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WO2003012166A2 - Verfahren zum erzeugen eines flächenhaften basismaterials aus metall insbesondere für eine supraleiterschicht - Google Patents

Verfahren zum erzeugen eines flächenhaften basismaterials aus metall insbesondere für eine supraleiterschicht Download PDF

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WO2003012166A2
WO2003012166A2 PCT/DE2002/002687 DE0202687W WO03012166A2 WO 2003012166 A2 WO2003012166 A2 WO 2003012166A2 DE 0202687 W DE0202687 W DE 0202687W WO 03012166 A2 WO03012166 A2 WO 03012166A2
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base material
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metal
superconducting
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Ursus KRÜGER
Marc De Vogelaere
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D1/00—Electroforming
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D1/00—Electroforming
    • C25D1/20—Separation of the formed objects from the electrodes with no destruction of said electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/01—Manufacture or treatment
    • H10N60/0268—Manufacture or treatment of devices comprising copper oxide
    • H10N60/0296—Processes for depositing or forming copper oxide superconductor layers
    • H10N60/0576—Processes for depositing or forming copper oxide superconductor layers characterised by the substrate

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a flat base material made of metal for applying a superconducting layer.
  • RABITS Rolling Assisted Biaxial Testuring of Substrates
  • the invention has for its object to provide a method for producing a flat base material for applying a superconducting layer, which can not only be carried out comparatively inexpensively, but which can also be used to produce base material with which superconducting, in particular high-temperature superconducting components with very good superconducting properties can be produced let create.
  • a metal layer is galvanically produced on a single-crystalline substrate and the metal layer is detached from the substrate to obtain the base material.
  • Microx can be produced by a simple electroplating process and subsequent detachment of the metal layer from the matrix or from the substrate, a two-dimensional base material made of metal, which is used to apply a layer made of a superconducting material, in particular a high-temperature superconducting material Formation of a superconductor is very suitable because this base material has the favorable texture of the substrate for this purpose. Another important advantage is that the - expensive substrate is reusable.
  • a metallic auxiliary layer is advantageously formed on the substrate prior to the galvanic production of the metal layer, and at least the metal layer is detached from the substrate to obtain the base material.
  • the auxiliary layer can advantageously by means of z. B. PCT (Physical Vapor Deposition). The auxiliary layer can therefore remain on the substrate; if it is replaced in each case, then the Detach the double layer more easily from the substrate without damage and then process it further.
  • a metallic auxiliary layer is formed on the substrate before the galvanic production of the metal layer, and at least one insulating buffer layer is applied to the metal layer and, in turn, the superconducting layer thereon, and then the layer composite thus formed, at least including the metal layer detached from the substrate. From this composite layer - with us without an auxiliary layer - superconducting components can be obtained by relatively simple mechanical structuring.
  • the layered composite can in a simple manner - either before it is detached from this substrate or later - by a metal coating, e.g. B. from a precious metal, to be able to manufacture a superconducting device with a shunt.
  • a metal coating e.g. B. from a precious metal
  • This metal pad can be formed in different ways. It is considered to be particularly advantageous if the metal coating is produced by means of PVD (Physical Vapor Deposition).
  • YBCO YBa 2 Cu 3 0 7
  • sapphire is advantageously used as the substrate.
  • Titanium which is advantageously applied by means of PVD, is particularly suitable as an auxiliary in such a substrate.
  • metal layers made of different metals can be produced on the substrate.
  • the application of a metal layer made of nickel or a nickel alloy can be advantageous.
  • the invention is also based on the object of specifying a flat base material which can be produced particularly cost-effectively and is particularly well suited for the production of superconductors.
  • the areal base material is a base material that is electroplated by means of a single-crystalline substrate.
  • the flat base material advantageously consists of nickel or a nickel alloy or of silver or copper or of a silver or copper alloy.
  • a sheet-like base material made of metal such as. B. silver or a silver alloy, considered as a carrier for a layer of a superconducting material to form a superconducting conductor.
  • a superconducting conductor causes a base material made of silver or copper no disturbing influences when used in alternating magnetic fields.
  • a single-crystalline substrate is required in any case, which can be made of sapphire, for example.
