JPH06196764A

JPH06196764A - ポリマー絶縁材料を用いるスクイッド

Info

Publication number: JPH06196764A
Application number: JP3308386A
Authority: JP
Inventors: James R Marsden; アールマースデンジェームス
Original assignee: Biomagnetic Technologies Inc
Current assignee: Biomagnetic Technologies Inc
Priority date: 1990-10-29
Filing date: 1991-10-28
Publication date: 1994-07-15
Also published as: EP0483741A3; EP0483741A2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、スクイッドの製造歩留りだけでな
くその動作性能を改善する改良型スクイッド構造を提供
する。【構成】本発明のスクイッド（１０）は、２つの超電
導層（２２、３２）の間に延びるジョセフソン接合（１
４）と、ジョセフソン接合から外れた領域の超電導層間
に形成したポリマー絶縁層（３４）とを有する。この絶
縁層はポリイミドのようなポリマー材料により形成で
き、偏平なコイル（４２）や抵抗（３６）のような同一
デバイス上の他の金属層の間にも用いることができる。
この絶縁層はスピン−オン技術により形成するのが好ま
しい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導量子干渉デバイス
の構造に関し、さらに詳細には超電導層間にポリマー絶
縁層を有するかかるデバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】スクイッド（ＳＱＵＩＤ）として知られ
る超電導量子干渉デバイスは、ジョセフソン接合を１個
または２個有する超電導材料のループよりなる。スクイ
ッドは高感度の電流検出装置であって、非常に小さな電
流の測定が必要とされる科学の幾つかの分野で用いられ
ている。スクイッドの重要な用途の１つは、磁束検出コ
イルを流れる電流を検知することによりコイルを貫通す
る非常に小さな磁界を測定することである。かかる検出
装置は、人体が発生する非常に小さな磁界を測定するた
めの生体磁気計の心臓部を占めている。このような装置
により測定を行うと、思考プロセスのような人体の基本
的機能の理解だけでなく人体疾患の診断のため意義ある
情報が得られる。

【０００３】ジョセフソン接合はマイクロエレクトロニ
クス技術により非常に容易に形成できる。これまで長年
の間、スクイッド全体をマイクロエレクトロニクスの材
料による付着及び除去プロセスを用いることにより製造
するのが普通であった。かかるプロセス及びその結果製
造されたスクイッドの例が米国特許第４，３８６，３６
１号に開示されている。

【０００４】マイクロエレクトロニクス技術により製造
される使用可能なスクイッドの歩留まりを改善し且つか
かるスイッド自体の性能を向上させるために、たゆまな
い努力が払われている。全てのデバイスをマイクロエレ
クトロニクス技術で製造すると、内部の電気的短絡及び
不完全な接続のような種々の問題により、製造したスク
イッドの一部だけが使用可能であるに過ぎない。換言す
ると、かかるスクイッドは物理的には作動可能である
が、使用時スクイッド内で共振を生ぜしめる内部容量に
より最適の性能が得られないことが多い。

【０００５】製造完了後かかる問題を除去するのは実際
的でないため、普通は必要数以上の潜在的に作動可能な
スクイッドを製造し、装置に組み込む前に完全なテスト
を行って、作動不能あるいは合格すれすれのスクイッド
を廃棄することが行われている。合格範囲内のスクイッ
ドの歩留まりは非常に低いのが普通であり、時としてそ
れは１０％或いはそれ以下になることがある。即ち、製
造したスクイッドの１０％またはそれ以下のものだけが
合格範囲内の性能を持つと言うことである。このように
歩留まりが低いため、スクイッドはコストが高いものと
なる。さらに、完全に合格と言えるスクイッドを製造で
きないこともあり、この場合は例えば内部容量が過大な
合格すれすれのスクイッドを最終製品に用いざるを得な
い。

【０００６】従って、スクイッドはその動作が理解され
ており、また広く用いられているが、薄膜スクイッドを
少なくともある程度大量に製造するには依然としてトラ
イ・アンド・エラーによる学習から得られたある種の技
能に頼らざるを得ない。特に、装置の要求により多数の
同じようなスクイッドが必要とされる場合、それらの製
造技術及び歩留まり及び性能を改善する製造プロセスに
対する要望がある。本発明はかかる要望を充足し且つそ
の関連の利点を提供するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、スクイッド
の製造歩留まりだけでなくその動作性能を改善する改良
型スクイッド構造を提供する。本発明の方法は、確立さ
れた薄膜製造法及びその材料をこれまでスクイッドの製
造に用いられなかった態様で用いるものである。各スク
イッドを製造するコストは前の方法とほぼ同じである
が、使用可能なスクイッド当たりのコストは低くなって
いる。さらに、本発明のスクイッドで得られる最良の性
能は従来型構成のスクイッドを上回っている。

