JP5894907B2 - 酸化物超電導線材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
また、酸化物超電導線材として、金属基板上にベッド層を介しイオンビームアシスト蒸着法による配向層を形成し、この配向層上に不活性ガスと酸素の混合ガス雰囲気中でスパッタ法によりCeO2からなるキャップ層を形成し、この上に酸化物超電導層を形成した構造が知られている(特許文献2参照)。
CeO2からなるキャップ層を成膜する方法の一例として先の特許文献1には、レーザー蒸着法(PLD法)が開示されている。このPLD法によれば、基材を600〜900℃に加熱し、0.6〜40Pa程度の酸素ガス雰囲気中においてレーザー光をCeのターゲットに照射し、ターゲットから発生させた粒子を配向層上に堆積させることで単結晶と同程度の結晶配向性のキャップ層を得ることができる。
このPLD法によるCeO2のキャップ層はIBAD−MgO層に対し結晶配向性の面で優れてはいるものの、スパッタ法などに比べて成膜レートが劣り、成膜コストの面で不利となる欠点を有していた。また、PLD法によるキャップ層は、膜厚をある程度増やしてゆくと結晶配向性の向上が止まることがわかっている。
また、本発明者の知見によれば、単結晶基板などの基板表面にスパッタ法により形成したCeO2のキャップ層は、その結晶配向度の指標となるΔφ(半値全幅)の値が単結晶と同程度に優れていることが分かっている。しかし、IBAD−MgO層上にスパッタ法によりCeO2のキャップ層を形成した場合、単結晶上に成膜する場合ほど結晶配向性に優れたキャップ層にならないことを知見している。スパッタ法において成膜レートを上げるためには、基材とターゲットをできる限り近づける必要があるが、同時にIBAD−MgO層へのプラズマダメージが大きくなる問題がある。
また、厚さ4nm以上の下部キャップ層の上にプラズマを利用する成膜法であるスパッタ法で上部キャップ層を形成するならば、結晶配向性の優れた上部キャップ層をスパッタ法が有する高い成膜レートを維持しつつ形成できるので、生産効率を向上できる。
上部キャップ層を生成する場合のスパッタ法によるプラズマに下部キャップ層の表面は曝されるが、下部キャップ層と上部キャップ層は同じ材料からなり、上部キャップ層は下部キャップ層に対しホモエピタキシャル成長できるので、下部キャップ層の表面をプラズマに曝したとしても、上部キャップ層を良好な結晶配向性でもって形成できる。これに対し、イオンビームアシスト蒸着法によるMgOの配向層とその上に形成される下部キャップ層の材料は異なるので、配向層の表面の状態によって下部キャップ層の結晶配向性に大きな影響が生じる。プラズマに曝された配向層の表面ではキャップ層の結晶が良好な配向性をもって配向し難くなる。
イオンビームアシスト蒸着法によるMgOの配向層に対しCeO2あるいはLaMnO3からなる下部キャップ層であるならば、良好な配向性でもって結晶配向することが可能となる。
上部キャップ層の半値全幅Δφを4.5゜以下とするならば、その上に形成する酸化物超電導層の面内配向性を良好にすることができ、臨界電流等の超電導特性の優れた酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材を得ることができる。
前記基材上に配向層を形成する配向層形成工程と、前記配向層上にキャップ層を形成するキャップ層形成工程と、前記キャップ層上に酸化物超電導層を形成する酸化物超電導層形成工程を含み、前記キャップ層形成工程を下部キャップ層形成工程と上部キャップ層形成工程から構成し、前記下部キャップ層形成工程においてレーザー蒸着法、イオンビームスパッタ法、電子ビーム蒸着法、化学気相蒸着法、長距離スパッタ法、対向ターゲット式スパッタ法、ECRスパッタ法のいずれかから厚さ4nm以上の薄膜として下部キャップ層を形成し、前記上部キャップ層形成工程において、プラズマを前記下部キャップ層に曝すスパッタ法により形成するとともに、前記下部キャップ層と上部キャップ層を同一材料から形成することを特徴とする。
