JP4519279B2 - 高温超伝導デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導膜に良好に密着した電極を有する高温超伝導デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、高温超伝導デバイスは、ＭｇＯ基板（室温〜７７〔Ｋ〕に於いて、熱収縮率１．３×１０-3）或いはＬａＡｌＯ3 基板（室温〜７７〔Ｋ〕に於いて、熱収縮率１．０×１０-3）などの上に形成される。
【０００３】
これ等の基板は熱収縮率が小さい為、デバイスを収容するパッケージには、熱収縮率が近い材料であるインバー（熱収縮率０．５〜１．０×１０-3）を用いることが多いのであるが、インバーは鉄とニッケルの合金であることから質量が大きく、冷凍機への熱負荷も大きくなる。
【０００４】
冷却温度を５０〔Ｋ〕〜８０〔Ｋ〕軽度とする場合では、冷凍機の消費電力と冷却能力とは殆ど比例関係にあり、熱負荷が大きいデバイスを冷凍機に実装した場合、冷凍機の消費電力を大きくしなければならず、そして、冷凍能力が追いつかない場合には冷却温度が上昇し、臨界状態になって超伝導状態が消失し、デバイスとして機能しなくなってしまう。
【０００５】
このようなことから、熱負荷が小さい材質で作製したパッケージを用いて高温超伝導デバイスを構成することが重要であり、その為、質量が小さいパッケージ材としてアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金などを用いることが考えられる。
【０００６】
然しながら、前記材料は、室温〜７７〔Ｋ〕の間で熱収縮率が大きく、例えばアルミニウムやアルミニウム合金では４×１０-3〜５×１０-3程度であり、高温超伝導膜が形成してあるＭｇＯ基板などとの間で熱収縮率差に起因する応力がデバイス電極と同軸コネクタとの接合部に加わること、また、基板と電極との間の熱収縮に依って電極が剥離し、電気的な接続が失われるので、デバイス電極と基板或いは高温超伝導膜との密着性は重要である。
【０００７】
通常、接合に用いるデバイス電極は高温超伝導膜上に形成され、その場合、超伝導特性の劣化が少ない電極材としては、ＡｇやＡｕが知られているが、これ等を単に抵抗加熱蒸着法、或いは、スパッタリング法などを適用して電極として形成した場合、電極と基板や超伝導膜との密着性が悪いことから、温度変化に依って熱収縮差に起因する応力で剥離する。
【０００８】
また、電極と高温超伝導膜との接続を確実にする為、半田付けに依って接続した場合、半田の中に電極材が拡散する、いわゆる半田食われ現象が起こってしまう。
【０００９】
半田食われ現象に対抗するには、電極の膜厚を増加させることも考えられようが、半田中の電極材拡散量が増加し、半田自体の機械的性質を変化させ、接合部を破壊する原因となるおそれがある。
【００１０】
図６は高温超伝導デバイスに於ける電極の剥離や半田食われを説明する要部説明図であり、（Ａ）は室温に於ける高温超伝導デバイスを、（Ｂ）は液体窒素温度に於ける高温超伝導デバイスを、また、（Ｃ）は半田食われ現象をそれぞれ示している。
【００１１】
図に於いて、１は基板、２は高温超伝導膜、３はＡｕやＡｇからなる電極、４は半田、５は半田の中に取り込まれた電極材をそれぞれ示している。
【００１２】
（Ａ）に見られるように、室温では、電極３が高温超伝導膜２に良好に接続されていても、（Ｂ）に見られるように、液体窒素温度では、高温超伝導膜２と電極３との熱収縮差に起因して剥離が発生する。
【００１３】
（Ｃ）に見られるように、高温超伝導膜２と電極３との接続に半田４を用いた場合、半田４の中に電極３が電極材５として拡散し、超伝導接合が破壊されてしまう。
【００１４】
ところで、高温超伝導膜と電極との間に電気伝導性酸化物膜を形成し、電極としてＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔなどを用いる技術が公知（要すれば、「特開平７−２１１９５０号公報」、を参照）であり、本発明に於いても、高温超伝導膜と電極との間に電気伝導性酸化物膜や誘電体膜などの被膜を介在させる点で類似するので、ここで相違点を明確にしておくことは有益と思われる。
【００１５】
前記公知技術に於いては、電極に同軸コネクタを半田で接続した場合、例えばＡｕやＡｇを用いた場合、電極の剥離や半田食われが発生し、また、ＰｄやＰｔを用いた場合、半田接合性が悪いので接合不良が起こる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、高温超伝導膜と電極とを接続した場合、室温及び低温の環境下で接続が剥離しないように、また、電極の半田食われが発生しないようにして、高温超伝導デバイスの信頼性を向上しようとする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜と電極とが積層形成された高温超伝導デバイスであって、該積層形成により該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の主面と該電極とに生じる界面に、該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の構成物質と該電極の一部を構成するチタンとの加熱反応で生成されたチタン化合物が介在してなることが基本になっている。
