(57)【要約】【課題】入出力部と超電導薄膜細線とを強固に再現性良く接続できる超電導薄膜を有する限流器の構成を提供すること。【解決手段】入出力部と超電導薄膜細線の間に金属テープを介在させ、金属テープと超電導薄膜細線を超音波ボンディングにより接続する。【選択図】  図１
2009099635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板上に第２の基板が設けられ、
前記第１の基板上には第１の超伝導線を有する入力部と、第２の超伝導線を有する出力部を有し、
前記第２の基板上には第１および第２の電極と、前記第１および第２の電極間を結ぶ超伝導薄膜細線と常伝導薄膜細線とが積層された限流部とが設けられ、
前記第１の超伝導線と前記第１の電極との間は第１の金属テープにより接続され、前記第２の超伝導線と前記第２の電極との間は第２の金属テープにより接続されていることを特徴とする超電導薄膜を有する限流器。
【請求項２】
前記第１の電極と前記第１の金属テープとは超音波ボンディング法により接続され、前記第２の電極と前記第２の金属テープとは前記超音波ボンディング法により接続されていることを特徴とする請求項１記載の超電導薄膜を有する限流器。
【請求項３】
前記第１および第２の金属テープの厚さは０.０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の超電導薄膜を有する限流器。
【請求項４】
前記超電導薄膜を有する限流器は、Ａｕ、Ａｇ、Ｍｏの中から選ばれた少なくとも一つの金属層と、超電導酸化物又はＭｇＢ２からなる超電導体層との２層構成であることを特徴とする請求項１記載の超電導薄膜を有する限流器。
【請求項５】
前記金属層の線幅は、前記超電導体層の線幅よりも大きいことを特徴とする請求項４記載の超電導薄膜を有する限流器。
【請求項６】
前記金属層の延在方向に対する断面積は１μｍ２以上１０４μｍ２以下であり、かつ、前記超電導体層の延在方向の線幅は３μｍ以上１００μｍ以下、かつ、前記超電導体層の延在方向の膜厚は１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４記載の超電導薄膜を有する限流器。
【請求項７】
前記限流器を構成する細線は、複数の直線状線分を接続して構成された部分を有し、かつ、前記細線は、主要部と、前記第１の電極と前記主要部との第１の接続部と、前記第２の電極と前記主要部との第２の接続部とを有し、
前記主要部を構成する複数個の直線状線分は長さが等しく、かつ、隣り合う前記直線状線分は直交せず、かつ、前記直線状線分は隣のさらに隣の前記直線状線分と平行であることを特徴とする請求項１記載の超電導薄膜を有する限流器。
【請求項８】
第１の基板上に第２の基板が設けられ、
前記第１の基板上には第１の超伝導線を有する入力部と、第２の超伝導線を有する出力部を有し、
前記第２の基板上には第１および第２の電極と、前記第１および第２の電極間を結ぶ超伝導薄膜細線と常伝導薄膜細線とが積層された限流部とが設けられたものを準備し、
前記第１の超伝導線と前記第１の電極との間は第１の金属テープにより超音波ボンディング法を用いて接続され、前記第２の超伝導線と前記第２の電極との間は第２の金属テープにより前記超音波ボンディング法を用いて接続されていることを特徴とする超電導薄膜を有する限流器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は限流器およびその製造方法に関し、特に、通常時は低抵抗であるが、異常時は高抵抗となり過電流を抑制して機器の損傷を防止する限流器の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超電導薄膜からなる超電導−常伝導転移抵抗型限流器の構成については非特許文献１、非特許文献２および非特許文献３において論じられている。
【０００３】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、 Ｖｏｌ．１３、２００３年、第２０４４頁から第２０４７頁
