JP4917205B2

JP4917205B2 - 電気的に安定化された薄膜高温超伝導体及びその製造方法

Info

Publication number: JP4917205B2
Application number: JP2000565572A
Authority: JP
Inventors: ヴィリーパウル; マーカンチェン
Original assignee: エービービーリサーチリミテッド
Priority date: 1998-08-14
Filing date: 1999-08-02
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2019-08-02
Also published as: DK1114471T3; US6552415B1; EP1114471A1; AU4893899A; WO2000010208A1; EP1114471B1; JP2002522927A; DE19836860A1; DE59912022D1

Description

【０００１】
〔技術分野〕
本発明は、高温超伝導体（ＨＴＳ）の技術的用途に関する。本発明は、平らな金属基板に被着された超伝導層を有する電気的に安定化された薄膜高温超伝導体に関する。かかる薄膜ＨＴＳは、例えば１９９６年１０月２１〜２４日に札幌で開催された超伝導に関する国際シンポジウム（ＩＳＳ’９６）で発表されたK. Hasegawa 氏の論文“In-plane Aligned YBCO Thin Film Tape Fabricated by Pulsed Laser Deposition ”（議事録７４５〜７４８頁）で知られている。
【０００２】
本発明は又、かかるＨＴＳの製造方法に関する。
【０００３】
〔従来の技術〕
高温超伝導体（ＨＴＳ）を例えば故障電流制限器（ＦＣＬ）において信頼性をもって高電力で適用するためには、製造に関連した材料の不均質性に起因して超伝導体の急冷中に生じ、素子の機能を損なう場合のあるいわゆるホットスポット（hot spot）の形成を阻止する信頼性のある電気バイパスを超伝導体に設けることが必要不可欠である。ＨＴＳ層に平らな層の形態で被着されるＡｕ又はＡｇの層の形態のかかるバイパスは、応用超伝導に関するＩＥＥＥ議事録第７巻（８２８〜８３１頁）所収のB. Gromoll氏等の論文“Resistive Current Limiter with YBCO Films ”に記載されている。
【０００４】
バイパスは、ＨＴＳの急冷時に別の高電流経路として機能することにより電圧分布を均一化させるようになっている。これにより、ホットスポットの形成を阻止できる。かかるバイパスの最低条件は、（１）ＨＴＳとの電気的接触が良好であること、（２）温度上昇を制限する上で適当な熱容量があることである。
【０００５】
上記印刷物では、長尺Ｙ−１２３（ＹＢＣＯ）の高品質薄膜をパルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ）によりどのようにすれば代表的な金属（例えば、ハステロイの）基板に被着できるかについての方法が記載されている。しかしながら、この場合、基板の酸化及び２つの層相互の化学反応を阻止するために例えばイットリウム安定化二酸化ジルコニウム（ＹＳＺ）のバッファ層が基板とＨＴＳとの間に設けられる。したがって、ＨＴＳとその下に位置する基板との間には、電気的バイパスとして好適な電気的接触は得られない。
【０００６】
〔発明の概要〕
したがって、本発明の目的は、支持基板が電気的バイパスとして用いられる電気的に安定化された薄膜高温超伝導体を製造すること及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
最初に述べた形式のＨＴＳの場合、この目的は、超伝導層が基板の反対側の超伝導層の表面に被着された平らな導電層を介して基板の表面全体に分布されるような仕方で基板に電気的に接触することにより達成される。ＨＴＳ層とその下に位置する金属基板との接触が表面全体に分布して生じるので、任意の時点で素子の任意の箇所においてホットスポットの形成を阻止できる多くの電流バイパス路が表面全体にわたり分布して得られる。
