Оптичні носії для довготермінового зберігання інформації на основі високостабільних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 004.085

Оптичні носії для довготермінового зберігання інформації на основі високостабільних матеріалів

05.13.05 - Комп'ютерні системи та компоненти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Горбов Іван Васильович

Київ 2008

Робота виконана в Інституті проблем реєстрації інформації НАН України у відділі оптичних носіїв інформації.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Крючин Андрій Андрійович, Інститут проблем реєстрації інформації НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Данилов Володимир Васильович, Донецький національний університет, завідувач кафедри

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Костюкевич Сергій Олександрович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач відділу

Захист відбудеться " 10 " листопада 2008 року о 16:00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.02 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37, корп. 18, ауд № 306.

Відзиви на автореферат у двох екземплярах, завірені печаткою установи, просимо надсилати на адресу: 03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37, вченому секретарю Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий " 7 " жовтня 2008 року.

Вчений секретар спеціалізованої ради, кандидат технічних наук, доцент М.М. Орлова

носій оптичний довготерміновий високостабільний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Обсяг інформації, поданої в цифровому вигляді, стрімко зростає. Задача зберігання інформації на всіх етапах розвитку суспільства є однією з пріоритетних, при вирішенні якої необхідно забезпечити для майбутніх поколінь як зберігання накопичених знань, так і нової інформації.

Законом України «Про Основні засади розвитку інформаційного суспільства в Україні на 2007 - 2015 роки» одним із пріоритетів визначено створення в електронній формі архівних, бібліотечних, музейних фондів та інших фондів закладів культури, формування відповідних інформаційно-бібліотечних та інформаційно-пошукових систем з історії, культури, народної творчості, сучасного мистецтва України тощо. Досягти цього можливо тільки за умови створення носіїв для довготермінового зберігання цифрової інформації. Наявність таких носіїв є необхідною умовою впровадження сучасних інформаційних технологій у тих галузях діяльності суспільства, де є нагальна потреба у довготерміновому зберіганні культурного надбання, важливої державної інформації - такої, як правова, економічна, банківська, архівна, технічна тощо.

Створення архівів інформаційних матеріалів у цифровій формі призвело до появи ряду проблем, що вимагають вирішення найближчим часом: створення надійних носіїв для довготермінового зберігання цифрової інформації, розробка і впровадження спеціальних форматів для запису інформації, яка підлягає довготерміновому зберіганню, розробка спеціальних пристроїв зчитування інформації. Незважаючи на важливість і складність задач щодо вирішення проблеми швидкого морального старіння програмного забезпечення, а також технічного і морального старіння систем зчитування інформації, найважливішою проблемою є створення носіїв для довготермінового зберігання цифрової інформації.

Істотною для носіїв архівного збереження інформації є форма подання записаних даних. Вона має дозволяти відтворювати інформацію різними фізичними методами. Прикладом вдалого вибору форми фізичного подання може служити використання мікрорельєфного представлення інформації на воскових циліндрах, грамплатівках та компакт-дисках, щільність запису на яких становить 65 МБ/см². Сучасні методи дозволяють виконувати рельєфний запис з щільністю понад 1 ГБ/см².

Для довготермінового зберігання даних пропонуються багато підходів і технічних рішень. Один з них полягає в тому, що інформацію пропонується зберігати в аналоговому вигляді (мікротекстів і малюнків) на поверхні висо-костабільних матеріалів. Перевагою такого методу є те, що прочитати текст людина може без використання спеціальних пристроїв відтворення даних. Розробляються спеціальні носії для запису тексту і графічних зображень, в яких реєстрація даних здійснюється на шарах металів. Електрохімічним травленням на носій записують текстову інформацію. Пікселі, з яких утворені зображення, мають розміри 100100 нм. Це забезпечує розміщення 30 тисяч сторінок друкованої інформації на диску діаметром 5,6 см. Однак, запропоновані технічні рішення не забезпечують можливостей запису і відтворення даних з високими щільністю і швидкістю, запису мультимедійної інформації.

Оптичні носії, дані на яких подано у вигляді мікрорельєфу на поверхні підкладки, мають значні потенційні можливості для забезпечення довготермінового зберігання даних. Однак, для реалізації цих можливостей необхідно вирішити низку науково-технічних задач: визначити фактори, які обмежують термін зберігання даних на оптичних носіях; дослідити і розробити конструкцію оптичних носіїв для довготермінового зберігання даних; розробити технологію виготовлення з використанням високостабільних матеріалів. Таким чином, необхідно дослідити та розробити такі технології виготовлення оптичних носіїв для довготермінового зберігання даних, які б забезпечували їх сумісність з існуючими оптичними дисками, що дає змогу відтворювати записану інформацію на стандартному обладнанні.

Зв'язок програми з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота була виконана в Інституті проблем реєстрації інформації НАН України з 2004 по 2008 роки в рамках науково-дослідних робіт:

“Дослідження методів і створення технології довготермінового зберігання цінної та стратегічно важливої цифрової інформації” (державний реєстраційний номер 0102U003588, 2002-2006 рр.);

“Розробка фізико-технічних методів швидкісного формування рельєфних мікрозображень на металевих підкладках” (державний реєстраційний номер 0104U000051, 2004-2006);

“Дослідження та розробка методів імерсійного надщільного запису інформації” (державний реєстраційний номер 0105U001519, 2005-2007 рр.).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка носіїв для довготермінового зберігання даних, інформація з яких могла б бути відтворена стандартними приводами оптичних дисків.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

1. Провести аналіз інформації, що потребує довготермінового зберігання, та термінів зберігання даних на сучасних носіях.

2. Визначити фактори, що обмежують термін зберігання даних на оптичних носіях, а також обґрунтувати шляхи його підвищення.

