DE4004908A1

DE4004908A1 - Oxidkeramische streifenleiter auf metallischen baendern

Info

Publication number: DE4004908A1
Application number: DE4004908A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl Phys Dr Schneider; Andreas Dipl Phys Ginsbach
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1990-02-16
Filing date: 1990-02-16
Publication date: 1991-08-22
Also published as: DE4004908C2

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter mit einem dünnen Film aus einem oxidkeramischen Material sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Leiters.

Leiter aus supraleitendem Material die technisch genutzt werden sollen, müssen auf der gesamten Leiterlänge in gutem Kontakt mit einem Leiter aus normalleitendem Metall stehen, wobei die Verbindungsstellen die Bedingungen eines guten Leiters sowohl bezüglich der Wärme als auch bezüglich des elektrischen Stroms erfüllen müssen.

Im supraleitenden Zustand befindet sich der Supraleiter nicht immer in einem vollkommen stabilen Zustand, vielmehr kann es aufgrund lokaler Dichtefluktuationen der für die Supraleitung verantwortlichen Elektronenpaare zu lokalen Überschreitungen der kritischen Stromdichte des betreffenden Supraleiters kommen. Diese Stromüberhöhung bewirkt, daß der Supraleiter zunächst lokal normalleitend und anschließend - aufgrund der hierbei auftretenden Wärme - der gesamte supraleitende Zustand sehr schnell über die gesamte Leiterlänge zerstört wird, wodurch sehr große Energien unkontrolliert freigesetzt werden können.

Ein technischer Einsatz eines aus supraleitendem Material hergestellten Drahtes wäre daher vollkommen unmöglich.

Um diesen technischen Einsatz zu realisieren, werden Supraleiter auf normalleitende Metalle abgeschieden oder aufgebracht oder verlaufen als "supraleitende Seele" innerhalb eines normalleitenden Drahtes.

Aus der Schrift "Superconductors Vacryflux NS Vacryflux HNST" der Firma Vacuumschmelze GmbH in Hanau ist ein elektrischer Leiter bekannt, wonach supraleitende Filamente in einer normalleitenden CuSn-Matrix eingebettet sind. Kommt es zu den genannten lokalen Überschreitungen der kritischen Stromdichte (quenchen), so wird der Überstrom als auch die dabei anfallende Wärme sehr schnell von dem metallischen Normalleiter aufgenommen und abgeführt. Dieses ermöglicht dem Supraleiter seinen supraleitenden Zustand wieder einzunehmen und den Stromtransport erneut zu übernehmen.

Es ist somit ersichtlich, daß für die technische Verwendung eines Supraleiters als Stromträger ein ausgezeichneter Kontakt des supraleitenden Materials mit einem metallischen Normalleiter grundlegend notwendig ist. Dieses Problem ist bei den sogenannten klassischen, relativ einfach zu handhabenden Supraleitern sehr gut gelöst, nicht jedoch bei den neuen oxidkeramischen Supraleitern, die aufgrund ihres Herstellungsverfahrens im Sinterprozeß schwer zu verarbeiten sind.

Es ist möglich, dünne oxidkeramische, supraleitende Schichten, beispielsweise YBaCuO, auf verschiedene Substrate - beispielsweise mit Hilfe der Magnetron-Kathodenzerstäubung - abzuscheiden. Soll der oxidkeramische Supraleiter auf ein normalleitendes Metall abgeschieden werden, ist zunächst die Deposition einer Oxidschicht auf das Metallsubstrat erforderlich, die dann als Trägerschicht für den anschließend abzuscheidenden Supraleiter dient. Diese Oxidschicht wirkt als isolierende Zwischenschicht, so daß im technischen Einsatz eines derartigen Leiters weder Überströme noch anfallende Wärme auf den Normalleiter übergehen und abgeführt werden können; ein technischer Einsatz ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Leiter mit einem oxidkeramischen Supraleiter und ein Verfahren zu seiner Herstellung verfügbar zu machen, derart, daß bei Überschreitung der kritischen Stromdichte des Supraleiters der anfallende Strom sowie die auftretende Wärme abgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine isolierende Oxidschicht einen metallischen Leiter teilweise überdeckt, daß auf der Oxidschicht eine Schicht aus oxidkeramischem Material vorgesehen ist und daß ein gut leitendes und verformbares Metall auf den nicht von isolierender Oxidschicht und oxidkeramischem Material überdeckten Bereichen des Leiters zumindest bis zur Oberkante des oxidkeramischen Materials aufgebracht ist.

