Brevet FR2475271A1 — publié le 19810807

L'invention concerne une structure de mémoire per- manente, inscriptible par voie thermo-optique et lisible par voie optique. Elle s'applique plus particulièrement aux moyens de stockage de données à accès optique, et l'invention sera décrite en s'appuyant sur l'exemple non limita- tif des disques désignés sous le nom générique de dis- ques optiques, sur lesquels les données sont enregistrées par voie thermique et stockées de façon permanente, et lues par voie optique. ces disques comportent une cou- che inscriptible dont l'altération locale constitue l'enregistrement de données. Les informations mises en mémoire peuvent se pré- senter sous forme analogique ou sous forme binaire; ces deux cas appartiennent au domaine de l'invention. La lecture des informations mises en mémoire se fait par des procédés basés sur la transmission à travers la couche inscriptible, ou sur la diffraction sur cette même couche, d'un faisceau lumineux, et traduits en signaux électriques. Selon l'art connu, la lecture d'un disque optique se fait par transmission ou par réflexion d'un faisceau lumineux, généralement un faisceau laser, à travers le matériau support du disque qui est transparent et recou- vert d'une couche absorbante et réflectrice. L'inscription se fait par ablation de la couche absorbante par voie ther- mique, ce qui forme un trou dans cette couche; le faisceau lumineux de lecture en passant à travers ce trou, fournit un signal électrique, tandis que sa réflexion par la couche correspond à l'absence de signal, dans le cas de la lecture par transmission. Si la lecture se fait par réflexion, la réponse électri- que est inversée. L'inconvénient de ce procédé d'inscription par ablation est que les bords des trous ne sont pas plans et nets, ce qui produit un bruit de fond lors de la lecture du disque optique. Au cours de l'inscription, la couche absorbante n'est pas volatilisée mais fondue et la quantité de matière fondue se retrouve autour des trous sous forme d'un bourrelet o elle s'est regrou- pée par suite des forces de capillarité dans la ma- tière fondue. - En outre, la duplication de ces disques est déli- cate car elle suppose une reproduction parfaite des trous existants dans une couche, qui n'a elle-même que quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur. De plus, elle transforme un contraste d'amplitude en un contraste de phase, ce qui dans certains cas présente un inconvénient pour la lecture. Selon une;autre forme d'art connu, la couche absorbante, c'est-à-dire la couehe d'inscription du disque optique, est seulement déformée par suite de la dilata- tion ou de la dégradation thermique d'une couche de polymère sous-jacente qui se gonfle sous l'effet de la chaleur d'un faisceau lumineux d'inscription. Dans le cas o il y a seulement déformation de la- couche absorbante, la lecture du vidéodisque se fait par réflexion, soit par une face du disque en lisant les-pro- tubérances de la couche d'inscription, soit par l'autre face du disque et à travers le support de celui-ci en lisant les vallonnements ou creux de la couche d'ins- cription. L'inconvénient de cette seconde forme de struc- ture de disque optique est-que, si la duplication est possible, elle nécessite cependant deux étapes de préparation avec des technologies différentes, l'une pour la couche sous-jacente de polymère, l'autre pour la couche métallique. En outre, et comme on le verra ultérieurement plus en détail, cette structure est dans certains cas fragile et très délicate à mani- puler. Selon l'invention, un disque optique est muni d'une structure de mémoire permanente constituée par une couche d'inscription sensible à la chaleur, elle- même formée par au moins une double couche métallique qui se déforme de façon permanente sous l'action d'un faisceau laser. Ce résultat obtenu sans autre traite- ment ultérieur mécanique ou chimique est dû à l'asso- ciation d'une première couche d'un métal très dilata- ble et d'une deuxième couche d'un métal peu dilatable mais ductile. Dans cette structure de mémoire, les données sont enregistrées de façon non effacable sous forme d'une déformation de la double couche sans perçage. De façon plus précise, l'invention consiste en une structure de mémoire permanente, à inscription thermique et lecture optique, supportée par un substrat animé d'un mouvement de défilement, caractérisée en ce que le substrat est en un