特許 6167443 超電導線及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6167443

(24)【登録日】2017年7月7日

(45)【発行日】2017年7月26日

(54)【発明の名称】超電導線及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01B 12/06 20060101AFI20170713BHJP

   H01B 13/00 20060101ALI20170713BHJP

【ＦＩ】

   H01B12/06ZAA

   H01B13/00 565D

【請求項の数】10

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-539691(P2016-539691)

(86)(22)【出願日】2013年9月9日

(65)【公表番号】特表2016-529680(P2016-529680A)

(43)【公表日】2016年9月23日

(86)【国際出願番号】JP2013005336

(87)【国際公開番号】WO2015033380

(87)【国際公開日】20150312

【審査請求日】2016年9月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】516070601

【氏名又は名称】ＳｕｐｅｒＯｘ Ｊａｐａｎ合同会社

(74)【代理人】

【識別番号】100071526

【弁理士】

【氏名又は名称】平田 忠雄

(72)【発明者】

【氏名】リー，セルゲイ

(72)【発明者】

【氏名】ペトリキン，ヴァレリー

【審査官】 和田 財太

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−０４６２５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｂ １２／０６

Ｈ０１Ｂ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に形成された第１の層と、
イオンビームアシスト蒸着工程により、前記第１の層上に直接形成された配向層と、
前記配向層上に直接形成され、前記第１の層の材料と同じ材料を主成分とする第２の層と、
前記第２の層上に形成された超電導層と、
を含み、
前記第１の層が前記イオンビームアシスト蒸着工程の前に結晶質である、超電導線。

【請求項2】

前記第１の層及び前記第２の層がペロブスカイト材料を含む、
請求項１に記載の超電導線。

【請求項3】

前記ペロブスカイト材料が、ＬａＭｎＯ_３、ＬａＧａＯ_３、ＬａＣｒＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、及びＳｒＲｕＯ_３からなる群から選ばれる、
請求項２に記載の超電導線。

【請求項4】

前記配向層がＭｇＯを含む、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超電導線。

【請求項5】

希土類元素がドーピングされたＣｅＯ_２を含み、前記超電導層の下に直接形成された第３の層をさらに含む、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の超電導線。

【請求項6】

前記基板と前記第１の層の間に形成されたバッファ層をさらに含む、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超電導線。

【請求項7】

前記バッファ層がＹ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、又はＡｌ_ｘＯを含む、
請求項６に記載の超電導線。

【請求項8】

前記第２の層が、前記第１の層を形成するための堆積の圧力と温度と同じ圧力と温度の下での堆積によって形成される、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の超電導線。

【請求項9】

基板上に第１の層を形成し、
イオンビームアシスト蒸着工程により、前記第１の層上に配向層を直接形成し、
前記第１の層を形成するための圧力と温度と同じ圧力と温度の下で、前記配向層上に第２の層を直接形成し、前記第２の層が前記第１の層の材料と同じ材料を主成分とし、
前記第２の層上に超電導層を形成する、
ことを含み、
前記第１の層が前記イオンビームアシスト蒸着工程の前に結晶質である、超電導線の製造方法。

【請求項10】

前記第１の層及び前記第２の層が、同じ堆積チャンバー内で連続して形成される、
請求項９に記載の超電導線の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超電導線及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、配向層を含む超電導線が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。この従来の超電導線において、配向層は金属基板と超電導層の中間層であり、イオンビームアシスト蒸着（ＩＢＡＤ）工程によって形成される。
実際には、熱処理の間の配向層の基板及び超電導層との化学的相互作用を防ぐために、追加の単純な酸化物層が、配向層の下、及び配向層と超電導層の間に形成されてもよい。

【0003】

ＩＢＡＤ法は、膜の堆積の間、テープ上に特定の角度でＡｒ^＋イオンをスパッタリングすることにより、非配向のメタルテープ又は酸化物で被覆されたテープ上に配向したセラミック膜を形成する技術である（例えば、特許文献２参照）。堆積は、アモルファス酸化物シード層の上で実施される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−１８１９６３号公報

【特許文献2】特開２０１２−１０４４４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の目的の１つは、単純な工程により低コストで製造することのできる超電導線、及びその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

