JPH0868835A - 平面ソレノイド及び平面ソレノイドを用いたsquid磁力計 - Google Patents
平面ソレノイド及び平面ソレノイドを用いたsquid磁力計Info
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- JPH0868835A JPH0868835A JP7206859A JP20685995A JPH0868835A JP H0868835 A JPH0868835 A JP H0868835A JP 7206859 A JP7206859 A JP 7206859A JP 20685995 A JP20685995 A JP 20685995A JP H0868835 A JPH0868835 A JP H0868835A
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- G—PHYSICS
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 実際の磁場ベクトルを測定するための小型3
軸計器を提供する。 【解決の手段】 本発明の計器は、単一のチップ上に3
つの磁力計を有し、これらのピックアップ素子が同一平
面上に、互いに極めて接近して形成される。3つのピッ
クアップ素子を有するチップ先端は、現行の単一の磁力
計走査顕微鏡で可能な走査面への接近と同等の接近を可
能にするように形成される。チップ上のピックアップ素
子の位置が、データの捕捉後、デジタル的に補正され
る。z軸磁力計は既知の平面ピックアップ・コイル構造
を有するが、x軸及びy軸センシング素子は、本発明の
別の態様である平面ソレノイド形態の多重巻き薄膜構造
を有する。
軸計器を提供する。 【解決の手段】 本発明の計器は、単一のチップ上に3
つの磁力計を有し、これらのピックアップ素子が同一平
面上に、互いに極めて接近して形成される。3つのピッ
クアップ素子を有するチップ先端は、現行の単一の磁力
計走査顕微鏡で可能な走査面への接近と同等の接近を可
能にするように形成される。チップ上のピックアップ素
子の位置が、データの捕捉後、デジタル的に補正され
る。z軸磁力計は既知の平面ピックアップ・コイル構造
を有するが、x軸及びy軸センシング素子は、本発明の
別の態様である平面ソレノイド形態の多重巻き薄膜構造
を有する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は一般的には超伝導量
子干渉計(SQUID:superconducting quantum inte
rference device)に関するもので、特に、単一の平面
基板上に統合される高分解能3軸走査磁力計に関する。
子干渉計(SQUID:superconducting quantum inte
rference device)に関するもので、特に、単一の平面
基板上に統合される高分解能3軸走査磁力計に関する。
【0002】
【従来の技術】典型的なdc−SQUID10が図1に
示される。SQUIDは一般に、少なくとも1つのジョ
セフソン素子(X)を含んだインダクタンスL1の超伝
導素子(またはSQUIDリング)20を含む。インダ
クタンスL2を有するピックアップ(センシング)・コ
イル30は、入力コイル40を介して、誘導的に素子2
0に結合される。電子回路60はライン62、64を介
して、素子20にdcバイアスを供給し、一方、帰還変
調がライン66、68を介して、コイル50から素子2
0に誘導的に結合される。
示される。SQUIDは一般に、少なくとも1つのジョ
セフソン素子(X)を含んだインダクタンスL1の超伝
導素子(またはSQUIDリング)20を含む。インダ
クタンスL2を有するピックアップ(センシング)・コ
イル30は、入力コイル40を介して、誘導的に素子2
0に結合される。電子回路60はライン62、64を介
して、素子20にdcバイアスを供給し、一方、帰還変
調がライン66、68を介して、コイル50から素子2
0に誘導的に結合される。
【0003】外部磁場の印加または入力コイル40に電
流を供給することにより、磁束が素子20に結合され
る。印加される外部磁場を示す信号が、ライン70、7
2を介して回路60に伝達され、回路60により処理さ
れる。
流を供給することにより、磁束が素子20に結合され
る。印加される外部磁場を示す信号が、ライン70、7
2を介して回路60に伝達され、回路60により処理さ
れる。
【0004】ほとんどの場合、ジョセフソン素子はJ.C
larkeによりScientific American、Vol.271、No.2、p
p.46-53(1994年8月)の論文で述べられるジョセ
フソン・トンネル接合である。図1に示されるようなS
QUIDセンサは、素子20及び統合コイル40及び5
0を含み、これらのコイルは、完全に統合されたピック
アップ素子構造を同様に組込むことができる平面技術に
より、薄膜形態で形成される。dc−SQUIDの磁気
的特性及び電気的特性は既知であり、例えばM.Ketchen
