JPH04212217A - 酸化物超電導線材の製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、酸化物超電導線材の
製造方法および装置に関するもので、特に長尺の基材上
に、レーザアブレーションにより酸化物超電導薄膜の成
膜を行なう、酸化物超電導線材の製造方法および装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザアブレーション法では、ターゲッ
トにレーザ光を照射し、それによってターゲットから飛
散した粒子を基板上に堆積させることによって、基板上
に薄膜が成膜される。

【０００３】このようなレーザアブレーション法は、低
温でかつ高速の成膜が可能である等の利点を有しており
、近年、酸化物超電導薄膜の成膜方法として注目されつ
つある。特に、適当な可撓性を有する長尺の基板を用い
た場合には、長尺の酸化物超電導線材の製造が可能とな
る。

【０００４】図５には、レーザアブレーション法を用い
る従来の酸化物超電導線材の製造装置１が示されている
。装置１は、基板供給部２および基板巻取部３を備え、
これら基板供給部２と基板巻取部３との間には、成膜室
４が配置される。好ましくは、基板供給部２、基板巻取
部３および成膜室４は、ともに、閉じられた空間または
実質的に閉じられた空間を形成するようにされる。

【０００５】基板供給部２から矢印５で示すように引き
出された可撓性かつ長尺の基板６は、成膜室４を通った
後、基板巻取部３において巻き取られる。

【０００６】より詳細には、基板供給部２から引き出さ
れた基板６に対して、成膜室４内において、レーザアブ
レーションにより酸化物超電導薄膜の成膜が行なわれる
。成膜室４内には、基板６と対向するようにターゲット
７が配置され、このターゲット７には、成膜室４の外部
からレーザ光８が照射される。ターゲット７は、酸化物
超電導物質の成分を含んでいる。レーザ光８が照射され
たターゲット７からは、矢印９で示すように、ターゲッ
ト７を構成する物質からなる粒子が飛散し、これらの粒
子は、基板６上に、酸化物超電導薄膜を形成するように
、堆積する。酸化物超電導薄膜が成膜された基板６は、
基板巻取部３において巻き取られる。

【０００７】基板巻取部３において巻き取られた、酸化
物超電導薄膜が形成された基板６は、次いで、基板巻取
部３から取り出され、熱処理炉において、酸素雰囲気中
での熱処理を施される。これによって、長尺の基板に酸
化物超電導薄膜が形成された、酸化物超電導線材が得ら
れる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
装置１によれば、基板６上に酸化物超電導薄膜の成膜を
行なった後、この装置１とは別の熱処理炉において熱処
理を行なわなければならないので、酸化物超電導線材の
生産性はそれほど高くない。

【０００９】また、上述した工程を採用すると、酸化物
超電導薄膜が本来有する超電導特性を十分に引出せない
という問題に遭遇することがあった。たとえば、実験室
において、長尺でない基板を真空チャンバ内に配置し、
この真空チャンバ内で基板上に酸化物超電導薄膜をレー
ザアブレーションにより形成し、引き続いて同じ真空チ
ャンバ内に酸素を導入してから、室温まで徐冷した場合
において得られる酸化物超電導薄膜が有する臨界温度や
臨界電流密度のような超電導特性は、上述したような装
置１を用いて成膜した後、別の熱処理炉で熱処理した場
合には、得られないことがあった。

【００１０】そこで、この発明は、上述したような問題
を解決し、酸化物超電導薄膜が本来有する超電導特性を
十分に引出すことができる、酸化物超電導線材の製造方
法および装置を提供しようとすることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、酸化物超電
導薄膜の成膜後において、このような酸化物超電導薄膜
および基板の温度を、一旦、室温にまで下げると、その
後、酸素雰囲気中でたとえ熱処理を行なったとしても、
超電導薄膜が本来有する超電導特性をもはや得ることが
できない、という知見に基づき、なされたものである。 この発明によれば、上述のような知見に基づき、長尺の
基板が用いられる酸化物超電導線材の製造に適した方法
および装置が提供される。

