JP2001091611A

JP2001091611A - 高磁場分解能磁束計

Info

Publication number: JP2001091611A
Application number: JP26601099A
Authority: JP
Inventors: Akira Tsukamoto; 塚本　　晃; 一正 ▲高▼木; Kazumasa Takagi; Tokumi Fukazawa; 徳海深沢; Etsuhisa Saotome; 悦久五月女; Yoshinobu Taruya; 良信樽谷; Kazuo Saito; 和夫齊藤
Original assignee: International Superconductivity Technology Center; Hitachi Ltd
Current assignee: International Superconductivity Technology Center; Hitachi Ltd
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 1999-09-20
Publication date: 2001-04-06

Abstract

(57)【要約】【課題】高温超電導体のＳＱＵＩＤを使用したより性
能の高い磁束計を提供すること：【解決手段】高温超電導体薄膜のＳＱＵＩＤの超電導
リングと高温超電導体薄膜の検出コイルの一部である入
力コイルが絶縁体薄膜を介して高温超電導体薄膜−絶縁
体薄膜−高温超電導体薄膜の積層構造とされ、複数のＳ
ＱＵＩＤが直列に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高温超電導材料の応
用分野のうち、ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子、Supe
rconducting QUantum Interference Device)を使用した
超高感度の磁束計を用いた高感度磁場計測システム、た
とえば、心磁や脳磁などの生体磁気計測システムや非破
壊検査に適用して有用なＳＱＵＩＤおよび磁束計の素子
構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】液体窒素の沸点よりも高い臨界温度を持
つ高温超電導材料が発見されて以来、冷却に液体窒素や
冷凍機を用いた超電導の応用が検討されている。ＳＱＵ
ＩＤは半導体など他の素子では得られない超高感度の磁
気センサであり、脳や心臓などから発生する生体磁気の
測定が無侵襲でできる他、航空機の機体の微細欠陥など
を非破壊で検査できる。現在、高品質な薄膜試料が得ら
れることから高温超電導ＳＱＵＩＤには主にＹＢａ₂Ｃ
ｕ₃Ｏ_yなどのいわゆる１２３系超電導体が用いられてい
る。

【０００３】ＳＱＵＩＤ５は図１（ａ）に示すように超
電導薄膜からなり、切り欠き部１０と弱結合７を２つ含
む超電導リング９と電流・電圧端子３とで構成される。
ＳＱＵＩＤ５の素子面積は数十μｍ×数十μｍから数百
μｍ×数百μｍ程度である。素子面積が小さいためＳＱ
ＵＩＤ単体の磁束捕獲面積は小さい。通常、図１（ｂ）
に示すように数十ｍｍ×数十ｍｍ程度の大きさの超電導
薄膜からなる検出コイル２をＳＱＵＩＤ５に結合させて
磁束捕獲面積を大きくし、感度を向上させている。単体
のＳＱＵＩＤ５と検出コイル２を含めてＳＱＵＩＤとよ
ぶ場合もあるが、本発明ではＳＱＵＩＤ単体５を単にＳ
ＱＵＩＤと呼び、検出コイル２を含める場合は磁束計１
１と呼ぶ。

【０００４】図２（ａ）にＳＱＵＩＤ単体５の出力、
（ｂ）に検出コイル２を備えた磁束計の出力を示す。横
軸は印加した外部磁場で、縦軸はＳＱＵＩＤの出力電圧
である。このような正弦波的な周期的な出力がＳＱＵＩ
Ｄの特徴であり、一周期は磁束量子（Φ₀＝２．０７×
１０^-15Ｗｂ）に相当する磁束がＳＱＵＩＤの超電導リ
ングに鎖交したことに対応する。磁束量子を一周期当た
りの印加磁場で割った値が有効磁束捕獲面積である。検
出コイルがある磁束計の方が有効磁束捕獲面積は大きい
ため、一周期当たりの印加磁場は小さい。

【０００５】磁束計の感度（磁場分解能）S_B ^1/2は下記
（数１）で示される。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここでS_Φ ^1/2は磁束雑音とよばれＳＱＵＩ
Ｄ単体の性能を示し、A_effは有効磁束捕獲面積と呼ばれ
検出コイルや入力コイルなどで構成される磁気結合回路
の性能を示すものである。たとえば、Ｓ_Φ ^1/2＝１０^-5
Φ₀Ｈｚ^-1/2、Ａ_eff＝０．２ｍｍ²であれば１００ｆＴ
Ｈｚ^-1/2の感度（いわゆる磁場分解能であり、以下磁場
分解能と言う）が得られる。心磁計測に必要な磁場分解
能は１００ｆＴＨｚ^-1/2程度より小さい値と見積もられ
ている。ＳＱＵＩＤの磁場分解能を向上させるためには
磁束雑音Ｓ_Φ ^1/2を下げ、有効磁束捕獲面積を増加させ
ることが必要である。前に述べたように有効磁束捕獲面
積は磁束計の電圧−磁場特性での一周期当たりの印加磁
場から求めることができ、一周期当たりの印加磁場が小
さいほど有効磁束捕獲面積がおおきくなる。