により、IEEE Transaction on Magnetics、Vol.MAG-2
3、No.2、1987年3月において述べられている。
larkeによりScientific American、Vol.271、No.2、p
p.46-53(1994年8月)の論文で述べられるジョセ
フソン・トンネル接合である。図1に示されるようなS
QUIDセンサは、素子20及び統合コイル40及び5
0を含み、これらのコイルは、完全に統合されたピック
アップ素子構造を同様に組込むことができる平面技術に
より、薄膜形態で形成される。dc−SQUIDの磁気
的特性及び電気的特性は既知であり、例えばM.Ketchen
により、IEEE Transaction on Magnetics、Vol.MAG-2
3、No.2、1987年3月において述べられている。
【0005】走査SQUID顕微鏡では、ピックアップ
・コイル30は可能な限り小さく形成され、一般にまた
相対的に、残りの構造体から離れて配置される。そし
て、その信号は通常は超伝導材料から成る伝送ライン7
4、76を介して伝送される。
・コイル30は可能な限り小さく形成され、一般にまた
相対的に、残りの構造体から離れて配置される。そし
て、その信号は通常は超伝導材料から成る伝送ライン7
4、76を介して伝送される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来提案され、具現化
された走査SQUID顕微鏡(走査磁力計)は、全て磁
場の単一の成分だけを測定する。3つの直交する小型磁
力計によりアセンブリを構成することで、原理的には、
実際の磁場ベクトルを測定するための3軸計器を構成す
ることができる。これは単一成分の測定システムよりも
極めて多くの情報を提供するが、こうしたアセンブリは
実現することは非常に困難である。更に3つの全ての軸
を単一の平面基板上に統合できれば、より望ましい。し
かしながら、従来、3つの全ての軸を同等の感度でセン
スする能力を有する、3つの小型磁力計の平面アセンブ
リを形成することは不可能であった。
された走査SQUID顕微鏡(走査磁力計)は、全て磁
場の単一の成分だけを測定する。3つの直交する小型磁
力計によりアセンブリを構成することで、原理的には、
実際の磁場ベクトルを測定するための3軸計器を構成す
ることができる。これは単一成分の測定システムよりも
極めて多くの情報を提供するが、こうしたアセンブリは
実現することは非常に困難である。更に3つの全ての軸
を単一の平面基板上に統合できれば、より望ましい。し
かしながら、従来、3つの全ての軸を同等の感度でセン
スする能力を有する、3つの小型磁力計の平面アセンブ
リを形成することは不可能であった。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、実際の磁場ベ
クトルを測定する小型3軸計器を提供する。この3軸計
器は、基板と、各々が上記基板の第1の領域に配置され
る少なくとも1つのジョセフソン素子を有する3つの平
面SQUIDと、各々が上記SQUIDの1つに関連付
けられ、上記基板の第2の領域に形成される3つのピッ
クアップ素子であって、上記ピックアップ素子の2つが
平面ソレノイド形態であり、第3の上記ピックアップ素
子が少なくとも1つのループを有する平面素子形態であ
る、上記ピックアップ素子とを含む統合3軸SQUID
磁力計である。本発明の磁力計は、単一のチップ上に3
つの磁力計を有し、それらのピックアップ素子が同一平
面で、対応する部分が同一線形順序に並び、互いに極め
て接近して形成される。3つのピックアップ素子を有す
るチップ先端は、現行の単一成分の磁力計走査顕微鏡で
可能な走査面への接近と同等の接近を可能にするように
形成される。チップ上のピックアップ素子が特定された
位置による違いはデータの捕捉後、デジタル的に補正さ
れる。z軸磁力計は既知の平面ピックアップ・コイル構
造を有するが、x軸及びy軸センシング・コイルは、本
発明の平面ソレノイド形態の多重巻き薄膜構造を有す
る。
クトルを測定する小型3軸計器を提供する。この3軸計
器は、基板と、各々が上記基板の第1の領域に配置され
る少なくとも1つのジョセフソン素子を有する3つの平
面SQUIDと、各々が上記SQUIDの1つに関連付
けられ、上記基板の第2の領域に形成される3つのピッ
クアップ素子であって、上記ピックアップ素子の2つが
平面ソレノイド形態であり、第3の上記ピックアップ素
子が少なくとも1つのループを有する平面素子形態であ
る、上記ピックアップ素子とを含む統合3軸SQUID
磁力計である。本発明の磁力計は、単一のチップ上に3
つの磁力計を有し、それらのピックアップ素子が同一平
面で、対応する部分が同一線形順序に並び、互いに極め
て接近して形成される。3つのピックアップ素子を有す
るチップ先端は、現行の単一成分の磁力計走査顕微鏡で
可能な走査面への接近と同等の接近を可能にするように
形成される。チップ上のピックアップ素子が特定された
位置による違いはデータの捕捉後、デジタル的に補正さ
れる。z軸磁力計は既知の平面ピックアップ・コイル構
造を有するが、x軸及びy軸センシング・コイルは、本
