KR20060021877A - 후막 테이프에 대한 이온 빔-지원 고온 초전도체(ｈｔｓ)증착 - Google Patents

후막 테이프에 대한 이온 빔-지원 고온 초전도체(ｈｔｓ)증착 Download PDF

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Abstract

코팅될 기판의 표면상에 충돌하는 이온 소스는 MOCVD, PVD 또는 초전도 재료를 준비하기 위한 다른 프로세스를 강화하기 위하여 사용된다.
이온, MOCVP, PVD, 증착, 기판

Description

후막 테이프에 대한 이온 빔-지원 고온 초전도체(ＨＴＳ) 증착{Ion beam-assisted high-temperature superconductor(HTS) deposition for thick film tape}
본 발명은 증가된 전류특성을 가진 후막 고온 초전도체(HTS) 코팅 와이어의 제조에 관한 것이다.
과거 30년간, 미국에서는 최종용도 에너지 소비의 20% 내지 40%까지 전기의 사용이 증가되었다. 이러한 전력소비의 상승과 함께 고신뢰성 및 고품질의 전력에 대한 요구가 점점더 증가되고 있다. 전력수요가 계속해서 성장함에 따라, 기존 도시 전력 시스템은 특히 성능이 제한되어 새로운 해법들이 요구되고 있다.
와이어는 변압기들, 전송 및 분배 시스템들, 및 모터들을 포함하는 세계 전력 시스템의 기본적인 빌딩 블록을 형성한다. 1986년도에 혁명적 HTS 화합물의 발견은 전력산업에 있어서 근본적인 새로운 타입의 와이어의 개발을 유도하였으며, 이러한 발견은 1세기 이상 와이어 기술의 가장 근본적인 기술적 진보이다.
HTS 코팅 와이어는 동일한 물리적 크기를 가진 종래의 구리 및 알루미늄 도체들보다 100배정도 더 전류를 운반하는 최상의 성능을 제공한다. HTS 코팅 와이어의 초전력밀도는 전력 산업 기술에서 새로운 세대를 야기할 것이다. 이는 크기, 중량, 및 효율성에 있어서 중요한 장점들을 제공한다. HTS 기술들은 저비용으로 수행될뿐만아니라 다양한 방식으로 전력 시스템들의 능력 및 신뢰성을 증가시킬 것이다. 예컨대, HTS 코팅 와이어는 기존의 적당한 방식을 통해 2 내지 5배 더 많은 전력을 전송할 수 있다. 이러한 새로운 케이블은 그들의 환경 풋프린트를 감소시키면서 전력 그리드들의 성능을 개선시키기 위하여 강력한 도구를 제공할 것이다. 그러나, 현재까지 다음 세대 HTS 코팅 와이어들의 제조시에 사용되는 HTS 테이프의 단지 짧은 샘플들만이 고성능 레벨들로 제조되었다. HTS 기술이 전력생산 및 분배 산업에 상업적으로 사용되도록 하기 위하여, HTS 테이프를 고-스루풋으로 연속적으로 생산할 수 있는 기술들을 개발하는 것이 필요하게 되었다.
기상증착(vapor deposition)은 초전도 재료들의 증기들이 테이프 기판상에 증착되어 테이프 기판상에 HTS 코팅을 형성하는 HTS 테이프 제조 프로세스이다. HTS 테이프들을 고스루풋 및 저비용으로 생산할 수 있는 공지된 기상증착 프로세스들은 금속유기 화학기상증착(MOCVD) 및 펄스형 레이저 증착(PLD)을 포함한다. MOCVD 또는 PLD 프로세스들을 사용하면, 이트륨-바륨-구리-산화물(YBa2Cu3O7 또는 "YBCO") 막과 같은 HTS 막은 HTS 코팅 도체를 형성하기 위하여 가열 버퍼링 금속 기판상에 증착될 수 있다. 그러나, 최근까지, 이러한 프로세스들을 사용할지라도, 코팅된 도체 와이어 샘플들의 단지 짧은 길이만이 고성능 레벨들로 제조되었다. HTS-코팅 도체의 긴 길이(즉, 수 킬로미터)를 저비용으로 제조하기 위해서는 여러 문제점들이 극복되어야 한다.
