JP2949611B2 - 超伝導接続方法及びｓｑｕｉｄ磁束計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超伝導材料と超伝導材
料との間において超伝導状態で接続をとる超伝導接続方
法と、この超伝導接続方法を用いたＳＱＵＩＤ（Superc
onducting Quantum Interference Device ：超伝導量子
干渉デバイス）によるＳＱＵＩＤ磁束計に関する。ここ
に、ＳＱＵＩＤとは、液体ヘリウムや液体窒素等により
断熱容器（クライオスタット等）内で低温状態に維持さ
れ、ループ内にジョセフソン接合を含む超伝導ループで
あるＳＱＵＩＤループに直流電流をバイアス電流として
印加して駆動し、このＳＱＵＩＤループ内に外部からの
磁束を結合して印加すると、ＳＱＵＩＤループに周回電
流が誘起され、ループ内のジョセフソン接合における量
子的な干渉効果により、ＳＱＵＩＤループが印加された
外部磁束の微弱な変化を出力電圧の大きな変化に変換す
るトランスデューサとして動作することを利用して、生
体磁気等の微小磁束変化を測定する素子である。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＳＱＵＩＤ磁束計を用いて磁場計
測を行う際、被測定磁界をＳＱＵＩＤに効率良く導入す
るために、超伝導体からなるピックアップコイルとイン
プットコイルを用いる場合がある。ピックアップコイル
は外部磁場を捕捉する部分であり、絶縁体基板上にＮｂ
（ニオブ）等の超伝導薄膜を成膜した後にフォトリソグ
ラフィの手法を用いてコイルパターンを形成する「平面
型コイル」や、絶縁体からなるボビン材周面にＮｂやＮ
ｂ−Ｔｉ（ニオブ−チタン）等の超伝導線材を巻付けて
形成する「同軸型コイル」が用いられる。これらのコイ
ルをピックアップコイルとして使用する場合には、ＳＱ
ＵＩＤ基板内でＳＱＵＩＤループと近接して配置されピ
ックアップコイルからの磁場をＳＱＵＩＤに導入するイ
ンプットコイルとピックアップコイルとが超伝導状態で
接続される必要がある。上記の平面型コイルの場合に
は、ピックアップコイルの端部とＳＱＵＩＤ基板内のイ
ンプットコイルの端部とを、ＮｂやＩｎＰｂＡｕ（イン
ジウム・鉛・金合金）等からなる超伝導ワイヤにより直
接ワイヤボンディングを行って接続をとれば超伝導接続
となる。しかし、同軸型コイルの場合には、コイルを形
成している超伝導線材の端部とＳＱＵＩＤ基板内に形成
されたインプットコイルパターンの端部との間では直接
ワイヤボンディングを行うことはできないため、通常、
以下に説明するような方法が用いられている。

【０００３】第１の方法は、まず、超伝導材からなる中
継用超伝導プレートを用意し、この中継用プレートの一
端とＳＱＵＩＤ基板内のインプットコイルの端部との間
で超伝導ワイヤにより直接ワイヤボンディングを行って
超伝導接続をとる。そして中継用プレートの他端におい
ては、ピックアップコイルの線材を超伝導材からなるネ
ジ等の周囲に巻き付け、そのネジを中継用プレートに圧
接することにより超伝導接続をとる、というものである
（以下、「中継プレートネジ止め法」と呼ぶ）。

【０００４】第２の方法は、そのままでは溶融ハンダ
（Ｐｂ−Ｓｎ合金：鉛−錫合金）に濡れないのでハンダ
付けできなかったＮｂ−Ｔｉ線のかわりに、Ｎｂ−Ｔｉ
線の周面をＣｕ（銅）膜で被覆したものをピックアップ
コイル材として用い、この銅被覆Ｎｂ−Ｔｉ線の端部と
ＳＱＵＩＤ基板内のインプットコイルの端部とを、超伝
導材であるハンダによりハンダ付けすることにより超伝
導接続をとる、という方法であり、近年開発され、容易
でかつ信頼性の高い超伝導接続方法として注目されてい
る（以下、「銅被覆線材ハンダ付け法」と呼ぶ）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の超伝導接続方法においては、種々の解決すべき
課題が残されていた。まず、上記の中継プレートネジ止
め法では、ネジに巻き付けるピックアップコイル線材と
巻き付けられたネジとの間の接触状態によっては、超伝
導状態が不安定になる場合があり、ＳＱＵＩＤ磁束計に
用いた場合には、それがシステム雑音となりＳＱＵＩＤ
磁束計の最小磁場分解能を悪化させる、という問題点が
あった。したがって、中継プレートネジ止め法により超
伝導接続をとる場合には信頼性を向上させることが困難
であった。一方、上記の銅被覆線材ハンダ付け法の場合
には、容易に超伝導接続の信頼性を向上することができ
るが、超伝導材であるＮｂ−Ｔｉ線材（ピックアップコ
イル材）の極めて近傍に常伝導金属である銅が存在する
ことにより熱雑音が発生し、その熱雑音が磁束としてピ
ックアップコイルに捕捉される確率が高く、それがＳＱ
ＵＩＤ磁束計の最小磁場分解能を悪化させる、という問
題点があった。実際に、銅被覆Ｎｂ−Ｔｉ線材を用いハ
ンダ付けにより超伝導接続をとったＳＱＵＩＤ磁束計
（ピックアップコイルとして、径１４ｍｍ，ベースライ
ン５０ｍｍの一次微分型コイルを用いたもの）では、磁
束雑音は、ある一定レベル（５×１０^-6Φ0 ／√Hz：Φ
0 は単位磁束量子）以下には下がらない。このレベルは
磁場に換算すると１０ｆＴ／√Hz程度である。しかし、
銅被覆のない通常のＮｂ−Ｔｉ線材を用いた超伝導接続
（例えば、上記の中継プレート法）では、磁束雑音は
１．５×１０^-6Φ0 ／√Hz程度であり、さらに低下させ
得ることが確認されている。このように、中継プレート
ネジ止め法と銅被覆線材ハンダ付け法は、長所と短所が
互いに二律背反の関係にあり、従来は、方法の容易性、
超伝導接続の信頼性、及び磁束雑音の全ての点で最適な
超伝導接続法はなかった。また、上記の銅被覆線材ハン
ダ付け法において、超伝導接続をとる部分以外のＮｂ−
Ｔｉ線材の銅被覆を紙ヤスリ等で除去する方法も試みら
れたことがあるが、この場合には銅被覆の上層の絶縁被
覆層も除去されてしまうため、後述するグラジオメータ
型のピックアップコイルの場合に、検出コイル部どうし
を接続する伝達部でツイストペア状に撚られた２本の線
材どうしが短絡してしまい実用に耐えなかった。

