DE4208952C2 - Supraleitende Verbindungseinrichtung zwischen zwei Leiterelementen aus Hochtemperatursupraleitermaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine supraleitende Verbin­ dungseinrichtung zwischen einem ersten Leiterelement in ei­ ner ersten Leitungsebene und einem zweiten Leiterelement in einer davon verschiedenen, zweiten Leitungsebene, wobei die Leiterelemente mindestens eine Schicht aus einem Supralei­ termaterial mit hoher Sprungtemperatur und hoher kritischer Stromdichte enthalten und jeweils in Richtung ihrer Lei­ tungsebenen eine größere kritische Stromdichte als senkrecht dazu aufweisen. Eine entsprechende supraleitende Verbin­ dungseinrichtung ist in der Veröffentlichung "Appl. Phys. Lett.", Vol. 56, No. 3, 4.6.1990, Seiten 2336 bis 2338 ange­ deutet.

Supraleitende Metalloxide mit hohen Sprungtemperaturen T_c von insbesondere über 77 K, die deshalb mit flüssigem Stick­ stoff (LN₂) bei Normaldruck gekühlt werden können, sind all­ gemein bekannt. Entsprechende Metalloxide, bei denen es sich insbesondere um Kuprate handelt, basieren beispielsweise auf einem Stoffsystem des Typs Me1-Me2-Cu-O, wobei die Komponen­ ten Me1 ein Seltenes Erdmetall oder Yttrium und Me2 ein Erd­ alkalimetall zumindest enthalten. Hauptvertreter von diesem Typ ist das vierkomponentige Stoffsystem Y-Ba-Cu-O (Abkür­ zung: YBCO). Daneben weisen auch Phasen von fünf- oder höher­ komponentigen, seltenerdfreien Kupraten wie z. B. auf Basis des Stoffsystems Bi-Sr-Ca-Cu-O (Abkürzung; BSCCO) oder T1- Ba-Ca-Cu-O Sprungtemperaturen T_C von deutlich über 77 K auf. Es ist gelungen, insbesondere mittels spezieller PVD- oder CVD-Prozesse dünne Schichten aus diesen Hochtemperatur(HTS)- Materialien herzustellen, die eine hohe kritische Stromdich­ te gewährleisten. Man ist deshalb bestrebt, mit solchen Schichten supraleitende Strukturen wie z. B. SQUIDs oder Spu­ len oder HF-Elemente auszubilden. Solche Dünnschichtstruktu­ ren weisen Leiterteile oder -elemente auf, die mit weiteren Leiterelementen so kontaktiert werden sollten, daß die hohe kritische Stromdichte auch im Kontaktbereich zumindest weit­ gehend erhalten bleibt. Hierbei tritt jedoch die Problematik auf, daß die bekannten metalloxidischen HTS-Materialien nur eine kurze Kohärenzlänge und eine starke kristalline Aniso­ tropie aufweisen. Das heißt, Dünnschichten aus diesen HTS- Materialien, die hohe kritische Stromdichten ermöglichen, müssen deshalb so texturiert sein, daß ihre für die Strom­ führung verantwortlich zu machenden Cu-O-Ebenen zumindest annähernd in der Ebene liegen, in der sich die stromführen­ den Leiterteile der Dünnschicht erstrecken. Senkrecht zu dieser Leitungsebene bzw. zu der Stromführungsrichtung ist nämlich die kritische Stromdichte wesentlich geringer.

Will man nun zwei in verschiedenen Leitungsebenen liegende Leiterteile aus einem HTS-Material mit jeweils hoher kriti­ scher Stromdichte in diesen Ebenen miteinander verbinden, so besteht die Schwierigkeit, daß der Strom am Kontakt entweder entlang einer für die kritische Stromdichte ungünstigen Kri­ stallrichtung der HTS-Kristalle oder über eine sogenannte Korngrenze fließen muß. Beides führt zu einer Schwachstelle der Stromtragfähigkeit, die man im allgemeinen durch eine Überdimensionierung der Kontaktflächen auszugleichen ver­ sucht.

