(57)【要約】【課題】チップの電極パッドと基板配線パッドとのアライメントを容易化すると共に、チップの取り付け・取り外し時におけるチップの損傷を回避することのできるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置を提供すること。【解決手段】バイアス電流とマイクロ波の印加により一定電圧を発生する超伝導ジョセフソン接合の多数個を直列接続した複数個の超伝導ジョセフソン電圧標準用チップ３、４で構成されたプログラマブルジョセフソン電圧標準装置において、前記複数個のそれぞれのチップ３、４は、それぞれ個別の基板１、２上に設置され、各チップ３、４は基板１、２上の基板配線６、７とボンディングワイヤ８、９により接続され、各基板１、２間は基板上の基板配線６、７間を導線５で接続したことを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイアス電流とマイクロ波の印加により一定電圧を発生する超伝導ジョセフソン接合の多数個を直列接続した複数個の超伝導ジョセフソン電圧標準用チップで構成されたプログラマブルジョセフソン電圧標準装置において、
前記複数個のそれぞれの超伝導ジョセフソン電圧標準用チップは、それぞれ個別の基板上に設置され、各超伝導ジョセフソン電圧標準用チップは基板上の基板配線と接続され、各基板間は基板上の基板配線間を接続したことを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準装置。
【請求項２】
バイアス電流とマイクロ波の印加により一定電圧を発生する超伝導ジョセフソン接合の多数個を直列接続した複数個の超伝導ジョセフソン電圧標準用チップで構成されたプログラマブルジョセフソン電圧標準装置において、
前記複数個のそれぞれの超伝導ジョセフソン電圧標準用チップは、それぞれ個別の基板上に設置され、各超伝導ジョセフソン電圧標準用チップは基板上の基板配線とボンディングワイヤ、リボン、またはハンダにより接続され、各基板間は基板上の基板配線間を導線で接続したことを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準装置。
【請求項３】
前記各基板間の基板上の基板配線間の導線による接続は、前段の基板上の出力端子に相当する基板配線と、後段の基板上の入力端子に相当する基板配線との間の導線による接続を含むことを特徴とする請求項２に記載のプログラマブルジョセフソン電圧標準装置。
【請求項４】
前記各基板は、板状サンプルホルダにおいて背面が支持されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つの請求項に記載のプログラマブルジョセフソン電圧標準装置。
【請求項５】
バイアス電流とマイクロ波の印加により一定電圧を発生する超伝導ジョセフソン接合の多数個を直列接続した複数個の超伝導ジョセフソン電圧標準用チップで構成されるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置において、
前記複数個のそれぞれの超伝導ジョセフソン電圧標準用チップは、それぞれ個別の基板上に設置され、各超伝導ジョセフソン電圧標準用チップは基板上の基板配線と高温超伝導体テープにより接続され、基板間は各基板上の基板配線間を高温超伝導体テープで接続したことを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準装置。
【請求項６】
前記基板間の各基板上の基板配線間の高温超伝導体テープによる接続は、前段の基板上の出力端子に相当する基板配線と、後段の基板上の入力端子に相当する基板配線との間の高温超伝導体テープによる接続を含むことを特徴とする請求項５に記載のプログラマブルジョセフソン電圧標準装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プログラマブルジョセフソン電圧標準(Programmable Josephson Voltage Standard)装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導ジョセフソン素子は、通常、２つの超伝導体により絶縁層等の薄い障壁層を挟んだ構造をとり、非線形で特殊な電気的特性を持ち、電圧標準をはじめとする超伝導エレクトロニクスや集積回路技術の分野において広く研究がなされている。図４に示すように、超伝導ジョセフソン素子に対してあらかじめマイクロ波を照射しておき、電流を流すと、素子の両端にはマイクロ波の周波数ｆによってのみ決まる電圧（Ｖ＝（ｈ／２ｅ）ｆ）が発生する。一方、電流を流さなければ、電圧はゼロとなる。マイクロ波周波数は非常に高精度に制御可能のため、得られる電圧も非常に高精度なものが得られる。
【０００３】
プログラマブルジョセフソン電圧標準装置では、超伝導ジョセフソン素子１個あたりの電圧は数十μＶ程度であるため、目標の１０Ｖ以上の出力を得るためには数十万個もの超伝導ジョセフソン素子を直列に接続したアレー構造として構成される。実際には、アレーは２ｎに比例する超伝導ジョセフソン素子数を持つような複数のセクションに分割しておき、かつ各セル毎に対してバイアス電流源を「流す」または「流さない」を制御することによって、任意の電圧をプログラマブルに発生・制御させることができ、高精度なＤ／Ａコンバータを実現することができる。
【０００４】
１０Ｖ以上の高い電圧振幅を持つプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップは、数十万もの多くの超伝導ジョセフソン素子を必要とするため、高いチップ作製歩留まりを得るのが難しく、１チップのみで目標の１０Ｖを得るのは難しい。そのため、１０Ｖを得るために２チップ以上を組み合わせるマルチチップ方式によってプログラマブルジョセフソン電圧標準装置を実現している。
