説明

希土・バリウム・銅・酸化物(REBCO)薄膜成長のための高スループットのex−situ方法

本発明は、緩衝金属基板テープの連結するレングス上にREBCOなどの超伝導薄膜のex−situ形成のための高スループットのシステムを提供する。緩衝金属基板テープの上部は、希土、バリウム、及び銅の先駆物質が、電子ビーム蒸発及びMODなどの数々の技術を介して堆積される。これらの先駆物質は、処理チャンバ内で加熱され、水蒸気に導入されると、緩衝層に機能的超伝導薄膜エピタキシャルを形成するために分解する。シャワーヘッドと、長く幅の広い堆積範囲の創造のために設計された基板加熱装置を有する有機金属化学気相成長法(MOCVD)反応炉といったチャンバは、該製法に良く適している。チャンバは、反応による副産物の効率的な汲み出しのために配置された排気ポートを含む。チャンバは、壁が加熱されない冷水壁式、または壁が加熱される加熱壁式のものでもよい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、希土・バリウム・銅・酸化物(REBCO)などの高温超伝導(HTS)薄膜の高スループットのex−situ法による薄膜成長に関連する。
【背景技術】
【0002】
過去30年間、電気はアメリカにおける末端でのエネルギーの消費において25%から40%に上昇した。このような電力への高まる需要に伴い、高い信頼性と高品質を有する電力への重大な必要性が増加した。電力への需要が続けば、特に古い都市部の電力システムは、能力の限界に達することになり、そのため新たな解決策が求められている。
【0003】
ワイヤーは、変圧器、送電・配電システム、及びモーターを含む世界の電力システムの基礎的なビルディングブロックを形成する。1986年の革命的なHTS合成物の発見は、電力産業のための急進的で新たな種類のワイヤーの開発を導いた。この発見は、1世紀以上の中で、金属線技術における最も根本的な進展である。
【0004】
HTS被覆ワイヤーは、クラス最高の能力を提供し、同じ物理的大きさの、従来型の銅及びアルミの導線よりも100倍以上の電流を運ぶことができる。HTS被覆ワイヤーの優れた電力密度は、電力産業技術の新たな創出を可能にするであろう。それは大規模なサイズ、重量、効率に関する利点を提供する。HTS技術は、コストを押し下げ、様々な方法で電力システムの容量と信頼性を高めるであろう。例えば、HTS被覆ワイヤーは、既存の電線網を介して2から5倍以上の電力を送電することができる。この新たなケーブルは、電力網の能力を改善すると同時に環境的な足跡を低減するための強力な道具を提供するであろう。しかしながら、今日までに、次世代のHTS被覆ワイヤーの製造に使われるHTS被覆テープは限られた種類しか高性能レベルで製造されていない。HTS技術が、発電、配電産業における利用に向けてが商業的に存立可能となるには、HTS被覆テープの持続的な、高スループットの製造ための技術を開発する必要がある。
【0005】
HTS被覆テープの構造は、例えば、希土・バリウム・銅・酸化物(REBCO)から形成されたHTS薄膜を補強する強度と柔軟性を提供する研磨された金属基板からなる。1つまたはそれ以上の緩衝層が、研磨された金属基板とHTS薄膜との間の反応を防ぐためと、薄膜のエピタキシャル成長のためのテンプレートを提供するために、研磨金属基板とHTS薄膜の間に配置されている。緩衝層は、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)また酸化セリウムから形成される。
【0006】
REBCO被覆テープの製造のために存在する技術をin−situ、またはex−situ製法に分類することができる。in−situ製法は、REBCOを形成するために、加熱された基板の表面で、希土、バリウム、及び銅先駆物質を含む蒸気が酸素と反応する場合の薄膜成長が、全体的に一箇所でおきるものを網羅する。in−situ技術は、真空槽などの、単一低気圧大気においてそれぞれ起きるスパッタ法、電子ビーム(E−ビーム)蒸発とパルスレーザー堆積法(PLD)製法を含む。
【0007】
他方、ex−situ技術は、時間において、及び多くの場合同様に空間においても分離され、先駆物質が基板上部に堆積され、続けて先駆物質をREBCO薄膜に変換する別々のポスト反応を受ける、一つ以上のステップで起きる堆積法製法を網羅する。該先駆物質は、電子ビーム蒸発、有機金属堆積(MOD)における浸漬被覆などの被覆ステップ、及びスプレー熱分解を含む数々の技術上知られている工程を介して緩衝基板上部に最初に堆積されている。
【0008】
ex−situ製法の中で使われる電子ビーム蒸発において、蒸発は、希土、バリウムフッ化物及び銅金属を含む3つの別々な坩堝において発生する。MOD製法においては、希土のトリフルオロ酢酸(TFA)錯体、バリウム、及び銅が、メチルアルコールなどの溶剤と混ぜられ、その結果で生じた溶体は、自然法熱環境下で浸漬被覆製法において緩衝基板に適応され、浸漬された基板は続いて、有機物が該基板を焼くベークアウト製法を受ける。浸漬被覆とベークアウトステップはその後、所望の薄厚が実現されるまで何度も繰り返される。
【0009】
スプレー熱分解においては、希土の硝酸塩、バリウム、及び銅は、水性先駆物質溶液を形成し、それは霧化され、加熱された緩衝基板の上にスプレーされる。スプレー熱分解において、スプレーとベイクアウトステップは、基板を、例えば500℃の、超伝導REBCO状態を形成するのに十分高くない適度な温度で加熱することで同時に発生する。
【0010】
Grossらによる「超伝導酸化物の層を製造するための方法」と題された1995年5月16日付米国特許番号第5416063号は、先駆物質溶体が基板に適用され、それにより表面に金属含有層が形成される、緩衝基板に超伝導層を形成するための方法を提供する。5416063号特許において記述される先駆物質溶体は、希土、バリウム、及び銅を含む化合物を酢酸と水の中で溶解することによって形成されている。しかしながら、全てのex−situ法によるHTS薄膜成長技術に記載の問題は、緩衝基板上の金属含有層を超伝導薄膜に変換する後製法を必要とする点である。
【0011】
後製法は水蒸気反応であることもあり、その中では、基板が加熱され、水蒸気が適応されて基板上に含まれる希土、バリウムフッ化物、及び銅材料が、REBCO薄膜を形成するために反応する。しかし後反応は、PLD法などでは、1度のステップで毎分1―5ミクロンの割合で薄膜形成が起こるin−situ法REBCO薄膜成長技術と比較して、薄膜の成長は毎秒たった1オングストロームと非常にゆっくりと発生する。コスト効率の良い製造及びこれによる電力送電・配電産業におけるHTS素材の広範囲の適応するを可能にするために必要な、高スループットに適したex−situ法REBCO薄膜成長システムを提供ことは依然課題として残っている。その結果、5416063号特許によって記述される方法は、長い長さのHTSテープの製造には適していない。
【0012】
現状技術の限界の一つは、より厚めのREBCO薄膜の成長が試みられるのにつれて、水蒸気を希土、バリウム、及び銅の先駆物質を含む濃密な堆積層に浸透させるのがますます難しくなることである。
【0013】
REBCO薄膜が緩衝層に対してエピタキシャル成長し、所望するテクスチャを取得するように、薄膜成長が堆積先駆物質層の底部から上に向けて発生するために、水蒸気が堆積先駆物質層の深くまで浸透するのは、高品質なHTSテープの実現にとって不可欠である。REBCO薄膜成長が、堆積先駆物質層の上部から下方に向けて発生する場合、高い電流運搬能力を確実にする二軸的テクスチャとは反対に、HTS薄膜の電流運搬能力を大きく損なう粒界不整合の高い度合いを伴って、核生成とその後のREBCO薄膜を構成する多結晶粒子の成長が不規則に発生する。
【0014】
また、反応速度を制限し、REBCO薄膜成長を妨げる、REBCO薄膜製造製法の反応による副産物を効率的に排出することは課題である。
【0015】
本発明の目的は従って、厚く高品質なREBCO薄膜を製造するための製法を提供することである。
【0016】
本発明の目的は、反応速度を制限しREBCO薄膜成長を妨げる、REBCO薄膜製造製法の反応による副産物の除去を提供する製法を提供することである。
【0017】
本発明のさらなる目的は、高スループットのex−situ法REBCO薄膜成長システムを提供することである。
【特許文献1】米国特許第5,416,063号明細書
【特許文献2】米国特許第4,962,085号明細書
【特許文献3】米国特許第5,278,138号明細書
【特許文献4】米国特許第5,206,216号明細書
【特許文献5】米国特許第6,794,339号明細書
【特許文献6】米国特許第6,774,088号明細書
【特許文献7】米国特許出願公開第2004/0163597号明細書
【発明の開示】
【0018】
本発明は、緩衝金属基板テープの連結するレングス上にREBCOなどの超伝導薄膜のex−situ形成のための高スループットのシステムを提供する。緩衝金属基板テープの上部は、希土、バリウム、及び銅の先駆物質が、電子ビーム蒸発及びMODなどの数々の技術を介して堆積される。これらの先駆物質は、処理チャンバ内で加熱され、水蒸気に導入されると、緩衝層に機能的超伝導薄膜エピタキシャルを形成するために分解する。シャワーヘッドと、長く幅の広い堆積範囲の創造のために設計された基板加熱装置を有する有機金属化学気相成長法(MOCVD)反応炉といったチャンバは、該製法に良く適している。チャンバは、反応による副産物の効率的な汲み出しのために配置された排気ポートを含む。チャンバは、壁が加熱されない冷水壁式、または壁が加熱される加熱壁式のものでもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
図1は、REBCO被覆テープの高スループットのex−situ製造のための発明に記載のシステム100を図示する。前記システム100は、複数個のテープ112を複数個の送り出しスプール110から、チャンバ114を経て複数個の巻き取りスプール116に移動させる働きをする電動式オープンリール巻線システムを含む。電動式オープンリール巻線システムは技術的に周知であり、各送り出しスプール110と各巻き取りスプール116に機能上接続された駆動モータ(図示されていない)、また前記システム100の適切な要素に関連して、各テープ112を正確な位置に置くために各テープ112と接触する一連の遊動輪(図示されていない)を含む。別の実施例において、前記テープ112は単一幅広のテープであってもよい。
【0020】
前記テープ112は、ステンレンス鋼またはインコネルなどのニッケル合金などの様々な金属からなる複数のフレキシブルな長さの基板であり、その上部には、イットリカ安定化ジルコニア(YSZ)または酸化セリウム(CeO2)といった緩衝層が、イオンビームアシスト蒸着(IBAD)などの堆積技法を介して、予め堆積されている。テープ112はまた、RABiTSとして技術的に周知な製法により製造された二軸的加工されたものであってもよい。この場合、緩衝層は、これらに限定されるわけではないが、スパッタリング、蒸発、MOD、有機金属化学気相成長法(MOCDV)などの製法を使うことでエピタキシャル成長される。さらに緩衝層の上部には、希土、バリウム、及び銅の先駆物質が、技術的に周知な電子ビーム蒸発、MOD、スプレー熱分解などの技法を介して、予め堆積されている。
【0021】
前記テープ112は、所望する完成品とシステム上の制限を満たすために変わる寸法を有する。例えば、テープ112は、厚さ25から100ミクロン、幅1から50センチ、長さ100メートルから1000メートルを有することができる。チャンバ114は、例えば約0.1から約760トールの間の、望ましくは流量が1から100slmの範囲のフローガス状態の下で、約1から約760トールの間の気圧で維持される冷水壁リアクターのような真空シールドされた堆積チャンバである。
【0022】
前記チャンバ114内に備えられているのは、シャワーヘッド120と、基板加熱器122で、それらは、その真間の空間の領域に薄膜成長ゾーンを作るために、お互いに対して配置されている。シャワーヘッド120は、図2においてより詳細に示されているように、与えれたエリアにわたって酸素と水蒸気を含む不活性搬送ガスの均一な分配を可能にし、複数個のボルトで一緒に固定された上部と下部のフランジと、その中にガスケットにより形成されたシールから成るステンレス鋼形体をとる。複数個のオリフィス210は、下部のフランジを貫通して機械加工され、均等に間隔が空けられた細かい開口として配列されている。
【0023】
シャワーヘッド120と基板加熱器122の範囲により定義される薄膜成長ゾーンは、長さにおいて約10メートルに達し、約2ミリメートル離れ、均等に間隔が空けられた例えば10から12本の移動する前記テープ112上において同時に、希土、バリウム、及び銅の先駆物質から成る薄膜の、REBCO薄膜への変換を可能にする。代替の実施例において、前記変換製法は、50cmまでの幅の単一幅広のテープ上に予め堆積された先駆物質上で実行することができる。
【0024】
前記基板加熱器122は、電燈などの放射加熱要素を介して、前記テープ112に、典型的には約700から約850℃の熱を提供する、周知の単一または複数のゾーンの基板加熱器である。その代替として、基板加熱器114は、KanthalまたはMoSi2などの要素を利用する抵抗加熱器である。その代替として、熱壁チャンバ内において、前記加熱器114は該チャンバの壁を通じて基板を加熱する炉とすることができる。
【0025】
チューブまたは導管の形体をとる水蒸気線118は、前記シャワーヘッド120に接続され、外気温度で水蒸気を供給する。前記水蒸気は、約40から約80℃の間の露点(DP)または約1から約50トールの間の水圧P(H2O)を持つように、約10ppmから10%の間の少量の酸素を含むアルゴンまたは窒素などの不活性搬送ガスを介して、前記シャワーヘッド120に導入される。
【0026】
前記DPを達成するために、約10ppmから10%の範囲の量の酸素を含む、約1から約100標準リットル/分(slm)の不活性ガスは、目標露点に制御された温度に維持された、例えば水量5リットルの水で満たされた水ボトル(示されていない)に通される。前記水ボトル内の水の量は、水位計に連結された送水ポンプ(示されていない)などの従来の手段を通じて維持される。
【0027】
その代替として、適切な量の水は、100℃またはそれ以上に維持された水蒸気128を通じて、約40から約80℃の間の露点または約1から約50ト−ルの間のP(H2O)を提供するために、約10ppmから約10%の範囲の酸素を含む不活性ガスのために選ばれたポンピング速度でポンプされる。この時、酸素を含む不活性ガスは、流量約1から100slmの間で前記水蒸気128に通される。
【0028】
この製法における大きな要因は、ポンピングシステムの位置である。ポンプ124は、チャンバ114の底を経て直接配置された1つまたはそれ以上のポンプポートで終端する、1つまたはそれ以上のポンプ線126を介してチャンバ114に機能上接続する。このポンピングシステムの配置は本発明においてデザインが開示されている反応炉の種類を使うことで可能となった。前記ポンピングシステムは、先駆物質変換・薄膜成長ゾーンに近接するように配置されている。これは、反応による副産物の効果的な除去を可能にする。
【0029】
また、前記ポンピングシステムの配置は、変換製法において使われる高いガス負荷の優れた取り扱いを可能にする。この製法の増大した有効性における第二の大きな要因は、寸法の大きなシャワーヘッドの使用である。水蒸気と酸素を注入するための大きなシャワーヘッドの使用と、薄膜成長ゾーンに近接するポンピングシステムの使用の組み合わせは、そうでなければ得ることができない広範囲における均一な薄膜成長を結果として生ずる水蒸気と酸素の均一なフローパターンを可能にする。
【0030】
先行技術は、変換製法のために、排気ポートの位置が先駆物質変換・簿膜成長ゾーンから遠く離れた位置に制限された従来型の炉を使用した。これは、反応による副産物の非効率な除去という結果を生ずる。また、先行技術のデザインは、大きなガス負荷を取り扱うこと並びに広範囲上への水蒸気と酸素の均一な分配を実現するために役立つものではない。
【0031】
随意的に、増圧ポンプ(示されていない)をポンプ124と組み合わせて使うことができる。ポンプ124は、フッ化水素酸などの、REBCOの成長率を妨げる反応による副産物を、チャンバ114の底を通して薄膜成長ゾーンから排出する。ある実施例において、ポンプ124は、エドワード型EH500などの従来型真空ポンプ装置からなる。
【0032】
さらに、当業者は、システム100がさらに、簡略化のために図1で示されていない圧力計及び熱電温度計などの様々な検出・制御装置を含むことを評価するであろう。
【0033】
動作において、テープ112は送り出しスプール110をワインドオフし、チャンバ114の壁を貫通して配置された狭いスリットを通して移動し、シャワーヘッド120と基板加熱器122の間を進み、チャンバ114の反対側の壁を貫通して配置された別の組の狭いスリットを通して移動し、巻き取りスプール116に巻き取られる。テープ112が、シャワーヘッド120と基板加熱器122の寸法によって定義された先駆物質分解・薄膜成長ゾーンの中を移動するとき、基板加熱器122は、テープ112の温度を約700℃から約850℃の間の範囲に高め、その間希土、バリウム、及び銅の先駆物質からなるフィルムの上部に含まれるものが、水蒸気線118と水蒸気発生器128を通して分配されたシャワーヘッド120からの水蒸気と酸素を含む不活性搬送ガスの均一な配給に晒される。基板加熱器122によって与えられた熱と、シャワーヘッド120により与えられた水蒸気は、該チャンバ内の低圧酸素雰囲気とともに、希土、バリウム、及び銅の先駆物質から成る薄膜をREBCO薄膜を形成するために分解し酸素と反応するようにする。酸素と、シャワーヘッドにより提供され先駆物質分解・薄膜成長ゾーン全体を通して一貫した蒸気圧[P(H2O)とP(O2)]を有する水蒸気を含む搬送ガスの均一な分配は、基板加熱器122によってテープ112に分配される一貫した熱とともに、高い均一性のREBCO薄膜の成長に重要である。
【0034】
シャワーヘッド120と基板加熱器122によってもたらされた先駆物質分解・薄膜成長ゾーンは、大きな範囲上でREBCO薄膜成長が起こることを可能にする。REBCOの成長は、外気圧下で毎秒1オングストロームという比較的遅い速度で発生するが、薄膜成長ゾーンの長さは、多数のテープ112がREBCO薄膜成長を遂げる際に、HTS被覆テープの高スループットのex−situ製造に適した速さでテープ112が移動することを可能にする。代替として、単一幅広のテープを均一に処理することができ、細いテープに切ることができる。希土、バリウム、及び銅の先駆物質からなる厚さ1ミクロンのフィルムのREBCOへの変換速度と基板加熱器の長さに拠って、テープ112は、システム100の間を外気圧下で時速約1から約10メートルの速度で移動すると思われる。低減された気圧下では、テープ112は、システム100の間を時速約10から約400メートルの速度で移動すると思われる。さらに、希土、バリウム、及び銅からREBCOへの先駆物質の変換製法は、テープ112が一度システム100の間を平行移動した後に、その上部に希土、フッ化バリウム、及び銅の薄膜を再堆積し、続けて該テープをシステム100の間を再び移動させることで複数回繰り返すことができる。
【図面の簡単な説明】
【0035】
【図1】図1は、REBCOコートされたテープの高スループットのex−situ法製造のための本発明に従ってシステムを図示する。
【図2】図2は、本発明のシステムのシャワーヘッドの底辺図を図示する。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
長さの長い層状超伝導体を製造するための製法であって、
REBa2Cu37の先駆物質で被覆され、そのREは希土である緩衝金属基板テープを提供すること、
該テープを、処理チャンバ内の先駆物質変換・薄膜成長ゾーンを通して移動させること、
シャワーヘッドを介して、酸素と水蒸気を前記先駆物質変換・薄膜成長ゾーンに導入すること、および
被覆された基板を、約700℃と約800℃の間の範囲の温度に加熱することからなり、
前記処理チャンバ内の気圧は約1トールと約760トールの間の範囲であり、前記基板は、前記先駆物質が緩衝層まで超伝導コーティングエピタキシャルに変換するのに十分な期間前記プロセスゾーンに存在する、
ことを特徴とする製法。
【請求項2】
請求項1に記載の製法であって、前記基板は、ステンレス鋼とニッケル合金から成る基から選択されている、
ことを特徴とする製法。
【請求項3】
請求項1に記載の製法であって、前記基板が2軸的に加工されている、
ことを特徴とする製法。
【請求項4】
請求項1に記載の製法であって、前記金属基板テープの緩衝が、YSZ,CeO2、MgO、SrTiO3、LaMnO3、SrRuO3、Y23、Gd23,LaSrMnO3の基、またはそれらの組合せから選択されている、
ことを特徴とする製法。
【請求項5】
請求項1に記載の製法であって、前記処理チャンバの気圧が、約10トールと約760トールの間の範囲である、
ことを特徴とする製法。
【請求項6】
請求項1に記載の製法であって、前記コーティングステップの間の温度が、約24℃と約500℃の間である、
ことを特徴とする製法。
【請求項7】
請求項1に記載の製法であって、前記処理チャンバの雰囲気が、約40℃と約80℃の間の露点を持つ、
ことを特徴とする製法。
【請求項8】
請求項1に記載の製法であって、前記処理チャンバ内の水蒸気の分圧が、約1トールと約50トールの間の範囲である、
ことを特徴とする製法。
【請求項9】
請求項1に記載の製法であって、搬送ガス内に含まれる酸素の部分が、約100ppmと約10%の間である、
ことを特徴とする製法。
【請求項10】
請求項1に記載の製法であって、前記酸素と水蒸気の分圧が、前記先駆物質変換・薄膜成長ゾーンを通して実質的に一貫している、
ことを特徴とする製法。
【請求項11】
請求項1に記載の製法であって、酸素と水蒸気を含む搬送ガスの分配が、前記先駆物質変換・薄膜成長ゾーンを通して実質的に均一である、
ことを特徴とする製法。
【請求項12】
請求項1に記載の製法において、前記酸素と水蒸気が、少なくとも移動するテープの幅の合計に各移動するテープの間の距離の合計を加えた幅と、少なくとも幅と同じ長さを有するシャワーヘッドを介して、前記先駆物質変換・薄膜成長ゾーンに導入される、
ことを特徴とする製法。
【請求項13】
請求項1に記載の製法において、反応による副産物が、先駆物質変換・薄膜成長ゾーンに近接する場所に配置されたポンプシステムによって前記処理チャンバから取り除かれる、
ことを特徴とする製法。
【請求項14】
請求項1に記載の製法において、前記処理チャンバが冷水壁チャンバである、
ことを特徴とする製法。
【請求項15】
請求項1に記載の製法による製品。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公表番号】特表2007−515053(P2007−515053A)
【公表日】平成19年6月7日(2007.6.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−545784(P2006−545784)
【出願日】平成16年12月14日(2004.12.14)
【国際出願番号】PCT/US2004/041753
【国際公開番号】WO2005/060632
【国際公開日】平成17年7月7日(2005.7.7)
【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)】