Die Aufgabe zur Herstellung des elektrischen Leiters wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst isolierendes Material unter einer ersten Gasatmosphäre eines ersten Drucks und einer ersten Temperatur auf den metallischen Leiter aufgebracht wird, daß anschließend oxidkeramisches Material unter einer zweiten Gasatmosphäre eines zweiten Drucks und einer zweiten Temperatur auf das isolierende Material abgeschieden wird, daß anschließend der metallische Leiter teilweise freigelegt wird und unmittelbar danach die entstandenen Lücken durch ein Metall aufgefüllt werden.

Das Aufbringen des isolierenden Materials auf den metallischen Leiter, das Abscheiden des oxidkeramischen Supraleiters auf das isolierende Material, das teilweise Freilegen des metallischen Leiters sowie das nachfolgende Auffüllen der Lücken mit einem Deckmetall wird bevorzugt unmittelbar nacheinander "in situ" durchgeführt, d. h. in vier nacheinander stattfindenden Arbeitsgängen die in einem abgeschlossenen Raum durchgeführt werden, ohne daß unerwünschte, zu Verunreinigungen des Supraleiters führende Fremdpartikel eindringen können.

Das gesamte Verfahren eignet sich besonders für die Leiterherstellung im Bereich der Dünnschichttechnik, nach der die Kristallite der oxidkeramischen Hochtemperatur-Supraleiter in bestimmter Kristallausrichtung aufwachsen und eine besonders hohe kritische Stromdichteverträglichkeit erzielt werden kann.

Nachdem eine Oxidschicht auf den metallischen Leiter aufgebracht ist, wobei sich als Oxid naheliegenderweise und besonders einfach die Oxidverbindung des jeweilig verwendeten Metallsubstrats besonders eignet, wird der Supraleiter vorzugsweise mittels einer Gasentladung, zweckmäßigerweise mittels der Magnetron-Kathodenzerstäubung, auf die Oxidschicht abgeschieden. Mechanisch oder durch eine Trockenätztechnik lassen sich Supraleiter sowie Oxidschicht anschließend streifenweise abtragen und die dadurch entstandenen streifenförmigen Lücken unmittelbar danach durch ein Metall, vorzugsweise mittels Sputtern, auffüllen. Hierbei handelt es sich um einfach und wirtschaftlich anwendbare Verfahrensweisen, die leicht großindustriell einsatzfähig sind.

Besonders günstig ist die Wahl des Metallsubstrats in der Ausführungsform als Hohlzylinder. Hiermit wird zum einen, im Vergleich zu einem Metallband gleichen Durchmessers, eine besonders große Stromtragfähigkeit des Supraleiters erzielt, da dieser auf dem gesamten Umfang des Zylinders angeordnet ist und somit besonders viel supraleitendes Volumen für den Stromtransport zur Verfügung steht, zum anderen eignet sich der Hohlzylinder dazu den für die Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustands notwendigen Flüssigstickstoff aufzunehmen, der - besonders einfach - durch den Zylinder hindurchgeleitet wird.

Die streifenweise Abtragung von Supraleiter und Oxidschicht und die Auffüllung der entstandenen Lücken durch ein gut leitendes Deckmetall gewährleistet eine besonders stabile, mechanische Anordnung, die den Leiter für den technischen, routinierten Anwendungsbedarf besonders attraktiv macht.

Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte elektrische Leiter läßt sich bei Verwendung von YBaCuO als supraleitendes Material mit Flüssigstickstoff kühlen, so daß er besonders wirtschaftlich einsetzbar ist. Im Überstromfall, wenn die Supraleitung lokal zusammenbricht (quenchen), gewährleistet das Deckmetall die Ableitung von Überstrom und Wärme auf das Metallsubstrat, welches deren Abführung sichert bis der Supraleiter seinen supraleitenden Zustand wieder eingenommen hat.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines elektrischen Leiters im Querschnitt und

Fig. 2 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des elektrischen Leiters im Querschnitt.

Das anhand der Fig. 1 und 2 erläuterte Verfahren soll für den Fall, daß als metallischer Leiter 1, 1′ Nickel, sowie als Deckmetall 4 Silber und als oxidkeramischer Supraleiter 3 YBaCuO verwendet wird, beschrieben werden. Die isolierende Zwischenschicht 2 bildet eine Nickeloxidschicht 2.

