JPH10188754A - 超伝導リレー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超伝導リレーに関し、磁場による劣化がな
く、オン状態で抵抗０、オフ状態で抵抗無限大の超伝導
スイッチを得る。 【解決手段】 超伝導体薄膜２を有する一対の超伝導体
リードを、動作温度における通常の状態において互いの
超伝導体薄膜２が電気的に接触するように配置し、少な
くとも一方の超伝導体リードを、超伝導体薄膜２と、超
伝導体薄膜２の臨界温度近傍において非超伝導性のベー
ス層１とを積層させたバイメタルリード４で構成すると
共に、超伝導体薄膜２の臨界温度近傍において、ベース
層１の熱膨張率を超伝導体薄膜２の熱膨張率よりも小さ
くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超伝導リレーに関す
るものであり、特に、スイッチングを超伝導／常伝導転
移に伴って発生するジュール熱によって行うバイメタル
リード構造の超伝導リレーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の電力送電の大電流化に伴い、超伝
導送電の可能性はいまだに究明されており、また、抵抗
０で信号波形がなまらないことから、高速信号の伝送が
必要な通信伝送系やチップ間のインターコネクション等
に超伝導配線を用いる試みも検討されている。

【０００３】これらの超伝導線を用いた応用において
は、超伝導電流をオンオフするスイッチが必要になり、
現在まで多くの超伝導スイッチが提案されており、例え
ば、超伝導線の脇に配置した抵抗体に発生する熱によっ
て、又は、超伝導線の脇に配置したコイルが発生する磁
場によって超伝導／常伝導転移させるスイッチ、或い
は、磁界によって互いに隣接する超伝導リードを接触さ
せてオン状態にするリードスイッチ等が提案されてい
る。

【０００４】図９参照 図９は、従来の超伝導リードスイッチの要部断面図であ
り、Ｆｅ−Ｎｉ合金からなる磁性体薄板７１の表面にＮ
ｂからなる超伝導体薄膜７２を被着して超伝導リード７
３を構成し、この一対の超伝導リード７３の超伝導体薄
膜７３を互いに対向するように近接配置して、その近接
配置部をＨｅと共にガラス管７４に封入したものであ
る。

【０００５】この場合、ガラス管７４の周囲に巻き付け
たコイル（図示せず）に電流を流して発生させた磁界に
よって磁性体薄板７１を互いに近接させ、それによって
超伝導体薄膜７２を互いに接触させて通電させるもので
あり、コイルの電流を停止した場合には、磁性体薄板７
１の弾性によって元の状態に復帰して非接触の状態にな
るものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の超伝導
リードスイッチの場合には、超伝導リード７３を構成す
るベース層として磁性体薄板７１を使用しているので、
磁性体の磁場によって超伝導体薄膜７２の超伝導性が劣
化するという問題がある。

【０００７】また、この場合には、ノーマリオフ状態
で、超伝導電流を流す場合にコイルによって外部磁場を
印加するものであるので、この外部磁場によって超伝導
臨界電流が低下するという問題もある。

【０００８】また、超伝導線の脇に配置した抵抗体に発
生する熱によって、又は、超伝導線の脇に配置したコイ
ルが発生する磁場によって超伝導／常伝導転移させるス
イッチの場合には、オフ状態での抵抗が数Ωと小さく、
リードスイッチの様なオフ状態で抵抗が無限大となる理
想的なスイッチが得られないという問題がある。

【０００９】したがって、本発明は、磁場による劣化が
なく、オン状態で抵抗０、オフ状態で抵抗無限大の超伝
導スイッチを得ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図１を参照して本発明の課題を
解決するための手段を説明する。 図１（ａ）乃至（ｃ）参照 （１）本発明は、超伝導体薄膜２を有する一対の超伝導
体リードを、動作温度における通常の状態において互い
の超伝導体薄膜２が電気的に接触するように配置した超
伝導リレーにおいて、少なくとも一方の超伝導体リード
を、超伝導体薄膜２と、超伝導体薄膜２の臨界温度近傍
において非超伝導性のベース層１とを積層させたバイメ
タルリード４で構成すると共に、超伝導体薄膜２の臨界
温度近傍において、ベース層１の熱膨張率が超伝導体薄
膜２の熱膨張率よりも小さいことを特徴とする。

【００１１】この様に、外部から印加する熱或いは磁場
によって、超伝導体薄膜２に流れる超伝導電流５の臨界
電流は、図１（ｃ）に示すように、ａ→ｂと低下してゆ
き、最後にｃで示す常伝導状態となるので、バイメタル
リード４を用いた場合、超伝導／常伝導転移に伴って超
伝導体薄膜２に生ずるジュール熱を利用してバイメタル
リード４の物理的接触を解除することができるので、オ
フ状態の電気抵抗を無限大にすることができる。

