TW201526317A - 積體超導體裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種積體超導體裝置可包含基板,和安置於所述基板上且包括較佳結晶定向的中間層。所述積體超導體裝置可進一步包含安置於所述中間層上的定向超導體層,和安置於所述定向超導體層的一部分上的導電帶。所述導電帶可在其下方界定所述定向超導體層的超導體區,和鄰近於所述超導體區的所述定向超導體層的暴露區。

Description

積體半導體裝置及其製造方法
本實施例涉及超導材料,且更特定來說,涉及積體超導體限流器。
基於可具有77K以上的臨界溫度TC的高溫超導(high temperature superconducting,HTc)材料已開發出超導導線或帶材,從而促進其在藉由液氮冷卻的低溫系統中的使用。在某些應用中(例如用於超導故障限流器(superconducting fault current limiter,SCFCL)中),高溫超導(high temperature superconducting,HTS)帶材在故障狀況下可遭受到高溫漂移,在所述故障中,超導層經歷到非超導狀態的轉變。
HTS帶材的合成涉及許多挑戰,包含形成構成HTS帶材的材料的複合堆疊的需要。通常,超導體帶材的超導體層形成於呈帶或帶材結構的形式的金屬基板上,所述帶或帶材結構充當用於形成超導體帶材的必要的層的生長模板。金屬基板通常是藉由經由一系列沉積和處理腔室拉長帶材來進行處理的,所述沉積和處理腔室用以使多個層形成於金屬帶材上。為了在所得超導體帶 材中提供足夠載流能力,晶體超導體材料以一方式生長以促進所得層的特定結晶定向或“紋理”。常規HTS晶體超導體材料是選自一類分層複合氧化物,其中載流銅氧化物層經定向於垂直於結晶單位晶胞的c軸的平面內。因此,期望形成超導體帶材的c軸紋理,其中超導體帶材的載流層平行於帶材的平面。此情形使至少一中間層及通常將金屬帶材基板與超導體層分離的若干層的沉積有必要。中間層可起到多個作用,包含用作擴散屏障以防止金屬帶材材料與超導體層的交互擴散,以及用作可生長高度結晶定向的超導體層的晶體模板。
在形成超導體層之後,金屬上覆層可形成於超導體層上以充當導電層,從而在超導體層處於非超導狀態的故障條件期間傳導電流。一旦形成了構成超導體帶材的完整層堆疊,帶材便可藉由將帶材部分緊固在一起以形成一組多個延長的導電路徑而組裝到限流器中。帶材部分安裝於模組中,所述模組提供超導體帶材的機械強度和便利處置,從而組裝到限流器裝置中。
鑒於以上內容,可瞭解,特別是對於限流器應用,超導體帶材的形成要求廣泛且複雜的處理。就這些和其他考慮來說,本發明的改進是需要的。
本發明內容經提供而以簡化形式介紹概念的選擇,所述 概念在下文的具體實施方式中進一步描述。本發明內容既不意欲識別所主張標的物的關鍵特徵或本質特徵,也不意欲輔助確定所 主張標的物的範圍。
在一個實施例中,一種積體超導體裝置可包含基板,和 安置於所述基板上且包括較佳結晶定向的中間層。所述積體超導體裝置可進一步包含安置於所述中間層上的定向超導體層,和安置於所述定向超導體層的一部分上的導電帶。所述導電帶可在其下方界定所述定向超導體層的超導體區,和鄰近於所述超導體區的所述定向超導體層的暴露區。
在另一實施例中,一種形成超導體裝置的方法可包含將 具有較佳結晶定向的晶體層沉積於基板上;在所述晶體層上形成包括定向超導體材料的定向超導體層;沉積具有非線性圖案的導電帶;以及處置所述定向超導體層的未由所述導電帶覆蓋的暴露部分,以將所述經暴露部分轉變成非超導體材料。
100、200、210、220、600‧‧‧積體超導體裝置
102、110、202、212、400、402、420、422‧‧‧基板
104、204、216、224、606、608‧‧‧超導體帶材
106、206、218、226‧‧‧觸點
112‧‧‧中間層
114‧‧‧超導體層
116‧‧‧頂部金屬結構