また、厚さ4nm以上の下部キャップ層の上にプラズマを利用する成膜法であるスパッタ法で上部キャップ層を形成するならば、結晶配向性の優れた上部キャップ層をスパッタ法が有する高い成膜レートを維持しつつ形成できるので、生産効率を向上できる。
上部キャップ層を生成する場合のスパッタ法によるプラズマに下部キャップ層の表面は曝されるが、下部キャップ層と上部キャップ層は同じ材料からなり、上部キャップ層は下部キャップ層に対しホモエピタキシャル成長できるので、下部キャップ層の表面をプラズマに曝したとしても、上部キャップ層を良好な結晶配向性でもって形成できる。これに対し、イオンビームアシスト蒸着法によるMgOの配向層とその上に形成される下部キャップ層の材料は異なるので、配向層の表面の状態によって下部キャップ層の結晶配向性に大きな影響が生じる。プラズマに曝された配向層の表面ではキャップ層の結晶が良好な配向性をもって配向し難くなる。
イオンビームアシスト蒸着法によるMgOの配向層に対しCeO2あるいはLaMnO3からなる下部キャップ層であるならば、良好な配向性でもって結晶配向することが可能となる。
上部キャップ層の半値全幅Δφを4.5゜以下とするならば、その上に形成する酸化物超電導層の面内配向性を良好にすることができ、臨界電流等の超電導特性の優れた酸化物超電導層を備えた酸化物超電導線材を得ることができる。
図1(A)に示すように、本実施形態の酸化物超電導線材1は、基材2の一面(表面)上に、中間層5、酸化物超電導層6、保護層7および金属安定化層8がこの順に積層され、これらの周囲を絶縁材からなる被覆層10で覆って構成されている。なお、被覆層10は必須の構成ではなく、絶縁が不要な場合は略しても良い。
拡散防止層は、この層よりも上面側に他の層を形成する際に加熱処理した結果、基材2や他の層が熱履歴を受ける場合、基材2の構成元素の一部が拡散し、不純物として酸化物超電導層6側に混入することを抑制する機能を有する。拡散防止層の具体的な例として、上記機能を発現し得るものであれば特に限定されないが、不純物の混入を防止する効果が比較的高いAl2O3、Si3N4、又はGZO(Gd2Zr2O7)等から構成される単層構造あるいは複層構造が望ましい。
IBAD法により形成されたMgOからなる配向層3Bの一例として、X線回折による面内配向度の指標としての半値全幅の値Δφとして、15゜以下、望ましくは10゜以下を得ることができる。
下部キャップ層3Cは、レーザー蒸着法、イオンビームスパッタ法、電子ビーム蒸着法、化学気相蒸着法、長距離スパッタ法、対向ターゲット式スパッタ法、ECRスパッタ法のいずれかから、上述の材料により形成された好ましくは厚さ4nm以上の薄膜からなる。
下部キャップ層3Cの膜厚は、4nm以上は必要であり、4nm未満の膜厚の場合、上部キャップ層3Dの面内配向度の指標となるΔφの値が不十分となるおそれがある。下部キャップ層3Cの膜厚は、4nm以上であれば良好な面内配向度を得ることができるので、200nmあるいは400nmなどの膜厚としても良い。しかし、下部キャップ層3Cを形成する方法として後述するスパッタ法よりも成膜レートが低い方法である場合、下部キャップ層3Cを形成するために必要以上に時間を要すと、生産性が悪化するのでキャップ層としての全体の成膜時間を短縮するために下部キャップ層3Cは上部キャップ層3Dより薄い方が望ましい。また、成膜時間の短縮などを考慮すると、下部キャップ層3Cの膜厚は、4nm以上かつ200nm以下が好ましい。下部キャップ層3Cの膜厚は、4nm程度あればプラズマによるダメージの影響を受けずにその上に結晶配向性の良好な上部キャップ層3Dを形成できる。なお、スパッタ法によるキャップ層の生成はPLD法よりも安価に実施できるので、スパッタ法で成膜できる部分がトータルの膜厚に対して増えるという点でPLD法のみによる成膜よりも有利となる。
スパッタ法により上部キャップ層3Dを成膜する場合の下地は下部キャップ層3Cとなる。ここで、下部キャップ層3Cを薄く形成しすぎると、スパッタ法を実施する場合のプラズマの衝撃により下部キャップ層3Cも損傷されるおそれがあり、プラズマによるダメージを受けた下部キャップ層3Cの上に形成される上部キャップ層3Dは面内配向度の指標であるΔφの値が悪化するおそれがある。
