JP2020094940A - 磁気センサ、及び磁気センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】感度を高めることが可能な磁気センサ、及び磁気センサの製造方法を提供すること。【解決手段】第１の基板２０と、第１の基板２０の第１の表面２０ａに形成された第１の超電導材料を含むコイル２１と、第１の基板２０の上方に配置され、第１の表面２０ａに対向する第２の表面３１ａを備えた第２の基板３１と、第１の表面２０ａ側から第２の表面３１ａ側に延び、第１の基板２０と第２の基板３１の各々に接続された複数のカーボンナノチューブ５３と、平面視で少なくとも一部がコイル２１に重なるように第２の表面３１ａに形成され、かつジョセフソン接合Jを備えた第２の超電導材料を含むループ３２とを有する磁気センサによる。【選択図】図１６

Description

本発明は、磁気センサ、及び磁気センサの製造方法に関する。

微弱な磁気を高い感度で検出することができるデバイスにSQUID(Superconducting Quantum Interference Device)素子がある。SQUID素子は、超電導体のループの途中にジョセフソン接合が設けられた構造を有しており、高い感度で磁気を検出できる特性を活かして資源探査等の分野で利用されている。

しかしながら、SQUID素子を利用した磁気センサには、感度を更に高めるという点で改善の余地がある。

特開２０１０−１０３３９７号公報 特開２００８−４７７８４号公報

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、感度を高めることが可能な磁気センサ、及び磁気センサの製造方法を提供することを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、第１の基板と、前記第１の基板の第１の表面に形成された第１の超電導材料を含むコイルと、前記第１の基板の上方に配置され、前記第１の表面に対向する第２の表面を備えた第２の基板と、前記第１の表面側から前記第２の表面側に延び、前記第１の基板と前記第２の基板の各々に接続された複数のカーボンナノチューブと、平面視で少なくとも一部が前記コイルに重なるように前記第２の表面に形成され、かつジョセフソン接合を備えた第２の超電導材料を含むループとを有する磁気センサが提供される。

本発明によれば、互いに対向する第１の表面と第２の表面の各々にコイルとループを形成するため、これらの間に第２の基板が介在しなくなり、コイルにループを近接させて磁気センサの感度を高めることができる。

図１は、検討に使用した磁気センサの平面図とその拡大平面図である。 図２は、図１のI−I線とII−II線のそれぞれに沿う断面図である。 図３は、第１実施形態で使用する第１の基板の平面図とその拡大平面図である。 図４は、図３のIII−III線とIV−IV線のそれぞれに沿う断面図である。 図５は、第１実施形態において第１の基板と共に使用されるSQUID素子の平面図である。 図６は、図５のV−V線とVI−VI線のそれぞれに沿う断面図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係るSQUID素子の製造途中の断面図（その１）である。 図８（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係るSQUID素子の製造途中の断面図（その２）である。 図９（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係るカーボンナノチューブの成長方法について説明するための断面図である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る磁気センサの製造途中の断面図（その１）である。 図１１は、第１実施形態に係る磁気センサの製造途中の断面図（その２）である。 図１２は、第１実施形態に係る磁気センサの製造途中の断面図（その３）である。 図１３は、第１実施形態に係る磁気センサの製造途中の断面図（その４）である。 図１４は、第１実施形態に係る磁気センサの製造途中の断面図（その５）である。 図１５は、第１実施形態に係る磁気センサの製造途中の断面図（その６）である。 図１６は、第１実施形態に係る磁気センサの製造途中の断面図（その７）である。 図１７は、第１実施形態に係る磁気センサの製造途中における第１の基板の素子領域の平面図である。 図１８は、第１実施形態に係る磁気センサの製造途中における検出コイルとループとの位置関係を示す平面図である。 図１９は、第１実施形態に係る磁気センサの平面図である。 図２０は、第１実施形態に係る磁気センサの使用方法について示す平面図である。 図２１は、第１実施形態におけるカーボンナノチューブ束の弾力性の調査結果を示す図である。 図２２は、第２実施形態に係る第１の基板の素子形成領域の平面図である。 図２３は、図２２のIII−III線断面に相当する第１の断面と、図２２のIV−IV線断面に相当する第２断面を示す図である。 図２４（ａ）、（ｂ）は、第３実施形態に係る磁気センサの製造途中の断面図（その１）である。 図２５は、第３実施形態に係る磁気センサの製造途中の断面図（その２）である。 図２６は、第３実施形態に係る磁気センサの製造途中の断面図（その３）である。 図２７は、第３実施形態に係る磁気センサの製造途中の断面図（その４）である。 図２８は、第３実施形態に係る磁気センサの製造途中の断面図（その５）である。 図２９は、第３実施形態の別の例に係る磁気センサの断面図である。

本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。

図１は、検討に使用した磁気センサの平面図とその拡大平面図である。

この磁気センサ１は、地磁気等の微弱な磁気を検出するセンサであって、第１の基板２とこれに接着されたSQUID素子３とを有する。

このうち、第１の基板２はMgO基板等の絶縁性の基板である。また、第１の基板２の表面には検出コイル５が形成される。検出コイル５は、YBCO(YBa₂Cu₃O_7?x)等の酸化物超電導体から形成された概略円形のコイルであり、その内側を検出対象の磁束が貫く。このような検出コイル５が一つだけ設けられた磁気センサ１はグラジオメータと呼ばれる。また、二つの検出コイル５が縦方向又は横方向に並べられた磁気センサ１は、磁場偏差型のセンサであり、マグネトメータと呼ばれる。

一方、SQUID素子３は、拡大平面図に示すように、第２の基板４とその上に形成されたループ７とを有する。

第２の基板４は、第１の基板２と同様にMgO等の基板であり、その表面に段差４ｘが形成される。そして、その段差４ｘに重なるようにループ７が形成される。

この例では、ループ７の材料として、検出コイル５と同様にYBCO等の酸化物超電導体を使用する。段差４ｘにおけるループ７には酸化物超電導体の粒界が形成され、その粒界がジョセフソン接合Jとなる。このように段差４ｘを利用したジョセフソン接合Jはステップエッジ接合とも呼ばれる。

