KR100908066B1 - 이종 물질의 동시증착에 의한 초전도 박막의 완충층 - Google Patents
이종 물질의 동시증착에 의한 초전도 박막의 완충층 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 초전도 박막의 완충층에 관한 것으로, 이종의 물질을 동시에 증착할 수 있는 다수개의 증착장치로부터 증착성분이 기판에 도달되는 경로를 제어하여 단일 완충층이 증착되는 것을 특징으로 하는 이종 물질의 동시증착에 의한 초전도 박막의 완충층을 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 이종 물질의 동시증착에 의해 초전도 박막의 완충층을 단일 공정으로 증착시킬 수 있어 초전도 박막의 제조 시간 단축 및 비용의 저렴화로 경제적이며, 또한 이종 물질의 동시증착에 의해 초전도 박막의 단일 완충층은 기판의 결정 배향성이 초전도층까지 유지되고 기판의 성분에 대한 확산장벽으로 충분한 역할을 수행할 수 있는 새로운 완충층으로써 기대되고 있으며, 또한 상기 초전도 박막의 완충층으로써, YZO층(Yttrium Zirconium Oxide layer) 또는 CZO층(Cerium Zirconium Oxide layer)을 포함하는 초전도 박막의 완충층을 제공하며, 이는 종래의 YSZ(Yittrium Stablized Zirconium)와는 완전히 다른 신물질로써 초전도 특성을 개선시키는 이점이 있다.
동시증착 단일 완충층 YSZ YZO CZO 스파터링 이배퍼레이션 이-빔
Description
도 1 - 본 발명에 따른 초전도 박막의 완충층을 증착하기 위한 이종 물질의 동시증착을 위한 장치를 나타낸 개략도.
도 2 - 종래의 완충층(a) 및 본 발명에 따른 초전도 박막의 완충층(b),(c)에 대한 HR-XRD-RSM에 의한 분석 데이터.
도 3 - 본 발명에 따른 초전도 박막의 완충층에 대한 SIMS에 의한 분석 데이터.
도 4 - 본 발명에 따른 초전도 박막의 완충층에 초전도층을 증착시켜 임계전류 특성을 측정한 도.
<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>
10 : 릴투릴장치 11 : 기판
20 : 증착영역가이드 30 : 증착원
본 발명은 초전도 박막의 완충층에 관한 것으로, 이종 물질의 동시증착에 의 해 증착성분이 기판에 도달되는 경로를 제어하여 단일 공정으로 단일 완충층을 이루는 이종 물질의 동시증착에 의한 초전도 박막의 완충층에 관한 것이다.
기존의 다양한 박막 증착 공정에서 주로 초전도 완충층 증착공정으로 사용되어지는 스파터링(sputtering) 장치 또는 이배퍼레이션(evaporation) 장치, 이-빔(e-beam) 장치 등이 있다. 이러한 증착공정은 물리적증기증착법(physical vapor deposition, PVD)의 일종으로 세계적으로 널리 이용되고 있는 박막 증착 방법으로, 증착된 박막의 밀도가 높고 금속 타겟을 사용할 경우 높은 증착률을 얻을 수 있으며 시스템 제작비 및 유지비가 저렴하다는 장점이 있다.
그러나, 다층박막을 증착하기 위해서는 각각의 박막을 증착하는 공정을 반복적으로 실시하여야 하는 문제점과 공정에 대한 시스템 제작비 및 유지비가 추가되며 박막증착에 대한 공정수의 증가로 초전도 선재의 제조 시간 단축 및 경제성 확보에 장애요인으로 작용하고 있다.
예를 들어 2세대 초전도 선재로 대표되는 REBCO(예로, YBCO, SmBCO, GdBCO, NdBCO)계 고온초전도 선재 제조에는 반드시 다층의 완충층(예로, Y2O3/YSZ/CeO2, CeO2/YSZ/CeO2 등)을 증착하여야 하기 때문에 이러한 증착을 위해서는 각각의 스파터링, 이배퍼레이션, 이-빔 등의 증착에 필요한 장치를 다층 박막(Y2O3, YSZ, CeO2등) 수만큼 순차적으로 작동시켜 다층의 완충층을 형성시키고 있는 실정이다.