【０００５】
電圧標準等の超伝導エレクトロニクスにおいて、マルチチップ方式を実現するためには、マルチチップ用基板を用いたフリップチップボンディング方法が一般的に採用されている。この方法では図５に示すように、１枚のマルチチップ用基板１０１上に複数のプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ１０２、１０３を載せ、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ１０２とプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ１０３の入出力間に超伝導配線１０４を配設し、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ１０２の出力端子Ｖ１−と超伝導配線１０４との間、およびプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ１０３の入力端子Ｖ２＋と超伝導配線１０４との間をそれぞれ ＩｎＳｎ等の超伝導ハンダ１０５により接続して、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ１０２の出力端子Ｖ１−とプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ１０３の入力端子Ｖ２＋間を超伝導配線１０４で接続する方法である。なお図５の例では、２チップを実装・接続した例であるが、３チップ以上を１枚のマルチチップ用基板に載せて接続する場合にも同様の方法で行う。
【特許文献１】特開平7-22461号公報
【特許文献２】特開平5-251750号公報
【特許文献３】特開昭58-207686 号公報
【非特許文献１】A. H. Miklich, A. H. Worsham, D. L. Miller, and J. X. Przybysz, "Circuit for chip-to-chip transportation of bits from single flux quantum circuits", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 7, pp. 2278-2281, June 1997.
【非特許文献２】M. Maezawa, H. Yamamori and A. Shoji, "Novel approach to chip-to-chip communication using a single flux quantum pulse", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 9, pp. 4049-4052, June 1999.
【非特許文献３】Quentin P. Herr, Andrew D. Smith, and Michael S. Wire, "High speed data link between digital superconductor chips",Applied Physics Letters, vol. 80, no. 17, pp. 3210-3212, April 2002.
【非特許文献３】T. Yamada,  H. Sasaki,  H. Yamamori, and  A. Shoji, Influence of Temperature Variation on a Precise Measurement of a Programmable Josephson Voltage Standard"13th International Superconductive Electronics Conference 2007 (Washington D.C.), P-D04.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フリップチップボンディング方法を採用したプログラマブルジョセフソン電圧標準装置は、上述のごとく、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ１０２、１０３間をゼロ抵抗および無損失の超伝導配線１０４で結ぶことができるため、高性能の電気特性が得られる優れた方法であり、広く利用されている。しかしながら、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップの電極パッドと基板配線パッドとの間で、ハンダ付けのための高精度なアライメントを必要とする上、ハンダ付けの際に加える熱によりチップを損傷しやすいという問題がある。さらに、マルチチップ用基板１０１にチップを載せる前には、あらかじめ良品チップ選別のためにチップ単独評価用基板へ取り付けて評価を行う必要があり、評価後に同基板から取り外してマルチチップ用基板１０１に取り付け直す必要があり、チップを基板へ取り付け・取り外しを繰り返していくうちにチップを損傷しやすいという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、マルチチップ用基板を用いた従来のフリップチップボンディング方法に代えて、新規なマルチチップ方式を採用して、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップの電極パッドと基板配線パッドとのアライメントを容易化すると共に、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップの取り付け・取り外し時におけるチップの損傷を回避することのできるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、バイアス電流とマイクロ波の印加により一定電圧を発生する超伝導ジョセフソン接合の多数個を直列接続した複数個の超伝導ジョセフソン電圧標準用チップで構成されたプログラマブルジョセフソン電圧標準装置において、前記複数個のそれぞれの超伝導ジョセフソン電圧標準用チップは、それぞれ個別の基板上に設置され、各超伝導ジョセフソン電圧標準用チップは基板上の基板配線と接続され、各基板間は基板上の基板配線間を接続したことを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準装置である。
