JPH01500945A - 低温一体的チップ - Google Patents

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】 低温一体的チツブ 技術分野 本発明は、ジョセフソン接合の如き臨界温度以下になった時に作動する活性電子 回路、およびその回路を外界へ接続する導体を有する超電導一体的（ｍｏｎｏｌ ｉｔｈｉｃ）チップに関する。

背景技術 関連する出願二本出願の主題は、「室温−低温電気的界面（Ｒｏｏｍ　Ｔｅｍｐ ｅｒａｔｕｒｅ　ｔｏ　Ｃｒｙｇｅｎｉｃ　ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｎｔｅｒｆ ａｃｅ）　Ｊ　と題する１９８５年１１月１２日出願の特許出願Ｓ、Ｎ、７９６ ，８４１に関連している。本出願の主題は、また、「電気回路の開放循環冷却（ Ｏｐｅｎ　Ｃｙｃｌｅ　Ｃｏｏｌｉｎｇｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｃ１ｒｃ ｕｉｔ−ｓ）」と題する１９８５年１１月１２日出願の特許出願Ｓ、Ｎ、７９６ ，８４２にも関連する。

ジョセフソン　スイッチ素子（ｄｅｖｉｃｅ）の如き、低温あるいは超電導電気 囲路は、非常に大きな速度（ピコ秒単位およびピコ秒未満位の高速）および低水 準のエネルギーが有力になる種々の分野で広く使われるようになってきている。

このような分野ではいずれも、ジョセフソン　スイッチング回路が系の一部品と して、外囲温度にある他の部品と共に用いられている。

超電導素子と、外囲温度にある他の回路との間の界面構成は、次の制約を考慮に 入れなければならない：電気的制約 高周波および極度に短いパルス継続時間で操作した時、低温回路と室温回路との 間の伝導線で失われる電力は、信号伝達を悪化させるであろう。この悪化は、パ ルス分散すなわちパルスの拡がりとして現われる。

損失を最小にするため、伝導線は低抵抗材料から作られ、できるだけ短くし、可 能な最大の断面積をもつべきである。後者の制約は、伝導線の幅が、問題になる 最大周波数の波長を超えてはならないというさらに別の制約によって制限される 。なぜなら、一層大きな導電体は電波を導き、幾何学的損失を引き起こすことに なるからである。

盪瀝Ｉν駄シ 伝導線の一端は極低温で操作され、他端は室温で操作されるであろうから、その 伝導線は温度差に耐えられることが重要である。従って、伝導線と低温素子との 間の結合は、その低温に耐えることができ、低温構成部と室温構成部との間で伝 導線が通過する密封部は、必要な温度に耐えることができるべきである。それら の部品も、供給ヘリウムの維持、補充、および一般的毎日の使用のために室温か ら低温へ循環する繰り返しに耐えることができるべきである。さらに、伝導線の 温度による膨張係数は、低温素子の熱膨張係数と精密に一致するのがよく、構造 は、装置が伝導線の長さの温度に依存する変化および振動（まとめてここでは「 動き」として言及する）を許容できるようなものであるのがよい。

温度制約 室温構成部から低温構成部への膨大な熱Ｂ動を防ぐため、伝導線はできるだけ長 い方がよい。このことは、伝導線は短い方がよい電気的制約に直接反することで ある。また、伝導線は熱伝導率の低い材料から作られるべきである。熱伝導率が 低いことは通常電気伝導度が低いことを意味するので、この制約も電気的制約に 反することになる。