［１］上記の目的を達成するため、本発明は、基板と、前記基板上に形成された第１の層と、前記第１の層上に直接形成された配向層と、前記配向層上に直接形成され、前記第１の層の材料と同じ材料を主成分とする第２の層と、前記第２の層上に形成された超電導層と、を含む、超電導線を提供する。

【0007】

［２］上記［１］の超電導線においては、前記配向層がイオンビームアシスト蒸着工程により形成されている。

【0008】

［３］上記［２］の超電導線においては、前記第１の層が前記イオンビームアシスト蒸着工程の前に結晶質である。

【0009】

［４］上記［１］〜［３］のいずれか１つの超電導線においては、前記第１の層及び前記第２の層がペロブスカイト材料を含んでもよい。

【0010】

［５］上記［４］の超電導線においては、前記ペロブスカイト材料が、ＬａＭｎＯ_３、ＬａＧａＯ_３、ＬａＣｒＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、及びＳｒＲｕＯ_３からなる群から選ばれてもよい。

【0011】

［６］上記［１］〜［５］のいずれか１つの超電導線においては、前記配向層がＭｇＯを含んでもよい。

【0012】

［７］上記［１］〜［６］のいずれか１つの超電導線においては、前記超電導線が、希土類元素がドーピングされたＣｅＯ_２を含み、前記超電導層の下に直接形成された第３の層をさらに含んでもよい。

【0013】

［８］上記［１］〜［７］のいずれか１つの超電導線においては、前記超電導線が、前記基板と前記第１の層の間に形成されたバッファ層をさらに含んでもよい。

【0014】

［９］上記［８］の超電導線においては、前記バッファ層がＹ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、又はＡｌ_ｘＯを含む。

【0015】

［１０］上記［１］〜［９］のいずれか１つの超電導線においては、前記第２の層が、前記第１の層を形成するための堆積の圧力と温度と同じ圧力と温度の下での堆積によって形成されてもよい。

【0016】

［１１］上記の目的を達成するため、本発明は、基板上に第１の層を形成し、前記第１の層上に配向層を直接形成し、前記第１の層を形成するための圧力と温度と同じ圧力と温度の下で、前記配向層上に第２の層を直接形成し、前記第２の層が前記第１の層の材料と同じ材料を主成分とし、前記第２の層上に超電導層を形成する、ことを含む、超電導線の製造方法を提供する。

【0017】

［１２］上記［１１］の超電導線の製造方法においては、前記第１の層及び前記第２の層が、同じ堆積チャンバー内で連続して形成されてもよい。

【0018】

［１３］上記［１１］又は［１２］の超電導線の製造方法においては、前記配向層がイオンビームアシスト蒸着工程により形成されてもよい。

【0019】

［１４］上記［１３］の超電導線の製造方法においては、前記第１の層が前記イオンビームアシスト蒸着工程の前に結晶質である。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、単純な工程により低コストで製造することのできる超電導線、及びその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る超電導線の斜視図である。

【図2】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る図１の超電導線の断面図である。

【図3】図３は、本発明の第１の実施の形態に係る超電導線の製造工程を示すフローチャートである。

【図4】図４は、本発明の第２の実施の形態に係る超電導線の断面図である。

【図5】図５は、本発明の第３の実施の形態に係る超電導線の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

（本発明の第１の実施の形態）
（超電導線の構成）
図１は、超電導線１の斜視図である。図２は、超電導線１の断面図である。超電導線１は、基板１０と、基板１０上に形成された第１の層１１と、第１の層１１上に直接形成された配向層１２と、配向層１２上に直接形成された第２の層１３と、第２の層１３上に形成された超電導層１４と、超電導層１４上に形成された保護層１５と、を含む。

【0023】

基板１０はテープ状の基板であり、金属又はハステロイ（商標）のような金属合金を含む。例えば、基板１０は５０〜１００μｍの厚さを有する。

【0024】

第１の層１１は、好ましくはＬａＭｎＯ_３、ＬａＧａＯ_３、ＬａＣｒＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、又はＳｒＲｕＯ_３のようなペロブスカイト材料を含む。これらのペロブスカイト材料は純粋でもよく、また、一般式ＡＢＯ_３のペロブスカイト構造のＡサイトとＢサイトにドーピングされたものでもよい。第１の層１１は、ドーピング元素がＡサイトとＢサイトにドーピングされたペロブスカイト材料であってもよい。ドーピング元素は、ＡサイトのためのＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、又はＢａと、ＢサイトのためのＭｇ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、又はＨｆを含む。第１の層１１がペロブスカイト材料を含む場合、配向層１２はＭｇＯを含む。