118‧‧‧超導體區
120‧‧‧經變更超導體區
214‧‧‧矽區
219‧‧‧電導體
222‧‧‧矽帶
300‧‧‧頂部表面
302‧‧‧暴露區
304‧‧‧能量處置
404‧‧‧層
406‧‧‧其他層
408‧‧‧層
424‧‧‧外延緩衝層
500‧‧‧平坦化超導體裝置
502‧‧‧介電塗層材料
504‧‧‧平坦化處置
506‧‧‧非平坦塗層
508‧‧‧平坦化塗層
602‧‧‧第一側
604‧‧‧第二側
700‧‧‧示範性製程流程圖
702、704、706、708、710、712、714、716‧‧‧框
dM‧‧‧寬度
X、Y、Z‧‧‧方向
圖1A和圖1B描繪與本實施例一致的積體超導體裝置100的相應平面圖和側向橫截面圖;圖2A描繪圖1A、1B的積體超導體裝置的積體超導體裝置變體的平面圖;圖2B描繪與本發明的其他實施例一致的額外積體超導體裝置的平面圖;圖2C描繪與本發明的其他實施例一致的額外積體超導體裝置的平面圖;圖3A到3E說明用於製造根據本發明的實施例的積體超導體裝置的示範性階段; 圖4A描繪基板包含由玻璃製成的基板的實施例的示範性層堆疊;圖4B描繪基板包含由單晶矽製成的基板的實施例的另一變體;圖5A、圖5B和圖5C描繪在積體超導體裝置的另一實施例的製造中涉及的其他操作;圖6A和圖6B描繪根據另一實施例的積體超導體裝置的相對側的平面圖;且圖7呈現用於形成積體超導體裝置的示範性處理流程。
現將在下文參看隨附圖式更充分地描述本實施例,在隨附圖式中繪示一些實施例。然而,本發明的標的物可以許多不同形式來具體化,且不應解釋為限於本文中所闡述的實施例。確切來說,提供這些實施例,使得本發明將為透徹且完整的,且將使標的物的範圍充分傳達到所屬領域的技術人員。在圖式中,類似數字始終指代類似元件。
為了解決前述超導體帶材中的缺陷中的一些,本文中描述提供針對超導體帶材的改進的結構以及用於形成超導體帶材的改進的技術的實施例。這些實施例可特別適宜於用以在佈置於緊湊型裝置(包含限流裝置)內的長電流路徑(current path)上傳導電流的超導體帶材的應用。
為了解決常規超導體帶材製造的問題,本實施例特別提供積體超導體裝置結構和製造技術以產生超導體帶材配置,所述 超導體帶材配置克服與獨立式超導體帶材的製造相關聯的複雜性。所得積體超導體裝置有效地並有超導體結構,所述超導體結構類似於帶材但直接形成於大面積基板上,所述基板相較於藉由超導體結構佔用的表面積佔用較大表面積。因此,積體超導體裝置藉由含有越過其表面的超導體區和非超導體區的基板來表徵。 儘管未形成為獨立式帶材,但此些超導體結構因為超導體結構的形態與常規帶材的類似性在本文中可被稱作“帶材”。
此外,術語“超導體”、“超導體元素”或“超導體材料”如本文中所使用指代具有在無電阻情況下傳導電流的能力的物質或物體。因此,例如YBa2Cu3O7-x(本文中也被稱作“YBCO”)等材料可被稱作超導體或超導體材料,即使是在經受其中材料並非超導的室溫環境時,這是由於YBCO在低於約91K的溫度處變得超導。
另一方面,術語“超導”或“超導層”在本文中用以指代帶材或材料的性質。因此,YBCO在某些條件下(例如在91K以下的溫度下或當藉由YBCO材料傳導的電流低於臨界電流時)為超導的。此外,術語“非超導”和“非超導狀態”如本文中所使用皆指代超導體材料的狀態,其中超導體材料並不具有超導性質,例如在超導體材料經受室溫周圍環境時。
此外,術語“非超導體”如本文中所使用可指代不能夠超導的材料。舉例來說,非超導體可包含從例如YBCO等超導體材料得到的材料,其中材料以致使材料不能變得超導的方式化學或結構地從母超導體材料變更。因此,超導體材料可視包含溫度、 正由超導體材料傳導的電流的電流密度和施加到材料的磁場等的條件而以超導狀態或非傳導狀態存在。另一方面,非超導體材料可以非超導狀態存在而不考慮溫度或其他因素。