【０００６】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたものであり、容易で信頼性が高く、かつ磁束雑
音の少ない超伝導接続方法及びこの方法を用いたＳＱＵ
ＩＤ磁束計を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明のうち第１の発明に係る超伝導接続方法は、
溶融したＰｂ−Ｓｎ合金の付着のみによってはＰｂ−Ｓ
ｎ合金の被覆層を形成することができない第１超伝導体
からなる線材の表面に絶縁被覆層を形成した第１線材に
おいて超伝導接続を行うべき端部である第１接続部の前
記絶縁被覆層のみを除去し、この除去部分のみにＰｂ−
Ｓｎ合金内に拡散可能な第１常伝導金属の薄膜である第
１薄膜を形成し、前記第１常伝導金属がＰｂ−Ｓｎ合金
内に拡散することにより前記第１超伝導体上にＰｂ−Ｓ
ｎ合金被覆層を形成し易い温度範囲である第１処理温度
帯に熱せられ溶融したＰｂ−Ｓｎ合金を前記第１薄膜上
にあてがうことにより前記第１超伝導体上にＰｂ−Ｓｎ
合金の第１被覆層を形成しておき、一方溶融したＰｂ−
Ｓｎ合金の付着のみによってはＰｂ−Ｓｎ合金の被覆層
を形成することができない第２超伝導体からなる膜材に
おいて前記第１接続部と超伝導接続を行うべき第２接続
部に、Ｐｂ−Ｓｎ合金内に拡散可能な第２常伝導金属の
薄膜である第２薄膜を形成するか、又は前記第２常伝導
金属がＰｂ−Ｓｎ合金内に拡散することにより前記第２
超伝導体上にＰｂ−Ｓｎ合金被覆層を形成し易い温度範
囲である第２処理温度帯に熱せられ溶融したＰｂ−Ｓｎ
合金を前記第２薄膜上にあてがうことにより前記第２超
伝導体上にＰｂ−Ｓｎ合金の第２被覆層を形成してお
き、前記第１被覆層と前記第２薄膜又は第２被覆層とを
当接し、前記第２処理温度帯以上か、又はＰｂ−Ｓｎ合
金の融点以上に加熱し、前記第１接続部と前記第２接続
部とを接合することにより、前記第１超伝導体と前記第
２超伝導体とを超伝導接続するように構成される。