【００１２】この発明は、まず、酸化物超電導物質の成
分を含むターゲットにレーザ光を照射し、それによって
ターゲットから飛散した粒子を、長尺の基板上に酸化物
超電導薄膜を形成するように、堆積させる、レーザアブ
レーションを用いる酸化物超電導線材の製造方法に向け
られるものであって、上述した技術的課題を解決するた
め、前記長尺の基板をその長手方向に送給し、その一連
の送給過程において、前記酸化物超電導薄膜の形成を長
尺の基板の長手方向にわたって行なうとともに、引き続
いて、前記酸化物超電導薄膜が形成された前記基板を酸
素雰囲気下にもたらすことを特徴とするものである。

【００１３】この発明は、また、長手方向に送給される
長尺の基板に対して酸化物超電導薄膜の成膜をレーザア
ブレーションにより行なうための成膜室を備える、酸化
物超電導線材の製造装置にも向けられるものであって、
上述した技術的課題を解決するため、酸素導入室が前記
成膜室に後続して設けられ、この成膜室を出た基板が連
続的に酸素導入室に導入されるようにしたことを特徴と
するものである。

【００１４】

【作用】この発明では、成膜室において酸化物超電導薄
膜が成膜された基板は、外部の雰囲気に実質的にさらさ
れることなく、連続的に酸素導入室または酸素雰囲気下
にもたらされる。

【００１５】

【発明の効果】したがって、この発明によれば、成膜室
から出た基板およびその上に形成された酸化物超電導薄
膜が、その温度を室温にまで下げることなく、酸素導入
室または酸素雰囲気中に導入されることができる。それ
ゆえに、超電導薄膜が本来有する超電導特性を損なうこ
となく、高い臨界温度および高い臨界電流密度を示す酸
化物超電導線材を得ることができる。

【００１６】また、酸化物超電導薄膜の成膜と酸素導入
とが、それぞれ、長尺の基板の一連の送給過程において
連続的に行なわれるので、酸化物超電導線材の製造を連
続的にかつ高速で行なうことができる。

【００１７】成膜室およびこれに後続する酸素導入室が
複数組設けられた場合には、所定の厚みの酸化物超電導
薄膜を得ることを、複数組の成膜室および酸素導入室に
分担させることができるので、酸化物超電導線材の製造
をより高速化することができる。

【００１８】また、酸素導入室内の基板の温度を成膜室
内の基板の温度以下とすれば、酸素導入処理を行なって
いる間に、基板と酸化物超電導薄膜との間で生じ得る拡
散反応を防止することができる。

【００１９】また、酸素導入室または酸素雰囲気中にお
いて、基板に対して、その下流側の温度がその上流側の
温度より低い温度分布を与えるようにすれば、基板は急
冷されることなく、基板には徐冷の効果が与えられる。 このことも、超電導体薄膜が本来有する超電導特性を損
わせないようにするのに効果的である。

【００２０】

【実施例】図１には、この発明の一実施例による酸化物
超電導線材の製造装置４１が示されている。

【００２１】長尺の可撓性を有する基板４２は、矢印４
３で示すように、基板供給部４４から引出され、複数組
の成膜室４５およびこれら各々に後続する酸素導入室４
６を通った後、基板巻取部４７において巻取られる。な
お、成膜室４５および酸素導入室４６の各々のいくつか
は、図１において図示が省略されている。また、成膜室
４５および酸素導入室４６は、単に１組のみが設けられ
ても、また、複数組設けられてもよい。いずれにしても
、成膜室４５の後には、必ず、酸素導入室４６が設けら
れる。この実施例では、すべては図示されていないが、
１０組の成膜室４５および酸素導入室４６が設けられて
いる。

【００２２】各成膜室４５内には、ターゲット４８がそ
れぞれ配置される。各ターゲット４８には、それぞれ、
レーザ光４９が照射され、それによって、矢印５０で示
すように、ターゲット４８から飛散した粒子は、酸化物
超電導薄膜を形成するように、基板４２上に堆積される
。

【００２３】この実施例において、基板供給部４４から
成膜室４５および酸素導入室４６を経て基板巻取部４７
に至るまで、閉じられた空間または実質的に閉じられた
空間を形成している。しかしながら、一般には、成膜室
４５に与えられる圧力は、酸素導入室４６に与えられる
圧力よりも低い。このような成膜室４５と酸素導入室４
６との間での圧力差を許容するため、成膜室４５と酸素
導入室４６との間には、周知のように、差動排気室（図
示せず）を設けることが好ましい。