이러한 다층의 완충층은 각 박막층 간의 증착을 위해 다수의 증착공정과 각각의 공정마다 증착조건의 제어로 초전도 선재 제조에 있어서 생산성과 가격 상승 으로 경제성을 저하시키는 요인으로 되고 있다. 또한, 다수의 완충 증착 박막간의 물성차로 문제가 발생될 수 있으며, 초전도체 박막의 전체적인 특성 제어를 위한 완충 증착공정 제어의 어려움으로 기판과 초전도체 사이의 완충층으로 역할을 제대로 수행하지 못하는 어려움이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 이종 물질의 동시증착에 의해 증착성분이 기판에 도달되는 경로를 제어하여 단일 공정으로 단일 완충층이 증착된 이종 물질의 동시증착에 의한 초전도 박막의 완충층의 제공을 그 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위해 본 발명은, 이종의 물질을 동시에 증착할 수 있는 다수개의 증착장치로부터 증착성분이 기판에 도달되는 경로를 제어하여 단일 완충층이 증착되는 것을 특징으로 하는 이종 물질의 동시증착에 의한 초전도 박막의 완충층을 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 완충층은, YZO층을 포함하는 것이 바람직하며, 그 중에서 YZO/CeO2로 형성된 것이 바람직하다. 또한, 상기 완충층은, CZO층을 포함하는 것이 바람직하며, 그 중에서 CeO2/CZO로 형성된 것이 바람직하다.
이에 따라, 이종 물질의 동시증착에 의해 초전도 박막의 완충층을 단일 공정으로 증착시킬 수 있어 초전도 박막의 제조 시간 단축 및 비용의 저렴화로 경제적 이며, 또한 이종 물질의 동시증착에 의해 초전도 박막의 단일 완충층은 기판의 결정 배향성이 초전도층까지 유지되고 기판의 성분에 대한 확산장벽으로 충분한 역할을 수행할 수 있는 새로운 완충층으로써 기대되고 있으며, 또한 상기 초전도 박막의 완충층으로써, YZO층(Yttrium Zirconium Oxide layer) 또는 CZO층(Cerium Zirconium Oxide layer)을 포함하는 초전도 박막의 완충층을 제공하며, 이는 종래의 YSZ(Yittrium Stablized Zirconium)와는 완전히 다른 신물질로써 초전도 특성을 개선시키는 이점이 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이종 물질의 동시증착에 의한 초전도 박막의 완충층은 물리적증기증착장치(physical vapor deposition system)를 사용하여 증착된 것으로, 스파터링(sputtering) 장치 또는 이배퍼레이션(evaporation) 장치, 이-빔(e-beam) 장치가 사용되며, 하나의 진공 챔버 내부에 동일한 증착장치가 적어도 두 개 이상 형성되거나, 서로 다른 두 가지 이상의 증착장치가 동일한 챔버 내부에 형성될 수 있다.
즉, 상기 스파터링 장치의 진공챔버 내부에 이종의 타겟이 각 스파터링 건에 장착되거나, 또는 상기 이배퍼레이션 장치의 진공챔버 내부에 이종의 타겟이 각 이배퍼레이션 도가니 내부에 삽입되거나, 이-빔 장치의 진공챔버 내부에 이종의 타켓이 타겟홀더에 장착되어, 스파터링 건 또는 이배퍼레이션 도가니, 이-빔의 작동에 의해 이종의 증착물질이 타겟에 대향되는 위치에 형성된 기판(11)에 증착되게 되는 것이다.
이 경우 상기 스파터링 건 또는 이배퍼레이션 도가니, 이-빔 타겟홀더는 상기 이종의 증착물질의 종류만큼 형성되며, 모든 스파터링 건 또는 이배퍼레이션 도가니, 이-빔 타겟홀더의 동시 작동에 의해 이종의 증착물질이 동시에 플라즈마 성분을 이루면서 기판(11)에 증착되도록 한다.
이 때 상기 증착물질의 증착성분이 기판(11)에 도달하는 경로 상에 증착영역을 제어하기 위해 증착영역가이드(20) 및 증착 장치에 대한 유연성이 있는 재질의 프레임을 사용하여 증착영역에 대한 제어와 함께 증착 성분에 대한 원자 또는 분자 속도를 제어하여 기판(11) 상의 소정 영역에 새로운 성분 및 이들의 조합으로 형성된 조성의 새로운 완충층을 형성할 수 있는 다양한 증착영역을 설정 할 수 잇게 된다.
통상 초전도 선재 증착 제조시 릴투릴(reel-to-reel)장치(10)에 의한 기판(11) 공급 방식에 의해 기판(11)이 일측에서 타측으로 공급되면서 감기게 되므로, 기판(11)의 진행 방향에 대해, 기판(11)으로부터 박막의 증착 거리를 제어하여 증착하고자 하는 완충층의 성분이 조합되는 영역을 형성시킴으로서, 기판(11)이 이동하면서 증착밀도가 균일하게 다양한 새로운 물질의 완충층이 형성된 초전도 선재를 제조할 수 있게 된다.
