JP2005534157A

JP2005534157A - テープ基板上の超伝導材料のための方法および装置

Info

Publication number: JP2005534157A
Application number: JP2004524678A
Authority: JP
Inventors: イグナティーヴ，アレクス; ズァング，ズァイン; ズェン，ジァン，ミン; リウ，ジアシュ; シュー，ペンシュ; キャステラーニ，ルーイス，ディー
Original assignee: メトル、アクサイド、テクナラジズ、インク
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2005-11-10
Also published as: EP1525627A2; CN100561766C; JP2011060769A; AU2003261212A1; CN1689170A; WO2004012278A3; KR20050048590A; KR101093085B1; EP1525627B1; WO2004012278A2; US20040016401A1

Abstract

本発明では超伝導層を成長させるために用いる材料を移動するテープ上に連続的に堆積させる。本発明では、繰り出しリール（４０１）および取り込みリール（４０６）を使用してそれぞれテープ基板を一定の速度で繰り出し巻き取ることが好ましい。本発明では、一連のステージを用いてこのテープ上に超伝導層を形成し、超伝導層形成に用いられるテープ基板上に１つまたは複数の材料を堆積させる少なくとも１つの反応炉すなわち反応チャンバ（６０１ｃ）と、超伝導体と金属テープ基板の間、または超伝導体層間にバッファ層を堆積させるため、ならびにコーティング層を堆積させる１つまたは複数のチャンバ（６０１ａ、６０１ｂ）とが備えられる。また、本発明では、各ステージ間で移行チャンバ（７０１）を使用してエッチング・ステージを他の諸ステージと分離することが好ましい。

Description

本発明は一般に、超伝導体に関し、詳細には、超伝導材料をテープ基板上に形成する方法および装置に関する。

本出願は、同時に出願され本願譲受人に譲渡された２００２年７月２６日に出願された「テープ基板上の超伝導材料」という名称の米国特許出願第１０／２０６，９００号、および同時に出願され本願譲受人に譲渡された２００２年７月２６日に出願された「テープ基板上に薄膜を形成する方法および装置」という名称の米国特許出願第１０／２０６，７８３号の関連出願であり、これらの出願に開示された内容は参照により本明細書に組み込まれている。

金属中の電気抵抗は、固体を伝播する電子が、完全な並進対称からの偏差のせいで散乱されるために生じる。これらの偏差は、不純物かあるいはフォノン格子振動のどちらかによって発生する。抵抗に対して、不純物は温度に依存しない寄与分を形成し、振動は温度に依存する寄与分を形成する。

用途によっては、電気抵抗は極めて望ましくない。たとえば、電力送信においては、電気抵抗は電力損失すなわちロスを生じる。この電力損失は、通常のワイア中では電流に比例して大きくなる、すなわち、Ｐ＝Ｉ^２Ｒ。すなわち、大電流を運ぶワイアは、大量のエネルギーを失う。さらに、変圧器が長いほど、モータが大きいほど、または伝送距離が長いほど、より長いワイアが使用され、損失がより大きくなる。というのは、ワイア中の抵抗はその長さに比例するからである。したがって、たとえ比較的電流が小さくても、ワイアの長さが増大するにつれてより多くのエネルギーがワイア中で失われる。したがって、発電所は、消費者が使用するより多くのエネルギーを発生させる。というのは、エネルギーの一部がワイアの抵抗によって失われるからである。

その転移温度Ｔ_ｃ未満に冷却された超伝導体中には抵抗が無い。というのは、散乱機構が電流担体の運動を妨げることができないからである。最も知られた種類の超伝導材料中では、クーパー対として知られる電子対によって電流が運ばれる。２つの負に帯電した電子が結合される機構は、ＢＣＳ（バーデンクーパーシュリーファー）理論によって説明される。超伝導状態、すなわちＴ_ｃ未満で、電子対の結合エネルギーは、フェルミ・エネルギーすなわち固体中の最大占有レベルであるＥ_ｆでのエネルギー・スペクトル中にギャップの開口をもたらす。これによって、対の状態を「通常の」単一電子状態から分離させる。クーパー対の大きさは、一般的に１０００Åである可干渉距離によって与えられるが、銅酸化物中では３０Åほどに小さくなることができる。１対によって占有される空間は他の多くの対を含み、それによって、対の占有状態の複雑な相互依存関係が形成される。したがって、これらの対を散乱させるには熱エネルギーが不十分である。というのは、対のうちの１つの電子の進行方向を反転させる場合は、その対および他の多くの複雑な相互依存関係に起因する対を破壊する必要があるからである。その結果、これらの対は、電流を妨げられずに運ぶ。超伝導体理論のより詳しい情報についてはエム、ティンカム（M. Tinkham）の「超伝導入門（Introduction to Superconductivity）」（１９７５年マグローヒル、ニューヨーク）を参照されたい。

多くの様々な材料は、それらのＴ_ｃ未満の温度に冷却されると超伝導体になることができる。たとえば、いくつかの古典的なＩ型超伝導体は、（それらのそれぞれのケルビン温度（Ｋ）でのＴ_ｃを共に表すと）カーボン１５Ｋ、鉛７．２Ｋ、ランタン４．９Ｋ、タンタル４．４７Ｋ、および水銀４．４７Ｋである。いくつかのＩＩ型超伝導体は、高温超電導体の新しい種類の一部であるが、（それらのそれぞれのケルビン温度（Ｋ）でのＴ_ｃを共に表すと）Hg_0.8Tl_0.2Ba₂Ca₂Cu₃O_8.33 １３８Ｋ、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ １１８Ｋ、およびYBa₂Cu₃O_7-x ９３Kである。最後の超伝導体は、その組成、すなわち、イットリウム、バリウム、銅、および酸素の故にＹＢＣＯ超伝導体としてもよく知られているが、特に電力用として最高の性能で、最高に安定な高温超伝導体とみなされている。ＹＢＣＯはペロブスカイト構造である。この構造は、金属酸化物構造中に複雑な原子の層構造を有する。図１にイットリウム原子１０１、バリウム原子１０２、銅原子１０３、および酸素原子１０４を含むYBa₂Cu₃O₇の構造を示す。酸化物超伝導体に関するより詳しい情報は、ロバート、ジェイ、キャバ（Robert J. Cava）の「酸化物超伝導体（Oxide Superconductors）」（２０００年、ジャーナル・オブ・アメリカンセラミック・ソサイアティ（J. Am. Ceram. Soc）８３巻、１号、５〜２８頁）を参照されたい。

ＹＢＣＯ超伝導体特有の問題、および酸化物超伝導体一般の問題は、それらがそれらの酸化物特性の故に製造し難く、それらの複雑な原子構造の故に超伝導形状に製造することが難しいことである。構造中の最小の欠陥、たとえば、原子構造の不規則化または化学組成の変化が、それらの超伝導特性を破壊し、または深刻に劣化させることがある。欠陥は多くの原因、なかんずく、不純物、不適切な材料濃度、不適切な材料相、不適切な温度、粗末な原子構造、および基板への不適切な材料供給から生じ得る。

薄膜ＹＢＣＯ超伝導体は、パルス・レーザ堆積、スパッタリング、有機金属堆積、物理気相成長、および化学気相成長を含む多くの方法で製作することができる。薄膜ＹＢＣＯ超伝導体の堆積の場合の２つの典型的な方法を本明細書で例として説明する。第１の方法は、図２に示すように反応チャンバ２００中でウェハ基板上に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）によってＹＢＣＯを形成する。この製作方法は半導体デバイスのものと類似している。ウェハ基板をホルダー２０１上に載置する。この基板をヒータ２０２で加熱する。また、このウェハ基板を回転させ、それによって基板ウェハ上へのより均一な堆積ならびに基板のより均一な加熱を可能にする。ガス状の材料を入口２０４からシャワー・ヘッド２０３によって基板に供給する。このシャワー・ヘッド２０３は、基板ウェハ上に材料の層流を供給する。この材料は加熱されたウェハ上に集まり超伝導体を成長させる。余剰な材料は、ポンプに結合した排気口２０８を経由してチャンバ２００から除去する。チャンバ２００の壁面上への望まない材料の堆積を防ぐために、冷却液を壁面中のジャケット２０５に流す。シャワー・ヘッド２０３の内側に材料が蓄積するのを防ぐために冷却液をシャワー・ヘッド中のコイル２０６に流す。ドア２０７は、被膜／基板試料の挿入および取り出しのためにチャンバ２００の内側へアクセス可能にする。この被膜の処理は光学ポート２０９からモニタすることができる。

第２の方法では、連続的な金属テープ基板３０１を使用する可能性を含む、基板上へのパルス・レーザ堆積によってＹＢＣＯを形成する。このテープ基板３０１は、反応チャンバ３００の内側で２つのローラ３０２および３０３によって支持する。ローラ３０２は、ＹＢＣＯの成長を可能にする温度までテープ３０１を加熱するヒータ３０４を備える。この材料３０５は、一般的にはエキシマ・レーザ３０６によってターゲットを照射することによってＹＢＣＯターゲットから柱状噴流状に蒸発させる。次いで、この柱状噴流蒸気が基板３０１上にＹＢＣＯ超伝導膜を形成する。ローラ３０２および３０３は、レーザ・ターゲットを通過したテープの連続的な運動を可能にし、したがってテープ上へのＹＢＣＯ材料の連続的な被覆を可能にする。レーザ３０６はチャンバ３００の外部にあり、レーザ３０６からのビームは光学ポート３０７を経由してチャンバ３００に入射することに留意されたい。次いで、得られたテープを切断し、ＹＢＣＯ超伝導体材料の層を有するテープまたはリボンを形成する。

