(57)【要約】  MOCVD装置及び方法は、増大した電流容量を持つ多層のHTSコートテープを製造するためのものであり、多数液体前駆体ソースを含み、その各々は、関連するポンプ及び蒸気化器を持ち、その出口は、MOCVD反応炉内の多数区画シャワーヘッド装置を供給する。多数区画シャワーヘッド装置は、堆積ゾーン内にともに多数の堆積セクターを定義する関連する基板ヒータに最も近接して位置している。
2007521392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層コートされた基板を製造するMOCVD堆積装置において、
真空チャンバーと、
ヒータと、
多区画シャワーヘッドと、少なくとも２つの１区画シャワーヘッドとからなるグループのうちから選択されたシャワーヘッド供給装置と、
少なくとも１つの前駆体駆動システムと、
基板移動システムと、を備え、
前記シャワーヘッドと前記ヒータとの間の空間は、コーティングの連続的な層が堆積される真空チャンバー内の延長された長さの堆積ゾーンを定義している、
ことを特徴とするMOCVD堆積装置。
【請求項２】
請求項１の装置において、
前記多区画シャワーヘッドにおける２つ又はそれ以上の区画は、単一の前駆体供給システムに接続されている。
【請求項３】
請求項１の装置において、
前記多区画シャワーヘッドにおける各区画は、単一の前駆体供給システムに接続されている。
【請求項４】
請求項１の装置において、
少なくとも１つの前駆体供給システムは、液体前駆体のソース、ポンプ、不活性ガスのソース、前駆体蒸気化器、および酸素のソースからなる。
【請求項５】
請求項１の装置において、
２つ、又はそれ以上の前駆体供給システムがあり、
その各々は、液体前駆体のソース、ポンプ、不活性ガスのソース、前駆体蒸気化器、および酸素のソースからなる。
【請求項６】
請求項１の装置において、
前記多区画シャワーヘッドは、２つから７つの区画を持つ。
【請求項７】
請求項１の装置において、
前記多区画シャワーヘッドは、５つの区画を持つ。
【請求項８】
請求項７の装置において、
前記区画は、異なる供給長さを持つ。
【請求項９】
請求項１の装置において、
前記ヒータは、マルチゾーンヒータを持つ。
【請求項１０】
請求項９の装置において、
前記ヒータは、多区画シャワーヘッドの各区画に対して１つのゾーンを含む。
【請求項１１】
多層コートされた基板を製造するプロセスであって、
真空チャンバーと、ヒータと、多区画シャワーヘッドと少なくとも２つの１区画を有するシャワーヘッドとからなるグループのうちから選択されたシャワーヘッド供給装置と、少なくとも１つの前駆体駆動システムと、基板移動システムと、を備え、前記シャワーヘッドと前記ヒータとの間の空間は、コーティングの連続的な層が堆積される真空チャンバー内の延長された長さの堆積ゾーンを定義しているMOCVDチャンバーによってコートされるべき基板を移動させることよりなり、かつ、
前記延長された長さの堆積ゾーンを通る基板は、前記ヒータにより加熱され、前記個々のシャワーヘッド区画の各々に存在する蒸気化された前駆体を連続的に照射されてその上にコーティングを堆積する。
【請求項１２】
請求項１１のプロセスにおいて、
各シャワーヘッド区画を通って供給される蒸気化された前駆体は、同じである。
【請求項１３】
請求項１１のプロセスにおいて、
多層基板は、１つ、又はそれ以上のシャワーヘッド区画を通って、異なるタイプの蒸気化された前駆体を、供給することにより製造される。
【請求項１４】
請求項１１のプロセスにおいて、
前記蒸気化された前駆体は、YBCO、SmBCO、及び他の希土類混合酸化物から選択されるものである。
【請求項１５】
請求項１１のプロセスにおいて、
前記コーティングの全厚さは、１．５ミクロンを超え、
コートされた基板は、少なくとも１００アンペア／cm幅の臨界電流を持つ。
【請求項１６】
請求項１１のプロセスにおいて、
各コート層の厚みは、１．５ミクロンより大きくない。
【請求項１７】
請求項１１のプロセスにより準備される多コートされる基板テープ。
【請求項１８】
請求項１７の基板であって、
前記多コート基板は、その上に堆積された、少なくとも２つの異なる組成のコーティングを持つ。
【請求項１９】
請求項１７の基板であって、
前記基板は、YBCO、SmBCO、YBCO、SmBCO、及びYBCOの連続的な層がコートされたものである。
【請求項２０】
請求項１７の基板であって、
前記コーティングの全厚さは、１．５ミクロンを超え、
コートされた基板は、少なくとも１００アンペア／cm幅の臨界電流を持つ。
【請求項２１】
請求項１７の基板であって、
各コート層の厚みは、１．５ミクロンより大きくない。
【請求項２２】
多層コートされた基板を製造するMOCVD堆積装置において、
真空チャンバーと、
多ゾーンヒータと、
前記多ゾーンヒータ内のゾーンの数に等しい数の区画を持つ多区画シャワーヘッドと、
前記多区画の各区画に接続された分離された前駆体駆動システムであって、その各々は、液体イットリウムーバリウムー銅前駆体のソースと、ポンプと、不活性ガスソースと、前駆体蒸気化器と、酸素ソースと、
基板移動システムとを備え、
前記シャワーヘッドと前記ヒータとの間の空間は、コーティングの連続的な層が堆積される真空チャンバー内の延長された長さの堆積ゾーンを定義している、
ことを特徴とするMOCVD堆積装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超伝導（ＨＴＳ）コートがなされ、増大した電流容量を持つワイヤの、高スループット有機金属気相成長（MOCVD）法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
過去３０年間（three decades）において、米国における電力量は、エンドユーズエネルギー消費の２５％から４０％の増大をもたらした。この電力についての向上する要求は、高信頼性で、高品質の電力に対する、ますます臨界的な要求を生ずる。電力需要が、大きくなりつづけると、特に古い郊外の電力システムは、性能の限界に押しやられ、新しい解決を要求することになる。
【０００３】
ワイヤは、変圧器、送電および配電システム、およびモータを含む、世界の電力システムの基本的な建設ブロックを形成する。１９８６年の革新的なＨＴＳ化合物の発見は、電力産業のためのラジカルな新しいタイプのワイヤの開発を導いた：この発見は、１００年以上の期間におけるワイヤ技術におけるもっとも基本的な進歩である。
【０００４】
ＨＴＳワイヤは、同じ物理サイズの従来の銅およびアルミニウム導体が運搬する電流より１００倍も大きい電流を運搬する最高級の性能を提供する。ＨＴＳワイヤの優れた電力密度は、電力産業テクノロジーの新しい生成を可能とするであろう。それは、大きいサイズ、重量、および効率の利点を提供する。ＨＴＳテクノロジーは、電力システムのコストダウンおよび、容量および信頼性の増大を、種々の方法で駆動するであろう。
【０００５】
例えば、ＨＴＳコートワイヤは、現存する通路の権利を介して、２から５倍のより大きいパワーを送信することができる。この新しいケーブルは、それらの環境的足跡を低減しながらパワーグリッドの性能を改善するパワフルな道具を提供するであろう。
【０００６】
しかしながら、今日まで、次世代ＨＴＳコートワイヤの製造において使用される短いサンプルのＨＴＳテープのみが、高性能レベルで製造されてきた。ＨＴＳテクノロジーが、電力発生および配電産業における使用に商業的に利用可能となるために、ＨＴＳテープの連続的な高スループット製造のための技術を開発することが必要であろう。
【０００７】