코팅 도체들을 특징화하기 위한 한 방식은 미터당 그들의 비용이다. 게다 가, 비용 및 성능은 킬로암페어-미터당 비용으로서 특징지워질 수 있다. 더 상세하게, 코팅된 도체의 미터당 주어진 비용에 대하여 전류를 증가시킴으로서, 킬로암페어-미터당 비용은 감소된다. 이는 막의 단면적이 곱해진 증착된 HTS 재료의 임계전류(Jc)로서 언급된다.
코팅된 도체의 주어진 임계 전류 및 폭에 대하여, 단면적을 증가시키기 위한 한 방법은 HTS 막 두께를 증가시키는 것이다. 그러나, 두께의 함수로서 임계전류를 사용하면 HTS막의 단층에 대한 두께가 대략 1.5마이크론 이상 증가하기 때문에 임계 전류가 감소하여 포화상태에 도달할 수 있다는 것이 논증되었다. 이는 대략 1.5마이크론의 막 두께이상일 경우에 HTS 재료가 다공성을 가지고 공극들을 발생시키며 표면 거칠기를 증가시키기 때문이며, 상기 여러 성질들은 전류의 흐름을 억제시키는 경향을 가진다. HTS 막 두께를 단순하게 증가시킬 경우에 이에 대응하여 임계전류가 증가되지 않기 때문에 HTS 코팅 도체의 임계전류를 저비용으로 증가시키면서 1.5마이크론이상 막의 두께를 증가시키기 위한 기술적 도전이 필요하게 되었다.
고품질의 YBCO 후막들을 제조하기 위한 한 방법은 막의 두께가 1.5마이크론을 초과할때 재료 밀도 및 평활도를 증가시켜서 전류용량을 증가시키는 것과 같은 방식으로 막의 형상을 개선시키는 것이다. "초전도 후막을 생산하기 위한 방법"이라는 명칭을 가진 Tatekawa 등의 미국특허번호 제6,143,697호는 기판상에 초전도 재료를 포함하는 후막을 형성하는 단계; 기판상에 형성된 후막을 가열하는 단계; 가열된 후막을 냉간 등방압에 노출시키는 단계; 및 냉간 등방압에 노출된 후막을 재가열하는 단계를 포함하는 초전도 후막 제조방법을 기술한다.
Tatekawa 등의 단점은 초전도 산화물 후막들을 형성하는데는 적절한 방법인데 반하여 막의 형상을 개선하여 고다공성, 공극들 및 표면 거칠기와 같은 막 결함들을 개선함으로서 증가된 임계 전류를 가진 HTS 후막들을 제공할때 비용이 많이 든다는 점이다. 따라서, Tatekawa등은 고전류 HTS 코팅 도체들을 저비용으로 제조하는데는 적절하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 고전류 HTS-코팅 테이프의 제조시에 사용하기 위하여 1.5마이크론의 초과 두께를 가지면서도 전류용량이 증가된 YBCO 막들을 제조하는데 있다.
본 발명은 고전류 HTS 코팅 테이프를 제조하는데 사용하기 위하여 1.5마이크론의 두께를 가지면서도 전류특성이 증가된 YBCO 막들을 제조하기 위한 이온-지원 HTS 후막 연속 증착 프로세스이다. 본 발명의 이온-지원 HTS 후막 증착 프로세스는 MOCVD, PLD 또는 스퍼터링 프로세스와 같은 임의의 공지된 증착 프로세스에서 증착 영역에 충돌하는 이온 소스를 포함한다.
이러한 이온 소스는 1.5마이크론 이상의 막 두께에 대하여 막 형상을 개선할 수 있는 증착 프로세스에 부가 에너지를 제공한다. 이와같이 개선된 막 형상은 예컨대 재료 밀도를 증가시키고 표면 거칠기를 개선시키며 다공성을 감소시킨다. 결과적으로, YBCO 막이 본 발명의 증착 프로세스 동안 1.5마이크론을 초과하는 두께까지 성장하기 때문에 막 결함들이 최소화되며, 이는 결과적인 YBCO 후막의 전류 밀도를 증가시킨다.
이온 빔-지원 전자 빔 증착은 예컨대 막이 성장할때 고-에너지 이온들이 막에 집중되어 고밀도 평활 균일 광학 구조를 형성하는 광학 응용들로 공지되어 있다. 그러나, 현재까지, 이러한 기술은 유사한 성장을 강화하기 위하여 HTS 증착 프로세스들에 적용되지 않는다.
