JPH0519161B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ジヨセフソンデバイスを主たる能動素子として
用いるジヨセフソン計算機に係り、特に超電導性
配線を多用する実装方式に好適な構造、電気結線
方式および材料組合せと製造方法に関する。

従来のジヨセフソン計算機の実装構造では、電
気配線の一部に白金ピン（常電導体）を用いるな
ど完全な超電導性接続ができなかつた。これによ
り信号電流が減衰する欠点があつた。

本発明の基本的にすべての計算機内部の実装配
線を超電導性接続として、計算機内部における信
号の温度の減衰をなくし設計を容易にすると共に
不要のジユール損による発熱をなくすることを第
１の目的とする。さらに、実装配線構造全体の室
温での検査を容易にすることを第２の目的とす
る。

製造された実装基板等を77Kなど高温で動作す
る半導体デバイスにも適用可能にすることを第３
の目的とする。

ジヨセフソン計算機では、4.2Kなど極低温で
動作させデバイス自身は超電導性をもちそのチツ
プ内配線も超電導性をもつ。実装構造の中に従来
のように常電導性部分があると信号減衰、発熱、
信号遅延が生じ計算機設計を著しく困難にする。

本発明はこの困難を解決するための実装構造を
提供する。本発明の構造は、高温領域で超電導材
料の抵抗値が比較的大きく検査困難であつた事態
をも同時に解決している。

第１図は、計算機の構成要素となるハードウエ
アを模式的に示すもので、１００，１１０，１２
０、は３枚のブラツタ（配線基板）をあらわす。
また２００，２１０はブラツタ上に置かれるモジ
ユール（配線基板）をあらわす。このモジユール
上は複数枚のLSIチツプが搭載されるが図示され
ていない。

モジユール内配線はLSIチツプを相互に接続す
るためのもので、この接続用配線は第２図に示す
ような超電導線材（薄膜）１と常電導線材（薄
膜）２の重ね膜によつて構成される。プラツタ内
で行なわれるモジユール間の電気的接続も第２図
と同様を構成とし、第１図中の１１，１２で示さ
れるように超電導線１１と常電導線１２によつて
二重に接続される。プラツタ間の接続用配線も第
１図に示すように超電導線材１と常電動線材２に
よつて二重に接続される。この配線には、第３図
に示すような常電導線材（ワイヤ）２を芯としそ
の外周に超電導性被覆膜１をもつ構造材を使用で
きる。

本構成によれば、第１図のハードウエアが超電
導材料の転移温度T_c以下の空間に置かれれば、
すべての接続は超電導性接続となる。

超電導線材としてはPb、Nbが用いられるが、
これらはT_cより高温では一般の常電導性金属で
あるCu、Alにくらべて抵抗率がたかい。このた
め、T_c以上の温度では電流は主に常電導線材を
ながれる。また、Tc以下の温度では抵抗がゼロ
もある超電導線材をながれる。

本構造を用いれば、モジユールやプラツタを室
温で検査する場合、配線抵抗が小さくできるため
電気的接続の良否判定が容易である。

本構造をジヨセフソン計算機用実装構造として
用いれば電流によるジユール発熱が僅少または
ゼロとなり、配線抵抗がゼロになるための信号
電流の減衰が僅少となり、配線に付随する寄生
インダクタンスL_paraと配線抵抗R_paraの比、
（L_para／R_para）、で与えられる時定数で代表され
る、信号遅延を設計上考慮する必要がなく設計が
単純化される、などの利点がある。

以下、本発明を実施例をもとに詳細に説明す
る。

第４図は、４ケのLSI等、集積回路チツプ、３
００，３０１，３０２，３０３、を搭載したモジ
ユール２００の構成を示す。モジユール内配線は
モジユール板表面上において、第２図に示したよ
うな薄膜重ね膜によつて電気的に接続される。

モジユール基板は50mm×25mmの面積をもち、厚
さ約３mmのSi結晶基板を用いている。Si基板の主
面は熱酸化SiO₂膜によつて被覆されているが、
このSiO₂膜は必ずしも必要でない。モジユール
基板面上の配線層は、通常のホトエツチング法に
よつて形成される。SiO₂膜直上に〜500Å厚さの
Cr膜を披着形成し重ねて〜2000Å厚さのAl膜を
披着形成して常電導性線部分となす。これらのエ
ツチングには硝酸第２セリウムアンモニウムを含
む溶液を用いることができる。このあと、AZレ
ジスト膜によるリフトオフ法によつて〜3000Å厚
さのNb膜を被着形成できる。なおSiO₂被覆を用
いない場合は、使用温度でのSi基板抵抗が１〜
100Ωcm以上であることを要するが、上と同様の
工程でCrおよびAl膜を披着形成できる。このあ
と、フツ酸系のエツチング液を用いるホトエツチ
ング法により、Nb膜を被着形成できる。

