Platten Vortrag Fachhochschule Wiesbaden 11. April, 2008 Bernhard Cord

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1 - 1 - SMART SOLUTIONS TO DRIVE THE FUTURE Herstellung optischer Datenträger insbesondere von Blu-ray Platten Vortrag Fachhochschule Wiesbaden 11. April, 2008 Bernhard Cord

2 Agenda Disc Formate Funktion und Technik optischer Platten Herstellungsschritte Anlagentechnik Die Blu-ray ROM und BLULINE

3 Geschichte Optische Disc Start of the cooperation between Philips and Sony about a standard system 1981 Predefinition of standard for Compact Disc Digital Audio (CD-DA), Red Book Spec 1982 First CD presented at IFA Berlin (Germany) 1982 First CD Players offered in stores 1983 CD-ROM Yelow Book Spec 1986 CD-I Green Book Spec 1989 CD-ROM XA Spec 1990 CD-R/-RW Orange Book Spec 1993 VCD / SVCD White Book Spec 1995 CD Extra Blue Book Spec Philips & Sony develops Multimedia CD (MMCD), Toshiba & Warner develops Super Disc (SD) Foundation of DVD Consortium develop just one standard Predefinition of standard for Digital Versatile Disc (DVD) by the DVD Forum, DVD Book 1996 First DVD Presentation DVD-ROM DVD Book A Spec DVD-Video DVD Book B Spec 1997 DVD Consortium > DVD Forum 1999 DVD-Audio DVD Book C Spec DVD-R DVD Book D Spec, DVD-RW / RAM DVD Book E Spec 2000 DDCD -R -RW (Double Density CD), developed by Philips & Sony, Purple Book Spec 2001 DVD+R/+RW Spec by DVD+RW alliance (Philips, Sony, HP, Ricoh, Yamaha, Dell, Thomson and Verbatim) SACD (Super Audio CD) format launched, developed by Philips 2002 Blu-ray Disc, developed by nine major makers (e.g. Sony, Philips, Pioneer, Panasonic) DVD [plus] format launched, developed by Dieter Dirks 2003 HD DVD (former Advanced Optical Disc, AOD), developed by Toshiba & NEC 2004 PDD (Professional Disc for Data) from Sony, 20,5 GB. UDO (Ultra Density Optical) from Plasmon, 28 GB DUAL Disc (CD/DVD Hybrid Disc) 2006 to be continued

4 Disc Formate: Eine Idee wird immer kleiner : 60 Mio 2011: 600 Mio CD DVD HD-DVD Blu Ray Track Pitch 1,6µm Track Pitch 740nm Track Pitch 400nm Track Pitch 320nm Pit Length 833nm Pit Length 400nm Pit Length 204nm Pit Length 149nm v (1x) 1,2 m/s v (1x) 3,5 m/s v (1x) 6,6 m/s v (1,5x) 7,4 m/s Data Rate 1,4Mb/s Data Rate 10,8Mb/s Data Rate 36,5Mb/s Data Rate 54Mb/s Kapazität 0,65GB Kapazität 5GB Kapazität 15GB Kapazität 25GB

5 Disc Formate: Die Datenrate wird immer größer Geschwindigkeiten bei beschreibbaren Discs

6 Grössenvergleich REM eines BD-Pits (Master) 200 nm Faktor: mm

7 Grössenvergleich mm Faktor: km 200 nm 200 mm

8 Wie funktioniert eine CD? Das Analogsignal wird digitalisiert ,7 us Maximaler Amplitudenwert: 65536, entspricht 16Bit, entspricht 2 16 Abtastzeit: 22,7 us

9 Wie funktioniert eine CD? Aufschlüsselung des HF-Signals Vorgegebener Frequenzgang für CD-Audio: Hz Abtastfrequenz (Sample-Frequenz): 44,1 khz Abtastzeit (Sample-Zeit): 22,7 us 2 Amplitudenwerte für Stereo: zwei 16-bit-Worte (entspricht 2 x verschiedene Amplitudenwerte pro Sample) Übertragungsrate (rechnerisch): 4 Byte je 22,7 us oder 5,7 us pro Byte oder Byte pro sec