3. Дослідити можливість використання оптичних високостабільних матеріалів для виготовлення оптичних носіїв довготермінового зберігання інформації та розрахувати сумісні з існуючими форматами оптичних дисків параметри інформаційного шару.

4. Дослідити існуючі способи формування рельєфу та визначити найбільш придатний спосіб для отримання інформаційного шару на поверхні високостабільних матеріалів.

5. Розробити спосіб виготовлення оптичних носіїв з мікрорельєфним поданням даних, які були б сумісними зі стандартними оптичними дисками, але термін зберігання даних на яких суттєво перевищував би відповідний показник існуючих оптичних дисків.

6. Дослідити процес виготовлення оптичного носія з мікрорельєфним поданням даних, записаних на поверхні оптично-прозорої високостабільної підкладки.

Об'єктом дослідження є процес створення носіїв для довготермінового зберігання інформації.

Предметом дослідження є оптичний носій для довготермінового зберігання інформації з мікрорельєфним поданням даних на поверхні високостабільної оптично-прозорої підкладки, інформація з якого може бути відтворена існуючими пристроями.

Методи дослідження. При розв'язанні поставлених задач використовувалися методи математичного моделювання (для аналізу процесів відтворення інформації), оптичної спектроскопії (для аналізу процесу іонного травлення), методи атомно-силової мікроскопії (для аналізу форми пітів на поверхні носіїв), методи фізики твердого тіла (для опису процесів іонного травлення), методи оптичної рефлектоскопії (для контролю глибини інформаційного шару оптичного носія). Чисельні розрахунки проведені в середовищах MathCAD та Origin. Обробка даних сканувального зондового мікроскопу проводилась за допомогою програмних засобів Gwyddion. Аналіз оптичних носіїв виконувався за допомогою Nero CD-DVD Speed, KProbe та PlexTools.

Наукова новизна одержаних результатів визначається розробкою оптичних носіїв для довготермінового зберігання даних, сумісних за форматами подання даних з компакт-дисками, і полягають у наступному:

1. Розроблено математичну модель, яка дозволяє виявити залежність сигналу відтворення оптичного носія з рельєфно-фазовим поданням записаних даних від форми заглиблень. Модель відрізняється від існуючих тим, що описує залежність сигналу відтворення від глибини структури, отриманої на поверхні матеріалів з різними оптичними характеристиками.

2. Запропоновано спосіб виготовлення оптичних носіїв для довготермінового зберігання інформації, який відрізняється тим, що в якості матеріалів підкладки носія використовуються високостабільні оптично-прозорі матеріали. Формат подання даних на таких носіях є сумісним зі стандартними оптичними дисками.

3. Вперше досліджено процес запису інформації методами іонно-променевого та реактивного іонно-променевого травлення крізь вікна в шарі фоторезисту на поверхню високостабільних матеріалів.

Практичне значення одержаних результатів. На основі проведених досліджень розроблено та запропоновано:

– оптичний носій, інформація на якому записана на поверхню високостабільної підкладки, з прогнозованим терміном зберігання більше 1000 років, який може використовуватися для довготермінового зберігання архівної інформації;

– за рахунок використання додаткових шарів на прозорих підкладках, в яких формується рельєфна інформаційна мікроструктура, розширити перелік матеріалів, які можуть використовуватися в якості підкладок оптичних носіїв в залежності від умов зберігання;

– для збільшення терміну зберігання даних в якості відбивального шару оптичних носіїв використовувати плівки тугоплавких металів, таких як хром та нікель;

– оптичний метод контролю глибини інформаційного шару на поверхні оптичних носіїв, який може використовуватися при тиражуванні оптичних дисків.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. У працях, опублікованих у співавторстві, здобувачу належить:

– аналіз обсягів інформації, що потребує довготермінового зберігання, аналіз вимог до носіїв довготермінового зберігання, аналіз технологій створення носіїв для довготермінового зберігання, аналіз матеріалів, що можуть використовуватися для виготовлення носіїв для довготермінового зберігання інформації;

– вдосконалення установки йонного травлення, аналіз методів формування інформаційного шару на поверхні високостабільних матеріалів та експериментальне їх дослідження;

– ідея контролю глибини інформаційного шару оптичного носія для довготермінового зберігання інформації безпосередньо в процесі його виготовлення та виготовлення експериментальних зразків.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на наступних міжнародних конференціях: Міжвузівська студентська науково-практична конференція «Застосування комп'ютерних технологій та математичних методів в задачах служби цивільного захисту» (Черкаси, Україна, 2006), міжнародна наукова конференція «Роль бібліотек у формуванні єдиного науково-інформаційного простору України» (Київ, Україна, 2006), International Meeting «Clusters and Nanostructured material (CNM' 2006)» (Uzhgorod, Ukraine, 2006), Seventh International Young Scientists Conference «Optics and High Technology Material Science» SPO 2006 (Kyiv, Ukraine, 2006), Eighth International Young Scientists Conference «Optics and High Technology Material Science» SPO 2007 (Kyiv, Ukraine, 2007), Международная конференция «Материаловедение тугоплавких соединений: достижения и проблемы» (Киев, Украина, 2008).

Публікації. Матеріали дисертації оприлюднені в 11 наукових працях, у тому числі в 5 статтях у наукових фахових виданнях, в одному патенті України на винахід і в тезах 5 доповідей на наукових конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел, що містить 127 найменувань. Загальний обсяг дисертації становить 159 сторінок. Робота містить 21 таблицю та 63 рисунки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, відомості про публікації і особистий внесок автора.

У першому розділі наведено огляд літератури щодо сучасного стану в галузі довготермінового зберігання цифрової інформації. Проведено аналіз різних видів інформації, яка потребує довготермінового зберігання. Показано, що терміни зберігання такої інформації як, дані діагностики складних інженерних споруд (мости, тунелі, газопроводи) з тривалим терміном експлуатації, медична інформація, науково-технічна інформація, документи органів державної влади, національне культурне надбання, перевищує сотні років. При цьому кількість такої інформації постійно збільшується.

