積體超導(dǎo)體裝置及其制造方法
【專利摘要】一種積體超導(dǎo)體裝置可包含襯底基底，和安置于所述襯底基底上且包括較佳結(jié)晶定向的中間層。所述積體超導(dǎo)體裝置可進(jìn)一步包含安置于所述中間層上的定向超導(dǎo)體層，和安置于所述定向超導(dǎo)體層的一部分上的導(dǎo)電帶。所述導(dǎo)電帶可在其下方界定所述定向超導(dǎo)體層的超導(dǎo)體區(qū)，和鄰近于所述超導(dǎo)體區(qū)的所述定向超導(dǎo)體層的暴露區(qū)。
【專利說明】
積體超導(dǎo)體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)施例涉及超導(dǎo)材料，且更特定來說，涉及積體超導(dǎo)體限流器。
【背景技術(shù)】
[0002]基于可具有77K以上的臨界溫度TC的高溫超導(dǎo)(high temperaturesuperconducting，HTc)材料已開發(fā)出超導(dǎo)導(dǎo)線或帶材，從而促進(jìn)其在通過液氮冷卻的低溫系統(tǒng)中的使用。在某些應(yīng)用中(例如用于超導(dǎo)故障限流器(superconducting faultcurrent limiter，SCFCL)中)，高溫超導(dǎo)(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(dǎo)層經(jīng)歷到非超導(dǎo)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。
[0003]HTS帶材的合成涉及許多挑戰(zhàn)，包含形成構(gòu)成HTS帶材的材料的復(fù)合堆疊的需要。通常，超導(dǎo)體帶材的超導(dǎo)體層形成于呈帶或帶材結(jié)構(gòu)的形式的金屬襯底上，所述帶或帶材結(jié)構(gòu)充當(dāng)用于形成超導(dǎo)體帶材的必要的層的生長(zhǎng)模板。金屬襯底通常是通過經(jīng)由一系列沉積和處理腔室拉長(zhǎng)帶材來進(jìn)行處理的，所述沉積和處理腔室用以使多個(gè)層形成于金屬帶材上。為了在所得超導(dǎo)體帶材中提供足夠載流能力，晶體超導(dǎo)體材料以一方式生長(zhǎng)以促進(jìn)所得層的特定結(jié)晶定向或“紋理”。常規(guī)HTS晶體超導(dǎo)體材料是選自一類分層復(fù)合氧化物，其中載流銅氧化物層經(jīng)定向于垂直于結(jié)晶單位晶胞的c軸的平面內(nèi)。因此，期望形成超導(dǎo)體帶材的c軸紋理，其中超導(dǎo)體帶材的載流層平行于帶材的平面。此情形使至少一中間層及通常將金屬帶材襯底與超導(dǎo)體層分離的若干層的沉積有必要。中間層可起到多個(gè)作用，包含用作擴(kuò)散屏障以防止金屬帶材材料與超導(dǎo)體層的交互擴(kuò)散，以及用作可生長(zhǎng)高度結(jié)晶定向的超導(dǎo)體層的晶體模板。
[0004]在形成超導(dǎo)體層之后，金屬上覆層可形成于超導(dǎo)體層上以充當(dāng)導(dǎo)電層，從而在超導(dǎo)體層處于非超導(dǎo)狀態(tài)的故障條件期間傳導(dǎo)電流。一旦形成了構(gòu)成超導(dǎo)體帶材的完整層堆疊，帶材便可通過將帶材部分緊固在一起以形成一組多個(gè)延長(zhǎng)的導(dǎo)電路徑而組裝到限流器中。帶材部分安裝于模組中，所述模組提供超導(dǎo)體帶材的機(jī)械強(qiáng)度和便利處置，從而組裝到限流器裝置中。
[0005]鑒于以上內(nèi)容，可了解，特別是對(duì)于限流器應(yīng)用，超導(dǎo)體帶材的形成要求廣泛且復(fù)雜的處理。就這些和其他考慮來說，本發(fā)明的改進(jìn)是需要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本
【發(fā)明內(nèi)容】
經(jīng)提供而以簡(jiǎn)化形式介紹概念的選擇，所述概念在下文的【具體實(shí)施方式】中進(jìn)一步描述。本
【發(fā)明內(nèi)容】
既不意欲識(shí)別所主張標(biāo)的物的關(guān)鍵特征或本質(zhì)特征，也不意欲輔助確定所主張標(biāo)的物的范圍。
[0007]在一個(gè)實(shí)施例中，一種積體超導(dǎo)體裝置可包含襯底基底，和安置于所述襯底基底上且包括較佳結(jié)晶定向的中間層。所述積體超導(dǎo)體裝置可進(jìn)一步包含安置于所述中間層上的定向超導(dǎo)體層，和安置于所述定向超導(dǎo)體層的一部分上的導(dǎo)電帶。所述導(dǎo)電帶可在其下方界定所述定向超導(dǎo)體層的超導(dǎo)體區(qū)，和鄰近于所述超導(dǎo)體區(qū)的所述定向超導(dǎo)體層的暴露區(qū)。
[0008]在另一實(shí)施例中，一種形成超導(dǎo)體裝置的方法可包含將具有較佳結(jié)晶定向的晶體層沉積于襯底上;在所述晶體層上形成包括定向超導(dǎo)體材料的定向超導(dǎo)體層;沉積具有非線性圖案的導(dǎo)電帶；以及處置所述定向超導(dǎo)體層的未由所述導(dǎo)電帶覆蓋的暴露部分，以將所述經(jīng)暴露部分轉(zhuǎn)變成非超導(dǎo)體材料。
【附圖說明】
[0009]圖1A和圖1B描繪與本實(shí)施例一致的積體超導(dǎo)體裝置100的相應(yīng)平面圖和側(cè)向橫截面圖；
[0010]圖2A描繪圖1A、1B的積體超導(dǎo)體裝置的積體超導(dǎo)體裝置變體的平面圖；
[0011]圖2B描繪與本發(fā)明的其他實(shí)施例一致的額外積體超導(dǎo)體裝置的平面圖；
[0012]圖2C描繪與本發(fā)明的其他實(shí)施例一致的額外積體超導(dǎo)體裝置的平面圖；