上記で説明した高温超電導体薄膜の形成方法のどちらも電力用の銅（または他の金属）ワイアの置き換えに使用できるＹＢＣＯの長い長さのテープまたはリボンを作製することができない。第１の方法は、超伝導体材料の小片をウェハ上に作製することを可能にするに過ぎない、たとえば、バッチ・プロセス。第２に方法は、数フィート（ただし、１フィートは３０．３ｃｍである）の長さのテープを作製するのに使用できるだけであり、厚さ数ミクロンの超伝導膜を作り出すのに複数パスを使用する。第２の方法は、約５フィート（約１．５メートル）の実際上の限界がある。より長いテープにはより長い加熱チャンバが必要になる。より長い加熱ローラも必要になる。テープはローラ３０２を離した後で冷却し、したがって必要な温度まで加熱バックアップをするのにより長い時間を要する。チャンバの他方の側を冷却しつつ、チャンバの一方の側を加熱すると、金属基板上に形成されたＹＢＣＯ層および他の層中に熱クラックが誘導されることもある。第２の方法によって作り出された小片のテープを一緒にスライスして長さが長いテープを形成することができるが、おまけに小片が超伝導体であるので、接合技法が高品質な高温超電導体の接合部を得るまでにはまだ至っていない。その結果、現在の超伝導体形成のための構成は、超伝導材料の長く連続的なテープを形成することができない。

本発明は、連続的で長さの長い超伝導体リボンまたはテープまたはワイアを形成するように、金属リボンまたはテープまたはワイア上に、超伝導体好ましくはＹＢＣＯを連続的に形成することを可能にする、当技術分野でニーズのある構成用のシステムまたは方法を対象とする。本明細書で使用する超伝導ワイアという用語には、電流を運ぶために使用されるどんな超伝導素子も含まれることに留意されたい。

これらおよび他の目的、態様、および技術的な利点は、移動するテープ上に超伝導体層を成長させるのに使用される材料を連続的に堆積させるシステムおよび方法によって実現される。本発明は、繰り出しリールを使用してテープ基板を一定速度で繰り出すことが好ましい。次いで、本発明は、初期化ステージを使用して、超伝導体層を成長させる前にテープ基板を予備加熱および／または予備処理することが好ましい。予備加熱は、テープ基板の熱衝撃を低下させるのに望ましい。予備加熱は、超伝導体層を成長させる前にテープ基板から汚染物質を減少させるのに望ましい。次いで、本発明は、少なくとも１つの反応炉すなわち反応チャンバを使用して、超伝導体層を形成するのに使用されるテープ基板上に１つまたは複数の材料を堆積させることが好ましい。本発明は、アニール・ステージを使用して超伝導体層を仕上げ、超伝導テープを冷却することが好ましい。本発明は、巻き取りリールを使用して超伝導テープを巻き取ることが好ましい。本発明は、任意選択で超伝導テープ上に保護コーティングを堆積させるコーティング・ステージを使用することができる。また、本発明は、任意選択で超伝導テープの適正な特性を保証する品質管理ステージを使用することもできる。さらに、本発明は、任意選択で初期化ステージに入れる前にテープから潤滑油および／または他の汚染物質を除去する予備洗浄ステージを使用することもできる。

本発明は、初期化ステージと反応チャンバの間、反応チャンバとアニール・ステージの間、およびもし１つ以上のチャンバを使用する場合は反応チャンバ間に移行チャンバを使用することが好ましい。追加の反応チャンバまたは反応炉を使用して基板と高温超伝導（ＨＴＳ）膜あるいはＨＴＳ膜の上面または層間のコーティング層との間にバッファ層を設けることもできる。この移行チャンバは、ステージまたは反応炉それぞれを他のステージおよび／または反応炉から分離し、それによって、１つのステージまたは反応炉から他のステージまたは反応炉への二次汚染を防ぐ。この移行チャンバは、テープの温度を維持および／または調節することを可能にする加熱素子を含むことが好ましい。この移行チャンバは、超伝導体またはバッファ層を最適に維持するために転移チャンバ中の環境を制御する少なくとも１種のガスの導入を可能にする少なくとも１つのポートを含むことが好ましい。この移行チャンバは、テープが移行チャンバを通って移行する際にそれを保持する少なくとも１つの支持部を含むことが好ましい。

この反応炉は、テープが反応炉を通って移行する際にそれを保持する少なくとも１つの支持部を含むことが好ましい。また、この反応炉は、テープの速度ならびに超伝導体層の材料の堆積および／または成長速度に関連するテープ移動の方向に長さを有する加熱システムを含むことも好ましい。したがって、テープの一部分が反応炉の反応領域（薄膜成長領域）を通る際に、このテープの一部分を所望の材料厚さ（好ましくは、１μｍから最大１０μｍを超えるまで）が実現するのに充分長く加熱する。この反応炉は、好ましくは、シャワー・ヘッドを使用してテープ上に材料の層流ももたらす。さらに、この反応炉は、好ましくは、冷却システムを使用して望まない位置に材料が蓄積するのを低減させる。

本発明を使用して、それだけには限らないが、YBCO、YBa₂Cu₃O_7-x、NbBa₂Cu₃O_7-x、LaBa₂Cu₃O_7-x、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_y、Pb_2-xBi_xSr₂Ca₂Cu₃O_y、Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_z、Tl₂Ba₂CaCu₂O_x、Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O_y、Tl₁Ba₂Ca₂Cu₃O_z、Tl_1-xBi_xSr_2-yBa_yCa₂Cu₄O_z、Tl₁Ba₂Ca_lCu₂O_z、Hg₁Ba₂Ca₁Cu₂O_y、Hg₁Ba₂Ca₂Cu₃O_y、MgB₂、酸化銅、希土類金属酸化物、および他の高温超伝導材料を含む様々な超伝導材料からなる超伝導テープを形成することができる。さらに、本発明は、それだけには限らないが、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、パルス・レーザ堆積、直流／高周波スパッタリング、有機金属堆積、分子ビームエピタキシ、およびゾル・ゲル処理法を含む多くの様々な薄膜堆積法に対して効果を及ぼすことができる。

先に、以後の本発明の詳細な説明がより良く理解されるために本発明の態様および技術的な利点をやや大まかに概説した。以後、本発明の追加の態様および利点を説明するが、それらは本発明の特許請求の範囲の主題を形成する。当然のことながら当業者なら、開示された概念および具体的な実施形態は、本発明の同じ目的を実施するための他の構造を修正または設計する場合のベースとして容易に使用できる。また、当然のことながら当業者なら、このような等価な構造は添付の特許請求の範囲で説明したような本発明の精神および範疇から逸脱しないことを理解するはずである。本発明をその構成および適用方法の両方に関して特徴付けると考えられる新規な態様は、他の目的および利点と共に、添付の図に関連して考察したとき以下の説明からよりよく理解されるであろう。しかし、図のそれぞれは図示し説明するためだけに提供され、本発明を限定するものではないことをはっきりと理解すべきである。

次に、本発明をより完全に理解するために、添付の図面に関連してなされた以下の説明を参照する。

図４は、本発明を使用して高温超伝導（ＨＴＳ）材料の連続的テープを製造するシステム４００の実施形態の概略図である。このシステム４００は、協働して超伝導（ＳＣ）材料を金属基板上に堆積させ、それによって、ＨＴＳ材料が大きくてよく配向した粒子状態および主として小角度の粒界状態で自動的に整列するようにするいくつかのステージを有する。この原子配向によって、高い電流密度、たとえば、１００，０００アンペア／ｃｍ^２以上のＪｃが可能になる。

この金属基板は、好ましくは、厚さ１０／１０００〜１／１０００インチ（０．００２５４.〜０．０００２５４ｃｍ）の金属箔テープ４０８である。このテープは望む幅にすることができる。たとえば、このテープは得られるＨＴＳテープが大量の電流を運ぶことができるよう広くすることができ、あるいは、得られるＨＴＳテープがより幅が狭いストリップ片に切断することができるよう広くすることもできる。

このテープ４０８は、好ましくは、ニッケルおよび／またはニッケル合金からなり、ＨＴＳ材料の成長を促進させる予め決められた原子配列を有する。また、このテープは、ニッケル、銀、パラジウム、白金、銅、アルミニウム、鉄、タングステン、タンタル、バナジウム、クロム、スズ、亜鉛、モリブデン、チタンを含むこともできる。このようなテープは、オークリッジ国立研究所によって記述されている。テープ４０８はＨＴＳ層を支え、したがって、強いだけでなく、延性すなわち可塑性がなければならない。本明細書で説明したように、テープの一方の側だけをＨＴＳ層でコーティングするが、両側をＨＴＳ層でコーティングすることもできることに留意されたい。