面内配向性の優れた下部キャップ層3Cの上に上部キャップ層3Dを成膜するならば、下部キャップ層3Cの良好な結晶配向性に整合するように上部キャップ層3Dの結晶構造も整うので、優れた面内配向性の上部キャップ層3Dを得ることができる。
そこで、IBAD−MgOからなる配向層3Bを保護し、かつ、自身はスパッタ時のプラズマからのダメージの影響を受けにくく、面内配向性も確保できる層として下部キャップ層3Cを設けている。
このような優れた結晶配向性の酸化物超電導層6であるならば、超電導線材1として臨界温度以下に冷却し、通電した場合、優れた臨界電流特性を発揮する。
金属安定化層8の構造は、他の層と同様に層構造であっても良く、基材2から保護層7まで積層した積層体を保護層7の表面側から積層体の裏面側を所定幅覆うように金属テープを折り曲げた横断面C型構造の金属安定化層であってもよい。また、金属安定化層8を金属めっきにより構成し、基材2から保護層7まで形成した積層体の全体をめっき層で覆った構造としても良い。
まず、テープ状の基材2の表面上に、拡散防止層とベッド層からなる下地層3Aを形成する(下地層形成工程)。
拡散防止層とベッド層は、結晶性が特に問われないので、通常のスパッタ法等の成膜法により形成できる。なお、拡散防止層とベッド層は必ずしも両方用いる必要はなく、これらの層のうち少なくとも1層を用いた構造になればよく、場合によっては両方の層を略しても良い。拡散防止層とベッド層の両方の層を略した場合、基材2の表面上に直接、以下に説明する配向層3Bを形成する。
配向層3Bの形成方法には、酸化物超電導層6や下部キャップ層3Cの結晶配向性をより高く制御できることから、IBAD法を用いることが好ましい。ここで、IBAD法とは、成膜時に、結晶の成膜面に対して所定の入射角度でArなどのイオンビームを照射することにより、結晶軸を配向させる方法である。また、配向層3Bは、前述した材料を一つ用いて単層構造としても良いし、複数用いて複層構造としても良い。
下部キャップ層3Cの形成には、CeO2あるいは金属セリウムのターゲットを用いた成膜法を採用できる。この場合、一例として、パルスレーザー蒸着法(以下、PLD法と呼ぶことがある。)を採用できる。
図3は長尺の基材上に形成されている配向層3B上に、PLD法により下部キャップ層3Cを連続成膜する装置の一例を示す図である。
前記走行装置13は、一例として、成膜領域15に沿って走行するテープ状の基材2を案内するための転向リールの集合体である転向部材群16、17を備え、これら転向部材群16、17に基材2を巻き掛けて成膜領域15に基材2の複数のレーンを構成するように基材2を案内できる装置として構成される。
基材2は処理容器18の内部に設けられている供給リール20に巻き付けられ、必要長さ繰り出すことができるように構成されている。供給リール20から繰り出された基材2は、複数の転向リール16aを同軸的に隣接配置した転向部材群16と、複数の転向リール17aを同軸的に隣接配置した転向部材群17に交互に巻き掛けられている。これらの転向部材群16、17は処理容器18の内部において離間して配置され、それらの間に複数の平行なレーン2Aを構成するように基材2が配置され、基材2は転向部材群17から引き出されて巻取リール21に巻き取られるように構成されている。
転向部材群16、17の間の中間位置の下方に本発明に係る円板状のターゲット11が設けられている。このターゲット11は、円盤状のターゲットホルダ25に装着されて支持され、ターゲットホルダ25は、その下面中央部に取り付けられた支持ロッド26により回転自在(自転自在)に支持され、更に図示略の往復移動機構により図2に示すY1、Y2方向(転向部材群16、17の間に形成される基材2のレーン2Aに沿う前後方向)に水平に往復移動自在に支持されている。これらの機構によるターゲットホルダ25の回転移動と往復前後移動により、ターゲット11の表面に照射されるレーザー光の位置を適宜変更できるように構成されている。
