テープ状基材の研磨方法及び酸化物超伝導体用ベース基材
【課題】テープ状基材の表面を、超伝導膜と中間層膜とを配向性良く結晶化させるために、テープ基材表面を数ナノレベルの平滑性と均一性を持つように仕上げる研磨方法。
【解決手段】テープ状金属基材110と、テープ上金属基材110の上に形成された中間層と、さらにこの中間層の上に形成された酸化物超伝導膜層とから成る酸化物超伝導体における、テープ状金属基材110のうち、中間層が形成される面である被研磨面を研磨するテープ状金属基材110の研磨方法であって、テープ状金属基材110を連続に走行させながら、被研磨面を研磨する研磨工程を備え、研磨工程は、初期研磨である第1研磨処理部103と、その後に行う仕上研磨である第2研磨処理部104とを含んで成り、研磨工程終了後の被研磨面には走行方向と平行な研磨溝が形成されてなること、を特徴とする。
【解決手段】テープ状金属基材110と、テープ上金属基材110の上に形成された中間層と、さらにこの中間層の上に形成された酸化物超伝導膜層とから成る酸化物超伝導体における、テープ状金属基材110のうち、中間層が形成される面である被研磨面を研磨するテープ状金属基材110の研磨方法であって、テープ状金属基材110を連続に走行させながら、被研磨面を研磨する研磨工程を備え、研磨工程は、初期研磨である第1研磨処理部103と、その後に行う仕上研磨である第2研磨処理部104とを含んで成り、研磨工程終了後の被研磨面には走行方向と平行な研磨溝が形成されてなること、を特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、テープ状基材の表面に酸化物超伝導薄膜を形成するために、テープ状基材の被研磨面を研磨する方法及びこの研磨方法により研磨されたテープ状基材を用いた酸化物超伝導体用基材に関するものである。
【背景技術】
【0002】
超伝導材料の中でも、酸化物超伝導体は、液体窒素温度を超える臨界温度を示す優れた超伝導体であることが知られている。典型的な酸化物超伝導体テープ状線材として、Ni系合金からなるハステロイ合金テープの表面に、IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)法やPLD(pulsed Leaser Deposition)法などにより、中間層として、結晶配向制御したMgO、イットリウム安定化ジルコニヤ(YSZ)やCeO2の多結晶配向膜を形成し、更にこの多結晶配向膜上にYBCO(YBa2Cu3O7−y)系酸化物超伝導膜を形成して得たテープ状線材が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
現在、この種の酸化物超伝導体を実用的に使用するためには、種々の解決すべき問題が存在する。
【0004】
超伝導特性としての、高い臨界電流(Ic)及び臨界電流密度(Jc)を得るために、テープ状基材の表面をより平滑にする方法が行われている。それによって、テープ状基材表面に結晶性の優れた超伝導膜を形成することができる(例えば、特許文献2〜4参照)。
【0005】
また、中間層の配向性を良くすれば、その上に形成される超伝導膜の配向性が向上する。特に、高い2軸配向性を得ることが高い臨界電流(Ic)及び臨界電流密度(Jc)をもつ超伝導膜を得るために必須とされている。
【0006】
ここで、形成すべき中間層の結晶性は、下地となるテープ状の基材表面の結晶性に依存するため、配向性のよい中間層を得るにはテープ状基材の結晶方位及び面内配向性が重要となる。
【0007】
そこで、中間層膜を配向性良く結晶化させるためには、テープ基材表面を数ナノレベルの平滑性と均一性を持つように仕上げる必要がある。
【0008】
また、他の方法として、ニッケルまたはニッケル合金のテープ表面を精密に研磨した後、酸化物超伝導膜を形成する方法が開示されている(例えば、特許文献5参照)。
【0009】
一方、超伝導の実用化を妨げているもう一つの問題は、磁束量子の振る舞いがある。超伝導体に電流が流れて発生するローレンツ力は磁束量子を動かそうとするが、磁束量子が動いてしまうと熱が発生し、超伝導状態が壊れてしまう。従って、磁束量子が動かないようにピン止め(ピンニング)できれば、超伝導体に流すことができる臨界電流(Ic)を大きくすることが可能となる。
【0010】
上記したの従来技術文献は、いずれも基材表面を平坦かつ平滑に研磨しておくことが重要であることを教示している。
【0011】
テープ状線材は、通常、金属素材をロール圧延と熱処理を繰り返しながら、0.05mm〜0.2mmの厚さのテープ状の線材に引き伸ばすことにより形成される。このように製造された線材の表面には、圧延による機械的線状痕や結晶欠陥による転移が形成される。これらの線状痕または欠陥により、その上に直接形成される中間層や超伝導層の結晶配向性が損なわれる。
【0012】
そのため、従来のテープ状超伝導線材の製造においては、圧延後のテープ状線材の表面に対して、機械研磨や電解研磨を施し平坦かつ平滑な基材面を形成してから、その上に中間層及び超伝導膜を形成していた(例えば、特許文献6、7参照)。
【特許文献1】特開平9−120719号)
【特許文献2】特開平2−207415号
【特許文献3】特開平6−145977号
【特許文献4】特開2003−036742号
【特許文献5】米国特許第6,908,362号明細書
【特許文献6】特開平6−31604号
【特許文献7】特開2002−150855号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
しかしながら、長尺のテープ状基材についてはその全長に渡って、平坦かつ平滑に研磨することは、非常に困難を要する。
【0014】
本発明は、テープ状基材の上に中間層と、酸化物超伝導膜層とを順に形成されてなる酸化物超伝導体が、高い臨界電流(Ic)と高い臨界電流密度(Jc)とをもつように、このテープ状金属基材の表面を、超伝導膜と中間層膜とを配向性良く結晶化させるために、テープ基材表面を数ナノレベルの平滑性と均一性を持つように仕上げる研磨方法の提供を目的とする。
【0015】
またこの研磨方法により研磨されたテープ状基材と、その上に形成された中間層からなる酸化物超伝導体用ベース基材の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0016】
上記課題を解決するために、本発明が提案するのは、テープ状基材と、前記テープ上基材の上に形成された中間層と、前記中間層の上に形成された酸化物超伝導膜層とから成る酸化物超伝導体における、前記テープ状基材の前記中間層が形成される面である被研磨面を研磨するテープ状基材の研磨方法であって、前記テープ状基材を連続に走行させながら、前記被研磨面を研磨する研磨工程を備え、前記研磨工程は、初期研磨と、前記初期研磨の後に行う仕上研磨とを含んで成り、前記研磨工程終了後の前記被研磨面には走行方向と平行な研磨溝が形成されてなること、を特徴とするテープ状基材の研磨方法である。
【0017】
このように研磨工程終了後のテープ状基材の被研磨面には走行方向と平行な研磨溝が形成されてなるので、この研磨溝内に形成される中間層の結晶粒がさらに溝内に配列されるので中間層の配向性が向上する。そのため中間層の上に形成される酸化物超伝導膜層の結晶配向性も向上し、高い2軸配向性を得ることができ、高い臨界電流(Ic)と高い臨界電流密度(Jc)の酸化物超伝導体を提供することが可能となる。
【0018】
ここで前記初期研磨は、前記被研磨面を5nm以下の表面粗さに仕上げるランダム研磨を行うものであり、前記仕上研磨は、被研磨面に走行方向に沿った研磨溝を形成する研磨を行うものとすることができる。
【0019】
被研磨面を5nm以下の表面粗さに仕上げるランダム研磨を行う初期研磨によって、テープ状基材の圧延によって形成された表面のスクラッチや結晶欠陥を除去することができる。そしてその後の仕上研磨により、被研磨面に走行方向に沿った研磨溝を形成することで中間層と酸化物超伝導膜層の配向性を向上させることができるものである。
【0020】
ここで上記表面粗さは、RMS(Root mean Square)「平均線から測定曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根」を意味するものである。
【0021】
また前記仕上研磨は、前記被研磨面を、前記テープ状基材の走行方向と直交する幅方向の表面粗さを10nm以下に仕上げることが好ましい。表面粗さを10nm以下とすることで中間層と酸化物超伝導膜層の配向性が急激に向上するからである。
【0022】
更にまた、前記仕上研磨は、前記研磨溝における溝のライン密度が50本/μm〜5本/μmの範囲に仕上げることが好まく、前記研磨溝の溝幅が、20nm〜200nmの範囲に、更に20nm〜50nmの範囲に仕上ることが好ましい。このようなライン密度や溝幅にすることで、中間層と酸化物超伝導膜層を形成する結晶粒径を制御して配向性の良い結晶成長を促すことができるものである。
【0023】
更に前記研磨溝の溝内の表面粗さを、1nm以下に仕上げることで、より上記配向性の向上を図ることができる。
【0024】
また前記仕上研磨は、多結晶ダイヤモンドを含むスラリーと、植毛布、起毛布、織布及び不織布のうちから選択される材質の研磨テープまたは研磨パッドとを用いて行うことができる。これによりテープ状基材の走行方向に平行な研磨溝を被研磨面に形成することができる。
【0025】
また本発明が更に提案するのは、酸化物超伝導体用ベース基材であって、上記した研磨方法によって研磨されたテープ状基材と、前記テープ状基材の被研磨面上に形成された中間層と、を備えてなり、前記中間層の面内配向性が7°以下となることを特徴とする酸化物超伝導体用ベース基材である。
【0026】
上記の研磨方法により研磨されたテープ状基材と、このテープ状基材の被研磨面上に形成された中間層とで構成される酸化物超伝導体用ベース基材であれば、中間層の配向性が良く、その上に形成される超伝導膜の配向性が向上することになる。そして、超伝導膜層において、高い2軸配向性を得ることができ、高い臨界電流(Ic)と高い臨界電流密度(Jc)を得ることができる。
【0027】
前記テープ状基材は、ニッケル、ニッケル合金及びステンレスの何れかより選択される材料を圧延加工して製造されるものを用いることができる。
【0028】
そして上記の研磨方法により研磨されたテープ状基材と、このテープ状基材の被研磨面上に形成された中間層とで構成される酸化物超伝導体用ベース基材を用いて、前記中間層の上に超伝導膜層を形成して、酸化物超伝導体とすれば、高い臨界電流(Ic)と高い臨界電流密度(Jc)の酸化物超伝導体を提供することができる。
【発明の効果】
【0029】
本発明によれば、研磨工程によってテープ状基材の被研磨面に、走行方向に平行な研磨溝を形成するので、その上に形成される中間層の配向性が良くなり、結果さらにその上に形成される超伝導膜の配向性が向上することになる。
【0030】
そのため、超伝導膜層において、高い2軸配向性を得ることができ、高い臨界電流(Ic)と高い臨界電流密度(Jc)の酸化物超伝導体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0031】
以下、図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。ここで説明する実施例は本発明の一例であり、これにより本発明を制限するものではない。
【0032】
本発明に係る、テープ基材と、該テープ基材の上に形成された中間層と、該中間層の上に形成された酸化物超伝導薄膜層とから成る酸化物超伝導体のおける、該テープ基材の被研磨面を研磨する方法は、テープ基材を連続走行させながら、初期研磨及び仕上げ研磨を行い、最終的に、被研磨面に走行方向(通電方向)と平行な研磨溝を形成するように研磨仕上げされるものである。
