JP6507173B2 - 集積超伝導体デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、超伝導物質、及びより具体的には、集積超伝導体電流デバイスに関する。
超伝導ワイヤ又はテープは、液体窒素によって冷却した極低温システム内での使用を容易にする約７７Ｋより高い臨界温度ＴＣを有する高温超伝導（ＨＴｃ：high temperature superconducting）材料に基づいて開発されたものである。超伝導故障電流リミッタ（ＳＣＦＣＬ：superconducting fault current limiters）のような若干の用途において、高温超伝導（ＨＴＳ：high temperature superconducting）テープは、超伝導層が非超伝導状態に転移する故障を発生する場合、高温偏位を生ずる。
ＨＴＳテープの合成には、ＨＴＳテープを構成する材料の複合スタック（積層体）を形成する必要性を含む多くの課題を伴う。しばしば、超伝導体テープの超伝導体層はリボン又はテープ状の構体とした金属基板（サブストレート）上に形成するものとし、この構体は、超伝導体テープを形成するのに必要な層を成長させるテンプレートとして作用する。金属基板は、しばしば金属テープ上に複数の層を形成するのに使用される一連の堆積チャンバ及び処理チャンバに通過させるようにテープを引き出すことによって処理する。結果として得られる超伝導体テープにおける十分な通電能力を得るため結晶超伝導体物質を成長させ、この成長は、結果として得られる層の特定結晶方位（配向）又は「テクスチャ（肌理）」を促進するように行う。通常のＨＴＳ結晶性超伝導体物質は、層状複合酸化物の分類から選択し、この分類において、通電酸化銅層は、結晶単位セルのｃ-軸線に直交する平面内で配向する。したがって、超伝導体テープのｃ-軸線テクスチャを形成するのが望ましく、この場合、超伝導体テープの通電層はテープの平面に平行となる。このことは、金属テープの基板を超伝導体層からブリッジする少なくとも１層の中間層、及びしばしば数層の堆積を必要とする。中間層は複数の役割を果たし、この役割としては、例えば、金属テープ材料層及び超伝導体層の内部拡散を防止する拡散防止バリアとして、並びに高度に結晶方位付けした超伝導体層を成長させることができる結晶テンプレートとしての使用がある。
超伝導体層を形成した後、金属被覆層を超伝導体層上に形成し、超伝導体層が非超伝導状態となる故障条件中に電流を伝導する導電層として作用させることができる。超伝導体テープを構成する層の複合スタックを形成した後、テープ部分を一緒に結び付けて、１組の複数拡張導電性経路を形成することによって、電流リミッタとして組み合わせる。テープ部分は、電流制限デバイスとして組み立てるための超伝導体テープの機械的強度及び簡便な取扱いが得られるモジュール内に取り付ける。
上述のことからは、とくに、電流リミッタ用途のために、超伝導体テープ形成は大がかりで複雑な処理を必要とすることが分かるであろう。本発明による改良が必要であるとの結論に至ったのは、これら及び他の考慮からである。
この要約は、以下に詳細な説明でさらに記載する簡素化した形式における概念の選択肢を導入するために提示するものである。この要約は、特許請求の範囲の要旨における重要な特徴又は基本的な特徴を同定することは意図せず、特許請求の範囲の要旨における範囲決定の支援を意図するものでもない。
一実施形態において、集積超伝導体デバイスは、基板ベースと、及び前記基板ベース上に配置し、また好適な結晶方位を有する中間層とを有することができる。集積超伝導体デバイスは、さらに、前記中間層上に配置した配向性超伝導体層と、及び前記配向性超伝導体層の一部の上に配置した導電細条を有することができる。前記導電細条は、前記導電細条の下側に前記配向性超伝導体層の超伝導体領域、及び前記超伝導体領域に隣接する前記配向性超伝導体層の露出領域を画定することができる。
他の実施形態において、超伝導体デバイスを形成する方法は、基板ベース上に好適な結晶方位を有する結晶質層を堆積するステップと、配向性超伝導体材料を有する配向性超伝導体層を前記結晶質層上に形成するステップと、非線形パターンを有する導電細条を堆積するステップと、前記配向性超伝導体層における前記導電細条によってカバーされない露出領域を処理して、前記露出領域を非超伝導体材料に転換するステップと、を備えることができる。
本発明による実施形態を以下に添付図面につきより詳細に説明し、添付図面は幾つかの実施形態を示す。本発明の要旨は、しかし、多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解すべきではない。これら実施形態は、本明細書が完璧かつ完全であるように、また当業者に対して発明要旨の範囲を十分に伝えるように提示したものである。図面において、同一参照符号は全体を通して同様の要素に言及する。
