JPS6360503A

JPS6360503A - Ｓｑｕｉｄリング

Info

Publication number: JPS6360503A
Application number: JP20360786A
Authority: JP
Inventors: Yujiro Kato; 加藤　雄二郎; Hidefumi Asano; 秀文浅野; Keiichi Tanabe; 圭一田辺; Osamu Michigami; 修道上
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1986-09-01
Filing date: 1986-09-01
Publication date: 1988-03-16

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ：スーパーコ
ンダクティングクウォンタムインタフィアレンス　デヴ
アイス（ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＱｕａｎｔｕ
ｍ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　Ｄｅｖｉｃｅ）用の主
コイル（以下、ＳＱＵＩＤリングと称する。）に関する
。

〔従来の技術〕

集積回路技術および薄膜技術を用いて作製されるＳＱＵ
ＩＤリングは、基本的には、第４図に示すように、矩形
のリング本体１と、矩形の開口部２と、開口部２とリン
グ本体１の外周とを連結するスリット部３とにより構成
されている。

ＳＱＵＩＤリングのインダクタンスは、ＳＱＵＩＤの動
作を決定づけるパラメータであり、ＳＱＵＩＤリングの
構造そのもので決定されるため、ＳＱＵＩＤリングの設
計および加工が特に重要となる。第４図に示した構成の
ＳＱＵＩＤリングのインダクタンスは、基本的に、正方
形のリング本体の一辺の長さが、超伝導磁束侵入距離λ
〜０．１−〜０．５ｐより十分大きく、しかも、この寸
法が開口部の一辺の長さに比べて十分大きければ、ＳＱ
ＵＩＤリングを流れる電流は、開口部のエツジ部に集中
するために、開口部の寸法で決まるインダクタンスＬｃ
と、スリット部のインダクタンスＬ、の和として与えら
れる。開口部のインダクタンスは、開口部の一辺の長さ
をｄとすると、はぼｄに比例する関数として示される。

Ｌｃ−１，２５μ、ｄ一方、スリット部のインダクタンスは、次式で与えられ
る。

Ｌｓ〜１．２５μｏ　（Ｗ　＋　Ｓ　）／　２〜０−６
２５　μａ　Ｗここでμ。は真空透磁率、Ｗはスリット
の長さ。

Ｓはスリットの幅である。

スリットの幅は、スリットの長さに比べて十分小さいた
め、スリットのインダクタンスは、スリットの長さで規
定される。

従来のＳＱＵＩＤリングの概念断面図を、第５図に示す
０図示のように、矩形の断面を持つ幅すのストリップラ
イン７．８が、距離Ｃをおいて隔てられ、ストリップラ
イン７．８には逆向きに電流が流れる。このストリップ
ラインの単位長さあたりのインダクタンスは、文献ディ
ー・シー・ニス・キュー・ニー・アイ・ディート９８０
：ザステイッオブアートエム・ビー・キッチン：アイ・
イー・イー・イー　トランザクションオンマグネティッ
クスエム・エイ・ジー１７（１９８１年）第３８７頁（
Ｄ　ＣＳ　ＱＵ　Ｉ　Ｄ１９８０　：　ＴＨＥ　５ＴＡ
ＴＥＳ　０ＦＡＲＴ　Ｍ、　Ｂ、　Ｋｅｔｃｈｅｎ：Ｉ
ＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、　　Ｍａｇｎ、　ＭＡＧ−１７（
１９８１）　３８７）に導出されており、単位長さ当り
のインダクタンスをεとするとｉ〜μｍＫ（ｍ）／に’（ｍ）　　で与えられる。

ただし、　ｍ＝（１＋　２　ｂ　／　ｃ）−”　　であ
る。

ここでＫ（ｍ）、Ｋ’（ｍ）は第一種完全楕円積分であ
る。数値計算を行うことにより、ＳＱＵＩＤリングの開
口部およびスリット部のインダクタンスを求めることが
できるが、ｂ＞ｃであればインダクタンスは、ｂおよび
Ｃには無関係に次の形となる。

