JP7600546B2 - 超電導装置、及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超電導装置、及びその製造方法に関する。

超電導回路の集積化を図るために、集積回路を登載した超電導回路集積チップを回路基板上にフリップチップ実装した構造を用いることが検討されている。この構造では、信号の反射や干渉等を抑え、必要な信号品質（伝送特性）を確保するために、集積回路における配線の引き回しを低減できるキャパシティブカップリング（容量結合）や、インダクティブカップリング（誘導結合）による非接触結合が有望視されている。

具体的な構造としては、例えば、超電導集積回路チップには信号の入出力のためのキャパシティブカップリング回路やインダクティブカップリング回路を所要数配置し、対応する位置に回路基板側の非接触結合回路を配置する構造とすることができる。２つの非接触結合回路が良好な非接触結合を形成するためには、超電導集積回路チップと回路基板とを所定間隔に保って、結合する技術が必要になる。

上記の要求に対応する技術が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の技術では、回路基板に設けた超電導配線の上に、錫もしくは錫と鉛から成る第２金属層を積層し、第２金属層の電極と、超電導素子の電極とをはんだで接続する。この技術では、超電導配線上に、はんだの濡れ性が良い第２金属層を形成して、超電導素子の電極と回路基板の超電導配線とを接続する。このため、信頼性の高い超電導素子と回路基板との接続を得ることができる。

特許第２８１３０９３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている構造では、超電導集積回路チップの非接触結合回路と、回路基板の非接触結合回路との間隔を正確に制御することができないという問題があった。これは、溶融したはんだが固化する間に、位置がずれる可能性があったためである。その結果、設計通りの入出力特性が得られない場合があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、非接触結合で設計通りの入出力特性を得ることが可能な超電導装置、及びその製造方法を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の超電導装置は、超電導集積回路チップと、回路基板とを有している。超電導集積回路チップは、第１の超電導材料からなる第１の電極と、第１の非接触結合回路とを表面に有する。回路基板は、第２の超電導材料からなる第２の電極と、第２の非接触結合回路とを表面に有する。第２の電極は、上面が平坦な、所定の高さの突起部を有している。そして、突起部の上面は、第１の電極の表面と直接接合し、第１の非接触結合回路と第２の非接触結合回路とが対向配置している。

また、本発明の超電導装置の製造方法は、第１の超電導材料からなる第１の電極と第１の非接触結合回路とを表面に有する超電導集積回路チップと、第２の超電導材料からなる第２の電極と第２の非接触結合回路とを表面に有する回路基板とを用いる。そして、第２の電極に、上面が平坦な所定の高さの突起部を形成し、第１の電極の表面と前記突起部の上面とを直接接合し、第１の非接触結合回路と第２の非接触結合回路とを対向配置させる。

本発明の効果は、非接触結合で設計通りの入出力特性を得ることが可能な超電導装置、及びその製造方法を提供できることである。

第１の実施形態の超電導装置の構成を示す断面図である。 第２の実施形態の超電導装置に用いる超電導集積回路チップを示す平面図である。 第２の実施形態の超電導装置に用いる回路基板を示す平面図である。 第２の実施形態の超電導装置を示す断面図である。 第２の実施形態の超電導装置の製造方法の第１の部分を示す断面図である。 第２の実施形態の超電導装置の製造方法の第２の部分を示す断面図である。 第２の実施形態の超電導装置の製造方法の第３の部分を示す断面図である。 第３の実施形態の超電導装置を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお各図面の同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の超電導装置１を示す断面図である。超電導装置１は、超電導集積回路チップ１０と、回路基板２０とを有している。超電導集積回路チップ１０は、第１の超電導材料からなる第１の電極１１と、第１の非接触結合回路１２とを表面に有する。回路基板２０は、第２の超電導材料からなる第２の電極２１と、第２の非接触結合回路２２とを表面に有する。第２の電極２１は、上面が平坦な、所定の高さの突起部２１ａを有している。そして、突起部２１ａの上面２１ｂは、第１の電極１１の表面と直接接合し、第１の非接触結合回路１２と第２の非接触結合回路２２とが対向配置している。

以上の構成とすると、突起部２１ａの存在によって、第１の非接触結合回路１２と第２の非接触結合回路との間隔を正確に制御することができる。その結果、非接触結合で設計通りの入出力特性が得られる。