【０００８】一方、磁束雑音S_Φ ^1/2はＳＱＵＩＤの出力
電圧の電圧ノイズS_V ^1/2と磁束−電圧変換係数ｄＶ／ｄ
Φから下記（数２）で示される。

【０００９】

【数２】

【００１０】すなわち、磁束雑音Ｓ_Φ ^1/2を下げるため
にはＳ_V ^1/2を下げ、ｄＶ／ｄΦを増加させることが必要
となる。電圧ノイズＳ_V ^1/2を下げるためにはＳＱＵＩＤ
自身のノイズを下げるとともに低雑音の駆動回路を使用
する必要がある。特に、高温超電導ＳＱＵＩＤで顕著な
臨界電流の揺らぎに起因した１／ｆノイズは交流バイア
ス回路を用いることで大幅に低減できることが知られて
いる。また、磁束−電圧変換係数ｄＶ／ｄΦは磁束量子
Φ_oを周期として周期的に出力電圧が変化するＳＱＵＩ
Ｄの電圧−磁場特性（Ｖ−Φ特性）の最大傾きである
（図２（ａ））。ｄＶ／ｄΦはＶ−Φ特性の変調電圧振
幅ΔＶにほぼ比例し、比例係数は円周率π程度である。
つまり、大きな変調電圧振幅ΔＶを実現することでＳＱ
ＵＩＤおよびＳＱＵＩＤを使用した磁束計の性能すなわ
ち磁場分解能を向上できる。

【００１１】このように、ＳＱＵＩＤセンサとしての性
能である磁場分解能はＳＱＵＩＤの磁束換算雑音と有効
面積で決まり、磁束換算雑音はＳＱＵＩＤの出力電圧の
雑音と電圧−磁束換算係数で決まっている。ＳＱＵＩＤ
の感度は、有効面積と電圧−磁束換算係数を増大させ、
ＳＱＵＩＤの出力電圧の雑音を低下させることで向上で
きる。

【００１２】変調電圧振幅ΔＶは、熱雑音を考慮した数
値計算により導出された（数３）から（数５）で見積も
ることができる（たとえば、円福ら、ジャパニーズ・ジ
ャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、第32巻
（1993年）L1407頁（K． Enpuku、 Jpn． J． Appl． P
hys． 32 (1993) L 1407））。

【００１３】

【数３】

【００１４】ただし

【００１５】

【数４】

【００１６】

【数５】

【００１７】ここでＬはＳＱＵＩＤリングのインダクタ
ンス、Ｉ_cとＲ_nはそれぞれ弱結合の臨界電流と接合抵
抗、Ｔは動作温度、K_Bはボルツマン定数、δΦ_nは雑音
磁束と呼ばれ、熱雑音によりインダクタンスに生じる雑
音を示す。つまり、（数３）の第２項は熱雑音によるΔ
Ｖの減衰を示す。δΦ_nは温度ＴとインダクタンスＬの
関数であるが、７７Ｋではインダクタンスのみで決ま
り、インダクタンスが小さいほど熱雑音の項は小さくな
る。また、βはインダクタンスパラメーターと呼ばれて
おり、通常１〜５程度になるように設計する。

【００１８】（数３）〜（数５）より、インダクタンス
を小さくすることでΔＶが増加することが判るが、イン
ダクタンスを小さくすると有効面積が減少するため最終
的なＳＱＵＩＤの磁場分解能の点からは有効な方法では
ない。（数３）からわかるようにβが大きくなるにつれ
てΔＶは小さくなることから、βは小さい方が良い。Ｌ
が決まっている場合、βはＩ_cで決まるが、７７Ｋでは
熱雑音により実際に測定できるＩ_cが小さくなるため、
通常Ｉ_cとしては１０μＡないし２０μＡ程度に設計さ
れており、すでにほぼ最適化されている。また、（数
３）からＲ_nが大きいほどΔＶが大きくなることが判る
が、弱結合のＩ_cＲ_nは７７Ｋで１００μＶないし３００
μＶ程度であり、Ｉ_cが決まれば同時にＲ_nも決まってし
まう。このように、ある接合特性の弱結合に対して最適
に設計されたＳＱＵＩＤではΔＶはほぼ決まってしま
い、通常数十μＶ程度である。

【００１９】しかしながら、別のアプローチとして同じ
特性のＳＱＵＩＤを直列に接続することで大きな変調電
圧振幅を実現することが可能である。理想的な場合、ｎ
個のＳＱＵＩＤを直列にした場合の出力は、単体ＳＱＵ
ＩＤのΔＶのｎ倍になる。ただし、個々のＳＱＵＩＤの
臨界電流および磁場−電圧特性（図２）の周期と位相が
揃っている必要がある。一方、直列に接続することで個
々のＳＱＵＩＤの電圧ノイズＳ_Vも積算される。しか
し、個々のノイズの位相は完全に揃っているわけではな
いため、ｎ個のＳＱＵＩＤを直列にした場合でも電圧ノ
イズＳ_Vがｎ倍になることはない。したがって、総合的
にはｎ個のＳＱＵＩＤを直列接続してｎ倍の出力になら
なくても、直列にすることにより磁束計の磁場分解能を
向上させることはできる。

【００２０】LeeらはＳＱＵＩＤを５０個直列に接続
し、ひとつのＳＱＵＩＤのΔＶの約１０倍に相当する１
５０μＶの大きな変調電圧振幅を得たことを、アイ・イ
ー・イー・イー、トランザクションオンアプライド
スーパーコンダクティビティ第７巻、3347頁（1997
年）（S．-G． Lee et al， IEEE TRANSACTION ON APPL
IED SUPERCONDUCTIVITY VOL．7 3347 (1997)）で報告し
ている。しかし、彼らの直列型ＳＱＵＩＤは平面型の磁
気結合で検出コイルと結合しているため、検出コイルか
らＳＱＵＩＤへの磁束の伝達効率が悪いこと、および各
ＳＱＵＩＤの特性のばらつきのため、総合的な磁場分解
能は低い。