上述の超伝導体テープにおける幾つかの欠損に対処するため、本明細書において、超伝導体テープの改善した構造並びに超伝導体テープを形成するための改善した技術をもたらす実施形態を記載する。これら実施形態は、制限デバイスを含めた小型デバイス内に配設した長い電流経路に電流を伝導するのに使用する超伝導体テープ用途にとくに好適である。
従来の超伝導体テープ作製に関する問題に対処するため、本発明実施形態は、とくに、集積超伝導体デバイス構造、及び超伝導体テープ形態にする上で単独型超伝導体テープの製造に関連する複雑さを克服する作製技術を提供する。結果として得られる集積超伝導体デバイスは、効果的に超伝導体構造を組み入れ、この構造はテープに類似するが、超伝導体構造が占めるよりも大きい表面積を占める大きな面積を有する基板上に直接形成する。したがって、集積超伝導体デバイスは、その表面にわたり超伝導体と、超伝導体でない領域とを含む基板に特徴がある。単独型テープとして形成しないが、このような超伝導体構造を本明細書において「テープ」と称し、これはすなわち、超伝導体構造が通常のテープに類似しているからである。
さらに、本明細書に使用する用語「超伝導体」、「超伝導体素子」又は「超伝導体材料」は、抵抗なしに電流を伝導する能力を有する物質又は物体を意味する。したがって、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（「ＹＢＣＯ」とも称する）のような材料は、材料が超伝導性を示さない室温にさらされているときでも、超伝導体又は超伝導体材料を称することができ、これはＹＢＣＯが約９１Ｋ以下の温度で超伝導性を示すようになるからである。
一方、用語「超伝導性」又は「超伝導性層」は、本明細書でテープ又は材料の特性に言及するのに使用する。したがって、ＹＢＣＯは、９１Ｋ以下の温度、又はＹＢＣＯ材料によって伝導される電流が臨界電流以下になるときのような所定条件下で超伝導性である。さらに、本明細書で使用する用語「非超伝導性」及び「非超伝導状態」は双方とも、超伝導体材料が室温外気に晒されるときのように、超伝導体材料が超伝導特性を示さない、超伝導体材料の状態に言及する。
さらに、本明細書に使用する「非超伝導体」は超伝導性を示すことができない材料を意味する。例えば、非超伝導体には、ＹＢＣＯのような超伝導体材料由来の材料で、材料が元の超伝導体材料から化学的又は構造的のいずれかによって変化して超伝導性を示すことができないようになる材料もあり得る。したがって、超伝導体材料は、温度、超伝導体材料によって電流が伝導される電流密度、及び材料に印加される磁場等を含む条件に基づいて、超伝導性状態又は非超伝導性状態で存在することができる。他方で、非超伝導体材料は、温度又は他の要因に関係なく、非超伝導性状態で存在することができる。
最後に、本明細書で使用する用語「超伝導体テープ」及び「超伝導体層」は、テープ状の構体又は層に言及するものであって、それぞれテープ状の構体又は層の少なくとも一部が超伝導体材料を含む。したがって、「超伝導体テープ」は、１つ又は複数の超伝導体材料層、及び随意的に１つ又は複数の非超伝導体材料を有することができる。同様に、「超伝導体層」は、例えば、パターン形成した後に、超伝導体材料で形成した部分、及び材料が非超伝導体である部分を有することができる。
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施形態による集積超伝導体デバイス１００の平面図及び縦断面図を示す。図２Ａは、集積超伝導体デバイス１００の変更例である集積超伝導体デバイス２００の平面図を示す。図１Ａ及び図２Ａの実施形態は、一方が矩形形状、及び他方が丸形形状であるという点で相違する。さらに、双方の集積超伝導体デバイス１００，２００において、それぞれの超伝導体テープ１０４，２０４はそれぞれの基板１０２，２０２の表面領域上に集積する。
図２Ｂ及び２Ｃは、本発明の他の実施形態による他の集積超伝導体デバイスの平面図を示す。図２Ｂにおいて、集積超伝導体デバイス２１０は、集積超伝導体デバイス２１０の表面上に配置した４個のシリコン領域２１４を有する基板２１２を使用して形成する。一実施形態において、集積超伝導体デバイス２１０は太陽エネルギーデバイスに適したシリコン基板を使用して作製することができる。各シリコン領域２１４において、超伝導体テープ２１６を蛇行パターンにして、超伝導体テープの基板として作用するシリコン領域２１４内に一体的に形成する。各超伝導体テープ２１６は、隣接するシリコン領域２１４における超伝導体テープ２１６に対して電気導体２１９を介して接続し、この接続は、単一の導電経路が接点２１８間に形成されるように行う。幾つかの実施形態において、この導電経路長は１〜３メートルとすることができる。