【０００８】また、本発明のうち第２の発明に係るＳＱ
ＵＩＤ磁束計は、ＳＱＵＩＤと、外部磁場を捕捉するピ
ックアップコイルと、ピックアップコイルが捕捉した磁
場をＳＱＵＩＤに導入するインプットコイルと、前記ピ
ックアップコイルと前記インプットコイルとを接続する
中継プレートを備え、溶融したＰｂ−Ｓｎ合金の付着の
みによってはＰｂ−Ｓｎ合金の被覆層を形成することが
できない第１超伝導体からなる線材の表面に絶縁被覆層
を設けて前記ピックアップコイルを形成し、このピック
アップコイルにおいて超伝導接続を行うべき端部である
第１接続部の前記絶縁被覆層のみを除去し、この除去部
分のみにＰｂ−Ｓｎ合金内に拡散可能な第１常伝導金属
の薄膜である第１薄膜を形成し、前記第１常伝導金属が
Ｐｂ−Ｓｎ合金内に拡散することにより前記第１超伝導
体上にＰｂ−Ｓｎ合金被覆層を形成し易い温度範囲であ
る第１処理温度帯に熱せられ溶融したＰｂ−Ｓｎ合金を
前記第１薄膜上にあてがうことにより前記ピックアップ
コイルの前記第１超伝導体上にＰｂ−Ｓｎ合金の第１被
覆層を形成しておき、前記中継プレートには超伝導接続
された第２接続部と第３接続部とを設け、溶融したＰｂ
−Ｓｎ合金の付着のみによってはＰｂ−Ｓｎ合金の被覆
層を形成することができない第２超伝導体からなる膜部
を前記第２接続部上に形成し、この膜部に上に、Ｐｂ−
Ｓｎ合金内に拡散可能な第２常伝導金属の薄膜である第
２薄膜を形成するか、又は前記第２常伝導金属がＰｂ−
Ｓｎ合金内に拡散することにより前記第２超伝導体上に
Ｐｂ−Ｓｎ合金被覆層を形成し易い温度範囲である第２
処理温度帯に熱せられ溶融したＰｂ−Ｓｎ合金を前記第
２薄膜上にあてがうことにより前記第２超伝導体上にＰ
ｂ−Ｓｎ合金の第２被覆層を形成しておき、前記第１被
覆層と前記第２薄膜又は第２被覆層とを当接し、前記第
２処理温度帯以上か、又はＰｂ−Ｓｎ合金の融点以上に
加熱し、前記第１接続部と前記第２接続部とを超伝導接
続し、かつ、前記インプットコイルの端部である第４接
続部と前記第３接続部とを超伝導ワイヤボンディングに
より超伝導接続することにより、前記ピックアップコイ
ルと前記インプットコイルとを超伝導接続して構成され
る。上記のＳＱＵＩＤ磁束計において、前記第１超伝導
体及び前記第２超伝導体をＮｂ系超伝導金属とし、前記
第１薄膜をメッキにより形成されたＣｕ層とし、前記第
２薄膜をスパッタリングにより形成された厚み１０００
〜２０００オングストロームのＡｕ層とし、前記第１処
理温度帯を４００°Ｃを含む温度範囲とし、かつ前記第
２処理温度帯を２００°Ｃを含む温度範囲としてもよ
い。

【０００９】

【作用】上記構成を有する本発明によれば、第１常伝導
金属又は第２常伝導金属のすべてが溶融したＰｂ−Ｓｎ
合金内に拡散し、通常は溶融したＰｂ−Ｓｎ合金に濡れ
ず、溶融したＰｂ−Ｓｎ合金の付着のみによってはＰｂ
−Ｓｎ合金の被覆層を形成することができない第１超伝
導体又は第２超伝導体の表面に超伝導体であるＰｂ−Ｓ
ｎ合金の被覆層を形成させるので、第１超伝導体とＰｂ
−Ｓｎ合金と第２超伝導体との間に超伝導接続が形成さ
れる。あるいは、Ｐｂ−Ｓｎ合金内に拡散された第１常
伝導金属又は第２常伝導金属のごく一部が非常に薄い層
として残り、いわゆる「近接効果」により、超伝導体と
超伝導体との間に第１常伝導金属又は第２常伝導金属が
存在しても、超伝導体の間の距離が非常に近いことによ
り超伝導接続が形成される。

【００１０】

【実施例】以下、図面に基づき本発明の実施例について
説明する。本発明の第１実施例である超伝導接続方法の
手順を図１に示す。図に示すように、この超伝導接続方
法では、まず、絶縁材であるホルマル層２で被覆された
Ｎｂ−Ｔｉ線材１を用意する（図１（Ａ）参照）。この
Ｎｂ−Ｔｉ線材１の径は、約０．１ｍｍ程度である。こ
れは、線径が０．１ｍｍよりも細いと後述する伝達部
（ツイストペア部）で撚ったときに切れ易く、一方線径
が０．１ｍｍよりも太いと後述する伝達部（ツイストペ
ア部）での浮遊インダクタンスが大きくなり磁束を伝達
する際のロスが大きくなるからである。

【００１１】次に、超伝導接続をとりたい部分（例えば
Ｎｂ−Ｔｉ線材１の端部の１０ｍｍ程度の長さの部分）
のみのホルマル被覆２を、金属ブラシ等を備えた被覆剥
離機や、有機溶剤等の被覆剥離剤を用いて除去し、Ｎｂ
−Ｔｉの地肌を露出させる（図１（Ｂ）参照）。

【００１２】次に、このＮｂ−Ｔｉが露出した部分を紙
ヤスリ等で研磨して酸化膜を除去した後に銅（Ｃｕ）メ
ッキ液に浸すことにより銅メッキ３を施す（図１（Ｃ）
参照）。銅メッキ３の厚みは数ミクロン（数万オングス
トローム）程度である。この場合、銅メッキ液として
は、銅の電解液を用いる方法と無電解液を用いる方法と
があるが、いずれの方法を用いてもよい。ただし、Ｎｂ
−Ｔｉは活性な金属合金であり、酸化膜ができやすいの
で、すみやかにメッキ液に浸す必要がある。無電解メッ
キ液を用いて銅メッキをする場合には、銅メッキ液に浸
された部分は非金属であってもメッキがされてしまうの
で、不要な部分がメッキ液に浸らないように注意する必
要がある。このように、銅メッキ３を施す理由は、Ｎｂ
−Ｔｉ線材１は、そのままでは後述する溶融ハンダに濡
れずハンダ被覆層を形成することができないが、銅メッ
キ層３は溶融ハンダに濡れハンダ被覆層が形成できるか
らである。また、後述するように、銅メッキ層３は、Ｎ
ｂ−Ｔｉ線材１とハンダ層との間に酸化膜ができること
を防止する働きをする。上記のメッキ材としては、銅だ
けでなく金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、あるいは他の常伝導
金属でも可能である。