発明の平面ソレノイド形態の多重巻き薄膜構造を有す
る。
【0008】
【発明の実施の形態】図2を参照すると、本発明の典型
的な3軸走査磁力計70の平面図が示される。磁力計7
0の要素は、任意の非磁気材料から成る単一の基板71
上に形成されるが、一般に本実施例では、単一の結晶シ
リコン・ウエハ上に形成される。基板71の第1の領域
(図示せず)に、小型センシング素子(ピックアップ素
子)72、74及び76が示される。小型センシング素
子72は、BermonらによりIBMTechnical Disclosure Bu
lletin、vol.27、No.10A(1985年3月)で述べら
れる従来の単一の磁力計走査顕微鏡装置において、通
常、使用される平面状の薄膜ループ型である。本発明の
装置では、コイル72はz方向の磁場をセンスするため
に使用される(z方向は図2の面に垂直である)。
的な3軸走査磁力計70の平面図が示される。磁力計7
0の要素は、任意の非磁気材料から成る単一の基板71
上に形成されるが、一般に本実施例では、単一の結晶シ
リコン・ウエハ上に形成される。基板71の第1の領域
(図示せず)に、小型センシング素子(ピックアップ素
子)72、74及び76が示される。小型センシング素
子72は、BermonらによりIBMTechnical Disclosure Bu
lletin、vol.27、No.10A(1985年3月)で述べら
れる従来の単一の磁力計走査顕微鏡装置において、通
常、使用される平面状の薄膜ループ型である。本発明の
装置では、コイル72はz方向の磁場をセンスするため
に使用される(z方向は図2の面に垂直である)。
【0009】図3の参照番号74及び76には、本発明
に係る多重巻き薄膜小型ピックアップ素子が詳細に示さ
れる。素子76はx方向の磁場(Bx)をセンスし、素
子74はy方向の磁場(By)をセンスする。これらの
方向は矢印75により図中に示される。
に係る多重巻き薄膜小型ピックアップ素子が詳細に示さ
れる。素子76はx方向の磁場(Bx)をセンスし、素
子74はy方向の磁場(By)をセンスする。これらの
方向は矢印75により図中に示される。
【0010】図2の基板71の第2の領域78には、素
子74に関連付けられるSQUIDと、入力コイル及び
帰還コイルが配置されるが、これらは図1の場合と類似
するので詳細には示されていない。或いは、ピックアッ
プ素子74がSQUIDの誘導ループに直接結合される
か(ハード配線)、または接合及びピックアップ素子を
経由する1つの連続する電気的パスにより、SQUID
の誘導ループの一部がピックアップ素子により形成され
る構成であってもよい。素子74からの信号は、低イン
ダクタンスのストリップ・ラインから成る伝送ライン7
9、80に沿って、SQUIDの領域78に伝送され
る。ライン79、80は通常はニオブなどの超伝導材料
から成る。領域78に関連した類似の構造81、82
が、領域78の近傍に配置され、それぞれ素子72及び
76に関連付けられて同様の機能を達成する。磁力計7
4にバイアス及び変調を供給し、第2の領域78で受信
される信号をフィード・アウトする接続パッドが、83
に配置される。同様の接続パッド84及び85が、素子
72及び76にそれぞれ関連付けられる。素子72、7
4、76及びそれらに関連する全ての構造は、基板71
上に配置される。
子74に関連付けられるSQUIDと、入力コイル及び
帰還コイルが配置されるが、これらは図1の場合と類似
するので詳細には示されていない。或いは、ピックアッ
プ素子74がSQUIDの誘導ループに直接結合される
か(ハード配線)、または接合及びピックアップ素子を
経由する1つの連続する電気的パスにより、SQUID
の誘導ループの一部がピックアップ素子により形成され
る構成であってもよい。素子74からの信号は、低イン
ダクタンスのストリップ・ラインから成る伝送ライン7
9、80に沿って、SQUIDの領域78に伝送され
る。ライン79、80は通常はニオブなどの超伝導材料
から成る。領域78に関連した類似の構造81、82
が、領域78の近傍に配置され、それぞれ素子72及び
76に関連付けられて同様の機能を達成する。磁力計7
4にバイアス及び変調を供給し、第2の領域78で受信
される信号をフィード・アウトする接続パッドが、83
に配置される。同様の接続パッド84及び85が、素子
72及び76にそれぞれ関連付けられる。素子72、7
4、76及びそれらに関連する全ての構造は、基板71
上に配置される。
【0011】ここで、基板71の第1の領域における同
一の基本ピックアップ素子構成が、領域78、81及び
82内のSQUID構造に接続される必要がないことが
理解されよう。例えばSQUID構造は、電界効果トラ
ンジスタ(FET)またはバイポーラ・トランジスタな
どの検出素子により置換されたとしても計器が磁場ベク
トルの時間依存性(dB/dt)に感応できる。この場
合、ピックアップ素子及びリード構造が超伝導材料によ
り形成される必要はなく、例えばアルミニウムまたは銅
から構成することができ、計器は室温において動作させ
ることができる。