【００２１】また、Schultzeらは図１（ｂ）に示す検出
コイルが直接ＳＱＵＩＤリングに接続された構造のダイ
レクトカップル型磁束計において、２つのＳＱＵＩＤを
直列に接続することでＳＱＵＩＤが一つのもののほぼ２
倍の変調電圧振幅が得られることをアイ・イー・イー・
イー、トランザクションオンアプライドスーパー
コンダクティビティ第9巻、掲載予定（１９９９年）
（V． Schultze et al，IEEE TRANSACTION ON APPLIED
SUPERCONDUCTIVITY VOL．9 (1999) に掲載予定）で報告
している。しかし、ダイレクトカップル型磁束計では３
つ以上のＳＱＵＩＤを直列に接続することができない。
彼らの磁束計は検出コイルを備えており磁場分解能も大
きいが、ＳＱＵＩＤを２つしか直列にしていないため、
直列接続の効果を十分に利用しているとはいえない。

【００２２】さらに、上述の直列型ＳＱＵＩＤはいずれ
も単層の高温超電導薄膜で構成されている。単層である
から、作製工程が短いため製造コストを低く抑えること
が可能である。しかしながら検出コイルとの結合が平面
型磁気結合の場合は、結合効率が良くない。また、電流
注入型の直接結合では結合効率はかなり良いが、３つ以
上のＳＱＵＩＤを直列に接続することができないため、
直列型ＳＱＵＩＤの効果を十分に活かした磁束計の性能
向上が困難である。

【００２３】磁束計で最も効率の良い検出コイルとＳＱ
ＵＩＤとの接続方法はマルチターン入力コイルを介して
磁気的に結合させる方法である。マルチターン入力コイ
ルを介して磁気的に結合させた直列型ＳＱＵＩＤを有す
る磁束計を作製することは可能であるが、この場合、絶
縁体薄膜と複数の超電導体薄膜からなる積層構造および
絶縁体層に形成された穴を介した上下の超電導体の接続
が必要になる。その結果、各層ごとに成膜と微細加工が
必要になり作製工程が長くなるため、単層の高温超電導
薄膜で作製した場合と比べて製造コストが大幅に増加す
る。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術で述べた
ように、高温超電導薄膜により作製されたＳＱＵＩＤお
よびそれらで構成される磁束計は様々な改良がなされて
きた。本発明はその延長線上にあり、ＳＱＵＩＤおよび
磁束計の性能を一層向上させることを課題としている。
特に多数のＳＱＵＩＤを直列にした検出コイルを有する
磁束計の実現を目的としているが、上述のごとく、従来
技術では高磁場分解能のＳＱＵＩＤを実現するための十
分な配慮がなされていたとはいえない。

【００２５】したがって、本発明では大きな変調電圧振
幅ΔＶを実現することで電圧−磁束換算係数を増加さ
せ、最終的にＳＱＵＩＤの磁場分解能を向上させること
を可能とするものである。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明では、形成された
２つの弱結合を含む超電導リングと電流、電圧端子で構
成される複数のＳＱＵＩＤを直列に接続するとともに、
それぞれのＳＱＵＩＤが共通の検出コイルと磁気的に結
合させられることにより、検出コイルとＳＱＵＩＤとの
結合効率および変調電圧振幅を同時に向上させた高磁場
分解能の磁束計を実現する。多数のＳＱＵＩＤを直列に
接続することで変調電圧振幅を増加させるとともに、さ
らに、検出コイルとＳＱＵＩＤとの結合を高温超電導体
薄膜−絶縁体薄膜−高温超電導体薄膜の積層構造による
ものとして、強く磁気的に結合させる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、実施例をあげて本発明をよ
り具体的に説明するが、以下の開示は本発明の一実施例
にすぎず、本発明の技術範囲を何ら限定するものではな
い。

【００２８】実施例１以下、本発明の第１の実施例を述べる。図３（ａ）に本
実施例の磁束計の模式図を示す。１は基板であり、たと
えば、ＳｒＴｉＯ₃（１００）バイクリスタル基板であ
る。該基板１上には、超電導リング９、切り欠き１０、
弱結合７および電流・電圧端子３よりなるＳＱＵＩＤ５
が超電導薄膜により形成され、隣接する各ＳＱＵＩＤ５
の上側の電流・電圧端子３同士、下側の電流・電圧端子
３同士が交互に接続されて、多数のＳＱＵＩＤ５がカス
ケード接続された形に形成される。この際、基板１の結
晶粒界４の位置に弱結合７の位置がくるようになされ
る。ＳＱＵＩＤ５のカスケード接続層の上には、層間絶
縁膜６が形成される。層間絶縁膜６があるため、本来、
ＳＱＵＩＤ５のカスケード接続構造は平面図としては見
えないわけであるが、説明の便宜上、層間絶縁膜６は透
明であるものとして図示した。層間絶縁膜６の上面には
超電導薄膜により入力コイル８が形成される。入力コイ
ル８の両端は延伸されて、そのまま検出コイル２を形成
する。検出コイル２は図１（ｂ）で説明したように全体
としては大きなリングであるが、超電導リング９の各辺
に対応する位置でじぐざくに折り曲げられて入力コイル
８として配置され、超電導リング９と磁気結合する。す
なわち、超電導リング９と検出コイル２の一部である入
力コイル８とが、高温超電導体薄膜−絶縁体薄膜−高温
超電導体薄膜の積層構造を形成して、強く磁気的に結合
させられている。カスケード接続された両端のＳＱＵＩ
Ｄ５の下側の電流・電圧端子３には外部接続線を接続す
るための貴金属薄膜よりなる端子３００が形成される。