第２の手段は、バイアス電流とマイクロ波の印加により一定電圧を発生する超伝導ジョセフソン接合の多数個を直列接続した複数個の超伝導ジョセフソン電圧標準用チップで構成されたプログラマブルジョセフソン電圧標準装置において、前記複数個のそれぞれの超伝導ジョセフソン電圧標準用チップは、それぞれ個別の基板上に設置され、各超伝導ジョセフソン電圧標準用チップは基板上の基板配線とボンディングワイヤ、リボン、またはハンダにより接続され、各基板間は基板上の基板配線間を導線で接続したことを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準装置である。
第３の手段は、第２の手段において、前記各基板間の基板上の基板配線間の導線による接続は、前段の基板上の出力端子に相当する基板配線と、後段の基板上の入力端子に相当する基板配線との間の導線による接続を含むことを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準装置である。
第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段において、前記各基板は、板状のサンプルホルダにおいて背面が支持されていることを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準装置である。
第５の手段は、バイアス電流とマイクロ波の印加により一定電圧を発生する超伝導ジョセフソン接合の多数個を直列接続した複数個の超伝導ジョセフソン電圧標準用チップで構成されるプログラマブルジョセフソン電圧標準装置において、前記複数個のそれぞれの超伝導ジョセフソン電圧標準用チップは、それぞれ個別の基板上に設置され、各超伝導ジョセフソン電圧標準用チップは基板上の基板配線と高温超伝導体テープにより接続され、基板間は各基板上の基板配線間を高温超伝導体テープで接続したことを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準装置である。
第６の手段は、第５の手段において、前記基板間の各基板上の基板配線間の高温超伝導体テープによる接続は、前段の基板上の出力端子に相当する基板配線と、後段の基板上の入力端子に相当する基板配線との間の高温超伝導体テープによる接続を含むことを特徴とするプログラマブルジョセフソン電圧標準装置である。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップと基板は一体として取り扱うため、良品チップ選別は基板間の取り付け・取り外しのみによって行うことが可能となり、良品チップを新たに別の基板に取り付け直す必要がないので、チップを痛めることのない優れたマルチチップ方法を提供することができる。
請求項２、３に記載の発明によれば、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップと基板は一体として取り扱うため、良品チップ選別は基板間の導線におけるハンダの取り付け・取り外しのみによって行うことが可能となり、良品チップを新たに別の基板に取り付け直す必要がないので、チップを痛めることのない優れたマルチチップ方法を提供することができる。
請求項４に記載の発明によれば、サンプルホルダに背中合わせでプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップを実装することができ、複数のチップ間を短距離、低抵抗で結ぶことが可能になる。
請求項５、６に記載の発明によれば、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップと基板は一体として取り扱うため、良品チップ選別は基板間の高温超伝導体テープにおけるハンダの取り付け・取り外しのみによって行うことが可能となり、良品チップを新たに別の基板に取り付け直す必要がないので、チップを痛めることがない。また冷凍機を用いたシステム内では、高温超伝導体テープの配設はコールドヘッドから電気的に絶縁した状態で行う必要がある。すると熱的にも絶縁され配線の冷却効果は低下し温度が上がってしまうが、１００Ｋ以上の温度でも安定して超伝導状態となる高温超伝導体を用いたことによって、温度がある程度上がったとしても超伝導状態を安定に維持することが可能になる。また高温超伝導体テープは、比較的フレキシブルに曲げることが可能である上、銀メッキが施されているタイプを用いればハンダ付けも可能であるので、有限の抵抗・損失を有する導線の代わりに基板間をゼロ抵抗・無損失で結ぶ配線として用いることも可能となる。さらに、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップと基板配線との間に、InSn等のハンダ材料を用いて高温超伝導体テープにより結ぶことによって、ゼロ抵抗・無損失の超伝導接続をすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の第１の実施形態を図１および図２を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係るプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の構成を示す斜視図である。
