當(dāng)今是信息的時(shí)代,信息像原子裂變一樣迅速膨脹。光盤能夠同時(shí)存儲(chǔ)聲音、圖像、文字等多種媒體的信息,而且因?yàn)槠渚哂写鎯?chǔ)密度高、價(jià)格便宜、保存壽命長(zhǎng)和便于攜帶,能夠滿足信息化社會(huì)海量信息存儲(chǔ)的需要等一系列其它記錄媒體無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn),故日益成為最主要的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存介質(zhì)。光盤里的數(shù)據(jù)信息是以凹坑形式存儲(chǔ)于盤基上,凹坑的深度和長(zhǎng)度對(duì)數(shù)據(jù)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(xué)的Quate等所發(fā)明的原子力顯微鏡(atomicforcemicroscopy,AFM)為直接觀測(cè)微形貌提供了便利。AFM綜合了力學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)和計(jì)算機(jī)等學(xué)科和技術(shù),它具有納米甚至原子量級(jí)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(duì)光盤上信息位凹坑進(jìn)行三維形貌檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析,可以找出影響光盤質(zhì)量的直接原因?，F(xiàn)利用AFM實(shí)現(xiàn)對(duì)CD-R、DVD-R光盤寫入前后的表面結(jié)構(gòu)成像,并在納米級(jí)尺度上對(duì)光盤溝槽的寬度、深度、長(zhǎng)度、間距等表面形貌參數(shù)進(jìn)行測(cè)量比較,用以評(píng)價(jià)光盤質(zhì)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(biāo)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(biāo)號(hào)2,3兩個(gè)倒三角符號(hào)指示的位置是預(yù)刻溝槽的寬度測(cè)量點(diǎn)即取距離溝槽底部60%的位置。預(yù)刻溝槽寬度的測(cè)量值取決于測(cè)量位置距離溝槽底部的高度以及溝槽側(cè)壁傾角。圖6中標(biāo)號(hào)1,4兩個(gè)倒三角符號(hào)指示的位置是預(yù)刻溝槽的深度測(cè)量點(diǎn)。溝槽的形狀是影響光盤質(zhì)量非常重要的因素。溝槽間距指的是相鄰兩個(gè)溝槽的中心距。在圖6至圖7所測(cè)得的數(shù)據(jù)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(chǔ)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(xù)的預(yù)刻溝槽組成螺旋狀的軌道,在掃描10m10m的范圍內(nèi),CD-R溝槽數(shù)為6,DVD-R溝槽數(shù)為13。溝槽本身有微弱的左右擺動(dòng),靠這種擺動(dòng)來(lái)提供記錄和讀出的地址信息,預(yù)刻槽擺動(dòng)幅度的大小將直接影響能否正確讀出地址信息,所以要嚴(yán)格控制上下的限值。CD-R的預(yù)刻槽的擺動(dòng)幅度為30nm,允許范圍為25~36nm。事實(shí)上隨著讀寫速度的提高,幅度應(yīng)適當(dāng)提高。2001年10月公布的橙皮書將歸一化擺動(dòng)幅度放寬到0.060,對(duì)應(yīng)的擺動(dòng)幅度是43nm。如圖8所示,若在每?jī)蓚€(gè)相鄰軌道取若干點(diǎn)來(lái)測(cè)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(dòng)幅度的4倍,其擺動(dòng)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(biāo)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(chǔ)于溝槽內(nèi)。凹坑代表著記錄的信息,則凹坑的形狀(長(zhǎng)度、深度、寬度)對(duì)光盤記錄的數(shù)據(jù)質(zhì)量具有較大的影響,如抖晃、塊錯(cuò)誤率、對(duì)稱性和不對(duì)稱性等。DVD-R光盤的凹坑的長(zhǎng)度3光學(xué)儀器第30卷比CD-R更短,密度更高,這樣DVD-R就能存儲(chǔ)更多的信息。寫入后,溝槽的寬度和間距沒(méi)有改變,深度卻發(fā)生了明顯的改變。由圖13和圖14中標(biāo)號(hào)3,4兩個(gè)倒三角符號(hào)指示的位置是沒(méi)有信息記錄的溝槽,其深度基本不變。由圖13和圖14中標(biāo)號(hào)1,2兩個(gè)倒三角符號(hào)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(fā)生了明顯的變化是因?yàn)閷懭霑r(shí)被數(shù)據(jù)調(diào)制后的激光束照到記錄介質(zhì)上時(shí),激光的熱效應(yīng)使光照微區(qū)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(jí)尺度上直接測(cè)量光盤上信息位的形貌參數(shù)如凹坑長(zhǎng)度、凹坑深度、道間距等,這些形貌參數(shù)對(duì)檢測(cè)光盤記錄的數(shù)據(jù)質(zhì)量具有較大的影響。通過(guò)對(duì)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(jié)構(gòu)的檢測(cè)是CD-R光盤的一半,信息存儲(chǔ)密度更大。光盤道間距的變化范圍是溝槽擺動(dòng)幅度的4倍。光盤刻錄后,溝槽的寬度和間距沒(méi)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(zhǎng)度比CD-R更短。光盤發(fā)展的趨勢(shì)是道間距及凹坑越來(lái)越小,刻錄的信息長(zhǎng)度也越來(lái)越小來(lái)獲得更大的存儲(chǔ)密度。高密度、高速度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)將始終是信息技術(shù)的關(guān)鍵研究領(lǐng)域和發(fā)展方向之一。