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Title:
HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTIVE LAYER COMPRISING CONTACT TERMINALS FOR ELECTRIC SUPPLY LINES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/024226
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to electric conductors provided in the shape of a thin or thick high temperature superconductive layer which is applied to a substrate material and which comprises contact terminals for electric supply lines, whereby the high temperature superconductive layer is provided, at least in the area of the contact terminals, with a metal layer or with a combination of metal layers. The metal layer (MS) or the combination of metal layers (MS) of the electric conductor is provided, outside of the contact terminals (KA) for the electric supply lines (ZL), with a diffusion barrier layer (DB) which is realized by an oxide layer that prevents the out-diffusion of oxygen out of the superconductive layer (SL). Electric conductors of this type are used in devices for supplying and distributing power.

Inventors:
FISCHER STEFAN (DE)
Application Number:
PCT/DE2000/003414
Publication Date:
April 05, 2001
Filing Date:
September 22, 2000
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
FISCHER STEFAN (DE)
International Classes:
H01L39/16; H01L39/24; (IPC1-7): H01L/
Foreign References:
DE19825564A11998-12-17
Other References:
"Conducting oxide passivation of high Tc superconducting oxide films" IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN, Bd. 32, Nr. 6A, November 1989 (1989-11), Seiten 282-284, XP000043210 IBM CORP. NEW YORK, US ISSN: 0018-8689
ICHIKAWA Y ET AL: "Effect of overcoating with dielectric films on the superconductive properties of the high-Tc Y-Ba-Cu-O films" JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, PART 2 (LETTERS), Bd. 27, Nr. 3, M{rz 1988 (1988-03), Seiten L381-L383, XP002166135 ISSN: 0021-4922
HOSKING M W ET AL: "Thermal cycling of thick-film and thin-film electrical contacts on melt-processed YBCO" IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, Bd. 9, Nr. 2, Juni 1999 (1999-06), Seiten 2105-2108, XP002166136 ISSN: 1051-8223
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Description:
Beschreibung Hochtemperatur-Supraleitschicht mit Kontaktanschlüssen für elektrische Zuleitungen Die Erfindung betrifft elektrische Leiter von in Form einer Dünn-oder Dickschicht auf Substratmaterial aufgebrachten Hochtemperatur-Supraleitschicht mit Kontaktanschlüssen für elektrische Zuleitungen, wobei die Hochtemperatur-Supra- leitschicht zumindest im Bereich der Kontaktanschlüsse mit einer Metallschicht bzw. einem Metallschichtverbund versehen ist.

Eine Materialsruktur der eingangs definierten Art ist im we- sentlichen im Zusammenhang mit einer Strombegrenzungseinrich- tung aus der DE 197 50 758 A1 bekannt. Die Metallschicht bzw. der Metallschichtverbund ist hier als Shuntschicht bezeichnet und dient in nicht dargestellter Weise als Kontaktanschluß für hier ebenfalls nicht dargestellte elektrische Zuleitun- gen. Zur Kontaktierung der Supraleitschicht ist also die Me- tallschicht bzw. der Metallschichtverbund vorgesehen, auf der bzw. auf dem ein konventioneller elektrischer Leiter durch ein Lot-, Schwei$-oder ähnlichen Fügeverfahren elektrisch leitend kontaktiert wird. Die aufgeführten Fügeverfahren ge- hen bekanntermaßen einher mit einer relativ hohen Temperatur- belastung im Bereich der Kontaktanschlüsse.

So ist es beispielsweise aus einer Untersuchung von K. Steen- beck et al., Passivation and Contacting of Htc Film Structu- res, Seite 1593 bis 1595, Applied Superconductivity 1993, ed.

H. C. Freyhardt, DGM Informationsgesellschaft mbH, Oberursel 1993, bekannt, da$ insbesondere bei Dünnfilmsupraleitern durch Einwirkung erhöhter Temperaturen ohne Passivierungs- schicht Sauerstoffverluste auftreten, die die Supraleitfähig- keit der Dünnfilmschicht stark vermindern.

Um die Beschädigungen der Supraleitschichten in Grenzen zu halten, sind bisher Kontaktierungsverfahren mit möglichst ge- ringen Temperaturbelastungen vorgesehen. So schlägt bei- spielsweise durch L. F. Goodrich et al., IEEE Transactions, Applied Superconductivity, Vol. 4, No. 2, June 1994 ein Lot mit einer Schmelztemperatur von 188 Grad Celsius vor, bei dem sich allerdings auch hier der Kontaktwiderstand durch den Lötvorgangerhöht.

W. Schmidt et al., Siemens AG, Applied Superconductivity 1995, Inst. Phys. Conf. Ser. No. 148, pp 631-634, dagegen hat ein sehr niedrig schmelzendes Lot mit einer Schmelztemperatur von 51°Celsius vorgesehen.