【０００８】本発明によれば、薄膜超電導量子干渉デバ
イスは、その臨海温度以下で超電導性を示す材料で形成
した第１の層と、その臨界温度以下で超電導性を示す材
料で形成した第２の層と、第１の層と第２の層との間に
位置するポリマー絶縁材料の層と、第１の層と第２の層
との間を延びる少なくとも１つのジョセフソン接合とよ
りなる。このデバイスは、第１の層と第２の層との間に
延びる２つのジョセフソン接合を含むのが好ましく、ま
た第１の層には２つのジョセフソン接合を接続する導電
性ループが存在しないようにギャップが設けられてい
る。１つのジョセフソン接合を有するかかる回路を用い
てＲＦスクイッドを製造し、また２つのジョセフソン接
合を有する回路により直流スクイッドを作ることができ
る。

【０００９】スクイッドは、その多くの用途において、
スクイッドループのインダクタンスに磁気結合した変調
コイルと入力コイルの２つのコイルと共にパッケージを
形成している。薄膜平面型の設計では全て、これらのコ
イルはスクイッド構造と同平面の層上にあり、絶縁層に
よりスクイッド構造から分離されている。普通、特に巻
数の多い入力コイルがそうであるが、コイル層間の容量
により、スクイッドの性能を劣化させる共振が生じる。
従って本発明はコイル層をスクイッドループから分離す
るポリマー絶縁層を提供する。

【００１０】従来のやり方では、超電導材料の第１と第
２の層の間に設ける絶縁層及びこれらの層とコイル層と
の間に設ける絶縁層は酸化珪素或いは二酸化珪素のよう
な非晶質絶縁体であった。これについては、例えば米国
特許第４，４０３，１８９号の第３図を参照されたい。
かかる絶縁体の誘電定数は普通約４乃至４．５、絶縁層
の厚さは約２０００乃至３０００オングストロームであ
って、超電導体間の容量は高くスクイッドが動作すると
内部に共振が生じる。さらに、スクイッドの製造に必要
とされるかかる絶縁体の付着及びエッチングは所望の程
度に制御することは不可能である。かかる絶縁層を形成
したスクイッドに付随する共通の問題は、エッチング時
絶縁体がアンダーカットを生じそれにより最終製品であ
るスクイッドの回路が開放状態になることである。かか
るアンダーカットのような製造上の問題及び高い容量に
よりスクイッドは動作不能となることがあり、たとえ動
作可能であってもスクイッドの高い容量がその性能を劣
化させる。

【００１１】好ましくはポリイミドである本発明のポリ
マー絶縁材料は通常、約２．５の誘電定数を持つ。この
絶縁材料の層は約２５００乃至１００００オングストロ
ーム（０．２５乃至１．０マイクロメートル）の厚さに
することが可能であり、これにより超電導層間の容量結
合が減少する。この厚さのポリマー層は、その上に後で
各層を付着する際付着を容易にする平面化効果がある。
ポリマー層はエッチング及び材料の除去を制御しやす
く、側部が滑らかに傾斜してアンダーカットは滅多に起
こらない。その結果、スクイッドの電子的性能が改善さ
れると共に満足のいく性能を持ったスクイッドの製造歩
留まりが増加する。

【００１２】以下、添付図面を参照して本発明を実施例
につき詳細に説明する。

【００１３】

【実施例】本発明の好ましい実施例のデバイスは、その
臨界温度以下で超電導性を示す材料で形成した第１の層
と、その臨界温度以下で超電導性を示す材料で形成した
第２の層と、第１の層と第２の層との間に位置する絶縁
層とよりなるジョセフソン接合を有し、第１の層と第２
の層がジョセフソン接合の横方向の拡がりを越えて延
び、さらにジョセフソン接合の横方向の拡がりを越えて
延びる第１の層と第２の層の部分間に位置するポリマー
絶縁材料の層を有することを特徴とする。第１と第２の
層の間の絶縁層は普通は非常に薄いものであり、その接
合のトンネルバリヤを形成する。

【００１４】図１は、普通の表示方法を用いて直流スク
イッド１０を概略的に示す。直流スクイッド１０は超電
導の電流路１２を有し、そこに２つのジョセフソン接合
１４が含まれている。信号及びバイアスはリード１６に
より与えられる。直流スクイッド１０の１つの動作モー
ドのさらに詳しい説明が米国特許第４，３８９，６１２
号にあり、またスクイッドの動作のさらに別の詳細な説
明がこれも本明細書の一部を形成するものとして引用す
る米国特許第４，４０３，１８９号に記載されている。

