DE10159646C1 - Verfahren zur nur einseitigen Beschichtung eines planaren Substrats mit einer Schicht aus Hochtemperatur-Supraleiter-Material - Google Patents

Abstract

Maßnahme für eine planare Hochtemperatur-Supraleiterschicht, diese einseitig auf einer Oberfläche eines Substrats aufgebracht. DOLLAR A Maßnahme für die Herstellung einer planaren Hochtemperatur-Supraleiterschicht, diese einseitig auf einer Oberfläche eines Substrats aufgebracht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, das vorzusehen ist für die bzw. bei der Herstellung einer Schicht aus Hochtemperatur-Supraleiter-Material (HTSL-Material) auf einer Fläche eines Substrats. Dabei handelt es sich hier um ein solches Substrat, das bei der Ausführung des Beschich­ tungsprozesses zur Herstellung der HTSL-Schicht unter den für diese Schichtherstellung notwendigerweise vorzusehenden hohen Temperaturen nicht mehr ausreichende Formstabilität aufweist. Dabei ist die Schicht aus dem HTSL-Material auf der Fläche des Substrats nur einseitig vorgesehen, d. h. das Substrat ist nur einseitig mit dem HTSL-Material beschichtet.

Im Stand der Technik ist die Herstellung von Hochtemperatur- Supraleiter-Schichten auf Substraten vielfach beschrieben. Zum Beispiel sind zunächst hierfür weniger preisgünstige Ein­ kristall-Substrate verwendet worden. Die praktische techni­ sche Entwicklung geht aber darauf hinaus, wesentlich preis­ günstigere, amorphe oder diesen ähnliche Substrate, wie z. B. insbesondere auch Glas, zu verwenden. Das Erfordernis, für die zwangsläufig geordnete Abscheidung von HTSL-Material den­ noch eine Unterlage zu haben, die eine für derartige geordne­ te Abscheidungen geeignete Struktur hat, ist im Stand der Technik bereits durch die Verwendung einer Pufferschicht als Zwischenschicht auf dem Substrat gelöst worden. Diese Puffer­ schicht wird mittels bekannter Maßnahmen; wie z. B. der Ionen­ strahl-unterstützten Abscheidung (IBAD), auf amorphem Sub­ strat, wie z. B. Glas, abgeschieden. Es werden auf diese Weise insbesondere mit Yttrium stabilisierte Zirkonoxid(YSZ)- Schichten hergestellt. Auf diesen lässt sich bekanntermaßen HTSL-Material bei Temperaturen zwischen 500 und 800°C her­ stellen. Nähere Einzelheiten zu diesem Stand der Technik sind z. B. zu entnehmen aus "Journal of Applied Physics", Bd. 74, 1993 Seiten 1027-1034; aus "Mat. Res. Soc. Symp. Proc.", Volume 316, 1994, Seiten 953-958 und aus "Physica C", Bd. 267, 1996, Seiten 355-360. Erörtert werden in diesen Druckschriften so­ wohl die zunächst auf dem Substrat aufgebrachte Pufferschicht als auch die auf der Pufferschicht aufgebrachte HTSL-Schicht hinsichtlich ihrer Eigenschaften und der Notwendigkeit des gemeinsamen und voneinander abhängigen Vorhandenseins jeweils dieser beiden Schichten. In Physica ist auch noch näher auf die notwendigerweise einzuhaltende Bedingung hingewiesen, an­ gepasstes Substratmaterial, z. B. solches Glas auszuwählen, das einen mit Rücksicht auf die hohen Temperaturen bei der Abscheidung der HTSL-Schicht ausreichend hohe Erweichungstem­ peratur und hohen Transformationspunkt hat. Dieser Hinweis ist im Zusammenhang damit genannt, ein Sich-Verbiegen des Glassubstrats bei der Schichtenherstellung zu vermeiden, näm­ lich um planare HTSL-Schicht für Supraleiter-Anwendungen ver­ fügbar zu haben.