一の基本ピックアップ素子構成が、領域78、81及び
82内のSQUID構造に接続される必要がないことが
理解されよう。例えばSQUID構造は、電界効果トラ
ンジスタ(FET)またはバイポーラ・トランジスタな
どの検出素子により置換されたとしても計器が磁場ベク
トルの時間依存性(dB/dt)に感応できる。この場
合、ピックアップ素子及びリード構造が超伝導材料によ
り形成される必要はなく、例えばアルミニウムまたは銅
から構成することができ、計器は室温において動作させ
ることができる。
【0012】図4乃至図8は、本発明に係る多重巻き薄
膜小型素子74、76の形成を示し、これらは平坦なソ
レノイドの形態を取るが故に、"平面ソレノイド"として
参照される。通常、形成プロセスは熱酸化により、シリ
コン基板ウエハ90上にシリコン酸化膜SiO2層91
を設けることから開始する。層91は通常、約3000
の厚さを有する。次に、既知のフォトリソグラフィッ
ク技術を用いて、図5に示されるパターン化された第1
のニオブ金属構造92が設けられる。この構造は通常、
2000 の厚さを有する。
膜小型素子74、76の形成を示し、これらは平坦なソ
レノイドの形態を取るが故に、"平面ソレノイド"として
参照される。通常、形成プロセスは熱酸化により、シリ
コン基板ウエハ90上にシリコン酸化膜SiO2層91
を設けることから開始する。層91は通常、約3000
の厚さを有する。次に、既知のフォトリソグラフィッ
ク技術を用いて、図5に示されるパターン化された第1
のニオブ金属構造92が設けられる。この構造は通常、
2000 の厚さを有する。
【0013】図5の構造のパターンは、いずれの端部の
構造部分を除くと、ドッグ・レッグの形態で示される。
図5のドッグ・レッグ即ち中間構造は、互いに平行では
あるが互いにオフセットされ、第3のセグメント103
により接続される第1及び第2のセグメント101、1
02を有するように特徴化される。ドッグ・レッグ構造
の両端部は、ここでは正方形で示されるエンド・パッド
104で終端する。第1のエンド・ピース即ち端部接続
ピース105は、例えば伝送ライン79となる伸長ピー
ス106で終端する以外は、第2のセグメント102と
同様である。第2のエンド・ピース即ち端部接続ピース
107は、パッド108で終端する以外は、第1のセグ
メント101と同様である。セグメント101、10
2、103及び104のパターンは、平面ソレノイドが
有する"巻き数"に依存して要求される回数、繰返され
る。
構造部分を除くと、ドッグ・レッグの形態で示される。
図5のドッグ・レッグ即ち中間構造は、互いに平行では
あるが互いにオフセットされ、第3のセグメント103
により接続される第1及び第2のセグメント101、1
02を有するように特徴化される。ドッグ・レッグ構造
の両端部は、ここでは正方形で示されるエンド・パッド
104で終端する。第1のエンド・ピース即ち端部接続
ピース105は、例えば伝送ライン79となる伸長ピー
ス106で終端する以外は、第2のセグメント102と
同様である。第2のエンド・ピース即ち端部接続ピース
107は、パッド108で終端する以外は、第1のセグ
メント101と同様である。セグメント101、10
2、103及び104のパターンは、平面ソレノイドが
有する"巻き数"に依存して要求される回数、繰返され
る。
【0014】図4において次に、典型的厚さ約5000
のシリコン酸化膜SiO2層93が表面上にスパッタ
リングされる。これは最初の絶縁層である。層93は次
に、既知の技術を用いて平面化され、その厚さは平面化
プロセスの終了時には、層92上において、約1500
に低減される。次に、バイアが層93を貫通して図5
の位置94にエッチングされ、その底部において金属9
2が露出する。その後、再度フォトリソグラフィック技
術を用いて、厚さ約2000 のニオブ金属の第2の層
が、層93の表面上にパターン化され、図6に示される
ライン95を形成する。位置94において、金属層95
が金属層92と接触する。厚さ約3000 のシリコン
酸化膜(SiO2)の層96が次に表面上にスパッタリ
ングされ、層93の表面を覆い、また共形に層95を覆
う。バイアが次に絶縁層93及び96を貫通して、位置
97a乃至97fにエッチングされ、それにより図6に
示されるように、第1の金属層92がその底部において
露出する。
のシリコン酸化膜SiO2層93が表面上にスパッタ
リングされる。これは最初の絶縁層である。層93は次
に、既知の技術を用いて平面化され、その厚さは平面化
プロセスの終了時には、層92上において、約1500
に低減される。次に、バイアが層93を貫通して図5
の位置94にエッチングされ、その底部において金属9
2が露出する。その後、再度フォトリソグラフィック技
術を用いて、厚さ約2000 のニオブ金属の第2の層
が、層93の表面上にパターン化され、図6に示される
ライン95を形成する。位置94において、金属層95
が金属層92と接触する。厚さ約3000 のシリコン
酸化膜(SiO2)の層96が次に表面上にスパッタリ
ングされ、層93の表面を覆い、また共形に層95を覆