【非特許文献２】ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ、 Ｖｏｌ．１３、２００３年、第１９８８頁から第１９９１頁
【非特許文献３】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、 Ｖｏｌ．８５、２００４年、第４４２７頁から第４４２９頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超電導酸化物ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（ＹＢＣＯ）薄膜細線からなる限流器については、上記第１乃至第３の非特許文献において論じられている。いずれもＡｌ２Ｏ３基板上にＡｕまたはＡｕ−Ａｇ合金とＹＢＣＯの２層構成の超電導薄膜細線を形成し、限流器を構成している。Ａｌ２Ｏ３基板は安価であると共に熱伝導率が高いため、異常時、超電導薄膜細線が常伝導状態へ転移し、温度が上昇した時、生じた熱を速やかに放熱できるという長所を有する。超電導薄膜細線がＹＢＣＯの１層構成の場合、常伝導状態へ転移した時（これは異常時である。）、ＹＢＣＯ細線の中の超電導性の最も弱い部分のみが常伝導状態へ転移し、他の部分は超電導状態を維持する。このためこの超電導性の弱い部分に電圧が集中し、局所的に温度が上昇し、ＹＢＣＯ細線が焼損、破断してしまう。このいわゆるホットスポット問題に対処するために、ＹＢＣＯにＡｕまたはＡｕ−Ａｇ合金を積層し、超電導薄膜細線を２層構成とし、常伝導状態へ転移した際、細線全体にほぼ均一に電圧がかかるようにし、局所的に温度が上昇しないように対策している。
【０００５】
上記第１乃至第３の非特許文献記載のものでは、金属ワイヤを入出力部として用いており、この金属ワイヤを超電導薄膜細線の両端に接続している。金属ワイヤを超電導薄膜に半田付けする場合、薄膜が半田に固溶する、すなわち薄膜が半田に溶けてしまうために強固に接続することが難しく、均一な特性を大量に再現性良く生産することが難しい、という問題を生じる。上記第１乃至第３の非特許文献開示のものでは、超電導薄膜に金属ワイヤを直接接続しており、均一な特性を再現性良く大量に生産することは難しく、大量生産を行うための最適な構成であるとは言えない。
【０００６】
上記第１乃至第３の非特許文献開示のものでは、超電導薄膜細線については、破断しないように金属と超電導酸化物ＹＢＣＯの２層構成としているが、超電導薄膜細線の線幅はいずれも１ｍｍ以上であり、できるだけ大きい超電導臨界電流（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｃｕｒｒｅｎｔ、Ｉｃ）を得ることに注意が払われており、特定のＩｃ、特に１Ａ未満の臨界電流（Ｉｃ＜１Ａ）を実現するために好適な超電導薄膜細線の構成について検討がされてこなかった。
【０００７】
また、上記第１乃至第３の従来例は、絶縁破壊が起こりくい超電導薄膜細線の形状について考慮がなされていない。
【０００８】
本発明の第１の目的は、入出力部と超電導薄膜細線とを強固に再現性良く接続できる構成を提供することにある。本発明の第２の目的は、特定のＩｃ、特に１Ａ未満の臨界電流（Ｉｃ＜１Ａ）を実現するために好適な超電導薄膜細線の構成を提供することにある。本発明の第３の目的は、絶縁破壊が起こりくい超電導薄膜細線の形状を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記第１の目的を達成するために、本発明の超電導薄膜を有する限流器は、
第１の超電導線からなる入力部と、第２の超電導線からなる出力部と、第１の基板上に形成された第１および第２の電極と該第１および第２の電極を結ぶ超電導薄膜細線を有する限流部とから少なくとも構成され、
第１の超電導線と第１の電極は第１の金属テープにより接続され、第２の超電導線と第２の電極は第２の金属テープにより接続され、
第１の基板と第１の金属テープと第２の金属テープは、第２の基板上に形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
