KR20210134976A - 박막 증착용 고체 전구체 공급 시스템 - Google Patents

박막 증착용 고체 전구체 공급 시스템 Download PDF

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KR20210134976A
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미카일 노보질로프
알렉스 이그나티에프
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메트옥스 테크놀로지스 인코포레이티드
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Abstract

특히 REBCO형 고온 초전도체(HTS) 테이프의 박막 생산을 위한 연속 작업을 위해, 중량 측정 분말 공급기, 공급 속도 측정 및 공급기 제어 시스템, 증발기, 및 로드 록 시스템을 사용하는 건식 분말 MOCVD 증기 소스 시스템이 개시된다.

Description

박막 증착용 고체 전구체 공급 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 가출원 제62/817,909호(출원일: 2019년 3월 13일, 발명의 명칭: "Powder Feed Vapor Source for MOCVD of High-Performance REBCO Tape")에 대한 우선권 및 이익을 주장하며, 이 기초 출원의 내용은 그 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
기술분야
본 명세서에 개시된 요지의 실시형태는 일반적으로 기상 증착 반응기에 분말 재료를 공급하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 고체 전구체 재료로 고온 초전도체를 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
기상 증착 공정시에, 특히 MOCVD 공정을 통한 고온 초전도체 제조시에, 정확하고 엄격하게 제어된 양의 전구체 재료를 반응기 증착 챔버에 정확하게 전달할 필요가 있다. 산화물 초전도체 증착을 위한 가장 일반적인 MOCVD 전구체는 낮은 증기압과 함께 실온에서 고체이며, 전형적으로 약 150 내지 300℃의 범위에서 증발을 달성하기 위해 상승된 온도를 요구한다. 전구체 증기를 생성하기 위한 초기 접근 방식은 용해되거나 현탁된 고체 전구체와 함께 버블러(bubbler)를 이용하였지만, 사용하기 어렵고 장기간 동안 고온으로의 노출을 요구하였으며, 이는 화합물의 분해를 유발하였으며 매우 가변적이고 예측할 수 없는 증기 전달율이 문제였다.
플래시 증발 접근법에 의해 생성된 전구체 증기를 사용하는 산화물 초전도체 MOCVD 공정은 1990년대 초에 시작되었다. 플래시 증발되었을 때, 전구체 재료의 벌크는 실온에서 유지되고, 이는 그 특성을 보전하며, 벌크 재료의 작은 부분이 순차적으로 증발된다. 역사적으로, 플래시 증발 접근 방식의 첫 번째 구현은 에어로졸 MOCVD 증기 소스였다[Langlet 1989]. 하나 또는 여러 전구체 분말은 유기 용매에서 용해되었으며, 이러한 용액은 분무되고 에어로졸 형태로 가열된 증발기에 공급되었다. 이러한 옹액 기반 접근 방식은 액체 용액을 증발기 내로 직접 주입하는 것에 의해 이후에 개선되었다[Felten 1995]. 이러한 기술은 현재 2세대(2G) 고온 초전도체(HTS) 와이어 생산을 위해 상업적으로 사용되지만 많은 단점이 있다. 첫째, 증발 및 전달 시스템 내에서의 전구체의 응축은 고가의 전구체 재료의 손실뿐만 아니라 반응 구역으로의 오염, 막힘 및 가변적인 전달로 이어질 수 있다. 이러한 문제를 배제하기 위해, 전체 CVD 전달 시스템은 전형적으로 열 테이프 또는 다른 수단을 사용하여 단열 및 가열되어야만 한다. 또한, 전구체 증기와 함께 생성되는 다량의 용매 증기는 특히 REBCO(후술됨)형 초전도체를 위한 증착 공정에서 잠재적인 문제로 알려져 있다.
그러므로, 무용매 건식 MOCVD 증기 소스의 여러 구현이 수년에 걸쳐 개발되었다: 밴드 플래시 증발 소스[Kaul 1993; Klippe 1995]; 진동 공급기에 기초한 고체 소스[Samoylenkov 1996]; 그라인더 공급기에 기초한 고체 소스[Hubert 외, US 5,820,678]; 및 용적식 공급 스크루형 공급기에 기초한 고체 소스[Eils 2011]; 그러나, 다른 사람들은 용적형 공급기의 성능을 더욱 개선하기 위해 분말 공급을 기계적으로 계량하는 접근 방식을 개발하였다[예를 들어, Long 외, U.S. 8,101,235]. 이들 고체 소스 접근 방식은 고유한 단점을 가진다. 예를 들어, 분말 호퍼 내에서 입자의 자가 분리 및 분말의 소용돌이 및 다른 감손은 제어 및 예측이 어려운 매우 가변적인 분말 전달율을 유발할 수 있다.
고온 초전도체 박막 질감화(texture), 성장 속도 및 최종 전도체 성능 특성은 전구체 전달 시스템과 관계된 요인들에 특히 민감하다. 액체 질소 온도(77K)에서 초전도 특성을 가지는 재료는 고온 초전도체(HTS)로 지칭되는 산화물 기반 초전도체의 그룹 중 하나로서 YBa2Cu3O7-x(YBCO)를 포함한다. 고온 초전도체는 액체 헬륨 온도(4.2K)에서 작동하는 기존의 초전도체에 비해 더욱 높은 작동 온도에서 초전도체 성분을 개발할 수 있는 가능성을 제공한다. 더욱 높은 온도에서 작동하는 초전도체는 초전도성 성분 및 제품을 보다 경제적으로 개발하는 능력을 가능하게 한다. YBCO 초전도체의 초기 발견 이후, 유사한 화학적 조성을 가지지만 Y가 다른 희토류(RE) 원소로 대체되는 다른 초전도체가 발견되었다. 초전도체의 이러한 계열은 REBCO로서 때때로 표시되며, 여기에서, RE는 Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 또는 Lu를 포함할 수 있다.
REBCO 와이어의 제조시에 REBCO형 박막을 증착하는 방법에는 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD), 펄스 레이저 증착(PLD), 반응성 동시 증착(RCE), 및 금속 유기 증착(MOD)을 포함하여 여러 방법이 있다. 물리적 기상 증착(PVD) 기술의 카테고리 내의 많은 방법은 일반적으로 낮은 성장 속도; 고진공을 위한 요건; 지속적인 소스 변경의 필요성; 적당한 영역 커버리지 및 가시선 증착만의 제한의 어려움을 겪는다. 이러한 제한, 특히 낮은 성장 속도는 HTS 와이어 및 테이프를 위한 YBCO 막 기술의 경제적으로 실행 가능한 상업화에 문제가 있다. 고도로 제어된 전구체 전달을 이용하는 MOCVD는 이러한 많은 단점을 극복하고, 코팅된 전도체 적용을 위한 고품질의 두꺼운 초전도성 YBCO 박막을 생산할 수 있다.
MOCVD 기술은 YBCO 막 성장에 직접 적용되었으며, 더욱 높은 온도, 산화 분위기 및 더욱 낮은 증기압 전구체에 대한 전통적인 반도체 MOCVD의 변형을 통해 고품질 YBCO를 제조할 수 있는 능력을 보여주었다(Zhang 외). 더욱 높은(반도체 III-V 화합물 MOCVD를 위해 사용된 것보다 200K 이상 높은) 온도는 개선된 반응기 설계와 개선된 히터를 필요로 하며, 더욱 낮은 증기압 전구체는 전구체 증기 유동 제어 및 안정성에 대한 강화된 주의를 필요로 한다. 초기 결과는 유망하였으며, 단결정 산화물 기판에서 성장한 YBCO 막에 대해, Tc > 90K 및 Jc > 106 A/㎠가 실현되었다(Schulte 외).