【０００８】
本発明による第１の実施形態は、接触用開口が超伝導層及びその下層のバッファ層の領域に亘って分布するように配置され、この開口が下層の基板を露出させ、さらに導電性層が接触用開口の領域において露出した基板に接触導通し、接触用開口は、超伝導層及び／又はバッファ層を除去することによって生成されることによって特徴付けられる。電流を伝えるのに有効な断面を不必要に減少させないで、バイパスとして作用する基板によって、ホットスポットが高信頼度で阻止されるような仕方で在来のマスクエッチング方法によって、接触用開口の数及び分布を最適化することができる。
【０００９】
本発明による第２の実施形態は、接触用開口が、超伝導層及び／又はバッファ層の被着中に、被覆或いはシャドウすることによって生じる点に特徴付けられる。この場合、接触用開口の生成中に追加のマスキング及びエッチング工程を省略可能である。
【００１０】
本発明による電気的に安定化された薄膜高温超伝導体を製造するための方法は、第1の工程において、電気的絶縁バッファ層を金属基板の全領域に被着し、第2の工程において、超伝導層を電気的に導電性のバッファ層の全領域に被着し、第3の工程において、好ましくはマスクエッチング方法によって接触用開口を領域の種々の箇所において２つの被着された層内に生成し、この接触開口を通じて基板を上から自由にアクセス可能とし、第4の工程において、超伝導層の領域と接触し、且つ接触用開口を通じてこれを露出した基板に接続する導電性層を全領域に被着する。
【００１１】
別の実施形態は、第1の工程において、シャドウイングのために溝の底が部分的に被覆されていないままで接触用開口を形成するように選択される第1方向からの直接的な被着によって、電気的絶縁バッファ層を基板の領域に被着し、第2の工程において、第１方向からの直接的な被着によって超伝導層を電気的絶縁バッファ層に被着し、第3の工程において、超伝導層の領域に接触し、これを溝の底の接触用開口を通じて露出した基板に接続する導電性層を全領域に被着する。
【００１２】
さらなる実施形態は、従属クレームから得られる。
【００１３】
以下の説明において、本発明を例示の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
〔好ましい実施形態の説明〕
例えば上記の非導電性のＹＳＺのような実証済のバッファ層を、バイパスとして用いられる基板の利点を損なわないで利用できれば特に有利である。かかる解決策の２つの例が図３Ａ〜３Ｆ及び図４Ａ〜図４Ｄに再現されており、各ケースの個々の部分図は、これらの製造における或る工程を示している。
【００１５】
図３の好ましい実施形態は、上記印刷物に記載された公知の方法を用いて、金属基板３１の表面に次々にバッファ層３３（例えば、ＹＳＺ、ＣｅＯ又はＹ₂ Ｏ₃ から成る）、実際の超伝導層３２（例えば、ＹＢＣＯから成る）を被着させたものである（図３Ａ）。その後、この順番で被着された層の上に、適当なフォトレジスト等から成るマスク層３４を被着させ、次にマスク開口部をマスク層３４にその表面全体に一様に分布した状態で設けることによってパターン付けする（図３Ｃ）。
【００１６】
次に、従来型材料除去法、例えばスパッタエッチングを用いてこれらマスク開口部３５を介して、２つの下に位置した層３２（超伝導層），３３（バッファ層）を除去し、かくして基板３１の表面に自由に接近できるようにする接触用開口部３６を生じさせる（図３Ｄ）。マスク層３４を除去した後（図３Ｅ）、導電層３７（例えば、Ａｇ又はＡｕから成る）を表面全体に被着させて薄膜高温超伝導体３０を完成させ（図３Ｆ）、この導電層は、接触用開口部３６の外で超伝導層３２の表面全体に接触し、これを接触用開口部３６内の金属基板３１に導電接触させる。当然のことながら、基板３１の適当な接触が得られるよう接触用開口部３６のサイズを選択する必要がある。他方、点接触状態の基板３１による適当なバイパス機能が超伝導層の各領域について確保されるように接触用開口部３６の数及び分布状態を選択する必要がある。