[0013]圖3A到3E說明用于制造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的積體超導(dǎo)體裝置的示范性階段；
[0014]圖4A描繪襯底包含由玻璃制成的襯底基底的實(shí)施例的示范性層堆疊；
[0015]圖4B描繪襯底包含由單晶硅制成的襯底基底的實(shí)施例的另一變體；
[0016]圖5A、圖5B和圖5C描繪在積體超導(dǎo)體裝置的另一實(shí)施例的制造中涉及的其他操作；
[0017]圖6A和圖6B描繪根據(jù)另一實(shí)施例的積體超導(dǎo)體裝置的相對(duì)側(cè)的平面圖；且
[0018]圖7呈現(xiàn)用于形成積體超導(dǎo)體裝置的示范性處理流程。
【具體實(shí)施方式】
[0019]現(xiàn)將在下文參看隨附圖示更充分地描述本實(shí)施例，在隨附圖示中示出一些實(shí)施例。然而，本發(fā)明的標(biāo)的物可以許多不同形式來具體化，且不應(yīng)解釋為限于本文中所闡述的實(shí)施例。確切來說，提供這些實(shí)施例，使得本發(fā)明將為透徹且完整的，且將使標(biāo)的物的范圍充分傳達(dá)到所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員。在圖示中，類似數(shù)字始終指代類似元件。
[0020]為了解決前述超導(dǎo)體帶材中的缺陷中的一些，本文中描述提供針對(duì)超導(dǎo)體帶材的改進(jìn)的結(jié)構(gòu)以及用于形成超導(dǎo)體帶材的改進(jìn)的技術(shù)的實(shí)施例。這些實(shí)施例可特別適宜于用以在布置于緊湊型裝置(包含限流裝置)內(nèi)的長(zhǎng)電流路徑(current path)上傳導(dǎo)電流的超導(dǎo)體帶材的應(yīng)用。
[0021]為了解決常規(guī)超導(dǎo)體帶材制造的問題，本實(shí)施例特別提供積體超導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)以產(chǎn)生超導(dǎo)體帶材配置，所述超導(dǎo)體帶材配置克服與獨(dú)立式超導(dǎo)體帶材的制造相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性。所得積體超導(dǎo)體裝置有效地并有超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)類似于帶材但直接形成于大面積襯底上，所述襯底相較于通過超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)占用的表面積占用較大表面積。因此，積體超導(dǎo)體裝置通過含有越過其表面的超導(dǎo)體區(qū)和非超導(dǎo)體區(qū)的襯底來表征。盡管未形成為獨(dú)立式帶材，但此些超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)因?yàn)槌瑢?dǎo)體結(jié)構(gòu)的形態(tài)與常規(guī)帶材的類似性在本文中可被稱作“帶材”。
[0022]此外，術(shù)語(yǔ)“超導(dǎo)體”、“超導(dǎo)體元素”或“超導(dǎo)體材料”如本文中所使用指代具有在無電阻情況下傳導(dǎo)電流的能力的物質(zhì)或物體。因此，例如YBa2Cu307-x(本文中也被稱作“YBC0”)等材料可被稱作超導(dǎo)體或超導(dǎo)體材料，即使是在經(jīng)受其中材料并非超導(dǎo)的室溫環(huán)境時(shí)，這是由于YBCO在低于約91K的溫度處變得超導(dǎo)。
[0023]另一方面，術(shù)語(yǔ)“超導(dǎo)”或“超導(dǎo)層”在本文中用以指代帶材或材料的性質(zhì)。因此，YBCO在某些條件下(例如在91K以下的溫度下或當(dāng)通過YBCO材料傳導(dǎo)的電流低于臨界電流時(shí))為超導(dǎo)的。此外，術(shù)語(yǔ)“非超導(dǎo)”和“非超導(dǎo)狀態(tài)”如本文中所使用皆指代超導(dǎo)體材料的狀態(tài)，其中超導(dǎo)體材料并不具有超導(dǎo)性質(zhì)，例如在超導(dǎo)體材料經(jīng)受室溫周圍環(huán)境時(shí)。
[0024]此外，術(shù)語(yǔ)“非超導(dǎo)體”如本文中所使用可指代不能夠超導(dǎo)的材料。舉例來說，非超導(dǎo)體可包含從例如YBCO等超導(dǎo)體材料得到的材料，其中材料以致使材料不能變得超導(dǎo)的方式化學(xué)或結(jié)構(gòu)地從母超導(dǎo)體材料變更。因此，超導(dǎo)體材料可視包含溫度、正由超導(dǎo)體材料傳導(dǎo)的電流的電流密度和施加到材料的磁場(chǎng)等的條件而以超導(dǎo)狀態(tài)或非傳導(dǎo)狀態(tài)存在。另一方面，非超導(dǎo)體材料可以非超導(dǎo)狀態(tài)存在而不考慮溫度或其他因素。
[0025]最終，術(shù)語(yǔ)“超導(dǎo)體帶材”和“超導(dǎo)體層”如本文中所使用指代其中相應(yīng)類帶材結(jié)構(gòu)或?qū)拥闹辽僖徊糠趾谐瑢?dǎo)體材料的帶材、類帶材結(jié)構(gòu)或?qū)?。因此，“超?dǎo)體帶材”可包含一或多個(gè)超導(dǎo)體材料層，且視需要包含一或多個(gè)非超導(dǎo)體材料層。類似地，“超導(dǎo)體層”在圖案化之后(例如)可含有由超導(dǎo)體材料制成的部分，和材料并非超導(dǎo)體的部分。
