Способ изготовления сверхпроводящего провода
Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления сверхпроводящего провода, и может быть использовано при изготовлении сверхпроводящих проводов методом реактивного магнетронного напыления. Повышение скорости изготовления буферных слоев сверхпроводящего провода с высоким критическим током является техническим результатом изобретения. C этой целью металлооксидные пленки сверхпроводящего провода стабильно формируют с высокой скоростью посредством регулирования реакций в переходной области реактивного магнетронного напыления, а способ включает в себя формирование на подложке буферного слоя, содержащего слой Al2O3, причем слой Al2O3 формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют первый газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического алюминия, при этом слой Al2O3 формируют с подачей первого газообразного кислорода при первой концентрации, являющейся концентрацией первого газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Al в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет не менее 25% и не более 80% от первого опорного значения, причем первое опорное значение является интенсивностью эмиссии Al, при которой концентрация первого газообразного кислорода равна нулю; и формирование сверхпроводящего слоя над буферным слоем. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 14 ил., 2 табл., 4 пр.
Область техники
[0001] Данное изобретение относится к способу изготовления сверхпроводящего провода.
Предпосылки изобретения
[0002] Сверхпроводящий провод второго поколения (проводник с покрытием) имеет многослойную структуру. Типичная архитектура представлена на ФИГ. 1, хотя каждый изготовитель проводов реализует некоторые оригинальные изменения в комбинации буферных слоев и их химическом составе. Известен сверхпроводящий провод, который содержит слой AlxO, сформированный методом реактивного магнетронного напыления в атмосфере с дефицитом кислорода (смотри, например, патентный документ 1). Здесь AlxO представляет собой богатый алюминием оксид алюминия.
[0003] Кроме того, известен сверхпроводящий провод, который содержит пленку MgO, сформированную методом реактивного магнетронного напыления, к которому применено осаждение с помощью ионного пучка (IBAD) (смотри, например, патентный документ 2).
[0004] Распыляемую мишень, используемую при обычном магнетронном напылении, выполняют из такого же материала, что и подлежащая формированию пленка. Следовательно, для формирования металлооксидной пленки обычным магнетронным напылением применяют распыляемую мишень, выполненную из оксида металла.
[0005] С другой стороны, когда металлооксидную пленку формируют методом реактивного магнетронного напыления, можно использовать распыляемую мишень, выполненную из металла, содержащегося в целевой металлооксидной пленке, с введением газообразного кислорода в качестве реакционного газа для окисления на месте (in situ) атомов металла в магнетронной плазме в ходе процесса осаждения.
[0006] Реактивное магнетронное напыление с использованием металлической распыляемой мишени характеризуется более высокой скоростью осаждения, чем обычное магнетронное напыление с использованием металлооксидной распыляемой мишени, даже если мощности магнетронов в обоих процессах равны, так как металл имеет более низкую энергию кристаллической решетки, чем оксид металла, содержащий этот металл.
[0007] Кроме того, металлооксидные распыляемые мишени стоят обычно дороже, чем металлические распыляемые мишени. Следовательно, применение реактивного магнетронного напыления может снижать себестоимость производства металлооксидной пленки.
[0008] По этим причинам применение реактивного магнетронного напыления для создания буферного слоя, содержащего последовательность металлооксидных пленок, при изготовлении сверхпроводящих проводов может обеспечить повышение темпа производства и снижение себестоимости производства готовой продукции.
Список цитируемой литературы
Патентная литература
[0009] Патентный документ PLT 1: WO 2015/033380 A1
Патентный документ PLT 2: Японский патент № 5830238
Сущность изобретения
Техническая проблема
[0010] Известно, что при реактивном магнетронном напылении скорость осаждения и состав тонких пленок значительно изменяются в зависимости от расхода подаваемого реакционного газа. Когда расход газообразного кислорода в качестве реакционного газа мал, атомы металла, распыляемые из металлической распыляемой мишени, осаждаются без реагирования с газообразным кислородом, в результате чего формируется металлическая пленка (режим напыления металла). Следовательно, в режиме напыления металла нельзя получить чистые металлооксидные пленки.
[0011] С другой стороны, когда расход газообразного кислорода в качестве реакционного газа велик, поверхность металлической распыляемой мишени окисляется. Следовательно, оксиды металлов распыляются с поверхности и осаждаются, в результате чего формируется металлооксидная пленка (режим напыления оксида). Однако скорость осаждения в режиме напыления оксида является низкой и не очень отличается от скорости осаждения при обычном магнетронном напылении с использованием металлооксидной распыляемой мишени.
[0012] Кроме того, между режимом напыления металла и режимом напыления оксида существует переходная область, демонстрирующая явление гистерезиса. Степень окисления на поверхности металлической распыляемой мишени в переходной области меньше, чем в режиме напыления оксида, а значит, из металлической распыляемой мишени распыляются как оксиды металла, так и атомы металла. В идеальном случае, окисление атомов металла должно происходить в магнетронной плазме, тогда как поверхность мишени должна состоять из чистого металла. Следовательно, скорость распыления в переходной области является более высокой, чем в режиме напыления оксида. Кроме того, атомы металла окисляются в плазме и осаждается твердый материал в виде оксидов металла, и, таким образом, получается целевая металлооксидная пленка.
[0013] Однако, поскольку реакция между атомами металла и газообразным кислородом является установившимся процессом и представляет динамическое равновесие между металлом, кислородом и оксидом металла, она нестабильна в переходной области, и формирование металлооксидных пленок с использованием переходной области прежде не осуществляли в обычных методах изготовления буферных слоев для проводников с покрытием.
[0014] Целью настоящего изобретения является повышение скорости изготовления буферных слоев сверхпроводящего провода. C этой целью металлооксидные пленки сверхпроводящего провода стабильно формируют с высокой скоростью посредством регулирования реакций в переходной области реактивного магнетронного напыления.
Решение проблемы
[0015] [1] Для достижения вышеупомянутой цели настоящее изобретение предлагает способ изготовления сверхпроводящего провода, включающий в себя:
формирование на подложке буферного слоя, включающего слой Al2O3, причем слой Al2O3 формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют первый газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического алюминия, при этом слой Al2O3 формируют с подачей первого газообразного кислорода при первой концентрации, причем первая концентрация является концентрацией первого газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Al в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет не менее 25% и не более 80% от первого опорного значения, причем первое опорное значение является интенсивностью эмиссии Al, при которой концентрация первого газообразного кислорода равна нулю; и
формирование сверхпроводящего слоя над буферным слоем.
[0016] [2] В способе изготовления сверхпроводящего провода по пункту [1] первая концентрация является концентрацией первого газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Al составляет не менее 30% и не более 80% от первого опорного значения.
[0017] [3] В способе изготовления сверхпроводящего провода по пункту [1] или [2] буферный слой включает слой Y2O3 на слое Al2O3, причем слой Y2O3 формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют второй газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического иттрия, при этом слой Y2O3 формируют с подачей второго газообразного кислорода при второй концентрации, причем вторая концентрация является концентрацией второго газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Y в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет не менее 15% и не более 90% от второго опорного значения, причем второе опорное значение является интенсивностью эмиссии Y, при которой концентрация второго газообразного кислорода равна нулю.
