(57)【要約】超電導体テープの形成方法は、基板上に超電導体層を堆積するステップと、前記超電導体層の表面上に第１の金属よりなる金属層を形成するステップと、前記金属層内に合金種を注入し、前記合金種の注入後に前記第１の金属が金属合金を形成するステップとを含む。
2017500698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導体テープを形成する方法であって、
基板上に超伝導体層を堆積するステップと、
前記超電導体層の表面上に第１の金属よりなる金属層を形成するステップと、
前記金属層内に合金種を注入し、前記合金種の注入後に前記第１の金属が金属合金を形成するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記金属層と前記超電導体層を前記基板上に第１のパターンを規定するパターン化された積層体として設けるステップをさらに備える、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記基板は金属テープを備え、前記方法は前記注入ステップ中に前記金属テープを前記合金種のイオンを含む注入領域中を連続的に引くステップを更に備える、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記基板は、基板ベースと、好ましい結晶方位を有する材料よりなる中間層とを備える、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記金属層を前記注入後にアニールするステップを更に備える、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記合金種は前記金属に対して０．１％から３０％のモル比率をなす、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記合金種を注入するステップは、第１組の条件の下で第１の注入を実行するステップと、第２組の条件の下で第２の注入を実行するステップとを備え、前記第２組の条件は前記第１組の条件と、種の種類、イオンエネルギー又はイオンドーズ量のうちの少なくとも一つが相違する、請求項１記載の方法。
【請求項８】
超電導体テープを処理する方法であって、
前記超電導体テープを超電導体層と金属層とを備える自立テープとして準備するステップと、
イオンを注入領域内に第１の方向に沿って向けるステップと、
前記超電導体テープを前記第１の方向に対して垂直の引き軸に沿って前記注入領域中を引き、前記金属層にイオンを照射するステップと、
を備える、方法。
【請求項９】
前記超電導体テープを前記注入中に第１の真空室内の第１のリールと第２の真空室内の第２のリールとの間で引くステップを更に備える、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記超電導体テープ近傍の前記イオンのイオンドーズ量を測定するステップと、
前記引くステップの速度を前記測定イオンドーズ量に基づいて調整するステップと、
を更に備える請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記超電導体テープを冷却ローラに沿って引くことによって、前記超電導体テープを引く間に冷却するステップを更に備える、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記注入中に前記超導電体テープの抵抗率測定を実行するステップと、
前記測定された抵抗率に基づいて前記テープの速度を調整するステップと、
を更に備える、請求項８記載の方法。
【請求項１３】
前記注入中に前記イオンと前記金属層との間の反応を促進するのに有効なガス種を前記注入領域に導入するステップを更に備える、請求項８記載の方法。
【請求項１４】
前記金属層は前記超電導体層の第１の面に配置された第１の金属層であり、前記超導電体テープは前記超導電体層の第２の面に配置された第２の金属層を備え、前記超導電体テープは前記第１の金属層がイオンに暴露されるとき第１の向きであり、前記方法は更に、
前記超電導体テープの向きをひっくり返し、前記第２の金属層がイオンに暴露されるようにするステップと、
前記超導電体テープを前記ドロー領域に沿って引くステップと、
を備える、請求項８記載の方法。
【請求項１５】
テープをイオン注入するためのイオン注入装置であって、
イオンビームを第１の方向に沿って案内する注入チャンバと、
前記注入チャンバの第１の側に配置され、第１のリールを収容する第１の真空室と、
前記注入チャンバの前記第１の側と反対の第２の側に配置され、第２のリールを収容する第２の真空室とを備え、前記第１及び第２のリールが前記テープを前記第１の方向に対して垂直の方向に前記イオンビーム中を引くように相互動作する、
テープイオン注入用イオン注入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導体材料、特に超電導体テープの製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超電導（ＨＴＳ）装置、例えばＨＴＳテープの合成には、ＨＴＳテープを構成する複数の物質の複合積層体を形成する必要性を含む多くの課題がある。従来の超電導体テープでは、超電導体層が鉄材とし得る基層で支持される。超電導体層の基層とは反対側の上面に、障害発生時に電流伝導路を与えるシャント金属層が形成される。ＳＣＦＣＬに障害が生じると、超電導層により得られる有限抵抗値のために、ＳＣＦＣＬの正常動作中に殆どもっぱら超電動体層を流れる電流が超電導体層と接触する金属層へと流れ、これらの金属層は今は抵抗性の超電導体層より低い抵抗値を示す。障害状態中にこれらの金属層を流れる電流は抵抗加熱を生じ、ＨＴＳテープに２００℃以上の温度を発生し得る。この高温の結果として、金属表面の粗面化並びに酸化が局所スポット又は金属層界面に生じ、金属層の劣化をもたらし、ＨＴＳテープの寿命を短縮し得る。
