JP2003206134A - 高温超電導厚膜部材およびその製造方法 - Google Patents
高温超電導厚膜部材およびその製造方法Info
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- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来困難であった高い超電導特性を有する長
尺厚膜線材や大面積厚膜を可能とする高温超電導厚膜部
材およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 基板１上に、０．１μｍ以上３μｍ以下
の厚みを有する単結晶性の中間層２が形成されている。
この中間層２上に、０．５μｍ以上３０μｍ以下の厚み
を有する単結晶性の超電導厚膜が塗布熱分解法により形
成されている。
尺厚膜線材や大面積厚膜を可能とする高温超電導厚膜部
材およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 基板１上に、０．１μｍ以上３μｍ以下
の厚みを有する単結晶性の中間層２が形成されている。
この中間層２上に、０．５μｍ以上３０μｍ以下の厚み
を有する単結晶性の超電導厚膜が塗布熱分解法により形
成されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温超電導厚膜部
材に関し、より詳細には、優れた超電導特性を有し、組
成および組織が均一で、かつ実用に値する大きな臨界電
流を担い、長尺もしくは大面積が可能な、特に電力用途
に適する高温超電導厚膜部材およびその製造方法に関す
るものである。
材に関し、より詳細には、優れた超電導特性を有し、組
成および組織が均一で、かつ実用に値する大きな臨界電
流を担い、長尺もしくは大面積が可能な、特に電力用途
に適する高温超電導厚膜部材およびその製造方法に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】高温超電導薄膜は、スパッタリング法、
熱共蒸着法、電子ビーム蒸着法、レーザー蒸着法などの
従来の半導体産業で培われた物理蒸着技術の適用によっ
て、実用化開発が進展している。特に臨界温度が９０Ｋ
に達するＹ（イットリウム）１２３系構造またはＲＥ
（希土類）１２３系構造を有する高温超電導薄膜では、
液体窒素温度（７７Ｋ）を超える臨界温度や１０5Ａ／
ｃｍ2（７７Ｋ、自己磁界下）を超える臨界電流特性が
確認され、研究所レベルでは実用化の進んだＢｉ（ビス
マス）系銀被覆高温超電導線材を完全に凌駕する特性が
確認されている。
熱共蒸着法、電子ビーム蒸着法、レーザー蒸着法などの
従来の半導体産業で培われた物理蒸着技術の適用によっ
て、実用化開発が進展している。特に臨界温度が９０Ｋ
に達するＹ（イットリウム）１２３系構造またはＲＥ
（希土類）１２３系構造を有する高温超電導薄膜では、
液体窒素温度（７７Ｋ）を超える臨界温度や１０5Ａ／
ｃｍ2（７７Ｋ、自己磁界下）を超える臨界電流特性が
確認され、研究所レベルでは実用化の進んだＢｉ（ビス
マス）系銀被覆高温超電導線材を完全に凌駕する特性が
確認されている。
【０００３】このような高温超電導薄膜を用いて、移動
体の通信基地局に用いられるマイクロ波フィルタの実用
化を目指した試作、ＳＱＵＩＤ（Super conducting Qua
ntumInterference Device）現象を利用した心磁計など
のプロトタイプの開発、ジョセフソン効果を利用した高
速電子計算機を目指した要素開発などが急速に進展して
おり、コスト面での従来の常電導機器に比べて性能や長
期信頼性が確認された後には、製品化が進むと期待され
ている。
体の通信基地局に用いられるマイクロ波フィルタの実用
化を目指した試作、ＳＱＵＩＤ（Super conducting Qua
ntumInterference Device）現象を利用した心磁計など
のプロトタイプの開発、ジョセフソン効果を利用した高
速電子計算機を目指した要素開発などが急速に進展して
おり、コスト面での従来の常電導機器に比べて性能や長
期信頼性が確認された後には、製品化が進むと期待され
ている。
【０００４】一方、超電導の「電気抵抗＝０」現象を利
用して、ケーブルやマグネットや限流器などのいわゆる
パワー応用分野でもそのプロトタイプの開発が推進され
ている。高温超電導線材を用いた地中ケーブルが実現で
きれば、都心の地下に直径がメートル級のトンネルを新
たに作製することなく、既存の小さい直径（１５０〜２
００ｍｍφ程度）のトンネルに敷設可能なコンパクト・
大容量ケーブルを構築することができる。これによっ
て、従来の３倍以上の電力を送電でき、東京などの大都
会では膨大なコストを要する地下工事費が不要になり、
コストメリットが生じることから、開発が鋭意進められ
ている。
用して、ケーブルやマグネットや限流器などのいわゆる
パワー応用分野でもそのプロトタイプの開発が推進され
ている。高温超電導線材を用いた地中ケーブルが実現で
きれば、都心の地下に直径がメートル級のトンネルを新
たに作製することなく、既存の小さい直径（１５０〜２
００ｍｍφ程度）のトンネルに敷設可能なコンパクト・
大容量ケーブルを構築することができる。これによっ
て、従来の３倍以上の電力を送電でき、東京などの大都
会では膨大なコストを要する地下工事費が不要になり、
コストメリットが生じることから、開発が鋭意進められ
ている。
【０００５】また、Ｙ系およびＲＥ系薄膜線材は、７７
Ｋの磁場特性がＢｉ系銀被覆線材に比べて非常に優れて
いる。このため、線材の長尺化が進み適正コストで所定
の性能が達成できれば、たとえば金属系超電導線材で適
用化が進んでいるＭＲＩ（Magnetic Resonance Imagin
g）やシリコン単結晶引上げ炉用超電導マグネット用の
線材としてＹ系およびＲＥ系薄膜線材は有力となる。ま
た、薄膜を用いたＳＮ転位型限流器の検討もなされてお
り、マトリックスが安定化材となるＢｉ系銀被覆線材で
は実現不可能なコンパクトで高性能な限流器が、Ｙ系お