[0026]圖1A和圖1B描繪與本實(shí)施例一致的積體超導(dǎo)體裝置100的相應(yīng)平面圖和側(cè)向橫截面圖。圖2A描繪積體超導(dǎo)體裝置100的積體超導(dǎo)體裝置200變體的平面圖。圖1A和圖2A的實(shí)施例的不同之處在于，一個(gè)實(shí)施例具有矩形形狀且另一實(shí)施例具有圓形形狀。此外，在兩個(gè)積體超導(dǎo)體裝置100、200中，相應(yīng)超導(dǎo)體帶材104、204積體于相應(yīng)襯底102、202的表面區(qū)上。
[0027]圖2B和2C描繪與本發(fā)明的其他實(shí)施例一致的額外積體超導(dǎo)體裝置的平面圖。在圖2B中，使用襯底212來形成積體超導(dǎo)體裝置210，所述襯底212含有安置于積體超導(dǎo)體裝置210的表面上的四個(gè)硅區(qū)214。在一個(gè)實(shí)施方案中，可使用適用于太陽(yáng)能裝置的硅襯底來制造積體超導(dǎo)體裝置210。在每一硅區(qū)214中，超導(dǎo)體帶材216以蜿蜒圖案積體地形成于硅區(qū)214內(nèi)，所述硅區(qū)214充當(dāng)超導(dǎo)體帶材216的襯底。每一超導(dǎo)體帶材216以單一導(dǎo)電路徑形成于觸點(diǎn)218之間的方式通過電導(dǎo)體219連接到鄰近硅區(qū)214中的超導(dǎo)體帶材216。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電路徑長(zhǎng)度可為I到3米。
[0028]在圖2C中，使用充當(dāng)襯底的硅帶222形成積體超導(dǎo)體裝置220，在所述襯底內(nèi)，超導(dǎo)體帶材224形成于硅帶222的表面上。超導(dǎo)體帶材224形成蜿蜒圖案，所述蜿蜒圖案在觸點(diǎn)226之間形成連續(xù)路徑。在一個(gè)實(shí)例中，硅帶222是通過浮區(qū)法形成的，且具有200到400mm的寬度和2到4米的長(zhǎng)度，從而導(dǎo)致50到100米的導(dǎo)電路徑長(zhǎng)度。用于形成積體超導(dǎo)體裝置的襯底的其他實(shí)施例是有可能的。
[0029]現(xiàn)特別地轉(zhuǎn)到圖1A、1B的實(shí)施例，請(qǐng)注意，關(guān)于積體超導(dǎo)體裝置100論述的其他特征和問題可同樣適用于積體超導(dǎo)體裝置200、210和220。積體超導(dǎo)體裝置100的一個(gè)特性特征為，超導(dǎo)體帶材104積體到襯底102中。特定來說，通過在襯底基底110上形成多個(gè)層且其后在那些層中的至少一些內(nèi)界定超導(dǎo)體帶材的帶材結(jié)構(gòu)來制造超導(dǎo)體帶材。此制程導(dǎo)致其中超導(dǎo)體帶材104為一體式零件的積體超導(dǎo)體裝置100的整體結(jié)構(gòu)。
[0030]如圖1A和2中所說明，超導(dǎo)體帶材104、204以蜿蜒結(jié)構(gòu)布置于所示出的笛卡爾坐標(biāo)系的X-Y平面內(nèi)，所述X-Y平面位于相應(yīng)襯底102、202的平面內(nèi)。相應(yīng)超導(dǎo)體帶材104、204的結(jié)構(gòu)用來界定在安置于相應(yīng)超導(dǎo)體帶材104、204的相對(duì)末端處的相應(yīng)觸點(diǎn)106、206之間傳導(dǎo)的電流的相對(duì)長(zhǎng)電流路徑。換句話說，與相應(yīng)積體超導(dǎo)體裝置100、200的沿著X方向的寬度相比較，相應(yīng)觸點(diǎn)106、206之間的電流路徑長(zhǎng)度可長(zhǎng)出許多倍。積體超導(dǎo)體裝置100、200、210、220可適宜于例如超導(dǎo)故障限流器的限流器等應(yīng)用。然而，實(shí)施例在此上下文中并不受限制。
[0031 ]再次轉(zhuǎn)到圖1B，根據(jù)各種實(shí)施例，襯底基底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(shí)例包含氧化鋁，而單一晶體材料的實(shí)例包含硅或藍(lán)寶石。實(shí)施例在此上下文中并不受限制。在一些實(shí)施例中，襯底基底110可呈現(xiàn)低粗糙度表面，例如具有玻璃襯底或單晶體襯底的特性。此外，襯底基底110可在其表面120上呈現(xiàn)很少(如果有的話)的晶界，從而促進(jìn)較平滑層堆疊的生長(zhǎng)。在本實(shí)施例中，中間層安置于襯底基底與超導(dǎo)體層之間。在圖1B中通過層112表示中間層，所述層112安置于襯底基底110上，且可包含多個(gè)子層(本文中簡(jiǎn)稱為層)或單一層。特定來說，層112包含顯現(xiàn)較佳結(jié)晶定向且安置于層112的頂部部分上的至少一個(gè)層。術(shù)語(yǔ)“較佳結(jié)晶定向”指代層的微觀結(jié)構(gòu)的品質(zhì)，其中層的微晶體具有非隨機(jī)定向分布，使得與隨機(jī)多晶粉末中微晶體的定向相比較某些結(jié)晶方向較佳地垂直于襯底100的平面107而定向。特定來說，層112的頂部可充當(dāng)用于生長(zhǎng)高品質(zhì)超導(dǎo)體層114的模板，如下文所詳述。
[0032]如圖1B中進(jìn)一步所示出，超導(dǎo)體帶材104的結(jié)構(gòu)包含頂部金屬結(jié)構(gòu)116，其覆蓋安置于超導(dǎo)體層114內(nèi)的超導(dǎo)體區(qū)118。如圖1A中所示出，金屬結(jié)構(gòu)116可形成導(dǎo)電帶，所述導(dǎo)電帶具有蜿蜒結(jié)構(gòu)，使得超導(dǎo)體區(qū)118具有類似蜿蜒結(jié)構(gòu)。經(jīng)變更的超導(dǎo)體區(qū)120為非超導(dǎo)體，鄰近于超導(dǎo)體區(qū)118。積體超導(dǎo)體裝置100的所得結(jié)構(gòu)包括蜿蜒超導(dǎo)體帶材，所述蜿蜒超導(dǎo)體帶材包含金屬上覆層、金屬結(jié)構(gòu)116和超導(dǎo)體下伏層、超導(dǎo)體區(qū)118。