MOCVDは、ＨＴＳテープをコスト的に有効に製造するために必要な、高スループットについての約束を示す堆積プロセスである。MOCVDの間、イットリウムーバリウムー銅−酸化物（ＹＢa2Cu3O7 又は“ＹＢＣＯ”）膜等のＨＴＳ膜は、基板の表面に起こる化学反応を介して、加熱された緩衝金属基板上に、気相前駆体により堆積され得る。
【０００８】
コートされた導体を特徴づける１つの方法は、それらのメータあたりのコストによるものである。あるいは、コストおよび性能は、キロメーターあたりのコストとして特徴づけることができる。より特定的には、コートされた導体の与えられたメータあたりコストに対する電流を増大することにより、キロアンペアメータあたりのコストは低減される。これは、該膜の断面領域により掛け算された、堆積されたＨＴＳ材料の臨界電流（Ｊｃ）において証明される。
【０００９】
コートされた導体の与えられた臨界電流および幅について、断面積を増大する１つの方法は、ＨＴＳ膜厚を増大することによるものである。しかしながら、従来のプロセスパラメータの下で、厚さの関数としての臨界電流をもって、ＨＴＳ膜の単一層の厚さが約１．５ミクロンを超えて増大すると、該臨界電流はドロップオフし、飽和に到ることが証明された。これは、約１．５ミクロンの膜厚を超えると、ＨＴＳ材料は大変多孔質となり、ボイドを増やし、増大された表面粗さを増やし、それらのすべては電流の流れを禁止することに貢献するからである。これは、コートされた導体における臨界電流を、代表的に１００A/cm幅に限定する結果を生じる。
【００１０】
従来のプロセスパラメータの下では、単にＨＴＳ膜厚を増やすことは臨界電流における対応する増大を生ずるものではないので、技術的チャレンジは、HTS膜厚を１．５ミクロン以上に増大し、同時に臨界電流における対応する増大を実現することに、存在する。
【００１１】
MOCVD堆積プロセスにおいては、HTS膜のモルフォロジーに貢献する要因は、チャンバー圧力、基板温度、酸素濃度およびその堆積ゾーンへの導入方法、（前駆体のモル濃度、および前駆体蒸気の堆積フローレートの両方、およびそれらのシャワーヘッドアセンブリーを介しての、不活性キャリアガスにより決定される）堆積ゾーンに供給される前駆体の量、前駆体がそれらが堆積ゾーンに導入される前に維持される温度、および、反応副産物の堆積ゾーンの外への排出効率、を含む。
【００１２】
上記したパラメーターのいくつかの最適化は、前駆体蒸気およびそれらの不活性キャリアガスが、２３０℃から２７０℃の温度範囲内で最も効率よく堆積ゾーンに分配される、という事実のように公知であるが、他のパラメータの最適化は、それほど公知ではなく、技術的確信が実現されることを必要としている。
【００１３】
Hubertら、米国特許5,820,678号、名称は、“固体源MOCVDシステム”は、多要素化学気相成長のための有機金属前駆体の供給のための分配システムを提供する超伝導、および非超伝導酸化膜を、MOCVD製造するためのシステムを記述している。該分配システムは、緊密にパックされた前駆体材料を含む多数のカートリッジを含むことができる。各カートリッジの内容物は、所望の速度で研磨することができ、他のカートリッジからの前駆体物質とともに、蒸気化ゾーンに供給され、そののち、薄膜堆積のための堆積チャンバー内の反応ゾーンに供給されることができる。HubertらのMOCVD装置の欠点は、それは、超伝導酸化膜を堆積するのに適しているが、厚いHTS膜の臨界電流を増大するプロセスを与えるものではない、ということである。
【００１４】
Takekawaらの米国特許6,143,697号、名称“超伝導厚膜を製造する方法”は、基板上に超伝導材料よりなる厚膜を形成するステップ、該基板上に形成された厚膜に火をつけるステップ、該火をつけた厚層に、冷たい平衡プレスを受けさせるステップ、および冷たい平衡プレスを受けた厚層に、再び火をつけるステップを含む超伝導厚膜を製造する方法を記述している。Takekawaらの欠点は、その方法は、超伝導酸化厚膜を堆積するのに適しているが、それは、高電流HTSコート導体を製造するコスト的に有効な方法ではなく、また、それは、増大した臨界電流を持つ厚いHTS膜を製造するのに充分な制御されたプロセスパラメータを与えるものでもない。Takekawaらは、それゆえ、高電流HTSコート導体のコスト的に有効な製造に適したものではない。
【００１５】
それゆえ、本発明の目的は、１００アンペア／cm幅を超える、増大した電流容量を持つ、１．５ミクロンを超える厚さを持つHTS 膜により形成されるコーティングを持つ高電流のHTSコートされた導体を製造することを目的としている。
【００１６】
本発明の他の目的は、複数層HTSコートテープを製造するためのMOCVDプロセスを用いて高電流のHTSコートされた導体を形成する低コストの方法を与えることである。
【００１７】
本発明の目的は、高電流のHTSコートテープの製造において使用する、増大した電流容量を持つ１．５ミクロンを超える厚さを持つYBCO膜を製造することである。
【００１８】
本発明の目的は、YBCO厚膜の堆積のための正確に制御されたプロセスパラメータを持つMOCVDプロセスを用いて高電流のHTS コートされた導体を形成するコスト的に有効な方法を提供することである。
【００１９】
本発明の目的は、多層が同じ組成を持つ高電流のHTS コートされた導体を形成するコスト的に有効な方法を提供することである。
【００２０】
本発明の目的は、多層が異なる組成を持つ高電流のHTS コートされた導体を形成するコスト的に有効な方法を提供することである。
【特許文献１】米国特許第5,820,678号明細書
【特許文献２】米国特許第6,143,697号明細書
【特許文献３】米国特許第5,772,764号明細書
【特許文献４】米国特許第6,383,989号明細書
【特許文献５】米国特許第6,610,632号明細書
【発明の開示】
【００２１】
本発明は、増大した電流容量を持つ、多層のHTSコートテープを製造するためのMOCVD システムである。本発明のMOCVDシステムは、多数液体前駆体ソースを含み、その各々は、関連するポンプおよび蒸気化器を持ち、その出口は、MOCVD反応炉を持つ多数区画シャワーヘッド装置を供給する。多数区画シャワーヘッド装置は、移動金属基板テープおよび関連する基板ヒータに近接して配置されている。
【００２２】
前記多数区画シャワーヘッド装置は、多数の蒸気化された前駆体ソースにより供給され、そこでは、該ソースは、1つ、又はそれ以上のHTS材料、例えば、イットリウム、バリウム、銅、化合物の結合を、適切な溶液の混合物とともに、あるいは、同様に、サマリウム、あるいは他の希土類、バリウム、銅の化合物の結合を、適切な溶液の混合物とともに、含む。このように、HTS材料の多層は、移動する基板テープ上に順に形成され、そこで、各層は、多数区画シャワーヘッド装置の区画と関連している。その結果、各層が１．５ミクロンの代表的な厚さを超えない多層膜堆積プロセスが達成され、結果として生じる構造は、HTS膜の単一厚層を持つ胴体と比較して増大した電流容量を持つHTSコートされた導体を集中的に与える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、増大した電流容量を持つ、かつ、１．５ミクロンを超える厚さを持つ、YBCO膜等の希土類酸化膜を製造するための制御されたプロセスパラメータのセットを利用するMOCVDシステムである。このようなパラメータは、酸素分圧、前駆体組成、前駆体供給速度、および堆積温度を含むが、これらに限定されるものではない。
【００２４】