このテープ４０８は、好ましくは、繰り出しリール４０１によって繰り出す。この繰り出しリール４０１は、テープを一定速度で供給する連続的な供給リールである。この繰り出しリールは（巻き取りリール４０６とともに）好ましくは、張力を制御してテープのたるみ（張力過小）ならびにテープの伸びまたは破断（張力過大）を防ぐ。処理の際に（たとえば、テープを高温に加熱すると）テープのたるみまたは伸びのどちらかによって、ＨＴＳ層が損傷されあるいは破壊されることがある。最も好ましくは、テープが繰り出しリール４０１から巻き取りリール４０６まで通過する際に張力制御装置４１１によってコンピュータ４０９がテープの張力を制御する。

テープ速度は、いくつかの因子、たとえば、反応チャンバの寸法、堆積した材料の所望の厚さ、層の成長速度、反応温度、光束等に依存する。約３ｃｍ／分の好ましい速度が、厚さ約０．５〜５μｍのＹＢＣＯＨＴＳ層を連続的に成長させるのに適する。しかし、（それだけには限らないが）所望の厚さ、成長速度、使用される材料、材料濃度等などの因子に応じて、１〜２０ｃｍ／分の速度を使用することができる。調節できるセットであり得るステッパ・モータを含む速度制御装置４１０を、テープの速度に対して使用することが好ましい。最も好ましくは、テープが繰り出しリール４０１から巻き取りリール４０６まで通過する際に速度制御装置４１０によってコンピュータ４０９がテープの速度を制御する。この繰り出しリールは、やはりコンピュータ４０９に接続された速度制御装置も備えることに留意されたい。

このテープ４０８は、清浄でなければならず、潤滑および／または他の汚染物質があってはならない。このような汚染物質は、材料の堆積を妨げ、堆積した材料を化学的に汚染させ、かつ得られる薄膜構造を歪ませることがあり、大抵の場合、超伝導特性に悪影響を及ぼす。蒸気の油性洗浄剤または洗浄剤を予備洗浄ステージ４１２において使用してテープが初期化ステージ４０２に入る前にテープを洗浄することができる。あるいは、機械的な洗浄器、たとえば、ローラ・ワイパーを使用してテープを洗浄することもできる。他の代替法は、液体洗浄剤、たとえば、アセトンを有する超音波浴を使用したテープの洗浄である。残留洗浄剤はテープの初期化ステージ４０２によって蒸発または／燃焼されるはずである。予備洗浄ステージ４１２は、蒸発処理、機械的処理、または浴処理の組合せだけでなく、蒸発処理、機械的処理、または浴処理を複数回適用できることに留意されたい。さらに、このステージは、システム４００から分離して操作することもできる。次いで、得られる洗浄済みテープを再度巻き取り、システム４００中でテープ４０１として使用する。

超伝導層を成長させる前に初期化ステージ４０２では、テープ基板４０８を予備加熱および／または予備処理する。このステージでは、テープ４０８の温度を約５００℃まで上げる。この温度は、室温と次のステージの温度の間にある。この処理によってテープ基板の熱衝撃を低減させる。予備処理は、上面の超伝導体層を含む表面層を成長させる前にテープ基板から汚染物質を減少させる。また、このステージは金属を覆う元々ある酸化物も除去する。このステージは、好ましくは脱酸素剤、たとえば、水素（Ｈ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、および／または一酸化炭素、ならびにアルゴン（および／または非反応性ガス、たとえば、Ｎ_２）を含む還元雰囲気を有する。この脱酸素剤は、金属表面の酸化物と反応してそれを裸の金属に還元する。表面の金属酸化物は、ＨＴＳ層の原子配列を乱して、超伝導特性に影響を及ぼすので除去すべきである。

初期化ステージ４０２の実施形態の例を図５に示す。このステージは、好ましくは石英または非反応性材料（たとえば、ステンレス鋼）からなる少なくとも１つの支持部５０１を備える。他の材料としては、金、白金、酸化アルミニウム、LaAlO₃、SrTiO₃、および／または他の金属酸化物材料を含むことができる。この支持部は、テープを引っ掛けたり、あるいはねじれさせたりしないように滑らかに研磨すべきである。というのは、それによって、基板の原子配列が乱れ、低品質のＨＴＳ膜が生じるからである。また、この支持部は、たるみを防ぐのにちょうど必要な大きさでなければならならず、それによって、テープとの接触を最小にし汚染を防ぐ。ヒータ５０２は、テープの加熱に使用する。このヒータ５０２は、複数のステージ、たとえば、５０２ａ、５０２ｂ、および５０２ｃを備え、各ステージはテープを所望の温度までプラス方向に加熱する。これによって、テープ基板の熱衝撃が低減される。この実施形態において、ヒータが支持パイプ５０８を備えることに留意されたい。このパイプは、ガスおよび／または他の材料がこのパイプに入るかまたはパイプから出ることあるいはその両方を可能にする複数のポート（図示せず）を有する。テープは、テープ・ポート５０６からこのステージに入り、テープ・ポート５０７からステージを出て行く。これらのテープ・ポート５０６および５０７は、移行チャンバ７０１上のもののように狭いスリットである必要はないことに留意されたい。あるいは、狭いスリットが移行チャンバの部分になく、代わりにテープ・ポート５０６および５０７が狭いスリットを備えてもよい。材料ポート５０４および５０５は、それぞれこのステージの環境を規定するために使用するガスの入口および出口を提供する。ステージ４０２の外部温度を下げるために冷却パイプ５０３を設けることもでき、あるいは、このステージ４０２内に冷却ジャケットを直接設けてもよい。

下表に、初期化ステージの環境の実施した例を示す。これらの値は、好ましい値であり使用可能な値であるが、これらは例としてのみ示されている。なお、ＳＣＣＭは標準立方センチメートル／分である。

次のステージは堆積ステージ４０３である。このステージは好ましくは、超伝導体層がその上に堆積されるテープ基板上に１つまたは複数の材料を堆積させる少なくとも１つの反応炉すなわち反応チャンバ６０１を含む。図６Ａに示すようにこの区域は、図７Ａの移行チャンバ７０１によって分離することができる複数の反応チャンバ６０１ａ、６０１ｂ、および６０１ｃを含むことができる。特定の超伝導体は、様々な材料の堆積、様々な濃度、様々な温度、様々な圧力、および／またはそれらの組合せが必要なことがあり、それには複数の異なる動作環境が必要とされる。各チャンバは好ましくは同一であるが、しかし、特定の環境が特に長いまたは特に短い成長時間を必要とし、および／または、層がより厚くまたはより薄くなければならない場合は、これらのチャンバをテープの移動方向でより長くまたはより短く作ることができる。テープは一定速度で移動するので時間は距離と同一となり、より長い堆積時間が必要（および／またはより厚い被膜が必要）な場合は、反応ゾーンがより長くまたは成長速度がより速くなるはずであり、逆も成り立つ。同様にテープ速度を変えると堆積時間も変わる。たとえば、テープを遅くすると堆積時間が長く膜厚が厚くなり、逆も成り立つ。

図６Ａに、反応炉６０１の実施形態の例を示す。この反応炉は、好ましくは石英または非反応性材料（たとえば、ステンレス鋼）からなる少なくとも１つの支持部６０４を備える。他の材料としては、金、白金、酸化アルミニウム、LaAlO₃、SrTiO₃、および／または他の金属酸化物材料を含むことができる。この支持部は、テープを引っ掛けたり、あるいはねじれさせたりしないように滑らかに研磨すべきである。というのは、それによって、基板の原子配列を乱し、低品質のＨＴＳ膜をもたらすからである。また、この支持部は、たるみを防ぐのにちょうど必要な大きさでなければならならず、それによって、テープとの接触を最小にし汚染を防ぐ。この支持部は、加熱素子６１３、たとえば、ランプによってもたらされる熱を補完するヒータを備えることができる。これによって、支持部がヒート・シンクの働きをするのを防ぐ。反応炉の両側に石英、非反応性材料（たとえば、ステンレス鋼）、あるいは石英または非反応性材料で裏打ちされた他のいくつかの材料を備えることができる。他の非反応性材料としては、金、白金、酸化アルミニウム、LaAlO₃、SrTiO₃、および／または他の金属酸化物材料を含むことができる。このテープは、テープ・ポート６０５からこのステージに入り、狭いテープ・ポート６０６からこのステージを出て行く。これらのテープ・ポート６０５および６０６は、移行チャンバ７０１上のもののように狭いスリットである必要はないことに留意されたい。あるいは、狭いスリットが移行チャンバの部分になく、代わりにテープ・ポート６０５および６０６が狭いスリットを備えてもよい。材料ポート６０７は、このステージで使用される材料の出口を提供する。図６Ｄの反応炉６０１の底面図に示すように、これらのポート６０７は反応炉６０１中の材料の層流を促進させるように構成する。言い換えれば、材料はシャワー・ヘッド６０３から流入し、次いでポート６０７から流出する。

