JP2018125358A

JP2018125358A - 磁気検出素子、これを用いた磁気測定装置、及び磁気検出素子の作製方法

Info

Publication number: JP2018125358A
Application number: JP2017014709A
Authority: JP
Inventors: 石丸　喜康; Yoshiyasu Ishimaru; 喜康石丸
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2017-01-30
Filing date: 2017-01-30
Publication date: 2018-08-09

Abstract

【課題】一つのチップで異なる使用環境で用いることのできる磁気検出素子を提供する。【解決手段】磁気検出素子は、基板と、前記基板に形成される第１の超伝導ループ及び第２の超伝導ループとを有し、前記第１の超伝導ループは、前記基板の主面に第１の傾斜角度で形成された第１段差のエッジに位置する第１のジョセフソン接合を有し、前記第２の超伝導ループは、前記基板の前記主面に第２の傾斜角度で形成された第２段差のエッジに位置する第２のジョセフソン接合を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、磁気検出素子とこれを用いた磁気測定装置、及び磁気検出素子の作製方法に関する。

従来から、超伝導体のジョセフソン接合をループにしたＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device：超伝導量子干渉素子）が高感度の磁気センサとして使用されている。ジョセフソン接合は、２つの超伝導体を数ナノメートル程度の薄い絶縁体または常伝導体のバリア層を介して弱く結合させたものである。ジョセフソン接合により、超伝導電子対がバリア層をトンネリングして２つの超伝導体の間に超伝導電流が流れる。

超伝導体のジョセフソン接合は、金属系超伝導体または酸化物系超伝導体を用いて形成される。金属系超伝導体で形成されるジョセフソン接合は、酸化物系超伝導体で形成されるジョセフソン接合に比べて電流−電圧特性が良いが、二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）を用いた場合でも、４０Ｋを超えて動作することはできない。そのため、主として液体ヘリウムが使用可能な環境で使用される。一方、酸化物系ジョセフソン接合は液体窒素の温度で使用できるので、金属系ジョセフソン接合よりも低コストかつ取り扱いが容易である。酸化物系のジョセフソン接合素子は、接合の臨界電流値を制御することで液体窒素の沸点（７７Ｋ）で使用できる外に、５０Ｋ〜７７Ｋに冷却可能な冷凍器を用いて使用することもできる。

酸化物系ジョセフソン接合の形成方法として、バイクリスタル基板上に作製したジョセフソン接合、段差基板上に作製したステップエッジ型のジョセフソン接合、界面改質バリアを用いたランプエッジ型のジョセフソン接合などが提案されている（たとえば、非特許文献１、特許文献１、及び特許文献２参照）。

特開平１１−７４５７３号公報特開２００１−９４１６３号公報

B．H．Moeckly et al．， Appl．Phys．Lett．71，2526(1997)．

ＳＱＵＩＤは、一般的に２個のジョセフソン接合を含むループ（DC-SQUID）が基本構造であり、ジョセフソン接合の特性でＳＱＵＩＤの特性や動作温度が決定される。同じ酸化物系の超伝導材料を用いる場合でも、使用環境によっては動作温度や動作条件が変わってくる場合がある。たとえば、電源が確保できない環境では、液体窒素を用いて７７ＫでＳＱＵＩＤを動作させる。電源が確保できる環境で長時間にわたってＳＱＵＩＤを使用する場合は、冷凍器を用いて７７Ｋよりも低い温度（たとえば６０Ｋ）でＳＱＵＩＤを動作させる。ジョセフソン電流値は動作温度の関数であり、低温になるほど大きくなる。したがって、液体窒素温度で動作するＳＱＵＩＤを、より低温の冷凍器で動作させるのは困難である。使用環境や動作温度を変えて高感度の磁気センサシステムを構成しようとすると、複数種類のＳＱＵＩＤ素子をシステム内に用意しなければならない。使用環境や温度条件に応じて異なる種類のＳＱＵＩＤチップを用意するのは煩雑であり、小型化の要請に反する。ひとつのＳＱＵＩＤチップで異なる使用環境に適用できることが望ましい。

そこで、本発明は、使用環境または使用温度に影響されにくい磁気検出素子と、これを用いた磁気測定装置を提供することを目的とする。

ひとつの態様では、磁気検出素子は、基板と、前記基板に形成される第１の超伝導ループ及び第２の超伝導ループとを有し、
前記第１の超伝導ループは、前記基板の主面に第１の傾斜角度で形成された第１段差のエッジに位置する第１のジョセフソン接合を有し、
前記第２の超伝導ループは、前記基板の前記主面に第２の傾斜角度で形成された第２段差のエッジに位置する第２のジョセフソン接合を有する。