[0033]如下文所詳述，超導(dǎo)體區(qū)118和經(jīng)變更的超導(dǎo)體區(qū)120的界定可通過與大批量制造相容的各種方法來實(shí)現(xiàn)。因此，用于制造積體超導(dǎo)體裝置100的整個(gè)制程可使用與大批量制造相容的材料、制程和設(shè)備來執(zhí)行。
[0034]圖3A到3E說明用于制造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的積體超導(dǎo)體裝置的示范性階段。在圖3A中，提供襯底基底110以用于沉積一層或數(shù)個(gè)層的集合以形成積體超導(dǎo)體裝置。如所論述，襯底基底110在一些情況下可為單晶體材料，例如硅或藍(lán)寶石。在其他情況下，襯底基底110可為玻璃。襯底基底110可具有與常規(guī)沉積設(shè)備中的處理相容的尺寸。舉例來說，在一個(gè)情況下，襯底為300mm直徑的Si(10)襯底。然而，實(shí)施例在此上下文中并不受限制。
[0035]在圖3B中，層112沉積于襯底基底上(110)。在各種實(shí)施例中，層112可包括多個(gè)層。構(gòu)成層112的構(gòu)成層的數(shù)目和組合物以及此些層的結(jié)構(gòu)可根據(jù)襯底基底(110)的性質(zhì)發(fā)生變化。在一些實(shí)施例中，構(gòu)成層112的單一層或?qū)尤航M可根據(jù)常規(guī)技術(shù)形成。
[0036]圖4A描繪針對(duì)其中襯底400包含由玻璃制成的襯底基底402的實(shí)施例的構(gòu)成層112的示范性層堆疊。如所說明，層404可為氮化硅層(SiN)，沉積所述氮化硅層以與玻璃襯底接觸。在一個(gè)變體中，層404可替代地為Y2O3 ο在這些變體中的任一者中，層404可通過已知方法(例如濺鍍、蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積或其他方法)來沉積。
[0037 ]另一層406 (其可為MgO)沉積于層404上JgO層可充當(dāng)隨后可生長(zhǎng)定向超導(dǎo)體層的晶體模板。特定來說，MgO層可通過離子束輔助沉積(1n beam assisted deposit1n,IBAD)來沉積，所述IBAD可形成具有較佳結(jié)晶定向(紋理)的晶體MgO層。術(shù)語(yǔ)“定向超導(dǎo)體層”如本文中所使用指代具有較佳結(jié)晶定向(例如“c軸”定向)的超導(dǎo)體層。
[0038]在圖4A的實(shí)施例中，另一層408在形成超導(dǎo)體層之前形成于層406上。層408可為外延MgO層，所述外延MgO層在特定條件下生長(zhǎng)以向與層406相對(duì)的層提供較高程度的晶體定向。在一個(gè)情況下，層408可在與用以生長(zhǎng)層406的腔室分離的處理腔室中生長(zhǎng)。舉例來說，層408可在用于化學(xué)氣相沉積的處理腔室中生長(zhǎng)。在一個(gè)變體中，可選外延LaMn03層(圖中未示)可(例如)通過反應(yīng)性濺鍍而沉積于層408上。
[0039]圖4B描繪針對(duì)其中襯底420包含由單晶硅制成的襯底基底422的實(shí)施例的層112的另一變體。在此實(shí)例中，層112可為外延生長(zhǎng)于硅襯底上的單一層。此層的實(shí)例包含CeO2和CaF2，Ce02和CaF2中的每一者具有面心立方螢石晶體結(jié)構(gòu)，其空間群與娃的空間群直接相關(guān)。由于此原因，高度定向或單晶體CaF2或CeO2可生長(zhǎng)于硅上。特定來說，CeO2的晶格參數(shù)顯現(xiàn)與硅的晶格參數(shù)的僅0.35%晶格失配，從而產(chǎn)生直接在硅上生長(zhǎng)CeO2外延層的能力。
[0040]返回圖3B，在本實(shí)施例中，在形成構(gòu)成層112的層或數(shù)個(gè)層之后，層112的頂部表面300呈現(xiàn)用于生長(zhǎng)后續(xù)超導(dǎo)體層的結(jié)晶定向表面。因?yàn)橄路r底基底110可為無晶界的平滑襯底，所以與使用金屬帶材結(jié)構(gòu)的常規(guī)超導(dǎo)體帶材技術(shù)相反，包含頂部表面300的所得層112可呈現(xiàn)用于生長(zhǎng)高度定向超導(dǎo)體層的優(yōu)異模板。
[0041 ]在圖3C中，示出超導(dǎo)體層114在層112上的形成。超導(dǎo)體層114以導(dǎo)致高度定向超導(dǎo)體材料的方式來形成，所述超導(dǎo)體材料使其c軸沿著Z軸對(duì)準(zhǔn)且垂直于襯底基底110的平面(即，如所示出的X-Y平面)。在各種實(shí)施例中，超導(dǎo)體層114由具有化學(xué)式ReBa2Cu3O7-X的超導(dǎo)體材料(本文中也被稱作“ReBCO”)制成，其中Re代表釔或任何稀土元素。在其他實(shí)施例中，超導(dǎo)體層114可為具有通用化學(xué)式Bi2Sr2Can—I Cun02n+4+x的祕(mì)鎖|丐銅氧化物(bismuthstrontium calcium copper oxide，BSCC0);具有通用化學(xué)式ThSnCan-1 Cun02n+4+x的銘鎖I丐銅氧化物(thalIium strontium calcium copper oxide，TSCC0);具有通用化學(xué)式HgSr2Can-1Cun02n+2+x的萊鎖I丐銅氧化物(mercury strontium calcium copper oxide，MSCC0)。實(shí)施例在此上下文中并不受限制。
