KR102312749B1 - 초전도 선재 제조를 위한 플라즈마 보조 인라인 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 본명은 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템을 이용하여, 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 형성하기 위해 2축 정렬의 배향성을 갖는 적층구조의 버퍼층을 포함하는 템플레이트(LaMnO/호모 에피-MgO/MgO/Y2O3/Al2O3/금속 테이프 기판) 기판의 증착 영역에서, 금속 소오스 발생부에서 수~수십 kV의 고전압에 의한 전자 충돌에 의해서 증발된 고에너지를 갖는 금속 원자들과 산소 공급으로 기존의 강한 결합 에너지를 갖는 이원자 산소(O2) 대신에, 리모트 플라즈마 발생원에서 여기된 단원자 산소(O)를 주입하여 템플레이트 증착영역의 낮은 증착 온도에서도 금속 원자들과 결합 효율을 향상시켜 화학량론적 조성비 제어를 통한 고품질의 2축 정렬의 배향 결정성 및 자속 고정점을 갖는 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 제공하는 인라인 시스템이다.
Description
본 발명은 초전도 선재 제조를 위한 리모트 플라즈마 보조 인라인 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고품질의 금속 산화물 초전도 막 또는 선재를 제조하기 위해 단원자 산소를 공급하는 리모트 플라즈마 발생부를 포함하는 반응성 동시 증착 시스템을 포함한 인라인 시스템에 관한 것이다.
산화물 초전도체는 액체 질소 온도에서 초전도성을 나타낸다. 산화물 초전도체는 전류 손실이 낮아 이를 초전도 선재로 가공해서 전력 공급용의 초전도 도체 혹은 초전도 코일로 사용할 수 있다.
산화물 초전도체를 선제로 가공하는 방법은 금속 테이프 기판 위에 버퍼층을 증착하고 산화물 초전도층을 형성하며 이 산화물 초전도층 위에 보호층을 형성하는 방법이 있다.
도 1은 금속 테이프 기판상부에 적층 구조의 금속 산화물로 이루어진 초전도 선재의 단면도이다.
버퍼층은 다음과 같이 형성한다. 금속 산화물 초전도 선재는 하스텔로이(Ni-합급 테이프) 또는 50㎛~100㎛ 두께의 SUS 테이프 기판상에 전해연마(electropolishing) 공정을 이용하여 표면을 처리한 후, 금속 테이프 기판에서부터 표면으로 확산되는 불순물 등을 방지하기 위해서 스퍼터링 증착법(sputtering deposition method)을 이용하여 약 40㎚의 두께를 갖는 Al2O3 확산방지층을 증착하여 형성한다. 상기 Al2O3 확산방지층 상부 표면에 약 7~10㎚ 두께를 갖는 Y2O3 씨드층을 스퍼터링 증착법을 이용하여 증착한다. 상기 Y2O3 씨드층 상부에 전자빔 증착법으로 Mg 호스트 입자와 동시에 고에너지를 갖는 이온빔을 보조 증착하여 호스트 Mg 입자로 운동에너지를 전환시켜 2축 정렬로 배향성을 갖도록 표면에서의 표면속도를 제어된 IBAD-MgO층이 형성한다.
상기 2축 정렬의 배향성을 갖는 IBAD-MgO 상부에 동종의 결정성을 갖는 약 50㎚ 이하의 MgO 에피층을 성장시킨다. 결정성을 높이기 위해서 고온의 열처리 공정이 동시에 수행될 수 있다. 상기 2축 정렬의 배향성을 갖는 호모 에피 MgO(50) 상부에 향후 초전도 막과의 격자 불일치와 열팽창계수의 차이에 의해서 발생하는 스트레인 제어하기 위해서 약 30~50㎚의 두께를 갖는 LMO(LaMnO) 스트레인 정합층을 스퍼터링 증착법을 이용하여 형성한다.
상기 금속 테이프 선재 기판상부에 형성되고, 버퍼층으로 사용되는 확산방지층/씨드층/IBAD-MgO층/homo-epi MgO층/스트레인 정합층은 금속 산화물 초전도체 또는 금속 산화물 선재에 대한 제2의 기판으로 사용되는 템플레이트(template) 역할과 기능을 수행하므로, 상기 템플레이트 기판의 2축 정렬의 배향성과 균일성에 의해서 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재의 물리적, 화학적, 전기적 특성을 직접적으로 결정하는 핵심 구조이다.
상기 템플레이트 기판으로 사용하기 위해서는 우수한 2축 정렬의 배향성과 균일성이 필수적으로 확보되어야 하며, 이를 해결하기 위해서는 고진공의 연속 공정으로 일괄적으로 진행되는 인라인 시스템(in-line system)에 의해 생산 공정이 구축되어야만 한다. 따라서, 버퍼층 형성은 균일한 두께의 우수한 2축 정렬의 배향성을 갖는 템플레이트 기판에 의해서 금속 산화물 초전도체 또는 금속 산화물 선재의 성능과 생산 수율을 결정하는 가장 중요한 공정이다.
상기 템플레이트 기판상부에 1~2㎛의 두께를 갖는 희토류 물질을 포함하는 REBaCuO 초전도 금속 산화물을 반응성 동시 증발(RCE: reactive co-evorporation), 펄스 레이져 증착(PLD: pulse laser deposition), 유기화학기상증착(MOCVD: metal organic chemical vapor doposition) 및 유기금속증착(MOD; metal organic deposition) 등의 방법을 이용하여 형성한다.
상기 희토류계 물질을 포함하는 REBaCuO 초전도 금속 산화물을 보호하기 위해서 스퍼터링 증착법을 이용하여 템플레이트 기판의 상/하/좌/우 입체 면적에 약 2㎛ 두께를 갖는 Ag 보호층을 형성한다. 실제 사용되고 있는 초전도 선재는 길이 방향으로 장축이며 두께와 폭은 각각 55㎛, 4㎜이다.
이후 각각의 공정별 또는 층별 열처리가 수행되고 최종적으로 전해연마 또는 라미네이션 방식으로 이용하여 두꺼운 Cu를 형성한다.
도 2는 특허문헌 1 등에 사용된 2세대 고온 초전도 막 또는 선재를 형성하기 위한 반응성 동시 증발(reactive co-evaporation; RCE) 장비의 단면 개념도이다.
RCE는 진공 챔버 내에 템플레이트 기판을 일 방향으로 이송하는 릴투릴(reel-to-reel) 방식의 이송부와 릴 하부의 증착영역과 상기 하부의 증착영역과 평형하게 배치되며, 고에너지의 금속 증기를 발생시키는 복수의 도가니 갖는 전자빔 발생부로 구성된다. 전자빔 발생부에서 형성된 복수의 금속 원자들은 롤 하부의 증착 일부 또는 전 영역에 걸쳐서 형성된다. 초전도 선재의 금속 산화물을 형성시키기 위해서 사용되는 금속 소오스는 희토류계 물질(RE), Ba, Cu와 고순도(99.999%) 이원자 산소(O2)이며, 캐리어 가스로 비활성 Ar, N2 가스를 사용한다.
또한, 전자빔 발생부에서 고에너지를 갖는 복수의 금속 원자들을 발생시키기 위해서는 챔버의 공정압력은 약 5x10- 5torr 이하의 고진공을 유지해야만 발생된 금속 증기가 불순물에 의한 충돌없이 충분한 자유행정거리를 가지고 수직방향의 증착영역 표면에서 운동 에너지의 상호 반응이 진행된다.
종래의 반응성 동시 증착법에 의해서 형성된 초전도막 또는 초전도 선재는 금속 산화물로써, 수~수십 kV의 고전압에 의한 전자빔이 금속 타겟을 타격하여 그에 의해서 형성된 금속 원자와 호스트(host) 가스로 주입되는 이원자 산소(O2)가 가열된 금속 테이프 선재 기판의 증착영역에 초전도체 물질이 형성된다. 이때 금속테이프 선재 기판상에 형성된 버퍼층 상부에 형성되는 금속 산화물 초전도 선재는 산소보다 많은 금속 함류량을 포함하는 금속 과잉(metal-rich) 박막으로 형성된다.
따라서, 반응성 동시 증착법으로 형성된 금속 산화물은 화학량론적 조성비 제어를 통한 물리적, 화학적, 전기적 특성을 갖는 성능을 구현시키기 위해서 반드시 열처리 공정이 수반된다.