【００１７】
点接触状態の基板は、図４の実施形態にも使用されている。このベースは、好ましくは側壁を備えた溝４５の形態の凹みが被覆されるべき領域全体にわたって一様に分布して配置された金属基板４１である（図４Ａ）。被覆が施されるべき基板４１の表面上には、第１の工程において、第１の方向（図４Ａに矢印で示されている）からの局部塗布により絶縁バッファ層４３が被着される。第１の方向は、溝４５の底部が、側壁による遮蔽（shadowing ）に起因して部分的に覆われないままで接触用開口部４６（図４Ａ）を形成するように選択される。
【００１８】
第２の工程（図４Ｂ）において、超伝導層４２を第１の方向からの局部塗布により絶縁バッファ層４３に被着させる。同じ遮蔽効果により、接触用開口部４６は、この塗布工程中も自由な状態のままである。次いで、第３の工程において、導電層４４を表面全体に被着させ、この導電層は、超伝導層４２の表面に接触し、これを溝４５の底部上の接触用開口部４６を介してここに露出した金属基板４１に導電接続させる。第３の工程中、第１の部分工程において、超伝導層４２を覆って露出した接触用開口部４６（図４Ｃ）を本質的に後に残す第１の導電層４４を好ましくは、第１の方向からの局部塗布により被着させるのがよい。次に、第２の部分工程において（図４Ｄ）、第１の方向とは異なる第２の方向からの局部塗布により完成状態の導電層４４になるよう第１の導電層４４′を補強し、それと同時に接触用開口部４６を介して金属基板４１に導電接続させると、その結果として、最終形態として薄膜高温超伝導体４０が得られる。
【００１９】
図３及び図４の構成では、電流はかくして、図示の薄膜高温超伝導体の断面の平面に垂直に流れる。
【００２０】
以上要するに、本発明により、電気的な安定化が得られるように金属基板を利用すると共に最もばらつきのある材料を基板用として選択できるようにする電気的に安定化された薄膜高温超伝導体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図３Ａ】ＨＴＳ層と基板との接触が除去により得られた局部接触用開口部を介して生じる本発明の第１の好ましい実施形態の薄膜ＨＴＳの製造の一工程を示す図である。
【図３Ｂ】ＨＴＳ層と基板との接触が除去により得られた局部接触用開口部を介して生じる本発明の第１の好ましい実施形態の薄膜ＨＴＳの製造の一工程を示す図である。
【図３Ｃ】ＨＴＳ層と基板との接触が除去により得られた局部接触用開口部を介して生じる本発明の第１の好ましい実施形態の薄膜ＨＴＳの製造の一工程を示す図である。
【図３Ｄ】ＨＴＳ層と基板との接触が除去により得られた局部接触用開口部を介して生じる本発明の第１の好ましい実施形態の薄膜ＨＴＳの製造の一工程を示す図である。
【図３Ｅ】ＨＴＳ層と基板との接触が除去により得られた局部接触用開口部を介して生じる本発明の第１の好ましい実施形態の薄膜ＨＴＳの製造の一工程を示す図である。
【図３Ｆ】ＨＴＳ層と基板との接触が除去により得られた局部接触用開口部を介して生じる本発明の第１の好ましい実施形態の薄膜ＨＴＳの製造の一工程を示す図である。
【図４Ａ】ＨＴＳ層と基板との接触が非被覆又は遮蔽により得られた局部接触用開口部を介して生じる本発明の第２の好ましい実施形態の薄膜ＨＴＳの製造の一工程を示す図である。
【図４Ｂ】ＨＴＳ層と基板との接触が非被覆又は遮蔽により得られた局部接触用開口部を介して生じる本発明の第２の好ましい実施形態の薄膜ＨＴＳの製造の一工程を示す図である。
【図４Ｃ】ＨＴＳ層と基板との接触が非被覆又は遮蔽により得られた局部接触用開口部を介して生じる本発明の第２の好ましい実施形態の薄膜ＨＴＳの製造の一工程を示す図である。
【図４Ｄ】ＨＴＳ層と基板との接触が非被覆又は遮蔽により得られた局部接触用開口部を介して生じる本発明の第２の好ましい実施形態の薄膜ＨＴＳの製造の一工程を示す図である。
【符号の説明】
３０，４０薄膜ＨＴＳ（電気的に安定化されている）
３１，４１金属基板
３２，４２ＳＬ層
３３，４３バッファ層
３４マスク層
３５マスク開口部
３６，４６接触用開口部
３７，４４，４４′ 導電層
４５溝