[0018] [4] В способе изготовления сверхпроводящего провода по пункту [3] вторая концентрация является концентрацией второго газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Y составляет не менее 30% и не более 80% от второго опорного значения.
[0019] [5] В способе изготовления сверхпроводящего провода по пункту [3] или [4] буферный слой включает слой MgO с биаксиально текстурированной структурой на слое Y2O3, причем слой MgO формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют третий газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического магния, и подводят вспомогательный пучок ионов Ar, при этом слой MgO формируют с подачей третьего газообразного кислорода при третьей концентрации, причем третья концентрация является концентрацией третьего газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Mg в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет менее 50% от третьего опорного значения, причем третье опорное значение является интенсивностью эмиссии Mg, при которой концентрация третьего газообразного кислорода равна нулю.
[0020] [6] В способе изготовления сверхпроводящего провода по пункту [3] или [4] буферный слой включает слой MgO с биаксиально текстурированной структурой на слое Y2O3, причем слой MgO формируют методом магнетронного напыления, в котором применяют распыляемую мишень, выполненную из MgO, и подводят вспомогательный пучок ионов Ar.
[0021] [7] Для достижения вышеупомянутой цели настоящее изобретение предлагает способ изготовления сверхпроводящего провода, включающий в себя:
формирование на подложке буферного слоя, включающего слой Y2O3, причем слой Y2O3 формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют второй газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического иттрия, при этом слой Y2O3 формируют с подачей второго газообразного кислорода при второй концентрации, причем вторая концентрация является концентрацией второго газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Y в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет не менее 15% и не более 90% от второго опорного значения, причем второе опорное значение является интенсивностью эмиссии Y, при которой концентрация второго газообразного кислорода равна нулю; и
формирование сверхпроводящего слоя над буферным слоем.
[0022] [8] В способе изготовления сверхпроводящего провода по пункту [7] вторая концентрация является концентрацией второго газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Y составляет не менее 30% и не более 80% от второго опорного значения.
[0023] [9] В способе изготовления сверхпроводящего провода по пункту [7] или [8] буферный слой включает слой MgO с биаксиально текстурированной структурой на слое Y2O3, причем слой MgO формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют третий газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического магния, и подводят вспомогательный пучок ионов Ar, при этом слой MgO формируют с подачей третьего газообразного кислорода при третьей концентрации, причем третья концентрация является концентрацией третьего газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Mg в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет менее 50% от третьего опорного значения, причем третье опорное значение является интенсивностью эмиссии Mg, при которой концентрация третьего газообразного кислорода равна нулю.
[0024] [10] В способе изготовления сверхпроводящего провода по пункту [7] или [8] буферный слой включает слой MgO с биаксиально текстурированной структурой на слое Y2O3, причем слой MgO формируют методом магнетронного напыления, в котором применяют распыляемую мишень, выполненную из MgO, и подводят вспомогательный пучок ионов Ar.
[0025] [11] Для достижения вышеупомянутой цели настоящее изобретение предлагает способ изготовления сверхпроводящего провода, включающий в себя:
формирование на подложке буферного слоя, включающего слой MgO, причем слой MgO формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют третий газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического магния, и в котором применяют осаждение с помощью ионного пучка, при этом слой MgO формируют с подачей третьего газообразного кислорода при третьей концентрации, причем третья концентрация является концентрацией третьего газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Mg в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет менее 50% от третьего опорного значения, причем третье опорное значение является интенсивностью эмиссии Mg, при которой концентрация третьего газообразного кислорода равна нулю; и
формирование сверхпроводящего слоя над буферным слоем.
Полезные эффекты изобретения
[0026] В соответствии с изобретением можно обеспечить способ изготовления сверхпроводящего провода, который позволяет изготавливать сверхпроводящий провод с высоким темпом производства и низкой стоимостью.
Краткое описание чертежей
[0027] [фиг. 1] ФИГ. 1 – вид в поперечном сечении сверхпроводящего провода в соответствии с вариантом осуществления.
[фиг. 2] ФИГ. 2 - блок-схема последовательности операций, представляющая способ изготовления сверхпроводящего провода в соответствии с вариантом осуществления.
[фиг. 3] ФИГ. 3 - схематическая иллюстрация устройства установки для реактивного магнетронного напыления, которую применяют для формирования буферного слоя в соответствии с вариантом осуществления.
[фиг. 4] ФИГ. 4 - увеличенная иллюстрация многопроходной катушечной системы напыления на ленту в соответствии с примером 1.
[фиг. 5] ФИГ. 5 показывает кривую A и кривую B в соответствии с примером 1. Кривая A показывает зависимость между концентрацией газообразного кислорода в качестве реакционного газа и интенсивностью эмиссии Al в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени. Кривая B показывает зависимость между концентрацией газообразного кислорода и скоростью осаждения Al-содержащей пленки, содержащей оба или любой из Al2O3 и Al.
[фиг. 6] ФИГ. 6 показывает скорости осаждения Al-содержащей пленки на каждую из первых перематываемых частей - седьмых перематываемых частей ленты, когда интенсивность эмиссии Al равна 37,5%, 50,0%, 62,5%, 75,0% или 87,5% в соответствии с примером 1.
[фиг. 7] ФИГ. 7 показывает зависимость между средним значением скоростей осаждения Al-содержащей пленки на первые перематываемые части - седьмые перематываемые части в многопроходной системе напыления и интенсивностью эмиссии Al в соответствии с примером 1.
[фиг. 8] ФИГ. 8 показывает кривую C и кривую D в соответствии с примером 2. Кривая C показывает зависимость между концентрацией газообразного кислорода в качестве реакционного газа и интенсивностью эмиссии Y в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени. Кривая D показывает зависимость между концентрацией газообразного кислорода и скоростью осаждения Y-содержащей пленки, содержащей оба или любой из Y2O3 и Y.
[фиг. 9] ФИГ. 9 показывает скорости осаждения Y-содержащей пленки на каждую из первых перематываемых частей - седьмых перематываемых частей ленты, когда интенсивность эмиссии Y равна 37,6%, 50,2%, 62,3%, 75,3% или 87,8% в соответствии с примером 2.
[фиг. 10] ФИГ. 10 показывает зависимость между средним значением скоростей осаждения Y-содержащей пленки на первые перематываемые части - седьмые перематываемые части и интенсивностью эмиссии Y в соответствии с примером 2.
[фиг. 11] ФИГ. 11 показывает кривую E и кривую F в соответствии с примером 3. Кривая E показывает зависимость между концентрацией газообразного кислорода в качестве реакционного газа и интенсивностью эмиссии Mg в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени. Кривая F показывает зависимость между концентрацией газообразного кислорода и скоростью осаждения Mg-содержащей пленки, содержащей оба или любой из MgO и Mg.
[фиг. 12] ФИГ. 12 - измеренные данные критического тока Iкр в зависимости от длины сверхпроводящего провода в качестве готового продукта в соответствии с примером 3.
[фиг. 13] ФИГ. 13 - график, который показывает зависимость критического тока Iкр от длины первого образца в соответствии с примером 4.