そのループ７を平面視で検出コイル５に重なるように設けることで検出コイル５とループ７とが相互に磁気的に結合し、検出コイル５を貫く磁束に応じた電流がループ７に流れる。

更に、第２の基板４の表面には、ループ７を流れる電流を外部に取り出すための第１の電極８と第２の電極９が形成される。これらの電極８、９は、例えば厚さが２０nm〜５００nmの金膜をパターニングすることで形成される。

図２は、図１のI−I線とII−II線のそれぞれに沿う断面図である。

図２に示すように、第２の基板４は、検出コイル５とループ７とを絶縁する絶縁体としての役割も担っており、相対する第１の表面４ａと第２の表面４ｂとを有する。このうち、第１の基板２に相対する第１の表面４ａは平坦面となっており、接着剤１０を介して検出コイル５と接着される。

一方、第２の表面４ｂには前述の段差４ｘが形成される。段差４ｘの高低差は２０nm〜１０００nm、例えば４００nm程度であり、その段差４ｘにループ７が２００nm程度の厚さに形成される。なお、第２の基板４の厚さは、例えば１００μm〜１０００μm程度である。

このような磁気センサ１によれば、実使用下において各基板２、４を液体窒素に浸漬し、検出コイル５とループ７の各々を−１９６℃に冷却して超電導状態とする。そして、検出対象の磁束が検出コイル５を貫くことにより、その磁束に応じてループ７に流れる電流が各電極８、９から外部に取り出される。

磁気センサ１における磁束の検出感度を高めるには、検出コイル５とループ７との間隔Dを小さくすることで検出コイル５とループ７との相互インダクタンスを大きくすればよい。

しかしながら、この例では、第２の基板４の第２の表面４ｂにループ７を形成したため、第２の基板４の厚みによって検出コイル５にループ７を近づけることができない。

しかも、検出コイル５の材料であるYBCOの熱膨張係数が約９．２ppmk^-1であるのに対し、第２の基板４の材料であるMgOの熱膨張係数は約１１ppmk^-1であり、第２の基板４と検出コイル５は異なる熱膨張係数を有する。よって、この例のように検出コイル５に第２の基板４を接着すると、熱膨張係数の相違に起因した基板横方向の応力が検出コイル５に作用し、それにより検出コイル５にクラックが入るという問題が生じてしまう。

特に、液体窒素の温度（−１９６℃）から室温に至る広い温度範囲の熱履歴が磁気センサ１に繰り返し加わると、検出コイル５に応力が繰り返して作用してクラックが生じ易くなり、磁気センサ１の信頼性が著しく低下する。

これを避けるために、第２の基板４の表裏を逆にして、銀ペースト等によって第２の表面４ｂ側を第１の基板２に接着することも考えられる。これにより、検出コイル５にループ７が近接すると共に、検出コイル５と第２の基板４とが接合しない構造が得られる。

しかしながら、第２の表面４ｂには段差４ｘや各電極８、９等によって大きな凹凸が形成されているため、銀ペーストではその凹凸を吸収しきれず、第２の表面４ｂ側を第１の基板２に良好に接合するのは難しい。特に、ステップエッジ接合を形成するための段差４ｘはその高低差が４００nm程度もあるため、第２の表面４ｂ側を第１の基板２に接合するのが一層難しくなる。

以上のように、この磁気センサ１においては、検出コイル５にループ７を近接させるのが難しいため、磁束の検出感度を高め難い。

以下に、各実施形態について説明する。

（第１実施形態）
本実施形態では、以下のようにしてSQUID素子のループを検出コイルに近づける。

図３は、本実施形態で使用する第１の基板２０の平面図とその拡大平面図である。

第１の基板２０は、一辺の長さが５mm〜１５０mm程度の矩形状のMgO基板であり、その上に概略円形の検出コイル２１が形成される。検出コイル２１の材料は特に限定されないが、この例ではその材料としてYBCO等の酸化物超電導体を使用する。また、検出コイル２１の直径は例えば１mm〜１５０mm程度であり、検出コイル２１の線幅は例えば１００μm〜１００００μm程度である。検出コイル２１の平面形状は円形に限定されず、所望の特性や設計に応じて、矩形等であってもよい。また、二つの検出コイル２１を並べて磁場偏差型のセンサとしても良い。

このような検出コイル２１は、第１の基板２０の上側全面にPLD(Pulse Laser Deposition)法でYBCO層を２０nm〜２０００nm程度の厚さに形成し、それをフォトリソグラフィでパターニングすることにより形成され得る。

また、拡大平面図に示すように、検出コイル２１には、基板横方向に延長された延長部２１ａが設けられる。延長部２１ａは、後述のSQUIDのループと磁気的に結合する部分であり、互いに平行な直線部２１ｂ、２１ｃと、これらを接続する接続部２１ｄとを備える。

そして、その延長部２１ａを内側に含むように素子領域Rが設定される。素子領域Rは、SQUID素子が搭載される領域であり、第１の基板２０内に収まる大きさに設定される。

更に、素子領域Rとその周囲の第１の基板２０には、金層等の金属層をパターニングしてなる第１の配線２５と第２の配線２６とがそれぞれ一対ずつ形成される。

このうち、第１の配線２５は、一端が素子領域Rの内側に位置しており、当該一端に第１の電極２５ａが形成される。また、第１の配線２５の他端は素子領域Rの外側に位置しており、当該他端に第１の導電パッド２５ｂが形成される。

同様に、素子領域Rの内側に位置する第２の配線２６の一端に第２の電極２６ａが形成され、素子領域Rの外側に位置する第２の配線２６の他端に第２の導電パッド２６ｂが形成される。

これらの配線２５、２６は、第１の基板２０の上側全面に蒸着法で金層を２０nm〜５００nm程度の厚さに形成し、それをリフトオフ法でパターニングすることにより形成され得る。なお、リフトオフ法に代えて、アルゴンガスを用いたミリング法で金層をパターニングすることにより配線２５、２６を形成してもよい。