【0033】
これにより形成された研磨溝は、50本/μm〜5本/μmの範囲にあり、該研磨溝に対して直角方向の表面研磨面の表面粗さ(RMS)が10nm以下にあり、該研磨溝の内面の粗さが1nm以下となるように研磨する工程からなり、この上に形成される中間層の面内配向性Δφが7°以下と成ることを特徴とするものである。
【0034】
初期研磨は、テープ状基材の被研磨面をランダム研磨(回転方式)する少なくとも1段の第1研磨工程から成り、仕上げ研磨はテープ状基材の被研磨面を走行方向研磨する少なくとも1段の第2研磨工程からなるものである。
【0035】
ここで、テープ状金属基材として、耐高温、耐食性に優れた、純Ni、Ni−Cr、Ni−WなどNi基合金、純Cu、Cu−NiなどのCu基合金基板またはFe−Si、ステンレスなどのFe基合金が使用可能である。具体的には、酸化物超伝導膜を形成するために、耐食性及び耐熱性の優れた、ハステロイ(登録商標)、インコネル(INCONEL:登録商標)、Ni−5%W等のNi合金が使用可能である。これらの基材は、圧延技術により、厚さ0.05mm〜0.5mm、幅2mm〜100mm、長さ数百メートルに加工される。
【0036】
このテープ状基材は、その殆どが圧延方向に線状のスクラッチまたは結晶欠陥が形成されている。本発明では、先ず、圧延によって形成された表面のスクラッチ、酸化物層または結晶欠陥を、初期研磨としてのランダムな回転研磨方式で除去し、その後、仕上研磨として、さらにテープ状基材の走行方向(通電する方向)に研磨溝が残るように研磨仕上げする。その後、洗浄及び乾燥した被研磨面の上に中間層膜及び超伝導膜を順に堆積させることにより、臨界電流の高い酸化物超伝導体を形成することができる。
【0037】
初期研磨である第1研磨工程の主たる目的は、圧延処理によって生じたテープ状金属基材の傷、酸化膜、欠陥等を除去することである。第1研磨工程による研磨処理を経たテープ状基材の表面粗さ(RMS)は10nm以下で、5nm以下であることが好ましい。 したがって、表面状態が前記表面粗さ以下の場合は、第1研磨工程を省略することができる。
【0038】
仕上研磨である第2研磨工程は、最終仕上げ工程であり、その目的は、表面粗さとしては比較的粗い面でありながら、テープ状基材表面を走行方向に研磨溝を残すように研磨研磨し、その溝に沿って面内配向性の良い中間層膜を形成するためのテープ状基材表面を形成することである。
【0039】
第2研磨工程による研磨処理を経たテープ状基材の幅方向の表面粗さ(RMS)は10nm以下であり、研磨ライン密度が50本/μm〜5本/μmの範囲に仕上げる。すなわち、溝幅は、約20nm〜200nmの範囲にあり、より好ましくは20nm〜50nm範囲にあり、その溝内の表面粗さが1nm以下に仕上げる。
【0040】
前記溝幅は、中間層膜及び超伝導膜の結晶粒径により選択され、結晶配向性に適した溝幅を形成することができる。なお走行方向の研磨溝は、連続的に形成されなくてもよい。
【0041】
図1は、本発明に係る酸化物超伝導体用テープ状基材を研磨する方法に使用される研磨システムの一例を略示したものである。研磨システム100は主として、送り出し部101a、バックテンション部102、初期研磨である第1研磨処理部103、仕上研磨である第2研磨処理部104、洗浄処理部105、検査部160、ワーク送り駆動部106、及び巻き取り部101bから成る。
【0042】
送り出し部101aの巻き出しリールに巻かれたテープ状金属基材110は、バックテンション部102を通過し、第1研磨処理部103に入る。まず、テープ基材110に対して、第1研磨処理部103で、以下に詳細に説明する第1研磨工程が実行される。続いて、テープ状基材110は第2研磨処理部104に進み、そこで以下に詳細に説明する第2研磨工程が実行される。その後、テープ状基材110は洗浄処理部105に進み、そこで最終清浄工程が実行される。こうして仕上げられたテープ状基材110は、以下で詳細説明する検査部160において、表面粗さRMS及び研磨痕が観測される。その後、テープ状基材110はワーク送り駆動部106を通過し、最終的に巻き取り部101bの巻き取りリールに巻き取られる。
【0043】
研磨工程を実行後に、テープ状基材110を水洗浄(120a、120b、120c)するのが好ましい。そうすることにより、残留砥粒、研磨屑及びスラリー残渣が除去される。
【0044】
以下で詳細に説明するように、テープ状基材の走行は、バックテンション部102とワーク送り駆動部106とにより、所定のテンションを保持した状態で制御される。また、テープ基材の位置ずれを防止するために、以下で詳細に説明する複数の幅規制ガイド(140a、140b、140c)が適当な間隔で配置される。さらに、緩み検出センサー(150a、150b)を巻き出しリールの下流側及び巻き取りリールの上流側に配置することにより、テープ状基材110の緩みを検知し、巻き取りリールの回転速度を制御することができる。
【0045】
一定のテンションが与えられたテープ状金属基材110は第1研磨処理部103において、第1研磨工程にかけられる。図1の研磨システムでは、表裏面を上下にして走行するテープ状金属基材110の下側面111を研磨するように描かれているが、本願はこれに限定するものではなく、反対側であるテープ状基材の上側面を研磨するようにシステムを構成することもできる。
【0046】
第1処理部103は、研磨ヘッド401及び押し圧機構440から成る少なくとも一つの研磨ステーション(103a、103b)、並びに研磨ステーションの下流側に設けられた少なくとも一つの洗浄装置(120a、120b)から成る。
【0047】
図2(A)、(B)、(C)は、それぞれ、研磨ヘッド401の一例の正面図、平面図及び側面図を示したものである。研磨ヘッド401は、研磨テープ410を研磨テーブル413上に送り出すための送り出し機構部と、研磨テーブル413を研磨面に垂直な軸線Xの回りに回転させるための回転機構部と成る。
【0048】
送り出し機構部は、研磨テープ410が巻かれた送り出しリール411と、少なくともひとつの支持ローラと、研磨後の研磨テープを巻き取るための巻き取りリール412と、送り出しリール411と巻き取りリール412に動的に連結した駆動モータ(図示せず)から成る。これらはハウジング414内に収容されている。
【0049】
研磨テープ410として、発泡ウレタン、スエード、又はポリエステルやナイロンからなる、織布、不織布、植毛布、起毛布などが使用可能である。 付加的に、ハウジング414は研磨中にスラリーが外部に飛散するのを防止するためのカバー420に覆われている。モータを駆動することにより、研磨テープ410が送り出しリール411から送り出され、支持リールを介して、研磨テーブル413上を通過し、最後に巻き取りリール412に巻き取られる。
【0050】
研磨テーブル413上には常に未使用の研磨テープ410が送られ、テープ状金属基材110の被研磨面を研磨する。研磨の際には、上記したスラリーを供給するのが好ましい。好適に、スラリーは、研磨砥粒、水及び水に添加剤(例えば、潤滑剤及び砥粒分散剤)を加えたものから成る。研磨砥粒として、これに限られないが、ダイヤモンド(単結晶、多結晶)、シリカ(コロイダルシリカ、ヒュームドシリカ)、アルミナ、SiC及びcBN等を使用することができる。
【0051】
好適には、スラリーの研磨砥粒の平均粒径は、初期研磨である第1研磨工程(ランダム研磨)において、5μm〜0.02μmであり、段数の後方ほど細かい砥粒が使用される。また、仕上研磨である第2研磨工程(走行方向研磨)においては、走行方向の研磨溝(研磨溝)を形成するために溝幅に適した砥粒径が選択される。すなわち、研磨溝の幅及びライン密度(本/μm)によって適当に選択される。好適には、10μm〜0.1μmの範囲にある。なお、各研磨工程において、研磨装置を複数台設け、それぞれ砥粒の粒径を変えることもできる。あるいは、同じ粒径の砥粒で連続研磨することもできる。これにより、被研磨面の要求及び研磨時間の短縮に対応することができる。
【0052】
一方、図2(A)に示すように回転機構部は、上記ハウジング414の下方にあって、研磨テーブル413の上記回転軸Xと同軸に結合されたスピンドル416と、モータ417の回転動力をスピンドル416に伝達するためのベルト415とから成る。さらに、モータ417とハウジング414を支持するための支持台419が設けられる。
【0053】
スピンドル416は支持台419の内部にあって支持台419に関して回転可能に取り付けられている。付加的に、支持台419は2本のレール421に載置されており、研磨ステーションをレール上で移動させるためのハンドル420hが支持台419に結合されている。
【0054】
モータ417を駆動することにより、ベルト415を介して回転動力がスピンドル416に伝達され、ハウジング414が軸線Xの回りに回転する。さらに、研磨ステーションを複数設けることも可能である。この場合、ハウジングの回転方向(すなわち、研磨テープの回転方向)を反対にすることにより、研磨効率を上げることができる。また、1段目研磨と2段目研磨の回転方向を互いに逆にすることにより、研磨面の性状を変えることができる。
【0055】
第1研磨工程の変形として、図2(D)に示されるように、モータ417′が支持台419の内部に収容されてもよい。
【0056】
図2(E)は、研磨ヘッドの他の例を示したものである。図2(E)に示す例では、研磨テープの代わりに研磨パッドが使用される。研磨ヘッド430は、テープ状基材110を研磨する研磨パッド431が貼り付けられたプラテン432、プラテン432を支持するスピンドル433、ベルト436及びモータ434から成る。スピンドル433は支持台435に回転可能に取り付けられており、モータ434は該支持台435の内部に収容されている。モータ434を駆動することにより、ベルト436を介して回転動力がスピンドル433に伝達され、研磨パッド431が回転してテープ状基材110を研磨する。研磨の際には、上記したスラリーを研磨パッド431の略中心部に供給するのが好ましい。
【0057】
次に、押し圧機構440について説明する。図3(A)及び(B)は、それぞれ本発明に係る研磨システムで使用される押し圧機構440の正面図及び側面図を示す。押し圧機構440は、エアーシリンダ441、加圧板443、テープ状基材の走行方向に沿って加圧板443の中心線上に設けられた押え板445から成る。押え板445の下面にはテープ状基材110の幅に対する案内溝446が設けられ、研磨処理中におけるテープ状基材110の位置ずれの発生が防止される。押え板445は、テープ状金属基材110のサイズ(幅、厚み)に応じて、適宜交換可能である。
【0058】
付加的に、押し圧機構440の側面には位置調整ハンドル442が結合されており、テープ状金属基材110の幅の中心と押し圧機構440の中心が一致するように調整される。そうすることにより、エアーシリンダ441からの圧力が加圧板443及び押え板445を介して、テープ状基材110に伝達される。さらに、加圧板443の上部には調整ネジ444が設けられている。研磨処理前に、該調整ネジ444により、加圧板443と研磨テープ413との平行度が調整される。加圧機構は、これに限定されるものではなく、他の圧力機構が使用されてもよい。
【0059】
図4(A)及び(B)は、それぞれ本発明に係るテープ基材の第2研磨工程で使用される研磨ヘッド610の好適実施例の正面図及び側面図である。研磨ヘッド610は、例えば、ステンレス製の円筒ドラムベースに樹脂製シート602を巻き付けた円筒ドラム601、円筒ドラム601を回転させるための駆動モータ603、駆動輪等の駆動機構(図示せず)とを備えて成るものである。