該MOCVDシステムは、延長された長さの堆積ゾーンを含み、該ゾーンは、さらに、その全体長に沿って順次配列されたサブ堆積ゾーンに分割されており、そこでは、移動する基板は、気相成長プロセスを経験する。各サブ堆積ゾーン内の条件は、基板テープが、堆積ゾーンに沿って線形に移動するとき、かつ、HTS膜がより厚くより厚く成長するとき、ダイナミックに、かつ独立に制御されており、これにより膜のモルフォロジーを最適化し、これにより高多孔性、ボイド、表面粗さ等の欠陥を最小化する方法を提供している。本発明のMOCVDシステムによって達成されるHTS膜の成長は、少なくとも１００アンペア／cm幅を超える増大した電流容量を生じる、増大した材料密度と、滑らかさを持つ、１．５ミクロンを超える厚さを持つ高品質のHTS 膜を与える。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態１によるMOCVDシステム１００を図解する。本発明のMOCVDシステム１００は、増大した電流容量を持つ、１．５ミクロンを超える厚さを持つYBCO膜の製造を許す正確に制御されたプロセスパラメータにより特徴づけられる。
【００２６】
該MOCVDシステム１００はさらに、前駆体供給システム１２０の複数の入口、例えば、前駆体供給システム１２０ａ、前駆体供給システム１２０ｂ、前駆体供給システム１２０ｃ、前駆体供給システム１２０ｄ、および前駆体供給システム１２０ｅの入口を含む。前駆体蒸気は、反応炉１１０内の多区画シャワーヘッド１１２を供給する関連する前駆体蒸気ライン１２２を介して前駆体供給システム１２０の各入口に出て行く。より詳細には、前駆体供給システム１２０ａは、前駆体蒸気ライン１２２ａを介して、多区画シャワーヘッド１１２の区画１１３ａに供給し、前駆体供給システム１２０ｂは、前駆体蒸気ライン１２２ｂを介して、多区画シャワーヘッド１１２の区画１１３ｂに供給し、前駆体供給システム１２０ｃは、前駆体蒸気ライン１２２ｃを介して、多区画シャワーヘッド１１２の区画１１３ｃに供給し、前駆体供給システム１２０ｄは、前駆体蒸気ライン１２２ｄを介して、多区画シャワーヘッド１１２の区画１１３ｄに供給し、前駆体供給システム１２０ｅは、前駆体蒸気ライン１２２ｅを介して、多区画シャワーヘッド１１２の区画１１３ｅに供給する。さらに、前駆体供給システム１２０の各入口には、共通ガスライン１０４が供給される。該共通ガスラインは、各前駆体駆動システムへのガスフローレートを正確に制御するために、蒸気化器１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅに取り付けられた５つの個々のガスラインに分岐するのが好ましい。該前駆体駆動システム１２０は、図３を参照してさらに詳細に述べる。
【００２７】
最後に、MOCVDシステム１００は、反応炉１１０に機能的に接続された真空ポンプ１４２を含む。該真空ポンプ１４２は、１０-3 Torrの大きさのオーダーの圧力の真空を維持することのできる商業的に利用可能な、Leybold model D408 等の真空ポンプである。あるいは、該真空圧力は、大量の液体前駆体を適切な真空圧力を得るために、Edwards model EH500のように、機械ポンプと機械ブースターとの組合わせにより維持するようにしてもよい。
【００２８】
堆積ゾーン１１８内の区別された領域が、形成されており、多区画シャワーヘッド１１２内の各区画１１３と関連づけられている。図１に示される例において、区画１１３ａから分配される蒸気は、堆積ゾーン１１８の、ゾーンA内の基板テープ１１６上に堆積され、区画１１３ｂから分配される蒸気は、ゾーンB内の基板テープ１１６上に堆積され、区画１１３ｃから分配される蒸気は、ゾーンC内の基板テープ１１６上に堆積され、区画１１３ｄから分配される蒸気は、ゾーンD内の基板テープ１１６上に堆積され、区画１１３ｅから分配される蒸気は、ゾーンE内の基板テープ１１６上に堆積される。
【００２９】
多数ゾーン基板ヒータ１１４は、紫外線ランプ等の放射加熱要素を介して、基板テープ１１６に代表的に７００から９５０℃の範囲で、加熱を与える公知の多数ゾーン基板ヒータである。あるいは、多数ゾーン基板ヒータ１１４は、カンタル（Kanthal）、あるいは、MoSi2 ヒータ等の、加熱要素を持つ抵抗加熱ヒータである。多数ゾーン基板ヒータ１１４は、堆積ゾーン１１８のゾーンA、B、C、Dと関連する多数の独立に制御された過熱ゾーン（たとえば、図示されていない、多数の独立に制御された加熱要素を介して）含む。より特定的には、加熱ゾーンAは、堆積ゾーン１１８のゾーンA内の基板テープ１１６と並んでおり、加熱ゾーンBは、堆積ゾーン１１８のゾーンB内の基板テープ１１６と並んでおり、加熱ゾーンCは、堆積ゾーン１１８のゾーンC内の基板テープ１１６と並んでおり、加熱ゾーンDは、堆積ゾーン１１８のゾーンD内の基板テープ１１６と並んでおり、加熱ゾーンEは、堆積ゾーン１１８のゾーンE内の基板テープ１１６と並んでいる。
【００３０】
さらに、ゾーンAからゾーンEへの基板テープ１１６の移動の方向を仮定して、多数ゾーン基板ヒータ１１４は、堆積ゾーン１１８のゾーンAのすぐ前で基板テープ１１６と並ぶプレヒートゾーンを含んでいる。最後に、多数ゾーン基板ヒータ１１４は、堆積ゾーン１１８のゾーンのすぐ次の基板テープ１１６に並ぶクールダウンゾーンを含んでもよい。前記プレヒートゾーンは、基板テープ１１６が堆積ゾーン１１８に入る準備をするにおいて、基板テープ１１６の温度を一定比率で上昇させる。逆に、前記クールダウンゾーンは、基板１１６が反応炉１１０を出る準備をするにおいて、堆積ゾーン１１８を出たあと、基板テープ１１６の温度を、一定比率で下降させる。
【００３１】
図３は、前記前駆体供給システム１２０の各入口に含まれる要素を示す。より詳しくは、前記前駆体供給システム１２０の各入口は、たとえば、ステンレススティールよりなる、たとえば、イットリウム（Ｙ）、バリウム（Ｂａ）、銅（Ｃｕ）のテトラメチルへプタンジオネート（THD）化合物等の有機金属前駆体を、テトラヒドロフランおよびイソプロパノール等の、適切な混合溶液とともに含む容器である液体ソース２０６を含む。該液体ソース２０６は、０．１mL/minと１０mL/minの間の低いフローレートが可能な液体前駆体供給ポンプであるポンプ２０２に供給される。該ポンプ２０２は、高圧力液体クロマトグラフィー（HPLC）ポンプのような高圧力、低フローレートポンプである。該ポンプ２０２は、前駆体液が、その中で、たとえば、約２４０℃でフラッシュ蒸気化され、アルゴンまたは窒素等の不活性キャリアガスと混合されて、多区画シャワーヘッド１１２に供給される装置である前駆体蒸気化器２０４に供給する。前記不活性キャリアガスは、チュービングまたはパイピングにより形成されたガスライン１０４を介して前駆体蒸気化器２０４内に供給される。前駆体蒸気は、それを通して前駆体蒸気およびそれらの不活性キャリアガスが、それらの道を、多区画シャワーヘッド１１２に通る、前駆体蒸気ライン１２２を介して前駆体蒸気化器２０４に出る。
【００３２】
前駆体蒸気ライン１２２が反応炉１１０内に入るすぐ前に、酸素ライン１２８は、前駆体蒸気ライン１２２内に開口している。酸素ライン１２８は、それを通して、酸素が、前駆体蒸気への導入のためにとおり、それらのキャリアガスが前駆体蒸気ライン１２２内を流れるチューブまたはパイプである。
【００３３】
ポンプ２０２および前駆体蒸気ライン１２２は、多区画シャワーヘッド１１２の区画１１３への、つづいて、堆積ゾーン１１８への、適切な供給レートでの、前駆体の供給を処理するのに適切なサイズになっている。該前駆体の圧力、およびフローレートは、ポンプ２０２の仕様と、前駆体蒸気ライン１２２の直径の結合を介して制御される。同様に、前記酸素ライン１２８は、前駆体蒸気ライン１２２への、適切な供給速度および圧力での酸素の供給を適切に処理するサイズとなっている。酸素ガスラインは、前駆体駆動ライン内に冷たい酸素ガスを導入することによる局所的な冷たいスポットを防止するために、ほぼ２４０℃にプリヒートされている。