[фиг. 14] ФИГ. 14 - график, который показывает зависимость критического тока Iкр от длины второго образца в соответствии с примером 4.
Описание вариантов осуществления
(Структура сверхпроводящего провода)
[0028] ФИГ. 1 является видом в вертикальном поперечном сечении сверхпроводящего провода 1. Сверхпроводящий провод 1 содержит металлическую подложку 10, буферный слой 20, сформированный на подложке 10, слой 30 CeO2, сформированный на буферном слое 20, сверхпроводящий слой 40, сформированный на слое 30 CeO2 и защитный слой 50, сформированный на сверхпроводящем слое 40.
[0029] Буферный слой 20 содержит по меньшей мере один слой, выбранный из группы, состоящей из слоя 21 Al2O3, слоя 22 Y2O3 и слоя 23 MgO. Кроме того, буферный слой 20 предпочтительно содержит два или три слоя, выбранных из этой группы. Буферный слой 20 имеет толщину в диапазоне, например, от 20 до 180 нм.
[0030] Когда в буферном слое 20 содержатся слой 21 Al2O3 и слой Y2O3, слой 22 Y2O3 сформирован на слое 21 Al2O3. Когда в буферном слое 20 содержатся слой 22 Y2O3 и слой 23 MgO, слой 23 MgO сформирован на слое 22 Y2O3. Когда в буферном слое 20 содержатся слой 21 Al2O3 и слой 23 MgO, слой 23 MgO сформирован на верхней стороне слоя 21 Al2O3. Когда в буферном слое 20 содержатся слой 21 Al2O3, слой 22 Y2O3 и слой 23 MgO, слой 22 Y2O3 сформирован на слое 21 Al2O3, а слой 23 MgO сформирован на слое 22 Y2O3.
[0031] В примерах, показанных на ФИГ. 1, буферный слой 20 содержит слой 21 Al2O3, слой 22 Y2O3, сформированный на слое 21 Al2O3, слой 23 MgO, сформированный на слое 22 Y2O3, и слой 24 LaMnO3, сформированный на слое 23 MgO.
[0032] Слой 21 Al2O3 сформирован методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического алюминия. Слой 22 Y2O3 сформирован методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического иттрия.
[0033] Слой 23 MgO сформирован методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического магния, и подводят вспомогательный пучок ионов Ar, применяемый в способе осаждения с помощью ионного пучка (IBAD). В качестве альтернативы, вместо слоя 23 MgO можно использовать другой слой MgO, сформированный методом магнетронного напыления, в котором применяют распыляемую мишень, выполненную из MgO, и подводят вспомогательный пучок ионов Ar.
[0034] Кроме слоя 21 Al2O3, слоя 22 Y2O3 и слоя 23 MgO, в буферном слое 20 сформированы один или более слоев, например, способами физического осаждения из газовой фазы или химического осаждения из раствора.
[0035] Слой 21 Al2O3 имеет толщину в диапазоне, например, от 20 до 80 нм. Слой 22 Y2O3 имеет толщину в диапазоне, например, от 7 до 35 нм.
[0036] Слой 23 MgO имеет биаксиально текстурированную структуру. Слой 23 MgO может содержать легирующую примесь, такую как Ca, Sr или Cu. Слой 23 MgO имеет толщину в диапазоне, например, от 5 до 20 нм. Кроме того, вместо слоя 23 MgO может быть применен другой слой, который имеет биаксиально текстурированную структуру, выполненную из материалов со структурой каменной соли, отличных от MgO.
[0037] В случае, когда слой, непосредственно сформированный на слое 23 MgO, такой как слой 24 LaMnO3, имеет перовскитную структуру, кристаллическая решетка слоя согласуется со слоем 23 MgO.
[0038] Подложка 10 является лентовидной подложкой и главным образом содержит металл или металлические сплавы, такие как хастеллой (товарный знак). Кроме того, в качестве подложки 10 можно применить ленту из нержавеющей стали или ленту со слоем Y2O3, приготовленным по способу планаризации-осаждения из раствора. Подложка 10 имеет толщину в диапазоне, например, от 20 до 100 микрометров.
[0039] Слой 24 LaMnO3 может выполнять функцию верхнего слоя, который подавляет химическую реакцию между слоем 23 MgO и сверхпроводящим слоем 40. Дополнительно, слой 24 LaMnO3 улучшает согласование кристаллических решеток для эпитаксиального выращивания сверхпроводящего слоя 40. Слой 24 LaMnO3 имеет толщину в диапазоне, например, от 20 до 50 нм.
[0040] Слой 30 CeO2 является буферным слоем между слоем 24 LaMnO3 и сверхпроводящим слоем 40. Слой 30 CeO2 может быть легирован редкоземельным элементом, таким как Gd, для улучшения текстуры слоя 30 CeO2 и повышения диффузии кислорода в процессе отжига в атмосфере кислорода. Когда ионы кислорода диффундируют из слоя 30 CeO2 в сверхпроводящий слой 40, можно добиться равномерного распределения ионов кислорода в сверхпроводящем слое 40 за меньшее время.
[0041] Слой 30 CeO2 сформирован с согласованием кристаллических решеток на слое 24 LaMnO3, имеющем перовскитную структуру. Слой 30 CeO2 имеет толщину в диапазоне, например, от 100 до 500 нм.
[0042] Следует отметить, что слой 30 CeO2 может и не содержаться в сверхпроводящем проводе 1. То есть, сверхпроводящий слой 40 сформирован непосредственно или опосредованно на буферном слое 20. Иначе говоря, сверхпроводящий слой 40 сформирован над буферным слоем 20.
[0043] Сверхпроводящий слой 40 предпочтительно содержит, главным образом, сверхпроводящий материал с высокой Tкр, такой как REBa2Cu3O6+x, где RE представляет редкоземельный элемент, такой как Y, Nd, Eu или Gd. Кроме того, сверхпроводящий слой 40 предпочтительнее содержит, главным образом, YBa2Cu3O6+x или GdBa2Cu3O6+x, или их сочетание. Сверхпроводящий слой 40 может содержать непроводящие наночастицы для улучшения сверхпроводящих свойств в магнитном поле. Сверхпроводящий слой 40 имеет толщину в диапазоне, например, от 1 до 6 микрометров.
[0044] Защитный слой 50 защищает сверхпроводящий слой 40 от окружающей атмосферы и механического повреждения и обеспечивает хороший электрический контакт. Защитный слой 50 содержит Ag или тому подобное. Защитный слой 50 имеет толщину в диапазоне, например, от 0,5 до 10,0 микрометров.
(Изготовление сверхпроводящего провода)
[0045] Пример процесса изготовления сверхпроводящего провода 1 описан ниже.
[0046] ФИГ. 2 является блок-схемой последовательности операций, представляющей процесс изготовления сверхпроводящего провода 1. Сначала выполняют электролитическое полирование поверхности подложки 10 (этап S1).