Ｌ〜０．６２５μ。

〔発明が解決しようとする問題点〕

開口部の一辺の長さとスリットの長さを比較した場合に
、ｄ＜Ｗであれば、Ｌ　ｃ　＜　Ｌ　ｓとなり、ＳＱＵ
ＩＤリングのインダクタンスは、スリットの長さで規定
されることになる。ＳＱＵＩＤリングのインダクタンス
が、スリット部のインダクタンスで規定されることの問
題点に次のものがある。

■ＳＱＵＩＤリングのインダクタンスは、通常１００ｐ
Ｉ（（ピコヘンリー）程度の値が望ましいが、ＳＱＵＩ
Ｄリングのインダクタンスを１００ｐＨ以下に制御する
ためには、スリット部の長さを１２０−以下にする必要
があり、ＳＱＵＩＤリングの大きさ自体が小さくなり過
ぎる。従って、第６図に示すように、ＳＱＵＩＤリング
１０上に、超伝導薄膜トランス結合用の信号入力薄膜コ
イル１１を形成する場合に、入力コイルの巻数が制限さ
れてしまい、ＳＱＵＩＤの感度が制限されてしまう。な
お、第６図において、１２は入力コイル取り出し配線で
ある。

■入力コイルの各ターンは、スリット部の一部および開
口部と鎖交するため、ＳＱＵＩＤリングと入力コイルの
相互インダクタンスは、全鎖交磁束を評価して設計せね
ばならず１回路設計が煩雑になる。

これらの問題点を解決するために提案された構造に、第
７図に示すようなオーバーラツプ部１３を有するＳＱＵ
ＩＤリング（文献ジェイ・エム・ジャイコックスおよび
エム・ビー・キッチン：アイ・イー・イー・イー　トラ
ンザクションオンマグネティックスエム・エイ・ジー１
７１９８１年第４００頁（Ｊ、　Ｍ、　Ｊａｙｃｏｘ　
ａｎｄ　Ｍ、　Ｂ、　Ｋｅｔｃｈｅｎ：ＩＥＥＥＴｒａ
ｎｓ、　Ｍａｇｎ、　ＭＡＧ−１７１９８１４００）が
ある。

第７図に示す構造は、Ｎｂ等の超伝導薄膜を用いてスリ
ット部３の片側から反対側にひさし部１４を出したもの
であり、次の利点を持つ。

ａ、スリット部３に流れる電流は、オーバーラツプ部１
３の相対する上下の超伝導薄膜の鏡像の効果により、オ
ーバーラツプ部１３の幅に広がるため、スリット部３の
インダクタンスを著しく低減することができる。

ｂ、スリット部３のインダクタンスを低減した結果、Ｓ
ＱＵＩＤリングのインダクタンスは開口部のインダクタ
ンスで規定できるだけでなく、入力コイルの各ターンは
、開口部のみと鎖交するため、相互インダクタンスの設
計が容易となる。

しかし、このようなオーバーラツプ構造を有する従来の
ＳＱＵＩＤリングの問題点として次のようなものがある
。

Ａ、オーバーラツプ部１３の薄膜（ひさし部１４の下面
の薄膜）と、スリット部３の片側（ひさし部１４とリン
グ本体１との接続部）との超伝導コンタクトを確保する
必要があり、そのための工程が複雑となる。

Ｂ、オーバーラツプ部１３は、段差を有するため、この
上部に形成する入力コイル薄膜（第６図の１１）をＮｂ
等のハードメタルにすると、内部応力により段切れしや
すい。

Ｃ，オーバーラツプ構造のひさし部１４とＳＱＵＩＤリ
ング薄膜との間の絶縁層（図示せず）をパターニングす
る必要があり、その工程が増えるだけでなく、パターニ
ングにリフトオフ加工を適用しなければならない、また
、絶縁層物質にはＳｉＯを選ぶが、５ｉｌｙａ膜は絶縁
が不完全なことが多く、歩留まりが悪くなる。

以上のように、オーバーラツプ構造を有するＳＱＵＩＤ
リングは、完成品ができ九ば、スリット部のインダクタ
ンスを低減でき、ＳＱＵＩＤインダクタンスを制御する
のは容易であるが、作製工程が複雑であり、しかも段切
れや絶縁不良によりスループットの低下は避けられない
。

