JP5122045B2 - Oxide superconductor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
発明は、酸化物超電導体及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年になって発見された酸化物超電導体は、液体窒素温度を超える臨界温度を示す優れた超電導体であるが、現在、この種の酸化物超電導体を実用的な超電導体として使用するためには、種々の解決するべき問題点が存在している。その問題点の1つが、酸化物超電導体の臨界電流密度が低いという問題である。
前記酸化物超電導体の臨界電流密度が低いという問題は、酸化物超電導体の結晶自体に電気的な異方性が存在することが大きな原因となっており、特に酸化物超電導体はその結晶軸のa軸方向とb軸方向には電気を流し易いが、c軸方向には電気を流しにくいことが知られている。このような観点から酸化物超電導体を基材上に形成してこれを超電導導体として使用するためには、基材上に結晶配向性の良好な状態の酸化物超電導体を形成し、しかも、電気を流そうとする方向に酸化物超電導体の結晶のa軸あるいはb軸を配向させ、その他の方向に酸化物超電導体のc軸を配向させる必要がある。
【0003】
そこで本発明者らは先に、特殊な方法を用いて多結晶基材上にa軸とb軸の配向性を良好にしたYSZ(イットリウム安定化ジルコニア)の多結晶配向膜を形成し、この多結晶配向膜上に酸化物超電導層を成膜するならば、良好な臨界電流密度を発揮する酸化物超電導導体を製造可能なことを見出し、この技術に関し、特願平4−293464号、特願平8−214806号、特願平8−272606号、特願平8−272607号などにおいて特許出願を行っている。
【0004】
これらの特許出願に係る技術は、YSZのターゲットを用いて多結晶基材上に成膜する際に、多結晶基材の被成膜面に対して斜め方向からAr+などのイオンビームを同時照射することで結晶配向性の悪いYSZの結晶を選択的に除去し、結晶配向性の良好なYSZの結晶を選択的に堆積させることができ、これにより結果的に配向性の優れたYSZの多結晶配向膜を成膜することが可能になる。この多結晶配向膜上に形成した酸化物超電導体は良好な臨界電流密度を発揮することが可能である。
特に、多結晶配向膜の成膜を低温で行うことで配向膜表面の平滑性が向上し、この平滑面上に酸化物超電導層を形成するならば、臨界電流密度を更に向上することが可能になる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の多結晶配向膜は、理想的な平滑面が得られる反面、Ar+などのイオンビームの同時照射しつつ成膜するため、多結晶配向膜に内部応力が生じる場合がある。多結晶基材に対する多結晶配向膜の付着力が十分でないと、多結晶配向膜が基材から剥離するおそれがある。
多結晶配向膜の内部応力は、膜厚が大きいほど増大する傾向にあるため、剥離を防止するにはその膜厚を制限する必要があるが、多結晶配向膜の膜厚が十分でないと酸化物超電導層の結晶配向が乱れて、却って臨界電流密度が低下するおそれがあった。
【0006】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、臨界電流密度を向上させるとともに、基材からの剥離を防止することが可能な多結晶配向膜及びその製造方法並びに酸化物超電導体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。本発明の酸化物超電導体は、少なくともテープ状の基材上に、多数の結晶粒が結合されてなる厚さ10〜100nmの薄膜が複数積層されることにより前記結晶粒の同一結晶軸が構成する粒界傾角が5〜20度の範囲にされてなる多結晶配向膜が形成され、前記多結晶配向膜の膜厚が300〜2000nmであり、かつ、前記多結晶配向膜上に酸化物超電導層が形成されてなることを特徴とする。
本発明において、前記薄膜を構成する結晶粒が立方晶系の結晶構造を有する結晶粒とすることができる。
【0014】
係る酸化物超電導体によれば、厚さ10〜100nmの複数の薄膜を積層してなる厚さ300〜2000nmの多結晶配向膜が備えられるので、各薄膜の内部応力を十分に小さくし、多結晶配向膜の全体の内部応力を低減させて多結晶配向膜の剥離を防止することが可能になる。また、多結晶配向膜を構成する各結晶粒の粒界傾角が上記の範囲なので、多結晶配向膜の配向性が向上し、これにより酸化物超電導層の配向性が高められ、酸化物超電導体の臨界電流密度を増大させることが可能になる。
【0015】
更に本発明の酸化物超電導体の製造方法は、成膜室内にテープ状の基材を送り込み、ターゲットから発生させた粒子を前記基材上に堆積させることにより、前記基材上にターゲットの構成元素からなるとともに多数の結晶粒が結合されてなる多結晶配向膜を形成する配向膜形成工程と、前記多結晶配向膜上に酸化物超電導層を形成する超伝導層形成工程とを具備してなり、前記配向膜形成工程において、イオンソースが発生させたイオンビームを基材の成膜面の法線に対して斜め方向から照射するとともにターゲット粒子を前記基体上に堆積させることにより厚さ10〜100nmの薄膜を成膜する成膜工程を、少なくとも2回以上繰り返して前記薄膜を積層することにより、結晶粒の同一結晶軸が構成する粒界傾角が5〜20度の範囲にされてなる前記の多結晶配向膜を形成することを特徴とする。
【0016】
係る酸化物超電導体の製造方法によれば、厚さ10〜100nmの薄膜を積層することにより、結晶粒の同一結晶軸が構成する粒界傾角が5〜20度の範囲にされてなる多結晶配向膜を形成するので、多結晶配向膜を構成する各薄膜の内部応力を十分に小さくして多結晶配向膜の全体の内部応力を低減させることができ、剥離しにくい多結晶配向膜を製造することが可能になる。
また、多結晶配向膜の粒界傾角が上記の範囲であり、多結晶配向膜の配向性に優れるので、酸化物超電導層の結晶配向を高めることができ、高い臨界電流密度を有する酸化物超電導体の製造が可能になる。
【0017】
また本発明の酸化物超電導体の製造方法は、先に記載の酸化物超電導体の製造方法であって、前記テープ状の基材を2〜20m/時間の送出速度で前記成膜室内に送り込むとともに、前記イオンビームを前記基材の成膜面の法線に対して50〜60度の範囲の入射角度で斜め方向から照射し、かつ成膜時の温度を60〜200℃の範囲に設定することを特徴とする。
【0018】
係る酸化物超電導体の製造方法によれば、前記テープ状の基材の送出速度を2〜20m/時間の範囲とするとともに、イオンビームの入射角度及び成膜時の温度を上記の範囲とすることにより、多結晶配向膜を構成する薄膜の厚さを100nm以下にすることができ、薄膜の内部応力を低減させて多結晶配向膜の剥離を防止することが可能になる。また送出速度を上記の範囲とすることで薄膜の厚さが10nm以上となり、これにより薄膜の結晶配向性が高められて多結晶配向膜の配向性を向上させ、更には酸化物超電導層の配向性をも高め、臨界電流密度に優れた酸化物超電導体を製造することが可能になる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は本発明の多結晶配向膜を基材上に形成した一実施形態を示す斜視模式図であり、図2は図1に示す薄膜(25)の平面模式図である。図1においてAはテープ状の多結晶基材、Bは多結晶基材Aの上面に形成された多結晶配向膜を示している。
多結晶基材Aは、例えば板材、線材、テープ材などの種々の形状のものを用いることができ、多結晶基材Aは、銀、白金、ステンレス鋼、銅、ハステロイ等のNi合金などの金属材料や合金、あるいは、各種ガラスあるいは各種セラミックスなどの材料からなるものである。
【0020】
図1に示すように、多結晶配向膜Bは、多数の結晶粒20…が結合されてなる厚さ10〜100nmの薄膜21〜25が、複数、積層されて形成されている(図1では5つの薄膜)。各薄膜21〜25は、立方晶系の結晶構造を有するYSZの微細な結晶粒20…が相互に結晶粒界を介して接合一体化されてなり、各結晶粒20…の結晶軸のc軸が基材Aの上面(成膜面)に対して直角に向けられ、各結晶粒20の結晶軸のa軸同士及びb軸同士が互いに同一方向に向けられて面内配向されている。
また図2に示すように、薄膜25を構成する結晶粒20…のa軸(またはb軸)同士が、それらのなす角度(図2に示す粒界傾角K)を5〜20度の範囲内にして接合一体化されている。
尚、図2は薄膜25の結晶構造のみについて説明したが、他の薄膜21〜24の結晶構造もこの薄膜25の結晶構造とほぼ同一であり、積層されるに従って配向が鋭くなっている。
なお、この粒界傾角Kの値は後述する多結晶配向膜Bの製造方法において成膜時の温度を好適な範囲に制御することで調整することが可能であり、成膜時の温度制御によって所定の値に調整することができる。
