745-748, bekannt.

Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen HTS.

STAND DER TECHNIK Für die zuverlässige Anwendung von Hochtemperatursupraleitern (HTS) bei ho- hen elektrischen Leistungen, wie z. B. in einem Kurzschluss-Strombegrenzer (Fault Current Limiter FCL), ist es wesentlich, für den Supraleiter einen zuverlässigen elektrischen Bypass vorzusehen, der die Bildung von sogenannten"hot spots" verhindert, die beim Quenchen des Supraleiters aufgrund von herstellungsbe- dingten Materialinhomogenitäten auftreten und die Funktion des Bauelements be- einträchtigen können. Ein solcher Bypass in Form einer auf die HTS-Schicht flä- chig aufgebrachten Schicht aus Au oder Ag wird in dem Artikel von B. Gromoll et al., Resistive Current Limiter with YBCO Films, IEEE Transactions on Applied Su- perconductivity, Vol. 7, 1997, p. 828-831, beschrieben.

Der Bypass soll die Spannungsverteilung homogenisieren, indem er als alternati- ver Hochstrompfad funktioniert, wenn der HTS quencht. Auf diese Weise kann die Bildung von"hot spots"vermieden werden. Die minimalen Anforderungen an ei- nen solchen Bypass sind (1) ein guter elektrischer Kontakt zum HTS und (2) eine ausreichende thermische Kapazität, um den Temperaturanstieg zu begrenzen.

In der eingangs genannten Druckschrift ist ein Verfahren beschrieben worden, wie eine qualitativ hochwertige dünne Schicht grosser Länge aus Y-123 (YBCO) auf ein typisches metallisches Substrat (z. B. aus Hastelloy) mittels PLD (Pulsed Laser Deposition) aufgebracht werden kann. Allerdings ist in diesem Fall eine Trenn- schicht (buffer layer) aus z. B. Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) zwi- schen dem Substrat und dem HTS vorgesehen, um die Oxidation des Substrats und die chemische Reaktion zwischen beiden Schichten zu verhindern. Es besteht daher kein elektrische Kontakt zwischen dem HTS und dem darunterliegenden Substrat, das grundsätzlich als elektrischer Bypass gut geeignet wäre.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen elektrisch stabilisierten Dünnschicht- Hochtemperatursupraleiter zu schaffen, bei dem das tragende Substrat als elektri- scher Bypass eingesetzt wird, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzu- geben.

Die Aufgabe wird bei einem HTS der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die supraleitende Schicht über die Hache des Substrats verteilt mit dem Substrat in elektrischem Kontakt steht. Durch den über die Hache verteilten Kon- takt zwischen HTS-Schicht und darunterliegendem metallischen Substrat werden über die Flache verteilt viele Bypasswege für den Strom geschaffen, die jederzeit die Bildung von"hot spots"an einer beliebigen Stelle des Elementes verhindern können.

Eine erste besonders einfache Ausführungsform des erfindungsgemässen Dünn- schicht-HTS zeichnet sich dadurch aus, dass die supraleitende Schicht direkt auf das metallische Substrat aufgebracht ist. Eine solche ganzflächige direkte Verbin- dung zwischen HTS-Schicht und Substrat ergibt eine maximale Bypasswirkung, ist allerdings auf Materialkombinationen und Herstellungsverfahren beschränkt, bei denen eine Degradation an der Grenzfläche der beiden Materialien nicht stattfin- det oder zumindest toleriert werden kann.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des HTS nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Schicht durch eine elektrisch leitenden Trennschicht vom metallischen Substrat getrennt ist, wobei die Trennschicht vor- zugsweise aus einem Edelmetall, insbesondere Ag, besteht. Durch die elektrisch leitende Trennschicht können Reaktionen zwischen der HTS-Schicht und dem Substrat unterbunden werden, ohne dass der ganzflächige elektrisch Kontakt lei- det.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform geht davon aus, dass auf der supralei- tenden Schicht eine mit der supraleitenden Schicht in elektrischem Kontakt ste- hende, flächige Leitschicht aufgebracht ist, und dass die Leitschicht an mehreren über die Fläche verteilten Stellen mit dem Substrat elektrisch leitend verbunden ist. Hierdurch wird es insbesondere möglich, zwischen der supraleitenden Schicht und dem Substrat eine isolierende Trennschicht anzuordnen, wie dies aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist, ohne die Funktion des Substrates als By- pass aufgeben zu müssen.