（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態よりも製造が容易な超電導装置について説明する。図２は、超電導装置に用いる超電導集積回路チップ１００を示す平面図である。超電導集積回路チップ１００は、チップ母材１０１を有し、その表面には第1の超電導材料からなる第１の電極１１０と、第１の非接触結合回路１２０とが形成されている。第１の電極１１０は、例えば、図示しないグランド回路に接続している。第１の非接触結合回路１２０は、例えば、図示しない超電導素子に接続している。第１の超電導材料には、例えば、ニオブ、ニオブ窒化物、アルミニウム、インジウム、鉛、錫、レニウム、パラジウム、チタン、チタン窒化物、タンタル、あるいはこれらを含む合金を用いることができる。チップ母材１０１には、例えば、シリコンを用いることができる。第１の非接触結合回路１２０は、例えば、回路基板２００との信号の入出力のための、キャパシティブカップリング回路や、インダクティブカップリング回路である。

図３は、超電導装置に用いる回路基板２００を示す平面図である。回路基板２００の基板母材２０１は、例えばシリコンを用いることができる。回路基板２００の表面には、第２の超電導体材料からなる第２の電極２１０と、第２の非接触結合回路２２０が形成されている。第２の電極２１０は、所定の高さを持ち、上面が平坦な突起部２１１を有している。第２の超電導材料には、例えば、ニオブ、ニオブ窒化物、アルミニウム、インジウム、鉛、錫、レニウム、パラジウム、チタン、チタン窒化物、タンタル、あるいはこれらを含む合金を用いることができる。第２の電極２１０は、例えば、図示しないグランド回路に接続している。第２の非接触結合回路２２０は、例えば、図示しない電子回路に接続している。なお、回路基板２００が、さらに外部の電子デバイスと接続される場合は、回路基板はインターポーザの役割を果たす。

突起部２１１は、上面に平滑な面を有しており、例えば、粗さがＲａ１ｎｍ以下となるように形成する。突起部２１１の高さは、第１の非接触結合回路１２０と第２の非接触結合回路２２０との非接触結合との間で、設計した信号の入出力特性が得られる高さとする。具体的な数値としては、例えば、２μｍから１０μｍの高さとすることができる。

図４は、超電導集積回路チップ１００と、回路基板２００とを接合して形成した超電導装置１０００を示す断面図である。

回路基板２００の、第２の電極２１０は、基板母材２０１上に形成された配線部２３０の上に、第２の超電導材料の薄膜を積層して形成されている。配線部２３０は、例えば、銅、銀、金、白金、これらを含む合金を用いて形成することができる。配線部を設けることにより、放熱性を改善したり、常電導状態における処理を行ったりすることができる。突起部２１１は、第２の超電導材料とは異なる材料、例えば、銅、銀、金、白金、これらを含む合金などの金属を用いて形成された突部２１２の上に、第２の超電導材料の薄膜を積層して形成されている。ニオブなどの一部の超電導材料は、加工性が悪く、突部２１２のような立体的な構造を作るのが困難である。そこで、加工しやすい材料を用いることで突部２１２を容易に形成することができる。また加工性の良い材料を用いることで、突部２１２の高さを正確に制御することができる。そして、突部２１２の上に、膜厚を正確に制御した第２の超電導材料の薄膜を積層することで、突起部２１１の高さを正確に制御することができる。その後、第２の超電導材料の薄膜に対して、フォトリソグラフィー、エッチング等の加工を施すことにより、第２の電極２１０および突起部２１１を容易に形成することができる。なお第２の電極２１０と配線部２３０との密着強度を確保するために、チタン、窒化チタン等の下地を追加しても良い。また、突部２１２の上面の周囲を面取りした形状とすると、第２の超電導材料の薄膜の成膜性を確保したり、角部に応力が集中することによる薄膜の損傷を抑制したりすることができる。また配線部２３０と基板母材２０１との密着性を高めるように、配線部２３０が下地層を持つ構成としても良い。

超電導集積回路チップ１００と回路基板２００とは、第1の電極１１０と突部２１１の上面２１１ａとを直接接合することにより、接続固定されている。この接続は、超電導集積回路チップ１００の回路面を、回路基板２００の回路面に対向させるため、いわゆるフェイスダウン実装である。ここで、第１の非接触結合回路１２０と、第２の非接触結合回路２２０とは、互いに対向するように正確に位置決めされている。そして両者の間隔は、突起部２１１によって、正確に制御されている。その結果、キャパシティブカップリングにおけるキャパシタンスや、インダクティブカップリングにおける相互インダクタンスについて、所望の値を得ることができる。

突起部２１１の上面２１１ａと、第１の電極１１０とは、表面を活性化した後に表面同士を当接させることにより接合されている。この技術は、常温接合として一般的に知られているものである。この接合により、第1の電極１１０と突起部２１１の上面２１１ａとは、それぞれを構成する超電導材料による非結晶層を界面に形成した状態であり、強固に結合されている。

