(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を超電導遷移温度以下に冷却可能な冷却用容器の前記内部に一方端が位置し、かつ他方端が前記冷却用容器の外部に位置する金属ブロックの前記他方端に取付可能で、かつ超電導回路素子が形成された超電導回路チップを支持するチップキャリアであって、
前記金属ブロックと前記超電導回路チップとの間に位置し、かつ前記金属ブロックと前記超電導回路チップとの双方に直接接する金属板と、
前記超電導回路素子に電気的に接続された配線を有し、かつ前記金属板に支持された絶縁体とを有している、超電導回路チップ用のチップキャリア。
【請求項２】
前記金属板は前記絶縁体と前記金属ブロックとの間に位置している、請求項１に記載の超電導回路チップ用のチップキャリア。
【請求項３】
前記絶縁体は前記金属ブロックに直接接している、請求項１に記載の超電導回路チップ用のチップキャリア。
【請求項４】
前記金属ブロックおよび前記金属板のいずれか一方は雄ねじ部を有し、いずれか他方は前記雄ねじ部と螺合可能な雌ねじ部を有しており、
前記雄ねじ部と前記雌ねじ部とを螺合させることで前記金属ブロックと前記金属板とを螺着可能である、請求項１に記載の超電導回路チップ用のチップキャリア。
【請求項５】
内部を超電導遷移温度以下に冷却可能な冷却用容器と、
前記冷却用容器の前記内部に一方端が位置し、かつ他方端が前記冷却用容器の外部に位置する金属ブロックと、
超電導回路素子が形成された超電導回路チップと、
前記金属ブロックの前記他方端に取付可能で、かつ前記超電導回路チップを支持するチップキャリアとを備え、
前記チップキャリアは、
前記金属ブロックと前記超電導回路チップとの間に位置し、かつ前記金属ブロックと前記超電導回路チップとの双方に直接接する金属板と、
前記超電導回路素子に電気的に接続された配線が形成され、かつ前記金属板に支持された絶縁体とを有する、超電導回路チップ用のチップキャリアを用いた測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導回路チップ用のチップキャリアおよびそれを用いた測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ジョセフソン効果を応用した超電導エレクトロニクス素子が開発されてきている。特に直流ジョセフソン効果を利用したＳＱＵＩＤ（Super conducting Quantum Interference Device）は超微小な磁場を検出することができる。このＳＱＵＩＤを利用すると、脳磁場や心臓磁場などの微小磁場を高感度に測定する磁気センサなどの測定装置を実現することができる。そこで、高温超電導体を用いて温度７７Ｋで動作する高感度の磁気センサなどの測定装置を実現するために研究が行なわれている。
【０００３】
図５はＳＱＵＩＤを有する超電導回路チップの具体的構成を概略的に示す斜視図である。図５を参照して、この超電導回路チップ２０は、２つの結晶基板２ａ、２ｂよりなるバイクリスタル基板２と、その基板２上に形成された高温超電導薄膜１とを有している。この高温超電導薄膜１はＳＱＵＩＤのループ部、すなわち超電導ループを備えている。このループ部は、２つのジョセフソン接合部１ａ、１ｂが並列に接続されることによって形成されている。このジョセフソン接合１ａ、１ｂは高温超電導薄膜の粒界から形成されており、このジョセフソン接合１ａ、１ｂの直下には、バイクリスタル基板２の接合部が存在する。
【０００４】
このＳＱＵＩＤにおいては、臨界電流値を超えるバイアス電流ＩｂがこのＳＱＵＩＤに流されると、ループ部に囲まれたホール部１ｅを貫通する磁場によって電圧が発生し、その電圧は両端部１ｃ、１ｄの間で出力電圧として測定される。この出力電圧は、ホール部１ｅを貫通する超微小な磁場の変化に応じて変調することになるため、超微小な磁場を検出することが可能となる。
【０００５】
このようなＳＱＵＩＤを用いた従来の磁気センサは図６と図７とに示す構成となる。なお図７は、図６の領域Ｐを拡大して示す図である。
【０００６】
図６と図７とを参照して、従来の磁気センサは、内部をたとえば液体窒素３０により超電導遷移温度以下に冷却可能な内側容器１０９と、その内側容器１０９との間に断熱真空層を確保するための外側容器１１０と、内側容器１０９の内部空間に保持されかつ図５に示すＳＱＵＩＤを有する超電導回路チップ２０とを主に有している。
【０００７】
超電導回路チップ２０は、内側容器１０９の内壁にチップキャリア１０６を介在して取付けられている。また超電導回路チップ２０の超電導薄膜１は、チップキャリア１０６の表面に形成された配線層（図示せず）にボンディングワイヤ１０５によって電気的に接続されている。この超電導回路チップ２０はキャップ１０７によって取囲まれることで保護されている。
【０００８】
