當今是信息的時代,信息像原子裂變一樣迅速膨脹。光盤能夠同時存儲聲音、圖像、文字等多種媒體的信息,而且因為其具有存儲密度高、價格便宜、保存壽命長和便于攜帶,能夠滿足信息化社會海量信息存儲的需要等一系列其它記錄媒體無可比擬的優點,故日益成為最主要的數據儲存介質。光盤里的數據信息是以凹坑形式存儲于盤基上,凹坑的深度和長度對數據的讀取性能有直接的影響。

1986年,由IBM公司的Binnig與斯坦福大學的Quate等所發明的原子力顯微鏡(atomicforcemicroscopy,AFM)為直接觀測微形貌提供了便利。AFM綜合了力學、光學、電子學和計算機等學科和技術,它具有納米甚至原子量級的超高分辨力。借助AFM可以獲得光盤表面形貌特征信息和納米尺度上的粗糙度,對光盤上信息位凹坑進行三維形貌檢測和統計分析,可以找出影響光盤質量的直接原因。現利用AFM實現對CD-R、DVD-R光盤寫入前后的表面結構成像,并在納米級尺度上對光盤溝槽的寬度、深度、長度、間距等表面形貌參數進行測量比較,用以評價光盤質量。

下面分別是CD-R和DVD-R光盤表面形貌圖(圖2,圖3)、三維圖(圖4,圖5)和指定剖面的輪廓圖[圖6,圖7(剖面線位置分別在2,3中黑線位置標出)]。圖中亮度越淺,表示高度越高,反之表示高度越低。如圖6至圖7分別是圖2,圖3中黑線所示處剖面的輪廓圖。圖6中標號2,3兩個倒三角符號指示的位置是預刻溝槽的寬度測量點即取距離溝槽底部60%的位置。預刻溝槽寬度的測量值取決于測量位置距離溝槽底部的高度以及溝槽側壁傾角。圖6中標號1,4兩個倒三角符號指示的位置是預刻溝槽的深度測量點。溝槽的形狀是影響光盤質量非常重要的因素。溝槽間距指的是相鄰兩個溝槽的中心距。在圖6至圖7所測得的數據中,CD-R刻錄前的溝槽深度為115.79~132.76nm,平均值為126.38nm,寬度為664.06nm,間距為1563nm。而DVD-R光盤空白盤片的溝槽深度為66.958~91.447nm,平均值為76.553nm,寬度為351.56nm,間距為761.72nm。DVD-R光盤的道間距比CD-R較窄,僅僅是CD-R光盤的一半,信息存儲密度更大。在CD-R和DVD-R光盤上以如圖2至圖3所示的連續的預刻溝槽組成螺旋狀的軌道,在掃描10m10m的范圍內,CD-R溝槽數為6,DVD-R溝槽數為13。溝槽本身有微弱的左右擺動,靠這種擺動來提供記錄和讀出的地址信息,預刻槽擺動幅度的大小將直接影響能否正確讀出地址信息,所以要嚴格控制上下的限值。CD-R的預刻槽的擺動幅度為30nm,允許范圍為25~36nm。事實上隨著讀寫速度的提高,幅度應適當提高。2001年10月公布的橙皮書將歸一化擺動幅度放寬到0.060,對應的擺動幅度是43nm。如圖8所示,若在每兩個相鄰軌道取若干點來測量道間距的變化,CD-R的道間距的范圍是1484~1641nm,則道間距的變化范圍是擺動幅度的4倍,其擺動幅度為39nm。

下面分別是寫入信息后,CD-R和DVD-R光盤的表面形貌圖(圖9,圖10)、三維圖(圖11,圖12)和指定剖面的輪廓圖[圖13,圖14(剖面線位置分別在9,10中黑線位置標出)]。如圖9和圖10所示,刻錄的信息以一系列凹坑的形式存儲于溝槽內。凹坑代表著記錄的信息,則凹坑的形狀(長度、深度、寬度)對光盤記錄的數據質量具有較大的影響,如抖晃、塊錯誤率、對稱性和不對稱性等。DVD-R光盤的凹坑的長度3光學儀器第30卷比CD-R更短,密度更高,這樣DVD-R就能存儲更多的信息。寫入后,溝槽的寬度和間距沒有改變,深度卻發生了明顯的改變。由圖13和圖14中標號3,4兩個倒三角符號指示的位置是沒有信息記錄的溝槽,其深度基本不變。由圖13和圖14中標號1,2兩個倒三角符號指示的位置是有信息記錄的溝槽,深度加深。寫入后,溝槽的深度發生了明顯的變化是因為寫入時被數據調制后的激光束照到記錄介質上時,激光的熱效應使光照微區的膜層融化,在表面張力的作用下形成代表信息的凹坑。CD-R光盤的平均溝槽深為182.43nm。DVD-R光盤有信息記錄的平均溝槽深度為119.76nm。

利用原子力顯微鏡可以在納米級尺度上直接測量光盤上信息位的形貌參數如凹坑長度、凹坑深度、道間距等,這些形貌參數對檢測光盤記錄的數據質量具有較大的影響。通過對AFM的CD-R和DVD-R兩種光盤刻錄前和刻錄后的表面形貌圖的觀察和比較分析,可知DVD-R光盤的道間距比CD-R較窄,僅僅4第4期徐琳,等:基于原子力顯微鏡的光盤表面微結構的檢測是CD-R光盤的一半,信息存儲密度更大。光盤道間距的變化范圍是溝槽擺動幅度的4倍。光盤刻錄后,溝槽的寬度和間距沒有改變,而有信息記錄的溝槽的深度明顯變深,DVD-R光盤的凹坑的長度比CD-R更短。光盤發展的趨勢是道間距及凹坑越來越小,刻錄的信息長度也越來越小來獲得更大的存儲密度。高密度、高速度數據存儲技術將始終是信息技術的關鍵研究領域和發展方向之一。