고온 초전도체(HTS) 재료의 발견으로; 초점 중 하나는 고전력 전기 적용을 위한 HTS 와이어의 개발에 관한 것이었다. 이러한 적용은 전송 케이블, 배전 케이블, 전기 모터, 발전기, 전기 자석, 고장 전류 제한기(fault current limiter), 변압기 및 에너지 저장 장치를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. HTS 와이어가 이러한 고전력 전기 적용을 위한 성공적인 해결책이 되도록, 상이한 적용의 고전력 요건을 충족시키는 동시에, 이러한 적용에 대한 상업적 요건을 충족시킬 수 있을 만큼 비용이 충분히 낮아야 한다.
관심 주요 전기적 특성 중 하나는 HTS 와이어의 임계 전류이다. 임계 전류(Ic)는 초전도체가 그 초전도 특성을 상실하고 비초전도성으로 되는 전류이다. 초전도체의 임계 전류는 초전도체가 겪는 온도와 자기장에 의해 영향을 받는다. 온도와 자기장이 높을수록 임계 전류는 낮아진다. 다양한 적용에 대한 기술 요건을 충족시킬 수 있기 위해, HTS 와이어는 이러한 적용에 의해 경험하는 온도 및 자기장에서 충분히 높은 임계 전류를 가질 필요가 있을 것이다.
초전도체의 임계 전류 운반 용량을 증가시키기 위한 핵심 접근법 중 하나는 초전도체에 자속 피닝 재료(magnetic flux pinning material)를 도입하는 것이다. 더욱 높은 자기장에서, Ⅱ형 초전도체는 자속이 초전도성 전류 소용돌이에 의해 둘러싸인 양자화된 패킷으로 들어가는 것을 가능하게 한다. 이러한 침투 사이트는 플럭스 튜브로서 알려져 있다. 플럭스 피닝은 Ⅱ형 초전도체에서 자속 튜브의 자유 운동이 초전도성 재료에서의 결함과 그 상호 작용을 인해 억제되는 현상이다. 이러한 결함에 인접하거나 이를 둘러싸는 플럭스 튜브는 변경된 에너지를 가지며, 초전도성 재료를 통한 그 운동은 방해를 받는다. 플럭스 피닝은, Ⅱ형 초전도체 내로의 자기장 라인의 침투를 허용하고 성능 특성을 제한하는 이중 임계 필드(dual critical field)의 이점을 취하는 것을 추구한다. 증가된 이방성 및 감소된 전류 운반 용량은 자속의 투과를 돕는 피닝되지 않은 플럭스 튜브로부터 초래된다. 그러므로, 플럭스 피닝은 전도체의 전압 및 유효 저항을 유도하고 임계 전류(Ic) 및 임계 전류 밀도(Jc)를 감소시키는 "플럭스 크리프(flux creep)"를 방지하기 위해 고온 초전도체에서 필요하다.
그러므로, 초전도체 내에서 플럭스 피닝 중심으로서 작용하는 피닝 사이트 또는 중심을 포함하는 것은 임계 전류 운반 용량의 개선을 돕는다. 피닝 중심은 특정 배향을 가진 비초전도성 재료의 특정 조성으로 구성될 수 있다. 이러한 중심은 일반적으로 피닝 사이트 또는 중심, 플럭스 피닝 중심, 결함 또는 결함 중심으로서 지칭될 수 있다. 이러한 플럭스 피닝 중심의 존재는 높은 자기장에서도 임계 전류를 개선할 수 있는 능력을 와이어에 제공한다.
임의의 초전도성 와이어와 마찬가지로, 주요 목적 중 하나는 플럭스 피닝 특성을 개선하고, 차례로 REBCO 와이어의 Ic를 개선하는 것이었다. 전류 용량을 더욱 향상시키기 위해 나노입자를 포함하는 REBCO 초전도체 막을 피닝 중심으로서 생산하기 위해 많은 공정이 조사되었다. REBCO 제조 공정은 플럭스 피닝 및 대응하는 Ic에서의 개선을 생성하기 위해 초전도체 층에 대해 특정 배향으로 Y2O3 및 Y2BaCuO5와 같은 비초전도성 불순물을 자연적으로 생성하도록 변경되었다.
REBCO 그룹의 원소의 일부가 아닌 다른 재료는 비초전도성 입자를 생성하기 위해 초전도체 층에 도입되는 것으로 알려져 있다. M이 Ti, Zr, Al, Hf, Ir, Sn, Nb, Mo, Ta, Ce, V일 수 있는 BaMO3와 같은 재료는 도핑 재료로서 첨가되어 비초전도성 나노입자를 생성한다.
우선적으로 c-축 배향된 나노입자의 기둥 분포와 결합된 이물질의 이러한 도핑은 도핑되지 않은 재료와 비교하여 특히 높은 자기장에서 향상된 성능 및 증가된 Ic를 가지는 REBCO 와이어를 생성하였다. 그러나, 이러한 나노도트(nanodot) 및 나노로드(nanorod)를 생산하는 생산 방법은 도핑된 재료를 초전도체 층에 대한 특정 초 구조(super structure)(예를 들어, 기둥) 및 배향으로 증착하기 위해 매우 복잡하다. 도핑 재료의 정확한 우선적인 배향을 달성하는데 있어서의 어려움은 와이어의 성장 속도를 제한하고, 이는 생산 시간, 및 수반되는 비용 및 복잡성을 추가한다.
그러므로, 높은 자기장에서도 고전력 적용의 Ic 요건을 충족시키는 고성능 HTS 와이어를 생산하기 위해 정확하고 고도로 제어 가능한 전구체 전달 시스템을 갖춘 초전도성 물품 제조 공정을 개발하는 것은 큰 가치가 있다. 상업적으로 매력적인 경제성으로 생산할 수 있도록 높은 성장 속도에서 이러한 요건을 충족시킬 수 있는 초전도체를 생산하는 것이 또 다른 목표이다. 그러므로, 현재의 전구체 전달 기술에 내재된 증착 구역으로의 전구체 전달의 가변성을 줄이는 것은 높은 성장 속도를 달성하는 잠재성을 가지는 동시에, 높은 자기장에서도 최적의 전류 운반 용량을 위해 박막 내에서 원하는 결정학적 구조 및 피닝 중심 분포를 유지한다.
실시형태에 따르면, 박막의 증착을 위한 전구체 공급 시스템이 있다. 시스템은 로드 록 조립체(load lock assembly)를 가지는 분말 공급기 조립체; 분말 용기에 있는 전구체 분말의 연속적인 질량 데이터를 제공하도록 구성된 칭량 기구; 제어 시스템; 및 증발기를 포함한다. 제어 시스템 데이터 프로세서는 목표 전구체 분말 공급 속도를 증발기로 전달하기 위해 칭량 기구로부터의 연속 질량 데이터를 공급 스크루 속도로 변환한다.