このCr−Al−Nb重ね膜の組合せは、Crが基板
との接着性改善に有効であり、Alが軟かい金属
であるためにその上に形成するNb薄膜の内部応
力を緩和する役割をなすもので、配線構造のはく
離を生じ難い好適な組合せとなつている。

本モジユール表面上に、重ねてさらに第２層の
配線導体を形成するには、上で得られた配線基板
上にポリイミド系樹脂（ポリイミドイソインドロ
キナゾリン、商品名PIQ）を塗布して表面を平坦
化し、さらに上と同様の配線形成を行えばよい。
第２層導体と第１層導体との接続のためには、通
常のスルーホール形成技術を用いればよいが、
Al同志のスルーホール接続とNb同志のスルーホ
ール接続を別個に行う必要がある。

本モジユールとLSIと接続は超電導性の半田合
金によるCCB技術によつて行われているものと
する。

本法によればモジユール内のすべての配線は超
電導性の接続とすることができる。

次に前記と同様の効果がある別の材料組合わせ
と製造方法について実施例を示す。モジユール基
板として同じSi基板を用いる。Si基板の主面は
SiO₂膜によつて被覆されているが、このSiO₂膜
は必らずしも必要でない。ここでは初めに常電導
配線形成のため、〜1000Å厚さのTi膜を披着形
成し重ねて〜4000Å厚さのCu膜を蒸着法により
被着形成する。同じ蒸着装置でさらに続けて〜
4000Å厚さのNb膜を被着形成する。このあとホ
トエツチング法により配線パターンの形成を行
う。Nb膜のエツチングはフツ酸系の液を用い、
つづけてCu膜のエツチングのためにH₂SO₄、
H₂O₂を含む水溶液を用いる。さらにつづけてTi
膜のエツチングのために、エチレンジアミン四酢
酸、H₂O₂、NH₄OH、を含む水溶液を用いる。
このTi−Cu−Nb重ね膜の組合せは、Tiが基板と
の接着性を保ち、Cuが軟かい金属であるためそ
の上に形成するNb膜の内部応力を緩和し、Cuと
Nbの膜の拡散混合が多少生じてもNb膜の超電導
性が損われない好適な材料組合せとなつている。

第５図は本発明の多層配線構造の実施例を示す
図である。モジユール板２００は第４図と同様の
ものであり、前述のポリイミド系樹脂等を用いる
多層配線技術により、３層の配線導体２０１，２
０２，２０３が形成されている。第１層配線と第
２層配線を上下に重なるように平行に配置して、
高速信号伝播用のストリツプライン構造とするこ
とは任意である。モジユール板を複数個搭載する
ためのプラツタ板についても、上述のプラツタ板
と同様の金属の組合せ、同様の配置構造、とする
ことができる。

次に本発明の他の重要な構成要件であるピン接
続について述べる。

第６図は回路基板（モジユール板）２００の上
にピン接続を行うための、配線構造を示す。穴２
０４はピンがはめ合うためのもので、穴径は〜
200μｍとした。超電導性のピン接続を可能にす
るために、超電導性金属薄膜をピン穴２０４の周
辺で丸く拡がるように円板状に形成しておく必要
がある。

ピンはCu、pt、真ちゆう等の常電導性金属を
用いその周囲にPb、Nb等の超電導性金属を被覆
した構造とする。第７図にその断面形状を示す
が、ピンの先端はピン穴２０４にはめ合うものと
する。ピンの常電導金属芯２２はここでPtとし
た。また周囲の超電導性金属２１としてはメツキ
によるPbとした。ピン側のPb被覆２１は、回路
基板側のNb膜２３と直接に接触して超電導性接
続を可能にする。このNb膜２３の下には、Al膜
２４、Cr膜２５があり、これらが回路基板側の
常電導性配線となつている。この配線は直接Si基
板２６に接触しているが、Si基板の抵抗率は〜
100Ωcm以上と高抵抗性のものを用いており電流
がもれることは少ない。基板側ピン穴の周辺領域
２７は、あらかじめ不純物元素Ｂなどが10¹⁸cm^-3
〜10²⁰cm^-3の濃度で拡散されており局部的低抵抗
層２７を形成している。ピン穴の内部には穴加工
のあとInなどの接着を目的とする金属半田が少量
充填され、ピンの先端２９と接触している。この
構造によれば、ピンの先端２９から、In２８、基
板低抵抗層２７、Cr膜２５、Al膜２４の経路に
よつて、ピンと基板配線との間の常電導性接続が
可能となる。