前記アブレーション用のレーザー光源12はエキシマレーザーあるいはYAGレーザー等のようにパルスレーザーとして良好なエネルギー出力を示すレーザー光源を用いることができる。レーザー光源12の出力として、例えば、エネルギー密度1〜5J/cm2程度、パルス周波数200〜600Hzのレーザー光源を用いることができる。
この基材2を供給リール20から転向部材群16、17を介して巻取リール21に図3または図4に示すように巻き掛け、ターゲット11を装着した後、処理容器18の内部を減圧する。
目的の圧力に減圧後、レーザー光源12からパルス状のレーザー光をターゲット11の表面に集光照射する。
ターゲット11の表面にパルス状のレーザー光を集光照射すると、ターゲット11の表面部分の構成粒子を叩き出し若しくは蒸発させて前記ターゲット11から構成粒子の噴流(プルーム)29を発生させることができ、レーンを構成し走行しているテープ状の基材2の配向層3Bの上に目的の粒子堆積を行って、下部キャップ層3Cを成膜できる。
この成膜の際、転向部材群16、17を通過した際の膜厚が4nm以上となるようにレーザー蒸着装置Aにおける基材搬送速度とレーザー照射条件を選択する。下部キャップ層3Cは、結晶配向性に優れた配向層3Bの上に積層されるので、エピタキシャル成長できる結果、優れた結晶配向性が得られる。
図5に示すスパッタ装置Bは、水平に配置されたホルダ40の上に設置されたターゲット41と、該ターゲット41の上方に対向するように設けられた基板保持部42と、ターゲット41と基板保持部42とに接続された交流電源43と整合器44とを備えている。また、ホルダ40とターゲット41と基板保持部42が真空チャンバー等の減圧容器45の内部に収容されている。
ガス供給手段は、プロセスガスと反応性ガスとの混合ガスを、供給口46から減圧容器45内に供給できるように構成されている。プロセスガスを減圧状態の減圧容器45内に導入してターゲット41と基板保持部42に電力を投入すると、ターゲット41と基板保持部42間にプラズマを発生させることができる。このようなプロセスガスとして、不活性ガス、例えば、Arガスを例示できる。反応性ガスは、ターゲット41から叩き出された粒子と反応して基板2の一面側に化合物薄膜を形成する原材料となるものである。用いる反応性ガスは、特に限定しないが、酸化物の膜を堆積する場合はO2ガスが挙げられる。
また、スパッタ装置Bを用いる成膜方法であるならば、図3、図4に示したレーザー蒸着装置Aよりも成膜レートが高く、高速成膜可能であるので、下部キャップ層3Cと上部キャップ層3Dを併せたキャップ層全体としての必要な膜厚、例えば、100〜500nmの成膜をPLD法のみで行う場合よりも短時間で成膜できる。
更に、下部キャップ層3Cと上部キャップ層3DはいずれもCeO2あるいはいずれもLaMnO3からなるなどのように同一材料からなるので、下部キャップ層3C上に上部キャップ層3Dをホモエピタキシャル成長させることができるので、下部キャップ層3Cの表面をプラズマに曝したとしても、上部キャップ層3Dを良好な結晶配向性で形成できる。
上述の工程において、配向層3Bとキャップ層3C、3Dを良好な配向性に制御しつつ成膜しておくならば、上部キャップ層3Dの上に成膜される酸化物超電導体の結晶粒も良好な配向性をもって配向し、良好な超電導特性を発揮する酸化物超電導層6が得られる。また、酸化物超電導層6の膜厚は、0.5〜5μm程度であって、均一な厚さであることが好ましい。
保護層7は、公知の成膜法で形成することができるが、DCスパッタ装置、RFスパッタ装置などの成膜装置を用いたスパッタ法で成膜することができる。また、保護層7の膜厚は、通常は1〜30μmであればよい。
したがって、加熱条件として、加熱炉内の雰囲気は、酸素ガスを含む雰囲気とすることが好ましい。酸素アニール時の加熱温度は、300〜500℃、数時間〜数10時間の範囲を選択することができる。
金属安定化層8の形成方法は、公知の方法であれば、特に限定されないが、半田を用いて金属テープを直接貼り合わせる方法やスパッタ法や蒸着法などで層として形成する方法あるいはめっきにより形成する方法を選択することが好ましい。また、金属安定化層8の膜厚は、特に限定されないが、適宜調整可能であるが、超電導線材1としての可撓性を考慮し、10〜300μmとすることが好ましい。