最終,術語“超導體帶材”和“超導體層”如本文中所使用指代其中相應類帶材結構或層的至少一部分含有超導體材料的帶材、類帶材結構或層。因此,“超導體帶材”可包含一或多個超導體材料層,且視需要包含一或多個非超導體材料層。類似地,“超導體層”在圖案化之後(例如)可含有由超導體材料製成的部分,和材料並非超導體的部分。
圖1A和圖1B描繪與本實施例一致的積體超導體裝置100的相應平面圖和側向橫截面圖。圖2A描繪積體超導體裝置100的積體超導體裝置200變體的平面圖。圖1A和圖2A的實施例的不同之處在於,一個實施例具有矩形形狀且另一實施例具有圓形形狀。此外,在兩個積體超導體裝置100、200中,相應超導體帶材104、204積體於相應基板102、202的表面區上。
圖2B和2C描繪與本發明的其他實施例一致的額外積體超導體裝置的平面圖。在圖2B中,使用基板212來形成積體超導體裝置210,所述基板212含有安置於積體超導體裝置210的表面上的四個矽區214。在一個實施方案中,可使用適用於太陽能裝置的矽基板來製造積體超導體裝置210。在每一矽區214中,超導體帶材216以蜿蜒圖案積體地形成於矽區214內,所述矽區214充當超導體帶材216的基板。每一超導體帶材216以單一導電路徑 形成於觸點218之間的方式經由電導體219連接到鄰近矽區214中的超導體帶材216。在一些實施例中,導電路徑長度可為1到3米。
在圖2C中,使用充當基板的矽帶222形成積體超導體裝置220,在所述基板內,超導體帶材224形成於矽帶222的表面上。 超導體帶材224形成蜿蜒圖案,所述蜿蜒圖案在觸點226之間形成連續路徑。在一個實例中,矽帶222是藉由浮區法形成的,且具有200到400mm的寬度和2到4米的長度,從而導致50到100米的導電路徑長度。用於形成積體超導體裝置的基板的其他實施例是有可能的。
現特別地轉到圖1A、1B的實施例,請注意,關於積體超導體裝置100論述的其他特徵和問題可同樣適用於積體超導體裝置200、210和220。積體超導體裝置100的一個特性特徵為,超導體帶材104積體到基板102中。特定來說,藉由在基板110上形成多個層且其後在那些層中的至少一些內界定超導體帶材的帶材結構來製造超導體帶材。此製程導致其中超導體帶材104為一體式零件的積體超導體裝置100的整體結構。
如圖1A和2中所說明,超導體帶材104、204以蜿蜒結構佈置於所繪示的笛卡爾坐標系的X-Y平面內,所述X-Y平面位於相應基板102、202的平面內。相應超導體帶材104、204的結構用來界定在安置於相應超導體帶材104、204的相對末端處的相應觸點106、206之間傳導的電流的相對長電流路徑。換句話說, 與相應積體超導體裝置100、200的沿著X方向的寬度相比較,相應觸點106、206之間的電流路徑長度可長出許多倍。積體超導體裝置100、200、210、220可適宜於例如超導故障限流器的限流器等應用。然而,實施例在此上下文中並不受限制。
再次轉到圖1B,根據各種實施例,基板110可為玻璃材料、多晶體材料或單晶體材料。多晶體材料的實例包含氧化鋁,而單一晶體材料的實例包含矽或藍寶石。實施例在此上下文中並不受限制。在一些實施例中,基板110可呈現低粗糙度表面,例如具有玻璃基板或單晶體基板的特性。此外,基板110可在其表面120上呈現很少(如果有的話)的晶界,從而促進較平滑層堆疊的生長。在本實施例中,中間層安置於基板與超導體層之間。 在圖1B中藉由層112表示中間層,所述層112安置於基板110上,且可包含多個子層(本文中簡稱為層)或單一層。特定來說,層112包含顯現較佳結晶定向且安置於層112的頂部部分上的至少一個層。術語“較佳結晶定向”指代層的微觀結構的品質,其中層的微晶體具有非隨機定向分佈,使得與隨機多晶粉末中微晶體的定向相比較某些結晶方向較佳地垂直於基板100的平面107而定向。特定來說,層112的頂部可充當用於生長高品質超導體層114的模板,如下文所詳述。