【００３４】
本発明のMOCVDシステム１００を議論する目的のために、前駆体供給システム１２０ａは、液体ソース２０６ａ、ポンプ２０２ａ、前駆体蒸気化器２０４ａ、および前駆体蒸気ライン１２２ａを供給する酸素ライン１２８ａを含む；前駆体供給システム１２０ｂは、液体ソース２０６ｂ、ポンプ２０２ｂ、前駆体蒸気化器２０４ｂ、および前駆体蒸気ライン１２２ｂを供給する酸素ライン１２８ｂを含む；前駆体供給システム１２０ｃは、液体ソース２０６ｃ、ポンプ２０２ｃ、前駆体蒸気化器２０４ｃ、および前駆体蒸気ライン１２２ｃを供給する酸素ライン１２８ｃを含む；前駆体供給システム１２０ｄは、液体ソース２０６ｄ、ポンプ２０２ｄ、前駆体蒸気化器２０４ｄ、および前駆体蒸気ライン１２２ｄを供給する酸素ライン１２８ｄを含む；前駆体供給システム１２０ｅは、液体ソース２０６ｅ、ポンプ２０２ｅ、前駆体蒸気化器２０４ｅ、および前駆体蒸気ライン１２２ｅを供給する酸素ライン１２８ｅを含む。さらに、前駆体蒸気化器２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅは、すべて共通ガスライン１０４により供給される。該共通ガスライン１０４を、ガスフローレートを、各前駆体供給システムに正確に制御するために、蒸気化器１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅに取り付けられた５つの個々のガスラインに分離することが好ましい。
【００３５】
図１および図３を連続的に参照して、前駆体駆動システム１２０a、前駆体駆動システム１２０ｂ、前駆体駆動システム１２０ｃ、前駆体駆動システム１２０ｄ、前駆体駆動システム１２０ｄ、前駆体駆動システム１２０e、ガスライン１０４、および真空ポンプ１４２は、すべて反応炉１１０の外にある。さらに、当業者であれば、該MOCVDシステム１００は、さらに、簡単のために、図１および図３には図示しない、圧力計および熱電対等の、種々のセンシングおよび制御デバイスを含む、ことが理解されるであろう。
【００３６】
本発明のMOCVD装置１００の堆積ゾーン１１８は、図１および図２に示されるゾーンAからEに限定されないことに気づくべきである。堆積ゾーン１１８は、多区画シャワーヘッド１１２を任意の数の区画１１３を含むよう拡張することによって、かつ、単一または多ゾーン基板ヒータ１１４を対応する数の独立に制御された加熱ゾーンを〔多ゾーンヒータ内に〕含むよう拡張することによって、任意の数のゾーンを含むよう拡張することができる。しかしながら、図解の目的のために、MOCVDシステム１００の堆積ゾーン１１８内の、AからEの、５つのゾーンの例、およびそれらの関連するハードウェアおよび制御パラメータが開示されている。あるいは、単一の前駆体駆動システムが、シャワーヘッドの１以上の区画を、供給してもよい。
【００３７】
当業者は、堆積されたHTS膜のモルフォロジーが、いくつかの変数の関数として変化するであろうが、以下のものに限定されるものではない。
堆積温度：HTS膜の表面粗さは、堆積温度により影響される；
前駆体組成：たとえば、前駆体のモル濃度（濃度）は、該膜のモルフォロジーに影響を与える、たとえば、バリウム欠陥膜は、バリウムのリッチな膜ばかりでなく、化学量論膜とも異なるモルフォロジーをもつ；
前駆体供給レート：たとえば、堆積された最初の膜は、それが堆積ゾーン１１８を通るときに、連続的に高温にさらされ、これは、それが全体の堆積ゾーン１１８を通って移動しようとするとき、この最初の層のモルフォロジーに対してダメージを与える原因となる。続く層に対して、前駆体供給レートを増大することは、該最初の層が、この高加熱を経験する時間を短くし、かつ、これにより、ありうるダメージを最小化することができる。
酸素分圧：異なる酸素分圧および基板温度の下で膜を準備することが必要である。たとえば、前駆体供給レートが、０．２５から０．５ml/min に２倍に増大したところでは、０．５Torr のより高い酸素分圧が持ちられるとき、よい性能が得られる。酸素分圧は、基板温度が増大したとき、上記例にしたがって、増大するであろう。酸素分圧は、処理パラメータの変化、たとえば、多区画シャワーヘッド１１２と基板テープ１１６との間の距離、UV光のソース蒸気への露出、または、原子酸素、またはオゾンの酸化剤としての使用、等、に依存して、実験的に決定することができる。
【００３８】
該HTS膜のモルフォロジーに影響を与える変数のいくつかの特殊な解析が、以下に与えられる。
０．２５ML/min の供給レート、および８００℃の堆積温度を仮定して、前駆体の前駆体モル濃度（すなわち、溶液のリッターあたりの溶媒のモル数）の増加は、膜厚の増加を生ずる。たとえば、
０．０３０mol/L は、約１．０ミクロンの膜厚を生ずる。
０．０４５mol/L は、約１．２５ミクロンの膜厚を生ずる。
０．０６０mol/L は、約１．７５ミクロンの膜厚を生ずる。
０．３０ML/min の前駆体モル濃度、および８００℃の堆積温度を仮定して、前駆体の供給レートは、また、膜厚の増加を生ずる。たとえば、
０．２５mL/min の供給レートは、約１．０ミクロンの膜厚を生ずる。
０．５０mL/min の供給レートは、約２．０ミクロンの膜厚を生ずる。
１．００mL/min の供給レートは、約４．０ミクロンの膜厚を生ずる。
【００３９】
８００℃の堆積温度を仮定して、前駆体の供給レート、前駆体モル濃度、および酸素分圧の結合を変化させることは、結果として生ずる膜の臨界電流（Jc）値に影響を与える。たとえば、
例１：０．０３mol/L のモル濃度と結合して、０．５６Torrの酸素分圧と結合した、０．２５mL/min の供給レートは、０．６ミクロン厚の膜に対して、約２．７MA/cm2 の臨界電流を生じる（例１）。
例２：０．０３mol/L のモル濃度と結合して、０．５６Torrの酸素分圧と結合した、０．５０mL/min の供給レートは、０．６ミクロン厚の膜に対して、約０．０A/cm2 の臨界電流を生じる（堆積時間が例１の半分に減少したとしても、同じ膜厚が得られる。）。
例３：０．０３mol/L のモル濃度と結合して、１．０８Torrの酸素分圧と結合した、０．５０mL/min の供給レートは、０．６ミクロン厚の膜に対して、約２．５MA/cm2 の臨界電流を生じる（堆積時間が例１の半分に減少したとしても、同じ膜厚が得られる。）。
例４：０．０６mol/L のモル濃度と結合して、１．０８Torrの酸素分圧と結合した、０．５０mL/min の供給レート、は、０．６ミクロン厚の膜に対して、約２．２MA/cm2 の臨界電流を生じる（堆積時間が例３の半分に減少したとしても、同じ膜厚が得られる。）。
【００４０】
さらに、前駆体蒸気、およびそれらの不活性ガスが、２３０から３００℃の温度範囲内の堆積ゾーンに最も有効に分配されることは、よく知られている。
【００４１】
最後に、堆積プロセス中の基板テープ１１６の温度は、最終特性に影響を及ぼしうる。たとえば、３５Aの高い臨界電流（Jc）が、８００℃（Jc=１MA/cm2）で準備された０．３５ミクロンの厚さをもつ膜に対して得られる。しかしながら、同じ厚さの膜を有する、しかし、８１０℃で準備される膜に対して、Jc は、１０Aに落下した。
【００４２】
図１の例を用いて、上記されたものを含む、MOCVDシステム１００の堆積ゾーン１１８のゾーンA、B、C、D、E内の膜堆積プロセスに影響を与える特定のパラメータは、以下の表１から５において定義される。 