使用環境または使用温度に影響されにくい磁気検出素子が実現される。

ステップエッジ接合の断面構造を説明する図である。ひとつのＳＱＵＩＤチップ内に２つのＳＱＵＩＤループを配置する場合に考えられ得る回路構成を示す図である。粒界角度とジョセフソン電流値の関係を説明する図である。実施形態の磁気検出素子としてのＳＱＵＩＤチップの構成例である。図４のＳＱＵＩＤチップの変形例である。基板への段差の形成を説明する図である。基板に形成された異なる角度の傾斜面を示す断面ＳＥＭ画像である。基板設定角度と、基板に形成される段差のできあがり角度（傾斜角度）の関係を示す図である。基板設定角度を変化させたときのＡ斜面とＢ斜面の断面ＳＥＭ画像である。実施形態の磁気検出素子の作製工程を示すフローチャートである。実施形態の磁気検出素子（ＳＱＵＩＤチップ）を用いた磁気測定装置の概略図である。

実施形態では、異なる使用環境や温度条件でも使用できる磁気検出素子を提供する。これを実現するために、磁気検出素子の一例であるＳＱＵＩＤチップに、異なるジョセフソン電流値を有するＳＱＵＩＤループを配置する。ＳＱＵＩＤループのジョセフソン電流値を異ならせるために、ステップエッジ型ジョセフソン接合の電流値が段差の角度によって大きく変化することを利用する。たとえば、ループ内に２つのジョセフソン接合を有するＳＱＵＩＤのジョセフソン接合を、ＳＱＵＩＤごとに異なる角度の段差に形成する。

同一のＳＱＵＩＤチップ内に複数のＳＱＵＩＤループを設けてジョセフソン電流値を制御する場合、接合部の超伝導体の膜厚や接合幅を変えるという選択肢がある。しかし、膜厚で電流値を制御する方法では、１回の成膜プロセスで膜厚を変化させることが難しい。ジョセフソン接合の接合幅は、イオンミリング加工時のレジストパターンの幅を変えることで調整可能であるが、ジョセフソン接合の線幅を大きくすると、接合特性自体が変化する。接合特性を変えずにジョセフソン電流値を制御できる線幅の可変範囲は２μｍ〜５μｍであり、ジョセフソン電流値を高々２．５倍程度にしか変化させることができない。

一方で、高温超電導体のジョセフソン接合の電流値は、７７Ｋ（臨界温度）の近傍で、温度変化により２．５倍を超えて大きく変化する。市販されている冷凍器の冷却温度は４０Ｋ〜６０Ｋであるが、その場合の電流値は、７７Ｋでのジョセフソン電流値の１０〜３０倍にもなり、線幅の変更だけで対処することはできない。

発明者は、ステップエッジ型のジョセフソン接合のジョセフソン電流値が、ステップ（段差）の角度で大きく変化することに着目して鋭意検討した結果、１回の加工工程（たとえばイオンミリング）で形成された異なる傾斜角度を有する段差に、１回の成膜工程で異なる電流特性のＳＱＵＩＤループを配置する構成に至った。

図１は、ステップエッジ型のジョセフソン接合を説明する図である。上段の図は超伝導薄膜のパターン１０４が形成された基板１０１の概略断面図、下段は上面図である。段差１０２を有する基板１０１上に、超伝導薄膜のパターン１０４が形成されている。段差１０２の上部のエッジ１０３で、ＹＢＣＯ（ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X）などの酸化物超伝導体の結晶構造に鋭い屈曲が導入され、ＹＢＣＯ中に局所的な歪による結晶粒界が形成される。結晶粒界は、電子対（クーパー対）の波動関数の広がりにとって障壁として働き、弱い結合のジョセフソン接合１０５が生成される。この意味で、ステップエッジ型のジョセフソン接合を粒界接合と呼んでもよい。ジョセフソン接合１０５を流れるジョセフソン電流値は段差１０２の角度θsに応じて大きく変化する。

図２は、ひとつのＳＱＵＩＤチップ１００に、ステップエッジ型のジョセフソン接合を有するＳＱＵＩＤループを２つ形成する場合に、一般に考えられる構成を示す。図２（Ａ）は上面図、図２（Ｂ）は、Ｉ−Ｉ’断面の概略図である。まず基板１０１の所定の箇所に段差１０２を形成する。段差１０２は、たとえば基板１０１の表面に所定の開口を有するレジストパターンを形成し、開口内にイオンミリングによるイオン照射を行うことで形成される。基板１０１を回転させながらイオン照射を行うことで、同一形状の斜面を有する段差１０２に囲まれた凹部１０８が形成される。