如圖1B中進一步所繪示,超導體帶材104的結構包含頂部金屬結構116,其覆蓋安置於超導體層114內的超導體區118。如圖1A中所繪示,金屬結構116可形成導電帶,所述導電帶具有 蜿蜒結構,使得超導體區118具有類似蜿蜒結構。經變更的超導體區120為非超導體,鄰近於超導體區118。積體超導體裝置100的所得結構包括蜿蜒超導體帶材,所述蜿蜒超導體帶材包含金屬上覆層、金屬結構116和超導體下伏層、超導體區118。
如下文所詳述,超導體區118和經變更的超導體區120的界定可經由與大批量製造相容的各種方法來實現。因此,用於製造積體超導體裝置100的整個製程可使用與大批量製造相容的材料、製程和設備來執行。
圖3A到3E說明用於製造根據本發明的實施例的積體超導體裝置的示範性階段。在圖3A中,提供基板110以用於沉積一層或數個層的集合以形成積體超導體裝置。如所論述,基板110在一些情況下可為單晶體材料,例如矽或藍寶石。在其他情況下,基板110可為玻璃。基板110可具有與常規沉積設備中的處理相容的尺寸。舉例來說,在一個情況下,基板為300mm直徑的Si(100)基板。然而,實施例在此上下文中並不受限制。
在圖3B中,層112沉積於基板上(110)。在各種實施例中,層112可包括多個層。構成層112的構成層的數目和組合物以及此些層的結構可根據基板(110)的性質發生變化。在一些實施例中,構成層112的單一層或層群組可根據常規技術形成。
圖4A描繪針對其中基板400包含由玻璃製成的基板402的實施例的構成層112的示範性層堆疊。如所說明,層404可為氮化矽層(SiN),沉積所述氮化矽層以與玻璃基板402接觸。在 一個變體中,層404可替代地為Y2O3。在這些變體中的任一者中,層404可藉由已知方法(例如濺鍍、蒸發、化學氣相沉積或其他方法)來沉積。
另一層406(其可為MgO)沉積於層404上。MgO層可充當隨後可生長定向超導體層的晶體模板。特定來說,MgO層可藉由離子束輔助沉積(ion beam assisted deposition,IBAD)來沉積,所述IBAD可形成具有較佳結晶定向(紋理)的晶體MgO層。 術語“定向超導體層”如本文中所使用指代具有較佳結晶定向(例如“c軸”定向)的超導體層。
在圖4A的實施例中,另一層408在形成超導體層之前形成於層406上。層408可為外延MgO層,所述外延MgO層在特定條件下生長以向與層406相對的層提供較高程度的晶體定向。 在一個情況下,層408可在與用以生長層406的腔室分離的處理腔室中生長。舉例來說,層408可在用於化學氣相沉積的處理腔室中生長。在一個變體中,可選外延LaMnO3層(圖中未示)可(例如)藉由反應性濺鍍而沉積於層408上。
圖4B描繪針對其中基板420包含由單晶矽製成的基板 422的實施例的層112的另一變體。在此實例中,層112可為外延生長於矽基板上的單一層。此層的實例包含CeO2和CaF2,CeO2和CaF2中的每一者具有面心立方螢石晶體結構,其空間群與矽的空間群直接相關。由於此原因,高度定向或單晶體CaF2或CeO2可生長於矽上。特定來說,CeO2的晶格參數顯現與矽的晶格參數 的僅0.35%晶格失配,從而產生直接在矽上生長CeO2外延層的能力。
返回圖3B,在本實施例中,在形成構成層112的層或數個層之後,層112的頂部表面300呈現用於生長後續超導體層的結晶定向表面。因為下伏基板110可為無晶界的平滑基板,所以與使用金屬帶材結構的常規超導體帶材技術相反,包含頂部表面300的所得層112可呈現用於生長高度定向超導體層的優異模板。