この反応炉６０１は、ランプ６０２およびシャワー・ヘッド（配給ヘッド）６０３を含む。図６Ｂおよび６Ｃに、それぞれ、図６Ａに示すランプ６０２およびシャワー・ヘッド６０３の構成の側面図および上面図を示す。図６Ｅに、シャワー・ヘッド、基板、および、支持部の斜視図を示す（図中ランプ６０２は省略していることに注意）。ランプは、材料の堆積を可能にする所望の温度までテープを加熱する。また、ランプは、成長速度を大幅に増進させる、すなわち、反応種の表面拡散を増進させることによって成長速度を増大させる紫外光および可視光も提供し、それによって、厚い層の急速な成長、ならびに、より速いテープ速度および／またはより小さい反応炉が可能になる。ランプは、反射器を使用して光をシャワー・ヘッド６０３の直下の区域である反応区域６０９上に向ける。これによってチャンバ壁面に対する熱流束を低下させる。このランプは、好ましくは、石英ハロゲン・ランプであり、ランプ６０２の長さに沿って延びる複数の電球６０８を備える。他の紫外／可視（ＵＶ／Ｖ）光源、たとえば、キセノン放電光、水銀光、およびエキシマ・レーザ光も使用できることに留意されたい。シャワー・ヘッド６０３は、キャリア・ガスで混合された反応物質蒸気の層流を基板テープ４０８の反応炉の堆積領域までもたらす。このシャワー・ヘッド６０３は、好ましくは、石英で作るが、ステンレス鋼などの他の非反応性材料で作ってもよい。他の材料としては、金、白金、酸化アルミニウム、LaAlO₃、SrTiO₃、および／または他の金属酸化物材料を含むことができる。

シャワー・ヘッドの下の区域は反応炉の堆積領域である。この領域の大きさは、たとえば、テープ速度、堆積速度、チャンバ圧等、所望の厚さの被膜を製造する他のシステム特性に関連して選択する。テープ４０８は、堆積領域にないときは、材料がテープをコーティングするのを防ぐようにシールド６１２によって覆う。

配給ヘッド６０３の配置および寸法は基板４０８の幅に応じて変わる。たとえば、図６Ｂに示すように、幅Ｂ６１２を有する基板４０８の場合、支持部６０４の幅Ａ６１３は、好ましくは、Ｂよりわずかに小さく、たとえばＢ−２ｍｍである。しかし、ＡはＢ±２ｍｍの範囲の値にすることができる。シャワー・ヘッドの幅Ｃ６１０はＢより大きいことが好ましく、たとえばＢ＋１０ｍｍである。しかし、ＣはＢ＋１５ｍｍ〜Ｂ−２ｍｍの範囲の値にすることができる。シャワー・ヘッドと基板の間隔Ｄ６１１は、好ましくはＢ以上である。しかし、ＤはＢ／２以上の値にすることができる。

また、ランプ・ハウジングは、好ましくはランプ反射器の一部分として冷却ジャケット６１０を備える。たとえば、水、オイル、グリコール等の様々な冷却液をこのジャケット中で使用することができる。また、反応炉の両側に冷却ジャケットおよび／または冷却パイプ６１４を備えることもできる。この（これらの）冷却ジャケットは、反応チャンバの外部温度を安全な範囲に低下させるだけでなく、反応種の化学反応が生じない温度まで壁面温度を低下させることによって壁面上の望まない堆積材料の蓄積を低減させる。

この反応炉は、好ましくは、品質管理ポート６１１も含む。このポートは、堆積プロセスの際にテープを観察可能にし、かつ／あるいはテープの品質をテストするためにアクセス可能にする。

基板で結合して堆積被膜、たとえば、ＨＴＳ、バッファ層、オーバーコート層を形成する堆積材料（反応化学物質）またはプリカーサをプリカーサ・システム４０７で供給する。知られたシステムとしては、ガス調製システム、液体調製システム、固体調製システム、およびスラリ調製システムが含まれる。固体プリカーサ供給システムは、一般に、固体プリカーサを、分離した加熱容器中で揮発させ、容器にキャリア・ガスを通し、次いで、キャリア・ガス／プリカーサ蒸気を反応チャンバに流す。これらの固体プリカーサは、蒸発用の１つのマス状に固体として分離または混合することができる。スラリ・プリカーサ供給システムは、溶媒中に溶解してスラリを形成するプリカーサの全てまたは一部を含む高濃度のスラリの少量を、高温ゾーンを備える分離したチャンバ中で蒸発させる。液体プリカーサ供給システムは、溶媒中に溶解したプリカーサの全てまたは一部を含む少量の液体溶液を、高温ゾーンを備える分離したチャンバ中で蒸発させる。次いで、この蒸発したプリカーサをテープ４０８に供給するために反応炉のシャワー・ヘッド内に注入する。液体プリカーサ溶液は、反応炉のシャワー・ヘッドに注入するために噴霧化し、次いで蒸発させる。

ＹＢＣＯ超伝導体と連続的金属箔とを一体化させるために、好ましくは３つの反応炉を使用する。第１の反応炉はバッファ層を提供し、第３の反応炉はＹＢＣＯ層を提供する。この第１反応炉６０１ａは、バッファの薄層、好ましくは酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を堆積させる。このバッファ層は、金属基板と超伝導層の間で他の速度の拡散を防ぐのに充分であり、かつ、原子的に配列した後のバッファ層または超伝導体層をその上に成長させる原子的に配列したテンプレートを提供する。この層は、次の２つの反応炉に比べて比較的低温で堆積させ、ニッケルを酸化から防ぐ。この酸化は、後続の層がその上で成長するニッケル基板表面の原子構造を破壊する。この反応炉はフォーミング・ガスたとえば水素の還元環境中で動作するが、酸化物層も成長させることに留意されたい。これは、反応炉内に酸素も供給されることを意味する。(標準気圧に比べて)比較的低圧のため、爆発の危険は無い。以下の表に、第１反応炉の環境の実施した例を示す。これらの値は、好ましい値であり使用可能な値であるが、これらは例としてのみ示している。

第２反応炉６０１ｂは、より高い堆積温度のバッファ層、好ましくは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）バッファを堆積させる。このバッファ層および金属基板のＹＢＣＯ層内への相互拡散を防ぐ。この反応炉は、Ｏ_２、Ｎ_２Ｏ、Ｏ_３、それらの組合せ、または他の酸化剤からなる酸素リッチな環境中、１〜５トルの圧力、６００〜７００℃の温度で動作する。以下の表に、第２反応炉の環境の実施した例を示す。これらの値は、好ましい値であり使用可能な値であるが、これらは例としてのみ示している。

第３反応炉６０１ｃは、やはり酸素リッチな環境中でＹＢＣＯ層を堆積させる。ＹＢＣＯ層の厚さならびにその化学的純度および結晶品質は、製作された超伝導テープの臨界電流を決定する。この臨界電流はそれを超えるともはや超伝導でなくなる電流である。以下の表に、固体状のプリカーサについての第３反応炉の環境の実施した例を示す。これらの値は、好ましい値であり使用可能な値であるが、これらは例としてのみ示している。

以下の表に、固体（表４）および液体（表５）状のプリカーサについての第３反応炉の環境の実施した例を示す。これらの値は、好ましい値であり使用可能な値であるが、これらは例としてのみ示している。なお、Ｍは重量モル濃度である。

また、堆積ステージ４０３は、ステージ４０２と第１反応炉の間、反応炉間、および最後の反応炉とステージ４０４の間に移行チャンバ７０１も含む。図７Ａに移行チャンバの実施形態の例を示す。テープは、狭いスリット７０３から移行チャンバに入り、狭いスリット７０４から移行チャンバを出て行く。これらのスリットは、ガスおよび他の材料が反応チャンバから移行チャンバまで通過するのを最小にするために使用し、逆も成立する。したがって、この移行チャンバは、ステージまたは反応炉それぞれを他のステージおよび／または反応炉から分離し、それによって、１つのステージまたは反応炉から他のステージまたは反応炉への材料および／またはガスの二次汚染を防ぐ。移行チャンバは、そのどちらかの端部からリークする任意の材料またはガスを制御する真空システム７０６を含み、通常の反応チャンバ圧より高い圧力および低い圧力のどちらかで動作することができる。

この移行チャンバは、好ましくは石英または非反応性材料（たとえば、ステンレス鋼）からなる移動するテープ基板用の少なくとも１つの支持部７０２を備える。他の材料としては、金、白金、酸化アルミニウム、LaAlO₃、SrTiO₃、および／または他の金属酸化物材料を含むことができる。この支持部は、テープを引っ掛けたり、あるいはねじれさせたりしないように滑らかに研磨すべきである。というのは、それによって、基板の原子配列を乱し、低品質のＨＴＳ膜をもたらすからである。また、この支持部は、たるみを防ぐのにちょうど必要な大きさでなければならならず、それによって、テープとの接触を最小にし汚染を防ぐ。

移行チャンバには、移行チャンバ中にある間テープ温度を維持かつ／あるいは調整可能にする１つまたは複数の加熱素子７０７を含むことができる。このヒータ７０７は、テープの温度を維持、あるいはその温度をある点、たとえば、それに接続した２つのステージ間の中点に対して（より高くまたはより低くのどちらかに）調整することができる。たとえば、一方の反応炉が５５０℃で、他方の反応炉が７００℃の場合、移行チャンバが６２５度になるように設定することができる。これによって、テープがステージ間および／または反応炉間を移動するとき、テープの熱衝撃が低減される。この実施形態では、加熱素子７０７が支持パイプ７１１を含むことに留意されたい。このパイプ７１１は、ガスおよび／または他の材料がこのパイプに入るかまたはパイプから出ることあるいはその両方を可能にする複数のポート７１０を有する。図７Ｂにポート７１０を有するパイプ７１１の側面図を示す。