【0060】
樹脂製シート602として、発泡ポリウレタン、織布、不織布、植毛布などが使用される。円筒ドラム601は、ハウジング606内に収容されている。付加的に、円筒ドラム601をテープ状基材110の走行方向に対して直角方向にオッシレーション動作をさせるためのモータ605を含むことができる。このオッシレーション動作により、テープ状金属基材110が円筒ドラム601の同一箇所で研磨されることが防止される。
【0061】
一方、二段目研磨(最終仕上げ)の場合は、一方向のみの研磨溝を形成するためにオッシレーション動作をせずに研磨することができる。研磨の際は、上記したスラリーを樹脂製シート602の上に供給するのが好ましい。
【0062】
図5(A)及び(B)は、それぞれ本発明に係るテープ基材の第2研磨工程で使用される研磨ヘッド620の他の実施例の正面図及び側面図である。研磨ヘッド620は、研磨ベルト621をテープ状基材110に押し付けるためのコンタクトローラ622、ケンマヘッド駆動手段623、支持ローラ625、研磨ベルト駆動手段623に結合する駆動モータ624から成る。
【0063】
コンタクトローラ622、支持ローラ625及び研磨ベルト駆動手段623は、ハウジング628内に収容されている。研磨ベルト621として、合成繊維製の織布もしくは不織布または発泡体から成るテープが使用される。
【0064】
駆動モータ624を作動させると、ベルト駆動手段623により研磨ベルト621がコンタクトローラ622及び支持ローラ625を介して走行し、テープ状基材110の被研磨面を研磨する。研磨の際には、上記したスラリーを研磨ベルト621上に供給するのが好ましい。
【0065】
付加的に、コンタクトローラ622をテープ状基材110の走行方向に対して直角方向にオッシレーション動作をするためのモータ626を含むことができる。このオッシレーション動作により、テープ状金属基材110が研磨ベルト621の同一箇所で研磨されることが防止される。
【0066】
なお、通常の最終研磨では、的確に研磨溝を形成させるためにオッシレーションを行わない方が好ましい。
【0067】
上記研磨ヘッド610及び620の特徴は、円筒ドラム601あるいは研磨ベルト621の研磨面がテープ状基材110の走行方向またはその逆方向に回転する点にある。研磨ヘッド610または620は、図3で説明した加圧機構440とともに研磨ステーションを構成する。第2研磨工程において、複数段の研磨ステーションを直列に配置することが可能である。この場合には、各研磨ステーションの下流に上記した洗浄装置を配置するのが好ましい。
【0068】
上記した第2研磨処理部104において、テープ状金属基材110は、第2研磨工程にかけられる。図1に示す研磨システムの例において、第2研磨工程は、2段階の走行方向の研磨方式で実行される。研磨に際して、研磨粒子、水及び水に添加剤(例えば、潤滑剤及び砥粒分散剤)を加えたものから成るスラリーを使用するのが好ましい。砥粒として、これに限定されないが、SiO2、Al2O3、ダイヤモンド、cBN,SiC、コロイダルシリカなどが使用できる。好ましくは、走行方向の溝内が平滑になるように、球状の多結晶ダイヤモンドが適している。使用する砥粒の平均粒径は0.05μm〜10μm、好ましくは0.1μm〜5μmである。
【0069】
上記研磨システムは、研磨条件に応じた装置の組み換えによって、適当な研磨プログラムを組むことができる。例えば、各研磨工程を複数段設ける場合には、格段の研磨条件(例えば、研磨ヘッドの回転速度、スラリーの砥粒粒径など)を適宜調節することも可能である。
【0070】
上記したように、本発明に係る酸化物超伝導体用テープ状基材の研磨方法に従う第1の研磨工程は、第2の研磨工程を行うための準備工程であり、表面粗さRMSが10nm以下、好ましくは5nm以下になるようにテープ状基材の被研磨面を研磨する工程からなる。
【0071】
また、上記したように、本発明に係る酸化物超伝導体用テープ状基材の研磨方法に従う第2研磨工程は、テープ状基材の走行方向(通電方向)に研磨溝を形成する研磨を行い、その被研磨面の表面粗さRMSが10nm以下であり、前記研磨溝(研磨溝)が50本/μm〜5本/μmの範囲となるよう研磨する。
【0072】
好適には、第1研磨工程は、通常のランダム研磨であり、第2研磨工程の最終仕上げは、テープ状基材の走行方向に沿った研磨溝が被研磨面に形成されるように研磨する。
【0073】
こうして得られたテープ状基材の表面に中間層を形成する。IBAD(Ion beam Assisted Deposition)法、あるいはISD(Inclined Substrate Deposition)法により、MgO、CeO2、SrTiO3、及びY2O3で安定化したジルコニア(YSZ)膜等が、面内二軸配向性を有する中間層として蒸着される。中間層の上に酸化物超伝導体膜が蒸着される。かくして、テープ状基材及び中間層が酸化物超伝導体膜の基材と成る。本発明により、結晶配向性に優れた中間層膜を形成することが可能となり、結果として、臨界電流の高い超伝導薄膜を形成することができる。
【実施例】
【0074】
以下、本発明に従い、さまざまな研究条件でテープ状基材を研磨し、その上に蒸着した中間層の配向性を調べる実験を行ったので説明する。
【0075】
研磨装置は、図1に示した連続研磨システムを使用した。各研磨工程で研磨処理は、研磨プログラムに従い、単一または複数段研磨とした。複数段研磨の場合、スラリーの砥粒が粗いものから細かいもの、及び、ランダム研磨、走行方向(電流通電方向)研磨を適宜変更して行った。
【0076】
テープ状金属基材としては、ハステロイC−276(例えば、58%Ni−17%Mo−15%Cr−5%Fe−4%W)を使用した。これらの基材は、圧延技術により、厚さ0.1mm、幅10mm、長さ数百メートルに加工されたものである。図6は、研磨前のテープ状基材表面のコンピュータ画像写真(AFM)である。研磨前の基材の平均表面粗さRaは、20〜50nmであった。最大表面粗さRmaxは200〜500nmで、急峻な突起は圧延によって生じた圧延痕である。
【0077】
配向性中間層として、IBAD−MgO(Ion Beam Assisted Deposition)で10〜20nmのMgO膜を形成し、次にEpi−MgO(Epitaxial Deposition)を約200nm形成した。
【0078】
面内配向度(Δφ)及び垂直配向度(Δω)の測定は、X線極図形測定により求めた半値幅(FWMH)を評価することによって行った。
【0079】
実験は、本発明に係る実施例と、この実施例と比較するための比較例とからなるものである。
1.比較例1
研磨プログラム:第1研磨工程(図1の103)のみで、同一方式の研磨機を2台直列(図1の103a+103b)に配置し、2段のランダム研磨を実行した。スラリーは、平均粒径D50が5μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。添加物は、グリコール化合物、グリセリン、脂肪酸を添加した30wt%の水溶液を使用、pH8に調整した。研磨ヘッドに植毛布テープ(線径1.0デニールdn)を送りながら回転させ、押し圧パッドの間にテープ状基材を通して、研磨スラリーを供給しながら以下の条件で研磨した。
【0080】
ヘッドの回転数:400rpm
加圧力:8kg
スラリー重量:10ml/min
テープ基材送り速度:5m/hr
装置103aと103bは同一条件で研磨した。
【0081】
2.比較例2
研磨プログラム:第1研磨工程(図1の103)のみで、同一方式の研磨機を2台直列(図1の103a+103b)に配置し、2段のランダム研磨を実行した。スラリーは、平均粒径D50が3μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。他の条件は、比較例1と同じである。
【0082】
3.比較例3
研磨プログラム:第1研磨工程(図1の103)のみで、同一方式の研磨機を2台直列(図1の103a+103b)に配置し、2段のランダム研磨を実行した。スラリーは、平均粒径D50が1μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。他の条件は、比較例1と同じである。
【0083】
4.比較例4
研磨プログラム:第1研磨工程(図1の103)のみで、同一方式の研磨機を4台直列(図1の103a+103b+103c+103d)の配置し、4段の研磨を実行した。先ず、研磨機103a+103bと、スラリーは、平均粒径D50が1μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。次いで、研磨機103cと平均粒径D50が0.5μmの多結晶ダイヤモンドを使用し、次に研磨機103dと平均粒径0.03μのコロイダルシリカを使用した。
なお。圧力は、1段目と3段目を8kg、2段目と4段目をは5kgとした。
【0084】
5.比較例5
研磨プログラム:第1研磨工程(図1の103)のみで、同一方式の研磨機を4台直列(図1の103a+103b+103c+103d)の配置し、4段の研磨を実行した。先ず、研磨機103aで1段目の研磨は、平均粒径D50が1μmの多結晶ダイヤモンドを使用したスラリーで行った。次いで、研磨機103b+103cで2段目、3段目の研磨は、平均粒径D50が0.5μmの多結晶ダイヤモンドを使用したスラリーで行った。次に研磨機103dと平均粒径0.03μのコロイダルシリカを使用した。なお、圧力は、1段目と2段目を8kg、3段目と4段目を5kgとした。
【0085】
比較例の加工条件をまとめて以下の表1に示す。
【表1】
1.実施例1
(1)前処理研磨:
第1研磨工程(図1の103)は、研磨ヘッドに植毛布テープを送りながら回転させ、押し圧パッドの間にテープ状基材を通して、研磨スラリーを供給しながら、以下の研磨条件で2段のランダム研磨(図1の103a+103b)を実行した。1段目、2段目のスラリーは、それぞれ平均粒径D50が1μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。添加材は、グリコール化合物、グリセリン、脂肪酸を添加した30wt%水溶液を使用し、pH8に調整した。ダイヤモンド砥粒の濃度は約0.3%であった。
【0086】
<1段目>
研磨ヘッドの回転数:400rpm(時計方向)
スラリー流量:10ml/min
圧力:8kg
テープ基材送り速度:5m/hr
<2段目>
研磨ヘッドの回転数:300rpm(反時計方向)
スラリー流量:10ml/min
圧力:5kg
テープ基材送り速度:5m/hr
上記研磨処理したテープ基材の表面粗さRMSは、3〜4nmであった。
【0087】
(2)研磨プログラム:
1) 第1研磨工程(図1の103)は、研磨ヘッドに植毛布テープを送りながら回転させ、押し圧パッドの間にテープ状基材を通して、研磨スラリーを供給しながら、以下の研磨条件で2段のランダム研磨(図1の103a+103b)を実行した。一段目のスラリーは平均粒径D50が0.125μmの多結晶ダイヤモンドを使用した添加材はグリコール化合物、グリセリン、脂肪酸を添加した30wt%水溶液を使用し、pH8に調整した。ダイヤモンド砥粒の濃度は約0.3%であった。
【0088】
2段目のスラリーは、平均粒径D50が0.03μmのコロイダルシリカ使用した。添加剤は、花王株式会社製デモールEPに、蓚酸アンモニウム、蓚酸カリウム、グリセリンを添加した水溶液を使用、pH9に調整した。
【0089】
<1段目>
研磨ヘッドの回転数:400rpm(時計方向)
