(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定電流によって発生した磁界を遮蔽電流として検出する超伝導閉ループからなる検出ループと、前記検出ループに流れる電流を測定する超伝導サンプラー回路とを具備し、前記超伝導サンプラー回路が、第１のジョセフソン接合と、第２のジョセフソン接合と、第３のジョセフソン接合と、第１のインダクタンスとを含む第１の超伝導閉ループと、第１のジョセフソン接合と、第２のインダクタンスとを含む第２の超伝導閉ループと、第４のジョセフソン接合と、第５のジョセフソン接合とを含む読み出しＳＱＵＩＤと、第３のジョセフソン接合と、第３のインダクタンスと、前記読み出しＳＱＵＩＤとの結合インダクタンスとを含む第３の超伝導閉ループとを有し、前記検出ループの一部に前記超伝導サンプラー回路を構成する第３のジョセフソン接合が含まれ、前記遮蔽電流が第３のジョセフソン接合を通って流れるように構成されていることを特徴とする電流計測回路。
【請求項２】
前記検出ループのサンプラー回路以外の部分には超伝導グランドプレーンが具備されないことを特徴とする、請求項１に記載の電流計測回路。
【請求項３】
前記検出ループ又は前記超伝導サンプラー回路が高温超伝導体で構成されていることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の電流計測回路。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の電流計測回路を複数有することを特徴とする組合せ電流計測回路。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の電流計測回路又は組合せ電流計測回路が被測定物と同一真空室中に配設されることを特徴とする電流計測装置。
【請求項６】
前記電流計測回路又は組合せ電流計測回路と被測定物との間に放射熱をシールドするシールド機構を備えたことを特徴とする、請求項５に記載の電流計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、超伝導電流計測回路及び電流計測装置に関し、特に超伝導体を用いた高時間精度の電流波形計測に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、配線中を流れる電流波形を計測する手段としていくつかの技術が知られている。まず、図１３の模式図を示すように、配線５１のインピーダンスの値Zが既知の場合には、数ピコ秒の時間精度で電圧測定を行うことができる半導体サンプラー５２で配線５１の第１の端５３、第２の端５４の間の電圧Vを測定し、この値からI=V/Zの式に従って電流Iを求める方法が一般的である。
【０００３】
１９９７年５月、電気学会論文誌A 第１１７巻  第５号  ５２３〜５３０頁にある電磁誘導を使った磁気センサによる電流波形測定も知られている。これは、図１４の模式図に示されるように、電磁誘導を使った磁気センサ５５の出力電圧をスペクトラムアナライザー５６で測定し、この値と各周波数における受信磁界と出力電圧の比であるセンサファクターのデコンボリューションとして、被測定物１３上の配線１４を流れる電流の電流波形を求める方法である。
【０００４】
特願平５−２７９１６０では、図１５の模式図を示すように、イオンビーム（荷電粒子の流れ＝電流）によって発生した磁界を、右側のジョセフソン接合５７、左側のジョセフソン接合５８を含む超伝導ループ（DC−SQUID５９）で検出し、イオンビーム電流を測定する技術が記載してある。この技術では、一定の電圧状態になるように電流源６０でバイアスされたDC−SQUID５９両端の電圧を、電圧計６１で測定する。この状態で、磁界が印加されたときに生じる電圧の初期値からのずれを電流源６０にフィードバックし、バイアス電流を調整し、電圧が一定になるようにする。この時のバイアス電流の変化量から印加された磁界の大きさを計測し、イオンビーム電流値を求める。
【０００５】
１９９７年１０月、アイ・イー・アイ・シー・イー・トランザクションズ・オン・エレクトロニクス、第Ｅ８０−Ｃ、第１０号、１２２６〜１２３２頁にあるあるような超伝導サンプラーを用いると、１９９８年３月、第４５回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、講演番号28a-Z-11、I-225頁にあるように、ピコ秒台の時間精度で電流波形を計測することが可能である。図１６は、前記文献にある超伝導サンプラーの回路図と回路に供給する電流および出力電圧のフローチャートである。以下、図１６を用いて、超伝導サンプラーによる電流波形の計測方法について説明する。まず、第１の入力端子７１からフィードバック電流Ifが供給され、次に被測定電流Isが入力される。あるタイミングに第２の入力端子７２からトリガー電流Itr供給されると、第１のジョセフソン接合７３がスイッチオンし、第１のジョセフソン接合７３、第２のジョセフソン接合７４、第３のジョセフソン接合７５、第１のインダクタンス７８を含む第１の超伝導ループに単一磁束量子SFQ(Single Flux Quantum)が侵入し、それにともない第１の超伝導循環電流が第１の超伝導ループに流れる。また、第1のジョセフソン接合７３、第2のインダクタンス７９を含む第２の超伝導ループには反対向きのSFQが侵入する。第２のジョセフソン接合７４の臨界電流値を第１の超伝導循環電流より低く設定しておくと、第２のジョセフソン接合７４を流れる電流は、立ち上がり途中で第２のジョセフソン接合７４のスイッチにより立ち下がり、結果としてパルス電流Iｐが発生し、第３のジョセフソン接合７５に流れ込む。この第３のジョセフソン接合７５はコンパレータ接合とよばれ、この接合にはすでにIfとISが流れているため、If、Is、Ipの三つの電流が加算される。この三つの電流の和が第３のジョセフソン接合７５の臨界電流値以上であれば、第３のジョセフソン接合７５はスイッチオンし、第３のジョセフソン接合７５、第３のインダクタンス８０，読み出しSQUIDとの結合インダクタンス８１を含む第３の超伝導ループに第3の超伝導循環電流が流れる。