在圖3C中,繪示超導體層114在層112上的形成。超導體層114以導致高度定向超導體材料的方式來形成,所述超導體材料使其c軸沿著Z軸對準且垂直於基板110的平面(即,如所繪示的X-Y平面)。在各種實施例中,超導體層114由具有化學式ReBa2Cu3O7-x的超導體材料(本文中也被稱作“ReBCO”)製成,其中Re代表釔或任何稀土元素。在其他實施例中,超導體層114可為具有通用化學式Bi2Sr2Can-1 CunO2n+4+x的鉍鍶鈣銅氧化物(bismuth strontium calcium copper oxide,BSCCO);具有通用化學式Tl2Sr2Can-1 CunO2n+4+x的鉈鍶鈣銅氧化物(thallium strontium calcium copper oxide,TSCCO);具有通用化學式HgSr2Can-1 CunO2n+2+x的汞鍶鈣銅氧化物(mercury strontium calcium copper oxide,MSCCO)。實施例在此上下文中並不受限制。
超導體層14可藉由用於沉積超導體材料的例如反應性共蒸發等常規製程或藉由金屬有機化學氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)來沉積。實施例在此上下文 中並不受限制。在一些情況下,例如,在超導體114為REBCO材料的狀況下,氧合退火製程可在沉積超導體層114之後執行。此情形用來減低ReBCO晶體結構中的“x”的值,使得每單位晶胞中的氧原子的數目逼近7。在此狀況下,77K處的臨界溫度和臨界電流可增加,以及超導體層114的臨界場增加。
現轉到圖3D,繪示金屬結構116在超導體層114的數個部分上的沉積。如圖1A和圖1B中所繪示,金屬結構116可為單一連續金屬線。在各種實施例中,金屬結構116可藉由例如網版印刷、擠出印刷(extrusion printing)或濺鍍等已知技術來形成。 金屬結構116可由銅、銀、銅合金、銀合金形成。在一些實例中,金屬結構可為雙層結構,其中與超導體114接觸的下部層為銀或銀合金,且上部層為銅或銅合金。實施例在此上下文中並不受限制。超導體層114沿著Z方向的一些示範性厚度的範圍為0.5微米到5微米。金屬結構116的一些示範性寬度dM的範圍為1mm到20mm。如圖1A和圖1B中所說明,金屬結構116可藉由具有蜿蜒形狀而界定長導電路徑。舉例來說,在300mm x 300mm正方形基板中,具有10mm的寬度dM的蜿蜒金屬結構在一個情況下可界定4米的導電路徑。在形成金屬結構116之後,在一些實施例中可執行燒結退火。
如圖3D中進一步說明,金屬結構116用來界定超導體層 114的暴露區302,所述暴露區302並未被金屬結構116覆蓋。此暴露區302可用以界定如圖3E中所說明的最終超導體帶材結構。 如其中所繪示,藉由箭頭示意性地繪示的能量處置304指向基板100。能量處置304選擇性地影響暴露區302,以便將超導體層114的暴露區302轉變成非超導體區120。同時,超導體層114的位於金屬結構116下面的部分保持為超導體區118。
在一個變體中,能量處置304涉及將離子導引到基板100中。將離子作為離子物質且以對於顯現超導體層114有效的離子劑量和離子能量提供到暴露區302中的非超導材料中,所述暴露區302並未由金屬結構116覆蓋。舉例來說,針對在300kV到1meV範圍內的離子能量,氮、硼或其他低原子量離子可植入達約0.5μm到1μm的深度。對植入有此些離子的超導體材料的伴隨損害可延伸到較大深度,例如約1到2μm。因此,對於具有在0.5到2μm的範圍內的超導體層厚度的超導體帶材,描繪於圖3E中的製程在一些實施例中可方便地在中間能量或高能量束線離子植入設備中執行。請注意,對於例如YBa2Cu3O7-x等高溫超導體材料,暴露區302中的材料不需要非晶化以便對於那些區顯現為非超導材料。這是因為超導性質對於晶體結構的改變和YBCO材料的化學計量法特別敏感。
有利地是,因為金屬結構116的厚度可為大約10到20μm,所以遮罩安置於金屬結構116下面的超導體區118不受來自離子的任何損害。因此,導電帶306的相對小的上部部分可藉由離子植入702來變更。此外,甚至足以將暴露區302轉變成非超導材料的離子劑量可僅使金屬結構116的所植入部分中的電阻率 略微增加,從而導致金屬結構116的總電阻的略微增加。