よびＲＥ系薄膜において実現可能であるかについても検
討されている。
Ｋの磁場特性がＢｉ系銀被覆線材に比べて非常に優れて
いる。このため、線材の長尺化が進み適正コストで所定
の性能が達成できれば、たとえば金属系超電導線材で適
用化が進んでいるＭＲＩ（Magnetic Resonance Imagin
g）やシリコン単結晶引上げ炉用超電導マグネット用の
線材としてＹ系およびＲＥ系薄膜線材は有力となる。ま
た、薄膜を用いたＳＮ転位型限流器の検討もなされてお
り、マトリックスが安定化材となるＢｉ系銀被覆線材で
は実現不可能なコンパクトで高性能な限流器が、Ｙ系お
よびＲＥ系薄膜において実現可能であるかについても検
討されている。
【０００６】物理蒸着法は、原料ターゲットから成膜し
た高温超電導膜の組成ずれが少なく、気相成長法の中で
も成膜速度が比較的速いという特徴を有している。この
ために、優れた特性を有する薄膜の原理検証の目的にス
パッタ法やレーザー蒸着法が適用されている。しかしな
がら、現状のレーザーやスパッタ装置は薄膜超電導線材
や大面積薄膜の量産を行なう上ではパワーが小さいとい
う問題点がある。
た高温超電導膜の組成ずれが少なく、気相成長法の中で
も成膜速度が比較的速いという特徴を有している。この
ために、優れた特性を有する薄膜の原理検証の目的にス
パッタ法やレーザー蒸着法が適用されている。しかしな
がら、現状のレーザーやスパッタ装置は薄膜超電導線材
や大面積薄膜の量産を行なう上ではパワーが小さいとい
う問題点がある。
【０００７】ＳＱＵＩＤや電子計算機などのエレクトロ
ニクス応用では、高性能を有する膜を少量でも均一に作
製できれば製品化が可能であるが、物理蒸着装置での製
作コストが高いという、実用化にとって根本的な問題が
あった。
ニクス応用では、高性能を有する膜を少量でも均一に作
製できれば製品化が可能であるが、物理蒸着装置での製
作コストが高いという、実用化にとって根本的な問題が
あった。
【０００８】一方、パワー応用分野では、特に大量に低
コストで薄膜が作製できるプロセスが必要であるが、物
理蒸着法は蒸着装置パワーの低出力によって原理検証の
実験用の手法に限られていた。この原因は高温超電導薄
膜の物理蒸着法に必要な大出力を有するレーザー源やス
パッタ源が将来にわたっても高出力化の見通しが限定さ
れることによる。
コストで薄膜が作製できるプロセスが必要であるが、物
理蒸着法は蒸着装置パワーの低出力によって原理検証の
実験用の手法に限られていた。この原因は高温超電導薄
膜の物理蒸着法に必要な大出力を有するレーザー源やス
パッタ源が将来にわたっても高出力化の見通しが限定さ
れることによる。
【０００９】現時点では、たとえばレーザー源としては
出力が高々２００Ｗ程度の産業用レーザーしか製品化で
きていない。このため、たとえば幅１０ｍｍのテープ基
板上に、５μｍ以上の厚い超電導膜を１０ｍ／Ｈ以上の
成膜速度で製作することは原理的に難しい。
出力が高々２００Ｗ程度の産業用レーザーしか製品化で
きていない。このため、たとえば幅１０ｍｍのテープ基
板上に、５μｍ以上の厚い超電導膜を１０ｍ／Ｈ以上の
成膜速度で製作することは原理的に難しい。
【００１０】Ｙ系超電導薄膜を大量に製作できる可能性
のある手法として、たとえば以下の特許文献１（特公平
４−７６３２４号公報）、特許文献２（特公平４−７６
３２３号公報）などに開示されている塗布熱分解法があ
る。この手法は、物理蒸着法よりも簡便な装置を用い
て、線材上や単結晶基板上への厚膜が比較的容易に得ら
れる利点を有しているが、この手法により作製された超
電導膜では臨界電流密度が低いという抜本的な欠点を有
している。
のある手法として、たとえば以下の特許文献１（特公平
４−７６３２４号公報）、特許文献２（特公平４−７６
３２３号公報）などに開示されている塗布熱分解法があ
る。この手法は、物理蒸着法よりも簡便な装置を用い
て、線材上や単結晶基板上への厚膜が比較的容易に得ら
れる利点を有しているが、この手法により作製された超
電導膜では臨界電流密度が低いという抜本的な欠点を有
している。
【００１１】たとえば、単結晶上では１０5〜１０6Ａ／
ｃｍ2（７７Ｋ、０Ｔ）程度のＪｃが得られているが、
大面積膜では膜のクラックや組成ずれなどが生じるた
め、大面積膜化が困難であった。クラックの発生は基板
と超電導厚膜との熱膨張差や結晶のミスマッチに起因し
て生じる。また、組成ずれは基板上からエピタキシャル
成長が不完全に生じることや熱処理によって単結晶化さ
せる過程において不要な物質が気化する際に生じる穴の
発生などに起因している。
ｃｍ2（７７Ｋ、０Ｔ）程度のＪｃが得られているが、
大面積膜では膜のクラックや組成ずれなどが生じるた
め、大面積膜化が困難であった。クラックの発生は基板
と超電導厚膜との熱膨張差や結晶のミスマッチに起因し
て生じる。また、組成ずれは基板上からエピタキシャル
成長が不完全に生じることや熱処理によって単結晶化さ
せる過程において不要な物質が気化する際に生じる穴の
発生などに起因している。
【００１２】さらに、多結晶金属基板上では超電導膜が
配向せず、１０4Ａ／ｃｍ2（７７Ｋ、０Ｔ）クラスのＪ
ｃにとどまっていた。Ｊｃの低い原因は、多結晶基板か
ら成長した超電導厚膜が面内で１方向に配向しないこと
が原因である。これらの結果、高特性と厚膜や量産性を
両立するＹ系超電導薄膜の手法は存在せず、超電導ケー
ブルや限流器などのパワー応用には、Ｙ薄膜の適用は難
しいと考えられていた。
配向せず、１０4Ａ／ｃｍ2（７７Ｋ、０Ｔ）クラスのＪ
ｃにとどまっていた。Ｊｃの低い原因は、多結晶基板か
ら成長した超電導厚膜が面内で１方向に配向しないこと
が原因である。これらの結果、高特性と厚膜や量産性を
両立するＹ系超電導薄膜の手法は存在せず、超電導ケー
ブルや限流器などのパワー応用には、Ｙ薄膜の適用は難
しいと考えられていた。
【００１３】
【特許文献１】特公平４−７６３２４号公報
【００１４】
【特許文献２】特公平４−７６３２３号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】それゆえ本発明の目的