【００１２】また、オン状態においては、磁場を印加し
ないので、磁場により超伝導臨界電流が低下するという
問題もなく、さらに、バイメタルリード４を構成するベ
ース層１として磁性体を用いる必要がないので、磁性体
の磁場により超伝導体薄膜２の超伝導性が劣化すること
もない。なお、接点部に薄い常伝導体からなる接点導体
３を設けておいても良く、接点導体３の厚さが薄けれ
ば、近接効果によって超伝導電流５が流れる。

【００１３】（２）また、本発明は、上記（１）におい
て、互いの超伝導体薄膜２が電気的に接触する接点部近
傍に、熱発生用の抵抗体を配置したことを特徴とする。

【００１４】この様に、接点部近傍に熱発生用のＮｉＣ
ｒ等の抵抗体を配置し、この抵抗体に通電することに伴
って発生した熱によって超伝導体薄膜２を流れる超伝導
臨界電流は低下し、超伝導臨界電流が超伝導体薄膜２を
流れる電流より低下した時点で、超伝導状態が破れて常
伝導状態に転移し、超伝導体薄膜２にジュール熱が発生
してバイメタルが作動し、物理的接触が解除されてオフ
状態となる。

【００１５】（３）また、本発明は、上記（１）におい
て、互いの超伝導体薄膜２が電気的に接触する接点部近
傍に、磁場発生用のコイルを配置したことを特徴とす
る。

【００１６】この様に、接点部近傍に超伝導配線層等の
コイルを配置し、このコイルに通電することに伴って発
生した磁場によって超伝導体薄膜２を流れる超伝導臨界
電流は低下し、超伝導臨界電流が超伝導体薄膜２を流れ
る電流より低下した時点で、超伝導状態が破れて常伝導
状態に転移し、超伝導体薄膜２にジュール熱が発生して
バイメタルが作動し、物理的接触が解除されてオフ状態
となる。

【００１７】（４）また、本発明は、上記（１）乃至
（３）のいずれかにおいて、一対の超伝導体リードを、
同一支持基板上に形成したことを特徴とする。

【００１８】この様に、バイメタルリード４を利用した
超伝導リレーをオンチップ型で構成することによって、
超小型超伝導回路装置に用いる超小型超伝導リレーを構
成することができる。

【００１９】（５）また、本発明は、上記（４）におい
て、同一支持基板上に超伝導体リードの一方を構成する
超伝導体薄膜２を設けると共に、梁状部を有するバイメ
タルリード４を超伝導体薄膜２が下面側になるようにス
ペーサ層を介して対向配置させ、動作温度における通常
の状態において少なくとも梁状部の先端において互いの
超伝導体薄膜２２が電気的に接触していることを特徴と
する。

【００２０】この様に、上部超伝導体リードとなるバイ
メタルリード４をスペーサ層を介して積層体として設け
ることにより、液体窒素温度等の動作温度においてバイ
メタルリード４を構成する超伝導体薄膜２がベース層１
より縮んで下側に湾曲して下部超伝導体リードを構成す
る超伝導体薄膜２に自然に接触するので、簡単な成膜工
程及びエッチング工程によって、ノーマリオンの超伝導
リレーを形成することができる。

【００２１】（６）また、本発明は、上記（１）乃至
（５）のいずれかにおいて、超伝導体リードが、超伝導
体／絶縁体／超伝導体の三層構造のストリップライン構
造を有していることを特徴とする。

【００２２】この様に、超伝導体リードとして超伝導体
／絶縁体／超伝導体の三層構造のストリップライン構造
を採用することによって、高周波特性を良好にすること
ができ、また、両側に設ける超伝導体の厚さ或いは材質
を変えることによってバイメタルリード４とすることが
できる。

【００２３】（７）また、本発明は、上記（１）乃至
（５）のいずれかにおいて、超伝導体リードが、コプレ
ーナ型のストリップライン構造を有していることを特徴
とする。

【００２４】この様に、超伝導体リードとしてコプレー
ナ型のストリップライン構造を採用することによって、
高周波特性を良好にすることができると共に、ストリッ
プラインを構成するＧＮＤ（グラウンド）導体同士の接
続をワイヤレスで容易にすることができる。

【００２５】（８）また、本発明は、上記（１）乃至
（７）のいずれかにおいて、超伝導体リードを構成する
超伝導体薄膜２が、酸化物超伝導体薄膜であることを特
徴とする。

【００２６】この様に、超伝導体リードを構成する超伝
導体薄膜２として、酸化物超伝導体薄膜を用いることに
よって、液体窒素温度等の高温での超伝導リレー動作を
可能にすることができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】ここで、図２を参照して本発明の
第１の実施の形態であるガラス容器封入型超伝導リレー
を説明する。 図２（ａ）参照 まず、ベース層となる長さ２ｃｍ、幅１ｍｍ、厚さ２０
μｍのイットリウム添加により結晶構造を安定化させた
ジルコニアの焼結体薄板、即ち、ＹＳＺ薄板（イットリ
ウム安定化ジルコニア薄板）１１と、長さ２ｃｍ、幅１
ｍｍ、厚さ約２μｍの高温超伝導体であるＹＢａ₂ Ｃｕ
₃ Ｏ_7-x （ＹＢＣＯ）焼結体薄板１２とを加圧した状態
で、酸素含有雰囲気中で加熱処理することによって貼り
合わせたのち、ＹＢＣＯ焼結体薄板１２の先端部に厚さ
２０ｎｍのＡｕ薄膜１３を長さ５ｍｍだけマスク蒸着し
てバイメタルリード１４を構成する。