Eine erste bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform zeichnet sich da- durch aus, dass in der supraleitenden Schicht und in der darunterliegenden Trennschicht über die Hache verteilt Kontaktieröffnungen angeordnet sind, welche das darunterliegende Substrat freilegen, dass die Leitschicht im Bereich der Kon- taktieröffnungen kontaktierend auf das freiliegende Substrat geführt ist, und dass die Kontaktieröffnungen durch Abtragen der supraleitenden Schicht bzw. der Trennschicht erzeugt sind. Die Anzahl und Verteilung der Kontaktieröffnungen kann dabei durch herkömmliche maskierte Aetzverfahren so optimiert werden, dass"hot spots"durch das als Bypass wirkende Substrat sicher verhindert wer- den, ohne dass der für den Stromtransport zur Verfügung stehende Querschnitt unnötig verringert wird.

Eine zweite bevorzugte Weiterbildung der Ausführungsform ist dadurch gekenn- zeichnet, dass die Kontaktieröffnungen durch ein Abdecken bzw. Abschatten beim Auftragen der supraleitenden Schicht bzw. der Trennschicht erzeugt sind. In die- sem Fall kann auf zusätzliche Maskierungs-und Aetzschritte bei der Erzeugung der Kontaktieröffnungen verzichtet werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen des elektrisch stabilisierten Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiters nach der Erfindung ist dadurch gekenn- zeichnet, dass die supraleitende Schicht auf das metallische Substrat flächig auf- getragen und an verschiedenen Stellen der Flache mit dem darunterliegenden Substrat elektrisch leitend verbunden wird.

Gemäss verschiedener Ausführungsformen wird dabei entweder die supraleitende Schicht direkt auf das metallische Substrat aufgetragen, oder es wird auf das me- tallische Substrat in einem ersten Schritt eine elektrisch leitende Trennschicht auf- gebracht, und auf die Trennschicht in einem zweiten Schritt die supraleitende Schicht aufgebracht.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform geht davon aus, dass in einem ersten Schritt auf das metallische Substrat vollflächig eine elektrisch isolierende Trenn- schicht aufgebracht wird, dass in einem zweiten Schritt auf die elektrisch isolie- rende Trennschicht vollflächig die supraleitende Schicht aufgebracht wird, dass in einem dritten Schritt, vorzugsweise durch ein maskiertes Aetzverfahren, an ver- schiedenen Stellen der Flache Kontaktieröffnungen in den beiden aufgebrachten Schichten erzeugt werden, durch welche Kontaktieröffnungen das Substrat von oben frei zugänglich ist, und dass in einem vierten Schritt vollflächig eine Leit- schicht aufgebracht wird, welche die supraleitende Schicht flächig kontaktiert und durch die Kontaktieröffnungen mit dem freiliegenden Substrat verbindet.