移行チャンバは、好ましくは、移行チャンバ内に少なくとも１種のガス状種を導入可能にする少なくとも１つのポート７０５を含む。この移行チャンバは、基板上に形成された（各）バッファ層または（各）超伝導体層を安定化あるいは向上させ、あるいは以後の層のテープ上への形成を増進させる。たとえば、移行チャンバはテープに酸素を供給することができ、これは、堆積被膜中の酸素の化学量論を維持するのに役立つ。導入されたどんなガス状材料も真空システム７０６によって除去され、ステージ／反応炉のどちらにも入って行かない。

好ましくは、移行チャンバは冷却ジャケット７０８も含む。たとえば、水、オイル、グリコール等の様々な冷却液をこのジャケット中で使用することができる。この冷却ジャケットは、反応チャンバの外部温度を安全な範囲に低下させるだけでなく、反応種の化学反応が生じない温度まで壁面温度を低下させることによって壁面上の望まない堆積材料の蓄積を低減させる。

この移行チャンバは、好ましくは、品質管理ポート７０９も含む。このポートは、堆積プロセスの際にテープの観察を可能にし、かつ／あるいはテープの品質をテストするためにアクセス可能にする。

以下の表に、移行チャンバ７０１−１、７０１−２、７０１−３、および７０１−４の環境の実施した例を示す。これらの値は、好ましい値であり使用可能な値であるが、これらは例としてのみ示している。

次のステージは、アニール・ステージ４０４である。このステージは、基板テープ上の超伝導層中に酸素の化学量論を増加させることができ、完全に処理されたテープを冷却する。このステージの後、テープを超伝導層の劣化無しで通常の大気に曝すことができ、したがって、さらなる移行チャンバは必要ない。テープはこのステージ中に約３０〜６０分間置かれる。テープは、このステージに入るときには約８００〜６５０℃であり、このステージを出るときには約３００℃以下である。このステージでは、テープは酸素雰囲気中にある。

図８に、アニール・ステージの例を示す。このステージは、好ましくは石英または非反応性材料（たとえば、ステンレス鋼）からなる少なくとも１つの支持部８０１を備える。他の材料としては、金、白金、酸化アルミニウム、LaAlO₃、SrTiO₃、および／または他の金属酸化物材料を含むことができる。この支持部は、テープを引っ掛けたり、あるいはねじれさせたりしないように滑らかに研磨すべきである。というのは、それによって、基板の原子配列を乱し、低品質のＨＴＳ膜をもたらすからである。また、この支持部は、たるみを防ぐのにちょうど必要な大きさでなければならず、それによって、テープとの接触を最小にし汚染を防ぐ。ヒータ８０２は、テープの加熱に使用する。このヒータ８０２は、複数のステージ、たとえば、８０２ａ、８０２ｂ、および８０２ｃを備え、各ステージはテープを所望の温度まで低下させる。これによって、テープ基板の熱衝撃が低減される。この実施形態において、ヒータが支持パイプ８０８を備えることに留意されたい。このパイプは、ガスおよび／または他の材料がこのパイプに入るかまたはパイプから出ることあるいはその両方を可能にする複数のポート（図示せず）を有する。テープは、テープ・ポート８０６からこのステージに入り、テープ・ポート８０７からステージを出て行く。これらのテープ・ポート８０６および８０７は、移行チャンバ７０１上のもののように狭いスリットである必要はないことに留意されたい。あるいは、狭いスリットが移行チャンバの部分になく、代わりにテープ・ポート８０６および８０７が狭いスリットを備えてもよい。材料ポート８０４および８０５は、それぞれこのステージの環境を規定するために使用するガスの入口および出口を提供する。冷却パイプ８０３をステージ４０４の外部温度を下げるために設けることもできる。あるいは、冷却ジャケットをこのステージ４０４内に直接設けてもよい。

下表に、アニール・ステージの環境の実施した例を示す。これらの値は、好ましい値であり使用可能な値であるが、これらは例としてのみ示している。

任意選択の封止ステージ４０５で保護コーティング、たとえば、ラッカ、プラスチック、ポリマ、布、金属（たとえば、銀、金、または銅）でテープをコーティングすることもできる。これらの材料は例としてのみ挙げたのであり、他のコーティングを用いることもできる。

任意選択のステージ４１８で、最終の超伝導テープならびに修理中のテープの適正な特性を保証する品質管理テストを実施する。このステージは、ポート６１１ならびに／あるいは７０９を使用できることに留意されたい。さらに、品質管理テストを任意の移行チャンバ７０１中の任意の反応炉６０１ａ、６０１ｂ、および６０１ｃ、および／または予備処理ステージまたはアニール後のステージに組み込むこともできる。さらに、品質管理テストをシステム４００から離して実施することもできる。この品質管理には、原子配列、温度、反射率、表面形態、厚さ、微小構造、Ｔ_ｃ、Ｊ_ｃ、マイクロ波抵抗等を含むＹＢＣＯ特性の直接測定または間接測定、あるいは、原子配列、温度、反射率、表面形態、厚さ、微小構造等を含むバッファ層特性またはコーティング層特性の直接測定または間接測定を組み込むことができる。なお、Ｊ_ｃは、臨界電流密度すなわちワイアが破壊前に処理できる電流の最大量である。いくつかの超伝導体素子のＪ_ｃは、１００，０００アンペア／ｃｍ^２以上になることができ、良好な超伝導体素子のＪ_ｃは、５００，０００アンペア／ｃｍ^２以上になることができる。

本発明は、好ましくは、巻き取りリール４０６を使用して超伝導テープを巻き取る。ワーア・テープ４０８の長さは繰り出しリールおよび巻き取りリールの大きさのみに制限されることに留意されたい。したがって、入力／出力リールの長さに応じて、テープをどんな所望の長さにすることもできる。たとえば、本発明では、１または２キロメートル（ｋｍ）あるいはさらに越える長さのワイア・テープを作製することができる。

コンピュータ４０９を使用して本発明の様々な態様を制御することができることに留意されたい。たとえば、コンピュータは、反応炉内に流れる材料の濃度、反応炉または移行チャンバの温度、テープ速度、テープ張力、様々な反応炉内またはステージ内への材料の流入速度、等を制御することができる。これによって、品質管理テストからのフィードバックが可能になりワイア・テープの特性が向上する。

システム４００は、任意選択で、初期化ステージ４０２およびアニール・ステージ４０４それぞれの圧力制御を助ける圧力制御チャンバ４１４および４１５を含むこともできる。移行チャンバ７０１を圧力制御チャンバとして用いることもできる。このような場合、加熱素子７０７、支持パイプ７１１、および／またはウォータ・ジャケット７０８は必要ないこともある。狭いスリットも、チャンバ４１４とステージ４０２の間、および／またはチャンバ４１５とステージ４０４の間で必要ないことがある。また、このシステムは、初期化ステージ４０２と通常大気の間、または、チャンバ４１４（使用していれば）と通常大気の間に追加の移行チャンバ４１３を使用することもできる。チャンバ４１３は、通常大気と初期化ステージ４０２の環境の混合を防ぐ。たとえば、チャンバ４１３は、通常大気からの酸素が初期化ステージ４０２に流入するのを防ぎ、初期化ステージからの水素が通常大気に流入するのを防ぐ。

このシステムは、真空ポンプ４１７を使用してシステムの様々な構成部品中の所望の圧力を実現する。液体窒素トラップおよびフィルタ４１６を使用して反応炉６０１の排気から材料を除去してポンプ４１７への損傷を防ぐ。他の構成部品もやはり、このような液体窒素トラップおよび／またはフィルタを使用してそれらに付随するポンプへの損傷を防ぐことができる。

図９Ａないし９Ｄに、図４のシステムで作製した本発明の超伝導ワイアにおける相異なる実施態様の例を示す。図９Ａに、バッファ層９０２およびＨＴＳ層９０４を有するテープ基板９０１を示す。図９Ｂに、バッファ層９０２、９０３、ＨＴＳ層９０４、および封止層９０５を有するテープ基板９０１を示す。

図９Ｃに、バッファ層９０２、９０３、および封止層９０５を有する基板９０１を含むＨＴＳ２層ワイアを示す。バッファ層９０６および９０７によって第１ＨＴＳ層９０４と第２ＨＴＳ層９０７を分離する。バッファ層９０６をここで使用することができ、それは必ずしも９０２か９０３のどちらかと同じものではないことに留意されたい。追加の反応炉、移行チャンバ、および／または図４のシステムにおける他の構成部品を用いてこのワイアを作製して追加の層を形成することができる。また、このワイアは、図４のシステムで処理を繰り返すことによって作製することもできる。言い換えると、第１ＨＴＳ層の完成後、ワイアを封止層の追加無しで巻き取ることができる。次いで、このスプールを繰り出しリール４０１に移動させる。次いで、図４のシステムの構成部品のうちの選択された部品を使用して第２ＨＴＳ層を含む次の層を形成する。