Проаналізовано існуючі електронні носії щодо придатності їх використання для довготермінового зберігання інформації. Показано, що жоден з існуючих носіїв не може гарантовано зберігати записані дані більше 50 років. Проведено аналіз вимог, що висуваються до носіїв для довготермінового зберігання інформації, та показано, що найбільше їм задовольняють оптичні носії, які характеризуються найдовшим терміном зберігання та оберненою сумісністю форматів, що зробило їх найпоширенішим електронним носієм.

Таким чином, зроблено висновок, що необхідно створити оптичний носій, сумісний з існуючими форматами оптичних дисків, з терміном зберігання даних, що суттєво перевищує відповідний показник оптичних дисків і становить принаймні 100 років.

У другому розділі проведено дослідження властивостей та методів створення оптичних носіїв. Оптичні носії мають ряд особливостей, що дозволяють розглядати їх як перспективні носії для довготермінового зберігання інформації, а саме:

1. Безконтактне зчитування інформації, що забезпечує доступ до змісту документа без порушення оригіналу і можливість довготермінового зберігання інформації.

2. Використання фізичних методів захисту записаної інформації від механічних ушкоджень.

3. Реалізація зворотної сумісності на нових типах пристроїв відтворення інформації (немає необхідності зберігати старе обладнання, тому що нові пристрої можуть відтворювати попередні формати носіїв, наприклад, диски CD-ROM можуть відтворюватися на плеєрах DVD).

4. Можливість покращення характеристик носіїв, збільшення щільності і швидкості запису інформації без суттєвої зміни формату подання даних.

5. Використання режиму одноразового запису і багаторазового зчитування (відповідають специфікації True WORM), при якому зроблений на такому диску запис не може бути стертий чи замінений на новий (архівні документи не підлягають будь-якому відновленню чи коректуванню).

6. Використання надійного рельєфно-фазового подання інформації, що дозволяє виконувати відтворювання записаної інформації різними методами, серед яких оптичні, силова мікроскопія та ін.

7. Можливість застосування високостабільних матеріалів для виготовлення оптичних дисків.

8. Використання універсальних захисних контейнерів для всіх типів оптичних дисків.

Дослідження структури сучасних оптичних дисків CD та DVD (рис. 1) показало, що термін зберігання інформації на оптичних носіях обмежено, в першу чергу, через оптико-механічні властивості складових носія, а саме:

1. Низька твердість полікарбонатної прозорої підкладки, крізь яку лазерним променем відбувається відтворення інформації, призводить до появи подряпин на поверхні носія та відхилення лазерного променя.

2. Погіршення оптико-механіч-них властивостей прозорої підкладки відбувається через зміни з часом властивостей полікарбонату.

3. Низька температура плавлення полікарбонату може призводити до зміни форми та розмірів локальної ділянки при підвищенні температури в зоні опромінення лазерним променем під час запису інформації.

4. Суттєва різниця між температурними коефіцієнтами розширення матеріалу, що використовується для виготовлення відбивального шару (алюміній, срібло, золото), та полікарбонату, а також низька адгезія між ними, що призводить до відшарування відбивального шару та неможливості відтворення записаної інформації; особливо низька адгезія спостерігається у матеріалах відбиваючого шару до шарів органічних барвників (фталоціанінових, ціанінових), що робить компакт-диски з одноразовим записом найненадійнишими серед оптичних носіїв.

Для запису інформації на сучасних оптичних носіях використовується рельєфно-фазове кодування. Тобто дані записуються у вигляді заглиблень (пітів) на поверхні прозорої підкладки, крізь яку потім лазерним променем здійснюється відтворення. Через те, що на таких носіях граничні значення термінів зберігання записаної інформації визначаються з умов збереження незмінної форми пітів на поверхні підкладки носія інформації, підвищення температури носія вище температури плавлення матеріалу підкладки призводить до руйнування записаної інформації. Співвідношення граничних термінів зберігання даних t₁ та t₂ на носіях, у яких підкладки виготовлено з різних матеріалів з температурами плавлення Т_пл1 та Т_пл2 матеріалу підкладки, має вигляд:

. (1)

При використанні в носіях з мікрорельєфним представленням даних підкладок з високотемпературних неорганічних матеріалів може бути забезпечено граничний термін зберігання даних декілька тисяч років. Властивості підкладок в таких носіях не впливають на термін зберігання даних, який вже буде визначатися іншими показниками, а саме властивостями відбивального шару та адгезією між шарами.

Для визначення можливості використання різних оптично-прозорих високо стабільних матеріалів в якості матеріалів підкладки було побудовано математичну модель, яка дозволяє виявити залежність сигналу відтворення оптичного носія з рельєфно-фазовим поданням записаних даних від форми заглиблень. Модель відрізняється від існуючих тим, що описує залежність сигналу відтворення від глибини структури, отриманої на поверхні матеріалів з різними оптичними характеристиками.

Під час відтворення лазерний промінь проходить крізь прозору підкладку та фокусується на її поверхні, відбивається від металевого відбиваючого шару та реєструється фотоприймачем. Якщо в область опромінення потрапляє піт, то амплітуда відтвореного сигналу зменшується внаслідок інтерференції відбитих променів, які матимуть різну фазу через те, що відбивання променя для кожної точки зони опромінення відбувається в різній фазовій площині (на різній глибині) (рис. 2). Таким чином, амплітуда відтвореного сигналу буде залежати від глибини піта та його розмірів.

Із використання відомих джерел отримано, що в загальному випадку амплітуда сигналу, відбитого з одиничної поверхні, i(h) в залежності від глибини h буде мати вираз:

, (2)

де n - показник заломлення матеріалу підкладки, л - довжина хвилі лазера в повітрі, і_p - інтенсивність падаючого світла, с - коефіцієнт відбиття матеріалу відбивального шару, h - глибина піту.