図２Ｃにおいて、集積超伝導体デバイス２２０はシリコンリボン２２２を使用して形成し、このシリコンリボン２２２は、超電導体テープ２２４をシリコンリボン２２２の表面上に形成する基板として作用する。超伝導体テープ２２４は接点２２６間に連続経路を形成する蛇行パターンをなす。一実施例において、シリコンリボン２２２は、フロートゾーン方法で形成し、また幅２００〜４００ｍｍ及び長さ２〜４メートルを有し、この結果、５０〜１００メートルの導電経路長となる。集積超伝導体デバイスを形成するための基板として他の実施形態も可能である。
以下に、とくに図１Ａ、１Ｂの実施形態につき説明すると、集積超伝導体デバイス１００に対して説明した他の特徴及び問題は、集積超伝導体デバイス２００，２１０及び２２０にも等しく適用することができる。集積超伝導体デバイス１００の１つの特性は、超伝導体テープ１０４を基板１０２内に集積することである。とくに、超伝導体テープは複数層を基板ベース１１０上に形成することによって作製し、またこの後、これら層のうち少なくとも幾つかの層内で超伝導体テープのテープ構体を画定する。このプロセスの結果、超伝導体テープ１０４が一体部分である集積した超伝導体デバイスの一体構造となる。
図１Ａ及び２に示すように、超伝導体テープ１０４，２０４は、対応の基板１０２，２０２の平面内に位置する図示の直交座標系のＸ−Ｙ平面内で蛇行構体として配列する。対応の超伝導体テープ１０４，２０４の構体は、対応の超伝導体テープ１０４，２０４の両側端部に配置した対応の接点１０６，２０６間で伝導される電流のための比較的長い電流経路を画定する。換言すれば、Ｘ方向に沿う各集積超伝導体デバイス１００，２００の幅に比べると、各接点１０６，２０６間の電流経路長は何倍も多く長いものとすることができる。集積超伝導体デバイス１００，２００，２１０，２２０は、超伝導故障電流リミッタの電流リミッタのような用途に適するものとすることができる。しかし、本発明の実施形態はこの様態に限定されるものではない。
再び図１Ｂについて説明すると、種々の実施形態によれば、基板ベース１１０は、ガラス材料、多結晶材料、単結晶材料とすることができる。多結晶材料の例としてはアルミナがある一方、単結晶の例としてはシリコン又はサファイアがある。本発明の実施形態はこの様態に限定するものではない。幾つかの実施形態において、基板ベース１１０は、ガラス基板又は単結晶基板の特性のように低粗度表面を呈することができる。さらに、基板ベース１１０は、表面上に粒界があるとしてもほとんど存在しないものとし、したがって、より滑らかな層スタックの成長を促進することができる。本明細書の実施形態において、中間層を基板ベースと超伝導体層との間に配置する。中間層は図１Ｂで層１１２によって示し、この層１１２は基板ベース１１０上に配置し、また複数サブ層（本明細書においては単に層と称する）又は単一層を有するものとすることができる。層１１２は、とくに、好適な結晶方位を示し、また層１１２の頂部部分に配置する少なくとも１つの層を有する。用語「好適な結晶方位」とは、層の微細構造の質に言及するもので、層の結晶子がランダム多結晶粉末における結晶子配向性と比べると、所定結晶方向が基板ベース１１０の平面に対して直交する方向に優先的に指向する。層１１２の頂部は、以下に詳述するように、高品位の超伝導体層１１４が成長するためのテンプレートとして作用する。
さらに図１Ｂに示すように、超伝導体テープ１０４の構造は、超伝導体層１１４内に配置した超伝導体領域１１８をカバーする頂部の金属構体１１６を含む。図１Ａに示すように、金属構体１１６は蛇行構体である導電性細条を形成することができ、超伝導体領域１１８は同様の蛇行構体を有する。超伝導体領域１１８に対して非超伝導体領域１２０である変質した超伝導体領域が隣接する。この結果として生ずる集積超伝導体デバイス１００の構造は、金属上側層である金属構体１１６と、超伝導体下側層である超伝導体領域１１８とを含む蛇行超伝導体テープを備える。
以下に詳細に説明するように、超伝導体領域１１８及び非超伝導体領域１２０の画定は、大量生産に適合できる種々の手法によって達成することができる。したがって、集積超伝導体デバイス１００を作製する全体プロセスは、大量生産に適合し得る材料、プロセス、及び設備を使用して実施できる。
図３Ａ〜３Ｅは、本発明の実施形態による集積超伝導体デバイスを作製するための例示的段階を示す。図３Ａにおいて、基板ベース１１０は、集積超伝導体デバイスを形成する単一の層又は１組の複数層を堆積するために設ける。詳述すると、基板ベース１１０は、幾つかの実施例において、シリコン又はサファイアのような単結晶材料とすることができる。他の実施例において、基板ベース１１０はガラスとすることができる。基板ベース１１０は従来型堆積装置での処理に適合し得る寸法を有することができる。例えば、一実施例において、基板は３００ｍｍ直径のＳｉ（１００）基板とする。しかし、本発明の実施形態はこの様態に限定するものではない。
