次世代高速書き換え相変化光ディスクの 硬x線光電子分光分析に …€¦ ·...
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Copyright 2006, Toshiba Corporation.
中居 司
(株)東芝 研究開発センター
2008年 02月 29日Copyright 2006, Toshiba Corporation.
次世代高速書き換え相変化光ディスクの硬X線光電子分光分析による界面層効果の解析
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 2
本日の報告内容本日の報告内容
• 書き換え型光ディスク技術の概要– 書き換え型光記録媒体の動作原理、相変化記録膜材料– 高速書き換えタイプの光記録媒体におけるキー材料
• 目的• 実験
– 硬X線光電子分光法(HX-PES)の特徴
• 結果および考察– 記録膜への界面層の影響、記録膜材料系の比較– XRD、XAFSの例
• まとめ
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 3
書き換え型光記録媒体の動作原理書き換え型光記録媒体の動作原理
記録膜層
(相変化材料)
界面層
ZnS-SiO2
界面層
ZnS-SiO2
界面層
ZnS-SiO2
界面層
ZnS-SiO2
アモルファス (Amo.)結晶 (Cry.)
nsec オーダー
非常に高速!
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 4
相変化記録および消去プロセス相変化記録および消去プロセス
記録膜層の温度変化
レーザーパルス
記録した信号の消去(結晶化)信号の記録(アモルファス化)
時間時間
時間時間
急峻 緩やか
徐冷急冷
高く 低く
融点結晶化温度
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 5
相変化型光ディスクの記録マーク例相変化型光ディスクの記録マーク例 ((TEM)TEM)
ランド
グルーブ
アモルファス・マーク
アモルファス・マーク
ex. Rc > Ra
形成されたアモルファスのマーク
Rc
Ra
Rc : 結晶状態の反射率、Ra : アモルファス状態の反射率
記録マーク
反射光量
ビーム
GeSbTe(GST)擬二元系合金(GeTe-Sb2Te3)
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 6
擬二元系と共晶系擬二元系と共晶系((GeSbTeGeSbTe系の例系の例))
Ge
Te Sb
GeTe
Sb2Te3
擬二元系
共晶系
マーク形状の模式図
SEM
SEM
GeTe-Sb2Te3
SbTe+Ge
GeSbTe (GST)
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 7
擬二元系と共晶系の結晶化モード擬二元系と共晶系の結晶化モード
マーク形状が異なる
擬二元系
核生成ドミナント
共晶系
結晶成長ドミナント
•トラック・ピッチ(TP)を縮小し易い•界面層 → 結晶化促進機能
•ビット・ピッチを縮小し易い•界面層 → 偏析・拡散防止
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 8
高速書き換え相変化光記録媒体におけるキー材料高速書き換え相変化光記録媒体におけるキー材料
キー材料キー材料界面層材料
相変化記録膜
相互作用
膜設計、基板、LD、ドライブ、etc.
擬二元系
結晶核生成をアシスト
記録膜の結晶化促進
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 9
界面層の機能界面層の機能
記録膜の結晶化促進
OW時の記録膜の保護
隣接層元素の拡散防止
Interface layerInterface layer界面層界面層
OW : オーバーライト界面層
ZnS-SiO2
界面層
ZnS-SiO2
記録膜層
(Amo. / Cry.)
Amo. : アモルファスCry. : 結晶
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 10
10
15
20
25
30
35
40
界面層無し 界面層あり
L0 (Groove)
L0 (Land)
L1 (Groove)
L1 (Land)
ER [dB]
L1
L0
GBT
ディスク特性に対するディスク特性に対する界面層の効果の例界面層の効果の例
ER : 消去率
界面層
相変化記録膜
ZnS-SiO2片面二層媒体の断面図
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 11
界面層の界面層の機能をミクロに理解できないか機能をミクロに理解できないか??
構造は?化学状態
&電子状態 ?
相変化記録膜層
界面層
ZnS-SiO2
Amo. / Cry.
界面層
ZnS-SiO2
?
?
多層膜, 非常に薄い (~10nm)& 他の膜でカバーされている
Amo. : アモルファスCry. : 結晶
どうやって解析するの?