Aus der EP 0 731 986 B1 ist eine beispielhafte Anwendung eines Substratplättchens mit darauf befindlicher HTSL-Schicht beschrieben. Ein solches supraleiter-beschichtetes Plättchen ist dort für eine Vorrichtung zur Strombegrenzung in der Starkstrom-Energieversorgung beschrieben. Ein hierfür vorzu­ sehendes Substrat mit darauf befindlicher HTSL-Schicht hat z. B. eine Größe von 150 × 150 mm². Solche Substrate sind im Kryostaten des Strombegrenzers eingebaut. Diese Druckschrift sei hier auch deshalb erwähnt, weil das hier zu beschreibende erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für Supraleiter-Ele­ mente für diese Anwendung ihrer Größenabmessungen wegen mit Vorteil anzuwenden ist.

In der Regel ist ein solches Substrat nur einseitig mit dem Verbund aus Pufferschicht und HTSL-Schicht versehen. Weitere Einzelheiten hierzu sind auch der gattungsbildenden WO 99/22412 A1 zu entnehmen. Wie dort angegeben, kann ein Substrat aber auch auf seinen beiden Seiten mit je einem sol­ chen zwangsläufig erforderlichen Verbund von Pufferschicht und HTSL-Schicht beschichtet sein, nämlich um das Substrat- Plättchen beidseitig für den vorgesehenen technischen Effekt zu nutzen, raumsparenden Aufbau zu ermöglichen oder auch nur um Kosten zu mindern.

In der Praxis hat man - wie auch schon oben erwähnt - stets darauf geachtet, solches Substratmaterial zu verwenden, das im Hinblick auf die hohen Temperaturen der Abscheidung vor­ zugsweise der HTSL-Schicht ein ausreichend formstabiles Sub­ strat-Material ist. Es soll insbesondere ein während der Schichtenherstellung irreversibel auftretendes Verbiegen des Substrats vermieden sein. Für die Erfindung soll dies nicht nur für ein plättchenförmiges Substrat aus Glas oder auch aus Kunststoff-Material gelten. Die Erfindung ist auch darauf ge­ richtet, sehr dünnes, insbesondere bandförmiges metallenes Material mit nur geringer Dicke als Substrat verwendbar zu machen. Es ist hier z. B. an Metallbänder mit von etwa 30 µm bis etwa 500 µm Materialdicke gedacht, z. B. mit einer Breite zwischen etwa 2 bis 100 mm. Solche Bänder können dann als Träger der HTSL-Schicht für supraleitende Bandleiter verwen­ det werden.

So wie erfahrungsgemäß einseitig mit Pufferschicht und HTSL- Schicht versehene Substratplättchen aus z. B. Glas mit 0,5 bis 10 mm Dicke nach erfolgtem Beschichtungsverfahren irreversi­ bel verbogen sind, tritt ein solcher gleichartiger Effekt auch bei gleichermaßen mit HTSL-Material und Pufferschicht beschichteten dünnen Metallbändern auf, nämlich wie sie oben genannt sind. Solche Metallbänder verformen sich in Längs­ richtung gesehen in die Form einer Rinne. Dies ist aber viel­ fach unerwünscht.

