Optische Speichermedien

Seit ihrer Markteinführung Anfang der achtziger Jahre ist die Compact Disc (CD) zu einem weitverbreiteten Speichermedium geworden. Die Speichermedien der nächsten Generation basieren auf noch kleineren Datenstrukturen und bieten dadurch noch höhere Speicherkapazitäten. Für die Entwicklung, Optimierung und die Qualitätskontrolle von solchen Speichermedien ist eine präzise Charakterisierung der als Datenträger dienenden Oberflächen im Mikro- und Nanometerbereich sehr hilfreich.

Die Datenspeicherung auf einer CD oder DVD basiert auf der Umsetzung von digitalen Daten in sogenannte Pit­Strukturen, die in eine typischerweise aus Polykarbonat bestehende Scheibe in Form von Vertiefungen eingebracht werden. Um das spätere optische Auslesen der digitalen Informationen mittels eines Lasers zu ermöglichen, wird das strukturierte Polykarbonatsubstrat mit einer gut reflektierenden Aluminiumschicht bedampft. Anschließend werden die empfindlichen Datenstrukturen mit einer UV-Lichtaushärtenden Schutzlackschicht überzogen und mit einer Beschriftung versehen.

Die folgende Abbildung zeigt schematisch den typischen Aufbau einer Compact Disc.

 

Schematischer Aufbau einer Compact Disc oder DVD.

Die Herstellung solcher Speichermedien erfolgt über ein Spritzgussverfahren, bei dem die Polykarbonatscheiben meist als Abdruck einer Metall- oder Glasmatrize gefertigt werden. Entsprechend sind auf dieser als „Master“ fungierenden Matrize die digitalen Daten als Erhöhungen kodiert.

Bei der Massenproduktion von solchen optischen Speichermedien ist man bestrebt, die Spritzguss­zyklen möglichst kurz zu halten, um so eine hohe Produktionsrate zu erzielen. Typische Zykluszeiten liegen bei nur wenigen Sekunden pro Compact Disc. Auch bei einer relativ hohen Herstellungsgeschwindigkeit muss eine ausreichende Qualität der Compact Discs, insbesondere die präzise Ausformung der digitalen Strukturen, gewährleistet sein. Mögliche Fehlerquellen sind insbesondere Defekte auf der Mastermatrize und Prozessfehler beim Spritzguss.

 

Bildbereich: 32 µm x 32 µm x 180 nm

Charakterisierung

Die Rasterkraftmikroskopie ist geeignet, mögliche Defekte und ihre Ursachen sowohl auf den Mastermatrizen als auch auf den Compact Discs lokal zu untersuchen. Entscheidend hierfür ist, dass das Rasterkraftmikroskop (AFM) quantitative, dreidimensionale Informationen über die Pit-Form, -Tiefe, -Breite

und -Seitenwandwinkel sowie den Spurverlauf liefert. Ein Vorteil gegenüber rasterelektronenmikroskopischen Messungen (REM) besteht beim AFM darin, dass strukturierte Oberflächen zerstörungsfrei und ohne spezielle Präparationsschritte (z.B. Bedampfung) charakterisiert werden können. Die nebenstehenden Bilder zeigen die Oberfläche solch einer Metallmatrize, wie sie zur Produktion einer Compact Disc verwendet wird. Bei entsprechender Vergrößerung ist sogar die Feinstruktur der Metallmatrize zwischen einzelnen Datenbits zu erkennen.

Die im Spritzgußverfahren von einer solchen Metallmatrize abgeformten Compact Discs weisen unter Umständen verfahrenstechnisch bedingte Fehler auf. Auf der Basis von entsprechenden AFM-Messungen ist eine gezielte Fehlersuche möglich. Wie in der unteren Abbildung dargestellt, wird dabei u.a. die Pit-Tiefe vermessen. Diese darf nur in einem bestimmten Toleranzbereich liegen, da sowohl zu tiefe als auch zu flache Pits später zu Abspielfehlern führen könnten. Weitere mögliche Fehlerquellen sind Variationen im Spurabstand sowie unsauber abgeformte Pits.

Mit Hilfe des Rasterkraftmikroskops können solche Abweichungen ermittelt werden.

 

Bildbereich: 8 µm x 8 µm x 180 nm
Bildbereich: 2 µm x 2 µm x 180 nm

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