(57)【要約】【課題】高品質の超伝導テープを製造するための方法およびシステムの提供。【解決手段】ＭＯＣＶＤシステムは、可変厚さを有する高品質の超伝導体テープを製造する。ＭＯＣＶＤシステムは、ハウジング内の２つの平行チャネルの間に気体流動チャンバを含むことができる。基板テープは、加熱された後、気体の流れがテープの表面に対して垂直になるように、ＭＯＣＶＤハウジングを通過する。基板テープ上の堆積のために前駆体が気体の流れに注入される。このように、超伝導体テープは、可変厚さ、均一な前駆体堆積、および高臨界電流密度を有するように製造されることができる。【選択図】図５Ｂ
2017107871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機金属化学蒸着によって調製される超伝導体テープであって、前記超伝導体テープは、ゼロ印加磁場で７７Ｋで、１．５μｍを超えるフィルムの厚さと、４ＭＡ／ｃｍ２を超える臨界電流密度とを備える、超伝導体テープ。
【請求項２】
有機金属化学蒸着によって調製される超伝導体テープであって、前記超伝導体テープは、約２μｍを超えるフィルムの厚さと、１０％未満の非ｃ軸粒子配向とを備える、超伝導体テープ。
【請求項３】
有機金属化学蒸着によって調製される超伝導体テープであって、前記超伝導体テープは、理論値の２０％を超える、前駆体からフィルムへの変換効率を備える、超伝導体テープ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１３年３月１５日に出願された米国仮出願第６１／８０１，４７８号に
対して優先権を主張する。上記文献は、その全体として参照することによって本明細書に
おいて援用される。
【０００２】
（政府の資金援助）
米国エネルギー高等研究計画局（ＡＲＰＡ−Ｅ）が与える（ＤＥ−ＡＲ００００１４１
）。
【０００３】
（背景）
エネルギー発生、伝達、変換、貯蔵、および使用に関連する、迫り来る問題を解決する
ために、いくつかの材料系が開発されている。超伝導体は、広範囲のエネルギー問題にわ
たる解決策を提供する独特なシステムである。超伝導体は、発電器、送電ケーブル、モー
タ、変圧器、およびエネルギー貯蔵に対して高い効率を可能にする。さらに、超伝導体は
、エネルギーのみならず、医療、素粒子物理学、通信、および輸送に及ぶ用途を可能にす
る。
【０００４】
超伝導テープは、ますます一般的になってきている。これは、部分的に、多結晶基板上
にエピタキシャルの単結晶状薄膜を作成する、製造技術の成功に起因する（Ｙ．Ｉｉｊｉ
ｍａ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｂｉａｘｉａｌｌｙ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ
Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔａｐｅｓ，”Ｐｈｙｓｉｃａ  Ｃ  １８５，１９５９（１９９
１）、Ｘ．Ｄ．Ｗｕ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ
７  Ｔｈｉｃｋ  Ｆｉｌｍｓ  ｏｎ  Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｂｕｆｆｅｒｅｄ  Ｍｅｔａｌ
ｌｉｃ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６７，２３９７（１
９９５）、Ａ．Ｇｏｙａｌ，ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９，１７
９５（１９９６）、Ｖ．Ｓｅｌｖａｍａｎｉｃｋａｍ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｈｉｇｈ  Ｐｅ
ｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ２Ｇ  ｗｉｒｅｓ：Ｆｒｏｍ  Ｒ＆Ｄ  ｔｏ  Ｐｉｌｏｔ−ｓｃａ
ｌｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，”ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃ
ｏｎｄ．１９，３２２５（２００９））。この技術によって処理された超伝導フィルムは
、単結晶基板上に成長させたエピタキシャル膜で達成したものに匹敵する臨界電流密度を
示す。この技術を用いて、いくつかの機関は、超伝導の複合テープのパイロット規模の製
造を実証した。超伝導テープの製造において使用される１つの一般的な工程は、金属有機
化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）と呼ばれる（Ｖ．Ｓｅｌｖａｍａｎｉｃｋａｍ，ｅｔ  ａｌ．，
“Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ２Ｇ  ｗｉｒｅｓ：Ｆｒｏｍ  Ｒ＆Ｄ  ｔｏ  Ｐ
ｉｌｏｔ−ｓｃａｌｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，”ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐ
ｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．１９，３２２５（２００９））。