특허문헌 2에 플라즈마를 이용한 저온 박막 증착 방법이 개시되어 있다. 박막 증착 챔버 내부에 플라즈마를 생성시키고, 상기 금속 기판에 양(+)의 전압을 가하여 플라즈마 내의 전자가 금속기판을 향하도록 하여, 가속된 전자들이 금속 기판 표면에 충돌하면서, 상기 금속 기판의 온도를 가열시켜 증착시스템의 온도를 낮추는 방법을 기재하고 있다.
그러나 특허문헌 2는 증착 시스템 내에 직접적으로 플라즈마를 형성시키므로 금속 기판의 증착영역에 형성되는 호스트 금속 소오스에 직접적인 손상을 미치는 영향을 초래한다.
따라서, 반응성 동시 증착법에 의해서 고품질의 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재의 성능 및 생산성을 향상시키기 위해서는 금속 테이프 선재 기판의 증착 온도를 높이거나 금속 원자들과 반응하는 산소의 결합 효율을 증가시키는 것이 요구된다.
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 금속과 산소의 반응성을 향상시키고자 리모트 플라즈마 발생장치를 포함한 반응성 동시 증착 시스템을 제공하고자 한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템은, 템플레이트 기판 인출부(10); 상기 템플레이트 기판상에 형성된 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재 증착부(100); 상기 증착부에서 형성된 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재 회수부(20); 서로 다른 진공 분위기에서도 연속 공정이 가능하도록 상기 인출부, 증착부 및 회수부의 외부 연결 통로의 폭, 길이, 높이를 조절하는 복수의 슬릿(11, 101, 102, 21); 상기 증착부는 반응성 동시 증착 챔버(150)로 구성되고, 인출부에서 제공된 템플레이트 기판상에 금속 산화물 형성을 위한 장축의 긴 템플레이트 기판을 일 방향으로 이동시키도록 형성되되, 릴 각각의 중심을 기준으로 장축 방향의 이송부(105); 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 구성하는 금속 원자를 증착영역으로 증발시켜 공급하는 금속 소오스 공급부(151) 및 상기 반응성 동시 증착 챔버와 외부에서 연결되고, 상기 템플레이트 기판상의 증착 영역에 단원자 산소(O)를 제공하는 리모트 플라즈마 발생부(200)를 포함하고, 상기 리모트 플라즈마 발생부(200)는, RF 발생기(210)와 임피턴스 매칭 네트워크(220) 및 플라즈마 챔버(230)로 구성되며, 여기된 단원자 산소(O)(260) 균일하게 증착영역으로 주입시키기 위해서 노즐 분사의 제1 인젝션 장치(240)와 메시 판 상부에 콘씨드(corn seeds)로 구성된 제2 인젝션 장치(250)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 템플레이트 기판상의 증착 영역에 형성되는 금속 산화물 초전도 막 또는 초전도 선재의 결합에너지를 높이는 리모트 플라즈마 열처리로를 더 포함한다.
상기 템플레이트 기판은 금속 테이프 선재 기판상부에 확산층, 씨드층, 2축 정렬의 배향층 및 스트레인 제어층의 적층된 구조이며, 상기 템플레이트 기판상에 희토류 원소(RE), Ba, Cu 및 산소 복합체로 구성된 금속 산화물 초전도 막 또는 초전도 선재를 형성한다.
상기 템플레이트 기판 이송부를 포함하는 증착영역과 금속 소오스 공급부 영역은 서로 다른 분압에 의해서 공간적으로 이격 배치된 것을 특징으로 한다.
여기된 단원자 산소(O)를 제공하는 리모트 플라즈마 발생부는, 반응성 동시 증착 챔버내에서 직접적인 플라즈마를 발생시키지 않고 이격된 거리에 배치되고, 템플레이트 기판상의 증착 영역에 주입되어 금속 소오스 발생부에서 발생된 금속 원자들과 결합하여 금속 산화물 초전도 막 또는 초전도 선재를 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 리모트 플라즈마 발생부에 의해서 여기되는 단원자 산소(O)는 고순도 이원자 산소(O2) 또는 N2O 가스가 사용되며, 리모트 플라즈마 발생부에서 반응성 동시 증착 챔버로 주입되는 여기된 단원자 산소(O)는 아르곤(Ar), 질소(N2), 네온(Ne) 또는 Kr을 캐리어 가스로 사용하는 것을 특징으로 한다.
템플레이트 기판상의 증착영역내로 주입된 여기 단원자 산소(O)는 이원자 산소(O2)보다 큰 활성화에너지로 금속 원자와 결합하는 것을 특징으로 한다.
상기 리모트 플라즈마 발생부는 RF 발생 소오스와 임피턴스 정합 네트워크 장치로 구성되며, RF 발생 소오스의 주파수는 13.56MHz 내지 100MHz를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 금속 산화물 초전도 막 및 금속 산화물 초전도 선재를 형성하기 위한 연속 공정의 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템은, 템플레이트 기판 인출부(10); 상기 템플레이트 기판상에 형성된 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재 증착부(100); 상기 증착부에서 형성된 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재 회수부(20); 서로 다른 진공 분위기에서도 연속 공정이 가능하도록 상기 인출부, 증착부 및 회수부의 외부 연결 통로의 폭, 길이, 높이를 조절하는 복수의 슬릿; 상기 증착부는, 반응성 동시 증착 챔버(150)로 구성되고, 인출부에서 제공된 템플레이트 기판상에 금속 산화물 형성을 위한 장축의 긴 템플레이트 기판을 일 방향으로 이동시키도록 형성되되, 릴 각각의 중심을 기준으로 장축 방향의 이송부(105); 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 구성하는 금속 원자를 증착영역으로 증발시켜 공급하는 금속 소오스 공급부(151) 및 상기 반응성 동시 증착 챔버와 외부에서 연결되고, 상기 템플레이트 기판상의 증착 영역에 단원자 산소(O)를 제공하는 리모트 플라즈마 발생부(200)을 포함하고, 상기 템플레이트 기판 이송부와 증착영역을 포함하는 증착챔버는 서로 다른 분압에 의해서 공간적으로 이격 배치되며, 상기 리모트 플라즈마 발생부는 상기 템플레이트 기판상의 증착 영역에 일정한 간격으로 이격된 단원자 산소(O)를 공급하는 인젝션 노즐부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 템플레이트 기판상의 증착 영역에 형성되는 금속 산화물 초전도 막 또는 초전도 선재의 결합에너지를 높이기 위한 리모트 플라즈마 열처리로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 템플레이트 기판은 금속 테이프 선재 기판상부에 확산층, 씨드층, MgO, 호모 에피 MgO 및 스트레인 제어층의 적층된 구조이며, 상기 템플레이트 기판상에 희토류 원소(RE), Ba, Cu 및 산소 복합체로 구성된 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 형성한다.
상기 템플레이트 기판 이송부를 포함하는 증착영역과 금속 원자를 제공하는 금속 소오스 공급부 영역은 서로 다른 분압에 의해서 공간적으로 이격 배치된다.
여기된 단원자 산소(O)를 제공하는 리모트 플라즈마 발생부는 반응성 동시 증착 챔버내로 직접적인 플라즈마를 발생시키지 않고 이격된 거리에 배치되어 있으며, 템플레이트 기판상의 증착 영역에 주입되어 금속 소오스 공급부에 의해서 형성된 금속 원자와 결합하여 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 형성한다.
상기 플라즈마 발생부에 의해서 여기되는 단원자 산소(O)는 이원자 산소(O2) 또는 N2O 가스가 사용되며, 플라즈마 발생부에서 반응성 동시 증착 챔버로 주입되는 여기된 단원자 산소(O)는 아르곤(Ar), 질소(N2), 네온(Ne) 또는 Kr을 캐리어 가스로 사용하는 것을 특징으로 한다.
템플레이트 기판상의 증착영역내로 주입된 여기 단원자 산소(O)는 이원자 산소(O2) 보다 큰 활성화에너지로 금속 원자와 결합하는 것을 특징으로 한다.