また、絶縁材からなる被覆層10の形成方法は、特に限定されないが、金属安定化層8までを形成した積層体の全周をテープ状、シート状、もしくは薄板状の絶縁被覆層で覆うことにより形成できる。
また、超電導コイルを必要数用いて超電導マグネットや超電導モーターなどの超電導機器を製造することができる。ここで、超電導機器は、前記酸化物超電導線材1を有するものであれば特に限定されず、例えば、超電導変圧器、超電導限流器、超電導電力貯蔵装置などを例示できる。勿論、前記酸化物超電導線材1をコイル化することなく複数本集合してケーブル構造とした超電導機器についても本実施形態に係る酸化物超電導線材1を適用できるのは勿論である。
図6に示すECRスパッタ装置Cは、プラズマ室50と該プラズマ室50に連通してその下方に設けられた成膜室51を有し、各室はいずれも密閉可能な減圧容器からなる。成膜室51にはガス導入口52と排気口53が設けられ、ガス導入口52には図示略のガス供給源が接続され、排気口53には図示略の真空ポンプが接続され、ガス導入口52からArガスなどのプロセスガスを供給できるように構成されている。
成膜室51の内部にステージ55が設けられ、成膜室51のステージ55の上方であってプラズマ室50との境界部分に下部キャップ層3Cを生成するための環状のターゲット56が設置されている。ターゲット56の上方側にプラズマ室50の周囲を囲むように磁場コイル57、57が設けられ、プラズマ室50の上方に真空窓58を備えた導波管59が設置され、この導波管59からマイクロ波をプラズマ室50に送ることができる。磁場コイル57、57によりプラズマ室50に磁場を印加し、導波管59からマイクロ波を導入することでプラズマ室50にプラズマを生成することができる。ターゲット56は外部に設けられた電源49に接続されていてターゲット56に電位を与えることができる。
成膜室51のステージ55の両側には供給リール20と巻取リール21とが設けられ、供給リール20に巻き付けられている配向層付きの基材2を巻取リール21で巻き取ることで、ステージ55の上に基材2を連続供給することができる。
図6に示すECRスパッタ装置Cはプラズマを成膜室51の内部側に閉じ込めることができ、成膜対象のステージ55側にまでプラズマの影響が及ばないので、下部キャップ層3Cを形成する場合、その下の配向層3Bにプラズマの悪影響を及ぼすことなく下部キャップ層3Cを成膜できる特徴を有する。
図7、図8に示す対向ターゲットスパッタ装置Dは、対向する板状のターゲット60、60からなる対向ターゲット60Aを真空容器などの処理容器69の内部に収容してなり、ターゲット60、60間の間隙はプラズマ生成領域Eとされている。これらのターゲット60は下部キャップ層3Cを形成するためのものである。
図7において処理容器69の詳細構造は略しているが、処理容器69は気密性を有するとともに、内部が高真空状態とされるため耐圧構造とされている。この処理容器69には処理容器内のガスを排気するガス排気手段が接続され、更に、処理容器内にキャリアガスおよび反応ガスを導入するガス供給手段が接続されているが、図1ではガス排気手段やガス供給手段の記載を略し、処理容器69の輪郭のみを示している。なお、処理容器69の内部には、減圧後、Arガス等のプラズマ生成用ガスが図示略のガス供給装置から導入される。
前記ターゲット60とシールドリング61には別途処理容器69の外部に設けられている直流電源63が配線64、65を介し接続されていて、処理容器69の内部を減圧後にターゲット60、60間で放電し、プラズマを発生できるように構成されている。なお、図7では図示の簡略化のために電源63の位置をターゲット60の近傍に描いている。
転向部材群16、17は先のレーザー蒸着装置Aに設けられていた転向部材群16、17と同等であり、複数の転向リール16a、17a間に基材2を掛け渡すことで、ターゲット60、60の周りを周回するように、かつ、ターゲット60、60間のプラズマ生成領域Eの両側に基材2による複数のレーンを並列的に形成できる。