【０００５】
超伝導体テープの製造に使用される、現在のＭＯＣＶＤ方法およびシステムは、主に、
設計上の欠陥に起因する重大な欠点を有する（Ｖ．Ｓｅｌｖａｍａｎｉｃｋａｍ  ｅｔ  
ａｌ，“Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒ
ａｔｕｒｅ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ”、米国特許第８
，２６８，３８６号）。例えば、図１は、超伝導体テープの製造に使用される、現在のＭ
ＯＣＶＤシステムにおいて使用されるシャワーヘッド１００の概略図を図示する。ＭＯＣ
ＶＤシステムの中核は、テープ１２５の上で前駆体の流れ１２０を分散させるためのシャ
ワーヘッド１１５と、それがヒータ１３０に沿って移動することに伴う接触加熱によって
テープ１２５を加熱するためのヒータ１３０とから構成される、反応器１１０である。
【０００６】
現在のＭＯＣＶＤ設計の１つの主な欠点は、加熱および堆積機構がテープ上に均一な加
熱または均一な堆積を提供しないことである。これらの設計上の欠陥が、不良表面微細構
造を有する超伝導体テープを生成し、大幅にテープの超伝導の品質を劣化させる可能性が
ある。例えば、超伝導体テープは、接触加熱によって多少かさばるヒータによって加熱さ
れるので、一定のヒータ温度では、特に厚いフィルムの場合、必ずしも一定のテープ温度
を得るわけではない。さらに、テープがヒータの上に素早く移動するため、テープとヒー
タとの間の接触の散発的な損失がある。また、テープが非常に小さな質量を有するため、
短期でも接触の損失が発生した場合、テープの温度に大幅な減少をもたらす。さらに、前
駆体の流れは、テープに向かって下方に向けられ、一度テープに当たるとテープを横切っ
て横方向に流動する。この不均一な流れは、テープにわたって温度差を引き起こし、それ
によって、最適温度範囲から偏差も生じる。これら全ての温度変動は、工程が最適温度範
囲から外れること、およびテープの表面微細構造における誤配向の粒子成長を生成するこ
とを引き起こすことがある。また、現在のシステムでは、反応器の外部から利用可能な視
線はないため、直接的にテープの温度を監視する解決策が存在せず、前駆体の流れを妨害
することなく、直接的にテープの温度を監視するための反応器内の余地もない。現在のＭ
ＯＣＶＤ設計は、加熱ブロック内の熱電対を用いた温度を監視する。テープ温度が不均一
なため、最適な温度範囲からの偏差は、通常、見過ごしてしまう。
【０００７】
また、シャワーヘッドから堆積の流れがテープに到達するのは中央のみで、その他の流
れのほとんどは、完全に基板に到達することなく送り出される。この不均一な前駆体の流
れは、誤配向粒子成長を含む不均一な超伝導体の成長をもたらす。この堆積現象は、図２
に図示され、現在のＭＯＣＶＤシステムにおける乱流流体の流れと固体／流体熱伝達の有
限要素解析である。流線２００は、前駆体の流路を示し、色分けは、流量の不均一性を示
す。有限要素プロットは、前駆体の相当な部分（特にシャワーヘッドの中央から離れて注
入されたもの）がテープ表面まで到達しないことを図示し、それによって、前駆体からフ
ィルムへの変換効率が低下させられる。また、不均一な流量は、不均一なフィルム堆積速
度を引き起こし、それによって、フィルムでの不均一性も引き起こす可能性がある。
【０００８】
前述の加熱および堆積欠点は、超伝導フィルムを製造時に厚くするとともに、悪化する
。したがって、フィルムを厚くするほど誤配向粒子成長が増加する。例えば図３Ａは、現
在のＭＯＣＶＤ方法により製造した、厚さ１μｍの超伝導体テープ３００の表面微細構造
を示す。微細構造は、比較的小さな粒子誤配向３１０を有し、非常に均質である。しかし
ながら、図３Ｂに見えるように、厚さ２μｍの超伝導体テープ３２０は、実質的量の誤配
向粒子３３０が見える。図３Ｃは、２μｍテープ３２０とａ断軸粒子３３０との面図を示
す。これらの例示図面は、誤配向粒子が、主に、テープの最初の１μｍが製造された後に
形成されることを証明する。
【０００９】
テープ厚さが増加するほど、誤配向粒子成長が増加するため、臨界電流密度（臨界電流
／断面積）が低下し、すなわち、テープ厚さが増加するほど、超伝導体フィルムの品質が
劣化するということである。この現象は、図４に図示され、現在のＭＯＣＶＤシステムに
よって製造されたテープにおいて、超伝導体テープの厚さに対する関数として臨界電流密
度を示す。この傾向に対する１つの説明は、より厚いフィルムで誤配向粒子成長の増加が
電流の流れを妨害することによって、より低い電流密度をもたらすことである。電流密度
が低下すると、超伝導テープの品質が劣化する。これは、現在のＭＯＣＶＤ工程が約１μ
ｍより厚い高品質の超伝導テープを製造するのに適切ではないことを示す。
【００１０】
現在のＭＯＣＶＤ設計に関して別の欠点は、その工程が非効率的で高価であることであ
る。例えば、上述したように、ＭＯＣＶＤの堆積設計は、流れの大部分が、基板に完全に
到達することなく送り出される不均一なテープという結果になり得る。また、シャワーヘ
ッドは、加熱ブロックから前駆体の分解が早すぎることを回避するために、テープおよび
加熱ブロックから実質的距離に位置付けられる。その結果、高価な前駆体は、製造工程で
浪費され、低いスループットにつながる。また、堆積工程は、比較的遅く、低い収率をも
たらす。例えば、現在の工程は、前駆体としてＹまたは他の希土類元素（ＲＥ）、Ｂａお