상기 리모트 플라즈마 발생부는 RF 발생 소오스와 임피턴스 정합 네트워크 장치로 구성되며, RF 발생 소오스의 주파수는 13.56MHz 내지 100MHz를 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기된 단원자 산소(O) 노즐부는 증착영역 중심 또는 증착영역을 포함하는 이격된 거리로 배치되고, 샤워 헤드 형, 원형, 및 일정 각을 갖는 다각형 구조로 구성되며, 증착 영역과 평형, 수직, 일정 방향의 각으로 주입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 금속 산화물 초전도 막 및 금속 산화물 초전도 선재를 형성하기 위한 연속 공정의 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템은, 템플레이트 기판 인출부(10); 상기 템플레이트 기판상에 형성된 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재 증착부(100); 상기 증착부에서 형성된 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재 회수부(20); 서로 다른 진공 분위기에서도 연속 공정이 가능하도록 상기 인출부, 증착부 및 회수부의 외부 연결 통로의 폭, 길이, 높이를 조절하는 복수의 슬릿; 상기 증착부는, 반응성 동시 증착 챔버(150)로 구성되고, 인출부에서 제공된 템플레이트 기판상에 금속 산화물 형성을 위한 장축의 긴 템플레이트 기판을 일 방향으로 이동시키도록 형성되되, 릴 각각의 중심을 기준으로 장축 방향의 이송부(105); 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 구성하는 금속 원자를 증착영역으로 증발시켜 공급하는 금속 소오스 공급부(151) 및 상기 반응성 동시 증착 챔버와 외부에서 연결되고, 상기 템플레이트 기판상의 증착 영역에 단원자 산소(O)를 제공하는 리모트 플라즈마 발생부(200) 및 상기 금속 소오스 공급부와 수평 방향으로 일정한 이격 거리에 배치되어 있는 적어도 하나의 금속 증발원을 포함한다.
상기 금속 증발원은 유도가열, 저항가열 또는 레이저 조사 가열에 의하여 금속을 증발시키며, 상기 금속 소오스 공급부와 수평방향으로 일정한 이격 거리를 두고 배치되고, 증착영역과 40~60o 각으로 배치된 것을 특징으로 한다.
상기 증착부의 증착영역으로 주입된 여기 단원자 산소(O)는 이원자 산소(O2) 보다 활성화에너지가 크며 증착 표면에서 운동에너지에 의해서 자속 고정점을 형성하는 금속 및 상기 금속 산화물 또는 희토류 원소인 이트륨 및 란타늄족을 포함하는 금속 증기들과 동일한 동작 온도에서 상호 결합하는 것을 특징으로 한다.
상기 리모트 플라즈마 발생부에서 여기된 단원자 산소(O)는 균일한 궤적의 분포를 갖는 노즐부로 구성되며, 상기 노줄부는 증착 영역 중심 방향 또는 증착 영역을 포함하는 입체 궤적의 방향으로 이격된 거리에 배치되고, 샤워 헤드 형, 원형 및 일정 각을 갖는 다각형 구조로 구성되며, 증착 영역과 평형, 수직, 일정 방향의 각으로 주입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 금속 산화물 초전도 선재 형성을 위한 인라인 시스템은, 금속 테이프 선재 기판을 인출하는 인출부; 상기 인출부에서 인출된 금속 테이프 기판상부에 적층 구조의 금속 산화물 버퍼층을 포함하는 템플레이트 기판 형성하는 버퍼층 증착 시스템; 상기 템플레이트 기판상부에 복수의 금속 집합체를 포함하는 금속 산화물 초전도 선재를 형성하는 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템 및 형성된 초전도 선재를 회수하는 회수부를 포함하고, 상기 인출부, 상기 버퍼층 증착 시스템, 상기 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템 및 상기 회수부는, 연속적으로 외부와 연결된 통로의 슬릿의 폭, 길이, 또는 높이로 면적을 제어하여 서로 다른 진공 분위기에서도 연속적으로 고온 초전도 선재 형성 공정을 제공하고, 상기 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템에서 리모트 플라즈마 발생장치는 증착 챔버 밖에 배치되어 플라즈마를 발생하고 증착 챔버 내로 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 금속 산화물 초전도 선재 형성을 위한 인라인 시스템은, 금속 테이프 기판을 인출하는 인출부; 상기 인출부에서 인출된 금속 테이프 기판상부에 적층 구조의 금속 산화물 버퍼층을 포함하는 템플레이트 기판 형성을 위한 버퍼층 증착 시스템; 상기 템플레이트 기판상부에 복수의 금속 집합체를 포함하는 금속 산화물 초전도 선재를 형성하는 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템; 상기 금속 산화물 초전도 선재를 열처리하는 열처리로 및 열처리된 금속 산화물 초전도 선재를 회수하는 회수부를 포함하고, 상기 인출부, 상기 버퍼층 증착 시스템, 상기 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템, 열처리로 및 상기 회수부는, 연속적으로 외부와 연결된 통로의 슬릿의 폭, 길이, 또는 높이로 면적을 제어하여 서로 다른 진공 분압에서도 연속적으로 고온 초전도 선재 형성 공정을 제공하고, 상기 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템에서 리모트 플라즈마 발생부는 증착 챔버 밖에 배치되어 플라즈마를 발생하고 증착 챔버 내로 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 금속 산화물 초전도 막 또는 선재 형성을 위한 인라인 시스템은, 적층 구조의 금속 산화물을 구성되는 버퍼층을 포함하는 템플레이드 기판을 인출하는 인출 블록; 상기 템플레이트 기판상에 형성된 자속 고정점을 갖는 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 증착하는 증착 블록;상기 증착 블록에서 형성된 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 열처리하는 열처리 블록; 상기 열처리된 금속 산화물 초전도 막 또는 초전도 선재를 냉각시키는 냉각 블록 및 상기 냉각 블록에서 냉각된 금속 산화물 막 또는 금속 산화물 선재를 회수하는 회수 블록을 포함하되, 상기 증착 블록은 반응성 동시 증발부, 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증발부, 금속 증발원을 갖는 반응성 동시 증발부 또는 금속 증발원을 갖는 리모트 플라즈마 반응성 동시 증착 시스템으로 구성되며, 상기 열처리 블록은 금속 산화물 초전도 선재의 반대 방향 또는 20~80o의 범위의 각도 기울기로 배치되어 단원자 산소를 공정 가스로 주입되며, 상기 인출 블록, 증착 블록, 열처리 블록, 냉각블록 및 회수 블록은 외부 연결 통로의 슬릿를 조절하여 서로 다른 진공 분위기에서도 연속 공정이 가능하도록 구성되고, 상기 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템에서 리모트 플라즈마 발생부는 증착 챔버 밖에 배치되어 플라즈마를 발생하고 증착 챔버 내로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각블록은 수냉식인 것을 특징으로 한다.
상기 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템은, 외부적으로 이격되어 배치된 H2O 버블링 설비와 버블링 설비에서 기화된 H2O 증기 가스를 금속 원자와 결합하는 산소 공급원으로 사용하여 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 증착 블록은, 외부적으로 이격되어 배치된 H2O 버블링 설비와 버블링 설비에서 기화된 H2O 증기 가스를 금속 원자와 결합하는 산소 공급원으로 사용하여 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 형성하는 것을 특징으로 한다.
