厚膜テープのためのイオンビームアシスト高温超伝導体（ＨＴＳ）堆積
コーティングされるべき基板(１１６)上に照射するイオン源(１３２)或いは(２１８)が、ＭＯＣＶＤ、ＰＶＤ或いは超伝導体素材の調整のためのその他の処理を強化するのに用いられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚膜高温超伝導体(ＨＴＳ)をコーティングされた、増大された電流性能を持つワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
過去３０年において、米国の電力量は最終エネルギー消費の２５％から４０％に上昇した。この上昇を考慮すると、電力需要は、次第に信頼性の高い、上質な電力の危機的な要求となる。電力需要は成長を続けるにつれ、特に旧都市部の電力システムは性能の限界へと圧迫され、新しい解決法を要求されている。
【０００３】
ワイヤは、変圧器、送電及び配電システム、モータを含む世界の電力システムの基本構成要素を形成する。１９８６年の革命的なＨＴＳ合成物の発見は、電力産業の全く新しいタイプのワイヤの発展に導き、この発見は、１世紀以上における、ワイヤ技術の最も基本的な進歩である。
【０００４】
ＨＴＳをコートされたワイヤは、同じ物理的規模の従来の銅伝導体及びアルミニウム導線の１００倍以上の電流を運ぶ、クラスにおける最高の性能を提供する。ＨＴＳをコートされたワイヤの優れた電力密度は、新しい世代の電力産業技術を可能にする。それは、重大な寸法、重量、効率の利益を提供する。ＨＴＳ技術は、種々の方法で、コストを下げ、電力システムの容量と信頼性を増加する。例えば、ＨＴＳをコートされたワイヤは、既存の通行路を通って２〜５倍以上の電力を送電することができる。この新しいケーブルは、その環境的足跡を削減すると同時に、電力網の性能を改良する強力なツールを提供する。しかしながら、今日まで、次世代ＨＴＳコートワイヤの製造で用いられる前記ＨＴＳテープの短いサンプルのみが、高性能レベルで製造されている。ＨＴＳ技術が、発電および配電産業での使用に向け、商業的に成長するために、ＨＴＳテープの連続的な、高スループットの製造のための技術を開発する必要がある。
【０００５】
気相堆積は、超伝導材料の蒸気がテープ基板上に堆積されるＨＴＳテープを製造し、これにより、前記テープ基板上にＨＴＳコーティングを形成するプロセスである。ＨＴＳテープの高スループットの、コスト効率のよい製造を期待させる公知の気相堆積プロセスは、有機金属化学気相成長法(ＭＯＣＶＤ)およびパルスレーザー堆積法(ＰＬＤ)を含む。ＭＯＣＶＤ或いはＰＬＤプロセスの使用に関して、酸化イットリウムバリウム銅(ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7或いは“ＹＢＣＯ”)フィルムなどのＨＴＳフィルムは、過熱された緩衝金属基板上に堆積し、ＨＴＳコーティングされた導体を形成する。しかしながら、今日まで、短い長さのコートされた導線サンプルのみが、いずれかの上記プロセスを用いて、高性能レベルで組み立てられている。長い(即ち、数キロメートル)ＨＴＳをコートされた導体のコスト効果のよい製造を可能にするために、いくつかの試みを克服しなければならない。
【０００６】
コートされた導体を特徴付ける一つの方法は、メートルごとのコストによる。さらに、コスト及び性能はキロアンペア・メーターごとのコストとして特徴付けられる。さらに詳細には、コーティングされた導体のメータあたりのコストの電流を増大することによって、前記キロアンペアメーターごとのコストが低減される。これは、前記膜の断面積によって増加した堆積ＨＴＳ材料の臨界電流(Ｊｃ)として述べられる。
【０００７】
コートされた導体の規定の臨界電流および幅について、断面積を増加する一つの方法は、前記ＨＴＳ膜の厚さを増やすことによる。しかしながら、厚さの関数としての臨界電流に関して、ＨＴＳ膜の単一層の厚さがおおよそ１．５ミクロンを越えて増大したとき、前記臨界電流は少なくなり、飽和状態に達することが、実証されている。これは、およそ１．５ミクロンの膜厚を越えると、前記ＨＴＳ素材が多孔質となり、空洞をつくり、増大された表面粗度を進め、それら全てが電流の流れを抑制することになるからである。前記ＨＴＳ膜厚を単純に増やすことは、臨界電流での対応する増加を生じないので、技術的な試みは、１．５ミクロンを超える前記膜厚を増やすことに、また、コスト効果のよい方法で、ＨＴＳをコートされた導体の臨界電流における対応する増加に到達することにある。
【０００８】
上質のＹＢＣＯ厚膜に到達する一つのアプローチは、前記厚さが１．５ミクロンを越えたとき、物質の密度および滑らかさを増加するなどによって、前記膜のモホロジーを改善し、これにより、増加した電流容量を生じることである。２０００年１１月７日付の“Method for Producing Super-conducting Thick Film”というタイトルのTatekawaら(US 6,143,697)は、基板上に超伝導体材料を備える厚層を形成し、前記基板に形成された厚層に火を通し、火を通した厚層を冷間静水圧プレスにかけ、冷間静水圧プレスにかけた前記厚層に再度火を通す、ステップを含む超伝導体厚膜の製造方法を開示している。
【０００９】
Tatekawaの欠点は、超伝導体酸化厚層を形成する適切な方法ではあるが、前記膜のモホロジーを改善し、高多孔質、ボイド、及び表面の粗度などの前記膜の欠点を最小化し、これにより、増加した臨界電流を持つ厚いＨＴＳ膜を提供するコスト効率のよい方法を提供しないことである。従って、Tatekawaは、高電流ＨＴＳコート導体のコスト効率のよい製造に適していない。
【００１０】
従って、本発明の目的は、１．５ミクロン以上の厚さで、かつ大電流ＨＴＳコーティングのテープの製造に用いる電流容量を増やす、ＹＢＣＯ膜を製造することである。
【特許文献１】米国特許第５，４３２，１５１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２１４，７７２号明細書
【特許文献３】米国特許第６，１９０，７５２号明細書
【特許文献４】米国特許第６，２３８，５３７号明細書
【発明の開示】
【００１１】
本発明は、１．５ミクロン以上の厚さで、大電流ＨＴＳコーティングのテープの製造に用いる電流容量を増加するＹＢＣＯ膜を製造するイオンアシストのＨＴＳ厚膜連続堆積プロセスである。本発明の前記イオンアシストＨＴＳ厚膜堆積プロセスは、ＭＯＣＶＤ、ＰＬＤ或いはスパッタリングプロセスなどの公知の堆積プロセス内の前記堆積ゾーンに衝撃を与えるイオン源を含む。
【００１２】
このイオン源は、上記１．５ミクロンの膜厚の膜モホロジーを改善する前記堆積プロセスに、付加的なエネルギーを提供する。この改善された膜モホロジーは、例えば、物質密度の増加、表面粗度の改善、及び多孔質の削減を生じる。よって、前記ＹＢＣＯ膜は、本発明の前記堆積プロセスの間に１．５ミクロンを越える厚さに成長し、膜欠点を最小化し、その結果として生まれるＹＢＣＯ厚膜の電流密度における増大を生じる。
【００１３】
イオンビームアシストの電子ビーム蒸着は、例えば、高エネルギーイオンが成長する膜に焦点を当て、よって非常に密度の高い、滑らかな、均一の光学構造を形成する光学応用において公知である。しかしながら、今日までこの技術は、同様の成長増大を達成すべくＨＴＳ堆積プロセスに適用されるということはなかった。
【００１４】
本発明の新たな側面は、本発明のシステム内で起こる従来のコーティング処理を強化するため、少なくとも２つの区域のコーティング堆積プロセスのうち少なくとも最後の区域にイオン源を含むことである。
【００１５】