【0021】
各薄膜21〜25の厚さは上記の通り10〜100nmの範囲が好ましい。薄膜21〜25の膜厚が10nm未満だと、膜厚を安定に維持しにくくなって膜厚にばらつきが生じるので好ましくなく、薄膜21〜25の膜厚が100nmを越えると各薄膜21〜25の内部応力が増大し、これにより多結晶配向膜B全体の内部応力が大きくなり、多結晶配向膜Bが多結晶基材Aから剥離しやすくなるので好ましくない。薄膜21〜25の膜厚は、後述するように多結晶基材Aの送出速度を調整することにより増減させることができる。
【0022】
また多結晶配向膜Bの厚さは、各薄膜21〜25の膜厚を調整するか、若しくは薄膜の積層数を増減することによって調整でき、300〜2000nmの範囲が好ましく、500〜1500nmの範囲がより好ましい。多結晶配向膜Bの厚さが300nm未満だと、結晶粒20…のなす粒界傾角Kを上記の範囲にすることができなくなるので好ましくなく、厚さが2000nm越えると多結晶配向膜B全体の内部応力が大きくなって、多結晶配向膜Bが多結晶基材Aから剥離しやすくなるので好ましくない。
尚、薄膜21〜25を積層することで多結晶配向膜B全体の内部応力を低減できる理由としては、従来のように多結晶配向膜が連続成膜されて内部応力が蓄積される場合と比べて、薄膜の形成を間欠的に繰り返すことで、各薄膜21〜25の内部応力が蓄積することがなく、これにより多結晶配向膜全体の内部応力が緩和されるためと考えられる。
【0023】
図3は、本発明の多結晶配向膜の製造方法の実施に好適に用いられる多結晶配向膜の製造装置の一例を示す図である。
この例の多結晶配向膜の製造装置は、テープ状の基材Aを支持するとともに所望温度に加熱または冷却が可能なブロック状の基材ホルダ73と、基材ホルダ73上に対してテープ状の基材Aを送り出しまたは巻き取る第1ボビン74と、この第1ボビン74に連動して、多結晶配向膜(B)が形成されたテープ状の基材Aを巻き取りまたは送り出す第2ボビン75と、基材ホルダ73の斜め上方に所定間隔をもって対向配置された板状のターゲット36と、このターゲット36の斜め上方においてターゲット36の下面に向けて配置されたスパッタビーム照射装置(スパッタ手段)38と、基材ホルダ73の側方に所定間隔をもって対向され、かつ、ターゲット36と離間して配置されたイオンソース39と冷却装置Rとが、真空排気可能な真空チャンバ(成膜処理容器)40に設けられた構成とされている。
この例の多結晶配向膜の製造装置は、第1ボビン74及び第2ボビン75によってテープ状の基材Aを基材ホルダ73上で繰り返し往復移動させ、その間にターゲット36から発生させた粒子を往復移動中の基材A上に堆積させることにより、基材A上にターゲットの構成元素からなる薄膜形成するとともにこの薄膜を複数積層させることによって多結晶配向膜を形成するというものである。
【0024】
基材ホルダ73は、通電により抵抗発熱する金属線等からなる加熱ヒータ73aを内蔵して構成され、基材ホルダ73の上を往復するテープ状の基材Aを必要に応じて所望の温度に加熱できるようになっている。このような基材ホルダ73は、成膜処理容器40内のイオンソース39から照射されるイオンビームの最適照射領域に配設されている。また、この基材ホルダ73が側面三角型の基台60に装着されて設けられ、この基台60が成膜処理容器40の外壁40aを貫通して設けられた冷媒導入管61により成膜処理容器40の中央部に支持され、基台60と冷媒導入管61を主体として冷却装置Rが構成されている。
【0025】
この形態の基台60は、図5に示すように断面三角型の中空の金属ブロック製とされ、その上面60aは後述するイオンビームの基材に対する入射角度を50〜60度の範囲にできるように傾斜面とされている。また、基台60の背面60bに冷媒導入管61が接続されるとともに、冷媒導入管61は、内部の往管62とその外部を覆う戻管63とからなる2重構造とされていて、往管62と戻管63がいずれもチャンバ内部で基台60の内部空間に連通されているとともに、これらがいずれもほぼ水平に延出されて成膜処理容器40の外壁40aを貫通して外部に導出され、外部において両管が上方に湾曲されているとともに、往管62の先端部に戻管63の先端部よりも若干上方に突出した注入部64が形成されていて、更に注入部64に漏斗状の注入部材65が装着されて構成されている。
【0026】
そして、往管62の基台60側の先端部と戻管63の基台60側の先端部はいずれも基台60の背面60bの接続孔に気密に接合されているので、成膜処理容器40の内部を減圧した場合においても基台60の内部を成膜処理容器外部の大気圧状態とすることができ、前述の注入部材65の内部に液体窒素などの液体冷媒、あるいは冷却空気などの気体冷媒等を送り込み、基台60の内部を冷媒で満たすことができるように構成されている。
【0027】
また、往管62と戻管63を設けたのは、往管62のみで冷媒導入管61を構成すると注入部材65に冷媒を投入して往管62から基台60に冷媒を送入しようとしても、先に送入している冷媒が基台60の内部に滞留し、新たな冷媒を基台60に供給できなくなることを防止するためである。この点において戻管63を設けてあるならば、基台60内に滞留している古い冷媒を戻管63を介して大気中に排出することが容易にできるので、基台60に常に新鮮な冷媒を供給して基台60を十分に冷却することができ、冷却能力を高めることができる。更に、往管62の外部を戻管63で覆う2重構造を採用するならば、戻管63を通過している冷媒で往管62を覆うことができる構成であるので、戻管63の内部の冷媒で往管62を冷却することができ、往管62の内部において冷媒の温度を不要に高めてしまうことを防止できる。
【0028】
更に、冷媒供給管61はフランジ板66を貫通して設けられ、このフランジ板66は成膜処理容器40の外壁40aに形成された取付孔40bを塞いで外壁40aにネジ止め等の固定手段により着脱自在に固定されている。また、フランジ板66には、基台60の温度計測用の温度計測装置67が冷媒供給管61に隣接するように装着され、この温度計測装置67に接続された温度センサ68により基材ホルダ73の温度を計測できるように構成されている。即ち、基台60の上面60a上に図5の2点鎖線の如く基材ホルダ73をセットした場合にこの温度センサ68を基材ホルダ73に接触させておくことで基材ホルダ73の温度を計測できるように構成されている。
【0029】
以上のことから、加熱ヒータ73aにより常温よりも高い温度に基材ホルダ73を加熱して基材Aを加熱するか、基台60により基材Aを冷却することにより、基材Aを所望の温度、例えば+500℃〜−196℃の範囲の温度に調節できるように構成されている。即ち、ヒータ加熱により、常温〜500℃程度までは容易に加熱調整することができ、更に、ヒータを停止して冷却用の媒体として液体窒素、空気、冷却空気、冷却気体などの冷媒を用いて上述の冷却装置により77K(約−196℃)程度まで容易に冷却することができる。
【0030】
なお、ここで用いる冷却装置Rは図5に示す構成のものに限らないので、クーラー等の通常の冷却装置に用いられるフロン等のフッ素系ガスやアンモニアを用いた冷却装置で−30℃程度に冷却できる装置を設けても良いのは勿論である。また、成膜の際に基材にはターゲットからの高熱粒子の飛来により自然加熱されるので、例えば、常温で成膜して基材ホルダに一切加熱や冷却を行わない場合に基材は100℃程度に加熱されることになる。また、冷媒で冷却しながら成膜する場合、基材を供給する基材ホルダ73の材質や厚さを調節することで、基台60から基材Aを冷却する能力を調整できる。
例えば、薄く、熱伝導性に優れた基材ホルダ73を用い、冷媒導入管61からの液体窒素の供給量を充分に確保した場合は成膜時の発熱を差し引いても−150℃程度まで容易に冷却することができ、逆に基材ホルダ73を厚い金属材料で形成することで基台60からの冷却能力を低く抑えることができ、このようにした場合に液体窒素冷媒を用いても基材Aの温度を−150〜−50℃程度まで容易に調整することができる。
ただし本願発明では成膜時の温度を後述の如く60〜200℃の範囲とすれば良いので、過剰な冷却は不要であり、60〜200℃の温度範囲に調整可能な冷媒(例えば、冷却空気、冷却水等)を流量を調節して適宜用いれば良い。
【0031】
この例の多結晶配向膜Bの製造装置においては、第1ボビン74または第2ボビン75から基材ホルダ73上にテープ状の基材Aを連続的に送り出して最適照射領域を通過させ、第2ボビン75または第1ボビン74による基体Aの巻き取り/送り出し動作を複数回繰り返すことで、基材A上に複数の薄膜を順次積層できるようになっている。
【0032】