【００２８】次いで、一対のバイメタルリード１４のＡ
ｕ薄膜１３が互いに対向するように離間して保持した状
態で、１％以上の酸素を含むガス、例えば、２０％の酸
素を含むＨｅガスと共に、少なくとも、Ａｕ薄膜１３を
設けた先端部をガラス容器１５内に封入したのち、ガラ
ス容器１５の周囲を超伝導ワイヤ１６で巻き付けて超伝
導リレーが完成する。

【００２９】この場合にガラス容器１５内にＨｅガスを
封入するのは、Ｈｅガスが外部から印加する熱を伝達す
るためであり、また、酸素はＹＢＣＯ焼結体薄板１２か
らＯ原子が遊離して超伝導性を劣化させないためであ
り、その含有率（分圧）は液体窒素温度（７７Ｋ）にお
いて液化しないように設定する。

【００３０】また、この場合のバイメタルリード１４の
先端部の離間距離は、動作温度、例えば、７７Ｋにおい
て、線膨張係数の大きなＹＢＣＯ焼結体薄板１２（線膨
張係数：１．４×１０^-5℃）がＹＳＺ焼結体薄板１１
（線膨張係数：１．０×１０^-5℃）より縮んで湾曲し、
Ａｕ薄膜１３同士が物理的に接触する距離とする。

【００３１】この超伝導リレーを７７Ｋ等の動作温度ま
で冷却することによって、線膨張係数の差によってバイ
メタルリード１４同士が接触してノーマリオン状態とな
り、超伝導電流を流すことができるようになる。

【００３２】この状態で、超伝導ワイヤ１６に電流を流
すことによって発生した磁場が超伝導リレーに印加さ
れ、磁場が強くなるにしたがってＹＢＣＯ焼結体薄板１
２を流れる超伝導臨界電流が小さくなり、ある大きさの
磁場以上においては超伝導状態が破られ、常伝導状態に
転移してＹＢＣＯ焼結体薄板１２に常伝導電流が流れて
ジュール熱が発生し、この発生した熱によってバイメタ
ルリード１４が互いに離間する方向に動き、物理的接触
が解除されて、オフ状態となる。

【００３３】したがって、この様な超伝導リレーにおい
ては、オン状態で抵抗０に、オフ状態では抵抗無限大に
することができるので、理想的なスイッチとすることが
できる。

【００３４】また、オン状態においては、磁場を印加し
ていないので、磁場によって超伝導臨界電流が低減し、
ＹＢＣＯ焼結体薄板１２を流れる電流が制限を受けるこ
とがない。

【００３５】図２（ｂ）参照 図２（ｂ）は、図２（ａ）における超伝導リレーにおけ
る超伝導ワイヤ１６をＮｉＣｒからなる金属ワイヤ１７
に置き換えたものであり、その他の構成は図２（ａ）と
全く同じであるので製造工程の説明は省略し、オフ動作
を説明する。

【００３６】このオン状態の超伝導リレーにおいて、金
属ワイヤ１７に電流を流すことによって発生した熱がガ
ラス容器１５内に封入したＨｅガスを介して超伝導リレ
ーに印加され、発生する熱が強くなるにしたがってＹＢ
ＣＯ焼結体薄板１２を流れる超伝導臨界電流が小さくな
り、ある大きさの熱以上、即ち、金属ワイヤ１７に流れ
る電流以上においては超伝導状態が破られ、常伝導状態
に転移してＹＢＣＯ焼結体薄板１２に常伝導電流が流れ
てジュール熱が発生し、この発生した熱によってバイメ
タルリード１４が互いに離間する方向に動き、物理的接
触が解除されて、オフ状態となる。

【００３７】なお、この場合には、熱と同時に磁場も発
生するので、超伝導リレーには熱と同時に磁場も印加さ
れることになるが、金属ワイヤ１７の形状、及び、金属
ワイヤ１７を構成する材料を適宜選定することによって
熱の影響が磁場の影響より大きくなるようにすれば良
い。

【００３８】また、この図２（ａ）及び（ｂ）に示す第
１の実施の形態の場合には、ベース層として絶縁体であ
るＹＳＺ焼結体薄板１１を用いているが、絶縁体である
必要はなく、動作温度において常伝導性を示すＡｕやＰ
ｔ等の金属を用いても良いものであり、要するに、ＹＢ
ＣＯ焼結体薄板１２より動作温度近傍における線膨張係
数、即ち、熱膨張率の小さな非超伝導体を用いれば良い
ものである。