本発明のプロセスは、１．５ミクロン以上の全体コーティング厚さおよび２００Ａ／ｃｍ以上の臨界電流密度を持つ高電流密度のＨＴＳテープを製造することができる。好ましい実施形態において、該プロセスは、１．５ミクロン以上の全体コーティング厚さおよび３００Ａ／ｃｍの臨界電流密度を持つテープを製造し、また、最も好ましい実施形態においては、該プロセスは、１．５ミクロン以上の全体コーティング厚さおよび４００Ａ／ｃｍの臨界電流密度を持つテープを製造する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図の目的として、はじめに、図１に記述されているＭＯＣＶＤプロセスに関して、次に、図２に記述されているＰＬＤプロセスに関して、本発明の前記イオンアシストＨＴＳ厚膜堆積プロセスが、開示されている。しかしながら、本発明の前記イオンアシストＨＴＳ厚膜堆積プロセスは、ＭＯＣＶＤおよびＰＬＤプロセスのみに限定されない。例えば、本発明のイオンアシストＨＴＳ厚膜堆積プロセスは、蒸発およびスパッタリング過程に適用されてもよい。
【００１７】
本発明の第１の実施形態として、図１は、本発明に従って、増加した電流の性能と共にＨＴＳ厚膜を堆積することによって、高電流ＨＴＳコーティングテープを製造するイオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００を図示している。本発明の前記イオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００は、例えば１．６Ｔｏｒｒの圧力で維持される冷壁反応炉のようなＭＯＣＶＤプロセスが起こる真空包装の堆積チャンバーである一般的なＭＯＣＶＤ反応炉１１０を含む。
【００１８】
前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０は、基板ヒータ１１４に近接近して配置されるシャワーヘッド１１２を内蔵する。基板テープ１１６は、前記シャワーヘッド１１２の長さに沿って、つまり、前記基板テープ１１６が前記前駆体蒸気に触れる場所に形成される堆積ゾーン１１８内で、前記シャワーヘッド１１２と前記基板ヒータ１１４との間に置かれ、移動する。さらに、前記堆積ゾーン１１８内に複数の区域、例えば、図１に示すようなゾーンＡ及びゾーンＢが作られる。
【００１９】
前記基板テープ１１６は、その上にイットリウムの安定したジルコニア(ＹＳＺ)及び／又は酸化セリウム(ＣｅＯ2)などのバッファ層が予め堆積された、ステンレス鋼や、或いはインコネルなどのニッケル合金など、種々の素材から形成されたフレキシブルな長さの基板である。前記基板テープ１１６は、９５０℃までの温度に耐えられることができ、望ましい完成品及びシステムの限定に合うよう変形してもよい大きさを持つ。例えば、前記基板テープ１１６は、厚さ２５μ、幅１ｃｍ、長さ１００ｍの大きさを持つ。
【００２０】
前記シャワーヘッド１１２は、前記基板テープ１１６上に前駆体蒸気を均一に分配する装置である。前記基板テープ１１６に向けられた前記シャワーヘッド１１２の表面は、前記前駆体蒸気が前記基板テープ１１６に向かって通り抜ける、その区域全体に均等に分散された複数の微細な穴を含む。前記シャワーヘッド１１２の長さ及び前記シャワーヘッド１１２に送り込まれる前駆体蒸気の特定の組成は、応用に応じてユーザにより定義されるようにしてもよい。
【００２１】
前記堆積プロセスの間、前記基板テープ１１６の温度は前記基板ヒータ１１４を介して制御される。前記基板ヒータ１１４は、一般に７００から９５０℃の範囲の熱を、ランプなどの放射加熱要素を介して前記基板テープ１１６に提供する、公知の単数あるいは複数区域の基板ヒータである。また、前記基板ヒータ１１４は、Ｋａｎｔｈａｌ或いはＭｏＳｉ2などの加熱要素を持つ抵抗ヒータである。
【００２２】
前記イオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００はさらに、コートする前駆体を分配するシステムを含む。典型的な前駆体分配システムは、テトラハイドロフランおよびイソプロパノールなどの適当な溶剤の混合と共に、イットリウム(Ｙ)、バリウム(Ｂａ)、及び銅(Ｃｕ)のテトラメチルヘプタンニ(ＴＨＤ)合成物などの有機金属の前駆体を含んだ溶剤を含む液体前駆体源(図示せず)を供給されるポンプ１２０を含む。前記ポンプ１２０は、高圧液体クロマトグラフィー(ＨＰＬＣ)ポンプなどの高圧で低流量のポンプで、０．１から１０ｍＬ／ｍｉｎ．の低流量が可能である。前記ポンプ１２０は、チューブ或いはパイプで形成された液体ライン１２４を介して、前駆体蒸発器１２２を供給する。
【００２３】
前記前駆体蒸発器１２２は、前駆体溶液がフラッシュ蒸発され、アルゴン或いは窒素などの不活性搬送ガスと混合されて、前記シャワーヘッド１１２への配給される公知の装置である。前記不活性搬送ガスは、チューブ或いはパイプで形成されたガスライン１２６を介して、前記前駆体蒸発器１２２へ供給される。前記前駆体蒸気は、前記シャワーヘッド１１２の注入口に接続される前駆体蒸気ライン１２８を介して、前記前駆体蒸発器１２２から出る。前記蒸気ライン１２８は、前記前駆体蒸気及びその不活性搬送ガスが、前記前駆体蒸発器１２２から前記シャワーヘッド１１２を通る接続チューブ或いはパイプである。
【００２４】
前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０に入る前記蒸気ライン１２８の前に、酸素ライン１３０が前記蒸気ライン１２８に向かって開口する。前記酸素ライン１３０は、前記蒸気ライン１２８内部に流入する前記前駆体蒸気およびその不活性搬送ガスへの導入のために、酸素が通るチューブ或いはパイプである。
【００２５】
前記イオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００は、前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０内で前記基板テープ１１６に向けられているイオンビーム１３４を放射するイオン源１３２を含む。前記イオン源１３２は、０．５から１０ＫＷの一般的な幅の電力レベルで平行或いは非拡散のイオンビームを生成できる、安価なグリッドレスのイオン衝撃源であってもよい。前記グリッドレスイオン源１３２の例としては、Veeco Instruments［2330 E Prospect Fort Collins, CO 80525］から商業的に利用可能であり、１００−１０００ｅＶまでの電圧で作動し、６ｃｍ×６６ｃｍの面積を持つ。前記イオン源１３２のサイズと方向は、照射される前記基板テープ１１６の長さおよび前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０の設計に基づいて決定される。前記イオン源１３２は、イオンビーム１３４のイオンが長距離を移動できる場合、前記堆積ゾーン１１８に近接して置かれなくてもよい。
【００２６】
また、前記イオン源１３２は、グリッドつきイオン源であってもよい。しかしながら、典型的に、グリッドつきイオン源は、グリッドレスイオン源よりも費用がかかり、グリッドレスイオン源より厳しい圧力要求、即ち、グリッドレスイオン源が１０-2から１０-3Ｔｏｒｒであるのに比べて、１０-4から１０-6Ｔｏｒｒで作用するので、グリッドつきイオン源は、おそらくグリッドレスイオン源より好ましくない。
【００２７】
前記イオン源１３２と前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０との間にある前記圧力インターフェースは、前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０の外壁内に取り付けられた圧力差動器１３６を介して遂行される。前記圧力差動器１３６は、前記イオン源１３２が、およそ１０-4から１０-2Ｔｏｒｒの範囲での典型的な減圧で保持できると同時に、前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０が、１−５０Ｔｏｒｒの範囲での減圧で典型的に保持できる装置である。これは、ターボ分子ポンプ或いはクライオポンプを用いて遂行される。前記圧力差動器１３６はまた、前記イオンビーム１３４が前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０へ到達できる開口部も含む。