なお、上記の説明では、第２の非接触結合回路２２０上には、第２の超電導材料薄膜を配置していない構造を示したが、第２の非接触結合回路２２０上に第２の超電導材料薄膜を積層した構造としてもよい。また、図４で示した突起部２１１の形状や配置について、これに制限するものではなく多角形の柱状等も適用でき、設計した入出力特性が得られる任意の位置に配置することができる。また、第１の非接触結合回路１２０と、第２の非接触結合回路２２０とが、十字型の形状である例を示したが、これに限らず任意の形状を取ることができる。また、突起部２１１を、第２の非接触結合回路２２０の周囲に４つ配置した例を示したが、これには限られず、任意の配置を取ることができる。

次に、超電導装置の製造方法について説明する。まず、図５に示すように、超電導集積回路チップ１００と、回路基板２００とを、互いの接合面が対向する向きで、真空チャンバー（図示なし）内に配置し、真空引きを行う。この時、超電導集積回路チップ１００は、チップ固定治具３００によって固定されている。固定方法として、クランプ方式や静電チャック方式が適用できる。また、回路基板２００も基板固定治具３１０によって固定されており、同様の固定方法が適用できる。チャンバー内の真空度としては、例えば、１０^－６Ｐａ程度が好ましい。

次に、図６に示すように、活性化装置４００を用いて、超電導集積回路チップ１００の接合部となる第１の電極１１０の表面の吸着物や酸化物を除去して、接合部を活性化させる。活性化装置４００としては、例えば、イオンや中性原子ビームなどを照射する装置を用いることができる。同様に、活性化装置４００を用いて、回路基板２００の接合部となる突起部２１１の上面２１１ａの、表面の吸着物や酸化物を除去して、接合部を活性化させる。

次に、図７に示すように、第１の非接触結合回路１２０と、第２の非接触結合回路２２０とが対向するように、超電導集積回路チップ１００と回路基板２００との位置合わせを行う。そして、真空度を維持した状態で、第1の電極１１０と、突起部２１１の上面２１１ａを当接し加圧する。温度は、例えば、常温で良い。この時、第1の電極１１０の第１の超電導材料と、突起部２１１の上面２１１ａの第２の超電導材料とが、接合界面に非結晶層を形成し、両者は強固に結合する。なお、図示していないが、例えば、超電導集積回路チップ１００と回路基板２００のそれぞれにアライメントマークを設けて、赤外線カメラによる透過画像を用いて位置を調整することにより、両者の位置合わせを行うことができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、非接触結合で、設計通りの信号入出力特性を得ることができる。その理由は、回路基板の第２の電極が、上面が平坦な所定高さの突起部を有していることによって、超電導集積回路チップの非接触結合回路と、回路基板上の非接触結合回路とを、所定の間隔に高精度に位置決めした状態で実装できるからである。

また、高い接合信頼性と性能を確保できる。その理由は、真空中で接合表面の活性化と接合を行うことによって、第１の電極および第２の電極の表面が再酸化することなく接合できるためである。さらに、常温での接合であるため、加熱による超電導素子の状態変化や部材の熱膨張に起因する実装位置ズレがなく、高い性能を維持できる。

さらに、第１の超電導材料と第２の超電導材料が同じ材料の場合は、極低温環境下での動作においても高い接合信頼性を確保できる。その理由は、同じ超電導材料同士を直接接合しているためである。この構成では、特に、超電導回路の使用環境である極低温（１０ｍＫ）において、部材の熱膨張係数差に起因した応力による破損を抑制することができる。

また、安定的な電気特性を確保することができることである。その理由は、同一の超電導材料同士を接合することで、超電導特性を阻害する化合物層が接合界面に生成されないためである。

（第３の実施形態）
第２の実施形態では、回路基板の配線部の上に、例えば、金属等の材料を用いて、突部を形成し、これを第２の超電導材料薄膜で覆うことによって突起部を形成する例について説明した。本実施形態では、突起部を形成する別の方法について説明する。

図８は、本実施形態の超電導装置１１００を示す断面図である。本実施形態の超電導装置１１００に用いる回路基板２００ａは、基板母材２０１ａで形成された突部２１２ａを有している。そして突部２１２ａを覆って配線部２３０ａの薄膜を積層し、さらに第２の超電導材料の薄膜を積層して、パターニングすることによって、第２の実施形態と同様な外形を持つ回路基板２００ａを作製している。基板母材２０１ａとしては、例えばシリコンを用いることができる。シリコンでは、高精度に三次元加工を行う種々の方法が開発されており、これらの方法を用いて、精度よく突部２１２ａを形成することができる。突起部２１１の上面２１１ａと第１の電極１１０とを接合する構成や製造方法については、第２の実施形態と同様である。