[0042]超導(dǎo)體層114可通過用于沉積超導(dǎo)體材料的例如反應(yīng)性共蒸發(fā)等常規(guī)制程或通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(metal organic chemical vapor deposit1n，M0CVD)來沉積。實(shí)施例在此上下文中并不受限制。在一些情況下，例如，在超導(dǎo)體114為REBCO材料的狀況下，氧合退火制程可在沉積超導(dǎo)體層114之后執(zhí)行。此情形用來減低ReBCO晶體結(jié)構(gòu)中的“x”的值，使得每單位晶胞中的氧原子的數(shù)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(dǎo)體層114的臨界場(chǎng)增加。
[0043]現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖3D，示出金屬結(jié)構(gòu)116在超導(dǎo)體層114的數(shù)個(gè)部分上的沉積。如圖1A和圖1B中所示出，金屬結(jié)構(gòu)116可為單一連續(xù)金屬線。在各種實(shí)施例中，金屬結(jié)構(gòu)116可通過例如網(wǎng)版印刷、擠出印刷(extrus1n printing)或派鍍等已知技術(shù)來形成。金屬結(jié)構(gòu)116可由銅、銀、銅合金、銀合金形成。在一些實(shí)例中，金屬結(jié)構(gòu)可為雙層結(jié)構(gòu)，其中與超導(dǎo)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(shí)施例在此上下文中并不受限制。超導(dǎo)體層114沿著Z方向的一些示范性厚度的范圍為0.5微米到5微米。金屬結(jié)構(gòu)116的一些示范性寬度dM的范圍為Imm到20mm。如圖1A和圖1B中所說明，金屬結(jié)構(gòu)116可通過具有蜿蜓形狀而界定長(zhǎng)導(dǎo)電路徑。舉例來說，在300mm x 300mm正方形襯底中，具有1mm的寬度dM的蜿蜓金屬結(jié)構(gòu)在一個(gè)情況下可界定4米的導(dǎo)電路徑。在形成金屬結(jié)構(gòu)116之后，在一些實(shí)施例中可執(zhí)行燒結(jié)退火。
[0044]如圖3D中進(jìn)一步說明，金屬結(jié)構(gòu)116用來界定超導(dǎo)體層114的暴露區(qū)302，所述暴露區(qū)302并未被金屬結(jié)構(gòu)116覆蓋。此暴露區(qū)302可用以界定如圖3E中所說明的最終超導(dǎo)體帶材結(jié)構(gòu)。如其中所示出，通過箭頭示意性地示出的能量處置304指向襯底100。能量處置304選擇性地影響暴露區(qū)302，以便將超導(dǎo)體層114的暴露區(qū)302轉(zhuǎn)變成非超導(dǎo)體區(qū)120。同時(shí)，超導(dǎo)體層114的位于金屬結(jié)構(gòu)116下面的部分保持為超導(dǎo)體區(qū)118。
[0045]在一個(gè)變體中，能量處置304涉及將離子導(dǎo)引到襯底100中。將離子作為離子物質(zhì)且以對(duì)于顯現(xiàn)超導(dǎo)體層114有效的離子劑量和離子能量提供到暴露區(qū)302中的非超導(dǎo)材料中，所述暴露區(qū)302并未由金屬結(jié)構(gòu)116覆蓋。舉例來說，針對(duì)在300kV到ImeV范圍內(nèi)的離子能量，氮、硼或其他低原子量離子可植入達(dá)約0.5μπι到Ιμπι的深度。對(duì)植入有此些離子的超導(dǎo)體材料的伴隨損害可延伸到較大深度，例如約I到2μηι。因此，對(duì)于具有在0.5到2μηι的范圍內(nèi)的超導(dǎo)體層厚度的超導(dǎo)體帶材，描繪于圖3Ε中的制程在一些實(shí)施例中可方便地在中間能量或高能量束線離子植入設(shè)備中執(zhí)行。請(qǐng)注意，對(duì)于例如YBa2Cu3O7-X等高溫超導(dǎo)體材料，暴露區(qū)302中的材料不需要非晶化以便對(duì)于那些區(qū)顯現(xiàn)為非超導(dǎo)材料。這是因?yàn)槌瑢?dǎo)性質(zhì)對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)的改變和YBCO材料的化學(xué)計(jì)量法特別敏感。
[0046]有利地是，因?yàn)榻饘俳Y(jié)構(gòu)116的厚度可為大約10到20μπι，所以遮罩安置于金屬結(jié)構(gòu)116下面的超導(dǎo)體區(qū)118不受來自離子的任何損害。因此，導(dǎo)電帶306的相對(duì)小的上部部分可通過離子植入702來變更。此外，甚至足以將暴露區(qū)302轉(zhuǎn)變成非超導(dǎo)材料的離子劑量可僅使金屬結(jié)構(gòu)116的所植入部分中的電阻率略微增加，從而導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)116的總電阻的略微增加。