さらに、第１、第２の電極と第１、第２の金属テープはそれぞれ超音波ボンディングにより接続されていることを特徴とするものである。
【００１１】
上記第２の目的を達成するために、本発明の超電導薄膜を有する限流器は、
超電導薄膜細線を構成する金属の断面積は１μｍ２以上１０４μｍ２以下であり、かつ、超電導薄膜細線を構成する超電導体の線幅は３μｍ以上１００μｍ以下、かつ、超電導体の膜厚は１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１２】
上記第３の目的を達成するために、本発明の超電導薄膜を有する限流器は、超電導薄膜細線は、複数の直線状線分を接続して構成され、かつ、該超電導薄膜細線は、主要部と、第１の電極と主要部との接続部と、第２の電極と主要部との接続部とからなり、主要部を構成する直線状線分は長さが等しく、かつ、隣り合う直線状線分は直交せず、かつ、直線状線分は隣のさらに隣の直線状線分と平行であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の超電導薄膜を有する限流器は、入出力部と超電導薄膜細線の間に金属テープを介在させ、金属テープと超電導薄膜細線を超音波ボンディングにより接続する。これより、入出力部と超電導薄膜細線とを強固に再現性良く接続できる超電導薄膜を有する限流器を実現できることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。
【００１５】
（実施例１）
実施例１は、Ａｌ２Ｏ３基板上にＡｕ／ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（ＹＢＣＯ）薄膜２層構成の超電導薄膜細線と電極を形成し、プリント基板にＡｌ２Ｏ３基板を接着し、Ｃｕからなる金属テープの一端を超音波ボンディングにより電極に接続し、金属テープの他端に半田付けによりＮｂＴｉワイヤからなる入出力部を接続して超電導薄膜を有する限流器を作製した例である。
【００１６】
図１は実施例１の超電導薄膜を有する限流器を示す図である。（ａ）が上面図、（ｂ）が側面図である。第１の基板であるＡｌ２Ｏ３基板４の上に、Ａｕ／ＹＢＣＯ薄膜２層から構成された、超電導薄膜細線１と第１の電極２および第２の電極３が形成されている。超電導薄膜細線１は、第１の電極２および第２の電極３を結ぶように形成されている。Ａｌ２Ｏ３基板４と第１の超電導線からなる入力部であるＮｂＴｉワイヤ７と第２の超電導線からなる出力部であるＮｂＴｉワイヤ８は、第２の基板であるプリント基板１１の上に形成されている。プリント基板１１の左右には、表面および裏面に銅箔１２が貼り付けてある。Ａｌ２Ｏ３基板４は、エポキシ系接着剤１５によりプリント基板１１に接着してある。ＮｂＴｉワイヤ７と第１の電極２は、第１の金属テープであるＣｕテープ５により接続され、ＮｂＴｉワイヤ８と第２の電極３は、第２の金属テープであるＣｕテープ６により接続されている。Ｃｕテープ５は、超音波ボンディング接続部９において、超音波ボンディングにより第１の電極２に接続されている。同様に、Ｃｕテープ６は、超音波ボンディング接続部１０において、超音波ボンディングにより第２の電極３に接続されている。ＮｂＴｉワイヤ７およびＮｂＴｉワイヤ８は、押さえ板１３と取り付けねじ１４により、それぞれＣｕテープ５とＣｕテープ６に固定されており、半田付けにより、ＮｂＴｉワイヤ７、８とＣｕテープ５、６はそれぞれ接続されている。以下、作製方法を詳述する。
【００１７】
まず、第１の基板であるＡｌ２Ｏ３基板４の全面にバッファ層としてパルスレーザ蒸着法により膜厚１００ｎｍのＣｅＯ２を成膜し、次にパルスレーザ蒸着法により膜厚１６０ｎｍの超電導酸化物ＹＢＣＯを成膜する。Ａｌ２Ｏ３基板は、熱伝導率が大きいため、異常時、限流器に超電導臨界電流（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｃｕｒｒｅｎｔ、Ｉｃ）以上の電流が流れ、超電導薄膜細線が常伝導状態へ転移し、温度が上昇した時、生じた熱を速やかに放熱できる。そこで本実施例では基板としてＡｌ２Ｏ３基板を用いる。また、超電導酸化物ＹＢＣＯは、Ａｌ２Ｏ３基板上に直接成膜した場合、良好な特性を得ることができないため、バッファ層としてＣｅＯ２を用いる。