기화된 H2O 증기 가스와 유량 차이를 두고 병행 또는 동시 고순도 산소(O2) 또는 단원자 산소(O) 가스를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 금속 산화물 초전도 막 및 금속 산화물 초전도 선재를 형성하기 위한 연속 공정의 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템은, 플레이트 기판을 인출하는 인출부(10); 상기 템플레이트 기판상에 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 증착하는 증착부(100); 상기 증착부에서 형성된 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 회수하는 회수부(20) 및 서로 다른 진공 분위기에서도 연속 공정이 가능하도록 상기 인출부, 증착부 및 회수부의 외부 연결 통로의 폭, 길이, 높이를 조절하는 복수의 슬릿(11, 101, 102, 21)을 포함하되, 상기 증착부는, 반응성 동시 증착 챔버(150)로 구성되고, 상기 인출부에서 제공된 템플레이트 기판상에 금속 산화물 형성을 위한 장축의 긴 템플레이트 기판을 일 방향으로 이동시키도록 형성하되, 릴 각각의 중심을 기준으로 장축 방향으로 이동시키는 이송부(105); 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 구성하는 금속 원자를 증착영역으로 증발시켜 공급하는 금속 소오스 공급부(151) 및 상기 반응성 동시 증착 챔버 내에서 직접적으로 플라즈마를 발생시키지 않고 이격된 외부에 배치되며, 상기 템플레이트 기판상의 증착 영역에 단원자 산소(O)를 주입하여 금속 원자들과 결합하여 금속 산화물을 형성하는 리모트 플라즈마 발생부(200)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서,금속 산화물 초전도 막 및 금속 산화물 초전도 선재를 형성하기 위한 연속 공정의 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템은, 플레이트 기판을 인출하는 인출부(10);상기 템플레이트 기판상에 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 증착하는 증착부(100); 상기 템플레이트 기판상의 증착 영역에 형성되는 금속 산화물 초전도 막 또는 초전도 선재의 결합에너지를 높이기 위한 리모트 플라즈마 열처리로(400); 상기 증착부에서 형성된 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 회수하는 회수부(20) 및 서로 다른 진공 분위기에서도 연속 공정이 가능하도록 상기 인출부, 증착부 및 회수부의 외부 연결 통로의 폭, 길이, 높이를 조절하는 복수의 슬릿(11, 101, 102, 21)을 포함하되, 상기 증착부는, 반응성 동시 증착 챔버(150)로 구성되고, 상기 인출부에서 제공된 템플레이트 기판상에 금속 산화물 형성을 위한 장축의 긴 템플레이트 기판을 일 방향으로 이동시키도록 형성하되, 릴 각각의 중심을 기준으로 장축 방향으로 이동시키는 이송부(105); 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 구성하는 금속 원자를 증착영역으로 증발시켜 공급하는 금속 소오스 공급부(151) 및 상기 반응성 동시 증착 챔버 내에서 직접적으로 플라즈마를 발생시키지 않고 이격된 외부에 배치되며, 상기 템플레이트 기판상의 증착 영역에 단원자 산소(O)를 주입하여 금속 원자들과 결합하여 금속 산화물을 형성하고, 상기 반응성 동시 증착 챔버 내 또는 리모트 플라즈마 열처리로 챔버 내에서 직접적으로 플라즈마를 발생시키지 않고, 이격된 외부에 배치된 리모트 플라즈마 발생부(200)로부터 단원자 산소를 공급받는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템은 리모트 플라즈마 발생장치를 이용하여 반응성이 높은 단원자 산소를 생성하여 템플레이트 증착영역의 낮은 증착온도에서도 금속 원자와 결합 효율을 향상시켜 화학량론적 조성비 제어를 통한 2축 정렬의 배향 결정성을 갖는 금속 산화물 초전도 막 또는 초전도 선재를 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템은 초전도 막을 품질이 우수하고, 생산수율을 증대시킬 수 있고 생산비을 절감할 수 있는 현저한 효과가 있다.
도 1은 금속 테이프 선재 기판상부에 적층 구조의 금속 산화물로 이루어진 2세대 고온 초전도 선재의 단면 사시도이다.
도 2는 종래의 기술로서, 2세대 고온 초전도 막 또는 선재를 형성하기 위한 반응성 동시 증발(reactive co-evaporation: RCE) 장비의 단면 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실험예로서, 이원자 산소(O2)와 단원자 산소(O)를 이용하여, 실리콘 산화 공정의 시간과 온도 변화에 따른 형성된 실리콘 산화막(SiO2) 두께 비교의 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 금속 테이프 기판상부에 적층 구조의 템플레이트 기판을 형성시키기 위한 연속 공정의 버퍼층 증착 시스템의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 고온 금속 산화물 초전도 선재를 형성시키기 위한 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증발(remote plasma assisted reactive co-evaporation: RPA-RCE) 시스템의 개략 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 복수의 집합체 구조를 갖는 금속 산화물 고온 초전도 선재내의 자속 고정점(pinning center)를 형성시키기 위한 추가적인 증발원(evaporation source)을 갖는 RPA-RCE 시스템의 개략 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예로서, 버퍼층 증착 시스템과 RPA-RCE 시스템이 연속 공정으로 구성된 고온 금속 산화물 초전도 선재 형성을 위한 인라인 시스템(in-line system)의 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로서, 버퍼층 증착 시스템, RPA-RCE 시스템 및 열처리 공정을 위한 열처리로(furnace)가 연속 공정으로 구성되어 고온 금속 산화물 초전도 선재를 형성하는 인라인 시스템의 개략 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예로서, 연속 공정의 리모트 플라즈마 소오스를 이용한 고온 초전도 선재의 열처리 시스템의 개략 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예로서, 연속 공정의 열처리로의 상세 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예로서, 쿨링 드럼(cooling drum)을 갖는 고온 초전도 선재 생산을 위한 연속 공정의 인라인 시스템의 개략 단면도이다.
도 2는 종래의 기술로서, 2세대 고온 초전도 막 또는 선재를 형성하기 위한 반응성 동시 증발(reactive co-evaporation: RCE) 장비의 단면 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실험예로서, 이원자 산소(O2)와 단원자 산소(O)를 이용하여, 실리콘 산화 공정의 시간과 온도 변화에 따른 형성된 실리콘 산화막(SiO2) 두께 비교의 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 금속 테이프 기판상부에 적층 구조의 템플레이트 기판을 형성시키기 위한 연속 공정의 버퍼층 증착 시스템의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 고온 금속 산화물 초전도 선재를 형성시키기 위한 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증발(remote plasma assisted reactive co-evaporation: RPA-RCE) 시스템의 개략 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 복수의 집합체 구조를 갖는 금속 산화물 고온 초전도 선재내의 자속 고정점(pinning center)를 형성시키기 위한 추가적인 증발원(evaporation source)을 갖는 RPA-RCE 시스템의 개략 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예로서, 버퍼층 증착 시스템과 RPA-RCE 시스템이 연속 공정으로 구성된 고온 금속 산화물 초전도 선재 형성을 위한 인라인 시스템(in-line system)의 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로서, 버퍼층 증착 시스템, RPA-RCE 시스템 및 열처리 공정을 위한 열처리로(furnace)가 연속 공정으로 구성되어 고온 금속 산화물 초전도 선재를 형성하는 인라인 시스템의 개략 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예로서, 연속 공정의 리모트 플라즈마 소오스를 이용한 고온 초전도 선재의 열처리 시스템의 개략 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예로서, 연속 공정의 열처리로의 상세 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예로서, 쿨링 드럼(cooling drum)을 갖는 고온 초전도 선재 생산을 위한 연속 공정의 인라인 시스템의 개략 단면도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예를 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외한 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 '~부', '~모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어이 결합으로 구현될 수 있다.
종래의 기술인 반응성 동시증발법에 의해서 형성된 복수의 복합체로 구성된 초전도 선재는 금속 과잉(metal-rich)이며, 상대적으로 다량의 산소가 결핍된 산소 공공(vacancy) 포함하는 화학량론적 조성비의 제어가 어려운 금속 산화물 복합체이다. 이러한 산소 결핍으로 인해서 전기의 통전을 담당하는 Cu-O 결합의 부족과 비전도성 물질인 희토류계 물질(RE)-O 결합 클러스터가 ~100㎚ 이상으로 형성되어 자속 고정점인 피닝 센터(pinning center)로 기능을 할 수 없다.
이러한 다량의 산소 결핍에 의한 산소 공공을 갖는 금속 과잉의 산화물 초전도 선재는 다량의 결정 결함(defect)이 발생한다. 복수의 금속 복합체 형성과정에서 각각의 금속(RE/Ba/Cu)-O결합 및 금속(Re/Ba/Cu)-금속(Re/Ba/Cu) 간의 격자상수와 열팽창계수의 차이에 의해서 형성과정 중에 전위(dislocation) 등과 같은 다량의 결정 결합을 포함한다.