다른 실시형태에 따르면, 박막의 증착을 위한 전구체 공급 시스템이 있다. 시스템은 분말 공급기 조립체; 로드 록 조립체; 제어 시스템; 및 증발기를 포함한다. 제어 시스템 데이터 프로세서는 목표 전구체 분말 공급 속도를 증발기로 전달하기 위해 공정 변수 입력을 공급 스크루 속도로 변환한다.
또 다른 실시형태에 따르면, 고온 초전도체를 제조하기 위한 방법이 있다. 방법은 기판을 반응기에 도입하는 단계; 스크루 공급 디바이스 및 칭량 기구에 결합된 전구체 분말 용기를 가지는 전구체 분말 공급 조립체에 결합된 증발기를 제공하는 단계; 전구체 분말을 로드 록 조립체에 적재하는 단계로서, 전구체 분말은 고온 박막 초전도체의 적어도 하나의 성분으로 구성되는, 상기 로드 록 조립체에 적재하는 단계; 전구체 분말 용기 중량을 모니터링하는 단계; 증발기에 목표 전구체 분말 공급 속도를 제공하기 위해 분말 용기 중량에 기초하여 공급 스크루 속도를 제어하는 단계; 증발기에서 전구체 분말을 증발시키는 단계; 증발된 전구체를 반응기로 수송하는 단계; 및 반응기에 있는 기판 상에 박막을 증착하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 하나 이상의 실시형태를 도시하고, 상세한 설명과 함께 이들 실시형태를 설명한다:
도 1은 예시적인 분말 공급 시스템을 도시한다.
도 2는 예시적인 분말 공급 조립체를 도시한다.
도 3은 예시적인 로드 록 조립체를 도시한다.
도 4는 예시적인 제어 시스템을 도시한다.
도 5는 주어진 목표를 위한 실제 공급 속도 대 시간의 성능의 예시적인 플롯을 도시한다.
도 6은 예시적인 증발기 조립체를 도시한다.
도 7은 예시적인 분말 공급 및 반응기 시스템을 도시한다.
도 8은 고온 초전도체의 예시적인 아키텍처를 도시한다.
도 9는 예시적인 PAMOCVD 반응기를 도시한다.
도 10은 고온 초전도체의 예시적인 제조 방법을 도시한다.
도 11은 분말 공급 중량 제어 변수와 중첩된 위치 대 HTS 성능의 예시적인 플롯을 도시한다.
실시형태의 다음 설명은 첨부 도면을 참조한다. 상이한 도면에서 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 요소를 식별한다. 다음의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 다음의 실시형태는 간결성을 위해, 박막, 특히 초전도체 테이프의 증착을 위한 정확하게 제어된 고체 전구체 전달을 위한 시스템에 관하여 논의된다. 그러나, 본 명세서에서 논의되는 실시형태는 이러한 요소에 제한되지 않는다.
명세서 전체에 걸쳐, "한 실시형태" 또는 "실시형태"에 대한 언급은 실시형태와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 개시된 요지의 적어도 하나의 실시형태에 포함된다는 것을 의미한다. 그러므로, 명세서 전체에 걸쳐 다양한 곳에서 "한 실시형태에서" 또는 "실시형태에서"라는 문구의 출현은 반드시 동일한 실시형태를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 설명된 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시형태에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
많은 에피택셜 성장 시스템은 고온 초전도체(HTS)를 포함하는 기상 증착 반응기에 전구체 반응물의 정확한 공급을 필요로 하는 것으로 당업계에 공지되어 있다. 본 발명의 실시형태는 HTS 제조 및 기타 증착된 박막 적용에 적합한 기상 증착 반응기로의 고체상 전구체의 전달을 정확하게 제어할 수 있는 전구체 공급 시스템을 포함한다.
분말 전구체 공급 시스템의 예시적인 실시형태의 주요 구성요소가 도 1에 도시되어 있다. 주요 공급 시스템 구성요소는 공급 스크루 디바이스(220) 및 전구체 분말(212)을 수용하기 위한 분말 용기(215)를 포함하는 분말 공급기 조립체(100); 분말 공급기 조립체 분말 용기(215)를 재적재하기 위한 압력 격리 챔버를 포함하는 로드 록 조립체(110); 분말 용기에 결합되고 분말 용기에 있는 전구체 분말의 연속적인 질량 데이터를 제공하도록 구성된 칭량 기구(120); PID 루프 및 데이터 프로세서를 포함하는 제어 시스템(400); 및 분말 공급기 조립체로부터 전구체 분말을 수용하고 분말을 증발시키도록 구성된 증발기 조립체(140)를 포함한다.
도 2는 전구체 분말(212)을 수용하기 위해 분말 용기(215) 내부에 위치된 모터 구동 교반기(210); 공급 스크루 배럴(230) 내부에서 수평 배향으로 설치된 모터 구동 공급 스크루(220); 및 공급 스크루 배럴(230)의 단부에 있는 출구 스크린(240)이 장비된 예시적인 분말 용기 조립체(100)를 도시한다. 공급 스크루(220)는 실제 스크루 또는 오거(auger)의 형태를 취할 수 있지만, 대안으로 분말 전달을 위해 당업계에 공지된 다른 기계적 디바이스, 예를 들어, 컨베이어 벨트, 회전 스크레이퍼 등의 유형 디바이스로 구성될 수 있다. 출구 스크린(240)은 반응기(도시되지 않음, 추후에 논의됨) 내로 공급 스크루(220)를 빠져나가는 분말의 분해 및 분배를 돕기 위해 메쉬 스크린 또는 진동 디바이스의 형태를 취할 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 고체 전구체 재료는 바람직하게 시스템의 표면 상에서 분말의 접착 및 축적을 유발할 수 있는 정전기 전하를 감소시키기 위해 경면 마감으로 전해 연마된 스테인리스강 표면만 접촉한다. 공급기 성능은 교반기(210), 공급 스크루 배럴(230) ID, 공급 스크루(220)의 피치 및 나사산 수, 및 주어진 고체 재료의 특정 분말 유동 특성을 위한 출구 스크린(240)의 크기 및 다공성의 적절한 크기 및 조정을 통해 목표 공급 속도를 달성하도록 맞춤화될 수 있다.
공급기 성능은 분말 용기(215) 내부의 분말 재료(212)의 분말 소용돌이 또는 "랫-홀링(rat-holing)", 및/또는 브릿징에 의해 저하될 수 있다. 또한, 분말 용기 내에서 응결(setting)은 분말을 조밀화하고, 공급 스크루(220) 구동 모터(들)에 과부하가 걸리게 하여, 특히 낮은 공급 스크루 RPM에서 공급 속도 진동에 부정적인 영향을 미친다. 그러므로, 교반기(210)는 시간 경과에 따른 대량 전달에의 시프트를 유발할 수 있는, 분말 용기(215) 내에서의 크기에 의한 분말 입자의 자동-분리를 포함하여 이러한 효과를 감소시키는데 도움이 된다. 당업계에서 공지된 교반기는 내부 및 외부 기계적 진동 디바이스, 스플라인을 구비한 회전 배럴, 오거 고체 혼합기 및 기타 적절한 디바이스를 포함한다.