【００１８】
次に、膜厚３００ｎｍのＡｕを成膜し、Ａｕ／ＹＢＣＯ薄膜２層膜を基板全面に形成した。本実施例では、ＡｕとＹＢＣＯの接触抵抗をできるだけ小さくするため、ＹＢＣＯ成膜後、直ちにＡｕを成膜する。次に、レジストを塗布し、ホトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、Ａｒドライエッチングにより、Ａｕ／ＹＢＣＯ薄膜２層膜をエッチングし、図２に示すように、線幅２０μｍ、線長６ｍのつづら折り形状の超電導薄膜細線１と、超電導薄膜細線１の両端に位置する第１の電極２および第２の電極３を形成する。次に、所望の１Ａ未満の臨界電流Ｉｃを得るためには、ＹＢＣＯから酸素を抜くことが必要であり、このためＡｒガス雰囲気中、４５０〜５５０℃において、１．５時間以上アニールする。
【００１９】
超電導薄膜細線は、ＹＢＣＯの１層構成ではなく、Ａｕ／ＹＢＣＯ薄膜２層構成とする。これは、ＹＢＣＯの１層構成の場合、異常時、常伝導状態へ転移した時、ＹＢＣＯ細線の中の超電導性の最も弱い部分のみが常伝導状態へ転移し、他の部分は超電導状態を維持し、このためこの超電導性の弱い部分に電圧が集中し、局所的に温度が上昇し、ＹＢＣＯ細線が焼損、破断してしまうからである。このいわゆるホットスポット問題に対処するために、本実施例では超電導薄膜細線はＡｕ／ＹＢＣＯ薄膜２層構成とし、常伝導状態へ転移した際、電流はＡｕ層に流れ、細線全体にほぼ均一に電圧がかかるようにし、局所的に温度が上昇しないように対策する。
【００２０】
上記第１乃至第３の従来例は、超電導薄膜細線について、破断しないように金属と超電導酸化物ＹＢＣＯの２層構成としているが、超電導薄膜細線の線幅はいずれも１ｍｍ以上であり、できるだけ大きい臨界電流Ｉｃを得ることに注意が払われ、特定のＩｃ、特に１Ａ未満の臨界電流（Ｉｃ＜１Ａ）を得るために好適な超電導薄膜細線の構成については考慮がなされていない。本実施例は、焼損、破断することなくＩｃ＝０．０２〜０．５Ａの限流器を実現することを目的としている。破断を防ぐためには、ＹＢＣＯ細線の断面積は大きい方が望ましいが、ＹＢＣＯ細線の断面積を大きくするとＩｃが増大し、所望のＩｃ（＝０．０２〜０．５Ａ）を得られない。
【００２１】
そこで本実施例では、ＹＢＣＯ細線の断面積を大きくしながらＩｃ＝０．０２〜０．５Ａを実現するために、アニールにより超電導臨界電流密度（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ、Ｊｃ）を調整した。アニール条件によっては、ＹＢＣＯの特性が劣化し、細線の破断を引き起こさない許容電流値が低減することが懸念された。種々の方法を検討した結果、Ａｒ雰囲気中における４５０℃〜５５０℃のアニールであれば、細線が破断する電流を低減することなく、臨界電流密度Ｊｃを低減できることがわかった。測定の結果、温度４．２Ｋにおける臨界電流密度は、Ｊｃ＝１０６〜１０７Ａ／ｃｍ２の範囲内にあった。従って、ＹＢＣＯ細線の線幅を広げ、断面積を大きくした後、Ａｒ雰囲気中でアニールすることにより、破断を起こさない許容電流を大きくしながら、Ｉｃの増大を抑えられることになる。実際、本実施例では、Ａｒガス雰囲気中、５００℃において、１．５時間アニールすることにより、ＹＢＣＯの膜厚１６０ｎｍ、線幅２０μｍにより、温度４．２ＫにおいてＩｃ＝０．０２〜０．５Ａを実現した。
【００２２】
また、本実施例における検討の結果、ＹＢＣＯ薄膜の厚さが１００ｎｍ未満では臨界温度が低下し、十分な超電導特性が得られず、厚さが５００ｎｍを越えると良好なｃ軸配向の結晶が得られず、これよりＹＢＣＯ薄膜の最適な膜厚は、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることがわかった。また、ＹＢＣＯ細線は、線長がおおよそ１ｍ以上と長いため、線幅が３μｍ以下の時にはホトリソグラフィの際、レジストパターンに欠陥が含まれる確率が増大して作製歩留まりが著しく低下し、線幅が１００μｍ以上の時には、たとえ膜厚１００ｎｍとしてもＪｃ＝１０７Ａ／ｃｍ２の場合、臨界電流はＩｃ＞１Ａとなり目標値の１Ａを越えてしまう。これよりＹＢＣＯ細線の最適な線幅は、３μｍ以上１００μｍ以下であることがわかった。