ターゲット36は、目的とする多結晶配向膜を形成するためのものであり、目的の組成の多結晶配向膜と同一組成あるいは近似組成のものなどを用いることができる。ターゲット36として具体的には、MgOあるいはY2O3で安定化したジルコニア(YSZ)を用いるがこれらに限るものではなく、形成しようとする多結晶配向膜の組成に見合うターゲットを適宜用いれば良い。このターゲット36は、ピン等によりターゲット支持体36aに回動自在に取り付けられており、傾斜角度を調整できるようになっている。
スパッタビーム照射装置(スパッタ手段)38は、容器の内部に蒸発源を収納し、蒸発源の近傍に引き出し電圧をかけるためのグリッドを備えて構成されているものであり、ターゲット36に対してイオンビームを照射してターゲット36の構成粒子を基材Aに向けて叩き出すことができるものである。
【0033】
イオンソース39は、スパッタビーム照射装置38と略同様の構成のものであり、容器の内部に蒸発源を収納し、蒸発源の近傍に引き出し電圧をかけるためのグリッドを備えて構成されている。そして、前記の蒸発源から発生した原子または分子の一部をイオン化し、そのイオン化した粒子をグリッドで発生させた電界で制御してイオンビームとして照射する装置である。粒子をイオン化するには直流放電方式、高周波励起方式、フィラメント式、クラスタイオンビーム方式などの種々のものがある。フィラメント式はタングステン製のフィラメントに通電加熱して熱電子を発生させ、高真空中で蒸発粒子と衝突させてイオン化する方法である。また、クラスタイオンビーム方式は、原料を入れたるつぼの開口部に設けられたノズルから真空中に出てくる集合分子のクラスタを熱電子で衝撃してイオン化して放射するものである。
【0034】
この多結晶配向膜の製造装置においては、図4に示す構成の内部構造のイオンソース39を用いる。このイオンソース39は、筒状のイオン室45の内部にグリッド46とフィラメント47とArガスなどの導入管48とを備えて構成され、イオン室45の先端のビーム口49からイオンをビーム状に略平行に放射できるものである。このイオンソース39の設置位置は変更できるようになっており、また、ビーム口49の口径dも変更できるようになっている。
【0035】
前記イオンソース39は、図3に示すようにその中心軸線Sを基材Aの成膜面に対して入射角度θ(基材Aの垂線(法線)Hと中心線Sとのなす角度)でもって傾斜させて対向されている。この入射角度θは50〜60度の範囲が好ましいが、より好ましくは55〜60度の範囲、最も好ましくは55度である。従ってイオンソース39は基材Aの成膜面の法線Hに対してある入射角度θでもってイオンビームを照射できるように配置されている。
【0036】
また、イオンソース39は、これから放射されるイオンビームの広がり角度Δθが下記式(I)
Δθ≦2tan-1(d/2L) ・・・(I)
(式中、Δθはイオンビームの広がり角度、dはイオンソース39のビーム口径(cm)、Lはイオンソース39のビーム口49と基材Aとの距離であるイオンビームの搬送距離(cm)を表す。)により計算できるため、目的とする多結晶配向膜の結晶配向性に応じてイオンビームの搬送距離Lとビーム口径dが設定されている。このイオンビームの広がり角度Δθは5度以下が好ましく、より好ましくは3度以下の範囲である。例えば、L=40cmの場合、d≦3.49cmとすればΔθ≦5゜に制御することができ、d≦2.09cmとすればΔθ≦3゜に制御することができる。
【0037】
なお、イオンソース39によって基材Aに照射するイオンビームは、YSZの中間層を形成する場合にHe+、Ne+、Ar+、Xe+、Kr+などの希ガスのイオンビーム、あるいは、それらと酸素イオンの混合イオンビームなどを用いる。
【0038】
また、成膜処理容器40には、この成膜処理容器40内を真空などの低圧状態にするためのロータリーポンプ51およびクライオポンプ52と、ガスボンベなどの雰囲気ガス供給源がそれぞれ接続されていて、成膜処理容器40の内部を真空などの低圧状態で、かつ、アルゴンガスあるいはその他の不活性ガス雰囲気または酸素を含む不活性ガス雰囲気にすることができるようになっている。
さらに、成膜処理容器40には、この成膜処理容器40内のイオンビームの電流密度を測定するための電流密度計測装置54と、容器40内の圧力を測定するための圧力計55が取り付けられている。
なお、この形態の多結晶配向膜の製造装置において、イオンソース39の支持部分に角度調整機構を取り付けてイオンソース39の傾斜角度を調整し、イオンビームの入射角度を調整するようにしても良く、角度調整機構は種々の構成のものを採用することができるのは勿論である。また、イオンソース39の設置位置を変更することにより、イオンビームの搬送距離Lを変更できるようにしたが、基材ホルダ73の支持体73aの長さを調整できるようにして、イオンビームの搬送距離Lを変更できるようにしても良い。
【0039】
次に、前記構成の製造装置を用いてテープ状の基材A上にYSZの多結晶配向膜Bを形成する方法について説明する。
この方法は、テープ状の基材上にターゲットから発生させた粒子を堆積することによって、ターゲットの構成元素からなるとともに多数の結晶粒が結合されてなる多結晶配向膜を製造する際に、成膜室内に前記テープ状の基材を送り込みながら、イオンソースが発生させたイオンビームを基材の成膜面の法線に対して斜め方向から照射するとともにターゲット粒子を前記基体上に堆積させることにより厚さ10〜100nmの薄膜を成膜する成膜工程を、少なくとも2回以上繰り返して前記薄膜を積層することにより、結晶粒の同一結晶軸が構成する粒界傾角が5〜20度の範囲にされてなる前記の多結晶配向膜を形成するというものである。
本発明の製造方法において、テープ状の基材A上に多結晶配向膜を形成するには、MgOあるいはY2O3で安定化したジルコニア(YSZ)などからなるターゲット36を用い、基材Aを収納している成膜処理容器40の内部を真空引きして減圧雰囲気とするとともに、第1ボビン74から基材ホルダ73に基材Aを2〜20m/時間の送出速度で送り出し、さらにイオンソース39とスパッタビーム照射装置38を作動させる。
尚、基材の送出速度が2m/時間未満では、結晶粒20の配向性が高くなるものの、薄膜の膜厚が厚くなって内部応力が増大し、薄膜21が基材Aから剥離しやすくなるので好ましくなく、送出速度が20m/時間を越えると、薄膜の厚さが薄くなって内部応力が小さくなるものの、結晶粒20の配向性が低下するので好ましくない。
【0040】
また、基材ホルダ73に付設した加熱ヒータあるいは冷却装置を作動させ、基材ホルダ73に接する基材Aの温度を50〜200℃の範囲の温度に調節する。
基材Aの設定温度は、後述するYSZの結晶配向性の結果と、後述する超電導層の臨界電流密度のデータと、成膜レートなどの種々の試験結果から、50〜200℃の範囲に設定することが好ましい。
【0041】
ところで、冷媒を注入部材65に投入し、ここから往管62を介して基台60の内部空間に冷媒を満たす場合に、堆積する粒子による加熱状態あるいは成膜処理容器40に設けた他の装置からの熱輻射等により、基材Aを冷媒の温度よりも若干高い温度に容易に調整でき、特に常温で冷媒を用いない場合は100℃前後に容易に調整することができ、100〜200℃の温度範囲に調整するには加熱ヒータ73に通電すれば良く、60〜100℃の温度範囲に調整するには、冷却水、冷却空気などの冷媒を流量を調整しながら少量使用すれば良い。
【0042】
スパッタビーム照射装置38からターゲット36に対してイオンビームを照射すると、ターゲット36の構成粒子が叩き出されて基材A上に飛来する。
そして、基材ホルダ73上に送り出された基材A上にターゲット36から叩き出した構成粒子を堆積させると同時にイオンソース39から、例えば、Ar+イオンと酸素イオンの混合イオンビームを照射して所望の厚み薄膜21を成膜し、成膜後のテープ状の基材Aを第2ボビン75に巻き取る。
【0043】
ここでイオンビームを照射する際の入射角度θは、50〜60度の範囲が好ましく、より好ましくは55〜60度の範囲、最も好ましくは55度である。ここでθを90度とすると、薄膜21のc軸は基材A上の成膜面に対して直角に配向するものの、面内配向性は非常にブロードになるので好ましくない。
このような入射角度でイオンビーム照射を行ないながらスパッタリングを行なうことで、基材A上に形成されるYSZの薄膜21の結晶軸のa軸どうしおよびb軸どうしは互いに同一方向に向けられて基材Aの上面(成膜面)と平行な面に沿って面内配向する。
【0044】
このように、基材の送出速度、入射角度θ及び基台60の温度を上記の範囲に設定した上記の成膜工程を行うことにより、基材A上に厚さ10〜100nmの薄膜21が形成される。
【0045】
