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研究生: 吳文志
Wu, Wen-Chih
論文名稱: In2Te3 相變型光碟材料之研究及熱傳之有限元素法模擬
指導教授: 陳進成
Chen, Chin-Cheng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2003
畢業學年度: 91
語文別: 中文
論文頁數: 132
中文關鍵詞: 光儲存複寫有限元素法相變化In2Te3薄膜
外文關鍵詞: finite element method, rewritable, optical recording, phase change, In2Te3 thin film
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  • 相變型光碟以紀錄材料的結晶態與非結晶態間的轉換來做為紀錄資訊的方法,而讀取訊號是利用紀錄材料的結晶態與非結晶態之間的反射率差異。因化學計量比(Stoichiometric compound)合金系統,其擦拭(結晶)時間只有30 ns。而碲基的共晶合金(Te-based alloy)有極易非晶化、合適的光學特性及適當的熔點。因此,我們選擇具有潛力的InTe合金系作為研究材料。

    本研究利用真空共蒸鍍之方式製備In2Te3合金記錄薄膜。接著分別在不同操作條件下進行N2氣氛熱處理實驗以及半導體雷射掃描實驗,藉以探討熱處理溫度與時間對薄膜結晶情形的影響以及雷射參數(掃描速度與功率)對薄膜溶解情形及結構的影響。以及量測反射率隨波長變化情形及複合折射率n、 k值。此外,也利用微分熱差掃瞄分析(DSC)來瞭解此材料的結晶溫度。實驗結果及電子顯微鏡表面觀察顯示經熱處理後,薄膜均會產生相變化(從非晶態轉為結晶態),不同熱處理溫度造成不同的結晶面。由光學顯微鏡及電子顯微鏡的照片顯示,薄膜在經雷射掃描後可產生熔解流動,並因表面張力作用而有液滴凝集現象。愈大的功率與愈低的掃描速度速造成熔解寬度與深度也愈大。另外,由DSC所量測之薄膜結晶溫度約為225℃,因此,材料在一般使用溫度下非晶態有足夠的熱穩定性。

    在光碟熱傳模擬方面則是利用有限元素法來解碟片的溫度分佈。模擬結果顯示,此碟片在CD(λ=780nm)及DVD(λ=650nm)系統下,具有高紀錄速度的潛力。同時記錄層最高溫度與熔解寬度對雷射功率呈現接近線性增加的關係,而對掃描速度則為線性減小關係;加熱、冷卻速率與掃描速度呈現線性關係,雷射功率對加熱、冷卻速率影響不大。記錄層熔解寬度與雷射參數群(P1Vx-0.25)呈現線性關係。

    In rewritable phase-change optical recording media, the data are recorded based on amorphization and crystallization of the phase change material. Information can be read out as change in reflectance. Stoichiometric compound alloy materials, which have fast crystallization rate, were the most popular phase-change recording medium to date. Another chalcogenide material, InTe eutectic alloy, was considered to have a great potential to be a better phase-change optical recording media because that Te-based alloy has easy amorphization, suitable optical characteristics and the sufficiently low melting point.

    In the present study, In2Te3 alloy film was prepared by vacuum co-deposition, following by a heat-treatment at N2 atmosphere and the scanning of a diode laser. The XRD results show that the phase of In2Te3 alloy film changes from amorphous state to crystalline state after heat-treatment. Furthermore, different crystalline orientations were observed after heat-treatment at different temperature, and SEM images prove the presence of crystalline morphology of In2Te3 film after heat-treatment. From the OM images and SEM images, one observed that after the In2Te3 film scanned by a diode laser, there are morphology changes, surface melting or/and flow of the molten film. A wilder and deeper melt zone of film is observed when the film was scanned by a laser at higher power or lower speed .The complex refractive indices and reflectivity of amorphous and crystalline recording films were measured. The crystallization temperature of In2Te3 alloy material is measured by DSC, and is determined to be about 225℃. The crystallization temperature is sufficiently high for thermal stablility.

    The finite element method was applied to solve for the 3 dimensional temperature profile of the disc. The results indicate that data can be recorded on the disc at very high scanning speed either in CD system(λ=780nm)or DVD system(λ=640nm). The recorded-mark size as well as peak temperature of recording film were proportional to laser power, but inversely proportional to scanning speed, the heating rate and the cooling rate was proportional to scanning speed. The recorded-mark size was proportional to the parameter group (P1Vx-0.25).