図7に示す対向ターゲットスパッタ装置Dにより下部キャップ層3Cを形成する場合、その下の配向層3Bにプラズマの悪影響を及ぼすことなく下部キャップ層3Cを成膜できる。
図9に示すイオンビームスパッタ装置Eは、先の対向ターゲットスパッタ装置Dに設けられていた移送装置と同等構成であり、供給リール20、巻取リール21、転向部材群16、17、転向リール16a、17aを備えた移送装置が真空容器S1の内部に設けられている。この真空装置S1の内部に、基材2の配向層3B上に下部キャップ層3Cを形成するための第1の成膜系76及び第2の成膜系77を備えている。
真空容器S1には真空排気装置S2が接続され、この真空排気装置S2により真空容器S1内を所定の圧力に減圧するようになっている。第1の成膜系76と第2の成膜系77にそれぞれ下部キャップ層3Cを形成するためのターゲット78が設置されている。第1の成膜系76のターゲット78に対向するように第1のスパッタビーム照射装置76Aが設けられ、第2の成膜系77のターゲット78に対向するように第2のスパッタビーム照射装置77Aが設けられている。
図9に示すイオンビームスパッタ装置Eであるならば、プラズマダメージの問題を生じることなく配向層3上にターゲット粒子の堆積ができるので、配向層3Bの表面にプラズマダメージを与えることなく下部キャップ層3Cを生成することができる。
図10に示す電子ビーム蒸着装置Fは、減圧可能な真空容器80の底部に電子銃81と原料収納容器82が隣接配置され、原料収容容器82に収容されている蒸発源83を電子銃で加熱して蒸発粒子を発生できるように構成されている。
蒸発源83の上方空間をシャッター装置85が覆うように設けられ、このシャッター装置85のシャッターを開閉することにより電子銃81で加熱した蒸発源83からの蒸発粒子を上方に向けて移動できるように構成されている。
真空容器82の天井部にステージ86が設けられ、このステージ86の左右両側を挟むように供給リール20と巻取リール21とが配置され、配向層3Bまでを成膜した基材2を供給リール20からステージ86に供給し、巻取リール21に巻き取ることができるように構成されている。
なお、上述した実施形態においては、下部キャップ層3Cを形成するために、図3と図4に示すレーザー蒸着装置Aを用いたレーザー蒸着法、図6に示すECRスパッタ装置Cを用いたECRスパッタ法、図7、図8に示す対向ターゲットスパッタ装置Dを用いた対向ターゲットスパッタ法、図10に示す電子ビーム蒸着装置Fを用いた電子ビーム蒸着法を用いたが、下部キャップ層3Cを形成するのは、これらの装置あるいは方法に限定されるものではない。
レーザー蒸着法、ECRスパッタ法、電子ビーム蒸着法の他に、長距離スパッタ法、あるいは、化学気相蒸着法(CVD法)などの方法を適用し、下部キャップ層3Cを形成し ても良い。
「実施例1」
ハステロイ(商品名ハステロイC−276、米国ヘインズ社製)からなる幅10mm、厚さ0.1mm、長さ10mのテープ状の基材を複数用意し、表面粗さRaが4〜5nmとなるまで各々研磨した後、アルコール及び有機溶剤により洗浄した。
次に、以下の形成条件により、複数の基材の一面上に、拡散防止層、ベッド層、配向層およびキャップ層をこの順に積層した。
まず、イオンビームスパッタ法により、テープ状の基材の上にAl2O3からなる膜厚100nmの拡散防止層を形成し、次に、イオンビームスパッタ法により、拡散防止層の上にY2O3からなる膜厚20nmのベッド層を形成した。
次に、IBAD法により、ベッド層の上にMgOからなる膜厚10nmの配向層を形成した。
PLD法による成膜温度は800℃、エキシマレーザー光源(KrF:248nm)を用い、エネルギー密度3.0J/cm2、基材の搬送速度30m/h、パルスレーザーの繰り返し周波数300Hz、転向部材間に配置する基材搬送レーンを5レーンとして以下の表1に示すように種々の膜厚の下部キャップ層を形成した。
また、一部の試料は配向層上にPLD法のみで厚さ200nmの単層のキャップ層あるいは厚さ400nmの単層のキャップ層を形成し、面内配向性を調べた。更に、一部の試料について、下部キャップ層を形成することなく、配向層の上に直にスパッタ装置により上部キャップ層を形成し、面内配向性を調べた。表1に示す判定基準の欄において、Δφの値が4.5゜を超える試料を×印で示し、Δφの値が4.5゜以下の試料を○印で示した。