즉 스파터링 건 또는 이배퍼레이션 도가니, 이-빔 타겟홀더의 동시 작동 및 증착영역 제어에 의해 기판(11) 상측으로 다양한 새로운 성분의 단일 완충층을 형 성시키며, 이러한 단일 완충층은 증착 속도를 제어함으로서 균일한 성분의 단일 완충층을 형성시키게 되는 것이다.
따라서 상기 간일 완충층은 이종의 성분을 가지는 증착물질을 각 성분의 증착원(스파터링 건, 이배퍼레이션 도가니, 이-빔 타겟홀더)(30)을 이용하여 증착영역의 제어로 새로운 조성을 가지는 단일 완충층을 형성할 수 있으며, 이는 기존의 다수의 증착공정으로 형성된 다층 완충층의 형태에 비해 계면간의 특성차이를 최소화할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예로써, 상기 단일 완충층이 형성된 초전도 완충층으로써, YZO층(Yttrium Zirconium Oxide layer) 또는 CZO층(Cerium Zirconium Oxide layer)을 포함하는 초전도 단일 완충층이 있다. 이는 종래의 Y2O3, YSZ(Yittrium Stablized Zirconium), CeO2와 완전히 다른 물질로써, 단일 완충층으로 계면간의 특성차이를 최소화한 단일 완충층으로 초전도 특성을 개선시킨 것이다.
상기 YZO, CZO층을 포함하는 단일 완충층은 기판(11)이 공급되는 방향에 대해 Y타겟과 Zr타겟 또는 Ce타겟 등을 형성시키고, 증착영역가이드(20) 등을 증착 영역의 제어를 위해 기판(11)에 인접하여 위치시키며, 기판(11)을 진행시키면서 Zr 또는 Y 또는 Ce 성분 등을 포함하는 YZO, CZO층을 생성시킬 수 있으며, 증착 공정 전체를 걸쳐 기판(11) 상에 균일한 밀도를 가지는 단일의 완충층을 형성시키게 되는 것이다.
즉, 완충충으로써 YZO층은 두개의 증착원(30)에 Y타겟과 Zr타겟을 장착시킨 후 이들의 증착원(30)을 동시에 작동시키므로써 증착되며, CZO층은 두개의 증착원(30)에 Zr타겟과 Ce타겟 장착시킨 후 이들의 증착원(30)을 동시에 작동시키므로써 증착되게 된다.
또한 이러한 YZO, CZO를 포함하는 단일 완충층은 다층 완충층에도 적용할 수도 있으며, CeO2/CZO, YZO/CeO2의 구성이 바람직하며, 상기 상측 CeO2층과 CZO층 사이에는 박막의 두께에 따라 다층 완충층이 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예로써, YZO로 구성된 단일 완충층에 대한 물성 및 상기 단일 완충충이 형성된 초전도 박막의 특성에 대해 살펴보고자 한다. 상기 YZO로 구성된 단일 완충층은 다음 표1과 같은 조건에서 증착되었다.
| 예열처리(pre heat-treatment) | 가스분압(Gas pressure(10%H2+Ar)) | 200 mTorr |
| 온도(Temperature(℃)) | 800 | |
| 테이프이동속도(Tape moving speed(m/h)) | 2 | |
| 반복률(Repetition(No.)) | 3 | |
| 박막증착(Film Deposition_ | 증착온도(Deposition temperature(℃)) | 750 |
| 챔버 압력(Chamber pressure) | 10-7 Torr | |
| 반응가스압력(Reaction gas pressure(Ar)) | 4 mTorr | |
| 반응가스압력(Reaction gas pressure(H2O)) | 1 mTorr | |
| 증착률(Deposition rate(Å/sec)) | 3 | |
| 테이프이동속도(Tape moving speed(m/h)) | 4 |
먼저, 도 2는 HR-XRD-RSM(High-Resolution Triple Axis X-Ray Diffractometer -RSM)에 의한 분석 데이터이며, 종래의 완충층으로써 YSZ(a)와 본 발명에 따른 완충층인 YZO(b)과 이를 포함하는 다층의 완충층인 CeO2/YZO/Y2O3(c)를 비교한 것으로, 완전히 상이한 XRD패턴을 이루는 것으로 보아, YSZ와 YZO는 완전히 다른 물질임을 알 수 있다.
도 3은 YZO 단일 완충층을 구성한 박막을 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry, 이차이온 질량분석기)에 의한 분석 데이터로써, 상기 YZO층은 초전도 박막의 완충층으로 증착기판(11)의 구성원소들의 확산에 대한 장벽으로 충분히 역할을 하고 있음을 알 수 있었다.