その後、レジストパターンを除去し、基板１０１の所定の位置に、超伝導材料を用いて一回の成膜と１回の加工工程で超伝導パターンを形成する。この例では、ピックアップループ１２０と、ピックアップコイル１２０に直接結合された２つのＳＱＵＩＤループ１１０−１及び１１０−２を含む超伝導パターンが形成されている。ＳＱＵＩＤループ１１０−１と１１０−２の大きさはミクロンオーダーである。ピックアップループ１２０の大きさは基板１０１の寸法で制限され、たとえばセンチメートルのオーダーである。ピックアップコイル１２０とＳＱＵＩＤループ１１０−１、１１０−２を結合する信号線路１３０は、入力コイルとしても機能する。

２つのＳＱＵＩＤループ１１０−１と１１０−２は、段差１０２が形成されている位置に並んで配置され、ＳＱＵＩＤループ１１０−１と１１０−２の各々において、クロスマークで示される位置にジョセフソン接合１０５が形成されている。ピックアップループ１２０は閉ループ内にジョセフソン接合を含まないので、超伝導転移温度以下であれば動作する。したがって、ＳＱＵＩＤチップ１００の動作温度は、ジョセフソン接合１０５の特性で決定される。

図２の配置構成では、同じ傾斜面に形成されたＳＱＵＩＤループ１１０−１と１１０−２のジョセフソン電流値はほぼ同じであり、単一の温度（たとえば液体窒素温度）でしか動作できない。これでは使用環境に応じて条件が適合する方のＳＱＵＩＤループを選択的に用いることができない。図２の構成と加工方法でＳＱＵＩＤループ１１０−１と１１０−２の間でジョセフソン電流値を異ならせるには、薄膜加工の段階でジョセフソン接合の箇所の線幅を異ならせることが考えられる。しかし、上述したように、線幅の制御で変化させることのできる電流値は高々２．５倍までである。そこで、実施形態では段差の異なる傾斜面を利用してＳＱＵＩＤループを形成する。

図３は、粒界角度とジョセフソン電流値の関係を説明する図である。粒界角度（ジョセフソン接合が形成される界面の角度）は、基板面に対する法線からの角度であり、図１に示した段差１０２の角度θsとほぼ一致する。図３の横軸は粒界角度、縦軸はジョセフソン接合に流れる超伝導電流密度（A/cm²）である。２つのジョセフソン接合を有するＳＱＵＩＤループに一定のバイアス電流が印加されてＳＱＵＩＤループの入力端と出力端の間に電圧が発生すると、交差磁束に対して周期的に変化する交流の超伝導電流が流れる。図中の四角マークは高レベル電流値、三角マークは低レベル電流値である。

粒界角度が０°から４５°に増大すると、ジョセフソン接合に流れる超伝導電流密度が減少する。その減少の割合は２０°の変化で３桁減少し、約７°の変化で１桁減少するほどに大きい。ジョセフソン接合の膜厚や線幅の制御では実現できない変化率である。粒界の構造として、チルト、ツイスト、basal-plane-faced tiltの３種類があるが、いずれの粒界構造でも粒界角度が７°大きくなると、超伝導電流密度が１桁減少する。この現象に基づいて、実施形態では複数のＳＱＵＩＤループをそれぞれ異なる傾斜角度の段差に形成する。

図４は、実施形態の磁気検出素子としてのＳＱＵＩＤチップ１０Ａの概略図である。図４（Ａ）は上面図、図４（Ｂ）はII−II’断面での概略図である。ＳＱＵＩＤチップ１０Ａは、異なる傾斜角の段差に形成された２つのＳＱＵＩＤループ１１０−１、１１０−２を有する。基板１０１の主面に凹部１０８−１と、凹部１０８−２が形成されている。ＳＱＵＩＤループ１１０−１は、基板１０１の主面から凹部１０８−１にまたがって形成されている。ＳＱＵＩＤループ１１０−２は、基板１０１の主面から凹部１０８−２にまたがって形成されている。凹部１０８−１は、傾斜角度の異なる段差１２ａと段差１２ｂを有する。同様に、凹部１０８−２は傾斜角度の異なる段差１２ａと段差１２ｂを有する。

ＳＱＵＩＤループ１１０−１は、凹部１０８−１の段差１２ａの側に配置されており、ジョセフソン接合１０５ａは段差１２ａの上部エッジ１３ａに形成されている。ＳＱＵＩＤループ１１０−２は、凹部１０８−２の段差１２ｂの側の側に形成されており、ジョセフソン接合１０５ｂは段差１２ｂの上部エッジ１３ｂに形成されている。