[0047] Затем формируют слой 21 Al2O3 на подложке 10 (этап S2). Слой 21 Al2O3 формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического алюминия. Слой 21 Al2O3 формируют, подавая газообразный кислород при первой концентрации. Первую концентрацию устанавливают равной концентрации газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Al в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет не менее 25% и не более 80% от первого опорного значения, чтобы обеспечить в достаточной мере более высокую скорость осаждения, чем у обычного магнетронного напыления с использованием металлооксидной распыляемой мишени. В данном случае «вблизи поверхности распыляемой мишени» означает, например, «в диапазоне 0-3 см над поверхностью распыляемой мишени». Первое опорное значение является интенсивностью эмиссии Al, при которой концентрация газообразного кислорода равна нулю. Реактивное магнетронное напыление главным образом достигается в переходной области и может быть достигнуто только в переходной области.
[0048] Затем формируют слой 22 Y2O3 на слое 21 Al2O3 (этап S3). Слой 22 Y2O3 формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического иттрия. Слой 22 Y2O3 формируют, подавая газообразный кислород при второй концентрации. Вторую концентрацию устанавливают равной концентрации кислорода, при которой интенсивность эмиссии Y в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет не менее 15% и не более 90% от второго опорного значения, чтобы обеспечить в достаточной мере более высокую скорость осаждения, чем у обычного магнетронного напыления с использованием металлооксидной распыляемой мишени. В данном случае «вблизи поверхности распыляемой мишени» означает, например, «в диапазоне 0-3 см над поверхностью распыляемой мишени». Второе опорное значение является интенсивностью эмиссии Y, при которой концентрация газообразного кислорода равна нулю. Реактивное магнетронное напыление главным образом достигается в переходной области и может быть достигнуто только в переходной области.
[0049] Первая концентрация может быть концентрацией газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Al составляет не менее 30% и не более 65% от первого опорного значения. Вторая концентрация может быть концентрацией газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Y составляет не менее 35% и не более 65% от второго опорного значения.
[0050] Затем формируют слой 23 MgO на слое 22 Y2O3 (этап S4). Слой 23 MgO формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического магния, и подводят вспомогательный пучок ионов Ar. Слой 23 MgO формируют, подавая газообразный кислород при третьей концентрации. В случае, когда применяют распыляемую мишень, выполненную из металлического магния, третью концентрацию устанавливают равной концентрации кислорода, при которой интенсивность эмиссии Mg в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет менее 50% от третьего опорного значения, чтобы обеспечить в достаточной мере более высокую скорость осаждения, чем у обычного магнетронного напыления с использованием металлооксидной распыляемой мишени. В данном случае «вблизи поверхности распыляемой мишени» означает, например, «в диапазоне 0-3 см над поверхностью распыляемой мишени». Третье опорное значение является интенсивностью эмиссии Mg, при которой концентрация газообразного кислорода равна нулю. Реактивное магнетронное напыление главным образом достигается в переходной области и может быть достигнуто только в переходной области.
[0051] В ходе реактивного магнетронного напыления, при котором подводят вспомогательный пучок ионов Ar, MgO наносят методом реактивного магнетронного напыления, облучая ионами Ar в качестве вспомогательных ионов, что формирует слой 23 MgO.
[0052] Затем на слое 23 MgO формируют слой 24 LaMnO3 способами ВЧ магнетронного напыления, магнетронного напыления разрядом постоянного тока или импульсного лазерного напыления (PLD) (этап S5).
[0053] Затем на слое 24 LaMnO3 формируют слой 30 CeO2 способом PLD или ВЧ магнетронного напыления (этап S6).
[0054] Затем на слое 30 CeO2 формируют сверхпроводящий слой 40 способом PLD (этап S7). Кроме того, в сверхпроводящий слой 40 следует ввести кислород посредством отжига в атмосфере кислорода. Концентрация кислорода в сверхпроводящем слое 40 существенна для его сверхпроводящих характеристик, таких как например, критическая температура и критический ток.
[0055] Затем на сверхпроводящем слое 40 формируют защитный слой 50 способом магнетронного напыления разрядом постоянного тока (этап S8).
[0056] Затем соответствующим образом корректируют количество кислорода в сверхпроводящем слое 40 посредством отжига в атмосфере кислорода (этап S9).
[0057] ФИГ. 3 представляет собой схематическую иллюстрацию устройства 60 для реактивного магнетронного напыления, которое применяют для формирования буферного слоя 20.
[0058] Устройство 60 для реактивного магнетронного напыления содержит подающую катушку 61 для подачи ленты 70, направляющие катушки 62 и 63 для перемотки ленты 70, подаваемой подающей катушкой 61, распыляемую мишень 64 с магнетронной головкой для формирования металлооксидной пленки, например, слоя 21 Al2O3, слоя 22 Y2O3 или слоя 23 MgO, на ленте 70, перематываемой направляющими катушками 62 и 63, и приемную катушку 66 для наматывания имеющей металлооксидную пленку ленты 70. Кроме того, как показано на ФИГ. 3, устройство 60 для реактивного магнетронного напыления может содержать направляющие валики 68 между подающей катушкой 61 и направляющей катушкой 62 и между направляющей катушкой 63 и приемной катушкой 66.
[0059] Кроме того, в устройстве 60 для реактивного магнетронного напыления применяется вспомогательная ионная пушка 67 для испускания вспомогательного пучка ионов Ar, когда изготавливают текстурированный слой, такой как слой 23 MgO.
[0060] Лента 70 состоит из подложки 10 или подложки 10 и слоя, уже сформированного на подложке 10.
[0061] Интенсивность эмиссии металла, такого как Al, Y или Mg, в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени 64 измеряют контроллером эмиссии плазмы или тому подобным, соединенным с блоком 71 фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Оптическое излучение плазмы, которое заходит в коллиматор 72, распространяется по оптическому волокну 73 и детектируется блоком 71 ФЭУ.
[0062] В данном случае, интенсивности оптического излучения плазмы около длин волн 396,5 нм, 407,5 нм и 285,0 нм детектируются для измерения интенсивности эмиссии соответственно Al, Y и Mg.
Пример 1
[0063] Предпочтительные условия формирования слоя 21 Al2O3 методом реактивного магнетронного напыления были определены экспериментальным путем.
[0064] В примере 1 в качестве контроллера эмиссии плазмы применяли контроллер эмиссии плазмы RU-1000, изготавливаемый компанией HORIBA STEC, Co., Ltd. Кроме того, в качестве подложки 10 применяли электролитически полированную ленту из сплава хастеллой толщиной 60 мкм (микрометров) и шириной 12 мм и с шероховатостью поверхности менее 1 нм. Кроме того, в качестве распыляемой мишени 64 для формирования слоя 21 Al2O3 применяли распыляемую мишень, выполненную из металлического алюминия.
[0065] ФИГ. 4 является увеличенной иллюстрацией многопроходной катушечной системы напыления на ленту в примере 1 в соответствии с настоящим изобретением. Как показано на ФИГ. 4, число перемоток ленты 70 направляющими катушками 62 и 63 составляло 7.
[0066] Сначала выяснили, что стабильная плазма получалась, когда плотность мощности магнетрона была не более 15 Вт/см2, а давление газообразного Ar было не менее 0,35 Па и не более 4,0 Па. Когда плотность мощности магнетрона превышала 15 Вт/см2, образовывался дуговой разряд. Когда давление газообразного Ar выходило за пределы диапазона от 0,35 Па до 4,0 Па, плазма была нестабильной и часто затухала. Кроме того, когда давление газообразного Ar было не более 0,5 Па, получали более высокую скорость осаждения. Кроме того, когда температура в реакционной камере была не менее 80 градусов C и не более 170 градусов C, получали Al-содержащие пленки высокого качества.