【００１８】
前記本発明に依れば、高温超伝導膜と電極との界面に誘電性のチタン化合物を介在させることで両者の密着性を改善され、また、電極としては、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉなど拡散性が小さい材料を成膜し、その上の最表層には、半田接合性に優れているＡｇ、Ａｕなどの材料を成膜することで、従来の技術の問題点は全て解消することができる。
【００１９】
前記手段を採った場合、直流での室温に於ける接触抵抗は０．５〔ｍｍ〕□の電極面積で２００〔Ω〕〜３００〔Ω〕以上を示すのであるが、２〔ＧＨｚ〕に於いて、同軸コネクタと電極との接合部も含めた動作温度７０〔Ｋ〕に於ける伝送損失は０．１〔ｄＢ〕程度にすることができる。
【００２０】
本発明に依る電極は、密着性が良好で、且つ、半田食われが起こり難いことから、電極と同軸コネクタとを接続する方法の選択肢が拡がり、半田接続は勿論のこと、ワイヤ・ボンディング法、ＴＡＢ（ｔａｐｅ ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｂｏｎｄｉｎｇ）法の導入が可能であり、また、超伝導膜と電極との密着性が良好であることから、超伝導デバイスをアルミニウム合金やマグネシウム合金のような大きな熱収縮差をもつパッケージに実装する場合であっても、半田接合が可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は本発明の実施の形態１を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図であり、以下、その製造プロセスについて説明する。尚、図に於いては、高温超伝導デバイスの左側半部を示し、右側半部は省略してある。
【００２２】
図１（Ａ）参照
１−（１）
レーザ蒸着法を適用することに依り、単結晶ＭｇＯからなる基板１１の表裏両面に厚さが１００〔ｎｍ〕〜２０００〔ｎｍ〕のＹＢＣＯ（ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x ）からなる高温超伝導膜１２Ａ及び１２Ｂを形成する。
【００２３】
ここで用いる成膜技術としては、レーザ蒸着法の他にスパッタリング法を採用することも可能である。
【００２４】
１−（２）
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、及び、エッチャントをリン酸或いは塩酸を希釈した水溶液とするウエット・エッチング法を適用することに依り、高温超伝導膜１２Ａをライン・パターンにエッチングする。尚、高温超伝導膜のエッチングには、Ａｒイオンをエッチング・ガスとするドライ・エッチング法を適用することもできる。
【００２５】
１−（３）
ライン・パターンの両端に於ける電極形成予定部分に開口をもったメタル・マスクを位置合わせし、Ａｒイオンを用いたミリングを行って、高温超伝導膜１２Ａの表面を改質する。
【００２６】
このイオン・ミリングの条件は、例えばイオン加速電圧２００〔Ｖ〕、ビーム電流５〔ｍＡ〕、時間１０〔分〕であり、また、この改質は高温超伝導膜１２Ａの表面に荒れを発生させる。
【００２７】
１−（４）
高温超伝導膜１２Ａの両端に於ける電極形成予定部分に開口もつメタル・マスクを位置合わせし、真空蒸着法を適用することに依り、高温超伝導膜１２Ａにコンタクトするように基板１１側から順に厚さが１０００〔Å〕のチタン膜１３Ａ、厚さが３０００〔Å〕のパラジウム膜１３Ｂ、厚さが２０００〔Å〕の銀膜１３Ｃを積層形成して電極１３とすると共に高温超伝導膜１２Ｂ側の全面にも同じ金属層を蒸着してグランド電極１４とする。
【００２８】
図１（Ｂ）参照
１−（５）
電極１３に直径１００〔μｍ〕、融点１５６〔℃〕のインジウムはんだボールを用いて温度２００〔℃〕のホットプレート上で予備半田を形成してからアルミニウム合金パッケージ（ここでは省略、図２を参照）にセットする。
【００２９】
前記した予備半田を施す為に２００〔℃〕の熱処理を加えたことで、チタン膜１３Ａと高温超伝導膜１２Ａとが反応し、例えばチタン酸バリウムなどのチタン化合物２０が生成され、それに依って電極１３と高温超伝導膜１２Ａとの密着性は飛躍的に向上する。
【００３０】
図２参照
２−（１）
前記のように加工した基板１１をアルミニウム合金パッケージ１５にセットしてから、同軸コネクタに於けるＡｕ／Ｂｅ−Ｃｕからなる中心導体１６の先端にインジウム半田をディップ・コーティングし、これもアルミニウム合金パッケージ１５にセットする。尚、１７は中心導体１６とアルミニウム合金パッケージ１５との間で所要のインピーダンスを示す絶縁物である。
【００３１】
２−（２）
アルミニウム合金パッケージ１５を温度１００〔℃〕のホット・プレート上に載置して予熱し、温度３５０〔℃〕に加熱した半田ごてを接続部に当てることで本加熱を行い、インジウム半田に依って超伝導デバイスの電極１３と同軸コネクタの中心導体１６とを接続する。尚、アルミニウム合金パッケージはマグネシウム合金パッケージに代替することができ、マグネシウム合金は、アルミニウム系材料に比較して比重が小さく（純マグネシウム：１．７〔Ｍｇ／ｍ3 〕、純アルミニウム：２．７〔Ｍｇ／ｍ3 〕）、冷凍機への熱負荷を低減することができる。