【０００３】
他方、大きな電圧降下を超電導体テープの長さに沿って作用するようにするため、ＨＴＳテープの金属層のシート抵抗を増加させるのが好ましい。これは原理的には銀等の金属層の厚さを減少させることによって達成することができるが、厚さの減少はＨＴＳテープの寿命を短縮し得る凝集又は他の劣化に対する脆弱性の増加をもたらす。従って、超電導体テープのシャント金属層の特性をロバスト性が向上するように調整するのが望ましい。これらの及び他の考察から、このような改良が必要とされている。
【発明の概要】
【０００４】
この概要は、発明を実施するための形態において以下にさらに記載される複数の概念の抜粋を簡略化された形で導入すべく提供される。この概要は、請求項に記載される主題の複数の主要な特徴または複数の不可欠な特徴を特定することが意図されるものでなく、請求項に記載される主題の範囲の決定を補助することが意図されるものでもない。
【０００５】
一実施形態において、超電導体テープの形成方法は、基板上に超電導体層を堆積するステップと、前記超電導体層の表面上に第１の金属よりなる金属層を形成するステップと、前記金属層内に合金種を注入し、前記合金種の注入後に前記第１の金属が金属合金を形成するステップと、を含む。
【０００６】
別の実施形態において、超電導体テープを処理する方法は、前記超電導体テープを超伝導体層と金属層を備える自立テープとして準備するステップと、イオンを注入領域内に第１の方向に沿って向けるステップと、前記超電導体テープを前記第１の方向に垂直の引き軸に沿って前記注入領域中を引き、前記金属層にイオンを照射するステップと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】本発明によるイオン注入装置の代替実施形態の上面図を示す。
【図１Ｂ】本発明によるイオン注入装置の代替実施形態の上面図を示す。
【図１Ｃ】テープをイオン注入する例示的なエンドステーションの上面図を示す。
【図１Ｄ】テープをイオン注入する例示的なエンドステーションの端面図を示す。
【図２】図２Ａは、本開示の一実施形態による超電導体テープのイオン注入を示す。図２Ｂは、本開示の一実施形態による超電導体テープのイオン注入を示す。図２Ｃは、ポスト注入アニール後の超電導体テープの微細構造を示す。図２Ｄは、本開示の一実施形態による別の超電導体テープの注入後の例示的な構造を示す。
【図３】図３Ａは、銀層に注入された異なる注入種に対する例示的な注入プロファイルを示す。図３Ｂは、銀層に注入された異なる注入種に対する例示的な注入プロファイルを示す。図３Ｃは、銀層に注入された異なる注入種に対する例示的な注入プロファイルを示す。
【図４Ａ】代替実施形態によるイオン注入後の超電導体テープの微細構造を示す。
【図４Ｂ】代替実施形態によるイオン注入後の超電導体テープの微細構造を示す。
【図４Ｃ】代替実施形態によるイオン注入後の超電導体テープの微細構造を示す。
【図４Ｄ】代替実施形態によるイオン注入後の超電導体テープの微細構造を示す。
【図５Ａ】他の実施形態による例示的な集積超導電体テープの側断面図を示す。
【図５Ｂ】他の実施形態による例示的な集積超導電体テープの端面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明をいくつかの実施形態を示す添付図面を参照して更に詳述する。しかしながら、本発明は、多くの異なった形態に具体化することが可能であり、本明細書に示す実施形態に限定されるものと解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本発明を完全かつ完璧に、さらに当業者に対してシステムと方法の範囲を充分に伝えられるように提供されるに過ぎない。図面において、同様の要素は同様の番号によって参照する。
【０００９】
上述した超電導体テープ中の欠陥の一部に対処するために、超電導体テープの改良された構造並びに超電導体テープの改良された形成方法を提供する実施形態が開示される。これらの実施形態は、超電導体層と金属層を基板上に堆積された積層体に集積した改良された装置も提供する。
【００１０】
従来の超電導体テープの製造問題に対処するために、本発明は特に多層超電導体テープ等の装置に使用される改良された金属層及びその形成方法を提供する。様々な実施形態において、イオン注入を用いて超電導体テープ等のデバイスの金属層を処理してその金属層の機械的及び熱的安定性並びに所望の抵抗率等の特性を調整する。特に、イオン注入を用いて前記金属層中に金属合金材料を生成し、前記金属層にいくつかの所望の特性の組み合わせを与えることができる。
【００１１】
本発明において、超電導体テープ構造内へのイオン注入は、所望のエネルギー及び種のイオンを注入するのに好適な任意の装置、例えばビームラインイオン注入装置、で実行することができる。以下で詳述するように、超電導体テープ構造は、自立超電導体テープ、樽巻きテープ、又はシリコンウェハ又はガラスプレート等の剛性平坦基板に集積されたテープ構造とすることができる。様々な実施形態では、以下で詳述されるように、新しいイオン注入装置は超電導体テープを高速に処理するように構成され、多量生産と適合する。
【００１２】