は、従来困難であった高い超電導特性を有する長尺厚膜
線材や大面積厚膜を可能とする高温超電導厚膜部材およ
びその製造方法を提供することである。
は、従来困難であった高い超電導特性を有する長尺厚膜
線材や大面積厚膜を可能とする高温超電導厚膜部材およ
びその製造方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明の高温超電導厚膜
部材は、基板と、単結晶性の中間層と、単結晶性の超電
導厚膜とを備えている。基板は、主表面を有し、かつ単
結晶または多結晶よりなっている。中間層は、基板の主
表面上に形成され、０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みを
有している。超電導厚膜は、中間層上に塗布熱分解法に
より形成され、０．５μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有
している。
部材は、基板と、単結晶性の中間層と、単結晶性の超電
導厚膜とを備えている。基板は、主表面を有し、かつ単
結晶または多結晶よりなっている。中間層は、基板の主
表面上に形成され、０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みを
有している。超電導厚膜は、中間層上に塗布熱分解法に
より形成され、０．５μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有
している。
【００１７】本発明の高温超電導厚膜部材によれば、中
間層を設けたことにより、この中間層の熱膨張係数を基
板よりも超電導厚膜に近いものとすることができる。こ
れにより、基板と超電導厚膜との熱膨張差を緩和するこ
とができ、膜のクラックを防止することが可能となり、
大面積成膜が容易となる。
間層を設けたことにより、この中間層の熱膨張係数を基
板よりも超電導厚膜に近いものとすることができる。こ
れにより、基板と超電導厚膜との熱膨張差を緩和するこ
とができ、膜のクラックを防止することが可能となり、
大面積成膜が容易となる。
【００１８】また、中間層の格子定数を基板よりも超電
導厚膜に近いものとすることができ、それにより基板と
超電導厚膜との結晶のミスマッチによる格子歪みを緩和
することができる。これによっても、膜のクラックを防
止することができ、大面積成膜が容易となる。
導厚膜に近いものとすることができ、それにより基板と
超電導厚膜との結晶のミスマッチによる格子歪みを緩和
することができる。これによっても、膜のクラックを防
止することができ、大面積成膜が容易となる。
【００１９】また、中間層を物理蒸着法などにより形成
できるため、中間層の結晶配向性を良好にすることがで
きる。このため、超電導厚膜を塗布熱分解法により形成
しても、超電導厚膜の結晶配向性を良好にすることがで
き、大きな臨界電流密度を得ることができる。
できるため、中間層の結晶配向性を良好にすることがで
きる。このため、超電導厚膜を塗布熱分解法により形成
しても、超電導厚膜の結晶配向性を良好にすることがで
き、大きな臨界電流密度を得ることができる。
【００２０】よって、従来困難であった高い超電導特性
を有する長尺厚膜線材や大面積厚膜が可能となる。
を有する長尺厚膜線材や大面積厚膜が可能となる。
【００２１】なお、中間層の厚みを０．１μｍ以上３．
０μｍ以下としたのは、０．１μｍ未満では配向性の良
い膜を得ることができず、３．０μｍを超えると結晶配
向性が低下してくるからである。また、超電導厚膜の厚
みを０．５μｍ以上３０μｍ以下としたのは、塗布熱分
解法を用いれば０．５μｍ以上の膜厚を容易に形成で
き、３０μｍを超えると結晶配向性が低下してくるから
である。
０μｍ以下としたのは、０．１μｍ未満では配向性の良
い膜を得ることができず、３．０μｍを超えると結晶配
向性が低下してくるからである。また、超電導厚膜の厚
みを０．５μｍ以上３０μｍ以下としたのは、塗布熱分
解法を用いれば０．５μｍ以上の膜厚を容易に形成で
き、３０μｍを超えると結晶配向性が低下してくるから
である。
【００２２】超電導薄膜を形成する場合、結晶軸は、
「ｃ軸の方向には揃いやすいが、面内ａｂ軸の方向には
揃いにくい」という性質がある。このため、本願におい
て「単結晶性」の結晶とは、「ｃ軸とともに面内ａｂ軸
も揃った、すなわちすべての結晶軸の方向が揃った」結
晶を意味する。
「ｃ軸の方向には揃いやすいが、面内ａｂ軸の方向には
揃いにくい」という性質がある。このため、本願におい
て「単結晶性」の結晶とは、「ｃ軸とともに面内ａｂ軸
も揃った、すなわちすべての結晶軸の方向が揃った」結
晶を意味する。
【００２３】上記高温超電導厚膜部材において好ましく
は、中間層は、基板の熱膨張係数よりも超電導厚膜の熱
膨張係数に近い熱膨張係数を有しており、基板の格子定
数よりも超電導厚膜の格子定数に近い格子定数を有して
いる。
は、中間層は、基板の熱膨張係数よりも超電導厚膜の熱
膨張係数に近い熱膨張係数を有しており、基板の格子定
数よりも超電導厚膜の格子定数に近い格子定数を有して
いる。
【００２４】これにより、上記と同様、従来困難であっ
た高い超電導特性を有する長尺厚膜線材や大面積厚膜が
可能となる。
た高い超電導特性を有する長尺厚膜線材や大面積厚膜が
可能となる。
【００２５】上記高温超電導厚膜部材において好ましく
は、中間層は基板の主表面に対して１０°以下の角度を
持って斜めに傾いた結晶構造を有し、かつ面内の配向性
が傾き角３０°以下である。
は、中間層は基板の主表面に対して１０°以下の角度を
持って斜めに傾いた結晶構造を有し、かつ面内の配向性
が傾き角３０°以下である。
【００２６】これにより良好な結晶配向性とすることが
できる。上記高温超電導厚膜部材において好ましくは、
中間層は、ジルコニウム、イッテルビウム、イットリウ
ムおよびセリウムよりなる群から選ばれる１種以上の酸
化物を含む単層または多層構造を有する。