う。バイアが次に絶縁層93及び96を貫通して、位置
97a乃至97fにエッチングされ、それにより図6に
示されるように、第1の金属層92がその底部において
露出する。
【0015】最後に、再びフォトリソグラフィック技術
を用いて、厚さ約5000 のニオブの第3のパターン
化層98が、図7に示されるように、第2のシリコン酸
化膜層96上に形成される。層98は層92とバイア9
7a乃至97fにおいて接触し、更に、本発明に係る平
面ソレノイドのらせん状導電性パスが、例えばバイア9
7aの底部の金属92からバイア97aの最上部の金属
98に至り、バイア97dの最上部に横断して、そこか
らバイア97dの底部の金属92まで下降し、更にバイ
ア97bの底部に横断して、そこから図5のセグメント
101、102及び103の金属92を貫くように確立
される。
を用いて、厚さ約5000 のニオブの第3のパターン
化層98が、図7に示されるように、第2のシリコン酸
化膜層96上に形成される。層98は層92とバイア9
7a乃至97fにおいて接触し、更に、本発明に係る平
面ソレノイドのらせん状導電性パスが、例えばバイア9
7aの底部の金属92からバイア97aの最上部の金属
98に至り、バイア97dの最上部に横断して、そこか
らバイア97dの底部の金属92まで下降し、更にバイ
ア97bの底部に横断して、そこから図5のセグメント
101、102及び103の金属92を貫くように確立
される。
【0016】より詳しくは、巻き数が2の平面ソレノイ
ドでは、次に示す電気パスが形成される。すなわち、図
5の伸長部分106から第1の端部接続ピース105を
通じ、バイア97aを上昇して、図7の第3の金属層9
8の第1のセグメントに至り、そのセグメントを横断し
て、バイア97dを下降し、次に第1の金属層92のセ
グメント101、103及び102を横断し、バイア9
7bを上昇し、第3の金属層98の第2のセグメントを
横断し、バイア97eを下降し、金属層92の第2のド
ッグ・レッグ・セグメントを横断し、バイア97cを上
昇し、第3の金属層98の第3のセグメントを横断し、
次にバイア97fを下降し、第2の端部接続ピース10
7を介してパッド108に至り、次にバイア94を上昇
することにより、図6の平面ソレノイドの長手軸を横断
する第2の金属層95と電気的に接続し、図2の伝送ラ
イン80と電気的に結合する。
ドでは、次に示す電気パスが形成される。すなわち、図
5の伸長部分106から第1の端部接続ピース105を
通じ、バイア97aを上昇して、図7の第3の金属層9
8の第1のセグメントに至り、そのセグメントを横断し
て、バイア97dを下降し、次に第1の金属層92のセ
グメント101、103及び102を横断し、バイア9
7bを上昇し、第3の金属層98の第2のセグメントを
横断し、バイア97eを下降し、金属層92の第2のド
ッグ・レッグ・セグメントを横断し、バイア97cを上
昇し、第3の金属層98の第3のセグメントを横断し、
次にバイア97fを下降し、第2の端部接続ピース10
7を介してパッド108に至り、次にバイア94を上昇
することにより、図6の平面ソレノイドの長手軸を横断
する第2の金属層95と電気的に接続し、図2の伝送ラ
イン80と電気的に結合する。
【0017】当業者には理解されるように、平面ソレノ
イド74、76の形成と共に、ピックアップ素子72、
ライン79、80の形成及び領域78、81、82及び
パッド83、84、85におけるSQUID装置、並び
にそれらの関連する電気相互接続ライン(図2のライン
100で代表的に示される)を統合する設備の形成が必
要とされる。こうした設備の形成は一般に、金属ジョセ
フソン技術の3レベルとして参照され、これは例えば、
KetchenらによるAppl.Phys.Lett.、59(20)、19
91年11月の論文で述べられる2レベル・プロセスの
拡張である。
イド74、76の形成と共に、ピックアップ素子72、
ライン79、80の形成及び領域78、81、82及び
パッド83、84、85におけるSQUID装置、並び
にそれらの関連する電気相互接続ライン(図2のライン
100で代表的に示される)を統合する設備の形成が必
要とされる。こうした設備の形成は一般に、金属ジョセ
フソン技術の3レベルとして参照され、これは例えば、
KetchenらによるAppl.Phys.Lett.、59(20)、19
91年11月の論文で述べられる2レベル・プロセスの
拡張である。
【0018】図4は、平面ソレノイドの層構造の図7に
示されるセクションX−X'に沿う断面図である。図8
は、平面ソレノイドの図7のセクションY−Y'に沿う
断面図である。
示されるセクションX−X'に沿う断面図である。図8
は、平面ソレノイドの図7のセクションY−Y'に沿う
断面図である。
【0019】本発明の平面ソレノイドのピックアップ素
子の側面が、図7のセクションZ−Z'に沿う断面図と
して図9に示される。図9において、M1及びM3は同
一の幅aを有すると仮定する。n≒l/2aのピックア
ップ・ループが直列に存在し、各々はピックアップ領域
((t1+t2)/2+t3)lに含まれる磁場成分Byに