超電導の分野の研究者達は、彼等の回路を液体ヘリウム中に浸漬することによっ て必要な温度を達成している。例えば、ハミルトン（Ｈａｍｉｌｔｏｎ）、「ジ ョセフソン集積回路のための高速・低混信チップ保持体（ｆ（ｉｇｈ−５ｐｅｅ ｄ、Ｌｏｗ−Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ　Ｃｈｉｐ　）ｆｏｌｄｅｒ　ｆｏｒ　Ｊｏｓ ｅｐｈｓｏｎＩｎｔｅｇｒａｔｅｄｅ　Ｃ１ｒｃｕｉｔｓ）Ｊ［ＩＥＥＥ　Ｔｒ ａｎｓ、ｏｎ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎ−ｔａｔｊｏｎ　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ、Ｖｏｌ、ＩＭ−３１，ｐｐ、１２９−１３１（１９８２）］　を参照さ れたい、そこに示された構成は、数本の同軸ケーブルを、液体ヘリウム魔法びん に浸漬されなければならないジョセフソン接合チップに取り付けることを含んで いる。同じく、ハミルトンその他によるＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、ｏｎ　Ｍａｇｎ ｅｔｉｃｓ、ＭＡＧ−１７，ｐｐ、５７７−５８２（１９８１）を参照されたい 。そこでは、低温チップは同軸線中に、そこを通る信号が室温素子へつながるよ うに、部分的に挿入されている。その文献には言及されに浸漬されていると考え られる０両方の構成共、大きな熱伝導度をもつ大きな同軸線を使用せざるを得な くなっている。従ってそれらの線は、熱損失を避けるため、長くしなけらばなら ない制約を受ける。さらにこれらの構成は、簡単に平面状チップに通用すること はできない。さらに後者の系は、一つのチップに唯一本の線を接続するように束 縛されており、その為、その装置の用途は限られている。

上述の制約に対処する試みは、ファリス（Ｐａｒｉｓ）による米国特許第４，４ ９８．０４６号に見られる。そこに記載された界面は、一つのフランジと、二つ の長さの異なった半円筒状溶融石英部分とからなる、液体ヘリウムが漏れない貫 通真空密封部材を含み、その二石英部分は液体ヘリウムが満たされた低温調節装 置から真空室へ貫通したプラグとして働く。溶融石英は、非熱伝導性ではあるが 、長い方の部分の平らな表面の上に帯線模様状に付けられた導電性銅にとって、 低誘電損失の誘電基材を形成する。溶融石英の膨張係数は小さく、ジョセフソン および半導体チップ基板に用いられる珪素の膨張係数に比較的よく一致する。

貫通プラグの二つの溶融石英半円筒状部分は、銅の帯線がついた部分が、それと 合される半円筒状部分の両端を充分超えて伸び、そのプラグの両端に二つの壇（ ｐｌａｔｆｏｒｍ）を与えるように配列されている。低温半導体チップまたは素 子は、これら壇の一つに取り付け、室温チップまたは素子を他方の上に取り付け る。円筒状の幾何学形態は、その貫通プラグの周りに室壁を密封するのに用いら れる接着剤に対する応力を最小にするために選択されている。ｆ線の平面性によ り、同じく平面的である二つのチップに直接低インダクタンス接続を行うことが できる。それらの低インダクタンス接点は、直径約１００μｍ以下の銅球または 他の堅い針であり、機械的圧力によって強く接触させられた時、チップ上のはん だパッド中に侵入する。低温調節装置の壁は、非伝導性接着剤の薄い層で貫通プ ラグの周りに密封されている。操作上、二つのチップを壇上に取り付け、その貫 通プラグを低温調節装置の壁を通して入れ、低温チップが低温調節装置中の液体 ヘリウム中に浸漬され、室温チップが真空室内部に配置されるようにする。加熱 用素子と熱電対は、室温チップの位置の近くにそれを暖めるために配置する。こ の室は、水および他の気体がプラグ上に氷結しないように、また、低温調節装置 に適切な絶縁を与えるため、真空にしなければならない。

米国特許第４，４９８，０４８号の装置は、それをコスト高にし、信頼性がなく 、はとんどの用途で非実用的にする多くの問題をもっている。第１に、その特許 に記載された唯一の低温素子冷却法は、液体ヘリウムにそれを浸漬することを含 んでいることである。しかし、一つのものに完成された冷凍装置で、単に普通の ＡＣ壁ソケットへ差し込めばよい閉鎖系循環冷凍機（ＣＣＲ）を用いて、そのよ うな素子を冷却できるのが有利である。

第二に、その特許の装置は、一つは低温調節装置と真空室との間、一つは真空室 と外部環境との間にある少なくとも二つの密封部を必要とすることである。これ ら密封部の少なくとも最初のものは作るのが極めて困難である。なぜなら、それ は低温で働かなければならず、低温と室温との間を何度も往復できなければなら ず、破損を起すことなく、ある量の振動に耐えることができなければならないか らである。ヘリウム原子は小さいので、密封部中の極めて小さな亀裂を通過する ことができ、亀裂のないほとんどの材料さえも通過することができる。このため 、使用できる密封部材の種類は非常に限られている。