図９Ｄに、基板の両側にＨＴＳ層を有するＨＴＳ２層ワイアの別の例を示す。追加の反応炉、移行チャンバ、および／または図４のシステムにおける他の構成部品を用いてこのワイアを作製して追加の層を形成することができる。反対側に層を形成するために、テープの底側を処理する必要があるときテープをねじり、あるいは反転させる追加の装置を図４のシステムに取り付ける。また、このワイアは、図４のシステムで処理を繰り返すことによって作製することもできる。言い換えると、第１ＨＴＳ層の完成後、ワイアを封止層の追加無しで巻き取ることができる。テープの側面を反転させるために巻き取りリール４０６は、図４に示すようにリールの上部から(時計回りに)巻き取る代わりに、リールの底部からテープを（反時計回りに）巻き取る。次いで、このスプールを繰り出しリール４０１に移動させる。次いで、図４のシステムでテープを処理して第２ＨＴＳ層を含む次の層を形成する。

本発明のワイアは、電流搬送、配電、電気モータ、発電機、変圧器、漏電制限器、超伝導磁石エネルギー蓄積システム（ＳＭＥＳ）、ならびに、（それだけには限定されないが、ＭＲＩシステム、吸引形磁気浮上輸送システム、粒子加速器、および電磁流体発電システムを含む）様々な磁石に使用することができる。

本発明のシステムを使用して、それだけには限らないが、YBCO、YBa₂Cu₃O_7-x、NbBa₂Cu₃O_7-x、LaBa₂Cu₃O_7-x、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_y、Pb_2-xBi_xSr₂Ca₂Cu₃O_y、Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_z、Tl₂Ba₂CaCu₂O_x、Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O_y、Tl₁Ba₂Ca₂Cu₃O_z、Tl_1-xBi_xSr_2-yBa_yCa₂Cu₄O_z、Tl₁Ba₂Ca_lCu₂O_z、Hg₁Ba₂Ca₁Cu₂O_y、Hg₁Ba₂Ca₂Cu₃O_y、MgB₂、酸化銅、希土類金属酸化物、および他の高温超伝導材料を含む様々な超伝導材料から本発明の超伝導ワイアを形成することができる。また、本発明は、それだけには限らないが、CeO₂( or CEO)、 Y₂O₃-ZrO₂( or YSZ)、Gd₂O₃、 Eu₂O₃) 、Yb₂O₃、 RuO₂、LaSrCoO₃、MgO、 SiN、 BaCeO₂、 NiO、Sr₂O₃、 SrTiO₃、および BaSrTiO₃を含む様々なバッファ材料を含むこともできる。

本発明およびその利点を詳細に説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神および範疇から逸脱することなく、様々な変更、置換、改変を本明細書に加え得ることを理解すべきである。さらに、本出願の範疇は、明細書に説明したプロセス、機械、製造物、物質組成、手段、方法およびステップの具体的な実施形態に限定されるものではない。当業者なら本発明の開示から容易に判るように、本明細書に説明された対応する実施形態とほぼ同じ働きをし、あるいはほぼ同じ結果を実現する、現に存在しまたは後に開発される、プロセス、機械、製造物、物質組成、手段、方法およびステップは、本発明に従って使用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、このようなプロセス、機械、製造物、物質組成、手段、方法およびステップをその範疇内に含むものとする。

ＹＢＣＯ超伝導体の周知の原子構造を示す図である。ＹＢＣＯ超伝導体を作製する第１の従来技術の構成を示す図である。ＹＢＣＯ超伝導体を作製する第２の従来技術の構成を示す図である。本発明の実施形態の一例を示す図である。本発明の初期化ステージの実施形態を示す図である。本発明の堆積ステージの反応炉の一実施形態を示す図である。本発明の堆積ステージの反応炉の一実施形態を示す図である。本発明の堆積ステージの反応炉の一実施形態を示す図である。本発明の堆積ステージの反応炉の一実施形態を示す図である。本発明の堆積ステージの反応炉の一実施形態を示す図である。本発明の移行チャンバの一実施形態を示す図である。本発明の移行チャンバの一実施形態を示す図である。本発明のアニール・ステージの実施形態を示す図である。本発明の超伝導ワイアの一実施形態を示す図である。本発明の超伝導ワイアの一実施形態を示す図である。本発明の超伝導ワイアの一実施形態を示す図である。本発明の超伝導ワイアの一実施形態を示す図である。