在能量處置304的另一變體中,呈傳導加熱、對流加熱或輻射加熱或其任何組合的形式的熱通量指向基板110。在一些實施例中,超導體層114為RBa2Cu3O7-x ,其中R為稀土元素。此些材料顯現超導性對氧化學計量學的強相依性,使得降低氧含量會使得材料顯現較差超導性或無超導性。此外,此些結構中的氧遷移率相對較高,使得某些條件下的加熱可產生氧的釋放,從而減少晶體結構內的氧含量。因此,可提供熱通量以耗盡來自RBa2Cu3O7-x 材料的氧,所述RBa2Cu3O7-x 材料安置於並未由金屬結構116覆蓋的暴露區302中。經覆蓋部分、超導體區118並未變得耗盡氧,且從而保持為超導體材料。
一旦暴露區302變為非超導體材料,剩餘超導體區118便界定基板100內的具有金屬結構116的尺寸和形狀的圖案,如圖1A、1B和3E中所繪示。因此,形成提供呈類帶材結構的導電路徑的積體超導體裝置,所述類帶材結構含有正常導體(金屬結構116)安置於超導體區118上的層堆疊。然而,不同於獨立式超導體帶材,類帶材結構積體於例如基板110等基板內。
在形成超導體帶材104之後,觸點106可形成於超導體帶材104的任一末端處,以充當用於將超導體帶材104電連接到其他元件(包含其他積體超導體裝置)的點。
圖5A、圖5B和圖5C描繪在積體超導體裝置的另一實施例的製造中涉及的其他操作。在此實施例中,提供介電塗層以覆 蓋並平坦化積體超導體裝置100的表面特徵以形成平坦化超導體裝置500,如圖5C中所繪示。
在圖5A中,將介電塗層材料502提供到積體超導體裝置100。介電塗層材料502可為例如氧化矽或其他材料等常規介電質,且可藉由化學氣相沉積製程、濕式化學製程或其他製程來提供。在圖5B中,繪示介電塗層材料502已經沉積並形成覆蓋金屬結構116和非超導體區120的非平坦塗層506的情況。此非平坦塗層506經受藉由箭頭示意性地繪示的平坦化處置504。平坦化處置在一些實施例中可選自用於介電材料的已知平坦化處置當中。 在圖5C中,非平坦塗層506已轉變成平坦化塗層508。
平坦化超導體裝置500可保護下伏非超導體區120與超導體區118的完整性,使得平坦化超導體裝置500可經進一步方便地處置或處理從而組裝到例如超導故障限流器裝置等其他設備中。特定來說,平坦化超導體裝置500呈現模組化元件,所述模組化元件可被方便地組裝到含有多個平坦化超導體裝置500的設備中。此情形可(例如)藉由將多個平坦化超導體裝置500堆疊於彼此之上且提供平坦化超導體裝置500之間的電連接來實現。此情形允許限流器的電流路徑被增加到所要長度以滿足給定故障限流器裝置的要求。
圖6A和圖6B描繪根據另一實施例的積體超導體裝置的相對側的平面圖。在此實施例中,積體超導體裝置600包含第一側602和與第一側602相對的第二側604,其各自包含積體到積體 超導體裝置600中的相應超導體帶材606、608。在一些實施例中,每一側606、604可使用與針對圖3A到5C說明的製程集合相同或類似的製程集合來形成。在一個情況下,第一側602可首先經處理以形成超導體帶材606,之後以類似方式處理第二側604以形成超導體帶材608。
在各種實施例中,第一側602上的超導體帶材606可以不同方式電連接到第二側604上的超導體帶材606。在一個實施例中,第一側602上的超導體帶材606可電連接到第二側604上的超導體帶材606以便形成單一連續電流路徑。在另一實施例中,超導體帶材606可經雙股捲繞,超導體帶材608可經雙股捲繞且超導體帶材606的圖案相對於在如圖所示的X-Y平面內的超導體帶材608的圖案可為雙股的。以此方式,例如,積體超導體裝置600可呈現故障限流器的極低電感元件。
儘管上述實施例已明確地繪示了以蜿蜒圖案佈置以形成超導體帶材的導電帶的實例,但在其他實施例中,不同圖案可用以形成積體超導體裝置。舉例來說,導電帶可以各種非線性圖案佈置,其中非線性圖案指代並未以單一直線佈置的帶。非線性圖案的實例包含螺旋圖案或其他複雜圖案。