図３Ｂにおいて、層１１２は基板ベース１１０上に堆積する。種々の実施形態において、層１１２は多重層を有することができる。層１１２を構成する構成層の数及び組成、並びにこのような層の構造は、基板ベース１１０の性質に基づいて変化し得る。幾つかの実施形態において、層１１２を構成する単層又は層グループは、普通の技術によって形成することができる。
図４Ａは層１１２を構成する例示的層スタックを示し、これは基板４００がガラスで形成した基板ベース４０２を有する実施形態に対するものである。図示のように、層４０４は、ガラス基板に接触するよう堆積した窒化ケイ素の層（ＳｉＮ）とすることができる。１つの変更例において、層４０４はＹ２Ｏ３に置き換えることができる。これら変更例のいずれにおいても、層４０４は、既知の方法、例えば、スパッタリング、蒸着、化学蒸着、又は他の方法によって堆積することができる。
他の層４０６を層４０４上に堆積し、この層４０６はＭｇＯとすることができる。ＭｇＯ層は、その後に配向性超伝導体層が成長できるようにする結晶質テンプレートとして作用することができる。とくに、ＭｇＯ層は、好適な結晶方位（テクスチャ）を有する結晶質ＭｇＯから形成するイオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ：ion beam assisted deposition）によって堆積することができる。本明細書に使用する用語「配向性超伝導体層」とは、「ｃ軸」配向性のような好適な結晶方位を有する超伝導体層を意味する。
図４Ａの実施形態において、さらに他の層４０８を層４０６上に形成してから超伝導体層を形成する。層４０８は、層４０６よりも高度な結晶方位を層に付与する条件の下に成長するエピタキシャルＭｇＯとすることができる。一実施例において、層４０８は、層４０６を成長するのに使用するものとは別個のプロセスチャンバ内で成長させることができる。例えば、層４０８は化学蒸着のためのプロセスチャンバ内で成長させることができる。一変更例において、随意的にエピタキシャルＬａＭｎＯ３層（図示せず）を層４０８上に堆積することができ、この堆積は、例えば、反応性スパッタリングによって行う。
図４Ｂは層１１２の他の変更例を示し、これは、基板４２０が単結晶シリコンで形成した基板ベース４２２を有する実施形態に対するものである。この実施例において、層１１２は、シリコン基板上にエピタキシャルに成長する単層とすることができる。この例としてはＣｅＯ２及びＣａＦ２があり、これらはいずれも面心立方蛍石型結晶構造を有し、その空間群がシリコン空間群に直接関連する。この理由としては、高度配向性を有する又は単結晶のＣａＦ２及びＣｅＯ２がシリコン上に成長できるからである。とくに、ＣｅＯ２の格子パラメータは、シリコンの格子パラメータと格子不整合が単に０.３５％でしかないからであり、この結果、ＣｅＯ２層をシリコン上に直接エピタキシャル成長する能力を得る。
図３Ｂに戻って説明すると、層１１２を構成する単層又は複層を形成した後の本発明の実施形態において、層１１２の頂面３００は、その後の超伝導体層成長のための結晶配向性を有する表面を呈する。下層の基板ベース１１０は粒界がない滑らかな基板とすることができるため、結果として得られる頂面３００を有する層１１２は、金属テープ基板を使用する従来の超伝導体テープ技術よりも高度に配向性を有する超伝導体層のための優れたテンプレートを提供することができる。
図３Ｃにおいて、層１１２上に超伝導体層１１４を形成する段階を示す。超電導体層１１４は、Ｚ軸に沿って整列しかつ基板ベース１１０の平面、すなわち、図示のＸ−Ｙ平面に直交するｃ軸を有する高度に配向性を有する超伝導体材料が結果として得られるよう形成する。種々の実施形態において、超伝導体層１１４は、化学式ＲｅＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（本明細書において、「ＲｅＢＣＯ」とも称する）超伝導体材料で形成し、ここでＲｅはイットリウム又は任意な希土類元素を表す。他の実施形態において、超伝導体層１１４は、一般化学式がＢｉ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４＋ｘのビスマス:ストロンチウム:カルシウム:銅酸化物（ＢＳＣＣＯ）；一般化学式がＴｌ２Ｓｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋４＋ｘのタリウム:ストロンチウム:カルシウム:銅酸化物（ＴＳＣＣＯ）；一般化学式がＨｇＳｒ２Ｃａｎ−１ＣｕｎＯ２ｎ＋２＋ｘの水銀:ストロンチウム:カルシウム:銅酸化物（ＭＳＣＣＯ）とすることができる。本発明の実施形態はこれらの様態に限定するものではない。