Claims

テープ基板で超伝導ワイアを形成するためのシステムであって、
前記テープ基板を繰り出すための第１リールと、
前記第１リールから前記テープ基板を受け取り、前記テープ基板上に超伝導材料の層を形成する少なくとも１つの堆積チャンバと、
前記少なくとも１つの堆積チャンバから超伝導材料の前記層を有する前記テープ基板を巻き取る第２リールとを含む、システム。
前記テープ基板の張力を制御する張力制御システムをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
前記テープ基板が金属リボンを含む、請求項１に記載のシステム。
前記金属リボンがニッケルを含む、請求項３に記載のシステム。
前記第１リールおよび前記第２リールを調整可能な一定速度で動作させる、請求項１に記載のシステム。
前記速度が０．５〜１５ｃｍ／分である、請求項５に記載のシステム。
前記速度が３ｃｍ／分である、請求項５に記載のシステム。
前記テープ基板の速度を制御する速度制御システムをさらに含む、請求項５に記載のシステム。
前記テープ基板からオイル・ベースの汚染物質を除去する予備洗浄ステージをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
前記予備洗浄ステージが、
蒸発処理、機械的処理、浴処理、およびそれらの組合せのうちの１つを含む、請求項９に記載のシステム。
前記少なくとも１つの堆積チャンバに供給する前に、前記テープ基板に処理をほどこす初期化ステージをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
前記処理が、前記テープ基板の前記少なくとも１つの堆積チャンバの動作温度と周囲温度の間の温度への加熱処理である、請求項１１に記載のシステム。
前記温度が２５０〜４５０℃である、請求項１１に記載のシステム。
前記初期化ステージが、前記テープ基板温度を室温から２５０〜４５０℃まで上昇させる、請求項１２に記載のシステム。
前記初期化ステージが、還元材料からなる雰囲気を含む、請求項１１に記載のシステム。
前記還元材料が、
一酸化炭素、水素、およびアンモニアからなるグループから選択される、請求項１５に記載のシステム。
前記初期化ステージが、非反応性ガスを含有する雰囲気を含む、請求項１１に記載のシステム。
前記非反応性ガスが、
アルゴン、ネオン、キセノン、窒素、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１７に記載のシステム。
前記初期化ステージが、３〜３０％の還元ガスと９７〜７０％の非反応性ガスの混合物を含有する雰囲気を含む、請求項１１に記載のシステム。
前記初期化ステージが、２２〜２６％の還元ガスと７８〜７４％の非反応性ガスの混合物を含有する雰囲気を含む、請求項１１に記載のシステム。
前記初期化ステージが圧力１〜５００トルの雰囲気を含む、請求項１１に記載のシステム。
前記処理が前記テープ基板からの汚染物質の低減処理である、請求項１１に記載のシステム。
前記処理が前記テープ基板上の酸化膜層の除去処理である、請求項１１に記載のシステム。
前記初期化ステージが、前記テープ基板を支持する少なくとも１つの支持部を含む、請求項１１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの支持部が、
石英、ステンレス鋼、金、白金、酸化アルミニウム、LaAlO₃、SrTiO₃、および金属酸化物材料からなる群から選択される材料からなる、請求項２４に記載のシステム。
前記初期化ステージが、
前記テープ基板を所定の温度まで加熱する加熱素子を含む、請求項１１に記載のシステム。
前記初期化ステージが、
それぞれ前記テープ基板を所定の温度までプラス方向に加熱する複数の加熱素子を含む、請求項１１に記載のシステム。
前記初期化ステージが、
前記テープ基板を前記初期化ステージ内へ入れるための入力開口と、
前記テープ基板を前記初期化ステージから出すための出力開口とを含む、請求項１１に記載のシステム。
前記入力開口および前記出力開口それぞれが、前記テープ基板を受け入れ、前記初期化ステージからの前記初期化ステージの雰囲気のリークを最小化し、かつ外部雰囲気の前記初期化ステージ内へのリークを最小化するプロファイルを有する、請求項２８に記載のシステム。
前記入力開口の前記プロファイルがスリットであり、前記出力開口の前記プロファイルがスリットである、請求項２９に記載のシステム。
前記少なくとも１つの堆積チャンバが、
前記テープ基板を支持する少なくとも１つの支持部を含む、請求項１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの堆積チャンバが、
前記テープ基板を支持する少なくとも３つの支持部を含む、請求項３１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの支持部が、
石英、ステンレス鋼、金、白金、酸化アルミニウム、LaAlO₃、SrTiO₃、および他の金属酸化物材料からなる群から選択される材料からなる、請求項３１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの支持部が、
前記テープ基板を加熱する加熱素子を含む、請求項３１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの堆積チャンバが、
前記テープ基板を少なくとも１つの堆積チャンバ内へ入れるための入力開口と、
前記テープ基板を前記少なくとも１つの堆積チャンバから出すための出力開口とを含む、請求項１に記載のシステム。
前記入力開口および前記出力開口それぞれが、前記テープ基板を受け入れ、前記少なくとも１つの堆積チャンバからの前記少なくとも１つの堆積チャンバ雰囲気のリークを最小化し、かつ外部雰囲気の前記少なくとも１つの堆積チャンバ内へのリークを最小化するプロファイルを有する、請求項３５に記載のシステム。
前記入力開口の前記プロファイルがスリットであり、前記出力開口の前記プロファイルがスリットである、請求項３５に記載のシステム。
前記少なくとも１つの堆積チャンバが、
前記テープ基板上に前記超伝導材料を形成するのに使用される材料の層流を供給する少なくとも１つの供給ヘッドを含む、請求項１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの供給ヘッドが、
石英、ステンレス鋼、金、白金、酸化アルミニウム、LaAlO₃、SrTiO₃、および金属酸化物材料からなる群から選択される材料からなる、請求項３８に記載のシステム。
前記超伝導材料を前記供給ヘッドに形成するのに使用される材料を供給するプリカーサ供給システムをさらに含む、請求項３８に記載のシステム。
前記プリカーサ供給システムが、ガスシステム、液体システム、固体システム、およびスラリシステムのうちの１つである、請求項３９に記載のシステム。
前記少なくとも１つの堆積チャンバが、
前記少なくとも１つの堆積チャンバから前記超伝導材料を形成するために使用される材料を除去するための排気システムをさらに含む、請求項３８に記載のシステム。
前記テープ基板の移動方向の前記供給ヘッドの長さが、前記堆積チャンバ内の前記テープ基板の長さより短く、
前記テープ基板の前記供給ヘッドの下にない部分を覆う少なくとも１つのカバーをさらに含む、請求項３８に記載のシステム。
前記少なくとも１つの堆積チャンバが、
前記テープ基板を所定の温度まで加熱するランプを含む、請求項１に記載のシステム。
前記ランプが、
前記熱を前記テープ基板に向ける反射器を含む、請求項４４に記載のシステム。
前記ランプが、
前記ランプ上への材料形成を低減させる前記ランプの温度を低下させる少なくとも１つの冷却ジャケットを含む、請求項４４に記載のシステム。
前記少なくとも１つの堆積チャンバが、
前記テープ基板に光を供給するランプを含み、前記光が前記テープ基板上に前記超伝導材料を形成するために使用される材料の成長速度を増大させる、請求項１に記載のシステム。
前記ランプが、
前記光を前記テープ基板上に向ける反射器を含む、請求項４７に記載のシステム。
前記光が、
可視光および紫外光のうちの少なくとも１つを含む、請求項４７に記載のシステム。
前記少なくとも１つの堆積チャンバが、
石英、ステンレス鋼、金、白金、酸化アルミニウム、LaAlO₃、SrTiO₃、および他の金属酸化物材料からなる群から選択される材料からなる、請求項１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの堆積チャンバが、
前記少なくとも１つの堆積チャンバ外部の少なくとも一部分の温度を低下させる冷却システムを含む、請求項１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの堆積チャンバが、
前記堆積チャンバ中への材料形成を低減させる前記少なくとも１つの堆積チャンバの少なくとも一部分の温度を低下させる冷却システムを含む、請求項１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの堆積チャンバが、
少なくとも１つの品質管理テストを実施するために前記テープ基板へアクセス可能にする少なくとも１つの品質管理ポートを含む、請求項１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの品質管理テストが、前記テープ基板の目視検査である、請求項５３に記載のシステム。
前記少なくとも１つの品質管理テストが、前記テープ基板の特性測定である、請求項５３に記載のシステム。
前記堆積チャンバが圧力２〜４トルの雰囲気を有する、請求項１に記載のシステム。
前記堆積チャンバが圧力１〜１０トルの雰囲気を有する、請求項１に記載のシステム。
前記堆積チャンバが前記テープ基板を５５０〜９００℃まで加熱する、請求項１に記載のシステム。
前記テープ基板上に少なくとも１つのバッファ層を形成するように動作する別の堆積チャンバをさらに含み、前記バッファ層が、
CeO₂、YSZ、Y₂O₃-ZrO₂、Gd₂O₃、Eu₂O₃、Yb₂O₃、RuO₂、LaSrCoO₃、MgO、SiN、BaCeO₂、NiO、Sr₂O₃、SrTiO₃、およびBaSrTiO₃からなる群から選択される材料を含む、請求項１に記載のシステム。
前記バッファ材料がＹＳＺであり、
前記堆積チャンバが前記テープ基板を７８０〜８３０℃まで加熱し、
前記堆積チャンバが圧力２〜４トルの雰囲気を有し、かつ
前記雰囲気が酸素およびアルゴンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
前記バッファ材料がＣｅＯ_２であり、
前記堆積チャンバが前記テープ基板を６００〜７００℃まで加熱し、
前記堆積チャンバが圧力２〜４トルの雰囲気を有し、かつ
前記雰囲気が酸素、還元ガス、およびアルゴンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
前記超伝導材料が、
YBCO、YBa₂Cu₃O_7-x、NbBa₂Cu₃O_7-x、LaBa₂Cu₃O_7-x、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_y、Pb_2-xBi_xSr₂Ca₂Cu₃O_y、Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_z、Tl₂Ba₂CaCu₂O_x、Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O_y、Tl₁Ba₂Ca₂Cu₃O_z、Tl_1-xBi_xSr_2-yBa_yCa₂Cu₄O_z、Tl₁Ba₂Ca_lCu₂O_z、Hg₁Ba₂Ca₁Cu₂O_y、Hg₁Ba₂Ca₂Cu₃O_y、MgB₂、酸化銅、および他の希土類金属酸化物からなる群から選択される、請求項１に記載のシステム。
前記超伝導材料が固体プリカーサ由来のＹＢＣＯであり、
前記堆積チャンバが前記テープ基板を７８０〜８３５℃まで加熱し、
前記堆積チャンバが圧力２〜４トルの雰囲気を有し、かつ
前記雰囲気が酸素、Ｎ_２Ｏ、およびアルゴンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
前記超伝導材料が液体プリカーサ由来のＹＢＣＯであり、
前記堆積チャンバが前記テープ基板を７５０〜８３０℃まで加熱し、
前記堆積チャンバが圧力２〜３トルの雰囲気を有し、かつ