なお、内側容器９と外側容器１０との間に断熱真空層を設ける理由は、内側容器９内の液体窒素の蒸発を防ぎ、外部から内側容器９内への熱流入量を抑えるためである。
【０００９】
またボンディングワイヤ１０５を用いたのは、半田付けだと半田付けの際の温度が高くなりすぎて、薄膜で形成された超電導回路素子に悪影響を及ぼすなどの理由による。
【００１０】
この磁気センサにおいて、内側容器１０９の内部に液体窒素３０を入れて超電導回路チップ２０を超電導遷移温度以下に冷却させた状態で、センサを被測定体１００に近づけることで、被測定体１００の磁場が測定される。
【００１１】
しかしながら、この従来の磁気センサでは、超電導回路チップが内側容器１０９の内部に位置しているため、どうしても被測定体１００と超電導回路素子２０との距離Ｌ1 が大きくなってしまう。このため、超微小な磁場を検出することが困難であるという問題点があった。
【００１２】
上記問題点を解決できる磁気センサの例が、たとえば T. S. Lee et al.,“High-transition temperature superconducting quantum interference device microscope”, Rev. Sci. Instrum. 67 （12）, December 1996 , pp 4208-4215に開示されている。この文献に開示された磁気センサを図８に示す。
【００１３】
図８を参照して、この磁気センサでは超電導遷移温度以下に冷却可能な内側容器９の内側に一方端が位置し、かつ他方端がその内側容器９の外部に位置するＣｕ（銅）ブロック８が設けられている。そして超電導回路チップ２０は、内側容器９の外部であってＣｕブロック８の端部に、サファイアなどの絶縁層よりなるチップキャリア２０３を介して取付られている。
【００１４】
なお、外側容器１０の超電導回路チップ２０と対向する壁面には開口１０ａが設けられており、その開口１０ａを覆うように窓部材１１が取付けられている。
【００１５】
この磁気センサでは、Ｃｕブロック８の熱伝導性が高いため、Ｃｕブロック８を液体窒素３０で冷却することによって超電導回路素子１を低温にすることができる。
【００１６】
また超電導回路チップ２０が内側容器９の内側ではなく外側に位置しているため、被測定体１００との距離Ｌ2 を図６の磁気センサより内側容器９の厚み分だけ短くすることができる。これにより、被測定体と超電導回路チップとの間隔を小さくでき、超微小な磁場を検出することが可能となる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示す磁気センサでは、銅ブロック８と超電導回路チップ２０との間にたとえばサファイアなどの絶縁体よりなるチップキャリア２０３があるため、このチップキャリア２０３の熱勾配により超電導回路チップ２０は８７Ｋ程度までしか冷却され得ないという問題点があった。
【００１８】
この問題点を解決するため、たとえば図９に示すように超電導回路チップ２０を銅ブロック８に直接、銀ペーストなどにより接続する構成が考えられる。この場合には、銅ブロック８に絶縁体２０４を直接接続し、この絶縁体２０４の表面に形成された配線層と超電導回路素子１とをボンディングワイヤ（図示せず）により接続する必要がある。
【００１９】
しかしながら、超電導回路チップ２０を銅ブロック８に直接接続すると、接続後の全体の寸法が大きくなってしまうため、ボンディング装置内に収納不可能となり、ワイヤボンディングを行なうことができないという問題点があった。
【００２０】
それゆえ本発明の目的は、超電導回路素子を十分に冷却でき、かつ超電導回路素子と配線層とのワイヤボンディングによる接続を容易に行なうことのできる超電導回路チップ用のチップキャリアおよびそれを用いた測定装置を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の超電導回路チップ用のチップキャリアは、内部を超電導遷移温度以下に冷却可能な冷却用容器の内部に一方端が位置し、かつ他方端が冷却用容器の外部に位置する金属ブロックの他方端に取付可能で、かつ超電導回路素子が形成された超電導回路チップを支持するチップキャリアであって、金属板と、絶縁体とを備えている。金属板は、金属ブロックと超電導回路チップとの間に位置し、かつ金属ブロックと超電導回路チップとの双方に直接接している。絶縁体は、超電導回路チップの超電導回路素子に電気的に接続された配線を有し、かつ金属板に支持されている。
【００２２】
本発明のチップキャリアでは、冷却用容器内で冷却される金属ブロックと超電導回路チップとの間に双方に直接接するように金属板が設けられている。この金属板は通常、絶縁体よりも熱伝導性が良いため、従来のチップキャリアのように絶縁体を用いたものより超電導回路チップを低温に冷却することができる。
【００２３】