次に、第2ボビンに巻き取った薄膜21付きの基材Aを、基材ホルダ73に向けて2〜20m/時間の速度で送り出し、第1ボビンで巻き取ること以外は、先程の場合と同様の成膜工程を再度行うことで、ターゲット36の構成粒子を薄膜21上に堆積させると同時にイオンソース39から混合イオンビームを照射して、所望の厚み薄膜22を成膜する。このようにして薄膜21の場合と同様の成膜工程を行うことにより、薄膜21上に薄膜22を積層する。
【0046】
上記の一連の成膜工程を少なくとも2回以上行うことで、基材A上に、複数の薄膜21〜25が積層されてなる厚さ10〜100nmの多結晶配向膜Bを製造することができる。多結晶配向膜Bの厚さは、1回の成膜工程で形成される各薄膜21〜25の厚さ、若しくは成膜工程の回数を調整することで増減できる。
【0047】
そして、前述のようにして形成された多結晶配向膜B上にスパッタリングやレーザ蒸着法などの成膜法により酸化物超電導層Cを積層することで図6に示す構造の酸化物超電導導体26を得ることができる。
この酸化物超電導層Cは、多結晶配向膜Bの上面に被覆されたものであり、その結晶粒27のc軸は多結晶配向膜Bの上面に対して直角に配向され、その結晶粒27…のa軸とb軸は先に説明した多結晶配向膜Bと同様に基材上面と平行な面に沿って面内配向し、結晶粒27どうしが形成する粒界傾角が1mを超える長尺の基材上、例えば2.5mの基材上にあってはどの部分においても粒界傾角が26度以下、部分的には20度以下(例えば、12〜20度)の小さな値に形成されている。
【0048】
この酸化物超電導層を構成する酸化物超電導体は、Y1Ba2Cu3O7-x、Y2Ba4Cu8Oy、Y3Ba3Cu6Oyなる組成などに代表される臨界温度の高いY系の酸化物超電導体である。
【0049】
ここで前述のようにして粒界傾角が5〜20°の範囲に精度良く揃えられた多結晶配向膜B上に、スパッタリングやレーザ蒸着法などの成膜法により酸化物超電導層Cを形成するならば、この多結晶配向膜B上に積層される酸化物超電導層Cも多結晶配向膜Bの配向性に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化する。
よって多結晶配向膜B上に形成された酸化物超電導層Cは、結晶配向性に乱れが殆どなく、この酸化物超電導層Cを構成する結晶粒27の1つ1つにおいては、基材Aの厚さ方向に電気を流しにくいc軸が配向し、基材Aの長さ方向にa軸同士あるいはb軸同士が配向している。従って得られた酸化物超電導層Cは、結晶粒界における量子的結合性に優れ、結晶粒界における超電導特性の劣化が殆どないので、基材Aの長さ方向に電気を流し易くなり、MgOやSrTO3の単結晶基板上に形成して得られる酸化物超電導層と同じ程度の十分に高い臨界電流密度が得られる。
【0050】
以上説明の如く、複数の薄膜21〜25を積層することにより、内部応力が小さく、結晶配向性に優れた多結晶配向膜Bを得ることができ、この多結晶配向膜B上に酸化物超電導層Cを形成することにより、結晶配向性に優れて臨界電流特性が高い酸化物超電導導体22を得ることができる。
また、この例で得られる酸化物超電導導体は1mを超える長さのフレキシブル性に優れた長尺のテープ状とすることが容易であり、超電導マグネットの巻線等への応用が期待できる。しかも本発明に係る酸化物超電導導体22は、多結晶配向膜Bは剥離しにくいために曲げに強く、従って巻胴に巻き付けて超電導コイルを製造しようとする場合においても、超電導特性の劣化を生じない状態で超電導コイルを得ることができる。
【0051】
なお、多結晶配向膜Bの結晶配向性が整う要因と成膜レートに関して本発明者らは、以下のことを想定している。
YSZの多結晶配向膜Bの結晶の単位格子は立方晶であり、この結晶格子の基板法線方向は(100)軸であり、(010)軸と(001)軸はいずれも他の方向となる。これらの方向に対し、基材法線に対して斜め方向から入射するイオンビームを考慮すると、単位格子の原点に対して単位格子の対角線方向、即ち、(111)軸に沿って入射する場合に、基材法線に対する入射角度は54.7度となる。
【0052】
先に本願発明者らが特許出願している技術によれば、図7に示すようにイオンビームの入射角度に応じて得られるYSZの多結晶配向膜の結晶配向性を示す半値全幅の値はイオンビーム入射角度が55〜60度の範囲で極小値を示す。
ここで前記のように入射角度50〜60度の範囲で良好な結晶配向性を示すことは、イオンビームの入射角度が前記54.7度と一致するかその前後になった場合、イオンチャンネリングが最も効果的に起こり、基材A上に堆積している結晶において、基材Aの上面で前記角度に一致する配置関係になった原子のみが選択的に残り易くなり、その他の乱れた原子配列のものはイオンビームのスパッタ効果によりスパッタされて除去される結果、配向性の良好な原子の集合した結晶のみが選択的に残って堆積してゆくものと推定している。
【0053】
なおこの際に、イオンビーム のYSZに対する照射効果として、基材に垂直にYSZの(100)面を立てる効果と面内方位を整える効果の2つを奏するが、本発明者としては、基材に垂直に正確に(100)面を立てる効果が主要であるものと推定している。それは、基材に垂直にYSZの(100)を立てる効果が不十分であると、必然的に面内配向性も乱れるためである。
【0054】
次に、イオンビームを成膜面の法線に対して50〜60度の入射角度で照射しながら成膜する場合に好適な範囲に温度制御を行うと多結晶配向膜Bの粒界傾角Kの値が良好になる理由、換言すると、多結晶配向膜Bの結晶配向性が良好になる理由について本願発明者は以下のように推定している。
通常のスパッタ、レーザ蒸着等の成膜法において結晶性の良好な薄膜を得るためには、成膜雰囲気を高温度、例えば400〜600℃程度、あるいはそれ以上の温度に加熱しながら成膜することが常識的な知見である。このような高温度に加熱しつつ成膜することで一般的に結晶性の高い膜を得ていることは、成膜温度と結晶化との間に密接な関係が存在することを意味し、薄膜の製造分野において成膜温度が低い場合はアモルファス性に富む膜が生成し易いものと理解されている。
【0055】
しかしながら、本願発明に係る技術であるイオンビーム照射に伴う成膜技術を用いる場合は、イオンビームにより結晶を整える効果が極めて大きいために、成膜温度は逆にできるだけ低い温度が好ましい。これは、低い温度の方が結晶を構成する原子の運動や振動がそれだけ少なくなり、イオンビーム照射に伴う結晶を揃える効果がより効果的に発揮される結果として、結晶配向性に優れた多結晶配向膜Bが生成し易くなるものと推定している。
【0056】
即ち、本発明の技術によれば、低温になるほど(100)軸が安定した多結晶配向膜を得ることができ、それに伴って(111)軸の角度が一意的に決まること、および、結晶を構成する原子の熱振動によりディチャネリング(dechanneeling)が起こらなくなり、(111)軸に沿ったイオンの衝突断面積が減少して効果的な配向制御が可能になることによって結晶配向性が良くなるものと思われる。
なお、成膜温度が低温になるほど結晶配向性の高い多結晶配向膜Bを得ることができ、200℃以下の温度で多結晶配向膜Bを成膜した場合により優れた結晶配向性の多結晶配向膜Bが得られるという事実は、一般の成膜技術において高温度に加熱しながら成膜しなくては結晶性の高い膜を得ることが難しいという知見とは相反するものであり、この点においてイオンビームを斜めから照射しながら成膜する技術の特異性を知ることができる。
【0057】
しかしながら、成膜温度を低くし過ぎると、成膜時間が短い薄い膜で結晶配向性が低下する傾向にあり、これは、薄い膜では結晶が整合性をもって配向性良好に並ぶ状態の前の状態、即ち、結晶が十分に並ぶ以前の原子が多少乱れた状態の膜となり易いので、結晶配向性が不十分となり易いと考えられる。ただし、低温成膜であっても、数10時間の長いをかけて十分な膜厚に成膜することで必要な膜厚を確保し、結晶配向性に優れた膜を得ることができるが、製造効率の面からは好ましくない。
以上のことから、ある程度の必要な膜厚(堆積される原子がイオンビームの効果によって十分に配向しながら堆積し始めるために必要な膜厚として300nm程度以上)の多結晶中間層を基材上に効率良く形成するには、60〜200℃の温度範囲で成膜処理することが好ましいと思われる。
【0058】
上記の酸化物超電導体によれば、厚さ10〜100nmの複数の薄膜21〜25を積層してなる多結晶配向膜Bが備えられるので、各薄膜21〜25の内部応力を十分に小さくし、多結晶配向膜B全体の内部応力を低減させて多結晶配向膜Bの剥離を防止できる。
また、多結晶配向膜Bを構成する各結晶粒の粒界傾角が5〜20度の範囲なので、多結晶配向膜の配向性が向上し、これにより酸化物超電導層Cの配向性が高められ、酸化物超電導体の臨界電流密度を増大できる。