図１Ａは、超電導体テープ構造内へのイオン注入を実行するために使用し得るビームインラインイオン注入装置（イオン注入装置）１００の主要部を示す上面図である。イオン注入装置１００の様々な要素は、イオン源１０２、分析マグネット１０４、スキャナ１０６、コリメータ１０８、及び注入チャンバ１１０を含む。イオン注入装置１００は、イオンビーム１１２を生成し、イオンビーム１１２を基板１１４に送出するように構成される。図１Ａに示す特定の構成は中電流のイオン注入に特に適している。しかしながら、実施形態はこの文脈で限定されない。イオン源１０２、分析マグネット１０４、質量分析スリット（図示せず）を含むイオン注入装置１００の種々の要素の動作は周知であり、これらの要素の更なる説明は省略する。しかしながら、図１Ａに一般的に示されるように、イオンビーム１１２は図に示す直交座標系のＸ方向に幅広のイオンビームとして供給してもよい。イオンビーム１１２は、例えば基板１１４に図に示すようなイオンビーム１１２を与えるように走査されるスポットビームとしてもよい。別の実施形態では、イオン注入装置は高電流イオン注入装置としてもよく、イオンビーム１２はリボンビームとしてもよい。本実施形態では、基板１１４は超電導体としてもよい。いくつかの他の実施形態では、基板１１４は剛性の平坦基板、例えばシリコンウェハ、ガラス板、サファイヤウェハ等としてもよい。注入チャンバ１１０は他の構成要素（図示せず）、例えば基板段、基板ハンドラ、ヒータ、センサ、及び他の既知の構成要素を含んでもよい。
【００１３】
以下に述べるように、イオン注入装置１００は、超電導体テープとその超電導体の表面に堆積された金属層を含む集積超電導体テープを含む超電導体テープ構造を有する基板をイオン注入するために使用することができる。金属層のイオン注入は超電導体テープの製造プロセスの一部分として実行することができる。様々な実施形態では、金属層は、例えば基板が障害電流制限器の構成要素として動作する障害状態時に電流を流すように設計されたシャント金属層として作用し得る。シャント金属層のイオン注入はシャント金属層の耐久性を改善するのみならず、シャント金属層の抵抗率を所望の範囲に調整することができる。
【００１４】
以下で詳述するように、特定の実施形態では、イオン注入装置１００は超電導体テープのような自立テープを処理するためのイオン注入チャンバ１１０の内部に隣接して配置された追加の装置を含むことができる。これらの実施形態では、超電導体テープのシャント金属層又は他の金属層をイオン注入するために超電導体テープをイオン注入チャンバ１１０内に送給してイオンビーム１１２に暴露することができる。
【００１５】
イオン注入がイオン注入装置１００内で実行された後、基板１１４に様々な追加の処理、例えばシャント金属層の外面への別の金属層の堆積並びに基板１１４のアニーリング等、を実行することができる。第２の金属層の堆積はシャント金属層を保護するため及び超電導体層及びシャント金属層の安定性を向上させるために利用し得る。
【００１６】
図１Ｂは図１Ａのイオン注入装置１００の変形例を示す。この変形例では、イオン注入装置１２０は注入チャンバ１１０の両側に配置された第１の真空室１２２及び第２の真空室１２４を含む。第１の真空室１２２は第１のリール１２６を収容し、第２の真空室１２４は注入チャンバ１１０中をＸ軸に平行な方向に沿ってテープ１３０を引くように相互動作する第２のリール１２８を収容する。イオンビーム１１２が注入チャンバ１１０内に存在するとき、第１のリール１２６及び第２のリール１２８はイオンビーム１１２を横切ってテープ１３０を引くように相互動作するため、イオンはテープの上流側表面をインターセプトする。従って、テープ１３０が超電導体テープである実施形態では、イオンビーム１１２をテープ１３０の外表面上に配置された金属層に注入することができる。
【００１７】
図１Ｃ及び図１Ｄは、超電導体テープのイオン注入に使用し得るエンドステーションアセンブリ１５０の下流側の上面図及び端面図をそれぞれ示す。この実施形態では、エンドステーションアセンブリ１５０はイオン注入チャンバ１５２を含み、このチャンバ中をイオンビーム１１２がＺ軸に平行な伝搬方向１５４に沿って伝搬する。図に示すように、テープ１３０はイオンビーム１１２の伝搬方向１５４に垂直のＸ軸に平行に延在するように向けることができる。テープ１３０はまた、Ｘ軸に平行な方向１３２に沿って引くことができる。テープ１３０のイオン注入はイオンビーム１１２の幅Ｗで決まる注入領域１３４に位置するテープ１３０の部分に対して行われる。図１Ｄに示すように、テープの幅ＷＴは、イオンビーム１１２がテープ１３０の幅全体をインターセプトし得るようにＹ軸に平行な方向に沿うビームの高さＨＢより小さくすることができる。図１Ｃに更に示すように、エンドステーションアセンブリ１５０はテープ１３０が注入チャンバ１５２中を引かれるときテープを案内する一連のローラ１３６，１３８，１４０，１４２を含む。
【００１８】
いくつかの実施形態では、イオン注入中に、イオンビーム１１２のビーム電流と注入領域１３４中を引かれるテープ１３０の速度を、テープ１３０が注入領域１３４を移動する際にテープ１３０の所定の部分に決められたドーズ量のイオンが注入されるように設定することによって、決められたドーズ量のイオンを注入することができる。他の実施形態では、以下で詳述するように、注入プロセスの調整をテープ１３０の注入中にリアルタイムに実行可能にするために、その場モニタリングを実行してイオンビーム１１２又はテープ１３０又はその両方を測定することができる。例えば、注入チャンバ１５２はセンサ又はファラデーセンサ１４４として示すようなファラデーカップ型センサ等のセンサを含むことができる。ファラデーセンサ１４４はビーム電流をモニタするために注入チャンバ１５２内の様々な位置に配置することができる。いくつかの実施形態では、ファラデーセンサ１４４は、例えばＸ軸に平行な方向１４６に沿って移動可能にしてもよい。他の実施形態では、注入チャンバ１５２は他のセンサ（図示せず）、テープ１３０の抵抗率を測定するプローブ、テープ１３０の温度を測定する熱センサ、渦電流測定装置、又は他の非接触センサを含むことができる。これらのセンサは制御システム１６０に結合することができ、この制御システムは注入装置の構成要素、例えばイオンビーム１１２及びリール１２６，１２８の動作を制御するように構成された複数のコントローラを含むことができる。