본 발명의 신규한 양상은 본 발명의 시스템내에서 수행되는 종래의 코팅 프로세스를 강화하기 위하여 적어도 두개의 영역 코팅 증착 프로세스에서 적어도 마지막 영역에 이온 소스를 포함하는 것이다.
본 발명의 프로세스는 1.5마이크론을 초과하는 전체 코팅 두께 및 센티미터당 200A을 초과하는 임계전류 밀도를 가진 고전류 밀도 HTS 테이프를 제조할 수 있다. 바람직한 실시예에서 본 발명의 프로세스는 1.5마이크론을 초과하는 전체 코팅 두께 및 센티미터당 300A을 초과하는 임계 전류밀도를 가진 테이프를 제조하며, 더 바람직한 실시예에서 본 발명의 프로세스는 1.5마이크론을 초과하는 전체 코팅 두께를 가지며 센티미터당 400A를 초과하는 임계 전류밀도를 가진 테이프를 제조한다.
도 1은 전류특성이 증가된 HTS 후막을 증착시킴으로서 고전류 HTS 코팅 테이프들을 제조하기 위한 본 발명의 이온-지원 MOCVD 시스템을 도시한 도면.
도 2는 전류특성이 증가된 HTS 후막을 증착시킴으로서 고전류 HTS 코팅 테이프들을 제조하기 위한 본 발명의 이온-지원 PLD 시스템을 도시한 도면.
설명을 위하여, 본 발명의 이온-지원 HTS 후막 증착 프로세스는 우선 도 1에 기술된 MOCVD 프로세스를 참조로하여 기술된후 도 2에 기술된 PLD 프로세스를 참조로하여 기술된다. 그러나, 본 발명의 이온-지원 HTS 후막 증착 프로세스단지 MOCVD 및 PLD 프로세스들에 제한되지 않는다. 예컨대, 본 발명의 이온-지원 HTS 후막 증착 프로세스는 증착 및 스퍼터링 프로세스들에 적용될 수 있다.
본 발명의 제 1실시예로서, 도 1은 전류특성이 증가된 HTS 후막을 증착시킴으로서 고밀도 HTS-코팅 테이프들을 제조하기 위한 본 발명의 이온-지원 MOCVD 시스템(100)을 기술한다. 본 발명의 이온-지원 MOCVD 시스템(100)은 예컨대 1.6Torr의 압력으로 유지될 수 있는 냉각벽 반응기와 같이 MOCVD 프로세스가 수행되는 진공-밀봉 증착챔버인 종래의 MOCVD 반응기를 포함한다.
MOCVD 반응기(110)는 기판 히터(114)에 근접하게 배치된 샤워헤드(112)를 포함한다. 기판 테이프(116)는 샤워헤드(112)의 길이를 따라 형성된 증착영역(118), 즉 기판 테이프(116)가 선구물질 증기들에 노출되는 영역내에서 샤워헤드(112) 및 기판 히터(114)사이에 배치 및 이동된다(동작중에). 게다가, 증착영역(118)내의 다중 영역들은 도 1에 도시된 바와같이 예컨대 영역(A) 및 영역(B)사이에 형성된다.
기판 테이프(116)는 이튜륨-안정화 지르코늄(YSZ) 및/또는 세륨 산화물(CeO2)과 같은 버퍼층들이 이전에 증착된 인코넬과 같은 니켈합금 또는 스테인레스 강과 같은 다양한 재료들로 형성된 기판의 플랙시블 길이이다. 기판 테이프(116)는 최대 950℃의 온도에 견딜 수 있으며 원하는 최종 제품 및 시스템 제한들을 만족하기 위하여 변화하는 크기를 가진다. 예컨대, 기판 테이프(116)는 25마이크론의 두께, 1cm의 폭 및 100미터의 길이를 가질 수 있다.
샤워헤드(112)는 기판 테이프(116)상에 선구물질 증기를 균일하게 분배하는 장치이다. 기판 테이프(116)쪽으로 방향을 향하는 샤워헤드(112)의 표면은 선구물질 증기가 기판 테이프(116)쪽으로 출력되는 영역 전반에 걸쳐 균일하게 분배되는 다중 정밀 홀들을 포함한다. 샤워헤드(112)의 길이 및 샤워헤드(112)에 공급되는 증기 선구물질들의 특정 조성물은 응용에 따라 사용자에게 규정될 수 있다.