【００３９】また、接点導体として常伝導体のＡｕ薄膜
１３を用いており、厚さが２０ｎｍと薄いので近接効果
によって超伝導電流が流れるものであるが、この接点導
体をＰｂやＳｎ等の超伝導体を用いて構成しても良いも
のであり、この場合には、接点導体の臨界温度まで冷却
することによって、接点導体も超伝導体として作用す
る。

【００４０】また、超伝導体焼結体薄板としてはＹＢＣ
Ｏ焼結体薄板等の酸化物超伝導体以外に、Ｔａ、Ｎｂ、
Ｐｂ、或いは、Ｓｎ等の金属超伝導体を用いて良いもの
であり、その場合のベース層としては、これらの金属超
伝導体より線膨張係数の小さなＳｉＯ₂ 薄板等を用いれ
ば良い。

【００４１】さらに、バイメタルリード１４を、ＹＳＺ
焼結体薄板１１の両面にＹＢＣＯ焼結体薄板１２を貼り
合わせ、一方のＹＢＣＯ焼結体薄板を信号線とし、他方
のＹＢＣＯ焼結体薄板をＧＮＤ線としてストリップライ
ン構造にしても良く、これによって、高周波特性が良好
となる。

【００４２】また、焼結体薄板の貼り合わせ方法として
は、加圧状態における加熱処理に限られるものではな
く、エポキシ系等の接着剤或いはＩｎ，Ｐｂ，ハンダ等
の低融点金属を用いて貼り合わせても良いものであり、
さらに、ガラス容器１５内に封入する不活性ガスもＨｅ
に限られるものではなく、Ａｒガスを用いても良いもの
である。

【００４３】次に、図３及び図４を参照して、本発明の
第２の実施の形態であるオンチップ型の超伝導リレーの
製造工程を説明する。 図３（ａ）参照 まず、厚さ１００μｍ〜２ｍｍ、例えば、５００μｍの
ＳｒＴｉＯ₃ 基板２１上に、レーザアブレーション法を
用いて、厚さ０．１〜１０．０μｍ、例えば、１．０μ
ｍのＹＢＣＯ薄膜２２、厚さ０．１〜１０．０μｍ、例
えば、１．０μｍのＳｒＴｉＯ₃ 薄膜２３、厚さ０．１
〜１０．０μｍ、例えば、１．０μｍのＹＢＣＯ薄膜２
４、及び、厚さ０．１〜１０．０μｍ、例えば、１．０
μｍのＹＳＺ薄膜２５を積層させる。

【００４４】図３（ｂ）参照 次いで、Ａｒイオンを用いたイオンミーリング法によっ
て、レジストマスク（図示せず）をマスクとしてＹＳＺ
薄膜２５乃至ＹＢＣＯ薄膜２２を幅１μｍ〜１ｍｍ、例
えば、２０μｍにパターニングしたのち、新たなレジス
トマスク（図示せず）をマスクとしてＹＳＺ薄膜２５及
びＹＢＣＯ薄膜２４を所定の長さにパターニングする。

【００４５】図３（ｃ）参照 次いで、レジストマスクを除去したのち、新たなレジス
トマスク（図示せず）によりエッチングを施さない積層
体を側面も覆うように被覆したのち、５％のフッ酸で処
理することによって露出しているＳｒＴｉＯ₃ 薄膜２３
にサイドエッチングを施し、上側のＹＢＣＯ薄膜２４の
先端部に長さ１０μｍ〜２０ｍｍ、例えば、５００μｍ
の張出部、即ち、梁状部を構成する。

【００４６】この場合、５％のフッ酸のＳｒＴｉＯ₃ に
対するエッチングレートはＹＢＣＯ及びＹＳＺの１０倍
以上であるので、ＳｒＴｉＯ₃ 薄膜２３のみが選択エッ
チングされることになる。

【００４７】図４（ｄ）参照 次いで、イオンミーリング法を用いて、下部超伝導体で
あるＹＢＣＯ薄膜２２をパターニングすると同時に、Ｙ
ＳＺ薄膜２５に引出電極を形成するための開口２６を形
成する。

【００４８】図４（ｅ）参照 次いで、マスクスパッタリング法を用いてＹＢＣＯ薄膜
パターンを積層させて、引出電極２７，２８と同時に、
超伝導配線層２９を形成することによって、オンチップ
型超伝導リレーが完成する。

【００４９】図４（ｆ）参照 この超伝導リレーを液体窒素温度まで冷却した場合、線
膨張係数の差により、ＹＢＣＯ薄膜２４がＹＳＺ薄膜２
５より縮むので、梁状部が下側に湾曲して下部超伝導体
であるＹＢＣＯ薄膜２２と自然に接触してノーマリオン
状態となる。

【００５０】この超伝導リレーをオンにした状態で、超
伝導配線層２９に電流を流すことによって磁場を発生さ
せ、この磁場によって超伝導リレーの超伝導状態を破っ
て常伝導状態とすることによって、ＹＢＣＯ薄膜２２と
ＹＢＣＯ薄膜２４に流れる電流を常伝導電流とし、発生
する熱によって上部超伝導リードを構成するＹＢＣＯ薄
膜２４とＹＳＺ薄膜２５とからなるバイメタル構造が元
の状態に復帰して物理的接触が解除されてオフ状態にな
る。