【００１９】
動作中に、テープ１３０をリール１２６，１２８の間でイオンビーム１１２中を単方向に又は往復方向に複数回引き動かしてイオン照射を達成することができる。イオン注入中に、ファラデーセンサ１４４等のセンサは一以上の位置におけるイオンドーズ量を測定することができる。イオンドーズ量はテープ１３０に沿った位置の関数として計算できる。一例では、可動ファラデーセンサ１４８は方向１４６に沿って移動可能であり、ビームブロッカを含むことができる。ファラデーセンサ１４４，１４８はイオンビーム１１２に対するテープ１３０の位置を決定するために用いて、例えば図１Ｄに示すようにイオンビームがテープ１３０を確実にインターセプトするようにし得る。ファラデーセンサ１４４，１４８は、テープ１３０が注入チャンバ１５２内に存在するとき及び存在しないときに測定を実行することによってテープ１３０に照射されるイオン量を計算するために使用することもできる。特定の実施形態では、ファラデーセンサ１４８は方向１４６に沿ってテープ１３０の全域のイオンドーズマップを決定することができる。
【００２０】
様々な追加の実施形態では、ローラ１３６，１３８，１４０，１４２を用いてテープ１３０の温度を調整することができる。例えば、一実施形態では、テープ１３０が方向１３２の方へ引かれるとき、極低温冷却のような冷却をローラ１４０，１４２に与えてテープ１３０を冷却することができる。これによりテープ１３０はイオン注入中にイオンビーム１１２を横切って引かれる際に過熱しないようにすることができる。この実施形態では、ローラ１３６，１３８は、テープ１３０がリール１２６に巻き取られるとき室温に戻るように積極的に加熱してもよいし、単に冷却なしにしてもよい。テープ１３０がリール１２６からリール１２８へ引かれるときは、ローラ１４０，１４２を加熱するとともにローラ１３６，１３８を冷却することができる。
【００２１】
様々な実施形態では、テープ１３０に正しいイオンドーズ量を与えるためにリール１２６，１２８の回転速度を変化させてテープ１３０の速度を変化させることができる。特定の実施形態では、このテープ速度の変化はファラデーセンサ１４４，１４８のような電流センサから得られるリアルタイム測定量に応答させることができる。
【００２２】
テープ１３０が最初に図１Ｄに示すように左から右へ引かれる様々な追加の実施形態では、テープ１３０の抵抗率をローラ１４０及び１４２の間で測定して、テープ１３０の抵抗率をイオン注入前に決定することができる。例えば、ローラ１４０及び１４２も、そしてローラ１３６及び１３８も、テープ１３０と接触するとともに互いに電気的に絶縁されていて電気抵抗測定を容易に行い得る２つの別々の領域を含む。他の実施形態では、テープ１３０が左から右へ引かれるシナリオを仮定すると、テープ１３０の抵抗率をローラ１３６及び１３８の間でリアルタイムに測定して、テープ１３０の抵抗率をイオン注入後に決定することができる。
【００２３】
一実施形態では、テープ１３０のリアルタイムの抵抗率測定は注入プロセスの閉ループ制御のフィードバック入力として使用することができる。例えば、多くの場合、シャント金属層に注入された注入種は金属層の抵抗率を増加させる。従って、テープ１３０の測定抵抗率の増加はテープ１３０が受けたイオンドーズ量を推定するために使用し得る。より直接的には、テープ１３０の測定抵抗率は注入完了後に達成されるべき目標テープ抵抗率と比較することができる。一つの特定の実施形態では、テープ１３０の抵抗率の変化又は実際の抵抗率値のリアルタイム測定量を用い、テープ１３０の目標抵抗率変化又は目標抵抗率に基づいて、注入完了時を決定することができる。
【００２４】
他の実施形態では、非接触又は接触熱センサ（図示せず）によって複数点でテープ１３０の温度測定を実行することができる。特定の実施形態では、温度測定量は制御システム１６０に、ローラ１３６，１３８，１４０，１４２に供給する加熱及び冷却を調整する入力として送信することができる。これは、テープ１３０の温度が注入中適切な温度に維持されるとともに巻き取りリール１２６又は１２８に巻き取られる際に適切な温度になるようにするために使用される。他の実施形態では、ＷＲＴの長さを制御システムに対して較正するためにイオンビーム１１２を遮断するかイオンビームのより大きな部分又はより小さな部分をファラデーセンサ１４４，１４８に暴露する機能（図示せず）をテープ１３０に付加もしくは生成することができる。
【００２５】