【００３２】
前記のようにして得られた電極１３と中心導体１６との接続体に於ける伝送特性を７０〔Ｋ〕に於いて測定したところ、通常の同軸コネクタを突き当てただけで接触させた場合と変わりなく、また、７０〔Ｋ〕と室温とを繰り返しても伝送特性の変化は認められなかった。
【００３３】
尚、電極１３と中心導体１６との接続には、両者に純インジウム半田を供給しておき、パッケージに実装する際、電極１３上のインジウムと中心導体１６上のインジウムを接触させるだけで、それ等インジウムに依って容易に電気接続することができ、その電気特性は、溶融接合した場合と比較して変わりない値にすることが可能であり、従って、接合時の加熱が不要な常温接合を実現できる。
【００３４】
図３は本発明の実施の形態２を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図であり、図１及び図２に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００３５】
実施の形態２がさきに説明した実施の形態１と相違するところは、同軸コネクタの中心導体１６を電極１３と接続する場合、中心導体１６の先端を折り曲げ、電極１３上に垂直に起立する状態にして接続したことであり、このような構成にすることで、接続部に於ける応力集中を中心導体１６のバネ性で吸収させることができる。
【００３６】
図４は本発明の実施の形態３を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図である。尚、図１乃至図３に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００３７】
実施の形態３が他の実施の形態と相違するところは、電極１３が厚さ１００〔ｎｍ〕のチタン膜、厚さ３００〔ｎｍ〕のパラジウム膜、厚さ２００〔ｎｍ〕の金膜からなっていて、この電極１３と同軸コネクタの中心導体１６とを幅２５０〔μｍ〕、厚さ３０〔μｍ〕で純度４Ｎのアルミニウム・テープ１８を用いて接続した点にある。
【００３８】
その接続には、荷重１００〔ｇｆｏｒｃｅ〕、出力１．４〔Ｗ〕、時間１００〔ｍｓｅｃ〕の条件を採用した超音波ボンディングを適用し、室温で実施している。
【００３９】
接続後にアルミニウム・テープ１８を引っ張って接続部を評価したところ、アルミニウム・テープ１８の部分で破断が発生し、ボンディング部分や電極１３と超伝導膜１２Ａとの接続部での剥離は発生せず、良好な接続が行われていることを確認できた。
【００４０】
図５は本発明の実施の形態４を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図である。尚、図１乃至図４に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００４１】
実施の形態４が実施の形態３と相違するところは、実施の形態３に於いて、電極１３と中心導体１６とを結んだアルミニウム・テープ１８に代えて、直径２５〔μｍ〕の金線１９を用い、実施の形態３と全く同様にして，電極１３及び中心導体１６の双方に超音波ボンディングした点にある。
【００４２】
接続後に金線１９を引っ張って接続部を評価したところ、金線１９の部分で破断が発生し、ボンディング部分や電極１３と超伝導膜１２Ａとの接続部での剥離は発生せず、良好な接続が行われていることを確認できた。
【００４３】
本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができ、以下、それを付記として例示する。
【００４４】
（付記１）
ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜と電極とが積層形成された高温超伝導デバイスであって、
該積層形成により該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の主面と該電極とに生じる界面に、該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の構成物質と該電極の一部を構成するチタンとの加熱反応で生成されたチタン化合物が介在してなること
を特徴とする高温超伝導デバイス。
【００４５】
（付記２）
ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜と電極とが積層形成され、該電極と接続する同軸コネクタを有する高温超伝 導デバイスであって、
該積層形成により生じる該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の主面と該電極との界面に介在し、該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の構成物質と該電極の一部を構成するチタンとの加熱反応で生成されたチタン化合物を有し、
該電極と該同軸コネクタの中心導体とが純インジウム、インジウム−錫、インジウム−鉛、インジウム−銀のインジウム系金属からなる半田で接続されていること