【0025】

第１の層１１は、基板１０から配向層１２への金属の拡散を抑える拡散バリア層として機能することができる。例えば、基板１０がハステロイを含む場合、第１の層１１は、基板１０中のＮｉの配向層１２への拡散を抑えることができる。

【0026】

第１の層１１は、基板１０と配向層１２の間の密着性を増加させるための密着層として機能することができる。堆積工程における、例えば、６００℃以上の温度下での高温処理は、第１の層１１の接着力を向上させる。第１の層１１は、例えば、２０〜５０ｎｍの厚さを有する。

【0027】

配向層１２は、二軸配向構造を有する。配向層１２は、イオンビームアシスト蒸着（Ion Beam Assisted Deposition: IBAD）工程によって形成される配向層である。配向層１２は、ＭｇＯ等を含む。配向層１２は、例えばＣａ又はＳｒがドーピングされたＭｇＯであってもよい。配向層１２は、ＩＢＡＤ工程で形成された第１のＭｇＯ層と、第１のＭｇＯ層上にエピタキシャル成長した第２のＭｇＯ層とを含む積層構造を有してもよい。配向層１２は、例えば、５〜２０ｎｍの厚さを有する。

【0028】

第２の層１３は、第１の層１１の材料と同じ材料を主成分とする。第２の層１３がペロブスカイト材料を含む場合、第２の層１３は、ＭｇＯを含む配向層１２上に格子整合して生成される。

【0029】

第２の層１３は、配向層１２と超電導層１４の間の化学反応を抑えるキャップ層として機能することができる。また、第２の層１３は、超電導層１４のエピタキシャル成長のために格子整合を向上させる。第２の層１３は、例えば、２０〜５０ｎｍの厚さを有する。

【0030】

超電導層１４は、ＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_６＋ｘ（ＲＥは、Ｙ、Ｓｍ、Ｅｕ、又はＧｄのような希土類元素である）のような高温超電導体を含むことが好ましい。また、超電導層１４は、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_６＋ｘ、ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_６＋ｘ、又はこれらの組合せを含むことがより好ましい。超電導層１４は、磁場中での超電導特性を向上させるために、非導電性ナノ粒子を含んでもよい。超電導層１４は、例えば、１〜３μｍの厚さを有する。

【0031】

保護層１５は、超電導層１４を保護する。保護層１５は、Ａｇ等を含む。保護層１５は、例えば、０．５〜２．０μｍの厚さを有する。

【0032】

（超電導線の製造）
以下に、超電導線１の製造工程の例を記す。

【0033】

図３は、超電導線１の製造工程を表すフローチャートである。

【0034】

まず、ＲＦ−マグネトロンスパッタリング法又はパルスレーザー蒸着（ＰＬＤ）法により、第１の層１１を基板１０上に形成する（ステップＳ１）。第１の層１１は、その結晶化温度（例えば６００℃）以上の温度下で形成される。したがって、配向層１２を形成するためのＩＢＡＤ工程の前に、第１の層１１は結晶質となっている。

【0035】

次に、ＩＢＡＤ工程により、配向層１２を第１の層１１上に形成する（ステップＳ２）。第１の層１１が結晶質であり、キャップ層の堆積と同じ条件での熱処置を施されているため、配向層１２は、積層構造を有する配向層１２のエピタキシャル層及び第２の層１３の堆積の間、大きな歪みを受けない。したがって、配向層１２は、既に結晶質となっている第１の層１１の上で形成されるため、高い配向度を維持する。

【0036】

次に、ＲＦ−マグネトロンスパッタリング法又はＰＬＤ法により、第２の層１３を配向層１２上に形成する（ステップＳ３）。第２の層１３は、第１の層１１を形成するための圧力と温度と同じ圧力（０．２〜１．０Ｐａ）と温度（６００〜９５０℃）の下で形成される。また、第１の層１１と第２の層１３は、同じ堆積チャンバー内で連続して形成される。そのため、超電導線１の製造工程は単純化されることができ、製造コストは低減されることができる。