【００４３】
【表１】
2007521392.tif 000003
【００４４】
【表２】
2007521392.tif 000004
【００４５】
【表３】
2007521392.tif 000005
【００４６】
【表４】
2007521392.tif 000006
【００４７】
【表５】
2007521392.tif 000007
【００４８】
MOCVDシステム１００の詳細な動作は、図４(a)に示される一例であるHTSコートテープを用いて記述される。
【００４９】
図４(a)は、図１のMOCVDシステム１００により形成されたHTSコートテープ１５０の断面図を示す。該HTSコートテープ１５０は、その上に、第一に、層１６０が堆積され、つづいて、層１５８が、次に、層１５６が、次に、層１５４が、最後に、層１５２が、堆積される基板テープ１１６を含む。層１６０、層１５８、層１５６、層１５４、および層１５２は、各々図１のMOCVDシステム１００により形成された、YBCO等のHTS膜により形成されている。
【００５０】
図１、図３、図４(a)を参照して、本発明のMOCVDシステム１００の動作は、以下のとおりである。
【００５１】
充分な真空は、真空ポンプ１４２を活性化することによって、反応炉１００内で展開される。堆積ゾーン１１８を通っての基板テープ１１６の線形移動は、ゾーンAからゾーンEに進む方向において始まる。（基板テープ１１６を移動させるメカニズムは、図示されていない。）多ゾーン基板ヒータ１１４内のすべての加熱要素は、表１から表５により基板テープ１１６に所望の温度を与えるよう活性化される。
【００５２】
液体ソース２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄ、２０６ｅは、表１から表５による液体有機金属前駆体液を含む。ポンプ２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ、２０２ｅは、それぞれ活性化されて、液体ソース２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄ、２０６ｅからの液体前駆体を、前駆体蒸気化器２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅに、それぞれ、供給する。
【００５３】
そこで、該液体は、直ちにフラッシュ蒸気化され、その後、アルゴン、又は窒素等の不活性キャリアガスと混合されて、ガスライン１０４からの前駆体蒸気化器２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅ内に供給されて、イットリウムーバリウムー銅蒸気前駆体を形成する。前駆体蒸気化器２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅからのイットリウムーバリウムー銅蒸気前駆体は、そののち、それぞれ前駆体蒸気ライン１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄ、１２２ｅを介してキャリアガスにより反応炉１１０に運搬される。前駆体蒸気ライン１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄ、１２２ｅは、表１から５にしたがって、加熱コイル（図示せず）により、適切な温度に維持される。さらに、酸素は、蒸気前駆体が、それぞれ、酸素ライン１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ、１２８ｄ、１２８ｅを介して反応炉１１０に入るすぐ前に、前駆体蒸気ライン１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄ、１２２ｅに、導入される。
【００５４】
MOCVDシステム１００の反応炉１１０内の堆積プロセスを活性化し、すべての制御パラメータを、表１から５にしたがって設定して、HTSコートされたテープ１５０は、以下のように、形成される。
【００５５】
最初に、前駆体蒸気ライン１２２ａは、多区画シャワーヘッド１１２の区画１１３ａに、イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気を供給し、これは、堆積ゾーン１１８のゾーンA内の基板テープ１１６に向けた方向に、この蒸気前駆体を、均一に向けさせる。酸素が、イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気と反応した結果により、およびこの反応する結合物が、堆積ゾーン１１８のゾーンA内の熱い基板テープ１１６と接触することにより、前記イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体は、分解し、それが堆積ゾーン１１８のゾーンAを通過するとき、基板テープ１１６の上に、YBCOの層１６０を形成する。層１６０内の欠陥は、表１による制御パラメータにより最小化される。このように、層１６０は、付加的なYBCO材料を成長させる高品質なテンプレートを与える。
【００５６】
続いて、前駆体蒸気ライン１２２ｂは、イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気、あるいは表２に示される代わりの前駆体を含む蒸気を、多区画シャワーヘッド１１２の区画１１３ｂに供給し、これは、堆積ゾーン１１８のゾーンB内の基板テープ１１６に向けた方向に、この蒸気前駆体を、均一に向けさせる。酸素が、イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気、あるいは、表２に示される代わりの前駆体を含む蒸気と反応した結果により、およびこの反応する結合物が、堆積ゾーン１１８のゾーンB内の熱い基板テープ１１６と接触することにより、前記イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体、あるいは表２に示される代わりの前駆体を含む蒸気が、分解し、それが堆積ゾーン１１８のゾーンBを通過するとき、基板テープ１１６の上に、YBCOの層１５８を、あるいは、使用された代わりの前駆体に相当するHTSを形成する。層１５８内の欠陥は、表２による制御パラメータにより最小化される。このように、層１５８は、付加的なYBCO材料、あるいは使用された代わりの前駆体に相当するHTS膜を成長させる高品質なテンプレートを与える。
【００５７】
続いて、前駆体蒸気ライン１２２ｃは、イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気、あるいは表３に示される代わりの前駆体を含む蒸気を、多区画シャワーヘッド１１２の区画１１３ｃに供給し、これは、堆積ゾーン１１８のゾーンC内の基板テープ１１６に向けた方向に、この蒸気前駆体を、均一に向けさせる。酸素が、イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気、あるいは、表３に示される代わりの前駆体を含む蒸気と反応した結果により、およびこの反応する結合物が、堆積ゾーン１１８のゾーンC内の熱い基板テープ１１６と接触することにより、前記イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体、あるいは表３に示される代わりの前駆体を含む蒸気が、分解し、それが堆積ゾーン１１８のゾーンCを通過するとき、基板テープ１１６の上に、YBCOの層１５６を、あるいは、使用された代わりの前駆体に相当するHTSを形成する。層１５６内の欠陥は、表３による制御パラメータにより最小化される。このように、層１５６は、付加的なYBCO材料、あるいは代わりの前駆体に相当するHTS層を成長させる高品質なテンプレートを与える。