【００５１】この場合にも、第１の実施の形態と同様
に、オン状態で抵抗０、オフ状態で抵抗無限大の理想的
な超伝導スイッチを得ることができるとともに、超小型
に形成できるためジョセフソン回路装置等の超伝導回路
装置のスイッチとして用いることができる。

【００５２】次に、図５を参照して、本発明の第２の実
施の形態の変形例を説明するが、この変形例は第２の実
施の形態における超伝導配線層２９を金属配線層３０に
置き換えたものであり、その他の構成は第２の実施の形
態と全く同じであるので、その要部のみを説明する。

【００５３】図５参照 上記第２の実施の形態の図４（ｄ）の工程まで全く同様
に形成したのち、マスクスパッタリング法を用いてＹＢ
ＣＯ薄膜パターンを積層させて、引出電極２７，２８を
形成し、次いで、マスク蒸着法を用いてＮｉＣｒ薄膜パ
ターンからなる金属配線層３０を形成することによっ
て、オンチップ型超伝導リレーが完成する。

【００５４】この超伝導リレーをオンにした状態で、金
属配線層３０に電流を流すことによってジュール熱を発
生させ、この熱によって超伝導リレーの超伝導状態を破
って常伝導状態とすることによって、ＹＢＣＯ薄膜２２
とＹＢＣＯ薄膜２４に流れる電流を常伝導電流とし、Ｙ
ＢＣＯ薄膜２２及びＹＢＣＯ薄膜２４に発生する熱によ
って上部超伝導リードを構成するＹＢＣＯ薄膜２４とＹ
ＳＺ薄膜２５とからなるバイメタル構造が元の状態に復
帰して物理的接触が解除されてオフ状態になる。

【００５５】この場合にも、第２の実施の形態と同様の
効果があるが、この場合には、金属配線層３０を流れる
電流によってジュール熱以外に磁場も発生するので、熱
の影響が磁場の影響より大きくなるように、金属配線層
を設ける位置及び形状を設定すれば良い。

【００５６】次に、図６を参照して、本発明の第３の実
施の形態であるマイクロストリップライン構造を用いた
オンチップ型の超伝導リレーの製造工程を説明する。 図６（ａ）参照 まず、厚さ１００μｍ〜２ｍｍ、例えば、５００μｍの
ＳｒＴｉＯ₃ 基板３１上に、レーザアブレーション法を
用いて、厚さ０．１〜１０．０μｍ、例えば、１．０μ
ｍのＹＢＣＯ薄膜３２、厚さ０．０１〜１０．０μｍ、
例えば、０．５μｍのＹＳＺ薄膜３３、厚さ０．１〜１
０．０μｍ、例えば、１．０μｍのＹＢＣＯ薄膜３４、
厚さ０．１〜２０．０μｍ、例えば、２．０μｍのＳｒ
ＴｉＯ₃薄膜３５、厚さ０．１〜１０．０μｍ、例え
ば、１．０μｍのＹＢＣＯ薄膜３６、厚さ０．０１〜１
０．０μｍ、例えば、０．５μｍのＹＳＺ薄膜３７、及
び、厚さ０．１〜１０．０μｍ、例えば、１．０μｍの
ＹＢＣＯ薄膜３８を順次積層させる。

【００５７】図６（ｂ）参照 次いで、Ａｒイオンを用いたイオンミーリング法によっ
て、レジストマスク（図示せず）をマスクとしてＹＢＣ
Ｏ薄膜３８乃至ＹＢＣＯ薄膜３２を幅１μｍ〜１ｍｍ、
例えば、２０μｍにパターニングしたのち、新たなレジ
ストマスク（図示せず）をマスクとしてＹＢＣＯ薄膜３
８及びＳｒＴｉＯ₃ 薄膜３５を所定の長さにパターニン
グする。

【００５８】次いで、レジストマスクを除去したのち、
新たなレジストマスク（図示せず）によりエッチングを
施さない積層体を側面も覆うように被覆したのち、５％
のフッ酸で処理することによって露出しているＳｒＴｉ
Ｏ₃ 薄膜３５にサイドエッチングを施し、上側のＹＢＣ
Ｏ薄膜３８／ＹＳＺ薄膜３７／ＹＢＣＯ薄膜３６からな
るマイクロストリップラインの先端部に長さ１０μｍ〜
２０ｍｍ、例えば、１ｍｍの梁状部を構成する。

【００５９】次いで、イオンミーリング法を用いて、Ｙ
ＢＣＯ薄膜３４／ＹＳＺ薄膜３３／ＹＢＣＯ薄膜３２か
らなる下側のマイクロストリップラインをパターニング
したのち、引出電極３９，４０、及び、グランドプレー
ン、即ち、ＧＮＤ導体を構成するＹＢＣＯ薄膜３８とＹ
ＢＣＯ薄膜３２を接続するＧＮＤ接続電極４１を形成す
ると共に、コイルとなる超伝導配線層或いは発熱体とな
るＮｉＣｒ等の金属配線層（共に図示せず）を形成する
ことによって、マイクロストリップラインを用いたオン
チップ型超伝導リレーが完成する。