Entsprechende Probleme sind auch bei der aus der eingangs genannten Literaturstelle aus "Appl. Phys. Lett.", Vol. 56 zu entnehmenden supraleitenden Verbindungseinrichtungen gegeben. Mit dieser Einrichtung sollen zwei in parallelen, durch eine SrTiO₃-Isolationsschicht getrennten Leitungs­ ebenen liegende Leiterelemente aus dem YBCO-Material mit­ einander verbunden werden. Die beiden Leiterelemente sind dabei im Kontaktbereich so unmittelbar aneinandergefügt, daß ihre kristallinen Ebenen hoher kritischer Stromdichte parallel zueinander liegen. Deshalb muß auch hier der Strom über die ungünstigere Kristallrichtung fließen.

Aus der DE 38 11 051 C2 ist ein supraleitendes Kabel mit mindestens einer Leiterader zu entnehmen, die einen Stützkörper aufweist, um den ein bandförmiger Leiter mit HTS-Material schraubenförmig gewickelt ist. Der bandför­ mige Leiter kann dabei im Querschnitt gesehen stufenförmig ausgebildet sein, um so einen Überlapp benachbarter Leiter jeweils etwa zur Hälfte zu ermöglichen. Probleme einer ungünstigen Kristallorientierung und damit verbunden Be­ einträchtigung der Stromtragfähigkeit spielen dabei keine Rolle, da bei dem bekannten Leiter der Stromtransport nicht in Richtung über seine Stufe erfolgt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die su­ praleitende Verbindungseinrichtung mit den eingangs ge­ nannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß keine wesentliche Beeinträchtigung der Stromtragfähigkeit im Kontaktbereich gegeben ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eines der Leiterelemente mittels eines ent­ sprechend aufgebauten Leiterstücks über eine gegenüber seiner Leitungsebene geneigte Schräge auf das Niveau einer für das jeweils andere Leiterelement und das Leiterstück gemeinsamen Kontaktierungsebene geführt ist und daß in dieser Kontaktierungsebene das andere Leiterelement und das Leiterstück an jeweils stirnseitigen Kontaktflächen miteinander kontaktiert sind.