スラリー流量:10ml/min
圧力:8kg
テープ基材送り速度:5m/hr
<2段目>
研磨ヘッドの回転数:300rpm(反時計方向)
スラリー流量:10ml/min
圧力:5kg
テープ基材送り速度:5m/hr
【0090】
2) 第2研磨工程(図1の104)は、研磨ヘッドにポリエステル繊維からなる不織布テープ(線径:0.5デニール)を巻きつけたドラムを回転させ、押し圧パッドの間にテープ状基材を通して、研磨スラリーを供給しながら、以下の研磨条件で2段の走行方向研磨(図1の104a+104b)を実行した。一段目、2段目のスラリーは、それぞれ平均粒径D50が10μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。添加材は、グリコール化合物、グリセリン、脂肪酸を添加した30wt%水溶液を使用し、pH8に調整した。ダイヤモンド砥粒の濃度は約0.3%であった。
【0091】
<1段目、2段目>
研磨ヘッドの回転数:250rpm
スラリー流量:10ml/min
圧力:10kg
テープ基材送り速度:5m/hr
なお、実施例に用いた植毛布テープ(線径1.0デニール)及び不織布テープ(線径0.5デニール)のSEM写真を、それぞれ図18及び図19に示す。
なお、上記に使用した植毛布テープ(線径:1.0デニール)及び不織布テープ(線径:0.5デニール)の表面のSEM写真を、それぞれ図18および図19に示す。
【0092】
2. 実施例2
前処理研磨は、実施例1と同じ研磨条件で行った。
研磨プログラム:
(1) 第1研磨工程(図1の103)は、実施例1と同じ条件で実行した。
(2) 第2研磨工程(図1の104)は、同一方式の研磨機を2台直列に配置した2段の走行方向研磨(図1の104a+104b)スラリーは平均粒径D50が5μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。その他の研磨条件は、実施例1と同じである。
【0093】
3. 実施例3
前処理研磨は、実施例1と同じ研磨条件で行った。
研磨プログラム:
(1) 第1研磨工程(図1の103)は、実施例1と同じ条件で実行した。
(2) 第2研磨工程(図1の104)は、同一方式の研磨機を2台直列に配置した2段の走行方向研磨(図1の104a+104b)スラリーは平均粒径D50が3μmの多結晶ダイヤモンドを使用し、加圧力を5kgとした。その他の研磨条件は、実施例1と同じである。
【0094】
4. 実施例4
前処理研磨は、実施例1と同じ研磨条件で行った。
研磨プログラム:
(1) 第1研磨工程(図1の103)は、実施例1と同じ条件で実行した。
(2) 第2研磨工程(図1の104)は、同一方式の研磨機を2台直列に配置した2段の走行方向研磨(図1の104a+104b)スラリーは平均粒径D50が0.25μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。その他の研磨条件は、実施例3と同じである。
【0095】
5. 実施例5
前処理研磨は、実施例1と同じ研磨条件で行った。
研磨プログラム:
(1) 第1研磨工程(図1の103)は、実施例1と同じ条件で実行した。
(2) 第2研磨工程(図1の104)は、同一方式の研磨機を2台直列に配置した2段の走行方向研磨(図1の104a+104b)スラリーは平均粒径D50が0.125μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。その他の研磨条件は、実施例3と同じである。
【0096】
実施例の加工条件を以下の表2にまとめて示す。
【表2】
【0097】
<評価>
テープ状基材を研磨した後の、被研磨面の表面粗さRMS(Root mean Square)「平均線から測定曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根」、及び研磨面に中間層膜を形成した後の、中間層の面内配向性及び垂直配向性について評価した。研磨後のテープ状基材の表面の表面粗さRMSは、走査型プローブ顕微鏡 (ナノスコープ Dimention 3100シリーズ、デジタルインスツルメント社)を使用して計測した。
【0098】
図6〜図16は、テープ状基材表面の任意の10μm×10μmの範囲を走査したものを三次元画像化したコンピュータ画像写真(AFM)を示す。図6は、研磨前のテープ基材表面を示す。図7〜図11は、それぞれ比較例1〜比較例5の研磨後のテープj状基材の表面状態を示す。図12〜図16は、それぞれ実施例1〜実施例5の研磨後のテープ状基材の表面状態を示す。
【0099】
表3は、比較試験結果を示したものである。図17は、比較試験結果のΔφ及びΔωをグラフで示したものである。
【表3】
【0100】
表3及び図17に示すように、テープ状基材の被研磨面を走行方向に研磨し、その表面粗さMRSが10nm以下で、研磨溝のライン密度が50本/μmの範囲にすると、中間層膜(MgO)の面内配向性(Δφ)が表面粗さの広い範囲で低い値(7°以下)が得られ、また、垂直配向性(Δω)も低い値となり、極めて優れた配向性を示すことがわかった。
【0101】
また、本発明の実施例において、ランダム研磨の比較例と比較して、垂直配向性(Δω)の値が同等にも係わらず、面内配向性Δφの値が大幅に低くできることがわたった。このことから、Δφの値は、表面粗さよりも走行方向の研磨溝(研磨溝)によって改善されることがわかった。
【0102】
さらに、本発明に係る研磨方法によれば、中間層の厚さが1μm以下(実施例では0.22μm)でランダム研磨に比較して極めて優れた配向性を示すことがわかった。
【0103】
したがって、研磨による結晶配向性に与えるマージンが広く量産性に適した加工方法であるため、多方面での応用が期待できる。
【0104】
本発明は、上記の特定の実施例に関して説明されたが、これらの実施例は例示に過ぎず、本願発明を限定するものではない。例えば、ランダム研磨装置の段数、研磨テープまたはパッドの材質、研磨ヘッドの回転数、圧力の大きさ、スラリーの種類、砥粒及び流量、テープ基材の送り速度など適宜変更可能である。これらの変更は、すべて本願発明の思想及び態様の範囲に包括されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【0105】
【図1】本発明に係るテープ状基材の研磨方法を実行する研磨システムの一例を示したものである。
【図2】(A)、(B)、(C)は、それぞれ本発明に係るテープ状基材の研磨方法を実行する研磨システムで使用されるランダム研磨における研磨ヘッドの正面図、平面図、側面図を示し、(D)は、研磨ヘッドの変形例を示し、(E)は研磨ヘッドを使用した他の変形例である。
【図3】(A)及び(B)は、本発明に係るテープ状基材の研磨方法を実行する研磨システムで使用される押し圧機構の正面図及び側面図を示す。
【図4】(A)及び(B)は、それぞれ本発明に係るテープ状基材の研磨方法を実行する研磨システムの走行方向研磨で使用される研磨ヘッドの正面図及び側面図を示す。
【図5】(A)及び(B)は、それぞれ本発明に係るテープ状基材の研磨方法を実行する研磨システムの走行方向研磨で使用される研磨ヘッドの他の例の正面図及び側面図を示す。
【図6】研磨前のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図7】比較例1の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図8】比較例2の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図9】比較例3の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図10】比較例4の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図11】比較例5の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図12】実施例1の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図13】実施例2の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図14】実施例3の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図15】実施例4の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図16】実施例5の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図17】比較評価結果のΔφ及びΔωを示すグラフ図である。
【図18】本発明の実施例の研磨布として使用した植毛布及び不織布の表面SEM像である。
【図19】同じく本発明の実施例の研磨布として使用した植毛布及び不織布の表面SEM像である。
【符号の説明】
【0106】
100 研磨システム
101 送り出し部
102 バックテンション部
103 第1研磨処理部
104 第2研磨処理部
105 洗浄処理部
106 ワーク送り駆動部
110 金属基材
160 検査部
【技術分野】
【0001】
本発明は、テープ状基材の表面に酸化物超伝導薄膜を形成するために、テープ状基材の被研磨面を研磨する方法及びこの研磨方法により研磨されたテープ状基材を用いた酸化物超伝導体用基材に関するものである。
【背景技術】
【0002】
超伝導材料の中でも、酸化物超伝導体は、液体窒素温度を超える臨界温度を示す優れた超伝導体であることが知られている。典型的な酸化物超伝導体テープ状線材として、Ni系合金からなるハステロイ合金テープの表面に、IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)法やPLD(pulsed Leaser Deposition)法などにより、中間層として、結晶配向制御したMgO、イットリウム安定化ジルコニヤ(YSZ)やCeO2の多結晶配向膜を形成し、更にこの多結晶配向膜上にYBCO(YBa2Cu3O7−y)系酸化物超伝導膜を形成して得たテープ状線材が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
現在、この種の酸化物超伝導体を実用的に使用するためには、種々の解決すべき問題が存在する。
【0004】
超伝導特性としての、高い臨界電流(Ic)及び臨界電流密度(Jc)を得るために、テープ状基材の表面をより平滑にする方法が行われている。それによって、テープ状基材表面に結晶性の優れた超伝導膜を形成することができる(例えば、特許文献2〜4参照)。
【0005】
また、中間層の配向性を良くすれば、その上に形成される超伝導膜の配向性が向上する。特に、高い2軸配向性を得ることが高い臨界電流(Ic)及び臨界電流密度(Jc)をもつ超伝導膜を得るために必須とされている。
【0006】
ここで、形成すべき中間層の結晶性は、下地となるテープ状の基材表面の結晶性に依存するため、配向性のよい中間層を得るにはテープ状基材の結晶方位及び面内配向性が重要となる。
【0007】
そこで、中間層膜を配向性良く結晶化させるためには、テープ基材表面を数ナノレベルの平滑性と均一性を持つように仕上げる必要がある。
【0008】
また、他の方法として、ニッケルまたはニッケル合金のテープ表面を精密に研磨した後、酸化物超伝導膜を形成する方法が開示されている(例えば、特許文献5参照)。
【0009】