感応する。従って、総ピックアップ領域は、
子の側面が、図7のセクションZ−Z'に沿う断面図と
して図9に示される。図9において、M1及びM3は同
一の幅aを有すると仮定する。n≒l/2aのピックア
ップ・ループが直列に存在し、各々はピックアップ領域
((t1+t2)/2+t3)lに含まれる磁場成分Byに
感応する。従って、総ピックアップ領域は、
【数1】A=n((t1+t2)/2+t3)l=((t1
+t2)/2+t3)l2/2a
+t2)/2+t3)l2/2a
【0020】となる。
【0021】この構造のインダクタンスは次式で与えら
れる。
れる。
【数2】L=n[μ0((2λ+t3)/a)nl]=n
[μ0((2λ+t3)/a)l2/2a]
[μ0((2λ+t3)/a)l2/2a]
【0022】ここで、λ及びμ0は定数でa>>(2λ
+t3)の範囲ではn=1であり、a<<(2λ+t3)
の範囲ではn=1/2である。例えばl=10μm、a
=0.5μm、((t1+t2)/2+t3)=(2λ+
t3)=0.5μmの場合について考えてみよう。
+t3)の範囲ではn=1であり、a<<(2λ+t3)
の範囲ではn=1/2である。例えばl=10μm、a
=0.5μm、((t1+t2)/2+t3)=(2λ+
t3)=0.5μmの場合について考えてみよう。
【0023】A=50μm2すなわち10×10μm2の
表面領域の半分が、アクティブなピックアップ・ループ
構造により占有される。インダクタンスはL≒100p
Hであり、これは通常の100pH乃至150pHのS
QUID設計において概略最も適切である。単一の従来
のピックアップ素子では、A∞l2で、L∞lである
(ここでは記号"∞"は比例を示すものとする)。従って
lが増加すると、本発明の設計ではL∞l2であるので
好ましくない。しかしながら、対象となる顕微鏡のサイ
ズl≦10μmでは、本発明の設計は理想的であり、単
一の平面基板上における3軸磁力計の統合を可能にす
る。
表面領域の半分が、アクティブなピックアップ・ループ
構造により占有される。インダクタンスはL≒100p
Hであり、これは通常の100pH乃至150pHのS
QUID設計において概略最も適切である。単一の従来
のピックアップ素子では、A∞l2で、L∞lである
(ここでは記号"∞"は比例を示すものとする)。従って
lが増加すると、本発明の設計ではL∞l2であるので
好ましくない。しかしながら、対象となる顕微鏡のサイ
ズl≦10μmでは、本発明の設計は理想的であり、単
一の平面基板上における3軸磁力計の統合を可能にす
る。
【0024】本発明の平面ソレノイド設計は、基板面に
垂直な磁場成分(Bz)については比較的感度が悪い。
Bzに対する感度は、M2に対するM1のミスアライメ
ントδにより支配される。これは(δ/a)/Aのオー
ダのピックアップ領域を提供し、ここでδは最新の電子
ビーム・リソグラフィ位置合わせ技術を用いて、0.0
5μm以下に維持される。Bzに対する感度は、印加Bz
と素子との直接結合、及びグラウンド面構造に印加され
る磁束の歪から生じるBzの成分との同様な結合の両方
から生じる。3軸間の完全な直交性の欠如は、続くデジ
タル・データ分析において容易に補正される。但し、各
磁力計のBx、By及びBzに対する感度を正確に決定す
るように、校正を実施することが必要である。本発明の
平面ソレノイドは、少なくとも2μm程度まで小型化さ
れる(a=0.5μmにおいてn=2のとき)。
垂直な磁場成分(Bz)については比較的感度が悪い。
Bzに対する感度は、M2に対するM1のミスアライメ
ントδにより支配される。これは(δ/a)/Aのオー
ダのピックアップ領域を提供し、ここでδは最新の電子
ビーム・リソグラフィ位置合わせ技術を用いて、0.0
5μm以下に維持される。Bzに対する感度は、印加Bz
と素子との直接結合、及びグラウンド面構造に印加され
る磁束の歪から生じるBzの成分との同様な結合の両方
から生じる。3軸間の完全な直交性の欠如は、続くデジ
タル・データ分析において容易に補正される。但し、各
磁力計のBx、By及びBzに対する感度を正確に決定す
るように、校正を実施することが必要である。本発明の
平面ソレノイドは、少なくとも2μm程度まで小型化さ
れる(a=0.5μmにおいてn=2のとき)。
【0025】3軸磁力計以外の装置についても、平面ソ
レノイドを使用して、有利に形成することができる。例
えば、2つの本発明のソレノイドを勾配計として構成す
ることにより、平坦な基板上に例えば∂Bx/∂xに感
応する装置を達成することができる。この場合、M.B.
KetchenによるJ.Appl.Phys.58(11)、1985年1
2月1日の論文、及びR.H.Kochによる米国特許第51
22744号で述べられるように、平面ソレノイド・ピ
ックアップ素子が向かい合って接続され、次に読出し素
子に接続されるか、その一部を形成する。
レノイドを使用して、有利に形成することができる。例
えば、2つの本発明のソレノイドを勾配計として構成す
ることにより、平坦な基板上に例えば∂Bx/∂xに感
応する装置を達成することができる。この場合、M.B.