【００２９】図３（ｂ）は検出コイル２の一部である入
力コイル８の部分のみを拡大して示す図であり、図３
（ｃ）はカスケード接続されたＳＱＵＩＤ５と端子３０
０の部分のみを拡大して示す図である。この、超電導薄
膜層により形成されたそれぞれの回路が層間絶縁膜６を
介して積層され、超電導リング９の部分で磁気結合して
いるのである。

【００３０】図４は、図３に示す実施例の作製プロセス
を説明する図である。入力コイル８の部分およびカスケ
ード接続されたＳＱＵＩＤ５の超電導リング９の積層部
分と端子３００の部分を中心に図３（ａ）に示すＡ−Ａ
の位置で矢印方向に見た作製プロセスの各過程での断面
図の概要である。

【００３１】まず、基板として１０ｍｍ角のＳｒＴｉＯ
₃（１００）バイクリスタル基板４１を用いた。接合角
としては２４゜、３０゜、３６゜および４５゜のうちい
ずれかが使用できるが、本実施例では２４゜を使用し
た。基板上に膜厚１００ｎｍのＣｅＯ₂バッファー層４
２をＫｒＦエキシマレーザーを用いたレーザー蒸着法で
作製した。ターゲットには直径２０ｍｍのＣｅＯ₂焼結
体を用いた。このＣｅＯ₂バッファー層４２は基板の全
面に形成するのも良いが、本実施例では、入力コイル８
の部分およびカスケード接続されたＳＱＵＩＤ５の積層
部分と端子３００の部分を構成する領域とした。基板温
度は７６０℃、成膜時の雰囲気は７０ｍＴｏｒｒの純酸
素とし、レーザーエネルギー７０ｍＪ、レーザーエネル
ギー密度１〜２Ｊ／ｃｍ²、レーザー発信周波数３Ｈ
ｚ、基板とターゲットの間隔を約４ｃｍとして成膜を行
った。この際、ターゲットがなるべく均一に削れるよう
に、ターゲットを自転させるとともに、膜厚の分布を抑
えるためレーザー光線をターゲット上でラスタースキャ
ンさせ、また基板も回転させた。ここで、４３は基板の
結晶粒界、４４はバッファー層４２の結晶粒界である。
（図４（ａ））。

【００３２】次に、基板温度を７６０℃に保ったまま、
酸素の流量を増やし圧力を３００ｍＴｏｒｒまで増加さ
せ、膜厚１５０ｎｍのＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y（以下ＹＢＣＯ
と略す）下部超電導膜４５をＣｅＯ₂バッファー層４２
の上に作製した。ターゲットには直径２０ｍｍの円盤状
のＹＢＣＯ焼結体を用いた。他の成膜条件はＣｅＯ₂バ
ッファー層４２の成膜時と同じとした。成膜後、酸素分
圧を５Ｔｏｒｒまで増加させ、７６０℃から１０℃／分
の速度で２００℃以下まで薄膜試料を冷却し成膜装置か
ら取り出した。ここで、４６は下部超電導薄膜の結晶粒
界である。（図４（ｂ））。

【００３３】次に、作製した薄膜に膜厚６００ｎｍの電
子線描画用のレジスト（製品名ＺＥＰ５２０、日本ゼオ
ン製）をスピンコートした。１６０℃、１０分のプリベ
ークを行った後、電子線描画法で下部ＹＢＣＯ超電導膜
用のパターンを露光し、キシレンで現像することで下部
ＹＢＣＯ超電導膜用のレジストパターンを形成した。こ
のパターンは、図３（ｃ）に示すカスケード接続された
ＳＱＵＩＤ５とカスケード接続された両端のＳＱＵＩＤ
５の下側の電流・電圧端子３の部分となるＹＢＣＯのパ
ターンである。また、図３（ａ）、（ｃ）で示した結晶
粒界４は下部超電導薄膜の結晶粒界４６に対応する。こ
の位置はＳＱＵＩＤ５の弱結合７の位置に対応してい
る。続いて、レジストの側壁をなだらかにし再付着を抑
えるために２００℃、７分のポストベークを行った。次
に、Ａｒイオンビームエッチングでレジストパターンを
下部ＹＢＣＯ薄膜に転写した。Ａｒのガス圧は１．１×
１０^-4Ｔｏｒｒ、加速電圧は５００Ｖとした。また、イ
オン衝撃による試料温度の上昇を緩和するため、３分間
のエッチングと３分間の休憩を交互に繰り返した。この
条件でのＹＢＣＯ薄膜とレジストのエッチング速度はそ
れぞれ１２ｎｍ／分および１６ｎｍ／分程度であった。
下部ＹＢＣＯ薄膜の膜厚１５０ｎｍに対してエッチング
深さは２００ｎｍとし、約５０ｎｍのオーバーエッチン
グを行った。ＣｅＯ₂バッファー層４２をあらかじめ成
膜してあるので、オーバーエッチングされた表面はＳｒ
ＴｉＯ₃ではなくＣｅＯ₂である。残ったレジストは２−
ブタノン中で超音波洗浄することで除去した。ポストベ
ークを行ったことに対応して、加工したパターンの側面
は約３０゜〜６０゜の傾斜となった（図４（ｃ））。

