JPS5975687A - 低温で動作するサンプリング装置を用いた試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は高速の電子デバイス及びチップのための試験装
置、特に極低温で動作する試験装置とより高い周辺温度
で動作する被試験デバイス又はチップとの間の高品質の
インターフェースを提供する機構に関する。

〔背景技術〕

特願昭５６−５８０７２号は５ピコ秒の時間分解能及び
１０μＶの感度を有するジョセフソン・サンプリング技
術を開示している。これは極低温サンプリング・システ
ムを用いて実験的に実証されており、このシステムの時
間分解能はサブ・ピコ秒領域、即ちサンプリング・ゲー
トとして用℃・られるジョセフソン・デバイスの固有の
スイッチング速度によって究極的に制限される領域まで
伸ばす事ができろ。これは原理的には００９ピコ秒程度
である。しかし、このシステムは極低温環境において発
生ずる高速の波形だけを測定する事に限定されない０む
しろ、このシステムは適当なインタフ−エースが利用で
きるならばＸ線又は光等の種々の源から生じる一般的な
波形の測定に拡張する事ができる。

また適当な高性能のインタフェースが工夫されるならば
、室温で発生した電気波形を測定する事も可能である。

１ピコ秒の高い分解能を利用するために、そのインタフ
ェース方式は下記の束縛条件を満足しなければならない
・ 周波数の条件−１０００ＧＨｚ　　の３ｄＢ力ツトオフ
周波数で５００Ｋから４．２にへ未知の信号を伝播させ
る伝送線システムが必要である。

伝送線長の条件−未知信号の源を接続できる十分な作業
空間を確保するために伝送線は約３ｃｍ以上の充分な長
さを持だなり゛ればならない。また信号伝送線はデユワ
−の外壁から真空領域、放射ンールド及びデユワ−の内
壁を通って、液体ヘリウム中に浸漬されたサンプリング
・チップに接続するための充分な空間を残さなければな
らない。

この条件は、伝送線の長さができる限り短かい事を要求
する周波数の束縛条件と矛盾する。

熱損失の条件−主に高性能伝送線を経由する熱伝導によ
る熱損失は最小限に保たれなければならない。この条件
も周波数に関する束縛条件と矛盾する。一方では伝送線
は減衰が１０００ＧＨｚにおいて３　ｄＢ以下になるよ
うに充分に短かくなければならない。一方では可能な最
小の温度勾配を維持しなければならず、−それには長い
伝送線が好ましい。上記条件を満足する最適なノ々ラメ
ータの組が存在する０ 低誘導の条件−さらにピコ秒の分解能は、５０オーム・
インピーダンス・システムに関して５０ピコヘンリ一程
度の低インダクタンスの接続を要求する。これは長さが
１００μｍ以下程度の取りはずし可能のコネクタの使用
を必要とする。これは現在までの技術水準を越えている
。

これらの過酷な要求を取り扱う試みにお℃・て、従来（
ＨａｍｉＩｔｏｎ　外、ＴＥＥＥＴｒａｕｓａｃｔｉｏ
ｎｓｏｎ　Ｋａｇｎｅｔｉ　Ｃｓ、ＭＡＧ−１７，ｐｐ
−５７７〜５８２゜１９８１）同軸匍の中にチップを挿
入し、そこを通る信号をチップ上のデバイスに結合して
、信号を測定する事が考えられたＯその構造は高い熱伝
導度を有する大きな同軸線を用いる必要があり、熱損失
を避けるために同軸線は長くなければならない。さらに
、この構造は平面状のチップに容易に適合させる事がで
きない０またそのシステムは１本の伝送線しかチップに
結合させる事ができず、実用性に限界がある。

〔発明の開示〕

本発明は、伝送線の長さ、熱損失及び低インダクタンス
に関する要求を満足し、室温の信号を１ピコ秒の精度で
忠実に測定する事を可能にする高性能のインタフェース
・システムを提供する０現在、他の技術によっては適正
に測定できない可能性のある室温デバイスが存在する。

例えば半導体トランジスタは１７ピコ秒程度のスイッチ
ング速度を持つと報告されている０ 従って本発明の目的は、ピコ秒サンプリングのための電
気的、熱的及び機械的性能要求を満足する柔軟性のある
便利なインタフェース・システムを得る事である。

本発明を用いれば、種々の温度の源から生じた信号をジ
ョセフソン・サンプリング装置によって測定する事がで
きる。

また本発明を用いれば、シリコン・トランジスタ又は高
Ｔｃの超伝導体等の室温デ・くイスのスイツチング速度
を、４．２°にの超伝導システムによって、波形の劣化
なしに測定する事ができる。