よびＣｕの２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート（−ｔｈｄ）有
機金属錯体を使用する。−ｔｈｄ属錯体は、基板上に堆積され、適切な温度および酸素分
圧で解離され、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ超伝導体（またはＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ）を形成する
。現在のＭＯＣＶＤシステムでは、前駆体の解離は、高い基板温度によって全体的に熱的
に活性化される。しかしながら、熱的活性化だけでは、前駆体の完全な解離を生じず、そ
のため、フィルムの前駆体への変換効率が低く、すなわち、理論値の約１５％にすぎない
。
【００１１】
また、プラズマ活性化を用いて、前駆体を活性化することが望ましいであろう。しかし
ながら、従来の反応器内にプラズマを導入することは、金属シャワーヘッドおよびサセプ
タがそれに対応しないため、不可能である（Ｖ．Ｓｅｌｖａｍａｎｉｃｋａｍ  ｅｔ  ａ
ｌ，“Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  （ＵＶ）  ａｎｄ  ｐｌａｓｍａ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  
ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  （
ＭＯＣＶＤ）  ｓｙｓｔｅｍ”、米国特許第２００４／０２４７７７９号）。
【００１２】
したがって、本技術分野において、一定の温度で異なる厚さおよび均一な前駆体沈着を
伴うフィルムを有する超伝導テープを高収率および効率（例えば、＞１５％）で製造する
ことができる方法およびシステムの必要性がある。また、本技術分野において、より厚い
厚さ（例えば、最大３μｍの厚さ）、最小限の誤配向ａ軸の粒子成長、および高臨界電流
密度を伴うフィルムを有する超伝導テープを製造することができる方法およびシステムの
必要性もある。最後に、本技術分野において、プラズマ活性化を介して、超伝導体テープ
を製造することができるシステムの必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第８，２６８，３８６号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０２４７７７９号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（要約）
有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）システムは、高品質の超伝導体テープを製造するため
に使用することができる。一構成において、本明細書に記載のＭＯＣＶＤシステムは、２
つのチャネル間の気体流路を含むことができる。基板テープは、加熱され、次いで、気体
流路の垂直にＭＯＣＶＤ装置へ送達することができる。気体の流れは、基板テープの平面
に対して平行または垂直に送達される１つ以上の前駆体を含むことができる。前駆体は、
加熱された基材テープに接触すると熱的に分解し、超伝導体フィルムを堆積することがで
きる。結果は、高品質の超伝導体テープとなり得る。
【００１５】
一実施形態において、本明細書に記載のＭＯＣＶＤシステムは、均一な前駆体堆積を伴
って、一定温度で超伝導体テープを製造することができる。別の実施形態では、本明細書
に記載のＭＯＣＶＤシステムは、可変厚さ、高臨界電流密度、および最小の誤配向粒子成
長のうちの１つ以上を伴う超伝導体テープを製造することができる。さらに別の実施形態
では、本明細書に記載のＭＯＣＶＤ装置は、前駆体からフィルムへの変換効率の高い超伝
導体テープを製造することができる。
【００１６】
さらに別の実施形態では、本明細書に記載の設備に従って製造された超伝導体テープは
、高臨界電流密度、粒子誤配向のないこと、および前駆体からフィルムへ高い変換効率の
少なくとも１つを伴うフィルムの可変厚さを含む。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
有機金属化学蒸着システムであって、前記有機金属化学蒸着システムは、
ハウジングであって、前記ハウジングは、
気相で超伝導体前駆体を流動させるためのチャンバであって、前記チャンバは、２つ
の平行チャネルの間に位置付けられている、チャンバと、
前記チャンバと流体連通している溝であって、前記溝は、前記ハウジングを通過し、
前記ハウジングの第１の端部および第２の端部においてアクセス可能である、溝と
を含み、ハウジングと、
超伝導体基板テープを予熱するための第１のローラであって、前記第１のローラは、前
記ハウジングの第１の端部において前記溝に前記予熱された超伝導体基板テープを誘導す
る、第１のローラと、
前記超伝導体基板テープを予熱するための第２のローラであって、前記第２のローラは
、前記溝を介して前記ハウジングの第２の端部の外へ前記予熱された超伝導体基板を誘導
する、第２ローラと
を含む、有機金属化学蒸着システム。
（項目２）
前記第１のローラおよび前記第２のローラは、オーム加熱により前記超伝導体基板テー
プを予熱することができる、項目１に記載の有機金属化学蒸着システム。
（項目３）
前記第１のローラおよび前記第２のローラは、約７００℃〜約８００℃の間に超伝導体