凹部１０８−１及び１０８−２は、ピックアップループ１２０と２つのＳＱＵＩＤループ１１０−１、１１０−２を含む超伝導パターンの形成前に、基板１０１に形成される。基板１０１は、たとえば酸化物基板である。基板１０１上に、２つの開口部を有するレジストパターンを形成し、イオンミリングで開口内にイオンビームを照射する。基板１０１を回転させずに固定し、基板１０１に対して斜めにイオンビームを照射することで、凹部１０８−１に、傾斜角度の異なる段差１２ａ、１２ｂが形成される。同時に、凹部１０８−２にも、傾斜角度の異なる段差１２ａ、１２ｂが形成される。

このように加工された基板上に、ＳＱＵＩＤループ１１０−１、１１０−２と、ピックアップループ１２０及び信号線路（または入力コイル）１３０を含む超伝導パターンを形成する。たとえば、パルスレーザデポジッション（ＰＬＤ：Pulse Laser Deposition）法で、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xの薄膜を厚さ２００ｎｍに堆積する。一例として波長２４８ｎｍのエキシマレーザを用い、発振周波数５Ｈｚ、ターゲット上のレーザーパワー密度を２J/cm²とする。堆積中の酸素分圧は１３．３Ｐａ、基板温度は７４０℃である。ＹＢＣＯ薄膜の堆積後に、レジスト露光プロセスで、超伝導パターンに対応する形状のレジストパターンを形成する。レジストパターンを用いてＡｒイオンミリングで薄膜を加工することで、超伝導パターンが形成される。最後にレジストパターンをアッシング処理して、ＳＱＵＩＤチップ１０Ａが完成する。

ＳＱＵＩＤループ１１０−１のジョセフソン接合１０５ａを段差１２ａに形成し、ＳＱＵＩＤループ１１０−２のジョセフソン接合１０５ｂを、異なる傾斜角度の段差１２ｂに形成することで、異なるジョセフソン電流値を有する２種類のＳＱＵＩＤループを作製することができる。

図４の例で、ＳＱＵＩＤループ１１０−１と１１０−２は、それぞれ２つのジョセフソン接合を有するＤＣ−ＳＱＵＩＤであり、異なる電流値で動作する磁束センサとして機能する。ＳＱＵＩＤループ１１０−１と１１０−２の各々で、２つのジョセフソン接合を接続するループの一方の端部は接地されており、他方の端部は外部への引き出し線に接続されている。この構成により、使用環境によっていずれか特性の良い方のＳＱＵＩＤ出力を選択的に用いることができる。外部磁束を検出するピックアップループ１２０を基板１０１のサイズのオーダーに形成することで、ＳＱＵＩＤの感度を高める。基板１０１には、ＳＱＵＩＤチップ１０Ａの信号処理用のフィードバックループで用いられるフィードバックコイルが形成されていてもよい。

ＳＱＵＩＤチップ１０Ａは、２種類の動作温度、例えば液体窒素温度と冷凍器温度で動作可能である。たとえば、ＳＱＵＩＤチップ１０Ａを７７Ｋの温度環境で用いて、粒界角度が３３°のＳＱＵＩＤループ１１０−１の出力を選択していたとする。このＳＱＵＩＤチップ１０Ａが６０Ｋの冷却器で用いられ、ジョセフソン電流値が１０倍に増大する場合は、たとえば４０°の段差に形成されたＳＱＵＩＤループ１１０−２の出力値を用いることで、同じＳＱＵＩＤチップ１０Ａを異なる環境で使用することができる。

図５は、図４の変形例としてのＳＱＵＩＤチップ１０Ｂの概略図である。図５（Ａ）は上面図、図５（Ｂ）はIII−III’断面での概略図である。ＳＱＵＩＤチップ１０Ｂでは、ＳＱＵＩＤループ１１０−１とＳＱＵＩＤループ１１０−２が、ひとつの凹部１０８の互いに向かい合う段差１２ａと段差１２ｂに形成されている。段差１２ａと段差１２ｂは、異なる角度で傾斜している。段差１２ａの上部エッジ１３ａに形成されるジョセフソン接合１０５ａの粒界角度と、段差１２ｂの上部エッジ１３ｂに形成されるジョセフソン接合１０５ｂの粒界角度は異なる。したがって、ＳＱＵＩＤループ１１０−１とＳＱＵＩＤループ１１０−２は異なるジョセフソン電流値を有する。

凹部１０８の形成方法は、図４と同様である。基板１０１上に、凹部１０８に相当する位置に開口を有するレジストパターンを形成し、基板１０１を回転させずに固定して斜めにイオン照射を行う。レジストパターンを除去した後に、凹部１０８が形成された基板１０１上に、ピックアップループ１２０、信号線路１３０、及び２つのＳＱＵＩＤループ１１０−１、１１０−２を含む超伝導パターンを、１回の成膜と１回の加工で形成する。