この第３の超伝導循環電流は、第４のジョセフソン接合７６、第５のジョセフソン接合７７を含む読み出しSQUIDの両端に電圧を発生させる。もし、前記三つの電流の和が第３のジョセフソン接合７５の臨界電流値以下であれば、第３のジョセフソン接合７５はスイッチオンせず、読み出しSQUIDの両端にも電圧は発生しない。また、第２の超伝導循環電流、第３の超伝導循環電流は、各測定サイクルの最後にマイナスの電流を流し、それぞれ第１のジョセフソン接合７３、第３のジョセフソン接合７５をスイッチすることにより、リセットする。以上の操作をIfの値を変えて繰り返し、出力電圧が現れる最小のIfの値を求める。この値をIs=0の時の出力電圧が現れる最小のIfの値と比較することにより、Ipが発生したタイミングにおけるIsの値を知ることができる。次に、Itrを供給するタイミングを変え、Ipの発生するタイミングをずらして、同様の測定を行う操作を繰り返す。このようにして、図１６に示す超伝導サンプラーを用いて、Isの波形を測定することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に示されるサンプラーで測定した電圧から電流を求める方法は、配線のインピーダンスが既知の場合にしか適用できない。しかし、配線のインピーダンスが未知の場合も数多くある。例えば、半導体大規模集積回路（LSI）の配線は、コンタクトホールの存在や多層配線などの複雑な構造のために、配線のインダクタンスは一般に既知ではない。従って、このような場合には、半導体サンプラーを用いて電流波形を測定することはできない。
【０００７】
図１４に示す磁気センサを用いる方法は、電磁誘導を使用しているため、低周波成分の検出感度が低く波形再現性の面で問題がある。また、センサの抵抗RとインダクタンスLによるL/R時定数で測定できる上限周波数が1GHz程度に制限されている。
【０００８】
図１５に示すDC−SQUIDを用いる方法では、SQUIDの電圧を一定に保つバイアス電流のフィードバックに時間がかかるため、測定の時間精度が著しく低いという欠点があった。
【０００９】
図１６に示す超伝導サンプラーを用いる方法は、高時間精度で電流波形測定ができるという利点があるが、被測定電流を配線でサンプラーに直接供給せねばならず、非接触の測定ができない。従って、測定の種類によっては被測定電流に大きな影響を与えてしまうという欠点があった。一方、被測定電流がグランドに流れている場合など、必ずしも非接触で測定しなくてもよい場合もある。しかし、超伝導サンプラーは低温環境に置かれており、室温の被測定物からこの低温環境まで長い信号線を用いて被測定電流を導かねばならず、周波数が高くなると、電流波形の歪みやクロストークなどの問題が生じるという欠点もあった。
【００１０】
本発明の目的は、上記従来技術の欠点を克服し、任意の配線に流れる被測定電流の波形を、非接触かつ高時間精度に計測する超伝導体を用いた電流計測回路およびそれを用いた電流計測装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被測定電流によって発生した磁界を電流として検出する超伝導閉ループからなる検出ループと前記検出ループに流れる電流を測定する超伝導サンプラー回路を具備する電流計測回路、又は、検出ループの一部に超伝導サンプラー回路を構成するジョセフソン接合を含む電流計測回路若しくは検出ループと、超伝導サンプラー回路を構成するジョセフソン接合を含む超伝導ループとが磁気的に結合している電流計測回路、又は、検出ループと、超伝導サンプラー回路を構成するジョセフソン接合を含む超伝導ループの入力配線とが磁気的に結合している電流計測回路、又は、検出ループがコイル（いわゆるグラディオメーター）構造である電流計測回路、又は、検出ループが検出する磁界を検出コイルに導く磁界収集機構を有する電流計測回路、又は、磁界収集機構が被測定領域を高透磁率材料で包囲した電流計測回路、又は、磁界収集機構が軟磁性体の針で構成され、針の先端が被測定領域近傍に置かれ、他端が検出ループを貫通している電流計測回路、又は、軟磁性体の針がその先端に長方形の切り口を有している電流計測回路、又は、超伝導サンプラー回路の主要部分若しくは全体にグランドプレーンが積層されている電流計測回路、又は、検出ループの主要部分にグランドプレーンを具備していない電流計測回路、又は、検出ループ若しくは超伝導サンプラー回路が高温超伝導体で構成されている電流計測回路、又は、前記電流計測回路が複数個集まって構成された組合せ電流計測回路、又は、前記複数の電流計測回路がアレイ状に配置された組合せ電流計測回路を提供する。
【００１２】
更に、本発明は、組み合わせ電流計測回路が被測定物と同一真空室中に配設される電流計測装置、又は、真空室の外部若しくは内部に磁気シールドを備えた電流計測装置、又は、組合せ電流計測回路を冷却する冷却装置を備えた電流計測装置、又は、被測定物に電流もしくは電圧を供給する機構を備えた電流計測装置、又は、被測定物と電流計測回路との位置合わせ機構を備えた電流計測装置、又は、被測定物の主平面内あるいはそれと平行な面内で、被測定物と電流計測回路との相対的位置関係を制御する機構を備えた電流計測装置、又は、被測定物と電流計測回路との距離を制御する制御機構を備えた電流計測装置、又は、被測定物と電流計測回路との間の放射熱をシールドするシールド機構離を備えた電流計測装置、又は、被測定物にレーザー光線などの高周波の電磁波を照射する照射機構を備えた電流計測装置、又は、真空室にゲートバルブで接続した予備排気室、予備排気室を排気する排気機構、及び、真空室と予備排気室間で被測定物を搬送する搬送機構を備えた電流計測装置を提供する。
【００１３】
その結果、本発明によって被測定物の電流波形を非接触かつ高精度に計測可能な電流計測回路および電流計測装置が実現できる。
【００１４】