【００６０】図６（ｃ）参照 この超伝導リレーを液体窒素温度まで冷却した場合、線
膨張係数の差により、ＹＢＣＯ薄膜３６，３８がＹＳＺ
薄膜３７より縮むが、上側のＹＢＣＯ薄膜３８の厚さが
下側のＹＢＣＯ薄膜３６の厚さよりも薄いので、梁状部
は下側に湾曲して下部マイクトストリップラインの信号
線を構成するＹＢＣＯ薄膜３４と自然に接触してノーマ
リオン状態となる。

【００６１】この超伝導リレーをオンにした状態で、超
伝導配線層或いは金属配線層（共に図示せず）に電流を
流すことによって、超伝導リレーの超伝導状態が破ら
れ、ＹＢＣＯ薄膜３６とＹＢＣＯ薄膜３４に流れる電流
が常伝導電流となるので、それに伴って発生する熱によ
ってバイメタル構造の上部マイクロストリップラインが
元の状態に復帰して物理的接触が解除されてオフ状態に
なる。

【００６２】この場合には、第２の実施の形態と同様
に、オン状態で抵抗０、オフ状態で抵抗無限大の理想的
な超伝導スイッチを得ることができるとともに、マイク
ロストリップライン構造を採用しているので、高周波特
性が良好になる。

【００６３】なお、この第３の実施の形態においては、
バイメタル構造を形成するために、上部のマイクロスト
リップラインを構成するＧＮＤ線の厚さを信号線より薄
くしているが、同じ厚さにしても良く、その場合には、
線膨張係数に差ができるように、成長条件を変える必要
がある。

【００６４】例えば、信号線となるＹＢＣＯ薄膜３６の
成膜条件を、ガス圧１３．３Ｐａで、５０％酸素ガスを
含むアルゴンとすると共に、ＧＮＤ線となるＹＢＣＯ薄
膜３８の成膜条件をガス圧５４Ｐａで５０％酸素ガスを
含むアルゴンとして、ガス圧を変えることによってＹＢ
ＣＯ薄膜３６の線膨張係数をＹＢＣＯ薄膜３８の線膨張
係数より大きくすることができる。

【００６５】また、その他の変形例としては、上部のマ
イクロストリップラインを構成するＧＮＤ線を、信号線
となるＹＢＣＯ薄膜３６より線膨張係数の小さな超伝導
材料で構成しても良い。

【００６６】次に、図７及び図８を参照して、本発明の
第４の実施の形態であるコプレーナ型のマイクロストリ
ップライン構造を用いたオンチップ型超伝導リレーの製
造工程を説明する。なお、図７（ａ）の左側の図は平面
図であり、右側の図は左側の図における一点鎖線Ａ−
Ａ’に沿った断面図であり、また、図７（ｂ）乃至図８
（ｄ）の左側の図も平面図であり、各右上図は左側の図
における一点鎖線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、各右
下図は左側の図における一点鎖線Ｂ−Ｂ’に沿った断面
図である。

【００６７】図７（ａ）参照 まず、厚さ１００μｍ〜２ｍｍ、例えば、５００μｍの
ＳｒＴｉＯ₃ 基板５１上に、レーザアブレーション法を
用いて、厚さ０．１〜１０．０μｍ、例えば、１．０μ
ｍのＹＳＺ薄膜５２、厚さ０．１〜１０．０μｍ、例え
ば、１．０μｍのＹＢＣＯ薄膜５３、厚さ０．１〜２
０．０μｍ、例えば、２．０μｍのＳｒＴｉＯ₃ 薄膜５
４、厚さ０．１〜１０．０μｍ、例えば、１．０μｍの
ＹＢＣＯ薄膜５５、及び、厚さ０．１〜１０．０μｍ、
例えば、１．０μｍのＹＳＺ薄膜５６を順次積層させ
る。

【００６８】次いで、レジスト膜５７を塗布し、レジス
ト膜５７に設けた複数のスリット５８に囲まれた領域が
信号用超伝導配線となるようなパターンに形成する。

【００６９】図７（ｂ）参照 次いで、Ａｒイオンを用いたイオンミーリング法によっ
て、レジスト膜５７をマスクとしてＹＳＺ薄膜５６乃至
ＹＢＣＯ薄膜５３をエッチングして分離溝５９を形成す
る。

【００７０】図８（ｃ）参照 次いで、レジスト膜５７を除去したのち、０．１％のＨ
Ｃｌ溶液によりウェット・エッチングを施すことによ
り、ＹＢＣＯ膜５２，５５のみをサイドエッチングする
ことによって、一点鎖線Ｂ−Ｂ’に沿ったスリット５８
の間に存在するＹＢＣＯ膜５２，５５を除去してサイド
エッチング部６０を形成する。