Nach Fig. 1 bildet ein Nickelmetallband 1 einen metallischen Träger der im fertiggestellten, elektrischen Leiter im Falle des Quenchens des Supraleiters 3 den anfallenden Überstrom sowie die anfallende Wärme aufnehmen und abführen soll. Nickel eignet sich ähnlich wie Kupfer gut als Substrat 1, da es abgesehen von den guten Leitfähigkeitseigenschaften gut mechanisch verformbar ist, so daß sich der fertiggestellte Leiter zu einer Spule wickeln läßt.

In einer Kammer bei einer Temperatur von ca. 1000°C und einem Sauerstoffpartialdruck von ca. 1 bar bildet sich auf dem Nickelträger 1, eine mehrere um dicke Nickeloxidschicht 2 aus, die als Diffusionsbarriere dient und den Träger für das abzuscheidende supraleitende Material 3 bildet. Die Diffusionsbarriere schützt den Supraleiter 3 vor Verunreinigungen, z. B. Kohlenstoff, auf die die derzeitig zur Verfügung stehenden Hochtemperatur- Supraleiter sehr empfindlich reagieren.

Der Sauerstoffpartialdruck in der Kammer wird nach Ausbildung der Nickeloxidschicht auf ca. 10^-1 mbar gesenkt und die Temperatur auf ca. 600 bis 800°C eingestellt. Unter diesen Bedingungen wird mit Hilfe der üblichen Magnetron-Kathodenzerstäubung das supraleitende Material 3 in der Verbindung YBa₂Cu₃O₆ auf die Nickeloxidschicht abgeschieden und geht anschließend bei einer Sauerstoffpartialdruckerhöhung auf ca. 1 bar in die supraleitende Verbindung YBa₂Cu₃O₇ über.

Im Experiment wurde als Metallsubstrat 7 ein 10 mm × 10 mm großes, ca. 0,5 mm dickes Nickelplättchen verwendet, daß mit 30 µm schmalen, als Maske dienenden Spannbändchen aus MU-Metall belegt wurde, deren Fixierung auf dem Träger üblicherweise mit Hilfe von Permanentmagneten erzielt wird. Während des Ionenätzsputterns - typischerweise 45 Minuten - werden die nicht abgedeckten Flächen des beschichteten Leiters 1 abgetragen und zwar zunächst die ca. 1 µm dünne YBaCuO-Schicht 3 und im selben Arbeitsgang die ca. 10 µm dicke Oxidschicht 2. Das als Deckmetall 4 dienende Silber wird anschließend "in situ" aufgesputtert, was eine besonders gute Verbindung zum Trägermetall 1 gewährleistet.

Denkbar und besonders vorteilhaft ist ein als abgeschlossenes System ausgebildeter technischer Aufbau, bestehend aus einer Anlage zur Magnetron- Kathodenzerstäubung für den Abscheideprozeß, einer daran angefügten Ionenätzanlage zur Freilegung der nicht maskierten Flächen und einer Sputteranlage zur anschließenden Auffüllung mit einem Deckmetall 4. Ist die gesamte Anlage als abgeschlossenes System ausgelegt, ist eine besonders saubere Arbeitsweise möglich.

Fig. 2 zeigte eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung. Analog zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt eine Schichtung, bestehend aus Metallträger 1′, einer Isolierschicht 2, einer supraleitenden Schicht 3 sowie einem Deckmetall 4 vor.

Hierbei ist jedoch der metallische Leiter 1′ als hohlzylindrischer Leiter 1′ ausgebildet durch den flüssiger Stickstoff hindurchgeleitet werden kann, so daß der Supraleiter 3 seinen supraleitenden Zustand annimmt.

Als metallische Leiter 1, 1′ denkbar und sinnvoll sind des weiteren grundsätzlich alle hohlausgebildeten Leiterformen, wie z. B. Leiter 1, 1′ mit viereckigen oder vieleckigem Querschnitt. Besonders lange Leiter 1, 1′ sind vorstellbar als aus einzelnen Leitersegmenten zusammengesetzt.