【００２８】
図１の前記イオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００に関して、前記基礎ＭＯＣＶＤプロセスは当技術分野では周知であり、以下のように要約できる。前記イオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００のＭＯＣＶＤ反応炉１１０内で、ＹＢＣＯなどのＨＴＳ膜は、前記基板テープ１１６の表面で起こる化学反応を介して、熱した基板テープ１１６上に、蒸気前駆体によって堆積される。より詳細には、前記堆積ゾーン１１８を通る前記基板テープ１１６の線状の移動がゾーンＡからゾーンＢへ進行する方向へ開始し、(前記基板テープ１１６を移動させるメカニズムは図示せず)、ポンプ１２０が作動し、前駆体蒸発器１２２が作動し、基板ヒータ１１４が作動する。
【００２９】
前記蒸気ライン１２８は、前記イットリウムバリウム銅の蒸気前駆体を前記シャワーヘッド１１２へ配給し、前記堆積ゾーン１１８内で前記基板テープ１１６に蒸気前駆体を均一に向ける。酸素がイットリウムバリウム銅の蒸気前駆体に反応し、その後その反応化合物が前記堆積ゾーン１１８内で熱した基板テープ１１６に接触した結果、前記堆積ゾーン１１８を通るときに、前記イットリウムバリウム銅の蒸気前駆体が、分解し、前記基板テープ１１６の上にＹＢＣＯの層を形成させる。
【００３０】
前記基板テープ１１６は、前記堆積ゾーン１１８のゾーンＡ内で、膜厚が０ミクロンから１．０、１．０から１．５ミクロンに形成される、ＹＢＣＯ膜の最初の蓄積を経験する。前記基板テープ１１６はその後、前記堆積ゾーン１１８のゾーンＢ内で、ＹＢＣＯ膜のさらなる蓄積を経験し、膜厚がおよそ１．５ミクロンから５ミクロンへと成長を続ける。
【００３１】
上記のように、前記イオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００内で起こる通常の堆積プロセスと同時に、前記イオン源１３２が作動し、従ってイオンビーム１３４を放射する。前記イオンビーム１３４を形成する陽イオンのストリームは、前記堆積ゾーン１１８内の前記基板テープ１１６に向かって促進される。さらに詳細には、前記イオン源１３２から放射する前記イオンビーム１３４は、それが堆積ゾーン１１８内のゾーンＢを通るときに前記基板テープ１１６上に集束され、ここで前記ＹＢＣＯ膜はさらに蓄積し、１．５ミクロンの厚さに近づく及び／又は越える。前記プロセスは、２つの堆積ゾーンＡおよびＢを持つとして示されているが、基板が１．５ミクロン以上の厚さのコーティングを持つそれらの堆積ゾーンは、前記基板がその堆積ゾーンを通るときに、その基板テープ上に集束するイオン源を持つという要求で、複数の堆積ゾーンであってもよい。それは絶対条件ではないが、前記膜が１．５ミクロンの厚さに成長する第１の堆積ゾーンにも、前記基板上に集束するイオン源を持つことが好ましい。このように、密度の高い膜のテンプレートはその後の成長に利用可能であることが保証される。
【００３２】
結果として、前記堆積ゾーン１１８のゾーンＢ内で起こる前記ＹＢＣＯ堆積プロセスは、前記イオンビーム１３４によって提供されるイオン衝撃により影響を受ける。このイオン衝撃のために、付加的なエネルギーが、前記堆積ゾーン１１８のゾーンＢ内の堆積プロセスに付加され、それは、高多孔質、ボイド、表面の粗度などの膜の欠陥を最小化する効果を持ち、これにより、前記ＹＢＣＯ膜は前記基板テープ１１６上の堆積により蓄積するように、上質の成長テンプレートを維持する。結果として、本発明のイオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００は、物質密度及び滑らかさが増加し、電流容量の増加を生じる１．５ミクロン以上の厚さのＹＢＣＯ膜を製造することができる。
【００３３】
ゾーンＢに関して、イオン源１３２に特定の方向要求はない。むしろ、方向は、前記基板テープ１１６と前記シャワーヘッド１１２との間に最適な距離があるため、前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０の設計によって規定される。特に、投射するイオンビーム１３４の方向は、前記シャワーヘッド１１２および前記基板ヒータ１１４の規模によって規定される。
【００３４】
前記イオン源１３２からの前記イオンビーム１３４は、ＹＢＣＯ膜が、例えば、１．０から１．５ミクロンの以下の厚さで形成される前記堆積ゾーン１１８のゾーンＡ内の基板テープ１１６上に集束されない。これは、上記のように、初めの１．０から１．５ミクロンの成長内の前記ＹＢＣＯ膜モホロジー質は、非常に高く、電流容量は抑制されないからである。
【００３５】
本発明の利益を得るのに要求されるものではないが、前記イオンビームは、ゾーンＡの基板も同様に打つことが許可されてもよい。イオン衝撃は、ＹＢＣＯ膜の厚さが、膜は高密度であることを保証する、１．０から１．５ミクロン以下である前記堆積ゾーン１１８のゾーンＡ内で用いられ、これにより、次の層によいテンプレートを提供する。
【００３６】
図２は、本発明の第２の実施形態の、増加した電流量のＨＴＳ厚膜を堆積することによって高電流ＨＴＳコーティングテープを製造するイオンアシストＰＬＤシステム２００を図示する。本発明のイオンアシストＰＬＤシステム２００は、一般的な堆積チャンバー２１０を含み、それは、特にパルスレーザー堆積法の応用のために、考案された真空槽である。このような真空槽の例として、１２或いは１８インチの真空槽がNeocera［10000 Virginia Manor Road Beltsville, MD 20705］によって商業的に利用可能であるが、当業者は、多くの他のベンダーが種々の形と大きさで真空槽を製造することを評価している。前記堆積チャンバー２１０は、例えば、２００ｍＴｏｒｒの圧力で維持される。この例において、前記堆積チャンバー２１０は、基板ヒータ２１６に近接して配置される第１ターゲット２１２及び第２ターゲット２１４を内蔵する。図１に記述された前記基板テープ１１６は、ターゲット２１２及び２１４と基板ヒータ２１６との間に、(作動中に)配置され、移動する。ターゲット２１２及び２１４はＹＢＣＯなどのＨＴＳ素材で構成され、Praxair Surface Technologies, Specialty Ceramics[16130 Wood-Red Rd., #7, Woodinville, WA 98072]およびSuperconductive Components, Inc.[1145 Chesapeake Ave., Columbus, OH 43212]により、商業的に利用可能である。
【００３７】
前記堆積プロセスの間、前記基板テープ１１６の温度は、前記基板ヒータ２１６を介して制御される。図１の前記基板ヒータ１１４のように、前記基板ヒータ２１６は、一般に、７５０から８３０℃の範囲の熱を、ランプなどの放射加熱要素を介して前記基板テープ１１６に提供する公知の単一或いは複数の区域基板ヒータである。
【００３８】
最後に、前記イオンアシストＰＬＤシステム２００は、前記堆積チャンバー２１０内の基板テープ１１６に向けられるイオンビーム２２０を放射するイオン源２１８を含む。前記イオン源２１８は、一般的に０．５から１０ＫＷの範囲の電力で、平行で非拡散のイオンビームを生成できる安価なグリッドレスのイオン衝撃源である。グリッドレスイオン源２１８の例は、Veeco Instrumentsにより商業的に利用可能であり、［2330 E Prospect Fort Collins, CO 80525］１００−１０００ｅＶに上がる電圧で動作し、直径３から６ｃｍの大きさである。前記イオン源２１８の大きさ、特にイオン源２１８の長さは、前記膜堆積ゾーンの長さと同じである。
【００３９】