【0059】
また、上記の酸化物超電導体の製造方法によれば、厚さ10〜100nmの薄膜21〜25を積層することにより、結晶粒の同一結晶軸が構成する粒界傾角が5〜20度の範囲にされてなる多結晶配向膜Bを形成するので、多結晶配向膜Bを構成する各薄膜21〜25の内部応力を十分に小さくして多結晶配向膜Bの全体の内部応力を低減させることができ、剥離しにくい多結晶配向膜を製造することができる。
また、多結晶配向膜Bの粒界傾角が上記の範囲であり、多結晶配向膜Bの配向性に優れるので、酸化物超電導層Cの結晶配向を高めることができ、高い臨界電流密度を有する酸化物超電導体を製造できる。
【0060】
【実施例】
図3〜図5に示す構成の装置を使用し、イオンビーム照射を伴うスパッタリングを行って、複数の薄膜が積層されてなるYSZの多結晶配向膜を金属テープ上に成膜した。図3に示す装置を収納した真空容器内を真空ポンプで真空引きして3.0×10-4Torrに減圧するとともに、真空容器内にAr+O2のガスをArにおいては16.0sccm、O2ガスにおいては8.0sccmの割合で供給した。
基材として、表面を鏡面加工した幅10mm、厚さ0.5mm、長さ2.5mのハステロイC276合金(Ni:58%、Mo:17%、W5%、Cr14%、Fe6%)のテープを使用した。ターゲットはYSZ(Y2O3:8モル%)製のものを用い、Ar+イオンをイオンガンからターゲットに照射してスパッタするとともに、イオンガンからのイオンビームの入射角度を基材ホルダ上の基材テープの成膜面の法線に対して入射角55度に設定し、Ar+のイオンビームのエネルギーを200eV、イオン電流密度を100μA/cm2に設定して基材上にレーザ蒸着と同時にイオンビーム照射を行ない、基材テープを基材ホルダに沿って0.1〜5.0m/時間の送出速度で移動させながら基材テープ上にYSZの薄膜を形成した。このようにして、試験例1〜7の試料を得た。
【0061】
なお、前記の成膜の際に、基材ホルダの加熱ヒータを作動させ、成膜時の基材および多結晶配向膜の温度を100℃に制御した。
得られた各試験例1〜7について、基材の送出速度、薄膜の膜厚、粒界傾角及び薄膜の剥離状況を調査した。結果を表1に示す。尚、粒界傾角は、X線による(111)極点図と(100)極点図から求めた半値全幅(FWMH)を粒界傾角Δψとした。また表1において、剥離状況を示す記号のうち、丸印は剥離なし、△印は一部剥離、バツ印は完全に剥離したことを意味する。
【0062】
【表1】
【0063】
表1に示すように、基材の送出速度が高くなるにつれて、例えば試験例4〜7のごとく、薄膜の膜厚が小さくなって内部応力が低下し、基材から剥離しにくくなるが、粒界傾角が大きくなって配向性が低下していることが分かる。
一方、基材の送出速度が低下するにつれて、例えば試験例1〜3のごとく、粒界傾角が小さくなって配向性が向上するが、膜厚が大きくなって基材から剥離しやすくなっていることがわかる。
【0064】
次に、表1に示した試験例のうち、基材からの剥離状況が良好であった試験例5〜7について、上記の薄膜を形成した際の条件と同一の条件で薄膜の形成を5〜25回繰り返して行うことにより、試験例8〜10の多結晶配向膜を形成した。得られた多結晶配向膜の膜厚、粒界傾角及び剥離状況を調査した。結果を表2に示す。尚、粒界傾角の測定及び表2中の剥離状況を示す各種印の意味は、表1の場合と同様である。
【0065】
尚、比較例として、基材の送出速度を0.5m/時間とし、入射角55度に設定し、Ar+のイオンビームのエネルギーを200eV、イオン電流密度を100μA/cm2に設定したこと以外は上記と同様にしてスパッタリングを連続して行うことにより、試験例11の多結晶配向膜を形成した。粒界傾角及び剥離状況を表2に併せて示す。
【0066】
【表2】
【0067】
表2に示すように、試験例8〜1では、いずれも粒界傾角が小さく、配向性に優れていることが分かる。また、基材からの剥離状況については、試験例8の一部に剥離が認められたが、試験例9及び10では全く剥離が見られず、良好な付着性を示すことが分かる。
一方、連続成膜により形成した試験例11の多結晶配向膜は、粒界傾角が小さく配向性に優れるものの、成膜した多結晶配向膜のほぼ全部が剥離しており、付着特性が極めて低くなっている。これは、連続成膜により多結晶配向膜に内部応力が蓄積されたためと考えられる。
【0068】
更に試験例9及び10について、得られた多結晶配向膜上にイオンビームスパッタ装置を用いて酸化物超電導層を形成した。ターゲットとして、Y0.7Ba1.7Cu3.0O7-xなる組成の酸化物超電導体からなるターゲットを用いた。また、蒸着処理室の内部を1×10-6Torrに減圧してスパッタリングを行なった。その後、400℃で60分間、酸素雰囲気中において熱処理した。得られた酸化物超電導テープ導体は、幅10.0mm、長さ2.5mのものである。
この酸化物超電導テープ導体を液体窒素により冷却し、中央部の幅10mm、長さ10mmの部分について4端子法により臨界温度と臨界電流密度の測定を行なったところ、試験例9が臨界電流密度(0T、77K)1.1×106A/cm2を示し、試験例10が臨界電流密度(0T、77K)0.9×106A/cm2を示し、いずれも良好な値を示した。
【0069】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の多結晶配向膜は、厚さ1〜100nmの複数の薄膜が積層されることにより形成されるので、各薄膜の内部応力を十分に小さくすることができ、これにより多結晶配向膜の全体の内部応力を低減させて多結晶配向膜の剥離を防止することができる。また、多結晶配向膜を構成する各結晶粒の粒界傾角が5〜20度の範囲なので、結晶配向性に優れた多結晶配向膜を構成することができる。
【0070】
また、本発明の多結晶配向膜の製造方法によれば、厚さ10〜100nmの複数の薄膜を積層することにより多結晶配向膜を形成するので、多結晶配向膜を構成する各薄膜の内部応力を十分に小さくすることができ、これにより多結晶配向膜の全体の内部応力を低減させて、剥離しにくい多結晶配向膜を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明方法により形成されたYSZの多結晶配向膜を示す断面図である。
【図2】 図1に示すYSZ多結晶配向膜を構成する薄膜の結晶粒とその結晶軸方向および粒界傾角を示す拡大平面図である。
【図3】 本発明方法を実施して基材上に多結晶配向膜を製造するための装置の一例を示す構成図である。
【図4】 図3に示す装置に設けられるイオンガンの一例を示す断面図である。
【図5】 図3に示す装置に設けられる冷却装置の一例を示す断面図である。
【図6】 図1に示すYSZ多結晶配向膜の上に形成された酸化物超電導層を示す断面図である。
【図7】 イオンビームの入射角度と得られた多結晶配向膜の半値全幅との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
A…基材、B…多結晶配向膜、C…酸化物超電導層、K…粒界傾角、θ…入射角度、20、27…結晶粒、21〜25…薄膜、26…酸化物超電導導体、36…ターゲット、38…イオンガン、39…イオンソース、40…成膜処理容器、R…冷却装置、60…基台、61…冷媒導入管、62…往管、63…戻管、73…基材ホルダ、74…第1ボビン、75…第2ボビン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
Invention,acidThe present invention relates to a chemical superconductor and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
The oxide superconductor discovered in recent years is an excellent superconductor exhibiting a critical temperature exceeding the liquid nitrogen temperature, but at present, to use this kind of oxide superconductor as a practical superconductor. There are various problems to be solved. One of the problems is that the critical current density of the oxide superconductor is low.