図４は、図３のIII−III線とIV−IV線のそれぞれに沿う断面図である。

図４に示すように、第１の基板２０は平坦な第１の表面２０ａを備えており、その上に検出コイル２１と第１の配線２５が形成される。

一方、図５は、第１の基板２０と共に使用されるSQUID素子の平面図である。

図５に示すように、SQUID素子３０は、第２の基板３１とその上に形成されたループ３２とを有する。

第２の基板３１は、前述の素子領域R（図３参照）と同じ大きさと形状のMgO基板である。一例として、第２の基板３１の平面形状は、平面視で一辺の長さが１mm〜５０mm程度の矩形状である。

第２の基板３１の表面には段差３１ｘが形成されており、その段差３１ｘに重なるようにしてループ３２が形成される。ループ３２は、前述の検出コイル２１と磁気的に結合するループであり、短辺の長さが０．５μm〜５０μmで長辺の長さが１μm〜１００μmの矩形状の平面形状を有する。また、ループ３２の線幅は、例えば０．５μm〜５０μm程度である。

ループ３２の材料は特に限定されず、検出コイル２１と同一の超電導材料でもよいし、検出コイル２１とは異なる超電導材料でもよい。ここでは、検出コイル２１と同じYBCOをループ３２の材料として採用する。

また、上記のように段差３１ｘに重なるようにループ３２を形成することで、段差３１ｘにおけるループ３２に粒界が生じ、その粒界がジョセフソン接合Jとなる。

このようなジョセフソン接合Jはステップエッジ接合であるが、ステップエッジ接合以外のバイクリスタル接合を採用してもよいし、ランプエッジ構造でジョセフソン接合Jを形成してもよい。

そして、ループ３２には線状の複数の配線部３２ａが設けられており、その配線部３２ａの端部に第３の電極３５と第４の電極３６とが設けられる。

このうち、第３の電極３５は第１の電極２５ａ（図３参照）に対応する位置に形成され、第４の電極３６は第２の電極２６ａ（図３参照）に対応する位置に形成される。そして、第１の電極２５ａと第２の電極２６ａと同様に、第３の電極３５と第４の電極３６もそれぞれ二つずつ設けられる。

図６は、図５のV−V線とVI−VI線のそれぞれに沿う断面図である。

図６に示すように、第２の基板３１は、前述の配線部３２ａや第３の電極３５が形成された第２の表面３１ａを有する。

V−V断面においてはその第２の表面３１ａに段差３１ｘが形成されており、段差３１ｘの上にループ３２が形成される。

この例では、段差３１ｘの下端３１ｅの断面形状をなだらかに湾曲させつつ、段差３１ｘの上端３１ｄに明瞭な角が形成されるようにする。これにより、下端３１ｅにおいてループ３２に粒界が発生するのを抑制しつつ、上端３１ｄにおいてのみループ３２にジョセフソン接合Jを形成することができる。

次に、このようなSQUID素子３０の製造方法について説明する。

図７〜図８は、本実施形態に係るSQUID素子３０の製造途中の断面図である。

なお、図７〜図８における第１断面は図５のV−V線に沿う断面に相当し、第２断面は図５のVI−VI線に沿う断面に相当する。

まず、図７（ａ）に示すように、第２の基板３１として厚さが１００μm〜１０００μm程度のMgO基板を用意する。そして、その第２の基板３１の第２の表面３１ａにフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することによりレジスト層４１を形成する。

次に、図７（ｂ）に示すように、Arイオンミリング装置内に第２の基板３１を入れ、Arイオンの入射方向に対する第２の表面３１ａの傾斜角度θを１０°〜７０°とする。そして、この状態で第２の基板３１にArイオンを照射することにより、レジスト層４１で覆われてない部分の第２の基板３１をエッチングして段差３１ｘを形成する。段差３１ｘの高低差はエッチング時間により制御することができ、この例では２０nm〜１０００nm程度、例えば４００nm程度とする。

このような方法によれば、第２の基板３１とレジスト層４１との境界に位置する上端３１ｄにおいて角が明瞭に形成されるのに対し、下端３１ｅはArイオンに曝されてその断面形状がゆるやかに湾曲するようになる。

その後に、レジスト層４１を除去する。

次に、図８（ａ）に示すように、第２の表面３１ａにPLD法でYBCO層を２０nm〜２０００nmの厚さに形成し、そのYBCO層をArのイオンミリングでエッチングすることによりループ３２と配線部３２ａとを形成する。

このとき、明瞭な角が現れている上端３１ｄにおいてはYBCO層に粒界が形成され、その粒界がジョセフソン接合Jとなる。一方、上端３１ｄよりもゆるやかに湾曲している下端３１ｅにおいてはYBCO層に粒界は形成されない。

その後に、図８（ｂ）に示すように、第２の基板３１の上側全面に蒸着法で金層を２０nm〜５００nm程度の厚さに形成し、それをリフトオフ法でパターニングすることにより配線部３２ａの両端に第３の電極３５として残す。なお、第４の電極３６も第３の電極３５と同じ工程で形成される。

以上により、本実施形態に係るSQUID素子３０の基本構造が完成する。

本実施形態では、そのSQUID素子３０を第１の基板２０（図３参照）に接続することで磁気センサを製造するが、その接続にはカーボンナノチューブを利用する。

そこで、カーボンナノチューブの成長方法について次に説明する。

図９（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係るカーボンナノチューブの成長方法について説明するための断面図である。

まず、図９（ａ）に示すように、支持基板５０としてシリコン基板を用意し、その表面を熱酸化することにより厚さが１nm〜１０００nm程度の酸化シリコン層５１を形成する。

そして、その酸化シリコン層５１の上にスパッタ法で鉄層を０．１nm〜１０nm、例えば２．５nm程度の厚さに形成し、その鉄層を触媒金属層５２とする。なお、スパッタ法に代えて、電子ビーム蒸着法や分子線エピタキシ法で触媒金属層５２を形成してもよい。