本発明では、超伝導閉ループからなる検出ループで被測定電流によって発生した磁界を電流に変換し、この電流を高い時間精度を持つ超伝導サンプラーで計測している。このため、被測定電流波形を非接触かつ高い時間精度で測定することができる。検出ループと超伝導サンプラーの結合方法として、超伝導サンプラーのコンパレータ接合を検出ループの一部に含ませる方法と超伝導サンプラーのコンパレータ接合を含む超伝導ループと検出ループを磁気的に結合させる方法がある。また、検出ループと超伝導サンプラーのコンパレータ接合に電流を供給する配線を磁気的に結合すると、被測定電流の１次微分の計測が可能となる。検出ループをグラディオメータ構造にすると、環境磁界の影響を軽減でき、より正確な計測ができる。超伝導サンプラーの部分だけ超伝導グランドプレーンを積層すると、被測定電流による磁界を遮蔽でき、この磁界が超伝導サンプラー回路動作に悪影響をおよぼすことを防止できる。また、検出ループと超伝導サンプラーを高温超伝導体で構成すると、冷却が容易であるばかりでなく、電流計測回路と被測定物との温度差が電流計測回路に低温超伝導体を用いた場合より小さくなるため、放射熱による影響をより小さくできる。検出ループに磁界収集手段を具備すれば、被測定電流により発生する磁界をより効率的に電流に変換でき、測定感度が向上する。また、この磁界収集手段を軟磁性体の針で構成すれば、被測定電流近傍の磁界を効率よく収集できるため、測定の空間分解能が向上する。また、この軟磁性体針の先端形状を長方形とすれば、LSI配線やプリント基板配線など細長い形状を有する被測定物に流れる電流により発生する磁界をより効率よく収集できる。更に、本電流計測回路を複数個用いれば、各電流計測回路ごとの検出強度の違いから被測定電流の位置などの情報や被測定電流の空間的な伝搬の様子などの情報を得ることができる。また、本電流計測回路をアレイ状に配置すれば、広い空間領域にわたる計測を一度に行うことができる他、電流の空間的な伝搬の様子なども知ることができる。
【００１５】
また、本発明の電流計測装置では、電流計測回路と被測定物とを同一真空中に配設することにより、両者を所望の距離まで接近することが可能である。また、両者の間を真空で断熱するため、被測定物から電流計測回路への熱の流れが放射熱だけに限定され、両者がお互いに熱的な影響を与えあうことが少ない。本電流計測装置に磁気シールドを具備することで、外部磁界を遮蔽し、より信頼性の高い計測が可能になる。超伝導体からなる電流計測回路の冷却に１９９８年４月、応用物理  第６７巻  第４号  ４４９〜４５４頁にある小型の冷却装置を用いれば、液体ヘリウムなどの寒剤を用いる場合と比べて、利便性が格段に向上する。被測定物が電気回路等の場合には、被測定物に電流又は電圧を供給する手段を具備することが有効である。電流の計測場所を特定するには、電流計測回路と被測定物の位置合わせを行う手段が有効である。また、電流計測回路で被測定物の平面方向の走査を行うことができれば、被測定電流の空間分布等の情報が得られる。超伝導サンプラーで測定できる電流の最大値は数百マイクロ・アンペアであるため、被測定電流の大きさによっては、電流計測回路と被測定物との間の距離を調節することにより、検出ループに誘起される電流値をコントロールすることが必要である。放射熱による電流計測回路と被測定物間の熱的相互作用を抑制するためには、電流計測回路と被測定物間に放射熱シールドを置くことが有効である。レーザー光又は高周波の電磁波によって誘起される電流を測定する際には、レーザー光や電磁波を被測定物に照射する手段が必要である。更に、電流計測回路は低温で動作しているため、電流計測回路の温度が室温に戻る前に真空を破ると、電流計測回路に水滴が付き、回路特性の劣化が懸念される。従って、本電流計測装置の真空を破る前には、電流計測回路を室温に戻すことが不可欠であり、長時間の待機が必要である。この問題を解決するために、本電流計測装置に予備排気室を設置し、この予備排気室を通して被測定物を交換すれば、被測定物交換のために真空室全体を大気にする必要がないため、電流計測回路を室温に戻す必要がなく、被測定物交換を短時間で行うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の電流計測回路の概念図である。超伝導サンプラー回路１１に磁界を電流に変換する超伝導体からなる検出ループ１２が付属している。
【００１７】
図２は本発明の第１の実施形態例の電流計測回路の回路図である。本実施形態例では、従来の技術で説明した図１６に示す超伝導サンプラー回路１１のコンパレータ接合７５が検出ループ１２に含まれる構造をしている。図２における各ジョセフソン接合の臨界電流値は、第１のジョセフソン接合７３と第３のジョセフソン接合７５がそれぞれ0.5mA、第２のジョセフソン接合７４，第４のジョセフソン接合７６、第５のジョセフソン接合７７がそれぞれ0.25mAである。また各インダクタンスの値は、第１のインダクタンス７８が3.7pH、第２のインダクタンス７９、第３のインダクタンス８０がそれぞれ5pH、結合インダクタンス８１が2pHである。上記値は設計値であり、ある一定のマージン以内であれば、各パラメータの値が上記値からずれたとしても、超伝導サンプラー回路１１は正常に動作する。
【００１８】
一般に配線に被測定電流Iが流れたとき、そこからdの距離に発生する磁束密度Bは次式で表される。
B = μ0×I / 2d―――――(1)
【００１９】
ここで、μ0は真空の透磁率である。なお、ここでは簡単のため配線長は無限大、電流は線電流とした。（１）式から被測定物１３上にある配線１４に被測定電流が 1.0 mA流れ、配線１４と検出ループ１２間の距離が 10 mmの場合には、検出ループ１２に印加される磁束密度は 2.0×10-8 Wb/m2となる。
【００２０】
超伝導の閉ループに磁界を印加すると、超伝導体の反磁性（マイスナー効果）によりループにかかる磁界を遮蔽するための遮蔽電流がループに流れる。この遮蔽電流の大きさIcirは、超伝導ループの有効面積をS、インダクタンスをL、印加される磁束をＢとすると、
Icir = B S / L―――――(2)
となる。このため、検出ループ１２の面積が1mm2、インダクタンスが200pHの場合、前記被測定電流に起因する磁界により検出ループ１２に誘起される遮蔽電流は 100μAと見積もれる。
【００２１】