できる。上記高温超電導厚膜部材において好ましくは、
中間層は、ジルコニウム、イッテルビウム、イットリウ
ムおよびセリウムよりなる群から選ばれる１種以上の酸
化物を含む単層または多層構造を有する。
【００２７】このように中間層の材質を適宜選択するこ
とができる。上記高温超電導厚膜部材において好ましく
は、単結晶の基板の材質は、サファイア、アルミン酸ラ
ンタン、酸化マグネシウムおよびチタン酸ストロンチウ
ムよりなる群から選ばれる１種以上を含んでいる。
とができる。上記高温超電導厚膜部材において好ましく
は、単結晶の基板の材質は、サファイア、アルミン酸ラ
ンタン、酸化マグネシウムおよびチタン酸ストロンチウ
ムよりなる群から選ばれる１種以上を含んでいる。
【００２８】このように基板の材質を適宜選択すること
が可能である。上記高温超電導厚膜部材において好まし
くは、多結晶の基板の材質は、ステンレス、ハステロ
イ、ニッケル、銅およびアルミニウムよりなる群から選
ばれる１種以上を含み、かつ２００μｍ以下の厚みを有
するフレキシブル金属である。
が可能である。上記高温超電導厚膜部材において好まし
くは、多結晶の基板の材質は、ステンレス、ハステロ
イ、ニッケル、銅およびアルミニウムよりなる群から選
ばれる１種以上を含み、かつ２００μｍ以下の厚みを有
するフレキシブル金属である。
【００２９】このように多結晶の基板の材質を適宜選択
することができる。上記高温超電導厚膜部材において好
ましくは、超電導厚膜はＲＥＢＣＯ１２３構造を有し、
かつＲＥ元素はホルミウムを含む。
することができる。上記高温超電導厚膜部材において好
ましくは、超電導厚膜はＲＥＢＣＯ１２３構造を有し、
かつＲＥ元素はホルミウムを含む。
【００３０】なお、本願明細書における「ＲＥＢＣＯ１
２３構造」とは、ＲＥxＢａyＣｕzＯ7-dにおいて、０．
７≦ｘ≦１．３、１．７≦ｙ≦２．３、２．７≦ｚ≦
３．３であることを意味する。
２３構造」とは、ＲＥxＢａyＣｕzＯ7-dにおいて、０．
７≦ｘ≦１．３、１．７≦ｙ≦２．３、２．７≦ｚ≦
３．３であることを意味する。
【００３１】本発明の高温超電導厚膜部材の製造方法
は、以下の工程を備えている。まず単結晶または多結晶
よりなる基板の主表面上に、０．１μｍ以上３μｍ以下
の厚みを有する単結晶性の中間層が形成される。そして
中間層上に、０．５μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有す
る単結晶性の超電導厚膜を塗布熱分解法を用いて形成さ
れる。
は、以下の工程を備えている。まず単結晶または多結晶
よりなる基板の主表面上に、０．１μｍ以上３μｍ以下
の厚みを有する単結晶性の中間層が形成される。そして
中間層上に、０．５μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有す
る単結晶性の超電導厚膜を塗布熱分解法を用いて形成さ
れる。
【００３２】本発明の高温超電導厚膜部材の製造方法に
よれば、中間層を設けたことにより、この中間層の熱膨
張係数を基板よりも超電導厚膜に近いものとすることが
できる。これにより、基板と超電導厚膜との熱膨張差を
緩和することができ、膜のクラックを防止することが可
能となり、大面積成膜が容易となる。
よれば、中間層を設けたことにより、この中間層の熱膨
張係数を基板よりも超電導厚膜に近いものとすることが
できる。これにより、基板と超電導厚膜との熱膨張差を
緩和することができ、膜のクラックを防止することが可
能となり、大面積成膜が容易となる。
【００３３】また、中間層の格子定数を基板よりも超電
導厚膜に近いものにすることができ、それにより基板と
超電導厚膜との結晶のミスマッチによる格子歪みを緩和
することができる。よって、この点からも膜のクラック
を防止することができ大面積成膜が容易となる。
導厚膜に近いものにすることができ、それにより基板と
超電導厚膜との結晶のミスマッチによる格子歪みを緩和
することができる。よって、この点からも膜のクラック
を防止することができ大面積成膜が容易となる。
【００３４】また、中間層を物理蒸着法などにより形成
できるため、中間層の結晶配向性を良好にすることがで
きる。このため、超電導厚膜を塗布熱分解法により形成
しても、超電導厚膜の結晶配向性を良好にすることがで
き、大きな臨界電流密度を得ることができる。
できるため、中間層の結晶配向性を良好にすることがで
きる。このため、超電導厚膜を塗布熱分解法により形成
しても、超電導厚膜の結晶配向性を良好にすることがで
き、大きな臨界電流密度を得ることができる。
【００３５】よって、従来困難であった高い超電導特性
を有する長尺厚膜線材や大面積厚膜の製造が可能とな
る。
を有する長尺厚膜線材や大面積厚膜の製造が可能とな
る。
【００３６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図に基づいて説明する。
て図に基づいて説明する。
【００３７】図１は、本発明の一実施の形態における高
温超電導厚膜部材の構成を概略的に示す断面図である。
図１を参照して、高温超電導厚膜部材５は、単結晶また
は多結晶よりなる基板１と、基板の主表面上に形成され
た単結晶性の中間層２と、中間層２上に形成された単結
晶性の超電導厚膜３とを有している。
温超電導厚膜部材の構成を概略的に示す断面図である。
図１を参照して、高温超電導厚膜部材５は、単結晶また
は多結晶よりなる基板１と、基板の主表面上に形成され
た単結晶性の中間層２と、中間層２上に形成された単結
晶性の超電導厚膜３とを有している。
【００３８】中間層２は、０．１μｍ以上３μｍ以下の
厚みＴ２を有し、超電導厚膜３は、０．５μｍ以上３０
μｍ以下の厚みＴ３を有している。超電導厚膜３は、塗
布熱分解法により形成されている。
厚みＴ２を有し、超電導厚膜３は、０．５μｍ以上３０
μｍ以下の厚みＴ３を有している。超電導厚膜３は、塗
布熱分解法により形成されている。
【００３９】中間層２は、基板１の熱膨張係数よりも超