【００１３】次に、約４００°Ｃ以上の温度に熱したハ
ンダゴテ５にハンダ４をつけて溶融させ、銅メッキ３を
施したＮｂ−Ｔｉ線材１の端部にあてがい（図１（Ｄ）
参照）、銅メッキ３を施したＮｂ−Ｔｉ線材１の端部の
表面をハンダ４で濡らし、ハンダ４の薄層を形成する
（図１（Ｅ）参照）。ハンダの融点は一般に約２００°
Ｃ前後であるが、このように、約４００°Ｃ以上に熱す
る理由は、後述するように、銅メッキ層３の全部又は一
部がハンダ４内に拡散する（溶融ハンダに濡れる又は溶
融ハンダに喰われる）ようにし、ハンダ層４をＮｂ−Ｔ
ｉ線材１の表面に形成するためである。銅の融点は１０
８３°Ｃであるが、溶融ハンダ中に拡散する（溶融ハン
ダに喰われる）温度はそれよりも低い。銅のハンダ内へ
の拡散は３００°Ｃ程度でも起こるがハンダ層が形成さ
れるまでには長時間が必要である。ハンダ層が最も形成
され易い温度範囲は、銅層厚が数ミクロンの場合には約
４００°Ｃ前後の温度となる。この約４００°Ｃ前後の
温度のときには、銅が溶融ハンダ内に速やかに拡散す
る。この約４００°Ｃを含む温度範囲は第１処理温度帯
に相当する。

【００１４】このハンダは通常よく使用される鉛４：錫
６の組成比のものでもよいし、鉛５：錫５の組成比のも
の、鉛６：錫４の組成比のもの、鉛７：錫３の組成比の
もの等であってもよい。また、Ｐｂ−Ｓｎ合金のほか、
Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ合金、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｄ合金であって
もよい。また、通常市販されているハンダゴテでも温度
調節機能のついているものは約４５０°Ｃ程度までは昇
温可能であるので、十分使用可能である。ハンダゴテを
熱する温度は、Ｎｂ−Ｔｉ線材の融点である約２４６８
°Ｃまで理論的には可能だが、ハンダの温度が高温にな
るとハンダの蒸発が激しくなるので十分な量のハンダを
用いないとハンダ層を形成する作業が困難となるので注
意する必要がある。

【００１５】上述したように、Ｎｂ−Ｔｉ材をメッキす
る材料としては銅だけでなく、溶融ハンダに拡散可能な
常伝導金属であればよく、金、銀等でもよい。その場
合、ハンダ層が最も形成され易い第１処理温度帯は、金
属薄膜の厚みに関係する。金の場合には、厚みが１００
０〜２０００オングストローム程度の場合、約２００°
Ｃ程度である。しかし、金層の厚みがさらに厚くなれ
ば、第１処理温度帯はさらに高くなり約４００°Ｃに設
定することも可能である。銀の場合も、金とほぼ同様で
ある。

【００１６】上記のハンダ層形成作業は、通常のハンダ
を通常のハンダ温度（約２００°Ｃ前後の温度）で溶融
させて行う場合に、予めハンダ付けする金属の表面にハ
ンダを塗っておくいわゆる「予備ハンダ作業」とは根本
的に異なる。この予備ハンダ作業は、ハンダ付けが可能
な金属どうしのハンダ付けをさらに容易にするために行
う予備作業である。しかし、図１（Ｄ）に示すハンダ層
形成作業は、通常では溶融ハンダに濡れない超伝導金属
をハンダで濡らすために行う作業であり、銅の薄層を予
め形成し、この銅薄層に通常のハンダ作業のときよりも
はるかに高温（約４００°Ｃ以上の温度）でハンダをあ
てがい、この高温溶融ハンダ内に銅をすみやかに拡散さ
せることにより、通常では溶融ハンダに濡れない超伝導
金属の表面にハンダ被覆層を形成するものである。

【００１７】上記のようにしてハンダ４をコーティング
したＮｂ−Ｔｉ線材１の端部と超伝導接続をとるもの
は、基板７上に膜状に形成された超伝導体であるＮｂ膜
７である。このため、予めＮｂ膜７の表面に上記のよう
に電解メッキ法又は無電解メッキ法により金の薄膜６を
形成しておく。そして、この金薄膜６上に、ハンダ被覆
層４をコーティングしたＮｂ−Ｔｉ線材１の端部を当接
し、上記と同様に約２００°Ｃ以上に熱したハンダゴテ
５にハンダ４をつけハンダを溶融させてあてがい（図１
（Ｆ）参照）、金の薄膜６を形成した超伝導Ｎｂ膜７と
ハンダコーティングしたＮｂ−Ｔｉ線材１とをハンダ付
けする（図１（Ｇ）参照）。このようにして、超伝導体
であるＮｂ−Ｔｉ線材１とＮｂ薄膜７との間で超伝導接
続をとることができる。この場合も、金の薄膜６をＮｂ
膜７の上に形成しておく理由は、Ｎｂ膜７は、そのまま
では溶融ハンダに濡れずハンダ付けすることができない
が、金は溶融ハンダに濡れる（溶融ハンダに喰われる）
のでハンダ被覆層が形成できるからである。

