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摘要：超分辨近场结构技术是在传统的超分辨光盘技术和近场光学的基础上发展起来的新技术。本文介绍了超分辨近场结构技术的基本原理，综述了该技术在纳米光信息存储和光刻方面应用研究的最新进展，提出了存在的问题，展望了它的发展前景。
关键词：超分辨：近场光学：光存储
信息时代需要高度先进的信息存储技术。人们采用的信息存储手段从最简单的纸张记录存储、缩微照相存储到目前流行的磁记录存储和光盘存储d随着计算机多媒体技术的发展和计算机网络的普及，超高密度、超大容量、超快信息存储技术受到广泛关注。以光子为信息载体的光存储技术具有传统的存储技术(比如磁存储)所不具备的特殊优势，近年来在技术上不断取得重大突破，在市场应用方面也获得了巨大成功。以光盘为代表的光存储器件已成为当代信息社会中不可缺少的信息载体，在数据和活动图像的存储等方面得到了广泛应用。引导光存储领域不断向前发展的一条主线是如何提高存储密度，其中最为关键的就是光刻技术和工艺超分辨近场结构(Super－RENS)技术是近年来发展起来的一种集超分辨光盘技术和近场光存储技术于一身的新技术。它利用超分辨掩膜产生微小光场，并利用介质层巧妙地解决了高速扫描中近场飞行高度的控制问题，是目前最有实用化前景的光子纳米存储技术之一。
1 Super－RENS技术的基本原理
Super－RENS技术是在传统的超分辨光盘技术和近场光存储技术的基础上发展起来的。超分辨光盘首先于1991年在磁光盘中用磁致超分辨(MSR)技术实现。它是利用热虹食原理读出的。光盘两层工作薄膜，一层为记录层，一层为虹食层(即掩膜层)，当激光照射到高速旋转的光盘上时，读出光束和其照射前一区域余热形成的高温区有一重叠，重叠部分的高温区起到一个“热虹食”效应，相当于开了一透光孔，从而有效地减小光斑，读出信号，如图1：根据掩膜层材料的不同温度特性，一般有前孔探测(FAD)和后孔探测(RAD)等。
近场光突破衍射极限的原理是：虽然光通过小孔(小孔的尺寸小于衍射极限)会衍射到各个方向，但是在小孔后的近场范围内(一般小于λ/10)，光束的束宽约等于小孔的尺寸，而不取决于波长的大小，从而可以记录读出超过衍射极限的超精细结构。
Super－RENS方案结合了传统超分辨和近场光学突破衍射极限的优势，也具有许多自己的特点。Super－RENS具有多层膜系(由两层保护层和一层掩膜构成)，如图2所示，为了说明问题图中增加了基板和记录层(光刻胶)。掩膜层和记录层间的距离在近场范围内(几十纳米)。Super－RENS的微区光场可分别利用掩膜层介质在激光照射下的非线性效应或表面等离子体增强效应来产生，分别称为孔径型和散射中心型。Super－RENS实现超分辨的关键是制作一层在激光作用下光学性质发生快速可逆变化的掩膜。
2 Super－RENS在光存储技术中的应用
Super－RENS首先由J.Tominaga等人提出并应用于超高密度光存储。采用Sb作掩膜，在Ge2Sb2 Te5记录膜上实现了90nm的记录点。后来J。Tominaga等又研究发现不同的介电保护层对超分辨性能有重要影响,Sb薄膜熔化时与介电保护层(SiN)产生压力，通过调整介电保护层的结构，将Sb薄膜与介电保护层之间产生的压力最优化后，发现信噪比(CNR)有较大提高，当记录点100nm时，CNR可达27dB左右，如图3(b)Pg示，而图3(a)是膜层结构没有优化实验获得的数据。图中曲线A、B分别为读出功率<3.5mW和读出功率>3，5W时CNR与记录点尺寸的关系。但是，Sb掩膜开孔温度接近记录材料晶化温度，长期读取容易把记录擦除，需要作进一步的改进。
Yung－Hsin LU等采用Te作掩膜，采用膜层结构Substrate/ZnS－Si02(105nm)/Te/spacer/Ge2Sb2 Te5(45nm)，ZnS－Si02(19nm)/AJ(80nm)，当记录点尺寸150nm，CNR约9dB，效果比采用Sb掩膜时稍差，但读出循环性更好，信号不容易擦除(开孔温度低)。
