractive index on optical media data layer relief depth[J].Datarecording,StorageandProcessing, 2009, 11(1):3-10.

[25]METWALLI E E, PANTANO C G. Reactive ion etching of glasses: composition dependence[J].NuclearInstruments&MethodsinPhysicsResearch, 2003, 207(1):21-27.

[26]鄒志強，陳國明，方紅麗，等. 反應離子束刻蝕母盤研究[J]. 真空科學與技術學報，1999，10：126-129.

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，碩士生導師，2004年于浙江工業大學獲得學士學位，2007年于浙江工業大學獲得碩士學位，2010年于浙江工業大學獲得博士學位，主要從事微結構光學器件及其信息處理技術方面的研究。E-mail：fuml@zjut.edu.cn

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

(版權所有未經許可不得轉載)

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.

國家高端外國專家資助項目(No.GDT20153300054);浙江省公益性技術應用研究計劃資助項目(No.2015C34011)

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

TQ597

Adoi:10.3788/OPE.20162410.2456