本発明の１実施態様によれば、平面状の高性能サンプリ
ング・チップと適合性のある平面状の２本以上の伝送線
を用いて信号を伝える事のできるインタフェース・シス
テムが提供される。このサンプリング・チップは液体ヘ
リウム温度（４，２Ｋ）付近に維持されなければならず
、一方間時に被試験チップは室温（３・０．ＯＫ、）に
保たれる。主な問題点は低損失の１０００　ＧＨｚ　　
の帯域幅の結合を２つのチップ間に与えながら同時に３
００にの環境から４．２にの環境への熱伝達を妥当な限
界内に保つ事である。良好な電気伝導は同時に低い熱抵
抗も意味するので、熱伝達と伝送線の応答時間との間に
は直接的なトレード・オフが存在する。しかしながら下
記のように薄膜ストリップライン構造を利用する事によ
って、クライオスタットからのヘリウムの蒸発を１日当
り数リットルという妥当なレベルに保ちなから１０ＤＯ
ＧＨｚの応答が得られる０ インタフェースは、フランジ及び２つの半円筒形の石英
部材から成る、液体ヘリウムの漏れない真空封止り貫通
プラグを含む。熱的に非伝導性である石英は、長い方の
部材の平坦面上の導電性の銅ストリツプライン・パター
ンに関する低損失の誘電体基板を形成する。石英の膨張
率は小さく、ジョセフソン・チップ基板及び半導体チッ
プ基板に用いられるシリコンの膨、張車と良く整合して
いる０ 貫通プラグの２つの石英部材は異なった長さを持ち、銅
ス）　ＩＪツブラインを有する方の半円筒部材はそれに
係合する半円筒部材よりも充分に長い長さを持ち、半導
体チップ又はデバイスがその一端に搭載され、サンプリ
ング・チップが他端に搭載されるプラットフォームを与
えるように構成されている。円筒形状は、貫通プラグを
封止するために用いられるセメントに対する応力を最小
限に保つので選択されている。ストリップラインの平坦
性は、サンプリング・チップ及び半導体チップに対して
低インダクタンスの接続を直接形成する事を可能にする
。低インダクタンス接点は直径約１００μｍ又はそれ以
下の銅の球又は他の剛いグローブでも良い。これは機械
的圧力によって接触される時にチップ上のはんだパッド
を貫通する。

貫通プラグは非伝導性のセメントの薄層で封止され、ク
ライオスタットの壁面内に取り付けられる。

サンプリング・チップは液体ヘリウム浴中に浸漬され、
バルクヘッドの他端の被試験チップもしくはデバイスは
高い温度の真空中に維持される。被試験チップの近傍に
はチップを加温するための加熱素子及び熱電対が配置さ
れる。

〔発明を実施するための最良の形態〕 第１図は良好な実施例を説明している。サンプリング・
チップ１及び半導体チップ２は長い貫通プラグ部材ろ上
に取り付けられており、このプラグ部材ろは短かい貫通
プラグ部材４によって封止されている。チップ１及び２
は平坦な伝送線５によって電気的に接続されている。

貫通プラグはエポキシ・セメントによって封止され、封
止部６を経て試験容器７（断面が示されている）中に挿
入される。容器７は封止され、実際の動作中は排気され
る。

ヒーター８、熱電対９及びアンビリカル（ｕｍｂｉｌｉ
ｃａｌ）１０ば、試験チップ取り付はクリップ１１及び
取り付はクリップねじ１２と共に実装体を完成させる。

前述のように、試験容器７は封止され、デユワ−１４の
内壁１ろ内の液体ヘリウム中に挿入される。接続１５は
アンビリカル１０を通ってデユワ−１４外の表示回路及
び制御回路に至る。

動作中、半導体チップ２はヒーター抵抗８によって正規
の動作周辺温度にまで加熱され、温度は熱電対９によっ
て測定され、そして試験が行なわれる。チップ１及び２
は拡大して図示されている。

ヒーター８及び熱電対９は図式的に且つチップ２から離
して描かれているが、動作中それらはかなり接近して配
置される。チップ２は取り伺げクリップねじ１２によっ
て押し付けられる圧力パッドによって位置付けられる。

第２図は半導体チップの大量試験のために構成された試
験インタフェースを示す。ここでは半導体チップを、試
験すべき次の半導体チップと置き換えるためにサンプリ
ング・チップを除去する必要はない。