電導厚膜３の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有し、基板
１の格子定数よりも超電導厚膜３の格子定数に近い格子
定数を有している。
電導厚膜３の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有し、基板
１の格子定数よりも超電導厚膜３の格子定数に近い格子
定数を有している。
【００４０】中間層２は、基板１の主表面に対して１０
°以下の角度θを持って斜めに傾いた結晶２ａよりなる
構造を有している。また面内の配向性の傾き角が３０°
以下となっている。ここで「面内の配向性の傾き角」と
は、「Ｘ線極点図測定におけるピーク半値幅」のことを
意味しており、この値が小さいほどＸ線測定でのピーク
が鋭く、すなわち結晶の配向性が良いことになる。
°以下の角度θを持って斜めに傾いた結晶２ａよりなる
構造を有している。また面内の配向性の傾き角が３０°
以下となっている。ここで「面内の配向性の傾き角」と
は、「Ｘ線極点図測定におけるピーク半値幅」のことを
意味しており、この値が小さいほどＸ線測定でのピーク
が鋭く、すなわち結晶の配向性が良いことになる。
【００４１】基板１が単結晶の場合、基板１の材質は、
サファイア、アルミン酸ランタン、酸化マグネシウムお
よびチタン酸ストロンチウムの単体もしくはこれらの任
意の組合せであることが好ましい。また基板１が多結晶
の場合、基板１の材質は、ステンレス、ハステロイ、ニ
ッケル、銅およびアルミニウムの単体もしくはこれらの
任意の組合せであり、かつ２００μｍ以下の厚みを有す
るフレキシブル金属であることが好ましい。
サファイア、アルミン酸ランタン、酸化マグネシウムお
よびチタン酸ストロンチウムの単体もしくはこれらの任
意の組合せであることが好ましい。また基板１が多結晶
の場合、基板１の材質は、ステンレス、ハステロイ、ニ
ッケル、銅およびアルミニウムの単体もしくはこれらの
任意の組合せであり、かつ２００μｍ以下の厚みを有す
るフレキシブル金属であることが好ましい。
【００４２】また中間層の材質は、ジルコニウム、イッ
テルビウム、イットリウムおよびセリウムから選択され
た単元素系酸化物またはそれらの複合酸化物の単層また
はそれらの単元素系または多元素系物質の多層構造であ
ることが好ましい。
テルビウム、イットリウムおよびセリウムから選択され
た単元素系酸化物またはそれらの複合酸化物の単層また
はそれらの単元素系または多元素系物質の多層構造であ
ることが好ましい。
【００４３】また超電導厚膜３の材質は、ＲＥＢＣＯ１
２３構造を有し、かつＲＥ（希土類）元素がホルミウム
を含むことが好ましい。
２３構造を有し、かつＲＥ（希土類）元素がホルミウム
を含むことが好ましい。
【００４４】次に本実施の形態の製造方法について説明
する。図２は、本発明の一実施の形態における高温超電
導厚膜部材の製造方法を示す図である。図２を参照し
て、まず単結晶または多結晶よりなる基板１が準備さ
れ、その基板１上に、中間層２が形成される（ステップ
Ｓ１）。この後、塗布熱分解法により超電導厚膜３が形
成されて高温超電導厚膜部材５が製造される。この塗布
熱分解法では、まず有機金属原料である金属有機化合物
を有機溶媒に溶かした溶液が調製される（ステップＳ
２）。その後、その溶液を中間層２上に塗布した後に乾
燥することで、金属含有化合物の厚膜が形成される（ス
テップＳ３）。この金属含有化合物の厚膜を加熱焼成す
ることにより超電導厚膜３が形成されて（ステップＳ
４）、高温超電導厚膜部材５が得られる。
する。図２は、本発明の一実施の形態における高温超電
導厚膜部材の製造方法を示す図である。図２を参照し
て、まず単結晶または多結晶よりなる基板１が準備さ
れ、その基板１上に、中間層２が形成される（ステップ
Ｓ１）。この後、塗布熱分解法により超電導厚膜３が形
成されて高温超電導厚膜部材５が製造される。この塗布
熱分解法では、まず有機金属原料である金属有機化合物
を有機溶媒に溶かした溶液が調製される（ステップＳ
２）。その後、その溶液を中間層２上に塗布した後に乾
燥することで、金属含有化合物の厚膜が形成される（ス
テップＳ３）。この金属含有化合物の厚膜を加熱焼成す
ることにより超電導厚膜３が形成されて（ステップＳ
４）、高温超電導厚膜部材５が得られる。
【００４５】中間層２は、０．１μｍ以上３μｍ以下の
厚みで形成され、超電導厚膜３は０．５μｍ以上３０μ
ｍ以下の厚みで形成される。
厚みで形成され、超電導厚膜３は０．５μｍ以上３０μ
ｍ以下の厚みで形成される。
【００４６】また中間層２は、物理蒸着法により形成さ
れることが好ましく、この物理蒸着法は、原料にレーザ
ー光を照射して原料から飛散した物質を基板の主表面上
に蒸着させるレーザーアブレーション法であることが好
ましい。さらに、このレーザーアブレーション法は、図
３に示すように原料（ターゲット）１１のレーザー光１
３が照射される面に対して基板１１の主表面が所定角度
αだけ傾いた状態で行なわれる基板傾斜成膜法（ＩＳ
Ｄ：Inclined Substrate Deposition）であることが好
ましい。この場合、基板１の所定部分がマスク１２で覆
われていてもよい。
れることが好ましく、この物理蒸着法は、原料にレーザ
ー光を照射して原料から飛散した物質を基板の主表面上
に蒸着させるレーザーアブレーション法であることが好
ましい。さらに、このレーザーアブレーション法は、図
３に示すように原料（ターゲット）１１のレーザー光１
３が照射される面に対して基板１１の主表面が所定角度
αだけ傾いた状態で行なわれる基板傾斜成膜法（ＩＳ
Ｄ：Inclined Substrate Deposition）であることが好
ましい。この場合、基板１の所定部分がマスク１２で覆
われていてもよい。
【００４７】この基板傾斜レーザー蒸着法（図３）のプ
ロセスとしては、たとえば１３．３３Ｐａ（１００ｍＴ
ｏｒｒ）程度の低酸素雰囲気において、エキシマレーザ
ーを用いて高密度のレーザー光を実現するために光学系
でビームを絞り焼結体ターゲット１１へ１〜５Ｊ／ｃｍ