【００３４】次に、３×４ｍｍの穴が開いたメタルマス
ク４７を使用して、下部ＹＢＣＯ膜に作製したＳＱＵＩ
Ｄパターン上に層間絶縁膜４８（図３の層間絶縁膜６に
対応する）のＣｅＯ₂を作製した。膜厚は２５０ｎｍと
した。成膜条件はＣｅＯ₂バッファー層４２の作製条件
と同じとした。図３（ａ）に示すように、下部ＹＢＣＯ
膜に作製した電流・電圧端子３の電極部分は作製した層
間絶縁膜６のＣｅＯ₂からはみだしており、電極とのコ
ンタクトを確保するためのＣｅＯ₂膜への穴開けなどの
プロセスは必要ない。ここで、４９は層間絶縁膜４８の
結晶粒界である。なお、本プロセスでは、基板４１上面
にＣｅＯ₂バッファー層４２をはじめに堆積させている
が、ＣｅＯ₂バッファー層４２を堆積させなっかた場
合、層間絶縁膜４８のＣｅＯ₂の一部は、オーバーエッ
チングによりイオンによるダメージを受けたＳｒＴｉＯ
₃基板上へ作製することになり、この場合、層間絶縁膜
４８のＣｅＯ₂の配向や表面形態が乱れ、その上に作製
された上部超電導膜の特性が劣化することがわかった。
本プロセスではＣｅＯ₂バッファー層４２をあらかじめ
成膜することで、オーバーエッチングされた表面をＳｒ
ＴｉＯ₃ではなくＣｅＯ₂とし、層間絶縁膜４８のＣｅＯ
₂をホモエピタキシャル成長させることで配向や表面形
態の乱れを防止できている（図４（ｄ））。

【００３５】次に、ＣｅＯ₂作製時に用いたメタルマス
ク４７を取り外した後に、再び、成膜装置に試料を入れ
上部超電導薄膜５０を作製した。下部超電導薄膜４５と
同様に、超電導体としてはＹＢＣＯを用いたが、膜厚は
２００ｎｍとした。成膜条件は下部ＹＢＣＯ薄膜４５の
成膜条件と同じとした。ここで、５１は上部超電導薄膜
の結晶粒界である。なお、上部超電導薄膜５０は図３
（ｂ）からも分かるように、入力コイル８とこれが延伸
された検出コイル２の両方の超電導薄膜であるから、図
の左側にも形成される（図４（ｅ））。

【００３６】さらに、抵抗加熱蒸着法で電極パッド用の
貴金属電極層５３としてＡｕ薄膜を、メタルマスク５２
を使用して必要な部分にのみ蒸着した。その後、電気炉
で純酸素フロー中、５００℃の熱処理を行い、ＹＢＣＯ
薄膜を十分に酸化するとともにＡｕとＹＢＣＯの界面抵
抗を低減した（図４（ｆ））。

【００３７】次に、下部ＹＢＣＯの微細加工と同様に、
電子線描画法およびイオンビームエッチング法を用いて
上部ＹＢＣＯ薄膜５０とＡｕ薄膜５３を加工した。この
段階では、検出コイル２の空間部分に当たるＹＢＣＯ薄
膜は除去されるから、矢印方向に見える検出コイル２の
側面が図に表れることになる（図４（ｇ））。

【００３８】図３に示すように、このパターンには、検
出コイル、入力コイルおよび電流・電圧端子が含まれて
いる。したがって、電流・電圧端子は下部ＹＢＣＯと上
部ＹＢＣＯが重なった構造になっている。最後に、残っ
たレジストを２−ブタノンの超音波洗浄で除去した。

【００３９】実施例２以下、本発明の第２の実施例を述べる。図５に本実施例
の磁束計の模式図を示す。１は基板であり、実施例１と
同様、ＳｒＴｉＯ₃（１００）バイクリスタル基板であ
る。該基板１上には、超電導リング９、切り欠き１０、
弱結合７および電流・電圧端子３よりなるＳＱＵＩＤ５
が超電導薄膜により形成される。隣接する二つのＳＱＵ
ＩＤ５の超電導リング９が接続されて、これら二つのＳ
ＱＵＩＤ５が直列接続された形に形成される。二つの直
列接続されたＳＱＵＩＤ５の外側にある超電導リング９
から、これら二つの直列接続されたＳＱＵＩＤ５を大き
く取り巻く形の結合コイル１２が形成される。この二つ
の直列接続されたＳＱＵＩＤ５と結合コイル１２よりな
る単位の構造が複数個カスケードに配列された形に形成
されるとともに、単位の構造の二つの直列接続されたＳ
ＱＵＩＤ５の一方の電流・電圧端子３が隣接する単位の
構造の二つの直列接続されたＳＱＵＩＤ５の一方の電流
・電圧端子３と接続される。両端にある単位の構造の二
つの直列接続されたＳＱＵＩＤ５の一つの電流・電圧端
子３には、外部接続線を接続するための貴金属薄膜より
なる端子３００が形成される。この結果、実施例１と同
様、すべてのＳＱＵＩＤ５が両側の電流・電圧端子３の
間でカスケード接続されたものとなる。なお、この場合
も、基板１の結晶粒界４の位置に弱結合７の位置がくる
ようになされる。ＳＱＵＩＤ５のカスケード接続および
結合コイル１２の層の上には、層間絶縁膜６が形成され
る。層間絶縁膜６があるため、本来、ＳＱＵＩＤ５のカ
スケード接続構造は平面図としては見えないわけである
が、本実施例でも、説明の便宜上、層間絶縁膜６は透明
であるものとして図示した。層間絶縁膜６の上面には超
電導薄膜により入力コイル８が形成される。入力コイル
８の両端は延伸されて、そのまま検出コイル２を形成す
る。検出コイル２は第１の実施例と同様に全体としては
大きなリングであるが、本実施例では第１の実施例とは
異なり、結合コイル１２の各辺に対応する位置でじぐざ
くに折り曲げられて入力コイル８として配置され、結合
コイル１２と磁気結合する。すなわち、結合コイル１２
と検出コイル２の一部である入力コイル８とが、高温超
電導体薄膜−絶縁体薄膜−高温超電導体薄膜の積層構造
を形成して、強く磁気的に結合させられている。