【００２３】
Ａｕの形状は以下のようにして定めた。超電導酸化物ＹＢＣＯが常伝導状態にある時、Ａｕの抵抗率はＹＢＣＯの抵抗率よりも約１０倍小さい。従って、限流器の抵抗はＡｕの抵抗にほぼ一致する。限流器の両端にかかる電圧を増大させるためには、限流器の抵抗、すなわちＡｕの抵抗を増大させる必要があり、このため従来、Ａｕは断面積の小さい、線長の長い形状が用いられてきた。実際、たとえば上記第２の従来例は、膜厚５０〜１００ｎｍの薄いＡｕ薄膜を用いている。従来、膜厚１５０ｎｍ以上の厚いＡｕ薄膜を用いる試みはなされてこなかった。しかしながら、本実施例における検討の結果、破断を起こさない許容電流は、上記、ＹＢＣＯ細線の断面積のほか、Ａｕの断面積にも依存し、破断を防ぐためにはＡｕの断面積は大きいことが有効であることがわかった。本実施例の検討において求めた、Ａｕ／ＹＢＣＯ超電導薄膜細線が破断を引き起こす電流のＡｕ断面積依存性の測定結果を図３に示す。横軸はＡｕの断面積Ｓ、縦軸は破断を引き起こす電流Ｉである。５個の基板試料の測定結果であり、各基板には２個から７個の素子を作製した。図中、異なる記号は異なる基板の測定結果であることを示す。破線は、電流密度Ｊ＝２．５×１０７Ａ／ｃｍ２とＪ＝５×１０７Ａ／ｃｍ２を示す。これより破断を起こさない許容電流は、Ａｕの断面積Ｓにほぼ比例し、破断を引き起こす電流密度は、Ｊ＝２．５〜５×１０７Ａ／ｃｍ２であることがわかる。本実施例では、破断を起こさない許容電流値は一点鎖線で示したＩ＝０．５Ａであるので、図３よりＡｕの断面積は１μｍ２以上の大きさであればよいことになる。次に、所望の抵抗を得られるように、細線の長さを定めた。本実施例では、Ａｕの膜厚３００ｎｍ、線幅２０μｍ、すなわち断面積は６μｍ２として所望の破断を起こさない許容電流を得、細線の線長６ｍとして所望の抵抗を得た。
【００２４】
Ａｕの断面積の上限は、限流時に必要とする限流器の抵抗と超電導薄膜細線１の長さから定まる。限流時は、ＹＢＣＯは常伝導状態にあり、ＹＢＣＯの抵抗はＡｕの抵抗よりも十分大きい。従って、限流時の限流器の抵抗は、Ａｕの抵抗にほぼ一致する。限流時、限流器の抵抗は少なくとも１００Ω以上を必要とし、Ａｌ２Ｏ３基板４の上にレイアウト可能な超電導薄膜細線１の長さは、長くとも１００ｍ以下である。従って、Ａｕの抵抗率はおおよそ１μΩｃｍであるので、Ａｕの断面積を１０４μｍ２以下とすれば所望の１００Ω以上の抵抗を実現できることになり、Ａｕの断面積の上限は１０４μｍ２となる。
【００２５】
尚、本実施例では、Ａｕと超電導酸化物ＹＢＣＯの２層膜を形成し、Ａｕ／ＹＢＣＯ薄膜２層構成の超電導薄膜細線を作製した。超電導酸化物ＹＢＣＯに積層させる金属は、ＹＢＣＯと反応物を生成しないことが必要であり、この条件を満足する金属として本実施例ではＡｕを用いた。従って、ＹＢＣＯと反応物を生成しない金属であるＡｇも有効であり、Ａｇ／ＹＢＣＯ薄膜２層構成の超電導薄膜細線を作製しても同様の効果が得られる。あるいはまた、超電導薄膜細線の線長を短くするために、Ａｕの代わりに抵抗率の大きい金属Ｍｏを用いることも有効である。但し、ＭｏはＹＢＣＯと反応物を生成するので、ＭｏとＹＢＣＯの間にＡｕを挿入すること、すなわち、Ａｕと超電導酸化物ＹＢＣＯの２層膜を形成後、Ｍｏを成膜して３層膜を形成し、ホトリソグラフィを行い、Ｍｏ／Ａｕ／ＹＢＣＯ薄膜３層構成の超電導薄膜細線を作製することにより、線長の短い超電導薄膜細線を実現できる。線長が短くなれば、ホトリソグラフィ時、レジストパターンに欠陥が含まれる確率が減少するため、作製歩留まりの向上に有益である。
【００２６】