この構成でも、ＳＱＵＩＤループ１１０−１と１１０−２を異なる傾斜角度の段差１２ａと１２ｂに形成することで、異なるジョセフソン電流値を有する２種類のステップエッジ接合を実現できる。ＳＱＵＩＤチップ１０Ｂは、２種類の動作温度、例えば液体窒素温度と冷凍器温度で動作可能である。

図６は、異なる傾斜角の段差の形成を説明する図である。ウェハＷの表面に段差を形成するときに、ウェハＷの表面に対して斜めにイオン照射を行う。図中、ウェハＷは基板上に形成されたレジストパターンを含み、イオンビームは水平方向の平行な矢印で示されている。この例では、ウェハＷを所定の基板設定角度θwで傾けた状態で固定し、水平方向からイオン照射を行っているが、ウェハＷを水平面に固定して、斜め方向からイオン照射してもよい。ウェハＷを回転させずに、ウェハＷの主面に対して斜めにイオン照射を行うことで、Ａ斜面形成側とＢ斜面形成側で、異なる角度で基板がエッチングされる。

図７は、実際にイオンミリングで作製した段差斜面の断面ＳＥＭ画像である。図７（Ａ）はＡ斜面での加工形状、図７（Ｂ）はＢ斜面での加工形状を示す。試料の作製工程は以下のとおりである。厚さ０．５ｍｍ、１５ｍｍ角のＭｇＯ基板上に、ポジ型レジストをスピンコータで厚さ約１μｍに塗布する。その後、８５℃で２０分のプリベークを行って、露光装置で凹部１０８の上部エッジに対応する形状の矩形領域を露光する。レジストの現像とリンスを行った後に、１１５℃で１０分のポストベークを行って、所定の開口パターンを有するレジストマスクを形成する。

次に、Ａｒ（アルゴン）イオンミリング装置で、水平方向から入射するイオンビームに対して、基板を水平面から角度θw傾けてセットする。イオンミリング中は基板を回転させずに、基板とビームとの位置関係を固定する。イオンミリング終了後に酸素アッシング装置でレジストを除去する。この試料の場合、段差形状の断面ＳＥＭ観察をするために、加工された基板面にチタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）をそれぞれ１０ｎｍと５０ｎｍの厚さに堆積した。

図７から分かるように、イオンが入射するレジストの２つの斜面でステップ形状がまったく異なることが分かる。Ｂ斜面のステップの平均角度は５５°、Ａ斜面のステップの平均角度は１５°と、傾斜角度に大きく差があることがわかる。

図８は、基板設定角度（またはイオンビーム角度）と、出来上がった段差のステップ角度との関係を示す図である。図８（Ａ）と図８（Ｂ）で横軸は基板設定角度θwである。図８（Ａ）は基板設定角度θwに対するＡ斜面のステップ角度θs、図８（Ｂ）は基板設定角度θwに対するＢ斜面のステップ角度θsを示す。上述した作製工程で、基板設定角度を２０°、３０°、４０°、４５°、６０°、７５°と変えて、イオンミリングで複数種類の試料を作製した。

Ａ斜面では、基板設定角度θwが大きくなるほど、できあがりのステップ角度θsは小さくる。Ｂ斜面では、基板設定角度θwが大きくなるほど、できあがりのステップ角度θsは大きくなる。図８の関係と、図３の関係に基づいて、基板設定角度またはイオンビーム角度を適切に選択することで、異なるジョセフソン電流値を有する２つのＳＱＵＩＤループを同時に形成することができる。

図９は、基板設定角度が２０°、４０°、６０°、７５°のときの試料のＡ斜面とＢ斜面の断面ＳＥＭ画像である。イオンミリング時間は４０分に固定した。Ａ斜面では、基板設定角度θwが大きくなるほど、段差がなだらかになるのに対し、Ｂ斜面では、基板設定角度θwが大きくなるほど、段差が急峻になる。図８のプロット結果に示される通りである。

図１０は、実施形態の磁気検出素子の作製方法を示すフローチャートである。磁気検出素子として、２つの異なる電流値を有するＳＱＵＩＤチップを作製する。まず、ステップエッジ型のジョセフソン接合の粒界角度（またはステップ角度）とジョセフソン電流値の関係を取得する（Ｓ１１）。粒界角度とジョセフソン電流値の関係は、図３のように、粒界角度と電流の高レベル及び低レベルを対応付けた対応テーブルでもよいし、近似式Ｊ（θs）で取得してもよい。この場合、ＳＱＵＩＤループを形成する超伝導パターンの線幅はあらかじめ設計された値を用いるものとする。

また、基板設定角度（またはイオンビーム照射角度）と、できあがりのステップ角度の関係を、斜面ごとに取得する（Ｓ１２）。基板設定角度（またはイオンビーム照射角度）とステップ角度の関係は、図８のように、Ａ斜面とＢ斜面のそれぞれで近似式Ｓ_Ａ（θw）、Ｓ_Ｂ（θw）として取得してもよいし、基板設定角度ごとに、Ａ斜面のステップ角度とＢ斜面のステップ角度とを対応づけたテーブルとして取得してもよい。ステップＳ１１とＳ１２は順不同である。