更に、触媒金属層５２も鉄層に限定されない。触媒金属層５２の材料としては、例えばコバルト、ニッケル、鉄、金、銀、及び白金のいずれかを採用し得る。

また、酸化シリコン層５１と触媒金属層５２との間に下地層を形成してもよい。その下地層の材料としては、モリブデン、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、バナジウム、窒化タンタル、チタンシリサイド、アルミニウム、アルミナ、酸化チタン、タンタル、タングステン、銅、金、及び白金がある。これらを単体で下地層として形成してもよいし、これらの合金で下地層を形成してもよい。

次に、図９（ｂ）に示すように、ホットフィラメントCVD(Chemical Vapor Deposition)法により触媒金属層５２の上に複数のカーボンナノチューブ５３を１０μm〜１０００μmの長さに成長させる。このとき、各々のカーボンナノチューブ５３は、触媒金属層５２の触媒作用によって支持基板５０の表面の法線方向に沿って直線状に延びる。

カーボンナノチューブ５３の成長条件は特に限定されない。この例では、炭素の原料ガスとしてアセチレンガスを用い、そのアセチレンガスとアルゴンガスとの混合ガスを不図示の成長室に供給する。その混合ガスの成長室内での圧力は１kPaである。また、基板温度は３００℃〜１１００℃、例えば５００℃〜８００℃とする。

カーボンナノチューブ５３の長さは成長時間によって調節できる。例えば、基板温度を６２０℃、成長時間を６０分とすると、カーボンナノチューブ５３の長さは１５０μm程度となる。また、これと同じ条件を用いつつ触媒金属層５２の厚さを１nmとすると、カーボンナノチューブ５３の長さは２５０nm程度となる。

更に、カーボンナノチューブ５３の成長方法は上記のホットフィラメントCVD法に限定されず、熱CVD法やリモートプラズマCVD法であってもよい。また、アセチレンに代えてメタンやエチレン等の炭化水素類、又はエタノールやメタノール等のアルコール類を炭素の原料ガスとしてもよい。

次に、このカーボンナノチューブ５３を利用した磁気センサの製造方法について説明する。

図１０〜図１６は、本実施形態に係る磁気センサの製造途中の断面図である。

なお、図１０〜図１６における第１の基板２０の第１断面は図３のIII−III線に沿う断面に相当し、第１の基板２０の第２断面は図３のIV−IV線に沿う断面に相当する。また、図１０〜図１６における第２の基板３１の第１断面は図５のV−V線に沿う断面に相当し、第２の基板３１の第２断面は図５のVI−VI線に沿う断面に相当する。

まず、図１０（ａ）に示すように、第１の基板２０の上側全面に第１の絶縁層５５としてアルミナ（Al₂O₃）層を１nm〜５０nm程度の厚さに形成し、その第１の絶縁層５５で検出コイル２１と第１の配線２５とを覆う。第１の絶縁層５５の成膜方法として、ここではTMA（トリメチルアルミニウム）を前駆体（プリカーサー）に使用するALD(Atomic Layer Deposition)法を採用する。

第１の絶縁層５５の材料であるアルミナは防湿性能に優れているため、これにより検出コイル２１が大気中の水分を吸湿して劣化するのを抑制することができる。特に、検出コイル２１の材料であるYBCO等の酸化物超電導体は吸湿し易い性質があるため、このように検出コイル２１を第１の絶縁層５５で保護するのが好ましい。

なお、第１の電極２５ａと第１の導電パッド２５ｂ（図３参照）の表面はレジスト層で覆っておき、これらの表面に第１の絶縁層５５が形成されないようにする。同様の方法で第２の電極２６ａ（図３参照）と第２の導電パッド２６ｂの表面にも第１の絶縁層５５が形成されないようにする。

また、アルミナ層に代えてイットリア（Y₂O₃）層を第１の絶縁層５５として形成してもよい。

続いて、図１０（ｂ）に示すように、第２の基板３１の上側全面に第２の絶縁層５６を形成し、その第２の絶縁層５６でループ３２と配線部３２ａとを覆う。第２の絶縁層５６は、ALD法で形成された厚さが１nm〜５０nm程度のアルミナ層である。これにより、ループ３２と配線部３２ａが吸湿して劣化するのを第２の絶縁層５６で抑制することができる。

なお、第３の電極３５と第４の電極３６（図５参照）の表面には予めレジスト層を形成しておき、第２の絶縁層５６の形成後にそのレジスト層を除去することにより、各電極３５、３６の上に第２の絶縁層５６が形成されないようにする。

また、アルミナ層に代えてイットリア層を第２の絶縁層５６として形成してもよい。

次に、図１１に示す工程について説明する。

まず、第１の基板２０の上方に、第１の電極２５ａと第２の電極２６ａ（図３参照）が露出する開口を備えたメタルマスク（不図示）を配する。そして、メタルマスクの開口を通じて各電極２５ａ、２６ａの表面に導電性の第１の接続媒体５７として金属ナノペーストを塗布する。金属ナノペーストの種類は特に限定されない。この例では、粒径が１nm〜５００nm程度の銀又は銅のナノ粒子が溶剤に分散した金属ナノペーストを使用する。そのような金属ナノペーストとしては、例えばSIGMA-ALDRICH社製の銀ナノ粒子がある。

なお、この段階では第１の接続媒体５７の溶剤は蒸発しておらず、第１の接続媒体５７には溶剤に起因した粘着力がある。

次に、図１２に示すように、表面に複数のカーボンナノチューブ５３が成長した前述の支持基板５０を用意する。そして、カーボンナノチューブ５３の一端５３ａを第１の接続媒体５７に当接させつつ、第１の基板２０に向けて支持基板５０を押圧する。

