Технические науки Ионно-плазменная технология нанесение буферных слоев с биаксиальной

Технические науки
УДК 538.945
Ионно-плазменная технология нанесение буферных слоев с биаксиальной
текстурой для производства лент высокотемпературных сверхпроводников
Кацай Александр Владимирович,
кандидат философских наук, генеральный директор
корпорация "Русский сверхпроводник"
Москва, Варшавское шоссе, 46
e-mail: rhsc@rhsc.ru
Пашенцев Владимир Николаевич,
кандидат физико-математических наук, доцент
Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”
115409, г. Москва, Каширское ш., 31.
e-mail: pashentsev2001@mail.ru
Аннотация. Инновационным направлением развития энергосберегающей
электроэнергетики является применение сверхпроводниковых трансформаторов, кабелей и магнитных накопителей. Для изготовления электрооборудования используются сверхпроводящие ленты на основе многослойных покрытий. Первый текстурированный буферный слой, на который наносят
слой сверхпроводника YBCO, значительно влияет на качество ленты. В работе приведены вакуумно–плазменные технологии нанесения буферного слоя
на ленту. Применение магнетрона вместо распыляющего ионного источника
значительно увеличит скорость нанесения буферного слоя.
Ключевые слова: высокотемпературный сверхпроводник, ВТСП, буферный
слой, биаксиальная текстура, магнетрон.
Ленты на основе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения (ВТСП–2), у которых температура перехода выше температуры жидкого азота, являются главным компонентом для производства сверхпроводя-
щих силовых электрических кабелей, мощных трансформаторов, электродвигателей, электрогенераторов, быстродействующих ограничителей тока и магнитных накопителей энергии. Минимальные потери энергии в сверхпроводящих электрических кабелях позволяют экономить энергию при ее передаче от
поставщика к потребителю. Применение сверхпроводников для производства
мощных трансформаторов, электродвигателей и генераторов даст возможность уменьшить их габариты и вес в несколько раз.
Сверхпроводящую ленту получают путем нанесения многослойных
пленочных покрытий на тонкую металлическую ленту толщиной 50–100 мкм
[1]. Это покрытие имеет несколько слоев (см. рис. 1): буферный, слой сверхпроводника на основе YBCO (YBa2Cu3O7-δ), тонкий защитный слоя серебра
и шунтирующий слой меди, на который переключается ток, если нарушено
условие сверхпроводимости. Тонкопленочное сверхпроводящее покрытие
имеет слои различной толщины: буферный слой на основе MgO или YSZ (оксид циркония, стабилизированный иттрием) имеет толщину от 35 нм до 1
мкм, толщина сверхпроводящего слоя 1–3 мкм, толщина слоя серебра и меди
~ 0,5 мкм и 40 мкм соответственно.
Cu
Ag
YBCO
Буферный слой
Лента
Cu
Рис 1. Многослойная структура сверхпроводящей ленты.
Архитектура слоев сверхпроводящей ленты и технологии их изготовления существенно отличаются у различных компаний, разрабатывающих оборудование для производства лент. Для нанесения многослойных покрытий
используются:
тонкопленочная
вакуумно-плазменная
технология
PVD
(physical vapor deposition), лазерное осаждение PLD (pulsed laser deposition),
технология MOD (metal organic deposition) и MOCVD (metal organic chemical
vapor deposition) [2].
В архитектуре сверхпроводящего покрытия буферный слой имеет ключевое значение. Основной задачей при формировании буферного слоя является создание биаксиальной текстуры на поверхности, при которой кристаллы
практически одинаково ориентированы по двум осям кристаллической решетки (см. рис. 2). На гибкой металлической ленте одинаково ориентированные кристаллы формируют секционированную монокристаллическую поверхность, на которую эпитаксиально осаждается слой сверхпроводника
YBCO [3,4]. Лучше всего создается текстура в буферных слоях на основе
MgO и YSZ, в состав которых входит еще несколько тонких слоев, улучшающих
текстуру
поверхности.
Многослойные
буферные
покрытия
CeO2/YSZ/CeO2, Y2O3/YSZ/CeO2, MgO/LaMnO3 имеют вспомогательные
слои CeO2, Y2O3, LaMnO3, которые исключают влияние материала ленты на
сверхпроводник и согласуют параметры кристаллических решеток буферного
и сверхпроводящего слоев. Чем лучше текстурирован буферный слой и осажденный на него сверхпроводящий слой, тем больше критический ток, который может протекать по сверхпроводящей ленте.
1
2
Рис.2. Биаксиальная текстура буферного слоя:
1 – металлическая лента; 2 – буферный слой.