基板テープを予熱する、項目２に記載の有機金属化学蒸着システム。
（項目４）
前記溝内に前記テープと流体連通している１つ以上の温度監視装置をさらに含む、請求
項１に記載の有機金属化学蒸着システム。
（項目５）
前記１つ以上の温度監視装置は、少なくとも１つの光学結晶プローブを含む、項目４
に記載の有機金属化学蒸着システム。
（項目６）
前記１つ以上の温度監視装置は、前記超伝導体基板テープを一定温度に維持するために
、閉鎖ループで前記第１のローラおよび前記第２のローラに温度測定値を送信する、請求
項４に記載の有機金属化学蒸着システム。
（項目７）
前記気相は、前記超伝導体基板テープの表面と平行の方向および前記超伝導体基板テー
プの長軸に垂直の方向のうちの少なくとも１つで流動する、項目１に記載の有機金属化
学蒸着システム。
（項目８）
前記気相は、入口圧力バッファチャンバおよび少なくとも１つの入口分散板を通過する
ことによって前記チャンバに入る、項目１に記載の有機金属化学蒸着システム。
（項目９）
前記チャンバは、１つ以上の平行板容量電極の配列をさらに含み、前記１つ以上の平行
板容量電極は、プラズマ活性化によって前記超伝導体前駆体を活性化することができる、
項目１に記載の有機金属化学蒸着システム。
（項目１０）
超伝導体フィルムを製造する方法であって、前記方法は、
第１のローラおよび第２のローラを用いて超伝導体基板テープを予熱することと、
前記第１のローラおよび前記第２のローラを介してハウジング内の溝に前記予熱された
超伝導体基板テープを送達することであって、前記溝は、チャンバと流体連通している、
ことと、
前記チャンバを通って気相で前記超伝導体前駆体を流動させることであって、前記前駆
体は、熱堆積によって前記超伝導体基板テープ上に堆積される、ことと
を含む、方法。
（項目１１）
オーム加熱を介して前記超伝導体基板テープを予熱することをさらに含む、項目１０
に記載の方法。
（項目１２）
前記溝内に前記テープと流体連通して位置付けられている１つ以上の温度監視装置を用
いて前記超伝導体テープの温度を測定することをさらに含む、項目１０に記載の方法。
（項目１３）
前記１つ以上の温度監視装置は、少なくとも１つの光学結晶プローブを含む、項目１
２に記載の方法。
（項目１４）
前記超伝導体基板テープを一定の温度に維持するために、前記１つ以上の温度監視装置
を介して、閉鎖ループで前記第１のローラおよび前記第２のローラに温度測定値を送信す
ることをさらに含む、項目１２に記載の方法。
（項目１５）
前記超伝導体基板テープの表面と平行の方向および前記超伝導体基板テープの長軸に垂
直の方向のうちの少なくとも１つである流れの方向に前記気相を流動させることをさらに
含む、項目１０に記載の方法。
（項目１６）
前記チャンバを通って前記気相を流動させる前に、前記前駆体を液体から気体へ気化さ
せることをさらに含む、項目１０に記載の方法。
（項目１７）
約２５０℃〜約３００℃の間の温度に前記チャンバを加熱することをさらに含む、請求
項１０に記載の方法。
（項目１８）
有機金属化学蒸着によって調製される超伝導体テープであって、前記超伝導体テープは
、ゼロ印加磁場で７７Ｋで、約１．５μｍを超えるフィルムの厚さと、約４ＭＡ／ｃｍ２
を超える臨界電流密度とを備える、超伝導体テープ。
（項目１９）
有機金属化学蒸着によって調製される超伝導体テープであって、前記超伝導体テープは
、約２μｍを超えるフィルムの厚さと、約１０％未満の非ｃ軸粒子配向とを備える、超伝
導体テープ。
（項目２０）
有機金属化学蒸着によって調製される超伝導体テープであって、前記超伝導体テープは
、論理値の約２０％を超える、前駆体からフィルムへの変換効率を備える、超伝導体テー
プ。
【００１７】
上記の要約および下記の詳細な説明は、添付の図面と併せて熟読することによって、よ
り深く理解されるであろう。例示のみを目的として、図面では、特定の実施形態を示す。
しかしながら、本明細書に開示される本発明の概念は、図面に示される正確な配置および
手段に限定されないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、従来技術のＭＯＣＶＤシステムに使用されるシャワーヘッドの概略図である。
【図２】図２は、従来技術のＭＯＣＶＤシステムにおける乱流体の流れおよび固体／流体熱伝達の有限要素解析である。
【図３Ａ】図３Ａ−３Ｂは、従来技術のＭＯＣＶＤシステムによって製造された、厚さ１μｍおよび２μｍの超伝導体テープの表面微細構造を図示する。
【図３Ｂ】図３Ａ−３Ｂは、従来技術のＭＯＣＶＤシステムによって製造された、厚さ１μｍおよび２μｍの超伝導体テープの表面微細構造を図示する。
【図３Ｃ】記載なし
【図４】図４は、従来技術のＭＯＣＶＤシステムによって製造されたテープにおける、超伝導テープフィルム厚さの関数としての臨界電流密度を図示する。
【図５Ａ】図５Ａ−５Ｂは、一実施形態に従って改良されたＭＯＣＶＤシステムの概略図を図示する。
【図５Ｂ】図５Ａ−５Ｂは、一実施形態に従って改良されたＭＯＣＶＤシステムの概略図を図示する。
【図６】図６は、実施形態に従って改良されたＭＯＣＶＤシステムによって加熱された超伝導テープの温度プロファイルである。
【図７】図７は、一実施形態に従って改良されたＭＯＣＶＤシステムによって製造された、厚さ１．８μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７の超伝導テープの臨界電流密度測定値を図示する。