なお第２の実施形態と同様に、配線部２３０ａとして銅、銀、金、白金、あるいはこれらを含む合金等の金属を用いることができる。また、第２の電極２１０と配線部２３０との密着強度を確保するために、チタン、窒化チタン等の下地を追加しても良い。また、突部２１２の上面の周囲を面取りした形状とすることで、第２の超電導材料の薄膜の成膜性を確保したり、角部に応力が集中することによる薄膜の損傷を抑制したりすることができる。また配線部２３０ａと基板母材２０１ａとの密着性を高めるように、配線部２３０ａがＴｉ等の下地層を持つ構成としても良い。

突部２１２ａを変形しにくい（剛性が高い）基板母材２０１ａで形成して、突起部２１１を形成することにより、超電導集積回路チップ１００の実装時において、加圧による突起部２１１の変形を抑制することができる。例えば、シリコンは、銅より変形しにくい材料である。上記の構成とすることにより、第１の非接触結合回路１２０と第２の非接触結合回路２２０との間隔をより高精度に位置決めできる。その結果、非接触結合での入出力特性を、設計値に近づけることが可能になる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
第１の超電導材料からなる第１の電極と第１の非接触結合回路とを表面に有する超電導集積回路チップと、
第２の超電導材料からなる第２の電極と第２の非接触結合回路とを表面に有する回路基板と、
を有し、
前記第２の電極が、上面が平坦な所定の高さの突起部を有し、
前記第１の電極の表面と前記第２の電極の前記突起部の上面とが直接接合され、
前記第１の非接触結合回路と前記第２の非接触結合回路とが対向配置されている
ことを特徴とする超電導装置。
（付記２）
前記突起部の上面を覆う前記第２の超電導材料の内部に前記第２の超電導材料とは異なる材料からなる突部が配置されている
ことを特徴とする付記１に記載の超電導装置。
（付記３）
前記異なる材料が前記回路基板の母材と同じ材料である
ことを特徴とする付記２に記載の超電導装置。
（付記４）
前記異なる材料が金属である
ことを特徴とする付記２に記載の超電導装置。
（付記５）
前記第１の電極と前記第２の電極の前記突起部との接合部が、前記第１の超電導材料と前記第２の超電導材料とを含む非結晶層を有している
ことを特徴付記１乃至４のいずれか一つに記載の超電導装置。
（付記６）
前記突起部の前記上面の算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下である
ことを特徴とする付記１乃至５のいずれか一つに記載の超電導装置。
（付記７）
前記突起部の前記上面の外周が円弧状の面とり形状を成している
ことを特徴とする付記１乃至６のいずれか一つに記載の超電導装置。
（付記８）
前記第１の電極と前記第２の電極とがグランド電極である
ことを特徴とする付記１乃至７のいずれか一つに記載の超電導装置。
（付記９）
前記第１の超電導材料と前記第２の超電導材料の少なくとも一方がＮｂである
ことを特徴とする付記１乃至８のいずれか一つに記載の超電導装置。
（付記１０）
前記第１の超電導材料と前記第２の超電導材料とが同一の超電導材料である
ことを特徴とする付記１乃至９のいずれか一つに記載の超電導装置。
（付記１１）
第１の超電導材料からなる第１の電極と第１の非接触結合回路とを表面に有する超電導集積回路チップと、第２の超電導材料からなる第２の電極と第２の非接触結合回路とを表面に有する回路基板と、を有する超電導装置の製造方法であって、
前記第２の電極に、上面が平坦な所定の高さの突起部を形成し、
前記第１の電極の表面と前記第２の電極の前記突起部の上面とを直接接合し、
前記第１の非接触結合回路と前記第２の非接触結合回路とを対向配置させる
ことを特徴とする超電導装置の製造方法。
（付記１２）
前記超電導集積回路チップと前記回路基板とを、前記第1の電極と前記第２の電極とが対向する向きでチャンバー内に配置し、
前記チャンバーを真空引きし、
前記第1の電極と前記第２の電極の前記突起部の上面の表面とを活性化し、
前記第１の非接触結合回路と前記第２の非接触結合回路が対向するように位置合わせし、
前記チャンバーの真空度を維持した状態で前記第１の電極と前記第２の電極の前記突起部とを当接させて加圧する、
ことを特徴とする付記１１に記載の超電導装置の製造方法。
（付記１３）
前記回路基板に前記第２の超電導材料とは異なる材料で突部を形成し、前記突部を前記第２の超電導材料で覆って前記起部を形成する
ことを特徴とする付記１１または１２に記載の超電導装置の製造方法。
（付記１４）
前記異なる材料が前記回路基板の母材と同じ材料である
ことを特徴とする付記１３に記載の超電導装置の製造方法。
（付記１５）
前記異なる材料が金属である
ことを特徴とする付記１３に記載の超電導装置の製造方法。
（付記１６）
前記突起部の前記上面の算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下にする
ことを特徴とする付記１１乃至１５のいずれか一つに記載の超電導装置の製造方法。
（付記１７）
前記突起部の前記上面の外周が円弧状の面とり形状にする
ことを特徴とする付記１１乃至１６のいずれか一つに記載の超電導装置の製造方法。
（付記１８）
前記第１の超電導材料と前記第２の超電導材料の少なくとも一方がＮｂである
ことを特徴とする付記１１乃至１７のいずれか一つに記載の超電導装置の製造方法。
（付記１９）
前記第１の超電導材料と前記第２の超電導材料とが同一の超電導材料である
ことを特徴とする付記１１乃至１８のいずれか一つに記載の超電導装置の製造方法。