The problem that the critical current density of the oxide superconductor is low is largely due to the presence of electrical anisotropy in the oxide superconductor crystal itself. In particular, the oxide superconductor has its crystal axis. It is known that electricity can easily flow in the a-axis direction and b-axis direction, but it is difficult to flow electricity in the c-axis direction. From this point of view, in order to form an oxide superconductor on a base material and use it as a superconducting conductor, an oxide superconductor with good crystal orientation is formed on the base material, It is necessary to orient the a-axis or b-axis of the oxide superconductor crystal in the direction in which electricity is to flow and to orient the c-axis of the oxide superconductor in the other direction.
[0003]
Therefore, the present inventors first formed a YSZ (yttrium-stabilized zirconia) polycrystal orientation film with good a-axis and b-axis orientation on a polycrystal substrate using a special method. It has been found that if an oxide superconducting layer is formed on a polycrystalline alignment film, an oxide superconducting conductor exhibiting a good critical current density can be produced, and regarding this technique, Japanese Patent Application No. 4-293464, Patent applications have been filed in Japanese Patent Application No. 8-214806, Japanese Patent Application No. 8-272606, Japanese Patent Application No. 8-272607, and the like.
[0004]
The technology related to these patent applications is that when forming a film on a polycrystalline substrate using a YSZ target, Ar is obliquely formed with respect to the film-forming surface of the polycrystalline substrate.+By simultaneously irradiating ion beams such as YSZ crystals with poor crystal orientation, YSZ crystals with good crystal orientation can be selectively deposited, which results in orientation. It becomes possible to form a YSZ polycrystalline alignment film having excellent properties. The oxide superconductor formed on this polycrystalline alignment film can exhibit a good critical current density.
In particular, if the polycrystalline alignment film is formed at a low temperature, the smoothness of the alignment film surface is improved. If an oxide superconducting layer is formed on this smooth surface, the critical current density can be further improved. become.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, while the above-mentioned polycrystalline alignment film can provide an ideal smooth surface, Ar+Since the film is formed while simultaneously irradiating ion beams such as the above, internal stress may occur in the polycrystalline alignment film. If the adhesion force of the polycrystalline orientation film to the polycrystalline base material is not sufficient, the polycrystalline orientation film may be peeled off from the base material.
Since the internal stress of the polycrystalline alignment film tends to increase as the film thickness increases, it is necessary to limit the film thickness to prevent peeling. The crystal orientation of the physical superconducting layer is disturbed, and the critical current density may be lowered.
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and can improve the critical current density and prevent peeling from the base material, and a manufacturing method thereof, an oxide superconductor, and a manufacturing method thereof. The purpose is to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention employs the following configuration. In the oxide superconductor of the present invention, a plurality of thin films having a thickness of 10 to 100 nm formed by bonding a large number of crystal grains are laminated on at least a tape-shaped substrate, thereby forming the same crystal axis of the crystal grains. A polycrystalline alignment film having a grain boundary tilt angle in the range of 5 to 20 degrees is formed; the polycrystalline alignment film has a thickness of 300 to 2000 nm; and the superconducting oxide on the polycrystalline alignment film A layer is formed.
In the present invention, the crystal grains constituting the thin film may be crystal grains having a cubic crystal structure..
[0014]
According to the oxide superconductor, a plurality of thin films having a thickness of 10 to 100 nm are stacked.300-2000 nm thickSince the polycrystalline alignment film is provided, the internal stress of each thin film can be made sufficiently small, and the internal stress of the entire polycrystalline alignment film can be reduced to prevent the polycrystalline alignment film from peeling off. In addition, since the grain boundary tilt angle of each crystal grain constituting the polycrystalline alignment film is in the above range, the orientation of the polycrystalline alignment film is improved, thereby improving the orientation of the oxide superconducting layer, and the oxide superconductor. It becomes possible to increase the critical current density.
[0015]
Furthermore, in the method for producing an oxide superconductor of the present invention, a tape-like base material is fed into a film forming chamber, and particles generated from the target are deposited on the base material. An alignment film forming step of forming a polycrystalline alignment film made of an element and a large number of crystal grains bonded together, and a superconducting layer forming step of forming an oxide superconducting layer on the polycrystalline alignment film are provided. In the alignment film forming step, the ion beam generated by the ion source is irradiated from an oblique direction with respect to the normal line of the film formation surface of the substrate, and the target particles are deposited on the substrate to have a thickness of 10 The film forming step of forming a thin film of ˜100 nm is repeated at least twice, and the thin film is laminated, so that the grain boundary tilt angle formed by the same crystal axis of the crystal grains is in the range of 5 to 20 degrees. And forming said polycrystalline alignment film made Te.
[0016]
According to such a method for producing an oxide superconductor, a polycrystal having a grain boundary tilt angle formed by the same crystal axis of crystal grains within a range of 5 to 20 degrees by laminating thin films having a thickness of 10 to 100 nm. Since the alignment film is formed, the internal stress of each thin film constituting the polycrystalline alignment film can be sufficiently reduced to reduce the overall internal stress of the polycrystalline alignment film, and a polycrystalline alignment film that is difficult to peel off is manufactured. It becomes possible to do.
In addition, the grain boundary tilt angle of the polycrystalline orientation film is in the above range, and the orientation of the polycrystalline orientation film is excellent, so that the crystal orientation of the oxide superconducting layer can be enhanced and the oxide superconductivity having a high critical current density. The body can be manufactured.
[0017]
Moreover, the manufacturing method of the oxide superconductor of the present invention is the manufacturing method of the oxide superconductor described above, and the tape-shaped base material is fed into the film forming chamber at a delivery speed of 2 to 20 m / hour. In addition, the ion beam is irradiated from an oblique direction at an incident angle in the range of 50 to 60 degrees with respect to the normal of the film formation surface of the substrate, and the temperature during film formation is set in the range of 60 to 200 ° C. It is characterized by doing.
[0018]
According to the method for manufacturing an oxide superconductor, the tape-shaped base material feed speed is set in the range of 2 to 20 m / hour, and the ion beam incident angle and the temperature during film formation are set in the above range. As a result, the thickness of the thin film constituting the polycrystalline alignment film can be reduced to 100 nm or less, and the internal stress of the thin film can be reduced to prevent peeling of the polycrystalline alignment film. Further, by setting the delivery speed within the above range, the thickness of the thin film becomes 10 nm or more, thereby improving the crystal orientation of the thin film and improving the orientation of the polycrystalline alignment film, and further the orientation of the oxide superconducting layer. Therefore, it is possible to manufacture an oxide superconductor having improved criticality and excellent critical current density.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an embodiment in which a polycrystalline alignment film of the present invention is formed on a substrate, and FIG. 2 is a schematic plan view of a thin film (25) shown in FIG. In FIG. 1, A is a tape-like polycrystalline substrate, and B is a polycrystalline alignment film formed on the upper surface of the polycrystalline substrate A.
The polycrystalline base material A can be used in various shapes such as a plate material, a wire material, and a tape material, and the polycrystalline base material A is made of Ni alloy such as silver, platinum, stainless steel, copper, hastelloy, etc. It is made of a metal material, an alloy, or a material such as various glasses or various ceramics.
[0020]
As shown in FIG. 1, the polycrystalline alignment film B is formed by laminating a plurality of
2, the a-axis (or b-axis) of the
Although only the crystal structure of the
Note that the value of the grain boundary inclination angle K can be adjusted by controlling the temperature during film formation in a suitable range in the method for producing the polycrystalline alignment film B described later, and can be adjusted by controlling the temperature during film formation. It can be adjusted to a predetermined value.
[0021]
As described above, the thickness of each
[0022]
The thickness of the polycrystalline alignment film B can be adjusted by adjusting the film thickness of each
The reason why the internal stress of the entire polycrystalline alignment film B can be reduced by laminating the
[0023]
FIG. 3 is a diagram showing an example of a polycrystalline alignment film manufacturing apparatus suitably used for carrying out the polycrystalline alignment film manufacturing method of the present invention.
In this example, the polycrystalline alignment film manufacturing apparatus supports a tape-shaped substrate A and is capable of heating or cooling to a desired temperature, and a block-shaped
In this example, the polycrystalline alignment film manufacturing apparatus repeatedly reciprocates the tape-shaped base material A on the
[0024]
The
[0025]
The base 60 in this form is made of a hollow metal block having a triangular cross section as shown in FIG. 5, and its upper surface 60a can make the incident angle of the ion beam with respect to the base material to be described later in the range of 50 to 60 degrees. The surface is inclined. In addition, a
[0026]
The distal end portion of the
[0027]
The
[0028]
Further, the
[0029]
From the above, the
[0030]
Since the cooling device R used here is not limited to the one shown in FIG. 5, it is a cooling device using fluorine gas such as chlorofluorocarbon or ammonia used in a normal cooling device such as a cooler, and is about −30 ° C. Of course, an apparatus capable of cooling may be provided. Further, since the substrate is naturally heated by the arrival of hot particles from the target during film formation, for example, the substrate is 100 when the film is formed at room temperature and the substrate holder is not heated or cooled at all. It will be heated to about ℃. Moreover, when forming into a film, cooling with a refrigerant | coolant, the capability to cool the base material A from the base 60 can be adjusted by adjusting the material and thickness of the
For example, if the
However, in the present invention, since the temperature at the time of film formation may be in the range of 60 to 200 ° C. as described later, excessive cooling is unnecessary, and a refrigerant (for example, cooling air) that can be adjusted to a temperature range of 60 to 200 ° C. , Cooling water, etc.) may be used as appropriate by adjusting the flow rate.