一方、超伝導の実用化を妨げているもう一つの問題は、磁束量子の振る舞いがある。超伝導体に電流が流れて発生するローレンツ力は磁束量子を動かそうとするが、磁束量子が動いてしまうと熱が発生し、超伝導状態が壊れてしまう。従って、磁束量子が動かないようにピン止め(ピンニング)できれば、超伝導体に流すことができる臨界電流(Ic)を大きくすることが可能となる。
【0010】
上記したの従来技術文献は、いずれも基材表面を平坦かつ平滑に研磨しておくことが重要であることを教示している。
【0011】
テープ状線材は、通常、金属素材をロール圧延と熱処理を繰り返しながら、0.05mm〜0.2mmの厚さのテープ状の線材に引き伸ばすことにより形成される。このように製造された線材の表面には、圧延による機械的線状痕や結晶欠陥による転移が形成される。これらの線状痕または欠陥により、その上に直接形成される中間層や超伝導層の結晶配向性が損なわれる。
【0012】
そのため、従来のテープ状超伝導線材の製造においては、圧延後のテープ状線材の表面に対して、機械研磨や電解研磨を施し平坦かつ平滑な基材面を形成してから、その上に中間層及び超伝導膜を形成していた(例えば、特許文献6、7参照)。
【特許文献1】特開平9−120719号)
【特許文献2】特開平2−207415号
【特許文献3】特開平6−145977号
【特許文献4】特開2003−036742号
【特許文献5】米国特許第6,908,362号明細書
【特許文献6】特開平6−31604号
【特許文献7】特開2002−150855号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
しかしながら、長尺のテープ状基材についてはその全長に渡って、平坦かつ平滑に研磨することは、非常に困難を要する。
【0014】
本発明は、テープ状基材の上に中間層と、酸化物超伝導膜層とを順に形成されてなる酸化物超伝導体が、高い臨界電流(Ic)と高い臨界電流密度(Jc)とをもつように、このテープ状金属基材の表面を、超伝導膜と中間層膜とを配向性良く結晶化させるために、テープ基材表面を数ナノレベルの平滑性と均一性を持つように仕上げる研磨方法の提供を目的とする。
【0015】
またこの研磨方法により研磨されたテープ状基材と、その上に形成された中間層からなる酸化物超伝導体用ベース基材の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0016】
上記課題を解決するために、本発明が提案するのは、テープ状基材と、前記テープ上基材の上に形成された中間層と、前記中間層の上に形成された酸化物超伝導膜層とから成る酸化物超伝導体における、前記テープ状基材の前記中間層が形成される面である被研磨面を研磨するテープ状基材の研磨方法であって、前記テープ状基材を連続に走行させながら、前記被研磨面を研磨する研磨工程を備え、前記研磨工程は、初期研磨と、前記初期研磨の後に行う仕上研磨とを含んで成り、前記研磨工程終了後の前記被研磨面には走行方向と平行な研磨溝が形成されてなること、を特徴とするテープ状基材の研磨方法である。
【0017】
このように研磨工程終了後のテープ状基材の被研磨面には走行方向と平行な研磨溝が形成されてなるので、この研磨溝内に形成される中間層の結晶粒がさらに溝内に配列されるので中間層の配向性が向上する。そのため中間層の上に形成される酸化物超伝導膜層の結晶配向性も向上し、高い2軸配向性を得ることができ、高い臨界電流(Ic)と高い臨界電流密度(Jc)の酸化物超伝導体を提供することが可能となる。
【0018】
ここで前記初期研磨は、前記被研磨面を5nm以下の表面粗さに仕上げるランダム研磨を行うものであり、前記仕上研磨は、被研磨面に走行方向に沿った研磨溝を形成する研磨を行うものとすることができる。
【0019】
被研磨面を5nm以下の表面粗さに仕上げるランダム研磨を行う初期研磨によって、テープ状基材の圧延によって形成された表面のスクラッチや結晶欠陥を除去することができる。そしてその後の仕上研磨により、被研磨面に走行方向に沿った研磨溝を形成することで中間層と酸化物超伝導膜層の配向性を向上させることができるものである。
【0020】
ここで上記表面粗さは、RMS(Root mean Square)「平均線から測定曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根」を意味するものである。
【0021】
また前記仕上研磨は、前記被研磨面を、前記テープ状基材の走行方向と直交する幅方向の表面粗さを10nm以下に仕上げることが好ましい。表面粗さを10nm以下とすることで中間層と酸化物超伝導膜層の配向性が急激に向上するからである。
【0022】
更にまた、前記仕上研磨は、前記研磨溝における溝のライン密度が50本/μm〜5本/μmの範囲に仕上げることが好まく、前記研磨溝の溝幅が、20nm〜200nmの範囲に、更に20nm〜50nmの範囲に仕上ることが好ましい。このようなライン密度や溝幅にすることで、中間層と酸化物超伝導膜層を形成する結晶粒径を制御して配向性の良い結晶成長を促すことができるものである。
【0023】
更に前記研磨溝の溝内の表面粗さを、1nm以下に仕上げることで、より上記配向性の向上を図ることができる。
【0024】
また前記仕上研磨は、多結晶ダイヤモンドを含むスラリーと、植毛布、起毛布、織布及び不織布のうちから選択される材質の研磨テープまたは研磨パッドとを用いて行うことができる。これによりテープ状基材の走行方向に平行な研磨溝を被研磨面に形成することができる。
【0025】
また本発明が更に提案するのは、酸化物超伝導体用ベース基材であって、上記した研磨方法によって研磨されたテープ状基材と、前記テープ状基材の被研磨面上に形成された中間層と、を備えてなり、前記中間層の面内配向性が7°以下となることを特徴とする酸化物超伝導体用ベース基材である。
【0026】
上記の研磨方法により研磨されたテープ状基材と、このテープ状基材の被研磨面上に形成された中間層とで構成される酸化物超伝導体用ベース基材であれば、中間層の配向性が良く、その上に形成される超伝導膜の配向性が向上することになる。そして、超伝導膜層において、高い2軸配向性を得ることができ、高い臨界電流(Ic)と高い臨界電流密度(Jc)を得ることができる。
【0027】
前記テープ状基材は、ニッケル、ニッケル合金及びステンレスの何れかより選択される材料を圧延加工して製造されるものを用いることができる。
【0028】
そして上記の研磨方法により研磨されたテープ状基材と、このテープ状基材の被研磨面上に形成された中間層とで構成される酸化物超伝導体用ベース基材を用いて、前記中間層の上に超伝導膜層を形成して、酸化物超伝導体とすれば、高い臨界電流(Ic)と高い臨界電流密度(Jc)の酸化物超伝導体を提供することができる。
【発明の効果】
【0029】
本発明によれば、研磨工程によってテープ状基材の被研磨面に、走行方向に平行な研磨溝を形成するので、その上に形成される中間層の配向性が良くなり、結果さらにその上に形成される超伝導膜の配向性が向上することになる。
【0030】
そのため、超伝導膜層において、高い2軸配向性を得ることができ、高い臨界電流(Ic)と高い臨界電流密度(Jc)の酸化物超伝導体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0031】
以下、図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。ここで説明する実施例は本発明の一例であり、これにより本発明を制限するものではない。
【0032】
本発明に係る、テープ基材と、該テープ基材の上に形成された中間層と、該中間層の上に形成された酸化物超伝導薄膜層とから成る酸化物超伝導体のおける、該テープ基材の被研磨面を研磨する方法は、テープ基材を連続走行させながら、初期研磨及び仕上げ研磨を行い、最終的に、被研磨面に走行方向(通電方向)と平行な研磨溝を形成するように研磨仕上げされるものである。
【0033】
これにより形成された研磨溝は、50本/μm〜5本/μmの範囲にあり、該研磨溝に対して直角方向の表面研磨面の表面粗さ(RMS)が10nm以下にあり、該研磨溝の内面の粗さが1nm以下となるように研磨する工程からなり、この上に形成される中間層の面内配向性Δφが7°以下と成ることを特徴とするものである。
【0034】
初期研磨は、テープ状基材の被研磨面をランダム研磨(回転方式)する少なくとも1段の第1研磨工程から成り、仕上げ研磨はテープ状基材の被研磨面を走行方向研磨する少なくとも1段の第2研磨工程からなるものである。
【0035】
ここで、テープ状金属基材として、耐高温、耐食性に優れた、純Ni、Ni−Cr、Ni−WなどNi基合金、純Cu、Cu−NiなどのCu基合金基板またはFe−Si、ステンレスなどのFe基合金が使用可能である。具体的には、酸化物超伝導膜を形成するために、耐食性及び耐熱性の優れた、ハステロイ(登録商標)、インコネル(INCONEL:登録商標)、Ni−5%W等のNi合金が使用可能である。これらの基材は、圧延技術により、厚さ0.05mm〜0.5mm、幅2mm〜100mm、長さ数百メートルに加工される。
【0036】
このテープ状基材は、その殆どが圧延方向に線状のスクラッチまたは結晶欠陥が形成されている。本発明では、先ず、圧延によって形成された表面のスクラッチ、酸化物層または結晶欠陥を、初期研磨としてのランダムな回転研磨方式で除去し、その後、仕上研磨として、さらにテープ状基材の走行方向(通電する方向)に研磨溝が残るように研磨仕上げする。その後、洗浄及び乾燥した被研磨面の上に中間層膜及び超伝導膜を順に堆積させることにより、臨界電流の高い酸化物超伝導体を形成することができる。
【0037】
初期研磨である第1研磨工程の主たる目的は、圧延処理によって生じたテープ状金属基材の傷、酸化膜、欠陥等を除去することである。第1研磨工程による研磨処理を経たテープ状基材の表面粗さ(RMS)は10nm以下で、5nm以下であることが好ましい。 したがって、表面状態が前記表面粗さ以下の場合は、第1研磨工程を省略することができる。
【0038】
仕上研磨である第2研磨工程は、最終仕上げ工程であり、その目的は、表面粗さとしては比較的粗い面でありながら、テープ状基材表面を走行方向に研磨溝を残すように研磨研磨し、その溝に沿って面内配向性の良い中間層膜を形成するためのテープ状基材表面を形成することである。
【0039】
第2研磨工程による研磨処理を経たテープ状基材の幅方向の表面粗さ(RMS)は10nm以下であり、研磨ライン密度が50本/μm〜5本/μmの範囲に仕上げる。すなわち、溝幅は、約20nm〜200nmの範囲にあり、より好ましくは20nm〜50nm範囲にあり、その溝内の表面粗さが1nm以下に仕上げる。
【0040】
前記溝幅は、中間層膜及び超伝導膜の結晶粒径により選択され、結晶配向性に適した溝幅を形成することができる。なお走行方向の研磨溝は、連続的に形成されなくてもよい。
【0041】
図1は、本発明に係る酸化物超伝導体用テープ状基材を研磨する方法に使用される研磨システムの一例を略示したものである。研磨システム100は主として、送り出し部101a、バックテンション部102、初期研磨である第1研磨処理部103、仕上研磨である第2研磨処理部104、洗浄処理部105、検査部160、ワーク送り駆動部106、及び巻き取り部101bから成る。
【0042】
送り出し部101aの巻き出しリールに巻かれたテープ状金属基材110は、バックテンション部102を通過し、第1研磨処理部103に入る。まず、テープ基材110に対して、第1研磨処理部103で、以下に詳細に説明する第1研磨工程が実行される。続いて、テープ状基材110は第2研磨処理部104に進み、そこで以下に詳細に説明する第2研磨工程が実行される。その後、テープ状基材110は洗浄処理部105に進み、そこで最終清浄工程が実行される。こうして仕上げられたテープ状基材110は、以下で詳細説明する検査部160において、表面粗さRMS及び研磨痕が観測される。その後、テープ状基材110はワーク送り駆動部106を通過し、最終的に巻き取り部101bの巻き取りリールに巻き取られる。