전형적인 고온 초전도체를 포함하는 특정 실시형태에서, 박막 증착 공정은 하나 이상의 고체 전구체 화합물 또는 재료(212)를 요구할 수 있다. 하나 이상의 전구체를 위해, 각각의 화합물은 자체 공급 시스템을 가질 수 있거나, 또는 여러 고체 전구체 화합물의 혼합물이 동일한 공급 시스템에서 결합될 수 있다. 다른 실시형태에서, 별도의 분말 용기가 공유된 공급 스크루 조립체를 공급할 수 있다. 고체 전구체 재료가 여러 분말 성분의 혼합물이면; 또한 분말 용기에서 성분들이 분리(또는 자동 분리)될 위험이 있으며, 그러므로 공급기로부터 나오는 재료의 조성이 시간에 따라 변할 수 있다. 그러므로, 전구체들이 단일 분말 용기에서 결합될 때; 크기와 조성 모두에 의한 자동 분리가 발생할 수 있다. 그러므로, 분말 용기의 기계적 교반에 추가하여, 사전 혼합, 분쇄, 과립화와 같은 분말 용기 내로 적재된 고체 재료(212)의 적절한 사전 조절이 원하는 공급기 성능을 달성하기 위해 수행될 수 있다.
분말 용기(215)를 재적재하는 연속 폐쇄 시스템을 위한 예시적인 로드 록 조립체(110)가 도 3에 도시되어 있다. 조립체는 HTS 제조에서 사용되는 것과 같은 저압 증착 시스템의 진공 환경을 파괴함이 없이 분말 공급기(100)의 분말 용기(215)의 재적재를 제공한다. 박막 증착 공정의 중단을 피하는 것은 진공 상태가 지속적으로 유지되는 것을 요구하는 긴 길이의 REBCO 코팅 테이프의 연속 작업 및 생산에 필수적이다.
로드 록 조립체(110)의 일반적인 작동은 밸브 V1(310) 및 V2(320) 및 게이트 밸브(330)로서 도시된 3개의 밸브가 주변 환경에 대해 폐쇄되고 로드 록 챔버(340)가 주변 환경에 개방되는 것으로 시작한다. 고체 전구체 재료(212)의 새로운 적재는 로드 록 챔버(340)에 추가되고; 챔버는 밀봉되고 밸브 V1(310)를 개방하는 것에 의해 비워진다. 압력 게이지(350)에 의해 모니터링되는 바와 같은 록 챔버에서의 압력은 공급 시스템 분말 용기(215)에서의 압력보다 낮아질 때까지 감소되고, 이 지점에서, V1(310)이 폐쇄된다. 이어서, V2(320)가 개방되고, 양 챔버에서의 압력이 평형화되어 게이트 밸브(330)가 개방될 때까지, 일정량의 공정 가스는 유동 제어 오리피스(360)를 통해 분말 용기(215)로부터 로드 록 챔버(340)로 흡인된다.
로드 록 챔버(340)로부터 분말 용기(215)로 전구체 재료(212)를 전달하기 전에, 공급기 제어 시스템(아래에서 논의되는 도 4)은 폐루프 제어 모드로부터, 공급 스크루가 일정한 속도로 구동되는 개방 루프 제어 모드로 전환된다. 이어서, 전구체 재료(212)는 로드 록 챔버(340)로부터 분말 공급기 조립체(100)의 분말 용기(215) 내로 중력 공급된다. 게이트 밸브(330) 및 밸브 V2(320)가 폐쇄되고, 공급기의 폐루프 제어가 재결합되며, 그러므로 재적재 사이클을 완료한다. 아래에서 더 자세히 논의될 도 11은 재적재 시퀀스를 추가로 예시하는 관련 제어기 출력을 그래프로 도시한다.
도 1 및 도 2로 돌아가서, 바람직한 실시형태에서, 분말 공급 조립체(100)는, 분말 용기(215)에 결합되고 분말 용기(215)에 있는 전구체 분말(212)의 연속적인 질량 데이터를 제어 시스템(400)에 제공하도록 구성된 칭량 기구(120)를 포함한다. 칭량 기구(120)는, 분말 용기와 접촉하거나 또는 이에 부착된 고정밀, 고분해능 중량 측정 저울을 포함할 수 있다. 그러므로, 이러한 문맥에서, "결합된"이라는 용어는 본 명세서에서 "와 접촉하는", "에 부착되는" 또는 "단순한 접촉에 의한" 것을 의미한다. 당업계에 공지된 이러한 저울은 10 내지 100 g 또는 수 ㎏을 그램의 분수의 정확도까지, 특정 바람직한 실시형태에서 1:4,000,000 이상의 분해능으로 그램의 1/1000 이하까지 칭량할 수 있다. 또한 전체 분말 공급 시스템, 또는 분말 용기 및 칭량 기구를 포함하는 분말 공급 시스템의 개별 구성요소는 측정시에 드리프트 및 오류를 최소화하기 위해 밀폐된 하우징에 있을 수 있다는 것이 용이하게 고려된다.
예시적인 폐루프 공급기 제어 시스템이 도 4에 도시되어 있다. 고분해능 칭량 기구(120)는 예를 들어 5 ㎐ 중량 판독값(416)을 생성하기 위해 로드 셀(420)로부터 저역 통과 필터(410)를 통해 처리된 100 ㎐ 판독값(415)으로서 입력을 제어기(400)에 제공한다. 데이터 처리 알고리즘(430) 및 PID 제어 루프(440)는 전형적으로 프로그램 가능 자동화 제어기(PAC)(400)에서 실행되는 소프트웨어 코드로서 구현된다.
중량 판독 입력(415)은 시간당 중량의 단위일 수 있으며, 이로부터, 단위 시간당 분말 용기 중량 변화 또는 손실, 예를 들어, 밀리초당 마이크로그램 분말이 알고리즘(430)에 의해 계산된다. 저울(120)은 PAC에 의해 판독되고 버퍼링되는 초당 다수의 중량 판독값을 생성할 수 있다. 이어서, 중량 대 시간 곡선(w(t))으로서의 데이터(415)는 노이즈를 감소시키고 w(t) 곡선(416)을 평활화하기 위해 필터링(410)될 수 있다. 이어서, w(t) 곡선(415, 416)은 중량 손실 속도 또는 공급 속도 곡선 w'(t)을 계산하고 공급 속도에 대응하는 곡선(418)에 맞추기 위해 수치적으로 구별될 수 있다. 다양한 수치 체계가 중량 판독값, 예를 들어 "후입선출"(Last In First Out: LIFO) 기반으로 중량 값의 10초, 또는 대안적으로 선입선출(First in First Out: FIFO) 기반으로 10초 동안 또는 다른 적절한 기간 동안의 집계를 처리하거나 사전 조건화(417)하기 위해 알고리즘(430)에 의해 이용될 수 있다. 그러므로, 데이터 처리 알고리즘(430)은 계산된 공급 속도(460)를 생성하기 위해, 주어진 중량 손실(415, 416) 곡선을 선형 또는 다른 맞춰진 파라미터화된 곡선 또는 공식(418)으로 변환할 수 있다.
이러한 계산된 공급 속도(460)는 PID 제어 루프(440)에 입력되는 공정 제어 변수로서 사용될 수 있다. 이어서, PID 루프(470)로부터의 출력은 공급 스크루(220)를 구동하는 모터에 대한 속도 명령(540)으로서 사용될 수 있다. 제어 시스템(400)의 성능은 미가공 중량 판독값을 필터링하고 w(t) 곡선을 구별하도록 사용되는 파라미터를 조정하고 PID 루프(440)의 이득을 조정하는 것에 의해 최적화될 수 있다.