【００１５】図２は本発明の薄膜直流スクイッドの好ま
しい実施例であり、図３乃至図１２はかかる直流スクイ
ッドを製造する好ましいプロセスを示す。

【００１６】直流スクイッド１０の製造は、普通は珪素
であるが使用可能な種々の基板材料のうち任意のものを
使用できる付着用基板２０（図３）を用意することによ
り始まる。この基板２０はその上にスクイッド構造を載
せるものであり、スクイッドの電子的動作には何の寄与
もしない。基板２０は存在する可能性のある塵、ごみ、
炭化水素類を取り除くためにアセトン及び／またはメタ
ノールのような溶剤を使って入念に洗浄する。次いで、
好ましくは能動素子を付着形成する前にスパッタリング
によりエッチングを行い、その直後に同じ真空系内で能
動素子を付着形成して汚染を回避する。

【００１７】次いで、その臨界温度以下の温度で超電導
性を示す材料の第１層２２を、図４で示すように基板２
０上に付着させる。第１層２２の好ましい材料は、約
９．２Ｋ以下の温度で超電導性を示すニオブがある。ニ
オブの層は普通スパッタリングにより付着させるが、そ
の好ましい厚さは２５００オングストロームである。場
合によっては高温超電導体を用いることもできるが、感
度の最も高い直流スクイッドの製造に用いる好ましい方
法では従来の臨界温度（Ｔｃ）の低い超電導体を用い
る。これは、電子ノイズを最小限に抑えるためにスクイ
ッドを４．２Ｋまたはそれ以下の温度で液体エリウム内
で作動させるからである。

【００１８】アルミニウムの層２６は、図５に示すよう
にニオブの第１層２２上に付着させる。このアルミニウ
ム層２６の厚さは、好ましくは約６０乃至約８０オング
ストロームであり、スパッタリングにより付着させる。

【００１９】次いで、図６で示すように基板と前工程で
付着した層とを約１６０゜Ｃの温度に加熱しながら約１
トルの圧力でスパッタリング室に酸素を導入することに
より、アルミニウム層２６を酸化して絶縁層２８を形成
する。この酸化アルミニウム絶縁層２８の厚さは、この
直流スクイッド１０の電子的性能がその層２８の厚さと
大きな相関関係を有するため、スクイッドシステムの設
計者が選択する事項である。しかしながら、この絶縁層
２８の厚さは普通約２０オングストロームである。（図
２乃至図１２における種々の層はそれらの縮尺通りには
描かれていないことが明らかである）。絶縁層２８の正
確な組成は上述した酸化プロセスにより決まるため、こ
の好ましい実施例ではただＡｌ_２Ｏ_ｘとだけ示す。

【００２０】次いで、図７に示すように別のアルミニウ
ム層３０を好ましくはスパッタリングにより絶縁層２８
上に付着させる。この層の好ましい厚さは約２０オング
ストロームである。

【００２１】次いで、図８に示すように、好ましくはニ
オブである超電導材料の第２の層３２をアルミニウム層
３０上に付着させる。ニオブのこの第２の層３２は、好
ましくはスパッタリングにより約２５００オングストロ
ームの厚さに形成する。図８の構造は、第１の層２２、
第２の層３２及び絶縁層２８の３つの層よりなることか
ら業界では「三層構造」として知られている。

【００２２】図８の構造は、従来の写真印刷プロセスに
よりパターンを転写した後エッチングを行って電流路１
２を形成する。感光マスク材料を第２の層３２上に配置
し、このマスクにパターンを露光した後そのマスクを現
像することによってマスクの一部を除去する。次いで、
マスクの除去部分の下に位置する図８の構造の部分をエ
ッチングにより除去することにより、平面図で見ると図
１のようなパターンを形成する。好ましい方法に用いる
感光マスク材料は一般に市販されている陽画ホトレジス
トの任意のものであり、その下の構造部分の除去に用い
るエッチング材はニオブの場合は四弗化炭素のプラズ
マ、アルミニウムの場合は燐酸である。かかるパターン
形成方法は業界でよく知られている。その結果得られた
構造体を図９に示すが、ギャップ２４により分離された
２つの上方に延びる突出部分がそれぞれジョセフソン接
合１４を形成する。

