JP2004059983A

JP2004059983A - 酸化物超電導導体の製造方法及びその装置

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Publication number: JP2004059983A
Application number: JP2002218930A
Authority: JP
Inventors: Kazutomi Kakimoto; 柿本　一臣; Yasuhiro Iijima; 飯島　康裕
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】均質な酸化物超電導導体薄膜を具備した、長尺物の酸化物超電導導体を得るための方法と装置を提供する。
【解決手段】本発明の酸化物超電導導体の製造方法は、基材に電流を流して基材を加熱しながらターゲットから発生した粒子を堆積させて酸化物超電導導体を製造する方法とした。基材に電流を流すためには、基材を送出する装置と巻き取る装置の回転軸に電流接続端子を設け、回転軸にブラシを摺動させて電流を供給する装置を利用することができる。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、酸化物超電導線材等の長尺の酸化物超電導導体をスパッタリング、レーザ蒸着等の物理蒸着法を用いて作製する方法の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、酸化物系の超電導体を製造する方法として、真空蒸着法、スパッタリング法、レーザー蒸着法、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、ＩＶＤ法（イオン気相成長法）などの成膜法が知られているが、これらの各種の成膜法において、均質で超電導特性の良好な酸化物超電導薄膜を製造できる方法として、真空成膜プロセスを用い、ターゲットから発生させた粒子を対向基板上に堆積させるレーザー蒸着法が主として用いられている。
【０００３】
図４に代表的なレーザー蒸着方式の酸化物超電導導体製造装置の一例を示した。図中４０は処理容器を示し、この処理容器４０の内部の蒸着処理室４０ａの底部側には長尺のテープ状の基材４７が、その上方側にはターゲットホルダー４４に固定されたターゲット４５が各々設けられ、基材４７とターゲット４５の間にフィルター板４３が設けられている。一方、処理容器４０の外部に設けられたレーザー発振器５１を備えていて、反射ミラー５２，５４と集光レンズ５３を介してレーザービームを窓５５を通してターゲット４５に照射する。これによってターゲット４５からターゲットの構成粒子が叩き出されるかえぐり出され、基材４７上に粒子が順次堆積して酸化物超電導薄膜が形成される。前記ターゲット４５は酸化物超電導体、あるいは酸化物超電導体と近似組成の複合酸化物からなるものである。
【０００４】
このようなレーザー蒸着装置では、一般にガスレーザー発振器が使用される。ガスレーザーとしては励起状態の原子又は分子と、基底状態の原子又は分子が結合した２量体を使用したエキシマーレーザーが利用できる。ガスレーザーは簡単な装置で高出力のレーザー発振が容易に得られる利点がある。たとえば、エキシマーレーザーはＫｒＦ、ＸｅＣｌあるいはＡｒＦ等の希ガス２量体の混合気体中の放電やイオン照射によって生じる励起状態のエキシマーの誘導放出によって、パルス発振することを利用したものである。エキシマーレーザーでは、たとえば波長；１９０〜２５０ｎｍ、パルス幅；数ｎｓ、尖頭出力；数ＭＷ以上で高い繰り返し周波数で得られ、平均出力も大きい利点を有するので、産業用に広く利用されている。
前記フィルター板４３に形成した窓孔４３ａによって、ターゲット４５から発生して放射状に広がりつつ飛来する粒子（プルーム）のうち、一区画の粒子のみを基材４７上に堆積させることができるので、長さ方向に整った均一組成の酸化物超電導薄膜を有する、長尺の酸化物超電導導体薄膜が形成される。そしてこの薄膜を熱処理することで酸化物超電導薄膜を得ることができる。
【０００５】
このようなレーザー蒸着装置では、レーザー蒸着する際に加熱ヒータ４６を作動させて基材４７を間接加熱して５００〜８００℃に熱する。この他にも酸化物超電導膜性膜における加熱方法としては、ＣＶＤ法などで用いられるｈｏｔ−ｗａｌｌタイプ（反応管全体を外部加熱する方式）や、接触加熱、ランプ加熱等が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ｈｏｔ−ｗａｌｌタイプでは雰囲気全体を加熱するため両面成膜できる点では有利であるが、成膜時に管内が蒸着粒子により汚染されるために温度が安定し難い欠点がある。ランプ加熱でもランプヒーターの輻射熱放射窓が蒸着粒子により汚れるため、長時間安定した成膜が得られない欠点がある。さらに、接触加熱方式では、温度安定性は良いが片面成膜しかできない欠点がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、基材に電流を流して直接加熱する加熱方式を採用した。すなわち、本発明の酸化物超電導導体の製造方法は、蒸着処理室内に設けた酸化物超電導体、または酸化物超電導体と同等の組成あるいは成膜中に逃避し易い成分を多く含有させた複合酸化物の焼結体からなるターゲットから発生させた粒子を、ターゲットの近傍を移動中の基材上に連続的に堆積させて酸化物超電導導体を製造する方法において、基材に電流を流して基材を加熱しながらターゲットから発生した粒子を堆積させて酸化物超電導導体を製造する方法を採用した。