また金属板に超電導回路チップと絶縁体とを取付けた状態で、超電導回路素子と絶縁体上の配線とをワイヤボンディングすることができる。このため、ワイヤボンディング前に従来のように超電導回路チップを金属ブロックに接合する必要はない。よって、金属ブロックに取付けることでボンディング装置内に収納できなくなることはないため、容易にワイヤボンディングを行なうことができる。
【００２４】
上記局面において好ましくは、金属板は絶縁体と金属ブロックとの間に位置していてもよく、また絶縁体が金属ブロックに直接接することにより金属板は絶縁体と金属ブロックとの間に位置していなくてもよい。
【００２５】
上記局面において好ましくは、金属ブロックおよび金属板とのいずれか一方は、雄ねじ部を有し、いずれか他方は前記雄ねじ部と螺合可能な雌ねじ部を有している。その雄ねじ部と雌ねじ部とを螺合させることで金属ブロックと金属板とを螺着することができる。
【００２６】
このように金属ブロックと金属板とを螺着可能とすることで、螺着後の金属ブロックと金属板との熱接触を良好にすることができる。これにより、超電導回路素子をより低温に冷却することが可能となる。
【００２７】
本発明の超電導回路チップ用のチップキャリアを有する測定装置は、冷却用容器と、金属ブロックと、超電導回路チップと、チップキャリアとを備えている。冷却用容器は、内部を超電導遷移温度以下に冷却可能である。金属ブロックは、冷却用容器の内部に一方端が位置し、かつ他方端が冷却用容器の外部に位置している。超電導回路チップは、超電導回路素子を有している。チップキャリアは、金属ブロックの他方端に取付けられており、かつ超電導回路チップを支持している。このチップキャリアは、金属ブロックと超電導回路チップとの間に位置しかつ金属ブロックと超電導回路チップとの双方に直接接する金属板と、超電導回路素子に電気的に接続された配線を有しかつ金属板に支持された絶縁体とを有している。
【００２８】
本発明の測定装置では、冷却用容器内で冷却される金属ブロックと超電導回路チップとの間の双方に直接接するように金属板が設けられている。この金属板は通常、絶縁体よりも熱伝導性が良いため、従来のチップキャリアのように絶縁体を用いたものより超電導回路チップを低温に冷却することができる。
【００２９】
また金属板に超電導回路チップと絶縁体とを取付けた状態で、超電導回路素子と絶縁体上の配線とをワイヤボンディングすることができる。このため、ワイヤボンディング前に従来のように超電導回路チップを金属ブロックに接合する必要はない。よって、金属ブロックに取付けることでボンディング装置内に収納できなくなることはないため、容易にワイヤボンディングを行なうことができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態における磁気センサの構成を概略的に示す断面図であり、図２は図１の矢印Ａ方向から見た図である。
【００３１】
図１と図２とを参照して、この磁気センサは、内側容器９と、外側容器１０と、金属ブロック８と、チップキャリアと、超電導回路チップ２０とを主に備えている。内側容器９は、外側容器１０内に配置され、かつ内部をたとえば液体窒素３０により超電導遷移温度以下にすることができる。金属ブロック８は、この内側容器９内に一方端が位置し、かつ内側容器９外に他方端が位置するように取付つけられており、たとえば銅よりなっている。
【００３２】
超電導回路チップ２０は、金属ブロック８の他方端にチップキャリアを介在して取付けられている。
【００３３】
超電導回路チップ２０は、たとえば図５で説明したようにバイクリスタル基板２と、超電導ループを有する高温超電導薄膜１とから形成されるＳＱＵＩＤである。
【００３４】
チップキャリアは、金属ブロック８と超電導回路ブロック２０との間に、金属ブロック８と超電導回路チップ２０との双方に直接接するように設けられた金属板３と、金属板３に取付られた絶縁体４とを有している。超電導回路チップ２０のパッド電極１ｇは、ボンディングワイヤ５によって絶縁体４上の配線の接続部４ａに電気的に接続されている。また配線の接続部４ｂは半田６を介在してリード線７に電気的に接続されている。
【００３５】
なお、外側容器１０には開口１０ａが設けられており、この開口１０ａを覆うようにたとえばガラス板よりなる窓部材１１が取付けられている。
【００３６】
本実施の形態の磁気センサでは、内側容器９内で冷却される金属ブロック８と超電導回路チップ２０との間に、双方に直接接するように金属板３が設けられている。金属板３は通常、サファイアなどの絶縁体よりも熱伝導性が良いため、図８に示す従来例のように絶縁体よりなるチップキャリアを用いたものより超電導回路チップ２０を低温に冷却することができる。
【００３７】