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 12
硬硬XX線光電子分光法線光電子分光法((HXHX--PESPES))の特徴の特徴
実験室レベルのXPS(以下、ラボXPSと呼ぶ)
エッチング
光電子
HX-PES
埋もれた界面
エッチング・プロセス無し
光電子
HX-PES : The Hard X-ray PhotoElectron Spectroscopy高いエネルギーのX線を用いたXPS (X線光電子分光法) の一種 → 検出深度 : 深い
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 13
目的目的
GST系より結晶化速度の速いGeBiTe(GBT)系相変化記録膜の化学状態、電子状態への界面層の効果をHX-PESを用いて調査することを目的とした。
HD DVDHD DVD
高速書き換え媒体高速書き換え媒体
化学状態、
電子状態
HX-PESGeBiTe
界面層の効果
SbTe系が比較材料
GeBiTe(GBT) : GeTe-Bi2Te3 擬二元系化合物HX-PES : Hard X-ray PhotoElectron Spectroscopy (硬X線光電子分光法)
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実験実験
• 分析サンプル
• SPring-8におけるHX-PES装置の概念図
• 分析装置および分析条件
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 15
サンプルサンプル
※AHS layer : Additional Heat Sink layer
高速書き換え型HD DVD媒体 (DL)
PC基板
Ag合金
ZnS-SiO2
ZnS-SiO2
界面層
界面層
相変化記録膜
実構造サンプル
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 16
SPringSPring--88におけるにおけるHXHX--PESPES装置の概念図装置の概念図
日本兵庫
((財財))高輝度光科学研究センター高輝度光科学研究センターJapan Japan SynchrotronSynchrotron Radiation Research Institute (JASRI)Radiation Research Institute (JASRI) : SPring: SPring--88
放射光
(~8keV)
エネルギー分析器
- -
試料
光電子
エネルギー分析器
(R-4000)
二結晶分光器
Si(111)
チャネルカット分光器
Si(444)
SPring-8
(蓄積リング)試 料
アンジュレーター
イオンチャンバー
スリット光電子
放射光
(BL47XU : (BL47XU : ビームライン光学系ビームライン光学系))
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 17
基板
Ag合金
ZnS-SiO2
ZnS-SiO2
相変化記録膜Cry. / Amo.
PC
光電子硬X線
基板
Ag合金
ZnS-SiO2
ZnS-SiO2
界面層
界面層
相変化記録膜Cry. / Amo.
PC
光電子硬X線
(a) 界面層有り
(b) 界面層無し
分析サンプル分析サンプル ((実構造実構造))
vs.
※界面層 : 結晶化促進機能がある材料(酸化物系、窒化物系)
相変化記録膜 : GBT系、SbTe系
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 18
分析装置と分析条件分析装置と分析条件
* Auのフェルミ端から推定
80 ゜検出角度 (take-off-angle : TOA)10 ゜励起X線の入射角度
R-4000(ガンマーデータシエンタ社製)Pass Energy : 200 eV,Slit : curved 0.5 mm,Lens Mode : Transmission
エネルギー分解能ΔE~0.3 eV*
電子エネルギー分析器
hν = 7936.68 eV (Au4f7/2を用い校正 )
励起エネルギーSPring-8 BL47XU励起X線源
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 19
結果および考察結果および考察
• 定性分析結果の例
• 相変化記録膜(GBT、SbTe系)の価電子帯のスペクトル(状態密度 : DOS)
• 各元素のピーク
• XRD、XAFSの結果の例
• 相変化記録膜の価電子帯のDOS総括
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 20
定性分析結果の例定性分析結果の例 ((全体図全体図))
040080012001600200024002800
Intensity [arb.units
]
Binding energy [eV]
S1s
Si1sZn2s
Zn2p
Te3dZn3sS2s
Te3p
GBT系 : 界面層無しのサンプル
PC
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 21
定性分析結果の例定性分析結果の例 :: 拡大図拡大図
ZnS-SiO2で覆われている膜の元素を検出可!
040080012001600200024002800Intensity [arb.units]
Binding energy [eV]
S1sSi1s Zn2s Zn2p
Te3d
Zn3sS2sBi3d
Te3pGe2s
O1s
GBT系 : 界面層無しのサンプル
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 22
-2-10123
Intensity [a.u.]
Binding energy [eV]
without(Amo.)
without(Cry.)
with(Amo.)
with(Cry.)
相変化記録膜の価電子帯の相変化記録膜の価電子帯の光電子光電子スペクトル比較スペクトル比較
12345
Intensity[a.u.]
Binding energy [eV]
without(Cry.)
with(Cry.)
without(Amo.)
with(Amo.)
価電子帯の光電子スペクトル : 状態密度 (DOS)
GBT系 : 擬二元系
SbTe系 : 共晶系
結晶化モードの違いを反映
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 23
相変化記録膜相変化記録膜((SbTeSbTe系系 : : 共晶系共晶系))の価電子帯のの価電子帯のDOSDOS
12345
Intensity[a.u.]
Binding energy [eV]
without(Cry.)
with(Cry.)
without(Amo.)
with(Amo.)
価電子帯のトップは、Fermiレベルより1.6~1.8[eV]低いAmo.の価電子帯のDOSとCry.のそれが非常に近いAmo./Cry.のDOSは、界面層の有る・無しに依存しない
狭ギャップの化合物半導体
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相変化記録膜相変化記録膜(GBT)(GBT)の価電子帯のの価電子帯のDOSDOS
電気伝導に寄与する伝導電子のキャリア濃度に比例
界面層無しのサンプル
-2-10123
アモルファス
結晶
Intensity [arb.units]
Binding energy [eV]
バンド・トップ
界面層無しρamo.>>ρcry.