【００１８】次に、本発明の第２実施例であるＳＱＵＩ
Ｄ磁束計について、図２を参照しつつ説明する。図に示
すように、このＳＱＵＩＤ磁束計１００は、ＳＱＵＩＤ
基板１０と、ピックアップコイル部２０と、中継プレー
ト３０と、ボンディングワイヤ４０を備えて構成されて
いる。

【００１９】また、上記のピックアップコイル部２０
は、Ｎｂ−Ｔｉ線材からなりループ状の２つの検出コイ
ル部２１，２２と、これらの検出コイル部２１，２２を
接続する伝達部２３を有している。このＳＱＵＩＤ磁束
計１００は、２つの検出コイル部２１，２２を有し、こ
れらの検出コイル部が互いに逆相に巻かれており、これ
により均一磁場成分を相殺できる「一次微分型ピックア
ップコイル」である。このようなタイプのＳＱＵＩＤ磁
束計を「グラジオメータ」と呼ぶ。また、上記の伝達部
２３では、コイルの２本の線が互いに撚られた「ツイス
トペア」状をなしている。

【００２０】また、上記の中継プレート３０は、図２
（Ｃ）に示すように、ガラス板３１上に２列のＮｂパタ
ーン３２が形成され、各Ｎｂパターン３２上の両端に面
積の大きな金パターン３３と面積の小さな金パターン３
４が形成されている。

【００２１】また、上記のＳＱＵＩＤ基板１０は、基板
上に形成されたＳＱＵＩＤループ１１と、このＳＱＵＩ
Ｄループに近接して基板上に形成されＳＱＵＩＤループ
に磁束を導入するためのインプットコイル１２を有して
いる。ＳＱＵＩＤループ１１には２つのジョセフソン接
合Ｊ1 ，Ｊ2 が設けられている。ＳＱＵＩＤループ１１
の出力は端子Ｔ1 ，Ｔ2 から取り出される。またＳＱＵ
ＩＤループ１１には、駆動用のバイアス電流源５０が接
続される。

【００２２】上記のピックアップコイル部２０と中継プ
レート３０は、３５の位置においてピックアップコイル
部２０のＮｂ−Ｔｉ線材の端部と中継プレート３０上の
金パターン３３との間でハンダ付けが行われ、これによ
り超伝導接続がとられている。この場合には、上述した
図１の方法により、超伝導接続が形成され、ハンダ付け
部３５は図１（Ｇ）に示す状態で接続されている。この
場合には、ハンダ付け温度は、熱によるＳＱＵＩＤ素子
の劣化を最小限に抑えるため、及び溶融ハンダにより金
薄膜が喰われすぎないようにするため、ハンダ温度を金
の第２処理温度帯の下限温度ぎりぎり（約２００°Ｃ程
度）に抑える。上記において金パターン３３が金パター
ン３４に比べて面積が大きいのは、ワイヤボンディング
に比べハンダ付けの方がハンダゴテを当てるスペース
等、作業用のスペースを必要とするからである。

【００２３】また、上記の中継プレート３０とＳＱＵＩ
Ｄ基板１０との間はワイヤボンディングにより接続され
ている。ボンディングワイヤ４０はＮｂ線材を２４００
°Ｃ（Ｎｂの融点は２４６８°Ｃ）程度の高温で焼きな
まし（アニーリング）して線に柔軟性をもたせた焼きな
ましＮｂ線材である。

【００２４】中継プレート３０とＳＱＵＩＤ基板１０と
は、３６の位置及び１３の位置においてＮｂワイヤ４０
によりボンディングされている。このように中継プレー
トを介在させたのは、Ｎｂワイヤはハンダに直接ボンデ
ィングすることはできないからである。金パターン３４
が金パターン３３に比べて面積が小さいのは、ハンダ付
けに比べワイヤボンディングの方が作業用のスペースが
小さくてよいからである。

【００２５】また、Ｎｂパターン３２上で、金パターン
３３と３４を分離したのは、ハンダは金のないところに
は流れていかないので、ハンダがボンディング用の金パ
ッド３４の部分に流れることを防止するためである。ま
た、この２列のＮｂパターン３２，３２も超伝導ループ
の一部を構成しているため、各Ｎｂパターン３２，３２
の間隔は極力狭く形成され、浮遊インダクタンスをでき
る限り抑えている。