matériau à faible coeffi- cient de dilatation et en ce que la couche inscripti- ble, déposée sur le substrat, comprend au moins une double couche métallique, présentant un coefficient de dilatation différentiel élevé entre le matériau très dilatable de la première couche métallique et le matériau peu dilatable mais ductile de l'autre cou- che métallique. L'invention sera mieux comprise et ses avantages ressortiront mieux de la description qui va en être faite, laquelle s'appuie sur les figures annexées qui représentent: - la figure 1, une structure de point mémoire selon l'art connu, avec perforation de la couche d'ins- cription; - figure 2, une autre structure de point mémoire selon l'art connu, avec déformation de la couche d'ins- cription; - figure 3, une structure de point mémoire selon l'invention. La figure 1 représente, vu en coupe, un très petit fragment d'un disque optique correspondantà un point mémoire. Il s'agit de la structure la plus connue dans laquellela perforation de la couche d'inscription -permet la lecture par réflexion ou par transmission. Le support 1, ou substrat, du disque optique est généralement constitué par une plaque d'un matériau organique transparent tel que la famille des polymétha- crylates de méthyl ou par un verre minéral. Sur ce substrat 1, est déposée une couche 2, le plus souvent métallique. Au cours de l'inscription des données, la couche d'inscription absorbante 2 est perforée en 3 par fusion de ladite couche sous l'effet de la'chaleur apportée, de façon courantepar un faisceau laser. Cependant, l'énergie apportée par le laser, si elle est suffisante pour faire fondre le métal de la couche 2 sans détériorer le substrat organique 1, n'est cepen- dant pas suffisante pour volatiliser la quantité de métal correspondant au trou 3. C'est pourquoi cette quantité de métal se retrouve- sur le disque achevé sous forme d'un bourrelet 4 autour du trou, bourrelet qui s'est formé par suite des tensions super- ficielles dans le métal fondu et dans le métal proche du point de fusion autour du trou 3. Ce bourrelet 4l même si son épaisseur ne se compte qu'en nanomètres, a cependant l'inconvénient d'apporter au cours de la lecture un bruit de fond relativement important puis- que le bord du bourrelet, qui défile deux fois sous le faisceau laser de lecture au cours de la rotation du disque, peut modifier de façon notable et aléatoire le signal de lecture provenant de la surface du dis- que entre les trous. La figure 2 représente la vue en coupe d'un point mémoire selon l'art connu, point mémoire obtenu par déformation de la couche sans perçage. aO Le disque optique comporte un substrat rigide 1 qui, comme dans le cas de figure précédent, est cons- titué par un matériau transparent tel qu'un verre miné- ral ou organique. Il est d'abord recouvert par une cou- che 5 d'un polymère puis par une seconde couche 2 métallique. Au cours de l'illumination laser du disque, la quantité d'énergie apportée par le rayonnement est absorbée par la couche métallique 2 et transmise à la couche de polymère 5 qui lui est voisine, dans la zone * d'impact du faisceau laser. La chaleur transmise à la matière polymérisée de la couche 5 provoque un début de dégradation thermique avec gonflement local en 7,et, comme la couche métallique 2 n'a elle-même que quelques nanomètres d'épaisseur, elle est repoussée par le polymère en expansion, ce qui forme une protubérance 6. La lecture d'information stockée sous forme de protu- bérance résulte de la diffraction d'un faisceau lumi- neux soit sur la partie convexe de la protubérance, soit sur sa partie concave à travers l'épaisseur du disque, c'est-à-dire à travers le substrat 1. Cependant, cette structure de point mémoire peut présenter quelques inconvénients tout d'abord en ce qu'elle implique l'utilisation de 2 technologies différentes (une pour le polymère et l'autre pour la couche métallique). D'autre part, les polymères peuvent avoir une durée de vie limitée en particulier dans des atmosphères très humides ou corrosives ou en présence de solvants ou encore par suite du rayonnement lumi- neux, par exemple la lumière solaire. Il en résulte qu'il est nécessaire dans la plupart des cas de proté- ger la structure, par exemple par un capot, ou un vernis et de la conserver à l'obscurité. La figure 3 représente une structure de point mémoire selon l'invention. Sur un support plan et rigide 1 sont déposées, i0 par