印加磁界に対する超伝導検出ループ１２の反応速度は、検出ループ１２のインダクタンスＬと、検出ループ１２と被測定電流が流れる配線１４間のキャパシタンスＣによる（ＬＣ）1/2時定数により制限されるが、検出ループ１２と配線１４間の距離は大きいため、この時定数は十分に小さい。例えば、向かい合う検出ループ１２と配線１４の面積がともに1mm2、検出ループ１２と配線１４間の距離が1cmのときは、Ｃは約1fFとなり、L=200pHとすると前記時定数は、４００フェムト秒になる。LSI配線などでは配線１２の幅は１０μｍ以下であるため前記時定数は更に小さい。超伝導サンプラー回路１１の時間精度は数ピコ秒のオーダーであるため、検出ループ１２の反応時間による時間精度の劣化は問題にならないと考えられる。また（１）、（２）式から、検出ループ１２に誘起される遮蔽電流Icirと被測定電流Iとの関係は次式で与えられる。
Icir = (μ0S/2dL)・I ―――――（３）
【００２２】
つまり、検出ループ１２に誘起される遮蔽電流は、被測定電流に比例し、かつ周波数依存性を持たない。この周波数依存性を持たない特性のため、DC又は低い周波数の既知の被測定電流を使った測定から、IとIcirの変換係数を求めることができる。こうして一度求めた変換係数は、被測定電流の周波数に関わりなく用いることができる。これは被測定電流の一次時間微分に比例し、それゆえに大きな周波数依存性を持つ図１４に示す電磁誘導を使った磁気センサの場合との大きな違いである。
【００２３】
検出ループ１２に誘起された遮蔽電流は、検出ループ１２の一部である超伝導サンプラー１１のコンパレータ接合７５を通って流れる。従来の技術で説明したように、コンパレータ接合７５を通って流れる電流は、超伝導サンプラー１１を用いてピコ秒台の時間精度で計測することができる。図2の超伝導サンプラー回路１１は、前記文献１９９８年３月、第４５回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、講演番号28a-Z-11、I-225頁にあるように時間精度５ピコ秒、電流精度２．５μAで振幅２００μＡくらいの電流まで測定できることが実証されている。超伝導サンプラー１１によって計測された検出ループ１２を流れる遮蔽電流の値にあらかじめ求めておいた被測定電流と遮蔽電流の変換係数を乗じることによって、被測定電流を高時間精度に計測することができる。
【００２４】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態例を用いれば、DCから数十GHz以上の高周波にわたる被測定電流を高い時間精度でしかも非接触に計測することができる。
【００２５】
図３は本発明の第２実施形態例の電流計測回路の回路図である。超伝導サンプラー回路の各パラメータの値は、図２に示す第１の実施形態例の場合と同じである。第２の実施形態例と第１の実施形態例との相違点は、第１の実施形態例では検出ループ１２の一部に超伝導サンプラー回路１１のコンパレータ接合７５が含まれていたのに対して、本第２の実施形態例では、検出ループ１２とコンパレータ接合７５を含む超伝導ループが第１の相互インダクタンス１５によって磁気的に結合していることである。検出ループ１２に流れる遮蔽電流は、第１の相互インダクタンス１５によって、コンパレータ接合７５、第３のインダクタンス８０、結合インダクタンス８１を含む超伝導ループに電流を誘起する。この電流を超伝導サンプラー１１によって計測することができる。本構造では、検出ループ１２からコンパレータ接合７５を含む超伝導ループに電流を伝える部分で、多少電流が減少するため、第１の実施形態例と比べて感度が少し劣るが、検出ループ１２と超伝導サンプラー回路１１との独立性がより高く、安定した動作が期待できる。
【００２６】
図４は本発明の第３の実施形態例の電流計測回路の図である。本実施形態例では、検出ループ１２は超伝導サンプラー回路１１のコンパレータ接合７５に電流を供給する配線と第２の相互インダクタンス１６で磁気的に結合している。コンパレータ接合７５に電流を供給する配線は超伝導ループを形成していないため、コンパレータ接合７５に流れる電流は電磁誘導によって誘起され、検出ループ１２に流れる電流を一次時間微分したものになる。このため、超伝導サンプラー回路１１を用いて被測定信号電流の一次微分を高い時間精度で測定することができる。従来の技術で述べた図１４に示す電磁誘導を用いた磁気センサ５５でも同様に被測定電流の一次微分を測定することができる。しかし、磁気センサ５５は抵抗成分Ｒを含んでいるため、磁気センサのインダクタンスＬとのL/R時定数により、計測できる周波数の上限が制限される。また、磁気センサ５５は抵抗成分を含んでおり、磁界だけでなく電界の影響も受けるため、測定においては電界の影響を除去する必要がある。これに対して、本実施形態例では抵抗成分を含まないので、前記L/R時定数により測定周波数が制限されず、数十GHzの高周波まで測定可能である。また、抵抗成分を含まないため電界の影響も受けない。
【００２７】
以上述べた第１、第２、第３の実施形態例では、図１６を用いてその動作を説明したSFQを用いた超伝導サンプラー回路を使用したが、他のタイプの超伝導サンプラー回路を用いることもできる。
【００２８】
図５は本発明の第４の実施形態例を説明するための図である。本実施形態例では、超伝導サンプラー回路１１と結合した検出ループ１２が１９９5年６月、アイ・イー・イー・イー・トランザクションズ・オン・アプライド・スーパーコンダクティビティー、第５巻、第５号、２０３１〜２０３４頁にあるグラディオメータ構造をしている。グラディオメータは図５に示すように検出ループを一度ねじることにより、同一磁界に対して遮蔽電流の向きを反転させるものである。図５の紙面の表から裏側に向かう環境磁界が存在すると、グラディオメータの第１のループ１７，第２のループ１８ともに右回りの遮蔽電流が誘起されるが、この検出ループは一度ねじってあるため、第１のループ１７と第２のループ１８に発生する電流は逆向きとなり、打ち消しあう。このため環境磁界による遮蔽電流を低減することができる。一方、被測定物１３上の配線１４に流れる被測定電流により発生する磁界は、選択的に第１のループ１７にのみ印加されるように、被測定物１３と検出ループ１２の位置関係を決める。本実施形態例のように検出ループ１２をグラディオメータ構造とすると、第１のループ１７には環境磁場プラス被測定電流による遮蔽電流が流れ、第2のループ１８には環境磁場により逆向きの遮蔽電流が流れるため、第１のループ１７と第２のループ１８の囲む面積がほぼ等しい場合は、環境磁場の影響を大幅に低減でき、被測定電流のより正確な計測が可能となる。