도 5는 프로그램 가능한 제어기에 의해 계산된 공급 스크루 속도 곡선(540)(우측 y-축(550))으로부터 초래되는 120 g/h의 주어진 목표 또는 설정(510)(좌측 y-축)에 대한 실제 공급 속도(530) 대 시간(520)의 성능의 예시적인 플롯을 도시한다. 이러한 예에서, 제어 시스템(400)의 PID 루프(440)는 로드 록 조립체(110) 내로의 전구체 재료의 재충전 사이에 시간 경과에 따라 발생하는, 시간 경과에 따른 분말 공급 용기(215) 질량에서의 변화를 보상하기 위해 시간 경과에 따라 증가되는 공급 스크루 속도(540)를 제어한다. 분말 용기(215) 중량이 시간 경과에 따라 변함에 따라서, 공급 스크루 속도(540)는 이러한 예에서 1% 미만의 변동 계수(CV) 실제 대 설정값으로, 설정값 또는 목표(510)와 밀접하게 일치하는 엄격하게 제어된 실제 공급 속도(530)를 유지하기 위해 PAC(430)에 의해 자동으로 조정된다.
증발기 조립체(140)는 도 6에 도시되어 있으며, 바닥에서 측면 수평 출구 튜브(620)로 캡핑된 유리 또는 스테인리스강 수직 튜브(610)를 포함할 수 있다. 증발기의 측벽 및 바닥은 전형적으로 저항성 히터(625), 열 테이프 또는 침지조에 의해 가열될 수 있다. 공급기 공급 스크루(220)(도 1 및 2 참조) 출구(340)로부터 나오는 전구체 분말(212) 성분 또는 둘 이상의 전구체의 혼합물은 중력 또는 캐리어 가스(630)의 유동으로부터의 대류 힘 하에서 증발기(610) 내로 떨어진다. 캐리어 가스(630)는 예를 들어 도시된 바와 같이 증발기에서 또는 상류 또는 하류에 있는 다수의 장소에서 시스템 내로 주입될 수 있다. 적합한 캐리어 가스는 아르곤, 질소 또는 바람직하게 불활성인 다른 가스를 포함할 수 있다. 증발기의 설계 및 작동 파라미터는 증발기에 잔류물을 전혀 남기지 않거나 또는 최소로 남기면서 변질 없이 일관된 연속 작동 및 전구체의 완전한 증발을 위해 최적화된다.
다른 실시형태에서, 제어 시스템(400)에 의해 계산된 전구체 재료(212)의 계산된 공급 속도(460)는 다른 및/또는 추가적인 공정 관련 입력을 통합할 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 증착 공정이 실시간(반응기 내에서) 또는 거의 실시간(반응기 외부에서의 측정)으로 수행됨에 따라서, 박막의 증착층 두께 및 성장 속도가 측정되고 모니터링될 수 있다. 반응기(900)는 도 9를 참조하여 다음에서 더욱 상세히 논의될 포토 지원 MOCVD(PAMOCVD) 반응기일 수 있다. 양호한 실험 오류를 가지는 박막 두께의 현장 측정을 위한 당업계에 공지된 기술은 무엇보다도 X-선 형광(XRF)을 포함한다. 이들 실시형태에서, 반응기(900) 내에서 기판(720) 상에 증착된 층의 박막 메트릭이 측정되어, XRF 디바이스(710)로부터 출력되고(거의 실시간, 반응기 외부가 도시됨), 계산된 공급 속도로의 중량 손실 곡선의 변환을 점검하고 조정하도록 제어 시스템(400)의 데이터 처리 알고리즘(430)에 의해 제2 공정 변수로서 처리된다. 특정의 다른 실시형태에서, 층 두께는 중량 입력 변수가 있거나 없이 PID 루프(440)를 통해 공급 스크루(220) 속도/율(540)을 직접 제어할 수 있다. 다른 실시형태에서, 코팅의 원소 조성은 예를 들어, XRF에 의해 또는 XRD에 의해 간접적으로 측정될 수 있으며, 제어 시스템(400)에 대한 입력으로서 작용할 수 있다. 또한, 전구체 증기의 질량 유동(예를 들어, 전구체 증기의 분압 또는 전구체 증기압으로서)은 예를 들어 기상 IR 광 흡수 분광법에 의해 또는 질량 분광법에 의해 측정될 수 있으며, 입력 또는 2차 또는 보조 입력으로서 작용할 수 있다. 이들 및 다른 추가 입력은 특히 증기/코팅의 조성이 공정 중 제어 변수 및 이들과 같은 입력에 기초하여 잠재적으로 즉석에서 조정될 수 있는 경우에 다중 증기 소스 설정(각각 개별적으로 공급되고 증발된 개별 전구체)에 적용될 수 있다. 이러한 방식으로, 공급 속도는 공정 변수에 의해 직접 제어될 수 있거나, 또는 공정 변수는 본 명세서에서 설명된 중량 측정 시스템에 대한 2차 점검으로서 역할을 할 수 있다.
분말 공급 시스템의 성능은 전체 증기 생성 공정, 및 특히 고온 초전도체(HTS)를 포함하는 증착된 박막 코팅의 품질에 중요하다. 전구체 공급 속도에서의 변화는 HTS 반응기의 증착 구역 내로의 전구체 증기 유동에서의 변화로 이어질 수 있으며, 이는 차례로 고온 초전도체 REBCO 코팅의 비일관적인 증착된 층 두께, 가변적이고 낮은 성장 속도, 및 감소된 임계 전류(Ic) 성능을 유발할 수 있다.
에피택셜 REBCO 고온 초전도체(HTS) 와이어는 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD), 포토 지원 금속 유기 화학 기상 증착(PAMOCVD) 또는 초전도체 제작의 기술 분야에서 공지된 다른 적절한 증착 공정을 사용하여 특정의 바람직한 실시형태로 처리된다. HTS 와이어 또는 테이프는 전형적으로 그 예가 도 8에 도시된 박막 복합 아키텍처를 가진다 이러한 예에서, 상기 아키텍처는 기판(720), 적어도 하나의 버퍼 층(이러한 예에서 2개가 810 및 820으로 도시된), 적어도 하나의 초전도체 층(하나가 이러한 예에서 830으로 도시된), 및 적어도 하나의 캡핑 또는 안정화 층(840)을 포함한다. 다른 층들은 당업자에 의해 용이하게 고려될 수 있고, 본 명세서에서 설명된 기본적인 아키텍처에 추가적인 목적을 제공할 수 있다.
고온 초전도체(HTS) 층(830)은 전형적으로 정상 압력 하에서 액체 질소의 비등 온도에 상응하는 77K 이하에서 초전도성 거동을 생성할 수 있는, 당업계에 공지된 HTS 재료로 구성된다. 적합한 재료는 특히 YBa2Cu3O7-x(YBCO) 또는 Bi2Sr2CaCu2O8+x(BSCCO)를 포함할 수 있다. 또한 본 개시내용에 의해 고려되고 일반적으로 이후에 YBCO 재료로 지칭될 Y2Ba4Cu7O14+x, YBa2Cu408 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 YBCO의 다른 화학량론이 공지되어 있다. 다른 실시형태에서, 다른 희토류(RE) 원소가 Y 대신에 대체될 수 있으며, 일반적으로 REBa2Cu3O7-x(REBCO) 재료 계열로 지칭되며, 여기서 RE는 Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 또는 Lu를 포함할 수 있다.