Електричний сигнал фотоприймача І(h) пропорційний квадрату інтенсивності світла, що до нього потрапило:

, (3)

де F - коефіцієнт пропорційності фотоприймача, f(x,y) - функція, яка описує форму піта в координатній площині х,у з початком координат в центрі зони опромінення, S - площа опромінення (круг радіусом R).

Змодельована форма трьохтактного піта (рис. 3) описується функцією (4), параметри b та М визначаються в залежності від режимів виготовлення носія.

(4)

Залежність сигналів відтворення трьохтактних пітів та лендів від глибини можна представити відповідно (5) і (6):

(5)

(6)

Аналіз відтвореного сигналу з оптичного носія виконується за такими параметрами:

- відносна амплітуда сигналу відтворення найдовшого (одинадцятитактного) піта:

;

- відносна амплітуда сигналу відтворення найкоротшого (трьохтактного) піта:

;

- асиметрія сигналу :

,

де I_D - зсув сигналу.

Відомо, що для того, щоб розроблений носій відтворювався на стандартному плеєрі, необхідно щоб ці параметри відповідали таким умовам:

1) ,

2) ,

3) .

Аналіз теоретичних залежностей цих параметрів дозволив визначити значення глибини пітів для різних матеріалів підкладки, при яких інформація записана у форматі CD буде відтворена на стандартних програвачах оптичних дисків:

1) полікарбонат - від 86 нм до 147 нм;

2) ситал - від 88 нм до 151 нм;

3) силікатне скло - від 90 нм до 155 нм;

4) кварцове скло - від 94 нм до 160 нм;

5) сапфір - від 77 нм до 132 нм.

Третій розділ присвячено дослідженню способу виготовлення оптичного носія для довготермінового зберігання даних, зокрема отриманню інформаційного шару на поверхні високостабільних підкладок, та дослідженню матеріалів, які можуть використовуватися для виготовлення таких носіїв.

В якості матеріалів, які можуть застосовуватися для виготовлення підкладок оптичних дисків, запропоновано використовувати силікатне та кварцове скло, ситал та сапфір, які характеризуються кращими оптико-механічними властивостями та значно більшою температурою розм'якшення ніж полікарбонат (полікарбонат - 140 °С, ситал СТЛ-2 - 1373 °С, сапфір - 1725 °С), який використовується для виготовлення стандартних оптичних носіїв.

Вибір матеріалу підкладки має суттєвий вплив на характеристики носія довготермінового зберігання даних. Матеріал підкладки повинен, з одного боку, забезпечувати довготермінове зберігання даних, а з іншого - виготовлені носії для забезпечення їх сумісності з найбільш поширеними типами оптичних носіїв повинні відтворюватися на стандартних плеєрах компакт-дисків. Відтворення інформації відбувається лазерним променем з довжиною хвилі 780 нм у форматі CD, та 650 нм - у форматі DVD. Обрані матеріали характеризуються високим коефіцієнтом пропускання світла в цій області (понад 80%). Проведені розрахунки максимального механічного напруження, що виникає на внутрішньому колі дисків, виготовлених з запропонованих матеріалів, показали, що обертання з максимальною швидкістю 160 об/с, яке досягається під час відтворення носія, не призводить до руйнування підкладки.

На надійність зберігання даних на оптичних носіях, а саме на механічні властивості інформаційного шару, суттєво впливає твердість матеріалу підкладок. Макротвердість підкладок з неорганічних матеріалів значно перевищує аналогічні показники підкладок з полімерних матеріалів. Однак, через достатньо малі розміри інформаційної структури оптичних носіїв (менше 1 мкм), вимірювання макротвердості характеризується великою похибкою. Були проведені дослідження мікротвердості матеріалів, які використовуються для виготовлення підкладок оптичних носіїв. Вимірювання твердості проводилось при кімнатній температурі трьохгранним індентором Берковича при навантаженнях від 0,01 г до 100 г. Показано, що мікротвердість досліджених матеріалів суттєво перевищила характеристики полікарбонатної підкладки: полікарбонат - 0,24 ГПа, силікатне скло - 7,4 ГПа, кварцове скло - 8,0 ГПа, ситал - 21,2 ГПа, сапфір - 32,9 ГПа.

Показано, що такі матеріали, як силікатне та кварцове скло, ситал та сапфір, мають значно кращі механічні властивості ніж полікарбонат, характеризуються значно вищою температурою розм'якшення та стійкіші до впливу хімічно-активних сполук, тобто оптичні носії, виготовлені з таких матеріалів, будуть надійніші і характеризуватимуться більшим терміном зберігання записаної на них інформації ніж існуючі оптичні носії.

Досліджено методи отримання металевого відбивального шару оптичного носія для довготермінового зберігання даних. Для надійного зберігання інформації металевий шар повинен мати добре зчеплення з матеріалом підкладки, високу твердість, та високий коефіцієнт світлоповертання.

В роботі показано, що виготовлення підкладок оптичних носіїв для довготермінового зберігання даних з прозорих неорганічних матеріалів дозволяє усунути відшарування відбивального металевого шару від підкладки з полікарбонату, що відбувається через низьку адгезії металевих плівок до полікарбонату. Адгезія металевих плівок має особливе значення через суттєву різницю між температурними коефіцієнтами розширення плівки та полікарбонату, що призводить до значних внутрішніх напружень на границі плівка-підкладка під час охолодження, яке відбувається за циклом напилення, та при змінах температури в процесі експлуатації. На адгезію між плівкою та підкладкою впливають, в першу чергу, забруднення поверхні підкладки та температурні режими в процесі напилення. При хімічній очистці використовують суміші кислот (азотна, плавикова, соляна), промивання в перекису водню, етилового спирту і т.д. Такий спосіб використовується для очищення скляних підкладок. Полікарбонат реагує з більшістю хімічних чистильних речовин, тому не може бути відмитий наведеними способами. Адгезію також зменшують адсорбовані молекули залишкових газів, які присутні на підкладці до початку напилення. Часткова десорбція відбувається у вакуумі перед напиленням під час нагрівання підкладки до робочої температури (350 - 600 єС), що неможливо виконати при напиленні полікарбонатної підкладки.