【００４０】本実施例では、インダクタンスが（数３）
によりある程度の範囲に限定されているＳＱＵＩＤ５自
体とは異なり、結合コイル１２および入力コイル８のイ
ンダクタンスはかなり自由に設計できる。このため、Ｓ
ＱＵＩＤ５の超電導リング９に入力コイル８を結合させ
るよりも効率よく磁気信号をＳＱＵＩＤ５に伝達するこ
とが可能となる。また、図３（ａ）と図５とを対比して
明らかなように、個々のＳＱＵＩＤ５の超電導リング９
と入力コイル８とを対応して設けるよりも、２つのＳＱ
ＵＩＤ５に一つの結合コイルを設けてこれに入力コイル
８とを対応して設ける方がレイアウト的にも優れてい
る。

【００４１】本実施例は、実施例１とは、上下の高温超
電導体薄膜層のパターンが異なるが、高温超電導体薄膜
−絶縁体薄膜−高温超電導体薄膜の積層構造を形成して
いるという点では同じであるので、作製プロセスについ
ては説明を省略する。以下の実施例においても、この点
は同じである。

【００４２】実施例３以下、本発明の第３の実施例を述べる。図６に本実施例
の磁束計の模式図を示す。本実施例は、基板１にＳＱＵ
ＩＤ５のカスケード接続および結合コイル１２の層を形
成し、その層の上に、層間絶縁膜６が形成された後、層
間絶縁膜６の上面には超電導薄膜により入力コイル８が
形成される。入力コイル８の両端は延伸されて、そのま
ま検出コイル２を形成している。これらの基本的な構造
においては実施例２と同様である。もっとも、本実施例
の特徴である各ＳＱＵＩＤ間の電圧−磁場特性の位相差
を調整するためのコントロール線１８を配置するため
に、外部接続線を接続するための貴金属薄膜よりなる端
子３００の位置が両サイドに変更されて形成される。

【００４３】本実施例では、層間絶縁膜６が形成された
後、入力コイル８の形成に合わせてコントロール線１８
が形成される。コントロール線１８は各ＳＱＵＩＤ５の
超電導リング９の位置に対応して形成され、超電導リン
グ９と磁気結合する。すなわち、コントロール線１８と
超電導リング９とが、高温超電導体薄膜−絶縁体薄膜−
高温超電導体薄膜の積層構造を形成して、強く磁気的に
結合させられている。１９はコントロール線１８と外部
接続線を接続するための貴金属薄膜よりなる端子であ
る。

【００４４】本実施例では、磁束計が捕らえる磁束によ
る信号をＳＱＵＩＤ５のカスケード接続および結合コイ
ル１２によって効果的に検出しようとする点では実施例
２と同様であるが、超電導リング９と磁気結合するコン
トロール線１８を貴金属薄膜よりなる端子１９を介して
可調整の抵抗２０に接続するとともに、外部接続線２
１，２２に接続する点において実施例２と異なる。外部
接続線２１，２２には、磁束計の駆動に一般的に使用さ
れるＡＣバイアスを用いたＦＬＬ回路のＡＣバイアスと
同一周波数の交流電源３０を接続する。先にも述べたよ
うに、ｎ個のＳＱＵＩＤ５をカスケード接続しても、出
力がｎ倍にならない理由の一つは、各ＳＱＵＩＤ間の出
力に位相差があるからであるが、本実施例では、各コン
トロール線１８に接続された抵抗２０を調整することに
より各ＳＱＵＩＤ間の出力の位相差を調整することが可
能になる。すなわち、磁束計の出力を監視しながら、各
ＳＱＵＩＤごとにコントロール線１８の抵抗２０を増加
または減少する操作をして最大の出力が得られる状態に
抵抗２０の値を決めるのである。そうすると全てのＳＱ
ＵＩＤのコントロール線１８の抵抗２０を調整した後で
は、各ＳＱＵＩＤ間の出力の位相差を零にできることに
なり、結果として、作製時の加工や弱結合特性のばらつ
きなどにより生じたＳＱＵＩＤの電圧−磁場特性の位相
差により理想的な値よりも減少していた変調電圧振幅を
理想的な値に近づけることが可能となり、磁束計の性能
向上が可能となる。

【００４５】実施例４以下、本発明の第４の実施例を述べる。図７に本実施例
の磁束計の模式図を示す。本実施例は、単純に言えば、
図３に示す第１の実施例と図５に示す第２の実施例とを
組み合わせた形である。基板１にＳＱＵＩＤ５のカスケ
ード接続および結合コイル１２の層を形成し、その層の
上に、層間絶縁膜６が形成された後、層間絶縁膜６の上
面には超電導薄膜により入力コイル８−１が形成され
る。また、ＳＱＵＩＤ５の超電導リング９に対応する位
置では、層間絶縁膜６の上面には超電導薄膜により入力
コイル８−２が形成される。入力コイル８−１の左端は
検出コイル２の一端から延伸されている。一方、入力コ
イル８−１の右端は入力コイル８−２の右端と一体とな
っている。入力コイル８−２の左端は検出コイル２の一
端から延伸されている。もちろん、各入力コイル８−
１，８−２と結合される部分で検出コイル２は開放され
ている。すなわち、本実施例では、入力コイル８−１が
結合コイル１２と磁気結合する形で配列された後、折り
返して入力コイル８−２が超電導リング９と磁気結合す
る形で配列されたものである。したがって、先のいずれ
の実施例よりも、検出コイル２の捕らえた磁束をＳＱＵ
ＩＤ５に効果的に作用させることができるといえる。