【００５８】
続いて、前駆体蒸気ライン１２２ｄは、イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気、あるいは表４に示される代わりの前駆体を含む蒸気を、多区画シャワーヘッド１１２の区画１１３ｄに供給し、これは、堆積ゾーン１１８のゾーンD内の基板テープ１１６に向けた方向に、この蒸気前駆体を、均一に向けさせる。酸素が、イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気、あるいは、表４に示される代わりの前駆体を含む蒸気と反応した結果により、およびこの反応する結合物が、堆積ゾーン１１８のゾーンC内の熱い基板テープ１１６と接触することにより、前記イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体、あるいは表４に示される代わりの前駆体を含む蒸気が、分解し、それが堆積ゾーン１１８のゾーンDを通過するとき、基板テープ１１６の上に、YBCOの層１５４を、あるいは、使用された代わりの前駆体に相当するHTSを形成する。層１５４内の欠陥は、表４による制御パラメータにより最小化される。このように、層１５４は、付加的なYBCO材料、あるいは使用された代わりの前駆体に相当するHTS層を成長させる高品質なテンプレートを与える。
【００５９】
最後に、前駆体蒸気ライン１２２eは、イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気、あるいは表５に示される代わりの前駆体を含む蒸気を、多区画シャワーヘッド１１２の区画１１３eに供給し、これは、堆積ゾーン１１８のゾーンE内の基板テープ１１６に向けた方向に、この蒸気前駆体を、均一に向けさせる。酸素が、イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気、あるいは、表5に示される代わりの前駆体を含む蒸気と反応した結果により、およびこの反応する結合物が、堆積ゾーン１１８のゾーンE内の熱い基板テープ１１６と接触することにより、前記イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体、あるいは表５に示される代わりの前駆体を含む蒸気が、分解し、それが堆積ゾーン１１８のゾーンEを通過するとき、基板テープ１１６の上に、YBCOの層１５２を、あるいは、使用された代わりの前駆体に相当するHTSを形成する。
【００６０】
層１５２内の欠陥は、表５による制御パラメータにより最小化される。このように、層１５２は、付加的なHTS材料、あるいは銀あるいは銅等の材料であって、任意の膜堆積プロセスにより堆積することのできる材料を、成長させることのできる高品質なテンプレートを与える。その結果、HTSコートテープ１５０を形成する、YBCO層、または使用される任意の代わりの前駆体に相当するHTS層は、あつまって、ほぼ０．６MA/cm2より大きい臨界電流密度を持つ２ミクロンより大きい厚さを持つ。
【００６１】
要約するに、堆積制御パラメータを最適化することにより、YBCO又は、使用される代わりの前駆体に相当するHTSの厚層は、１つの高品質YBCOコーティング、又は使用される代わりの前駆体に相当するHTSを、他の上に、堆積ゾーン１１８内の、多数の独立に制御された堆積領域（すなわち、ゾーンA,B,C,D,E）を介して、適用することにより形成される。このようにして、他の上に適用される、各YBCOコーティング、又は使用される代わりの前駆体に相当するHTSのモルフォロジーは、高多孔性、ボイド、表面粗さ等の、膜欠陥を最小化するよう、注意深く制御され、これにより、高品質成長テンプレートを形成する。その結果、本発明のMOCVDシステム１００は、１．５ミクロンを超える厚さを持ち、少なくとも１００A/cm 幅を超える、増大した電流容量を生ずる増大した材料密度および滑らかさを持つ、YBCO膜、および使用される代わりの前駆体に相当するHTSを製造することができる。
【００６２】
代わりの実施の形態において、多数の前駆体は、MOCVDシステム１００の堆積ゾーン１１８に、単一ユニットとして設計された多区画シャワーヘッドを使用するのに代えて、分離して搭載されたシャワーヘッドにより、分離した前駆体を基板テープ１１６に供給するよう、供給される。各分離して搭載されたシャワーヘッドは、熱を基板テープ１１６に供給するための関連する分離したヒータを持つであろう。
【００６３】
図２は、増大した電流容量を持つ多層HTSコートテープを製造するための、本発明の一実施形態によるMOCVDシステム１０１を図解している。該MOCVDシステム１０１は、通常のMOCVD反応炉１１０を含み、これは、その中でMOCVDプロセスが起こる、例えば、１．６Torrの圧力に維持された冷壁反応炉のような、真空シールされた堆積チャンバーである。該MOCVD反応炉１１０は、基板ヒータ１１４に近接して配置された多区画シャワーヘッド１１２を収容している。基板ヒータ１１６は、堆積ゾーン１１８内で、多区画シャワーヘッド１１２と基板ヒータ１１５との間に位置し、（動作の間に）多区画シャワーヘッド１１２の長さに沿って該多区画シャワーヘッド１１２と基板ヒータ１１５との間を移動する、すなわち、基板テープが前駆体蒸気に露出された領域を、移動する。基板テープ１１６は、種々の材料、例えば、その上に、イットリウム安定化ジルコニア（YSZ）、および／又はセリウムオキサイド（CeO2）等のバッファ層が、２軸繊維、例えば、（１００）〈００１〉キューブ繊維とともに前もって堆積されたステンレススティール、又はInconel 等のニッケル合金、等の種々の材料から形成された可撓性のある長さの基板である。基板テープ１１６は、９００℃以上の温度に耐えることができ、所望の最終製品およびシステム限定に合うよう変化する寸法を有する。例えば、基板テープ１１６は、２５ミクロンの厚さ、１cmの幅、１００メータの長さ、を有する。
【００６４】
多区画シャワーヘッド１１２は、例えば、図１及び図２で示したように、区画１１３ａ、区画１１３ｂ、区画１１３ｃ、区画１１３ｄ、区画１１３ｅの多数の区画１１３内の微細な穴を介して蒸気を基板テープ１１６上に均一に分配する装置である。多区画シャワーヘッド１１２内の各区画１１３は、共通の入り口（図示せず）によって供給される領域を通って均一に分布された多数の微細穴を含む。さらに、多区画シャワーヘッド１１２内の各区画１１３は、１つの区画１１３によって分配されている蒸気前駆体が、隣接する区画１１３の蒸気前駆体と混じり合わないように、互いから物理的に分離されている。多区画シャワーヘッド１１２の全長、多区画シャワーヘッド１１２内の区画１１３の数、各区画１１３の長さ、および各区画１１３に供給される蒸気前駆体の特定の組成は、応用に応じてユーザにより定義することができる。
【００６５】
堆積プロセスの間に、基板テープ１１６の温度は、基板ヒータ１１４により適切に制御される。基質ヒータ１１４は、紫外線ランプ等の放射加熱要素を介して、基板テープ１１６に対し、代表的に７００から９５０℃の範囲内の加熱を与える、公知の単一あるいは多数ゾーン基板ヒータである。あるいは、基板ヒータ１１４は、カンタル（Kanthal）やMoSi2等の加熱要素を介した加熱ヒータである。
【００６６】