10 Wie funktioniert eine CD? Wie kann man eine Binäre Zahlenfolge optisch darstellen? Man muss eine Möglichkeit schaffen aus den Nullen und Einsen ein schaltbares elektrisches Signal zu erzeugen, das aus Reflexionsänderungen heraus generiert wird. Man braucht also Bereiche starker und schwacher Reflexion. Probleme: - Einsen in Folge - Einsen, die nur durch eine Null getrennt sind - zu lange Ketten von Nullen Lösung: - Eight to Fourteen Modulation

11 Wie funktioniert eine CD? EFM (eight to fourteen modulation) 8 Bit je Byte = 2 8 = 256 mögliche Dualzahlen 14 Bit je Byte = 2 14 = mögliche Dualzahlen von diesen möglichen Dualzahlen sind 267 Variationen geeignet, d.h. sie erfüllen folgende Kriterien: 1) Keine Elemente direkt hintereinander 2) O Elemente müssen mindestens paarweise auftreten 3) max. 10 O Elemente direkt hintereinander Von diesem 267 möglichen Dualzahlen werden 256 benötigte Dualzahlen nach einem Code zugeordnet T 3 T Pitlänge: 0,897 um Pitlänge: 3,289 um

12 Wie funktioniert eine CD? EFM (eight to fourteen modulation) Das nach der ETF-Modulation erzeugte Bitmuster ist ein Abbild der Pits auf der CD Wichtig: Ab jetzt werden nur noch die Übergänge ausgewertet Datenbits Kanalbits (EFM)

13 Die CD ein optischer Datenträger Druck: 5µm Schutzlack: µm Reflektor Polycarbonatsubstrat mit eingeprägter Information

14 Die CD ein optischer Datenträger Lesekopf (source: PHILIPS)

15 Die CD ein optischer Datenträger Photodetektor (Quadrant) 1. Focussing (Ia+Ic)- (Ib+Id) 2. Tracking (Ia+Ib)- (Ic+Id) track pitch: 1.6 µm (CD) 0.74 µm (DVD) 3. HF signal (sum signal) with constant linear velocity 1.2 m/s (CD) 3.5 m/s (DVD) Push Pull (tracking signal)

16 Reflektion vom Pit /2 voraus sin sin 2 sin A A S x A S x A S x A S g

17 Die Information eine Folge von Wellen HF-Signal Information is encoded in pits and lands of discrete length CD: 3T... 11T (1T ca. 270 nm) DVD: 3T... 14T (1T ca. 200 nm) laser spot 3T 3 T 3T 11T pit 5T land Ref (I) t DVD

18 Optische Datenträger Lesekopf für eine Blu-ray Platte (source: THOMSON)

19 Herstellung optischer Datenträger Die Masterherstellung Der Spritzguss Das Abkühlen Die Metallisierung Der Schutzlack Das Aushärten Die Inspektion Das Bedrucken (offline)

20 Master-Herstellung Das Herstellen der Prägematrize (Master) glass substrate photo resist coating pre-baking UV treatment Ni sputtering electro plating (300µm) laser beam recording Separation from glass Father Mother developing Son Stamper (cleaning, polishing, punching)

21 Master-Herstellung Die Maschinen Master Schichtpaket (Sputtern) Laserbelichten Entwickeln Stamper

22 Disc-Herstellung son stamper By electroforming: 1: From father a mother 2: From mother a sun (stamper) The stamper is pressed in polycarbonate Polycarbonate stamper The polycarbonate (replica) is separated from the stamper Blank disc is born polycarbonate label protective layer polycarbonate reflective layer Playback laser (CD-player) A reflective layer is applied on the replica, and finished with a protective layer and printing