１、１０００、１１００ 超電導装置
１０、１００ 超電導集積回路チップ
１１、１１０ 第１の電極
１２、１２０ 第１の非接触結合回路
２０、２００ 回路基板
２１、２１０ 第２の電極
２１ａ、２１１ 突起部
２１ｂ、２１１ａ 上面
２２、２２０ 第２の非接触結合回路
２０１、２０１ａ 基板母材
２１２、２１２ａ 突部
２３０ 配線部
３００ チップ固定治具
３１０ 基板固定治具
４００ 活性化装置

Claims (8)

1. 第１の超電導材料からなる第１の電極と第１の非接触結合回路とを表面に有する超電導集積回路チップと、
   第２の超電導材料からなる第２の電極と第２の非接触結合回路とを表面に有する回路基板と、
   を有し、
   前記第２の電極が、上面が平坦な所定の高さの突起部を有し、
   前記第１の電極の表面と前記第２の電極の前記突起部の上面とが直接接合され、
   前記第１の非接触結合回路と前記第２の非接触結合回路とが対向配置されており、
   前記突起部の上面を覆う前記第２の超電導材料の下層に前記第２の超電導材料とは異なる材料が配置されており、
   前記異なる材料が前記回路基板の母材と同じ材料である
   ことを特徴とする超電導装置。
2. 前記第１の電極と前記第２の電極の前記突起部の上面との接合部が、前記第１の超電導材料と前記第２の超電導材料とを含む非結晶層を有している
   ことを特徴請求項１に記載の超電導装置。
3. 前記突起部の前記上面の算術平均粗さＲａが１ｎｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の超電導装置。
4. 前記突起部の前記上面の外周が円弧状の面とり形状を成している
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超電導装置。
5. 前記第１の電極と前記第２の電極とがグランド電極である
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超電導装置。
6. 前記第１の超電導材料と前記第２の超電導材料とが同一の超電導材料である
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の超電導装置。
7. 第１の超電導材料からなる第１の電極と第１の非接触結合回路とを表面に有する超電導集積回路チップと、第２の超電導材料からなる第２の電極と第２の非接触結合回路とを表面に有する回路基板と、を有する超電導装置の製造方法であって、
   前記第２の電極に、上面が平坦な所定の高さの突起部を形成し、
   前記第１の電極の表面と前記第２の電極の前記突起部の上面とを直接接合し、
   前記第１の非接触結合回路と前記第２の非接触結合回路とを対向配置させる、
   超電導装置の製造方法であって、
   前記突起部は、前記第２の超電導材料とは異なる材料の上に、前記第２の超電導材料を積層して、形成され、
   前記異なる材料が前記回路基板の母材と同じ材料である
   ことを特徴とする超電導装置の製造方法。
8. 前記超電導集積回路チップと前記回路基板とを、前記第1の電極と前記第２の電極とが対向する向きでチャンバー内に配置し、
   前記チャンバーを真空引きし、
   前記第1の電極と前記第２の電極の前記突起部の上面の表面とを活性化し、
   前記第１の非接触結合回路と前記第２の非接触結合回路が対向するように位置合わせし、
   前記チャンバーの真空度を維持した状態で前記第１の電極と前記第２の電極の前記突起部とを当接させて加圧する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の超電導装置の製造方法。

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