Аналіз фізичних властивостей матеріалів, які можуть використовуватися для виготовлення підкладки та відбивального шару, показав менші відмінності в значеннях їх температурних коефіцієнтах розширення та збіг значень у випадку використання зв'язків силікатне скло - хром. До того ж, плівки хрому характеризуються високою механічною та хімічною стійкістю, високою адгезією до матеріалів підкладки та достатнім світлоповертанням. Експериментальні дослідження показали можливість їх використання в якості відбивального шару оптичного носія для довготермінового зберігання інформації.

Проведено дослідження способів створення інформаційної структури на поверхні високостабільної підкладки. Показано, що для створення інформаційної структури на поверхні таких високостабільних матеріалів, як силікатне та кварцове скло, ситал, сапфір, неможливо використовувати рідинно-хімічне травлення через його низькі показники анізотропії та роздільної здатності, а необхідно застосовувати методи сухого травлення, що використовуються для виготовлення інтегральних схем та оптичних дифракційних елементів.

Дослідження різних типів сухого травлення показало доцільність використання реактивного йонно-променевого травлення в середовищі CF₄ для формування інформаційного шару на поверхні високостабільних матеріалів. Йонно-променеве травлення інертними газами дозволяє отримати необхідну структуру з високою роздільною здатністю на поверхні скляних та кварцових підкладок, однак, через низьку швидкість травлення, глибина отриманої структури була недостатньою. Використання хімічно активних газів дозволяє суттєво збільшити швидкість травлення. Дослідження травлення підкладок з силікатного скла в середовищі CF₄-Ar плазмово-хімічного реактора з замкнутим дрейфом електронів показало можливість отримання поверхневої структури глибиною близько 100 нм. Однак, через низьку анізотропію процесу спостерігалось підщавлення бокових стінок, що призводило до зміни геометрії інформаційних пітів.

Запропоновано спосіб виготовлення оптичних носіїв для довготермінового зберігання даних (рис. 4). Процес виготовлення таких носіїв включає низку технологічних операцій, які використовуються при виготовленні дисків-оригіналів фоторезистивним методом. Інформація записується сфокусованим лазерним променем на шарі позитивного фоторезисту, на якому після селективного хімічного травлення утворюється рельєфне мікрозображення. Крізь вікна у фоторезисті здійснюється травлення матеріалу підкладки.

Процеси йонного травлення мають високу селективність, тому для отримання пітів на поверхні підкладки з точно визначеними розмірами і мінімально припустимою шорсткістю стінок пітів необхідно використовувати однорідні за складом підкладки. Однак, в залежності від умов використання носіїв для довготермінового зберігання даних може виникнути необхідність у використанні в якості матеріалів підкладки багатокомпонентних матеріалів (більшість стекол та ситалів є багатокомпонентними матеріалами), тому для досягнення більшої однорідності в процесі йонного травлення було запропоновано створювати мікрорельєфну структуру в додатковому прозорому шарі, який наносять на поверхню підкладки (рис. 4).

В четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень процесу запису даних на поверхню носія для довготермінового зберігання інформації, розроблено оптичний метод контролю параметрів мікрорельєфної структури інформаційної поверхні оптичного носія, досліджено характеристики розробленого оптичного носія для довготермінового зберігання даних та проаналізовано методи прогнозування термінів зберігання інформації на оптичних носіїв.

Дослідження процесу виготовлення оптичних носіїв довготермінового зберігання даних виконувалось на обладнанні, розробленому в ІПРІ НАН України для виробництва штампів, які застосовуються в процесі тиражування компакт-дисків. На станції лазерного запису дисків-оригіналів зі швидкістю 300 кБ/с на шар позитивного фоторезисту здійснювався запис інформації.

Після запису інформації здійснювалось селективне травлення шару фоторезисту. Для отримання на скляних підкладках після йонного травлення пітів глибиною 125 нм використовувався шар фоторезисту товщиною 160 нм. Після селективного травлення в лужному розчині здійснювалась термічна обробка скляного диску з шаром фоторезисту протягом 30 - 40 хвилин при температурі 120 єС. Обробка при більш високій температурі ніж в стандартному процесі обробки дисків-оригіналів була необхідна для підвищення стійкості шару фоторезисту до потоку заряджених іонів аргону в процесі формування мікрорельєфу на скляних підкладках.

Для здійснення процесу йонного травлення була обрана серійна вакуумна установка ВУ-1А. Даний вибір було пов'язано з тим, що вакуумна камера обраної установки дозволяє розташувати джерело іонів та підкладку, що обробляється, а її система відкачки дозволяє отримати необхідний рівень вакууму (тиск залишкових газів в камері складав 10^-3 Па). Для травлення використовувалось джерело іонів ІОН-2. Наявність холодного катоду у вибраного джерела іонів дозволяє отримувати іони різних сумішей активних та реактивних газів, а його конструктивне виконання - отримати широкий іонний пучок з високою рівномірністю.

Травлення виконувалось іонами аргону при тиску (10^-2-10^-1) Па. Через те, що іонний промінь складається з позитивно заряджених частинок, на поверхні діелектричної підкладки накопичується позитивний заряд, який перешкоджає взаємодії позитивно заряджених іонів з матеріалом, що обробляється, і подальшому травленню підкладки. Таким чином, для травлення поверхні діелектричного матеріалу необхідно було здійснювати нейтралізацію заряду на поверхні диска-оригіналу. З цією метою було додатково встановлено емітер електронів і травлення відбувалося нейтральними атомами за рахунок ударної взаємодії. Швидкість травлення становила близько 3 нм/хв, глибина отриманих мікроструктур - 90 нм. Для забезпечення однорідної обробки поверхні підкладка оберталась з швидкістю (20-40) об/хв.