【００２６】上記のＮｂパターンや金パターンの成膜法
としては、まずＮｂを成膜・パターンニングした後、表
面をスパッタクリーニングしてＡｕを成膜・パターンニ
ングするようにしてもよいし、あらかじめレジストをパ
ターンニングしておきＮｂ−Ａｕと連続成膜してリフト
オフでＮｂ−Ａｕのパターンニングをしてもよい。Ａｕ
層の厚みは、パッド３４においてワイヤボンディングが
可能で、かつ位置３５においてハンダ付けが可能でＡｕ
が溶融ハンダに喰われすぎない程度の厚み、例えば１０
００〜２０００オングストローム程度が好ましいと考え
られる。Ａｕ層があまり薄いと、ハンダ付け時に溶融ハ
ンダに喰われてすぐになくなり、Ｎｂパターンの地肌が
露出してしまうのでハンダ付けができなくなるからであ
り、Ａｕ層が厚いと、ワイヤボンディング接続部の臨界
電流値が小さくなりすぎ、超伝導接続を形成できなくな
るからである。

【００２７】次に、図１に示した方法で形成した接続部
分によって超伝導接続が可能となる原理について、図３
を参照しつつ説明する。ハンダの融点は約２００°Ｃ前
後であるが、図１に示した方法では、図１（Ｄ）又は図
１（Ｆ）において、ハンダゴテ４の温度を約４００°Ｃ
以上に熱している。このため、ハンダゴテ５の表面で溶
融しているハンダ４の温度も約４００°Ｃ以上となって
いる。このような高温に熱せられたハンダ４が銅メッキ
層３に塗られると、図３（Ａ）に示すように、銅のすべ
てが溶融ハンダ４内に拡散し（溶融ハンダ４に喰わ
れ）、かつ通常は溶融ハンダに濡れないＮｂ−Ｔｉ線材
１の表面にハンダ層４を形成させる働きをする、という
ことが考えられる。このため、超伝導体であるＮｂ−Ｔ
ｉ線材と超伝導体であるハンダとが、間に酸化膜等を介
在させることなく超伝導接続される、と考えられる。通
常よく使用される鉛４：錫６の組成比のハンダは、超伝
導転移温度７．０５Ｋの超伝導体である。また、同様に
してＮｂ薄膜７とハンダ４の間も超伝導接続されてい
る。したがって、Ｎｂ−Ｔｉ線材１とＮｂ薄膜６との間
に超伝導接続が形成される。この場合、銅メッキ層３
は、ハンダ４とＮｂ−Ｔｉ線材１の表面との間に酸化膜
ができることを防止しており、一種の「フラックス」の
役目を果たしている、といえる。

【００２８】図１に示した方法で形成した接続部分によ
って超伝導接続が可能となる他の原理としては、図３
（Ｂ）に示すように、約４００°Ｃ以上の高温に熱せら
れたハンダ４が銅メッキ層３に塗られた場合に、ハンダ
内に拡散した銅メッキ層３の一部が非常に薄い層（数十
オングストローム程度）として残るが、いわゆる「近接
効果」により、超伝導体であるＮｂ−Ｔｉ線材と超伝導
体であるハンダとの間に常伝導材である銅が存在して
も、超伝導体の間の距離が非常に近いことにより超伝導
接続が形成される、ということが考えられる。この近接
効果は、Ｎｂ薄膜７の上に形成された薄層が金、銀、等
の常伝導金属の場合にも考えられる。

【００２９】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではない。上記実施例は、例示であり、本発明の特
許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な
構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる
ものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００３０】例えば、上記各実施例においては、超伝導
接続をとる材料として超伝導線材と超伝導薄膜を例とし
て挙げたが、本発明はこれには限定されず、超伝導材料
であればどのようなものであってもよく、線材と線材、
線材と膜材、線材と板材等であってもかまわない。ま
た、上記各実施例においては、超伝導線材としてＮｂ−
Ｔｉ線材を、超伝導薄膜材料としてＮｂを用いる例につ
いて説明したが、本発明はこれには限定されず、超伝導
材料としてＮｂ、Ｎｂ−Ｔｉ、あるいは他のいわゆる合
金系超伝導体であるＮｂ−Ｚｒ等を用いてもよい。要
は、溶融ハンダに濡れないが銅、金、銀等の常伝導金属
の薄膜形成（例えばメッキによる薄膜形成）が可能な超
伝導材料であればどのようなものであってもよいのであ
る。

【００３１】また、上記第１実施例においては、ホルマ
ル層によって絶縁被覆されたＮｂ−Ｔｉ線材を用いた例
について説明したが、本発明はこれには限定されず、例
えば絶縁被覆材としてエナメルやテフロン等を用いても
よい。

【００３２】また、上記第１実施例においては、図１
（Ｄ）において、銅の第１処理温度帯又は第２処理温度
帯内の温度である約４００°Ｃ以上の温度に熱したハン
ダゴテによりハンダを約４００°Ｃ以上で溶融させ、銅
膜で被覆されたＮｂ−Ｔｉ線材の部分をハンダで濡らす
ようにした例について説明したが、本発明はこれには限
定されず、例えばルツボ等の中でハンダを約４００°Ｃ
以上の温度で溶融させ、この溶融ハンダの中へ銅膜で被
覆されたＮｂ−Ｔｉ線材の端部を浸してハンダで濡らす
ようにしてもよい。超伝導線材の端部が金、銀、等の常
伝導金属の薄膜で被覆されている場合も同様である。