[0031]
In the manufacturing apparatus of the polycrystalline alignment film B of this example, the tape-shaped substrate A is continuously sent out from the first bobbin 74 or the
[0032]
The
The sputter beam irradiation device (sputtering means) 38 is configured to store an evaporation source inside the container and to include a grid for applying a drawing voltage in the vicinity of the evaporation source. The constituent particles of the
[0033]
The
[0034]
In the polycrystalline alignment film manufacturing apparatus, an
[0035]
As shown in FIG. 3, the
[0036]
In addition, the
Δθ ≦ 2tan-1(D / 2L) (I)
(Where Δθ is the divergence angle of the ion beam, d is the beam aperture (cm) of the
[0037]
The ion beam applied to the substrate A by the
[0038]
Further, the film
Furthermore, a current
In the polycrystalline alignment film manufacturing apparatus of this embodiment, an angle adjustment mechanism may be attached to the support portion of the
[0039]
Next, a method of forming the YSZ polycrystalline alignment film B on the tape-shaped substrate A using the manufacturing apparatus having the above-described configuration will be described.
In this method, particles produced from a target are deposited on a tape-like substrate to produce a polycrystalline alignment film that is composed of constituent elements of the target and in which a large number of crystal grains are bonded. While feeding the tape-shaped substrate into the film chamber, the ion beam generated by the ion source is irradiated from an oblique direction with respect to the normal of the film forming surface of the substrate and target particles are deposited on the substrate. The film forming step for forming a thin film having a thickness of 10 to 100 nm is repeated at least twice, and the thin film is laminated, whereby the grain boundary tilt angle formed by the same crystal axis of the crystal grains is in the range of 5 to 20 degrees. The above-described polycrystalline alignment film is formed.
In the production method of the present invention, MgO or Y is used to form a polycrystalline alignment film on the tape-shaped substrate A.2OThreeThe
In addition, when the feeding speed of the base material is less than 2 m / hour, the orientation of the
[0040]
Further, the heater or cooling device attached to the
The set temperature of the base material A is set in a range of 50 to 200 ° C. based on the results of crystal orientation of YSZ described later, data on critical current density of a superconducting layer described later, and various test results such as a film forming rate. It is preferable to do.
[0041]
By the way, when the refrigerant is charged into the
[0042]
When the
Then, the constituent particles knocked out from the
[0043]
Here, the incident angle θ when irradiating the ion beam is preferably in the range of 50 to 60 degrees, more preferably in the range of 55 to 60 degrees, and most preferably 55 degrees. Here, if θ is 90 degrees, the c-axis of the
By performing sputtering while irradiating with an ion beam at such an incident angle, the a-axis and the b-axis of the crystal axis of the YSZ
[0044]
Thus, the
[0045]
Next, the substrate A with the
[0046]
By performing the above-described series of film forming steps at least twice, a polycrystalline alignment film B having a thickness of 10 to 100 nm formed by laminating a plurality of
[0047]
Then, the
The oxide superconducting layer C is coated on the upper surface of the polycrystalline orientation film B, and the c-axis of the
[0048]
The oxide superconductor constituting this oxide superconducting layer is Y1Ba2CuThreeO7-x, Y2BaFourCu8Oy, YThreeBaThreeCu6OyThis is a Y-based oxide superconductor having a high critical temperature typified by such a composition.
[0049]
Here, the oxide superconducting layer C is formed by the film forming method such as sputtering or laser vapor deposition on the polycrystalline alignment film B with the grain boundary tilt angle accurately aligned in the range of 5 to 20 ° as described above. Then, the oxide superconducting layer C laminated on the polycrystalline orientation film B is also epitaxially grown and crystallized so as to match the orientation of the polycrystalline orientation film B.
Therefore, the oxide superconducting layer C formed on the polycrystalline orientation film B is hardly disturbed in the crystal orientation, and in each of the
[0050]
As described above, by laminating a plurality of
In addition, the oxide superconducting conductor obtained in this example can be easily formed into a long tape with excellent flexibility with a length exceeding 1 m, and application to a winding of a superconducting magnet can be expected. In addition, the
[0051]
In addition, the present inventors assume the following about the factor and the film-forming rate in which the crystal orientation of the polycrystalline orientation film B is arranged.
The unit lattice of the crystal of the YSZ polycrystalline alignment film B is a cubic crystal, the substrate normal direction of this crystal lattice is the (100) axis, and the (010) axis and the (001) axis are both in other directions. Become. Considering the ion beam incident from the oblique direction with respect to the substrate normal to these directions, when entering the diagonal direction of the unit cell relative to the origin of the unit cell, that is, along the (111) axis The incident angle with respect to the substrate normal is 54.7 degrees.
[0052]
According to the technology previously filed by the inventors of the present application, as shown in FIG. 7, the full width at half maximum indicating the crystal orientation of the polycrystalline orientation film of YSZ obtained according to the incident angle of the ion beam is The minimum value is exhibited when the ion beam incident angle is in the range of 55 to 60 degrees.
Here, as described above, good crystal orientation is exhibited in the incident angle range of 50 to 60 degrees because the ion channeling is performed when the incident angle of the ion beam coincides with or is around 54.7 degrees. In the crystal deposited on the base material A, only the atoms in the arrangement relationship corresponding to the angle on the upper surface of the base material A are likely to remain selectively, and other disordered atoms It is presumed that the arrayed elements are removed by being sputtered by the sputtering effect of the ion beam, so that only crystals with a good orientation of atoms are selectively left and deposited.
[0053]
At this time, the irradiation effect of the ion beam on YSZ has two effects, that is, the effect of raising the (100) plane of YSZ perpendicular to the substrate and the effect of adjusting the in-plane orientation. It is presumed that the effect of raising the (100) plane perpendicularly to the main is the main. This is because if the effect of raising YSZ (100) perpendicular to the substrate is insufficient, the in-plane orientation is inevitably disturbed.
[0054]
Next, if the temperature is controlled within a range suitable for film formation while irradiating an ion beam at an incident angle of 50 to 60 degrees with respect to the normal of the film formation surface, the grain boundary inclination angle K of the polycrystalline alignment film B is controlled. The inventor of the present application estimates the reason why the value of is favorable, in other words, the reason why the crystal orientation of the polycrystalline alignment film B is good.
In order to obtain a thin film with good crystallinity in a film formation method such as normal sputtering or laser vapor deposition, film formation is performed while heating the film formation atmosphere to a high temperature, for example, about 400 to 600 ° C. or higher. That is common knowledge. Obtaining a film with high crystallinity by forming a film while heating to such a high temperature means that there is a close relationship between the film formation temperature and crystallization, In the field of thin film production, it is understood that when the film formation temperature is low, a film rich in amorphousness is easily generated.
[0055]
However, in the case of using a film forming technique accompanying ion beam irradiation, which is a technique related to the present invention, the film forming temperature is preferably as low as possible because the effect of adjusting the crystal by the ion beam is extremely large. This is because the lower the temperature, the less the movement and vibration of the atoms that make up the crystal, and the more effective the effect of aligning the crystal with ion beam irradiation is. It is estimated that the alignment film B is easily generated.
[0056]
That is, according to the technique of the present invention, a polycrystalline orientation film having a stable (100) axis can be obtained as the temperature is lowered, and accordingly, the angle of the (111) axis is uniquely determined, and De-channeling (dechanneeling) does not occur due to thermal vibration of constituent atoms, and the cross-sectional area of ions along the (111) axis is reduced, enabling effective orientation control and improving crystal orientation. I think that the.
In addition, the polycrystalline orientation film B having higher crystal orientation can be obtained as the film formation temperature becomes lower, and the polycrystalline orientation film having better crystal orientation when the polycrystalline orientation film B is formed at a temperature of 200 ° C. or lower. The fact that the alignment film B can be obtained is contrary to the knowledge that it is difficult to obtain a film with high crystallinity without film formation while heating at a high temperature in a general film formation technique. In this case, the peculiarity of the technique for forming a film while irradiating the ion beam from an oblique direction can be known.