З метою збільшення швидкості травлення та глибини отриманих мікроструктур було випробувано реактивне іонно-променеве травлення в атмосфері фреону-14. Режим процесу формування інформаційного рельєфу задається значенням таких основних параметрів установки йонного травлення як прискорювальна напруга, сила струму фокусувальної електромагнітної лінзи та тиск робочого газу, а контролюється за значенням іонного струму, від якого безпосередньо залежить швидкість йонного травлення. Для здійснення більш детального контролю процесу травлення було виконано доробку установки йонного травлення, що дозволило окремо контролювати йоний струм з кожного кільця джерела іонів та визначити оптимальний режим травлення: струм фокусувальної лінзи - 1,2 А, прискорюючи напруга - 2,2 кВ, тиск робочого газу (CF₄) 6х10^-2 Па.

Дослідження процесу формування інформаційного шару виконувалось на поверхні скляної та сапфірової підкладки (рис. 5). Швидкість травлення силікатного скла становила - 15 нм/хв, а сапфіру - 5 нм/хв. За даними вимірювань на атомно-силовому мікроскопі глибина отриманих мікроструктур на поверхні скляної підкладки становила 150 нм, сапфірової - 95 нм.

Аналіз поверхні скляної та сапфірової підкладки показав, що за рахунок того, що силікатне скло є багатокомпонентним матеріалом, окремі компоненти якого мають різні швидкості травлення, після йонного травлення спостерігається збільшення шорсткості поверхні диска (до 5 нм), чого не спостерігається на поверхні сапфірового диска (рис. 5). Це не є суттєвим у випадку отримання мікроструктури у форматі CD з глибиною структури 120 нм. Проте може зашкодити під час отримання дисків у форматі DVD (100 нм) та HD-DVD (65 нм). Для запобігання цього запропоновано використовувати додатковий інформаційний шар.

На скляні підкладки, на поверхні яких у вигляді мікрорельєфу у форматі стандартного компакт-диску було записано інформацію, різними методами вакуумного напилення було нанесено шари різних металів: алюмінію та хрому (термічне напилення), нікелю (магнетронне напилення). Отриманий скляний компакт-диск відтворювався на стандартних CD та DVD плеєрах. Середній рівень помилок після декодеру першого рівня С1 становив 17,08 помилок/с, максимальне значення - 100 помилок/с; а після декодеру другого рівня С2 помилки відсутні (рис. 6). Максимальна швидкість зчитування отриманого компакт-диску становила 40,14Х, що відповідає 6021 кБ/с.

В роботі запропоновано та експериментально доведено можливість визначення глибини інформаційної структури еліпсометричним методом. Показано, що такий метод дозволяє здійснювати контроль безпосередньо в процесі виготовлення оптичного носія довготермінового зберігання даних та визначає усереднену глибину інформаційної структури, що є перевагою над відомими методами визначення глибини поверхневих структур.

Проаналізовано методи прогнозування термінів зберігання інформації на оптичних носіях, які базуються на прискореному штучному старінні носіїв. Показано, що використання матеріалів з кращими температурними характеристиками, таких як силікатне та кварцове скло, ситал та сапфір дозволяє суттєво збільшити температурний діапазон експерименту, що дозволяє отримати більше даних для статистичного аналізу та точніше визначити час руйнування носія.

ВИСНОВКИ

1. Проаналізовано вимоги до носіїв для довготермінового зберігання інформації та показано, що найбільш повно їм задовольняють оптичні носії, на яких може бути забезпечено терміни зберігання більше, ніж 100 років, за умов використання спеціальних матеріалів і технологій їх виготовлення. Аналіз термінів зберігання даних на сучасних носіях показав, що вони гарантують термін зберігання не більше 50 років у суворо визначених умовах збереження.

2. Досліджено фактори, які обмежують термін зберігання даних на оптичних носіях. У зв'язку з тим, що основними чинниками є низька часова стабільність оптико-механічних властивостей полікарбонатної підкладки та низька адгезія між підкладкою та відбивальним алюмінієвим шаром, для виготовлення підкладок оптичних носіїв довготермінового зберігання даних запропоновано та показано можливість використовувати високостабільні прозорі матеріали, такі як силікатне та кварцове скло, ситал та сапфір. В якості відбивального шару запропоновано використовувати плівки хрому, які характеризуються високою адгезією до матеріалів підкладки та стабільними високими оптичними та механічними властивостями.

3. Розроблено математичну модель процесу відтворення інформації з оптичного носія з рельєфно-фазовим поданням даних та показано, що на сигнал відтворення істотно впливає глибина мікрорельєфу інформаційної структури оптичного диску. Використовуючи розроблену модель для різних матеріалів підкладок визначено розміри інформаційної структури, сумісної з форматом компакт-диску.

4. Досліджено процеси формування мікроструктур на поверхні високостабільних матеріалів методами сухого травлення. Показано, що для створення інформаційних структур необхідних розмірів доцільно використовувати методи реактивного йонно-променевого травлення поверхні підкладок хімічно активними газовими сумішами. На поверхні сапфірових, скляних і скляних з додатковим шаром SiO₂ підкладок отримано мікрорельєфну структуру, яка відповідає формату подання даних на стандартних компакт-дисках.

5. Запропоновано та експериментально доведено можливість оптичного контролю глибини інформаційної структури на основі еліпсометричних методів. Показано, що основними перевагами таких методів вимірювань над іншими відомими методами є отримання усередненого значення глибини інформаційного шару та можливість здійснення контролю безпосередньо в процесі виготовлення оптичного носія довготермінового зберігання даних.