pulvérisation sous vide ou par tout autre moyen connu de l'homme de l'art, une première couche métal- lique 9 elle-même recouverte par une deuxième couche métallique 10. La figure 3 représente un point mémoire lorsqu'il a été enregistré, mais à l'origine, sur un disque vierge, les deux couches métalliques 9 et 10 sont parfaitement planes et adhérentes au substrat 1. La particularité de la structure de point mémoire selon l'invention réside en ce que la première couche métallique, est constituéepar un premier métal dont le coefficient de dilatation thermique est très éle- vé, tandis que la seconde couche métallique est cons- tituée par un second métal dont le coefficient de dila- tation thermique est peu élevé mais qui, par ailleurs est très ductile. Dans une forme de réalisation, celle représentée par le cas de la figure 3, le métal très dilatable constitue la couche 9, prise en sandwich entre le substrat et la seconde couche métallique, tandis que le métal peu dilatable constitue la couche extérieure à l'ensemble. Lorsqu'un faisceau laser frappe la surface métal- lique du disque, la quantité d'énergie qu'il apporte est absorbée par l'ensemble des deux couches 9 et 10, dont chacune a une épaisseur comprise entre 3 et 5 nanomètres environ, c'est-à-dire 6 à 10 nanomètres au total. Sous une telle épaisseur, le coefficient d'ab- sorption optique est voisin de 50 % et la moitié de l'énergie apportée par l'impulsion laser crée une dilatation dans les couches métalliques. En fait, les deux couches métalliques ayant des coefficients de dilatation différents, il s'ensuit que la couche la plus dilatable impose sa déformation à la couche la moins dilatable et que celle-ci, après le refroidis- sement de l'ensemble, conserve un profil déformé parce que le métal qui constitue la couche la moins dilata- blé est très ductile. L'allongement lui fait dépasser sa limite d'élasticité sans atteindre sa limite de rupture, et, de ce fait, il reste une déformation de la couche ductile après refroidissement. Après refroidissement du point mémoire, la sur- face du disque présente donc une déformation 6, per- manente en ce qui concerne le métal ductile. Le métal le plus dilatable, c'est-à-dire la couche 9 dans le cas de figure présenté, peut soit se décoller du métal ductile, soit rester en adhérence mais dans ce cas les forces de tension au refroidissement tendent à diminuer légèrement la protubérance 6. Pour obtenir une déformation permanente et lisi- ble des deux couches. métalliques, il faut et il suffit que l'énergie apportée par le faisceau laser apporte aux deux couches une température de quelques centaines de degrés, mais en tous les cas inférieure à la temp6- rature de fusion du métal le plus fusible. A titre d'exemple, la couche constituée par un métal très dilatable peut avantageusement être réali- sée avec l'un des métaux suivants: métal: Cd Zn Tl Mg Al Mn Ag coefficient 53 53 36 27 24 23 20 de dilatation en 10 K tandis que la couche de métal peu dilatable mais duc- tile est choisie parmi: Mo Zr Ti Ta Cr Pt qui ont tous un coefficient de dilatation thermique inférieur à O.O- 6.K. Diverses variantes peuvent intervenir dans la réalisation du point mémoire tel qu'il a été repré- senté en figure 3 et tel que défini jusqu'à présent. En premier lieu, l'ordre des couches très dilatable et peu dilatable peut être inversé par rapport à ce qui a été défini, c'est-à-dire qu'on peut concevoir que la couche très dilatable 9 soit déposée par dessus la couche peu dilatable 10 qui se trouve donc prise en sandwich dans la structure du disque. Cepen- dant, la première structure proposée est préférable, car le métal très dilatable exerce une pression sur le métal peu dilatable, il n'y a donc aucun risque de décollement entre les deux couches. Dans le cas inverse, c'test-à-dire lorsque la couche 9 est exté- rieure à la structure, le métal très dilatable exerce une traction sur le métal peu dilatable et il y a un risque de décollement entre les deux couches, c'est- à-dire qu'en fait, la donnée ne sera pas inscrite sous forme d'une déformation puisque après le refroi- dissement la couche peu dilatable n'ayant pas dépassé son point limite d'élasticité, il n'y a pas eu de dé- formation permanente. En outre, chacune des couches peut être réalisée par une association ou un alliage entre deux ou plu- sieurs métaux de chacune des deux familles. Enfin, si le cas d'une bi-couche est simple et