  • the illustration 1 shows a section of a single-crystalline substrate 1, on which an auxiliary layer 2 z. B. is made of titanium. Subsequently - as the illustration 2 shows - a metal layer 3 is galvanically produced on the auxiliary layer 2, which has taken over the texture of the substrate 1.
  • the structure of the two layers 2 and 3 can be detached from the substrate 1 in order to continue to be used as the base material for superconducting components.
  • the method according to the invention can also be carried out or continued such that initially - according to the partial representation of epitaxial buffer layers 4 and 5 made of z. B. Cu0 2 and YSZ are applied to the epitaxial metal layer 3, on which then again (see. Partial representation 4) z. B. a high-temperature superconducting layer 6 is produced from, for example, YBCo by means of PVD.
  • the layer composite produced in this way can be pulled off the substrate 1 and, after mechanical structuring, form superconducting components. If such components are to have an integrated electrical shunt, then, according to partial illustration 5, a metal coating 7, for example made of gold, is applied to the epitaxial superconducting layer 6 before detaching by means of PVD.
  • the partial representation 6 shows the layer composite after the detachment in front of the substrate 1.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen ei-nes flächenhaften Basismaterials aus Me-tall zum Aufbringen einer supraleitenden Schicht. Um ein solches Verfahren vergleichsweise kostengünstig durch-führen zu können, wird erfindungsgemäß auf einem einkristal-linen Substrat (1) eine Metallschicht (3) galvanisch erzeugt und die Metallschicht (3) unter Gewinnung des Basismaterials von dem Sub-strat (1) gelöst. Die Erfindung betrifft ferner ein nach dem Verfahren herge-stelltes Basismaterial sowie dessen Anwendung.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Erzeugen eines flächenhaften Basismaterials aus Metall, danach hergestelltes Basismaterial und seine Anwen- düng
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines flächenhaften Basismaterials aus Metall zum Aufbringen einer supraleitenden Schicht.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der Zeitschrift "Supercond. Sei. Technol . " 12 (1999), Seiten 624 bis 632 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Band aus Metall mit einer Textur versehen, indem Walzprozeduren mit Bän- dern aus Nickel oder Silber bzw. aus Legierungen mit diesen Metallen in Verbindung mit nachfolgenden Glühungen zur Initiierung von Rekristallisierungsprozessen durchgeführt werden. In der Fachwelt werden solche Bänder als RABITS (Rolling assisted biaxial testuring of Substrates) bezeichnet. Solche RABITS bilden das Basismaterial zum Herstellen supraleitender Leiter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen eines flächenhaften Basismaterials zum Aufbringen einer supraleitenden Schicht anzugeben, das sich nicht nur vergleichsweise kostengünstig durchführen lässt, sondern mit dem auch Basismaterial herstellbar ist, mit dem sich supraleitende, insbesondere hochtemperatursupraleitende Bauelemente mit sehr guten Supraleitungseigenschaften schaffen lassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß auf einem einkristallinen Substrat eine Metallschicht galvanisch erzeugt und die Metallschicht unter Gewinnung des Basismaterials von dem Substrat gelöst.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be- steht darin, dass mit einem einkristallinen Substrat als
"Matrize" durch jeweils einen einfachen Galvanikprozess und anschließendes Lösen der Metallschicht von der Matrize bzw. von dem Substrat ein flächenhaftes Basismaterial aus Metall erzeugt werden kann, das zum Aufbringen einer Schicht aus ei- nem supraleitendem Werkstoff, insbesondere aus einem hoch- temperatursupraleitenden Werkstoff zur Bildung eines Supraleiters sehr gut geeignet ist, weil dieses Basismaterial die für diesen Zweck günstige Textur des Substrates aufweist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil beruht darin, dass das - teure- Substrat wieder verwendbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können unterschiedliche Substrate eingesetzt werden. Als besonders vorteilhaft wird es aber angesehen, wenn ein Substrat verwendet wird, dessen Gitterstruktur zu der der aufzubringenden supraleitenden
Schicht passt, damit ein qualitativ hochwertiger Supraleiter gewonnen werden kann.