本発明の目的は、オーバーラツプ構造と同様にスリット
部のインダクタンスを低減化でき、しかもスループット
の低下を防止できるＳＱＵＩＤリングを提供することに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記の目的を達成するために、基板上に絶縁
層を介して形成され、開口部、および該開口部と当該リ
ング本体の外周とを連結するスリット部を有するリング
本体から成るＳＱＵＩＤリングにおいて、スリット部の
インダクタンスを低減し、ＳＱＵＩＤリングのインダク
タンスを開口部のインダクタンスで規定するために、接
地面を、スリット部の直下に設けたことを発明の要旨と
する。接地面による段差をなくすために、接地面を基板
に完全に埋め込み、接地面の上面と基板面とを同一平面
にするのが望ましい、従来の技術とは、スリット部のイ
ンダクタンスを低減化する手段として、接地面を用いる
点が異なる。

〔作用〕

このようにスリット部の直下に設けた接地面の作用によ
り、スリット部のエツジに集中して流れようとする電流
が接地面の幅に広げられ、スリット部のインダクタンス
を低減化でき、ＳＱＵＩＤインダクタンスを開口部のイ
ンダクタンスで規定できる。

本発明による接地面を有するスリットＳＱＵＩＤリング
の概念断面図を、第２図に示す。図示のように、矩形の
断面を持つ幅Ｗのストリップライン７．８が、スリット
部の幅Ｓをおいて隔てられ、幅２Ｑのストリップライン
９が、ｈの距離をおいて直下に存在する。この構造の単
位長さ当りのインダクタンスは、Ｑ＞Ｓであれば、２Ｑ
の幅方向に磁束侵入距離λの厚さにだけ往復電流の流れ
る、向かい合ったストリップラインのインダクタンスに
なり、Ｌ〜４μ。（ｈ＋２λ）／２Ｑ　となる。

本発明のＳＱＵＩＤリングを作製するプロセスの一例で
は、リング本体を形成する前に、熱酸化膜を有するＳｉ
から成る基板表面上に、接地面を形成するためのリフト
オフレジストステンシルを形成し、そのレジストステン
シルをマスクとして、上記基板をＲ，１，Ｅ、（リアク
ティブイオンエツチング：　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ
　Ｅｔｃｈｉｎｇ）法により、接地面薄膜の膜厚分だけ
掘り下げ、しかる後、接地面薄膜を形成して、上記レジ
ストステンシルをリフトオフすることによりパターニン
グし、その後、基板全面にピンホールのない緻密な絶縁
層を形成すれば、基板表面は段差のない平面となる。

その上にＳＱＵＩＤリングを形成すれば、スリット部の
インダクタンスが低減できるだけでなく、段切れも無く
なり、しかも超伝導コンタクトの必要もないため、作製
上のスループットを向上できる。

第３図（ａ）　〜（ｅ）に、本発明によるＳＱＵＩＤリ
ングの製造プロセスの一例を示す。

まず、同図（、）に示すように１表面に熱酸化Ｓｉｏ２
膜１６が形成されたＳｉ基板１５上に、バターニングさ
れた接地面形成用のレジストステンシル１７を形成する
。

次に、同図（ｂ）に示すように、レジストステンシル１
７をマスクとして、熱酸化ＳｉＯ□膜１６をＲｏｌ、Ｅ
、法によりエツチングして、熱酸化Ｓｉｏ。

膜１６に、接地面の厚さ分の深さを有する接地面を埋め
込み用の凹部を形成する。

次に、レジストステンシル１７上および上記凹部上に超
伝導薄膜であるＮｂ膜を堆積させた後、レジストステン
シル１７をリフトオフすることにより、同図（ｃ）に示
すように、熱酸化ＳｉＯ，［ｉ１５の上記凹部に接地面
１８を完全に埋め込む。