超伝導体層１１４は、反応性同時蒸着のような超伝導体材料を堆積するための普通のプロセスによって、又は有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって堆積することができる。幾つかの実施例において、例えば、超伝導体層がＲＥＢＣＯ材料である場合、酸素化アニーリング処理を超伝導体層１１４の堆積後に実施することができる。このことは、ＲｅＢＣＯの「ｘ」値を減少するように作用し、これにより単位セルあたり酸素原子の数が７に近づく。この場合、７７Ｋにおける臨界温度及び臨界電流が超伝導体層１１４の臨界磁場とともに増加する。
次に図３Ｄにつき説明すると、超伝導体層１１４の一部における金属構体１１６の堆積を示す。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、金属構体１１６は単一の連続金属ラインとすることができる。種々の実施形態において、金属構体１１６は、既知の技術、例えば、スクリーン印刷、押出印刷、又はスパッタリングによって形成することができる。金属構体１１６は、銅、銀、銅合金、銀合金から形成することができる。幾つかの実施例において、金属構体は２層構造であり、超伝導体層１１４に接触する下側層が銀又は銀合金、上側層が銅又は銅合金とすることができる。本発明の実施形態はこの様態に限定するものではない。超伝導体層１１４のＺ方向に沿う例示的な厚さは、１／２マイクロメートル〜５マイクロメートルの範囲にわたるものとする。金属構体１１６の幾つかの例示的幅ｄＭは１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲にわたるものとする。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、金属構体１１６は、蛇行形状を有する長い導電経路を画定することができる。例えば、３００ｍｍ×３００ｍｍの矩形基板において、１０ｍｍ幅ｄＭを有する蛇行金属構体は、一実施例において、４メートルの導電経路を画定することができる。金属構体１１６を形成した後、幾つかの実施形態において、焼結アニーリングを行うことができる。
さらに図３Ｄに示すように、金属構体１１６は、超伝導体層１１４における金属構体１１６がカバーしない露出領域３０２を画定するように作用する。この露出領域３０２を使用して、図３Ｅに示すように、最終超伝導体テープ構体を画定することができる。図示のように、エネルギー処理３０４を基板ベース１１０に指向させ、このことを図式的に矢印で示す。エネルギー処理３０４は露出領域３０２に選択的に作用し、超伝導体層１１４の露出領域３０２を非超伝導体領域１２０に転換させる。これと同時に、金属構体１１６の下側にある超伝導体層１１４の部分は超伝導体領域１１８として残存する。
一変更例において、エネルギー処理３０４は基板ベース１１０にイオンを向けさせることを伴う。イオンは、超伝導体層１１４を金属構体１１６がカバーしない露出領域３０２における非超伝導性材料に転換するのに効果的なイオン種として、またイオン線量及びイオンエネルギーにして供給する。例えば、窒素、ボロン又は低原子量イオンを、３００ｋＶ〜１ｍｅＶの範囲内におけるイオンエネルギーとして約０.５μｍ〜１μｍの深さまで注入することができる。このようなイオンを注入された超伝導体材料に対する付随ダメージは約１〜２μｍのようなより深い深さまで拡大し得る。したがって、０.５〜２μｍの範囲における超伝導体層深さを有する超伝導体テープに対しては、図３Ｅに示すプロセスは、幾つかの実施形態において、中間エネルギー又は高エネルギーのビーム線イオン注入装置で都合よく行うことができる。ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘのような高温超伝導体材料に対しては、露出領域３０２における材料は、これら領域が非超伝導体材料となるために非晶質化する必要はない。この理由は、超伝導特性がＹＢＣＯ材料の結晶構造及び化学量論の変化を特に受け易いからである。
有利には、金属構体１１６の下側に位置する超伝導体領域１１８は、金属構体１１６の厚さが１０〜２０μｍのオーダーである限り、イオンからのいかなるダメージからも遮蔽される。したがって、導電性細条の比較的小さい上側部分がイオン注入７０２によって変化し得る。さらに、露出領域３０２を非超伝導性材料に転換するに十分なイオン線量であっても、単に金属構体１１６の注入部分において電気抵抗を僅かに増加するだけであり、この結果、金属構体１１６の全電気抵抗を僅かに増加するだけとなる。
エネルギー処理３０４の他の変更例において、熱流束を、伝導加熱、対流加熱若しくは輻射加熱又はこれら組合せの形式で基板ベース１１０に指向させる。幾つかの実施形態において、超伝導体層１１４をＲＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘとし、Ｒは希土類元素とする。このような材料は化学量論に対する超伝導性の強い依存性を示し、これにより酸素含有量が少なければ少ないほど低い超伝導性を示す、又は超伝導性を全く示さない。さらに、このような構体における酸素移動度は比較的高く、所定条件下での加熱は酸素放出を生じ、これにより結晶構造内における酸素含有量は減少する。したがって、熱流束は、金属構体１１６でカバーされない露出領域３０２に位置するＲＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ材料から酸素を枯渇させるよう供給することができる。カバーした部分である超伝導体領域１１８は酸素が枯渇せずに、超伝導体材料として残存する。