Ｎ３に、低温チップは珪素基板上に製造され、伝導線は溶融石英基板上に製造さ れるので、それら二つの部品は通常別々に製造され、次に機械的および電気的に 一緒に結合されなければならない、これらの付加的工程はコストがかかる。さら に、それらの各熱膨張係数が近くても、材料が異なるという単なる事実から、い くらかの不一致が必ずあり、それが電気的接続およびその結合の機械的信頼性を 悪くする。

第４に、幾重もの密封層および絶縁材料を必要とするので、二つのチップ間の電 気信号を伝える伝導線は非常に長くしなければならない。

第５に、その米国特許の貫通部材は良好な密封を行わせるため、円筒状でなけれ ばならない。これは製造しに＜＜シ、その米国特許の第３Ｅ図に示した如き特別 な幾何学形態を必要とする。

最後に、その米国特許の装置に用いられているチップは、それらを交換するため に簡単に抜いたりはめこんだりすることができない。

発明の開示 本発明の目的は、低温素子と外囲温度回路とを、超伝導温度へ冷却されてもよい 部分と、外周温度になっていてもよい他の部分とをもつ一体的チツブに、境界連 結（ｉｎｔｅｒｆａｃｉｎｇ）線を与えることにより、境界連結する効果的手段 を与えることである。

他の目的は、種々の用途に適した境界のためのいくつかの形態を与えることであ る。

さらに別の目的は、従来のもので必要な空間よりもはるかに小さい空間で超電導 温度へ冷却することができるチップを与えることである。

本発明の他の目的および利点は、本発明についての次の記載から明らかになるで あろう。

本発明の好ましい具体例として、一体的チツブは、低温領域および高温領域を有 する基体と、前記低温領域上に形成された低温素子と、前記基体上に形成された 複数の線で、前記素子へ結合され、前記高温領域へ伸びている線とを有する。

前述の米国特許出願Ｓ、Ｎ、７９６，８４１には、細長い基体に、低温領域に相 当する一方の端の所に低温素子をつけ、その回路に結合された複数の線で、その 基体を長手方向に横切って基体の高温領域に位置する他端まで伸びている複数の 線（高および低性能すなわち帯域幅（ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）線を含む）をつけた ものからなる一体的チツブが記載されている。素子とそれらの線は、既知の集積 回路形成法により基体上に形成されている。チップは、低温領域を冷却容器（前 記出願Ｓ、Ｎ、７９６．８４１に記載されているような）中か、または低温流体 流（前記出願Ｓ、Ｎ、７９６，８４２に記載されているような）中に入れ、他端 が他の回路への標準的接続のための外囲温度領域中へ伸びているように配置する ことができる。

超電導素子と、それに接続された線との両方を有する一体的チツブは、上記制約 を満足する。チップは電力損失および信号悪化を小さくするように、比較的小さ く（１〜２．５ｃｍ位）に作ることができる。チップ基体は、素子への熱伝導を 最小にする良好な熱絶縁を与え、循環的温度変化と同様、機械的振動に対する許 容性を有する。

本発明では、組み合せて、あるいは別法として、中心低温領域を有するチップ、 低温領域と高温領域との間に分離部が中に形成されているチップ、基体の角に形 成された超電導回路をもつ三角形または矩形のチップと同様、低帯域幅伝導線と 高帯域幅伝導線との間に分離部が与えられているチップ等を与えるさらに別の形 態が開示されている。