同図において、１、２は基板、３は基板１上に設置されるプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ、４は基板２上に設置されるプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ、５は導線、６は基板１上に形成された基板配線、７は基板２上に形成された基板配線、８はプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ３と基板配線６間を接続するボンディングワイヤ、９はプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ４と基板配線７間を接続するボンディングワイヤ、１０は基板電極パッド１１と導線５間を接続するハンダ、１１は基板電極パッドである。同図ではチップ数が２のときの例を示しているが、チップ数が３以上のときも同様の構成となる。
【００１１】
同図に示すように、本実施形態の発明に係るプログラマブルジョセフソン電圧標準装置は、１枚の基板１（２）に１つのプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ３（４）を載せて固定し、基板１、２の基板配線６、７とプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ３、４間をボンディングワイヤ８、９、リボン、またはハンダにより接続し、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ３の出力端子Ｖ１−となる基板電極パッド１１とプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ４の入力端子Ｖ２＋となる基板電極パッド１１との間を低抵抗な導線５によってハンダ１０により接続したものである。なお上記はチップ数２のときの例を示しているが、チップ数３以上のときについても、各基板上のチップ基板への固定方法と基板間接続の導線による接続方法は同様である。また各基板間の接続方法についても同様で、前段の基板上の出力端子に相当する基板配線と、後段の基板上の入力端子に相当する基板配線との間を接続することにより、複数の基板同士が直列接続される。
【００１２】
本発明によれば、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ３（４）と基板１（２）は一体として取り扱うため、良品チップ選別は基板１、２と導線５との間におけるハンダ１０の取り付け・取り外しのみによって行うことが可能であり、チップを痛めることのない優れたマルチチップ方法である。このことは、チップ数が２のときのみならず３以上のときについても同様にあてはまる。
【００１３】
図２は、図１に示したプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の具体的構成の一例を示す図であり、図２（ａ）は基板１側から見た斜視図、図２（ｂ）は基板２側から見た斜視図、図２（ｃ）は基板１と基板２との間から見た斜視図である。
同図において、１２は板状のサンプルホルダ、１３は試料固定台である。本実施形態の発明に係るプログラマブルジョセフソン電圧標準装置によれば、チップ間を繋ぐ配線の一連の箇所において、ボンディングワイヤ８、９や基板配線６、７、基板間の導線５は超伝導体ではないため、チップ間配線は有限の抵抗・損失を伴い、電圧精度の低下を招く。しかし、図２に示すような構成を採用することにより、サンプルホルダ１２に背中合わせで複数個のプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ３、４を実装することができ、複数個のチップ間を短距離、すなわち低抵抗で結ぶことが可能になる。さらには、ボンディングワイヤ８、９またはリボンを複数本パラレルに接続したり、基板配線や基板間を接続する導線に対して太いタイプのものを用いる等の対処を施すことにより、抵抗をさらに低く抑えることができる。
【００１４】
本発明の第２の実施形態を図３を用いて説明する。
図１に示したプログラマブルジョセフソン電圧標準装置においては、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ間を結ぶ配線であるボンディングワイヤ８、９、基板配線６、７、導線５は超伝導ではなく、有限の抵抗を持つ常伝導体である。そのため、そこでの損失や抵抗による電圧降下がいくらか発生する。そのため、それらの配線の抵抗や損失を十分に低く抑える必要がある。ボンディングワイヤ８、９、導線５に関しては、それぞれリボン・パラレル化、太い導線用いれば抵抗をある程度まで低く抑えることができる。しかしながら国家標準等の究極の電圧精度を狙う用途向けでは、抵抗を完全にゼロとすることが要求され、超伝導配線を用いることが強く望まれる。同図では、チップ数２のときの内容であるが、３以上のときも同様である。
【００１５】