6. Розроблено спосіб виготовлення оптичних носіїв для довготермінового зберігання інформації, формат подання даних на яких є сумісним зі стандартними оптичними дисками, який відрізняється тим, що в якості матеріалів підкладки носія використовуються матеріали зі стабільними часовими характеристиками.

7. Виготовлено оптичний носій для довготермінового зберігання даних, інформація на якому була записана на поверхню скляної підкладки та повністю відтворена на стандартному програвачі оптичних дисків. Швидкість відтворення становила 6 МБ/с. Експериментальні дослідження показали, що в якості відбивальних шарів замість алюмінієвих плівок також можуть бути використані плівки хрому та нікелю.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИССЕРТАЦІЇ

Горбов И. В. Архивное хранение цифровой информации на оптических носителях / И. В. Горбов // Вісник Донецького університету. - 2005. - Серія А. Природничі науки. - № 2. - С. 419-426.

Gorbov I. V. Using ion beams for performing of nanostructure on the high-stable materials surface / I. V. Gorbov, V. V. Petrov, A. A. Kryuchyn // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2007. - V. 10, № 1. - P. 27-29. - Дисертанту належать аналіз методів формування інформаційного шару на поверхні високостабільних матеріалів та експериментальне їх дослідження.

Горбов І. В. Оптичні дискові носії для довготермінового зберігання даних / І. В. Горбов, В. О. Беляковський // Реєстрація, зберігання і обробка даних. - 2007. - Т. 9, № 3. - С. 73-87. - Дисертанту належить аналіз обсягів інформації, що потребує довготермінового зберігання, аналіз вимог до носіїв довготермінового зберігання, аналіз технологій створення носіїв та матеріалів, що можуть використовуватися для виготовлення носіїв для довготермінового зберігання інформації.

Пат. 81519 Україна, МПК G 11 B 7/26. Спосіб виготовлення оптичного носія для довготермінового зберігання даних / Петров В. В., Крючин А. А., Шанойло С. М., Бєляковський В. О., Горбов І. В.; заявник та власник Ин-т проблем реєстрації інформації НАН України. - № а200601504, заявл. 14.02.2006, опубл. 10.01.2008, Бюл. № 1. - Дисертанту належать ідея використання додаткового інформаційного шару, нанесеного на поверхню високостабільних матеріалів, на яких неможливо безпосередньо сформувати інформаційний рельєф.

Kravets V. G. Using ellipsometry methods for depth analyzing the optical disc data layer relief structures / V. G. Kravets, I. V. Gorbov // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2008. - V. 11, № 1. - P. 11-15. - Дисертанту належать ідея контролю глибини інформаційного шару оптичного носія для довготермінового зберігання інформації безпосередньо в процесі його виготовлення та виготовлення експериментальних зразків.

Горбов І. В. Використання методів прискореного старіння оптичних носіїв для прогнозування їх довговічності / І. В. Горбов // Реєстрація, зберігання і обробка даних. - 2008. - Т.10 , № 2. - С. 3-12.

Горбов І. В. Визначення терміну зберігання інформації на компакт-дисках / І. В. Горбов // Застосування комп'ютерних технологій та математичних методів в задачах служби цивільного захисту. Черкаси. - 2006. - c. 7 - 8.

Gorbov I. V. Peculiarities of the Ion Beam Lithogrsphy for Long-term Media / I. V. Gorbov // Optics and High Technology Material Science SPO 2006: Seventh International Young Scientists Conference. Kyiv. - 2006. - P. 142.

Gorbov I. V. Using ion beams for performing of nanostructure on the highstable materials surface / I. V. Gorbov, V. V. Petrov, A. A. Kryuchyn // Clusters and Nanostructured material (CNM' 2006): international meeting. Uzhgorod. - 2006. - Part 2. - p. 368 - 369. - Дисертанту належать результати експериментальних дослідження процесу формування інформаційного шару методами йонно-променевого травлення.

Gorbov I. V. Identification of disc relief structures by ellipsometri-cal scatterometry / I. V. Gorbov, V. G. Kravets // Optics and High Technology Material Science SPO 2007: Eighth International Young Scientists Conference. Kyiv. - 2007. - P. 110. - Дисертанту належить ідея контролю глибини інформаційного шару оптичного носія еліпсометричними методами.

Тугоплавкие материалы в технике оптических носителей информации нового поколения / И. А. Косско, Т. Г. Рогуль, А. А. Крючин, И. В. Горбов // международная конференция “Материаловедение тугоплавких соединений: достижения и проблемы”. Киев. - 2008. - С. 155. - Дисертанту належить ідея застосування плівок тугоплавких металів в якості відбивального шару оптичного носія.

АНОТАЦІЇ

Горбов І.В. Оптичні носії для довготермінового зберігання інформації на основі високостабільних матеріалів. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - Комп'ютерні системи та компоненти. - Інститут проблем реєстрації інформації НАН України, Київ, 2008.

Дисертація присвячена розробці носіїв для довготермінового зберігання інформації. Запропоновано виконувати запис у вигляді мікрорельєфу на поверхні високостабільних оптично-прозорих матеріалів. Формат подання даних на таких носіях є сумісним зі стандартними оптичними дисками, що дає змогу відтворювати записану інформацію на стандартних плеєрах оптичних дисків. Розроблено математичну модель, яка дозволяє виявити залежність сигналу відтворення оптичного носія з рельєфно-фазовим поданням записаних даних від форми заглиблень та визначити необхідну глибину структури для різних прозорих матеріалів відповідно до формату CD. Запропоновано спосіб виготовлення оптичних носіїв для довготермінового зберігання інформації. Для отримання інформаційного шару запропоновано використовувати реактивне йонно-променеве травлення. Виготовлено скляний компакт-диск, інформація з якого була повністю відтворена на стандартних приводах CD та DVD.