次に、ステップＳ１１とＳ１２で得られた関係、たとえば、Ｊ（θs）、Ｓ_Ａ（θw）、及びＳ_Ｂ（θw）に基づいて、ターゲットとする複数のジョセフソン電流値を得るための基板設定角度またはイオンビーム照射角度を決定する（Ｓ１３）。

次に、決定された基板設定角度またはイオンビーム照射角度で、基板に異なる角度の段差を形成する（Ｓ１４）。このとき、基板を回転させずに、基板面とイオンビームとの相対角度を固定するのがのぞましい。これにより、異なる傾斜角度の段差を一度の加工で形成することができる。

最後に、異なる傾斜角の段差のそれぞれに超伝導パターンを形成して、複数のジョセフソン電流値を有するＳＱＵＩＤチップを作製する（Ｓ１５）。このＳＱＵＩＤチップを用いることで、使用環境に応じて動作温度に適したＳＱＵＩＤループの出力を選択的に用いることができる。

たとえば、基板設定角度を４５°にして、イオンミリングによりステップ角度が３６°と２４°の段差を同時に形成して、各段差にＳＱＵＩＤループを形成する。この場合、ひとつのＳＱＵＩＤチップで液体窒素の沸点（７７Ｋ）での使用環境と、６０Ｋの冷凍器内での使用環境の両方に対応することができる。基板設定角度を６０°にしてイオンミリングでステップ角度が４０°と２０°の段差を同時に形成して、各段差にＳＱＵＩＤループを形成した場合、ひとつのＳＱＵＩＤチップで液体窒素の使用環境と、５０Ｋの冷凍器内での使用環境の両方に対応することができる。

図１１は、実施形態のＳＱＵＩＤチップ１０を用いた磁気測定装置１の概略図である。磁気測定装置１は、低温保持容器２内に配置される超伝導磁気センサとしてのＳＱＵＩＤチップ１０を有する。低温保持容器２は断熱真空容器であり、内部を極低温環境に保持することができる。低温保持容器２は、たとえば、樹脂容器とガラス（石英）デューワの二重構造となっており、外側の樹脂容器と内側のガラスデューワの間が真空に維持されている。低温保持容器２内には、液体窒素８が充填されている。

ＳＱＵＩＤチップ１０から延びる引き出し線９は、圧力解放弁付きの蓋３を貫通して低温保持容器２の外部に引き出され、ＦＬＬ（Flux Locked Loop；磁束ロックループ）回路４に接続される。ＦＬＬ回路４の出力電圧はＡＳＰ（Analog Signal Processor；アナログ信号プロセッサ）５でフィルタ処理され、データ収録装置６に記録される。

ＳＱＵＩＤループ１１０−１及び１１０−２にはバイアス電流が印加されており、ジョセフソン接合の障壁をトンネリングした超伝導電流が流れている。ＳＱＵＩＤに外部磁界が加えられると、その磁界を打ち消す方向に超伝導電流が流れ、磁界に比例した電圧がジョセフソン接合の両端に発生する。磁束変化と出力電圧の関係は線形でないため、ＦＬＬ回路４で負帰還を行う。ＦＬＬ回路４は、選択されたＳＱＵＩＤループの出力電圧を積分して積分電圧をＡＳＰ５に出力するとともに、ＳＱＵＩＤチップ１０に形成されたフィードバックコイルを介して積分電圧を帰還磁束としてＳＱＵＩＤループに返す。これによりＳＱＵＩＤループの鎖交磁束はゼロにロックされ、ＦＬＬ回路４の出力電圧は検知された信号磁束に比例したものとなる。

このような磁気測定装置１は、地質探査システム、棟梁・道路・トンネルなどのインフラの検査システム、脳磁計測システムなどに用いることができる。いずれの場合も、低温環境に保持された多数のＳＱＵＩＤチップを用いて、微小な脳磁場や地磁気を測定する。地質探査システムのように屋外で地磁気を観測する場合は、電源を用いることができない場合もあるが、実施形態のＳＱＵＩＤチップ１０で液体窒素の温度で動作する方のＳＱＵＩＤループの出力を選択することで、精度良く磁気測定を行うことができる。また、７７Ｋよりも低い温度の冷凍器を用いる環境では、冷凍器の温度で動作するＳＱＵＩＤループの出力を用いることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されず、種々の変形例も含む。たとえば、実施形態では、酸化物系超伝導材料としてＹＢＣＯ（たとえばＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７）を用いたが、ＢＳＣＣＯ系材料（たとえばＢｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０）などの他の酸化物高温超伝導体を用いてもよい。ＳＱＵＩＤループ１１０−１と１１０−２の線幅は同じであってもよいが、異なる線幅にして、ジョセフソン電流値を微細に制御してもよい。段差の角度による大きな電流変化と、線幅による微細な電流変化を組み合わせて、より精度良く動作電流を制御してもよい。