MOCVDシステム１０１は、さらに、第１、第２の前駆体供給システムを含む。図３に示すように、各供給システムは、例えば、ステンレススティールよりなり、イットリウム（Y）、バリウム（Ba）、銅（Cu）などの有機金属前駆体を、適切な混合溶媒とともに含む溶液を含む容器である液体ソース２０６を含む。液体ソース２０６は、０．１mL/minと１０mL/minの間の低フローレートが可能な液体前駆体供給ポンプ２０２に供給される。ポンプ２０２は、高圧力液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）ポンプのような、高圧力、低フローレートポンプである。ポンプ２０２は、その中で前駆体液がフラッシュ蒸発され、アルゴンや窒素等の不活性キャリアガスと混合されて、多区画シャワーヘッド１１２に供給される前駆体蒸気化器２０４に供給する。蒸発した前駆体は、ライン１２２を介して蒸気化器を出る。反応炉１１０内に入る各蒸気ライン１１２のすぐ前にて、酸素ライン１２８が、蒸気ライン１４２内に開口している。酸素ライン１２８は、それを通って酸素が前駆体蒸気へ導入されるよう通過し、かつ、それらの不活キャリアガスが前駆体蒸気ライン１２２内を流れるチューブあるいはパイプである。該数字の後に小文字を付された１２２で示された、前駆体蒸気ラインの各搭載は、シャワーヘッド１１２を通って基板１１６上に供給される用意のできた反応炉１１０に入る。
【００６７】
最後に、MOCVDシステム１０１は、反応炉１１０に接続された真空ポンプ１４２を含む。真空ポンプ１４２は、Leybold model D408のように、１０-3Torrの大きさのオーダーの圧力の真空を維持することができる商業上利用可能な真空ポンプである。あるいは、真空ポンプ１４２の機能は、大量の液体前駆体の使用に適した適当な真空を得るために、Edwards model EH500のような機械ポンプと機械ブースターとの組み合わせにより達成することができる。
【００６８】
前駆体供給システム１２０と真空ポンプ１４２は、すべて反応炉１１０の外に位置している。また、当業者であれば、MOCVDシステム１０１はさらに、簡単のため、図２や図３には示されていない圧力計および熱電対等の様々なセンシングおよび制御デバイスを含むことを理解するであろう。
【００６９】
堆積ゾーン１１８内に区別された領域が形成され、多区画シャワーヘッド１１２内の各区画１１３に関連付けられている。図２に示した例において、区画１１３ａから分配された蒸気は、ゾーンA内の基板テープ１１６上に堆積され、区画１１３ｂから分配された蒸気は、ゾーンB内の基板テープ１１６上に堆積され、区画１１３ｃから分配された蒸気は、ゾーンC内の基板テープ１１６上に堆積され、区画１１３ｄから分配された蒸気は、ゾーンＤ内の基板テープ１１６上に堆積され、区画１１３ｅから分配された蒸気は、ゾーンＥ内の基板テープ１１６上に堆積される。さらに、図２で説明した例は、液体ソース１２０ｘから展開された蒸気前駆体が、蒸気ライン１２２xを介して区画１１３ａ、１１３ｃ、１１３ｅを供給するのを示している。同様に、液体ソース１２０ｙから展開された蒸気前駆体は、蒸気ライン１２２ｙを介して区画１１３ｂ、１１３ｄを供給する。
【００７０】
MOCVDシステム１００の詳細な動作を、図４(b)に示される多層コートテープを用いて説明する。
【００７１】
図４(b)は、図２のMOCVDシステム１０１を介して形成される多層コートテープ２００の断面図を示している。多層コートテープ２００は、その上に、まず層２１０が堆積され、続いて層２１２、層２１４、層２１６が堆積され、最後に層２１８が堆積される、基板テープ１１６を含む。層２１０、層２１２、層２１４、層２１６、及び層２１８はそれぞれ、図２のMOCVDシステム１０１によりＨＴＳ膜から形成される。一例として、層２１０、層２１４、及び層２１８は、各層が、１．５ミクロン以内の代表的な厚さを持つYBCOから形成され、層２１２と層２１６は、各層が、０．２ミクロン以内の代表的な厚さを持つサマリウム−バリウム−銅−オキサイド（SmBa2Cu3O7あるいは“Ｓｍ１２３”）から形成される。
【００７２】
MOCVDシステム１０１によって上記したような特定のHTS材料よりなる層を有する多層コートテープ２００の形成は、以下の通りである。
【００７３】
十分な真空が、真空ポンプ１４２を活性化することにより反応炉１１０内に展開される。堆積ゾーン１１８を通る基板テープ１１６の線形移動が、ゾーンＡからゾーンＥに進む方向に始まる。（基板テープ１１６が移動する機械的メカニズムは、図示されていない。）基板ヒータ１１４は活性化され、基板テープ１１６は、７００から９５０℃の範囲内の代表的な温度まで、一定の比率で上昇する。
【００７４】
液体ソース２０６は、第１の液体有機金属前駆体を形成するために、テトラヒドロフラン及びイソプロパノールなどの適切な混合溶液とともに、イットリウム、バリウム及び銅のテトラメチルヘプタンジオネート（tetramethyl heptanedionate, THD）化合物の室温溶液を含む。
【００７５】
ポンプ２０２は、活性化されて、液体ソース２０６からのイットリウム−バリウム−銅液体前駆体を、前駆体蒸気化器２０４内に供給し、該前駆体蒸気化器２０４では、前記溶液が約２４０℃で直ぐにフラッシュ蒸気化され、その後、アルゴンまたは窒素のような不活性キャリアガスと混合し、ガスライン１０４から前駆体蒸気化器２０４内に入って、イットリウム−バリウム−銅蒸気前駆体を形成する。イットリウム−バリウム−銅蒸気前駆体は、その後、加熱コイル（図示せず）により、代表的には２００℃から３００℃の範囲内の適度な温度に維持されている前駆体蒸気ライン１２２ｘを通ってアルゴンのようなキャリアガスを用いて反応炉１１０に運搬される。さらに酸素は、前記蒸気前駆体が反応炉１１０に入るすぐ前に、酸素ライン１２８を介して蒸気前駆体に導入される。蒸気ライン１２２ｘは、イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気を、多区画シャワーヘッド１１２の区画１１３ａ、１１３ｃ、１１３ｅに分配し、これらはこの前駆体蒸気を、堆積ゾーン１１８のゾーンA、C、E内の基板テープ１１６に向かって均一に向ける。その間、基板テープ１１６の温度は、基板ヒータ１１４によって適当に制御される。酸素が、イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気と反応し、この前駆体蒸気がその後熱い基板テープ１１６と接触する結果、イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体は分解され、堆積ゾーン１１８のゾーンA、C、E内の基板テープ１１６上にYBCOの膜を形成する。
【００７６】
ポンプ２０２が活性化されて、イットリウム−バリウム−銅を含む液体前駆体を供給するのと同時に、同じポンプが活性化されて、サマリウム−バリウム−銅を含む液体ソースからのサマリウム−バリウム−銅を含む液体前駆体を、サマリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気化器に供給し、そこで、該液体は約２４０℃で直ちにフラッシュ蒸気化され、その後アルゴンまたは窒素等の不活性キャリアガスと混合されて、ガスライン１４０から前駆体蒸気化器２０４内に入り、サマリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気を形成する。サマリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気は、その後、加熱コイル（図示せず）により、代表的には２００℃から３００℃の範囲内の適度な温度に維持されている蒸気ライン１２２ｙを通ってアルゴンのようなキャリアガスを用いて反応炉１１０に運搬される。さらに酸素は、蒸気前駆体が反応炉１１０に入るすぐ前に、酸素ライン１２８を介して蒸気前駆体に導入される。蒸気ライン１２２ｙは、サマリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気を、多区画シャワーヘッド１１２の区画１１３ｂ、１１３ｄに分配し、これらはこの前駆体蒸気を、堆積ゾーン１１８のゾーンB、D内の基板テープ１１６に向かって均一に向ける。その間、基板テープ１１６の温度は、基板ヒータ１１４によって適当に制御される。酸素が、サマリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気と反応し、この蒸気前駆体がその後熱い基板テープ１１６と接触する結果、サマリウム−バリウム−銅を含む前駆体蒸気は分解し、堆積ゾーン１１８のゾーンB、D内の基板テープ１１６上にSm１２３の膜を形成する。