facilite la compréhension de l'invention, il n'exclut pas le cas d'autres couches en plus grand nombre on peut par exemple concevoir une première couche d'accrochage sur le substrat, les deux couches de deux matériaux présentant un coefficiènt de dilatation diffé- rentiel intéressant pour l'application, une quatrième couche de protection contre l'oxydation communiquant à la surface du disque, et en particulier aux protubé- rances, un aspect ou un coefficient de réflexion inté- ressant pour la lecture du vidéodisque. D'autres solu- tions ou combinaisons possibles sont également envisa- geables. Cette structure de point mémoire permanent est intéressante pour différentes raisons. En premier lieu, elle n'utilise qu'une seule technologie de réalisation, c'est-à-dire que les deux couches métalliques ou, de façon plus générale, la totalité des couches métalliques déposées sur le substrat peuvent se faire au cours d'une suite d'opérations dans le même bâti à vide, alors que les structures précédem- ment connues nécessitaient dans certains cas des change- ments pour déposer une couche de polymère ou une ou des couches métalliques. En second lieu, l'inscription obtenue sous la forme d',une protubérance 6 est rigide car elle est com- posée de deux couches métalliques et elle permet une reproduction par des moyens relativement faciles, si une reproduction est nécessaire. La protection, lorsqu'elle est nécessaire, de la surface enregistrée, est toujours possible par des vernis, des laques thermo ou photo-sensibles ou par un capotage mécanique. Pour une conservation de longue durée, telle qu'un stockage de données devant être pré- servées pendant des années, un archivage est possible après métallisation par une couche épaisse de la sur- face métallique du disque. Enfin la lecture des données enregistrées reste compatible avec les procédés et moyens de lecture soit par la face du disque correspondant à la protubérance, soit à travers le support du disque si celui-ci est en un matériau transparent et c'est alors le vallon- nement ou creux de la déformation métallique qui est lu. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits ci- dessus. Elle s'applique aux supports rigides ou souples, plans ou cylindriques, animés d'un mouvement de rota- tion ou linéaire. Elle inclut les diverses variantes et généralisations comprises dans le domaine des reven- dications ci-après. î il REVENDICATIONS 1. Structure de mémoire permanente, à inscrip- tion thermo-optique et lecture optique, supportée par un substrat animé d'un mouvement de défilement, caractérisée en ce que le substrat est en un matériau à faible coefficient de dilatation et en ce que la couche inscriptible, déposée sur le subs- trat, comprend au moins une double couche métallique, présentant un coefficient de dilatation différentiel élevé entre le matériau très dilatable de la première couche métallique et le matériau peu dilatable mais duc- tile de la seconde couche -métallique. 2. Structure de mémoire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche métallique très dila- table est comprise entre le substrat et la couche métal- lique peu dilatable mais ductile. 3. Structure de mémoire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche métallique peu dila- table mais ductile est comprise entre le substrat et la couche métallique très dilatable. 4. Structure de mémoire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche métallique très dilatable est réalisée au moyen des métaux suivants: Cd, Zn, Tl, Mg, Al, Mn, Ag, pris isolément ou en alliage. 5. Structure de mémoire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche métallique peu dilatable est réalisée au moyen des métaux suivants: Mo, Zr, Ti, Ta, Cr, Pt, pris isolément ou en alliage. 6. Structure de mémoire selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'inscription se traduit par une déformation permanente de la couche ductile, cette déformation étant supérieure à la limite élas- tique, mais inférieure à la limite de rupture de ladite couche ductile. 7. Procédé d'inscription dans une structure de mémoire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche d'ins- cription est déformée par un faisceau laser, dont l'énergie thermique est absorbée par la double couche métallique et transformée,dans la couche ductile, en une déformation mécanique par allongement au-delà de la limite élastique, mais inférieure à la limite de rupture.