【００７１】このサイドエッチング部６０により、左側
の平面図において太い一点鎖線の囲みで示すように、Ｙ
ＢＣＯ膜５２，５５は分離溝５９を介して中央の信号用
超伝導配線層と環状のＧＮＤ導体とを完全に分離するこ
とができる。

【００７２】図８（ｄ）参照 次いで、新たなレジスト膜６１によりエッチングを施さ
ない積層体を側面も覆うように被覆したのち、５％のフ
ッ酸で処理することによって露出しているＳｒＴｉＯ₃
薄膜５４にサイドエッチングを施して除去することによ
り、梁状部を構成する。

【００７３】次いで、図示しないものの、第３の実施の
形態と同様に、コイルとなる超伝導配線層或いは発熱体
となるＮｉＣｒ等の金属配線層を形成すると共に、引出
電極及びＧＮＤ引出電極を形成することによって、コプ
レーナ型のマイクロストリップライン構造を用いたオン
チップ型超伝導リレーが完成する。

【００７４】この場合も、超伝導リレーを液体窒素温度
まで冷却した場合、線膨張係数の差により、ＹＢＣＯ薄
膜５５がＹＳＺ薄膜５６より縮むので、梁状部は下側に
湾曲して下部マイクトストリップラインの信号線を構成
するＹＢＣＯ薄膜５２と自然に接触してノーマリオン状
態となる。

【００７５】また、上下のＧＮＤ導体同士も湾曲によっ
て自然に電気的に接続されるので、ＧＮＤ導体同士を結
ぶＧＮＤ接続電極は不要になる。

【００７６】なお、ＹＳＺ薄膜５６にはスリット５８が
設けられているが、全体としては一体であるので、ＹＢ
ＣＯ薄膜５５が分離溝５９及びサイドエッチング部６０
によって分離されていても、ＹＳＺ薄膜５６によってこ
の分離したＹＢＣＯ薄膜５５を安定に支持することがで
きる。

【００７７】この超伝導リレーをオンにした状態で、超
伝導配線層或いは金属配線層（共に図示せず）に電流を
流すことによって、超伝導リレーの超伝導状態が破ら
れ、ＹＢＣＯ薄膜５５とＹＢＣＯ薄膜５２に流れる電流
が常伝導電流となるので、それに伴って発生する熱によ
ってバイメタル構造の上部マイクロストリップラインが
元の状態に復帰して物理的接触が解除されてオフ状態に
なる。

【００７８】この場合には、第３の実施の形態と同様
に、オン状態で抵抗０、オフ状態で抵抗無限大の理想的
な超伝導スイッチを得ることができ、また、コプレーナ
型のマイクロストリップライン構造を採用しているの
で、高周波特性が良好になると共に、ＧＮＤ電極同士を
結ぶＧＮＤ接続電極は不要になるので配線構造が簡素化
される。

【００７９】以上、各実施の形態を説明してきたが、本
発明においては、オン状態においては、磁場を印加しな
いので、磁場により超伝導臨界電流が低下するという問
題もなく、さらに、バイメタルリードを構成するベース
層として磁性体を用いる必要がないので、磁性体の磁場
により超伝導体薄膜の超伝導性が劣化することもない
が、ベース層として磁性体を用いることを妨げるもので
はない。

【００８０】また、本発明の対象となる超伝導体薄板は
ＹＢＣＯ薄膜に限られるものではなく、ＹＢＣＯと同様
に高温超伝導特性を示すＢｉ₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₁ Ｃｕ
₂ Ｏ_y 、Ｔｌ₂ Ｂａ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_z 、ＬｎＢａ₂ Ｃ
ｕ₃ Ｏ_7-x （但し、Ｌｎはランタノイド）等の酸化物超
伝導体を用いても良いものであり、この様な酸化物超伝
導体を用いた場合には、ベース層及びスペーサ層として
も酸化物を用いることによって、同じ成長装置を用いて
連続的に成膜することができるので、製造工程が簡素化
される利点がある。

【００８１】また、超伝導体薄板は酸化物超伝導体薄膜
に限られるものではなく、Ｔａ、Ｎｂ、Ｐｂ、或いは、
Ｓｎ等の金属超伝導体を用いて良いものであり、その場
合のベース層としては、これらの金属超伝導体より線膨
張係数の小さなＳｉＯ₂ 薄板等を用いれば良い。

【００８２】例えば、ＹＢＣＯの線膨張係数が１．４×
１０^-5℃であるのに対して、Ｔａは０．６×１０^-5℃、
Ｎｂは０．９×１０^-5℃であり、絶縁体のＳｒＴｉＯ₃
は１．０×１０^-5℃、ＭｇＯは１．２×１０^-5℃、Ｓｉ
Ｏ₂ は０．０１×１０^-5℃、ＹＳＺは１．０×１０^-5℃
であり、さらに、金属のＡｕは１．３×１０^-5℃、Ｐｔ
は０．９×１０^-5℃であるので、線膨張係数を考慮し
て、ベース層の線膨張係数が超伝導体薄膜或いは超伝導
体薄板の線膨張係数より小さくなる組合せを用いれば良
い。