図面の簡単な説明 第１図および第２図は、本発明により作られた、電子素子が長い基体の中心部に 配置された場合の、一体的チツブの第１の具体例を示す図である。

第３図および第４図は、本発明による、低温領域と高温領域が物理的に分離され ている場合の、一体的チツブのＮ２の具体例を示す図である。

第５図および第６図は、本発明に従って作られた、基体が長方形で、電子素子が 角に配置された場合の、一体的チツブの第３の具体例を示す図である。

第７図および第８図は、本発明に従って作られた、基体が三角形の場合の、一体 的チツブの第４の具体例を示す図である。

第９図および第１０図は、本発明に従って作られた、高帯域幅線と低帯域幅線と の間に分離部が与えられている場合の、一体的チツブの第５の具体例を示す図で ある。

発明を実施するための最良の形態 図に示された種々の形状に関し、それらチップは同じ部材、すなわち、想定され た線１６によって低温領域１２と、高温領域１４とに分けられた基体１０を有し 、複数の低帯域幅線１８および高帯域幅！ｓ２０および超伝導素子２４がその基 体上に形成されている。線１６は二つの領域を任意に分け、基体のどちらの領域 が冷却されるのかを示すために描かれている。勿論、物理的にそのような線が必 要なわけではない。低帯域幅線１８は、はンタ付けにより他の回路へ接続するた めの接触バッド２２で終っていてもよい。高帯域幅線は、超伝導素子へ直接接続 され、高帯域幅線結合により、外囲（室温）の他の回路へ接続される。

高帯域幅線２０は信号を伝達するのに用いられ、回路または素子２４によって変 調され、Ｄ、Ｃ，から１００ギガヘルツの範囲にわたっていてもよい、低帯域幅 線１８は、回路のためのバイアスおよびモニター信号を与えるために用いられる 。線１Ｂ、２０は、全て接続結合により素子２４へ電気的に接続されているが、 それらの結合は省略して簡明に示しである。

図に戻って、第１図および第２図の第１の具体例では、基体は全体的に矩形をし ており、二つの長縁３０゜３２を有する。低温回路２４は、それらの縁の一方に 近く、長手方向の端３４と３６のほぼ真中あたりに配置されている。第１図の形 態では、線１８と２０は一般に平行に並べられていて、端３４と３６の一方また は両方の方へ伸びている。

第２図の形態では、低帯域幅線１８だけが端３４．３６の一方または両方へ伸び ている。高帯域幅線２０は、素子２４から他の長縁３２の方へ横断して伸びてい る。

基体１０は、高温領域から低温領域への熱移動を最小にするため、非常に熱伝導 度の低い材料（溶融石英の如きもの）から作られている。この熱伝導をさらに一 層減少させるため、第３図および第４図の具体例では二つの領域は少なくとも部 分的に物理的に分離されている。第３図の形態では、基体は第２図に示したもの と同様な形をしているが、長縁３０から横に伸びる二つの間隙３８．４０を有し 、それによって領域１２と領域１４とを分けている。

第４図の形態では、基体は全体的に２型をしており、二つの文案１０’　、　１ ０’を有する。超電導回路２４は支葉１０′上に形成され、低温領域は文案１０ ″とは重ならない。従って、接続バッド２２のために大きな表面積が与えられて いる。

第５図および第６図の具体例では、基体は正方形（第５図）かまたは矩形（第６ 図）であり、素子２４は角の一つに形成されている。低および高帯域幅伝導線１ ８．２０は、素子から、それと向い合った二つの縁３２゜３４の方へ伸びていて もよい（第５図）。

別法として、低帯域幅線は縁の一つ３４の方へ伸び、高帯域幅線は他の縁３２の 方へ伸びていてもよい。

第７図および第８図は三角形の基体１０をもつ具体例を示している。素子２４は 、第７図の場合のように、三角形の鋭角の角の所に置いてもよい。直角三角形の 場合、素子を直角の角の所に置いてもよい。どの形態でも、線は、素子から相対 する縁４２の方へ伸びているのが好ましい。

第９図および第１０図の具体例は、高帯域幅伝導線と低帯域幅伝導線とを分離す るのに通している。基体１０は全体的にＬ型をしており、三つの文案１０’　、 　１０″は一般に互いに直角になっている。第９図の形態では、素子２４は図示 した如く、共通の角の所に形成されている。文案はそれぞれの縁４４．４５をも っている。低帯域幅線１８は素子から縁４４の方へ伸び、高帯域幅線２０は一方 の縁４６の方へ伸びている。