【００４６】実施例の効果の検証本発明の実施例の効果を検証するために、比較試料とし
て、本発明の実施例と同様の作製プロセにより、図３に
示す第１の実施例でＳＱＵＩＤが一つのみの磁束計（積
層構造）と図１（ｂ）に示す従来例の構造（単層構造）
を持つ磁束計とを作製した。後者の比較試料の構造は酸
化物超電導体を用いた磁束計では現在主流の構造であ
る。

【００４７】いずれの比較試料の磁束計も検出コイル２
のサイズは同じにした。また、いずれの場合も、ＳＱＵ
ＩＤの構造については接合幅Ｗｊ＝２μｍ、スリット幅
Ｗｓｌ＝２μｍ、スリット長さＬｓｌ＝５０μｍ、リン
グ幅Ｗｒ＝１５μｍ、入力コイルの線幅Ｗｉｎ＝１０μ
ｍ、検出コイルの線幅Ｗｐｉ＝５００μｍ、検出コイル
の面積３６ｍｍ²とした。これらの寸法は本発明の実施
例と同じであり、同じ条件で比較できるように工夫され
たものである。なお、本発明の実施例では、ＳＱＵＩＤ
の直列数は２０とした。

【００４８】磁束計はフィードバックコイルの配線はタ
ーンを持つプリント基板に取り付けて、それをさらに低
温測定用の治具に取り付けて特性の評価を行った。冷却
には液体窒素を使用し、測定温度は７７Ｋとした。測定
には磁気シールド室に設置されたＦＲＰ製のデュワーを
使用して行った。磁束計の駆動にはＡＣバイアスを用い
たＦＬＬ回路を使用した。ノイズの測定にはＦＦＴアナ
ライザーを使用した。外部磁場は直径４０ｍｍ、長さ１
００ｍｍの校正済みの手巻きコイルを用いて、ＳＱＵＩ
Ｄリングに垂直に印加した。

【００４９】実施例１の効果の検証例表１に実施例１（試料番号１）の磁束計の特性と、積層
構造の比較試料の磁束計（試料番号２）および単層構造
の比較試料の磁束計（試料番号３）の特性を示す。

【００５０】

【表１】

【００５１】実施例１の２０個のＳＱＵＩＤを直列構造
にした場合（試料番号１）でも２０倍の変調電圧振幅が
得られるわけではなく、位相のずれなどにより約１８倍
にとどまっている。しかし、変調電圧振幅の増加を受け
て磁束換算雑音は約１／４に減少した。一方、有効磁束
捕獲面積はＳＱＵＩＤが一つの場合（試料番号２）の
０．１６ｍｍ²から実施例１（試料番号１）ではＳＱＵ
ＩＤを２０個直列にするために必要となる領域での有効
磁束捕獲の効果が十分でないため、０．１５ｍｍ²と若
干減少した。また、有効磁束捕獲面積は直接結合型（試
料番号３）がもっとも大きかった。しかしながら、最終
的な磁場分解能は磁束換算雑音が大きく減少しているた
め、実施例１（試料番号１）の磁束計が最も高分解能に
なっており、本発明の効果を確認することができた。

【００５２】実施例２の効果の検証例特性の評価は実施例１と同様にして行った。表２に接合
角２４゜の場合の実施例２（試料番号４）による磁束計
の特性を示す。表２では、比較のため、実施例１（試料
番号１）の磁束計の特性も示している。どちらの磁束計
も２０個のＳＱＵＩＤが直列に接続されている。

【００５３】

【表２】

【００５４】変調電圧振幅、磁束換算雑音は実施例１
（試料番号１）の磁束計とほぼ同じであるが、有効磁束
捕獲面積が結合コイル１２を用いた実施例２（試料番号
４）の磁束計の方が大きい。その結果、結合コイル１２
を用いた構造の直列型ＳＱＵＩＤの磁束計の磁場分解能
がさらに向上している。実施例２の構造でも、発明の効
果を確認できた。

【００５５】実施例３の効果の検証例特性の評価は実施例１と同様にして行った。表３に接合
角２４゜の場合の実施例３（試料番号５）による磁束計
の特性を示す。表３では、比較のため、実施例２（試料
番号４）の磁束計の特性も示している。どちらの磁束計
も２０個のＳＱＵＩＤが直列に接続されている。

【００５６】

【表３】

【００５７】コントロール線１５を有する試料番号５の
磁束計では、磁束計の磁場−電圧特性をモニターしなが
ら各ＳＱＵＩＤのコントロール線１５に流す電流値を調
整し最適化することで、コントロール線１５が無い試料
番号４の磁束計よりも大きな変調電圧振幅を得ることが
できた。その結果、さらに磁場分解能が向上している。
実施例３の構造でも、発明の効果を確認できた。

【００５８】実施例４の効果の検証例特性の評価は実施例１と同様にして行った。表４に接合
角２４゜の場合の実施例４（試料番号６）による磁束計
の特性を示す。本実施例の磁束計も２０個のＳＱＵＩＤ
が直列に接続されている。

【００５９】

【表４】

【００６０】実施例１および実施例２の構造の相乗効果
により３００μＶ以上の大きな変調電圧振幅を示した。
また、磁場分解能は５１ｆＴ／Ｈｚ^1/2と非常に高感度
であった。