その後、図１３に示すように、第１の基板２０から支持基板５０を引き剥がす。これにより、第１の接続媒体５７の粘着力によって第１の電極２５ａの上にカーボンナノチューブ５３が転写され、これらのカーボンナノチューブ５３を含むカーボンナノチューブ束５８が第１の基板２０側に残る。そのカーボンナノチューブ束５８の長さは、各カーボンナノチューブ５３と同じ１０μm〜１０００μm程度である。

このようにカーボンナノチューブ５３を転写する方法では、転写されずに支持基板５０に残存するカーボンナノチューブ５３を次回以降の転写に使うことができ、支持基板５０のカーボンナノチューブ５３を無駄にしないで済む。

図１７は、本工程を終了した後における第１の基板２０の素子領域Rの平面図である。

図１７に示すように、本工程では第２の電極２６ａの上にも複数のカーボンナノチューブ５３が転写され、第２の電極２６ａの上にもカーボンナノチューブ束５８が形成される。

次に、図１４に示す工程について説明する。

まず、カーボンナノチューブ束５８の端面５８ａが露出する開口を備えたメタルマスク（不図示）を第１の基板２０の上方に配する。そして、メタルマスクの開口から露出する端面５８ａに導電性の第２の接続媒体５９として金属ナノペーストを塗布する。

その金属ナノペーストは特に限定されないが、この例では第１の接続媒体５７と同様に粒径が１nm〜５００nm程度の銀又は銅のナノ粒子が溶剤に分散した金属ナノペーストを使用する。

また、この段階では第２の接続媒体５９の溶剤は蒸発しておらず、第２の接続媒体５９には溶剤に起因した粘着力がある。

次に、図１５に示すように、第１の基板２０の上方に第２の基板３１を配し、これらの各表面２０ａ、３１ａを対向させる。そして、この状態で第２の接続媒体５９を第３の電極３５に密着させて、カーボンナノチューブ束５８により第１の基板２０と第２の基板３１の各々を接続する。

これにより、検出コイル２１とループ３２とが第２の基板３１を介さずに対向するようになり、検出コイル２１とループ３２との間隔T₁を１０μm〜１０００μm程度にまで短くすることができる。

また、カーボンナノチューブ５３の一端５３ａと他端５３ｂの各々が導電性の各接続媒体５７、５９に埋設され、カーボンナノチューブ５３により各電極２５ａ、３５同士を電気的に接続することができる。

なお、第２の電極２６ａ（図１７参照）の上のカーボンナノチューブ束５８については、その端面の第２の接続媒体５９を第４の電極３６に密着させる。これにより、第２の電極２６ａと第４の電極３６がカーボンナノチューブ束５８を介して電気的に接続される。

図１８は、本工程における検出コイル２１とループ３２との位置関係を示す平面図である。

図１８に示すように、ループ３２は、平面視でその一部が検出コイル２１の延長部２１ａに一致しており、これにより延長部２１ａにおいて検出コイル２１と磁気的に強く結合する。

なお、検出コイル２１とループ３２の相互の位置関係はこれに限定されず、ループ３２の少なくとも一部を検出コイル２１に重ね、これらの各々を磁気的に結合させればよい。

次に、図１６に示す工程について説明する。

まず、フリップチップボンダ（不図示）の冶具に各基板２０、３１をセットする。そして、その冶具で各接続媒体５７、５９を１００℃〜３００℃程度に加熱しながら、第１の基板２０に向けて第２の基板３１を加圧して各基板２０、３１の間隔を狭める。これにより、カーボンナノチューブ束５８が基板厚さ方向に圧縮されてその長さが５μm〜５００μm程度にまで短くなり、検出コイル２１とループ３２との間隔T₂が圧縮前の間隔T₁よりも短い５μm〜５００μm程度となる。

また、このように接続媒体５７、５９を加熱することにより、各接続媒体５７、５９に含まれる溶剤が乾燥して各接続媒体５７、５９が固化し、カーボンナノチューブ束５８が各電極２５ａ、３５に強く固着する。

なお、本実施形態では前述のように各接続媒体５７、５９として金属ナノペーストを使用するが、その金属ナノペーストには樹脂が含まれていない。そのため、毛細管現象によって樹脂がカーボンナノチューブ束５８に吸収されるおそれがない。更に、固化後の各接続媒体５７、５９が金属の焼結体になるため、カーボンナノチューブ束５８と各電極２５ａ、３５との接続強度が高められる。

以上により、本実施形態に係る磁気センサ６０の基本構造が完成する。

図１９は、この磁気センサ６０の平面図である。

図１９に示すように、平面視において第２の基板３１は第１の基板２０よりも小さい。そして、第１の基板２０の第１の表面２０ａのうち、平面視で第２の基板３１の外側に位置する部分に、前述の各導電パッド２５ｂ、２６ｂが露出する。

図２０は、この磁気センサ６０の使用方法について示す平面図である。

図２０に示すように、実使用下においては、ワイヤボンディングにより各導電パッド２５ｂ、２６ｂの各々に金線等の金属細線６１を接合する。このとき、上記のように第２の基板３１の外側に各導電パッド２５ｂ、２６ｂを露出させたことにより、これらの導電パッド２５ｂ、２６ｂに金属細線６１を接合するのが容易となる。

そして、液体窒素の中に磁気センサ６０を浸漬することにより検出コイル２１とループ３２の各々を−１９６℃程度に冷却し、検出コイル２１とループ３２の各々を超電導状態にする。この状態で磁束が検出コイル２１を貫くと、その磁束に応じた大きさの電流がループ３２（図５参照）を流れる。そして、その電流を各金属細線６１を介して外部に取り出し、不図示の電流計でその電流の大きさを計測することにより磁束の大きさを求めることが可能となる。

以上説明した本実施形態によれば、図１６に示したように、第１の基板２０と第２の基板３１を対向させてそれらをカーボンナノチューブ束５８で相互に接続する。

カーボンナノチューブ束５８は弾力性を有するため、各基板２０、３１間に生じる応力でカーボンナノチューブ束５８自身が変形し、その応力が検出コイル２１等に直接作用するのを抑えることができる。その結果、温度変化に伴う応力が磁気センサ６０内に生じても、その応力が原因で検出コイル２１等にクラックが生じるのを抑制でき、磁気センサ６０の信頼性を高めることが可能となる。