前記膜堆積ゾーンに関して、前記イオン源２１８の特定の方向はない。むしろ、前記基板テープ１１６と前記ターゲット２１２及び２１４との間に最適な距離があるため、前記方向は、堆積チャンバー２１０の設計によって規定される。特に、前記入射イオンビーム２１８の方向は、前記ターゲット２１２及び２１４と前記基板ヒータ２１６の規模によって規定される。前記イオン源２１８は、前記イオンビーム２２０のイオンが長距離を移動できる場合、前記基板テープ１１６に近接して配置されなくてよい。また、前記イオン源２１８はグリッドつきイオン源であってもよい。
【００４０】
図２のイオンアシストＰＬＤシステム２００に関して、基礎ＰＬＤプロセスは当技術において周知であり、以下のように要約される必要がある。前記イオンアシストＰＬＤシステム２００の堆積チャンバー２１０内で、ＹＢＣＯなどのＨＴＳ膜は、ＨＴＳ素材の蒸発およびその後に熱した基板テープ１１６がこの蒸発物質にさらされることにより、堆積される。より詳細には、前記堆積チャンバー２１０を通る基板テープ１１６の線状の移動は、まずターゲット２１２を通過し、次に、前記基板テープ１１６の移動ラインに沿って並べられたターゲット２１４を通過する方向に始まる(前記基板テープ１１６を移動する仕組みは図示されない)。前記基板ヒータ２１６は作動する。
【００４１】
第１のレーザー光源(図示せず)が作動し、前記ターゲット２１２の表面を照射するレーザービーム２２２を生成し、非常に直接的な型で、前記レーザービーム２２２によって照射されたターゲット２１２の部分から前記基板テープ１１６に向かってプルーム２２４を形成させる。同様に、第２のレーザー光源(図示せず)が作動し、前記ターゲット２１４の表面を照射するレーザービーム２２６を生成し、非常に直接的な型で、前記レーザービーム２２６によって照射された前記ターゲット２１４の部分から前記基板テープ１１６に向かってプルーム２２８を形成させる。
【００４２】
前記プルーム２２４及び２２８は、ターゲット２１２および２１４それぞれの材料から生じ、前記レーザービーム２２２及び２２６それぞれによって衝突されるとき、溶け出してその後爆発的に蒸気化するプラズマ雲である。
【００４３】
よって、プルーム２２４に含まれる前記ＹＢＣＯの粒子は、前記テープが所定の速さで前記堆積チャンバー２１０を通るときに、前記基板テープ１１６の表面に堆積される。
【００４４】
前記基板テープ１１６は、前記基板テープ１１６が所定の速さで前記堆積チャンバー２１０を通るときに、前記プルーム２２４内に含まれる前記ＹＢＣＯ粒子にさらされることを介して、ＹＢＣＯ膜の最初の蓄積を経験する。前記プルーム２２４の粒子にさらされることのために、前記基板テープ１１６の表面上の前記膜厚が０ミクロンから１．０、１．０から１．５ミクロンへと成長する。前記基板テープ１１６は、その後、前記基板テープ１１６が所定の速さで前記堆積チャンバー２１０を通るときに、前記プルーム２２８内に含まれる前記ＹＢＣＯ粒子にさらされることを介してＹＢＣＯ膜の更なる蓄積を経験する。前記プルーム２２８の粒子にさらされることのために、前記基板テープ１１６の表面上の膜厚は、およそ１．５ミクロンから５ミクロンへと成長する。
【００４５】
上記の前記イオンアシストＰＬＤシステム２００内で起こる通常の堆積過程と同時に、前記イオン源２１８が作動し、それによってイオンビーム２２０を放射する。前記イオンビーム２２０を形成する陽イオンのストリームは、前記基板テープ１１６に向かって促進され、それが前記プルーム２２８の粒子を通るときに前記基板テープ１１６上に集束され、ここで前記ＹＢＣＯ膜がさらに蓄積し、１．５ミクロンの厚さに近づく及び／又はそれを越える。結果として、前記プルーム２２８の粒子にさらされることを介して起こるＹＢＣＯ堆積過程は、前記イオンビーム２２０によって提供される前記イオン衝撃により影響を受ける。該プロセスは２つのプルームを持つと示されているが、前記基板が１．５ミクロン以上の厚さのコーティングを持つそれらの堆積ゾーンは、前記基板テープがその堆積ゾーンを規定するプルームを通るときに、その基板テープ上に集束されるイオン源をもつという要求で、複数のプルームがあってもよい。
【００４６】
このイオン衝撃のために、付加的エネルギーが、前記プルーム２２８の粒子にさらされることによって起こる前記堆積プロセスに付加され、該プロセスは、高多孔質、ボイド、及び表面の粗度などの膜欠陥を最小化する効果を持ち、これにより、前記ＹＢＣＯ膜が、蒸気堆積によって前記基板テープ１１６上に蓄積すると、上質の成長テンプレートを維持する。結果として、本発明のイオンアシストＰＬＤシステム２００は、増大した物質密度および滑らかさを持ち、増大した電流容量を生じる１．５ミクロン以上の厚さのＹＢＣＯ膜を製造することができる。
【００４７】
前記イオン源２１８からのイオンビーム２２０は、前記ＹＢＣＯ膜が、例えば、１．０から１．５ミクロン以下の厚さで形成されている前記プルーム２２４に前記基板テープ１１６がさらされているときに、そのテープ上に集束される必要はない。これは、上記のように、最初の１．０から１．５ミクロンの成長内での前記ＹＢＣＯ膜モホロジーの質が、非常に高く、よって電流容量が抑制されないからである。
【００４８】
しかしながら、また、イオン衝撃は、前記ＹＢＣＯ膜の厚さが１．０から１．５ミクロン以下であるプルーム２２４に前記基板テープ１１６がさらされる場所に用いられてもよい。特に、前記基板テープ１１６が、前記プルーム２２４にさらされる場所でイオン衝撃を用いることは、前記膜は密度が高いことを保証でき、これによりその後の層によいテンプレートを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】増加した電流容量のＨＴＳ厚膜を堆積することによって高電流ＨＴＳコーティングのテープを製造する、本発明に従った、イオンアシストのＭＯＣＶＤシステムを図示する。
【図２】増加した電流容量のＨＴＳ厚膜を製造することによって高電流ＨＴＳコーティングのテープを製造する、本発明に従った、イオンアシストのＰＬＤシステムを図示する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚膜高温超伝導体(ＨＴＳ)をコーティングされた、増大された電流性能を持つワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
過去３０年において、米国の電力量は最終エネルギー消費の２５％から４０％に上昇した。この上昇を考慮すると、電力需要は、次第に信頼性の高い、上質な電力の危機的な要求となる。電力需要は成長を続けるにつれ、特に旧都市部の電力システムは性能の限界へと圧迫され、新しい解決法を要求されている。
【０００３】
ワイヤは、変圧器、送電及び配電システム、モータを含む世界の電力システムの基本構成要素を形成する。１９８６年の革命的なＨＴＳ合成物の発見は、電力産業の全く新しいタイプのワイヤの発展に導き、この発見は、１世紀以上における、ワイヤ技術の最も基本的な進歩である。
【０００４】
ＨＴＳをコートされたワイヤは、同じ物理的規模の従来の銅伝導体及びアルミニウム導線の１００倍以上の電流を運ぶ、クラスにおける最高の性能を提供する。ＨＴＳをコートされたワイヤの優れた電力密度は、新しい世代の電力産業技術を可能にする。それは、重大な寸法、重量、効率の利益を提供する。ＨＴＳ技術は、種々の方法で、コストを下げ、電力システムの容量と信頼性を増加する。例えば、ＨＴＳをコートされたワイヤは、既存の通行路を通って２〜５倍以上の電力を送電することができる。この新しいケーブルは、その環境的足跡を削減すると同時に、電力網の性能を改良する強力なツールを提供する。しかしながら、今日まで、次世代ＨＴＳコートワイヤの製造で用いられる前記ＨＴＳテープの短いサンプルのみが、高性能レベルで製造されている。ＨＴＳ技術が、発電および配電産業での使用に向け、商業的に成長するために、ＨＴＳテープの連続的な、高スループットの製造のための技術を開発する必要がある。
【０００５】
