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成果報告書詳細
管理番号20180000000073
タイトル平成28年度―平成29年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム 量産型コンパクト超電導磁気エネルギー貯蔵デバイスの研究開発
公開日2018/12/27
報告書年度2016 - 2017
委託先名国立大学法人名古屋大学 学校法人トヨタ学園豊田工業大学 学校法人関東学院関東学院大学
プロジェクト番号P14004
部署名イノベーション推進部
和文要約従来SMESは非常に大型で、電力貯蔵密度とコスト面で二次電池より劣る。そこで量産可能な半導体プロセスを用いSiウェハ上に平面螺旋コイルを形成、これを積層して電力貯蔵密度の向上、小型化, 量産・低コスト化を目指す
3inch Siウェハ1枚上一筆書き螺旋溝内NbN薄膜超電導蓄電コイル完成を受け、 (a)4inch化、(b)断線による歩留り低減回避、(c)臨界電流密度が18倍の超電導物質YBa2Cu3O7-δ (YBCO,Tc=90K)への転換の可能性見極めに取り組んだ。
A.Siウェハへのコイル状トレンチ精密形成技術開発(豊田工大)
(1)4inch化成功。(2)螺旋形状を36から144角形にし、断線低減を図った。(3)断線一箇所で致命的となる一筆書き螺旋を廃し、溝7本を並列化、所々横連結し断線部をバイパスしてコイルの断線不良・歩留り低減を回避した。
B.コイル状トレンチ内銅埋め込み技術開発(関東学院大)
(4)YBCOを銅スパッタ膜で覆うことで、通常の銅めっき法でもYBCO膜溶出を防げた。(5)螺旋溝付Siウェハに銅めっきまで終了の試料の化学機械研磨(CMP)を実施、土手部の銅めっき膜、YBCO膜が除去されSi表面酸化膜が露出、溝部分にYBCO膜/銅めっき膜が残り、CMPによるコイルが作成可能と判明した。また、(4)によらずPdCl2-Arginine錯体溶液による触媒付与他の薬剤選定による対処も可能と判明、NbNからYBCOへの転換の見通しがついた。
C.埋め込み高温超電導コイル層構造設計と高温超電導薄膜配向形成技術開発(名大)
(a)単結晶SrTiO3上MOD法-c軸配向YBCO成膜成功例、(b)Si上YBCO膜直接形成ではSi拡散によるYBCO膜変質例、(c)Si(100)基板に(100)配向YSZスパッタ成膜、さらに(100)配向CeO2スパッタ成膜後、c軸配向YBCOのスパッタ成膜成功例、(d)鋼材上Y2O3膜、YSZ膜、CeO2膜を(100)配向成膜、これに通常の酢酸塩に替え塩酸添加プロピオン酸塩MOD液でc軸配向YBCO成膜成功例を基に以下の成果を得た。(5)Si(100)上に(100)配向YSZ膜を、さらに(100)配向CeO2膜をスパッタ成膜し、これにYBCO膜をスパッタ成膜,熱処理した後、プロピオン酸塩系MOD、塩素無添加でYBCOを成膜、顕著なa,c軸混合配向のX線回折パターンを観測した。45.5Kで超電導転移。液体水素温度で超電導となるYBCO膜が得られた。類似結果からのc-軸配向化の報告例がありTc=88Kも達成見込みでNbNからYBCOへの転換の見通しがついた。
D.実用化に向けた開発構想検討
(6)次期計画のSiウェハ積層用の新貫通電極作成方法を前出しで提案した(豊田工大)。(7)高い臨界電流による拡張力でSiウェハ破壊の可能性がこれまで簡易モデル計算や、明大,野村准教授(超電導応用)
による検証で予測された。同准教授と次期計画でより詳細な計算実施予定だが、取りあえず自作コード
で磁場計算を試みた。さらに確認が必要だがLiイオン2次電池の半分程度の電力貯蔵密度の見込み。螺旋溝埋込み超電導コイル付4inch Siウェハ600枚直列積層体を1ユニットとし品質管理、このユニットを市場ニーズの大小に合わせ組み合わせる。同様な半導体微細加工Siウェハ集積体の太陽電池パネルに習い量産低コスト化が可能と見込まれる。
英文要約Conventional SMES is not competitive with secondary batteries, both in storage density and cost. Based on the successful fabrication of a 3um thick NbN superconducting coil in a spiral trench extended over a whole 3 inch Si-wafer, (a) Increase of storage capacity using a 4 inch Si wafer, (b) Reduction of defective process products by coil disconnections, (c) Feasibility of the employment of YBa2Cu3O7-d (YBCO, Tc=90K) with 18 times higher critical current density, were addressed to improve the proposed SMES.

A. Realization of the precise spiral coil trench (TTI)
(1) Single polygonal coil trench with 36 corners per round was fabricated on a 4 inch Si wafer. (2) The polygon with 144 corners was employed to reduce disconnections. (3) Instead of the previous transversal spiral coil, 7 parallel coil trenches with occasional interconnections were fabricated to reduce the effect of disconnections.

B. Filling the trench with Cu (KGU)
(4) Covering the YBCO film with the sputter-coated Cu avoided YBCO corrosion by electrolyte for Cu plating. Eliminating the Cu and YBCO out of the trench by chemical mechanical polishing, YBCO thin film coil in the trench was successfully fabricated. (5)Appropriate chemicals in each steps of Cu plating such as a solution of PdCl2-arginine complex in catalytic dispersion process, were found to avoid YBCO corrosion. In summary, Cu-plating was found to be applicable to YBCO.

C. YBCO.deposition on Si based substrates (NU)
(6)After sputter-depositions of (100) oriented YSZ on Si (100) wafer succeeded by (100) oriented CeO2 and further sputter-deposition of YBCO, YBCO deposition by propionic MOD with DCA yielded mixture of a- and c-axis oriented YBCO films, showing Tc=45.5 K. A similar result of a-and c-axis oriented YBCO films of Tc=57 K in the previous report on YBCO grown by MOD on (100) SrTiO3, and the fact that annealing at much lower oxygen partial pressure gave Tc=88 K teach the present sample is possible to show Tc=88 K. Thus, YBCO in place of NbN is feasible.

D. Scenario to realize the compact SMES suitable for mass production.
(7)A novel process of penetrating electrodes for wafer bonding for the next step project was proposed by TTI. (8)Although more detailed inspection is necessary, simplified preliminary calculations taught the possible storage density as high as half of Li-ion batteries. A series connected 600 stack of Si wafers is to be a unit product under the quality control. Mass production of this unit enables flexible unit compositions to meet various consumer demands for SMES. History of Si solar panels composed of Si wafers fabricated by semiconductor process tells feasible tremendous cost reductions for SMES.
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