ピンの他端はコネクターを介して他のピンまた
は室温領域に向うケーブルに接続される。金属が
超導動性を示す温度範囲の空間から、超電導性を
失うより高い温度の空間にまでまたがつて、ケー
ブルが配置される場合を考える。ケーブルの基本
構造は第３図で述べたが、一般に超電導性金属は
室温付近では抵抗率が高く電流のながれを妨げ
る。このため高温度の空間範囲では常電導性金属
に主たる電気的接続を施して、ケーブル自体の導
通抵抗を小さくすることが望ましい。これらの接
続を可能にするケーブルと接続方式の実施例（断
面図）を第８図に示す。

ケーブルはCu線材３２を芯としてもち、その
周囲にPbメツキ膜３１を披着形成したものであ
る。Cu芯は400μｍ直径、Pbメツキの厚さは〜
150μｍとした。その周囲はテフロン被覆を行つ
ているが図示されていない。このケーブル構造は
液体ヘリウムの満された空間では、Pbメツキ層
のみに電流が集中して流れることを可能にする。
液体ヘリウムの液面３３より上では、Pb材料の
超電導性が失われPbメツキ層の抵抗率はCu母材
の抵抗率より大きくなる。このため、室温空間に
近づくとケーブル内電流は圧倒的にCu材に集中
して流れる。第８図の上部に室温付近にあるケー
ブルコネクター３４の断面の一部を示すが、電気
的接続はCu母材３２とコネクター３４とを直接
かしめることによつて行つた。本ケーブル構造な
らびに電気的接続方式によれば、極低温領域と室
温領域とを極小の抵抗で接続することができ、微
小な電流信号を効果的に伝送することができる。

以上述べたごとく本発明によれば、低温で動作
するジヨセフソン計算機において、低温領域では
超電導性の電気配線とすることができ、室温に近
い高温領域では比較的低抵抗で常電導性の電気配
線を行うことができる。この結果、ジヨセフソン
計算機の信号減衰をなくし発熱を僅少にでき、そ
の設計を容易ならしめる効果がある。さらに第２
の効果として、多数の複雑な配線経路をもつ計算
機実装系の検査を室温で行うことが容易になる。
さらに本発明の実装系に、低温領域で動作する半
導体デバイス集積回路チツプを搭載することも可
能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の実装系構成を示す概
念図、第２図第３図は電気的接続構造を示す鳥か
ん図、第４図は回路基板の構造を示す鳥かん図、
第５図は多層化回路基板を示す斜視図、第６図は
ピン接続構造を示す鳥かん図、第７図は回路基板
とピンとの接続状況を示す部分断面図、第８図は
ケーブルとその接続状況を示す断面図である。 １……超電導性接続部位、２……常電導性接続
部位、１１……プラツタ上の超電導性配線、１２
……プラツタ上の常電導性配線、２１……ピンに
おける超電導性部位、２２……ピンにおける常電
導性部位、２３……回路基板上の超電導性配線
（Nb）、２４……回路基板上の常電導性配線
（Al）、２５……Cr薄膜、２６……Si基板、２７
……低抵抗層領域、２８……金属半田、２９……
ピンの先端部分、３１……Pbメツキ膜、３２…
…Cu線材、３３……液体ヘリウムの液面境界、
３４……常電導性コネクタ、１００，１１０，１
２０……プラツタ（基板）、２００，２１０、…
…モジユール（基板）、２０１……回路基上の表
面層配線、２０２，２０３、……回路基板の内部
配線、２０４……回路基板上のピン挿入穴、３０
０，３０１，３０２，３０３、……集積回路チツ
プ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 集積回路チツプと上記集積回路チツプを外部
   に接続するための第１の配線導体とを有する複数
   個の配線基板と、上記配線基板間を接続する第２
   の配線導体とを備え、上記第１及び第２の配線導
   体はそれぞれ常電導性材質の第１の配線部材と超
   電導性材質の第２の配線部材の多重構造からな
   り、上記配線基板間の接続は、上記第１及び第２
   の配線導体の第１の配線部材同士及び第２の配線
   部材同士をそれぞれ接続することにより行うこと
   を特徴とする低温動作形計算機。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の低温動作形計
   算機において、前記多重構造は前記第１の配線部
   材よりなる膜と、この膜上に形成された前記第２
   の配線部材よりなる膜との積層構造である低温動
   作形計算機。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の低温動作形計
   算機において、前記多重構造は前記第１の配線部
   材よりなる芯体と、この芯体を被覆する前記第２
   の配線部材よりなる被覆膜との線材構造である低
   温動作形計算機。 ４ 特許請求の範囲第２項に記載の低温動作形計
   算機において、前記第１の配線部材はCr膜とこ
   の上に積層されたAl膜よりなり、前記第２の配
   線部材は上記Al膜の上に積層されたNb膜である
   低温動作形計算機。 ５ 特許請求の範囲第２項に記載の低温動作形計
   算機において、前記第１の配線部材はTi膜とこ
   の上に積層されたCu膜よりなり、前記第２の配
   線部材は上記Cu膜の上に積層されたNb膜である
   低温動作形計算機。