Bei den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß texturierte, d. h., eine zumindest weitgehend geordnete Kristallstruktur aufweisende Dünn­ schichten aus metalloxidischen HTS-Materialien mit senkrecht bezüglich der Schichtebene ausgerichteten c-Kristallachsen praktisch störungsfrei hinsichtlich ihrer Kristallorientie­ rung über einen kantenförmig ausgebildeten Grenzbereich zwi­ schen der Schichtebene und einer gegenüber dieser Ebene nur leicht geneigten Flanke oder Schräge hinwegwachsen können. Erst bei stärker geneigten Flanken werden dort nämlich Korn­ grenzen ausgebildet. Auf diese Weise ist es möglich, das Leiterstück aus der Leitungsebene eines der Leiterelemente auf das Niveau der Kontaktebene, die insbesondere die Lei­ tungsebene des anderen Leiterelementes sein kann, zu brin­ gen, ohne daß die für eine Stromführung günstige Kristall­ ordnung der Cu-O-Ebenen in den HTS-Kristallen wesentlich ge­ stört wird. In der Kontaktierungsebene können dann das dort befindliche Leiterelement und das Leiterstück so zusammen­ wachsen, daß ihre Cu-O-Ebenen in etwa ineinander übergehen. Die mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen verbundenen Vorteile sind dann insbesondere darin zu sehen, daß im Kontaktbereich die hohe kritische Stromdichte in Stromführungsrichtung zu­ mindest weitgehend zu gewährleisten ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbin­ dungseinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 der prinzi­ pielle Aufbau der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung schematisch veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel mit einer solchen Verbindungsein­ richtung. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die in Fig. 1 im Schnitt gezeigte, allgemein mit 2 bezeich­ nete Verbindungseinrichtung ist zwischen zwei Leiterelemen­ ten 3 und 4 ausgebildet, die sich in zwei verschiedenen, beispielsweise zueinander parallel liegenden Ebenen E1 und E2 befinden. Diese Ebenen sind nachfolgend als Leitungsebe­ nen bezeichnet und stellen jeweils die Ebenen dar, auf denen das jeweilige Leiterelement abgeschieden wird. Eines der Leiterelemente, z. B. das Element 4, enthält ein Leiterstück 5, d. h., bildet mit diesem Leiterstück ein gemeinsames Bau­ teil. Dieses Leiterstück ist über eine Schräge 6 auf das Ni­ veau der Leitungsebene E1 des anderen Leiterelementes 3 ge­ führt. Diese Ebene E1 stellt eine gemeinsame Kontaktierungs­ ebene dar. Jedes der Leiterelemente 3 und 4 sowie das Lei­ terstück 5 weisen einen Dünnschicht-Aufbau mit einer Dicke D zwischen beispielsweise 10 nm und 1 µm aus einem bekannten metalloxidischen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtempe­ ratur T_c von insbesondere über 77 K auf. Die Zusammensetzung entsprechender HTS-Materialien basiert dabei auf einem me­ tallische Komponenten und Sauerstoff enthaltenden Stoffsy­ stem. Als Ausführungsbeispiel sei aus dem speziellen Stoff­ system Y-Ba-Cu-O das HTS-Material YBa₂Cu₃O_7-x (mit 0 ≦ x < 1) ausgewählt. Die Materialien für die erfindungsge­ mäße Verbindungseinrichtung sind jedoch nicht auf dieses spezielle Stoffsystem beschränkt; d. h., es sind ebensogut auch andere mehrkomponentige oxidkeramische HTS-Supraleiter­ materialien, welche diesem speziellen Stoffsystem nicht zu­ zurechnen sind und zumindest teilweise andere und/oder zu­ sätzliche metallische Komponenten und Sauerstoff enthalten. Ein Ausführungsbeispiel hierzu wäre das Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+y (mit 0,1 < y < 0,5).

Die Leiterelemente 3 und 4 einschließlich des Leiterstücks 5 sind epitaktisch auf einer oder mehreren Unterlagen a und b abgeschieden und sollen jeweils eine hohe kritische Strom­ tragfähigkeit (Stromdichte) in der Größenordnung von minde­ stens 10⁴ A/cm² in der Nähe der Sprungtemperatur T_C des ge­ wählten HTS-Materials gewährleisten. Sie sind deshalb so texturiert, daß ihre für die hohe Stromtragfähigkeit verant­ wortlichen Cu-O-Kristallebenen in kristallinen a-b-Ebenen zumindest in etwa parallel zur jeweiligen Unterlage liegen. Diese stromführenden Kristallebenen sind in der Figur durch dünne Linien 8 nicht maßstabgerecht veranschaulicht.

Bei den Unterlagen 7a und 7b kann es sich insbesondere um an sich bekannte Substrate handeln, auf denen das HTS-Material nach bekannten Verfahren epitaktisch aufwachsen kann. Ent­ sprechende Substratmaterialien, deren jeweilige kristalline Einheitszelle vorteilhaft an die entsprechenden Abmessungen der Einheitszelle des verwendeten HTS-Materials angepaßte Maße hat, sind z. B. SrTiO₃, BaTiO₃, LaAlO₃, NdAlO, NdGaO₃, MgO, MgAl₂O₄ oder Y-stabilisiertes ZrO₂. Auch ist als Sub­ strat Si, das zudem noch dotiert oder als Si-Verbindung vor­ liegen kann, geeignet, wenn es im allgemeinen mit einer dif­ fusionshemmenden Zwischenschicht, einer sogenannten "Buffer­ layer", abgedeckt ist. Als Si-Substrat kann dabei auch eine Si-Schicht auf Saphir dienen. Für das Ausführungsbeispiel seien im folgenden SrTiO₃-Substrate als Unterlagen ausge­ wählt.