前記雰囲気が酸素、Ｎ_２Ｏ、およびアルゴンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
前記堆積チャンバの雰囲気を、前記堆積チャンバの外部雰囲気から分離する少なくとも１つの移行チャンバをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
前記移行ステージが、
前記テープ基板を支持する少なくとも１つの支持部を含む、請求項６５に記載のシステム。
前記少なくとも１つの支持部が、
石英、ステンレス鋼、金、白金、酸化アルミニウム、LaAlO₃、SrTiO₃、および金属酸化物材料からなる群から選択される材料からなる、請求項６６に記載のシステム。
前記移行チャンバが、
前記テープ基板を所定の温度まで加熱する加熱素子を含む、請求項６５に記載のシステム。
前記所定の温度が、前記堆積チャンバの外部温度と前記堆積チャンバの温度の間にある、請求項６８に記載のシステム。
前記移行チャンバが、
前記移行チャンバ内の雰囲気を規定するために使用されるガスを入れるための開口と、
前記堆積チャンバから前記ガスを出すための開口とを含む、請求項６５に記載のシステム。
前記ガスが、
水素、アルゴン、Ｎ_２Ｏ、窒素、および酸素からなる群から選択される、請求項７０に記載のシステム。
前記移行チャンバが、
前記テープ基板を前記移行チャンバ内へ入れるための入力開口と、
前記テープ基板を前記移行チャンバから出すための出力開口とを含む、請求項６５に記載のシステム。
前記入力開口および前記出力開口それぞれが、前記テープ基板を受け入れ、前記堆積チャンバからの前記堆積チャンバ雰囲気のリークを最小化し、かつ外部雰囲気の前記堆積チャンバ内へのリークを最小化するプロファイルを有する、請求項７２に記載のシステム。
前記入力開口の前記プロファイルがスリットであり、前記出力開口の前記プロファイルがスリットである、請求項７３に記載の装置。
前記少なくとも１つの移行チャンバが、
少なくとも１つの品質管理テストを実施するために前記テープ基板へアクセス可能にする少なくとも１つの品質管理ポートを含む、請求項６５に記載のシステム。
前記少なくとも１つの品質管理テストが、前記テープ基板の目視検査である、請求項７５に記載のシステム。
前記少なくとも１つの品質管理テストが、前記テープ基板の特性測定である、請求項７５に記載のシステム。
前記少なくとも１つの移行チャンバが、
前記少なくとも１つの移行チャンバ外部の少なくとも一部分の温度を低下させる冷却システムを含む、請求項６５に記載のシステム。
前記少なくとも１つの移行チャンバが、
前記移行チャンバ中への材料の形成を低減させる前記少なくとも１つの移行チャンバの少なくとも一部分の温度を低下させる冷却システムを含む、請求項６５に記載のシステム。
前記少なくとも１つの堆積チャンバの動作後に前記テープ基板に処理をほどこすアニール・ステージをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
前記処理が、前記テープ基板を前記少なくとも１つの堆積チャンバの動作温度と周囲温度の間の温度への冷却処理である、請求項８０に記載のシステム。
前記動作温度が５００〜７００℃である、請求項８１に記載のシステム。
前記アニール・ステージが、前記テープ基板の温度を５００〜７００℃から室温まで低下させる、請求項８１に記載のシステム。
前記アニール・ステージが、酸化材料からなる雰囲気を含む、請求項８０に記載のシステム。
前記酸化材料が、
酸素、Ｎ_２Ｏ、およびオゾンからなる群から選択される、請求項８４に記載のシステム。
前記初期化ステージが、１０〜７６０トルの圧力の雰囲気を含む、請求項８０に記載のシステム。
前記処理が前記テープ基板への酸素の追加処理である、請求項８０に記載のシステム。
前記アニール・ステージが、前記テープ基板を支持する少なくとも１つの支持部を含む、請求項８０に記載のシステム。
前記少なくとも１つの支持部が、
石英、ステンレス鋼、金、白金、酸化アルミニウム、LaAlO₃、SrTiO₃、および金属酸化物材料からなる群から選択される材料からなる、請求項８８に記載のシステム。
前記アニール・ステージが、
前記テープ基板を所定の温度まで加熱する加熱素子を含む、請求項８０に記載のシステム。
前記アニール・ステージが、
それぞれ前記テープ基板を所定の温度までマイナス方向に加熱する複数の加熱素子を含む、請求項８０に記載のシステム。
前記複数の加熱素子が３つであり、
前記第１の加熱素子は前記テープ基板を５００〜７００℃まで加熱し、雰囲気圧力が７６０トルであり、
前記第２の加熱素子は前記テープ基板を３００〜４００℃まで加熱し、雰囲気圧力が７６０トルであり、かつ
前記第３の加熱素子は前記テープ基板を３００℃未満まで加熱し、雰囲気圧力が７６０トルである、請求項９１に記載のシステム。
前記アニール・ステージが、
前記テープ基板を前記アニール・ステージ内へ入れるための入力開口と、
前記テープ基板を前記アニール・ステージから出すための出力開口とを含む、請求項１１に記載のシステム。
前記入力開口および前記出力開口それぞれが、前記テープ基板を受け入れ、前記アニール・ステージからの前記アニール・ステージの雰囲気のリークを最小化し、かつ外部雰囲気の前記アニール・ステージ内へのリークを最小化するプロファイルを有する、請求項９３に記載のシステム。
前記入力開口の前記プロファイルがスリットであり、前記出力開口の前記プロファイルがスリットである、請求項９４に記載のシステム。
前記テープを保護層でコーティングする封止ステージをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
前記保護層が、
ラッカ、プラスチック、ポリマ、布、金属、銀、金、および銅からなる群から選択される、請求項９６に記載のシステム。
前記システム、前記テープ基板、および前記超伝導層のうちの少なくとも１つについての少なくとも１つの測定を実施する品質管理テスタをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
テープ基板で超伝導ワイアを形成するためのシステムであって、
前記テープ基板を繰り出すための手段と、
前記テープ基板上に超伝導材料の層を形成するための手段と、
前記少なくとも１つの堆積チャンバから超伝導材料の前記層を有する前記テープ基板を巻き取るための手段とを含む、システム。
前記テープ基板の張力を制御するための手段をさらに含む、請求項９９に記載のシステム。
前記テープ基板を調整可能な一定速度で繰り出し巻き取るための手段をさらに含む、請求項９９に記載のシステム。
前記テープ基板からオイル・ベースの汚染物質を除去するための手段をさらに含む、請求項９９に記載のシステム。
前記超伝導材料を前記テープ基板上に形成する前に、前記テープ基板に処理をほどこすための手段をさらに含む、請求項９９に記載のシステム。
前記処理が、前記テープ基板の前記形成手段の動作温度と周囲温度の間の温度への加熱処理である、請求項１０３に記載のシステム。
前記処理が前記テープ基板からの汚染物質の低減処理である、請求項１０３に記載のシステム。
前記処理が前記テープ基板上の酸化膜層の除去処理である、請求項１０３に記載のシステム。
前記形成手段が、
前記テープ基板上に前記超伝導材料を形成するのに使用される材料の層流を供給するための手段を含む、請求項９９に記載のシステム。
前記形成手段が、
前記テープ基板を所定の温度まで加熱するための手段を含む、請求項９９に記載のシステム。
前記形成手段が、
前記テープ基板に光を供給するための手段を含み、前記光が前記テープ基板上に前記超伝導材料を形成するのに使用される材料の成長速度を増大させる、請求項９９に記載のシステム。
前記光が、
可視光および紫外光のうちの少なくとも１つを含む、請求項１０９に記載のシステム。
前記形成手段が、
前記形成手段の温度を低下させる冷却手段を含む、請求項９９に記載のシステム。
前記形成手段が、
少なくとも１つの品質管理テストを実施するために前記テープ基板へアクセス可能にするための手段を含む、請求項９９に記載のシステム。
前記少なくとも１つの品質管理テストが、前記テープ基板の目視検査である、請求項１１２に記載のシステム。
前記少なくとも１つの品質管理テストが、前記テープ基板の特性測定である、請求項１１２に記載のシステム。
前記テープ基板上に少なくとも１つのバッファ層を形成するための手段をさらに含む、請求項９９に記載のシステム。
前記形成手段の雰囲気を、外部雰囲気から分離するための手段をさらに含む、請求項９９に記載のシステム。
前記分離手段が、
前記テープ基板を所定の温度まで加熱するための手段を含む、請求項１１６に記載のシステム。
前記所定の温度が、前記形成手段の外部温度と前記形成手段の温度の間にある、請求項１１７に記載のシステム。
前記分離手段が、
前記分離手段内の雰囲気を規定するために使用されるガスを導入するための手段と、
前記ガスを除去するための手段とを含む、請求項１１６に記載のシステム。
前記移行チャンバが、
前記テープ基板を前記移行チャンバ内へ入れるための手段と、
前記テープ基板を前記移行チャンバから出すための手段とを含む、請求項１１６に記載のシステム。
前記分離手段が、
少なくとも１つの品質管理テストを実施するために前記テープ基板へアクセス可能にするための手段を含む、請求項１１６に記載のシステム。
前記少なくとも１つの品質管理テストが、前記テープ基板の目視検査である、請求項１２１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの品質管理テストが、前記テープ基板の特性測定である、請求項１２１に記載のシステム。
前記分離手段が、
前記分離手段を冷却するための手段を含む、請求項１１６に記載のシステム。
前記テープ基板をアニールするための手段をさらに含む、請求項９９に記載のシステム。
前記アニール手段が、
前記テープ基板を少なくとも１つの所定の温度まで加熱するための手段を含む、請求項１２５に記載のシステム。
前記テープを保護層で封止するための手段をさらに含む、請求項９９に記載のシステム。
前記保護層が、
ラッカ、プラスチック、ポリマ、布、金属、銀、金、および銅からなる群から選択される、請求項１２７に記載のシステム。
前記システム、前記テープ基板、および前記超伝導層のうちの少なくとも１つの特性を測定するための手段をさらに含む、請求項９９に記載のシステム。
テープ基板で超伝導ワイアを形成する方法であって、
前記テープ基板を繰り出すステップと、
前記テープ基板上に超伝導材料の層を連続的に形成するステップと、
超伝導材料の前記層を有する前記テープ基板を巻き取るステップとを含む、方法。
前記テープ基板の張力を制御するステップをさらに含む、請求項１３０に記載の方法。
前記繰出しステップおよび前記巻取りステップが調整可能な一定速度で実施される、請求項１３０に記載の方法。
前記テープ基板上に前記超伝導材料を形成する前に前記テープ基板に処理を施すステップをさらに含む、請求項１３０に記載の方法。
前記処理ステップが、
前記テープ基板からオイル・ベースの汚染物質を除去するステップを含む、請求項１３３に記載の方法。
前記処理ステップが、
前記テープ基板を形成ステップの温度と周囲温度の間の温度まで加熱するステップを含む、請求項１３３に記載の方法。
前記処理ステップが、
前記テープ基板から汚染物質を低減させるステップを含む、請求項１３３に記載の方法。
前記処理ステップが、
前記テープ基板上の酸化膜層を除去するステップを含む、請求項１３３に記載の方法。
形成ステップが、
前記テープ基板上に前記超伝導材料を形成するために使用される材料の層流を供給するステップを含む、請求項１３０に記載の方法。
形成ステップが、
前記テープ基板を所定の温度まで加熱するステップを含む、請求項１３０に記載の方法。
形成ステップが、
前記テープ基板に光を供給するステップを含み、前記光が前記テープ基板上に前記超伝導材料を形成するために使用される材料の成長速度を増大させる、請求項１３０に記載の方法。
前記光が、
可視光および紫外光のうちの少なくとも１つを含む、請求項１４０に記載の方法。
前記超伝導材料を形成する前に前記テープ基板上に少なくとも１つのバッファ層を形成するステップを含む、請求項１３０に記載のシステム。
前記テープを保護層で封止するステップをさらに含む、請求項１３０に記載の方法。
前記方法を実施するシステム、前記テープ基板、および前記超伝導層のうちの少なくとも１つの特性を測定するステップをさらに含む、請求項１３０に記載の方法。