また金属板３に超電導回路チップ２０と絶縁体４とを取付けた状態であれば金属ブロック８にチップキャリア３、４を取付る前に、超電導回路素子１と配線の接続部４ａとをワイヤボンディングすることができる。このため、金属ブロック８にチップキャリア３、４を取付けることでボンディング装置内に収納できなくなることはないため、容易にワイヤボンディングを行なうことができる。
【００３８】
なお、本実施の形態においては、金属板３上に絶縁体４を設けた構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。たとえば、図３に示すように絶縁体１４は金属板１３に支持されていれば金属ブロック８に直接接していてもよい。
【００３９】
また図４に示すように金属板２３に雄ねじ部を設け、また金属ブロック２８にこの雄ねじ部に螺合可能な雌ねじ部が設けられてもよい。これにより、金属ブロック２８に設けられた雌ねじ部に金属板２３の雄ねじ部を螺着することが可能となり、螺着後の金属ブロック２８と金属板２３との熱接触を良好にすることができる。これにより、超電導回路素子をより低温に冷却することが可能となる。
【００４０】
なお、金属板２３に雌ねじ部を設け、金属ブロック２８にその雌ねじ部に螺合可能な雄ねじ部が設けられていてもよい。この場合においても、上述と同様、金属ブロック２８と金属板２３との熱接触を良好にすることができる。
【００４１】
また本実施の形態では、超電導回路チップ２０として、図５に示すＳＱＵＩＤを有する構成について説明したが、特にこの構成に限定されるものではなく、これ以外の超電導回路素子を有する超電導回路チップに適用されてもよい。
【００４２】
また本実施の形態では、磁気センサについて説明したが、これに限られず、本発明は磁場以外に超電導回路素子によって測定可能な他の特性を測定する装置に適用されてもよい。
【００４３】
また本実施の形態では、金属ブロック８がＣｕよりなる場合について説明したが、この材質に限られず、熱伝導性の高い金属であればいかなるものも金属ブロック８に適用することができる。
【００４４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の超電導回路チップ用のチップキャリアおよびそれを用いた測定装置では、冷却用容器内で冷却される金属ブロックと超電導回路チップとの間に双方に直接接するように金属板が設けられている。金属板は通常、絶縁体よりも熱伝導性が良いため、従来のチップキャリアに絶縁体を用いたものより超電導回路チップを低温に冷却することができる。
【００４６】
また、金属板に超電導回路チップと絶縁体とを取付けた状態で超電導回路素子と絶縁体上の配線とをワイヤボンディングすることができる。このため、ワイヤボンディング前に従来のように超電導回路チップを金属ブロックに接合する必要はない。よって、金属ブロックに取付けることでボンディング装置内に収納できなくなることはないため、容易にワイヤボンディングを行なうことができる。
【００４７】
また金属ブロックと金属板とをねじにより螺合可能とすることで螺着後の金属ブロックと金属板との熱接触を良好にできる。これにより、超電導回路素子をより低温に冷却することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における超電導回路素子を有する磁気センサの構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図１の矢印Ａ方向から見た図である。
【図３】チップキャリアの絶縁体を金属ブロックに直接接する構成を有する磁気センサの構成を概略的に示す断面図である。
【図４】チップキャリアの金属板と金属ブロックとをねじにより螺合可能な構成を有する磁気センサの構成を概略的に示す断面図である。
【図５】高温超電導回路素子の一例としてＳＱＵＩＤの構成を示す概略斜視図である。
【図６】従来の磁気センサの第１の例を示す概略断面図である。
【図７】図６の領域Ｐを拡大して示す断面図である。
【図８】従来の磁気センサの第２の例を示す概略断面図である。
【図９】超電導回路チップを銅ブロックに直接接続した場合に生ずる問題を説明するための図である。
【符号の説明】
１  高温超電導薄膜
２  基板
３  金属板
４  絶縁体
５  ボンディングワイヤ
６  半田
７  リード線
８  金属ブロック
９  内側容器
１０  外側容器
２０  超電導回路チップ
【図１】
0004081834.tif 000002
【図２】
0004081834.tif 000003
【図３】
0004081834.tif 000004
【図４】
0004081834.tif 000005
【図５】
0004081834.tif 000006
【図６】
0004081834.tif 000007
【図７】
0004081834.tif 000008
【図８】
0004081834.tif 000009
【図９】
0004081834.tif 000010