Для нанесения буферного слоя применяются различные PVD методы:
 метод ионного ассистирования IBAD (ion beam assisted deposition) –
осаждение пленки с одновременной ее бомбардировкой ассистирующим ионным пучком от отдельного ионного источника (см. рис. 3);
 метод нанесения покрытия на ленту, когда она находится под некоторым углом по отношению к плазменному потоку (ISD – inclined
substrate deposition).
Для
этих
целей
используются
электронно-лучевое
испарение
(см. рис. 4а), магнетронное распыление (см. рис. 4б) и импульсное лазерное
осаждение покрытий.
1
4
3
2
MgO
Рис.3. Нанесение буферного слоя методом ионного ассистирования (IBAD):
1 – лента; 2 – мишень, распыляемая ионным пучком;
3 – распыляющий ионный источник; 4 – ассистирующий ионный источник.
1
1
YSZ
MgO
2
3
а)
б)
Рис.4. Нанесения буферного слоя на наклонную ленту (ISD):
а) электронно-лучевое испарение; б) магнетронное распыление;
1 – лента; 2 – электронная пушка; 3 – магнетрон.
Ионные пучки являются эффективным средством для формирования
текстуры в приповерхностном слое различных материалов. Бомбардировка
поверхности ионами с энергией частиц в сотни электронвольт, на которую
одновременно осаждается поток атомов из плазменного источника, значительно влияет на рост пленки и формирование в ней упорядоченной текстуры.
Для нанесения покрытий методом IBAD (см. рис. 3) используются два ионных
источника и распыляемая мишень, которая находится под лентой. Пучок из
одного ионного источника распыляет мишень, из которой выбитые атомы
осаждаются на ленту. Другой источник, расположенный под углом 450–550 к
ленте, обеспечивает бомбардировку растущей пленки ионами с энергией 800–
1000 эВ. Распыление ионным пучком мишени позволяет перенести стехиометрию материала мишени на подложку с минимальными изменениями. Для
ионного ассистирования применяются высокочастотные линейные ионные
источники с сеткой или ионные источники Кауфмана с термокатодом. На подвижность атомов, осаждаемых на поверхность ленты, влияет не только ионная бомбардировка, но и температура ленты. При низкой температуре подвижность атомов ограничена, поэтому формируется пористая колончатая
текстура пленки. Существует оптимальная температура подложки, при которой создается упорядоченная биаксиальная текстура.
Однако оборудование для IBAD технологии является дорогим, иногда
составляя почти половину от общей стоимости технологической установки.
Скорость процесса распыления мишени ионным пучком является низкой по
сравнению с магнетронным распылением [5]. Для снижения затрат на производство лент с текстурированным буферным слоем, наносимым по технологии IBAD, предлагается использовать альтернативную технологию на основе
магнетрона, имеющего высокую скорость напыления, более простую конструкцию и стоимость. В схеме напыления на ленту, которая показанна на
рис.3, мишень 2 и ионный источник 3 могут быть заменены магнетроном.
Также возможно использование схемы нанесения покрытия на наклонную
ленту (см. рис. 4б).
Себестоимость производства ВТСП-2 ленты будет уменьшена, если количество переходных слоев в буферном слое будет минимальным. Более выгодно наносить все слои, используя одинаковую технологию и оборудование.
Производительность выпуска сверхпроводящих лент может быть увеличена,
если наносить многослойное покрытие на более широкие металлические ленты шириной 4 см или 10 см с последующим разрезанием ленты на более узкие
ленты шириной 4 мм для производства сверхпроводящих кабелей.
Литература
1. Токонесущие ленты второго поколения на основе высокотемпературных
сверхпроводников / Под ред. А. Гояла; Пер. с англ.; Ред. пер. А.Р. Кауль. –
М., ЛКИ. 2009. – 432 с.
2. Shiohara Y., Yoshizumi M., Yutaka et al. Present status and future prospects of
coated conductor development in Japan // IEEE Trnas. on Applied Superconductivity. 2007. N2. P.3227–3230.
3. Matias V., Gibbons B.J., Findikoglu A.T. et al. Continuous fabrication of
IBAD–MgO based coated conductors // IEEE Trnas. on Applied Superconductivity. 2005. V15. P.2735–2738.
4. Wang C.P., Do K.B., Beasley M.R., et al. Deposition of in–plane textured MgO
on amorphous Si3N4 substrate by ion–beam–assisted deposition and comparisons with ion–beam–assisted deposited yttria–stabilized–zirconia // Appl. Phys.
Lett. 1997. 71. P.2955-2958.
5. Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии. – М., Высш. Шк. 1988. – 255 c.