Da das das obere Leiterelement 4 verlängernde Leiterstück 5 von der oberen Leitungsebene E2 auf die untere Leitungsebene E1 führen soll, bildet es eine Stufe aus, die in Fig. 1 mit 9 bezeichnet ist. Die die Stufenhöhe h bestimmende gegensei­ tige Entfernung der beiden Ebenen E1 und E2 kann dabei z. B. zwischen 100 nm und 1 µm liegen. Die Stufe 9 kann beispiels­ weise durch entsprechende Ätzung in einem Substrat erzeugt werden. Zwischen einer Stufenoberkante 10 an der Leitungs­ ebene E2 und einer Stufenunterkante 11 an der Leitungsebene E1 weist die Stufe die Schräge 6 auf. Dort schließt die Nor­ male N auf die Schräge 6 mit der Normalen N' auf die Ebene E1 (oder E2) einen vorbestimmten, spitzen Winkel α ein. Dieser Winkel α ist dabei so klein gewählt, daß die Ausbil­ dung von Korngrenzen an den Kanten 10 und 11 unterdrückt ist. Im allgemeinen liegt deshalb α unter 20°, vorzugsweise unter 10°.

Die in der Leitungs- bzw. Kontaktierungsebene E1 liegenden, einander zugewandten Enden des unteren Leiterelementes 3 und des Leiterstücks 5 des oberen Leiterelementes 4 können nun mit ihren Kontaktflächen F1 und F2 in an sich bekannter Wei­ se so aneinandergefügt werden, daß in einem Kontaktbereich 13 die Ausrichtung der stromführenden Cu-O-Ebenen 8 zumin­ dest weitgehend erhalten bleibt. Dabei können im Kontaktbe­ reich 13 geringe Versetzungen der Cu-O-Ebenen 8 auftreten. Derartige mögliche Versetzungen sind in der Figur übertrie­ ben stark dargestellt. Eine besondere thermische Behandlung, mit der ein entsprechendes Zusammenwachsen der aneinander­ gefügten Teile bewirkt wird, ist im allgemeinen nicht nötig. Das Leiterstück 5 wächst nämlich bei den üblichen Deposi­ tionsbedingungen für das Leiterelement 4 normalerweise in der gewünschten Weise an das untere Leiterelement 3 an. Ge­ gebenenfalls ist ein vorhergehendes kurzes Absputtern des unteren Leiterelementes 3 mit Hilfe von Ar-Ionen zur Reini­ gung der Kontaktfläche vorteilhaft.

Abweichend von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei­ spiel kann das Leiterelement 4 an der oberen Stufenkante 10 auch allmählich in das Leiterstück 5 auf der Schräge 6 über­ gehend ausgebildet sein. Ein entsprechender Übergang ist selbstverständlich auch an der unteren Stufenkante 11 mög­ lich. In einem solchen Fall ist selbstverständlich auch ein größerer Neigungswinkel α möglich.

Außerdem muß die Stufe 9 auch nicht unbedingt in ein als Un­ terlage für das Leiterstück 5 dienende Substrat eingeätzt sein. Vielmehr kann es sich um einen beliebigen, entspre­ chend strukturierten Unterbau handeln, auf dem das Leiter­ stück an das Leiterelement 3 oder das Leiterelement 4 heran­ geführt wird.

Ferner läßt sich das Leiterstück 5 auch als ein diskretes Bauteil ausbilden, das zwischen die Leiterelemente 3 und 4 eingefügt und somit an zwei Kontaktbereichen mit diesen Ele­ menten erfindungsgemäß verbunden ist.

Darüber hinaus brauchen der somit mindestens eine Kontaktbe­ reich 13 bzw. seine entsprechenden Kontaktflächen F1 und F2 auch nicht genau senkrecht bezüglich der Kontaktierungsebene E1 oder E2 ausgerichtet zu sein. Gegebenenfalls sind sogar Kontaktflächen von Vorteil, die mit der jeweiligen Kontak­ tierungsebene einen Winkel einschließen, der deutlich klei­ ner als 90° ist. Auf diese Weise läßt sich ein verhältnis­ mäßig großflächiger Kontakt erhalten.