【図８】図８は、一実施形態に従って改良されたＭＯＣＶＤシステムによって製造された、厚さ２μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７超伝導テープの表面微細構造を図示する。
【図９Ａ】図９Ａ−９Ｃは、一実施形態に従って改良されたＭＯＣＶＤシステムによって製造された、厚さ３．２μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７超伝導テープからの表面、断面の微細構造、および２次元Ｘ線回折データを図示する。
【図９Ｂ】図９Ａ−９Ｃは、一実施形態に従って改良されたＭＯＣＶＤシステムによって製造された、厚さ３．２μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７超伝導テープからの表面、断面の微細構造、および２次元Ｘ線回折データを図示する。
【図９Ｃ】図９Ａ−９Ｃは、一実施形態に従って改良されたＭＯＣＶＤシステムによって製造された、厚さ３．２μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７超伝導テープからの表面、断面の微細構造、および２次元Ｘ線回折データを図示する。
【図１０Ａ】図１０Ａ−１０Ｂは、一実施形態に従って改良されたＭＯＣＶＤシステムによって製造された、厚さ１．３および４．１μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７超伝導テープの断面微細構造を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ａ−１０Ｂは、一実施形態に従って改良されたＭＯＣＶＤシステムによって製造された、厚さ１．３および４．１μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７超伝導テープの断面微細構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（詳細な説明）
少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本明細書に記載された発明の概念は
、その用途において、以下の説明に記載される、または図面で図示される、構造の詳細ま
たは成分配置に限定されないことを理解すべきである。また、本明細書中で用いられる表
現および用語は、説明の目的にすぎず、限定とみなされるべきではないことを理解すべき
である。
【００２０】
さらに、記載の特徴のいずれか１つは、個別に、または他の特徴と組み合わせて、使用
してもよいことを理解すべきである。他の発明されたシステム、方法、特徴、および利点
は、本明細書の図面および詳細な説明を検討することにより当業者に明らかであるか、ま
たは明らかになるであろう。全てのそのような追加システム、方法、特徴、および利点は
、添付の特許請求の範囲によって保護されることを意図している。
【００２１】
図５Ａおよび５Ｂは、それぞれ、改良されたＭＯＣＶＤシステム５００の一実施形態お
よび改良ＭＯＣＶＤシステム５００の断面図を示す。一実施形態では、システムは、主に
、オーム加熱システム５１０、ハウジング５２０、流動チャンバ５３０、電極配列５４０
、および溝５５０を含み得る。改良されたＭＯＣＶＤ５００は、超伝導フィルム５７０を
製造するために、最適温度まで基材テープ５６０およびバッファ層を加熱し、その後、前
駆体を堆積するように設計することができる。改良されたＭＯＣＶＤ５００は、基板テー
プ５６０に均一な加熱および均一な前駆体堆積を適用することにより、高電流密度の実質
的に厚い超伝導フィルムを有するテープ５７０を製造するように設計されてもよい。一実
施形態では、フィルムの厚さは、約１μｍ〜１０μｍである。
【００２２】
別の実施形態では、基材テープ５６０は、堆積領域外で、銅等の高導電性金属から成る
ローラ５１０の表面に接触することがある。金属ローラ５１０は、テープ５６０を、ロー
ラ５１０に流れる直流電流により、すなわち、オーム加熱により、直接的に加熱してもよ
い。一実施形態では、テープを約７００〜８００℃に加熱する。直接的なオーム加熱は、
テープ５６０の長さにわたって非常に均一な温度分布を得るための手段を提供する。加熱
は、外部熱源からのものではないため、テープ５６０の温度の安定性は、長い間の製造工
程にわたって維持されることができる。さらに、テープ５６０が懸垂され、テープ５６０
の端部のみにローラ５１０に接触するので、その結果は、従来の加熱ブロックと比較すれ
ば、かなり小さい熱質量である。さらに、従来のシステムに存在する、接触加熱および関
係した問題（テープがサセプタ／加熱ブロックに接触）は、完全に排除される。また、加
熱は、外部ヒータとの接触によるものではないため、接触の損失による温度の散発的な変
動を排除することができる。さらに、別の実施形態では、電流は、超伝導体テープ５６０
に対する基板またはテープ５６０に対する担体の役割を果たし得る、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ
またはＩｎｃｏｎｅｌ等の高抵抗金属テープを介して圧延ヒータ５１０から流されること
ができる。
【００２３】
一実施形態では、基板テープ５６０は、オーム加熱に対して最適な抵抗値となるように
設計されてもよい。例えば、基板テープ５６０は、実用的な電流を印加し、テープ５６０
を加熱できるように、十分に高い抵抗を有するように設計されてもよい。また、テープ５