気相堆積は、超伝導材料の蒸気がテープ基板上に堆積されるＨＴＳテープを製造し、これにより、前記テープ基板上にＨＴＳコーティングを形成するプロセスである。ＨＴＳテープの高スループットの、コスト効率のよい製造を期待させる公知の気相堆積プロセスは、有機金属化学気相成長法(ＭＯＣＶＤ)およびパルスレーザー堆積法(ＰＬＤ)を含む。ＭＯＣＶＤ或いはＰＬＤプロセスの使用に関して、酸化イットリウムバリウム銅(ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7或いは“ＹＢＣＯ”)フィルムなどのＨＴＳフィルムは、過熱された緩衝金属基板上に堆積し、ＨＴＳコーティングされた導体を形成する。しかしながら、今日まで、短い長さのコートされた導線サンプルのみが、いずれかの上記プロセスを用いて、高性能レベルで組み立てられている。長い(即ち、数キロメートル)ＨＴＳをコートされた導体のコスト効果のよい製造を可能にするために、いくつかの試みを克服しなければならない。
【０００６】
コートされた導体を特徴付ける一つの方法は、メートルごとのコストによる。さらに、コスト及び性能はキロアンペア・メーターごとのコストとして特徴付けられる。さらに詳細には、コーティングされた導体のメータあたりのコストの電流を増大することによって、前記キロアンペアメーターごとのコストが低減される。これは、前記膜の断面積によって増加した堆積ＨＴＳ材料の臨界電流(Ｊｃ)として述べられる。
【０００７】
コートされた導体の規定の臨界電流および幅について、断面積を増加する一つの方法は、前記ＨＴＳ膜の厚さを増やすことによる。しかしながら、厚さの関数としての臨界電流に関して、ＨＴＳ膜の単一層の厚さがおおよそ１．５ミクロンを越えて増大したとき、前記臨界電流は少なくなり、飽和状態に達することが、実証されている。これは、およそ１．５ミクロンの膜厚を越えると、前記ＨＴＳ素材が多孔質となり、空洞をつくり、増大された表面粗度を進め、それら全てが電流の流れを抑制することになるからである。前記ＨＴＳ膜厚を単純に増やすことは、臨界電流での対応する増加を生じないので、技術的な試みは、１．５ミクロンを超える前記膜厚を増やすことに、また、コスト効果のよい方法で、ＨＴＳをコートされた導体の臨界電流における対応する増加に到達することにある。
【０００８】
上質のＹＢＣＯ厚膜に到達する一つのアプローチは、前記厚さが１．５ミクロンを越えたとき、物質の密度および滑らかさを増加するなどによって、前記膜のモホロジーを改善し、これにより、増加した電流容量を生じることである。２０００年１１月７日付の“Method for Producing Super-conducting Thick Film”というタイトルのTatekawaら(US 6,143,697)は、基板上に超伝導体材料を備える厚層を形成し、前記基板に形成された厚層に火を通し、火を通した厚層を冷間静水圧プレスにかけ、冷間静水圧プレスにかけた前記厚層に再度火を通す、ステップを含む超伝導体厚膜の製造方法を開示している。
【０００９】
Tatekawaの欠点は、超伝導体酸化厚層を形成する適切な方法ではあるが、前記膜のモホロジーを改善し、高多孔質、ボイド、及び表面の粗度などの前記膜の欠点を最小化し、これにより、増加した臨界電流を持つ厚いＨＴＳ膜を提供するコスト効率のよい方法を提供しないことである。従って、Tatekawaは、高電流ＨＴＳコート導体のコスト効率のよい製造に適していない。
【００１０】
従って、本発明の目的は、１．５ミクロン以上の厚さで、かつ大電流ＨＴＳコーティングのテープの製造に用いる電流容量を増やす、ＹＢＣＯ膜を製造することである。
【特許文献１】米国特許第５，４３２，１５１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２１４，７７２号明細書
【特許文献３】米国特許第６，１９０，７５２号明細書
【特許文献４】米国特許第６，２３８，５３７号明細書
【発明の開示】
【００１１】
本発明は、１．５ミクロン以上の厚さで、大電流ＨＴＳコーティングのテープの製造に用いる電流容量を増加するＹＢＣＯ膜を製造するイオンアシストのＨＴＳ厚膜連続堆積プロセスである。本発明の前記イオンアシストＨＴＳ厚膜堆積プロセスは、ＭＯＣＶＤ、ＰＬＤ或いはスパッタリングプロセスなどの公知の堆積プロセス内の前記堆積ゾーンに衝撃を与えるイオン源を含む。
【００１２】
このイオン源は、上記１．５ミクロンの膜厚の膜モホロジーを改善する前記堆積プロセスに、付加的なエネルギーを提供する。この改善された膜モホロジーは、例えば、物質密度の増加、表面粗度の改善、及び多孔質の削減を生じる。よって、前記ＹＢＣＯ膜は、本発明の前記堆積プロセスの間に１．５ミクロンを越える厚さに成長し、膜欠点を最小化し、その結果として生まれるＹＢＣＯ厚膜の電流密度における増大を生じる。
【００１３】
イオンビームアシストの電子ビーム蒸着は、例えば、高エネルギーイオンが成長する膜に焦点を当て、よって非常に密度の高い、滑らかな、均一の光学構造を形成する光学応用において公知である。しかしながら、今日までこの技術は、同様の成長増大を達成すべくＨＴＳ堆積プロセスに適用されるということはなかった。
【００１４】
本発明の新たな側面は、本発明のシステム内で起こる従来のコーティング処理を強化するため、少なくとも２つの区域のコーティング堆積プロセスのうち少なくとも最後の区域にイオン源を含むことである。
【００１５】
本発明のプロセスは、１．５ミクロン以上の全体コーティング厚さおよび２００Ａ／ｃｍ以上の臨界電流密度を持つ高電流密度のＨＴＳテープを製造することができる。好ましい実施形態において、該プロセスは、１．５ミクロン以上の全体コーティング厚さおよび３００Ａ／ｃｍの臨界電流密度を持つテープを製造し、また、最も好ましい実施形態においては、該プロセスは、１．５ミクロン以上の全体コーティング厚さおよび４００Ａ／ｃｍの臨界電流密度を持つテープを製造する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図の目的として、はじめに、図１に記述されているＭＯＣＶＤプロセスに関して、次に、図２に記述されているＰＬＤプロセスに関して、本発明の前記イオンアシストＨＴＳ厚膜堆積プロセスが、開示されている。しかしながら、本発明の前記イオンアシストＨＴＳ厚膜堆積プロセスは、ＭＯＣＶＤおよびＰＬＤプロセスのみに限定されない。例えば、本発明のイオンアシストＨＴＳ厚膜堆積プロセスは、蒸発およびスパッタリング過程に適用されてもよい。
【００１７】
本発明の第１の実施形態として、図１は、本発明に従って、増加した電流の性能と共にＨＴＳ厚膜を堆積することによって、高電流ＨＴＳコーティングテープを製造するイオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００を図示している。本発明の前記イオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００は、例えば１．６Ｔｏｒｒの圧力で維持される冷壁反応炉のようなＭＯＣＶＤプロセスが起こる真空包装の堆積チャンバーである一般的なＭＯＣＶＤ反応炉１１０を含む。
【００１８】
前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０は、基板ヒータ１１４に近接近して配置されるシャワーヘッド１１２を内蔵する。基板テープ１１６は、前記シャワーヘッド１１２の長さに沿って、つまり、前記基板テープ１１６が前記前駆体蒸気に触れる場所に形成される堆積ゾーン１１８内で、前記シャワーヘッド１１２と前記基板ヒータ１１４との間に置かれ、移動する。さらに、前記堆積ゾーン１１８内に複数の区域、例えば、図１に示すようなゾーンＡ及びゾーンＢが作られる。
【００１９】
前記基板テープ１１６は、その上にイットリウムの安定したジルコニア(ＹＳＺ)及び／又は酸化セリウム(ＣｅＯ2)などのバッファ層が予め堆積された、ステンレス鋼や、或いはインコネルなどのニッケル合金など、種々の素材から形成されたフレキシブルな長さの基板である。前記基板テープ１１６は、９５０℃までの温度に耐えられることができ、望ましい完成品及びシステムの限定に合うよう変形してもよい大きさを持つ。例えば、前記基板テープ１１６は、厚さ２５μ、幅１ｃｍ、長さ１００ｍの大きさを持つ。