【００８３】

【発明の効果】本発明によれば、バイメタルリード構造
を用いてノーマリオンの超伝導リレーを構成しているの
で、磁場による劣化がなく、オン状態で抵抗０で、オフ
状態で抵抗無限大の理想的な超伝導スイッチを実現する
ことができ、超伝導送電或いは高速通信伝送の発達に寄
与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理的構成の説明図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の説明図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態の途中までの製造工
程の説明図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態の図３以降の製造工
程の説明図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態の変形例の説明図で
ある。

【図６】本発明の第３の実施の形態の製造工程の説明図
である。

【図７】本発明の第４の実施の形態の途中までの製造工
程の説明図である。

【図８】本発明の第４の実施の形態の図７以降の製造工
程の説明図である。

【図９】従来の超伝導リードスイッチの説明図である。

【符号の説明】

１ ベース層 ２ 超伝導体薄膜 ３ 接点導体 ４ バイメタルリード ５ 超伝導電流 １１ ＹＳＺ焼結体薄板 １２ ＹＢＣＯ焼結体薄板 １３ Ａｕ薄膜 １４ バイメタルリード １５ ガラス容器 １６ 超伝導ワイヤ １７ 金属ワイヤ ２１ ＳｒＴｉＯ₃ 基板 ２２ ＹＢＣＯ薄膜 ２３ ＳｒＴｉＯ₃ 薄膜 ２４ ＹＢＣＯ薄膜 ２５ ＹＳＺ薄膜 ２６ 開口 ２７ 引出電極 ２８ 引出電極 ２９ 超伝導配線層 ３０ 金属配線層 ３１ ＳｒＴｉＯ₃ 基板 ３２ ＹＢＣＯ薄膜 ３３ ＹＳＺ薄膜 ３４ ＹＢＣＯ薄膜 ３５ ＳｒＴｉＯ₃ 薄膜 ３６ ＹＢＣＯ薄膜 ３７ ＹＳＺ薄膜 ３８ ＹＢＣＯ薄膜 ３９ 引出電極 ４０ 引出電極 ４１ ＧＮＤ接続電極 ５１ ＳｒＴｉＯ₃ 基板 ５２ ＹＳＺ薄膜 ５３ ＹＢＣＯ薄膜 ５４ ＳｒＴｉＯ₃ 薄膜 ５５ ＹＢＣＯ薄膜 ５６ ＹＳＺ薄膜 ５７ レジスト膜 ５８ スリット ５９ 分離溝 ６０ サイドエッチング部 ６１ レジスト膜 ７１ 磁性体薄板 ７２ 超伝導体薄膜 ７３ 超伝導リード ７４ ガラス管

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超伝導体薄膜を有する一対の超伝導体リ
   ードを、動作温度における通常の状態において前記互い
   の超伝導体薄膜が電気的に接触するように配置した超伝
   導リレーにおいて、少なくとも一方の前記超伝導体リー
   ドを、超伝導体薄膜と、前記超伝導体薄膜の臨界温度近
   傍において非超伝導性のベース層とを積層させたバイメ
   タルリードで構成すると共に、前記超伝導体薄膜の臨界
   温度近傍において、前記ベース層の熱膨張率が超伝導体
   薄膜の熱膨張率よりも小さいことを特徴とする超伝導リ
   レー。
2. 【請求項２】 上記互いの超伝導体薄膜が電気的に接触
   する接点部近傍に、熱発生用の抵抗体を配置したことを
   特徴とする請求項１記載の超伝導リレー。
3. 【請求項３】 上記互いの超伝導体薄膜が電気的に接触
   する接点部近傍に、磁場発生用のコイルを配置したこと
   を特徴とする請求項１記載の超伝導リレー。
4. 【請求項４】 上記一対の超伝導体リードを、同一支持
   基板上に形成したことを特徴とする請求項１乃至３のい
   ずれか１項に記載の超伝導リレー。
5. 【請求項５】 上記同一支持基板上に上記超伝導体リー
   ドの一方を構成する超伝導体薄膜を設けると共に、梁状
   部を有する上記バイメタルリードを上記超伝導体薄膜が
   下面側になるようにスペーサ層を介して対向配置させ、
   動作温度における通常の状態において少なくとも前記梁
   状部の先端において前記互いの超伝導体薄膜２が電気的
   に接触していることを特徴とする請求項４記載の超伝導
   リレー。
6. 【請求項６】 上記超伝導体リードが、超伝導体／絶縁
   体／超伝導体の三層構造のストリップライン構造を有し
   ていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項
   に記載の超伝導リレー。
7. 【請求項７】 上記超伝導体リードが、コプレーナ型の
   ストリップライン構造を有していることを特徴とする請
   求項１乃至５のいずれか１項に記載の超伝導リレー。
8. 【請求項８】 上記超伝導体リードを構成する上記超伝
   導体薄膜が、酸化物超伝導体薄膜であることを特徴とす
   る請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超伝導リレ
   ー。