６０は、実用的な電圧を印加し、テープ５６０を加熱できるように、十分に低い抵抗を有
するように設計されてもよい。例えば、一実施形態では、基板テープ５６０は約１オーム
の抵抗を有するように設計されることができる。１オームのテープは、容易に入手可能で
ある２０Ｖ、２０Ａの電源を必要とし得る。
【００２４】
一実施形態において、基板テープ５６０は、溝５５０を経由して、ＭＯＣＶＤハウジン
グ５２０を通って移動し得る。基板テープ５６０が溝５５０を通って移動するのに伴い、
１つ以上の温度監視装置５８０に遭遇し得る。一実施形態では、温度監視装置５８０は、
光学結晶プローブ５８０である。別の実施形態では、光学結晶プローブ５８０は、テープ
５６０の裏面の温度を監視するために下に配置され、移動している基板テープ５６０に近
接する。製造中に、気体の流れを妨害しないように、プローブ５８０は、流動チャンバ５
３０の外側に配置されることができる。一実施形態では、プローブ５８０によって収集さ
れた温度信号は、一定の温度を維持するようにヒータシステム５１０の直流電源を制御す
るために、閉鎖ＰＩＤループで、加熱システム５１０に戻るように供給される。テープ５
６０の熱質量が実質的に小さいため、温度の変動は、直ちに光プローブ５８０で認識され
ることができ、それによって、厳密な温度制御を実現する。さらに別の実施形態では、光
学結晶プローブ５８０は、アレイに配置されてもよい。図６は、単なる実施例として、一
実施形態による改良されたＭＯＣＶＤ５００において、テープ５７０の製造時に光学プロ
ーブ５８０によって収集された、テープの温度プロファイルを図示する。テープの温度は
、製造中に実質的に狭い温度範囲内に維持されてもよい。
【００２５】
図５Ｂを参照すると、基板テープ５６０が溝５５０を通って移動する際は、ハウジング
５２０の内部に位置付けられる流動チャンバ５３０内の気体流に暴露されることがある。
気体は、気体導入口５８５を通ってハウジング５２０に入り、気体排出口５９０を通って
ハウジングを出てもよい。一実施形態では、気体は、アルゴンおよび酸素を含み得る。別
の実施形態では、気体がハウジング５２０に入る際は、入口圧力バッファチャンバ５９１
を、その後、第２の入口分散板５９２を、通過し得る。別の実施形態では、気体は、その
後、入口圧力バッファチャンバ５９１を通過する前に、先に入口分散板５９３を通過して
もよい。一実施形態では、気体は、大きな容積を有することができる、入口圧力バッファ
チャンバ５９１を通過してもよい。その後、気体は、１つ以上の実質的に小さい孔を含み
得る、入口分散板５９２を通過し得る。入口分散板５９２は、わずかな伝導性を有し得、
気体を流動チャンバ５３０全体にわたって均一に配布することができる。この入口の設計
はまた、上流圧力変動を実質的に吸収できる（例えば、前駆体送達システムによって引き
起こされた変動）。その結果、圧力変動は、基板テープ５６０の部位で最小化することが
でき、それによって、テープ５６０は、実質的に一定で最適な温度で製造される。
【００２６】
別の実施形態では、気体がハウジング５２０を出る際に、出口分散板５９４を、その後
、出口圧力バッファチャンバ５９５を通過し得る。さらに別の実施形態では、気体は、出
口圧力バッファチャンバ５９５を通過した後に、第２の出口分散板５９６を通過し得る。
一実施形態では、気体は、１つ以上の実質的に小さい孔を含み得る出口分散板５９４を通
過し得る。その後、気体は、大容量を有し得る出口圧力バッファチャンバ５９５を通過し
得る。この出口の設計は、下流のポンプおよびバルブにより生じる下流の圧力変動を実質
的に吸収することができる。また、結果として、基板テープ５６０の部位で圧力変動を最
小化でき、それによって、テープ５６０は、実質的に一定の最適温度で製造される。
【００２７】
一実施形態では、気体は、１つ以上の前駆体を含み得る。前駆体は、堆積のために、チ
ャンバ５３０を通って流動し、テープ５６０に接触し得る。別の実施形態では、前駆体が
約２トルの適度な真空度に制御される。さらに別の実施形態では、１つ以上の前駆体が、
テープ５６０の平面に平行な方向でチャンバ５３０を通って流動する。さらに別の実施形
態では、１つ以上の前駆体が、テープ５６０の長軸に垂直な方向（直交流）でチャンバ５
３０を通って流動する。
【００２８】
一実施形態では、前駆体は、流動チャンバ５３０に入る前に、高温アルゴン担体気体と
混合した場合、液体から蒸気に気化させることができる。別の実施形態では、酸素気体が
、反応速度を支援するために、前駆体の流れに注入される。さらに別の実施形態では、気
化すると、前駆体は、改善されたＭＯＣＶＤシステム５００に注入される。流動チャネル
５３０は、流路壁上への前駆体の凝縮を防止するために、約２５０〜３００℃の温度に維
持されることができる。テープ５６０は、実質的により高い温度（例えば、約７００〜７
５０℃）に加熱されるので、前駆体は、テープ５６０に接触する際に熱分解し、それによ
って、超伝導体フィルムを堆積する。
【００２９】
上述の温度制御の設計は、工程領域の大きさの大幅な減少を可能にする。例えば、前駆
体の流れは、実質的に小さな隙間５９８を形成する２つの平行チャネル５９７の間に導か
れてもよい。次いで、前駆体は、テープ５６０に対して垂直に流動することができる。こ
のような小さな隙間５９８では、流動チャネル５３０を、低容量、低背で均一性の高い、
層流という形にし得る。このような流動状態は、乱流、対流伝熱による温度損失、流れ内
でのいかなる不均一性も、排除することができる。さらに、流れが、テープ５６０の実質