    總 目 錄 中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅲ 誌謝 Ⅴ 總目錄 Ⅵ 照片目錄 IX 表目錄 Ⅹ 圖目錄 ⅩⅠ 符號說明 ⅩⅣ 第一章 緒論 1-1 光碟記錄的發展 1 1-2 文獻回顧 7 1-3 本文探討內容 11 第二章 理論 2-1 相變化記錄原理 13 2-2 相變型光碟的薄膜結構 16 2-3 熱傳模式 24 2-4 非線性熱傳數值模擬 29 2-5 有限元素法基本概念 29 2-6 有限元素法之流程 31 第三章 實驗 3-1 實驗流程 43 3-2 基板與材料的準備 46 3-3 薄膜的製備 50 3-3-1 真空蒸鍍系統 50 3-3-2 共蒸鍍程序及條件 53 3-4 乾燥N2氣氛熱處理程序及其系統 54 3-5 雷射掃描熱處理程序及其系統 57 3-6 薄膜分析 60 3-6-1 膜厚分析 60 3-6-2 表面結構與晶像觀察 60 3-6-3 熱性質分析 61 3-7 反射率反射率及複合折射率n、k值量測 61 3-7-1 反射率量測 61 3-7-2 n及k值量測 62 第四章 結果與討論 4-1 薄膜之組成與晶相分析 63 4-2 熱差掃瞄(DSC)分析結果 65 4-3 乾燥N2氣氛熱處理結果分析 68 4-3-1 熱處理時間對薄膜結晶之影響 68 4-3-2 熱處理溫度對薄膜結晶之影響 70 4-4 反射率、n及k值量測 85 4-5 雷射掃描後薄膜表面型態之觀察 87 4-6 In2Te3熱傳導係數之參數調和(Parameter fitting) 96 4-7 碟片結構設計 100 4-7-1 膜層厚度之設計 100 4-7-2 數值模擬中各膜層之分割格數 101 4-8 光碟熱傳模擬結果分析 104 4-8-1 雷射參數對碟片最高溫度之影響 106 4-8-2 雷射參數對記錄跡之影響 107 4-8-3 估計冷卻速率與加熱速率 115 4-8-4 雷射參數對加熱、冷卻速率之影響 116 4-8-5 雷射參數群與碟片性質之關係 123 4-9 碟片之動態寫擦結果探討 125 第五章 結論 126 參考文獻 128 自述 132 照片目錄 照片4-1 In2Te3薄膜經不同熱處理時間後之SEM照片 (熱處理溫度=230℃,膜厚1000Å) 79 照片4-2 In2Te3薄膜經不同熱處理時間後之SEM照片 (熱處理溫度=250℃,膜厚1000 Å) 80 照片4-3 In2te3薄膜經不同熱處理時間後之SEM照片 (熱處理溫度=280℃,膜厚1000 Å) 81 照片4-4 In2Te3薄膜經不同熱處理溫度後之SEM照片 (熱處理時間=60分鐘,膜厚1000 Å) 82 照片4-5 In2Te3薄膜經不同熱處理溫度後之SEM照片 (熱處理時間=120分鐘,膜厚1000 Å) 83 照片4-6 In2Te3薄膜經不同熱處理溫度後之SEM照片 (熱處理時間=240分鐘,膜厚1000 Å) 84 照片4-7 蒸鍍於PC基板上之薄膜經雷射掃描後之光學顯微鏡照片(掃描速度630cm/s) 90 照片4-8 蒸鍍於PC基板上之薄膜經雷射掃描後之SEM照片(掃描速度630cm/s) 91 照片4-9 蒸鍍於PC基板上之薄膜經雷射掃描後之光學顯微鏡照片(掃描速度840cm/s) 92 照片4-10 蒸鍍於PC基板上之薄膜經雷射掃描後之SEM照片(掃描速度840cm/s) 93 照片4-11 蒸鍍於PC基板上之薄膜經雷射掃描後之光學顯微鏡照片(掃描速度1050cm/s) 94 照片4-12 蒸鍍於PC基板上之薄膜經雷射掃描後之SEM照片(掃瞄速度1050cm/s) 95 表目錄 表1-1 光碟發展之歷程與規範 2 表1-2 CD與DVD技術規格的比較 3 表1-3 磁光型與相變型的優缺點 5 表1-4 相變型光碟材料研究歷程 8 表2-1 光碟基板需求條件 17 表2-2 介電層的基本需求 19 表2-3 相變化記錄媒體之材料需求 19 表2-4 記錄層材料選擇元素 23 表2-5 In2Te3之物理性質 38 表2-6 基板與光碟各膜層之物理性質 39 表3-1 蒸鍍材料之操作條件 54 表3-2 高溫爐熱處理之操作條件 55 表3-3 雷射熱處理之操作條件 59 表4-1 DSC實驗放熱峰溫度值 67 表4-2 特定波長下的結晶態和非結晶態之反射 87 表4-3 橢圓偏光儀量測出的n及k值 87 表4-4 實驗所得雷射功率、轉速與薄膜熔解寬度之關係 89 表4-5 模擬計算不同液態熱傳導係數之雷射光率、掃描速度與薄膜熔解寬度關係 98 