従来、超電導薄膜細線の形状については、上記非特許文献１のＦｉｇ．１に記載されているらせん状のもの、上記非特許文献２のＦｉｇ．２に記載されている矩形状のものが検討されてきた。前者のらせん状の超電導薄膜細線は、入出力部の一方を基板中央から引き出さねばならず、接続が難しいという問題を有する。後者の矩形状の超電導薄膜細線は、図４に示すように、複数の直線状線分をつなぎ合わせたつづら折り形状であり、隣り合う直線状線分が直交する形状であり、電界強度が一様でなく、位置によって電界強度の強い部分が存在し、絶縁破壊が起こりやすい部分が存在するという問題を有する。すなわち、超電導薄膜細線上のある位置の電位は、一方の電極からその位置までの超電導薄膜細線に沿った長さに比例する。従って、図４において、位置Ｐと位置Ｑの距離と位置Ｒと位置Ｓの距離を共にｌとすると、各位置の電位Ｖは比例定数Ｋを用いて、Ｖ（Ｐ）＝Ｖ（Ｑ）＋Ｋｌ、Ｖ（Ｒ）＝Ｖ（Ｓ）＋Ｋｌと表される。従って、位置Ｐと位置Ｓの距離と位置Ｑと位置Ｒの距離を共にｄとすると、ＰＳ間の電界ＥＰＳ＝（Ｖ（Ｐ）−Ｖ（Ｓ））／ｄ、ＱＲ間の電界ＥＱＲ＝（Ｖ（Ｑ）−Ｖ（Ｒ））／ｄより、ＥＰＳ＞ＥＱＲとなり、電界強度は一様ではなく、中心部の電界強度は周辺部よりも強く、中心部で絶縁破壊が起こりやすくなる。
【００２７】
これに対し、本実施例の超電導薄膜細線１は、図２に示すように、複数の直線状線分を接続した構成であり、かつ、超電導薄膜細線１は、主要部２４と、第１の電極２と主要部２４との接続部２５と、第２の電極３と主要部２４との接続部２６とからなる。主要部２４を構成する直線状線分は長さが等しく、かつ、隣り合う直線状線分は直交せず、かつ、直線状線分は隣のさらに隣の直線状線分と平行である。この時、各位置の電位Ｖは比例定数Ｋ、定数Ｖ０を用いて、Ｖ（Ｐ）＝Ｖ０＋Ｋｌ１、Ｖ（Ｑ）＝Ｖ０＋Ｋｌ２、Ｖ（Ｒ）＝Ｖ０−Ｋｌ２、Ｖ（Ｓ）＝Ｖ０−Ｋｌ１と表される。従って、定数ｋを用いて、ＰＳ間の電界ＥＰＳ＝（Ｖ（Ｐ）−Ｖ（Ｓ））／ｋｌ１＝２Ｋ／ｋ、ＱＲ間の電界ＥＱＲ＝（Ｖ（Ｑ）−Ｖ（Ｒ））／ｋｌ２＝２Ｋ／ｋより、ＥＰＳ＝ＥＱＲとなり、電界強度はどこも等しくなる。従って、基板全面にわたって、絶縁破壊の起こりやすさはどこも同じの超電導薄膜細線を実現できることになる。
【００２８】
このようにＡｌ２Ｏ３基板４上に、超電導薄膜細線１と第１の電極２および第２の電極３を形成した後、Ａｌ２Ｏ３基板４を第２の基板であるプリント基板１１にエポキシ系接着剤１５を用いて接着した。プリント基板１１はガラスエポキシ板の表面および裏面に厚さ３５μｍの銅箔１２を貼り付けたものであり、Ａｌ２Ｏ３基板４を接着する表面の部分およびこれに対応する裏面の部分の銅箔は取り除いた。
【００２９】
次に、第１の金属テープであるＣｕテープ５および第２の金属テープであるＣｕテープ６をそれぞれ第１の電極２および第２の電極３に超音波ボンディングにより接続した。正常時の限流器の抵抗は、できるだけ小さいことが望ましい。本実施例では、Ｃｕテープ５、６は、幅６ｍｍ、厚さ０．１４ｍｍと厚さが厚く、残留抵抗比（Ｒｅｓｉｄｕａｌ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ  Ｒａｔｉｏ）ＲＲＲ＝２００とＲＲＲが大きいものを用いた。抵抗を低減するためには、Ｃｕテープの代わりに、高価ではあるが超電導体ＮｂＴｉテープを用いても良い。図１に超音波ボンディング接続部９、１０を示す。金属テープの厚さは、抵抗の低減のためには厚いことが望ましいが、強固に超音波ボンディングするためには薄いことが望ましい。金属テープの厚さが０．０５ｍｍ未満では、抵抗が増大するという問題が生じ、０．５ｍｍを越えると超音波ボンディングによる接続部の強度が弱まるという問題が生じる。最適な金属テープの厚さは、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であった。
【００３０】
このようにプリント基板１１上に、Ａｌ２Ｏ３基板４、Ｃｕテープ５、６を形成した後、第１の超電導線からなる入力部であるＮｂＴｉワイヤ７および第２の超電導線からなる出力部であるＮｂＴｉワイヤ８を押さえ板１３と取り付けねじ１４により、それぞれＣｕテープ５とＣｕテープ６に固定し、半田付けにより、ＮｂＴｉワイヤ７、８とＣｕテープ５、６をそれぞれ接続し、超電導薄膜を有する限流器を作製した。