Um das Abscheiden der Metallschicht auf dem einkristallinen Substrat zu erleichtern, wird vorteilhafterweise vor dem galvanischen Erzeugen der Metallschicht eine metallische Hilfsschicht auf dem Substrat gebildet, und zumindest die Metall- Schicht wird unter Gewinnung des Basismaterials von dem Substrat gelöst. Die Hilfsschicht lässt sich in vorteilhafter Weise mittels z. B. PCT (Physical Vapour Deposition) erzeugen. Die Hilfsschicht kann also auf dem Substrat verbleiben; wird sie jeweils mit abgelöst, dann lässt sich die so gebil- dete Doppelschicht leichter von dem Substrat ohne Beschädigungen lösen und anschließend weiter bearbeiten.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Verfahrens wird vor dem galvanischen Erzeugen der Metallschicht eine metallische Hilfsschicht auf dem Substrat gebildet und mindestens eine isolierende Pufferschicht auf die Metallschicht und darauf wiederum die supraleitende Schicht aufgebracht und anschließend der so gebildete Schichtverbund mindestens unter Einbeziehung der Metallschicht von dem Substrat gelöst. Aus diesem Schichtenverbund - mit uns ohne Hilfsschicht - lassen sich durch verhältnismäßig einfache mechanische Strukturierung supraleitende Bau- e1emente gewinnen.
Der Schichtverbund kann in einfacher Weise - entweder vor seiner Ablösung von diesem Substrat oder später - durch eine Metallauflage, z. B. aus einem Edelmetall, ergänzt werden, um ein supraleitendes Bauelement mit einem Shunt herstellen zu können .
Diese Metallauflage kann in unterschiedlicher Weise gebildet werden. Als besonders vorteilhaft wird es erachtet, wenn die Metallauflage mittels PVD (Physical Vapour Deposition) er- zeugt wird.
Als supraleitender bzw. hochtemperatursupraleitender Werkstoff ist YBCO (YBa2 Cu3 07) bekannt. Soll ein Supraleiter mit diesem Werkstoff hergestellt werden, dann wird vorteilhafter- weise Saphir als Substrat verwendet.
Als Hilfsmittel ist bei einem solchen Substrat Titan besonders geeignet, das vorteilhaft mittels PVD aufgebracht wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können Metallschichten aus unterschiedlichen Metallen auf dem Substrat erzeugt werden. Vorteilhaft kann das Aufbringen einer Metallschicht aus Nickel oder einer Nickellegierung sein. Besonders vorteilhaft erscheint es jedoch, wenn eine Metallschicht aus Silber oder Kupfer oder aus einer Silber- oder Kupferlegierung aufgebracht wird, weil bei einem späteren Einsatz in einem magnetischen Wechselfeld - anders als bei Nickel - durch Verluste aufgrund von Paramagnetismus keine störenden Einflüsse auftreten.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein besonders kostengünstig erzeugbares und für die Herstellung von Supraleitern besonders gut geeignetes flächenhaftes Basismaterial anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß das flächenhafte Basismaterial ein mittels eines einkristallinen Sub- strats galvanisch hergestelltes Basismaterial.
Vorteilhafterweise besteht das flächenhafte Basismaterial aus Nickel oder einer Nickellegierung oder aus Silber oder Kupfer oder aus einer Silber- oder Kupferlegierung.
Als zur Erfindung gehörend wird ferner die Verwendung eines mittels eines einkristallinen Substrates galvanisch hergestellte flächenhafte Basismaterial aus Metall, wie z. B. Silber oder einer Silberlegierung, als Träger für eine Schicht aus einem supraleitenden Material zur Bildung eines supraleitenden Leiters angesehen. Ein solcher supraleitender Leiter verursacht bei einem Basismaterial aus Silber oder Kupfer keine störenden Einflüsse bei einem Einsatz in magnetischen Wechselfeldern.
Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nachfolgend anhand einer Figur mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in jedem Falle ein einkristallines Substrat erforderlich, das bei- spielsweise aus Saphir hergestellt sein kann.