この方法を採用すれば、自己発熱による加熱のため長時間にわたって安定した温度制御が可能となる。また、非接触加熱のため両面に酸化物超電導導体を形成することが可能となる。
【０００８】
本発明の酸化物超電導導体の製造方法では、前記基材としてはハステロイを使用するのが好ましい。ハステロイは比抵抗が比較的高いので基材がヒーター線の役割を果たし、基材を高温に加熱することが容易となる。
【０００９】
上記のような製造方法を採用するための酸化物超電導導体の製造装置として、本発明の酸化物超電導導体の製造装置は、酸化物超電導体または複合酸化物の焼結体からなるターゲットと長尺の基材を配置した蒸着処理室を具備し、レーザービームを前記ターゲットに照射して長尺の基材上に連続して酸化物超電導体層を形成する酸化物超電導導体の製造装置であって、長尺の基材を移動させる送出装置と巻取り装置を具備し、該送出装置と巻取り装置を介して長尺の基材に電流を印加することが可能なように構成した酸化物超電導導体の製造装置を採用した。この装置によれば、基材に電流を通して直接加熱するので基材の温度管理が正確かつ容易となり、また、基材両面に付帯設備がないので両面同時に酸化物超電導導体を形成することが可能となる。
【００１０】
本発明の酸化物超電導導体の製造装置では、前記送出装置と巻取り装置のボビンに電流接続端子を具備した装置を利用することができる。また、前記送出装置と巻取り装置のボビンの回転軸を、前記電流接続端子と電気的に接続したものとする。そして、前記送出装置と巻取り装置のボビンの回転軸は、絶縁物を介してモーターシャフトに連結しておく。
酸化物超電導導体の製造装置をこのように構成することにより、長尺の基材のうち超電導導体層を形成する部分のみを最適温度に制御することが容易となり、長尺の基材に連続して均質な酸化物超電導導体層を形成することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。
図１は、本発明で使用する酸化物超電導導体の製造装置の一例につき、その構成を説明する図である。図１に示す酸化物超電導導体の製造装置では、長尺の基材１が送出装置１２から巻取り装置１３へ移動する間に、基材１の両面からレーザー蒸着により酸化物超電導体層を形成している。図１に示す例では２基のレーザー発振器１１，２１を使用し、レーザービーム１５，２５をターゲット１６，２６に照射して、これによってターゲット１６，２６から叩き出されるかえぐり出されたプルーム１７，２７を基材１の表面に当て、ターゲット構成粒子を基材１上に順次堆積させて酸化物超電導薄層を形成する。
【００１２】
前記ターゲット１６，２６は酸化物超電導体、あるいは酸化物超電導体と近似組成の複合酸化物からなるものである。
ターゲット材料としては、例えば、Ｙ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ、Ｓｍ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ、Ｎｄ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘなどで示される組成をもつレアアース系酸化物超電導材料のうちから選択された一種以上のものが用いられ、特に、Ｙ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘのＹ系酸化物超電導材料が好んで用いられる。
【００１３】
送出装置１２及び巻取り装置１３のボビンに電流接続端子３４，３４を取り付け、導線１９を介して電源１８と電気的に接続してある。このような装置を使用して、送出装置１２及び巻取り装置１３から基材１に対して電流を印加し、基材１の抵抗を利用して基材１自身を自己加熱し、基材１を５００℃〜８００℃、好ましくは６００℃〜７００℃に加熱してレーザー蒸着する。
なお、基材１の送出装置１２及び巻取り装置１３並びにターゲット１６，２６は処理容器中に収容されるが、図では処理容器は省略してある。
【００１４】
基材１はハステロイやステンレス等の高張力のテープ状の金属薄帯を使用する。基材として高張力の金属薄帯を使用すれば、磁場発生時において超電導導線に加わる強大な電磁力にも耐える強度を有する超電導導体を得ることができる。
特にハステロイを使用すれば比抵抗が約１０^２μΩ・ｃｍ程度と比較的高いので、基材自身がヒーター線の役割を果たし、基材を高温に加熱することが容易となるので好ましい。
【００１５】
図２は、送出装置１２又は巻取り装置１３の構造の一例を示す斜視図である。送出装置１２又は巻取り装置１３は、２枚のリール３１，３２によってボビン３６が挟持されており、ボビン３６にテープ状の基材が巻き付けられ、長尺の基材が送出装置１２から巻取り装置１３へ順次移送されるようになっている。
送出装置１２又は巻取り装置１３の中心部には銅リング３３が取り付けられており、銅リング３３には銅板からなる電流接続端子３４が接続されている。そして銅リング３３及び電流接続端子３４は、絶縁材３５を介してボビン３６に固定されている。
【００１６】