【００３１】
非特許文献１〜３に記載のものは、金属ワイヤを入出力部として用い、この金属ワイヤを超電導薄膜細線の両端に接続している。金属ワイヤを超電導薄膜に半田付けする場合、薄膜が半田に固溶するために強固に接続することが難しく、均一な特性を大量に再現性良く生産することが難しい、という問題を生じる。非特許文献１〜３に記載のものは、超電導薄膜に金属ワイヤを直接接続しており、均一な特性を再現性良く大量に生産することは難しく、大量生産を行うための最適な構成であるとは言えない。
【００３２】
本実施例は、金属ワイヤと超電導薄膜細線との間に金属テープを介在させ、金属テープと超電導薄膜細線を超音波ボンディングにより接続した。金属テープの他端を金属ワイヤに半田付け接続することは容易である。従って、超音波ボンディングを用いて接続することにより、均一な特性を大量に再現性良く生産できることになる。
【００３３】
従来、たとえば直径数十μｍのＡｌワイヤをＳｉ基板上へ超音波ワイヤボンディングすることは、半導体素子の製造において行われてきた。しかし、厚さ０．０５ｍｍ以上の厚い金属テープを超電導薄膜細線に超音波ボンディング接続する試みはなされてこなかった。正常時の限流器の抵抗を低減するためには金属テープの厚さはできるだけ厚いことが望ましい。また、異常時、高抵抗となり温度上昇した限流器から、生じた熱を速やかに放熱するためにも、金属テープの厚さはできるだけ厚いことが望ましい。また、本実施例では、超電導薄膜細線は硬さの硬いＡｌ２Ｏ３基板に形成した。しかし、従来、厚い金属テープを硬いＡｌ２Ｏ３基板上に形成した超電導薄膜細線に強固に超音波ボンディングするという試みはなされておらず、超音波ボンディングの可否も知られていなかった。本実施例における検討の結果、厚さ０．１４ｍｍのＣｕテープをＡｌ２Ｏ３基板上に形成したＡｕ／ＹＢＣＯ超電導薄膜細線に超音波ボンディング接続できることがわかり、これより、金属ワイヤを入出力部とし、超電導薄膜細線を有する限流部とから構成される限流器を実現できることがわかった。
【００３４】
（実施例２）
実施例２は、焼損、破断することなく、特定のＩｃ、特に１Ａ未満の臨界電流（Ｉｃ＜１Ａ）を有すると共に、経時変化によるＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（ＹＢＣＯ）薄膜の特性劣化の防止に有用な超電導薄膜細線の構成に関するものである。実施例２の超電導薄膜細線の構成を図５に示す。（ａ）が上面図、（ｂ）がＡＢ間の断面図である。実施例１と同様にＡｌ２Ｏ３基板４を用い、Ａｌ２Ｏ３基板４上にＡｕ／ＹＢＣＯ薄膜２層構成の超電導薄膜細線１と第１の電極２および第２の電極３を形成しているが、実施例１とは異なり、Ａｕ２２の線幅は、ＹＢＣＯ２１の線幅よりも大きく、Ａｕ２２は、ＹＢＣＯ２１を覆うように形成している。
【００３５】
超電導薄膜細線１の作製工程を図６に示す。まず、実施例１と同様にして、第１の基板であるＡｌ２Ｏ３基板４の全面にＹＢＣＯ薄膜２１、Ａｕ薄膜２２を順に成膜し、Ａｕ／ＹＢＣＯ薄膜２層膜を形成した（図６（ａ））。特に、ＡｕとＹＢＣＯの接触抵抗をできるだけ小さくするために、ＹＢＣＯ成膜後、直ちにＡｕを成膜した。次に、レジストを塗布し、ホトリソグラフィによりレジストパターン２３を形成し（図６（ｂ））、Ａｒドライエッチングにより、Ａｕ／ＹＢＣＯ薄膜２層膜をエッチングし、ＹＢＣＯ２１のパターンを形成した（図６（ｃ））。次に再度、Ａｕを基板全面に成膜し（図６（ｄ））、レジストを塗布し、ホトリソグラフィによりレジストパターン２３を形成し（図６（ｅ））、Ａｒドライエッチングにより、Ａｕをエッチングし、Ａｕ２２のパターンを形成した（図６（ｆ））。これより、図５に示すＡｕ／ＹＢＣＯ薄膜２層構成の超電導薄膜細線１と第１の電極２および第２の電極３を形成した。
【００３６】