図４、及び図５の構成では、２つのＳＱＵＩＤループ１１０−１及び１１０−２が、ピックアップループ１２０と同じ層で直接結合されているが、ピックアップループ１２０と信号線路１３０は、必ずしもＳＱＵＩＤループ１１０−１、１１０−２と同じ層に形成されていなくてもよい。ピックアップループ１２０と信号線路１３０は、たとえば絶縁層を介してＳＱＵＩＤループ１１０−１及び１１０−２と異なる層に形成されていてもよい。この場合、ＳＱＵＩＤループ１１０−１及び１１０−２とピックアップコイル１２０を、ビアプラグを介して直接結合する構成としてもよいし、インプットコイル１３０を介して電磁誘導で磁気的に結合する構成としてもよい。

図４、及び図５では、単相のピックアップコイル１２０のように描かれているが、異なる層に逆相に巻かれたコイルを形成して差動構成されたグラジオメータとして用いてもよい。

実施形態では、一度の加工プロセスで基板に矩形の凹部１０８を形成して、向かい合う位置に形成された角度の異なる段差１２ａ、１２ｂを利用しているが、残りの傾斜面も利用して、３種類の異なるステップエッジ接合（３つのＳＱＵＩＤループ）を形成してもよい。また、凹部の形状を三角形にして、３種類の段差を利用してもよい。

ジョセフソン電流値の異なるステップエッジ接合を形成して、ひとつのＳＱＵＩＤチップ内に、液体窒素温度で動作するＳＱＵＩＤループと、より低温の冷凍器で動作するＳＱＵＩＤループとを同時に形成する。電源が確保できない場合には液体窒素下で、また電源が確保できて長時間の使用を行いたい場合には冷凍器の温度で使用することができる。

以上の説明につき、以下の付記を呈示する。
（付記１）
基板と、
前記基板に形成される第１の超伝導ループ及び第２の超伝導ループと、
を有し、
前記第１の超伝導ループは、前記基板の主面に第１の傾斜角度で形成された第１段差のエッジに位置する第１のジョセフソン接合を有し、
前記第２の超伝導ループは、前記基板の前記主面に第２の傾斜角度で形成された第２段差のエッジに位置する第２のジョセフソン接合を有する
ことを特徴とする磁気検出素子。
（付記２）
前記基板は、前記基板に形成された第１の凹部と第２の凹部を有し、
前記第１のジョセフソン接合は、前記第１の凹部に形成されている前記第１段差のエッジに位置し、
前記第２のジョセフソン接合は、前記第２の凹部に形成されている前記第２段差のエッジに位置することを特徴とする付記１に記載の磁気検出素子。
（付記３）
前記基板は、前記基板に形成された凹部を有し、
前記凹部は、前記第１段差と、前記第２段差とを有し、
前記第１のジョセフソン接合は、前記凹部の前記第１段差のエッジに位置し、
前記第２のジョセフソン接合は、前記凹部の前記第２段差のエッジに位置することを特徴とする付記１に記載の磁気検出素子。
（付記４）
前記第１段差と前記第２段差は、前記凹部の互いに対向する斜面であり、
前記第１の超伝導ループと前記第２の超伝導ループは、前記凹部を間に挟んで対向して位置することを特徴とする付記３に記載の磁気検出素子。
（付記５）
前記第１の超伝導ループと前記第２の超伝導ループの外側で前記基板の外周に沿って位置する第３の超伝導ループ、
をさらに有し、前記第１の超伝導ループと前記第２の超伝導ループは前記第３の超伝導ループと磁気的に結合していることを特徴とする付記１〜４のいずれかに記載の磁気検出素子。
（付記６）
前記第1の超伝導ループと前記第２の超伝導ループは同じ膜厚を有することを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の磁気検出素子。
（付記７）
前記第１の超伝導ループと前記第２の超伝導ループは同じ線幅を有することを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の磁気検出素子。
（付記８）
前記第１の超伝導ループと前記第２の超伝導ループは同じ超伝導材料で形成されていることを特徴とする付記１〜７のいずれかに記載の磁気検出素子。
（付記９）
前記第１の超伝導ループは前記第１段差のエッジに前記第１のジョセフソン接合を２つ有し、
前記第２の超伝導ループは前記第２段差のエッジに前記第２のジョセフソン接合を２つ有することを特徴とする付記１〜８のいずれかに記載の磁気検出素子。
（付記１０）
付記１〜９のいずれかに記載の磁気検出素子と、
前記磁気検出素子を低温環境下で保持する低温保持容器と、
前記磁気検出素子に接続されて前記磁気検出素子の出力をフィードバック制御する磁束ロックループ回路と、
を有することを特徴とする磁気測定装置。
（付記１１）
ステップエッジ型のジョセフソン接合の粒界角度またはステップ角度と、ジョセフソン電流値の関係を表わす第１の関係を取得し、
前記ジョセフソン接合が形成される基板と前記基板を加工するビームとの相対角度と、前記ビームによって形成される段差の角度の関係を表わす第２の関係を、異なる斜面の各々について取得し、
前記第１の関係と、前記第２の関係に基づいて、ターゲットとする複数のジョセフソン電流値を得るための前記基板の設定角度または前記照射角度を決定し、
決定された前記基板の設定角度または前記照射角度で、前記基板に異なる傾斜角度を有する複数の段差を形成し、
前記複数の段差のそれぞれに超伝導材料でループパターンを形成する、
ことを特徴とする磁気検出素子の作製方法。
（付記１２）
前記複数の段差は、前記基板と前記ビームとの位置関係を固定して、一度の照射で形成されることを特徴とする付記１１に記載の磁気検出素子の作製方法。