【００２０】
前記シャワーヘッド１１２は、前記基板テープ１１６上に前駆体蒸気を均一に分配する装置である。前記基板テープ１１６に向けられた前記シャワーヘッド１１２の表面は、前記前駆体蒸気が前記基板テープ１１６に向かって通り抜ける、その区域全体に均等に分散された複数の微細な穴を含む。前記シャワーヘッド１１２の長さ及び前記シャワーヘッド１１２に送り込まれる前駆体蒸気の特定の組成は、応用に応じてユーザにより定義されるようにしてもよい。
【００２１】
前記堆積プロセスの間、前記基板テープ１１６の温度は前記基板ヒータ１１４を介して制御される。前記基板ヒータ１１４は、一般に７００から９５０℃の範囲の熱を、ランプなどの放射加熱要素を介して前記基板テープ１１６に提供する、公知の単数あるいは複数区域の基板ヒータである。また、前記基板ヒータ１１４は、Ｋａｎｔｈａｌ或いはＭｏＳｉ2などの加熱要素を持つ抵抗ヒータである。
【００２２】
前記イオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００はさらに、コートする前駆体を分配するシステムを含む。典型的な前駆体分配システムは、テトラハイドロフランおよびイソプロパノールなどの適当な溶剤の混合と共に、イットリウム(Ｙ)、バリウム(Ｂａ)、及び銅(Ｃｕ)のテトラメチルヘプタンニ(ＴＨＤ)合成物などの有機金属の前駆体を含んだ溶剤を含む液体前駆体源(図示せず)を供給されるポンプ１２０を含む。前記ポンプ１２０は、高圧液体クロマトグラフィー(ＨＰＬＣ)ポンプなどの高圧で低流量のポンプで、０．１から１０ｍＬ／ｍｉｎ．の低流量が可能である。前記ポンプ１２０は、チューブ或いはパイプで形成された液体ライン１２４を介して、前駆体蒸発器１２２を供給する。
【００２３】
前記前駆体蒸発器１２２は、前駆体溶液がフラッシュ蒸発され、アルゴン或いは窒素などの不活性搬送ガスと混合されて、前記シャワーヘッド１１２への配給される公知の装置である。前記不活性搬送ガスは、チューブ或いはパイプで形成されたガスライン１２６を介して、前記前駆体蒸発器１２２へ供給される。前記前駆体蒸気は、前記シャワーヘッド１１２の注入口に接続される前駆体蒸気ライン１２８を介して、前記前駆体蒸発器１２２から出る。前記蒸気ライン１２８は、前記前駆体蒸気及びその不活性搬送ガスが、前記前駆体蒸発器１２２から前記シャワーヘッド１１２を通る接続チューブ或いはパイプである。
【００２４】
前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０に入る前記蒸気ライン１２８の前に、酸素ライン１３０が前記蒸気ライン１２８に向かって開口する。前記酸素ライン１３０は、前記蒸気ライン１２８内部に流入する前記前駆体蒸気およびその不活性搬送ガスへの導入のために、酸素が通るチューブ或いはパイプである。
【００２５】
前記イオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００は、前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０内で前記基板テープ１１６に向けられているイオンビーム１３４を放射するイオン源１３２を含む。前記イオン源１３２は、０．５から１０ＫＷの一般的な幅の電力レベルで平行或いは非拡散のイオンビームを生成できる、安価なグリッドレスのイオン衝撃源であってもよい。前記グリッドレスイオン源１３２の例としては、Veeco Instruments［2330 E Prospect Fort Collins, CO 80525］から商業的に利用可能であり、１００−１０００ｅＶまでの電圧で作動し、６ｃｍ×６６ｃｍの面積を持つ。前記イオン源１３２のサイズと方向は、照射される前記基板テープ１１６の長さおよび前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０の設計に基づいて決定される。前記イオン源１３２は、イオンビーム１３４のイオンが長距離を移動できる場合、前記堆積ゾーン１１８に近接して置かれなくてもよい。
【００２６】
また、前記イオン源１３２は、グリッドつきイオン源であってもよい。しかしながら、典型的に、グリッドつきイオン源は、グリッドレスイオン源よりも費用がかかり、グリッドレスイオン源より厳しい圧力要求、即ち、グリッドレスイオン源が１０-2から１０-3Ｔｏｒｒであるのに比べて、１０-4から１０-6Ｔｏｒｒで作用するので、グリッドつきイオン源は、おそらくグリッドレスイオン源より好ましくない。
【００２７】
前記イオン源１３２と前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０との間にある前記圧力インターフェースは、前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０の外壁内に取り付けられた圧力差動器１３６を介して遂行される。前記圧力差動器１３６は、前記イオン源１３２が、およそ１０-4から１０-2Ｔｏｒｒの範囲での典型的な減圧で保持できると同時に、前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０が、１−５０Ｔｏｒｒの範囲での減圧で典型的に保持できる装置である。これは、ターボ分子ポンプ或いはクライオポンプを用いて遂行される。前記圧力差動器１３６はまた、前記イオンビーム１３４が前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０へ到達できる開口部も含む。
【００２８】
図１の前記イオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００に関して、前記基礎ＭＯＣＶＤプロセスは当技術分野では周知であり、以下のように要約できる。前記イオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００のＭＯＣＶＤ反応炉１１０内で、ＹＢＣＯなどのＨＴＳ膜は、前記基板テープ１１６の表面で起こる化学反応を介して、熱した基板テープ１１６上に、蒸気前駆体によって堆積される。より詳細には、前記堆積ゾーン１１８を通る前記基板テープ１１６の線状の移動がゾーンＡからゾーンＢへ進行する方向へ開始し、(前記基板テープ１１６を移動させるメカニズムは図示せず)、ポンプ１２０が作動し、前駆体蒸発器１２２が作動し、基板ヒータ１１４が作動する。
【００２９】
前記蒸気ライン１２８は、前記イットリウムバリウム銅の蒸気前駆体を前記シャワーヘッド１１２へ配給し、前記堆積ゾーン１１８内で前記基板テープ１１６に蒸気前駆体を均一に向ける。酸素がイットリウムバリウム銅の蒸気前駆体に反応し、その後その反応化合物が前記堆積ゾーン１１８内で熱した基板テープ１１６に接触した結果、前記堆積ゾーン１１８を通るときに、前記イットリウムバリウム銅の蒸気前駆体が、分解し、前記基板テープ１１６の上にＹＢＣＯの層を形成させる。
【００３０】
前記基板テープ１１６は、前記堆積ゾーン１１８のゾーンＡ内で、膜厚が０ミクロンから１．０、１．０から１．５ミクロンに形成される、ＹＢＣＯ膜の最初の蓄積を経験する。前記基板テープ１１６はその後、前記堆積ゾーン１１８のゾーンＢ内で、ＹＢＣＯ膜のさらなる蓄積を経験し、膜厚がおよそ１．５ミクロンから５ミクロンへと成長を続ける。
【００３１】