【００７７】
MOCVDシステム１０１の反応炉１１０内の堆積プロセスを活性化し、かつつづいて、図２および４ｂを参照して、多層コートテープ２００は、以下のように形成される。移動する基板テープ１１６は、堆積ゾーン１１８のゾーンA内でYBCOの第１の層の堆積を経験し、層２１０を形成する。つづいて、ＹＢＣＯの第１の層の上に、基板テープ１１６は、堆積ゾーン１１８のゾーンＢ内で、Ｓｍ１２３の第１の層の堆積を経験し、層２１２を形成する。つづいて、Ｓｍ１２３の第１の層の上に、基板テープ１１６は、堆積ゾーン１１８のゾーンＣ内でＹＢＣＯの第２の層の堆積を経験し、層２１４を形成する。つづいて、ＹＢＣＯの第２の層の上に、基板テープ１１６は、堆積ゾーン１１８のゾーンＤ内で、Ｓｍ１２３の第２の層の堆積を経験し、層２１６を形成する。最後に、Ｓｍ１２３の第２の層の上に、基板テープ１１６は、堆積ゾーン１１８のゾーンＥ内で、ＹＢＣＯの第３の層の堆積を経験し、層２１８を形成する。
【００７８】
サマリウムとイットリウムは、元素の周期表で同一族に属し、これは、サマリウム−バリウム−銅前駆体が、イットリウム−バリウム−銅を含む前駆体と非常によく似た態様で振舞うことを意味する。その結果、サマリウム−バリウム−銅超伝導化合物は、イットリウム−バリウム−銅超伝導化合物と同じ堆積条件で堆積され得る。そのような処理条件は、蒸気ライン１２２ｎの温度が２５０℃〜３００℃、基板テープ１１６の温度が７００℃〜９５０℃、堆積圧力が１〜１０Torr、酸素分圧が０．５〜５Torr、液体前駆体の供給レートが０．２５〜１０mL/min、を含む。イットリウム−バリウム−銅前駆体と、サマリウム−バリウム−銅前駆体は、同様の特性をもつので、MOCVDシステム１０１内の要素の加熱または冷却の要件は、異なる材料を収容するための特別な設計を必要としない。
【００７９】
一般に、堆積される各層の厚さは、３つの要因：(1)その関連する区画の物理的な長さ、(2)その関連する蒸気前駆体の供給レート、および(3)その関連する前駆体のモル濃度（すなわち、前駆体液の濃度）、の組み合わせによって決定される。さらに、各膜の厚さはこれらの３つの要因の各々に正比例する。例えば、その関連する区画の物理的な長さが長ければ長いほど、膜は厚く；その関連する蒸気前駆体の供給率が高いほど、膜は厚く；また、その関連する液体前駆体の濃度が高いほど、膜は厚くなる。
【００８０】
これらの制御の一例として、層２１２の厚さは、多区画シャワーヘッド１１２内の区画１１３ｂの物理的長さ、サマリウム−バリウム−銅を含む前駆体の供給レート、及びサマリウム−バリウム−銅を含む液体前駆体の濃度、の組み合わせによって決定される。
【００８１】
YBCOの単一層の場合、研究は、臨界電流が、約１．５ミクロンで最大値に達して水平になる、何故なら、膜が厚くなると、表面粗さがますます増加し、結晶成長のためにますますより貧弱となるテンプレートを形成し、かつ不整列な結晶を生じ、これにより、電流フローの任意の増大を禁止する。さらに、該膜は、膜が厚くなるほど、より多孔性となり、これにより、電流フローの任意の増大を禁止する。
【００８２】
対照的に、Sm１２３は、YBCOよりも滑らかな膜である。これにより、YBCOの層上のＳｍ１２３の成長は、表面粗さを減少し、任意の付加的なYBCO層を成長させるより良いテンプレートを作る。YBCO−Sm１２３のシーケンスは、電流の流れを制限あるいは禁止することなしに繰り返すことができ、対照的に、YBCOの単一厚層は、約１．５ミクロンの厚さを超えれば、もはや電流フローのそれ以上の増加を示さない。Sm１２３とYBCOは、共に同様の特性を有する超伝導材料であり、このため、層間の拡散は重要な問題を引き起こすことはない。
【００８３】
MOCVDシステム１００を用いた多層コートテープ２００のような多層HTSコートテープの形成は、Sm１２３を有するYBCOに限定されず、他の超伝導材料を用いることもできる。例えば、RE１２３（ここで、REは、ネオジウム（Nd）、ユウロピウム（Eu）、ランタン（La）、ホルミウム（Ho）、ガドリニウム（Gd）のような希土類金属である）のように、YBCOと化学上互換性のある他の酸化物を使用しても良い。さらに、MOCVDシステム１００を用いて形成された多層HTSコートテープは、任意の特定の数の層に限定されない。多区画シャワーヘッド１１２は、全ての前駆体供給ラインおよびポンプが適切な供給レートでの多数ゾーンへの供給を扱うことができる寸法とされていれば、任意の数の区画１１３に拡張することができる。さらに、したがって基板ヒータ１１４は、任意の長さに拡張することができる。あるいは、
基板ヒータ１１４内に、直接に区画１１３に関係付けられ、必要であれば、更なる温度制御のための堆積ゾーンを生じる分離されたヒータゾーンが設けられていてもよい。
【００８４】
他の実施の形態では、単一ユニットとして設計された多区画シャワーヘッドを用いる代わりに、基板テープ１１６に供給する分離した搭載された複数のシャワーヘッドにより、MOCVDシステム１００あるいは１０１の堆積ゾーン１１８に、多数の前駆体を供給するようにすることができる。各々別々に取り付けられた各シャワーヘッドは、熱を基板テープ１１６に与えるための関連する分離したヒータを持つであろう。
【００８５】
多数層の堆積は、パルスレーザ堆積（PLD）プロセスのような、他の公知の堆積プロセスを用いて行うことができるが、PLDプロセスに関連した機器費用は、各層と関連するレーザがあるため制限的である。このように、多数層は、PLDシステムのもっとも高価な部品で多数のレーザを要求する。従って、本発明のMOCVDシステム１００および１０１は、増大した電流容量を有する多数層HTSコートテープを製造する、望ましい、コスト的に有効な、高スループットの方法である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】図１は、増大した電流容量を持つ、複数層のHTSコートテープを製造するための本発明の実施形態１によるMOCVDシステムを図解する。
【図２】図２は、増大した電流容量を持つ、複数層のHTSコートテープを製造するための本発明の実施形態２によるMOCVDシステムを図解する。
【図３】図３は、本発明の前駆体供給システムの要素を図解する。
【図４（ａ）】図４(ａ)は、本発明のMOCVDシステムの実施形態１により形成された一例である多層コートされたテープの断面図を図解する。
【図４（ｂ）】図４(ｂ)は、本発明のMOCVDシステムの実施形態２により形成された一例である多層コートされたテープの断面図を図解する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【国際調査報告】
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