【００３３】また、上記各実施例においては、図１
（Ｆ）において、ハンダ被覆層４を形成したＮｂ−Ｔｉ
線材１を、金コーティングしたＮｂ膜７にあてがいハン
ダ付けする例について説明したが、本発明はこれには限
定されず、例えば第１超伝導体の表面に常伝導金属をコ
ーティングした後に溶融ハンダ内に拡散させ、第２超伝
導体の表面に常伝導金属をコーティングした後に溶融ハ
ンダ内に拡散させ、それぞれのハンダ面を当接してハン
ダ融点以上に加熱しハンダ付けを行うようにしてもかま
わない。

【００３４】また、上記第２実施例においては、ピック
アップコイル部にグラジオメータ型の２つの検出コイル
を設ける例について説明したが、本発明はこれには限定
されず、１つの検出コイルのみを備えた「マグネトメー
タ」型とししてもよい。

【００３５】また、上記第２実施例においては、ＳＱＵ
ＩＤ磁束計に用いるＳＱＵＩＤループ内にジョセフソン
接合が２つ設けられたｄｃＳＱＵＩＤについて説明した
が、本発明はこれには限定されず、ＳＱＵＩＤループ内
に１つのジョセフソン接合のみを備えたｒｆＳＱＵＩＤ
であってもかまわない。

【００３６】また、上記第２実施例においては、ＳＱＵ
ＩＤ磁束計の中継プレートとＳＱＵＩＤ基板とを接続す
るボンディングワイヤの材料としてＮｂを用いる例につ
いて説明したが、本発明はこれには限定されず、ボンデ
ィングワイヤの材料としてＩｎ−Ｐｂ−ＡｕあるいはＰ
ｂを用いてもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１常伝導金属又は第２常伝導金属のすべてが溶融した
Ｐｂ−Ｓｎ合金内に拡散し、通常は溶融したＰｂ−Ｓｎ
合金に濡れず、溶融したＰｂ−Ｓｎ合金の付着のみによ
ってはＰｂ−Ｓｎ合金の被覆層を形成することができな
い第１超伝導体又は第２超伝導体の表面に超伝導体であ
るＰｂ−Ｓｎ合金の被覆層を形成させるので、第１超伝
導体とＰｂ−Ｓｎ合金と第２超伝導体との間に超伝導接
続が形成される。あるいは、Ｐｂ−Ｓｎ合金内に拡散さ
れた第１常伝導金属又は第２常伝導金属のごく一部が非
常に薄い層として残り、いわゆる「近接効果」により、
超伝導体と超伝導体との間に第１常伝導金属又は第２常
伝導金属が存在しても、超伝導体の間の距離が非常に近
いことにより超伝導接続が形成される。したがって、容
易で信頼性が高く、かつ磁束雑音の少ない超伝導接続方
法及びこの方法を用いたＳＱＵＩＤ磁束計を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である超伝導接続方法の手
順を説明する図である。

【図２】本発明の第２実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計の
構成を示す図であり、図２（Ａ）はＳＱＵＩＤ磁束計の
全体構成を示す斜視図を、図２（Ｂ）は図２（Ａ）に示
すＳＱＵＩＤ磁束計のブロック図を、図２（Ｃ）は図２
（Ａ）及び図２（Ｂ）における中継プレートのさらに詳
細な構成を示す平面図を、それぞれ示している。

【図３】図１に示す超伝導接続方法における超伝導状態
の原理を説明する図であり、図３（Ａ）は直接接続の場
合を、図２（Ｂ）は近接効果による接続の場合を、それ
ぞれ示している。

【符号の説明】

１ Ｎｂ−Ｔｉ線材 ２ ホルマル被覆 ３ Ｃｕ膜 ４ ハンダ ５ ハンダゴテ ６ Ａｕ層 ７ Ｎｂ薄膜 ８ 基板 １０ ＳＱＵＩＤ基板 １１ ＳＱＵＩＤループ １２ インプットコイル １３ ワイヤボンディング部 ２０ ピックアップコイル部 ２１，２２ 検出コイル部 ２３ 伝達部 ３０ 中継プレート ３１ ガラス板 ３２ Ｎｂパターン ３３，３４ Ａｕパターン ３５ ハンダ付け部 ３６ ワイヤボンディング部 ４０ ボンディングワイヤ ５０ バイアス電流源 １００ ＳＱＵＩＤ磁束計 Ｊ1 ，Ｊ2 ジョセフソン接合 Ｔ1 ，Ｔ2 出力端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｒ 4/68 ＺＡＡ Ｈ０１Ｆ 5/08 ＺＡＡＥ (56)参考文献 特開 平２−142020（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−177444（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−12941（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−220201（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C23C 2/08 - 2/10 G01R 33/035 H01B 12/00 H01B 13/00 561 H01F 6/06 H01L 39/00 H01L 39/22 H01R 4/68 H01R 43/00 H01R 43/02