증착 프로세스동안, 기판 테이프(116)의 온도는 기판 히터(114)를 통해 제어된다. 기판 히터(114)는 램프와 같은 복사 가열 엘리먼트를 통해 기판 테이프(116)에 700 내지 950℃의 범위내에서 열을 제공하는 공지된 단일 또는 다중 영역 기판 히터이다. 선택적으로, 기판 히터(14)는 칸탈 또는 MoSi2와 같은 가열 엘리먼트를 제공하는 저항 히터이다.
이온 지원 MOCVD 시스템(100)은 코팅 선구물질들을 전달하는 시스템을 더 포함한다. 전형적인 선구물질 전달 시스템은 테트라하이드로푸란 및 이소프로패놀과 같은 적절한 용매 혼합물과 함께 이트륨(Y), 바륨(Ba) 및 구리(Cu)의 테트라메틸 헵타네디오네이트(THD) 화합물들과 같은 유기금속 선구물질을 포함하는 용액을 포함하는 액체 선구물질 소스(도시안됨)에 의하여 공급되는 펌프(120)을 포함한다. 펌프(120)는 0.1 내지 10mL/min의 저흐름율일 수 있는 고압 액체 크로마토그라피(HPLC)와 같은 고압 저흐름율 펌프이다. 펌프(120)는 튜빙 또는 파이핑으로 형성된 액체 라인(124)을 통해 선구물질 기화기(122)에 공급한다.
선구물질 기화기(precurosr vaporizer; 122)는 샤워헤드(112)에 전달되도록 선구물질 용액이 기화되어 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 캐리어 가스와 혼합되는 플래시인 공지된 장치이다. 불활성 캐리어 가스는 튜빙 또는 파이핑으로 형성된 가스라인(126)을 통해 선구물질 기화기(122)에 공급된다. 선구물질 증기들은 샤워헤드(112)의 인입구에 결합되는 선구물질 증기 라인(128)을 통해 선구물질 기화기(122)로 배출된다. 증기 라인(128)은 선구물질 증기 및 이의 불활성 캐리어 가스가 선구물질 기화기(122)로부터 샤워헤드(112)로 한방향으로 통과하는 결합 튜브 또는 파이프이다.
MOCVD 반응기(110)에 입력되는 증기라인(128) 바로전에, 산소 라인(130)은 증기 라인(128)으로 개방된다. 산소 라인(130)은 증기 라인(128)내에서 흐르는 선구물질 증기 및 이의 불활성 캐리어 가스에 유입되도록 산소가 통과하는 튜브 또는 파이프이다.
이온-지원 MOCVD 시스템(100)은 MOCVD 반응기(110)내의 기판 테이프(116)쪽으로 향하는 이온 빔(134)을 방사하는 이온 소스(132)를 포함한다. 이온 소스(132)는 전형적으로 0.5 내지 10KW의 범위내의 전력레벨로 조준된 또는 비확산된 이온 빔을 발생시킬 수 있는 저가의 비그리드형(gridless) 이온 충돌 소스일 수 있다. 비그리드형 이온 소스(132)의 예는 Veeco 기구[2330 E Prospect Fort Collins, CO 80525]로부터 상업적으로 이용가능하며, 최대 100-1000eV의 전압에서 동작하며 6cm ×66cm의 크기를 가진다. 이온 소스(132)의 크기 및 방향은 기판 테이프(16)의 길이 및 MOCVD 반응기(110)의 설계에 기초하여 결정된다. 이온 소스(132)는 이온 빔(134)의 이온들이 거리를 따라 이동할 수 있기 때문에 증착영역(118)에 근접하게 배치되지 않아야 한다.
선택적으로, 이온 소스(132)는 그리드형 이온 소스일 수 있다. 그러나, 그리드형 이온 소스는 전형적으로 그리드형 이온 소스들이 비그리드형 이온 소스들에 비하여 고가이며 비그리드형 이온 소스들의 10-2 내지 10-3 Torr와 비교하여 비그리드형 이온 소스들, 즉 104 내지 10-6 Torr보다 더 강한 압력 요건들을 가지기 때문에 비그리드형 이온 소스보다 바람직하지 않을 것이다.