Eine wiederum andere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass auf ein metallisches Substrat, welches mit über die Fläche verteilt angeordneten Gruben versehen ist, in einem ersten Schritt durch ein gerichtetes Auftragen aus einer er- sten Richtung flächig eine elektrisch isolierende Trennschicht auf das Substrat aufgebracht wird, wobei die erste Richtung so gewählt ist, dass durch Abschattung die Böden der Gruben teilweise unbedeckt bleiben und Kontaktieröffnungen bil- den, dass in einem zweiten Schritt durch ein gerichtetes Auftragen aus der ersten Richtung auf die elektrisch isolierende Trennschicht die supraleitende Schicht auf- gebracht wird, und dass in einem dritten Schritt vollflächig eine Leitschicht aufge- bracht wird, welche die supraleitende Schicht flächig kontaktiert und durch die Kontaktieröffnungen auf den Böden der Gruben mit dem freiliegenden Substrat verbindet.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam- menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen Fig. 1 im Schnitt den Aufbau eines Dünnschicht-HTS gemäss einem er- ste Ausführungsbeispiel der Erfindung mit direktem Flächenkon- takt zwischen HTS-Schicht und metallischem Substrat ; Fig. 2 einen Dünnschicht-HTS gemäss einem zweiten Ausführungsbei- spiel der Erfindung mit einem über eine leitende Trennschicht vermittelten Flächenkontakt zwischen HTS-Schicht und Substrat ; Fig. 3A-F verschiedene Schritte beim Herstellen eines Dünnschicht-HTS gemäss einem dritten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin- dung, bei welchen die Kontaktierung zwischen HTS-Schicht und Substrat über lokale, durch Abtragen geöffnete Kontaktieröffnun- gen erfolgt ; und Fig. 4A-D verschiedene Schritte beim Herstellen eines Dünnschicht-HTS gemäss einem vierten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er- findung, bei welchen die Kontaktierung zwischen HTS-Schicht und Substrat über lokale, durch Abdecken bzw. Abschatten offen ge- lassene Kontaktieröffnungen erfolgt.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG Der erfindungsgemäss flächig verteilte elektrische Kontakt zwischen der HTS- Schicht und dem metallischen Substrat kann dadurch erfolgen, dass die HTS- Schicht und das Substrat ganzflächig miteinander verbunden werden. Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit direktem Flächenkontakt zwischen HTS- Schicht und metallischem Substrat ist im Schnitt in Fig. 1 wiedergegeben, wobei die Figur-wie alle anderen Figuren auch-nur einen begrenzten Ausschnitt aus dem gesamten Supraleiter zeigt. Der elektrisch stabilisierte Dünnschicht- Hochtemperatursupraleiter 10 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einer supraleitenden Schicht 12, die direkt auf ein metallisches Substrat 11 aufgebracht ist. Da hierbei auf eine Trennschicht zur Verhinderung von Reaktionen zwischen der Schicht 12, die vorzugsweise aus YBCO besteht, und dem Substrat 11 ver- zichtet wird, muss eine Reaktion durch eine geeignete Materialauswahl für das Substrat 11 und/oder die supraleitende Schicht 12 verhindert werden. So kann beispielsweise für das Substrat 11 ein Edelmetall wie Ag verwendet werden, um die Reaktion zu verhindern bzw. zu behindern. Vorteilhaft ist hierbei der einfache Aufbau und die einfache Herstellbarkeit des Dünnschicht-HTS. Eher nachteilig ist die Einschränkung in der Auswahl der verwendeten Materialien.

Eine solche Einschränkung in der Materialauswahl kann beseitigt werden, wenn gemäss dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Flächenkontakt zwi- schen HTS-Schicht und Substrat über eine leitende Trennschicht vermittelt wird. In diesem Fall umfasst der Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiter 20 wiederum eine supraleitende Schicht 22, die nicht direkt auf ein metallisches Substrat 21 aufgebracht wird, sondern unter Zwischenschalten einer elektrisch leitenden Trennschicht 23. Die elektrisch leitende Trennschicht 23 kann aus einem reakti- onshindernden Metall, insbesondere einem Edelmetall wie z. B. Ag bestehen.

Hierdurch wird es möglich, für das metallische Substrat 21 eine grössere Auswahl von Materialien in Betracht zu ziehen, ohne dass auf deren Reaktionsfähigkeit mit der supraleitenden Schicht 22 zu sehr Rücksicht genommen werden muss.

Besonders günstig wäre es jedoch, wenn man die bewährten Trennschichten (Bufferschichten) wie z. B. das eingangs erwähnte, nichtleitende YSZ, verwenden könnte, ohne auf die Vorteile des als Bypass eingesetzten Substrats verzichten zu müssen. Zwei Beispiele einer solchen Lösung sind in den Fig. 3A-F und 4A-D wiedergegeben, wobei die einzelnen Teilfiguren jeweils bestimmte Schritte bei deren Herstellung bezeichnen.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Fig. 3 geht aus von einem metallischen Substrat 31, auf dessen Oberfläche nacheinander eine Trennschicht 33 (z. B. aus YSZ oder CeO oder Y203) und die eigentliche supraleitende Schicht 32 (z. B. aus YBCO) mit den bekannten, in den eingangs genannten Druckschriften beschrie- benen Verfahren aufgebracht sind (Fig. 3A). Auf diese Schichtenfolge wird an- schliessend eine Maskenschicht 34 aus einem geeigneten Photoresist oder dgl. aufgebracht (Fig. 3B) und anschliessend dadurch strukturiert, dass über die Flä- che gleichmässig verteilt Maskenöffnungen 35 in der Maskenschicht 34 geöffnet werden (Fig. 3C).

Durch diese Maskenöffnungen 35 hindurch werden anschliessend durch ein übli- ches Materialabtragverfahren wie z. B. Sputterätzen die beiden darunterliegenden Schichten 32 (supraleitende Schicht) und 33 (Trennschicht) abgetragen, so dass Kontaktieröffnungen 36 entstehen, durch welche die Oberfläche des Substrats 31 frei zugänglich ist (Fig. 3D). Nach dem Entfernen der Maskenschicht 34 (Fig. 3E) wird anschliessend zur Fertigstellung des Dünnschicht-Hochtemperatursupralei- ters 30 ganzflächig eine Leitschicht 37 (z. B. aus Ag oder Au) aufgetragen (Fig.