따라서, 반응성 동시 증발법에 의해서 형성된 금속 과잉의 복수의 복합체로 구성된 초전도 선재의 성능을 확보하기 위해서 열처리로(furnace) 장비를 이용하여 750~880℃ 범위 내에서 열처리 온도와 이원자 산소(O2) 압력을 변화시켜서 수행해야만 다량의 산소 결핍에 의한 산소 공공을 일부 보상시킬 수 있다. 그러나 추가적인 열처리 공정은 1~2㎛ 두께 범위를 갖는 복수의 복합체로 구성되는 초전도 선재의 표면에서 열에너지에 의한 공급되는 이원자 산소(O2)와 운동에너지 상호 작용이 일어나지만 열에너지가 약하기 때문에 두께에 대해 수직인 깊이 방향으로 충분히 이원자 산소가 침투하지 못한다. 왜냐하면, 이원자 산소는 매우 상호 결합에너지가 매우 강하여 안정한 에너지 상태를 유지하며, 750~880℃ 온도 범위 내에서 열처리 공정이 진행하여도, 결합에너지가 매우 강하여 전반적인 해리 작용이 일어나지 않아서 반응성 동시 증발 공정 초기부터 강한 열과 운동에너지를 갖는 복수의 금속 원자들과 결합할 수 있는 단원자 산소(O)가 충분히 공급되지 못하기 때문이다.
통상적으로, 비활성 가스인 이원자 수소(H2) 및 질소(N2) 가스는 1400℃의 고온에서 10시간 이상 장시간의 열처리 공정에서 해리되지 않은 강한 결합에너지를 가지고 있어 1200℃ 이상의 고온 MOCVD 장비를 이용한 280㎚ 이하의 AlGaN-계 UVC-LED 에피택셜 성장에서 캐리어 가스로 사용된다. 단원자 질소(N) 소오스는 고순도(6N) NH3 가스가 사용되며, 400℃부터 해리가 되어 1000℃에서 충분하게 해리가 된다.
이러한 문제를 다소 해결하기 위해서, 이원자 산소(O2)를 높은 압력 분위기에서 장시간의 열처리 공정을 해야 하므로 수율 저하 및 생산성 저하의 문제를 초래한다.
도 3은 단원자 산소를 사용한 본 발명의 실험예로서, 이원자 산소(O2)와 단원자 산소(O)를 이용하여, 실리콘 산화 공정의 시간과 온도 변화에 따른 형성된 실리콘 산화막(SiO2) 두께 비교의 그래프를 도시한다. 도 3(a)를 참조하면, 760torr 분위기에서 실리콘 웨이퍼를 건식 산화(dry oxidation) 공정의 산화시간에 따른 SiO2 산화막의 두께 변화를 보여주는 것으로서, 800℃ 산화 온도에서 8시간이 진행될 때, 약 300Å 두께가 형성된다. 이러한 결과는 이원자 산소는 강한 결합에너지를 가지고 있기 때문에 상기 산화 온도에서는 해리가 거의 일어나지 않기 때문이다.
산화 온도가 900℃에서 4시간이 산화 시간일 때, SiO2 산화막의 두께는 약 900Å으로 산화 온도의 증가에 따른 상대적으로 높은 열에너지가 실리콘 표면에 전달되어 산소 해리가 많이 일어난다.
도 3(b)를 참조하면, 단원자 산소(O) 결합을 하고 있는 H2O를 이용한 실리콘 웨이퍼의 습식 산화(wet oxidation) 공정의 산화 시간 및 온도에 따른 SiO2 산화막의 두께 변화를 보여준다. 920℃ 산화 온도에서, 30분의 산화시간 동안 약 1000Å의 두께를 갖는 SiO2 산화막이 형성된다. 이는 H2O 결합에너지가 약하기 때문에 동일한 산화 온도에서도 실리콘 표면에서 해리된 단원자 산소(O)가 충분히 제공되기 때문이다.
결합에너지 또는 결합엔탈피는 화학 결합의 세기를 측정하는 방식으로, 결합에너지는 기체 상태의 해리 에너지, 즉 기체 상태의 원자 1몰의 공유 결합을 끊어서 구성입자(원자 또는 이온)로 만드는데 필요한 에너지이다. 같은 종류의 분자에서 같은 종류의 결합을 끊는데 필요한 에너지는 항상 동일하고, 결합에너지가 클수록 분자의 에너지 준위가 더 낮아지고, 따라서 더 안정하다. 또한 상기 결합에너지는 결합의 세기를 나타내는 척도이며, 결합이 강할수록 결합을 끊는데 에너지가 많이 들기 때문이고 결합에너지는 결합이 강할수록, 극성이 클수록, 단일결합보다는 다중 결합일수록 증가한다.
따라서, 본 발명에서 종래의 이원자 산소(O2)의 사용에 따른 금속 과잉(metal-rich) 및 산소 결핍에 의한 다량의 산소 공공을 포함하는 복수의 복합체로 구성된 금속 산화물 초전도 선재의 성능 향상과 생산성 향상을 위해서 리모트 플라즈마를 이용하여 여기된 단원자 산소(O)를 공급하는 리모트 플라즈마 발생장치를 포함하는 반응성 동시 증착 시스템을 제공한다.
도 4는 본 발명의 실시예로서, 금속 테이프 선재 기판상부에 적층 구조의 버퍼층을 갖는 템플레이트 기판을 형성하기 위한 버퍼층 증착 시스템(300)을 도시한다.
본 발명은 금속 테이프 선재 기판에서부터 적층 구조의 버퍼층을 갖는 템플레이트 기판 형성까지의 모든 공정이 진공 상태에서 장비 간 연결되는 슬릿의 간격을 제어하여 서로 다른 분압을 제어하면서 연속으로 진행되는 장 선재의 성능 향상시키고 효과적인 생산성 제어를 통한 수율 향상을 제공한다.
상기 버퍼층 증착 시스템(300)은 금속 테이프 선재 기판을 인출하는 인출부(310), 적층 구조의 버퍼층을 포함하는 템플레이트 기판을 회수하는 회수부(380), 상기 인출부에서 인출된 금속 테이프 선재 기판에 확산 방지층(Al2O3)을 형성하는 스퍼터(320, 330), 상기 확산 방지층 상부에 씨드막(Y2O3)을 형성하는 스퍼터(340), 상기 씨드층 상부에 얇은 MgO층을 형성하는 이온빔보조증착기(IBAD, 350), 상기 IBAD-MgO 상부에 호모 에피(homo-epi) MgO층을 형성하는 전자빔 증착기(360) 및 상기 호모 에피 MgO 상부에 LMO(LaMnO) 스트레인 정합층을 형성하는 스퍼터(360)를 포함한다.
상기 적층 구조의 산화물로 구성된 버퍼층(이하 '템플레이트 기판'이라 함)은, 반응성 동시 증발(RCE: Reactive Co-Evaporation), PLD(Pulse Laser Deposition), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapour Deposition) 또는 MOD(Metal Organic Deposition) 장비를 이용할 수 있다. 금속 산화물 초전도 선재의 구조적, 물리적, 화학적, 전기적 특성은 제2의 기판으로 사용되는 템플레이드 기판의 물성 및 표면 상태에 의존하여 결정된다. 따라서, 특히 상기 적층 구조의 버퍼층을 갖는 템플레이트 기판에서, IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)-MgO층의 2축 정렬의 배향성에 의해서 호모 에피 MgO층의 배향성이 결정되며, 이러한 2축 정렬의 배향성은 LMO(LaMnO, CeO2, LaSiO3) 스트레인 정합층까지 전파된다.
상기 2축 정렬의 배향성을 갖는 템플레이트 기판은 금속 산화물 초전도 선재의 초기 2축 정렬의 배향성에 막대한 영향을 주기 때문에, RPA-RCE 시스템을 이용하여 복수의 금속 산화물 복합체 구조의 초전도 선재를 형성하기 이전에, 상기 템플레이트 상부에 형성된 LMO(LaMnO)층 표면에 리모트 플라즈마 발생부에서 여기된 단원자 산소(O)를 비활성 캐리어 가스와 함께 공급하여 산소 과잉(oxygen-rich)을 형성한 후, 600~900℃ 범위 내에서 열처리 공정을 수행하면 2축 정렬의 배향 결정성을 회복된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 산화물 초전도 선재의 성능 및 수율, 생산속도 등의 생산성 향상을 갖는 금속 산화물 초전도을 형성시키기 위한 RPA-RCE 장비의 개략 단면도이다.