Claims

平らな金属基板（31,41）上に被着された超伝導層（32,42）及び前記超伝導層（32,42）と前記金属基板（31,41）との間に設けられた絶縁バッファ層（33,43）を有する電気的に安定化された薄膜高温超伝導体（30,40）において、前記絶縁バッファ層（33,43）が形成されている面とは反対の、前記超伝導層（32,42）の面において、平らな導電層（37,44）が、前記超伝導層（32,42）と電気的に接触した状態で被着され、前記導電層（37,44）は、表面全体に分布した多数の箇所（36,46）で前記金属基板（31,41）に導電接続されていることを特徴とする薄膜超伝導体。
前記超伝導層（32,42）及びその下に位置する前記絶縁バッファ層（33,43）中に、前記表面全体に分布した複数の接触用開口部（36,46）が設けられ、前記導電層（37,44）は、前記接触用開口部（36,46）の領域内で露出した前記金属基板（31,41）に接触導通していることを特徴とする請求項1記載の薄膜超伝導体。
前記超伝導層（32,42）は、YBCOから成り、前記絶縁バッファ層（32,43）は、イットリウム安定化二酸化ジルコニウム（YSZ）、CeO又はY₂0₃から成ることを特徴とする請求項1又は2記載の薄膜超伝導体。
請求項1〜3のうち何れか一に記載の電気的に安定化された薄膜高温超伝導体を製造する方法であって、第1の工程において、絶縁バッファ層（33）を金属基板（31）の全面に被着させ、第2の工程において、超伝導層（32）を前記絶縁バッファ層（33）の全面に被着させ、第3の工程において、接触用開口部（36）を被着された前記超伝導層(32)および前記絶縁バッファ層（33）に前記全面の種々の箇所で設け、前記接触用開口部（36）で前記金属基板（31）が露出されるようにし、第4の工程において、前記超伝導層（32）の表面に接触して前記超伝導層（42）を前記接触用開口部（36）を介して露出した前記金属基板（31）に接続させる導電層（37）を全面に被着させることを特徴とする方法。
請求項1〜3のうち何れか一に記載の電気的に安定化された薄膜高温超伝導体を製造する方法であって、第1の工程において、第1の方向からの局部塗布により絶縁バッファ層（43）を、溝（45）が表面全体にわたり分布して設けられた金属基板（41）の表面上に被着させ、前記第1の方向は、前記絶縁バッファ層（43）が、遮蔽手段により前記溝（45）の底部を部分的に覆わないように選択され、第2の工程において、超伝導層（42）を前記第1の方向からの局部塗布により前記絶縁バッファ層（43）に被着させ、第3の工程において、前記超伝導層（42）の表面に接触して前記超伝導層（42）を前記溝（45）の底部上の接触用開口部（46）を介して露出した前記金属基板（31）に接続させる導電層（44）を前記絶縁バッファ層（43）と前記超伝導層（42）とが被着された前記金属基板（41）の全面に被着させることを特徴とする方法。
前記第3の工程中、第1の工程において、第1の導電層（44′）を前記第1の方向からの局部塗布により前記絶縁バッファ層（43）と前記超伝導層（42）とが被着された前記金属基板（41）に被着させ、第2の工程において、前記第1の方向とは異なる第2の方向からの局部塗布により前記第1の導電層（44′）を補強し、それと同時に前記第1の導電層（44′）を前記接触用開口部（46）を介して前記金属基板（41）に接続することを特徴とする請求項5記載の方法。