2のエネルギ密度でレーザー光１３を照射することで、
アブレーションを生じさせ、基板１を加熱させながらア
ブレーションで生じるプラズマを基板１に当てることに
よってアズデポ膜が生成され、成膜された時点で基本的
な単結晶性構造が形成される。
ロセスとしては、たとえば１３．３３Ｐａ（１００ｍＴ
ｏｒｒ）程度の低酸素雰囲気において、エキシマレーザ
ーを用いて高密度のレーザー光を実現するために光学系
でビームを絞り焼結体ターゲット１１へ１〜５Ｊ／ｃｍ
2のエネルギ密度でレーザー光１３を照射することで、
アブレーションを生じさせ、基板１を加熱させながらア
ブレーションで生じるプラズマを基板１に当てることに
よってアズデポ膜が生成され、成膜された時点で基本的
な単結晶性構造が形成される。
【００４８】このような物理蒸着法を用いて中間層２を
形成することにより、ハステロイや耐熱ステンレスなど
の耐酸化性に優れたフレキシブルな金属基板１上にたと
えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）や酸化セリ
ウム（ＣｅＯ2）などの酸化物を成膜することができ
る。
形成することにより、ハステロイや耐熱ステンレスなど
の耐酸化性に優れたフレキシブルな金属基板１上にたと
えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）や酸化セリ
ウム（ＣｅＯ2）などの酸化物を成膜することができ
る。
【００４９】また、レーザー蒸着法以外の成膜方法以外
に、スパッタや電子ビームなどの物理蒸着法、ＣＶＤ
（Chemical Vapor Deposition）などの化学蒸着法、Ｍ
ＯＤ（Metal Organic Deposition)法などの溶液法など
が用いられてもよい。また中間層２は、塗布熱分解法単
独により形成されてもよく、または塗布熱分解法により
形成された後にレーザーアニール法で単結晶化されて形
成されてもよい。
に、スパッタや電子ビームなどの物理蒸着法、ＣＶＤ
（Chemical Vapor Deposition）などの化学蒸着法、Ｍ
ＯＤ（Metal Organic Deposition)法などの溶液法など
が用いられてもよい。また中間層２は、塗布熱分解法単
独により形成されてもよく、または塗布熱分解法により
形成された後にレーザーアニール法で単結晶化されて形
成されてもよい。
【００５０】なお単結晶の超電導厚膜を塗布熱分解法を
用いて形成する方法として、塗布熱分解法により超電導
厚膜を形成した後に、レーザーアニール法により単結晶
化させる手法がとられてもよい。
用いて形成する方法として、塗布熱分解法により超電導
厚膜を形成した後に、レーザーアニール法により単結晶
化させる手法がとられてもよい。
【００５１】レーザーアニール法に用いられる具体的な
レーザーの種類としては、エキシマレーザーやＹＡＧ
（Yttrium-Aluminum Garnet）レーザーであることが現
実的である。エキシマレーザーの波長は、その利用する
ガスの種類によっても異なるが、０．１μｍ以上０．５
μｍ以下である。詳しくは、Ｆ2で１５７ｎｍ、ＡｒＦ
で１９３ｎｍ、ＫｒＦで２４８ｎｍ、ＸｅＣｌで３０８
ｎｍ、ＸｅＦで３５１ｎｍが実現できており、出力の現
状の最高値は１５０Ｗから２００Ｗである。ＹＡＧレー
ザーの波長は、０．５μｍ以上２μｍ以下であり、典型
的には１．０６μｍである。ＹＡＧレーザーは、近年半
導体結晶の進展とともに、大出力化・長時間化発振の開
発が急速に進んでおり、現時点でもＬＤ励起で３ｋＷの
出力のものが販売されている。大出力レーザーとして
は、もちろんＹＡＧに限定されることはなく、炭酸ガス
レーザー（１０．６μｍ）などを適用することもでき
る。また、短波長レーザーもエキシマレーザーに限ら
ず、０．５μｍ以下で数百Ｗクラスのレーザーが使用で
きれば、エキシマレーザーに限定されることはない。
レーザーの種類としては、エキシマレーザーやＹＡＧ
（Yttrium-Aluminum Garnet）レーザーであることが現
実的である。エキシマレーザーの波長は、その利用する
ガスの種類によっても異なるが、０．１μｍ以上０．５
μｍ以下である。詳しくは、Ｆ2で１５７ｎｍ、ＡｒＦ
で１９３ｎｍ、ＫｒＦで２４８ｎｍ、ＸｅＣｌで３０８
ｎｍ、ＸｅＦで３５１ｎｍが実現できており、出力の現
状の最高値は１５０Ｗから２００Ｗである。ＹＡＧレー
ザーの波長は、０．５μｍ以上２μｍ以下であり、典型
的には１．０６μｍである。ＹＡＧレーザーは、近年半
導体結晶の進展とともに、大出力化・長時間化発振の開
発が急速に進んでおり、現時点でもＬＤ励起で３ｋＷの
出力のものが販売されている。大出力レーザーとして
は、もちろんＹＡＧに限定されることはなく、炭酸ガス
レーザー（１０．６μｍ）などを適用することもでき
る。また、短波長レーザーもエキシマレーザーに限ら
ず、０．５μｍ以下で数百Ｗクラスのレーザーが使用で
きれば、エキシマレーザーに限定されることはない。
【００５２】また基板１が線状（テープ状を含む）の場
合には、図４に示すように一方端側をロール２１に巻付
けて他方端側をロール２２で巻取ることにより、チャン
バ２３内で中間層２が基板１上に形成され、チャンバ２
４内で超電導厚膜３が形成されてもよい。
合には、図４に示すように一方端側をロール２１に巻付
けて他方端側をロール２２で巻取ることにより、チャン
バ２３内で中間層２が基板１上に形成され、チャンバ２
４内で超電導厚膜３が形成されてもよい。
【００５３】また、基板１の大きさが１００ｃｍ2以上
の場合には、基板１を図５の矢印方向に示すように揺動
させるか、または図６の矢印で示すように回転させなが
ら中間層２と超電導厚膜３とが形成されることが好まし
い。
の場合には、基板１を図５の矢印方向に示すように揺動
させるか、または図６の矢印で示すように回転させなが
ら中間層２と超電導厚膜３とが形成されることが好まし
い。
【００５４】なお、超電導厚膜３には、少なくとも仮焼
結、本焼結、ポストアニールおよび酸素アニールの４つ
の処理が施されることが好ましく、また超電導厚膜３は