的に近くの小さな体積に制限されるため、設計は、気相からテープ５６０への変換効率を
最大化することができる。一実施形態では、平行チャネル５９７の間の隙間５９８は、所
望の性能レベルを達成するために、特定の大きさに変更されてもよい。例えば、隙間５９
８の大きさは、１ｍｍ未満〜約４分の１インチに、変化し得る。
【００３０】
一実施形態では、流動チャンバ５３０は、プラズマ活性化のために、１つ以上の平行板
容量電極５４０の配列をさらに含む。電極５４０の寸法（すなわち、プラズマの大きさ）
は、柔軟であり、所望の性能レベルを達成するためにカスタマイズしてもよいことが理解
される。電極５４０は、前駆体の流れ、テープ５６０の近傍、またはその両方の近くに配
置可能である。製造中に、電極５４０は、プラズマ源に接続されることができる。プラズ
マは、前駆体を活性化するために、流動チャネル５３０内に導入されることができる。こ
のプラズマ活性化は、反応速度を向上させ、それによって、気相からテープ５６０への前
駆体解離の速度をさらに増加させる。この設計は、前駆体からフィルムへの変換効率を実
質的に向上させることができる。一実施形態では、プラズマは、テープ５６０の上流に導
入されることができる。別の実施形態では、プラズマは、テープ５６０上に直接的に導入
されることができる。
【００３１】
上記の説明は例示であり、限定ではないことを意図することが理解される。本内容は、
任意の当業者が本明細書に記載の本発明の概念を作成し、使用することを可能にするため
に記載され、特定の実施形態の文脈において提供され、それらの変形は、当業者に直ぐに
明らかとなるあろう（例えば、いくつかの開示された実施形態は、相互に組み合わせて使
用されてもよい）。多くの他の実施形態は、上記の説明を検討すると、当業者には明らか
であろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲とともに、そのような請
求項に伴うべきである同等物の全範囲を参照し、決定すべきである。添付の特許請求の範
囲において、用語「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」および「ｗｈｉｃｈ」は、それぞれ用語「ｃｏ
ｍｐｒｉｓｉｎｇ」および「ｗｈｅｒｅｉｎ」の平易な英語の同等物として使用される。
【００３２】
（実施例）
（実施例１）図７は、例示の目的のみで、厚さ１．８μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７フィ
ルムの電流電圧特性（すなわち、臨界電流密度）を表示する。フィルムは、図５Ａ−５Ｂ
で説明した実施形態のように、改良されたＭＯＣＶＤシステムに製造された。データは、
ゼロ印加磁場内で７７Ｋで、テープは、１２ｍｍ幅にわたって９１６Ａで臨界電流を有す
ることを示し、４．２４ＭＡ／ｃｍ２の電流密度に対応する。これは、１μｍを超える厚
さのＭＯＣＶＤ製造の超伝導体テープに対して、実質的に高い電流密度である。
【００３３】
（実施例２）図８は、厚さ２μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７フィルムの表面微細構造を図
示する。フィルムは、図５Ａ−５Ｂで説明した実施形態のように、改良されたＭＯＣＶＤ
システムに製造された。テープは実質的に均一であり、観察可能な程度の誤配向粒子成長
はない。
【００３４】
（実施例３）図９Ａは、厚さ３．２μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７フィルムの表面微細構
造を図示する。フィルムは、図５Ａ−５Ｂで説明した実施形態のように、改良されたＭＯ
ＣＶＤシステムに製造された。テープは、実質的に均一であり、観察可能な程度の誤配向
粒子成長はない。表面に限った、いくつかの二次相がある。図９Ｂは、同一の厚さ３．２
μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７フィルムの断面微細構造を示す。断面図は、実質的に均一で
あり、また誤配向粒子成長がないことを示す。図９Ｃは、当該厚さ３．２μｍのＲＥＢａ
２Ｃｕ３Ｏ７フィルムの２次元Ｘ線回折データを示す。また、このデータは、フィルムが
誤配向粒子成長を有していないことを示す（すなわち、中央の水平軸に対して垂直である
非（００１）の向きに対応する回折斑点はない）。さらにデータは、ｃ軸に沿う箇所のみ
で粒子の存在を明らかにする（すなわち、中心水平軸に沿う回折斑点）。
【００３５】
（実施例４）図１０Ａは、厚さ１．３μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７フィルム（集束イオ
ンビーム製粉工程により製造された）の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による顕微鏡
写真を図示する。フィルムは、図５Ａ−５Ｂで説明した実施形態のように、改良されたＭ
ＯＣＶＤシステムに製造された。フィルムは、１／４インチのチャネル幅、２．５ｍＬ／
分の流量、０．０５Ｍ／Ｌの前駆体モル濃度、および２．１ｃｍ／分の堆積速度で製造さ
れた。これらの同じ条件を従来のＭＯＣＶＤシステムに適用した場合、結果は、厚さ０．
８５μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７フィルムとなる。換言すれば、本明細書に記載の改良さ