露出領域３０２が非超伝導体材料になった後には、残存する超伝導体領域１１８は、図１Ａ、１Ｂ及び３Ｅに示すように、金属構体１１６の寸法及び形状を有するパターンを集積超伝導体デバイス１００内に画定する。このようにして、集積超伝導体デバイスが形成され、層スタックを含むテープ状構体としての導電経路を得ることができ、層スタックにおいて、常伝導体（金属構体１１６）が超伝導体領域１１８上に位置する。しかし、独立の超伝導体テープとは異なり、このテープ状構体は基板ベース１１０のような基板内に集積させる。
超伝導体テープ１０４を形成した後、接点１０６を超伝導体テープ１０４の両側の端部に形成し、超伝導体テープ１０４を他のコンポーネントに電気的に接続するためのポイントとして使用できるようにし、他のコンポーネントとしては他の集積超伝導体デバイスがある。
図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは、他の実施形態における集積超伝導体デバイスを作製するのに関与する他の作業段階を示す。この実施形態において、集積超伝導体デバイス１００の表面形体をカバー及び平坦化するように誘電体コーティングを施して、図５Ｃに示すような平坦化超伝導体デバイス５００を形成する。
図５Ａにおいて、誘電体コーティング材料５０２を集積超伝導体デバイス１００に供給する。誘電体コーティング材料５０２は、酸化ケイ素又は他の材料のような普通の誘電体とすることができ、また化学蒸着プロセス、湿式化学プロセス又は他のプロセスによって設けることができる。図５Ｂにおいて、誘電体コーティング材料５０２を堆積して、金属構体１１６及び非超伝導体領域１２０をカバーする非平面的コーティング５０６を形成する状況を示す。この非平面的コーティング５０６には矢印で図式的に示した平坦化処理５０４を加える。平坦化処理は、幾つかの実施形態において、誘電体材料に対する既知の平坦化処理から選択することができる。図５Ｃにおいて、非平面的コーティング５０６は平坦化したコーティング５０８に転換している。
平坦化した超伝導体デバイス５００は、下側の非超伝導体領域１２０及び超伝導体領域１１８の無欠性を保護することができ、これにより平坦化した超伝導体デバイス５００は、さらに超伝導故障電流リミッタ装置のような他の装置への組込みをするための取扱い又は処理を都合よくできるようになる。とくに、平坦化した超伝導体デバイス５００は、複数の平坦化超伝導体デバイス５００を含む装置として都合よく組み付けることができるモジュール式コンポーネントを呈する。この組み付けは、例えば、複数の平坦化超伝導体デバイス５００を順次に頂面上に積み重ね、また平坦化超伝導体デバイス５００相互間に電気的接続を行うことによって達成することができる。これにより、電流リミッタの電流経路は、所定の故障電流リミッタ装置の要件に合致する所望の長さまで延伸できる。
図６Ａ及び図６Ｂは、他の実施形態による集積超伝導体デバイスの両面における平面図である。この実施形態において、集積超伝導体デバイス６００は、第１側面６０２と、この第１側面６０２とは反対側の第２側面６０４とを有し、これら各側面は、集積超伝導体デバイス６００として集積させたそれぞれに対応する超伝導体テープ６０６，６０８を有する。幾つかの実施形態において、各側面６０２，６０４は、図３Ａ〜５Ｃにつき説明したのと同一又は類似の一連のプロセスセットを用いて形成することができる。一実施例において、第１側面６０２を先ず処理して超伝導体テープ６０６を形成し、次いで同様の様態で第２側面６０４を処理して超伝導体テープ６０８を形成することができる。
種々の実施形態において、第１側面６０２の超伝導体テープ６０６を異なる様態で第２側面の超伝導体テープ６０８に電気的に接続することができる。一実施形態において、第１側面６０２の超伝導体テープ６０６は、単一連続電流経路を形成するように、第２側面の超伝導体テープ６０８に電気的に接続することができる。他の実施形態において、超伝導体テープ６０６を２本巻きにし、超伝導体テープ６０８を２本巻きにし、また超伝導体テープ６０６のパターンを図示のＸ−Ｙ平面内で超伝導体テープ６０８のパターンに対して２本巻きにすることができる。このようにして、集積超伝導体デバイス６００は、例えば、故障電流リミッタのためのインダクタンスが極めて低いコンポーネントを呈することができる。