【0043】
研磨工程を実行後に、テープ状基材110を水洗浄(120a、120b、120c)するのが好ましい。そうすることにより、残留砥粒、研磨屑及びスラリー残渣が除去される。
【0044】
以下で詳細に説明するように、テープ状基材の走行は、バックテンション部102とワーク送り駆動部106とにより、所定のテンションを保持した状態で制御される。また、テープ基材の位置ずれを防止するために、以下で詳細に説明する複数の幅規制ガイド(140a、140b、140c)が適当な間隔で配置される。さらに、緩み検出センサー(150a、150b)を巻き出しリールの下流側及び巻き取りリールの上流側に配置することにより、テープ状基材110の緩みを検知し、巻き取りリールの回転速度を制御することができる。
【0045】
一定のテンションが与えられたテープ状金属基材110は第1研磨処理部103において、第1研磨工程にかけられる。図1の研磨システムでは、表裏面を上下にして走行するテープ状金属基材110の下側面111を研磨するように描かれているが、本願はこれに限定するものではなく、反対側であるテープ状基材の上側面を研磨するようにシステムを構成することもできる。
【0046】
第1処理部103は、研磨ヘッド401及び押し圧機構440から成る少なくとも一つの研磨ステーション(103a、103b)、並びに研磨ステーションの下流側に設けられた少なくとも一つの洗浄装置(120a、120b)から成る。
【0047】
図2(A)、(B)、(C)は、それぞれ、研磨ヘッド401の一例の正面図、平面図及び側面図を示したものである。研磨ヘッド401は、研磨テープ410を研磨テーブル413上に送り出すための送り出し機構部と、研磨テーブル413を研磨面に垂直な軸線Xの回りに回転させるための回転機構部と成る。
【0048】
送り出し機構部は、研磨テープ410が巻かれた送り出しリール411と、少なくともひとつの支持ローラと、研磨後の研磨テープを巻き取るための巻き取りリール412と、送り出しリール411と巻き取りリール412に動的に連結した駆動モータ(図示せず)から成る。これらはハウジング414内に収容されている。
【0049】
研磨テープ410として、発泡ウレタン、スエード、又はポリエステルやナイロンからなる、織布、不織布、植毛布、起毛布などが使用可能である。 付加的に、ハウジング414は研磨中にスラリーが外部に飛散するのを防止するためのカバー420に覆われている。モータを駆動することにより、研磨テープ410が送り出しリール411から送り出され、支持リールを介して、研磨テーブル413上を通過し、最後に巻き取りリール412に巻き取られる。
【0050】
研磨テーブル413上には常に未使用の研磨テープ410が送られ、テープ状金属基材110の被研磨面を研磨する。研磨の際には、上記したスラリーを供給するのが好ましい。好適に、スラリーは、研磨砥粒、水及び水に添加剤(例えば、潤滑剤及び砥粒分散剤)を加えたものから成る。研磨砥粒として、これに限られないが、ダイヤモンド(単結晶、多結晶)、シリカ(コロイダルシリカ、ヒュームドシリカ)、アルミナ、SiC及びcBN等を使用することができる。
【0051】
好適には、スラリーの研磨砥粒の平均粒径は、初期研磨である第1研磨工程(ランダム研磨)において、5μm〜0.02μmであり、段数の後方ほど細かい砥粒が使用される。また、仕上研磨である第2研磨工程(走行方向研磨)においては、走行方向の研磨溝(研磨溝)を形成するために溝幅に適した砥粒径が選択される。すなわち、研磨溝の幅及びライン密度(本/μm)によって適当に選択される。好適には、10μm〜0.1μmの範囲にある。なお、各研磨工程において、研磨装置を複数台設け、それぞれ砥粒の粒径を変えることもできる。あるいは、同じ粒径の砥粒で連続研磨することもできる。これにより、被研磨面の要求及び研磨時間の短縮に対応することができる。
【0052】
一方、図2(A)に示すように回転機構部は、上記ハウジング414の下方にあって、研磨テーブル413の上記回転軸Xと同軸に結合されたスピンドル416と、モータ417の回転動力をスピンドル416に伝達するためのベルト415とから成る。さらに、モータ417とハウジング414を支持するための支持台419が設けられる。
【0053】
スピンドル416は支持台419の内部にあって支持台419に関して回転可能に取り付けられている。付加的に、支持台419は2本のレール421に載置されており、研磨ステーションをレール上で移動させるためのハンドル420hが支持台419に結合されている。
【0054】
モータ417を駆動することにより、ベルト415を介して回転動力がスピンドル416に伝達され、ハウジング414が軸線Xの回りに回転する。さらに、研磨ステーションを複数設けることも可能である。この場合、ハウジングの回転方向(すなわち、研磨テープの回転方向)を反対にすることにより、研磨効率を上げることができる。また、1段目研磨と2段目研磨の回転方向を互いに逆にすることにより、研磨面の性状を変えることができる。
【0055】
第1研磨工程の変形として、図2(D)に示されるように、モータ417′が支持台419の内部に収容されてもよい。
【0056】
図2(E)は、研磨ヘッドの他の例を示したものである。図2(E)に示す例では、研磨テープの代わりに研磨パッドが使用される。研磨ヘッド430は、テープ状基材110を研磨する研磨パッド431が貼り付けられたプラテン432、プラテン432を支持するスピンドル433、ベルト436及びモータ434から成る。スピンドル433は支持台435に回転可能に取り付けられており、モータ434は該支持台435の内部に収容されている。モータ434を駆動することにより、ベルト436を介して回転動力がスピンドル433に伝達され、研磨パッド431が回転してテープ状基材110を研磨する。研磨の際には、上記したスラリーを研磨パッド431の略中心部に供給するのが好ましい。
【0057】
次に、押し圧機構440について説明する。図3(A)及び(B)は、それぞれ本発明に係る研磨システムで使用される押し圧機構440の正面図及び側面図を示す。押し圧機構440は、エアーシリンダ441、加圧板443、テープ状基材の走行方向に沿って加圧板443の中心線上に設けられた押え板445から成る。押え板445の下面にはテープ状基材110の幅に対する案内溝446が設けられ、研磨処理中におけるテープ状基材110の位置ずれの発生が防止される。押え板445は、テープ状金属基材110のサイズ(幅、厚み)に応じて、適宜交換可能である。
【0058】
付加的に、押し圧機構440の側面には位置調整ハンドル442が結合されており、テープ状金属基材110の幅の中心と押し圧機構440の中心が一致するように調整される。そうすることにより、エアーシリンダ441からの圧力が加圧板443及び押え板445を介して、テープ状基材110に伝達される。さらに、加圧板443の上部には調整ネジ444が設けられている。研磨処理前に、該調整ネジ444により、加圧板443と研磨テープ413との平行度が調整される。加圧機構は、これに限定されるものではなく、他の圧力機構が使用されてもよい。
【0059】
図4(A)及び(B)は、それぞれ本発明に係るテープ基材の第2研磨工程で使用される研磨ヘッド610の好適実施例の正面図及び側面図である。研磨ヘッド610は、例えば、ステンレス製の円筒ドラムベースに樹脂製シート602を巻き付けた円筒ドラム601、円筒ドラム601を回転させるための駆動モータ603、駆動輪等の駆動機構(図示せず)とを備えて成るものである。
【0060】
樹脂製シート602として、発泡ポリウレタン、織布、不織布、植毛布などが使用される。円筒ドラム601は、ハウジング606内に収容されている。付加的に、円筒ドラム601をテープ状基材110の走行方向に対して直角方向にオッシレーション動作をさせるためのモータ605を含むことができる。このオッシレーション動作により、テープ状金属基材110が円筒ドラム601の同一箇所で研磨されることが防止される。
【0061】
一方、二段目研磨(最終仕上げ)の場合は、一方向のみの研磨溝を形成するためにオッシレーション動作をせずに研磨することができる。研磨の際は、上記したスラリーを樹脂製シート602の上に供給するのが好ましい。
【0062】
図5(A)及び(B)は、それぞれ本発明に係るテープ基材の第2研磨工程で使用される研磨ヘッド620の他の実施例の正面図及び側面図である。研磨ヘッド620は、研磨ベルト621をテープ状基材110に押し付けるためのコンタクトローラ622、ケンマヘッド駆動手段623、支持ローラ625、研磨ベルト駆動手段623に結合する駆動モータ624から成る。
【0063】
コンタクトローラ622、支持ローラ625及び研磨ベルト駆動手段623は、ハウジング628内に収容されている。研磨ベルト621として、合成繊維製の織布もしくは不織布または発泡体から成るテープが使用される。
【0064】
駆動モータ624を作動させると、ベルト駆動手段623により研磨ベルト621がコンタクトローラ622及び支持ローラ625を介して走行し、テープ状基材110の被研磨面を研磨する。研磨の際には、上記したスラリーを研磨ベルト621上に供給するのが好ましい。
【0065】
付加的に、コンタクトローラ622をテープ状基材110の走行方向に対して直角方向にオッシレーション動作をするためのモータ626を含むことができる。このオッシレーション動作により、テープ状金属基材110が研磨ベルト621の同一箇所で研磨されることが防止される。
【0066】
なお、通常の最終研磨では、的確に研磨溝を形成させるためにオッシレーションを行わない方が好ましい。
【0067】
上記研磨ヘッド610及び620の特徴は、円筒ドラム601あるいは研磨ベルト621の研磨面がテープ状基材110の走行方向またはその逆方向に回転する点にある。研磨ヘッド610または620は、図3で説明した加圧機構440とともに研磨ステーションを構成する。第2研磨工程において、複数段の研磨ステーションを直列に配置することが可能である。この場合には、各研磨ステーションの下流に上記した洗浄装置を配置するのが好ましい。
【0068】
上記した第2研磨処理部104において、テープ状金属基材110は、第2研磨工程にかけられる。図1に示す研磨システムの例において、第2研磨工程は、2段階の走行方向の研磨方式で実行される。研磨に際して、研磨粒子、水及び水に添加剤(例えば、潤滑剤及び砥粒分散剤)を加えたものから成るスラリーを使用するのが好ましい。砥粒として、これに限定されないが、SiO2、Al2O3、ダイヤモンド、cBN,SiC、コロイダルシリカなどが使用できる。好ましくは、走行方向の溝内が平滑になるように、球状の多結晶ダイヤモンドが適している。使用する砥粒の平均粒径は0.05μm〜10μm、好ましくは0.1μm〜5μmである。
【0069】
上記研磨システムは、研磨条件に応じた装置の組み換えによって、適当な研磨プログラムを組むことができる。例えば、各研磨工程を複数段設ける場合には、格段の研磨条件(例えば、研磨ヘッドの回転速度、スラリーの砥粒粒径など)を適宜調節することも可能である。
【0070】
上記したように、本発明に係る酸化物超伝導体用テープ状基材の研磨方法に従う第1の研磨工程は、第2の研磨工程を行うための準備工程であり、表面粗さRMSが10nm以下、好ましくは5nm以下になるようにテープ状基材の被研磨面を研磨する工程からなる。