[0047]在能量處置304的另一變體中，呈傳導(dǎo)加熱、對(duì)流加熱或輻射加熱或其任何組合的形式的熱通量指向襯底110。在一些實(shí)施例中，超導(dǎo)體層114為RBa2Cu3O7-X,其中R為稀土元素。此些材料顯現(xiàn)超導(dǎo)性對(duì)氧化學(xué)計(jì)量學(xué)的強(qiáng)相依性，使得降低氧含量會(huì)使得材料顯現(xiàn)較差超導(dǎo)性或無超導(dǎo)性。此外，此些結(jié)構(gòu)中的氧迀移率相對(duì)較高，使得某些條件下的加熱可產(chǎn)生氧的釋放，從而減少晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)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材料安置于并未由金屬結(jié)構(gòu)116覆蓋的暴露區(qū)302中。經(jīng)覆蓋部分、超導(dǎo)體區(qū)118并未變得耗盡氧，且從而保持為超導(dǎo)體材料。
[0048]一旦暴露區(qū)302變?yōu)榉浅瑢?dǎo)體材料，剩余超導(dǎo)體區(qū)118便界定襯底100內(nèi)的具有金屬結(jié)構(gòu)116的尺寸和形狀的圖案，如圖1Α、1Β和3Ε中所示出。因此，形成提供呈類帶材結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電路徑的積體超導(dǎo)體裝置，所述類帶材結(jié)構(gòu)含有正常導(dǎo)體(金屬結(jié)構(gòu)116)安置于超導(dǎo)體區(qū)118上的層堆疊。然而，不同于獨(dú)立式超導(dǎo)體帶材，類帶材結(jié)構(gòu)積體于例如襯底基底110等襯底內(nèi)。
[0049]在形成超導(dǎo)體帶材104之后，觸點(diǎn)106可形成于超導(dǎo)體帶材104的任一末端處，以充當(dāng)用于將超導(dǎo)體帶材104電連接到其他元件(包含其他積體超導(dǎo)體裝置)的點(diǎn)。
[0050]圖5Α、圖5Β和圖5C描繪在積體超導(dǎo)體裝置的另一實(shí)施例的制造中涉及的其他操作。在此實(shí)施例中，提供介電涂層以覆蓋并平坦化積體超導(dǎo)體裝置100的表面特征以形成平坦化超導(dǎo)體裝置500，如圖5C中所示出。
[0051]在圖5Α中，將介電涂層材料502提供到積體超導(dǎo)體裝置100。介電涂層材料502可為例如氧化硅或其他材料等常規(guī)介電質(zhì)，且可通過化學(xué)氣相沉積制程、濕式化學(xué)制程或其他制程來提供。在圖5Β中，示出介電涂層材料502已經(jīng)沉積并形成覆蓋金屬結(jié)構(gòu)116和非超導(dǎo)體區(qū)120的非平坦涂層506的情況。此非平坦涂層506經(jīng)受通過箭頭示意性地示出的平坦化處置504。平坦化處置在一些實(shí)施例中可選自用于介電材料的已知平坦化處置當(dāng)中。在圖5C中，非平坦涂層506已轉(zhuǎn)變成平坦化涂層508。
[0052]平坦化超導(dǎo)體裝置500可保護(hù)下伏非超導(dǎo)體區(qū)120與超導(dǎo)體區(qū)118的完整性，使得平坦化超導(dǎo)體裝置500可經(jīng)進(jìn)一步方便地處置或處理從而組裝到例如超導(dǎo)故障限流器裝置等其他設(shè)備中。特定來說，平坦化超導(dǎo)體裝置500呈現(xiàn)模組化元件，所述模組化元件可被方便地組裝到含有多個(gè)平坦化超導(dǎo)體裝置500的設(shè)備中。此情形可(例如)通過將多個(gè)平坦化超導(dǎo)體裝置500堆疊于彼此之上且提供平坦化超導(dǎo)體裝置500之間的電連接來實(shí)現(xiàn)。此情形允許限流器的電流路徑被增加到所要長(zhǎng)度以滿足給定故障限流器裝置的要求。
[0053]圖6A和圖6B描繪根據(jù)另一實(shí)施例的積體超導(dǎo)體裝置的相對(duì)側(cè)的平面圖。在此實(shí)施例中，積體超導(dǎo)體裝置600包含第一側(cè)602和與第一側(cè)602相對(duì)的第二側(cè)604，其各自包含積體到積體超導(dǎo)體裝置600中的相應(yīng)超導(dǎo)體帶材606、608。在一些實(shí)施例中，每一側(cè)606、604可使用與針對(duì)圖3A到5C說明的制程集合相同或類似的制程集合來形成。在一個(gè)情況下，第一偵陽(yáng)02可首先經(jīng)處理以形成超導(dǎo)體帶材606，之后以類似方式處理第二側(cè)604以形成超導(dǎo)體帶材608。
[0054]在各種實(shí)施例中，第一側(cè)602上的超導(dǎo)體帶材606可以不同方式電連接到第二側(cè)604上的超導(dǎo)體帶材606。在一個(gè)實(shí)施例中，第一側(cè)602上的超導(dǎo)體帶材606可電連接到第二側(cè)604上的超導(dǎo)體帶材606以便形成單一連續(xù)電流路徑。在另一實(shí)施例中，超導(dǎo)體帶材606可經(jīng)雙股卷繞，超導(dǎo)體帶材608可經(jīng)雙股卷繞且超導(dǎo)體帶材606的圖案相對(duì)于在如圖所示的X-Y平面內(nèi)的超導(dǎo)體帶材608的圖案可為雙股的。以此方式，例如，積體超導(dǎo)體裝置600可呈現(xiàn)故障限流器的極低電感元件。
[0055]盡管上述實(shí)施例已明確地示出了以蜿蜒圖案布置以形成超導(dǎo)體帶材的導(dǎo)電帶的實(shí)例，但在其他實(shí)施例中，不同圖案可用以形成積體超導(dǎo)體裝置。舉例來說，導(dǎo)電帶可以各種非線性圖案布置，其中非線性圖案指代并未以單一直線布置的帶。非線性圖案的實(shí)例包含螺旋圖案或其他復(fù)雜圖案。