KetchenによるJ.Appl.Phys.58(11)、1985年1
2月1日の論文、及びR.H.Kochによる米国特許第51
22744号で述べられるように、平面ソレノイド・ピ
ックアップ素子が向かい合って接続され、次に読出し素
子に接続されるか、その一部を形成する。
【0026】更に、平面内磁場の高次の空間導関数に感
応する磁気検出器が、上述の1次導関数の概念の拡張に
より獲得される。例えば∂Bx/∂xに感応する2つの
こうした勾配計のピックアップ素子が向かい合って接続
され、次に読出し素子に接続されるか、読出し素子の一
部を形成することにより、∂2Bx/∂x∂yに感応する
平面検出器を提供することができる。
応する磁気検出器が、上述の1次導関数の概念の拡張に
より獲得される。例えば∂Bx/∂xに感応する2つの
こうした勾配計のピックアップ素子が向かい合って接続
され、次に読出し素子に接続されるか、読出し素子の一
部を形成することにより、∂2Bx/∂x∂yに感応する
平面検出器を提供することができる。
【0027】更に、磁場に独立に感応する磁気センサ及
びそれらの複数の空間導関数が、複数の検出器の使用に
より獲得される。こうしたセンサの1つまたは複数の検
出器に、本発明の平面ソレノイドを使用することによ
り、その全ての検出器及び他のコンポーネントが単一の
平面基板上に統合(配置)されるようになり、従来構成
だけによるピックアップ素子を用いる測定に比較し、磁
場成分及び空間導関数のより広いセットを測定すること
ができる。
びそれらの複数の空間導関数が、複数の検出器の使用に
より獲得される。こうしたセンサの1つまたは複数の検
出器に、本発明の平面ソレノイドを使用することによ
り、その全ての検出器及び他のコンポーネントが単一の
平面基板上に統合(配置)されるようになり、従来構成
だけによるピックアップ素子を用いる測定に比較し、磁
場成分及び空間導関数のより広いセットを測定すること
ができる。
【0028】当業者には理解されるように、本発明は本
発明の範囲を逸脱すること無く、様々な変更が可能であ
る。例えば、第1の金属層92の構造は、必ずしも図示
のドッグ・レッグの形態を取る必要はなく、また金属層
間の電気的接続が必ずしも図示のバイアにより達成され
る必要もなく、他の高温度または低温度Tcの超伝導材
料が、上述された実施例において使用されたニオブの代
わりに代用されてもよい。
発明の範囲を逸脱すること無く、様々な変更が可能であ
る。例えば、第1の金属層92の構造は、必ずしも図示
のドッグ・レッグの形態を取る必要はなく、また金属層
間の電気的接続が必ずしも図示のバイアにより達成され
る必要もなく、他の高温度または低温度Tcの超伝導材
料が、上述された実施例において使用されたニオブの代
わりに代用されてもよい。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
単一の平面基板上に統合される高分解能3軸走査磁力計
を提供することができる。
単一の平面基板上に統合される高分解能3軸走査磁力計
を提供することができる。
【図1】典型的な従来のdc−SQUIDセンシング装
置を示す図である。
置を示す図である。
【図2】本発明の高解像3軸走査小型SQUID磁力計
(顕微鏡)の典型的な実施例の平面図である。
(顕微鏡)の典型的な実施例の平面図である。
【図3】図2の顕微鏡の先端領域のピックアップ素子の
拡大平面図である。
拡大平面図である。
【図4】本発明の平面ソレノイドの図7のX−X'に沿
う断面図である。
う断面図である。
【図5】本発明の平面ソレノイドの第1のパターン化金
属層の平面図である。
属層の平面図である。
【図6】本発明の平面ソレノイドの第2のパターン化金
属層の平面図である。
属層の平面図である。
【図7】第3のパターン化金属層形成後の本発明の平面
ソレノイドの平面図である。
ソレノイドの平面図である。
【図8】本発明の平面ソレノイドの図7のY−Y'に沿
う断面図である。
う断面図である。
【図9】本発明の平面ソレノイドの図7のZ−Z'に沿
う断面図である。
う断面図である。
10 dc−SQUID 20 超伝導素子 30 ピックアップ・コイル 40、50、72 コイル 60 電子回路 70 3軸走査磁力計 71 基板 72、74、76 小型センシング素子(小型ピックア
ップ素子) 78、81、82 第2の領域 79、80 伝送ライン 83、84、85 接続パッド 90 シリコン基板ウエハ 91、93、96 シリコン酸化膜(SiO2)層 92、95、98 ニオブ金属構造(パターン化層) 94、97 バイア又はバイア形成位置 101 第1のセグメント 102 第2のセグメント 103 第3のセグメント 105 第1の端部接続ピース 106 伸長ピース 107 第2の端部接続ピース
ップ素子) 78、81、82 第2の領域 79、80 伝送ライン 83、84、85 接続パッド 90 シリコン基板ウエハ 91、93、96 シリコン酸化膜(SiO2)層 92、95、98 ニオブ金属構造(パターン化層) 94、97 バイア又はバイア形成位置 101 第1のセグメント 102 第2のセグメント 103 第3のセグメント 105 第1の端部接続ピース 106 伸長ピース 107 第2の端部接続ピース
フロントページの続き (72)発明者 マーク・ベンジャミン・ケチェン アメリカ合衆国01035、マサチューセッツ 州ハドレイ、コシア・ドライブ 6
Claims (11)
- 【請求項1】基板と、 各々が上記基板の第1の領域に配置される少なくとも1
つのジョセフソン素子を有する3つの平面SQUID
と、 2つの素子が平面ソレノイド形態で、第3の素子が少な
くとも1つのループを有する平面素子形態からなり、各
々が上記SQUIDの1つに関連付けられ、上記基板の
第2の領域に形成される3つのピックアップ素子と、 を含む、統合3軸SQUID磁力計。 - 【請求項2】上記ピックアップ素子が上記SQUIDに
誘導的に結合される、請求項1記載の磁力計。 - 【請求項3】上記ピックアップ素子が上記SQUIDに
直接結合される、請求項1記載の磁力計。 - 【請求項4】上記ピックアップ素子が上記SQUIDの
誘導ループの一部を形成する、請求項1記載の磁力計。 - 【請求項5】平坦な基板と、 上記基板上の第2の領域に実装される3つの検出装置
と、 2つの素子が平面ソレノイド形態で、第3の素子が少な
くとも1つのループを有する平面素子形態からなり、各
々が上記検出装置の1つに接続され、上記基板の第1の
領域に配置される3つのピックアップ素子と、 を含む、統合3軸磁力計。 - 【請求項6】第1の端部接続ピースと、少なくとも1つ
の中間セグメントと、第2の端部接続ピースを含み、基
板上に配置される第1のパターン化金属層と、 上記第1の金属層上に隣接する第1の絶縁層と、 上記第1の絶縁層上の第2のパターン化金属層と、 上記第1の絶縁層上に隣接し、且つ上記第2の金属層上
に隣接して共形を成す第2の絶縁層と、 上記第2の絶縁層上の第3のパターン化金属層と、 上記第1の端部接続ピースと、上記第3の金属層の第1