いくつかの実施形態では、フィードバック入力を制御システム１６０に送信し、イオン注入条件に基づいて、テープ１３０等のテープの組成を既知の相平衡状態図に対して決定することができる。例えば、金属層に導入される銀等の注入種の量に応じて、注入中の金属層の総合組成は単相領域内か多相領域内に入る。ある場合には、注入中の金属層を、金属層の安定性を高める第２の相を導入するように変更するのが望ましい。したがって、テープ１３０に注入された測定総イオンドーズ量等の測定入力は、所定の場合におけるテープ１３０の組成を決定し、そのテープ１３０の組成が所望の２相領域内に位置するように変更されているかどうかを決定するために、制御システム１６０で使用することができる。また、組成の感受性指標であるその場測定抵抗率は、十分なイオンがテープ１３０に注入され、それが所定の場合に所望の２相領域にあるかどうかを決定するために使用することもできる。適切なプロセス変更が応答して行われる。
【００２６】
さらに他の実施形態では、イオンビーム１１２に加えて、ガス種（図示せず）を注入チャンバ１５２内に導入することができる。注入チャンバ１５２内へのガス種の導入は、注入中における注入種とテープ１３０との化学的相互作用を達成するために使用することができる。
【００２７】
いくつかの実施形態では、制御システム１６０はテープ１３０におけるイオンビーム１１２を調整するために他のビームラインコンポーネントに結合することができる。例えば、注入チャンバ１５２に近接配置された静電レンズ（図示せず）を用いてビームがテープ１３０をインターセプトする際のビーム幅Ｗを増大又は減少することができる。他の追加の実施形態では、ポジショニングシステムを用いて、ビームラインのグリッチを考慮して、ビームを一時的にスイッチオフしてテープ１３０に注入ギャップを生成し得るように、テープ位置を調整することができる。他の実施形態では、リール１２６，１２８及びロール１３６，１３８，１４０，１４２は、テープ１３０を注入装置から取り出す必要なしにテープ１３０の両面がイオンビーム１１２に照射され得るようにテープ１３０をひっくり返すように構成された回転可能なテープドライブシステムを構成することができる。
【００２８】
本実施形態によれば、超電導体層と該超電導体層に隣接した金属合金層とを含む超電導体テープが提供され、前記金属合金層は超電導体層上に金属層が配置されたときその金属層にイオンを注入することによって形成される。上述したように、超電導体テープはシリコンウェハ又はガラス基板などの剛性平面基板に集積することができ、自立テープ又は樽巻きテープとすることができる。
【００２９】
図２Ａ及び２Ｂは超電導体テープ２００の注入ステップの側断面図を示す。超電導体テープ２００はベース金属層２０２、バッファ層２０４、超電導体層２０６及び金属層２０８を含む。
【００３０】
いくつかの実施形態では、ベース金属層２０２、バッファ層２０４及び超電導体層２０６は超電導体テープの製造技術分野で知られている通常の積層体を構成する。ベース金属層２０２は、例えばスチール層とし得る。バッファ層２０４は、超電導体層とベース金属層との相互作用を防ぐとともに結晶学的に配向した超電導体層成長用の結晶性テンプレートを提供するように構成された単層又は多層とし得る。超電導体層２０６は、一般式ＲｅＢａ２Ｃｕ３０7-x（ここではＲｅＢＣＯとも呼ばれる）（ここでＲｅはイットリウム又は任意の希土類元素の略）；一般式Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａn-1ＣｕｎＯ2n+4+xのビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（ＢＳＣＣＯ）；一般式Ｔｌ２Ｓｒ２Ｃａn-1ＣｕｎＯ2n+4+xのタリウムストロンチウムカルシウム銅酸化物（ＴＳＣＣＯ）；一般式ＨｇＳｒ２Ｃａn-1ＣｕｎＯ2n+2+xの水銀ストロンチウムカルシウム銅酸化物（ＢＳＣＣＯ）等の超電導体材料とすることができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、限定されないが、金属層２０８は銀とすることができる。銀は高い導電性を有し、電流制限用途に使用し得る超電導体テープのシャント金属として使用するのに適している。金属層２０８の層厚は金属層２０８が銀であるいくつかの実施形態において０．１μｍから３μｍの間とし得る。特定の実施形態では、銀層は酸素を含み得る。
【００３２】
図２Ａに示すように、イオン２１０は金属層２０８に向けられる。金属層２０８の厚さに応じて、イオン２１０のイオンエネルギーを必要に応じ調整して金属層２０８内に所望のドーズ量のイオン２１０を注入し、図２Ｂに示すようにイオン２１０の注入の完了後に注入された金属層２１２を得ることができる。以下で詳述するように、イオン２１０は金属層２０８の材料と金属合金を形成する合金化種として選択することができ、金属層２０８の特性は合金種の性質と、注入された金属層２１２内の合金種の濃度と分布により部分的に決まる。注入後、注入された金属層２１２は、少なくとも超電導体テープ用に重要な特性、例えば耐エレクトロマイグレーション性、金属層と超電導体層との接触抵抗、耐凝集性及び他の特性において、（注入されてない）金属層２０８と比較して優れた性能を示す。
【００３３】
イオン２１０を構成するイオン種又はイオン種の組み合わせ並びにイオンエネルギー及びドーズ量は達成すべき所望の特性の組み合わせに従って調整することができる。様々な実施形態では、金属層２０８に注入する適切な種には、Ｚｎ，Ｓｎ，Ｚｒ，Ｔａ，Ａｓ，Ｇｅ，Ｃ，Ｂ，Ｎ，Ｐが含まれる。いくつかの実施形態では、複数の注入を実行することができ、第２の注入における第２組の条件は第１の注入における第１組の条件と、イオン種、イオンエネルギー又はイオンドーズ量の少なくとも一つが相違する。従って、種々の実施形態では、上述の元素を単独で又は任意の数の他の元素と組み合わせて、一連のイオン注入を実行することによって注入することができる。他の実施形態では、同一の元素の複数の注入を、イオンエネルギー又はイオンドーズ量が異なる注入条件の下で実行して、注入される種のプロファイルを調整することができる。当業者に認識されるように、異なる種の注入は注入金属の異なる微細構造をもたらし、注入された金属層の特性に異なる影響を与える。様々な実施形態では、イオン２１０の注入は金属層２０８の原金属材料が主要相を構成する金属合金を生成するのに有効である。いくつかの実施形態では、注入された金属層２１２の総合組成はイオン２１０に由来する合金化種の割合が０．１〜３０原子パーセントであり、残りの９９．９〜７０原子パーセントが原金属材料であるものとし得る。実施形態はこの文脈で限定されない。