を特徴とする高温超伝導デバイス。
【００４７】
（付記３）
ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜がライン・パターンからなり、ライン・パターンのＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の両端に在る改質した表面上に順に積層形成された厚さ１００〔ｎｍ〕〜３００〔ｎｍ〕のチタン膜、厚さ１００〔ｎｍ〕〜２００〔ｎｍ〕の白金或いはパラジウム或いはニッケル或いは銅の何れかの膜、厚さが５０〔ｎｍ〕〜３００〔ｎｍ〕の金或いは銀の何れかの膜からなる電極を特徴とする（付記１）または（付記２）に記載の高温超伝導デバイス。
【００４８】
（付記４）
ライン・パターンのＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の両端に在る改質した表面がイオン・ミリング法、逆スパッタリング法、反応性イオン・エッチング法の何れかで形成されたものであること
を特徴とする（付記３）記載の高温超伝導デバイス。
【００５０】
（付記５）
電極と同軸コネクタの中心導体とを接続する半田材が蒸着、ボール状半田の溶融、ペースト印刷、ディップ、メッキなどの手段で形成されたものであることを特徴とする（付記２）記載の高温超伝導デバイス。
【００５１】
（付記６）
電極と同軸コネクタの中心導体とを接続するアルミニウム・テープを備えてなることを特徴とする（付記２）記載の高温超伝導デバイス。
【００５２】
（付記７）
電極と同軸コネクタの中心導体とを接続する金線を備えてなることを特徴とする（付記２）記載の高温超伝導デバイス。
【００５３】
（付記８）
同軸コネクタの中心導体先端を折り曲げて電極表面に直立した状態で接続されてなることを特徴とする（付記２）記載の高温超伝導デバイス。
【００５４】
（付記９）
電極と同軸コネクタの中心導体或いは何れか一方の表面にインジウムをコーティングして圧着してなることを特徴とする（付記２）記載の高温超伝導デバイス。
【００５５】
【発明の効果】
本発明に依る高温超伝導デバイスに於いては、ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜と電極とが積層形成された高温超伝導デバイスであって、該積層形成により該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の主面と該電極とに生じる界面に、該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の構成物質と該電極の一部を構成するチタンとの加熱反応で生成されたチタン化合物が介在し、また、電極の材料として、拡散性が小さい材料及び半田接合性に優れた材料を併用している。
【００５６】
前記構成を採ることに依り、室温及び低温の環境下で高温超伝導膜と電極との接続は剥離することがなくなり、また、電極材の半田食われは発生しないので、高温超伝導デバイスの信頼性を向上する。
【００５７】
前記したところが因子となって、電極と同軸コネクタとを接続する方法の選択肢が拡がり、半田接続は勿論のこと、ワイヤ・ボンディング法、ＴＡＢ法の導入も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図である。
【図２】本発明の実施の形態１を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図である。
【図３】本発明の実施の形態２を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図である。
【図４】本発明の実施の形態３を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図である。
【図５】本発明の実施の形態４を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図である。
【図６】高温超伝導デバイスに於ける電極の剥離や半田食われを説明する要部説明図である。
【符号の説明】
１１ 基板
１２Ａ、１２Ｂ 高温超伝導膜
１３ 電極
１３Ａ チタン膜
１３Ｂ パラジウム膜
１３Ｃ 銀膜
１４ グランド電極
１５ アルミニウム合金パッケージ
１６ 中心導体
１７ 絶縁物
１８ アルミニウム・テープ
１９ 金線
２０ チタン化合物
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導膜に良好に密着した電極を有する高温超伝導デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、高温超伝導デバイスは、ＭｇＯ基板（室温〜７７〔Ｋ〕に於いて、熱収縮率１．３×１０-3）或いはＬａＡｌＯ3 基板（室温〜７７〔Ｋ〕に於いて、熱収縮率１．０×１０-3）などの上に形成される。
【０００３】
これ等の基板は熱収縮率が小さい為、デバイスを収容するパッケージには、熱収縮率が近い材料であるインバー（熱収縮率０．５〜１．０×１０-3）を用いることが多いのであるが、インバーは鉄とニッケルの合金であることから質量が大きく、冷凍機への熱負荷も大きくなる。