【００２４】成膜室４５および酸素導入室４６内にある
基板４２は、通常、たとえば５００〜６００℃程度の温
度にまで加熱される。このような加熱は、成膜室４５に
おいては、ヒータを基板４２に向けて設けたり、酸素導
入室４６においては、その内部雰囲気全体を加熱したり
することによって達成されることもできるが、基板４２
として、導電性の金属からなるものを用いた場合には、
基板４２自身を通電加熱してもよい。

【００２５】図２には、この発明の他の実施例による酸
化物超電導線材の製造装置１１が示されている。

【００２６】長尺の可撓性を有する基板１２は、矢印１
３で示すように、基板供給部１４から引き出され、成膜
室１５およびこれに後続する酸素導入室１６を通った後
、基板巻取部１７において巻き取られる。なお、成膜室
１５および酸素導入室１６は、図示したように単に１組
のみが設けられても、また、複数組設けられてもよい。

【００２７】成膜室１５内には、酸化物超電導物質の成
分を含むターゲット１８が配置される。ターゲット１８
には、レーザ光１９が照射され、それによって、矢印２
０で示すように、ターゲット１８から飛散した粒子は、
酸化物超電導薄膜を形成するように、基板１２上に堆積
される。

【００２８】この実施例において、基板供給部１４から
成膜室１５および酸素導入室１６を経て基板巻取部１７
に至るまで、閉じられた空間または実質的に閉じられた
空間を形成している。しかしながら、一般には、成膜室
１５に与えられる圧力は、酸素導入室１６に与えられる
圧力よりも低い。このような成膜室１５と酸素導入室１
６との間での圧力差を許容するため、成膜室１５と酸素
導入室１６との間には、周知のように、差動排気室（図
示せず）を設けることが好ましい。

【００２９】成膜室１５内にある基板１２は、通常、た
とえば５００〜７００℃程度の温度にまで加熱される。 このような加熱は、たとえば赤外線ヒータ２１からの熱
放射により行なわれる。

【００３０】また、酸素導入室１６内にある基板１２に
対しても、加熱が行われる。この加熱は、基板１２に対
して、その下流側がその上流側の温度より低い温度分布
を与えるようにされ、たとえば、複数個の赤外線ヒータ
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅが、基板１２
の長手方向に配列される。このとき、赤外線ヒータ２２
ａ〜２２ｅのうち、基板１２の上流側にある赤外線ヒー
タ２２ａが最も高い温度を与え、下流側にある赤外線ヒ
ータ２２ｅが最も低い温度を与えるようにされる。たと
えば、赤外線ヒータ２２ａ付近では、７００℃であり、
赤外線ヒータ２２ｅ付近では２００℃の温度が与えられ
、このような温度差が、酸素導入室１６において基板１
２の上流側から下流側に向かう負の温度勾配によって吸
収されるようにされている。

【００３１】なお、上述のような成膜室１５および酸素
導入室１６における加熱は、基板１２として導電性の金
属からなるものを用いた場合には、基板１２自身を通電
加熱することによって達成されるようにしてもよい。

【００３２】以下に、この発明に従って行なった実験例
について説明する。

【００３３】 実験例１ 図１に示すように、１０組の成膜室４５および酸素導入
室４６を備える装置４１を用いて、酸化物超電導線材の
製造を試みた。

【００３４】各成膜室４５において、Ｙ１　Ｂａ２　Ｃ
ｕ３　Ｏｙ　からなるターゲット４８に、ＫｒＦによる
エキシマレーザ光４９を照射し、ＭｇＯ（１００）単結
晶からなるテープ状の基板４２上に、酸化物超電導薄膜
を成膜した。成膜条件は、基板温度が６００℃、成膜室
４５の酸素圧力が２００ｍＴｏｒｒ、基板４２とターゲ
ット４８との間の距離が５０ｍｍ、レーザ光４９のエネ
ルギ密度が２Ｊ／ｃｍ２　、レーザ光４９の繰返し周波
数が５Ｈｚとした。

【００３５】また、各酸素導入室４６において、酸素圧
力を１気圧とした。また、酸素導入室４６内の温度を５
５０℃とし、成膜室４５から後続する酸素導入室４６に
至るまでの間、基板４２の温度が５５０℃より下がらな
いようにした。

【００３６】基板４３の送給速度を２０ｍｍ／分とした
とき、基板巻取部４７において巻取られた酸化物超電導
線材の酸化物超電導薄膜の厚みが５０００オングストロ
ームとなり、このような酸化物超電導線材の臨界温度お
よび液体窒素中での臨界電流密度を測定すると、それぞ
れ、８８Ｋおよび２×１０６　Ａ／ｃｍ２　であった。