【００２９】
図６は本発明の第５の実施形態例を説明するための図である。本実施形態例では、超伝導サンプラー１１の部分が完全に超伝導グランドプレーン１９で覆われている。一方、検出ループ１２は、超伝導サンプラー回路１１と重なる部分を除いては、超伝導グランドプレーン１９で覆われていない。超伝導サンプラー回路１１は、その内部に磁界によって遮蔽電流が流れる超伝導ループや磁界によって臨界電流値が増減するジョセフソン接合を複数個含んでいるため、その動作が被測定電流が作る磁界によって影響を受け、正しい電流計測が行われない恐れがある。超伝導体はその厚さが磁界侵入長以上であれば、磁界を有効に遮蔽できる。従って、超伝導サンプラー回路１１を超伝導体薄膜からなる超伝導グランドプレーン１９で覆えば、超伝導サンプラー回路１１にかかる磁界を遮蔽することができる。一方、検出ループ１２が超伝導グランドプレーン１９で覆われると、検出ループ１２に磁界が印加されず、遮蔽電流が発生しない。このため、検出ループ１２が超伝導グランドプレーン１９に覆われる面積は、可能な限り小さいことが望ましい。超伝導体として高温超伝導体の一種であるYBa2Cu3Ox（以下YBCOと記す）を用いた場合、YBCOの磁界侵入長が２００〜３００ｎｍ程度であるため、超伝導グランドプレーン１９膜厚は、500nm以上あることが望ましい。なお、超伝導グランドプレーン１９は、超伝導サンプラー回路１１の下に配置されてもよいし、上に配置されてもよい。
【００３０】
以上説明した超伝導サンプラー１１と検出ループ１２を構成する超伝導体は、YBCO等の高温超伝導体であることが望ましい。第１の理由は、通常室温である被測定物１３と超伝導体である電流計測回路との熱的相互作用が小さい方がよいからである。4.2Kまで冷却する必要があるNb等の金属超伝導体と比べて高温超伝導体は50K程度の温度で動作するため、室温の被測定物１３との温度差が小さく、両者の間の熱的相互作用が小さい。また、第２の理由として、高温超伝導体の方が動作温度が高いため、冷却がより容易となるという利点もある。
【００３１】
また、現状ではNb等の金属超伝導体を使用した回路の方が、制御性、安定性が優れているため、超伝導サンプラー回路１１は金属超伝導体で構成し、被測定物１３の近くに置かれる検出ループ１２だけを高温超伝導体で構成することも有効である。更に、冷却能力にゆとりのある場合や電流検出回路と被測定物との熱的相互作用が小さいと考えられる場合は、超伝導サンプラー１１，検出ループ１２とも金属超伝導体で構成してもよい。
【００３２】
図７は本発明の第６の実施形態例を説明するためのブロック図である。本実施形態例では、検出ループ１２に磁界を収集する磁界検出手段２０が具備されている。磁界収集手段２０としては、例えばパーマロイ等の高透磁率材料で図７に示すように被測定物１３を取り囲んだ形状のものが考えられる。式（３）から磁界が伝搬する空間を真空から透磁率の高い物質に置き換えれば、被測定物１３と検出ループ１２との距離が同じ場合、より効率良く被測定信号電流を検出ループ１２に流れる遮蔽電流に変換できることがわかる。また、検出ループ１２では被測定電流が発生する磁界の一部しかとらえることができないが、磁界検出手段２０を図７に示すように被測定物１３のまわりを取り囲む形状とすることで、被測定電流から発生する磁界をもれなく捕捉することができる。従って、磁界収集手段２０を用いると、より効率的に磁界を検出ループ１２に印加することができるため、電流検出回路の感度が向上する。
【００３３】
図８は本発明の第７の実施形態例を説明するためのブロック図である。本実施形態例では、前記磁界検出手段２０が軟磁性体の探針２１となっている。軟磁性体は磁界により容易に磁区の反転が起こる材料であり、(FeMoCo)73(BSi)27等が知られている。この軟磁性体で作られた探針２１の先端を被測定物１３上の配線１４に近づけると、配線１４を流れる被測定電流によって発生する磁界に応じた磁区の反転が起こる。探針２１の先端に生じた磁区の反転は他端に伝わる。探針２１の他端は検出ループ１２を貫通しているため、検出ループ１２に磁界が印加され遮蔽電流が流れる。探針２１の先端は１０ｎｍ程度まで細くできるため所望の位置の磁界を検出することができ、計測の空間分解能が向上する。この軟磁性体探針による空間分解能向上は、１９９７年６月イクステンデッド・アブストラクツ・オブ・第６回インターナショナル・スーパーコンダクティブ・エレクトロニクス・コンファレンス(ISEC'97)、第３巻、第３９５〜３９８頁にあるSQUID（超伝導量子干渉計）顕微鏡を用いた実験でその効果が確認されている。配線１４に流れる被測定電流によって発生する磁界は、“右ネジの法則"によって配線１４のまわりに同心円状に分布するため、配線１４に対して探針２１を垂直に下ろした場合、配線１４直上では磁界が探針２１と垂直方向であるので検出感度は最小となり、配線１４の両側で最大となる。従って、探針２１を用いて被測定電流の空間分解能の高い計測を行うには、先端が９０度曲げられた探針２１を用いるか、計測結果のデータ処理を行うことにより、被測定電流が流れている場所を求める必要がある。本実施形態例では、探針２１材料として軟磁性体を用いたが、パーマロイ等の高透磁率材料を用いて、被測定電流から発生する磁界を効率よく検出ループ１２まで導いてもよい。
【００３４】
図９は本発明の第８の実施形態例を説明するための図８に示す探針２１の先端部分を拡大した図である。電流計測に探針２１を用いた場合、空間分解能は向上するが検出感度が劣化するという問題点がある。本実施形態例はこの問題点を解決するためのものである。本実施形態例では、探針の先端２２が長方形をしている。探針の先端２２の寸法は、例えば短辺１μｍ、長辺２０μｍである。被測定物１３がLSIやプリント基板の場合、その配線１４は細長い形状をしており、２０μｍ以上の長さの配線はいたるところにある。また、長さ２０μｍの配線を電流が伝搬するスピードはおよそ０．２ピコ秒であり、この時間は超伝導サンプラー回路１１の時間精度の１０分の１以下であるため、超伝導サンプラー回路１１による１回の計測時間中は長さ２０ｍの配線に流れる被測定信号電流は一定と考えられる。このため、探針の先端２２の長片が長くなるとそれに比例して検出感度が向上する。一方、計測する配線１４の特定は短辺により行われる。本実施形態例の場合、被測定電流の流れる配線１４の空間分解能は、探針の先端２２の短辺１μｍで規定したまま、先端が１μｍ×１μｍの探針を用いた場合に比べて約２０倍に電流感度を向上できる。