본 발명에 따른 RPA-RCE 시스템은, 적층 구조의 버퍼층을 포함하는 템플레이트 기판 인출부(10), 상기 템플레이트 기판상에 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재 형성을 위한 증착부(100) 및 상기 증착부에서 형성된 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재 회수부(20)로 구성되며, 상기 템플레이트 기판의 인출부(10) 및 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재 회수부(20)는 일 방향으로 외부와 연결된 통로의 슬릿(11, 101, 102, 21)의 폭, 길이, 높이 등으로 면적을 조절하여 서로 다른 진공(압력) 분위기에서도 연속 공정이 가능하도록 구성되고, 상기 템플레이트 기판(1) 상에 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재(2)를 형성하는 증착영역(121)은 반응성 동시 증발 챔버(150)로 구성되며, 상기 증착 챔버 구성(100)에서 상기 인출부(10)에서 제공된 템플레이트 기판상에 금속 산화물 초전도 선재 형성을 위한 장축의 긴 템플레이트 기판의 일 방향으로 이동시키도록 형성되되, 릴(105a, 105b) 각각의 중심을 기준으로 장축 방향의 이송부(105); 상기 템플레이트 기판(1) 상의 증착영역(121); 상기 증착영역(121)에 대향하여 평행하게 배치되고, 상기 증착영역(121)에 상기 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재(2)를 형성시키는 금속 증기를 증착영역에 수직 방향으로 증발시키는 복수의 금속 도가니(151(a), 151(b), 151(c))를 포함하는 전자빔 공급부 및 금속 증기의 균일한 두께 형성을 제어하기 위한 수정진동자(103)가 배치되며, 상기 반응성 동시 증착 챔버(150)와 외부에서 연결되고, 상기 템플레이트 기판상의 증착영역에 여기된 단원자 산소(O, 260)를 제공하는 플라즈마 발생부(200)를 포함한다.
전자빔 발생부의 전압은 10kV에서 100kV 범위 내이며, 더욱 상세하게는 10~50kV 범위이고, 초전도 막 또는 초전도 선재를 구성하는 금속 소오스에 비례하여 복수의 도가니를 포함한다.
도 5를 참조하면. 템플레이트 기판(1) 이송부(105)를 포함하는 증착영역(121)의 압력이 전자빔 발생부보다 높은 공간적으로 이격된 배치 구조를 형성한다.
여기된 단원자 산소(260)를 제공하는 리모트 플라즈마 발생부(200)는 반응성 동시 증발 챔버 내에서 직접적으로 플라즈마를 발생시키지 않고, 이격된 거리에 배치되어 있으며, 템플레이트 기판상의 증착영역(121)에 주입되어 전자빔 발생부에 의해 형성되어 증착영역(121) 표면상에 원형 또는 타원형의 입체 궤적(153)를 갖는 금속 증기(152)와 결합하여 금속 산화물 초전도 막 또는 초전도 선재(2)를 형성한다.
상기 리모트 플라즈마 발생부(200)는 RF 발생기(210)와 임피턴스 매칭 네트워크(220) 및 플라즈마 챔버(230)로 구성되며, 여기된 단원자 산소(O)(260) 균일하게 증착영역으로 주입시키기 위해서 메시 판 상부에 콘씨드(corn seeds)로 구성된 제1 인젝션 장치(240)와 노즐 분사의 제2 인젝션 장치(250) 구성된다. 상기 제1 또는 제2 인젝션 장치는 동시 또는 별도로 구성된다. 상기 RF 발생기의 주파수는 13.56MHz에서 100MHz 범위이며, 더욱 상세하게는 13.56HMz에서 60MHz 범위이다.
여기된 단원자 산소(O) 인젝션 장치는 증착영역 중심 또는 증착영역을 포함하는 이격된 거리에 배치되고, 샤워 헤드 형, 원형, 및 일정 각을 갖는 다각형 구조로 구성되며, 증착영역과 평형, 수직, 일정 방향의 각으로 주입 또는 분사되는 것을 특징으로 한다.
상기 증착영역에서 금속 소오스에서 형성된 고에너지를 갖는 금속 원자와 결합하는 산소 공급원으로, 반응성 보조 동시 증착시스템과 일정하게 이격되어 배치된 H2O 버블링 장치에 의해서 약 95℃ 가열온도에서 기화된 H2O 증기 가스를 산소 공급원으로 하여 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 선재를 형성하는 것을 제공하며, 성능과 생산성 및 신뢰성에 확보를 위해서 고순도 이원자 산소 및 단원자 산소 가스를 일정한 유량차이를 두고 동시 또는 병행하여 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예로서, 임계전류(critical current)의 성능 향상을 위한 자속 고정점(pinning center)을 갖는 금속 산화물 초전도 선재를 형성시키기 위한 금속 증발원으로 오믹 히팅원(ohmic heating source)을 갖는 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템이다.
상기 오믹 히팅원 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템은, 도 5의 RPA-RCE 시스템에 오믹 히팅원(ohmic heating source)이 더 포함된다.
상기 오믹 히팅원(170, 172)은 전자빔 공급부와 수평방향으로 소정의 이격 거리와 수직 방향으로 놓여져 있는 증착영역(121)과 소정의 각도로 배치되며 오믹 히팅원의 인출부 부근에 셔터(171)를 포함한다.
상기 오믹 히팅원은 증착영역에서 자속 고정점을 갖는 형성되는 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재의 물리적, 화학적, 전기적 성능 및 두께 균일도에 의한 생산성을 향상시키기 위하여 단일 또는 복수 개가 배치된다.
상기 자속 고정점을 형성하기 위한 금속 증발원은 오믹히팅원으로 한정되지 않으며 유도가열, 저항가열 및 레이저 증착방식이 사용될 수 있는데, 상기 자속고정점을 형성하기 위해서 상대적으로 낮은 증착률을 갖는 방식이 효과적이며, 상기 증발원 앞에 초파(chopper)를 설치하여 정밀한 증착률 제어가 가능하다.
이퓨젼 셀(effusion cell)과 같은 오믹 히팅원은 균일한 두께 균일도의 자속 고정점(pinning center)을 형성하는 금속 및 금속 산화물을 ReBaCuO, YBaCuO의 금속 산화물 복합체로 구성된 초전도 막 또는 초전도 선재의 형성 초기부터 균일한 형상, 크기, 밀도 및 방향을 제어하여 높은 임계전류밀도의 성능을 구현할 수 있다.
오믹 히팅원은 이퓨젼 셀에 의해서 발생한 금속 원자를 공급하여 REBaCuO 또는 YBaCuO 금속 산화물으로 구성된 초전도 선재의 형성 초기부터 형상, 크기, 밀도, 방향을 균일하게 제어하여, 희토류 원소 또는 바륨과 결합한 수 ㎚에서 수십 ㎚ 크기를 갖는 자속 고정점을 제공한다.
또한, 상기 초전도 선재내에 균일한 형상, 크기, 밀도 및 크기를 갖는 자속 고정점을 제어 및 형성시키기 위해서 리모트 플라즈마 소오스에서 공급되는 운동 에너지가 활발한 단원자 산소를 충분하게 공급하여 산소 결핍에 의한 산소 공공을 효과적으로 제어하여 양질의 자속 고정점을 갖는 초전도 막 또는 초전도 선재를 제공한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예로서, 버퍼층 증착 시스템과 RPA-RCE 시스템이 연속 공정으로 구성된 금속 산화물 초전도 선재 형성을 위한 인라인 시스템(in-line system) 개념도이다.
본 발명의 인라인 시스템은, 금속 테이프 선재 기판(1)의 인출부(10), 상기 인출부(10)에서 인출된 금속 테이프 기판(1) 상부에 적층 구조의 버퍼층을 포함하는 템플레이트 기판 형성을 위한 버퍼층 증착 시스템(300)과 상기 템플레이트 기판상부에 복수의 금속 집합체를 포함하는 금속 산화물 초전도 선재(2)를 형성하는 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템(100) 및 형성된 초전도 선재(2)를 회수하는 회수부(20)로 구성된다.
상기 인출부(10), 상기 버퍼층 증착 시스템(300), 상기 RPA-RCE 시스템(100) 및 상기 회수부(20)는 연속적으로 외부와 연결된 슬릿(11, 301, 302, 101, 102, 21)의 폭, 길이, 높이 등으로 면적을 조절하여 서로 다른 진공 분위기에서도 연속 공정이 가능하도록 구성된다.