【００３７】比較例として、図５に示した装置１を用い
て、酸化物超電導線材の製造を試みた。

【００３８】使用する基板６および成膜室４での成膜条
件は、上述した実施例と同様とした。基板巻取部３にお
いて巻取られる基板６上に厚さ５０００オングストロー
ムの酸化物超電導薄膜を得るため、基板６の送給速度を
２ｍｍ／分とした。

【００３９】このように、単に成膜室４において成膜さ
れただけの酸化物超電導薄膜の臨界温度は、７０Ｋであ
った。なお、臨界電流密度については、臨界温度が液体
窒素温度（７７．３Ｋ）より低かったため、測定しなか
った。

【００４０】上述のように、成膜室４において、酸化物
超電導薄膜が形成された基板６を、次いで、熱処理炉に
入れ、酸素１気圧中において６００℃で１時間保持する
熱処理を施した。

【００４１】得られた酸化物超電導線材の臨界温度およ
び臨界電流密度を測定したところ、それぞれ、８３Ｋお
よび４×１０４　Ａ／ｃｍ２　であった。

【００４２】なお、図１に示した実施例では、各成膜室
４５のそれぞれの後には、必ず、酸素導入室４６が設け
られたが、基板巻取部４７の直前の段階において少なく
とも酸素導入室４６が配置されていればよく、それより
前の段階においては、２つ以上の成膜室４５が連続して
配置されていてもよい。

【００４３】 実験例２ 図２に示した製造装置１１を用いて、酸化物超電導線材
の製造を試みた。

【００４４】成膜室１５において、Ｙ１　Ｂａ２　Ｃｕ
３Ｏｙ　からなるターゲット１８に、ＫｒＦによるエキ
シマレーザ光１９を照射し、ＭｇＯ（１００）単結晶か
らなるテープ状の基板１２上に、酸化物超電導薄膜を成
膜した。成膜条件は、成膜室１５の酸素圧力が２００ｍ
Ｔｏｒｒ、基板１２とターゲット１８との距離が５０ｍ
ｍ、レーザ光１９のエネルギ密度が２Ｊ／ｃｍ２　、レ
ーザ光１９の繰返し周波数が５Ｈｚとした。

【００４５】また、酸素導入室１６において、酸素圧力
を１気圧とした。

【００４６】基板１２に与えられる温度に関して、成膜
室１５では、７００℃に保持し、酸素導入室１６におい
ては、図３に示すように、その上流側において７００℃
とし、その下流側において２００℃とし、それら上流側
と下流側との間において直線状の温度勾配が与えられる
ようにした。また、基板１２が酸素導入室１６を通過す
るのに、１時間かかるように設定した。

【００４７】このようにして、基板巻取部１７において
巻き取られた酸化物超電導線材について、臨界温度を測
定すると、８６Ｋであり、７７．３Ｋでの臨界電流密度
を測定すると、５．０×１０５　Ａ／ｃｍ２　であった
。

【００４８】なお、上述の実験例では、基板１２が酸素
導入室１６を通過するのに、１時間かかるように設定し
たが、このような通過時間は、少なくとも５分、好まし
くは１０分以上であることがわかった。

【００４９】比較例として、図４に示すような製造装置
３１を用いて、酸化物超電導線材の製造を試みた。

【００５０】図４において、酸素導入室３２が、単に１
個の赤外線ヒータ３３を備え、徐冷の効果を生かせない
ものとした。その他の構成は、図２に示した装置１１の
場合と同様であるので、相当の部分には、同様の参照番
号を付し、重複する説明は省略する。なお、図４に示し
た装置３１は、比較例としたが、これ自身は、この発明
の範囲内のものであることを指摘しておく。

【００５１】また、この比較例の実験条件は、上述した
図２に示した装置１１を用いての実験条件と、以下に指
摘する点を除いて、同様である。

【００５２】酸素導入室３２においては、基板１２が６
００℃の温度に保持されるようにした。

【００５３】得られた酸化物超電導線材は、臨界温度を
測定すると、７３Ｋであった。それゆえに、臨界電流密
度は、７７．３Ｋでの測定であるため、これを測定しな
かった。