본 발명의 REBCO HTS 초전도체 테이프 및 와이어의 특정 실시형태는 또한 높은 자기장에서 높은 Ic를 제공하기 위해 와이어의 초전도체 층의 a-b 평면 내에 분포된 나노 크기 입자를 포함할 수 있다. 또한 본 출원인에게 양도된 동시 계류 중인 PCT 출원 PCT/US19/55745는 HTS 재료의 플럭스 피닝을 개시하고, 모든 목적을 위해 본 명세서에 통합된다. 본 명세서에서 논의된 맥락에서, a-b 평면 내의 상기 입자는 도 8에 도시된 바와 같이 초전도체 층(830)과 동일 평면인 평면 내부를 의미할 것이다. 특정 바람직한 실시형태에서, 피닝 입자의 배향은 도 8에서 페이지 바깥 방향에 대응하는 c-축(860)과 정렬된 피닝 중심과 대조적으로 HTS 층(830)의 a-b 평면(850) 내에 있다.
버퍼층 또는 층(810, 820)들의 증착 기반 2축 질감화는 이온 빔 지원 증착(IBAD), 펄스 레이저 증착(PLD), 경사 기판 증착(ISD) 또는 다른 방법을 통해 달성될 수 있다. 2축으로 질감화된 막은 결정 구조와 같은 돌 소금(암염)을 가질 수 있다. 2축 질감화는 최적의 초전도성 성능을 위해 기판(800)에 증착될 때 REBCO 초전도체 층의 적절한 결정학적 정렬을 위해 필요하다. 버퍼 재료는 플럭스 피닝을 위한 나노입자의 발달을 촉진하기 위해 버퍼(810, 820)와 REBCO HTS 층(830) 사이에서 원하는 격자 불일치를 보장하도록 지정될 수 있다.
2세대(2G) 고온 초전도체(HTS)의 경우, 플럭스 피닝력은 도입된 결함의 밀도, 크기 및 치수와 관계된다. 바람직한 실시형태에서, 비초전도성 플럭스 피닝 입자는 초전도체 층 내에서 무작위로 분산된다. 비초전도성 플럭스 피닝 사이트의 재료 조성은 RE2O3 및 BaMO3를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. RE2O3에 대해, RE는 Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 또는 Lu를 포함할 수 있다. BaMO3의 경우에, REBCO에서의 BaMO3 나노입자 형성물은 M의 추가 원소를 요구하며, 여기에서, M은 Ti, Zr, Al, Hf, Ir, Sn, Nb, Mo, Ta, Ce 및 V 원소 중 하나 이상을 포함한다.
비초전도성 플럭스 피닝 입자의 크기는 직경이 최대 100㎚ 이상일 수 있다. RE2O3 나노입자는 REBCO 초전도성 재료를 성장시키기 위한 전구체 증기 소스에 전형적으로 함유된 것 이상의 추가 원소의 필요 없이 REBCO 층의 a-b 평면 내에서 형성된다. 그러므로, 바람직한 실시형태에서, 비초전도성 플럭스 피닝 입자는 이물질의 도입 없이 초전도성 재료와 동시 증착된다. 입자가 실질적인 c-축 배향이 결여된 것이 현재 개시된 초전도성 와이어 및 제조 방법의 추가 특징이다. 이러한 a-b 평면 분포 나노입자의 형성물은 우선적으로 수직으로 배향된 나노입자를 생성하는 다른 성장 방법으로 통상적으로 발생하는 바와 같이 성장 속도를 감소시키지 않으면서 포토 지원 금속 유기 화학 기상 증착 (PAMOCVD) 공정을 사용하여 특정 바람직한 실시형태에서 달성될 수 있다.
도 9는 예시적인 PAMOCVD 반응기(900) 및 시스템을 도시하며, 이에 의해, UV 및 가시광선의 적용이 반응 공정에 에너지 소스를 제공하고, 이는 비초전도성 및 초전도성 재료의 증착 및 분포 동안 초전도성 재료뿐만 아니라 비초전도성 나노입자를 형성하기 위해 유입 원자의 이동도를 증가시키도록 열복사에 의해 도움을 받을 수 있다. UV/가시광선 소스(910)는 전형적으로 하나 이상의 외부 진공 펌프(930)에 의해 목표 압력에서 유지되는 저압 반응 챔버 또는 용기(920) 내에서 둘러싸이거나 또는 외부에 위치될 수 있다. 소스(910)는 기판(720)을 향해 원하는 파장 또는 파장의 범위를 방출하는 하나 이상의 램프로 구성될 수 있다. 램프는 입구 샤워헤드(940)에 인접하거나 이에 근접한 반응기에 배열될 수 있거나 또는 반응기 외부에 있을 수 있고, 전구체 출발 물질을 위한 공급 라인(950)으로부터 전구체(212)의 주입을 제공하는 샤워헤드 아래에 있는 기판(720)을 향해 윈도우를 통해 초점이 맞추어질 수 있다. 소스(910)는 전형적으로 이동하는 금속 호일 기판(720)의 성장 표면 상에 초점이 맞춰진다. 이러한 기판은 통상적으로 기판이 반응 용기(920)의 벽에 있는 슬릿(960)을 통과하는 릴대릴(reel to reel) 연속 공급 시스템에 제공된다.
비초전도성 플럭스 피닝 중심을 가지는 예시적인 YBCO HTS 재료는 다음을 포함하는 고체 전구체 공급물로 MOCVD에 의해 생성될 수 있다: 이트륨 트리스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄다이오네이트)(YC33H57O6 또는 Y(THD)3로서 약칭됨)으로서의 Y 전구체; 바륨 비스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄다이오네이트)(BaC22H38O4, 또는 Ba(THD)2로서 약칭됨)로서의 Ba 전구체, 및 구리 비스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄다이오네이트)(CuC22H38O4 또는 Cu(THD)2로 약칭됨)로서의 Cu 전구체, 여기에서, THD는 전형적으로 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄다이오네이트(C11H20O2)의 "음이온"이며, 따라서 THD는 C11H19O2이다.
특정의 바람직한 실시형태에서 REBCO 증착 표면은, REBCO 막이 도 9에 도시된 바와 같이 실질적으로 수직 입사각으로 성장되고 있는 테이프 기판에 충돌하는 방사선과 함께 REBCO 막이 성장하는 동안 방사 소스(910)로부터의 UV/가시광선 플럭스에 의해 지속적으로 조사된다. 임의의 비정규 방사 구성이 더 낮은 복사 밀도를 생성함에 따라서, 방사의 수직 배향은 표면에서 가장 높은 방사 밀도를 생성한다. 방사 소스 또는 소스(910)들이 입구 샤워헤드(940) 주위에 반구형 패턴으로 배열될 때, 노출은 표면을 타격하는 직각 및 0이 아닌 각도의 방사 둘 모두를 가질 수 있다.