【０００４】
冷却温度を５０〔Ｋ〕〜８０〔Ｋ〕軽度とする場合では、冷凍機の消費電力と冷却能力とは殆ど比例関係にあり、熱負荷が大きいデバイスを冷凍機に実装した場合、冷凍機の消費電力を大きくしなければならず、そして、冷凍能力が追いつかない場合には冷却温度が上昇し、臨界状態になって超伝導状態が消失し、デバイスとして機能しなくなってしまう。
【０００５】
このようなことから、熱負荷が小さい材質で作製したパッケージを用いて高温超伝導デバイスを構成することが重要であり、その為、質量が小さいパッケージ材としてアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金などを用いることが考えられる。
【０００６】
然しながら、前記材料は、室温〜７７〔Ｋ〕の間で熱収縮率が大きく、例えばアルミニウムやアルミニウム合金では４×１０-3〜５×１０-3程度であり、高温超伝導膜が形成してあるＭｇＯ基板などとの間で熱収縮率差に起因する応力がデバイス電極と同軸コネクタとの接合部に加わること、また、基板と電極との間の熱収縮に依って電極が剥離し、電気的な接続が失われるので、デバイス電極と基板或いは高温超伝導膜との密着性は重要である。
【０００７】
通常、接合に用いるデバイス電極は高温超伝導膜上に形成され、その場合、超伝導特性の劣化が少ない電極材としては、ＡｇやＡｕが知られているが、これ等を単に抵抗加熱蒸着法、或いは、スパッタリング法などを適用して電極として形成した場合、電極と基板や超伝導膜との密着性が悪いことから、温度変化に依って熱収縮差に起因する応力で剥離する。
【０００８】
また、電極と高温超伝導膜との接続を確実にする為、半田付けに依って接続した場合、半田の中に電極材が拡散する、いわゆる半田食われ現象が起こってしまう。
【０００９】
半田食われ現象に対抗するには、電極の膜厚を増加させることも考えられようが、半田中の電極材拡散量が増加し、半田自体の機械的性質を変化させ、接合部を破壊する原因となるおそれがある。
【００１０】
図６は高温超伝導デバイスに於ける電極の剥離や半田食われを説明する要部説明図であり、（Ａ）は室温に於ける高温超伝導デバイスを、（Ｂ）は液体窒素温度に於ける高温超伝導デバイスを、また、（Ｃ）は半田食われ現象をそれぞれ示している。
【００１１】
図に於いて、１は基板、２は高温超伝導膜、３はＡｕやＡｇからなる電極、４は半田、５は半田の中に取り込まれた電極材をそれぞれ示している。
【００１２】
（Ａ）に見られるように、室温では、電極３が高温超伝導膜２に良好に接続されていても、（Ｂ）に見られるように、液体窒素温度では、高温超伝導膜２と電極３との熱収縮差に起因して剥離が発生する。
【００１３】
（Ｃ）に見られるように、高温超伝導膜２と電極３との接続に半田４を用いた場合、半田４の中に電極３が電極材５として拡散し、超伝導接合が破壊されてしまう。
【００１４】
ところで、高温超伝導膜と電極との間に電気伝導性酸化物膜を形成し、電極としてＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔなどを用いる技術が公知（要すれば、「特開平７−２１１９５０号公報」、を参照）であり、本発明に於いても、高温超伝導膜と電極との間に電気伝導性酸化物膜や誘電体膜などの被膜を介在させる点で類似するので、ここで相違点を明確にしておくことは有益と思われる。
【００１５】
前記公知技術に於いては、電極に同軸コネクタを半田で接続した場合、例えばＡｕやＡｇを用いた場合、電極の剥離や半田食われが発生し、また、ＰｄやＰｔを用いた場合、半田接合性が悪いので接合不良が起こる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、高温超伝導膜と電極とを接続した場合、室温及び低温の環境下で接続が剥離しないように、また、電極の半田食われが発生しないようにして、高温超伝導デバイスの信頼性を向上しようとする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜と電極とが積層形成された高温超伝導デバイスであって、該積層形成により該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の主面と該電極とに生じる界面に、該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の構成物質と該電極の一部を構成するチタンとの加熱反応で生成されたチタン化合物が介在してなることが基本になっている。
【００１８】
前記本発明に依れば、高温超伝導膜と電極との界面に誘電性のチタン化合物を介在させることで両者の密着性を改善され、また、電極としては、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉなど拡散性が小さい材料を成膜し、その上の最表層には、半田接合性に優れているＡｇ、Ａｕなどの材料を成膜することで、従来の技術の問題点は全て解消することができる。
【００１９】
前記手段を採った場合、直流での室温に於ける接触抵抗は０．５〔ｍｍ〕□の電極面積で２００〔Ω〕〜３００〔Ω〕以上を示すのであるが、２〔ＧＨｚ〕に於いて、同軸コネクタと電極との接合部も含めた動作温度７０〔Ｋ〕に於ける伝送損失は０．１〔ｄＢ〕程度にすることができる。
