MEMS技術を用いた超小型超電導磁気エネルギー貯蔵素子

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26289074
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 元廣 友美 名古屋大学, グリーンモビリティ連携研究センター, 教授 (20394421)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 杉本 憲昭 株式会社豊田中央研究所, その他部局等, 研究員 (60394714)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 電気エネルギー貯蔵 / 超伝導 / 薄膜 / MEMS / SMES / 電力機器 / Li二次電池 / コイル

Outline of Annual Research Achievements

(1)　４インチSiウェハ用に幅５μ,1100ターンの螺旋状パターンのフォトマスクを作成し, A,B,２タイプのスパッタ成膜法によるNbN薄膜超電導コイルを作成した. Aタイプはリフトオフ法を用いてウェハ上に作成した膜厚420nmの平面型コイル, Bタイプは反応性イオンエッチングを用いたBosh法により幅５μ,深さ５μの螺旋状トレンチを形成した後、NbN薄膜を形成, さらにメッキ法により銅でトレンチを充填した後, ウェハ表面のNbN薄膜, Cuメッキ膜を化学機械研磨法により除去したものである.
(2)　半導体評価システムおよび４インチSiウェハ100枚の積層体を４Kまで均一に冷却できる５W冷凍機クライオスタットを導入, 極低温用トランスバースホール素子も組み込み, 超電導コイル特性評価システムを立ち上げた.
(3)　Aタイプの内側100ターン分について８Kで臨界電流値1.12mA, 3.9Kで臨界電流値1.55mAを観測した. 4.2Kで電流１mAのとき, 発生磁場4.3μTを実測し, 磁気エネルギー貯蔵量を電流値から1.41nJと見積もった. Bタイプの内側300ターン分について４Kで臨界電流値10mA, 発生磁場62μTを実測し, 磁気エネルギー貯蔵量を電流値から490nJと見積もった.
(4)　4インチSiウェハに幅60μ, 深さ300μのトレンチ80本を並列接続し, これを300枚積層（厚さ30cm）積層し, これを磁場の向きを上下に反転させて組み合わせた場合, 液体窒素あるいは液体水素冷却下で, 最大1.4KWh/ﾘｯﾄﾙの磁気エネルギー貯蔵密度となると算定した. これはLi二次電池の現状目標値の2倍以上, 理論限界も上回る. ただし, このとき電磁力によりトレンチ壁にかかる応力は1.9GPaと, Siの材料力学的耐力４GPに迫り詳細な形状設計が必要になると予測された.

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

Siウェハ上に薄膜超電導コイルを形成し, 極低温化での磁気エネルギー貯蔵特性を評価できる評価システムを整備した上で, 超電導臨界電流値を実測し, その範囲内での磁場発生の実測, 磁気エネルギー貯蔵量を計測したので, 基本的な原理実証はできたといえる.
しかし, これは全1100ターン分のコイルのうち, 内側の100ターン, あるいは300ターン分でしかない. 平面タイプ（Aタイプ）の場合, 膜厚を厚くし臨界電流値内での電流値を増やしたいが, 完全なリフトオフを達成できず, 100ターン分しか健全なコイルが形成できなかった. そこで本命はトレンチ埋め込みタイプ（Bタイプ）と考えているが, Bタイプにおいても, スパッタNbN膜成膜とその後の銅メッキにより, ウェハ全体が反り, 化学機械研磨時にウェハ中心付近と外縁付近で研磨程度に不均一が生じ, 薄膜コイルに断線が生じるなど問題点が浮かび上がってきた. 特に,１枚のウェハ上に多数の素子が形成される場合と違い, 本件は１ウェハが１素子のため一か所でも断線等の欠陥があると超電導コイルが完成しないという脆弱さがある. このため, 当初目標としたSiウェハ1枚全体での薄膜超電導コイルの実現は未達成である.
また,トレンチ内へのスパッタ成膜技術は, コリメート法等確立された方法があるが, 実施してみると, MEMS法の応用とはいえ, 微小なMEMS素子とは異なり, ４インチSiウェハ全体にわたり均一で十分な成膜速度でNbNをトレンチ内に堆積することはなかなか難しいことが判明した. そこで, 到達性能の高さを考慮すると, このトレンチ内NbNスパッタ成膜技術を完成させるより, 早い段階でトレンチ内に湿式法による銅系酸化物高温超伝導材料を配向充填する方法を検討するほうが良策と判断される.

Strategy for Future Research Activity

H26年度に実施したスパッタNbN薄膜超電導コイルによる原理実証、そのための実験設備、実験技術の整備・習得を踏まえ、H27年度は湿式法による銅系酸化物高温超伝導材料によるトレンチ埋め込み超電導コイルを実現するための基礎技術を構築する. この技術は既に多くの研究機関で確立されているが, ノウハウが多く, 自前での確立が不可欠である. 特に銅系酸化物高温超伝導材料では, 適度な不純物の導入とともに結晶配向性により高い臨界電流密度が達成されるが, これをトレンチ内でどう実現するかが課題となる.
そこで, H27年度はまず, Siウェハやガラス基板上での配向形成技術を確立する. さまざまなバッファー層の形成や, 界面処理を実施し, その上に湿式法による酸化物高温超伝導体を形成, 膜質や配向性への影響を把握する。
これら平板基板上の薄膜につき, 螺旋状薄膜コイルを実現するためのリフトオフやイオンエッチング等パターン形成技術を検討する. 予め除去部分に設けた下地層に溶剤を導入しその上の超伝導薄膜を除去する場合, 残留部分の超伝導薄膜が劣化しない工夫が必要となる. また, 下地が除去されても, 除去部分と非除去部分の超伝導薄膜が強く結びついていて, 除去されないか, あるいは非除去部分も一体となって除去されてしまうことのないような技術が求められる. また, 超伝導薄膜の上に, 金属膜等をパターン形成し, イオンエッチングによって露出部分の薄膜だけを除去しても超電導コイルが実現できる. しかし, このときマスクとなる金属薄膜より超伝導薄膜が速く削られるように, イオン種や加速条件を見出す必要がある.
次に, トレンチを想定した様々な形状の基材へ形成した場合の配向形成の特徴を把握する. 狭隘部にまず配向した結晶が成長し, それが種となって結晶成長が進んでいくような現象が実現できれば望ましい.

Causes of Carryover

Siウェハに形成したトレンチ内にNbN超伝導薄膜を形成、Cuメッキした後、化学機械研磨による表面堆積物の除去による薄膜超伝導コイルについて、トレンチのないものと、トレンチの浅いものを作ったが、ウェハーのそりなどにより均一な化学機械研磨が出来ず、1100ターン中300ターン分の超電導コイルはできたが、それ以上の試作検討や、超伝導コイルに働く電磁応力（拡張力）の測定にはいたらなかったため、主に材料費部分での予定の消費に至らなかった。

Expenditure Plan for Carryover Budget

H26年度の結果を踏まえ、銅系酸化物高温超電導体の湿式成膜法に注力し、このための材料費等消耗品購入に、約44.5万円の次年度使用額と約85万円のH27年度研究費を充てる。