また、カーボンナノチューブ束５８は導電性を有しており、第１の電極２５ａと第３の電極３５とを電気的に接続する端子としての機能も有するため、各電極２５ａ、３５を接続する端子を別途形成する必要もない。

更に、本実施形態では、第１の基板２０と第２の基板３１の対向する表面２０ａ、３１ａの各々に検出コイル２１とループ３２とを形成する。これにより、検出コイル２１とループ３２との間に第２の基板３１が介在しなくなるため、検出コイル２１にループ３２を近接させて磁気センサ６０の感度を高めることが可能となる。

しかも、検出コイル２１とループ３２の各々の表面に第１の絶縁層５５と第２の絶縁層５６を形成したため、検出コイル２１とループ３２とが接触して電気的に短絡するのを防止することもできる。また、各絶縁層５５、５６の形成方法であるALD法は、数原子層程度の薄い層を形成することが可能である。よって、各絶縁層５５、５６の厚みによってこれらの絶縁層５５、５６同士が接触するのを抑制でき、検出コイル２１とループ３２との間隔を狭めるのが各絶縁層５５、５６によって阻害されるのを抑えることができる。

なお、この例では第１の絶縁層５５と第２の絶縁層５６の両方を形成したが、これらのうちの一方のみを形成して検出コイル２１とループ３２とが電気的に短絡するのを抑制してもよい。更に、検出コイル２１とループ３２とが接触するおそれがない場合には各絶縁層５５、５６の両方を省き、検出コイル２１とループ３２との間に空気のみが介在するようにしてもよい。

また、この例では図１６の工程でカーボンナノチューブ束５８を基板厚さ方向に圧縮したため、検出コイル２１にループ３２を一層近づけることができ、磁気センサ６０の感度を更に高めることができる。

なお、圧縮に伴ってカーボンナノチューブ束５８の弾力性が損なわれたのでは、各基板２０、３１間の応力をカーボンナノチューブ束５８で吸収するのが難しくなる。

そこで、本願発明者は、圧縮後のカーボンナノチューブ束５８の弾力性について調査した。

その調査結果を図２１に示す。

その調査では、図１６の工程のようにカーボンナノチューブ束５８を圧縮した後、そのカーボンナノチューブ束５８に更に圧縮応力を加えて潰し、カーボンナノチューブ束５８が元の長さに戻るかどうかを調査した。

図２１の縦軸はその圧縮応力を示す。また、図２１の横軸は、圧縮応力を加える前と比較したときのカーボンナノチューブ束５８の変位量を示す。

更に、図２１における複数のグラフは、圧縮応力を複数回加えたときの各回のデータを示す。

図２１に示すように、カーボンナノチューブ束５８に圧縮応力を複数回加えても、圧縮応力を開放させると変位量が０に戻る。

このことから、図１６の工程でカーボンナノチューブ束５８を圧縮しても、カーボンナノチューブ束５８の弾力性は損なわれないことが明らかとなった。

（第２実施形態）
第１実施形態では、図１７に示したように、第１の基板２０の第１の電極２５ａと第２の電極２６ａの各々の上にカーボンナノチューブ束５８を形成し、そのカーボンナノチューブ束５８で各基板２０、３１を接続した。

カーボンナノチューブ束５８を形成する部位はこれに限定されない。本実施形態では、カーボンナノチューブ束５８を形成する部位の別の例について説明する。

図２２は、本実施形態に係る第１の基板２０の素子形成領域Rの平面図である。また、図２３は、図２２のIII−III線断面に相当する第１の断面と、図２２のIV−IV線断面に相当する第２断面を示す図である。

なお、図２２及び図２３において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図２２及び図２３に示すように、本実施形態では、第１の基板２０において電極２５ａ、２６ａや検出コイル２１等の導電性部材が形成されていない空きスペースSにもカーボンナノチューブ束５８を設ける。

この例では、空きスペースSにおける各絶縁層５５、５６の上に各接続媒体５７、５９を設け、これらの接続媒体５７、５９によりカーボンナノチューブ束５８を各基板２０、３１に固着する。なお、各絶縁層５５、５６を形成しない場合には、各接続媒体５７、５９によりカーボンナノチューブ束５８を各表面２０ａ、３１ａに直接固着してもよい。

これにより、空きスペースSを有効活用しながら検出コイル２１とループ３２とを近接させ、かつ各基板２０、３１間に作用する応力をカーボンナノチューブ束５８で吸収することができる。

（第３実施形態）
第１実施形態では、図１２に示したように、予め支持基板５０にカーボンナノチューブ５３を成長させておき、それを第１の基板２０側に転写することによりカーボンナノチューブ束５８（図１３参照）を形成した。

本実施形態では、これとは別の方法で第１の基板２０側にカーボンナノチューブ束５８を形成する。

図２４〜図２８は、本実施形態に係る磁気センサの製造途中の断面図である。なお、図２４〜図２８において、第１実施形態や第２実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

まず、図２４（ａ）に示すように、第１実施形態の図４の工程と同様に、検出コイル２１と第１の配線２５が形成された第１の基板２０を用意する。

そして、第１の配線２５の第１の電極２５ａが露出する開口を備えた不図示のレジスト層を第１の基板２０の上側全面に形成する。そして、その開口から露出する第１の電極２５ａの上にバリアメタル層６５としてタンタル層をスパッタ法で５〜１００nm、例えば３０nmの厚さに形成する。更に、そのバリアメタル層６５の上にアルミニウム層と鉄層とをこの順にスパッタ法で形成し、これらの積層膜を触媒金属層６６とする。なお、触媒金属層６６におけるアルミニウム層の厚さは０．５nm〜５０nm、例えば１５nmとする。また、触媒金属層６６における鉄層の厚さは０．５nm〜１０nm、例えば２．５nmとする。