Ключові слова: оптичний носій, довготермінове зберігання інформації, компакт-диск, рельєфно-фазове подання даних, високостабільні матеріали, інформаційний шар, іонне травлення.

Горбов И.В. Оптические носители для долговременного хранения информации на основе высокостабильных материалов. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - Компьютерные системы и компоненты. - Институт проблем регистрации информации НАН Украины, Киев, 2008.

Диссертация посвящена разработке носителей для долговременного хранения информации, данные на которых представлены в таком же формате, как и на стандартных компакт-дисках.

Проведен анализ различных типов архивной информации и показано, что срок хранения большей ее части превышает 40 лет. Проанализированы существующие носители цифровых данных и показано, что гарантированный срок хранения информации на существующих носителях не превышает 50 лет. Показано, что оптические носители наиболее полно удовлетворяют требованиям, которые предъявляются к носителям долговременного хранения данных, однако, срок их службы является недостаточным. Детальное исследование структуры современных оптических дисков CD- и DVD-форматов показало, что срок хранения записанной на них информации ограничен, в первую очередь, механическими свойствами поликарбонатной подложки (низкой твердостью и температурой плавления) и слабой адгезией металлического отражающего слоя к подложке и регистрирующему слою.

Предложено записывать информацию в соответствии с форматом стандартных оптических дисков в виде микрорельефа на поверхности высокостабильных материалов, таких, как силикатное и кварцевое стекло, ситалл и сапфир. Исследованы оптико-механические свойства таких материалов и показано, что их использование позволит изготовить носители, срок хранения информации на которых превысит 1000 лет. Показано, что такие носители можно воспроизводить стандартными приводами оптических дисков.

Построена математическая модель процесса воспроизведения информации с оптического носителя с рельефно-фазовым кодированием данных. Построенная модель позволила определить глубину информационной структуры, которую необходимо получить на поверхности различных материалов для соответствия формату компакт-дисков. Предложено в качестве отражающего слоя использовать пленки тугоплавких металлов, которые характеризуются высокими оптическими и механическими показателями, химической стойкостью, лучшей адгезией к материалам подложки. Экспериментально показана возможность использования пленки хрома и никеля в качестве отражающего слоя оптического носителя для долговременного хранения информации.

Исследование процессов формирования микрорельефа на поверхности высокостабильных материалов показало, что для получения информационного микрорельефа, соответствующего форматам стандартных оптических дисков, необходимо использовать ионно-лучевое и реактивное ионно-лучевое травление поверхности подложек. Проведены экспериментальные исследования процесса формирования информационного рельефа на поверхности высокостабильных материалов. Для этого использовались вакуумная установка ВУ-1А и источник ионов ИОН-2 с соответствующими доработками. Показано, что для формирования информационного микрорельефа в формате компакт-дисков на поверхности стеклянных и сапфировых подложек целесообразно использовать реактивное ионно-лучевое травление в среде фреон-14.

Проведен анализ поверхности материалов подложки оптического носителя после ионно-лучевого травления. Показано, что использование многокомпонентных материалов при создании оптических носителей с высокой плотностью записи информации (DVD и BD) может привести к искажению сигнала воспроизведения из-за увеличения шероховатости поверхности, что вызвано разными скоростями травления компонентов материала подложки. Для предотвращения этого предложено использовать дополнительный однородный слой, на поверхности которого будет записана информация. На поверхности сапфировых, стеклянных подложек и подложек с дополнительным слоем SiO₂ получена информационная микрорельефная структура, соответствующая формату представления данных на стандартных компакт дисках.

Предложена и экспериментально доказана возможность оптического контроля глубины информационной структуры на основании эллипсометрических измерений. Разработанный способ позволяет выполнять контроль непосредственно в процессе изготовления носителя и определять усредненное значение глубины информационного слоя, что является преимуществом перед другими известными способами.

Разработан способ изготовления оптических носителей для долговременного хранения информации, формат представления данных на которых совместим со стандартными оптическими дисками, но в качестве подложки носителя используются высокостабильные материалы. Основная идея способа изготовления основана на использовании фоторезистивной маски, в которой после записи информации формируются окна, сквозь которые происходит ионно-лучевое травление подложки. Проанализировано влияние теплофизических свойств материалов подложки на процесс записи данных лазерным лучом на слое фоторезиста и показано, для увеличения эффективности данного процесса запись информации на сапфировые подложки необходимо выполнять в формате BD.

Создан оптический носитель для долговременного хранения, информация на котором была записана на поверхности стеклянной подложки и полностью воспроизведена на стандартных плеерах дисков CD и DVD со скоростью до 6 МБ/с.

Ключевые слова: оптический носитель, долговременное хранение информации, компакт-диск, рельефно-фазовое представление данных, высокостабильные материалы, информационный слой, ионное травление.

I.V. Gorbov. A high-stable materials optical media for the long-term data storage. Manuscript. Thesis for Ph.D. degree by the specialty 05.13.05. Computers systems and elements. Institute for Information Recording of the NAS of Ukraine, Kyiv, 2008.

The thesis is devoted to elaboration of the carriers for the long-term data storage. A performing of the data recording as microrelief on the transparent high-stable material surface was proposed. For such media data format is compatible with standard optical disks, and reproducing recorded information using standard optical disks players was allowed. The mathematical model of optical media with relief-phase data encoding reproducing signal dependence on pit dimensions was developed. The pit depth for various transparent materials was calculated by the model according to CD format. The producing method of optical media for the long-term data storage was developed. A reactive ion-beam etching was proposed for performing of optical media data layer. The glass compact-disc for the long-term data storage was created and reproduced by CD and DVD players.

Key words: optical media, long-term data storage, compact-disc, relief-phase data recording, high-stable materials, data layer, ion etching.

Размещено на Allbest.ru

...