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶融したＰｂ−Ｓｎ合金の付着のみによ
   ってはＰｂ−Ｓｎ合金の被覆層を形成することができな
   い第１超伝導体からなる線材の表面に絶縁被覆層を形成
   した第１線材において超伝導接続を行うべき端部である
   第１接続部の前記絶縁被覆層のみを除去し、この除去部
   分のみにＰｂ−Ｓｎ合金内に拡散可能な第１常伝導金属
   の薄膜である第１薄膜を形成し、前記第１常伝導金属が
   Ｐｂ−Ｓｎ合金内に拡散することにより前記第１超伝導
   体上にＰｂ−Ｓｎ合金被覆層を形成し易い温度範囲であ
   る第１処理温度帯に熱せられ溶融したＰｂ−Ｓｎ合金を
   前記第１薄膜上にあてがうことにより前記第１超伝導体
   上にＰｂ−Ｓｎ合金の第１被覆層を形成しておき、 一方溶融したＰｂ−Ｓｎ合金の付着のみによってはＰｂ
   −Ｓｎ合金の被覆層を形成することができない第２超伝
   導体からなる膜材において前記第１接続部と超伝導接続
   を行うべき第２接続部に、Ｐｂ−Ｓｎ合金内に拡散可能
   な第２常伝導金属の薄膜である第２薄膜を形成するか、 又は前記第２常伝導金属がＰｂ−Ｓｎ合金内に拡散する
   ことにより前記第２超伝導体上にＰｂ−Ｓｎ合金被覆層
   を形成し易い温度範囲である第２処理温度帯に熱せられ
   溶融したＰｂ−Ｓｎ合金を前記第２薄膜上にあてがうこ
   とにより前記第２超伝導体上にＰｂ−Ｓｎ合金の第２被
   覆層を形成しておき、 前記第１被覆層と前記第２薄膜又は第２被覆層とを当接
   し、前記第２処理温度帯以上か、又はＰｂ−Ｓｎ合金の
   融点以上に加熱し、前記第１接続部と前記第２接続部と
   を接合することにより、前記第１超伝導体と前記第２超
   伝導体とを超伝導接続することを特徴とする超伝導接続
   方法。
2. 【請求項２】 ＳＱＵＩＤと、外部磁場を捕捉するピッ
   クアップコイルと、ピックアップコイルが捕捉した磁場
   をＳＱＵＩＤに導入するインプットコイルと、前記ピッ
   クアップコイルと前記インプットコイルとを接続する中
   継プレートを備え、 溶融したＰｂ−Ｓｎ合金の付着のみによってはＰｂ−Ｓ
   ｎ合金の被覆層を形成することができない第１超伝導体
   からなる線材の表面に絶縁被覆層を設けて前記ピックア
   ップコイルを形成し、このピックアップコイルにおいて
   超伝導接続を行うべき端部である第１接続部の前記絶縁
   被覆層のみを除去し、この除去部分のみにＰｂ−Ｓｎ合
   金内に拡散可能な第１常伝導金属の薄膜である第１薄膜
   を形成し、前記第１常伝導金属がＰｂ−Ｓｎ合金内に拡
   散することにより前記第１超伝導体上にＰｂ−Ｓｎ合金
   被覆層を形成し易い温度範囲である第１処理温度帯に熱
   せられ溶融したＰｂ−Ｓｎ合金を前記第１薄膜上にあて
   がうことにより前記ピックアップコイルの前記第１超伝
   導体上にＰｂ−Ｓｎ合金の第１被覆層を形成しておき、 前記中継プレートには超伝導接続された第２接続部と第
   ３接続部とを設け、溶融したＰｂ−Ｓｎ合金の付着のみ
   によってはＰｂ−Ｓｎ合金の被覆層を形成することがで
   きない第２超伝導体からなる膜部を前記第２接続部上に
   形成し、この膜部に上に、Ｐｂ−Ｓｎ合金内に拡散可能
   な第２常伝導金属の薄膜である第２薄膜を形成するか、 又は前記第２常伝導金属がＰｂ−Ｓｎ合金内に拡散する
   ことにより前記第２超伝導体上にＰｂ−Ｓｎ合金被覆層
   を形成し易い温度範囲である第２処理温度帯に熱せられ
   溶融したＰｂ−Ｓｎ合金を前記第２薄膜上にあてがうこ
   とにより前記第２超伝導体上にＰｂ−Ｓｎ合金の第２被
   覆層を形成しておき、 前記第１被覆層と前記第２薄膜又は第２被覆層とを当接
   し、前記第２処理温度帯以上か、又はＰｂ−Ｓｎ合金の
   融点以上に加熱し、前記第１接続部と前記第２接続部と
   を超伝導接続し、かつ、前記インプットコイルの端部で
   ある第４接続部と前記第３接続部とを超伝導ワイヤボン
   ディングにより超伝導接続することにより、前記ピック
   アップコイルと前記インプットコイルとを超伝導接続し
   たことを特徴とするＳＱＵＩＤ磁束計。
3. 【請求項３】 請求項２記載のＳＱＵＩＤ磁束計におい
   て、 前記第１超伝導体及び前記第２超伝導体はＮｂ系超伝導
   金属であり、前記第１薄膜はメッキにより形成されたＣ
   ｕ層であり、前記第２薄膜はスパッタリングにより形成
   された厚み１０００〜２０００オングストロームのＡｕ
   層であり、前記第１処理温度帯は４００°Ｃを含む温度
   範囲であり、かつ前記第２処理温度帯は２００°Ｃを含
   む温度範囲であることを特徴とするＳＱＵＩＤ磁束計。