本文中所包含的是表示用於執行所揭示的超導體裝置結構的新穎方面的示範性方法的流程圖。雖然出於解釋簡單的目的,本文中(例如)以流程圖或流程框圖的形式繪示的一或多種方法經繪示並描述為一系列動作,但應理解並瞭解,方法不受動 作次序限制,這是由於一些動作可根據描述內容以不同次序發生,和/或與不同於本文中所繪示並描述的動作的其他動作同時發生。此外,對於新穎實施方案,並非說明於方法中的所有動作可被需要。
圖7描繪與各種實施例一致的示範性製程流程圖700。在 框702中,晶體層堆疊沉積於基板上。晶體層堆疊在不同實施例中可包含一或多個層。晶體層堆疊可(例如)包含非晶體層。然而,晶體層堆疊經配置以使得頂部層為結晶定向層。特定來說,頂部層可經定向以在其上提供超導體層的c軸生長的模板。
在框704處,定向超導體層沉積於晶體層堆疊之上。在各種實施例中,此定向超導體層為HTS材料,例如包含ReBCO、BSSCO、MSSCO或TSSCO的分層氧化物。
在決策框706處,如果超導體層的氧合被需要,那麼流程行進到框708,在框708處,執行氧退火製程。流程接著行進到框710。如果氧合不被需要,那麼流程直接行進到框710。
在框710處,呈導電帶的形式的導電結構沉積於基板上。特定來說,導電帶沉積於超導體層的表面上。導電帶可形成導電路徑,且可具有任何所要形狀,例如蜿蜒形狀、螺旋形狀或其他形狀。導電帶材可為例如銅或銀等金屬,且在不同實施例中可為雙層銅和銀。此外,導電帶可為前述材料的合金。
流程接著行進到其中執行燒結退火的框712。隨後,在框714處,以在暴露區中形成超導體層的非超導體區的方式處置超導 體層的並未被導電帶覆蓋的暴露區。此處置的實例包含退火以耗盡具有氧或離子植入的超導體層的暴露區以損害或變更超導體層的暴露區。
在框716處,介電層沉積於基板上,所述基板可充當囊封劑以保護導電帶以及可為非超導體材料的超導體層的暴露區。此外,如果執行了另一平坦化製程,那麼介電層可充當平坦化層。
總的來說,本實施例提供優於其中超導體帶材經製造為獨立式帶材結構的常規超導體帶材技術的多個優點。對於一個優點,帶材結構到大區域平滑基板的積體提供用於製造具有可重現性質的超導裝置的更強健製程。此部分歸因於此些基板相較於用作常規超導體帶材的基板的金屬帶材的平滑性。此外,積體超導體裝置可以用於大批量製造(例如半導體製造)的常規處理設備製造,且可使用例如矽晶片、藍寶石晶片、玻璃基板等常規基板。另外,超導體裝置的設計參數可便利地藉由簡單地使金屬結構的佈局發生變化(例如)藉由使金屬結構的設計圖案、金屬結構的寬度、鄰近金屬結構線之間的間距等等發生變化來調整。此外,超導體裝置的積體性質允許超導體帶材元件容易地受常規鈍化製程保護,且允許個別基板以簡單方式連接到總成中而無複雜連接。再者,包含頂部層介電塗層的積體設計使超導體帶材結構的機械穩定性增加,包含超導體帶材結構到其基板的粘著。此進一步提供用於調諧超導體帶材的金屬部分的電阻和超導體層的臨界電流的便利系統,此舉可導致效能增加。
本發明的範圍不應受本文所描述的特定實施例限制。實際上,對於所屬領域的技術人員來說,本發明的其他各種實施例和對本發明的修改將變得從前述內容和隨附圖式顯而易見(除本文所描述的那些實施例和修改外)。因此,此些其他實施例和修改意欲屬於本發明的範圍內。此外,儘管本發明已出於特定目的而在特定實施方案的上下文中在特定環境中描述了本發明,但一般所屬領域的技術人員將認識到,本發明的效用不限於此,並且本發明可出於許多目的有利地在許多環境中實施。因此,下文所闡述的權利要求書應鑒於如本文中所描述的本發明的完整廣度和精神來解釋。
100‧‧‧積體超導體裝置
102‧‧‧基板
104‧‧‧超導體帶材
106‧‧‧觸點
116‧‧‧頂部金屬結構
X、Y、Z‧‧‧方向

Claims (15)