【００３５】
図１０は本発明の第９の実施形態例を説明するためのブロック図である。本実施形態例では、第１から第８までの実施形態例で説明した電流計測回路のいずれかである第１の電流計測回路２３と第２の電流計測回路２４とを使用している。電流計測回路を２個用いることで、異なる場所における電流計測を同時に行うことができ、空間的な電流伝搬の様子等を調べる場合や各電流計測回路ごとの検出強度の違いから被測定電流の位置などの情報を得るために有効である。なお、本実施形態例では、電流計測回路が２個の場合について述べたが、電流計測回路を３個以上用いると、更に精密な測定を行うことができる。
図１１は本発明の第１０の実施形態例を説明するための模式図である。図中２５は、第１から第８までの実施形態例で説明した電流計測回路のいずれかである。本実施形態例ではこの電流計測回路２５がアレイ状に規則正しく配列されている。電流計測回路をアレイ状に配置することによって、広い空間領域にわたる電流測定を一度に行うことができ、計測時間の短縮を図ることができる。
【００３６】
図１２は本発明の第１１の実施形態例を説明するための電流計測装置の断面図である。本実施形態例では、第１から第１０の実施形態例で説明した電流計測回路のいずれかである電流計測回路３１と被測定電流が流れる被測定物３２とが同一真空室３３中に置かれる。また、電流計測回路３１の検出ループが被測定物３２の被測定電流が流れる方向に対して垂直に配置される。真空室３３は排気手段３４を用いて排気される。排気手段３４は、例えばロータリーポンプで背圧を排気したターボ分子ポンプである。電流検出回路３１と被測定物３２を同一真空室３３中に配置すると、両者の距離を十分に近づけることが可能となる。式（３）に示されるように被測定電流の検出ループによる検出効率は、両者の距離に反比例するため、被測定電流が小さい場合などは、両者を十分に接近できることは大きな利点となる。ところが、電流計測回路３１は超伝導体でできており冷却する必要があるため、冷却時に水分を吸着しないために真空環境が不可欠である。このため、電流計測回路３１と被測定物３２を同一真空中に置かない場合は、両者の間に真空室の壁が存在するため、両者をの間の距離を一定の値以下にすることはできない。また、電流計測回路３１と被測定物３２の間を真空にすることによって、伝導や対流による熱伝搬を防止し、両者の熱的な相互作用を低減することができる。
【００３７】
本実施形態例では、真空室３３の外側をパーマロイなどの高透磁率材料からなる磁気シールド３５で覆い、地球磁場などの外部磁場をシールドしている。外部磁場をシールドすることで、被測定電流のより正確な計測が可能となる。本実施形態例では真空室３３外に磁気シールド３５を設けたが、磁気シールド３５は真空室３３の内側や電流計測回路３１の近傍に取り付けてもよい。また磁気シールド３５を多重に重ねると磁気シールド効果を向上することができる。
【００３８】
本実施形態例では、１９９８年４月、応用物理、第６７巻、第４号、第４５３〜４５４頁にあるパルス管型冷凍機からなる冷凍装置３６を用いて電流計測回路３１をその動作温度まで冷却している。電流計測回路３１を構成する超伝導体としてYBCOを用いた場合、電流計測回路３１の動作温度は５０Ｋ程度になる。前記文献にあるようにパルス管型冷凍機を用いて２０Ｋ台の到達温度が確認されており、YBCOを使用した電流計測回路３１をその動作温度まで冷却することが十分に可能である。冷凍装置３６は、取り扱いが面倒な液体ヘリウム等の寒剤を用いた場合に比べて、冷却に要する手間が大幅に軽減できる。また、パルス管冷凍機等の冷凍装置３６は、液体ヘリウムなどの寒剤を使用したクライオスタットより小型、軽量であるため、装置の移動が容易であるという利点も有する。本実施形態例では、冷凍装置３６としてパルス管型冷凍機を用いたが、スターリング冷凍機やＧＭ(Gifford-McMahon)冷凍機等のピストンを使った冷凍機を用いることもできる。
【００３９】
本実施形態例では、被測定物３２に電流又は電圧を供給する手段３７を具備している。被測定物３２がLSIやプリント基板等の電気配線を有する物である場合、被測定物３２に電流又は電圧を供給する手段３７が必要となる。電流又は電圧を供給する手段３７は、具体的には外部の各種電源や測定機器に接続するための配線および接続手段であり、必要に応じて被測定物３２とそれらの配線の間の電気的接続を行う。
【００４０】
本実施形態例では、電流計測回路３１と被測定物３２の位置合わせを行う手段３８として真空室３３の外側から顕微鏡を挿入し、被測定物３２表面が拡大して見えるようにしている。これとともに電流計測回路３１近傍に半導体レーザーを置き、電流計測回路３１直下の被測定物３２表面をレーザー光で照らしマーカとする。被測定物３２の台座３９を手動又は電動で水平方向に異動できるようにし、位置合わせを行う手段３８の顕微鏡でレーザー光マーカを観察しながら、台座３９を移動し、電流計測回路３１と被測定物３２が所望の位置関係になるよう調節する。本実施形態例では、位置合わせを行う手段として、顕微鏡と半導体レーザーを用いたが、顕微鏡の代わりにＣＣＤ(Charged coupled device)カメラなどを使用してもよい。前記位置関係調整時には、台座３９を移動したが、電流計測回路３１を移動してもよいし、台座３９と電流計測回路３１両方とも移動してもよい。また、被測定物３１表面を照らすためのライトを設置すると更に有効に目合わせを行うことができる。
【００４１】
本実施形態例では、被測定物３２を乗せる台座３９が水平方向に移動し、電流計測回路３１との相対的位置関係を変えることができる。具体的には、一回の電流波形計測が終わるごとに電動モータで台座３９を移動し、その後次の電流波形計測を行う。このように被測定物３２と電流計測回路３１の相対的位置を変えながら計測を行うことで、被測定物３２上の場所による電流波形分布の様子を知ることができる。本実施形態例では、電動モータで台座３９を移動したが、移動の精度が粗くてよい場合は手動でもよい。また、より高い移動精度が必要な場合は、圧電素子を用いることもできる。更に、電流計測回路３１と被測定物３２の相対的位置関係を変えるために、台座３９を移動したが、電流計測回路３１を移動してもよいし、台座３９と電流計測回路３１両方とも移動してもよい。