Die vorliegende Erfindung gibt ein Verfahren an, mit dem sol­ ches erwähntes Verbiegen, Verformen und dgl. eines Substrats mit darauf befindlicher HTSL-Beschichtung, sei es bei Sub­ straten in Form von Plättchen, sei es ein dünnes Metallsub­ strat, zu vermeiden ist. Die Erfindung bezieht sich dabei auf solche Substrate, die nur einseitig, d. h. auf nur einer ihrer Oberflächen, mit HTSL-Material beschichtet sind und die ge­ genüberliegende Rückseite des Substrats, z. B. notwendigerwei­ se, von HTSL-Material frei sein soll oder muss.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, das Substrat, sei es ein Plättchen, sei es ein Band, nicht nur notwendiger­ weise auf der für die HTSL-Beschichtung vorgesehenen Seite mit der dafür notwendigen Pufferschicht zu beschichten. Die Erfindung sieht vor, auch die von HTSL-Material frei bleiben­ de gegenüberliegende Oberfläche des Substrats in wenigstens angenähert gleicher Art mit vorzugsweise dem Material der Pufferschicht zu beschichten. Die Angabe "in im wesentlichen gleicher Art" ist für die Erfindung so zu verstehen, dass die auf der der HTSL-Schicht gegenüberliegenden Seite des Sub­ strats zusätzlich aufgebrachte Schicht vorzugsweise gleiche Dicke und Dichte haben soll wie sie die für die HTSL-Schicht vorgesehene Pufferschicht aufweist. Sie kann aber auch z. B. bis zu doppelter oder z. B. halber Dicke oder Dichte bemessen sein. Insbesondere kann unterschiedliche Dicke gewählt sein, wenn die zusätzliche Schicht auf der Rückseite des Substrats so aufgebracht wird, dass sie bei größerer Dicke entsprechend geringere mechanische Spannung innerhalb der Schicht hat. Bei geringerer Schichtdicke kann z. B. zum Ausgleich entsprechend größere Dichte bzw. Schichtspannung vorgesehen sein. Es kann auch zusätzlich bei der Wahl der Dicke und Schichtspannung der zusätzlichen Schicht, aufgebracht auf der der HTSL- Schicht abgewandten Seite des Substrats, ergänzend auch noch ein Einfluss mechanischer Spannung der HTSL-Schicht berück­ sichtigt sein. Da ein mechanischer Spannungseffekt innerhalb der HTSL-Schicht erfahrungsgemäß jedoch relativ geringen Ein­ fluss hat, ist die Berücksichtigung dieses Effekts nur nach­ rangig von Bedeutung.

Die unter der HTSL-Schicht, die in der Praxis eine Dicke zwi­ schen 100 nm bis 5 µm hat, angeordnete Pufferschicht hat z. B. eine Dicke von 100 nm bis 5 µm. Die Wahl dieser Schichtdicke ist bekanntlich bestimmt durch die geforderte Qualität der darauf abgeschiedenen HTSL-Schicht und abhängig vom angewen­ deten Beschichtungsverfahren. Die zusätzliche Schicht auf der gegenüberliegenden, rückwärtigen Seite des Substrats ergibt sich mit Beachtung der obengenannten Richtlinien.

Zweckmäßigerweise wird man für die zusätzliche Schicht und die Pufferschicht jeweils das gleiche Material verwenden.

Auch für die Pufferschicht kommt, wie im Stand der Technik, vor allem das Yttrium stabilisierte Zirkonoxid YSZ in Be­ tracht. Andere Materialien für die Pufferschicht sind Magne­ siumoxid, Ceroxid, Strontiumtitanat, die ebenfalls mittels des bekannten IBAD-Verfahrens abgeschieden werden.

Die Abscheidung der Pufferschicht und der erfindungsgemäß zu­ sätzlichen Schicht auf der gegenüberliegenden Seite des Sub­ strats erfolgt im Prinzip kalt und eine Erwärmung auf etwa maximal 300° ist lediglich prozessbedingt. Für die Erfindung können auch Kombinationen solcher genannter Materialien für die Pufferschicht gewählt werden und sie können auch Dotie­ rungen enthalten.

Die erfindungsgemäß zusätzliche Schicht und die für die HTSL- Schicht erforderliche Pufferschicht werden zeitlich vor dem Herstellen der HTSL-Schicht aufgebracht.

Mit dem Verfahren der Erfindung auf Substrat hergestellte HTSL-Schichten können auch für Antennenresonatoren und für Spulen verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich insbesondere bei flächigen Substraten mit Abmessungen von z. B. etwa 50 × 50 mm² vorteilhaft bemerkbar. Bei bandartigem Substrat, z. B. auf Metallband, z. B. aus Stahl mit beispielsweise Dicke des Bandes zwischen 30 µm und 500 µm, ist die Anwendung der Erfindung ebenfalls vorteilhaft.

Oben ist auch erwähnt, Substrate aus Kunststoffmaterial vor­ zusehen und dazu das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden. Es kommen dafür Kunststoffe, z. B. Polyimid, in Frage, die keine Zersetzung bei den Temperaturen der Beschichtungspro­ zesse erfahren.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die zusätzli­ che Schicht nach der Vornahme der Beschichtung mit dem HTSL- Material und im wieder abgekühlten Zustand wieder zu entfer­ nen.