Statt der jeweils nur aus einer einzigen Dünnschicht aus dem HTS-Material bestehenden supraleitenden Leiterteile 3, 4 und 5 können selbstverständlich mit der Verbindungseinrichtung nach der Erfindung auch vergleichsweise dickere Leiterele­ mente, die z. B. sandwichartig aufgebaute stromführende Schichten enthalten, entsprechend kontaktiert werden.

Fig. 2 zeigt als einen Ausschnitt einer beispielsweise ringähnlichen supraleitenden Struktur 15 in Schrägansicht eine Verbindungseinrichtung 16 nach der Erfindung zwischen einem HTS-Leiterelement bzw. einem Leiterteil 17 in einer unteren Leitungsebene E1 und einem HTS-Leiterelement 18 in einer oberen Leitungsebene E2. Das untere Leiterelement 17 ist dabei von einer Isolationsschicht z. B. aus epitaktisch gewachsenem, einkristallinem SrTiO₃ oder aus LaAl₂O₃ abge­ deckt. Als ein zwischen diesen Leiterelementen 17 und 18 verlaufendes, entsprechend den Leiterelementen ausgebildetes Leiterstück 20 dient ein stufenartig strukturierter Strei­ fenleiter. Zum Anfügen und Kontaktieren dieses Streifenlei­ ters an dem Leiterelement 17 kann man beispielsweise in die­ ses Leiterelement und seine darauf befindliche Isolations­ schicht 19 eine Stufe 21 einarbeiten, z. B. einätzen. In der Figur stellen wiederum dünne Linien 8 die für die Stromfüh­ rung mit hoher kritischer Stromdichte verantwortlichen Cu-O- Kristallebenen dar. Außerdem ist ein von der oberen Lei­ tungsebene E2 in die untere Leitungsebene E1 über das Lei­ terstück 20 geleiteter Strom I durch eine gepfeilte Linie veranschaulicht.

Claims (8)

1. Supraleitende Verbindungseinrichtung zwischen einem er­ sten Leiterelement in einer ersten Leitungsebene und einem zweiten Leiterelement in einer davon verschiedenen, zweiten Leitungsebene, wobei die Leiterelemente mindestens eine Schicht aus einem Supraleitermaterial mit hoher Sprungtempe­ ratur und hoher kritischer Stromdichte enthalten und jeweils in Richtung ihrer Leitungsebenen eine größere kritische Stromdichte als senkrecht dazu aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines (4, 18) der Leiterelemente (3, 17 oder 4, 18) mittels eines entspre­ chend aufgebauten Leiterstücks (5, 20) über eine gegenüber seiner Leitungsebene (E2) geneigte Schräge (6) auf das Ni­ veau einer für das jeweils andere Leiterelement (3, 17) und das Leiterstück (5, 20) gemeinsamen Kontaktierungsebene (E1) geführt ist und daß in dieser Kontaktierungsebene (E1) das andere Leiterelement (3, 17) und das Leiterstück (5, 20) an jeweils stirnseitigen Kontaktflächen (F1, F2) miteinander kontaktiert sind.

2. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stirnseitigen Kon­ taktflächen (F1, F2) bei der Abscheidung des Leiterstücks (5, 20) zusammengewachsen sind.

3. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß in einem Kon­ taktbereich (13) zwischen den Kontaktflächen (F1, F2) eine geordnete Kristallstruktur des anderen Leiterelementes (3, 17) und des Leiterstücks (5, 20) zumindest annähernd einge­ halten ist.

4. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon­ taktflächen (F1, F2) mit der Kontaktierungsebene (E1) einen Winkel < 90° einschließen.

5. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nei­ gungswinkel (α) der Schräge (6) gegenüber den Leitungsebe­ nen (E1, E2) höchstens 20°, vorzugsweise höchstens 10° be­ trägt.

6. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Leiterstück (5, 20), das mit einem Leiterelement (4, 18) ein gemeinsames Bauteil bildet.

7. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Leiterstück, das als ein diskretes Bauteil zwischen die Leiterelemente eingefügt ist.

8. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine um einen vor­ bestimmten Winkel (α) geneigte Schräge (6).