2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of compact superconducting magnetic energy storage devices for volume demand based on the silicon microfabrication technology
| Project/Area Number |
19H02195
|
|---|
| Research Institution | Nagoya University |
|---|
Principal Investigator |
元廣 友美 名古屋大学, 未来社会創造機構, 客員教授 (20394421)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
盧 柱亨 関東学院大学, 総合研究推進機構, 教授 (50313474)
佐々木 実 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70282100)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 超電導コイル / 電力貯蔵 / シリコンウェハ / トレンチ / MOD法 / 銅酸化物高温超電導薄膜 / シリコン微細加工プロセス / 銅めっき |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
Si基板上に微細加工した平面螺旋状トレンチ内に,埋め込み成膜した超電導薄膜コイルの蓄電応用を目指し、NbNスパッタ膜で埋め込み超電導平面螺旋コイルを実現した技術を基に、YBCO膜で高性能化を目指す。臨界電流密度の高いc-軸配向YBCO膜は、酸素含有率により超電導転移温度が大きく変化するため高温での酸素アニールが必要で、通常、単結晶SrTiO3上に形成される。Si上ではSiのYBCO膜への拡散により特性の良いYBCO膜を得ることは難しい。そこで、YSZ（100）配向スパッタ膜，次いでCeO2（100）配向スパッタ膜を形成、これをバッファ層とし、さらにYBCO膜をスパッタ成膜した後、MOD法を用いたディップコート法によりYBCO膜を成膜し、超電導転移温度Tc=45.5Kのa,c-軸混合配向膜を得た。単結晶SrTiO3上でもTc=50K前後のa,c-軸混合配向膜が報告され、酸素アニール時酸素分圧を下げて、Tc=90Kのc-軸配向膜が得られていることから、焼成・酸素アニール条件を検討し、Siウェハ上でのTc= 90Kのc-軸配向膜の実現を目指した。スパッタ成膜時の基板加熱機構を改良した上，2×3 cmサイズの試料の焼成・酸素アニール処理ができる環状炉を用い、これまで47通りの焼成・アニール条件を試したが、未だ良好な条件に至らず検討継続中。一方，平面螺旋トレンチ形成Si基板に京大・土井研でMgB2膜を成膜して頂き，超電導転移確認後，関東学院大を介して，CMP処理により埋め込みコイルを形成したが，CMP時のスラリーでMgB2膜が劣化してしまった．豊田工大で乾式研磨を試みたが，成功せず．一方，臨界電流密度の磁場依存性を取り入れた蓄電容量の計算予測を行い，従来SMESのサブWh/Lレベルから，電気二重層キャパシタを超えて10数Wh/Lレベルが実現できることを確認し，論文として発表した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
R1年度初頭の実験室移転・再立ち上げに3か月を要した．さらに，スパッタYBCO膜成膜時に従来設定していた基板温度670℃の再現ができず，補助ランプヒータを増やして加熱機構を再設計の上，追加導入した．さらに，真空計の故障が2度発生し，この修理・代替に時間を要した．しかし，R1年度2月までにこの状況を脱し，現在は680℃-710℃での成膜が可能になった．R2年度は，コロナ禍の学内規制のため，6月下旬より実験を再開した．11月以降，学内でのコロナ感染者発生数の多寡に応じて，自主規制を繰り返しながら，実験を進めた．実験を行えない日は，臨界電流密度の磁場依存性を取り入れた蓄電容量の予測計算を継続し，1年間かけて成果を論文にまとめ，R2年度3月に発表した．実験は，単一スパッタ源の装置のため，基板加熱を要する，SiウェハへのYSZ，CeO2，YBCO成膜を各一日，計3日で行い，できた試料を12-15個に分割，基板とした．このうち，2-6枚につき，1日を要するYBCOのMODディップコートと仮焼を3回（3日）繰り返した．本焼成も各条件設定のもと，1試料1日を要した．極低温超電導特性評価は1度に試料2点，1日を要して3.4Kまで冷却し行った．この手順で，これまで，47熱処理条件の検討を行ったが，未だTc=90Kのc-軸配向膜実現に至っていない．なお，R2年度12月京都の国際会議ISS2019で上記蓄電容量の計算の予備検討につき発表した際，京大・土井(俊哉)教授と新たに交流し、豊田工大作成の平面螺旋トレンチSi基板に土井研でMgB2膜を成膜、関東学院大に送り化学機械研磨（ＣＭＰ）を実施してMgB2平面螺旋コイルを試作した。しかし，MgB2膜は湿気に弱く，スラリーを用いるCMPで劣化し，Siウェハ埋め込み超電導コイルの実現には至らなかった．豊田工大にて乾式法でCMP代替を試みたが，不成功．
|
| Strategy for Future Research Activity |
現在の環状炉は，長さ1m，内径6cmの石英管の両端をテフロン栓で封止し，その一つに熱電対と銅管を貫通させて，Ar:酸素混合比をマスフローメータで調節して環状炉内に導入，ガス置換により空気と置換し，他端のテフロン栓に挿入した銅管から，室内に排気していた．そこで一旦、真空排気した上で、好適な酸素濃度条件で焼成・酸素アニールできる真空雰囲気炉を導入した．さらに今後，Siウェハ埋め込み超電導コイルの実現には，４インチSiウェハ上に豊田工大にて平面螺旋溝を形成した基板全体にMOD膜を形成，均一温度で熱処理する必要があり，上記真空雰囲気炉の炉内サイズは，4インチSiウェハがそのまま入る大きさとした．基礎検討段階でも，ディップコートと仮焼をウェハまるごと行えるようになり，これを複数試料に分割すれば，条件検討を加速できるので，これを用いて焼成・アニール条件探索を加速する。また，Arと酸素の混合ガスの真空雰囲気炉からの排出は水槽内に導いて行い，排気を目視で確認できるようにし，大気からの逆流も防ぐようにした．
Tc=90Kのc-軸配向膜が見つかれば、MEMS加工により平面螺旋状トレンチを形成した4インチSiウェハ上へのMOD成膜、焼成・酸素アニールを実施した上、後工程の関東学院大学で開発しているYBCO膜を腐食しない中性（pH6～pH8）のめっき液を用いたCuめっき、CMP処理を行って、超電導Siウェハコイルを実現し、超電導磁気エネルギー貯蔵特性を評価する。さらに、豊田工大で用意した貫通穴加工を施した2枚の超電導Siウェハ積層コイルをウェハ接合技術により直列接続するための要素技術の確立を行い、多層積層Siウェハコイルの実現への道筋をつける。また，豊田工大では市販超電導リボンを加工して超電導コイルを作る方法も検討し、前段階として銅箔を加工してコイルを作る技術を確立している。
|