上記のように、前記イオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００内で起こる通常の堆積プロセスと同時に、前記イオン源１３２が作動し、従ってイオンビーム１３４を放射する。前記イオンビーム１３４を形成する陽イオンのストリームは、前記堆積ゾーン１１８内の前記基板テープ１１６に向かって促進される。さらに詳細には、前記イオン源１３２から放射する前記イオンビーム１３４は、それが堆積ゾーン１１８内のゾーンＢを通るときに前記基板テープ１１６上に集束され、ここで前記ＹＢＣＯ膜はさらに蓄積し、１．５ミクロンの厚さに近づく及び／又は越える。前記プロセスは、２つの堆積ゾーンＡおよびＢを持つとして示されているが、基板が１．５ミクロン以上の厚さのコーティングを持つそれらの堆積ゾーンは、前記基板がその堆積ゾーンを通るときに、その基板テープ上に集束するイオン源を持つという要求で、複数の堆積ゾーンであってもよい。それは絶対条件ではないが、前記膜が１．５ミクロンの厚さに成長する第１の堆積ゾーンにも、前記基板上に集束するイオン源を持つことが好ましい。このように、密度の高い膜のテンプレートはその後の成長に利用可能であることが保証される。
【００３２】
結果として、前記堆積ゾーン１１８のゾーンＢ内で起こる前記ＹＢＣＯ堆積プロセスは、前記イオンビーム１３４によって提供されるイオン衝撃により影響を受ける。このイオン衝撃のために、付加的なエネルギーが、前記堆積ゾーン１１８のゾーンＢ内の堆積プロセスに付加され、それは、高多孔質、ボイド、表面の粗度などの膜の欠陥を最小化する効果を持ち、これにより、前記ＹＢＣＯ膜は前記基板テープ１１６上の堆積により蓄積するように、上質の成長テンプレートを維持する。結果として、本発明のイオンアシストＭＯＣＶＤシステム１００は、物質密度及び滑らかさが増加し、電流容量の増加を生じる１．５ミクロン以上の厚さのＹＢＣＯ膜を製造することができる。
【００３３】
ゾーンＢに関して、イオン源１３２に特定の方向要求はない。むしろ、方向は、前記基板テープ１１６と前記シャワーヘッド１１２との間に最適な距離があるため、前記ＭＯＣＶＤ反応炉１１０の設計によって規定される。特に、投射するイオンビーム１３４の方向は、前記シャワーヘッド１１２および前記基板ヒータ１１４の規模によって規定される。
【００３４】
前記イオン源１３２からの前記イオンビーム１３４は、ＹＢＣＯ膜が、例えば、１．０から１．５ミクロンの以下の厚さで形成される前記堆積ゾーン１１８のゾーンＡ内の基板テープ１１６上に集束されない。これは、上記のように、初めの１．０から１．５ミクロンの成長内の前記ＹＢＣＯ膜モホロジー質は、非常に高く、電流容量は抑制されないからである。
【００３５】
本発明の利益を得るのに要求されるものではないが、前記イオンビームは、ゾーンＡの基板も同様に打つことが許可されてもよい。イオン衝撃は、ＹＢＣＯ膜の厚さが、膜は高密度であることを保証する、１．０から１．５ミクロン以下である前記堆積ゾーン１１８のゾーンＡ内で用いられ、これにより、次の層によいテンプレートを提供する。
【００３６】
図２は、本発明の第２の実施形態の、増加した電流量のＨＴＳ厚膜を堆積することによって高電流ＨＴＳコーティングテープを製造するイオンアシストＰＬＤシステム２００を図示する。本発明のイオンアシストＰＬＤシステム２００は、一般的な堆積チャンバー２１０を含み、それは、特にパルスレーザー堆積法の応用のために、考案された真空槽である。このような真空槽の例として、１２或いは１８インチの真空槽がNeocera［10000 Virginia Manor Road Beltsville, MD 20705］によって商業的に利用可能であるが、当業者は、多くの他のベンダーが種々の形と大きさで真空槽を製造することを評価している。前記堆積チャンバー２１０は、例えば、２００ｍＴｏｒｒの圧力で維持される。この例において、前記堆積チャンバー２１０は、基板ヒータ２１６に近接して配置される第１ターゲット２１２及び第２ターゲット２１４を内蔵する。図１に記述された前記基板テープ１１６は、ターゲット２１２及び２１４と基板ヒータ２１６との間に、(作動中に)配置され、移動する。ターゲット２１２及び２１４はＹＢＣＯなどのＨＴＳ素材で構成され、Praxair Surface Technologies, Specialty Ceramics[16130 Wood-Red Rd., #7, Woodinville, WA 98072]およびSuperconductive Components, Inc.[1145 Chesapeake Ave., Columbus, OH 43212]により、商業的に利用可能である。
【００３７】
前記堆積プロセスの間、前記基板テープ１１６の温度は、前記基板ヒータ２１６を介して制御される。図１の前記基板ヒータ１１４のように、前記基板ヒータ２１６は、一般に、７５０から８３０℃の範囲の熱を、ランプなどの放射加熱要素を介して前記基板テープ１１６に提供する公知の単一或いは複数の区域基板ヒータである。
【００３８】
最後に、前記イオンアシストＰＬＤシステム２００は、前記堆積チャンバー２１０内の基板テープ１１６に向けられるイオンビーム２２０を放射するイオン源２１８を含む。前記イオン源２１８は、一般的に０．５から１０ＫＷの範囲の電力で、平行で非拡散のイオンビームを生成できる安価なグリッドレスのイオン衝撃源である。グリッドレスイオン源２１８の例は、Veeco Instrumentsにより商業的に利用可能であり、［2330 E Prospect Fort Collins, CO 80525］１００−１０００ｅＶに上がる電圧で動作し、直径３から６ｃｍの大きさである。前記イオン源２１８の大きさ、特にイオン源２１８の長さは、前記膜堆積ゾーンの長さと同じである。
【００３９】
前記膜堆積ゾーンに関して、前記イオン源２１８の特定の方向はない。むしろ、前記基板テープ１１６と前記ターゲット２１２及び２１４との間に最適な距離があるため、前記方向は、堆積チャンバー２１０の設計によって規定される。特に、前記入射イオンビーム２１８の方向は、前記ターゲット２１２及び２１４と前記基板ヒータ２１６の規模によって規定される。前記イオン源２１８は、前記イオンビーム２２０のイオンが長距離を移動できる場合、前記基板テープ１１６に近接して配置されなくてよい。また、前記イオン源２１８はグリッドつきイオン源であってもよい。
【００４０】
図２のイオンアシストＰＬＤシステム２００に関して、基礎ＰＬＤプロセスは当技術において周知であり、以下のように要約される必要がある。前記イオンアシストＰＬＤシステム２００の堆積チャンバー２１０内で、ＹＢＣＯなどのＨＴＳ膜は、ＨＴＳ素材の蒸発およびその後に熱した基板テープ１１６がこの蒸発物質にさらされることにより、堆積される。より詳細には、前記堆積チャンバー２１０を通る基板テープ１１６の線状の移動は、まずターゲット２１２を通過し、次に、前記基板テープ１１６の移動ラインに沿って並べられたターゲット２１４を通過する方向に始まる(前記基板テープ１１６を移動する仕組みは図示されない)。前記基板ヒータ２１６は作動する。
【００４１】
第１のレーザー光源(図示せず)が作動し、前記ターゲット２１２の表面を照射するレーザービーム２２２を生成し、非常に直接的な型で、前記レーザービーム２２２によって照射されたターゲット２１２の部分から前記基板テープ１１６に向かってプルーム２２４を形成させる。同様に、第２のレーザー光源(図示せず)が作動し、前記ターゲット２１４の表面を照射するレーザービーム２２６を生成し、非常に直接的な型で、前記レーザービーム２２６によって照射された前記ターゲット２１４の部分から前記基板テープ１１６に向かってプルーム２２８を形成させる。
【００４２】
前記プルーム２２４及び２２８は、ターゲット２１２および２１４それぞれの材料から生じ、前記レーザービーム２２２及び２２６それぞれによって衝突されるとき、溶け出してその後爆発的に蒸気化するプラズマ雲である。
【００４３】
よって、プルーム２２４に含まれる前記ＹＢＣＯの粒子は、前記テープが所定の速さで前記堆積チャンバー２１０を通るときに、前記基板テープ１１６の表面に堆積される。
【００４４】