図１に示したプログラマブルジョセフソン電圧標準装置において、プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ３、４間を超伝導配線により接続するためには、ボンディングワイヤ８、９、基板配線６、７、導線５の箇所に対して超伝導材料を用い、かつそれらを何らかの方法で冷却する必要がある。しかしながら、これには以下に示す２つの問題がある。（１）超伝導材料を用いたボンディングワイヤが存在しない。（２） 冷凍機では導線を十分に低い温度にまで冷却することが難しい。同図では、チップ数２のときの例であるが、３以上のときも同様である。
【００１６】
液体ヘリウムによる液冷システムでは、導線をチップと共にヘリウムに浸すことによって超伝導状態にまで容易に冷却することが可能である。一方、冷凍機を用いた冷凍システムでは、導線をコールドヘッドに接触させなければ十分に低い温度にまで安定して冷却することはできない。しかし一般にコールドヘッドは冷凍機とともにアースに接地されているため、導線をこれに接触させて冷却するわけにはいかず、電気的に絶縁されなければならない。しかし、電気的に絶縁することは熱的に絶縁されることと等価であり、導線冷却の効果が失われる。
【００１７】
本件発明者の実験によれば、１０Ｋ冷凍機システムではコールドヘッド温度は１０Ｋに制御されているが、熱的に絶縁した状態ではせいぜい２０Ｋ弱程度にまでしか冷えない。一般に金属超伝導体の導線はＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎ等を用いたとしても臨界温度はせいぜい十数Ｋ程度であるため、超伝導状態にすることはできない。そのため、２０Ｋ程度でも安定に超伝導体となる高温超伝導体材料を用いることが不可欠となる。
【００１８】
図３は、本実施形態の発明に係るプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の構成を示す斜視図である。
同図において、１４は基板、１５は基板１４上に配置されるプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ、１６はチップ電極パッド、１７は基板１４上に形成された高温超伝導体からなる基板配線、１８は、チップ電極パッド１６と高温超伝導体テープ１９との間、高温超伝導体テープ１９と基板配線１７との間、および基板配線１７と高温超伝導体テープ２０との間を接続するハンダ、１９はプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ１５のチップ電極パッド１６と基板配線１７との間を接続する高温超伝導体テープ、２０は基板１４の基板配線１７と不図示の他の基板の基板配線との間を接続する高温超伝導体テープである。
【００１９】
上述のごとく、高温超伝導体材料はセラミックス材料であるため、チップや基板配線との接続が難しく、また金属超伝導体ほどフレキシブルに曲げることも難しいが、本実施形態の発明においては、高温超伝導体テープ１９、２０として、電力送電ケーブル向けに開発されている市販の高温超伝導体テープ線材を用いる。この高温超伝導体テープ線材は１００Ｋ以上の温度でも超伝導体となり、また比較的フレキシブルに曲げることが可能である上、銀メッキが施されているタイプを用いればハンダ付けも容易であると考えられる。そのため、基板間を結ぶ高温超伝導体テープ２０として用いることが可能である。また、高温超伝導体テープ１９を用いれば、ＩｎＳｎ等をハンダ材料として用いることによってプログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ１５と基板配線１７とをゼロ抵抗・無損失の超伝導配線として接続することが可能であるので、有限の抵抗・損失を有するボンディングワイヤまたはリボンの代わりとしても使用することが可能となる。なお、高温超伝導体テープ１９とチップ１５との間および高温超伝導体テープ１９、２０と基板配線１７との界面部分は、ハンダ１８やメッキ用銀材料といった常伝導体のためそれら自身は有限の抵抗を持つが、それらを十分に薄くすれば、近接効果により高温超伝導体テープからの超伝導性の染み出し効果により超伝導性を持つようになり、チップ間の接続部分をすべてゼロ抵抗・無損失の超伝導接続できることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態の発明に係るプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示したプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の具体的構成の一例を示す図である。
【図３】第２の実施形態の発明に係るプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の構成を示す斜視図である。
【図４】バイアス電流とマイクロ波の印加により一定電圧を発生する超伝導ジョセフソン接合の構成を示す図である。
【図５】従来技術に係るプログラマブルジョセフソン電圧標準装置の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２１】
１、２  基板
３、４  プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ
５  導線
６、７  基板配線
８、９  ボンディングワイヤ
１０  ハンダ
１１  基板電極パッド
１２  サンプルホルダ
１３  試料固定台
１４  基板
１５  プログラマブルジョセフソン電圧標準用チップ
１６  チップ電極パッド
１７  基板配線（高温超伝導体）
１８  ハンダ
１９  高温超伝導体テープ
２０  高温超伝導体テープ
【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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