상기 인라인 시스템(500)은 적층 구조의 버퍼층을 갖는 템플레이트 기판(303) 형성시키기 위한 버퍼층 증착 시스템(300)이 연속으로 연결되어, 2축 정렬의 배향 결정성을 유지하며, 상기 RPA-RCE 시스템에 직접 공급됨으로써, 외부 노출에 대한 템플레이트 기판(303)의 손상을 최소화시켜 진공 분위기에서 초전도 선재(2)를 형성할 수 있어서, 성능 개선 및 생산 속도를 향상시켜 생산수율 및 제조 비용 절감을 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예로서, 버퍼층 증착 시스템(300)과 RPA-RCE 시스템(100) 및 열처리로(400)가 연속 공정으로 구성된 금속 산화물 초전도 선재 형성을 위한 인라인 시스템이다.
도 8을 참조하면, 금속 테이프 선재 기판(1)의 인출부(10), 상기 인출부(10)에서 인출된 금속 테이프 선재 기판(1) 상부에 적층 구조의 버퍼층을 포함하는 템플레이트 기판 형성을 위한 버퍼층 증착 시스템(300)과 상기 템플레이트 기판(303) 상부에 복수의 금속 집합체를 포함하는 금속 산화물 초전도 선재(2)를 형성하는 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템(100) 및 형성된 초전도 선재(2)를 회수하는 회수부(20)로 구성되며, 상기 인출부(10), 상기 버퍼층 증착 시스템(300), 상기 RPA-RCE 시스템(100)과 상기 열처리로(400) 및 상기 회수부(20)는 연속적으로 외부와 연결된 슬릿[(11, 301, 302, 101, 102, 401, 402, 21)의 폭, 길이, 높이 등으로 면적을 조절하여 서로 다른 진공 분위기에서도 연속 공정이 가능하도록 구성된다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예로서, 연속 공정의 리모트 플라즈마 소오스를 이용한 고온 금속 산화물 초전도 선재의 열처리 시스템의 구성 개념도이다.
도 9를 참조하면, 금속 테이프 선재 기판을 인출하는 인출부(10), 고온 초전도 선재에 대한 회수부(20), 금속 테이프 선재 기판상에 적층 구조의 버퍼층인 2축 정렬의 배향성을 갖는 템플레이트 기판을 형성하는 버퍼층 증착 시스템(미도시)과 상기 템플레이트 기판상에 자속 고정점을 포함하는 금속 산화물 초전도 선재를 형성하는 반응성 동시 증발 또는 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템(100), 및 리모트 플라즈마 소오스를 이용한 금속 산화물 고온 초전도 선재의 열처리로(400)로 구성된다.
연속 공정을 위한 프로세스1 모듈(PM1), 프로세스2 모듈(PM2) 및 프로세스3 모듈(PM3)로 구성되며, 일련의 서로 다른 금속 산화물로 진공 상태에서 형성 공정이 진행되어야 하므로 각각의 블록을 제작하여 슬릿의 폭, 길이, 높이 등으로 면적을 조절하여 서로 다른 진공 분위기에서도 연속 공정이 가능하도록 구성하여 효과적인 생산라인을 제공한다.
상기 열처리로(400)에서 금속 산화물 초전도 선재의 효과적인 열처리 공정을 위한 여기된 단원자 산소를 제공하는 리모트 플라즈마 소오스를 포함되며, 고순도(99.9999%) 이원자 산소(O2)를 단원자 산소(O)의 여기원으로 사용된다.
도 10은 연속 공정의 리모트 플라즈마 소오스를 이용한 고온 초전도 선재의 열처리 시스템에 대한 상세 구성도이다.
도 10을 참조하면, 프로세스 모듈이 PM2와 PM3 사이에 연속 공정이 가능하도록 열처리로-1과 열처리로-2로 배치되며 각각 드라이 펌프(P-1, P-2)로 연결되어 공정 압력을 독립적으로 제어한다. 상기 열처리로-1은 열처리로-2의 온도 변화를 최소화시키기 위해서 질량유량계(MFC)가 연결된 이원자 질소(N2)와 산소(O2) 및 아르곤(Ar) 가스를 공급하여 주변 온도 분위기를 최대한 유지한다.
또한, 상기 열처리로-2는 초전도 선재의 일 방향의 수직 방향으로 이격된 거리에 10~80o 범위의 기울기를 가지고 배치되고, 초전도 선재의 일 방향과 수평으로 배치되는 리모트 플라즈마 소오스에서 여기된 단원자 산소를 공급하고 고순도 이원자 산소 및 질소 가스를 캐리어 가스로 사용한다.
상기 도시된 리모트 플라즈마 소오스와 캐리어 가스로 사용되는 고순도 이원자 산소와 질소의 위치는 금속 산화물 초전도 일 방향에 따라서 상(上)/하(下)의 배치가 바뀔 수가 있으며, 배치 자체가 고정되어 있는 것은 아니다.
상기 열처리 시스템은 3가지 영역으로 공정 온도와 각각의 공정영역에서 온도계(TC1, TC2, TC3)가 배치되어 온도 제어기를 통하여 각각의 영역을 독립적으로 제어하며, 더욱 상세한 온도 제어를 위해서 공정영역을 3개 이상으로 확장 가능하며, 금속 산화물 초전도 선재의 성능이 확보되는 범위의 길이 내에서 제한되고 그에 따른 열처리로(furnace-1 & 2)의 길이와 폭이 결정된다.
상기 리모트 플라즈마 소오스는 RF 발생기(210), 임피던스 매칭네트워크(220) 및 플라즈마 챔버(230)로 구성되며 상기 여기된 단원자 산소를 공정 열처리로-2에 주입할 수 있는 분사방식의 노즐로 구성된다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예로서, 쿨링 드럼(cooling drum)을 갖는 금속 산화물 초전도 선재의 연속 생산 공정의 인라인 시스템의 개념도이다.
도 11를 참조하면, 금속 테이프 선재 기판을 인출하는 인출부(10), 고온 초전도 선재에 대한 회수부(20)로 구성되며, 금속 기판상에 적층 구조의 버퍼층인 2축 정렬의 배향성을 갖는 템플레이트 기판을 형성하는 버퍼층 증착 시스템(미도시)과 상기 템플레이트 기판상에 금속 증발원에 의해 형성된 자속 고정점을 포함하는 금속 산화물의 고온 초전도 선재를 형성하는 반응성 동시 증발 또는 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템(100) 및 리모트 플라즈마 소오스를 이용한 금속 산화물 초전도 선재의 열처리 시스템(400)과 상기 금속 산화물 초전도 선재를 효과적으로 냉각시키기 위한 쿨링 드럼을 포함한다.
연속 공정을 위한 프로세스1 모듈(PM1), 프로세스2 모듈(PM2) 및 프로세스3 모듈(PM3) 및 상기 PM3와 연결된 쿨링 드럼 시스템으로 구성되며, 일련의 서로 다른 금속 산화물로 진공 상태에서 형성 공정이 진행되어야 하므로 각각의 블록을 제작하여 슬릿의 폭, 길이, 높이 등으로 면적을 조절하여 서로 다른 진공 분위기에서도 연속 공정이 가능하도록 구성하여 효과적인 생산라인을 제공한다.