【００２３】次いで、図１０に示すように非常に厚い絶
縁層３４を付着させる。この絶縁層３４は、ＤｕＰｏｎ
ｔＣｏｒｐ．からＰＩ−２５５５として販売されてい
る、溶剤に溶解させたポリイミドのようなポリマーであ
る。それはスピン−オン（ｓｐｉｎ−ｏｎ）絶縁物とし
て形成するのが好ましい。図９の構造をターンテーブル
上に配置して毎分約５０００回転の速度で回転させる。
ポリイミドを含んだ溶液を少量、普通は約２ｃｃその構
造上に適用する。絶縁層３４がこの構造の表面上に分布
形成され、余分の溶液が回転力により除去される。この
ようなスピン−オンによるポリマー層形成方法は公知で
あるが、これまで上述したようなスクイッドの製造に用
いられたことはなかった。

【００２４】この絶縁層３４は、好ましい厚さが２５０
０乃至１００００オングストローム、最も好ましくは約
７５００オングストロームであるように厚いものである
ため、ジョセフソン接合構造１４は図１０に示すように
その平らな上面の完全に下方に位置する。かくして、こ
の絶縁層３４は平面を得るための層となり、これにより
その上面への均一な付着及びパターン形成が可能とな
る。

【００２５】絶縁層３４は前述したような感光マスクを
用いる方法によりパターン形成を行って、第２の層３２
の残りの部分へのアクセスが可能になるようにする。次
いで、好ましくは第２の層３２を形成するため前の工程
で付着させたものと同じ材料３２′を添加することによ
り第２の層３２の厚さを増加させて約２５００オングス
トロームにする。この新たに添加した材料の層３２′は
残りの層３２同志を接続して、２つのジョセフソン接合
１４を介する直列電流路を形成する。この層３２′は、
前述したホトレジスト技術により必要なパターンに形成
することができる。その結果得られた構造を図１１に示
す。

【００２６】パターン形成後の重合工程の間、アルゴン
のような不活性ガスを絶対圧力約１／２ポンド／平方イ
ンチで、前に真空にした室内に導入し、この構造体を約
１８０分の間約３００゜Ｃの温度に加熱することによ
り、絶縁層３４を硬化させる。ポリイミドはその位置で
硬化するが、スクイッド１０のニオブ及び他の材料は望
ましくない窒化または酸化を受けることはない。

【００２７】大抵の直流スクイッド構造にとって、第１
の層２２と第２の層３２との間に抵抗を形成するのが望
ましい。この抵抗は、層３２′の上部にホトレジストを
適用し、普通の方法でこのホトレジストにパターンを形
成し、第１の層２２へ至る径路をエッチングにより形成
し、図１２に示すようにこの径路に厚さ約２００オング
ストロームのパラジウムの抵抗層３６を付着させること
により容易に形成できる。

【００２８】図１２及び図２の構造はスクイッド１０の
最終的な構造である。図１に示す回路を形成するため外
部リードを固着する。

【００２９】スクイッド１０は磁界検出器のようなデバ
イス４０に普通用いられるものである。コイル支持体４
４上に支持されたコイル４２がスクイッド１０へ入力信
号を与える。図１３に示すようなデバイス４０を製造す
る１つのアプローチでは、図３−図１２のプロセスが完
了した後ポリマー絶縁材料の別の層４６を、ポリマー絶
縁層３４の形成に用いた前述のスピン−オン技法と同じ
方法によりスクイッド１０上に形成させる。この層４６
は任意の厚さでよいが、普通は少なくとも５０００乃至
１００００オングストロームであって平らな上面４８を
形成する。（図１３において、ポリマー層３４とポリマ
ー層４６は説明の目的のため別個の層として示したが、
実際、これら２つの層３４、４６は製造の異なる段階で
形成される単一のポリマー層となる。）次いで、支持体
４４上のコイル４２をコイル４２が下方に向くように反
転させてその構造全体を層４６の上面４８上に置く。層
４６は前に用いた他の種類の絶縁物に置き換わるもので
あり、本明細書の他の部分で述べた利点を有する。

【００３０】かくして、本発明のこの特徴を備えた装置
は、平らな薄膜超電導量子干渉デバイスと、超電導量子
干渉デバイスと同平面のコイルと、超電導量子干渉デバ
イスとコイルとの間のポリマー絶縁材料層とよりなる。
スクイッドは好ましくは前述した方法により製造する。