23 Herstellung optischer Datenträger Der Spritzguss 2,0s für 5 Gigabyte Presse (30 to) Disc Heizung (350 C) Granulat

24 Herstellung optischer Datenträger Stamper und optischer Datenträger DVD 9 Stamper L1 DVD 9 Replica L1

25 Herstellung optischer Datenträger Abkühlung nach dem Spritzguss Molding Machine#1 Molding Machine#2 Entnahmetemperatur Molding: 80 bis 100 C Abkühlung auf etwa 30 bis 35 C (Luftstrom, Spincooler, Luftdüsen) Kritisch: Ebenheit der Platte (Tilt)

26 Herstellung optischer Datenträger Metallisierung Prinzip CD Prinzip DVD-9 Lackschicht Reflektor Disc 1: 0.6mm L1: Reflektierend Lackschicht: 50µm Disc:1.2mm L0: Semitransparent Disc 0: 0.6mm Laser Laser L0 Laser L1

27 Herstellung optischer Datenträger Jahre Rückblick

28 Herstellung optischer Datenträger CD Beschichtung heute: Singulus V Sputterer: 0.5m²

29 Das Zerstäuben von Targetmaterialien Sputterstation: Dominant DC mit Metalltarget Eine Station Dicke Targets (z. B. Fokuskathode 25 mm) Lange Standzeit Hohe Rate Regelkreis mit In-line Schichtdickenmessung > CD 55 nm Al

30 Das Zerstäuben von Targetmaterialien DC-Sputterprozs mittels einer Plasmaentladung Vakuumkammer: < 10-3 Pa Basisdruck; 1 Pa Argon Druck N S S N Target E e 1000 V B Ar e Ar Magnetic field responsible for orbital path of the electrons (cyclotron): Residence time of electron at plasma increases higher interaction probability with Atoms/Ions Plasma confinement near the target surface Errosion of target (race-track)

31 Das Zerstäuben von Targetmaterialien Die SMART Kathode (hier Anwendung für Beidseitenbeschichtung) Innere Sputter Position Äussere Sputter Position

32 Das Zerstäuben von Targetmaterialien Si-wafer Si-Schicht (amorph) Ni-Schicht (kristallin) Si-wafer Sputtertarget Neu Sputtertarget erodiert

33 Herstellung optischer Datenträger Lackauftrag und Abschleudern in zwei Schritten Lacktanksystem Lackauftrag

34 Herstellung optischer Datenträger Aushärten des Lackes mit UV Strahlung 5 kw, typisch 1s

35 SKYLINE II / CD Herstellung SKYLINE II für die Produktion von CD s Small foot-print size Sputtern 1087mm Cycle time <2,4s (incl. process) All movements servo controlled Improved lacquering system incl. degassing unit for Duplex Easy to handle due to new concept of visualization Higher process stability Easy to be maintained 1350mm Options: DVD5, 80mm Kit, Card

36 SPACELINE II / DVD Herstellung UV Scan Prinzip DVD-9 Disc 1: 0.6mm Disc 0: 0.6mm Laser L0 Laser L1-36 -

37 DVD-R (Recordable) Dummy side L1 (0.6 mm PC) Bonding layer (~ 50 µm resin) Reflective layer (~ 100 nm Ag or Au) Information side L0 (0.6 mm PC) Substrate with wobbled groove Groove depth 160 to 190 nm Track pitch 0.74 µm 0,74 µm Active layer (~ 100 nm organic dye) NA 0.6 Laser beam = 650 nm

38 TAURUS / DVD-R Herstellung TAURUS system for DVD R production Installed base CD R about 600 Installed base DVD R about 220

39 DVD-RW (ReWritable) Phase Change: amorph - kristallin 4 Layer CD-RW 6 Layer DVD RW 7 Layer DVD-RAM DL1: ZnS.SiO2 DL1: ZnS.SiO2 DL1: ZnS.SiO2 AgInSbTe GeInSbTe GeSbTe DL2: ZnS.SiO2 DL2: ZnS.SiO2 DL2: ZnS.SiO2 OCL Ag Ag Ag Dielektrische Zwischenschicht 5 nm