前記基板テープ１１６は、前記基板テープ１１６が所定の速さで前記堆積チャンバー２１０を通るときに、前記プルーム２２４内に含まれる前記ＹＢＣＯ粒子にさらされることを介して、ＹＢＣＯ膜の最初の蓄積を経験する。前記プルーム２２４の粒子にさらされることのために、前記基板テープ１１６の表面上の前記膜厚が０ミクロンから１．０、１．０から１．５ミクロンへと成長する。前記基板テープ１１６は、その後、前記基板テープ１１６が所定の速さで前記堆積チャンバー２１０を通るときに、前記プルーム２２８内に含まれる前記ＹＢＣＯ粒子にさらされることを介してＹＢＣＯ膜の更なる蓄積を経験する。前記プルーム２２８の粒子にさらされることのために、前記基板テープ１１６の表面上の膜厚は、およそ１．５ミクロンから５ミクロンへと成長する。
【００４５】
上記の前記イオンアシストＰＬＤシステム２００内で起こる通常の堆積過程と同時に、前記イオン源２１８が作動し、それによってイオンビーム２２０を放射する。前記イオンビーム２２０を形成する陽イオンのストリームは、前記基板テープ１１６に向かって促進され、それが前記プルーム２２８の粒子を通るときに前記基板テープ１１６上に集束され、ここで前記ＹＢＣＯ膜がさらに蓄積し、１．５ミクロンの厚さに近づく及び／又はそれを越える。結果として、前記プルーム２２８の粒子にさらされることを介して起こるＹＢＣＯ堆積過程は、前記イオンビーム２２０によって提供される前記イオン衝撃により影響を受ける。該プロセスは２つのプルームを持つと示されているが、前記基板が１．５ミクロン以上の厚さのコーティングを持つそれらの堆積ゾーンは、前記基板テープがその堆積ゾーンを規定するプルームを通るときに、その基板テープ上に集束されるイオン源をもつという要求で、複数のプルームがあってもよい。
【００４６】
このイオン衝撃のために、付加的エネルギーが、前記プルーム２２８の粒子にさらされることによって起こる前記堆積プロセスに付加され、該プロセスは、高多孔質、ボイド、及び表面の粗度などの膜欠陥を最小化する効果を持ち、これにより、前記ＹＢＣＯ膜が、蒸気堆積によって前記基板テープ１１６上に蓄積すると、上質の成長テンプレートを維持する。結果として、本発明のイオンアシストＰＬＤシステム２００は、増大した物質密度および滑らかさを持ち、増大した電流容量を生じる１．５ミクロン以上の厚さのＹＢＣＯ膜を製造することができる。
【００４７】
前記イオン源２１８からのイオンビーム２２０は、前記ＹＢＣＯ膜が、例えば、１．０から１．５ミクロン以下の厚さで形成されている前記プルーム２２４に前記基板テープ１１６がさらされているときに、そのテープ上に集束される必要はない。これは、上記のように、最初の１．０から１．５ミクロンの成長内での前記ＹＢＣＯ膜モホロジーの質が、非常に高く、よって電流容量が抑制されないからである。
【００４８】
しかしながら、また、イオン衝撃は、前記ＹＢＣＯ膜の厚さが１．０から１．５ミクロン以下であるプルーム２２４に前記基板テープ１１６がさらされる場所に用いられてもよい。特に、前記基板テープ１１６が、前記プルーム２２４にさらされる場所でイオン衝撃を用いることは、前記膜は密度が高いことを保証でき、これによりその後の層によいテンプレートを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】増加した電流容量のＨＴＳ厚膜を堆積することによって高電流ＨＴＳコーティングのテープを製造する、本発明に従った、イオンアシストのＭＯＣＶＤシステムを図示する。
【図２】増加した電流容量のＨＴＳ厚膜を製造することによって高電流ＨＴＳコーティングのテープを製造する、本発明に従った、イオンアシストのＰＬＤシステムを図示する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１．５ミクロン以上の厚さのコーティングと幅１センチにつき２００Ａ以上の臨界電流とを持つ高電流密度のＨＴＳテープを連続的に製造するプロセスであって、基板が、堆積反応炉で、第１の堆積ゾーンを通るとき、該基板に第１の厚さのコーティングを適用し、前記基板が、前記堆積反応炉で少なくとも一つの付加的な堆積ゾーンを通るとき、その基板に直ちに付加的な厚さのコーティングを適用することを備え、前記第１の堆積ゾーンからの出口でのコーティング厚さは１．５ミクロンより大きくなく、前記基板が少なくとも前記堆積ゾーンの最後のものを通過するとき、前記基板はイオンビームによって照射されることを特徴とする。
【請求項２】
請求項１のプロセスであって、ＭＯＣＶＤプロセスである。
【請求項３】
請求項１のプロセスであって、ＰＬＤプロセスである。
【請求項４】
請求項１のプロセスであって、スパッタリングプロセスである。
【請求項５】
請求項１のプロセスにおいて、２つの堆積ゾーンがある。
【請求項６】
請求項１のプロセスにおいて、イオンビームは第１の堆積ゾーンの前記基板に衝突する。
【請求項７】
請求項１のプロセスにおいて、臨界電流が幅１センチにつき３００Ａ以上である。
【請求項８】
請求項１のプロセスにおいて、前記臨界電流が、幅１センチにつき４００Ａ以上である。
【請求項９】
請求項１のプロセスの製造物。
【請求項１０】
請求項６のプロセスの製造物。
【請求項１１】
請求項７のプロセスの製造物。
【請求項１２】
請求項８のプロセスの製造物。
【請求項１】
１．５ミクロン以上の厚さのコーティングと幅１センチにつき２００Ａ以上の臨界電流とを持つ高電流密度のＨＴＳテープを連続的に製造するプロセスであって、基板が、堆積反応炉で、第１の堆積ゾーンを通るとき、該基板に第１の厚さのコーティングを適用し、前記基板が、前記堆積反応炉で少なくとも一つの付加的な堆積ゾーンを通るとき、その基板に直ちに付加的な厚さのコーティングを適用することを備え、前記第１の堆積ゾーンからの出口でのコーティング厚さは１．５ミクロンより大きくなく、前記基板が少なくとも前記堆積ゾーンの最後のものを通過するとき、前記基板はイオンビームによって照射されることを特徴とする。
【請求項２】
請求項１のプロセスであって、ＭＯＣＶＤプロセスである。
【請求項３】
請求項１のプロセスであって、ＰＬＤプロセスである。
【請求項４】
請求項１のプロセスであって、スパッタリングプロセスである。
【請求項５】
請求項１のプロセスにおいて、２つの堆積ゾーンがある。
【請求項６】
請求項１のプロセスにおいて、イオンビームは第１の堆積ゾーンの前記基板に衝突する。
【請求項７】
請求項１のプロセスにおいて、臨界電流が幅１センチにつき３００Ａ以上である。
【請求項８】
請求項１のプロセスにおいて、前記臨界電流が、幅１センチにつき４００Ａ以上である。
【請求項９】
請求項１のプロセスの製造物。
【請求項１０】
請求項６のプロセスの製造物。
【請求項１１】
請求項７のプロセスの製造物。
【請求項１２】
請求項８のプロセスの製造物。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２００７−５２５７８８（Ｐ２００７−５２５７８８Ａ）
【公表日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１４９７５（Ｐ２００６−５１４９７５）
【出願日】平成１６年５月２５日（２００４．５．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１６５９７
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００７９１８
【国際公開日】平成１７年１月２７日（２００５．１．２７）
【出願人】（５０５４４８７９６）スーパーパワー インコーポレイテッド (18)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年５月２５日（２００４．５．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１６５９７
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００７９１８
【国際公開日】平成１７年１月２７日（２００５．１．２７）
【出願人】（５０５４４８７９６）スーパーパワー インコーポレイテッド (18)
【Ｆターム（参考）】
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