上述の実施形態は超伝導体テープを形成する蛇行パターンに配列した導電細条の例を明確に示したが、他の実施形態において、異なるパターンを使用して集積超伝導体デバイスを形成することができる。例えば、導電細条は種々の非線形パターンで配列することができ、非線形パターンは単一直線で配列されない細条を意味する。非線形パターンの例としては、螺旋パターン又は他の複雑パターンがある。
本明細書記載の超伝導体デバイス構体の新規な態様を実現する例示的方法論であるフローチャートを本明細書に盛り込む。説明を分かり易くするため、例えば、フローチャート又は流れ図の形式で本明細書に示す１つ又は複数の方法論を一連の行為として示しまた説明するが、方法論は行為の順序に限定されるものではなく、当然のことながら、幾つかの行為は、状況に応じて異なる順序で、及び／又は同時に本明細書に図示しまた説明するものとは別の行為とともに行うこともあり得ると理解されたい。さらに、本発明の新規な実施のために方法論で示したすべての行為を必要とするものではない。
図７は、種々の実施形態に一貫する例示的プロセスフロー７００を示す。ブロック７０２において、結晶質層スタックを基板ベース上に堆積する。結晶質層スタックは、異なる実施形態において１層又は複数層を有することができる。結晶質層スタックは、例えば、非結晶質の層を含むことができる。しかし、結晶質層スタックは、頂部層が結晶学的に配向した層となるように構成する。とくに、頂部層は、頂部層上において超伝導体層がｃ軸成長するためのテンプレートをなすように配向させる。
ブロック７０４において、配向性を有する超伝導体層を結晶質層スタックの頂部に堆積させる。種々の実施形態において、この配向性を有する超伝導体層は、ＲｅＢＣＯ，ＢＳＳＣＯ，ＭＳＳＣＯ，又はＴＳＳＣＯを含む層状化した酸化物のようなＨＴＳ材料とする。
判定ブロック７０６において、超伝導体層の酸素化が必要である場合、フローはブロック７０８に進み、このブロック７０８で酸素アニーリング処理を行う。次にフローはブロック７１０に進む。酸素化が不要である場合、フローは直接ブロック７１０に進む。
ブロック７１０において、導電細条の形式とした導電性構体を基板上に堆積する。とくに、導電細条は超伝導体層の表面上に堆積する。導電細条は導電経路をなし、また任意な所望の形状、例えば、蛇行形状、螺旋形状、又は他の形状を有することができる。導電細条は、銅、銀のような金属とすることができ、また異なる実施形態では銅及び銀の２層とすることができる。さらに、導電細条は上述の材料の合金とすることができる。
次に、フローは焼結アニールを行うブロック７１２に進む。その後、ブロック７１４において、導電細条によってカバーされない超伝導体層の露出領域を処理し、この処理は超伝導体層が露出領域で非超伝導体領域となるように行う。このような処理の例としては、超伝導体層の露出領域における酸素を枯渇させるアニーリング、超伝導体層の露出領域にダメージを与える又は改変させるイオン注入がある。
ブロック７１６において、誘電体層を基板上に堆積し、この誘電体層は、導電細条、並びに非超伝導体材料となり得る超伝導体層の露出領域を保護する封入材として作用する。さらに、更なる平坦化処理を行う場合、誘電体層は平坦化層として作用する。
要約すれば、本発明は、超伝導体テープを独立のテープ構体として作製する従来の超伝導体テープ技術よりも多くの利点がある。利点の１つとしては、大きな面積の滑らかな基板にテープ構体を集積することにより、再現可能な特性を持って超伝導体デバイスを作製するためのより堅牢なプロセスを提供する。このことは、従来型超伝導体テープ用の基板として使用される金属テープに比べるとこのような基板が滑らかであることに部分的に起因する。さらに、集積超伝導体デバイスは、半導体製造のような大量生産に使用される従来の処理装置で作製することができ、またシリコンウエハ、サファイアウエハ、ガラス基板等々のような従来型基板を用いることができる。さらに、超伝導体デバイスにおける設計パラメータは、単に金属構体のレイアウトを変更することによって、例えば、金属構体の設計パターン、金属構体の幅、金属構体ライン相互間の間隔等々を変化させることによって、都合よく調整することができる。さらに、超伝導体デバイスの集積した性質によれば、普通の不動態化処理によって超伝導体テープのコンポーネントを容易に保護でき、また個別の基板を、簡単に複雑な接続をすることなくアセンブリとなるように接続できる。さらに、頂部誘電体コーティングを有する集積設計によれば、超伝導体テープ構体を基板に付着させることを含めて超伝導体テープ構体の機械的安定性を増加する。このことは、さらに、超伝導体テープの金属部分の抵抗及び超伝導体層の臨界温度を調整して性能を向上させる都合のよいシステムを提供する。