LupingSHI等采用Sb2 Te3作掩膜，为了增加Sb2 Te3的稳定性，在传统膜层结构中增加了一热保护层，介于掩膜和记录层之间。当读出功率到达4roW时候，读56nm的记录点时cNR为8dB左右，信噪比有待提高。
该研究小组提出了Sb2Te3膜和区域等离子体增强膜(LSP－cL)共同作掩膜的新型结构，如图4所示，图(c)和(d)分别为对应于图(a)和(b)膜层结构的CNR和读出功率的关系图。可以读出的最小记录点分别可以达到31nm和36nm，约为实验波长(650nm)的1/20。当读出功率为4.0－6.5mW时，读出103mm的记录点，两种结构的CNR都可以达到25dB。如果我们使用波长405nm的激光，估计可读出20nm以下的记录点。
图4(a)、(b)为Sb2Te3和区域等离子体增强膜共同作掩膜的Super－RENS结构(c)、(d)分别为(a)、(b)所对应的结构时CNR和读出功率的关系图
Qiying Chen等利用热致可逆有机材料作掩膜读出200nm的记录点，信噪比在20d B以上(激光波长为635nm，NA＝0.4)。掩膜用旋涂法制备，厚度较一般无机掩膜厚几十倍，可达800nm，而且在盘基和掩膜之间不需要额外的保护层，工艺更简单，是一种很有前途的Super－RENS方案。
AgOx作掩膜的Super－RENS方案也由J.Tom－inaga小组提出，由于AgOx分解产生的Ag纳米粒子具有表面等离子体增强效应，有望获得比孔径型掩膜更高的信噪比。和含单层氧化银掩膜的结构比较，双层结构CNR值改善了不少，记录点为200nm时CNR从25dB提高到40dB左右，这是因为它有两层Ag作为散射中心，增强了l近场信号强度。因为AgOx的分解温度为160,和GeSbTe记录材料的晶化温度相近，多次读取容易把记录畴擦除。L.Q.Men等人在GeSbTe记录材料中掺杂Fe或zn将其晶化温度提高，可以极大地改善记录点的寿命。
3 结束语
超高密度光存储和光刻技术必然在21世纪占有重要地位，Super－RENS可以突破衍射极限，结构简单，独特孔径层(或散射中心)和介质层形成盘内近场探针，“探头”飞行高度固定，容易控制，不需要复杂的反馈控制系统，实用性较强。但也存在一些缺点，如响应时间慢、读出能量高和信躁比较低等，通过在今后的研究中寻找更好的掩膜材料和多层膜结构，可望在超高密度光存储和光刻技术中获得重要应用。
关键词：超分辨：近场光学：光存储
信息时代需要高度先进的信息存储技术。人们采用的信息存储手段从最简单的纸张记录存储、缩微照相存储到目前流行的磁记录存储和光盘存储d随着计算机多媒体技术的发展和计算机网络的普及，超高密度、超大容量、超快信息存储技术受到广泛关注。以光子为信息载体的光存储技术具有传统的存储技术(比如磁存储)所不具备的特殊优势，近年来在技术上不断取得重大突破，在市场应用方面也获得了巨大成功。以光盘为代表的光存储器件已成为当代信息社会中不可缺少的信息载体，在数据和活动图像的存储等方面得到了广泛应用。引导光存储领域不断向前发展的一条主线是如何提高存储密度，其中最为关键的就是光刻技术和工艺超分辨近场结构(Super－RENS)技术是近年来发展起来的一种集超分辨光盘技术和近场光存储技术于一身的新技术。它利用超分辨掩膜产生微小光场，并利用介质层巧妙地解决了高速扫描中近场飞行高度的控制问题，是目前最有实用化前景的光子纳米存储技术之一。
1 Super－RENS技术的基本原理
Super－RENS技术是在传统的超分辨光盘技术和近场光存储技术的基础上发展起来的。超分辨光盘首先于1991年在磁光盘中用磁致超分辨(MSR)技术实现。它是利用热虹食原理读出的。光盘两层工作薄膜，一层为记录层，一层为虹食层(即掩膜层)，当激光照射到高速旋转的光盘上时，读出光束和其照射前一区域余热形成的高温区有一重叠，重叠部分的高温区起到一个“热虹食”效应，相当于开了一透光孔，从而有效地减小光斑，读出信号，如图1：根据掩膜层材料的不同温度特性，一般有前孔探测(FAD)和后孔探测(RAD)等。
近场光突破衍射极限的原理是：虽然光通过小孔(小孔的尺寸小于衍射极限)会衍射到各个方向，但是在小孔后的近场范围内(一般小于λ/10)，光束的束宽约等于小孔的尺寸，而不取决于波长的大小，从而可以记录读出超过衍射极限的超精细结构。