상기 쿨링 드럼 시스템(900)은 쿨링 드럼(910)과 쿨림 드럼 내부의 순환되는 냉각수 라인(920)으로 열처리된 금속 산화물 초전도 선재를 효과적으로 냉각시킨다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예의 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예이 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 인출부 20: 회수부
11, 101, 102, 21: 슬릿 100: 증착부
150: 증착 챔버 151: 금속 소오스 공급부
200: 리모트 플라즈마 발생부 210: RF 발생기
220: 임피턴스 매칭 네트워크 230: 플라즈마 챔버
240: 제1 인젝션 장치 250: 제2 인젝션 장치
260: 단원자 산소
11, 101, 102, 21: 슬릿 100: 증착부
150: 증착 챔버 151: 금속 소오스 공급부
200: 리모트 플라즈마 발생부 210: RF 발생기
220: 임피턴스 매칭 네트워크 230: 플라즈마 챔버
240: 제1 인젝션 장치 250: 제2 인젝션 장치
260: 단원자 산소
Claims (10)
- 금속 산화물 초전도 선재 형성을 위한 인라인 시스템에 있어서,
금속 테이프 선재 기판을 인출하는 인출부;
상기 인출부에서 인출된 금속 테이프 기판상부에 적층 구조의 금속 산화물 버퍼층을 포함하는 템플레이트 기판 형성하는 버퍼층 증착 시스템;
상기 템플레이트 기판상부에 복수의 금속 집합체를 포함하는 금속 산화물 초전도 선재를 형성하는 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템 및
형성된 초전도 선재를 회수하는 회수부를 포함하고,
상기 인출부, 상기 버퍼층 증착 시스템, 상기 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템 및 상기 회수부는, 연속적으로 외부와 연결된 통로의 슬릿의 폭, 길이, 또는 높이로 면적을 제어하여 서로 다른 진공 분위기에서도 연속적으로 고온 초전도 선재 형성 공정을 제공하고,
상기 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템에서 리모트 플라즈마 발생장치는 증착 챔버 밖에 배치되어 플라즈마를 발생하고 증착 챔버 내로 공급하는 것을 특징으로 하는 인라인 시스템. - 금속 산화물 초전도 선재 형성을 위한 인라인 시스템에 있어서,
금속 테이프 기판을 인출하는 인출부;
상기 인출부에서 인출된 금속 테이프 기판상부에 적층 구조의 금속 산화물 버퍼층을 포함하는 템플레이트 기판 형성을 위한 버퍼층 증착 시스템;
상기 템플레이트 기판상부에 복수의 금속 집합체를 포함하는 금속 산화물 초전도 선재를 형성하는 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템;
상기 금속 산화물 초전도 선재를 열처리하는 열처리로 및
열처리된 금속 산화물 초전도 선재를 회수하는 회수부를 포함하고,
상기 인출부, 상기 버퍼층 증착 시스템, 상기 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템, 열처리로 및 상기 회수부는, 연속적으로 외부와 연결된 통로의 슬릿의 폭, 길이, 또는 높이로 면적을 제어하여 서로 다른 진공 분압에서도 연속적으로 고온 초전도 선재 형성 공정을 제공하고,
상기 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템에서 리모트 플라즈마 발생부는 증착 챔버 밖에 배치되어 플라즈마를 발생하고 증착 챔버 내로 공급하는 것을 특징으로 하는 인라인 시스템. - 금속 산화물 초전도 막 또는 선재 형성을 위한 인라인 시스템에 있어서,
적층 구조의 금속 산화물을 구성되는 버퍼층을 포함하는 템플레이드 기판을 인출하는 인출 블록;
상기 템플레이트 기판상에 형성된 자속 고정점을 갖는 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 증착하는 증착 블록;
상기 증착 블록에서 형성된 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 열처리하는 열처리 블록;
상기 열처리된 금속 산화물 초전도 막 또는 초전도 선재를 냉각시키는 냉각 블록 및
상기 냉각 블록에서 냉각된 금속 산화물 막 또는 금속 산화물 선재를 회수하는 회수 블록을 포함하되,
상기 증착 블록은 반응성 동시 증발부, 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증발부, 금속 증발원을 갖는 반응성 동시 증발부 또는 금속 증발원을 갖는 리모트 플라즈마 반응성 동시 증착 시스템으로 구성되며,
상기 열처리 블록은 금속 산화물 초전도 선재의 반대 방향 또는 20~80o의 범위의 각도 기울기로 배치되어 단원자 산소를 공정 가스로 주입되며,
상기 인출 블록, 증착 블록, 열처리 블록, 냉각블록 및 회수 블록은 외부 연결 통로의 슬릿를 조절하여 서로 다른 진공 분위기에서도 연속 공정이 가능하도록 구성되고,
상기 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템에서 리모트 플라즈마 발생부는 증착 챔버 밖에 배치되어 플라즈마를 발생하고 증착 챔버 내로 공급하는 것을 특징으로 하는 인라인 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 냉각블록은 수냉식인 것을 특징으로 하는 인라인 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템은, 외부적으로 이격되어 배치된 H2O 버블링 설비와 버블링 설비에서 기화된 H2O 증기 가스를 금속 원자와 결합하는 산소 공급원으로 사용하여 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 형성하는 것을 특징으로 하는 인라인 시스템. - 제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 증착 블록은, 외부적으로 이격되어 배치된 H2O 버블링 설비와 버블링 설비에서 기화된 H2O 증기 가스를 금속 원자와 결합하는 산소 공급원으로 사용하여 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 형성하는 것을 특징으로 하는 인라인 시스템. - 제5항에서,
기화된 H2O 증기 가스와 유량 차이를 두고 병행 또는 동시 고순도 산소(O2) 또는 단원자 산소(O) 가스를 제공하는 것을 특징으로 하는 인라인 시스템. - 제6항에서,
기화된 H2O 증기 가스와 유량 차이를 두고 병행 또는 동시 고순도 산소(O2) 또는 단원자 산소(O) 가스를 제공하는 것을 특징으로 하는 인라인 시스템. - 금속 산화물 초전도 막 및 금속 산화물 초전도 선재를 형성하기 위한 연속 공정의 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템에 있어서,
템플레이트 기판을 인출하는 인출부(10);
상기 템플레이트 기판상에 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 증착하는 증착부(100);
상기 증착부에서 형성된 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 회수하는 회수부(20) 및
서로 다른 진공 분위기에서도 연속 공정이 가능하도록 상기 인출부, 증착부 및 회수부의 외부 연결 통로의 폭, 길이, 높이를 조절하는 복수의 슬릿(11, 101, 102, 21)을 포함하되,
상기 증착부는, 반응성 동시 증착 챔버(150)로 구성되고,
상기 인출부에서 제공된 템플레이트 기판상에 금속 산화물 형성을 위한 장축의 긴 템플레이트 기판을 일 방향으로 이동시키도록 형성하되, 릴 각각의 중심을 기준으로 장축 방향으로 이동시키는 이송부(105);
금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 구성하는 금속 원자를 증착영역으로 증발시켜 공급하는 금속 소오스 공급부(151) 및
상기 반응성 동시 증착 챔버 내에서 직접적으로 플라즈마를 발생시키지 않고 이격된 외부에 배치되며, 상기 템플레이트 기판상의 증착 영역에 단원자 산소(O)를 주입하여 금속 원자들과 결합하여 금속 산화물을 형성하는 리모트 플라즈마 발생부(200)을 포함하는 것을 특징으로 하는 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템. - 금속 산화물 초전도 막 및 금속 산화물 초전도 선재를 형성하기 위한 연속 공정의 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템에 있어서,
템플레이트 기판을 인출하는 인출부(10);
상기 템플레이트 기판상에 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 증착하는 증착부(100);
상기 템플레이트 기판상의 증착 영역에 형성되는 금속 산화물 초전도 막 또는 초전도 선재의 결합에너지를 높이기 위한 리모트 플라즈마 열처리로(400);
상기 증착부에서 형성된 금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 회수하는 회수부(20) 및
서로 다른 진공 분위기에서도 연속 공정이 가능하도록 상기 인출부, 증착부 및 회수부의 외부 연결 통로의 폭, 길이, 높이를 조절하는 복수의 슬릿(11, 101, 102, 21)을 포함하되,
상기 증착부는, 반응성 동시 증착 챔버(150)로 구성되고,
상기 인출부에서 제공된 템플레이트 기판상에 금속 산화물 형성을 위한 장축의 긴 템플레이트 기판을 일 방향으로 이동시키도록 형성하되, 릴 각각의 중심을 기준으로 장축 방향으로 이동시키는 이송부(105);
금속 산화물 초전도 막 또는 금속 산화물 초전도 선재를 구성하는 금속 원자를 증착영역으로 증발시켜 공급하는 금속 소오스 공급부(151) 및
상기 반응성 동시 증착 챔버 내에서 직접적으로 플라즈마를 발생시키지 않고 이격된 외부에 배치되며, 상기 템플레이트 기판상의 증착 영역에 단원자 산소(O)를 주입하여 금속 원자들과 결합하여 금속 산화물을 형성하고,
상기 반응성 동시 증착 챔버 내 또는 리모트 플라즈마 열처리로 챔버 내에서 직접적으로 플라즈마를 발생시키지 않고, 이격된 외부에 배치된 리모트 플라즈마 발생부(200)로부터 단원자 산소를 공급받는 것을 특징으로 하는 리모트 플라즈마 보조 반응성 동시 증착 시스템.
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