【0037】

次に、ＰＬＤ法により、超電導層１４を第２の層１３上に形成する。また、酸素アニーリングにより、酸素を超電導層１４に導入することができる。酸素アニール工程と超電導層１４中の酸素濃度は、超電導層１４の臨界温度や臨界電流のような超電導特性にとって重要である。

【0038】

次に、ＤＣマグネトロンスパッタリング法により、保護層１５を超電導層１４上に形成する。また、必要に応じて、ＡｇＮＯ_３水溶液からの電気化学堆積（電気めっき）工程により、保護層１５をより厚く形成することができる。電気めっき工程は、超電導層１４の酸素アニール工程の前又は後に実行することができる。

【0039】

（本発明の第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、バッファ層が基板１０と第１の層１１の間に形成されるという点で、第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は単純化する。

【0040】

（超電導線の構成）
図４は、超電導線２の断面図である。超電導線２は、基板１０と、基板１０上に形成されたバッファ層２０と、バッファ層２０上に形成された第１の層１１と、第１の層１１上に直接形成された配向層１２と、配向層１２上に直接形成された第２の層１３と、第２の層１３上に形成された超電導層１４と、超電導層１４上に形成された保護層１５と、を含む。

【0041】

バッファ層２０は、基板１０と第１の層１１の間のバッファ層である。バッファ層２０は、Ａｌ_２Ｏ_３、Ａｌ_ｘＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２等を含む。ここで、Ａｌ_ｘＯはアルミニウムリッチのアルミナであり、酸素欠乏雰囲気下で反応性ＲＦ又はＤＣマグネトロンスパッタリングにより堆積することができる。バッファ層２０がＡｌ_ｘＯである場合、高温下での第１の層１１の堆積の間、Ａｌ金属が第１の層１１の表面粗さを改善する。バッファ層２０は、例えば、２０〜１００ｎｍの厚さを有する。

【0042】

バッファ層２０は、例えば、物理蒸着法又は溶液堆積法によって形成される。バッファ層２０が基板１０の表面に付着するように、バッファ層２０は基板１０と緩やかに反応するべきである。もし反応が強ければ、反応によって導入される合金からの金属が他の層を汚染する。

【0043】

（本発明の第３の実施の形態）
第３の実施の形態は、第３の層が第２の層１３と超電導層１４の間に形成される点で、第２の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は単純化する。

【0044】

（超電導線の構成）
図５は、超電導線３の断面図である。超電導線３は、基板１０と、基板１０上に形成されるバッファ層２０と、バッファ層２０上に形成される第１の層１１と、第１の層１１上に直接形成される配向層１２と、配向層１２上に直接形成される第２の層１３と、第２の層１３上に形成される第３の層３０、第３の層３０上に直接形成される超電導層１４と、超電導層１４上に形成される保護層１５と、を含む。

【0045】

第３の層３０は、第２の層１３と超電導層１４の間のバッファ層である。第３の層３０は、例えば、第３の層３０の配向を改善し、また、酸素アニール工程の間の酸素拡散を促進するために、希土類元素がドーピングされたＣｅＯ_２を含む。第３の層３０中の酸素イオンが超電導層１４に拡散するとき、超電導層１４中の酸素の同じ濃度とその均一な分布は、より短い時間で達成される。

【0046】

第３の層３０がＣｅＯ_２を含む場合、第３の層３０はペロブスカイト材料を含む第２の層１３上に格子整合して生成される。第３の層３０は、例えば、１５０〜５００ｎｍの厚さを有する。第３の層３０は、例えば、ＰＬＤ法又はＲＦマグネトロンスパッタリングによって形成される。

【0047】

また、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の主旨又は変更技術を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。本発明は、完全かつ明瞭な開示のために特定の実施の形態及び実施例に関して記載されたが、添付の特許請求の範囲はこれらに限定されず、本明細書の開示の範囲内で当業者の想到し得るすべての変更と代替構造を具体化するものと解釈される。

【産業上の利用可能性】

【0048】

本発明によれば、低コストで簡単な工程により製造可能な超電導線、及びその超電導線の製造方法を提供することができる。

【符号の説明】

【0049】

１ 超電導線
２ 超電導線
３ 超電導線
１０ 基板
１１ 第１の層
１２ 配向層
１３ 第２の層
１４ 超電導層
１５ 保護層
２０ バッファ層
３０ 第３の層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】