[0067] ФИГ. 5 показывает кривую A и кривую B. Кривая A показывает зависимость между концентрацией газообразного кислорода в качестве реакционного газа и интенсивностью эмиссии Al в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени 64. Кривая B показывает зависимость между концентрацией газообразного кислорода и скоростью осаждения Al-содержащей пленки, содержащей оба или любой из Al2O3 и Al.
[0068] Горизонтальная ось на ФИГ. 5 представляет концентрацию газообразного кислорода в реакционной камере. Левая ось представляет интенсивность эмиссии Al в плазме в диапазоне 0-3 см над поверхностью распыляемой мишени 64, которую измеряли блоком 71 ФЭУ, и интенсивность эмиссии представлена в процентах по отношению к первому опорному значению, которое является интенсивностью эмиссии Al, при которой концентрация газообразного кислорода равна нулю. Правая ось представляет скорость осаждения Al-содержащей пленки (Å/с, Ангстрем/с), которую измеряли датчиком в виде микровесов на кристалле кварца (QCM), размещенным около поверхности подложки.
[0069] Скорость осаждения Al-содержащей пленки, показанную на ФИГ. 5, измеряли на первой перематываемой части 70a ленты 70 между направляющей катушкой 62 и направляющей катушкой 63.
[0070] Кривая A показывает, что интенсивность эмиссии Al снижается с повышением концентрации газообразного кислорода. Это объясняется тем, что степень окисления поверхности распыляемой мишени 64 повышается с повышением концентрации газообразного кислорода. Следовательно, Al-содержащая пленка из почти чистого Al получается тогда, когда концентрация газообразного кислорода низка (в режиме напыления металла), и Al-содержащая пленка из почти чистого Al2O3 получается тогда, когда концентрация газообразного кислорода высока (в режиме напыления оксида). На ФИГ. 5 приближенно показана переходная область между режимом напыления металла и режимом напыления оксида.
[0071] Кривая B показывает, что скорость осаждения Al-содержащей пленки быстро снижается вблизи режима напыления оксида. Это объясняется тем, что поверхность распыляемой мишени 64 окисляется, и оксид Al обладает большей энергией кристаллической решетки, чем Al, что приводит к более низкой скорости распыления.
[0072] ФИГ. 6 показывает скорости осаждения Al-содержащей пленки на каждую из первых перематываемых частей 70a - седьмых перематываемых частей 70g ленты 70, когда интенсивность эмиссии Al равна 37,5%, 50,0%, 62,5%, 75,0% или 87,5%.
[0073] ФИГ. 7 показывает зависимость между средним значением скоростей осаждения Al-содержащей пленки на первые перематываемые части 70a - седьмые перематываемые части 70g в многопроходной системе напыления и интенсивностью эмиссии Al.
[0074] Когда скорость осаждения Al-содержащей пленки является высокой, скорость подачи ленты 70 для формирования Al-содержащей пленки, имеющей заданную толщину, может быть высокой.
[0075] В таблице 1 представлены скорости подачи ленты 70 для формирования Al-содержащей пленки, имеющей толщину 68 нм, когда интенсивность эмиссии Al равна 37,5%, 50,0%, 62,5%, 75,0% или 87,5%, и соответствующие критические токи сверхпроводящих проводов в качестве готовой продукции.
[0076] [Таблица 1]
| Интенсивность эмиссии Al (%) | Скорость подачи ленты (м/ч) | Критический ток (A) |
| 37,5 | 74 | 40 |
| 50,0 | 100 | 305 |
| 62,5 | 114 | 323 |
| 75,0 | 121 | 154 |
| 87,5 | 123 | 0 |
| Контроль Al2O3 | 50 | 310 |
[0077] Сверхпроводящие провода получали способом, в котором пленку Y2O3, пленку MgO, пленку LaMnO3, пленку CeO2, пленку GdBa2Cu3O7 и пленку Ag последовательно формировали на Al-содержащей пленке. Пленку Y2O3 и пленку LaMnO3 формировали методом обычного ВЧ магнетронного напыления. Пленку MgO формировали методом магнетронного напыления, при котором подводили вспомогательный пучок ионов Ar. Пленку CeO2 и пленку GdBa2Cu3O7 формировали способом PLD. Пленку Ag формировали методом обычного магнетронного напыления разрядом постоянного тока.
[0078] Кроме того, таблица 1 показывает скорость подачи ленты 70 для формирования пленки Al2O3, имеющей толщину 68 нм, методом обычного ВЧ магнетронного напыления, и критический ток сверхпроводящего провода, имеющего пленку Al2O3 вместо Al-содержащей пленки, в качестве контрольных данных.
[0079] Скорость подачи ленты 70 была выше, чем контрольные данные, когда интенсивность эмиссии Al приблизительно составляла не менее 30% и не более 80%, и сверхпроводящий провод продемонстрировал сверхпроводящую характеристику. Кроме того, сверхпроводящий провод обладал примерно таким же критическим током, как контрольные данные, когда интенсивность эмиссии Al приблизительно составляла не менее 50% и не более 65%. Кроме того, состав Al-содержащей пленки состоял из почти чистого Al2O3, когда интенсивность эмиссии Al была не менее 30% и не более 80%.
[0080] Следовательно, концентрация газообразного кислорода для формирования слоя 21 Al2O3 (первая концентрация) предпочтительно является концентрацией, при которой интенсивность эмиссии Al в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет не менее 30% и не более 80% от первого опорного значения, и, предпочтительнее, является концентрацией, при которой интенсивность эмиссии Al в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет не менее 50% и не более 65% от первого опорного значения.
Пример 2
[0081] Предпочтительные условия формирования слоя 22 Y2O3 методом реактивного магнетронного напыления были определены экспериментальным путем.
[0082] В примере 2, как и в примере 1, в качестве контроллера эмиссии плазмы применяли контроллер эмиссии плазмы RU-1000, изготавливаемый компанией HORIBA STEC, Co., Ltd. Кроме того, лента 70 в примере 2 состояла из электролитически полированной ленты из сплава хастеллой, имеющей ширину 12 мм, в качестве подложки 10 и пленки Al2O3, сформированной на ленте из сплава хастеллой посредством обычного ВЧ магнетронного напыления. Кроме того, в качестве распыляемой мишени 64 для формирования слоя 22 Y2O3 применяли распыляемую мишень, выполненную из металлического иттрия.
[0083] Как показано на ФИГ. 4, число перемоток ленты 70 направляющими катушками 62 и 63 составляло 7.
[0084] Сначала выяснили, что стабильная плазма получалась, когда плотность мощности магнетрона была не более 13 Вт/см2, а давление газообразного Ar было не менее 0,25 Па и не более 1,5 Па. Когда плотность мощности магнетрона превышала 13 Вт/см2, образовывался дуговой разряд. Когда давление газообразного Ar выходило за пределы диапазона от 0,25 Па до 1,5 Па, плазма была нестабильной и часто затухала. Кроме того, когда давление газообразного Ar было не менее 0,75 Па и не более 0,85 Па, получали более высокую скорость осаждения. Слой 22 Y2O3 формировали при комнатной температуре, чтобы избежать кристаллизации слоя 22 Y2O3.