성장 막의 표면에서 UV/가시광선은 그 표면 이동도를 향상시키기 위해 표면 원자를 에너지적으로 여기시킬 수 있으며, 그러므로 이것의 가장 낮은 에너지 구성의 보다 신속한 도달을 허용하고, 결과적으로 성장 막을 위한 고결정성 구조를 생성한다. REBCO를 위한 a-b 평면에서(즉, 주로 기판 평면 내에서)의 고결정 구조는 높은 전류 용량과 고성능을 촉진하는 것이다. 또한, 성장 막 위로부터 에너지를 공급하는 것에 의해 성장 표면에서 REBCO 막의 성장을 촉진하는 에너지의 국부화는 전형적인 가열된 기판 발열체(susceptor)의 사용에서와 같이 테이프 기판 아래로부터 에너지의 공급과 관련된 어떠한 열 지연도 제거한다.
성장하는 REBCO 층의 성장 표면에서 존재하는 UV/가시광선은 고도로 질감화된 REBCO의 성장 속도를 크게 향상시킨다. REBCO 테이프의 고성능 품질을 유지하면서 1.2 마이크론/분(㎛/min) 이상의 속도가 가능하다. 높은 성장 속도는 버퍼층 표면에서 REBCO 단위 셀을 형성하는 강착 요소(alighting element)의 언급된 표면 확산 향상을 포함하는 물리화학적 효과로 인한 것으로 제안된다. 성장 표면 상으로 강착함에 따라서 UV/가시광선에 의한 원자의 확산을 향상시키는 것은 표면 상에서의 원자의 가장 낮은 에너지 위치로 원자의 보다 신속한 이동을 허용하고, 그러므로 더욱 높은 성장 속도를 허용한다.
상기된 바와 같이, 성장 표면의 직접적인 방사선 노출은 원하는 경우 1.2 ㎛/min 이상 및 0.01 ㎛/min만큼 낮은 속도에서 높은 결정질 차수로 성장될 수 있는 REBCO(예를 들어, YBCO) 막을 초래한다. REBCO 막은 특정의 바람직한 예시적인 실시형태에서 2°내지 7°의 Δφ 및 1°내지 4°의 Δω의 x-선 회절 파라미터에 의해 한정된 바와 같은 고도의 결정 차수 또는 질감화로 성장된다. 그 전류 운반 용량에 의해 측정된 바와 같은 결과적인 예시적 YBCO 와이어 또는 테이프의 성능은 77K에서 500 A/㎝-폭 이상을 초과할 수 있다. 이러한 성능과 높은 성장 속도는 상업적으로 매력적인 경제성을 지닌 고성능 REBCO 와이어의 산업적 생산을 가능하게 한다.
바람직한 실시형태에서, 출발 전구체 재료의 유량 및 화학량론은 플럭스 피닝을 위한 REBCO 막에서 RE2O3 또는 BaMO3 나노입자를 동시 생산하기 위해 고도로 제어된다. 성장 속도는 전구체 유량, 나노입자의 적절한 양, 및 크기 및 분포를 보장하기 위한 소스 에너지 입력의 정밀한 제어에 의해 조정된다. 추가적으로, MOCVD 전구체 증기의 화학량론은 피닝 중심으로서 작용하는 2차상 비초전도성 입자의 조성을 결정하는데 기여한다. 본 발명의 비초전도성 입자는 특정 실시형태에서 과량의 RE 전구체 또는 과량의 Ba를 추가하고 새로운 M 전구체를 증기 유동에 도입하는 것에 의해 생성될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 고체 전구체 공급 시스템은 반응기의 증착 구역으로의 HTS 전구체의 정확하고 정확하게 제어된 전달을 상당히 돕는다.
고체 전구체 공급 시스템을 이용하여 고온 초전도체를 제조하는 방법이 이제 도 10과 관련하여 논의된다. 방법은 단계 1000에서, 시스템의 일부로서 제공된 반응기(900)에 기판(800)을 도입하는 단계를 포함하며, 스크루 공급 디바이스(220), 및 칭량 기구(120)에 결합된 전구체 분말 용기(215)를 포함하는 전구체 분말 공급 조립체(100)에 작동적으로 결합된 증발기(140)를 제공하는 단계를 단계 1010로서 더 포함한다. 단계 1020에서, 전구체 분말(212)은 전구체 분말(212)을 전구체 분말 공급 조립체(100)에 공급하도록 구성된 로드 록 조립체(110) 내로 적재되고, 전구체 분말(212)은 고온 박막 초전도체 층의 적어도 하나의 성분으로 구성된다. 단계 1030은 전구체 분말 용기(215) 중량을 모니터링하기 위해 제어 시스템(400)을 사용하는 단계를 포함하고, 단계 1040에서, 목표 전구체 분말 공급 속도를 증발기(140)에 제공하기 위해 분말 용기 중량(215)에 기초하여 공급 스크루(220) 속도를 제어하기 위해 그 중량을 사용한다. 단계 1060에서, 증발기(140)는, 단계 1060에서 캐리어 가스에 의해 반응기(900)로 수송되어 단계 1070에서 반응기(900)에서 기판(800) 상에 박막으로서 증착되는, 전구체 분말(212)을 증발기(140)에서 증발시킨다.
예시적인 한 실시형태에서, Y2O3 비초전도성 입자는 20 원자% 초과 이트륨 전구체를 가지는 전구체 혼합물을 이용하는 PAMOCVD 공정을 통해 플럭스 피닝 중심으로서 YBCO에서 형성된다. 이러한 예에서 HTS 재료의 증착 성장 속도는 CeO2 캡핑된 IBAD 버퍼링 기판에서 대략 0.2 ㎛/min이었다. 다른 실시형태에서, YBCO는 40 원자% 초과 이트륨 전구체로 증착된다. 이러한 예에서 HTS 재료의 증착 성장 속도는 LaMnO3 캡핑된 IBAD 버퍼링 기판에서 대략 0.25 ㎛/min이었다.
HTS 와이어를 위한 중요한 성능 메트릭은 특정 수직 또는 거의 수직 정렬없이 HTS 층에서 a-b 평면을 따라서 분포되는 플럭스 피닝을 위한 HTS 층에서 나노입자를 함유하는 와이어를 이용하여 높은 임계 전류를 달성하는 것이다. 450 A/㎝-폭 및 0.11 ㎜의 총 HTS 와이어 두께보다 큰 임계 전류는 자기장이 테이프 표면(H//c)에 직각일 때 4K 및 19T에서 얻어질 수 있다.
자기장에서 HTS 와이어의 성능은 또한 통상적으로 리프트 팩터(Lift Factor)로서 지칭되는 측정을 특징으로 한다. 리프트 팩터는 전형적으로 77K, 자체-필드에서의 임계 전류와 4K 및 20T와 같은 별도의 온도 및 필드에서의 임계 전류 사이의 비율로서 정의된다. 절대값인 임계 전류와 달리, 리프트 팩터는 두 값의 상대 관계를 제공한다. 본 개시내용의 특정의 예시적인 실시형태의 와이어는 2 이상의 리프트 팩터에 대응하는 4K, 20T(Ic(4K, 20T)/Ic(77K, 자체-필드))에서 리프트를 설명하였다.