【００２０】
本発明に依る電極は、密着性が良好で、且つ、半田食われが起こり難いことから、電極と同軸コネクタとを接続する方法の選択肢が拡がり、半田接続は勿論のこと、ワイヤ・ボンディング法、ＴＡＢ（ｔａｐｅ ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｂｏｎｄｉｎｇ）法の導入が可能であり、また、超伝導膜と電極との密着性が良好であることから、超伝導デバイスをアルミニウム合金やマグネシウム合金のような大きな熱収縮差をもつパッケージに実装する場合であっても、半田接合が可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は本発明の実施の形態１を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図であり、以下、その製造プロセスについて説明する。尚、図に於いては、高温超伝導デバイスの左側半部を示し、右側半部は省略してある。
【００２２】
図１（Ａ）参照
１−（１）
レーザ蒸着法を適用することに依り、単結晶ＭｇＯからなる基板１１の表裏両面に厚さが１００〔ｎｍ〕〜２０００〔ｎｍ〕のＹＢＣＯ（ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x ）からなる高温超伝導膜１２Ａ及び１２Ｂを形成する。
【００２３】
ここで用いる成膜技術としては、レーザ蒸着法の他にスパッタリング法を採用することも可能である。
【００２４】
１−（２）
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、及び、エッチャントをリン酸或いは塩酸を希釈した水溶液とするウエット・エッチング法を適用することに依り、高温超伝導膜１２Ａをライン・パターンにエッチングする。尚、高温超伝導膜のエッチングには、Ａｒイオンをエッチング・ガスとするドライ・エッチング法を適用することもできる。
【００２５】
１−（３）
ライン・パターンの両端に於ける電極形成予定部分に開口をもったメタル・マスクを位置合わせし、Ａｒイオンを用いたミリングを行って、高温超伝導膜１２Ａの表面を改質する。
【００２６】
このイオン・ミリングの条件は、例えばイオン加速電圧２００〔Ｖ〕、ビーム電流５〔ｍＡ〕、時間１０〔分〕であり、また、この改質は高温超伝導膜１２Ａの表面に荒れを発生させる。
【００２７】
１−（４）
高温超伝導膜１２Ａの両端に於ける電極形成予定部分に開口もつメタル・マスクを位置合わせし、真空蒸着法を適用することに依り、高温超伝導膜１２Ａにコンタクトするように基板１１側から順に厚さが１０００〔Å〕のチタン膜１３Ａ、厚さが３０００〔Å〕のパラジウム膜１３Ｂ、厚さが２０００〔Å〕の銀膜１３Ｃを積層形成して電極１３とすると共に高温超伝導膜１２Ｂ側の全面にも同じ金属層を蒸着してグランド電極１４とする。
【００２８】
図１（Ｂ）参照
１−（５）
電極１３に直径１００〔μｍ〕、融点１５６〔℃〕のインジウムはんだボールを用いて温度２００〔℃〕のホットプレート上で予備半田を形成してからアルミニウム合金パッケージ（ここでは省略、図２を参照）にセットする。
【００２９】
前記した予備半田を施す為に２００〔℃〕の熱処理を加えたことで、チタン膜１３Ａと高温超伝導膜１２Ａとが反応し、例えばチタン酸バリウムなどのチタン化合物２０が生成され、それに依って電極１３と高温超伝導膜１２Ａとの密着性は飛躍的に向上する。
【００３０】
図２参照
２−（１）
前記のように加工した基板１１をアルミニウム合金パッケージ１５にセットしてから、同軸コネクタに於けるＡｕ／Ｂｅ−Ｃｕからなる中心導体１６の先端にインジウム半田をディップ・コーティングし、これもアルミニウム合金パッケージ１５にセットする。尚、１７は中心導体１６とアルミニウム合金パッケージ１５との間で所要のインピーダンスを示す絶縁物である。
【００３１】
２−（２）
アルミニウム合金パッケージ１５を温度１００〔℃〕のホット・プレート上に載置して予熱し、温度３５０〔℃〕に加熱した半田ごてを接続部に当てることで本加熱を行い、インジウム半田に依って超伝導デバイスの電極１３と同軸コネクタの中心導体１６とを接続する。尚、アルミニウム合金パッケージはマグネシウム合金パッケージに代替することができ、マグネシウム合金は、アルミニウム系材料に比較して比重が小さく（純マグネシウム：１．７〔Ｍｇ／ｍ3 〕、純アルミニウム：２．７〔Ｍｇ／ｍ3 〕）、冷凍機への熱負荷を低減することができる。
【００３２】
前記のようにして得られた電極１３と中心導体１６との接続体に於ける伝送特性を７０〔Ｋ〕に於いて測定したところ、通常の同軸コネクタを突き当てただけで接触させた場合と変わりなく、また、７０〔Ｋ〕と室温とを繰り返しても伝送特性の変化は認められなかった。
【００３３】
尚、電極１３と中心導体１６との接続には、両者に純インジウム半田を供給しておき、パッケージに実装する際、電極１３上のインジウムと中心導体１６上のインジウムを接触させるだけで、それ等インジウムに依って容易に電気接続することができ、その電気特性は、溶融接合した場合と比較して変わりない値にすることが可能であり、従って、接合時の加熱が不要な常温接合を実現できる。