[0085] ФИГ. 8 показывает кривую C и кривую D. Кривая C показывает зависимость между концентрацией газообразного кислорода в качестве реакционного газа и интенсивностью эмиссии Y в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени 64. Кривая D показывает зависимость между концентрацией газообразного кислорода и скоростью осаждения Y-содержащей пленки, содержащей оба или любой из Y2O3 и Y.
[0086] Горизонтальная ось на ФИГ. 8 представляет концентрацию газообразного кислорода в реакционной камере. Левая ось представляет интенсивность эмиссии Y в плазме в диапазоне 0-3 см над поверхностью распыляемой мишени 64, которую измеряли блоком 71 ФЭУ, и интенсивность эмиссии представлена в процентах по отношению ко второму опорному значению, которое является интенсивностью эмиссии Y, при которой концентрация газообразного кислорода равна нулю. Правая ось представляет скорость осаждения Y-содержащей пленки (Å/с, Ангстрем/с), которую измеряли QCM-датчиком.
[0087] Скорость осаждения Y-содержащей пленки, показанную на ФИГ. 8, измеряли на первой перематываемой части 70a ленты 70 между направляющей катушкой 62 и направляющей катушкой 63.
[0088] Кривая C показывает, что интенсивность эмиссии Y снижается с повышением концентрации газообразного кислорода. Это объясняется тем, что степень окисления поверхности распыляемой мишени 64 повышается с повышением концентрации газообразного кислорода. Следовательно, Y-содержащая пленка из почти чистого Y получается тогда, когда концентрация газообразного кислорода низка (в режиме напыления металла), а Y-содержащая пленка из почти чистого Y2O3 получается тогда, когда концентрация газообразного кислорода высока (в режиме напыления оксида). На ФИГ. 8 приближенно показана переходная область между режимом напыления металла и режимом напыления оксида.
[0089] Кроме того, когда интенсивность эмиссии Y не превышала 35%, скорость работы контроллера эмиссии плазмы была недостаточной для стабильного управления режимом осаждения Y-содержащей пленки, так как окисление поверхности распыляемой мишени 64 происходило резко. Кроме того, кривая D показывает, что скорость осаждения Y-содержащей пленки резко снижалась, когда интенсивность эмиссии Y составляла не более 30%. Это может быть обусловлено тем, что скорость осаждения находилась за пределами измеримого диапазона QCM-датчика.
[0090] ФИГ. 9 показывает скорости осаждения Y-содержащей пленки на каждую из первых перематываемых частей 70a - седьмых перематываемых частей 70g ленты 70, когда интенсивность эмиссии Y равна 37,6%, 50,2%, 62,3%, 75,3% или 87,8%.
[0091] ФИГ. 10 показывает зависимость между средним значением скоростей осаждения Y-содержащей пленки на первые перематываемые части 70a - седьмые перематываемые части 70g и интенсивностью эмиссии Y.
[0092] Когда скорость осаждения Y-содержащей пленки является высокой, скорость подачи ленты 70 для формирования Y-содержащей пленки, имеющей заданную толщину, может быть высокой.
[0093] В таблице 2 представлены скорости подачи ленты 70 для формирования Y-содержащей пленки, имеющей толщину 45 нм, когда интенсивность эмиссии Y равна 37,6%, 50,2%, 62,3%, 75,3% или 87,8%, и критические токи сверхпроводящих проводов в качестве готовой продукции.
[0094] [Таблица 2]
| Интенсивность эмиссии Y (%) | Скорость подачи ленты (м/ч) | Критический ток (A) |
| 37,6 | 150 | 335 |
| 50,2 | 200 | 307 |
| 62,3 | 225 | 351 |
| 75,3 | 260 | 323 |
| 87,8 | 280 | 295-310 |
| Контроль Y2O3 | 80 | 319 |
[0095] Сверхпроводящие провода получали способом, в котором пленку MgO, пленку LaMnO3, пленку CeO2, пленку GdBa2Cu3O7 и пленку Ag последовательно формировали на Y-содержащей пленке. Пленку LaMnO3 формировали методом обычного ВЧ магнетронного напыления. Пленку MgO формировали методом магнетронного напыления, при котором подводили вспомогательный пучок ионов Ar. Пленку CeO2 и пленку GdBa2Cu3O7 формировали способом PLD. Пленку Ag формировали методом обычного магнетронного напыления разрядом постоянного тока.
[0096] Дополнительно, таблица 2 показывает скорость подачи ленты 70 для формирования пленки Y2O3, имеющей толщину 45 нм, методом обычного ВЧ магнетронного напыления, и критический ток сверхпроводящего провода, имеющего пленку Y2O3 вместо Y-содержащей пленка, в качестве контрольных данных.
[0097] Скорость подачи ленты 70 была выше, чем контрольные данные, когда интенсивность эмиссии Y приблизительно составляла не менее 30% и не более 90%, и сверхпроводящий провод обладал примерно таким же критическим током, как и контрольные данные. С другой стороны, в соответствии с ФИГ. 8, с 80% наступает резкое снижение интенсивности эмиссии Y, а это означает, что металл быстро окисляется в плазме и получается высококачественная пленка Y2O3. Кроме того, когда интенсивность эмиссии Y приблизительно составляла не менее 30% и не более 65%, удавалось подавить рассеяние критического тока. Кроме того, состав Y-содержащей пленки состоял из почти чистого Y2O3, когда интенсивность эмиссии Y была не менее 30% и не более 90%.
[0098] Следовательно, концентрация газообразного кислорода для формирования слоя 22 Y2O3 (вторая концентрация) предпочтительно является концентрацией, при которой интенсивность эмиссии Y в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет не менее 30% и не более 80% от второго опорного значения, и, предпочтительнее, является концентрацией, при которой интенсивность эмиссии Y в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет не менее 30% и не более 65% от первого опорного значения.
Пример 3
[0099] Предпочтительные условия формирования слоя 23 MgO методом реактивного магнетронного напыления были определены экспериментальным путем.
[0100] В примере 3, как и в примере 1, в качестве контроллера эмиссии плазмы применяли контроллер эмиссии плазмы RU-1000, изготавливаемый компанией HORIBA STEC, Co., Ltd. Кроме того, лента 70 в примере 3 состояла из электролитически полированной ленты из сплава хастеллой, имеющей ширину 12 мм, в качестве подложки 10, пленки Al2O3, сформированной на ленте из сплава хастеллой методом обычного ВЧ магнетронного напыления, и пленки Y2O3, сформированной на пленке Al2O3 методом обычного ВЧ магнетронного напыления. Кроме того, в качестве распыляемой мишени 64 для формирования слоя 23 MgO применяли распыляемую мишень, выполненную из металлического магния.
[0101] Как показано на ФИГ. 4, число перемоток ленты 70 направляющими катушками 62 и 63 составляло 7.