第１０図の形態では、素子２４は文案１０′の角の一つの所に形成されている。

他方の文案１０″は素子２４に向い合った比較的長い縁４８を有する。低および 高帯域幅線は素子から伸び、縁４８に沿って間隔をあけて配置されている。

請求の範囲に定めた本発明の範囲から離れることなく、多くの変更を本発明に行 えることは明らかで°ある。例えば、いくつかの形態を組み合せることができる 。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）（ａ）高温域と低温域とを有する基体、（ｂ）前記低温域中に形成され、臨 界温度以下の温度で作動する電子素子、および （ｃ）前記基体上に形成された複数の導電性線で、前記素子へ結合され、前記高 温領域中へ伸びている線、 からなる一体的チップ。 ２）（ａ）長手方向に相対する二つの端部、それら端部に相当する高温領域、お よび前記端部の間に配置された低温領域を有する細長い基体、（ｂ）前記低温領 域に形成され、温度が臨界温度以下になった時に作動する電気素子、および（ｃ ）前記基体上に形成された複数の導電性線で、前記素子に結合され、前記高温領 域中へ伸びている線、 からなる一体的チップ。 ３）基体が第１および第２の長手方向の縁を有し、素子が前記第１の長手方向の 縁に隣接して形成されている、請求の範囲第２項に記載のチップ。 ４）線が、素子から端の方へ伸びる高帯域幅線と低帯域幅線とを含む、請求の範 囲第３項に記載のチップ。 ５）線が、第２の縁の方へ伸びる高帯域幅線と、端部の少なくとも一方の方へ伸 びる低帯域幅線とを含む、請求の範囲第３項に記載のチップ。 ６）（ａ）低温領域への熱移動を減少させるため少なくとも部分的に物理的に分 離された低温領域と高温領域とを有する基体、 （ｂ）前記低温領域に形成され、温度が臨界温度以下になった時に作動する電子 素子、および（ｃ）前記基体上に形成された複数の導電性線で、前記素子に接続 され、前記高温領域中へ伸びている線、 からなる一体的チップ。 ７）基体が細長く、高温領域に相当する二つの相対する端部を有し、低温領域が 高温領域から少なくとも一つの間隙によって分離されている、請求の範囲第６項 に記載のチップ。 ８）基体が全体的にＬ字型をしており、狭い連結部によって結合された支葉を有 し、その支葉の一方に素子が形成されている、請求の範囲第６項に記載のチップ 。 ９）（ａ）全体的に矩形の基体で、一つの角と、その角に相対する少なくとも一 つの縁を有し、前記角に相当する低温領域と、前記縁に相当する高温領域を有す る基体、 （ｂ）前記低温領域中の前記角に隣接して形成された電子素子で、その温度が臨 界温度以下になつた時作動する電子素子、および （ｃ）前記基体上に形成された複数の導電性線で、前記素子に結合され、前記高 温領域中へ伸びている線、 からなる一体的チップ。 １０）線が、一つの縁の方へ伸びる高帯域幅線および低帯域幅線を含む、請求の 範囲第９項に記載のチップ。 １１）基体が三角形である、請求の範囲第１０項に記載にチップ。 １２）基体が、角に相対する第２の縁を有する請求の範囲第１０項に記載のチッ プ。 １３）低帯域幅線が一方の縁の方へ伸び、高帯域幅線が第２の縁の方へ伸びてい る、請求の範囲第１２項に記載のチップ。 １４）（ａ）高温領域と、低温領域とを有する基体、（ｂ）前記低温領域上に形 成された電子素子で、その温度が臨界温度以下になった時に作動する電子素子、 （ｃ）前記基体上に形成された複数の高帯域幅線で、前記素子に接続され、前記 高温領域中へ伸びている高帯域幅線、および （ｄ）前記基体上に形成された複数の低帯域幅線で、前記素子に接続され、前記 高温領域中へ伸びている低帯域幅線、 からなり、しかも前記高温領域が、前記低帯域幅線と前記高帯域幅線とを分離す るように形作られている一体的チップ。 １５）基体が全体的にＬ字型をしており、第１および第２の支葉で、対応する第 １および第２の縁をもつ支葉と、共通の角とを有し、その角に隣接して素子が形 成されており、高および低帯域幅線が、それぞれ第１および第２の縁の方へ伸び ている、請求の範囲第１４項に記載のチップ。 １６）基体が二つの支葉をもつ全体的にＬ字型をしており、前記支葉の一方は角 を有し、他方の支葉は前記角に相対する縁を有し、前記角に素子が配置されてお り、線が前記縁の方へ伸びている、請求の範囲第１４項に記載のチップ。