基板１の両面に形成されてもよい。
結、本焼結、ポストアニールおよび酸素アニールの４つ
の処理が施されることが好ましく、また超電導厚膜３は
基板１の両面に形成されてもよい。
【００５５】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【００５６】サファイア単結晶基板上に酸化セリウムの
中間層をレーザーアブレーション法により形成した。中
間層の厚みは１μｍであった。
中間層をレーザーアブレーション法により形成した。中
間層の厚みは１μｍであった。
【００５７】この中間層上に塗布熱分解法でＹＢａ2Ｃ
ｕ3Ｏ7-dの組成で表わされる超電導厚膜を形成した。出
発原料は、Ｙ：Ｂａ：Ｃｕの組成比が１：２：３になる
ように各元素のナフテン酸塩をエタノール溶媒に溶かし
たものを調合し、塗布、熱処理、酸素アニールを施すこ
とで超電導厚膜を形成した。形成した超電導膜につい
て、膜厚と臨界電流密度とを測定した。表１に超電導膜
の膜厚と臨界電流密度との関係を示す。
ｕ3Ｏ7-dの組成で表わされる超電導厚膜を形成した。出
発原料は、Ｙ：Ｂａ：Ｃｕの組成比が１：２：３になる
ように各元素のナフテン酸塩をエタノール溶媒に溶かし
たものを調合し、塗布、熱処理、酸素アニールを施すこ
とで超電導厚膜を形成した。形成した超電導膜につい
て、膜厚と臨界電流密度とを測定した。表１に超電導膜
の膜厚と臨界電流密度との関係を示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】表１の結果より、レーザーアブレーション
法で所定の中間層を形成した後、塗布熱分解法で超電導
厚膜を成膜すれば、０．５μｍ以上３０μｍ以下の超電
導厚膜において優れた超電導特性が得られることが明ら
かになった。
法で所定の中間層を形成した後、塗布熱分解法で超電導
厚膜を成膜すれば、０．５μｍ以上３０μｍ以下の超電
導厚膜において優れた超電導特性が得られることが明ら
かになった。
【００６０】今回開示された実施の形態および実施例は
すべての点で例示であって制限的なものではないと考え
られるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではな
くて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と
均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれるこ
とが意図される。
すべての点で例示であって制限的なものではないと考え
られるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではな
くて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と
均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれるこ
とが意図される。
【００６１】
【発明の効果】本発明の高温超電導厚膜部材は、以上述
べたように薄膜線材や大面積膜の量産効果を得るのに特
に有効であるが、たとえば長尺イットリウム系線材のリ
ペア技術にも適している。たとえば金属基板上に長尺線
材を作製しても部分的に特性の低い箇所が生じるが、本
発明を用いればその部分に超電導膜を形成可能であり、
律速工程の改善にも本発明は有効である。
べたように薄膜線材や大面積膜の量産効果を得るのに特
に有効であるが、たとえば長尺イットリウム系線材のリ
ペア技術にも適している。たとえば金属基板上に長尺線
材を作製しても部分的に特性の低い箇所が生じるが、本
発明を用いればその部分に超電導膜を形成可能であり、
律速工程の改善にも本発明は有効である。
【００６２】また、限流器などへの適用には、大面積の
膜が要求される。一般に物理蒸着法では一度に成膜でき
る面積が小さいため、工業的に低コストで均一な高特性
を得るためには、蒸着面積を大きくする必要がある。本
発明は、基板の揺動や回転を組合せることによって大面
積膜の形成にも適した手法となる。
膜が要求される。一般に物理蒸着法では一度に成膜でき
る面積が小さいため、工業的に低コストで均一な高特性
を得るためには、蒸着面積を大きくする必要がある。本
発明は、基板の揺動や回転を組合せることによって大面
積膜の形成にも適した手法となる。
【００６３】本発明では、フレキシブルな金属基板上、
もしくは単結晶または多結晶あるいは金属基板上に中間
層を介して成膜された線材または大面積膜が好ましい対
象となる。フレキシブル金属基板上の長尺線材で大電流
を流すことができれば、ケーブルやマグネットなど産業
用途に与えるインパクトは非常に大きい。また、ビスマ
ス系銀被覆線材と比較しても、７７Ｋの磁場下における
臨界電流密度Ｊｃは飛躍的に高く、また過冷却窒素や冷
凍機の冷却で７７Ｋ以下に冷却して使用する環境下であ
れば、磁場特性はビスマス系銀被覆線材に比較して磁場
強度にもよるが一桁程度のオーダで大きい。このため、
実用材料としてその量産性が可能になればコスト的に一
桁程度ビスマス系銀被覆超電導線材を上回ってもコスト
メリットが出てくる。
もしくは単結晶または多結晶あるいは金属基板上に中間
層を介して成膜された線材または大面積膜が好ましい対
象となる。フレキシブル金属基板上の長尺線材で大電流
を流すことができれば、ケーブルやマグネットなど産業
用途に与えるインパクトは非常に大きい。また、ビスマ
ス系銀被覆線材と比較しても、７７Ｋの磁場下における
臨界電流密度Ｊｃは飛躍的に高く、また過冷却窒素や冷
凍機の冷却で７７Ｋ以下に冷却して使用する環境下であ
れば、磁場特性はビスマス系銀被覆線材に比較して磁場
強度にもよるが一桁程度のオーダで大きい。このため、
実用材料としてその量産性が可能になればコスト的に一
桁程度ビスマス系銀被覆超電導線材を上回ってもコスト
メリットが出てくる。
【００６４】また、ビスマス系銀被覆線材では、達成で
きない機器応用も可能となる。たとえば、ＳＮ転位型限