次に、同図（ｄ）に示すように、接地面１８が埋め込ま
れた熱酸化Ｓｉｏ２膜１６主１６上に、スパッタ法によ
り絶縁層となるＳｉ○２膜１９膜形９する。

最後に、同図（ｅ）に示すように、スパッタＳｉｏ、膜
１９上にリング本体２ｏを形成してＳＱＵＩＤリングを
完成する。

〔実施例〕

実施例　１表面に厚さ約５００ｎ＋＋＋の熱酸化Ｓｉｏ２膜が形成
された、−辺が２インチの正方形のＳｉ基板を２枚用意
して、１枚の基板には接地面を有しないＳＱＵＩＤリン
グを、他の１枚には本発明による埋め込み接地面を有す
るＳＱＵＩＤリングを形成して、各々のインダクタンス
の評価を行った。

すなわち、接地面を設けない１枚は、まず、直径１００
＋ｍ、厚さ５Ａｍ、９９．９５％のＮｂターゲットを使
用して、ｄｃ（直流）マグネトロンスパッタ法により、
Ａｒ圧力２Ｐａ、スパッタ電圧３５０ｖ、スパッタ電流
１．２Ａ、堆積速度９０ｎｍ／ｌｌｌ１ｎの条件で。

リング本体用のＮｂ薄膜を膜厚約２００１基板上全面に
形成する。次に、Ａ　Ｚ　１４７０ホトレジストを用い
て、４０００ｒ、ｐ、ｍ、の条件でレジストコートし、
露光、現像、１１０℃、６０分のポストベークを行った
後、平行平板型２極ドライエツチング装置を用いてＣＦ
４＋５％０２ガスの圧力１０Ｐａ、ｒｆパワーｉｏｏｗ
の条件で、Ｒ，１，Ｅ、法によりエツチングして、リン
グ本体を、−辺が７５０　Ｘ　７５０ｍ”　。

開口部の一辺が５０×５０Ｉ１ｍ２、スリット幅５岬、
スリット長３５０−の寸法のパターンに形成した。

本発明による他の１枚は、Ｓｉ基板上にＡ　Ｚ　１４７
０レジストを用いて部分接地面用リフトオフレジストス
テンシルを形成したのち、平行平板型ドライエツチング
装置を用いて、接地面を形成する部分の熱酸化Ｓｉ膜を
約２００ｎｍの深さまでＲ，１，Ｅ。

法によりエツチングして埋め込み溝を形成した後、水冷
された基板上に、ｄｃマグネトロンスパッタ法により接
地面用Ｎｂ膜を形成して（堆積条件は前者基板と同じ）
、アセトン溶媒中で上記レジストステンシルをリフトオ
フして、幅１００−１長さ３５０虜、厚さ２００ｎｍの
埋め込み接地面を形成した。その後、接地面とリング本
体を絶縁するためのＳｉＯ２絶縁層を、ｒｆ　（高周波
）マグネトロンスパッタ法により、直径１００Ｉ、厚さ
５ｎａ、　９９．９９％のＳｉｎ、ターゲットを使用し
、Ａｒ圧力３Ｐａ、ｒｆ電圧２ｋＶ、ｒｆ電力２５０Ｗ
、堆積速度１０ｎ＋ａ／分の条件で膜厚２００ｎｍ形成
し、その後、前記１枚目の基板と同じ条件でリング本体
のパターンを形成した。

接地面を有しないＳＱＵＩＤリングのインダクタンスの
理論予測値は、次のようになる。

Ｌ１〜１．２５μ。（ｄ＋Ｗ／２）〜７８．５　＋　２７５　ｐ　Ｈ〜３５３ＰＨここで、１．２５μ。ｄの項は開口部のインダクタンス
である。

一方、本発明による接地面を設けたＳＱＵＩＤリングの
インダクタンスの理論予測値は、次式で与えられる。

Ｌ２〜１．２５μ。ｄ＋４μ。（ｈ＋２λ）Ｗ／２Ｑこ
こで、ｈは絶縁層の厚さ、２Ｑは接地面の幅、λは磁束
侵入距離である。

Ｎｂのλを０．ＩＩ！ｍとすると、Ｌ２〜７８．５　＋　３．５　ｐ　Ｈ〜８２ｐＨこれら
のＳＱＵＩＤリングを用いて、５ＱｔＪＩＤを作製して
実際のインダクタンスを評価したところ、接地面なしの
ＳＱＵＩＤリングのインダクタンスは３５０ｐＨ，接地
面を有するＳＱＵＩＤリングのインダクタンスは８３ｐ
Ｈであった。