１磁気測定装置
２低温保持容器
４ＦＬＬ回路（磁束ロックループ回路）
１０、１０Ａ、１０ＢＳＱＵＩＤチップ（磁気検出素子）
１２ａ、１２ｂ段差
１３ａ、１３ｂ上部エッジ
１０５ａ、１０５ｂジョセフソン接合
１０８、１０８−１、１０８−２凹部
１１０−１ＳＱＵＩＤループ（第１の超伝導ループ）
１１０−２ＳＱＵＩＤループ（第２の超伝導ループ）
１２０ピックアップループ（第３の超伝導ループ）

Claims

基板と、
前記基板に形成される第１の超伝導ループ及び第２の超伝導ループと、
を有し、
前記第１の超伝導ループは、前記基板の主面に第１の傾斜角度で形成された第１段差のエッジに位置する第１のジョセフソン接合を有し、
前記第２の超伝導ループは、前記基板の前記主面に第２の傾斜角度で形成された第２段差のエッジに位置する第２のジョセフソン接合を有する
ことを特徴とする磁気検出素子。
前記基板は、前記基板に形成された第１の凹部と第２の凹部を有し、
前記第１のジョセフソン接合は、前記第１の凹部に形成されている前記第１段差のエッジに位置し、
前記第２のジョセフソン接合は、前記第２の凹部に形成されている前記第２段差のエッジに位置することを特徴とする請求項１に記載の磁気検出素子。
前記基板は、前記基板に形成された凹部を有し、
前記凹部は、前記第１段差と、前記第２段差とを有し、
前記第１のジョセフソン接合は、前記凹部の前記第１段差のエッジに位置し、
前記第２のジョセフソン接合は、前記凹部の前記第２段差のエッジに位置することを特徴とする請求項１に記載の磁気検出素子。
前記第１段差と前記第２段差は、前記凹部の互いに対向する斜面であり、
前記第１の超伝導ループと前記第２の超伝導ループは、前記凹部を間に挟んで対向して位置することを特徴とする請求項３に記載の磁気検出素子。
前記第１の超伝導ループと前記第２の超伝導ループの外側で前記基板の外周に沿って位置する第３の超伝導ループ、
をさらに有し、前記第１の超伝導ループと前記第２の超伝導ループは前記第３の超伝導ループと磁気的に結合していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気検出素子。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気検出素子と、
前記磁気検出素子を低温環境下で保持する低温保持容器と、
前記磁気検出素子に接続されて前記磁気検出素子の出力をフィードバック制御する磁束ロックループ回路と、
を有することを特徴とする磁気測定装置。
ステップエッジ型のジョセフソン接合の粒界角度またはステップ角度と、ジョセフソン電流値の関係を表わす第１の関係を取得し、
前記ジョセフソン接合が形成される基板と前記基板を加工するビームとの相対角度と、前記ビームによって形成される段差の角度の関係を表わす第２の関係を、異なる斜面の各々について取得し、
前記第１の関係と、前記第２の関係に基づいて、ターゲットとする複数のジョセフソン電流値を得るための前記基板の設定角度または前記照射角度を決定し、
決定された前記基板の設定角度または前記照射角度で、前記基板に異なる傾斜角度を有する複数の段差を形成し、
前記複数の段差のそれぞれに超伝導材料でループパターンを形成する、
ことを特徴とする磁気検出素子の作製方法。