[0056]本文中所包含的是表示用于執(zhí)行所揭示的超導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的新穎方面的示范性方法的流程圖。雖然出于解釋簡(jiǎn)單的目的，本文中(例如)以流程圖或流程框圖的形式示出的一或多種方法經(jīng)示出并描述為一系列動(dòng)作，但應(yīng)理解并了解，方法不受動(dòng)作次序限制，這是由于一些動(dòng)作可根據(jù)描述內(nèi)容以不同次序發(fā)生，和/或與不同于本文中所示出并描述的動(dòng)作的其他動(dòng)作同時(shí)發(fā)生。此外，對(duì)于新穎實(shí)施方案，并非說明于方法中的所有動(dòng)作可被需要。
[0057]圖7描繪與各種實(shí)施例一致的示范性制程流程圖700。在框702中，晶體層堆疊沉積于襯底基底上。晶體層堆疊在不同實(shí)施例中可包含一或多個(gè)層。晶體層堆疊可(例如)包含非晶體層。然而，晶體層堆疊經(jīng)配置以使得頂部層為結(jié)晶定向?qū)?。特定來說，頂部層可經(jīng)定向以在其上提供超導(dǎo)體層的c軸生長(zhǎng)的模板。
[0058]在框704處，定向超導(dǎo)體層沉積于晶體層堆疊之上。在各種實(shí)施例中，此定向超導(dǎo)體層為HTS材料，例如包含ReBC0、BSSC0、MSSC0或TSSCO的分層氧化物。
[0059]在決策框706處，如果超導(dǎo)體層的氧合被需要，那么流程行進(jìn)到框708，在框708處，執(zhí)行氧退火制程。流程接著行進(jìn)到框710。如果氧合不被需要，那么流程直接行進(jìn)到框710。
[0060]在框710處，呈導(dǎo)電帶的形式的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)沉積于襯底上。特定來說，導(dǎo)電帶沉積于超導(dǎo)體層的表面上。導(dǎo)電帶可形成導(dǎo)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(dǎo)電帶材可為例如銅或銀等金屬，且在不同實(shí)施例中可為雙層銅和銀。此夕卜，導(dǎo)電帶可為前述材料的合金。
[0061]流程接著行進(jìn)到其中執(zhí)行燒結(jié)退火的框712。隨后，在框714處，以在暴露區(qū)中形成超導(dǎo)體層的非超導(dǎo)體區(qū)的方式處置超導(dǎo)體層的并未被導(dǎo)電帶覆蓋的暴露區(qū)。此處置的實(shí)例包含退火以耗盡具有氧或離子植入的超導(dǎo)體層的暴露區(qū)以損害或變更超導(dǎo)體層的暴露區(qū)。
[0062]在框716處，介電層沉積于襯底上，所述襯底可充當(dāng)囊封劑以保護(hù)導(dǎo)電帶以及可為非超導(dǎo)體材料的超導(dǎo)體層的暴露區(qū)。此外，如果執(zhí)行了另一平坦化制程，那么介電層可充當(dāng)平坦化層。
[0063]總的來說，本實(shí)施例提供優(yōu)于其中超導(dǎo)體帶材經(jīng)制造為獨(dú)立式帶材結(jié)構(gòu)的常規(guī)超導(dǎo)體帶材技術(shù)的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，帶材結(jié)構(gòu)到大區(qū)域平滑襯底的積體提供用于制造具有可重現(xiàn)性質(zhì)的超導(dǎo)裝置的更強(qiáng)健制程。此部分歸因于此些襯底相較于用作常規(guī)超導(dǎo)體帶材的襯底的金屬帶材的平滑性。此外，積體超導(dǎo)體裝置可以用于大批量制造(例如超導(dǎo)體制造)的常規(guī)處理設(shè)備制造，且可使用例如硅晶片、藍(lán)寶石晶片、玻璃襯底等常規(guī)襯底。另夕卜，超導(dǎo)體裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)可便利地通過簡(jiǎn)單地使金屬結(jié)構(gòu)的布局發(fā)生變化(例如)通過使金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖案、金屬結(jié)構(gòu)的寬度、鄰近金屬結(jié)構(gòu)線之間的間距等等發(fā)生變化來調(diào)整。此外，超導(dǎo)體裝置的積體性質(zhì)允許超導(dǎo)體帶材元件容易地受常規(guī)鈍化制程保護(hù)，且允許個(gè)別襯底以簡(jiǎn)單方式連接到總成中而無復(fù)雜連接。再者，包含頂部層介電涂層的積體設(shè)計(jì)使超導(dǎo)體帶材結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性增加，包含超導(dǎo)體帶材結(jié)構(gòu)到其襯底的粘著。此進(jìn)一步提供用于調(diào)諧超導(dǎo)體帶材的金屬部分的電阻和超導(dǎo)體層的臨界電流的便利系統(tǒng)，此舉可導(dǎo)致效能增加。
[0064]本發(fā)明的范圍不應(yīng)受本文所描述的特定實(shí)施例限制。實(shí)際上，對(duì)于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明的其他各種實(shí)施例和對(duì)本發(fā)明的修改將變得從前述內(nèi)容和隨附圖示顯而易見(除本文所描述的那些實(shí)施例和修改外)。因此，此些其他實(shí)施例和修改意欲屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，盡管本發(fā)明已出于特定目的而在特定實(shí)施方案的上下文中在特定環(huán)境中描述了本發(fā)明，但一般所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的效用不限于此，并且本發(fā)明可出于許多目的有利地在許多環(huán)境中實(shí)施。