電気抵抗率
ρamo.: アモルファス状態
ρcry. : 結晶状態
実験事実と整合
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 25
-2-10123
アモルファス結晶
Intensity [arb.units]
Binding Energy [eV]
バンド・トップ
界面層有り
相変化記録膜相変化記録膜(GBT)(GBT)の価電子帯のの価電子帯のDOSDOS
ρamo. ≒ρcry.
? ? ?
電子状態的に近い
界面層有り
核生成頻度 or 結晶成長頻度が増加?
記録膜の電子状態を可変させる!
消去率UP! → 結晶化速度UP!
界面層
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記録膜記録膜(GBT)(GBT)を構成する元素のを構成する元素のピーク幅ピーク幅 ((GeGe, Te), Te)
IF : 界面層
1210121512201225
Amo.
Cry.
Intensity [a.u.]
Binding energy [eV]
Ge2p3With IF
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.32
0.34
0.36
0.38
0.4
0.42
Amo. Cry. Amo. Cry.
without IF
with IF
without IF
with IFNormarized Peak width
Normarized Paek width
States
(a)Ge (b)Te
565570575580
Amo.
Cry.
Intensity [a.u.]
Binding energy [eV]
Te3d5With IF
-
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1016102010241028
Amo.Cry.
Intensity [a.u.]
Binding energy [eV]
Zn2p3
1838184218461850
Amo.Cry.
Intensity [a.u.]
Binding energy [eV]
Si1s
界面層有り界面層無し
Amo.
Cry.
1016102010241028
Intensity [a.u.]
Binding energy [eV]
1838184218461850
Amo.Cry.
Intensity [a.u.]
Binding energy [eV]
保護膜を構成する元素の結晶状態依存性保護膜を構成する元素の結晶状態依存性 ((ZnZn, , SiSi))
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レーザー照射により結晶化したレーザー照射により結晶化したGeBiTeGeBiTe膜の結晶構造膜の結晶構造
NaClNaCl typetypeTe
Ge, Bi, and some vacancy
GBTの結晶構造 (準安定相)
XRD (In-Plane法)
4b4a
レーザー照射により結晶化したGBT膜のXRD
10 20 30 40 50 60 70 80 90
Intensity [a.u.]
2θ
(111)
(200)
(220)
(222)
(400)
(024)
(422)
Cry.(with)
Amo.(without)Cry.(without )
withoutwith
vs.実メディア・サンプル
Ag Ag
-
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実メディア・サンプル実メディア・サンプル(GBT)(GBT)を用いたを用いたEXAFSEXAFS解析解析
0 1 2 3 4 5 6
without
with
|FT| [a.u.]
r[Å]
Amo.
PC substrate(0.6mmt)
Intermediate layer
PC substrate(0.6mmt)
PC substrate(0.6mmt)
Intermediate layer
PC substrate(0.6mmt)
実メディアサンプル
入射X線 蛍光X線
vs.
10.8 11.0 11.2 11.4 11.6
without: Amo. : Cry.with : Amo. : Cry.
Intensi
ty [a
.u.]
Photon Energy [keV]
without
with
BL16B2 (サンビーム)
GBT : Ge K-edge
配位数に差
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相変化記録膜相変化記録膜(GBT)(GBT)の価電子帯のの価電子帯のDOS DOS :: 総括総括
我々は、これらの挙動が高速結晶化の要因の一つであると推測してます。
アモルファスと結晶では、原子配列が互いと異なるので、この振る舞いは全く予期できない。
界面層の機能
電子状態、化学結合 ⇒ 可変
ρamo.≒ρcry. ???
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界面層の機能の新たな理解界面層の機能の新たな理解
記録膜の結晶化促進
OW時の記録膜の保護
隣接層元素の拡散防止
Interface layerInterface layer界面層界面層
OW : オーバーライト
新理解新理解
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2007A期 SPring-8 重点産業利用課題成果報告会 株式会社東芝 中居 32
まとめまとめ• 高速書き換えタイプのHD DVD媒体の記録膜に用いられるGeBiTe (GBT) 合
金の化学状態、電子状態の解析を硬X線光電子分光法 (HX-PES) を用いて実施した。これをSbTe系と比較した。
SbTe系(共晶系)
• Amo.とCry.の価電子帯のスペクトル(状態密度DOS) が近く、かつそれらは界面層の有る・無しに依存しなかった。
GBT系(擬二元系)
• 界面層を用いない場合、Amo.のバンドトップはCry.のそれより0.5eV程度低く、DOSも低下した。これに対して界面層を用いた場合、Amo.のDOSがCry.のそれに近づいた。
• 我々は、これらの挙動が結晶化モードの違いに起因しており、また高速結晶化の要因の一つと推定している。
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