이온 소스(132) 및 MOCVD 반응기(110)간의 압력 인터페이스는 MOCVD 반응기(110)의 외부벽내에 장착된 압력 차동장치(136)를 통해 수행된다. 압력 차동장치(136)는 이온 소스가 대략 10-4 내지 10-2 Torr의 범위내로 전형적인 진공 압력을 유지되고 동시에 MOCVD 반응기(110)가 1-50Torr의 범위의 진공 압력으로 유지되도록 하는 장치이다. 이는 터보분자 펌프 또는 크리오펌프(cryopump)에 의하여 달성될 수 있다. 압력 차동장치(136)는 또한 이온 빔(134)이 MOCVD 반응기(110)에 이동되도록 하는 개구부를 포함한다.
도 1의 이온-지원 MOCVD 시스템(100)과 관련하여, 기본 MOCVD 프로세스는 당 업자에게 공지되어 있으며 다음과 같이 요약될 수 있다. 이온-지원 MOCVD 시스템(100)의 MOCVD 반응기(110)내에서, YBCO와 같은 HTS 막은 기판 테이프(116)의 표면에서 발생하는 화학반응들을 통해 기상 선구물질들에 의하여 가열된 기판 테이프(116)상에 증착된다. 더 상세하게, 증착영역(118)을 통한 기판 테이프(116)의 선형 이동은 영역 A로부터 영역 B로 전진하는 방향에서 시작하며(기판 테이프(116)를 이동시키는 메커니즘은 도시안됨), 펌프(120)는 활성화되며, 선구물질 기화기(122)는 활성화되며, 기판 히터(114)는 활성화된다.
증기 라인(128)은 증착영역(118)내의 기판 테이프(116)쪽으로 증기 선구물질을 균일하게 이동시키는 샤워헤드(112)에 이트륨-바륨-구리 증기 선구물질을 전달한다. 이트륨-바륨-구리 증기 선구물질들과 반응하는 산소의 결과와 증착영역(118)내의 가열된 기판 테이프(116)과 접촉하는 반응결합은 기판 테이프(116)가 증착영역(118)을 통해 이동할때 이트륨-바륨-구리 증기 선거물질이 분해되어 기판 테이프(116)위에 YBCO층을 형성하도록 한다.
기판 테이프(116)는 막의 두께가 0 마이크론으로부터 최대 1.0 내지 1.5마이크론으로 형성되는 증착영역(118)의 영역 A내에 초기에 YBCO 막을 축적시킨다. 기판 테이프(116)는 막 두께가 대략 1.5마이크론으로부터 최대 5마이크론으로 계속해서 형성되는 증착영역(118)의 영역 B내에 YBCO의 막을 추가로 축적시킨다.
앞서 기술된 이온-지원 MOCVD 시스템(100)내에서 발생하는 정상 증착 프로세스와 동시에, 이온 소스(132)는 활성화되며 이온 빔(134)을 방사한다. 이온 빔(134)을 형성하는 양이온의 스트림은 증착영역(118)내의 기판 테이프(116)쪽으로 가속된다. 더 상세하게, 이온소스(132)로부터 방사하는 이온 빔(134)은 YBCO 막이 축적되어 1.5마이크론 두께를 초과하는 증착영역(118)의 영역 B를 통해 기판 테이프(116)가 이동할때 기판 테이프(116)상에 집중된다. 비록 프로세스가 두개의 영역들 A 및 B를 가지는 것으로 기술될지라도 다수의 증착영역이 존재할 수 있으며, 이러한 다수의 증착영역의 요건은 기판 테이프가 증착영역을 통해 이동할때 기판이 1.5마이크론 두께를 초과하는 코팅을 가지는 증착영역들이 기판 테이프상에 집중된 이온 소스를 가져야 한다는 것이다. 이것이 절대적인 요건이 아닐지라도, 막이 1.5마이크론의 두께로 성장되는 제 1증착영역내의 기판상에 균일하게 집중되는 이온소스를 가지는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 방식에서, 고밀도 막의 템플릿이 다음 성장을 위하여 이용가능해야 한다.
결과로서, 증착영역(118)의 영역 B내에서 발생하는 YBCO 증착 프로세스는 이온 빔(134)에 의하여 제공된 이온충돌에 의하여 영향을 받는다. 이러한 이온충돌로 인하여, 부가 에너지는 고다공성, 공극들 및 표면 거칠기들과 같은 막 결함들을 최소화하여 YBCO 막이 기상증착에 의하여 기판 테이프(116)상에 축적될때 고품질의 성장 템플릿을 유지할 수 있는 효과를 가지는, 증착영역(118)의 영역 B내에서 증착 프로세스에 부가된다. 결과로서, 본 발명의 이온-지원 MOCVD 시스템(100)은 전류특성이 증가되도록 하는 증가된 재료 밀도 및 평활도를 가지는 1.5마이크론을 초과하는 두께를 가진 YBCO 막을 제조할 수 있다.