40 MODULUS / DVD-RW Herstellung MODULUS: 13 Stationen; HF- und DC-Sputtern Disc DL1 Phase Change DL2 Ag IF 1&2

41 Blu-ray ROM Februar 2008 Vorstellung der BLULINE II DL 50GByte bei SINGULUS

42 Many Blu-ray players available Sony BDP-S1 657,BDP-S ,BDP-S ,Samsung BD-P ,BD-P ,Panasonic DMP-BD ,DMP-BD30 335,Pioneer BDP-H ,BDP-LX ,- Philips BDP ,- LG BH-100 BD / HD DVD 759,LG Super Blu BH200 US$ 999,- ( 680,-) Denon DVD-3800BD???,DVD-2500BTC???,Sharp BD-HDW20???,BD-HP20S 379,Loewe BluTech Vision???,- Sony PS3 80GB 399,Sony PS3 40GB US$ 399,- ( 269,-)

43 BD Disc Industry in Production NOW Authoring Formatting Mastering Sony Pictures (Blu-print) Sonic Solutions (Scenarist) SINGULUS SINGULUS DCA ECLIPSE Replication SINGULUS Tools and equipment available for Replicators * This list is just an example and does not represent the entire industry Inspection BCA AudioDev DATARIUS Dr. Schenck Dr. Shwab Basler ETA-Optik Pulstec Industrial ShibaSoku

44 Blu-ray ROM BD-Single Layer (25GB) Dampfsperre: nm SiN PC-Platte: 1.1 mm Reflektor L0: nm Ag Lack-Deckschicht: 97 μm Lack-Hartschicht: 3 µm BD-Dual Layer (50GB) Dampfsperre: nm SiN PC-Platte: 1.1 mm Reflektor L0: nm Ag Lack-Abstandsschicht: 25 μm Reflektor L1: nm Ag Lack-Deckschicht: 72 μm Lack-Hartschicht: 3 µm

45 BLULINE / Blu-ray Version für SL und DL (Option) Metallisierung und Regelung 25µm Zwischenschicht und Prägen der Information Layer 1 Lackauftrag und Regelung Inspection Disk

46 BLULINE / Blu-ray Metallisierung & Schichtdickenkontrolle durch TMD (Transmission Measuring Device) Messung während der Handlingsbewegung

47 BLULINE / Blu-ray TMD Regelung sensor SV metallizer sputter power supply Regelkreis mit Einstellung der Gesamtdicke und der radialen Verteilung control unit computer good bad

48 BLULINE / Blu-ray te Informationsebene 2te Ebene wird durch einen Embossingschritt in noch feuchten Lack eingeprägt und dann UV getrocknet 1te Ebene 2te Ebene Wet Embossing Station

49 BLULINE / Blu-ray µm Schichtdicke 100 µm Deckschicht Fouriertransformiert µm Lack InterferenzSpektrum 25 µm Schichtdicke Interferenz zwischen Vorderseitenund Metallschichtreflektion Fouriertransformiert Schichtdickenmessung durch Lichtinterferenz zwischen Vorder- und Rückseite InterferenzSpektrum

50 BLULINE / Blu-ray µm Deckschicht: Regelung Radiales Messprofil Regelung Drehzahl Abschleudern ( rpm) Regelung einer Wärmebehandlung (Lack wird dünner)

51 BLULINE / Blu-ray µm Schutzschicht Schutzschicht aus kratzfestem Lack

52 Surface Protection HD DVD system Blu-ray system NA = 0.65 Incident beam Beam spot ~526um NA = 0.85 Fingerprint Substrate 600um Incident beam Cover layer 100um Fingerprint period Fingerprint period Track error signal Track error signal Bright Bright Dark Dark Track Summing signal Track Summing signal Beam spot ~123um

53 Inspection Abschliessende Kontrolle durch Scanner Jede Platte wird gescannt: Fehler, Schichtdicken, Reflektion, etc.

54 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit