ＣＶＤ装置及び超電導薄膜の成膜方法
【課題】 成長領域に供給された原料ガスが予熱領域へ侵入するのを防ぎ、均質で安定した組成の超電導薄膜を成膜可能なＣＶＤ装置、及びその成膜方法を提供する。
【解決手段】 ２枚の遮蔽板によってテープ状基材の走行方向に３分割された反応室と、これら２枚の遮蔽板で挟まれた成長領域に原料ガスを噴出する原料ガス噴出部と、反応室内のガスを排気するガス排気部と、テープ状基材を加熱するサセプタと、遮蔽板とサセプタの間に形成されたテープ状基材が走行するための開口部を備え、反応室内でサセプタ直上を走行するテープ状基材の表面に原料ガスを供給し化学反応させることにより、このテープ状基材の表面に超電導薄膜を成膜するＣＶＤ装置において、サセプタに略直角に遮蔽ガスを噴出する遮蔽ガス噴出部を備えている。
【解決手段】 ２枚の遮蔽板によってテープ状基材の走行方向に３分割された反応室と、これら２枚の遮蔽板で挟まれた成長領域に原料ガスを噴出する原料ガス噴出部と、反応室内のガスを排気するガス排気部と、テープ状基材を加熱するサセプタと、遮蔽板とサセプタの間に形成されたテープ状基材が走行するための開口部を備え、反応室内でサセプタ直上を走行するテープ状基材の表面に原料ガスを供給し化学反応させることにより、このテープ状基材の表面に超電導薄膜を成膜するＣＶＤ装置において、サセプタに略直角に遮蔽ガスを噴出する遮蔽ガス噴出部を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導薄膜をテープ状基材の表面に形成するＣＶＤ装置及びＣＶＤ装置を用いた超電導薄膜の成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高温超電導体の一種として、イットリウム（Ｙ）に代表される希土類（ＲＥ）元素の酸化物によるＲＥ系超電導体（ＲＥＢＣＯ）が知られている。このＲＥＢＣＯ薄膜の形成には、例えば、基材の表面に原料ガスを供給し化学反応させることにより超電導薄膜を形成させる化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）が利用されている。
【０００３】
超電導線材の製造工程においては、ＣＶＤ装置の反応室内で長尺のテープ状基材を一定速度（１〜１００ｍ／ｈ）で走行させながら、このテープ状基材の表面に原料ガスを供給し化学反応させることにより超電導薄膜を形成する。例えば、化学式ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｙで示されるＹ系超電導体（ＹＢＣＯ）の薄膜を形成する場合には、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕそれぞれのβジケトン金属錯体をテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）などに溶解させ、これらの溶液を所定量ずつ混合して気化した原料ガスを基材の表面に吹き付けて超電導薄膜を成長させる。
【０００４】
このＣＶＤ法による超電導薄膜の形成は、温度に非常に敏感である。従って、超電導薄膜を成長させる間は、反応室内での基材表面温度を好ましい値（以下、成膜温度）に安定に保ち、また、その前後では、基材表面温度を徐々に上昇、下降させる必要がある。例えば、ＹＢＣＯ薄膜を成膜する場合の成膜温度は７００〜８００℃である。
【０００５】
図６は、従来のＣＶＤ装置の反応室の構成を示した断面図である。
図６に示すように、反応室１０は、その内部をテープ状基材５０の走行方向に３分割する遮蔽板１２、走行するテープ状基材５０を加熱するサセプタ１３、反応室１０に超電導薄膜の原料ガスを噴出する原料ガス噴出部１１、サセプタ１３の両脇に設けられた図示略の排気口などを備えている。
このように、以前より、反応室１０内に２枚の遮蔽板１２を設け、テープ状基材５０の表面に超電導層の成膜を行う中央の成長領域Ａ２と、その前後で予熱及び除冷を行う基材導入領域Ａ１及び基材導出領域Ａ３（これらの２領域を併せて予熱領域と呼ぶ）とに分割し、それぞれの領域でテープ状基材５０の表面温度を制御することが行われている（例えば、特許文献１）。また、この予熱領域Ａ１、Ａ３に不活性ガスを供給することで、予熱領域Ａ１、Ａ３における不要な成膜を抑える技術が提案されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−０７３１５１号公報
【特許文献２】特開平５−４４０４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のＣＶＤ装置の構成では、テープ状基材が通過するために設けられた隙間などから原料ガスが予熱領域へ入り込む可能性が高い。そして、予熱領域へ侵入した原料ガスにより基材の表面に不純物が形成されると、この不純物が成長領域での超電導薄膜の形成にまで悪影響を及ぼして、超電導性能の低下につながるという問題がある。
【０００８】
本発明は、成長領域に供給された原料ガスが予熱領域へ侵入するのを防ぐことにより、均質で安定した組成の超電導薄膜を成膜可能なＣＶＤ装置及びこれを用いた超電導薄膜の成膜方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するためになされたもので、
２枚の遮蔽板によってテープ状基材の走行方向に３分割された反応室と、前記２枚の遮蔽板で挟まれた成長領域に原料ガスを噴出する原料ガス噴出部と、前記反応室内のガスを排気するガス排気部と、テープ状基材を加熱するサセプタと、前記遮蔽板と前記サセプタとの間に形成された前記テープ状基材が通過するための開口部とを備え、前記反応室内で前記サセプタの直上を走行するテープ状基材の表面に原料ガスを供給し化学反応させることにより、このテープ状基材の表面に超電導薄膜を成膜するＣＶＤ装置において、
前記サセプタに略直角に遮蔽ガスを噴出し、前記開口部を介してガスが流出入するのを遮断する遮蔽ガス噴出部を備えたことを特徴としている。ここで、略直角とは、サセプタに対し垂直、或いは、遮蔽板の面内で僅かに傾いた角度であることを示し、遮蔽ガスによって開口部を遮断することができる角度である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＣＶＤ装置において、前記遮蔽板は、その下端面が前記テープ状基材の走行面に対して所定間隔だけ離間して設けられ、
前記遮蔽ガス供給部のガス噴出口は、前記遮蔽板の下端面に設けられていることを特徴としている。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のＣＶＤ装置において、前記ガス排気部の排気口は、前記成長領域における前記テープ状基材の走行路の両側に設けられていることを特徴としている。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のＣＶＤ装置において、前記排気口は、前記走行路と平行に、前記成長領域と略同一の長さで設けられていることを特徴としている。ここで、略同一とは、両遮蔽板の間隔と同一、或いは、僅かに短いことを示す。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載のＣＶＤ装置において、前記遮蔽ガス噴出部は、前記原料ガスを前記反応室へ送るキャリアガスと同一の不活性ガスを噴出することを特徴としている。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のＣＶＤ装置において、前記遮蔽ガス噴出部は、前記不活性ガスとしてアルゴンガスを噴出することを特徴としている。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載のＣＶＤ装置を用いた超電導薄膜の成膜方法において、前記原料ガス噴出部による原料ガスの噴出量、前記遮蔽ガス噴出部による遮蔽ガスの噴出量、及び前記ガス排気部の排気量を制御することにより、前記成長領域の両端からそれぞれ５ｍｍ内側に入った位置における前記超電導薄膜の成長速度を、前記成長領域の両端１０ｍｍを除く成長領域内での成長速度の平均の１／１０以下とすることを特徴とする超電導薄膜の成膜方法である。
【００１６】
以下、本発明を完成するに至った経緯について説明する。
本発明者等が図６に示した従来のＣＶＤ装置を用いてテープ状基材５０にＹＢＣＯ薄膜を成膜したところ、成長領域Ａ２においてテープ状基材５０の表面温度が適切に制御されていたにもかかわらず、成膜されたＹＢＣＯ薄膜で所望の特性が得られなかった。そこで、従来のＣＶＤ装置を用いた場合に、ＹＢＣＯ薄膜がどの領域で成膜されるかを調査した。
【００１７】
［実験１］
実験１では、反応室１０内にテープ状基材５０を静止させた状態で配置し、この表面に、成長領域Ａ２の中央部での厚さが１μｍとなるまでＹＢＣＯ薄膜を成長させた。そして、ＹＢＣＯ薄膜（成長層）の成膜状態を目視で確認した。その結果、黒色の成長層は、成長領域Ａ２内だけではなく、予熱領域Ａ１、Ａ３（遮蔽板１２の外面（予熱領域Ａ１又はＡ３側の面）から１５ｍｍの領域）でも形成されることが明らかになった。
【００１８】
また、形成された成長層におけるＹ、Ｂａ、およびＣｕの組成を分析した結果、予熱領域Ａ１又はＡ３で形成された成長層の組成は、超電導体となりうるＹＢＣＯの組成から大きくずれていることが判明した。具体的には、ＢａとＹの組成比Ｂａ／Ｙ、及び、ＣｕとＹの組成比Ｃｕ／Ｙの値がいずれも得られるべき値よりも低下しており、特に、組成比Ｃｕ／Ｙが顕著に低下していた。
つまり、従来のＣＶＤ装置では、予熱領域Ａ１、Ａ３で不純物の層（遷移層）が形成されているという結果が得られた。
【００１９】
これより、本発明者等は、この遷移層が成長領域Ａ２でのＹＢＣＯ薄膜の形成にまで悪影響を及ぼすため、超電導特性（Ｉｃ特性）が劣化するのではないかと推測した。また、従来のＣＶＤ装置においては、成長領域Ａ２と予熱領域Ａ１、Ａ３の境界にテープ状基材５０が通過するための開口部が設けられているため、原料ガスは主にこの開口部を通って予熱領域Ａ１、Ａ３へ流出していると考えた。
かかる知見に基づいて実験を重ね、成長領域Ａ２と予熱領域Ａ１、Ａ３の境界（遮蔽板１２の位置）において、テープ状基材５０が通過するための開口部を塞ぐように遮蔽ガス（不活性ガス）を噴出することにより、原料ガスの予熱領域Ａ１、Ａ３への流出を防止することを案出した。
【００２０】
［実験２］
実験２では、成長領域Ａ２と予熱領域Ａ１、Ａ３の境界においてサセプタ１３（テープ状基材５０）に向けて遮蔽ガスを噴出しながら、実験１と同様にしてＹＢＣＯ薄膜を成長させた。そして、ＹＢＣＯ薄膜（成長層）の成膜状態を目視で確認した。その結果、黒色の成長層は、成長領域Ａ２内だけではなく、予熱領域Ａ１、Ａ３（遮蔽板１２の外面から１ｍｍの領域）でもわずかに形成されていた。
つまり、反応領域Ａ２と予熱領域Ａ１、Ａ３の境界に遮蔽ガスを噴出することで、原料ガスが予熱領域Ａ１、Ａ３に流出するのを効果的に抑制できる（遷移層の生成が低減される）が、さらに改良の余地があることが確認された。
【００２１】
本発明者等は、従来のＣＶＤ装置では、サセプタ１３に沿って広範にわたる排気口が設けられているため、噴出した遮蔽ガスが予熱領域Ａ１、Ａ３側に流れて排気される可能性があり、この遮蔽ガスの流れに伴い、原料ガスが予熱領域Ａ１、Ａ３にわずかに流出するために、予熱領域Ａ１、Ａ３で遷移層が形成されるのではないかと推測した。
かかる知見に基づいて実験を重ね、噴出した遮蔽ガスが成長領域Ａ２の側から排気される構造とする、具体的には排気口を成長領域Ａ２に対応する位置に成長領域Ａ２と略同一の長さで設けることにより、原料ガスの予熱領域Ａ１、Ａ３への流出を防止することを案出した。
【００２２】
［実験３］
実験３では、排気口の両端が成長領域Ａ２の両端から５ｍｍ内側となるように排気口の一部（主に予熱領域Ａ１、Ａ３に対応する部分）を蓋材で塞ぎ、実験２と同様にしてＹＢＣＯ薄膜を成長させた。そして、ＹＢＣＯ薄膜（成長層）の成膜状態を目視で観察したところ、黒色の成長層は成長領域Ａ２内でだけ形成されており、遮蔽板１２の内面（成長領域Ａ２側の面）から１ｍｍの領域にすら形成されていなかった。
【００２３】
本発明は、上述した実験１〜３で示すように本発明者等が鋭意検討を重ね、さらにテープ状基材５０を走行させながらＹＢＣＯ薄膜を成膜したときの有効性を確認して完成されたものであり、均質で安定した組成の超電導薄膜を成膜するにあたり極めて有用な技術である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、基材導入部及び基材導出部への原料ガスの侵入を防ぐことによって不純物の形成を抑えることができるので、基材の表面に均質で安定した組成のＹ系超電導薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態に係るＣＶＤ装置の概略構成を示す図である。
【図２】反応室の構造を具体的に示す斜視図である。
【図３】反応室の内部構造を示す平面図である。
【図４】反応室の断面構造を模式的に示す図である。
【図５】反応室内で期待される超電導薄膜の成長率を示す説明図である。
【図６】従来のＣＶＤ装置の反応室の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態のＣＶＤ装置の概略構成を示す図である。
本実施形態のＣＶＤ装置１は、テープ状基材５０を巻き取り走行させる基材搬送部４０と、超電導薄膜の原料を供給する原料溶液供給部３０と、原料溶液を気化させて反応室１０へ供給する気化器２０と、テープ状基材５０の表面に超電導薄膜を形成する反応室１０と、不活性ガスを反応室１０へ供給する遮蔽ガス供給部６０などを備えている。
【００２７】
原料溶液供給部３０は、テープ状基材５０の表面に形成される薄膜の原料溶液（例えば、ＹＢＣＯの原料であるＹ、Ｂａ、Ｃｕのジケトンによるそれぞれの金属錯体を適宜な分量のテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）に溶解させた溶液）を各々所定の分量ずつ混合して気化器２０へと供給する。
気化器２０は、原料溶液供給部３０から供給された原料溶液をキャリアガスとしてのＡｒとともに噴霧させたのちに加熱して気化させる。その後、気化した原料ガスをＯ２と混合して、反応室１０へと供給する。
反応室１０は、内部を走行するテープ状基材５０の表面に気化器２０から供給された原料ガスを吹き付けて、テープ状基材の表面に成膜を行う。反応室１０の内部の構成に関しては、後に詳述する。
基材搬送部４０は、テープ状基材５０を往復搬送可能に構成されており、反応室１０内においてテープ状基材５０を所定速度で搬送する。
遮蔽ガス供給部６０は、反応室１０に遮蔽ガスとしての不活性ガスを供給する。反応室１０において、この不活性ガスが後述する遮蔽ガスの吹き出し口１２ａから噴出され、超電導薄膜を成膜する成長領域と隣接する領域との境界にガスカーテンが形成される。遮蔽ガスとしての不活性ガスの種類は、特に制限されるものではないが、本実施形態ではＡｒを用いる。
テープ状基材５０は、幅１０ｍｍ程度のテープ形状を有し、例えば、金属基板上に超電導体の結晶粒を二軸配向して成膜させるための中間層が設けられたものが用いられる。
【００２８】
図２は反応室１０の構造を具体的に示す斜視図、図３は反応室１０内部の平面図、図４は反応室１０の基材走行方向に沿った断面構造を模式的に示す図である。なお、図示を省略するが、反応室１０は横長の直方体形状を有しているものとする。また、図２では、反応室１０の上壁（以下、反応室上壁）１６が左側半分のみ描かれており、右側半分は省略されている。
【００２９】
図２〜４に示すように、反応室１０の底壁（以下、反応室底壁）１７には、テープ状基材５０の走行方向に延びるサセプタ１３が設けられている。サセプタ１３は、走行するテープ状基材５０を加熱する熱伝導プレートであり、テープ状基材５０の表面を反応室内で適切な温度に保つように図示略のヒータにより所定の温度に加熱される。
サセプタ１３の寸法は適宜設計されるが、ここではサセプタ１３の長さを４５０ｍｍ、幅を６５ｍｍとする。サセプタ１３の幅方向の略中央１０ｍｍの領域をテープ状基材５０が走行することとなる。
【００３０】
反応室上壁１６には、サセプタ１３とほぼ同一幅で矩形状の２枚の遮蔽板１２、１２が垂直に取り付けられている。遮蔽板１２、１２は、その下端面がサセプタ１３の上面（テープ状基材５０の走行面）に対して所定間隔だけ離間して設けられており、この間隙をテープ状基材５０が通行可能となっている。
遮蔽板１２の寸法及び取付態様は適宜設計されるが、ここでは遮蔽板１２の幅を６３ｍｍ、厚さを４．５ｍｍとする。また、遮蔽板１２、１２の間隔（内面間の距離）を２００ｍｍとし、サセプタ１３の上面と遮蔽板１２の下端面との離間距離を５ｍｍとする。
【００３１】
サセプタ１３の上部は、２枚の遮蔽板１２、１２によって、テープ状基材５０が反応室１０へ進入する基材導入領域Ａ１と、テープ状基材５０の表面に超電導薄膜を成長させる成長領域Ａ２と、テープ状基材５０が反応室１０から外部へ送りだされる基材導出領域Ａ３に分割される。遮蔽板１２、１２が２００ｍｍ間隔で設けられているので、成長領域Ａ２の長さが２００ｍｍとなり、基材導入領域Ａ１及び基材導出領域Ａ３の長さがそれぞれ約１２０ｍｍとなる。
反応室上壁１６の成長領域Ａ２に対応する部分（長さ２００ｍｍ）には、テープ状基材５０と略同一幅の開口部１６ａが設けられており、気化器２０から供給された原料ガスは、この開口部１６ａを介して成長領域Ａ２のみに噴出されるようになっている（図４の原料ガス噴出部１１）。
【００３２】
本実施形態では、遮蔽板１２、１２は、遮蔽ガス供給部６０から供給されて遮蔽ガス通気孔１４を通過した遮蔽ガスを上端から導入して下端からテープ状基材５０へと吹き出す中空の構造となっている。具体的には、図２に示すように、遮蔽ガス通気孔１４から導入された遮蔽ガスがサセプタ１３の横幅に広がって噴出されるように、遮蔽板１２の下端面に遮蔽ガスの出口（吹き出し口）１２ａが形成されている。ここでは、遮蔽ガスの吹き出し口１２ａは遮蔽板１２の下端面より一回り小さく、横６０ｍｍ×縦２ｍｍとする。
つまり、図３に示すように、遮蔽ガスの吹き出し口１２ａは、横幅に対して縦幅（テープ状基材５０の走行方向の厚み）が比較的薄く設定されている。そして、この矩形に設定された吹き出し口１２ａから、遮蔽板１２の真下の領域に遮蔽ガスをカーテン状に吹きつけることが可能となっている。
【００３３】
また、反応室底壁１７の成長領域Ａ２の両脇に位置する部分には、サセプタ１３（テープ状基材５０の走行路）に平行して２条の排気口１５、１５が設けられている。これらの排気口１５、１５は、何れも図示略の排気ポンプに接続されており、反応室１０の内部の原料ガス、キャリアガス、及び、遮蔽ガスを所定の速度で排気する。
この排気口１５は、遮蔽ガスができる限り成長領域Ａ２の内側に大きく入り込まずにテープ状基材５０の走行路の両脇に向かって流れ、排気口１５の両端部から排出される配置及び形状とするのが望ましい。従って、本実施形態では、排気口１５の長さを１９０ｍｍ（成長領域Ａ２より両端で５ｍｍずつ合計１０ｍｍ短い）とし、成長領域Ａ２の長さより僅かに短く設定している。或いは、成長領域Ａ２の長さと同一であっても良い。また、排気口１５の幅を４０ｍｍとし、その中心線１０２は、サセプタ１３の中心線１０１から１００ｍｍ離れた位置とする。
【００３４】
本実施形態では、超電導薄膜の成膜時に、遮蔽板１２の下端に形成された吹き出し口１２ａから遮蔽ガスをカーテン状に噴出し、原料ガスが成長領域Ａ２から基材導入領域Ａ１又は基材導出領域Ａ３に流出しないようにしている。
遮蔽板１２下端面の吹き出し口１２ａから吹き出した遮蔽ガスは、テープ状基材５０の上から遮蔽板１２の下部をテープ状基材５０の走行方向とほぼ垂直に排気口１５へと向かい、排出される。この遮蔽ガスの流れによって、原料ガスが成長領域Ａ２の両端部及び予熱領域Ａ１、Ａ３へ侵入することを防ぐことができる。また、キャリアガスと遮蔽ガスに同一種のＡｒを利用することによって、異なる気体の間での相互作用などを考慮する必要がなくなり、簡便な構成とすることができる。
【００３５】
ここで、遮蔽板１２下端面の吹き出し口１２ａから吹き出した遮蔽ガスの流れは、主に原料ガス及びキャリアガスの供給量と、遮蔽ガスの供給量と、排気口１５からの排気量とのバランスによって決定される。
原料ガス及びキャリアガスの供給量と比較して遮蔽ガスの供給量及び排気量が多い場合には、遮蔽ガスが成長領域Ａ２内に大きく侵入できる状況となり、テープ状基材５０の走行方向への対流が生じたり、テープ状基材５０の表面への原料ガスの到達が妨げられたりする。その結果、成長領域Ａ２における超電導薄膜の成長が妨げられることになる。
一方、遮蔽ガスの供給量が原料ガス及びキャリアガスの供給量や排気量に比べて非常に少ない場合は、遮蔽ガスによる遮断効果が十分に得られなくなる。そして、原料ガスが拡散効果等によって予熱領域Ａ１、Ａ３へ僅かに入り込み不純物が形成される虞がある。
従って、原料ガス及びキャリアガスの供給量、遮蔽ガスの供給量、及び排気量のバランスは、適切に設定されなければならない。また、遮蔽ガスの吹き出し速度や、遮蔽ガスの吹き出し口からテープ状基材５０までの距離といったパラメータも適切に設定する必要がある。
【００３６】
これらのパラメータが適切に設定されていれば、遮蔽板１２に沿って成長領域Ａ２と予熱領域Ａ１、Ａ３との境界に薄い遮蔽ガスの層が形成され、予熱領域Ａ１、Ａ３及び成長領域Ａ２の端部における超電導薄膜の成長率が十分に低下すると考えられる。
そこで、実際に超電導薄膜の成長率を測定し、その結果に基づいて各種パラメータを適切に制御することが可能となる。例えば、図５に示すように、超電導薄膜の成長速度が、成長領域Ａ２内で大きく、予熱領域Ａ１、Ａ３内ではほぼゼロとなるようにし、成長領域Ａ２の両端からそれぞれ５ｍｍ内側に入った位置における成長速度Ｇ２、Ｇ３が、成長領域Ａ２の両端１０ｍｍを除く成長領域Ａ２内での成長速度の平均値ＧＡＶの１／１０以下となるようにすれば、適切な制御ができているといえる。
【００３７】
［第１実施例］
第１実施例では、図２〜４に示した反応室１０を備えたＣＶＤ装置を用いてＹＢＣＯ薄膜の成膜を行った。具体的には、幅１０ｍｍのテープ状基材５０を用い、成長領域Ａ２におけるサセプタ温度をおよそ９２０℃とした。原料ガスとキャリアガス（Ａｒ）、遮蔽ガス（Ａｒ）は、それぞれ１．０ｓｌｍ（standard litre per minute,０℃１気圧での流量）、０．５ｓｌｍの割合で供給され、また、成長領域Ａ２内の気圧を１．３ｋＰａに保つように排気口１５から排気を行った。そして、上記した条件下で、テープ状基材５０を移動速度１０ｍ／ｈで反応室１０内を２．５回往復させることにより、テープ状基材５０の表面に膜厚０．８μｍのＹＢＣＯ薄膜を形成した。
【００３８】
［第２実施例］
第２実施例では、反応室１０における排気口１５の長さを従来のＣＶＤ装置と同様にほぼサセプタ１３の長さと等しい４００ｍｍとし、成長領域Ａ２の両脇だけではなく、予熱領域Ａ１、Ａ３の両脇にも設けられている構成とした。ＣＶＤ装置のその他の構成は、第１実施例と同様である。このＣＶＤ装置を用いて、第１実施例と同一の成膜過程により０．８μｍのＹＢＣＯ薄膜を形成した。
【００３９】
［第１比較例］
一方、第１比較例では、第２実施例と同様のＣＶＤ装置を用い、遮蔽ガスの噴出を行わずに０．８μｍのＹＢＣＯ薄膜を形成した。
［第２比較例］
また、第２比較例では、第２実施例と同様のＣＶＤ装置を用い、０．４ｓｌｍのＡｒと０．１ｓｌｍのＯ２とを混合した遮蔽ガスを噴出させて、０．８μｍのＹＢＣＯ薄膜を形成した。
【００４０】
形成されたこれらのＹＢＣＯ薄膜の臨界電流値Ｉｃを７７Ｋ、０Ｔの条件下で測定したところ、第１、第２比較例では臨界電流値Ｉｃが０となり、すなわち、全く超電導性を示さなかった。これに対し、第１実施例における臨界電流値Ｉｃは１３５Ａであった。従って、この第１実施例の実施形態により超電導特性は大きく改善されることが確認された。また、この第１実施例では、テープ状基材５０を走行させながらの成膜で、上述の実験３において静止状態のテープ状基材５０上に形成された超電導薄膜の臨界電流値Ｉｃ（１５５Ａ）とほぼ同等の結果が得られることも示された。
一方、第２実施例における臨界電流値Ｉｃは１８Ａであった。従って、遮蔽ガスを供給するだけでも原料ガスの予熱領域Ａ１、Ａ３への流出を防ぎ、超電導特性を改善する効果を得られることが確認された。また、遮蔽ガスとしては不活性ガスを用いる必要があることも同時に示された。
【００４１】
以上のように、２枚の遮蔽板１２、１２によってテープ状基材の走行方向にサセプタ１３の上部を３分割し、これら２枚の遮蔽板１２、１２に挟まれた成長領域Ａ２に原料ガスを噴出する原料ガス噴出部１１と、反応室１０内のガスを排気する排気口１５とを備え、反応室内を走行するテープ状基材５０の表面に原料ガスを供給して化学反応させることによりこのテープ状基材５０の表面に超電導薄膜を成膜するＣＶＤ装置において、成長領域Ａ２の両端部で遮蔽ガス吹き出し口１２ａから遮蔽ガスとしてのＡｒガスを遮蔽板１２の開口部を塞ぐように噴出し、成長領域Ａ２と予熱領域Ａ１、Ａ３との間でのガスの流出入を遮断する構成とすることにより、成長領域Ａ２の両端部及び予熱領域Ａ１、Ａ３におけるテープ状基材５０の表面への原料ガスの供給を防ぎ、不純物の成長を十分に抑えることができるので、安定した組成の超電導薄膜を製造することができる。
【００４２】
また、排気口１５は、成長領域Ａ２におけるテープ状基材５０の走行路の両側に設けられ、特に、この走行路と平行、且つ、成長領域Ａ２の長さと略同一の長さとすることにより、原料ガスの予熱領域Ａ１、Ａ３への流出が防止できるので、より安定した組成の超電導薄膜を製造することができる。
【００４３】
更に、遮蔽ガス噴出部としての遮蔽ガス吹き出し口１２ａから噴出する不活性ガスとしての遮蔽ガスをキャリアガスと同一種、特に、Ａｒとすることにより、ガス分子間の相互作用を考慮したり、個別の供給部を設けたりすることなく経済的に超電導薄膜の質を向上させることができる。
【００４４】
なお、本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、テープ状基材の移動速度を変更する場合には、それに応じてヒータ設定温度や予熱領域のサイズ等を変更すればよい。一般に、ヒータ設定温度が同じであってもテープ状基材の移動速度が速くなると、成膜領域における基材表面温度も低くなるためである。
また、例えば、上記の成長領域を複数接続するような構成として、同時に複数個所で超電導薄膜を成長させることとしてもよい。
また、本実施形態のＣＶＤ装置を用いてＹ系以外のＲＥＢＣＯ薄膜を形成する場合には、必要な組成に応じた錯体を原料として利用すればよい。
【００４５】
また、キャリアガスと遮蔽ガスの種類は、両ガス同士及び原料ガスとの化学反応が避けられる限りにおいてＡｒに限られず、例えば、Ｎ２や他の希ガスを用いることも可能である。またそれぞれ別の種類のガスを用いることも可能である。
【００４６】
また、遮蔽板１２は、テープ状基材５０にほぼ垂直な面内に設けられることが望ましいが、原料ガスが成長領域Ａ２内のテープ状基材５０に均一に供給され、且つ、供給された遮蔽ガスが均等に排気口１５へ流れる構成であれば、傾いた配置（例えば、遮蔽板の上端が数度傾いた形状など）としてもよい。
また、遮蔽ガスは、必ずしも遮蔽板１２の内部を中空として供給されなくてもよい。例えば、薄い遮蔽板１２と平行に遮蔽ガスの供給管を別に設けることも可能である。また、吹き出し口１２ａが遮蔽板直近で開口部よりも上方にあり、遮蔽ガスが遮蔽板１２に沿って流れるようにしても良い。
また、遮蔽板１２は、テープ状基材５０の通過部分のみトンネル状に開口し、その下端から遮蔽ガスを吹き出すとともに、テープ状基材５０の走行路の両脇部分では、下端をサセプタ１３及び反応室底壁１７と接続して通気を行わない構造としても良い。
【００４７】
その他、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であり、ＣＶＤ装置の形状、各部の配置やサイズなど、その細部は、特許請求の範囲で示した発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１ ＣＶＤ装置
１０ 反応室
１１ 原料ガス噴出部
１２ 遮蔽板
１２ａ 遮蔽ガス吹き出し口
１３ サセプタ
１４ 遮蔽ガス通気孔
１５ 排気口
１５ａ 排気口の蓋
１６ 反応室上壁
１６ａ 開口部
１７ 反応室底壁
２０ 気化器
３０ 原料溶液供給部
４０ 基材搬送部
５０ テープ状基材
６０ 遮蔽ガス供給部
Ａ１ 基材導入領域
Ａ２ 成長領域
Ａ３ 基材導出領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導薄膜をテープ状基材の表面に形成するＣＶＤ装置及びＣＶＤ装置を用いた超電導薄膜の成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高温超電導体の一種として、イットリウム（Ｙ）に代表される希土類（ＲＥ）元素の酸化物によるＲＥ系超電導体（ＲＥＢＣＯ）が知られている。このＲＥＢＣＯ薄膜の形成には、例えば、基材の表面に原料ガスを供給し化学反応させることにより超電導薄膜を形成させる化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）が利用されている。
【０００３】
超電導線材の製造工程においては、ＣＶＤ装置の反応室内で長尺のテープ状基材を一定速度（１〜１００ｍ／ｈ）で走行させながら、このテープ状基材の表面に原料ガスを供給し化学反応させることにより超電導薄膜を形成する。例えば、化学式ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｙで示されるＹ系超電導体（ＹＢＣＯ）の薄膜を形成する場合には、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕそれぞれのβジケトン金属錯体をテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）などに溶解させ、これらの溶液を所定量ずつ混合して気化した原料ガスを基材の表面に吹き付けて超電導薄膜を成長させる。
【０００４】
このＣＶＤ法による超電導薄膜の形成は、温度に非常に敏感である。従って、超電導薄膜を成長させる間は、反応室内での基材表面温度を好ましい値（以下、成膜温度）に安定に保ち、また、その前後では、基材表面温度を徐々に上昇、下降させる必要がある。例えば、ＹＢＣＯ薄膜を成膜する場合の成膜温度は７００〜８００℃である。
【０００５】
図６は、従来のＣＶＤ装置の反応室の構成を示した断面図である。
図６に示すように、反応室１０は、その内部をテープ状基材５０の走行方向に３分割する遮蔽板１２、走行するテープ状基材５０を加熱するサセプタ１３、反応室１０に超電導薄膜の原料ガスを噴出する原料ガス噴出部１１、サセプタ１３の両脇に設けられた図示略の排気口などを備えている。
このように、以前より、反応室１０内に２枚の遮蔽板１２を設け、テープ状基材５０の表面に超電導層の成膜を行う中央の成長領域Ａ２と、その前後で予熱及び除冷を行う基材導入領域Ａ１及び基材導出領域Ａ３（これらの２領域を併せて予熱領域と呼ぶ）とに分割し、それぞれの領域でテープ状基材５０の表面温度を制御することが行われている（例えば、特許文献１）。また、この予熱領域Ａ１、Ａ３に不活性ガスを供給することで、予熱領域Ａ１、Ａ３における不要な成膜を抑える技術が提案されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−０７３１５１号公報
【特許文献２】特開平５−４４０４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のＣＶＤ装置の構成では、テープ状基材が通過するために設けられた隙間などから原料ガスが予熱領域へ入り込む可能性が高い。そして、予熱領域へ侵入した原料ガスにより基材の表面に不純物が形成されると、この不純物が成長領域での超電導薄膜の形成にまで悪影響を及ぼして、超電導性能の低下につながるという問題がある。
【０００８】
本発明は、成長領域に供給された原料ガスが予熱領域へ侵入するのを防ぐことにより、均質で安定した組成の超電導薄膜を成膜可能なＣＶＤ装置及びこれを用いた超電導薄膜の成膜方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するためになされたもので、
２枚の遮蔽板によってテープ状基材の走行方向に３分割された反応室と、前記２枚の遮蔽板で挟まれた成長領域に原料ガスを噴出する原料ガス噴出部と、前記反応室内のガスを排気するガス排気部と、テープ状基材を加熱するサセプタと、前記遮蔽板と前記サセプタとの間に形成された前記テープ状基材が通過するための開口部とを備え、前記反応室内で前記サセプタの直上を走行するテープ状基材の表面に原料ガスを供給し化学反応させることにより、このテープ状基材の表面に超電導薄膜を成膜するＣＶＤ装置において、
前記サセプタに略直角に遮蔽ガスを噴出し、前記開口部を介してガスが流出入するのを遮断する遮蔽ガス噴出部を備えたことを特徴としている。ここで、略直角とは、サセプタに対し垂直、或いは、遮蔽板の面内で僅かに傾いた角度であることを示し、遮蔽ガスによって開口部を遮断することができる角度である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＣＶＤ装置において、前記遮蔽板は、その下端面が前記テープ状基材の走行面に対して所定間隔だけ離間して設けられ、
前記遮蔽ガス供給部のガス噴出口は、前記遮蔽板の下端面に設けられていることを特徴としている。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のＣＶＤ装置において、前記ガス排気部の排気口は、前記成長領域における前記テープ状基材の走行路の両側に設けられていることを特徴としている。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のＣＶＤ装置において、前記排気口は、前記走行路と平行に、前記成長領域と略同一の長さで設けられていることを特徴としている。ここで、略同一とは、両遮蔽板の間隔と同一、或いは、僅かに短いことを示す。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載のＣＶＤ装置において、前記遮蔽ガス噴出部は、前記原料ガスを前記反応室へ送るキャリアガスと同一の不活性ガスを噴出することを特徴としている。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のＣＶＤ装置において、前記遮蔽ガス噴出部は、前記不活性ガスとしてアルゴンガスを噴出することを特徴としている。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載のＣＶＤ装置を用いた超電導薄膜の成膜方法において、前記原料ガス噴出部による原料ガスの噴出量、前記遮蔽ガス噴出部による遮蔽ガスの噴出量、及び前記ガス排気部の排気量を制御することにより、前記成長領域の両端からそれぞれ５ｍｍ内側に入った位置における前記超電導薄膜の成長速度を、前記成長領域の両端１０ｍｍを除く成長領域内での成長速度の平均の１／１０以下とすることを特徴とする超電導薄膜の成膜方法である。
【００１６】
以下、本発明を完成するに至った経緯について説明する。
本発明者等が図６に示した従来のＣＶＤ装置を用いてテープ状基材５０にＹＢＣＯ薄膜を成膜したところ、成長領域Ａ２においてテープ状基材５０の表面温度が適切に制御されていたにもかかわらず、成膜されたＹＢＣＯ薄膜で所望の特性が得られなかった。そこで、従来のＣＶＤ装置を用いた場合に、ＹＢＣＯ薄膜がどの領域で成膜されるかを調査した。
【００１７】
［実験１］
実験１では、反応室１０内にテープ状基材５０を静止させた状態で配置し、この表面に、成長領域Ａ２の中央部での厚さが１μｍとなるまでＹＢＣＯ薄膜を成長させた。そして、ＹＢＣＯ薄膜（成長層）の成膜状態を目視で確認した。その結果、黒色の成長層は、成長領域Ａ２内だけではなく、予熱領域Ａ１、Ａ３（遮蔽板１２の外面（予熱領域Ａ１又はＡ３側の面）から１５ｍｍの領域）でも形成されることが明らかになった。
【００１８】
また、形成された成長層におけるＹ、Ｂａ、およびＣｕの組成を分析した結果、予熱領域Ａ１又はＡ３で形成された成長層の組成は、超電導体となりうるＹＢＣＯの組成から大きくずれていることが判明した。具体的には、ＢａとＹの組成比Ｂａ／Ｙ、及び、ＣｕとＹの組成比Ｃｕ／Ｙの値がいずれも得られるべき値よりも低下しており、特に、組成比Ｃｕ／Ｙが顕著に低下していた。
つまり、従来のＣＶＤ装置では、予熱領域Ａ１、Ａ３で不純物の層（遷移層）が形成されているという結果が得られた。
【００１９】
これより、本発明者等は、この遷移層が成長領域Ａ２でのＹＢＣＯ薄膜の形成にまで悪影響を及ぼすため、超電導特性（Ｉｃ特性）が劣化するのではないかと推測した。また、従来のＣＶＤ装置においては、成長領域Ａ２と予熱領域Ａ１、Ａ３の境界にテープ状基材５０が通過するための開口部が設けられているため、原料ガスは主にこの開口部を通って予熱領域Ａ１、Ａ３へ流出していると考えた。
かかる知見に基づいて実験を重ね、成長領域Ａ２と予熱領域Ａ１、Ａ３の境界（遮蔽板１２の位置）において、テープ状基材５０が通過するための開口部を塞ぐように遮蔽ガス（不活性ガス）を噴出することにより、原料ガスの予熱領域Ａ１、Ａ３への流出を防止することを案出した。
【００２０】
［実験２］
実験２では、成長領域Ａ２と予熱領域Ａ１、Ａ３の境界においてサセプタ１３（テープ状基材５０）に向けて遮蔽ガスを噴出しながら、実験１と同様にしてＹＢＣＯ薄膜を成長させた。そして、ＹＢＣＯ薄膜（成長層）の成膜状態を目視で確認した。その結果、黒色の成長層は、成長領域Ａ２内だけではなく、予熱領域Ａ１、Ａ３（遮蔽板１２の外面から１ｍｍの領域）でもわずかに形成されていた。
つまり、反応領域Ａ２と予熱領域Ａ１、Ａ３の境界に遮蔽ガスを噴出することで、原料ガスが予熱領域Ａ１、Ａ３に流出するのを効果的に抑制できる（遷移層の生成が低減される）が、さらに改良の余地があることが確認された。
【００２１】
本発明者等は、従来のＣＶＤ装置では、サセプタ１３に沿って広範にわたる排気口が設けられているため、噴出した遮蔽ガスが予熱領域Ａ１、Ａ３側に流れて排気される可能性があり、この遮蔽ガスの流れに伴い、原料ガスが予熱領域Ａ１、Ａ３にわずかに流出するために、予熱領域Ａ１、Ａ３で遷移層が形成されるのではないかと推測した。
かかる知見に基づいて実験を重ね、噴出した遮蔽ガスが成長領域Ａ２の側から排気される構造とする、具体的には排気口を成長領域Ａ２に対応する位置に成長領域Ａ２と略同一の長さで設けることにより、原料ガスの予熱領域Ａ１、Ａ３への流出を防止することを案出した。
【００２２】
［実験３］
実験３では、排気口の両端が成長領域Ａ２の両端から５ｍｍ内側となるように排気口の一部（主に予熱領域Ａ１、Ａ３に対応する部分）を蓋材で塞ぎ、実験２と同様にしてＹＢＣＯ薄膜を成長させた。そして、ＹＢＣＯ薄膜（成長層）の成膜状態を目視で観察したところ、黒色の成長層は成長領域Ａ２内でだけ形成されており、遮蔽板１２の内面（成長領域Ａ２側の面）から１ｍｍの領域にすら形成されていなかった。
【００２３】
本発明は、上述した実験１〜３で示すように本発明者等が鋭意検討を重ね、さらにテープ状基材５０を走行させながらＹＢＣＯ薄膜を成膜したときの有効性を確認して完成されたものであり、均質で安定した組成の超電導薄膜を成膜するにあたり極めて有用な技術である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、基材導入部及び基材導出部への原料ガスの侵入を防ぐことによって不純物の形成を抑えることができるので、基材の表面に均質で安定した組成のＹ系超電導薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態に係るＣＶＤ装置の概略構成を示す図である。
【図２】反応室の構造を具体的に示す斜視図である。
【図３】反応室の内部構造を示す平面図である。
【図４】反応室の断面構造を模式的に示す図である。
【図５】反応室内で期待される超電導薄膜の成長率を示す説明図である。
【図６】従来のＣＶＤ装置の反応室の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態のＣＶＤ装置の概略構成を示す図である。
本実施形態のＣＶＤ装置１は、テープ状基材５０を巻き取り走行させる基材搬送部４０と、超電導薄膜の原料を供給する原料溶液供給部３０と、原料溶液を気化させて反応室１０へ供給する気化器２０と、テープ状基材５０の表面に超電導薄膜を形成する反応室１０と、不活性ガスを反応室１０へ供給する遮蔽ガス供給部６０などを備えている。
【００２７】
原料溶液供給部３０は、テープ状基材５０の表面に形成される薄膜の原料溶液（例えば、ＹＢＣＯの原料であるＹ、Ｂａ、Ｃｕのジケトンによるそれぞれの金属錯体を適宜な分量のテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）に溶解させた溶液）を各々所定の分量ずつ混合して気化器２０へと供給する。
気化器２０は、原料溶液供給部３０から供給された原料溶液をキャリアガスとしてのＡｒとともに噴霧させたのちに加熱して気化させる。その後、気化した原料ガスをＯ２と混合して、反応室１０へと供給する。
反応室１０は、内部を走行するテープ状基材５０の表面に気化器２０から供給された原料ガスを吹き付けて、テープ状基材の表面に成膜を行う。反応室１０の内部の構成に関しては、後に詳述する。
基材搬送部４０は、テープ状基材５０を往復搬送可能に構成されており、反応室１０内においてテープ状基材５０を所定速度で搬送する。
遮蔽ガス供給部６０は、反応室１０に遮蔽ガスとしての不活性ガスを供給する。反応室１０において、この不活性ガスが後述する遮蔽ガスの吹き出し口１２ａから噴出され、超電導薄膜を成膜する成長領域と隣接する領域との境界にガスカーテンが形成される。遮蔽ガスとしての不活性ガスの種類は、特に制限されるものではないが、本実施形態ではＡｒを用いる。
テープ状基材５０は、幅１０ｍｍ程度のテープ形状を有し、例えば、金属基板上に超電導体の結晶粒を二軸配向して成膜させるための中間層が設けられたものが用いられる。
【００２８】
図２は反応室１０の構造を具体的に示す斜視図、図３は反応室１０内部の平面図、図４は反応室１０の基材走行方向に沿った断面構造を模式的に示す図である。なお、図示を省略するが、反応室１０は横長の直方体形状を有しているものとする。また、図２では、反応室１０の上壁（以下、反応室上壁）１６が左側半分のみ描かれており、右側半分は省略されている。
【００２９】
図２〜４に示すように、反応室１０の底壁（以下、反応室底壁）１７には、テープ状基材５０の走行方向に延びるサセプタ１３が設けられている。サセプタ１３は、走行するテープ状基材５０を加熱する熱伝導プレートであり、テープ状基材５０の表面を反応室内で適切な温度に保つように図示略のヒータにより所定の温度に加熱される。
サセプタ１３の寸法は適宜設計されるが、ここではサセプタ１３の長さを４５０ｍｍ、幅を６５ｍｍとする。サセプタ１３の幅方向の略中央１０ｍｍの領域をテープ状基材５０が走行することとなる。
【００３０】
反応室上壁１６には、サセプタ１３とほぼ同一幅で矩形状の２枚の遮蔽板１２、１２が垂直に取り付けられている。遮蔽板１２、１２は、その下端面がサセプタ１３の上面（テープ状基材５０の走行面）に対して所定間隔だけ離間して設けられており、この間隙をテープ状基材５０が通行可能となっている。
遮蔽板１２の寸法及び取付態様は適宜設計されるが、ここでは遮蔽板１２の幅を６３ｍｍ、厚さを４．５ｍｍとする。また、遮蔽板１２、１２の間隔（内面間の距離）を２００ｍｍとし、サセプタ１３の上面と遮蔽板１２の下端面との離間距離を５ｍｍとする。
【００３１】
サセプタ１３の上部は、２枚の遮蔽板１２、１２によって、テープ状基材５０が反応室１０へ進入する基材導入領域Ａ１と、テープ状基材５０の表面に超電導薄膜を成長させる成長領域Ａ２と、テープ状基材５０が反応室１０から外部へ送りだされる基材導出領域Ａ３に分割される。遮蔽板１２、１２が２００ｍｍ間隔で設けられているので、成長領域Ａ２の長さが２００ｍｍとなり、基材導入領域Ａ１及び基材導出領域Ａ３の長さがそれぞれ約１２０ｍｍとなる。
反応室上壁１６の成長領域Ａ２に対応する部分（長さ２００ｍｍ）には、テープ状基材５０と略同一幅の開口部１６ａが設けられており、気化器２０から供給された原料ガスは、この開口部１６ａを介して成長領域Ａ２のみに噴出されるようになっている（図４の原料ガス噴出部１１）。
【００３２】
本実施形態では、遮蔽板１２、１２は、遮蔽ガス供給部６０から供給されて遮蔽ガス通気孔１４を通過した遮蔽ガスを上端から導入して下端からテープ状基材５０へと吹き出す中空の構造となっている。具体的には、図２に示すように、遮蔽ガス通気孔１４から導入された遮蔽ガスがサセプタ１３の横幅に広がって噴出されるように、遮蔽板１２の下端面に遮蔽ガスの出口（吹き出し口）１２ａが形成されている。ここでは、遮蔽ガスの吹き出し口１２ａは遮蔽板１２の下端面より一回り小さく、横６０ｍｍ×縦２ｍｍとする。
つまり、図３に示すように、遮蔽ガスの吹き出し口１２ａは、横幅に対して縦幅（テープ状基材５０の走行方向の厚み）が比較的薄く設定されている。そして、この矩形に設定された吹き出し口１２ａから、遮蔽板１２の真下の領域に遮蔽ガスをカーテン状に吹きつけることが可能となっている。
【００３３】
また、反応室底壁１７の成長領域Ａ２の両脇に位置する部分には、サセプタ１３（テープ状基材５０の走行路）に平行して２条の排気口１５、１５が設けられている。これらの排気口１５、１５は、何れも図示略の排気ポンプに接続されており、反応室１０の内部の原料ガス、キャリアガス、及び、遮蔽ガスを所定の速度で排気する。
この排気口１５は、遮蔽ガスができる限り成長領域Ａ２の内側に大きく入り込まずにテープ状基材５０の走行路の両脇に向かって流れ、排気口１５の両端部から排出される配置及び形状とするのが望ましい。従って、本実施形態では、排気口１５の長さを１９０ｍｍ（成長領域Ａ２より両端で５ｍｍずつ合計１０ｍｍ短い）とし、成長領域Ａ２の長さより僅かに短く設定している。或いは、成長領域Ａ２の長さと同一であっても良い。また、排気口１５の幅を４０ｍｍとし、その中心線１０２は、サセプタ１３の中心線１０１から１００ｍｍ離れた位置とする。
【００３４】
本実施形態では、超電導薄膜の成膜時に、遮蔽板１２の下端に形成された吹き出し口１２ａから遮蔽ガスをカーテン状に噴出し、原料ガスが成長領域Ａ２から基材導入領域Ａ１又は基材導出領域Ａ３に流出しないようにしている。
遮蔽板１２下端面の吹き出し口１２ａから吹き出した遮蔽ガスは、テープ状基材５０の上から遮蔽板１２の下部をテープ状基材５０の走行方向とほぼ垂直に排気口１５へと向かい、排出される。この遮蔽ガスの流れによって、原料ガスが成長領域Ａ２の両端部及び予熱領域Ａ１、Ａ３へ侵入することを防ぐことができる。また、キャリアガスと遮蔽ガスに同一種のＡｒを利用することによって、異なる気体の間での相互作用などを考慮する必要がなくなり、簡便な構成とすることができる。
【００３５】
ここで、遮蔽板１２下端面の吹き出し口１２ａから吹き出した遮蔽ガスの流れは、主に原料ガス及びキャリアガスの供給量と、遮蔽ガスの供給量と、排気口１５からの排気量とのバランスによって決定される。
原料ガス及びキャリアガスの供給量と比較して遮蔽ガスの供給量及び排気量が多い場合には、遮蔽ガスが成長領域Ａ２内に大きく侵入できる状況となり、テープ状基材５０の走行方向への対流が生じたり、テープ状基材５０の表面への原料ガスの到達が妨げられたりする。その結果、成長領域Ａ２における超電導薄膜の成長が妨げられることになる。
一方、遮蔽ガスの供給量が原料ガス及びキャリアガスの供給量や排気量に比べて非常に少ない場合は、遮蔽ガスによる遮断効果が十分に得られなくなる。そして、原料ガスが拡散効果等によって予熱領域Ａ１、Ａ３へ僅かに入り込み不純物が形成される虞がある。
従って、原料ガス及びキャリアガスの供給量、遮蔽ガスの供給量、及び排気量のバランスは、適切に設定されなければならない。また、遮蔽ガスの吹き出し速度や、遮蔽ガスの吹き出し口からテープ状基材５０までの距離といったパラメータも適切に設定する必要がある。
【００３６】
これらのパラメータが適切に設定されていれば、遮蔽板１２に沿って成長領域Ａ２と予熱領域Ａ１、Ａ３との境界に薄い遮蔽ガスの層が形成され、予熱領域Ａ１、Ａ３及び成長領域Ａ２の端部における超電導薄膜の成長率が十分に低下すると考えられる。
そこで、実際に超電導薄膜の成長率を測定し、その結果に基づいて各種パラメータを適切に制御することが可能となる。例えば、図５に示すように、超電導薄膜の成長速度が、成長領域Ａ２内で大きく、予熱領域Ａ１、Ａ３内ではほぼゼロとなるようにし、成長領域Ａ２の両端からそれぞれ５ｍｍ内側に入った位置における成長速度Ｇ２、Ｇ３が、成長領域Ａ２の両端１０ｍｍを除く成長領域Ａ２内での成長速度の平均値ＧＡＶの１／１０以下となるようにすれば、適切な制御ができているといえる。
【００３７】
［第１実施例］
第１実施例では、図２〜４に示した反応室１０を備えたＣＶＤ装置を用いてＹＢＣＯ薄膜の成膜を行った。具体的には、幅１０ｍｍのテープ状基材５０を用い、成長領域Ａ２におけるサセプタ温度をおよそ９２０℃とした。原料ガスとキャリアガス（Ａｒ）、遮蔽ガス（Ａｒ）は、それぞれ１．０ｓｌｍ（standard litre per minute,０℃１気圧での流量）、０．５ｓｌｍの割合で供給され、また、成長領域Ａ２内の気圧を１．３ｋＰａに保つように排気口１５から排気を行った。そして、上記した条件下で、テープ状基材５０を移動速度１０ｍ／ｈで反応室１０内を２．５回往復させることにより、テープ状基材５０の表面に膜厚０．８μｍのＹＢＣＯ薄膜を形成した。
【００３８】
［第２実施例］
第２実施例では、反応室１０における排気口１５の長さを従来のＣＶＤ装置と同様にほぼサセプタ１３の長さと等しい４００ｍｍとし、成長領域Ａ２の両脇だけではなく、予熱領域Ａ１、Ａ３の両脇にも設けられている構成とした。ＣＶＤ装置のその他の構成は、第１実施例と同様である。このＣＶＤ装置を用いて、第１実施例と同一の成膜過程により０．８μｍのＹＢＣＯ薄膜を形成した。
【００３９】
［第１比較例］
一方、第１比較例では、第２実施例と同様のＣＶＤ装置を用い、遮蔽ガスの噴出を行わずに０．８μｍのＹＢＣＯ薄膜を形成した。
［第２比較例］
また、第２比較例では、第２実施例と同様のＣＶＤ装置を用い、０．４ｓｌｍのＡｒと０．１ｓｌｍのＯ２とを混合した遮蔽ガスを噴出させて、０．８μｍのＹＢＣＯ薄膜を形成した。
【００４０】
形成されたこれらのＹＢＣＯ薄膜の臨界電流値Ｉｃを７７Ｋ、０Ｔの条件下で測定したところ、第１、第２比較例では臨界電流値Ｉｃが０となり、すなわち、全く超電導性を示さなかった。これに対し、第１実施例における臨界電流値Ｉｃは１３５Ａであった。従って、この第１実施例の実施形態により超電導特性は大きく改善されることが確認された。また、この第１実施例では、テープ状基材５０を走行させながらの成膜で、上述の実験３において静止状態のテープ状基材５０上に形成された超電導薄膜の臨界電流値Ｉｃ（１５５Ａ）とほぼ同等の結果が得られることも示された。
一方、第２実施例における臨界電流値Ｉｃは１８Ａであった。従って、遮蔽ガスを供給するだけでも原料ガスの予熱領域Ａ１、Ａ３への流出を防ぎ、超電導特性を改善する効果を得られることが確認された。また、遮蔽ガスとしては不活性ガスを用いる必要があることも同時に示された。
【００４１】
以上のように、２枚の遮蔽板１２、１２によってテープ状基材の走行方向にサセプタ１３の上部を３分割し、これら２枚の遮蔽板１２、１２に挟まれた成長領域Ａ２に原料ガスを噴出する原料ガス噴出部１１と、反応室１０内のガスを排気する排気口１５とを備え、反応室内を走行するテープ状基材５０の表面に原料ガスを供給して化学反応させることによりこのテープ状基材５０の表面に超電導薄膜を成膜するＣＶＤ装置において、成長領域Ａ２の両端部で遮蔽ガス吹き出し口１２ａから遮蔽ガスとしてのＡｒガスを遮蔽板１２の開口部を塞ぐように噴出し、成長領域Ａ２と予熱領域Ａ１、Ａ３との間でのガスの流出入を遮断する構成とすることにより、成長領域Ａ２の両端部及び予熱領域Ａ１、Ａ３におけるテープ状基材５０の表面への原料ガスの供給を防ぎ、不純物の成長を十分に抑えることができるので、安定した組成の超電導薄膜を製造することができる。
【００４２】
また、排気口１５は、成長領域Ａ２におけるテープ状基材５０の走行路の両側に設けられ、特に、この走行路と平行、且つ、成長領域Ａ２の長さと略同一の長さとすることにより、原料ガスの予熱領域Ａ１、Ａ３への流出が防止できるので、より安定した組成の超電導薄膜を製造することができる。
【００４３】
更に、遮蔽ガス噴出部としての遮蔽ガス吹き出し口１２ａから噴出する不活性ガスとしての遮蔽ガスをキャリアガスと同一種、特に、Ａｒとすることにより、ガス分子間の相互作用を考慮したり、個別の供給部を設けたりすることなく経済的に超電導薄膜の質を向上させることができる。
【００４４】
なお、本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、テープ状基材の移動速度を変更する場合には、それに応じてヒータ設定温度や予熱領域のサイズ等を変更すればよい。一般に、ヒータ設定温度が同じであってもテープ状基材の移動速度が速くなると、成膜領域における基材表面温度も低くなるためである。
また、例えば、上記の成長領域を複数接続するような構成として、同時に複数個所で超電導薄膜を成長させることとしてもよい。
また、本実施形態のＣＶＤ装置を用いてＹ系以外のＲＥＢＣＯ薄膜を形成する場合には、必要な組成に応じた錯体を原料として利用すればよい。
【００４５】
また、キャリアガスと遮蔽ガスの種類は、両ガス同士及び原料ガスとの化学反応が避けられる限りにおいてＡｒに限られず、例えば、Ｎ２や他の希ガスを用いることも可能である。またそれぞれ別の種類のガスを用いることも可能である。
【００４６】
また、遮蔽板１２は、テープ状基材５０にほぼ垂直な面内に設けられることが望ましいが、原料ガスが成長領域Ａ２内のテープ状基材５０に均一に供給され、且つ、供給された遮蔽ガスが均等に排気口１５へ流れる構成であれば、傾いた配置（例えば、遮蔽板の上端が数度傾いた形状など）としてもよい。
また、遮蔽ガスは、必ずしも遮蔽板１２の内部を中空として供給されなくてもよい。例えば、薄い遮蔽板１２と平行に遮蔽ガスの供給管を別に設けることも可能である。また、吹き出し口１２ａが遮蔽板直近で開口部よりも上方にあり、遮蔽ガスが遮蔽板１２に沿って流れるようにしても良い。
また、遮蔽板１２は、テープ状基材５０の通過部分のみトンネル状に開口し、その下端から遮蔽ガスを吹き出すとともに、テープ状基材５０の走行路の両脇部分では、下端をサセプタ１３及び反応室底壁１７と接続して通気を行わない構造としても良い。
【００４７】
その他、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であり、ＣＶＤ装置の形状、各部の配置やサイズなど、その細部は、特許請求の範囲で示した発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１ ＣＶＤ装置
１０ 反応室
１１ 原料ガス噴出部
１２ 遮蔽板
１２ａ 遮蔽ガス吹き出し口
１３ サセプタ
１４ 遮蔽ガス通気孔
１５ 排気口
１５ａ 排気口の蓋
１６ 反応室上壁
１６ａ 開口部
１７ 反応室底壁
２０ 気化器
３０ 原料溶液供給部
４０ 基材搬送部
５０ テープ状基材
６０ 遮蔽ガス供給部
Ａ１ 基材導入領域
Ａ２ 成長領域
Ａ３ 基材導出領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の遮蔽板によってテープ状基材の走行方向に３分割された反応室と、前記２枚の遮蔽板で挟まれた成長領域に原料ガスを噴出する原料ガス噴出部と、前記反応室内のガスを排気するガス排気部と、テープ状基材を加熱するサセプタと、前記遮蔽板と前記サセプタとの間に形成された前記テープ状基材が通過するための開口部とを備え、前記反応室内で前記サセプタの直上を走行するテープ状基材の表面に原料ガスを供給し化学反応させることにより、このテープ状基材の表面に超電導薄膜を成膜するＣＶＤ装置において、
前記サセプタに略直角に遮蔽ガスを噴出し、前記開口部を介してガスが流出入するのを遮断する遮蔽ガス噴出部を備えたことを特徴とするＣＶＤ装置。
【請求項２】
前記遮蔽板は、その下端面が前記テープ状基材の走行面に対して所定間隔だけ離間して設けられ、
前記遮蔽ガス供給部のガス噴出口は、前記遮蔽板の下端面に設けられていることを特徴とする請求項１記載のＣＶＤ装置。
【請求項３】
前記ガス排気部の排気口は、前記成長領域における前記テープ状基材の走行路の両側に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＶＤ装置。
【請求項４】
前記排気口は、前記走行路と平行に、前記成長領域と略同一の長さで設けられていることを特徴とする請求項３に記載のＣＶＤ装置。
【請求項５】
前記遮蔽ガス噴出部は、前記原料ガスを前記反応室へ送るキャリアガスと同一の不活性ガスを噴出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のＣＶＤ装置。
【請求項６】
前記遮蔽ガス噴出部は、前記不活性ガスとしてアルゴンガスを噴出することを特徴とする請求項５に記載のＣＶＤ装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のＣＶＤ装置を用いた超電導薄膜の成膜方法において、
前記原料ガス噴出部による原料ガスの噴出量、前記遮蔽ガス噴出部による遮蔽ガスの噴出量、及び前記ガス排気部の排気量を制御することにより、前記成長領域の両端からそれぞれ５ｍｍ内側に入った位置における前記超電導薄膜の成長速度を、前記成長領域の両端１０ｍｍを除く成長領域内での成長速度の平均の１／１０以下とすることを特徴とする超電導薄膜の成膜方法。
【請求項１】
２枚の遮蔽板によってテープ状基材の走行方向に３分割された反応室と、前記２枚の遮蔽板で挟まれた成長領域に原料ガスを噴出する原料ガス噴出部と、前記反応室内のガスを排気するガス排気部と、テープ状基材を加熱するサセプタと、前記遮蔽板と前記サセプタとの間に形成された前記テープ状基材が通過するための開口部とを備え、前記反応室内で前記サセプタの直上を走行するテープ状基材の表面に原料ガスを供給し化学反応させることにより、このテープ状基材の表面に超電導薄膜を成膜するＣＶＤ装置において、
前記サセプタに略直角に遮蔽ガスを噴出し、前記開口部を介してガスが流出入するのを遮断する遮蔽ガス噴出部を備えたことを特徴とするＣＶＤ装置。
【請求項２】
前記遮蔽板は、その下端面が前記テープ状基材の走行面に対して所定間隔だけ離間して設けられ、
前記遮蔽ガス供給部のガス噴出口は、前記遮蔽板の下端面に設けられていることを特徴とする請求項１記載のＣＶＤ装置。
【請求項３】
前記ガス排気部の排気口は、前記成長領域における前記テープ状基材の走行路の両側に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＶＤ装置。
【請求項４】
前記排気口は、前記走行路と平行に、前記成長領域と略同一の長さで設けられていることを特徴とする請求項３に記載のＣＶＤ装置。
【請求項５】
前記遮蔽ガス噴出部は、前記原料ガスを前記反応室へ送るキャリアガスと同一の不活性ガスを噴出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のＣＶＤ装置。
【請求項６】
前記遮蔽ガス噴出部は、前記不活性ガスとしてアルゴンガスを噴出することを特徴とする請求項５に記載のＣＶＤ装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のＣＶＤ装置を用いた超電導薄膜の成膜方法において、
前記原料ガス噴出部による原料ガスの噴出量、前記遮蔽ガス噴出部による遮蔽ガスの噴出量、及び前記ガス排気部の排気量を制御することにより、前記成長領域の両端からそれぞれ５ｍｍ内側に入った位置における前記超電導薄膜の成長速度を、前記成長領域の両端１０ｍｍを除く成長領域内での成長速度の平均の１／１０以下とすることを特徴とする超電導薄膜の成膜方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１１７０４５（Ｐ２０１１−１１７０４５Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７６１３２（Ｐ２００９−２７６１３２）
【出願日】平成２１年１２月４日（２００９．１２．４）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月４日（２００９．１２．４）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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