Alternativ dazu sind durch G. Ries et al., Applied Supercon- ductivity 1995, Inst. Phys. Conf. Ser. No. 148, pp 635-638, in diesem Zusammenhang mechanische Preßkontakte und Drahtbon- den vorgesehen, während T. Ikegami, IEEE Transactions Applied Supercondutivity, Vol. 3, March 1993, p 566, die Kontaktdräh- te mittels einer Silberpaste mit der Supraleitschicht verbin- det.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, elektrische Verbindungen zwischen elektrischen Zuleitungen und der Supraleitschicht zu ermöglichen, die Unabhängig von der auf dem Substratmaterial aufgebrachten Schichtdicke des Supraleiters diesen vor Beschädigungen durch Temperaturein- wirkungen, insbesondere im Zusammenhang mit den herkömmlichen Lötverfahren,schützt.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale 1.1 die Metallschicht bzw. der Metallschichtverbund ist au- Serhalb der Kontaktanschlüsse für die elektrischen Zulei- tungen mit einer Diffusionsbarriereschicht versehen,

1.2 die Diffusionsbarriereschicht ist durch eine das Ausdif- fundieren von Sauerstoff aus der Supraleitschicht verhin- dernde Oxydschicht realisiert, vor.

Der Erfindung liegt also die Erkenntnis zugrunde, das Ausdif- fundieren von Sauerstoff aus dem supraleitenden Material durch eine Barriereschicht weitestgehend zu verhindern. Dies bedeutet praktisch die Zulassung einer höheren Temperaturbe- lastung beim Fügeverfahren, ohne die Supraleitfähigkeit da- durch nachteilig zu beeinträchtigen. Damit lassen sich in be- sonders vorteilhafter Weise auch die Kontaktanschlüsse zwi- schen den elektrischen Zuleitungen und der Supraleitschicht mit den heute in Großserienproduktionen angewandten Lötver- fahren, insbesondere mit dem aus der Leiterplattenfertigung bekannten Lötverfahren in Reflow-Technik, herstellen. Diese Lotverfahren sind kostengünstig und gewährleisten eine hohe Reproduzierbarkeit bei gleichbleibender Qualität der Kontak- tanschlüsse.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht die Merk- male 2.1 die Oxydschicht ist durch eine Zerium-Oxydschicht CEO2 gebildet, 2.2 die Zerium-Oxydschicht CE02 ist auf der Metallschicht bzw. dem Metallschichtverbund aufgebracht, vor.

Mit der auf der Metallschicht bzw. dem Metallschichtverbund aufgebrachten Zerium-Oxydschicht CEO2, die durch Vakuumab- scheidung oder ähnliche Beschichtungsverfahren realisiert sein kann, ist eine besonders wirksame Diffusionsbarriere- schicht gewählt, um das Ausdiffundieren von Sauerstoff aus der Supraleitschicht zu verhindern. Mit dem derartigen Auf-

bringen dieser Diffusionsbarriereschicht sind keine Beschadi- gungen der Supraleitschicht verbunden.

Die Erfindung wird durch ein figürlich dargestelltes Ausfüh- rungsbeispiel näher erläutert, in dem die unterschiedlichen Materialschichten nicht maßstabsgetreu abgebildet sind.

Der elektrische Leiter enthält das Substratmaterial SU, auf dem über einer angrenzenden Zwischenschicht ZS in bekannter weise die Supraleitschicht SL positioniert ist. Als Substrat- materialien kommen Metalle oder Keramiken in Frage, die geo- metrisch als Platten, Scheiben, Stäbe oder Zylinder ausge- führt sein können. Die angedeutete Zwischenschicht ZS ermög- licht dagegen das definierte Aufwachsen der Supraleitschicht SL auf dem Substratmaterial SU. Die Supraleitschicht als hochtemperatursupraleitendes Material sind aus bekannten Ver- bindungen, wie YlBa2Cu307, Bi2Sr2CalCu208 etc., zusammenge- setzt und werden in Form von Dunn-oder Dickschichten auf das Substratmaterial SU aufgebracht. Die unmittelbar an der Su- praleitschicht angrenzende Metallschichicht MS oder der Me- tallschichtverbund dient als Kontaktierungsflache, an der die konventionellen elektrischen Zuleitungen ZL durch den Kontak- tanschlu$ KA mittels eines bekannten Fügeverfahrens elek- trisch leitend mit der Supraleitschicht SL kontaktiert ist.

Die Metallschicht MS bzw. der Metallschichtverbund MS wird außerhalb der Kontaktanschlüsse KA durch die Diffusionsbar- riereschicht DB bedeckt. Dadurch ist das Ausdiffundieren von Sauerstoff aus der Supraleitschicht SL praktisch unterbunden, so da$ auch die Supraleitfähigkeit bei der Anwendung der in Großserienproduktionen üblichen Lötverfahren nicht mehr be- einträchtigt ist.