本発明は、本明細書に記載した特別な実施形態によって範囲を限定されるものではない。実際、本明細書に記載した実施形態の外に、様々な実施形態及び本明細書記載の実施形態に対する変更例は、当業者にとって上述の説明及び添付図面から明らかであろう。したがって、このような他の実施形態及び変更例は本発明の範囲内にあることを意図する。さらに、本明細書では、特定の目的用の特定環境における特定実施の文脈で本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の有用性は本明細書の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、任意な数の目的のための任意な数の環境において有用に実施できることを理解されるであろう。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に記載の本発明の広い幅及び精神を考慮して解すべきである。
Claims (11)
- ガラスで形成した基板ベースと、
前記基板ベース上に配置し、結晶方位を有する第１中間層であって、窒化ケイ素の層と、該窒化ケイ素の層上に配置した第１ＭｇＯ層と、該第１ＭｇＯ層上に配置した分離第２ＭｇＯ層と、を備え、該第２ＭｇＯ層は前記第１ＭｇＯ層に対してよりも高度な結晶方位を有する、第１中間層と、
前記第１中間層上に配置した第１配向性超伝導体層と、
前記第１配向性超伝導体層の一部の上に配置した第１導電細条であって、前記第１導電細条の下側に前記第１配向性超伝導体層の第１超伝導体領域、及び前記第１超伝導体領域に隣接する前記第１配向性超伝導体層の第１露出領域を画定する、該第１導電細条と、
を備え、
前記第１導電細条は蛇行パターンを有する、集積超伝導体デバイス。 - 前記第１配向性超伝導体層の前記第１露出領域は、非超伝導体の不完全超伝導体材料を有する、請求項１記載の集積超伝導体デバイス。
- さらに、前記第１導電細条及び前記第１露出領域上に配置した保護コーティングを備える、請求項１記載の集積超伝導体デバイス。
- 前記基板ベースは第１側面及び第２側面を有し、前記第１導電細条を前記第１側面に配置する請求項１記載の集積超伝導体デバイスにおいて、前記集積超伝導体デバイスは、さらに、
前記第２側面における基板ベース上に配置した第２中間層であって、結晶方位を有する、該第２中間層と、
前記第２中間層上に配置した第２配向性超伝導体層と、
前記第２配向性超伝導体層の一部の上に配置した第２導電細条であって、前記第２導電細条の下側における前記第２配向性超伝導体層の第２超伝導体領域、及び保護領域に隣接する前記第２配向性超伝導体層の第２露出領域を画定し、前記第１導電細条に電気的に接続する、該第２導電細条と、
を備える、集積超伝導体デバイス。 - 前記第１及び第２の導電細条はバイファイラ巻線構造を有する、請求項４記載の集積超伝導体デバイス。
- 前記第１及び第２の導電細条は相互にバイファイラ巻線にする、請求項５記載の集積超伝導体デバイス。
- 基板ベース上に結晶方位を有する結晶質層を堆積するステップであって、前記結晶質層は、窒化ケイ素の層と、該窒化ケイ素の層上に配置した第１ＭｇＯ層と、該第１ＭｇＯ層上に配置した分離第２ＭｇＯ層と、を備え、該第２ＭｇＯ層は前記第１ＭｇＯ層に対してよりも高度な結晶方位を有する、ステップと、
配向性超伝導体材料を有する第１配向性超伝導体層を前記結晶質層上に形成するステップと、
非線形パターンを有する第１導電細条を堆積するステップと、
前記第１配向性超伝導体層における前記第１導電細条によってカバーされない第１露出領域を処理して、前記第１露出領域を非超伝導体材料に転換するステップと、
前記第１導電細条を蛇行パターンにして設けるステップと、
を備える、集積超伝導体デバイスを形成する方法。 - さらに、前記基板ベースをアニーリングして、前記第１露出領域に非超伝導体材料を形成するステップを備える、請求項７記載の方法。
- さらに、前記第１導電細条及び前記第１露出領域上に保護コーティングを堆積するステップを備える、請求項７記載の方法。
- 前記基板ベースは第１側面及び第２側面を有し、前記第１導電細条を前記第１側面に堆積する請求項７記載の方法において、前記方法は、さらに、
前記第２側面における基板ベース上に第２中間層を堆積するステップであって、結晶方位を有する前記第２中間層を堆積するステップと、
前記第２中間層上に第２配向性超伝導体層を堆積するステップと、
前記第２配向性超伝導体層の一部の上に第２導電細条を堆積するステップであって、前記第２導電細条の下側における前記第２配向性超伝導体層の第２保護領域、及び前記第２保護領域に隣接する前記第２配向性超伝導体層の第２露出領域を画定するステップと、
前記第２導電細条を前記第１導電細条に電気的に接続するステップと、
を備える、方法。 - さらに、前記第１及び第２の導電細条は、それぞれバイファイラ巻線にして設けるステップを備える、請求項１０記載の方法。
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