영역 B와 관련하여 이온 소스(132)에 대한 특정 방향 요건이 존재하지 않는다. 오히려, 방향은 기판 테이프(116) 및 샤워헤드(112)간의 최적 거리가 존재하 기 때문에 MOCVD 반응기(110)의 설계에 의하여 제어된다. 특히, 입사 이온 빔(134)의 방향은 샤워헤드(112) 및 기판 히터(114)의 크기에 의하여 제어된다.
이온 소스(132)로부터의 이온 빔(134)은 YBCO막이 예컨대 1.0 내지 1.5마이크론 이하인 두께로 형성되는 증착영역(118)의 영역 A내의 기판 테이프(116)에 집중되지 않는다. 이는 앞서 언급된 바와같이 1.0 내지 1.5마이크론의 성장내의 YBCO 막 형상의 품질은 매우 높으며 전류 용량은 억제되지 않는다.
비록 본 발명의 장점들을 달성하는데 필요치 않을지라도, 이온 빔은 또한 영역 A내의 기판상에 충돌할 수 있다. 이온충돌은 막이 고밀도이어서 다음 층들을 위한 양호한 템플릿을 제공하도록 YBCO 막의 두께가 1.0 내지 1.5마이크론이하인 증착영역(118)의 영역 A내에 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예, 즉 전류특성이 증가된 HTS 후막을 증착함으로서 고전류 HTS 코팅 테이프들을 제조하는 이온-지원 PLD 시스템(200)을 기술한다. 본 발명의 이온-지원 PLD 시스템(200)은 펄스형 레이저 증착 응용들을 위하여 특히 설계된 진공챔버인 종래의 증착 챔버(210)를 포함한다. 이러한 진공챔버의 예는 비록 당업자가 다양한 형상들 및 크기로 진공챔버들을 제공할 수 있다는 것을 이식할지라도 Neocera [10000 Virginia Manor Road Beltsville, MD 20705]에 의하여 상업적으로 이용가능한 12 또는 18 인치 진공챔버이다. 증착챔버(210)는 예컨대 200mTorr의 압력으로 유지된다. 이러한 예에서, 증착챔버(210)는 기판 히터(216)에 근접하게 배치된 제 1타깃(212) 및 제 2타깃(214)을 포함한다. 도 1에 기술된 기판 테이프(116)는 타깃들(212, 214 및 기판 히터(216)사이에 배치되어 이동된다( 동작중에). 타깃들(212, 214)은 YBCO와 같은 HTS 재료로 구성되며 Praxair 표면 기술들, 특수 세라믹[16130 Wood-Red Rd., #7, Woodinville, WA 98072] 및 Superconductive Components, Inc.[1145 Chesapeake Ave., Columbus, OH 43212]과 같은 공급자들로부터 상업적으로 이용가능하다.
증착 프로세스동안, 기판 테이프(116)의 온도는 기판 히터(216)를 통해 제어된다. 도 1의 기판 히터(114)와 같이, 기판 히터(216)는 램프와 같은 방사 가열 엘리먼트를 통해 기판 테이프(116)에 750℃ 내지 830℃의 범위의 열을 제공하는 공지된 단일 또는 다중 영역 기판 히터이다.
최종적으로, 이온-지원 PLD 시스템(200)은 증착챔버(210)내의 기판 테이프(116)쪽으로 향하는 이온 빔(20)을 방사하는 이온소스(218)를 포함한다. 이온소스(218)는 0.5 내지 10KW 범위의 전력레벨로 조준된 또는 비확산형 이온 빔을 발생시킬 수 있는 저가의 비그리드형 이온 충돌 소스이다. 비그리드형 이온 소스(218)의 예는 비그리드형 이온 소스(132)의 예는 Veeco 기구[2330 E Prospect Fort Collins, CO 80525]로부터 상업적으로 이용가능하며, 최대 100-1000eV의 전압에서 동작하며 3cm ×6cm의 크기를 가진다. 이온 소스(132)의 크기, 특히 이온 소스(218)의 길이는 막 증착영역의 길이와 유사하다.