その後に、レジスト層を除去し、第１の電極２５ａの上にバリアメタル層６５と触媒金属層６６を残す。

なお、本工程では、第２の配線２６の第２の電極２６ａ（図３参照）の上にもバリアメタル層６５と触媒金属層６６とがこの順に形成される。

続いて、図２４（ｂ）に示すように、触媒金属層６６の上に不図示のレジスト層を形成し、そのレジスト層で覆われていない検出コイル２１と第１の配線２５の各々の上にALD法で第１の絶縁層５５を形成する。その第１の絶縁層５５として、例えばアルミナ層を１nm〜５０nm程度の厚さに形成する。その後に、レジスト層を除去し、触媒金属層６６の表面を露出させる。

なお、アルミナ層に代えて、イットリア（Y₂O₃）、チタニア（TiO₂）、クロミア（Cr₂O₃）、及びジルコニア（ZrO₂）のいずれかの単体の層、又はこれらの材料のいずれかを含む合金層を第１の絶縁層５５として形成してもよい。

次に、図２５に示す工程について説明する。

まず、CVD法の成長炉に第１の基板２０を入れて基板温度を６２０℃とし、更に成長炉内にアセチレンガスとアルゴンガスとの混合ガスを供給する。その混合ガスにおけるアセチレンガスの濃度は、例えば流量比で１０％とする。この状態を２０分程度維持することにより、触媒金属層６６の触媒作用によって第１の電極２５ａの上に複数のカーボンナノチューブ５３が約２０μmの長さに成長する。これにより、各カーボンナノチューブ５３の一端５３ａが第１の電極２５ａに接続されたカーボンナノチューブ束５８が得られる。

なお、本実施形態では触媒金属層６６の下にバリアメタル層６５を形成したため、第１の電極２５に含まれる金等の原子が触媒金属層６６に拡散するのをバリアメタル層６５で抑制することができる。

このようなカーボンナノチューブ束５８は、第２の電極２６ａ（図３参照）の上にも形成される。

次に、図２６に示す工程について説明する。

まず、カーボンナノチューブ束５８の端面５８ａが露出する開口を備えたメタルマスク（不図示）を第１の基板２０の上方に配する。そして、メタルマスクの開口から露出する端面５８ａに導電性の接続媒体６７として金属ナノペーストを塗布する。その金属ナノペーストは、例えば粒径が１nm〜５００nm程度の銀又は銅のナノ粒子が溶剤に分散した金属ナノペーストである。

また、この段階では接続媒体６７の溶剤は蒸発しておらず、接続媒体６７には溶剤に起因した粘着力がある。

その後に、第１の基板２０の上方に第２の基板３１を配し、これらの各表面２０ａ、３１ａを対向させる。

続いて、図２７に示すように、接続媒体６７を第３の電極３５に密着させることにより、カーボンナノチューブ束５８を介して第１の電極２５ａと第３の電極３５とを電気的に接続する。なお、この状態においては、カーボンナノチューブ５３の他端５３ｂが接続媒体６７に埋設されているのに対し、カーボンナノチューブ５３の一端５３ａは触媒金属層６６に接している。

また、第２の電極２６ａ（図３参照）の上のカーボンナノチューブ束５８については、その端面の接続媒体６７を第４の電極３６に密着させ、第２の電極２６ａと第４の電極３６とをカーボンナノチューブ束５８で電気的に接続する。

なお、この段階における検出コイル２１とループ３２との間隔T₁は、第１実施形態と同様に１０μm〜１０００μm程度である。

次に、図２８に示すように、フリップチップボンダ（不図示）の冶具に各基板２０、３１をセットし、その冶具で接続媒体６７を１００℃〜３００℃程度に加熱しながら、第１の基板２０に向けて第２の基板３１を加圧する。

これにより、カーボンナノチューブ束５８が圧縮されて検出コイル２１とループ３２との間隔T₂が５μm〜５００μm程度にまで短くなる。これと共に、接続媒体６７に含まれる溶剤が乾燥し、固化した接続媒体６７によってカーボンナノチューブ束５８が第３の電極３５に強く固着する。

以上により、本実施形態に係る磁気センサ７０の基本構造が完成する。

上記した本実施形態においては、図２５の工程において触媒金属層６６の上に複数のカーボンナノチューブ５３を直接成長させる。そのため、第１実施形態のように第１の基板２０側に複数のカーボンナノチューブ５３を転写する工程が不要となり、磁気センサ７０の製造工程を簡略化することができる。

なお、本実施形態では図２８のように第１の電極２５ａの上にカーボンナノチューブ５３を成長させたが、カーボンナノチューブ５３を成長させる部位はこれに限定されない。

図２９は、本実施形態の別の例に係る磁気センサ７０の断面図である。

図２９の例では、第２実施形態の図２３と同様に、第１の基板２０において電極２５ａ、２６ａや検出コイル２１等の導電性部材が形成されていない空きスペースSにもカーボンナノチューブ５３を成長させる。この場合、その空きスペースSにおける第１の表面２０ａに触媒金属層６６を形成し、その触媒金属層６６からカーボンナノチューブ５３を成長させればよい。また、カーボンナノチューブ５３の他端５３ｂは、接続媒体６７によって第２の基板３１に固着され得る。

これにより、空きスペースSを有効活用しながら基板２０、３１間の応力をカーボンナノチューブ束５８で吸収し、かつ検出コイル２１とループ３２とを近接させることができる。