【0071】
また、上記したように、本発明に係る酸化物超伝導体用テープ状基材の研磨方法に従う第2研磨工程は、テープ状基材の走行方向(通電方向)に研磨溝を形成する研磨を行い、その被研磨面の表面粗さRMSが10nm以下であり、前記研磨溝(研磨溝)が50本/μm〜5本/μmの範囲となるよう研磨する。
【0072】
好適には、第1研磨工程は、通常のランダム研磨であり、第2研磨工程の最終仕上げは、テープ状基材の走行方向に沿った研磨溝が被研磨面に形成されるように研磨する。
【0073】
こうして得られたテープ状基材の表面に中間層を形成する。IBAD(Ion beam Assisted Deposition)法、あるいはISD(Inclined Substrate Deposition)法により、MgO、CeO2、SrTiO3、及びY2O3で安定化したジルコニア(YSZ)膜等が、面内二軸配向性を有する中間層として蒸着される。中間層の上に酸化物超伝導体膜が蒸着される。かくして、テープ状基材及び中間層が酸化物超伝導体膜の基材と成る。本発明により、結晶配向性に優れた中間層膜を形成することが可能となり、結果として、臨界電流の高い超伝導薄膜を形成することができる。
【実施例】
【0074】
以下、本発明に従い、さまざまな研究条件でテープ状基材を研磨し、その上に蒸着した中間層の配向性を調べる実験を行ったので説明する。
【0075】
研磨装置は、図1に示した連続研磨システムを使用した。各研磨工程で研磨処理は、研磨プログラムに従い、単一または複数段研磨とした。複数段研磨の場合、スラリーの砥粒が粗いものから細かいもの、及び、ランダム研磨、走行方向(電流通電方向)研磨を適宜変更して行った。
【0076】
テープ状金属基材としては、ハステロイC−276(例えば、58%Ni−17%Mo−15%Cr−5%Fe−4%W)を使用した。これらの基材は、圧延技術により、厚さ0.1mm、幅10mm、長さ数百メートルに加工されたものである。図6は、研磨前のテープ状基材表面のコンピュータ画像写真(AFM)である。研磨前の基材の平均表面粗さRaは、20〜50nmであった。最大表面粗さRmaxは200〜500nmで、急峻な突起は圧延によって生じた圧延痕である。
【0077】
配向性中間層として、IBAD−MgO(Ion Beam Assisted Deposition)で10〜20nmのMgO膜を形成し、次にEpi−MgO(Epitaxial Deposition)を約200nm形成した。
【0078】
面内配向度(Δφ)及び垂直配向度(Δω)の測定は、X線極図形測定により求めた半値幅(FWMH)を評価することによって行った。
【0079】
実験は、本発明に係る実施例と、この実施例と比較するための比較例とからなるものである。
1.比較例1
研磨プログラム:第1研磨工程(図1の103)のみで、同一方式の研磨機を2台直列(図1の103a+103b)に配置し、2段のランダム研磨を実行した。スラリーは、平均粒径D50が5μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。添加物は、グリコール化合物、グリセリン、脂肪酸を添加した30wt%の水溶液を使用、pH8に調整した。研磨ヘッドに植毛布テープ(線径1.0デニールdn)を送りながら回転させ、押し圧パッドの間にテープ状基材を通して、研磨スラリーを供給しながら以下の条件で研磨した。
【0080】
ヘッドの回転数:400rpm
加圧力:8kg
スラリー重量:10ml/min
テープ基材送り速度:5m/hr
装置103aと103bは同一条件で研磨した。
【0081】
2.比較例2
研磨プログラム:第1研磨工程(図1の103)のみで、同一方式の研磨機を2台直列(図1の103a+103b)に配置し、2段のランダム研磨を実行した。スラリーは、平均粒径D50が3μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。他の条件は、比較例1と同じである。
【0082】
3.比較例3
研磨プログラム:第1研磨工程(図1の103)のみで、同一方式の研磨機を2台直列(図1の103a+103b)に配置し、2段のランダム研磨を実行した。スラリーは、平均粒径D50が1μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。他の条件は、比較例1と同じである。
【0083】
4.比較例4
研磨プログラム:第1研磨工程(図1の103)のみで、同一方式の研磨機を4台直列(図1の103a+103b+103c+103d)の配置し、4段の研磨を実行した。先ず、研磨機103a+103bと、スラリーは、平均粒径D50が1μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。次いで、研磨機103cと平均粒径D50が0.5μmの多結晶ダイヤモンドを使用し、次に研磨機103dと平均粒径0.03μのコロイダルシリカを使用した。
なお。圧力は、1段目と3段目を8kg、2段目と4段目をは5kgとした。
【0084】
5.比較例5
研磨プログラム:第1研磨工程(図1の103)のみで、同一方式の研磨機を4台直列(図1の103a+103b+103c+103d)の配置し、4段の研磨を実行した。先ず、研磨機103aで1段目の研磨は、平均粒径D50が1μmの多結晶ダイヤモンドを使用したスラリーで行った。次いで、研磨機103b+103cで2段目、3段目の研磨は、平均粒径D50が0.5μmの多結晶ダイヤモンドを使用したスラリーで行った。次に研磨機103dと平均粒径0.03μのコロイダルシリカを使用した。なお、圧力は、1段目と2段目を8kg、3段目と4段目を5kgとした。
【0085】
比較例の加工条件をまとめて以下の表1に示す。
【表1】
1.実施例1
(1)前処理研磨:
第1研磨工程(図1の103)は、研磨ヘッドに植毛布テープを送りながら回転させ、押し圧パッドの間にテープ状基材を通して、研磨スラリーを供給しながら、以下の研磨条件で2段のランダム研磨(図1の103a+103b)を実行した。1段目、2段目のスラリーは、それぞれ平均粒径D50が1μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。添加材は、グリコール化合物、グリセリン、脂肪酸を添加した30wt%水溶液を使用し、pH8に調整した。ダイヤモンド砥粒の濃度は約0.3%であった。
【0086】
<1段目>
研磨ヘッドの回転数:400rpm(時計方向)
スラリー流量:10ml/min
圧力:8kg
テープ基材送り速度:5m/hr
<2段目>
研磨ヘッドの回転数:300rpm(反時計方向)
スラリー流量:10ml/min
圧力:5kg
テープ基材送り速度:5m/hr
上記研磨処理したテープ基材の表面粗さRMSは、3〜4nmであった。
【0087】
(2)研磨プログラム:
1) 第1研磨工程(図1の103)は、研磨ヘッドに植毛布テープを送りながら回転させ、押し圧パッドの間にテープ状基材を通して、研磨スラリーを供給しながら、以下の研磨条件で2段のランダム研磨(図1の103a+103b)を実行した。一段目のスラリーは平均粒径D50が0.125μmの多結晶ダイヤモンドを使用した添加材はグリコール化合物、グリセリン、脂肪酸を添加した30wt%水溶液を使用し、pH8に調整した。ダイヤモンド砥粒の濃度は約0.3%であった。
【0088】
2段目のスラリーは、平均粒径D50が0.03μmのコロイダルシリカ使用した。添加剤は、花王株式会社製デモールEPに、蓚酸アンモニウム、蓚酸カリウム、グリセリンを添加した水溶液を使用、pH9に調整した。
【0089】
<1段目>
研磨ヘッドの回転数:400rpm(時計方向)
スラリー流量:10ml/min
圧力:8kg
テープ基材送り速度:5m/hr
<2段目>
研磨ヘッドの回転数:300rpm(反時計方向)
スラリー流量:10ml/min
圧力:5kg
テープ基材送り速度:5m/hr
【0090】
2) 第2研磨工程(図1の104)は、研磨ヘッドにポリエステル繊維からなる不織布テープ(線径:0.5デニール)を巻きつけたドラムを回転させ、押し圧パッドの間にテープ状基材を通して、研磨スラリーを供給しながら、以下の研磨条件で2段の走行方向研磨(図1の104a+104b)を実行した。一段目、2段目のスラリーは、それぞれ平均粒径D50が10μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。添加材は、グリコール化合物、グリセリン、脂肪酸を添加した30wt%水溶液を使用し、pH8に調整した。ダイヤモンド砥粒の濃度は約0.3%であった。
【0091】
<1段目、2段目>
研磨ヘッドの回転数:250rpm
スラリー流量:10ml/min
圧力:10kg
テープ基材送り速度:5m/hr
なお、実施例に用いた植毛布テープ(線径1.0デニール)及び不織布テープ(線径0.5デニール)のSEM写真を、それぞれ図18及び図19に示す。
なお、上記に使用した植毛布テープ(線径:1.0デニール)及び不織布テープ(線径:0.5デニール)の表面のSEM写真を、それぞれ図18および図19に示す。
【0092】
2. 実施例2
前処理研磨は、実施例1と同じ研磨条件で行った。
研磨プログラム:
(1) 第1研磨工程(図1の103)は、実施例1と同じ条件で実行した。
(2) 第2研磨工程(図1の104)は、同一方式の研磨機を2台直列に配置した2段の走行方向研磨(図1の104a+104b)スラリーは平均粒径D50が5μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。その他の研磨条件は、実施例1と同じである。
【0093】
3. 実施例3
前処理研磨は、実施例1と同じ研磨条件で行った。
研磨プログラム:
(1) 第1研磨工程(図1の103)は、実施例1と同じ条件で実行した。
(2) 第2研磨工程(図1の104)は、同一方式の研磨機を2台直列に配置した2段の走行方向研磨(図1の104a+104b)スラリーは平均粒径D50が3μmの多結晶ダイヤモンドを使用し、加圧力を5kgとした。その他の研磨条件は、実施例1と同じである。
【0094】
4. 実施例4
前処理研磨は、実施例1と同じ研磨条件で行った。
研磨プログラム:
(1) 第1研磨工程(図1の103)は、実施例1と同じ条件で実行した。
(2) 第2研磨工程(図1の104)は、同一方式の研磨機を2台直列に配置した2段の走行方向研磨(図1の104a+104b)スラリーは平均粒径D50が0.25μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。その他の研磨条件は、実施例3と同じである。
【0095】
5. 実施例5
前処理研磨は、実施例1と同じ研磨条件で行った。
研磨プログラム:
(1) 第1研磨工程(図1の103)は、実施例1と同じ条件で実行した。
(2) 第2研磨工程(図1の104)は、同一方式の研磨機を2台直列に配置した2段の走行方向研磨(図1の104a+104b)スラリーは平均粒径D50が0.125μmの多結晶ダイヤモンドを使用した。その他の研磨条件は、実施例3と同じである。
【0096】
実施例の加工条件を以下の表2にまとめて示す。
【表2】
【0097】
<評価>
テープ状基材を研磨した後の、被研磨面の表面粗さRMS(Root mean Square)「平均線から測定曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根」、及び研磨面に中間層膜を形成した後の、中間層の面内配向性及び垂直配向性について評価した。研磨後のテープ状基材の表面の表面粗さRMSは、走査型プローブ顕微鏡 (ナノスコープ Dimention 3100シリーズ、デジタルインスツルメント社)を使用して計測した。