【００３１】ポリマー絶縁層３４を用いることにより幾
つかの利点が得られる。その第１のものは、酸化珪素及
び二酸化珪素のような典型的な絶縁材料よりも誘電定数
が実質的に低いことである。第２に、非常に厚くするこ
とが可能であり、そのため層２２と３２（及び３２′）
との間隔が充分にとれて容量効果が減少する。第３に、
図１１及び図１２に示すようなパターンを容易に形成す
ることができ、その際アンダーカットにより回路が切れ
て作動不能なスクイッドができることがない。

【００３２】以上、本発明の特定の実施例を例示の目的
で詳細に説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱す
ることなく種々の変形例及び設計変更が想倒可能であろ
う。従って、本発明は頭書した特許請求の範囲は別とし
てこれらの実施例により限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は直流スクイッドの概略的な回路図であ
る。

【図２】図２は完成した直流スクイッドの側立面図であ
る。

【図３】図３は本発明による薄膜スクイッドの製造工程
の最初のステップにおけるその装置の構造を示す。

【図４】図４は本発明による薄膜スクイッドの製造工程
の次のステップにおけるその装置の構造を示す。

【図５】図５は本発明による薄膜スクイッドの製造工程
のさらに次のステップにおけるその装置の構造を示す。

【図６】図６は本発明による薄膜スクイッドの製造工程
のさらに次のステップにおけるその装置の構造を示す。

【図７】図７は本発明による薄膜スクイッドの製造工程
のさらに次のステップにおけるその装置の構造を示す。

【図８】図８は本発明による薄膜スクイッドの製造工程
のさらに次のステップにおけるその装置の構造を示す。

【図９】図９は本発明による薄膜スクイッドの製造工程
のさらに次のステップにおけるその装置の構造を示す。

【図１０】図１０は本発明による薄膜スクイッドの製造
工程のさらに次のステップにおけるその装置の構造を示
す。

【図１１】図１１は本発明による薄膜スクイッドの製造
工程のさらに次のステップにおけるその装置の構造を示
す。

【図１２】図１２は本発明による薄膜スクイッドの製造
工程のさらに次のステップにおけるその装置の構造を示
す。

【図１３】図１３は図２のような直流スクイッドの側立
面図であり、同平面にあるコイル層と中間の絶縁層を示
す。

【符号の説明】

１０直流スクイッド１２超電導電流路１４ジョセフソン接合１６リード２０基板２２第１の層２６アルミニウム層２８酸化アルミニウム層３０別のアルミニウム層３２第２の層３４ポリマー絶縁層４０磁界検出器４２コイル４４コイル支持体４６別のポリマー絶縁層４８平らな上面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】その臨界温度以下で超電導性を示す材料
で形成した第１の層と、その臨界温度以下で超電導性を
示す材料で形成した第２の層と、第１の層と第２の層と
の間に位置するポリマー絶縁材料で形成した層と、第１
の層と第２の層との間を延びる少なくとも１つのジョセ
フソン接合とよりなるデバイス。
【請求項２】第１の層と第２の層との間を２つのジョ
セフソン接合が延びることを特徴とする請求項１に記載
のデバイス。
【請求項３】第１の層と第２の層のうちの少なくとも
一方がニオブであることを特徴とする請求項１に記載の
デバイス。
【請求項４】第１の層と第２の層の厚さがそれぞれ約
２５００オングストロームであることを特徴とする請求
項１に記載のデバイス。
【請求項５】各ジョセフソン接合が酸化アルミニウム
のバリヤを含むことを特徴とする請求項１に記載のデバ
イス。
【請求項６】ポリマー絶縁材料の層が約２５００乃至
約１００００オングストロームの厚さを有することを特
徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】ポリマー絶縁材料がポリイミドであるこ
とを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】超電導性を示す材料で形成した第２の層
と実質的に同平面にあるコイルと、超電導性を示す材料
で形成した第２の層とコイルとの間に位置するポリマー
絶縁材料で形成した第２の層とよりなることを特徴とす
る請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】その臨界温度以下で超電導性を示す材料
で形成された第１の層と、その臨界温度以下で超電導性
を示す材料で形成した第２の層と、第１の層と第２の層
との間に位置する絶縁層とよりなるジョセフソン接合を
有し、第１の層と第２の層がジョセフソン接合の横方向
の拡がりを越えて延び、さらにジョセフソン接合の横方
向の拡がりを越えて延びる第１の層と第２の層の部分間
にポリマー絶縁材料で形成した層を有することを特徴と
するデバイス。
【請求項１０】平らな薄膜超電導量子干渉デバイス
と、超電導量子干渉デバイスと同平面にあるコイルと、
超電導量子干渉デバイスとコイルとの間に位置するポリ
マー絶縁材料の層とよりなることを特徴とするデバイ
ス。