【００６１】以上の４つの実施例の効果の検証結果から
わかるように、いずれの実施例でも、多数のＳＱＵＩＤ
の直列接続が効果的に作用していることが分かる。ま
た、作製プロセスでも説明したように、二つの超電導層
は相互に接続される必要が無いから、絶縁体薄膜に形成
された穴を通して接続する必要が無く、プロセスを簡易
にできるとともに、信頼性の高いものとできる。ここ
で、検出コイル２と入力コイル８との関係について見る
と、検出コイル２の一部が入力コイル８として機能する
わけであるが、検出コイル２の検出した信号を入力コイ
ル８を介してＳＱＵＩＤの超電導リング９に効率良く伝
えるためには、両コイルのインピーダンスがほぼ等しい
のが良い。

【００６２】また、ＳＱＵＩＤの重要な構成要素である
弱結合は、実施例では、バイクリスタル基板を用いた粒
界接合としたが、段差基板でも、ランプエッジ型や積層
型のＳＮＳ接合でも、またこれら以外の構造の弱結合で
も良いのは言うまでもない。

【００６３】さらに、本実施例では、ＳＱＵＩＤを基
板側の超電導薄膜に形成し、検出コイルを絶縁体薄膜に
形成したが、これは、原理上、逆に配置しても同様であ
る。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、単純な３層構造によ
り、高い磁場分解能の磁束計を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）はＳＱＵＩＤおよびＳＱＵＩＤ
と検出コイルを含む磁束計の従来例の典型的な構成を示
す平面図。

【図２】（ａ）、（ｂ）はＳＱＵＩＤ単体およびＳＱＵ
ＩＤ単体と検出コイルを含む磁束計の従来例の典型的な
電圧−磁場特性を示す図。

【図３】（ａ）は本発明の第１の実施例の磁束計の構造
を示す平面図、（ｂ）および（ｃ）は、第１の実施例の
検出コイル２の一部である入力コイル８の部分のみを拡
大して示す図およびカスケード接続されたＳＱＵＩＤと
端子の部分のみを拡大して示す図。

【図４】本発明の第１の実施例の磁束計の作製プロセス
を磁束計のＳＱＵＩＤ部を主体にして工程毎に説明する
断面図。

【図５】本発明の第２の実施例の磁束計の構造を示す平
面図。

【図６】本発明の第３の実施例の磁束計の構造を示す平
面図。

【図７】本発明の第４の実施例の磁束計の構造を示す平
面図。

【符号の説明】

１：基板、２：検出コイル、３：電流・電圧端子、４：
結晶粒界、５：ＳＱＵＩＤ、６：層間絶縁膜、７：弱結
合、８：入力コイル、９：超電導リング、１0：切り欠
き、１1：磁束計、１２：結合コイル、１８:コントロー
ル線、１９：端子、２０：可変抵抗、３０：交流電源、
４１：バイクリスタル基板、４２：バッファー層、４
３：基板の結晶粒界、４４：バッファー層の結晶粒界、
４５：下部超電導薄膜、４６：下部超電導薄膜の結晶粒
界、４７：層間絶縁膜用のメタルマスク、４８：層間絶
縁膜、４９：層間絶縁膜の結晶粒界、５０：上部超電導
薄膜、５１：上部超電導薄膜の結晶粒界、５２：貴金属
薄膜用のメタルマスク、５３：貴金属電極層、３００：
貴金属薄膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲高▼木一正埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者深沢徳海埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者五月女悦久埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者樽谷良信埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者齊藤和夫埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内Ｆターム(参考） 2G017 AA04 AD33 4M113 AA55 AC08 AD08 AD35 AD36 AD67 AD68 BA01 BA04 BA29 BC04 CA34

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板、該基板上に形成された第１の高温超
電導材料からなる薄膜、該第１の高温超電導薄膜上に形
成された絶縁体薄膜および第２の高温超電導材料からな
る薄膜の積層構造であるとともに、一つの高温超電導薄
膜に２つの弱結合を含む超電導リングと電流・電圧端子
で構成されるＳＱＵＩＤを複数個パターンニングすると
ともにそれぞれのＳＱＵＩＤの電流・電圧端子を相互に
接続してＳＱＵＩＤをカスケード接続し、他の高温超電
導薄膜に検出コイルおよび前記超電導リングと磁気結合
する入力コイルをパターンニングしたことを特徴とする
磁束計。
【請求項２】隣接する２個のＳＱＵＩＤ毎にこれらＳＱ
ＵＩＤを取り巻く結合コイルがパターニングされ、該結
合コイルと入力コイルとが磁気結合する配置とされた請
求項１記載の磁束計。
【請求項３】各ＳＱＵＩＤの超電導リングに磁気結合す
るコントロール線が前記検出コイルが形成される超電導
体薄膜にパターニングされた請求項２記載の磁束計。
【請求項４】基板、該基板上に形成された第１の高温超
電導材料からなる薄膜、該第１の高温超電導薄膜上に形
成された絶縁体薄膜および第２の高温超電導材料からな
る薄膜の積層構造であるとともに、一つの高温超電導薄
膜に２つの弱結合を含む超電導リングと電流・電圧端子
で構成されるＳＱＵＩＤを複数個パターンニングすると
ともにそれぞれのＳＱＵＩＤの電流・電圧端子を相互に
接続してＳＱＵＩＤをカスケード接続し、かつ、隣接す
る２個のＳＱＵＩＤ毎にこれらＳＱＵＩＤを取り巻く結
合コイルをパターニングし、他の高温超電導薄膜に検出
コイルおよび前記超電導リングおよび結合コイルと磁気
結合する入力コイルをパターンニングしたことを特徴と
する磁束計。