  1. 一種積體超導體裝置,其包括:基板;安置於所述基板上且包括較佳結晶定向的中間層;安置於所述中間層上的定向超導體層;以及導電帶,其安置於所述定向超導體層的一部分上以在其下方界定所述定向超導體層的超導體區,和鄰近於所述超導體區的所述定向超導體層的暴露區。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的積體超導體裝置,其中所述導電帶包括蜿蜒圖案。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的積體超導體裝置,其中所述定向超導體層的所述暴露區包括有缺陷的超導體材料,所述有缺陷的超導體材料為非超導體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的積體超導體裝置,其中進一步包括安置於所述導電帶和暴露區上的保護性塗層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的積體超導體裝置,其中所述基板包括第一側和第二側,其中所述導電帶沉積於所述第一側上,所述積體超導體裝置進一步包括:安置於所述基板上的所述第二側上的第二中間層,所述第二中間層包括較佳結晶定向;安置於所述第二中間層上的第二定向超導體層;以及第二導電帶,其安置於所述第二定向超導體層的一部分上以在其下界定所述第二定向超導體層的第二超導體區,和所述第二 定向超導體層的鄰近於保護區的所述第二定向超導體層的第二暴露區,其中所述第二導電帶電連接到所述第一導電帶。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的積體超導體裝置,其中所述第一導電帶和第二導電帶包括雙股捲繞結構。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的積體超導體裝置,其中所述第一導電帶和第二導電帶相對於彼此為雙股的。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的積體超導體裝置,其中所述基板為單晶矽,且其中所述中間層包括外延CeO2或CaF2
  9. 如申請專利範圍第1項所述的積體超導體裝置,其中所述基板包括玻璃材料,且其中所述中間層包括具有較佳結晶定向的MgO層。
  10. 一種形成超導體裝置的方法,其包括:將具有較佳結晶定向的晶體層沉積於基板上;在所述晶體層上形成包括定向超導體材料的定向超導體層;沉積具有非線性圖案的導電帶;以及處置所述定向超導體層的未由所述導電帶覆蓋的暴露部分,以將所述暴露部分轉變成非超導體材料。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的形成超導體裝置的方法,其中進一步包括提供呈蜿蜒圖案的所述導電帶。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的形成超導體裝置的方法,其中進一步包括使所述基板退火以在所述暴露區中形成非超導體 材料。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的形成超導體裝置的方法,其中進一步包括將保護性塗層沉積於所述導電帶和暴露區上。
  14. 如申請專利範圍第10項所述的形成超導體裝置的方法,其中所述基板包括第一側和第二側,其中所述導電帶沉積於所述第一側上,所述方法進一步包括:在所述第二側上將第二中間層沉積於所述基板上,所述第二中間層包括較佳結晶定向;將第二定向超導體層沉積於所述第二中間層上;將第二導電帶沉積於所述第二定向超導體層的一部分上以在其下界定所述第二定向超導體層的第二保護區,和鄰近於保護區的所述第二定向超導體層的第二暴露區;以及將所述第二導電帶電連接到所述第一導電帶。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的形成超導體裝置的方法,其中進一步包括提供所述第一導電帶和第二導電帶各自作為雙股捲繞導電帶。
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