因此，隨文所闡述的權(quán)利要求書應(yīng)鑒于如本文中所描述的本發(fā)明的完整廣度和精神來解釋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種積體超導(dǎo)體裝置，其包括: 襯底基底； 安置于所述襯底基底上且包括較佳結(jié)晶定向的中間層； 安置于所述中間層上的定向超導(dǎo)體層；以及 導(dǎo)電帶，其安置于所述定向超導(dǎo)體層的一部分上以在其下方界定所述定向超導(dǎo)體層的超導(dǎo)體區(qū)，和鄰近于所述超導(dǎo)體區(qū)的所述定向超導(dǎo)體層的暴露區(qū)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的積體超導(dǎo)體裝置，其中所述導(dǎo)電帶包括蜿蜒圖案。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的積體超導(dǎo)體裝置，其中所述定向超導(dǎo)體層的所述暴露區(qū)包括有缺陷的超導(dǎo)體材料，所述有缺陷的超導(dǎo)體材料為非超導(dǎo)體。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的積體超導(dǎo)體裝置，其中進(jìn)一步包括安置于所述導(dǎo)電帶和所述暴露區(qū)上的保護(hù)性涂層。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的積體超導(dǎo)體裝置，其中所述襯底包括第一側(cè)和第二側(cè)，其中所述導(dǎo)電帶沉積于所述第一側(cè)上，所述積體超導(dǎo)體裝置進(jìn)一步包括: 安置于所述襯底基底上的所述第二側(cè)上的第二中間層，所述第二中間層包括較佳結(jié)晶定向； 安置于所述第二中間層上的第二定向超導(dǎo)體層；以及 第二導(dǎo)電帶，其安置于所述第二定向超導(dǎo)體層的一部分上以在其下界定所述第二定向超導(dǎo)體層的第二超導(dǎo)體區(qū)，和所述第二定向超導(dǎo)體層的鄰近于保護(hù)區(qū)的所述第二定向超導(dǎo)體層的第二暴露區(qū)，其中所述第二導(dǎo)電帶電連接到所述第一導(dǎo)電帶。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的積體超導(dǎo)體裝置，其中所述第一導(dǎo)電帶和第二導(dǎo)電帶包括雙股卷繞結(jié)構(gòu)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的積體超導(dǎo)體裝置，其中所述第一導(dǎo)電帶和第二導(dǎo)電帶相對(duì)于彼此為雙股的。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的積體超導(dǎo)體裝置，其中所述襯底基底為單晶硅，且其中所述中間層包括外延CeO2SCaF2t39.根據(jù)權(quán)利要求1所述的積體超導(dǎo)體裝置，其中所述襯底基底包括玻璃材料，且其中所述中間層包括具有較佳結(jié)晶定向的MgO層。10.一種形成超導(dǎo)體裝置的方法，其包括: 將具有較佳結(jié)晶定向的晶體層沉積于襯底上； 在所述晶體層上形成包括定向超導(dǎo)體材料的定向超導(dǎo)體層； 沉積具有非線性圖案的導(dǎo)電帶；以及 處置所述定向超導(dǎo)體層的未由所述導(dǎo)電帶覆蓋的暴露部分，以將所述暴露部分轉(zhuǎn)變成非超導(dǎo)體材料。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的形成超導(dǎo)體裝置的方法，其中進(jìn)一步包括提供呈蜿蜒圖案的所述導(dǎo)電帶。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的形成超導(dǎo)體裝置的方法，其中進(jìn)一步包括使所述襯底退火以在所述暴露區(qū)中形成非超導(dǎo)體材料。13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的形成超導(dǎo)體裝置的方法，其中進(jìn)一步包括將保護(hù)性涂層沉積于所述導(dǎo)電帶和所述暴露區(qū)上。14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的形成超導(dǎo)體裝置的方法，其中所述襯底包括第一側(cè)和第二側(cè)，其中所述導(dǎo)電帶沉積于所述第一側(cè)上，所述方法進(jìn)一步包括: 在所述第二側(cè)上將第二中間層沉積于所述襯底基底上，所述第二中間層包括較佳結(jié)晶定向； 將第二定向超導(dǎo)體層沉積于所述第二中間層上； 將第二導(dǎo)電帶沉積于所述第二定向超導(dǎo)體層的一部分上以在其下界定所述第二定向超導(dǎo)體層的第二保護(hù)區(qū)，和鄰近于保護(hù)區(qū)的所述第二定向超導(dǎo)體層的第二暴露區(qū)；以及將所述第二導(dǎo)電帶電連接到所述第一導(dǎo)電帶。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的形成超導(dǎo)體裝置的方法，其中進(jìn)一步包括提供所述第一導(dǎo)電帶和所述第二導(dǎo)電帶各自作為雙股卷繞導(dǎo)電帶。
【文檔編號(hào)】H01L21/768GK105849888SQ201480071549
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2014年11月10日
【發(fā)明人】康妮·P·王, 保羅·墨菲, 保羅·沙利文
【申請(qǐng)人】瓦里安半導(dǎo)體設(shè)備公司