3F), die ausserhalb der Kontaktieröffnungen 36 die supraleitende Schicht 32 ganzflächig kontaktiert, und innerhalb der Kontaktieröffnungen 37 elektrisch lei- tend mit dem Substrat 31 verbindet. Es versteht sich von selbst, dass die Grosse der Kontaktieröffnungen 36 so gewählt werden muss, dass eine ausreichende Kontaktierung des Substrats 31 möglich ist. Andererseits muss die Anzahl und Verteilung der Kontaktieröffnungen 36 so gewählt werden, dass für jeden Bereich der supraleitenden Schicht 32 eine ausreichende Bypassfunktion durch das punktuell kontaktierte Substrat 31 gewährleistet ist. Ein punktuell kontaktiertes Substrat wird auch in dem Ausführungsbeispie ! gemäss Fig. 4 eingesetzt. Dazu wird von einem metallischen Substrat 41 ausgegangen, in welchem über die zu beschichtende Hache gleichmässig verteilt Vertiefungen in Form von Gruben 45 mit vorzugsweise senkrechten Seitenwänden angeordnet sind (Fig. 4A). Auf die zu beschichtende Oberfläche des Substrats 41 wird nun in einem ersten Schritt durch ein gerichtetes Auftragen aus einer ersten Richtung (Pfeile in Fig. 4A) flächig eine elektrisch isolierende Trennschicht 43 aufgebracht.

Die erste Richtung ist dabei so gewählt, dass durch Abschattung durch die Sei- tenwände die Böden der Gruben 45 teilweise unbedeckt bleiben und Kontaktier- öffnungen 46 bilden (Fig. 4A).

In einem zweiten Schritt (Fig. 4B) wird durch ein gerichtetes Auftragen aus der ersten Richtung auf die elektrisch isolierende Trennschicht 43 eine supraleitende Schicht 42 aufgebracht. Durch denselben Abschattungseffekt bleiben auch bei diesem Auftragvorgang die Kontaktieröffnungen 46 frei. In einem dritten Schritt wird dann vollflächig eine Leitschicht 44 aufgebracht, welche die supraleitende Schicht 42 flächig kontaktiert und durch die Kontaktieröffnungen 46 auf den Böden der Gruben 45 mit dem dort freiliegenden Substrat 41 elektrisch leitend verbindet.

Innerhalb des dritten Schrittes wird dabei vorzugsweise in einem ersten Teilschritt durch gerichtetes Auftragen aus der ersten Richtung eine erste Leitschicht 44' aufgebracht, welche die supraleitende Schicht 42 bedeckt und die Kontaktieröff- nungen 46 im wesentlichen frei lässt (Fig. 4C). In einem zweiten Teilschritt (Fig.

4D) wird dann durch gerichtetes Auftragen aus einer zweiten, von der ersten ver- schiedenen Richtung die erste Leitschicht 44'zur fertigen Leitschicht 44 verstärkt und gleichzeitig durch die Kontaktieröffnungen 46 mit dem Substrat 41 leitend ver- bunden, wodurch der Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiter 40 in seiner endgul- tigen Form entsteht.

Die Kontaktieröffnungen 36,46 beziehungsweise die Gruben 45 sind vorzugs- weise in Form von Gräben parallel zur Richtung des Stromflusses ausgebildet. In den Anordnungen gemäss Fig. 3 und Fig. 4 fliesst der Strom also senkrecht zur dargestellten Schnittebene durch den Hochtemperatursupraleiter.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein elektrisch stabilisierter Dünnschicht- Hochtemperatursupraleiter, der zur elektrischen Stabilisierung auf das metallische Substrat zurückgreift und die Auswahl unterschiedlichster Materialien für das Sub- strat zulässt.

BEZUGSZEICHENLISTE 10,20,30,40 Dünnschicht-HTS (elektrisch stabilisiert) 11,21,31,41 metallisches Substrat 42 SL-Schicht 23,33,43 Trennschicht (Buffer) 34 Maskenschicht 35 Maskenöffnung 36,46 Kontaktieröffnung 37,44,44' Leitschicht 45 Grube