이렇게 증착된 단일 완충층에 초전도 박막을 증착하여 초전도 임계전류 특성을 측정하였으며, 이를 도 4에 도시하였다. 도 4에 도시된 바와 같이, 초전도 임계 전류값(6.7A)을 가지므로 충분히 완충층 박막으로서 기능을 하는 것을 알 수 있으며, 작은 값을 보이는 것은 초전도 박막의 증착 두께가 얇아서 그런 것으로 판단된다.
상기 구성에 의한 본 발명은, 이종 물질의 동시증착에 의해 초전도 박막의 완충층을 단일 공정으로 증착시킬 수 있어 초전도 박막의 제조 시간 단축 및 비용의 저렴화로 경제적인 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 이종 물질의 동시증착에 의해 초전도 박막의 단일 완충층은 기판의 결정 배향성이 초전도층까지 유지되고 기판의 성분에 대한 확산장벽으 로 충분한 역할을 수행할 수 있는 새로운 완충층으로써 기대되고 있다.
또한 초전도 박막의 완충층으로써, YZO층(Yttrium Zirconium Oxide layer) 또는 CZO층(Cerium Zirconium Oxide layer)을 포함하는 초전도 박막의 완충층을 제공하며, 이는 종래의 YSZ(Yittrium Stablized Zirconium)와는 완전히 다른 신물질로써 초전도 특성을 개선시키는 효과가 있다.
Claims (5)
- 기판이 일측에서 타측으로 공급되면서 감기게 되는 릴투릴(reel-to-reel)장치가 형성되어 이종의 물질을 동시에 증착할 수 있는 다수개의 증착장치로부터 증착성분이 기판에 도달되는 경로를 제어하여 YZO층을 포함하는 단일 완충층이 증착되는 것을 특징으로 하는 이종 물질의 동시증착에 의한 초전도 박막의 완충층.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 완충층은,YZO/CeO2으로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 물질의 동시증착에 의한 초전도 박막의 완충층.
- 기판이 일측에서 타측으로 공급되면서 감기게 되는 릴투릴(reel-to-reel)장치가 형성되어 이종의 물질을 동시에 증착할 수 있는 다수개의 증착장치로부터 증착성분이 기판에 도달되는 경로를 제어하여 CZO층을 포함하는 단일 완충층이 증착되는 것을 특징으로 하는 이종 물질의 동시증착에 의한 초전도 박막의 완충층.
- 제 4항에 있어서, 상기 완충층은,CeO2/CZO로 형성된 것을 특징으로 하는 이종 물질의 동시증착에 의한 초전도 박막의 완충층.
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| KR1020060083323A KR100908066B1 (ko) | 2006-08-31 | 2006-08-31 | 이종 물질의 동시증착에 의한 초전도 박막의 완충층 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20080020191A KR20080020191A (ko) | 2008-03-05 |
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ID=39395258
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020060083323A KR100908066B1 (ko) | 2006-08-31 | 2006-08-31 | 이종 물질의 동시증착에 의한 초전도 박막의 완충층 |
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101487831B1 (ko) * | 2013-11-08 | 2015-01-29 | 주식회사 서남 | 세라믹 선재의 제조장치 및 그를 이용한 세라믹 선재의 제조방법 |
| KR20190042235A (ko) | 2017-10-16 | 2019-04-24 | 한국전기연구원 | 영구자석을 이용한 자기이력곡선 연속 측정장치 |
| KR20190042238A (ko) | 2017-10-16 | 2019-04-24 | 한국전기연구원 | 영구자석을 이용한 조성경사형 박막의 자기이력곡선 연속 측정장치 및 측정방법 |
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| KR20200039209A (ko) | 2018-10-05 | 2020-04-16 | 한국전기연구원 | Fe-Co-Sm 계 자성재료 및 이의 조성비에 대한 자기적 특성 측정방법 |
| KR20200067062A (ko) | 2018-12-03 | 2020-06-11 | 한국전기연구원 | 연자성-경자성 다층박막으로 구성되는 자성재료 최적화 방법 및 이에 의하여 최적화된 자성재료 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5283233A (en) * | 1990-10-26 | 1994-02-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for producing a superconductor layer of YBa2 Cu3 O7 on a sapphire substrate |
| KR20040043360A (ko) * | 2002-11-18 | 2004-05-24 | 주식회사 야스 | 다증발원을 이용한 동시증착에서 균일하게 혼합된 박막의증착을 위한 증발 영역조절장치 |
-
2006
- 2006-08-31 KR KR1020060083323A patent/KR100908066B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5283233A (en) * | 1990-10-26 | 1994-02-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for producing a superconductor layer of YBa2 Cu3 O7 on a sapphire substrate |
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| KR20190042235A (ko) | 2017-10-16 | 2019-04-24 | 한국전기연구원 | 영구자석을 이용한 자기이력곡선 연속 측정장치 |
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