【００３４】
様々な実施形態では、イオン注入条件はイオン種及び金属層の材料並びに金属層の厚さに従って調整することができる。図３Ａ−３Ｃは銀層内への様々な種のイオン注入の計算結果を示し、注入された種の濃度を銀層の表面からの深さの関数として（注入プロファイル）として示す。図３Ａにおいて、１５０ｋｅＶ（曲線３０２）及び５００ｋｅＶ（曲線３０４）のエネルギーにおける銀層への砒素注入のシミュレーションの結果が示されている。図に示すように、砒素は１５０ｋｅＶで約２５０ｎｍの深さにおいてピーク濃度に達し、４００ｋｅＶで約４００ｎｍの深さにおいてピーク濃度に達する。図３Ｂは、５０ｋｅＶ（曲線３１２）、１５０ｋｅＶ（曲線３１４）、３００ｋｅＶ（曲線３１６）でのホウ素注入の結果及びこの３つの注入エネルギーの合成（曲線３１８）が示されている。図３Ｃは、５０ｋｅＶ（曲線３２２）、１５０ｋｅＶ（曲線３２４）、３００ｋｅＶ（曲線３２６）での炭素注入の結果及びこの３つの注入エネルギーの合成（曲線３２８）が示されている。曲線３１８及び３２８の結果から明らかなように、各イオン種に対して示されるそれぞれ３つの注入を実行することによって〜４５０ｎｍの銀層内にホウ素及び炭素の均一な分布を達成することができる。これらの結果は一例にすぎないが、銀等の金属層内に平坦な注入プロファイルを達成するためにどのように複数のイオン注入を利用できるかを説明している。
【００３５】
銀が主要相を形成し、金属層２０８を代表するＡｇシステムを考察すると、異なる注入イオン種に従って生じ得る代表的な微細構造を室温における平衡相図からのデータに基づいて以下で説明する。砒素の注入の場合には、砒素の原子パーセントが約３％以下であるとき、銀結晶構造内の銀サイトで置換する砒素イオンを有する単相銀材料の固溶体が生じ得る。ゲルマニウムの注入の場合には、注入された銀層は、Ａｇ内へのＧｅの無視し得る固溶度及び化合物形成の欠如のために２相領域を形成し得る。同じことが銀内への炭素及びホウ素の注入にあてはまり、化合物を形成することは知られておらず、銀内への炭素又はホウ素の固溶度は無視し得る。
【００３６】
銀内へのＮ又はＰの注入の場合には、どちらの注入種もＡｇ内への固溶度を示さないが、各注入種は銀と金属間化合物を形成することが知られている。従って、例えば、銀層内の数十分の一パーセントから数パーセントまでの注入された金属層２１２の全Ｎ又はＰ濃度において、銀金属をＡｇ３Ｎ又はＡｇ２Ｐ化合物の分散第２相を含むマトリクス材として含有する２相微細構造が生成され得る。合金を形成する銀内への他の適切なイオン注入の例にはＳｎ及びＺｎがある。例えば、１５％未満のＳｎ又はＺｎの原子濃度において、これらの合金の各々は銀と単相固溶体を形成する。追加の実施形態では、Ｚｒ又はＴａを銀層内に注入して銀合金層を形成することができる。５０％までのＺｒの原子濃度において、２元化合物ＡｇＺｒが純粋（面心立方）銀相と混合された２相金属微細構造が生じ得る。
【００３７】
様々な実施形態では、注入後にポスト注入アニールプロセスを実行し、金属層内の注入イオンの再分布を生じさせることができる。いくつかの実施形態では、アニール温度を２００℃から５００℃の間で変化させ、アニール持続時間を１分から６０分の間で変化させることができる。実施形態はこの文脈で限定されない。例えば、注入中の超電導体テープ２００の温度に応じて、イオンは注入後の金属マトリクス内の孤立原子又は小さなクラスタとして分布され得る。この分布は非平衡微細構造を表し得る。アニール後、注入された種はクラスタ内へ分離するか、金属層２０８と反応して金属層２０８の材料と平衡化合物を形成し得る。得られる形成可能な相は、注入された種の総合濃度に応じて、金属層２０８を形成する初期材料のマトリクス内に分散される相を含む。注入された種はまた、固溶体が可能である場合には、金属層２０８の材料の格子サイトで置換原子として分解することができ、また異なる領域、例えば金属層２０８の上面または底面で分離される相を形成することができる。
【００３８】
図４Ａ−４Ｄは、様々な実施形態による金属テープへの注入およびアニール後に得られる種々の微細構造を示す。各場合において、金属テープ構造は、基板ベース４０２、バッファ相４０４及び超電導体層４０６を含む。各場合において、元素銀等の合金でない金属層が超電導体層４０６の上面に形成されていると仮定してもよい。図４Ａには、金属層が均一な金属合金層４０８に変換された超電導体テープ４００の微細構造の一例が示されている。図４Ｂには、金属層が表面金属合金層４１２と超導電体層４０６に隣接して位置する界面金属層４１４とに変換された超電導体テープ４１０の微細構造の一例が示されている。この微細構造は、例えば注入種が初期金属層の表面部分にのみ注入されるようなイオン注入エネルギーの場合に得られる。図４Ｃには、金属層が表面金属層４２４と界面金属合金層４２２とに変換された超電導体テープ４２０の微細構造の一例が示されている。この微細構造は、例えば注入のピークが金属層の表面の十分下に位置するようなイオン注入エネルギーの場合に、又は自由エネルギーの考察が純粋金属材料の表面領域への分離を支持する場合に、得られる。図４Ｄには、超電導体テープ４３０が界面金属合金層４３２と表面金属合金層４３６との間に挟まれた金属層４３４を含む微細構造の一例を示す。この場合も、このような層の分布は注入された合金化種の初期注入深さ及び自由エネルギーの考察に基づいて進めることができる。