電流接続端子３４に電流を印加する方法には特に制限はないが、一例を図３に示す。図３は図２に示す送出装置１２又は巻取り装置１３のシャフトを通る断面図を示す。図３の例では、モーター（Ｍ）のシャフト２３と送出装置又は巻取り装置の回転軸２８とが絶縁体からなるカップリング２２によって連結されている。図中２４はカップリング２２を固定するボルトである。また、回転軸２８には２枚のリール３１，３２が嵌められており、リール３１，３２の間のボビン３６にテープ状の基材１が巻き取られている。
そして回転軸２８にはブラシ２０が摺動可能に取り付けられており、導線１９を通じて電流が印加される。
このような構造により、レーザー蒸着工程中わたって安定して基材１に制御された電流を印加することにより、基材の温度を最適に保ち、均質なレーザー蒸着粒子を形成して、高特性な超電導体とすることを可能にしている。
【００１７】
【実施例】
以下実施例を用いて説明する。
基材として厚さ０．１ｍｍのハステロイテープを使用し、基材の両面にＩＢＡＤ法によりＧｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_５中間層を形成した。次いで長さ１０ｍのテープ状基材　の両端末の中間層を剥ぎ取ってハステロイ基材を露出させ、この基材を図１に示す構造の装置の送出装置に巻き付け、他端を巻取り装置に装填した。図１に示す構造の装置の電流接続端子３４，３４間に１〜５０アンペア（Ａ）の制御された交流電流を流し、基板温度を７５０℃に維持した。そして２基のレーザー発振器からレーザービームをＹＢＣＯ（Ｙ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ）ターゲットに照射し、厚さ１μｍのＹＢＣＯ膜を形成した。熱処理後そのＹＢＣＯ膜のＩｃ（７７Ｋ）を測定した結果、１０ｍの全長にわたってＩｃ＝２００Ａ、Ｊｃ＝１ＭＡ／ｃｍ^２の均質な長尺超電導導体が得られていた。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、基材の自己発熱により加熱されるので、基材温度を最適条件に制御するのが容易となり、長尺の基材全域にわたって均質で高Ｉｃの酸化物超電導体が形成できる。
本実施例ではテープ状基材の両面に酸化物超電導体を形成する例について説明したが、片面のみに酸化物超電導体を形成する場合にも適用できる。さらに、本実施例ではレーザー蒸着の例について説明したが、真空蒸着法、スパッタリング法、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、ＩＶＤ法（イオン気相成長法）などの成膜法にも適用できるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用する酸化物超電導導体の製造装置の一例の構成を説明する図である。
【図２】本発明で使用する酸化物超電導導体の製造装置の、送出装置１２又は巻取り装置１３の構造の一例を示す斜視図である。
【図３】図２に示す送出装置１２又は巻取り装置１３のシャフトを通る断面図を示す。
【図４】従来の酸化物超電導導体製造装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１・・・・・基材、１１，２１・・・・・レーザー発振器、１０・・・・・超電導導体製造装置、１２・・・・・送出装置、１３・・・・・巻取り装置、１６，２６・・・・・ターゲット、　２０・・・・・ブラシ、２２・・・・・カップリング、３１，３２・・・・・リール、３３・・・・・銅リング、３４・・・・・電流接続端子、３５・・・・・絶縁材、３６・・・・・ボビン、３８・・・・・ターゲット、４７・・・・・基材、５１・・・・・レーザー発振器、５２，５４・・・・・反射ミラー、５３・・・・・集光レンズ、４６・・・・・加熱ヒーター

Claims

蒸着処理室内に設けた酸化物超電導体、または酸化物超電導体と同等の組成あるいは成膜中に逃避し易い成分を多く含有させた複合酸化物の焼結体からなるターゲットから発生させた粒子を、ターゲットの近傍を移動中の基材上に連続的に堆積させて酸化物超電導導体を製造する方法において、基材に電流を流して基材を加熱しながらターゲットから発生した粒子を堆積させることを特徴とする酸化物超電導導体の製造方法。
前記基材がハステロイであることを特徴とする請求項１に記載の酸化物超電導導体の製造方法。
酸化物超電導体または複合酸化物の焼結体からなるターゲットと長尺の基材を配置した蒸着処理室を具備し、レーザービームを前記ターゲットに照射して長尺の基材上に連続して酸化物超電導体層を形成する酸化物超電導導体の製造装置であって、長尺の基材を移動させる送出装置と巻取り装置を具備し、該送出装置と巻取り装置を介して長尺の基材に電流を印加することが可能なように構成してなることを特徴とする酸化物超電導導体の製造装置。
前記送出装置と巻取り装置のボビンに電流接続端子を具備してなることを特徴とする請求項３に記載の酸化物超電導導体の製造装置。
前記送出装置と巻取り装置のボビンの回転軸が、前記電流接続端子と電気的に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の酸化物超電導導体の製造装置。
前記送出装置及び巻取り装置のボビンの回転軸が、絶縁物を介してモーターシャフトに連結されていることを特徴とする請求項３に記載の酸化物超電導導体の製造装置。