[0102] Сначала выяснили, что стабильная плазма получалась, когда плотность мощности магнетрона была не более 12,5 Вт/см2, а давление газообразного Ar было не менее 0,13 Па и не более 0,30 Па. Когда плотность мощности магнетрона превышала 12,5 Вт/см2, образовывался дуговой разряд. Когда давление газообразного Ar выходило за пределы диапазона от 0,13 Па до 0,30 Па, плазма была нестабильной и часто затухала. Кроме того, для применения IBAD требуется, чтобы давление газообразного Ar было не более 0,30 Па. Слой 23 MgO формировали при комнатной температуре, так как нагревание отрицательно влияло на текстуру слоя 23 MgO.
[0103] ФИГ. 11 показывает кривую E и кривую F. Кривая E показывает зависимость между концентрацией газообразного кислорода в качестве реакционного газа и интенсивностью эмиссии Mg в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени 64. Кривая F показывает зависимость между концентрацией газообразного кислорода и скоростью осаждения Mg-содержащей пленки, содержащей оба или любой из MgO и Mg.
[0104] Горизонтальная ось на ФИГ. 11 представляет концентрацию газообразного кислорода в реакционной камере. Левая ось представляет интенсивность эмиссии Mg в плазме в диапазоне 0-3 см над поверхностью распыляемой мишени 64, которую измеряли блоком 71 ФЭУ, и интенсивность эмиссии представлена в процентах по отношению к третьему опорному значению, которое является интенсивностью эмиссии Mg, при которой концентрация газообразного кислорода равна нулю. Правая ось представляет скорость осаждения Mg-содержащей пленки (Å/с, Ангстрем/с), которую измеряли QCM-датчиком.
[0105] Скорость осаждения Mg-содержащей пленки, показанную на ФИГ. 11, измеряли на первой перематываемой части 70a ленты 70 между направляющей катушкой 62 и направляющей катушкой 63.
[0106] Кривая E показывает, что интенсивность эмиссии Mg снижается с повышением концентрации газообразного кислорода. Это объясняется тем, что степень окисления поверхности распыляемой мишени 64 повышается с повышением концентрации газообразного кислорода. Следовательно, Mg-содержащая пленка содержит большое количество металлического Mg, когда концентрация газообразного кислорода низка (в режиме напыления металла), и Mg-содержащая пленка из почти чистого MgO получается тогда, когда концентрация газообразного кислорода высока (в режиме напыления оксида). На ФИГ. 11 приближенно показана переходная область между режимом напыления металла и режимом напыления оксида.
[0107] Кривая E дополнительно показывает, что переходная область при формировании Mg-содержащей пленки была очень узкой. Кроме того, кривая E имеет аномальность в той точке в переходной области, при которой интенсивность эмиссии Mg приблизительно равна 45% от третьего опорного значения. Это показывает, что алгоритм управления с обратной связью контроллера эмиссии плазмы не позволяет управлять парциальным давлением кислорода в окрестности аномальной точки.
[0108] Следовательно, требуется, чтобы концентрация газообразного кислорода для формирования слоя 23 MgO (третья концентрация) была концентрацией, при которой интенсивность эмиссии Mg в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет менее 45% от третьего опорного значения. Следует отметить, что Mg-содержащая пленка из чистого MgO получалась, когда интенсивность эмиссии Mg составляла менее 45% от третьего опорного значения.
[0109] Затем получали сверхпроводящий провод в качестве готового продукта способом, в котором пленку LaMnO3, пленку CeO2, пленку GdBa2Cu3O7 и пленку Ag последовательно формировали на Mg-содержащей пленке. Пленку LaMnO3 формировали методом обычного ВЧ магнетронного напыления. Пленку CeO2 и пленку GdBa2Cu3O7 формировали способом PLD. Пленку Ag формировали методом обычного магнетронного напыления разрядом постоянного тока.
[0110] ФИГ. 12 представляет измеренные данные критического тока Iкр в зависимости от длины сверхпроводящего провода в качестве готового продукта. Mg-содержащая пленка сверхпроводящего провода на ФИГ. 12 имеет области, которые сформированы при разных режимах IBAD, чтобы измерить зависимость между режимом IBAD и критическим током. Положение между приблизительно 0 мм и приблизительно 25000 мм, положение между приблизительно 38000 мм и приблизительно 54000 мм, и положение между приблизительно 70000 мм и приблизительно 77000 мм соответствуют трем областям, сформированным при разных режимах IBAD. Режим IBAD включает в себя энергию ускорения ионов и ионный ток. Горизонтальная ось на ФИГ. 12 представляет положение по длине сверхпроводящего провода. Вертикальная ось представляет критический ток сверхпроводящего провода.
[0111] В данных измерений на ФИГ. 12 критический ток превышает 200 A в той части, для которой положение по длине сверхпроводящего провода находится между приблизительно 38000 мм и приблизительно 54000 мм. Mg-содержащую пленку, соответствующую данной части, формировали при режиме IBAD, в котором энергия вспомогательного пучка ионов Ar составляет 1000 эВ, ионный ток равен 200 мА, а третья концентрация была концентрацией газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Mg составляла 31% от третьего опорного значения.
[0112] Дополнительно, Mg-содержащую пленку, соответствующую той части, для которой положение по длине сверхпроводящего провода находится между приблизительно 0 мм и приблизительно 25000 мм, формировали при режиме IBAD, в котором энергия вспомогательного пучка ионов Ar составляет 1000 эВ, ионный ток равен 180 мА, а третья концентрация была концентрацией газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Mg составляла 26% от третьего опорного значения. Более того, Mg-содержащую пленку, соответствующую той части, для которой положение по длине сверхпроводящего провода находится между приблизительно 70000 мм и приблизительно 77000 мм, формировали при режиме IBAD, в котором энергия вспомогательного пучка ионов Ar составляет 1000 эВ, ионный ток равен 180 мА, а третья концентрация была концентрацией газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Mg составляла 35% от третьего опорного значения.
Пример 4
[0113] Критический ток первого образца, который был сверхпроводящим проводом 1, в котором буферный слой 20 содержал слой 23 MgO, сформированный методом реактивного магнетронного напыления, сравнили с критическим током второго образца, который был сверхпроводящим проводом 1, в котором буферный слой 20 содержал слой MgO, сформированный методом обычного магнетронного напыления, вместо слоя 23 MgO.
[0114] Первый образец содержал подложку 10, выполненную из электролитически полированной ленты из сплава хастеллой, буферный слой 20, слой 30 CeO2, сверхпроводящий слой 40, выполненный из GdBa2Cu3O7, и защитный слой 50, выполненный из Ag. Буферный слой 20 состоял из слоя 21 Al2O3, слоя 22 Y2O3, слоя 23 MgO и слоя 24 LaMnO3.
[0115] Слой 21 Al2O3 и слой 22 Y2O3 первого образца формировали методом реактивного магнетронного напыления по вышеописанному варианту осуществления. Слой 23 MgO первого образца формировали методом реактивного магнетронного напыления, в котором подводили вспомогательный пучок ионов Ar, по вышеописанному варианту осуществления. Затем слой 24 LaMnO3 осаждали методом ВЧ магнетронного напыления. Слой 30 CeO2 и сверхпроводящий слой 40 первого образца формировали способом PLD. Защитный слой 50 первого образца формировали методом обычного магнетронного напыления разрядом постоянного тока.