【００３４】
図３は本発明の実施の形態２を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図であり、図１及び図２に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００３５】
実施の形態２がさきに説明した実施の形態１と相違するところは、同軸コネクタの中心導体１６を電極１３と接続する場合、中心導体１６の先端を折り曲げ、電極１３上に垂直に起立する状態にして接続したことであり、このような構成にすることで、接続部に於ける応力集中を中心導体１６のバネ性で吸収させることができる。
【００３６】
図４は本発明の実施の形態３を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図である。尚、図１乃至図３に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００３７】
実施の形態３が他の実施の形態と相違するところは、電極１３が厚さ１００〔ｎｍ〕のチタン膜、厚さ３００〔ｎｍ〕のパラジウム膜、厚さ２００〔ｎｍ〕の金膜からなっていて、この電極１３と同軸コネクタの中心導体１６とを幅２５０〔μｍ〕、厚さ３０〔μｍ〕で純度４Ｎのアルミニウム・テープ１８を用いて接続した点にある。
【００３８】
その接続には、荷重１００〔ｇｆｏｒｃｅ〕、出力１．４〔Ｗ〕、時間１００〔ｍｓｅｃ〕の条件を採用した超音波ボンディングを適用し、室温で実施している。
【００３９】
接続後にアルミニウム・テープ１８を引っ張って接続部を評価したところ、アルミニウム・テープ１８の部分で破断が発生し、ボンディング部分や電極１３と超伝導膜１２Ａとの接続部での剥離は発生せず、良好な接続が行われていることを確認できた。
【００４０】
図５は本発明の実施の形態４を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図である。尚、図１乃至図４に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００４１】
実施の形態４が実施の形態３と相違するところは、実施の形態３に於いて、電極１３と中心導体１６とを結んだアルミニウム・テープ１８に代えて、直径２５〔μｍ〕の金線１９を用い、実施の形態３と全く同様にして，電極１３及び中心導体１６の双方に超音波ボンディングした点にある。
【００４２】
接続後に金線１９を引っ張って接続部を評価したところ、金線１９の部分で破断が発生し、ボンディング部分や電極１３と超伝導膜１２Ａとの接続部での剥離は発生せず、良好な接続が行われていることを確認できた。
【００４３】
本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができ、以下、それを付記として例示する。
【００４４】
（付記１）
ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜と電極とが積層形成された高温超伝導デバイスであって、
該積層形成により該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の主面と該電極とに生じる界面に、該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の構成物質と該電極の一部を構成するチタンとの加熱反応で生成されたチタン化合物が介在してなること
を特徴とする高温超伝導デバイス。
【００４５】
（付記２）
ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜と電極とが積層形成され、該電極と接続する同軸コネクタを有する高温超伝 導デバイスであって、
該積層形成により生じる該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の主面と該電極との界面に介在し、該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の構成物質と該電極の一部を構成するチタンとの加熱反応で生成されたチタン化合物を有し、
該電極と該同軸コネクタの中心導体とが純インジウム、インジウム−錫、インジウム−鉛、インジウム−銀のインジウム系金属からなる半田で接続されていること
を特徴とする高温超伝導デバイス。
【００４７】
（付記３）
ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜がライン・パターンからなり、ライン・パターンのＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の両端に在る改質した表面上に順に積層形成された厚さ１００〔ｎｍ〕〜３００〔ｎｍ〕のチタン膜、厚さ１００〔ｎｍ〕〜２００〔ｎｍ〕の白金或いはパラジウム或いはニッケル或いは銅の何れかの膜、厚さが５０〔ｎｍ〕〜３００〔ｎｍ〕の金或いは銀の何れかの膜からなる電極を特徴とする（付記１）または（付記２）に記載の高温超伝導デバイス。
【００４８】
（付記４）