流器は、ビスマス系銀被覆線材では構築不可能であり、
大面積を有するイットリウム系膜が低コストかつ高均一
特性で大量生産が可能になれば、落雷などによる系統事
故発生時のリスク分散が可能となることから、今後分散
化が進む電力系統の信頼性は飛躍的に高まるばかりでな
く、分散化電源の導入も効果的に促進され得る。
きない機器応用も可能となる。たとえば、ＳＮ転位型限
流器は、ビスマス系銀被覆線材では構築不可能であり、
大面積を有するイットリウム系膜が低コストかつ高均一
特性で大量生産が可能になれば、落雷などによる系統事
故発生時のリスク分散が可能となることから、今後分散
化が進む電力系統の信頼性は飛躍的に高まるばかりでな
く、分散化電源の導入も効果的に促進され得る。
【図１】 本発明の一実施の形態における高温超電導厚
膜部材の構成を概略的に示す断面図である。
膜部材の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】 本発明の一実施の形態における高温超電導厚
膜部材の製造方法を示す図である。
膜部材の製造方法を示す図である。
【図３】 基板傾斜レーザー蒸着法を説明するための断
面図である。
面図である。
【図４】 基板が線状である場合の製造方法を説明する
ための図である。
ための図である。
【図５】 基板を揺動させる様子を示す斜視図である。
【図６】 基板を回転させる様子を示す斜視図である。
１ 基板、２ 中間層、３ 超電導厚膜、５ 高温超電
導厚膜部材。
導厚膜部材。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 大松 一也
大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電
気工業株式会社大阪製作所内
Ｆターム(参考） 4G047 JA03 JB03 JC02 KA01 KD02
KD03 KG01 LB01
4G077 AA03 BC53 CB08 EF02 HA08
5G321 AA02 BA01 BA04 CA04 CA22
CA24 CA27 DB21
Claims (8)
- 【請求項１】 主表面を有し、かつ単結晶または多結晶
よりなる基板と、 前記基板の主表面上に形成された、０．１μｍ以上３μ
ｍ以下の厚みを有する単結晶性の中間層と、 前記中間層上に塗布熱分解法により形成された、０．５
μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有する単結晶性の超電導
厚膜とを備えた、高温超電導厚膜部材。 - 【請求項２】 前記中間層は、前記基板の熱膨張係数よ
りも前記超電導厚膜の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有
しており、前記基板の格子定数よりも前記超電導厚膜の
格子定数に近い格子定数を有している、請求項１に記載
の高温超電導厚膜部材。 - 【請求項３】 前記中間層は、前記基板の主表面に対し
て１０°以下の角度を持って斜めに傾いた結晶構造を有
し、かつ面内の配向性の傾き角が３０°以下であること
を特徴とする、請求項１または２に記載の高温超電導厚
膜部材。 - 【請求項４】 前記中間層は、ジルコニウム、イッテル
ビウム、イットリウムおよびセリウムよりなる群から選
ばれる１種以上の酸化物を含む単層または多層構造を有
することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載
の高温超電導厚膜部材。 - 【請求項５】 単結晶の前記基板の材質は、サファイ
ア、アルミン酸ランタン、酸化マグネシウムおよびチタ
ン酸ストロンチウムよりなる群から選ばれる１種以上を
含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載
の高温超電導厚膜部材。 - 【請求項６】 多結晶の前記基板の材質は、ステンレ
ス、ハステロイ、ニッケル、銅およびアルミニウムより
なる群から選ばれる１種以上を含み、かつ２００μｍ以
下の厚みを有するフレキシブル金属であることを特徴と
する、請求項１〜４のいずれかに記載の高温超電導厚膜
部材。 - 【請求項７】 前記超電導厚膜の材質は、ＲＥＢＣＯ１
２３構造を有し、かつＲＥ（希土類）元素はホルミウム
を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記
載の高温超電導厚膜部材。 - 【請求項８】 単結晶または多結晶よりなる基板の主表
面上に、０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みを有する単結
晶性の中間層を形成する工程と、 前記中間層上に、０．５μｍ以上３０μｍ以下の厚みを
有する単結晶性の超電導厚膜を塗布熱分解法を用いて形
成する工程とを備えた、高温超電導厚膜部材の製造方
法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002352519A JP4521693B2 (ja) | 2002-12-04 | 2002-12-04 | 高温超電導厚膜部材およびその製造方法 |
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003206134A true JP2003206134A (ja) | 2003-07-22 |
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|---|---|---|---|
| JP2002352519A Expired - Fee Related JP4521693B2 (ja) | 2002-12-04 | 2002-12-04 | 高温超電導厚膜部材およびその製造方法 |
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|---|---|
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