【００５４】 実験例３ 図２に示した製造装置１１を用いて、酸化物超電導線材
の製造を試みた。

【００５５】テープ状の基板１２としてイットリア安定
化ジルコニアを用いたことを除いて、実験例２と同様の
成膜条件を採用した。

【００５６】得られた酸化物超電導線材の長さ５ｍにわ
たる特性は、臨界温度が８８Ｋであり、７７．３Ｋでの
臨界電流密度が１．２×１０４　Ａ／ｃｍ２　であった
。

【００５７】また、長さ１０ｃｍごとの特性のばらつき
を調べたところ、臨界温度に関しては８８〜８９Ｋの範
囲でほぼ均一であり、臨界電流密度に関しては１．２×
１０４　〜１．４×１０４　Ａ／ｃｍ２　の範囲でほぼ
均一となった。

【００５８】 実験例４ 図４に示した製造装置３１を用いて、酸化物超電導線材
の製造を試みた。

【００５９】酸素導入室３２内において、基板１２が５
００℃で１時間保持されるようにしたことを除いて、実
験例２の比較例と同じ成膜条件を採用した。

【００６０】得られた酸化物超電導線材の長さ５ｍにわ
たる特性は、臨界温度が８４Ｋであり、７７．３Ｋにお
ける臨界電流密度が８×１０３　Ａ／ｃｍ２　であった
。

【００６１】長さ１０ｃｍごとの特性のばらつきを調べ
たところ、臨界温度に関しては８２〜８４Ｋの範囲、臨
界電流密度に関しては８×１０３　〜９×１０３　Ａ／
ｃｍ２　の範囲にそれぞれ収まっていた。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による酸化物超電導線材の
製造装置４１を示す説明図である。

【図２】この発明の他の実施例による酸化物超電導線材
の製造装置１１を示す説明図である。

【図３】この発明に従って行なった実験例において採用
された酸素導入室１６における温度分布を示す図である
。

【図４】図２に示した実施例の比較実験において用いた
酸化物超電導線材の製造装置３１を示す説明図である。

【図５】従来の酸化物超電導線材の製造装置１を示す説
明図である。

【符号の説明】

１１，３１，４１　　製造装置 １２，４２　　基板 １４，４４　　基板供給部 １５，４５　　成膜室 １６，３２，４６　　酸素導入室 １７，４７　　基板巻取部 １８，４８　　ターゲット １９，４９　　レーザ光

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　酸化物超電導物質の成分を含むターゲ
   ットにレーザ光を照射し、それによってターゲットから
   飛散した粒子を、長尺の基板上に酸化物超電導薄膜を形
   成するように、堆積させる、レーザアブレーションを用
   いる酸化物超電導線材の製造方法において、前記長尺の
   基板をその長手方向に送給し、その一連の送給過程にお
   いて、前記酸化物超電導薄膜の形成を長尺の基板の長手
   方向にわたって行なうとともに、引き続いて、前記酸化
   物超電導薄膜が形成された前記基板を酸素雰囲気下にも
   たらすことを特徴とする、酸化物超電導線材の製造方法
   。
2. 【請求項２】　　前記酸素雰囲気下において、前記基板
   に対して、その下流側の温度がその上流側の温度より低
   い温度分布が与えられる、請求項１に記載の酸化物超電
   導線材の製造方法。
3. 【請求項３】　　長手方向に送給される長尺の基板に対
   して酸化物超電導薄膜の成膜をレーザアブレーションに
   より行なうための成膜室を備える、酸化物超電導線材の
   製造装置において、酸素導入室が前記成膜室に後続して
   設けられ、前記成膜室を出た前記基板が連続的に前記酸
   素導入室に導入されるようにしたことを特徴とする、酸
   化物超電導線材の製造装置。
4. 【請求項４】　　前記成膜室およびこれに後続する前記
   酸素導入室が、複数組設けられた、請求項１に記載の酸
   化物超電導線材の製造装置。
5. 【請求項５】　　前記酸素導入室内の前記基板の温度は
   、前記成膜室内の前記基板の温度以下とされる、請求項
   ３または４に記載の酸化物超電導線材の製造装置。
6. 【請求項６】　　前記酸素導入室では、前記基板に対し
   て、その下流側がその上流側の温度より低い温度分布が
   与えられる、請求項３ないし５のいずれかに記載の酸化
   物超電導線材の製造装置。