以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１） 第１の基板と、
前記第１の基板の第１の表面に形成された第１の超電導材料を含むコイルと、
前記第１の基板の上方に配置され、前記第１の表面に対向する第２の表面を備えた第２の基板と、
前記第１の表面側から前記第２の表面側に延び、前記第１の基板と前記第２の基板の各々に接続された複数のカーボンナノチューブと、
平面視で少なくとも一部が前記コイルに重なるように前記第２の表面に形成され、かつジョセフソン接合を備えた第２の超電導材料を含むループと、
を有する磁気センサ。
（付記２） 前記第１の表面に形成された第１の電極と、
前記第２の表面に形成され、前記ループと電気的に接続された第２の電極とを有し、
複数の前記カーボンナノチューブが前記第１の電極と前記第２の電極のそれぞれに接続されて、複数の前記カーボンナノチューブを介して前記第１の電極と前記第２の電極とが電気的に接続されたことを特徴とする付記１に記載の磁気センサ。
（付記３） 平面視において前記第１の表面の一部が前記第２の基板の外側に位置しており、前記第１の電極と電気的に接続された導電パッドが前記一部に形成されたことを特徴とする付記２に記載の磁気センサ。
（付記４） 前記コイルと前記ループの少なくとも一方の表面に絶縁層が形成されたことを特徴とする付記１に記載の磁気センサ。
（付記５） 前記第１の超電導材料と前記第２の超電導材料は酸化物超電導体であり、前記絶縁層はアルミナ層であることを特徴とする付記４に記載の磁気センサ。
（付記６） 第１の超電導材料を含むコイルが第１の表面に形成された第１の基板と、ジョセフソン接合を備えた第２の超電導材料を含むループが第２の表面に形成された第２の基板とを、平面視で前記ループの少なくとも一部を前記コイルに重ねつつ、前記第１の表面と前記第２の表面とが対向するように配置する工程と、
前記第１の表面側から前記第２の表面側に延びる複数のカーボンナノチューブにより前記第１の基板と前記第２の基板の各々を接続する工程と、
を有することを特徴とする磁気センサの製造方法。
（付記７） 前記第１の基板と前記第２の基板との間隔を狭めることにより複数の前記カーボンナノチューブを圧縮する工程を更に有することを特徴とする付記６に記載の磁気センサの製造方法。
（付記８） 支持基板に成長した複数の前記カーボンナノチューブを前記第１の基板側に転写する工程を更に有し、
前記第１の基板と前記第２の基板とを接続する工程は、転写後の複数の前記カーボンナノチューブを用いて行われることを特徴とする付記６に記載の磁気センサの製造方法。
（付記９） 前記第１の基板と前記第２の基板の各々を接続する工程において、
前記第１の表面に形成された第１の電極と、前記第２の表面に形成された第２の電極とを複数の前記カーボンナノチューブで電気的に接続することを特徴とする付記６に記載の磁気センサの製造方法。
（付記１０） 前記第１の電極の上に複数の前記カーボンナノチューブを成長させる工程を更に有し、
前記第１の基板と前記第２の基板の各々を接続する工程は、前記第１の電極の上に成長した複数の前記カーボンナノチューブを用いて行われることを特徴とする付記９に記載の磁気センサの製造方法。
（付記１１） 前記コイルと前記ループの少なくとも一方の表面に絶縁層を形成する工程を更に有することを特徴とする付記６に記載の磁気センサの製造方法。
（付記１２） 前記絶縁層を形成する工程において、ALD法により前記絶縁層を形成することを特徴とする付記１１に記載の磁気センサの製造方法。

１…磁気センサ、２…第１の基板、３…SQUID素子、４…第２の基板、４ａ…第１の表面、４ｂ…第２の表面、４ｘ…段差、５…検出コイル、７…ループ、８…第１の電極、９…第２の電極、１０…接着剤、２０…第１の基板、２０ａ…第１の表面、２１…検出コイル、２１ａ…延長部、２１ｂ、２１ｃ…直線部、２５…第１の配線、２５ａ…第１の電極、２５ｂ…第１の導電パッド、２６…第２の配線、２６ａ…第２の電極、２６ｂ…第２の導電パッド、３０…SQUID素子、３１…第２の基板、３１ａ…第２の表面、３１ｄ…上端、３１ｅ…下端、３１ｘ…段差、３１ｅ…下端、３１ｄ…上端、３２…ループ、３２ａ…配線部、３５…第３の電極、３６…第４の電極、４１…レジスト層、５０…支持基板、５１…酸化シリコン層、５２…触媒金属層、５３…カーボンナノチューブ、５３ａ…一端、５３ｂ…他端、５５…第１の絶縁層、５６…第２の絶縁層、５７…第１の接続媒体、５８…カーボンナノチューブ束、５８ａ…端面、５９…第２の接続媒体、６０、７０…磁気センサ、６１…金属細線、６５…バリアメタル層、６６…触媒金属層、６７…接続媒体。

Claims (5)

1. 第１の基板と、
   前記第１の基板の第１の表面に形成された第１の超電導材料を含むコイルと、
   前記第１の基板の上方に配置され、前記第１の表面に対向する第２の表面を備えた第２の基板と、
   前記第１の表面側から前記第２の表面側に延び、前記第１の基板と前記第２の基板の各々に接続された複数のカーボンナノチューブと、
   平面視で少なくとも一部が前記コイルに重なるように前記第２の表面に形成され、かつジョセフソン接合を備えた第２の超電導材料を含むループと、
   を有する磁気センサ。
2. 前記第１の表面に形成された第１の電極と、
   前記第２の表面に形成され、前記ループと電気的に接続された第２の電極とを有し、
   複数の前記カーボンナノチューブが前記第１の電極と前記第２の電極のそれぞれに接続されて、複数の前記カーボンナノチューブを介して前記第１の電極と前記第２の電極とが電気的に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 平面視において前記第１の表面の一部が前記第２の基板の外側に位置しており、前記第１の電極と電気的に接続された導電パッドが前記一部に形成されたことを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記コイルと前記ループの少なくとも一方の表面に絶縁層が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
5. 第１の超電導材料を含むコイルが第１の表面に形成された第１の基板と、ジョセフソン接合を備えた第２の超電導材料を含むループが第２の表面に形成された第２の基板とを、平面視で前記ループの少なくとも一部を前記コイルに重ねつつ、前記第１の表面と前記第２の表面とが対向するように配置する工程と、
   前記第１の表面側から前記第２の表面側に延びる複数のカーボンナノチューブにより前記第１の基板と前記第２の基板の各々を接続する工程と、
   を有することを特徴とする磁気センサの製造方法。

Images