【００４２】
本実施形態例では、電流計測回路３１と被測定物３２の間の距離を調節する手段４０を具備している。具体的には、電流計測回路３１を装着した冷凍装置３６のヘッド部分が電動モータで上下に移動できるようになっている。前述したように超伝導サンプラー回路１１は計測できる電流波形の振幅が約２００μＡに制限されている。また計測の電流精度は約２．５μＡである。このため、検出ループ１２に誘起される遮蔽電流が大きすぎても小さすぎても超伝導サンプラー回路１１で有効に計測することができない。本実施形態例で述べた電流計測回路３１と被測定物３２の間の距離を調節する手段４０を用いれば、電流計測回路３１と被測定物３２の間の距離を調節することで、検出ループ１２に誘起される遮蔽電流の値が超伝導サンプラー回路１１で有効に測定できる範囲となるようにすることができる。本実施形態例では距離を調節する手段４０として、電動モータを用いたが、手動モータでもよい。また、電流計測回路３１と被測定物３２間の距離を高い精度で調節する必要がある場合は、圧電素子を用いることが有効である。更に、本実施形態例では、電流計測回路３１を移動したが、被測定物３２を移動してもよいし、両方移動してもよい。
【００４３】
本実施形態例では、電流計測回路３１と被測定物３２の間に放射熱シールド４１を具備している。電流計測回路３１は超伝導体で構成されているため極低温であり、被測定物３２は通常室温である。従って、両者の熱的な相互作用が懸念される。本実施形態例における電流計測装置では、電流計測回路３１と被測定物３２とが真空室３３中に置かれているため、対流や熱伝導による熱の移動は生じないと考えられる。しかし、熱放射による熱の移動は考慮しなくてはならない。本実施形態例では、電流計測回路３１を黒色のプラスチックからなる熱放射シールド４１で覆い、被測定物３２から電流計測回路３１への熱流入を遮断することにより、電流計測回路３１の安定した動作を確保するとともに、この計測が被測定物３２の動作に与える影響を排除する。プラスチックは磁界の分布に影響を与えないため、この熱放射シールド４１により計測される電流値が影響を受けることはない。本実施形態例では、熱放射シールド４１は電流計測回路３１を覆う形で設置したが、電流計測回路３１と被測定物３２の間に置かれるのであればどこに置かれてもかまわない。
【００４４】
被測定物３２が、光の入射により電流が発生する光電変換を起こす物である場合や高周波の電磁波の入射により電流を発生する物である場合、本電流計測装置にレーザ光線などの高周波の電磁波を入射する手段４２を具備することが有効である。レーザ光線などの高周波の電磁波を入射する手段４２は真空下３３と磁気シールド３５を貫通して取り付けられ、被測定物３２の表面に電磁波を照射できるように配置される。
【００４５】
本実施形態例では、被測定物３２をその中に入れ予備排気を行う予備排気室４３と、予備排気室４３を排気するための予備排気手段４４と、予備排気室４３と真空室３３との間のゲートバルブ４５および被測定物３２を予備排気室４３から電流計測装置の所定の位置まで搬送するための搬送手段４６とを具備している。この予備排気室４３を設けたことで、真空室３３の真空を破らずに被測定物３２の試料交換を行うことができる。試料交換の際に真空室３３の真空を破ると、この時に電流計測回路３１が冷却されたままだと水滴が付着し、素子特性の劣化や次回の真空排気が困難になるなどの問題が生じる。このため、真空を破る前には電流計測回路３１の温度を室温に戻す必要があり、次回の計測のための再冷却時間と合わせて、試料交換に多くの時間が必要となる。本実施形態例では、予備排気室４３を具備しているため、真空室３３の真空を破る必要がなく、電流計測回路３１は冷却したまま試料を交換することができ、試料交換の時間が短縮できる。新しい試料を予備排気室４３に入れた後に、予備排気室４３はロータリーポンプからなる予備排気手段４４を用いて排気される。予備排気手段４４は特に設けず、排気手段３４の排気路をバルブで切り替えて用いてもよい。予備排気室４３が十分排気された後、ゲートバルブ４５を開け、試料を搬送手段４６に載せて搬送する。搬送終了後ゲートバルブ４５は閉じる。
【００４６】
図１２に示される本実施形態例の基本的な要素は、電流計測回路３１と被測定物３２とが同一真空室３３にあることである。その他の３４から４６までの各要素はオプションであり、必要に応じて付加することで性能や利便性の向上を期待することができる。また、本実施形態例では、電流計測回路３１を上に、被測定物３２を下に配置したが、この位置関係は逆でもよいし、横方向に配置してもかまわない。
【００４７】
ここで述べた実施形態例はいずれも電流計測を目的としたものであった。しかし、検出ループ１２で磁界を電流に変換し、超伝導サンプラー回路１１でその波形を計測するという手法は、例えば磁気ヘッドの磁区回転など高速に変化する磁界の計測にも適用することができる。
【００４８】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて本発明を詳細に説明したが、本発明は上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも本発明の範囲に含まれる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明による第１の効果は、被測定電流の高時間精度、高電流精度、非接触の計測が行える電流計測回路が得られることである。その理由は、被測定電流により発生する磁界を検出ループで電流に変換し、その電流を高時間精度、高電流精度を有する超伝導サンプラー回路で計測するからである。この計測において、検出ループの一部が超伝導サンプラー回路のコンパレータ接合に含まれるようにすれば、高い検出感度が得られる。
【００５０】