막 증착 영역과 관련하여 이온 소스(218)에 대한 특정 방향이 존재하지 않는다. 오히려, 방향은 기판 테이프(116) 및 샤워헤드(212, 214)간의 최적 거리가 존재하기 때문에 증착챔버(210)의 설계에 의하여 제어된다. 특히, 입사 이온 빔(218)의 방향은 타깃들(212, 214) 및 기판 히터(216)의 크기에 의하여 제어된다. 이온 소스(218)는 이온 빔(220)의 이온들이 긴 거리들을 이동할 수 있기 때문에 기판 테이프(116)에 근접하여 배치되지 않아야 한다. 선택적으로, 이온 소스(218)는 그리드형 이온 소스이다.
도 2의 이온-지원 PLD 시스템(200)과 관련하여, 기본 MOCVD 프로세스는 당업자에게 공지되어 있으며 단지 다음과 같이 요약될 필요가 있다. 이온-지원 PLD 시스템(200)의 증착 챔버(210)내에서, YBCO와 같은 HTS 막은 HTS 재료의 증착에 의하여 증착된후 증착물에 의하여 가열된 기판 테이프(116)를 노출시킨다. 더 상세하게, 증착영역(210)을 통한 기판 테이프(116)의 선형 이동은 기판 테이프(116)의 이동라인을 따라 배열되는 타깃(212) 및 타깃(214)을 우선 통과하는 방향에서 시작한다(기판 테이프(116)를 이동시키는 메커니즘들은 도시안됨). 기판 히터(216)는 활성화된다.
제 1레이저 소스(도시안됨)는 순방향 형식으로 기판 테이프(116)쪽으로 레이저 빔(222)에 의하여 방사되는 타깃(212)의 일부분으로부터 방사하는 플룸(224)이 형성되도록 타깃(212)의 표면상에 충돌하는 레이저 빔(222)을 발생시킨다. 유사한 방식에서, 제 2레이저 소스(도시안됨)는 순방향 형식으로 기판 테이프(116)쪽으로 레이저 빔(226)에 의하여 방사되는 타깃(214)의 일부분으로부터 방사하는 플룸(228)이 형성되도록 타깃(214)의 표면상에 충돌하는 레이저 빔(226)을 발생시킨다.
플룸들(224, 228)은 타깃들(212, 214)의 재료로부터 각각 발생하며 레이저 빔들(222, 226)에 의하여 각각 충돌될때 용융 및 증발하는 플라즈마 구름들이다.
플룸(224)에 포함되고 이에 따라 기판 테이프(116)의 표면상에 증착되는 YBCO 입자들은 테이프가 미리 결정된 속도로 증착챔버(210)를 통해 이동할때 기판 테이프(116)의 표면상에 증착된다.
기판 테이프(116)는 기판 테이프(116)가 미리 결정된 속도로 증착챔버(210)을 통해 이동할때 플룸(224)에 포함된 YBCO 입자들에의 노출을 통해 YBCO막의 초기 축적에 영향을 받는다. 플룸(224)의 입력에의 노출로 인하여, 기판 테이프(116)의 표면상의 막 두께는 0마이크론으로부터 최대 1.0 내지 1.5마이크론으로 형성된다. 기판 테이프(116)는 기판 테이프(116)가 미리 결정된 속도로 증착챔버(210)를 통해 이동될때 플룸(228)에 포함된 YBCO 입자들에의 노출을 통해 YBCO막의 축적에 영향을 받는다. 플룸(28)의 입자들에의 노출로 인하여, 기판 테이프(116)의 표면상의 막 두께는 대략 1.5마이크론 내지 5마이크론이다.
앞서 기술된 이온-지원 PLD 시스템(200)내에서 발생하는 정상 증착 프로세스와 동시에, 이온 소스(218)는 활성화되며 이온 빔(220)을 방사한다. 이온 빔(220)을 형성하는 양이온의 스트림은 기판 테이프(116)쪽으로 가속되며, YBCO 막이 축적되어 1.5마이크론 두께를 초과하는 플룸(228)의 입자들을 통해 이동할때 기판 테이프(116)상에 집중된다. 결과로서, 플룸(228)의 입자들에의 노출을 통해 발생하는 YBCO 증착 프로세스는 이온 빔(220)에 의하여 제공된 이온 충돌에 의하여 영향을 받는다. 비록 프로세스가 두개의 플룸들을 가지는 것으로 기술될지라도 다수의 증착영역이 존재할 수 있으며, 이러한 다수의 증착영역의 요건은 기판 테이프를 한정하는 플룸을 통해 이동할때 기판이 1.5마이크론 두께를 초과하는 코팅을 가지는 증착영역들이 기판 테이프상에 집중된 이온 소스를 가져야 한다는 것이다.