【００３９】
図２Ｂに戻り説明すると、注入種のタイプ、注入種の濃度、及びもしあれば実行すべきポスト注入アニールは、注入された金属層２１２の所望の最終特性に基づいて選択することができる。所望の特性は注入された金属膜の最終微細構造に直接依存し得る。いくつかの実施形態では、合金化種、即ちイオン２１０は、注入された金属層２１２の抵抗率を増加させ、注入された金属膜に電流制限装置の性能に適した抵抗値を誘起し得るように選択することができる。他の実施形態では、合金化種は金属層２０８の金属材料のマトリクス内で金属間化合物を第２の相として形成する傾向に基づいて選択することができる。金属間化合物相がホストマトリクス内に均等に分散された晶子として偏析するとき、得られる膜の熱安定性は増加し得る。
【００４０】
他の例では、化合物相は上述したように注入された層の表面で偏析する傾向があり得る。本発明の実施形態によれば、図２Ｃは金属層２０８へのイオン注入及びポスト注入アニール後の超電導体テープ２００の微細構造の一例を示す。この例では、ポスト注入アニールは、酸素含有環境でのアニールを含む。図に示されるように、超電導体層２０６と金属層２０８との間に界面層２２０が形成される。イオン２１０がＺｎイオンである一つの特定の例では、界面層２２０は、超電導体層２０６と注入された金属層２１２との間に低い接触抵抗を与える亜鉛リッチな銀酸化物材料とすることができる。図２Ｃの注入された金属層２１２は図２Ｂのものと相違し得る。例えば、図２Ｃの注入された金属層２１２は、超電導体層２０６の界面に亜鉛リッチな銀酸化物が形成されるため、図２Ｂより低いＺｎ濃度を有し得る。加えて、さらに図２Ｃに示すように、超電導体テープ２００の外表面上に表面層２２２が形成される。この表面層２２２は一例では亜鉛リッチな金属層とし得る。
【００４１】
超電導体テープの他の実施形態では、イオン２１０は下位層である超電導体層２０６の特性を向上させる種、例えばＺｒ又はＴａとすることができる。いくつかの実施形態では、Ｚｒ又はＴａが銀層に注入され、約０．５％から１０％のモル濃度を生成して金属合金層を形成する。実施形態はこの文脈で限定されない。例えば、酸素含有環境を用いて３００℃又はそれ以上の温度でアニールすると、注入された金属層２１２内の最初に注入されたＺｒ又はＲａ種が超電導体層２０６の少なくとも一部分と反応し得る。Ｚｒ又はＴａとの反応は超電導体層内に磁束ピン止め中心を生成するのに有効なＺｒＢａＯｘ又はＴａＢａＯｘ等の沈殿層を形成することができ、これはタイプII超電導体に観察される磁束クリープを阻止するのに望ましい。
【００４２】
追加の実施形態によれば、第２の金属層をシャント金属として使用される金属層の上に堆積することができる。図２Ｄは金属層２３２の外表面上に金属保護層２３０が形成された実施形態を示している。いくつかの実施形態では、金属保護層２３０は２μｍから３０μｍの範囲の厚さにし得る。金属保護層２３０は様々な実施形態において銅又は銅合金とすることができ、超電導体テープ２００の下位層を保護するように作用する。特定の実施形態では、金属保護層２３０は、金属層２０８をイオン注入しアニールした後に形成することができる。図２Ｄの例において、金属層２３２はイオン注入及びアニール後の金属層２０８を示す。この場合には、金属層２３２としては、ホスト金属（注入されていない金属層２０８の金属材料）内に注入された種の固溶体か、ホスト金属と注入種からなる金属間化合物のホスト金属内の分散体の２つの例を挙げることができる。
【００４３】
他の実施形態では、金属層２０８は金属保護層２３０の形成前にイオン注入するが、注入された金属層のアニールは金属保護層２３０の形成後まで延期することができる。更に他の実施形態では、金属層２０８のイオン注入を金属保護層２３０の形成後まで延期することができる。
【００４４】
シャント金属層と金属保護層を含む２相の金属積層体が超電導体層上に堆積される更に他の実施形態では、各金属層を別々にイオン注入して層特性を制御することができる。例えば、Ａｇ／Ｃｕ積層体の実施形態では、銀シャント層を上で概説した方法の一つに従ってイオン注入することができる。その後銅層を、ポスト注入アニールを銀層に実行する前又は後に、銀層の上に堆積することができる。その後銅層をその特性を変更するためにイオン注入することができる。いくつかの実施形態では、銅層に導入された注入種は、銅層の粒子成長、粗面化及び／又は凝集を低減するのに有効な合金化元素とすることができる。有効な合金化元素の例は、銅と固溶体を形成するＳｎ，Ｚｎ及び他の元素及び沈殿相を形成し得るＺｒ，Ｔａ及び他の元素を含む。合金化元素の選択は合金化元素により達成される銅層の所望の抵抗率に部分的に基づいて行うことができる。例えば、銅と固溶体を形成する元素の添加は純粋銅層に比較して比較的小さい抵抗値の増加をもたらし得るが、沈殿を形成する元素の添加は比較的大きな抵抗値の増加をもたらし得る。
【００４５】