Super－RENS方案结合了传统超分辨和近场光学突破衍射极限的优势，也具有许多自己的特点。Super－RENS具有多层膜系(由两层保护层和一层掩膜构成)，如图2所示，为了说明问题图中增加了基板和记录层(光刻胶)。掩膜层和记录层间的距离在近场范围内(几十纳米)。Super－RENS的微区光场可分别利用掩膜层介质在激光照射下的非线性效应或表面等离子体增强效应来产生，分别称为孔径型和散射中心型。Super－RENS实现超分辨的关键是制作一层在激光作用下光学性质发生快速可逆变化的掩膜。
2 Super－RENS在光存储技术中的应用
Super－RENS首先由J.Tominaga等人提出并应用于超高密度光存储。采用Sb作掩膜，在Ge2Sb2 Te5记录膜上实现了90nm的记录点。后来J。Tominaga等又研究发现不同的介电保护层对超分辨性能有重要影响,Sb薄膜熔化时与介电保护层(SiN)产生压力，通过调整介电保护层的结构，将Sb薄膜与介电保护层之间产生的压力最优化后，发现信噪比(CNR)有较大提高，当记录点100nm时，CNR可达27dB左右，如图3(b)Pg示，而图3(a)是膜层结构没有优化实验获得的数据。图中曲线A、B分别为读出功率<3.5mW和读出功率>3，5W时CNR与记录点尺寸的关系。但是，Sb掩膜开孔温度接近记录材料晶化温度，长期读取容易把记录擦除，需要作进一步的改进。
Yung－Hsin LU等采用Te作掩膜，采用膜层结构Substrate/ZnS－Si02(105nm)/Te/spacer/Ge2Sb2 Te5(45nm)，ZnS－Si02(19nm)/AJ(80nm)，当记录点尺寸150nm，CNR约9dB，效果比采用Sb掩膜时稍差，但读出循环性更好，信号不容易擦除(开孔温度低)。
LupingSHI等采用Sb2 Te3作掩膜，为了增加Sb2 Te3的稳定性，在传统膜层结构中增加了一热保护层，介于掩膜和记录层之间。当读出功率到达4roW时候，读56nm的记录点时cNR为8dB左右，信噪比有待提高。
该研究小组提出了Sb2Te3膜和区域等离子体增强膜(LSP－cL)共同作掩膜的新型结构，如图4所示，图(c)和(d)分别为对应于图(a)和(b)膜层结构的CNR和读出功率的关系图。可以读出的最小记录点分别可以达到31nm和36nm，约为实验波长(650nm)的1/20。当读出功率为4.0－6.5mW时，读出103mm的记录点，两种结构的CNR都可以达到25dB。如果我们使用波长405nm的激光，估计可读出20nm以下的记录点。
图4(a)、(b)为Sb2Te3和区域等离子体增强膜共同作掩膜的Super－RENS结构(c)、(d)分别为(a)、(b)所对应的结构时CNR和读出功率的关系图
Qiying Chen等利用热致可逆有机材料作掩膜读出200nm的记录点，信噪比在20d B以上(激光波长为635nm，NA＝0.4)。掩膜用旋涂法制备，厚度较一般无机掩膜厚几十倍，可达800nm，而且在盘基和掩膜之间不需要额外的保护层，工艺更简单，是一种很有前途的Super－RENS方案。
AgOx作掩膜的Super－RENS方案也由J.Tom－inaga小组提出，由于AgOx分解产生的Ag纳米粒子具有表面等离子体增强效应，有望获得比孔径型掩膜更高的信噪比。和含单层氧化银掩膜的结构比较，双层结构CNR值改善了不少，记录点为200nm时CNR从25dB提高到40dB左右，这是因为它有两层Ag作为散射中心，增强了l近场信号强度。因为AgOx的分解温度为160,和GeSbTe记录材料的晶化温度相近，多次读取容易把记录畴擦除。L.Q.Men等人在GeSbTe记录材料中掺杂Fe或zn将其晶化温度提高，可以极大地改善记录点的寿命。
3 结束语
超高密度光存储和光刻技术必然在21世纪占有重要地位，Super－RENS可以突破衍射极限，结构简单，独特孔径层(或散射中心)和介质层形成盘内近场探针，“探头”飞行高度固定，容易控制，不需要复杂的反馈控制系统，实用性较强。但也存在一些缺点，如响应时间慢、读出能量高和信躁比较低等，通过在今后的研究中寻找更好的掩膜材料和多层膜结构，可望在超高密度光存储和光刻技术中获得重要应用。