【0098】
図6〜図16は、テープ状基材表面の任意の10μm×10μmの範囲を走査したものを三次元画像化したコンピュータ画像写真(AFM)を示す。図6は、研磨前のテープ基材表面を示す。図7〜図11は、それぞれ比較例1〜比較例5の研磨後のテープj状基材の表面状態を示す。図12〜図16は、それぞれ実施例1〜実施例5の研磨後のテープ状基材の表面状態を示す。
【0099】
表3は、比較試験結果を示したものである。図17は、比較試験結果のΔφ及びΔωをグラフで示したものである。
【表3】
【0100】
表3及び図17に示すように、テープ状基材の被研磨面を走行方向に研磨し、その表面粗さMRSが10nm以下で、研磨溝のライン密度が50本/μmの範囲にすると、中間層膜(MgO)の面内配向性(Δφ)が表面粗さの広い範囲で低い値(7°以下)が得られ、また、垂直配向性(Δω)も低い値となり、極めて優れた配向性を示すことがわかった。
【0101】
また、本発明の実施例において、ランダム研磨の比較例と比較して、垂直配向性(Δω)の値が同等にも係わらず、面内配向性Δφの値が大幅に低くできることがわたった。このことから、Δφの値は、表面粗さよりも走行方向の研磨溝(研磨溝)によって改善されることがわかった。
【0102】
さらに、本発明に係る研磨方法によれば、中間層の厚さが1μm以下(実施例では0.22μm)でランダム研磨に比較して極めて優れた配向性を示すことがわかった。
【0103】
したがって、研磨による結晶配向性に与えるマージンが広く量産性に適した加工方法であるため、多方面での応用が期待できる。
【0104】
本発明は、上記の特定の実施例に関して説明されたが、これらの実施例は例示に過ぎず、本願発明を限定するものではない。例えば、ランダム研磨装置の段数、研磨テープまたはパッドの材質、研磨ヘッドの回転数、圧力の大きさ、スラリーの種類、砥粒及び流量、テープ基材の送り速度など適宜変更可能である。これらの変更は、すべて本願発明の思想及び態様の範囲に包括されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【0105】
【図1】本発明に係るテープ状基材の研磨方法を実行する研磨システムの一例を示したものである。
【図2】(A)、(B)、(C)は、それぞれ本発明に係るテープ状基材の研磨方法を実行する研磨システムで使用されるランダム研磨における研磨ヘッドの正面図、平面図、側面図を示し、(D)は、研磨ヘッドの変形例を示し、(E)は研磨ヘッドを使用した他の変形例である。
【図3】(A)及び(B)は、本発明に係るテープ状基材の研磨方法を実行する研磨システムで使用される押し圧機構の正面図及び側面図を示す。
【図4】(A)及び(B)は、それぞれ本発明に係るテープ状基材の研磨方法を実行する研磨システムの走行方向研磨で使用される研磨ヘッドの正面図及び側面図を示す。
【図5】(A)及び(B)は、それぞれ本発明に係るテープ状基材の研磨方法を実行する研磨システムの走行方向研磨で使用される研磨ヘッドの他の例の正面図及び側面図を示す。
【図6】研磨前のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図7】比較例1の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図8】比較例2の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図9】比較例3の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図10】比較例4の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図11】比較例5の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図12】実施例1の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図13】実施例2の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図14】実施例3の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図15】実施例4の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図16】実施例5の研磨後のテープ状基材表面のコンピュータ画像(AFM)の図である。
【図17】比較評価結果のΔφ及びΔωを示すグラフ図である。
【図18】本発明の実施例の研磨布として使用した植毛布及び不織布の表面SEM像である。
【図19】同じく本発明の実施例の研磨布として使用した植毛布及び不織布の表面SEM像である。
【符号の説明】
【0106】
100 研磨システム
101 送り出し部
102 バックテンション部
103 第1研磨処理部
104 第2研磨処理部
105 洗浄処理部
106 ワーク送り駆動部
110 金属基材
160 検査部
【特許請求の範囲】
【請求項1】
テープ状基材と、前記テープ上基材の上に形成された中間層と、前記中間層の上に形成された酸化物超伝導膜層とから成る酸化物超伝導体における、前記テープ状基材の前記中間層が形成される面である被研磨面を研磨するテープ状基材の研磨方法であって、
前記テープ状基材を連続に走行させながら、前記被研磨面を研磨する研磨工程を備え、前記研磨工程は、初期研磨と、前記初期研磨の後に行う仕上研磨とを含んで成り、前記研磨工程終了後の前記被研磨面には走行方向と平行な研磨溝が形成されてなること、を特徴とするテープ状基材の研磨方法。
【請求項2】
前記初期研磨は、前記被研磨面を5nm以下の表面粗さに仕上げるランダム研磨を行うものであり、前記仕上研磨は、被研磨面に走行方向に沿った研磨溝を形成する研磨を行うものであることを特徴とする請求項1に記載のテープ状基材の研磨方法。
【請求項3】
前記仕上研磨は、前記被研磨面を、前記テープ状基材の走行方向と直交する幅方向の表面粗さを10nm以下に仕上げることを特徴とする請求項1または2に記載のテープ状基材の研磨方法。
【請求項4】
前記仕上研磨は、前記研磨溝における溝のライン密度が50本/μm〜5本/μmの範囲に仕上げることを特徴とする請求項1ないし3の何れか一項に記載のテープ状基材の研磨方法。
【請求項5】
前記仕上研磨は、前記研磨溝の溝幅が、20nm〜200nmの範囲に、好ましくは20nm〜50nmの範囲に仕上ることを特徴とする請求項1ないし4の何れか一項に記載のテープ状基材の研磨方法。
【請求項6】
前記仕上研磨は、前記研磨溝の溝内の表面粗さが、1nm以下に仕上げることを特徴とする請求項1ないし5の何れか一項に記載のテープ状基材の研磨方法。
【請求項7】
前記仕上研磨が、多結晶ダイヤモンドを含むスラリーと、植毛布、起毛布、織布及び不織布のうちから選択される材質の研磨テープまたは研磨パッドと、を用いて行われることを特徴とする請求項1ないし6の何れか一項に記載のテープ状基材の研磨方法。
【請求項8】
酸化物超伝導体用ベース基材であって、
請求項1ないし7の何れか一項によって研磨されたテープ状基材と、
前記テープ状基材の被研磨面上に形成された中間層と、を備えてなり、
前記中間層の面内配向性が7°以下となることを特徴とする酸化物超伝導体用ベース基材。
【請求項9】
前記テープ状基材は、ニッケル、ニッケル合金及びステンレスの何れかより選択される材料を圧延加工して製造されるものであることを特徴とする請求項8に記載の酸化物超伝導体用ベース基材。
【請求項1】
テープ状基材と、前記テープ上基材の上に形成された中間層と、前記中間層の上に形成された酸化物超伝導膜層とから成る酸化物超伝導体における、前記テープ状基材の前記中間層が形成される面である被研磨面を研磨するテープ状基材の研磨方法であって、
前記テープ状基材を連続に走行させながら、前記被研磨面を研磨する研磨工程を備え、前記研磨工程は、初期研磨と、前記初期研磨の後に行う仕上研磨とを含んで成り、前記研磨工程終了後の前記被研磨面には走行方向と平行な研磨溝が形成されてなること、を特徴とするテープ状基材の研磨方法。
【請求項2】
前記初期研磨は、前記被研磨面を5nm以下の表面粗さに仕上げるランダム研磨を行うものであり、前記仕上研磨は、被研磨面に走行方向に沿った研磨溝を形成する研磨を行うものであることを特徴とする請求項1に記載のテープ状基材の研磨方法。
【請求項3】
前記仕上研磨は、前記被研磨面を、前記テープ状基材の走行方向と直交する幅方向の表面粗さを10nm以下に仕上げることを特徴とする請求項1または2に記載のテープ状基材の研磨方法。
【請求項4】
前記仕上研磨は、前記研磨溝における溝のライン密度が50本/μm〜5本/μmの範囲に仕上げることを特徴とする請求項1ないし3の何れか一項に記載のテープ状基材の研磨方法。
【請求項5】
前記仕上研磨は、前記研磨溝の溝幅が、20nm〜200nmの範囲に、好ましくは20nm〜50nmの範囲に仕上ることを特徴とする請求項1ないし4の何れか一項に記載のテープ状基材の研磨方法。
【請求項6】
前記仕上研磨は、前記研磨溝の溝内の表面粗さが、1nm以下に仕上げることを特徴とする請求項1ないし5の何れか一項に記載のテープ状基材の研磨方法。
【請求項7】
前記仕上研磨が、多結晶ダイヤモンドを含むスラリーと、植毛布、起毛布、織布及び不織布のうちから選択される材質の研磨テープまたは研磨パッドと、を用いて行われることを特徴とする請求項1ないし6の何れか一項に記載のテープ状基材の研磨方法。
【請求項8】
酸化物超伝導体用ベース基材であって、
請求項1ないし7の何れか一項によって研磨されたテープ状基材と、
前記テープ状基材の被研磨面上に形成された中間層と、を備えてなり、
前記中間層の面内配向性が7°以下となることを特徴とする酸化物超伝導体用ベース基材。
【請求項9】
前記テープ状基材は、ニッケル、ニッケル合金及びステンレスの何れかより選択される材料を圧延加工して製造されるものであることを特徴とする請求項8に記載の酸化物超伝導体用ベース基材。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図17】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図18】
【図19】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図17】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図18】
【図19】
【公開番号】特開2009−50945(P2009−50945A)
【公開日】平成21年3月12日(2009.3.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−219072(P2007−219072)
【出願日】平成19年8月24日(2007.8.24)
【出願人】(390037165)日本ミクロコーティング株式会社 (79)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年3月12日(2009.3.12)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年8月24日(2007.8.24)
【出願人】(390037165)日本ミクロコーティング株式会社 (79)
【Fターム(参考)】
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