表4-6 光碟各膜層分割格數之設計 103 圖目錄 圖1-1 磁光克爾效應示意圖 4 圖1-2 材料之結晶與非結晶相變化示意圖 4 圖1-3 數值孔徑NA=n•sinθ關係圖 6 圖1-4 雷射光照時間,碟片轉動速度與雷射光點大小關係圖與計算結果 7 圖2-1 材料之結晶與非結晶相變化示意圖 15 圖2-1 相變型光碟讀寫擦示意圖 15 圖2-2 相變型光碟直接覆寫原理示意圖 15 圖2-3 相變型光碟膜層結構示意圖 16 圖2-4 雷射掃描之模型 25 圖2-5 模型區域之元素劃分圖 32 圖2-6 第L個元素中八個節點位置圖 33 圖2-7 In2Te3之比熱與溫度關係圖 40 圖2-8 In2Te3之熱傳導係數與溫度關係圖 40 圖2-9 PC之熱傳導係數、比熱與溫度關係圖 41 圖2-10 Al之熱傳導係數、比熱與溫度關係圖 41 圖2-11 有限元素法程式之流程圖 42 圖3-1 實驗流程圖 45 圖3-2 玻璃基板之X-RAY繞射分析圖 46 圖3-3 In與Te蒸汽壓隨溫度變化關係圖 49 圖3-4 In與Te二元合金系統相圖 49 圖3-5 真空蒸鍍系統簡圖 51 圖3-6 N2氣氛高溫爐系統示意圖 56 圖3-7 動態寫擦測試儀裝置圖 58 圖4-1 蒸鍍於玻璃基板上薄膜之EDS元素分析圖 64 圖4-2 DSC分析圖所顯示物質變化類型圖 66 圖4-3 In2Te3 之DSC分析圖 67 圖4-4 不同熱處理時間下,薄膜之X-Ray繞射分析變化圖 (熱處理溫度230℃,膜厚1000 Å) 72 圖4-5 不同熱處理時間下,薄膜之X-Ray繞射分析變化圖 (熱處理溫度250℃,膜厚1000 Å) 73 圖4-6 不同熱處理時間下,薄膜之X-Ray繞射分析變化圖 (熱處理溫度280℃,膜厚000 Å) 74 圖4-7 不同熱處理溫度下,薄膜之X-Ray繞射分析變化圖 (熱處理時間60分鐘,膜厚1000 Å) 75 圖4-8 不同熱處理溫度下,薄膜之X-Ray繞射分析變化圖 (熱處理時間120分鐘,膜厚1000 Å) 76 圖4-9 不同熱處理溫度下,薄膜之X-Ray繞射分析變化圖 (熱處理時間240分鐘,膜厚1000 Å) 77 圖4-10 溫度與晶核結晶、成長速率關係圖 78 圖4-11 薄膜材料之反射率隨波長變化之關係圖 86 圖4-12 雷射掃描實驗所得雷射功率與薄膜熔解寬度關係圖 99 圖4-13 雷射功率、掃描速度與記錄層熔解寬度關係之實驗結果與模結 果(經參數調和(Parameter fitting)後)比較圖 .99 圖4-14 光碟在X-Z平面上溫度分佈圖(Y=0.0) 110 圖4-15 光碟在X-Y平面上溫度分佈圖(Z=0.0) 110 圖4-16 記錄層最高溫度與雷射功率關係圖(λ=650nm) 111 圖4-17 記錄層最高溫度與雷射功率關係圖(λ=780nm) 111 圖4-18 記錄層最高溫度與掃描速度關係圖(λ=650nm) 112 圖4-19 記錄層最高溫度與掃描速度關係圖(λ=780nm) 112 圖4-20 記錄熔解寬度與雷射功率關係圖(λ=650nm) 113 圖4-21 記錄熔解寬度與雷射功率關係圖(λ=780nm) 113 圖4-22 記錄熔解寬度與掃描速度關係圖(λ=640nm) 114 圖4-23 記錄熔解寬度與掃描速度關係圖(λ=780nm) 114 圖4-24 冷卻速率與加熱速率計算方式示意圖 118 圖4-25 加熱速率與雷射功率關係圖(λ=650nm) 119 圖4-26 加熱速率與雷射功率關係圖(λ=780nm) 119 圖4-27 加熱速率與掃描速度關係圖(λ=650nm) 120 圖4-28 加熱速率與掃描速度關係圖(λ=780nm) 120 圖4-29 冷卻速率與雷射功率關係圖(λ=650nm) 121 圖4-30 冷卻速率與雷射功率關係圖(λ=780nm) 121 圖4-31 冷卻速率與掃描速度關係圖(λ=650nm) 122 圖4-32 冷卻速率與掃描速度關係圖(λ=780nm) 122 圖4-33 雷射參數群(PV-0.25)與記錄層熔解區域關係圖(λ=650nm) 124 圖4-34 雷射參數群(PV-0.25)與記錄層熔解區域關係圖(λ=780nm) 124

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    下載圖示 校內:2004-08-07公開
    校外:2004-08-07公開
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