これらの試料に対し、4nm以上の厚さの下部キャップ層を備えた試料はいずれも4.5゜以下、3〜4.5゜の範囲の優れた面内配向性が得られた。このことから、下部キャップ層の厚さを4nm以上とすることにより、スパッタ時に生じるプラズマによるダメージの影響を受けることなく面内配向性の優れた上部キャップ層を形成できることが判明した。
下部キャップ層と上部キャップ層の成膜時間から、下部キャップ層を必要以上に厚く形成しても、成膜時間の短縮には繋がらないので、合計成膜時間の短縮のためには下部キャップ層を成膜する時間をできるだけ短くするのが望ましい。
また、PLD法による膜厚200nmにスパッタ法による膜厚200nmを加えた試料は上部キャップ層のΔφが3.7゜であり、PLD法による膜厚200nmにスパッタ法による膜厚300nmを加えた試料は上部キャップ層のΔφが3.3゜であるのに対し、PLD法のみによる試料におけるキャップ層のΔφは膜厚200nmの場合4.3゜であり、膜厚400nmの場合に4゜である。このことから、PLD法によれば膜厚が厚くなるほど配向性は若干向上するものの、ある程度の膜厚で配向性の向上は止まるのに対し、PLD法とスパッタ法の併用による試料ではスパッタ膜厚を厚くすると配向性は更に良好になることがわかる。
Claims (6)
- 基材と、該基材上に形成された配向層とキャップ層および酸化物超電導層を有し、前記配向層がイオンビームアシスト蒸着法により形成されたMgOからなり、前記キャップ層が前記配向層上に形成された下部キャップ層とその上に形成された上部キャップ層からなり、前記下部キャップ層が、レーザー蒸着法、イオンビームスパッタ法、電子ビーム蒸着法、化学気相蒸着法、長距離スパッタ法、対向ターゲット式スパッタ法、ECRスパッタ法のいずれかから形成された厚さ4nm以上の薄膜からなり、前記上部キャップ層が、プラズマを前記下部キャップ層に曝すスパッタ法により形成された薄膜からなり、前記下部キャップ層と上部キャップ層が同一材料からなることを特徴とする酸化物超電導線材。
- 前記キャップ層がCeO2あるいはLaMnO3からなることを特徴とする請求項1に記載の酸化物超電導線材。
- 前記上部キャップ層の結晶配向度の指標となる半値全幅Δφが4.5゜以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の酸化物超電導線材。
- 基材と、該基材上に形成された配向層とキャップ層および酸化物超電導層を有し、前記配向層がイオンビームアシスト蒸着法により形成されたMgOからなり、前記キャップ層が前記配向層上に形成された下部キャップ層とその上に形成された上部キャップ層からなる酸化物超電導線材を製造する方法であり、
前記基材上に配向層を形成する配向層形成工程と、前記配向層上にキャップ層を形成するキャップ層形成工程と、前記キャップ層上に酸化物超電導層を形成する酸化物超電導層形成工程を含み、前記キャップ層形成工程を下部キャップ層形成工程と上部キャップ層形成工程から構成し、
前記下部キャップ層形成工程において、レーザー蒸着法、イオンビームスパッタ法、電子ビーム蒸着法、化学気相蒸着法、長距離スパッタ法、対向ターゲット式スパッタ法、ECRスパッタ法のいずれかから厚さ4nm以上の薄膜として下部キャップ層を形成し、
前記上部キャップ層形成工程において、プラズマを前記下部キャップ層に曝すスパッタ法により形成するとともに、前記下部キャップ層と上部キャップ層を同一材料から形成することを特徴とする酸化物超電導線材の製造方法。 - 前記キャップ層をCeO2あるいはLaMnO3から形成することを特徴とする請求項4に記載の酸化物超電導線材の製造方法。
- 前記上部キャップ層の結晶配向度の指標となる半値全幅Δφを4.5゜以下とすることを特徴とする請求項4または5に記載の酸化物超電導線材の製造方法。
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