높은 성장 속도에서 높은 임계 전류 성능을 유지하는 능력은 HTS 제품의 상업적 실행 가능성에 매우 중요하다. REBCO 초전도체 층의 두께는 REBCO의 성장 속도에 증착 시간을 곱한 값으로 정의할 수 있으며, 여기에서 성장 속도는 0.2 ㎛/min, 1.0 ㎛/min, 1.2 ㎛/min, 1.5 ㎛/min일 수 있는 동시에, 4K 및 20T에서 450 A/㎝-폭 이상의 임계 전류(Ic)와 40,000A/㎠ 이상의 대응하는 엔지니어링 임계 전류 밀도(JE)를 초래하는 높은 플럭스 피닝을 유지하며, 여기에서, 엔지니어링 임계 전류 밀도(JE)는 HTS 와이어의 총 단면적으로 나누어진 임계 전류(Ic)로서 정의된다.
HTS 제조를 위한 분말 공급 시스템의 성능의 예는 도 11에 도시되어 있다. 이 도표에서, 테이프(x-축(1110))를 따르는 다양한 길이 방향 위치에서 임계 전류(Ic)(1120)라는 면에서 HTS 와이어 성능은 공급 시스템 제어기 변수와 중첩된다. 그러므로. 이러한 도표에서, 특정 테이프 위치에 대한 증착 시간에서 작동하는 제어 시스템 요인의 함수로서 테이프 출력 또는 성능 특성의 크기와 가변성을 볼 수 있다. 상단 라인(1120)은 테이프 임계 전류(Ic)(A/㎝-폭)를 제공한다. 또한 도 3 내지 도 5에 관한 이전의 논의를 다시 참조하면; 도 11의 라인 1140은 로드 록 조립체가 전구체 분말의 재적재 또는 재충전을 겪는 동안 (실제 분말(212) 중량 또는 용기 중량 공제된(tared) 용기(215) 중량으로서) 중량 판독값(415)을 제공한다. 라인(1150)은 중량 판독값(415)의 함수로서 제어 시스템(400)에 의해 계산된 고체 전구체 공급 속도(460)를 제공하는 반면에, 라인(1160)은 공급 스크루(220) 속도 설정(540)을 보여준다.

Claims (20)

  1. 박막의 증착을 위한 전구체 공급 시스템으로서,
    공급 스크루 디바이스, 및 전구체 분말을 수용하기 위한 분말 용기를 포함하는 분말 공급기 조립체;
    상기 분말 공급기 조립체 분말 용기를 재적재하기 위한 압력 격리 챔버를 포함하는 로드 록 조립체(load lock assembly);
    상기 분말 용기에 결합되고, 상기 분말 용기에 있는 전구체 분말의 연속적인 질량 데이터를 제공하도록 구성된 칭량 기구;
    PID 루프 및 데이터 프로세서를 포함하는 제어 시스템; 및
    상기 분말 공급기 조립체로부터 전구체 분말을 수용하고 분말을 증발시키도록 구성된 증발기
    를 포함하되, 상기 제어 시스템 데이터 프로세서는 상기 증발기에 목표 전구체 분말 공급 속도를 전달하기 위해 상기 칭량 기구로부터의 연속적인 질량 데이터를 공급 스크루 속도로 변환하도록 구성된 알고리즘을 더 포함하는, 전구체 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분말 전구체는 하나 이상의 박막 성분으로 구성되는, 전구체 공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 로드 록 조립체는 상기 공급 시스템이 연속적으로 작동하는 동안 분말 전구체의 추가를 위해 상기 조립체를 격리하는 복수의 밸브를 더 포함하는, 전구체 공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 분말 혼합 및 분배를 돕는 교반기 디바이스를 더 포함하는, 전구체 공급 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 증발기는 출구 스크린을 더 포함하는, 전구체 공급 시스템.
  6. 박막의 증착을 위한 전구체 공급 시스템으로서,
    공급 스크루 디바이스, 및 전구체 분말을 수용하기 위한 분말 용기를 포함하는 분말 공급기 조립체;
    상기 분말 공급기 조립체를 재적재하기 위한 압력 격리 챔버를 포함하는 로드 록 조립체;
    PID 루프 및 데이터 프로세서를 포함하는 제어 시스템;
    상기 제어 시스템에 의해 수신 가능한 공정 변수 입력; 및
    상기 분말 공급기 조립체로부터 전구체 분말을 수용하고 분말을 증발시키도록 구성된 증발기
    를 포함하되, 상기 제어 시스템 데이터 프로세서는 상기 증발기에 목표 전구체 분말 공급 속도를 전달하기 위해 상기 공정 변수 입력을 공급 스크루 속도로 변환하도록 구성된 알고리즘을 더 포함하는, 전구체 공급 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 공정 변수 입력은 전구체 분말 질량인, 전구체 공급 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 공정 변수 입력은 상기 증발기를 빠져나가는 전구체 증기의 질량 유량인, 전구체 공급 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 상기 공정 변수 입력은 박막 층 두께인, 전구체 공급 시스템.
  10. 제6항에 있어서, 상기 공정 변수 입력은 상기 전구체의 질량 유동인, 전구체 공급 시스템.
  11. 제6항에 있어서, 상기 공정 변수 입력은 상기 전구체 증기 또는 박막의 조성인, 전구체 공급 시스템.
  12. 고온 초전도체를 제조하기 위한 방법으로서,
    반응기에 기판을 도입하는 단계;
    스크루 공급 디바이스, 및 칭량 기구에 결합된 전구체 분말 용기를 포함하는 전구체 분말 공급 조립체에 작동 가능하게 결합된 증발기를 제공하는 단계;
    상기 전구체 분말 공급 조립체에 전구체 분말을 공급하도록 구성된 로드 록 조립체에 전구체 분말을 적재하는 단계로서, 상기 전구체 분말은 고온 박막 초전도체의 적어도 하나의 성분으로 구성되는, 상기 전구체 분말을 적재하는 단계;
    전구체 분말 용기 중량을 모니터링하는 단계;
    상기 증발기에 목표 전구체 분말 공급 속도를 제공하기 위해 상기 분말 용기 중량에 기초하여 공급 스크루 속도를 제어하는 단계;
    상기 증발기에서 상기 전구체 분말을 증발시키는 단계;
    증발된 전구체를 상기 반응기로 수송하는 단계; 및
    상기 반응기에 있는 상기 기판 위에 박막을 증착하는 단계
    를 포함하는, 고온 초전도체를 제조하기 위한 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 로드 록 조립체는 상기 공급 시스템이 연속적으로 작동하는 동안 분말 전구체의 추가를 위해 상기 조립체를 격리하는 복수의 밸브를 더 포함하는, 고온 초전도체를 제조하기 위한 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 분말 전구체는 하나 이상의 박막 성분으로 구성되는, 고온 초전도체를 제조하기 위한 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 박막은 초전도체 층인, 고온 초전도체를 제조하기 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 박막은 강화된 플럭스 피닝(enhanced flux pinning)을 위한 비초전도성 결함을 가지는 초전도체 층인, 고온 초전도체를 제조하기 위한 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 반응기는 포토 지원 금속 유기 화학 기상 증착(PAMOCVD) 반응기인, 고온 초전도체를 제조하기 위한 방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 증착된 박막은 1.0 ㎛/min 이상의 성장 속도를 가지는, 고온 초전도체를 제조하기 위한 방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 초전도체 층은 4K, 20T(Ic(4K, 20T)/Ic(77K, 자체-필드))에서 2 이상의 리프트 팩터(lift factor)를 더 포함하는, 고온 초전도체를 제조하기 위한 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 리프트 팩터는 3 이상인, 고온 초전도체를 제조하기 위한 방법.
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