れたＭＯＣＶＤシステムは、従来のシステムと比較すると、１５３％改善された前駆体の
変換効率を提供する。同様に、図１０Ｂは厚さ４．１μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７フィル
ム（集束イオンビーム製粉工程によって製造された）の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ
）による顕微鏡写真を図示する。フィルムは、図５Ａ−５Ｂで説明した実施形態のように
、改良されたＭＯＣＶＤシステムに製造された。フィルムは、１／８インチのチャネル幅
、２．５ｍＬ／分の流量、０．１Ｍ／Ｌの前駆体モル濃度、および２．１ｃｍ／分の堆積
速度で製造された。これらの同じ条件を従来のＭＯＣＶＤシステムに適用した場合、結果
は、厚さ１．７μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７フィルムとある。換言すれば、本明細書に記
載の改良されたＭＯＣＶＤシステムは、従来のシステムと比較すると、２４０％改善され
た前駆体の変換効率を提供する。
【図１】
2017107871.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2017107871.tif 000006
【図３Ｃ】
2017107871.tif 000007
【図４】
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【図５Ａ】
2017107871.tif 000009
【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2017107871.tif 000013
【図９Ａ】
2017107871.tif 000014
【図９Ｂ】
2017107871.tif 000015
【図９Ｃ】
2017107871.tif 000016
【図１０Ａ】
2017107871.tif 000017
【図１０Ｂ】
2017107871.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成29年3月6日(2017.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
上述の温度制御の設計は、工程領域の大きさの大幅な減少を可能にする。例えば、前駆体の流れは、実質的に小さな隙間５９８を形成する２つの平行チャネル５９７の間に導かれてもよい。次いで、前駆体は、テープ５６０に対して垂直に流動することができる。このような小さな隙間５９８では、流動チャネル５３０を、低容量、低背で均一性の高い、層流という形にし得る。このような流動状態は、乱流、対流伝熱による温度損失、流れ内でのいかなる不均一性も、排除することができる。さらに、流れが、テープ５６０の実質的に近くの小さな体積に制限されるため、設計は、気相からテープ５６０への変換効率を最大化することができる。一実施形態では、平行チャネル５９７の間の隙間５９８は、所望の性能レベルを達成するために、特定の大きさに変更されてもよい。例えば、隙間５９８の大きさは、１ｍｍ未満〜約４分の１インチ（６．３５ｍｍ）に、変化し得る。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
（実施例４）図１０Ａは、厚さ１．３μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７フィルム（集束イオンビーム製粉工程により製造された）の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による顕微鏡写真を図示する。フィルムは、図５Ａ−５Ｂで説明した実施形態のように、改良されたＭＯＣＶＤシステムに製造された。フィルムは、１／４インチ（６．３５ｍｍ）のチャネル幅、２．５ｍＬ／分の流量、０．０５Ｍ／Ｌの前駆体モル濃度、および２．１ｃｍ／分の堆積速度で製造された。これらの同じ条件を従来のＭＯＣＶＤシステムに適用した場合、結果は、厚さ０．８５μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７フィルムとなる。換言すれば、本明細書に記載の改良されたＭＯＣＶＤシステムは、従来のシステムと比較すると、１５３％改善された前駆体の変換効率を提供する。同様に、図１０Ｂは厚さ４．１μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７フィルム（集束イオンビーム製粉工程によって製造された）の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による顕微鏡写真を図示する。フィルムは、図５Ａ−５Ｂで説明した実施形態のように、改良されたＭＯＣＶＤシステムに製造された。フィルムは、１／８インチ（３．１８ｍｍ）のチャネル幅、２．５ｍＬ／分の流量、０．１Ｍ／Ｌの前駆体モル濃度、および２．１ｃｍ／分の堆積速度で製造された。これらの同じ条件を従来のＭＯＣＶＤシステムに適用した場合、結果は、厚さ１．７μｍのＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７フィルムとある。換言すれば、本明細書に記載の改良されたＭＯＣＶＤシステムは、従来のシステムと比較すると、２４０％改善された前駆体の変換効率を提供する。
【外国語明細書】
2017107871000001.pdf