[0116] Второй образец содержал слой MgO, сформированный методом магнетронного напыления, в котором применяли распыляемую мишень, выполненную из MgO, и подводили вспомогательный пучок ионов Ar, вместо слоя 23 MgO первого образца.
[0117] ФИГ. 13 является графиком, который показывает критический ток Iкр в зависимости от длины первого образца. ФИГ.13 показывает, что критический ток первого образца составляет приблизительно 250 А.
[0118] ФИГ. 14 является графиком, который показывает критический ток Iкр в зависимости от длины второго образца. ФИГ. 14 показывает, что критический ток второго образца составляет приблизительно 500 А.
[0119] При сравнении ФИГ.13 с ФИГ.14 видно, что второй образец имел более высокий критический ток, чем первый образец. С другой стороны, себестоимость производства первого образца была ниже себестоимости производства второго образца, так как слой 23 MgO формировали за короткое время методом реактивного магнетронного напыления. Следовательно, первый образец и второй образец можно применять по разным назначениям. Следует отметить, что как себестоимость производства первого образца, так и себестоимость производства второго образца ниже себестоимости производства традиционного сверхпроводящего провода, в котором буферный слой сформирован методом обычного магнетронного напыления, так как для формирования буферных слоев первого образца и второго образца применяли более быстрый способ, такой как реактивное магнетронное напыление.
[0120] В настоящем изобретении возможны различные модификации в пределах объема изобретения, который не ограничен вышеописанными вариантами осуществления и примерами, без отклонения от сущности или изменения методов настоящего изобретения.
[0121] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления для полноты и ясности раскрытия, прилагаемую формулу изобретения не следует ограничивать таким образом, а следует истолковывать как охватывающую все модификации и альтернативные конструкции, которые могут прийти на ум специалисту в данной области техники и которые фактически находятся в рамках изложенной здесь базовой идеи.
Промышленная применимость
[0122] В соответствии с изобретением можно обеспечить способ изготовления сверхпроводящего провода, позволяющий изготавливать сверхпроводящий провод с высоким темпом производства и низкой стоимостью.
Список условных обозначений
[0123] 1 – сверхпроводящий провод
10 – подложка
20 – буферный слой
21 – слой Al2O3
22 – слой Y2O3
23 – слой MgO
40 – сверхпроводящий слой
1. Способ изготовления сверхпроводящего провода, включающий:
формирование на подложке буферного слоя, содержащего слой Al2O3, причем слой Al2O3 формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют первый газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического алюминия, при этом слой Al2O3 формируют с подачей первого газообразного кислорода при первой концентрации, являющейся концентрацией первого газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Al в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет не менее 25% и не более 80% от первого опорного значения, причем первое опорное значение является интенсивностью эмиссии Al, при которой концентрация первого газообразного кислорода равна нулю; и
формирование сверхпроводящего слоя над буферным слоем.
2. Способ изготовления сверхпроводящего провода по п. 1, в котором
первая концентрация является концентрацией первого газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Al составляет не менее 30% и не более 80% от первого опорного значения.
3. Способ изготовления сверхпроводящего провода по п. 1 или 2, в котором
буферный слой содержит слой Y2O3 на слое Al2O3, причем слой Y2O3 формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют второй газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического иттрия, при этом слой Y2O3 формируют с подачей второго газообразного кислорода при второй концентрации, являющейся концентрацией второго газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Y в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет не менее 15% и не более 90% от второго опорного значения, причем второе опорное значение является интенсивностью эмиссии Y, при которой концентрация второго газообразного кислорода равна нулю.
4. Способ изготовления сверхпроводящего провода по п. 3, в котором
вторая концентрация является концентрацией второго газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Y составляет не менее 30% и не более 80% от второго опорного значения.
5. Способ изготовления сверхпроводящего провода по п. 3 или 4, в котором
буферный слой содержит слой MgO с биаксиально текстурированной структурой на слое Y2O3, причем слой MgO формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют третий газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического магния, и подводят вспомогательный пучок ионов Ar, при этом слой MgO формируют с подачей третьего газообразного кислорода при третьей концентрации, являющейся концентрацией третьего газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Mg в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет менее 50% от третьего опорного значения, причем третье опорное значение является интенсивностью эмиссии Mg, при которой концентрация третьего газообразного кислорода равна нулю.
6. Способ изготовления сверхпроводящего провода по п. 3 или 4, в котором
буферный слой содержит слой MgO с биаксиально текстурированной структурой на слое Y2O3, причем слой MgO формируют методом магнетронного напыления, в котором применяют распыляемую мишень, выполненную из MgO, и подводят вспомогательный пучок ионов Ar.
7. Способ изготовления сверхпроводящего провода, включающий:
формирование на подложке буферного слоя, содержащего слой Y2O3, причем слой Y2O3 формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют второй газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического иттрия, при этом слой Y2O3 формируют с подачей второго газообразного кислорода при второй концентрации, являющейся концентрацией второго газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Y в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет не менее 15% и не более 90% от второго опорного значения, причем второе опорное значение является интенсивностью эмиссии Y, при которой концентрация второго газообразного кислорода равна нулю; и
формирование сверхпроводящего слоя над буферным слоем.
8. Способ изготовления сверхпроводящего провода по п. 7, в котором
вторая концентрация является концентрацией второго газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Y составляет не менее 30% и не более 80% от второго опорного значения.
9. Способ изготовления сверхпроводящего провода по п. 7 или 8, в котором
буферный слой содержит слой MgO с биаксиально текстурированной структурой на слое Y2O3, причем слой MgO формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют третий газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического магния, и подводят вспомогательный пучок ионов Ar, при этом слой MgO формируют с подачей третьего газообразного кислорода при третьей концентрации, являющейся концентрацией третьего газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Mg в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет менее 50% от третьего опорного значения, причем третье опорное значение является интенсивностью эмиссии Mg, при которой концентрация третьего газообразного кислорода равна нулю.
10. Способ изготовления сверхпроводящего провода по п. 7 или 8, в котором
буферный слой содержит слой MgO с биаксиально текстурированной структурой на слое Y2O3, причем слой MgO формируют методом магнетронного напыления, в котором применяют распыляемую мишень, выполненную из MgO, и подводят вспомогательный пучок ионов Ar.
11. Способ изготовления сверхпроводящего провода, включающий:
формирование на подложке буферного слоя, содержащего слой MgO, причем слой MgO формируют методом реактивного магнетронного напыления, в котором применяют третий газообразный кислород в качестве реакционного газа и распыляемую мишень, выполненную из металлического магния, и в котором применяют осаждение с помощью ионного пучка, при этом слой MgO формируют с подачей третьего газообразного кислорода при третьей концентрации, являющейся концентрацией третьего газообразного кислорода, при которой интенсивность эмиссии Mg в плазме вблизи поверхности распыляемой мишени составляет менее 50% от третьего опорного значения, причем третье опорное значение является интенсивностью эмиссии Mg, при которой концентрация третьего газообразного кислорода равна нулю; и
формирование сверхпроводящего слоя над буферным слоем.