Ａｌ２Ｏ３基板４上に、図５に示す超電導薄膜細線１と第１の電極２および第２の電極３を形成した後は、実施例１と同様の作製方法により超電導薄膜を有する限流器を作製した。すなわち、Ａｌ２Ｏ３基板をプリント基板に接着し、Ｃｕからなる金属テープの一端を超音波ボンディングにより電極に接続し、金属テープの他端を半田付けによりＮｂＴｉワイヤからなる入出力部に接続して超電導薄膜を有する限流器を作製した。
【００３７】
実施例１の検討より、焼損、破断を防ぐためには、Ａｕの断面積を大きくすることが有効であることがわかった。但し、１Ａ未満の臨界電流（Ｉｃ＜１Ａ）を実現するためには、ＹＢＣＯの線幅に上限があり、超電導薄膜細線の線幅を１００μｍ以上に大きくすることはできない。また、実施例１の検討より、経時変化によるＹＢＣＯ薄膜の特性劣化を防ぐためには、ＹＢＣＯ薄膜はできるだけ空気に曝さないことが望ましく、ＹＢＣＯ薄膜細線の上面のみならず側面もＡｕにより覆うことが望ましいことがわかった。そこで、本実施例では、Ａｕ／ＹＢＣＯ薄膜２層構成の超電導薄膜細線において、Ａｕの線幅はＹＢＣＯの線幅よりも大きくし、Ａｕ２２のパターンがＹＢＣＯ２１のパターンを覆うように形成することとした。これより、臨界電流ＩｃはＹＢＣＯの断面積のみに依存し、破断電流は主にＡｕの断面積に依存するため、Ａｕの線幅は、臨界電流Ｉｃの値にかかわらず、焼損、破断を防ぐために必要な大きさとすることができ、ＹＢＣＯの線幅は、破断電流の値にかかわらず、臨界電流Ｉｃを実現するために最適な大きさとすることができる。さらに、非特許文献１、２に記載のものはＡｕ／ＹＢＣＯ薄膜２層構成の超電導細線を用いているものの、ＡｕとＹＢＣＯの線幅は等しく、ＹＢＣＯ薄膜細線の側面が空気に曝され特性が劣化することに考慮がなされていない。本実施例は、超電導薄膜細線を構成する金属Ａｕ２２の線幅が超電導体ＹＢＣＯ２１の線幅よりも大きく、Ａｕ２２のパターンがＹＢＣＯ２１のパターンを覆うように形成している。この構成を実現するためには、ホトリソグラフィを２回行う必要があり、超電導薄膜細線１の作製工程数は実施例１よりも増えることになる。しかし、Ａｕ２２のパターンはＹＢＣＯ２１のパターンを覆っているため、空気に曝されるＹＢＣＯの部分は存在せず、経時変化によるＹＢＣＯの特性劣化の小さい超電導薄膜細線を実現できることになる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明により、入出力部と超電導薄膜細線の間に金属テープを介在させ、金属テープと超電導薄膜細線を超音波ボンディングにより接続でき、これより、入出力部と超電導薄膜細線とを強固に再現性良く接続できる超電導薄膜を有する限流器を実現できる。
【００３９】
なお、図面中の符号の説明は次の通りである。
【００４０】
１  超電導薄膜細線、２  第１の電極、３  第２の電極、４  第１の基板であるＡｌ２Ｏ３基板、５  第１の金属テープであるＣｕテープ、６  第２の金属テープであるＣｕテープ、７  第１の超電導線からなる入力部であるＮｂＴｉワイヤ、８  第２の超電導線からなる出力部であるＮｂＴｉワイヤ、９  超音波ボンディング接続部、１０  超音波ボンディング接続部、１１  プリント基板、１２  銅箔、１３  押さえ板、１４  取り付けねじ、１５  エポキシ系接着剤、２１  ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（ＹＢＣＯ）、２２  Ａｕ、２３  レジスト、２４  主要部、２５  接続部、２６  接続部、
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施例の超電導薄膜を有する限流器の構成図。
【図２】本発明の第１の実施例の超電導薄膜細線と電極の配置図。
【図３】本発明の第１の実施例の破断電流とＡｕ断面積の関係を示した図。
【図４】第２の従来例の超電導薄膜細線と電極の配置図。
【図５】本発明の第２の実施例の超電導薄膜細線の構成図。
【図６】本発明の第２の実施例の超電導薄膜細線の作製工程を示した図。
【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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