のセグメントと、上記第1の金属層の少なくとも第1の
セグメントと、上記第2の端部接続ピースとの間に電気
的パスを形成し、上記第2の端部接続ピースを上記第2
の金属層に電気的に接続するバイアとを含む、平面ソレ
ノイド。 - 【請求項7】向かい合って接続され、読出し装置に接続
されるか、上記読出し装置の必須部品として構成される
2つの平面ソレノイドを含む、統合インライン勾配計。 - 【請求項8】請求項6記載の平面ソレノイドを少なくと
も1つ含む、平面磁気センサ。 - 【請求項9】請求項6記載の平面ソレノイドを複数含
み、磁場の1つ以上の空間導関数に感応する平面磁気セ
ンサ。 - 【請求項10】複数の検出器の少なくとも1つが、少な
くとも1つの請求項6記載の平面ソレノイドを含む上記
複数の検出器を有し、磁場及び上記磁場の1つ以上の空
間導関数に感応する平面磁気センサ。 - 【請求項11】磁場及び上記磁場の複数の空間導関数に
独立に感応する磁気センサにおいて、各々が複数のピッ
クアップ素子を含む複数の別々の検出器を含み、上記複
数のピックアップ素子の少なくとも1つが請求項6記載
の平面ソレノイドであり、全ての上記検出器が単一の平
面構造上に配置される、磁気センサ。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/292,641 US5786690A (en) | 1994-08-18 | 1994-08-18 | High resolution three-axis scanning squid microscope having planar solenoids |
US292641 | 1994-08-18 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0868835A true JPH0868835A (ja) | 1996-03-12 |
JP3093135B2 JP3093135B2 (ja) | 2000-10-03 |
Family
ID=23125539
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP07206859A Expired - Fee Related JP3093135B2 (ja) | 1994-08-18 | 1995-08-14 | 平面ソレノイド及び平面ソレノイドを用いたsquid磁力計 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5786690A (ja) |
EP (1) | EP0697602A3 (ja) |
JP (1) | JP3093135B2 (ja) |
Families Citing this family (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1015902A2 (en) * | 1997-04-01 | 2000-07-05 | Redcliffe Magtronics Limited | An apparatus and method of measuring the magnetic field distribution of a magnetic sample |
US6201387B1 (en) * | 1997-10-07 | 2001-03-13 | Biosense, Inc. | Miniaturized position sensor having photolithographic coils for tracking a medical probe |
DE10053034B4 (de) * | 2000-10-26 | 2005-06-30 | Forschungszentrum Jülich GmbH | SQUID-Mikroskop |
US6494091B2 (en) | 2001-02-28 | 2002-12-17 | Gilles Couture | Apparatus for measuring a gravitational attraction of the earth |
US20020167308A1 (en) * | 2001-05-08 | 2002-11-14 | Davis Larry L. | Miniaturized positional assembly and method of manufacturing |
US6984977B2 (en) * | 2001-09-14 | 2006-01-10 | University Of Maryland | Scanning SQUID microscope with improved spatial resolution |
EP1425595A4 (en) * | 2001-09-14 | 2008-04-16 | Univ Maryland | SQUID SCANNING MICROSCOPE WITH ENHANCED SPATIAL RESOLUTION |
US7023622B2 (en) | 2002-08-06 | 2006-04-04 | Dmetrix, Inc. | Miniature microscope objective lens |
US7002341B2 (en) * | 2002-08-28 | 2006-02-21 | Vanderbilt University | Superconducting quantum interference apparatus and method for high resolution imaging of samples |
US7113651B2 (en) | 2002-11-20 | 2006-09-26 | Dmetrix, Inc. | Multi-spectral miniature microscope array |
US7028387B1 (en) | 2003-03-26 | 2006-04-18 | Advanced Neuromodulation Systems, Inc. | Method of making a miniaturized positional assembly |
US7796028B1 (en) * | 2006-08-01 | 2010-09-14 | Battelle Energy Alliance, Llc | Circuitry, systems and methods for detecting magnetic fields |
US7615385B2 (en) | 2006-09-20 | 2009-11-10 | Hypres, Inc | Double-masking technique for increasing fabrication yield in superconducting electronics |
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