이러한 이온 충돌로 인하여 플룸(228)의 입자들에의 노출로 인하여 발생하는 추가 에너지가 증착 프로세스에 더해지며, 이는 고다공성, 공극들 및 표면 거칠기들과 같은 막 결함들을 최소화하여 YBCO막이 기상증착에 의하여 기판 테이프(116)상에 축적되기 때문에 고품질의 성장 템플릿을 유지할 수 있는 효과를 가진다. 결과로서, 본 발명의 이온-지원 PLD 시스템(200)은 전류특성을 증가시키는 증가된 재료밀도 및 평활도를 가지는 1.5마이크론을 초과하는 두께를 가진 YBCO막을 제조할 수 있다.
이온 소스(218)로부터의 이온 빔(220)은 YBCO막이 예컨대 1.0 내지 1.5마이크론이하인 두께로 형성되는 플룸(225)에 기판 테이프(116)가 노출되기 때문에 기판 테이프(116)상에 집중될 필요가 없다. 이는 앞서 언급된 바와같이 성장의 1.0 내지 1.5 마이크론내의 YBCO 막 형상의 품질이 매우 높고 이에 따라 전류특성이 억제되지 않기 때문이다.
그러나, 선택적으로, 이온충돌은 YBCO 막의 두께가 1.0 내지 1.5마이크론이하인 플롬(224)에 기판 테이프(116)가 노출되는 영역에서 사용될 수 있다. 특히, 플롬(224)에 기판 테이프(116)가 노출되는 영역에 이온충돌을 사용하면, 막이 조밀해지고 이에 따라 다음 층들을 위한 양호한 템플릿이 제공된다.

Claims (12)

1.5마이크론을 초과하는 코팅 두께 및 센티미터 폭당 200A를 초과하는 임계전류를 가지는 고전류밀도 HTS 테이프를 연속적으로 제조하기 위한 프로세스로서,
기판이 증착 반응기(deposition reactor)내의 제 1증착영역을 통해 이동(translate)할 때 상기 기판에 제 1 두께의 코팅을 도포하는 단계; 및 상기 기판이 상기 증착 반응기내의 적어도 하나의 부가 증착영역을 통해 이동할 때 상기 기판에 부가적 두께의 코팅을 직접 도포하는 단계를 포함하며;
상기 제 1증착영역으로부터의 출구에서 상기 코팅 두께는 1.5마이크론보다 크지 않으며, 상기 기판은 상기 증착영역들의 적어도 마지막 영역을 통해 이동할 때 이온 빔에 의하여 충돌(imping)되는, 고전류밀도 HTS 테이프 제조 프로세스.
제 1항에 있어서, 상기 고전류밀도 HTS 테이프 제조 프로세스는 MOCVD 프로세스인, 고전류밀도 HTS 테이프 제조 프로세스.
제 1항에 있어서, 상기 고전류밀도 HTS 테이프 제조 프로세스는 PVD 프로세스인, 고전류밀도 HTS 테이프 제조 프로세스.
제 1항에 있어서, 상기 고전류밀도 HTS 테이프 제조 프로세스는 스퍼터링 프로세스인, 고전류밀도 HTS 테이프 제조 프로세스.
제 1항에 있어서, 두개의 증착영역들이 존재하는, 고전류밀도 HTS 테이프 제조 프로세스.
제 1항에 있어서, 상기 이온 빔은 상기 제 1증착영역내의 상기 기판상에도 또한 충돌하는, 고전류밀도 HTS 테이프 제조 프로세스.
제 1항에 있어서, 상기 임계전류는 센티미터 폭당 300A를 초과하는, 고전류밀도 HTS 테이프 제조 프로세스.
제 1항에 있어서, 상기 임계전류는 센터미터 폭당 400A를 초과하는, 고전류밀도 HTS 테이프 제조 프로세스.
제 1항의 프로세스로 제조된 제품.
제 6항의 프로세스로 제조된 제품.
제 7항의 프로세스로 제조된 제품.
제 8항의 프로세스로 제조된 제품.
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