ライン・パターンのＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の両端に在る改質した表面がイオン・ミリング法、逆スパッタリング法、反応性イオン・エッチング法の何れかで形成されたものであること
を特徴とする（付記３）記載の高温超伝導デバイス。
【００５０】
（付記５）
電極と同軸コネクタの中心導体とを接続する半田材が蒸着、ボール状半田の溶融、ペースト印刷、ディップ、メッキなどの手段で形成されたものであることを特徴とする（付記２）記載の高温超伝導デバイス。
【００５１】
（付記６）
電極と同軸コネクタの中心導体とを接続するアルミニウム・テープを備えてなることを特徴とする（付記２）記載の高温超伝導デバイス。
【００５２】
（付記７）
電極と同軸コネクタの中心導体とを接続する金線を備えてなることを特徴とする（付記２）記載の高温超伝導デバイス。
【００５３】
（付記８）
同軸コネクタの中心導体先端を折り曲げて電極表面に直立した状態で接続されてなることを特徴とする（付記２）記載の高温超伝導デバイス。
【００５４】
（付記９）
電極と同軸コネクタの中心導体或いは何れか一方の表面にインジウムをコーティングして圧着してなることを特徴とする（付記２）記載の高温超伝導デバイス。
【００５５】
【発明の効果】
本発明に依る高温超伝導デバイスに於いては、ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜と電極とが積層形成された高温超伝導デバイスであって、該積層形成により該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の主面と該電極とに生じる界面に、該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の構成物質と該電極の一部を構成するチタンとの加熱反応で生成されたチタン化合物が介在し、また、電極の材料として、拡散性が小さい材料及び半田接合性に優れた材料を併用している。
【００５６】
前記構成を採ることに依り、室温及び低温の環境下で高温超伝導膜と電極との接続は剥離することがなくなり、また、電極材の半田食われは発生しないので、高温超伝導デバイスの信頼性を向上する。
【００５７】
前記したところが因子となって、電極と同軸コネクタとを接続する方法の選択肢が拡がり、半田接続は勿論のこと、ワイヤ・ボンディング法、ＴＡＢ法の導入も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図である。
【図２】本発明の実施の形態１を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図である。
【図３】本発明の実施の形態２を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図である。
【図４】本発明の実施の形態３を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図である。
【図５】本発明の実施の形態４を説明する為の高温超伝導デバイスの要部切断側面図である。
【図６】高温超伝導デバイスに於ける電極の剥離や半田食われを説明する要部説明図である。
【符号の説明】
１１ 基板
１２Ａ、１２Ｂ 高温超伝導膜
１３ 電極
１３Ａ チタン膜
１３Ｂ パラジウム膜
１３Ｃ 銀膜
１４ グランド電極
１５ アルミニウム合金パッケージ
１６ 中心導体
１７ 絶縁物
１８ アルミニウム・テープ
１９ 金線
２０ チタン化合物
Claims (3)
- ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜と電極とが積層形成された高温超伝導デバイスであって、
該積層形成により該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の主面と該電極とに生じる界面に、該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の構成物質と該電極の一部を構成するチタンとの加熱反応で生成されたチタン化合物が介在してなること
を特徴とする高温超伝導デバイス。 - ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜と電極とが積層形成され、該電極と接続する同軸コネクタを有する高温超伝導デバイスであって、
該積層形成により生じる該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の主面と該電極との界面に介在し、該ＹＢａ ２ Ｃｕ ３ Ｏ ７−ｘ 膜の構成物質と該電極の一部を構成するチタンとの加熱反応で生成されたチタン化合物を有し、
該電極と該同軸コネクタの中心導体とが純インジウム、インジウム−錫、インジウム−鉛、インジウム−銀のインジウム系金属からなる半田で接続されていること
を特徴とする高温超伝導デバイス。 - 該同軸コネクタの中心導体の表面にインジウムをコーティングしてなることを特徴とする請求項２に記載の高温超伝導デバイス。
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