Die Figur zeigt einen Teil eines Substrats mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Der in der Figur dargestellte Schichtaufbau 1 umfasst ein Substrat 11. Es kann dies ein im Sinne der vorangegangenen Beschreibung Teil eines flächigen Substrats sein. Es kann dies aber auch der Teil eines Endstückes eines bandförmigen Substrats aus z. B. Stahl sein. Mit 12 und 13 ist die übliche Kombination aus einer Pufferschicht 12 und der HTSL-Schicht 13 bezeichnet. Diese Kombination ist, wie oben beschrieben, notwendig, um auf amorphem bzw. nicht strukturiertem Substrat 11 eine HTSL-Schicht 13 mit der für eine solche Schicht be­ kanntermaßen erforderlichen Struktur zu erzeugen.

Auf der dieser Schichtenkombination 12, 13 gegenüberliegenden Fläche des Substrats 11 ist die zusätzliche Schicht 14 aufge­ bracht. Diese Schicht 14 dient dazu, die Formstabilität, ins­ besondere Planizität, des Substrats 11 während der Beschich­ tungsprozesse und danach zu gewährleisten. Dazu ist erforder­ lich, die HTSL-Schicht 13 erst dann aufzubringen oder auf­ wachsen zu lassen, wenn das Substrat 11 bereits auf seinen beiden Seiten mit den Schichten 12 und 14 beschichtet worden ist. Diese Beschichtungen 12 und 14 können dabei gleichzeitig oder auch zeitlich nacheinander ausgeführt sein. Wichtig ist also, dass bei Durchführung der Beschichtung mit dem HTSL- Material der Aufbau mit dem Substrat 11 und den beiden Schichten 12 und 14 bereits vorliegt. Dem widerspricht nicht, dass die dargestellte Schicht 14 nach endgültiger Herstellung der HTSL-Schicht 13 auch wieder vom Substrat entfernt werden kann, und zwar ohne die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnah­ me aufzuheben.

Claims (10)

1. Verfahren zur nur einseitigen Beschichtung eines planaren Substrats (11) mit einer Schicht (13) aus Hochtemperatur-Supra­ leiter-Material (HTSL-Material), wobei das Substrat (11) bei den während der Ausführung des Beschichtungsprozesses notwen­ digerweise vorzusehenden Bedingungen nicht ausreichende Form­ stabilität aufweist und wobei die Schicht (13) aus Hochtempe­ ratur-Supraleiter-Material im Hochtemperatur-Verfahren auf eine auf dem Substrat (11) angeordneten Pufferschicht (12) aufgebracht wird, dadurch gekennzeich­ net, dass auf der von der Beschichtung (13) mit Supra­ leiter-Material freibleibenden Seite des Substrats (11) eine zusätzliche Schicht (14) wie die Pufferschicht (12) aufge­ bracht wird und diese Maßnahme zeitlich vor der Herstellung der Schicht (13) des Hochtemperatur-Supraleiter-Materials ausgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Aufbringen der Puffer­ schicht (12) auf der einen und der zusätzlichen Schicht (14) auf der anderen Seite des Substrats (11) gleichzeitig er­ folgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Aufbringen der Puffer­ schicht (12) auf der einen und der zusätzlichen Schicht (14) auf der anderen Seite des Substrats (11) zeitlich aufeinan­ derfolgend vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, dass ein flächi­ ges Substrat beschichtet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, dass ein bandför­ miges Substrat beschichtet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, dass das Substrat (11) aus einem Glas besteht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass das Substrat (11) ein Metallband ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass das Substrat (11) aus Kunststoff besteht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, dass die zusätz­ liche Schicht (14) und die Pufferschicht (12) aus dem glei­ chen Material bestehen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, dass die zusätz­ liche Schicht (14) nach Aufbringen der Schicht (13) des Sup­ raleitermaterials und Abkühlung des Substrats (11) wieder entfernt wird.