[0057]
However, if the film formation temperature is too low, the crystal orientation tends to decrease in a thin film with a short film formation time. This is a state before the state in which crystals are aligned with good alignment in a thin film. That is, it is considered that the crystal orientation is likely to be insufficient because a film in which atoms before the crystals are sufficiently arranged is likely to be somewhat disordered. However, even in the case of low-temperature film formation, it is possible to obtain a film having excellent crystal orientation by securing the necessary film thickness by forming a sufficient film thickness over several tens of hours. This is not preferable from the viewpoint of manufacturing efficiency.
In view of the above, a polycrystalline intermediate layer having a certain required film thickness (a film thickness of about 300 nm or more as a film thickness necessary for starting deposition while the atoms to be deposited are sufficiently oriented by the effect of the ion beam) is formed on the substrate. In order to form the film efficiently, it is considered preferable to perform the film forming process in a temperature range of 60 to 200 ° C.
[0058]
According to the above oxide superconductor, since the polycrystalline alignment film B formed by laminating a plurality of
In addition, since the grain boundary tilt angle of each crystal grain constituting the polycrystalline alignment film B is in the range of 5 to 20 degrees, the orientation of the polycrystalline alignment film is improved, thereby improving the orientation of the oxide superconducting layer C. The critical current density of the oxide superconductor can be increased.
[0059]
In addition, according to the method for manufacturing an oxide superconductor described above, by laminating
Further, the grain boundary tilt angle of the polycrystalline alignment film B is in the above range, and the orientation of the polycrystalline alignment film B is excellent, so that the crystal orientation of the oxide superconducting layer C can be enhanced and has a high critical current density. An oxide superconductor can be manufactured.
[0060]
【Example】
The apparatus having the configuration shown in FIGS. 3 to 5 was used to perform sputtering with ion beam irradiation to form a YSZ polycrystalline alignment film in which a plurality of thin films were laminated on a metal tape. The inside of the vacuum vessel containing the apparatus shown in FIG. 3 is evacuated with a vacuum pump to 3.0 × 10-FourWhile reducing the pressure to Torr, Ar + O in the vacuum vessel216.0 sccm for Ar gas, O2The gas was supplied at a rate of 8.0 sccm.
As a base material, a tape of Hastelloy C276 alloy (Ni: 58%, Mo: 17%, W5%, Cr14%, Fe6%) having a width of 10 mm, a thickness of 0.5 mm, and a length of 2.5 m, having a mirror-finished surface. used. The target is YSZ (Y2OThree: 8 mol%), Ar+The target is irradiated with ions from the ion gun and sputtered, and the incident angle of the ion beam from the ion gun is set to an incident angle of 55 degrees with respect to the normal of the film surface of the base tape on the base holder.+The ion beam energy is 200 eV and the ion current density is 100 μA / cm.2The ion beam irradiation is performed simultaneously with the laser deposition on the base material, and the base tape is moved on the base tape while moving the base tape along the base material holder at a delivery speed of 0.1 to 5.0 m / hour. A thin film was formed. In this way, samples of Test Examples 1 to 7 were obtained.
[0061]
During the film formation, the heater of the base material holder was operated to control the temperature of the base material and the polycrystalline alignment film at the time of film formation to 100 ° C.
For each of the obtained Test Examples 1 to 7, the substrate feeding speed, the film thickness of the thin film, the grain boundary tilt angle, and the peeling state of the thin film were investigated. The results are shown in Table 1. The grain boundary tilt angle was defined as the full width at half maximum (FWMH) obtained from the (111) pole figure and (100) pole figure by X-rays as the grain boundary tilt angle Δψ. In Table 1, among the symbols indicating the peeling status, a circle indicates no peeling, a Δ mark indicates a partial peeling, and a cross indicates a complete peeling.
[0062]
[Table 1]
[0063]
As shown in Table 1, as the delivery speed of the substrate increases, for example, as in Test Examples 4 to 7, the film thickness of the thin film decreases and the internal stress decreases, making it difficult to peel from the substrate. It can be seen that the field inclination angle is increased and the orientation is lowered.
On the other hand, as the feed rate of the base material decreases, for example, as in Test Examples 1 to 3, the grain boundary tilt angle decreases and the orientation improves, but the film thickness increases and it is easy to peel from the base material. I understand that.
[0064]
Next, among the test examples shown in Table 1, with respect to Test Examples 5 to 7 in which the peeling state from the substrate was good, formation of the thin film was performed under the same conditions as those when the above thin film was formed. By repeating the
[0065]
As a comparative example, the base material delivery speed was set to 0.5 m / hour, the incident angle was set to 55 degrees, and Ar+The ion beam energy is 200 eV and the ion current density is 100 μA / cm.2The polycrystalline alignment film of Test Example 11 was formed by continuously performing sputtering in the same manner as described above except that it was set to be. Table 2 shows the grain boundary tilt angle and the peeling state.
[0066]
[Table 2]
[0067]
As shown in Table 2, it can be seen that in Test Examples 8 to 1, the grain boundary tilt angle is small and the orientation is excellent. Moreover, about the peeling condition from a base material, although peeling was recognized in a part of Test Example 8, in Example 9 and 10, peeling is not seen at all, and it turns out that favorable adhesiveness is shown.
On the other hand, although the polycrystalline alignment film of Test Example 11 formed by continuous film formation has a small grain boundary tilt angle and excellent orientation, almost all of the formed polycrystalline alignment film is peeled off, and the adhesion characteristics are extremely low. It has become. This is thought to be because internal stress was accumulated in the polycrystalline alignment film by continuous film formation.
[0068]
Further, for Test Examples 9 and 10, an oxide superconducting layer was formed on the obtained polycrystalline alignment film using an ion beam sputtering apparatus. Y as target0.7Ba1.7Cu3.0O7-xA target made of an oxide superconductor having the following composition was used. The inside of the vapor deposition chamber is 1 × 10-6Sputtering was performed while reducing the pressure to Torr. Thereafter, heat treatment was performed in an oxygen atmosphere at 400 ° C. for 60 minutes. The obtained oxide superconducting tape conductor has a width of 10.0 mm and a length of 2.5 m.
The oxide superconducting tape conductor was cooled with liquid nitrogen, and the critical temperature and critical current density were measured by a four-terminal method for a central portion having a width of 10 mm and a length of 10 mm. 0T, 77K) 1.1 × 106A / cm2Test Example 10 is critical current density (0T, 77K) 0.9 × 106A / cm2Both showed good values.
[0069]
【Effect of the invention】
As described above in detail, since the polycrystalline alignment film of the present invention is formed by laminating a plurality of thin films having a thickness of 1 to 100 nm, the internal stress of each thin film can be sufficiently reduced. Accordingly, the internal stress of the entire polycrystalline alignment film can be reduced and peeling of the polycrystalline alignment film can be prevented. Moreover, since the grain boundary inclination angle of each crystal grain constituting the polycrystalline alignment film is in the range of 5 to 20 degrees, it is possible to configure a polycrystalline alignment film having excellent crystal orientation.
[0070]
In addition, according to the method for producing a polycrystalline alignment film of the present invention, a polycrystalline alignment film is formed by laminating a plurality of thin films having a thickness of 10 to 100 nm. The stress can be made sufficiently small, thereby reducing the overall internal stress of the polycrystalline alignment film and producing a polycrystalline alignment film that is difficult to peel off.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a YSZ polycrystalline alignment film formed by the method of the present invention.
2 is an enlarged plan view showing crystal grains of a thin film constituting the YSZ polycrystalline alignment film shown in FIG. 1, its crystal axis direction, and grain boundary tilt angle. FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram showing an example of an apparatus for producing a polycrystalline alignment film on a substrate by carrying out the method of the present invention.
4 is a cross-sectional view showing an example of an ion gun provided in the apparatus shown in FIG.
5 is a cross-sectional view showing an example of a cooling device provided in the apparatus shown in FIG.
6 is a cross-sectional view showing an oxide superconducting layer formed on the YSZ polycrystalline alignment film shown in FIG.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the incident angle of an ion beam and the full width at half maximum of the obtained polycrystalline alignment film.
[Explanation of symbols]
A ... Base material, B ... Polycrystalline orientation film, C ... Oxide superconducting layer, K ... Grain boundary tilt angle, θ ... Incident angle, 20, 27 ... Crystal grain, 21-25 ... Thin film, 26 ... Oxide superconducting conductor, 36 ... Target, 38 ... Ion gun, 39 ... Ion source, 40 ... Film formation processing vessel, R ... Cooling device, 60 ... Base, 61 ... Refrigerant introduction pipe, 62 ... Outgoing pipe, 63 ... Return pipe, 73 ... Base material Holder, 74 ... first bobbin, 75 ... second bobbin
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