様々な実施形態では、合金化元素の注入は超電導体テープの超電導体層上に配置される金属層のシート抵抗の増加を設計するのに有効である。これは超電導体テープの単位長さ当たりの電圧降下を増加させ、よって所定のＳＣＦＣＬに要求される超電導体テープの長さを低減するのに有用である。銅／銀２層システムの銅層への合金化元素の取り込みはシート抵抗を増加させるのに２つの方法が有効であり得る。まず、銅上層は超電導体層と接触する銀下層の多数倍の厚さにし得ることに注意されたい。いくつかのテープ構造では、例えば銅層は約２０μｍの厚さを有し、銀層は１μｍの厚さを有する。従って、純粋な銅及び純粋な銀は同等の抵抗率を有するため、Ｃｕ／Ａｇ積層体のシート抵抗は銅上層のシート抵抗によって支配される。この点を考慮して、様々な実施形態では、銅層の抵抗率を増加させるためにＺｒ等の合金化元素を添加することができる。
【００４６】
第２に、Ｚｒ等の所定の元素と合金化されたときに銅上層に与えられる凝集又は他の望ましくない層変化に対する抵抗性の増加によって、他の実施形態では、超電導体テープの銅の全層厚を減少させることができる。例えば、いくつかの実施形態では、１０μｍの厚さを有する銅合金を超電導体テープの障害電流を流すための上層として使用することができる。例えば数バーセントから約２０パーセントまでの適切な量のＺｒの添加によって、１０μｍ厚の銅層は２０μｍ厚の純粋な銅膜のような厚い層を粗面化するのに有効な高い温度条件の下で粗面化又は凝集に耐えることができる。
【００４７】
様々な実施形態では、イオン注入をシリコンウェハ又はガラス板などの平坦基板内に集積された超電導体テープ構造の金属層に実行することができる。このような構造では、イオン注入及びポスト注入アニールを上述したように進めることができる。しかしながら、イオン注入中に、イオンは金属を含まない基板の領域に注入され得る。特に、超電導体テープ構造は蛇行ライン等のパターンを規定するパターン化された積層として基板上に形成された金属層及び超電導体層を含み得る。
【００４８】
図５Ａ及び図５Ｂは、集積超電導体装置５００内に一体的に形成された超電導体テープ５０２を含む集積超電導体装置５００へのイオン注入の側断面図及び平面図をそれぞれ示す。特に、図５Ａは図５Ｂに示す線分Ａ−Ａ’に沿った断面を示す。超電導体テープ５０２は、図に示すように基板ベース５０４上にバッファ層５０６を形成し、その後超電導体層５０８及びシャント金属層５１０を形成することによって形成される。いくつかの実施形態では、超電導体層５０８及びシャント金属層５１０は、ブランケット層として形成し、続いてブランケット層をリソグラフィ技術でパターン化し、エッチングして図５Ｂに示す蛇行パターンを形成することによって形成することができる。超電導体テープ５０２が形成されると、集積超電導体装置５００は特に図５Ｂに示すようにイオンビーム１１２に暴露させるためにビームラインの注入装置内に設置される。イオンビーム１１２（リボンビームとして示されている）は、集積超電導体装置５００の表面全体がイオンに暴露されるように、方向５１２に沿って走査される。図に示すように、バッファ層５０６及びシャント金属層５１０の暴露部分はイオン注入され、イオンビーム１１２が方向５１２に沿って走査されるにつれて注入領域５１４を形成する。特に、バッファ層５０６は所望のシャント金属層５１０へのイオンの注入中に変更され得る。しかし、動作時に電流は超電導体テープ５０２の蛇行構造により規定される通路に沿って流れるため、バッファ層５０６の変更は超電導体テープ５０２の性能に影響を与えない。従って、イオン注入中に受けたバッファ層５０６の暴露部分の特性の変化は超電導体テープ５０２の性能に影響を与えない。
【００４９】
追加の実施形態では、シャント金属層内へのイオン注入は基板へのテープ構造の形成前に行うこともできる。例えば、バッファ層、超電導体層及びシャント金属層をこの順序でシリコン等の基板ベースにブランケット層の積層体として形成することができる。次に、積層体のシャント金属層を概して図５Ａ−５Ｂに示されるようにイオン注入するが、注入前に積層体をパターン化しない。ブランケット積層体を注入後にアニールしてもよい。その後、図５Ｂに示すようなテープパターンを規定するためにリソグラフィ及びエッチングを実行することができる。
【００５０】
本開示は、本明細書に記載された特定の実施形態によって範囲を限定されるものではない。実際に、本明細書に記載された実施形態に加えて、本開示の他の様々な実施形態および変更は、前述の記載および添付図面から当業者には明らかであろう。したがって、このような他の実施形態および変更は、本開示の範囲内に含まれるものと意図している。さらに、本開示は、特定の環境における特定の目的のための特定実装の文脈にて本明細書中で説明したが、当業者は、その有用性はそれらに限定されるものでなく、本開示はいくつかの環境におけるいくつかの目的のために有益に実装し得ることを認識されるであろう。従って、以下に記載する請求項は本明細書に記載された本開示の全範囲及び精神に鑑みて解釈されるべきである。
【図１Ａ】
2017500698.tif 000003
【図１Ｂ】
2017500698.tif 000004
【図１Ｃ】
2017500698.tif 000005
【図１Ｄ】
2017500698.tif 000006
【図２−１】
2017500698.tif 000007
【図２−２】
2017500698.tif 000008
【図３−１】
2017500698.tif 000009
【図３−２】
2017500698.tif 000010
【図４Ａ】
2017500698.tif 000011
【図４Ｂ】
2017500698.tif 000012
【図４Ｃ】
2017500698.tif 000013
【図４Ｄ】
2017500698.tif 000014
【図５Ａ−５Ｂ】
2017500698.tif 000015
【国際調査報告】
2017500698.tif 000016
2017500698.tif 000017