Die Darstellung 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem einkristallinen Substrat 1, auf das durch PVD eine Hilfsschicht 2 z. B. aus Titan aufgebracht ist. Anschließend ist - wie die Darstellung 2 zeigt - auf die Hilfsschicht 2 galvanisch eine Metallschicht 3 erzeugt, die die Textur des Substrats 1 übernommen hat .
Der Aufbau aus den beiden Schichten 2 und 3 kann von dem Sub- strat 1 abgelöst werden, um als Basismaterial für supraleitende Bauelemente weiter verwendet zu werden.
Wie die weiteren Teildarstellungen 3 bis 6 der Figur erkennen lassen, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch so ausge- führt bzw. weitergeführt werden, dass zunächst - gemäß Teildarstellung zu mittels PVD epitaxiale Pufferschichten 4 und 5 aus z. B. Cu02 und YSZ auf die epitaxiale Metallschicht 3 aufgebracht werden, auf die dann wiederum (vgl. Teildarstellung 4) ebenfalls z. B. mittels PVD eine hochtemperatursupra- leitende Schicht 6 aus beispielsweise YBCo erzeugt wird. Der insoweit hergestellte Schichtenverbund kann von dem Substrat 1 abgezogen werden und nach mechanischer Strukturierung supraleitende Bauelemente bilden. Sollen solche Bauelemente integriert einen elektrisch Shunt aufweisen, dann wird gemäß Teildarstellung 5 vor dem Ablösen mittels PVD eine Metallauflage 7 beispielsweise aus Gold auf die epitaxiale supraleitende Schicht 6 aufgebracht.
Die Teildarstellung 6 zeigt den Schichtenverbund nach der Ablösung vor dem Substrat 1.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen eines flächenhaften Basismaterials aus Metall zum Aufbringen einer supraleitenden Schicht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- auf einem einkristallinen Substrat (1) eine Metallschicht (3) galvanisch erzeugt wird und
- die Metallschicht (3) unter Gewinnung des Basismaterials von dem Substrat (1) gelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- ein Substrat (1) verwendet wird, dessen Gitterstruktur zu der der aufzubringenden supraleitenden Schicht passt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- vor dem galvanischen Erzeugen der Metallschicht (3) eine metallische Hilfsschicht (2) auf dem Substrat (1) gebildet wird und
- zumindest die Metallschicht (3) unter Gewinnung des Basismaterials von dem Substrat (1) gelöst wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- vor dem galvanischen Erzeugen der Metallschicht (3) eine metallische Hilfsschicht (2) auf dem Substrat (1) gebildet wird und mindestens eine isolierende Pufferschicht (4, 5) auf die Metallschicht (3) und darauf wiederum eine supraleitende Schicht (6) aufgebracht wird und
- anschließend der so gebildete Schichtverbund mindestens unter Einbeziehung der Metallschicht von dem Substrat (1) gelöst wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- der Schichtverbund um eine Metallauflage (7) ergänzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die Metallauflage (7) mittels PVD erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- bei einer aufzubringenden hoc temperatursupraleitenden Schicht aus YBCO (YBa2 Cu3 07) Saphir als Substrat (1) verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- als Werkstoff für die Hilfsschicht (2) Titan verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die Metallauflage (7) mittels PVD (Physical Vapour Deposition) erzeugt wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- eine Metallschicht (3) aus Nickel oder einer Nickellegierung aufgebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - eine Metallschicht (3) aus Silber oder Kupfer oder einer Silber- oder Kupferlegierung aufgebracht wird.
12. Flächenhaftes Basismaterial aus Metall zum Aufbringen ei- ner supraleitenden Schicht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- es ein mittels eines einkristallinen Substrates (1) galvanisch hergestelltes Basismaterial (3) ist.
13. Basismaterial nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- es aus Nickel oder einer Nickellegierung besteht .
14. Basismaterial nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- es aus Silber oder Kupfer einer Silber- oder Kupferlegierung besteht .
15. Verwendung eines mittels eines einkristallinen Substrates (1) galvanisch hergestellten flächenhaften Basismaterials (3) aus Metall als Träger für eine Schicht aus einem supraleitenden Material zur Bildung eines supraleitenden Leiters.
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