このように、接地面を有する５ＱＵ４Ｄリングでは、ス
リット部のインダクタンスを大幅に低減して、開口部の
インダクタンスによりＳＱＵＩＤリングのインダクタン
スを規定することができた。

実施例　２膜厚１，２虜の熱酸化膜を有する２インチＳｉ基板を４
枚用意して、接地面の埋め込み深さを変化させて、本発
明による膜厚１−のＮｂから成る接地面を有するＳＱＵ
ＩＤリングを形成した。４個のＳＱＵＩＤリングの特徴
を第１表に示す。

なお、各ＳＱＵＩＤリングの絶縁層の膜厚は０．２Ｉ１
ｍ、リング本体のＮｂ膜の膜厚は０．３虜であった。

第１表　接地面の埋め込み深さを変化させて形成したＳ
ＱＵＩＤリングの特徴第１表から明らかなように、接地面の埋め込み深さは、
接地面の膜厚程度が良好である。すなわち、接地面は、
基板に完全に埋め込ま九、接地面の上面と基板面とが同
一平面内にあるように形成されるのが望ましい。本実施
例において、接地面を完全に埋め込むことにより、スル
ープットが大幅に向上することが確認できた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の５ＱｔＪＩＤリングは、
スリット部の直下に接地面を有することにより、スリッ
ト部のインダクタンスを低減化できるので、ＳＱＵＩＤ
リングのインダクタンスを開口部のインダクタンスで規
定することができる。

従って、ＳＱＵＩＤリングの大きさが小さく制限される
ことがなく１回路設計を容易にできる。また、オーバー
ラツプ構造と比較して、構造が簡単なので１作製が容易
で、さらに段差をなくすことができるので、超伝導薄膜
等の剥離１段切れ、エツジ部での導通等を防止できるた
め、スルーブツトを大幅に向上できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のＳＱＵＩＤリングの斜視図
、第２図は本発明のＳＱＵＩＤリングの概念を示す断面
図、第３図（ａ）〜（ｅ）は本発明のＳＱＵＩＤリング
の製造プロセスの一例を示す断面図、第４図はＳＱＵＩ
Ｄリングの基本的構成を示す斜視図、第５図は第４図の
ＳＱＵＩＤリングの概念を示す断面図、第６図はＳＱＵ
ＩＤリングと入力薄膜コイルで構成される超伝導薄膜ト
ランスの平面図、第７図はオーバーラツプ構造を有する
従来のＳＱＵＩＤリングの斜視図である。１．２０・・・リング本体２・・・開口部３・・・スリット部４．１８・・・接地面５・・・基板６・・・絶縁層７．８．９・・・ストリップライン１０・・・ＳＱＵＩＤリング１１・・・入力コイル１２・・・入力コイル取り出し配線１３・・・オーバーラツプ部１４・・・ひさし部１５・・・Ｓｉ基板１６・・・熱酸化５ｉｎ２膜１７・・・レジストステンシル１９・・・スパッタ５ｉ０２膜特許出願人　　　日本電信電話株式会社代理人弁理士　
　中　村　純　之　助ｔｌ　図中２図才３閏矛４図ｔｓ図７ストリ、７ゲライ〉　　　　　　　　　　　　　　　
　　８ズトリ１２．ブライン矛６％ｆ７　図

Claims

【特許請求の範囲】１、基板と、上記基板上に絶縁層を介して形成されたリ
ング本体と、上記リング本体に形成された開口部と、上
記リング本体に形成され、上記開口部と上記リング本体
の外周とを連結するスリット部とを含んで成るＳＱＵＩ
Ｄリングにおいて、上記スリット部の直下の上記基板上
もしくは上記基板に少なくとも一部が埋め込まれるよう
に、接地面が形成されていることを特徴とするＳＱＵＩ
Ｄリング。２、上記接地面が上記基板に完全に埋め込まれ、上記接
地面の上面と上記基板面とが同一平面内にあることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載のＳＱＵＩＤリング
。３、上記リング本体および上記開口部の少なくとも一方
の形状が矩形であることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載のＳＱＵＩＤリング。