また、検出ループが超伝導サンプラー回路のコンパレータ接合を含む超伝導ループと磁気的に結合するようにすれば、超伝導サンプラー回路の動作が検出ループに誘起される電流に与える影響を低減できる。また、超伝導サンプラー回路のコンパレータ接合に電流を供給する配線と検出ループの一部を磁気的に結合する構造を取れば、被測定電流の一次微分を計測することができる。また、検出ループがグラディオメータ構造を持つようにすれば、環境磁場の影響を低減でき、より正確な被測定電流の計測ができる。また、超伝導サンプラー回路だけに選択的に超伝導グランドプレーンを設ければ、被測定電流が発生する磁界が超伝導サンプラー回路動作に悪影響を及ぼすことを防止できる。また、超伝導サンプラー回路および検出ループの材料として高温超伝導体を用いれば、冷却に要するコストが大幅に軽減できる。また、検出ループに磁界を収集する磁界収集手段を具備すれば、被測定電流により発生する磁界をより効率よく収集でき計測の感度が向上する。また、磁界収集手段として軟磁性体の探針を用いれば、計測の空間分解能を向上することができる。また、軟磁性体の探針の先端形状を長方形にすれば、LSIやプリント基板配線に流れる電流を計測する時の検出感度が向上する。また、超伝導サンプラー回路と検出ループからなる電流計測回路を複数個用いれば、被測定電流の伝搬の様子を観測することができる。また、超伝導サンプラー回路と検出ループからなる電流計測回路をアレイ状に配置すれば、被測定物の広い範囲にわたっての電流計測を一度に行うことができる。
【００５１】
本発明による第２の効果は、被測定電流の計測を高時間精度、高電流精度、非接触で行える電流計測装置を提供できることである。その理由は、電流計測回路と被測定物を同一真空中に置くことによって、両者を所望の寸法まで近づけることができることにある。
【００５２】
また、磁気シールドを具備し外部磁界を遮蔽することにより、より正確な電流計測を行うことができる。また、冷却装置で電流計測回路を冷却することにより、利便性が向上する。また、電流もしくは電圧を供給する手段を具備することにより、LSIやプリント基板配線に流れる電流の計測に対応できる。また、電流計測回路と被測定物の位置合わせを行う手段を具備することにより、被測定物の所望の場所における電流計測が可能になる。また、電流計測回路と被測定物の水平方向における相対的位置関係を可変にして測定を行うための手段を具備することにより、被測定物上の場所における電流分布を計測できる。また、電流計測回路と被測定物の間の距離を調節する手段を具備することにより、検出ループに誘起される遮蔽電流の値を超伝導サンプラー回路での計測に適した値に調節できる。また、電流計測回路と被測定物の間に熱シールドを具備することにより、電流計測回路と被測定物の熱的相互作用を低減することができる。また、被測定物にレーザ光線等の高周波の電磁波を照射する手段を具備することにより、光電効果による電流などの様々な計測が可能になる。また、被測定物交換のための予備排気室、予備排気手段、ゲートバルブ、搬送手段を具備することにより、被測定物交換のための時間が大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電流計測回路を説明するための概念図である。
【図２】本発明の第１の実施形態例を説明するための回路図である。
【図３】本発明の第２の実施形態例を説明するための回路図である。
【図４】本発明の第３の実施形態例を説明するための回路図である。
【図５】本発明の第４の実施形態例を説明するための概念図である。
【図６】本発明の第５の実施形態例を説明するための概念図である。
【図７】本発明の第６の実施形態例を説明するための概念図である。
【図８】本発明の第７の実施形態例を説明するための概念図である。
【図９】本発明の第８の実施形態例を説明するための概念図である。
【図１０】本発明の第９の実施形態例を説明するための概念図である。
【図１１】本発明の第１０の実施形態例を説明するための概念図である。
【図１２】本発明の第１１の実施形態例を説明するための電流計測装置の断面図である。
【図１３】半導体サンプラーを用いた従来の電流計測方法を説明するための概念図である。
【図１４】電磁誘導を使った磁気センサを用いた従来の電流計測方法を説明するための概念図である。
【図１５】  SQUIDを用いた従来の電流計測方法を説明するための概念図である。
【図１６】超伝導サンプラー回路を用いた従来の電流計測方法を説明するための回路図および超伝導サンプラー回路に供給する電流と出力電圧のフローチャートである。
【符号の説明】
１１  超伝導サンプラー
１２  検出ループ
１３  被測定物
１４  配線
１５  第１の相互インダクタンス
１６  第２の相互インダクタンス
１７  第１のループ
１８  第２のループ
１９  超伝導グランドプレーン
２０  磁界収集手段
２１  軟磁性体の探針
２２  探針の先端
２３  第１の電流検出回路
２４  第２の電流検出回路
２５  電流検出回路
３１  電流検出回路
３２  被測定物
３３  真空室
３４  排気手段
３５  磁気シールド
３６  冷却装置
３７  電圧又は電流の供給手段
３８  電流計測回路と被測定物の位置合わせを行う手段
３９  台座
４０  電流計測回路と被測定物の距離を調節する手段
４１  熱シールド
４２  レーザ光線などの高周波の電磁波を照射する手段
４３  予備排気室
４４  予備排気手段
４５  ゲートバルブ
４６  搬送手段
５１  配線
５２  半導体サンプラー
５３  第１の端
５４  第２の端
５５  電磁誘導を用いた磁界センサ
５６  スペクトラム・アナライザ
５７  右側のジョセフソン接合
５８  左側のジョセフソン接合
５９  DC−SQUID
６０  電流源
６１  電圧計
７１  第１の入力端子
７２  第２の入力端子
７３  第１のジョセフソン接合
７４  第２のジョセフソン接合
７５  第３のジョセフソン接合
７６  第４のジョセフソン接合
７７  第５のジョセフソン接合
７８  第１のインダクタンス
７９  第２のインダクタンス
８０  第３のインダクタンス
８１  結合インダクタンス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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