JP3093135B2 - 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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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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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。
【符号の説明】 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 (56)参考文献 特開 平６−109820（ＪＰ，Ａ) 特公 昭58−45168（ＪＰ，Ｂ２) 特表 平５−500717（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 33/00 - 33/18
Claims (5)
- 【請求項１】１つの表面上の離隔関係の第１及び第２の
領域を有する基板と、 各々が少なくとも１つのジョセフソン素子を含み、同じ
平面形態で上記第２の領域上に並置されている３つのＳ
ＱＵＩＤと、 各々が上記ＳＱＵＩＤのそれぞれに結合して上記第１の
領域上に並置され、３つの磁界成分をそれぞれ検知する
ための第１，第２及び第３のピックアップ素子であっ
て、第１及び第２の各ピックアップ素子が薄膜状の多重
巻回線ソレノイド形態に、そして第３のピックアップ素
子が少なくとも１つのループを有する平面素子形態に形
成され、第１及び第２の各ピックアップ素子による感度
が第３素子による感度と同程度以上にされている３つの
ピックアップ素子と、 を含む薄膜型の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
誘導的に結合されている請求項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
直接結合されている請求項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している請求項１記載の磁力
計。 - 【請求項５】１つの表面の離隔関係の第１及び第２の領
域を有する基板と、 各々が同じ平面形態で上記第２の領域上に並置されてい
る３つの磁界成分検出装置と、 各々が上記磁界成分検出装置のそれぞれに結合して上記
第１の領域上に並置され、３つの磁界成分をそれぞれ検
知するための第１，第２及び第３のピックアップ素子で
あって、第１及び第２の各ピックアップ素子が薄膜状の
多重巻回線ソレノイド形態に、そして第３のピックアッ
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
に形成され、第１及び第２の各ピックアップ素子による
感度が第３素子による感度と同程度以上にされている３
つのピックアップ素子と、 を含む薄膜型の３軸磁力計。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US292641 | 1994-08-18 | ||
| US08/292,641 US5786690A (en) | 1994-08-18 | 1994-08-18 | High resolution three-axis scanning squid microscope having planar solenoids |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0868835A JPH0868835A (ja) | 1996-03-12 |
| JP3093135B2 true 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) |
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| 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 |
| WO2003025603A1 (en) * | 2001-09-14 | 2003-03-27 | University Of Maryland, College Park | Scanning squid microscope with improved spatial resolution |
| US6984977B2 (en) * | 2001-09-14 | 2006-01-10 | University Of Maryland | Scanning SQUID microscope with improved 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 |
| US9741918B2 (en) | 2013-10-07 | 2017-08-22 | Hypres, Inc. | Method for increasing the integration level of superconducting electronics circuits, and a resulting circuit |
| WO2017199063A1 (en) | 2016-05-17 | 2017-11-23 | Kongsberg Inc. | System, method and object for high accuracy magnetic position sensing |
| CN110088583B (zh) | 2016-12-12 | 2021-07-30 | 康斯博格股份有限公司 | 双频带磁致弹性扭矩传感器 |
| CN107229021B (zh) * | 2017-05-22 | 2019-07-19 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 三维磁场测量组件及制备方法 |
| CN109298357A (zh) * | 2018-09-07 | 2019-02-01 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 基于squid三轴磁强计的矢量磁场稳定系统 |
| CN109283476A (zh) * | 2018-09-07 | 2019-01-29 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 磁传感器的低频本征噪声测试系统及测试方法 |
| US10983019B2 (en) | 2019-01-10 | 2021-04-20 | Ka Group Ag | Magnetoelastic type torque sensor with temperature dependent error compensation |
Family Cites Families (11)
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Also Published As
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|---|---|
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