Das bezüglich Fig. 1 beschriebene Herstellungsverfahren gilt ebenso für die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform eines elektrischen Leiters. Eine mögliche Auslegung einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einer Anlage zur Magnetron-Kathodenzerstäubung für den Abscheideprozeß, sowie einer Ionenätzanlage zur Freiätzung des Metalls 1 und zur Beschichtung mit dem Deckmetall 4 ist in der Form einer Zylindergeometrie sinnvoll und denkbar.

In beiden Ausführungsformen gewährleistet die Geometrie der Deckmetallschicht 4, deren Volumen oberhalb der supraleitenden Schicht klein gegen das Volumen der ausgefüllten Lücken ist, daß die Deckmetallschicht 4 oberhalb der supraleitenden Schicht 3 in Leiterlängsrichtung hochohmig wirkt und senkrecht dazu in Richtung des Metallträgers 1, 1′ niederohmig. Ein anfallender Überstrom, sowie die dabei auftretende Wärme fließt hauptsächlich über den Weg des geringsten elektrischen Widerstandes und geht somit sehr schnell über die ausgefüllten Lücken auf den Metallträger 1 über und wird von diesem abgeführt.

Claims

1. Elektrischer Leiter mit einem dünnen Film aus einem Hochtemperatur- Supraleiter aus oxidkeramischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß eine isolierende Oxidschicht (2) einen metallischen Leiter (1, 1′) teilweise überdeckt, daß auf der Oxidschicht (2) eine Schicht aus oxidkeramischem Material (3) vorgesehen ist und daß ein gut leitendes und verformbares Metall (4) auf den nicht von Oxidschicht (2) und oxidkeramischem Material (3) überdeckten Bereichen des Leiters (1, 1′) zumindest bis zur Oberkante des oxidkeramischen Materials (3) aufgebracht ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst isolierendes Material (2) unter einer ersten Gasatmosphäre eines ersten Drucks und einer ersten Temperatur auf den metallischen Leiter (1, 1′) aufgebracht wird, daß anschließend oxidkeramisches Material (3) unter einer zweiten Gasatmosphäse eines zweiten Drucks und einer zweiten Temperatur auf das isolierende Material (2) abgeschieden wird, daß anschließend der metallische Leiter (1, 1′) teilweise freigelegt wird und unmittelbar danach die entstandenen Lücken durch ein Metall (4) aufgefüllt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des isolierenden Materials (2) auf den metallischen Leiter (1, 1′), das anschließende Abscheiden des oxidkeramischen Materials (3) auf das isolierende Material (2), das anschließende teilweise Freilegen des metallischen Leiters (1, 1′) und das darauf unmittelbar folgende Auffüllen der entstandenen Lücken durch ein Metall (4) in vier aufeinanderfolgenden Arbeitsgängen "in situ" durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als isolierendes Material (2) ein Metalloxid (2) verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als oxidkeramisches Material (3) ein oxidkeramischer Supraleiter (3) verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als erste und zweite Gasatmosphäre eine sauerstoffenthaltende Atmosphäre verwendet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als metallischer Leiter (1, 1′) ein Metallband (1) verwendet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als metallischer Leiter (1′) ein hohlzylindrischer metallischer Leiter (1, 1′) verwendet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als metallischer Leiter (1, 1′) ein gut verformbares Metall mit guten elektrischen Leitfähigkeits- und Wärmeleitfähigkeitseigenschaften verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als metallischer Leiter (1, 1′) vernickeltes Kupfer verwendet wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur teilweisen Freilegung des metallischen Leiters (1, 1′) das oxidkeramische Material (3) sowie die isolierende Oxidschicht (2) streifenweise in Leiterlängsrichtung abgetragen werden.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheideprozeß des oxidkeramischen Materials (3) auf das isolierende Material (2) mittels Magnetron-Kathodenzerstäubung erfolgt.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtragung des oxidkeramischen Materials (3) und/oder des isolierenden Materials (2) durch einen Ätzvorgang vollzogen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzvorgang als Ionenätzen angewendet wird.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis i4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtragen des oxidkeramischen Materials (3) und/oder des isolierenden Materials (2) mechanisch durchgeführt wird.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht abzutragenden Teile des oxidkeramischen Materials (3) während des Ätzvorgangs durch eine Maske abgedeckt werden.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall (4) zum Auffüllen der Lücken unter Schutzgasatmosphäre aufgesputtert wird.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall (4) zum Auffüllen der Lücken zumindest bis zur Oberkante der Lücken aufgefüllt wird.