平坦な伝送線５を有する貫通プラグ３〜４はそのままで
ある。容器７は液体ヘリウム中に浸漬せずに液体ヘリウ
ムに隣接するように取り付けられる。即ち容器７はデユ
ワ−１４の絶縁壁内に恒久的に埋め込まれ、デユワ−の
内壁１３の一部分を形成する容器７の壁面には貫通プラ
グが取り付けられる。容器７は入口ドア１６、封止ハツ
チ１７、奎びにアンビリカル１０を経て適当な制御機構
及び支持機構１９の備わった操作装置及び表示装置１８
に至る永久的接続１５を有する。動作信号は、半導体チ
ップ２を周辺動作温度領域にもたらし次にそれを試験モ
ードで動作させるための制御を与える。試験すべき半導
体チップを試験ステーションに迅速に配送するために種
々の半自動的及び自動的チップ取り扱い装置を用いる事
ができる。容器７は大気圧の下にあっても良（、ドア１
６及びハツチ１７は自動的試験の場合は取り去っても良
し０ デユワ−への入口は、サンプリング・チップが液体ヘリ
ウム中に置かれる限り、便利なように上部にあっても又
側面、底面にあってもよい。用語の便宜上、本明細書中
では上部の入口に関する試験容器は「クライオインサー
ト・ビーヒクル」と呼び側面又は底面の入口（（関する
試験容器は［・く−ベット・ポート」と呼ぶ。

第５Ａ図及び第ろ８図はインターフェース・システムの
詳細を示す。ここでは試験容器及びサンプリング・チッ
プは第５Ａ図の破線のボックス２０内にあり、これは第
５Ｂ図に詳細に示されている。クライオインサート・ビ
ーヒクルはＩ１０コネクタ２２及び支持機構１９を有す
る長さ約１ｍのアンビリカル・チューブ２１上に保持さ
れる０アンビリカル・チューブ２１はデュクー１４．内
に挿入され、試験容器及びサンプリング・チップは液体
ヘリウム中に浸漬される０ 第３Ｂ図は試験容器及びサンプリング・チップの詳細を
示す。サンプリング・チップ１は液体ヘリウムの表面下
にあり、一方被試験チツブ２はクライオインサート・ビ
ーヒクル７の容器内の真空中にある。ヒーター８はチッ
プ２を動作温度に保つ。これはほぼ室温よりも上である
（≧５００Ｋ）。

長い半円筒形の石英ロンド部材５は被試験チップ２をサ
ンプリング・チップ１に接続する薄膜の高速伝送線５の
ための支持を与える。短かい半円筒形の石英ロンド部材
４は長い石英ロンド部材ろと係合して真空貫通プラグを
形成する。配線２８は熱電対９及びヒーター８のだめの
電気接続を与える。熱シールド２３はクライオインサー
ト・ビーヒクル７の外側真空容器壁への熱放射を阻止す
る。

シールドされた伝送線５はサンプリング・チップ１に対
するＩ１０接続を与える。また液体ヘリウムに対して開
放された保護シールド２５がクライオインサート・ビー
ヒクルの底部に設けられる。

フランジ２６はクライオインサート・ビーヒクルの真空
室の底部２７と共に真空封止部を形成する。

サンプリング中チップへの入出力を与えるシールドされ
た配線２９はフランジ２６に恒久的に接続されている。

第５Ｃ図は研磨された石英と銅の導体・くターン５とか
ら成る長い石英部材５の一部の斜視図である０ 第３Ｄ図は長い石英部材ろ上の伝送線の拡大断面図であ
る。狭いストリップライン６０及びろ１は電流伝導導体
であり、接地ストリップライン６２．５３及びろ４は平
坦な伝送線を完成させる。２本の伝送線しか示していな
いが、適当な数の伝送線を用いる事ができる。

第３Ｅ図は、長い石英ロンド部材５が短かい石英部材４
に接着され丸い石英の貫通プラグ組立体を形成した所を
示す。この組立体は液体へリウムー真空封市を形成する
ようにフランジ２６に接着さＪする〇 伝送線は１ピコ秒の分解能の５　ｃｍの配線に関して１
０００　ＧＨｚの帯域幅を与える事ができる。

貫通プラグは低い熱損失と良好な液体ヘリウム−真空封
止を与える。

第４Ａ図及び第４Ｂ図は、底面バーベット・ポート式の
デユワ−設計及びその真空封止の詳細を示す。図には２
壁真空デユワ−３５、液体窒素溜３６及びｌ−１ｅ溜ろ
７が示されている。Ｈｅ溜ろ７の周囲には７７°にの熱
シールド５８が設けられる。

貫通プラグ及び封止部（囲み４０）によってデユワ−が
完成し、デユワ−３５からデユワ−の壁面４１及び４３
を経由する封止された出口が設けら才する。

第４Ｂ図は第４Ａ図の囲み４０の部分の拡大図である。

デユワ−壁４５はフランジ４４と接触する。室温の試験
チップ２は貫通プラグ５〜４、伝送線５　ｉｃ取り付け
られ、その他端にはジョセフソン・サンプリング・チッ
プ１が取り付けられる０フランジ４５及びプラグ４６は
、封止位置に第２の半円筒形のロンド部分４′を有する
貫通プラグでデユワ−真空容器を封止する。

サンプリング・チップはデユワ−内に取り付けられる。

このシステムの利点は、室温に置かれた未知信号源がサ
ンプリング・チップをその低温環境から引き出す事なし
に試験できる事である。インタフェース実装体に起因す
るヘリウムの損失は小さく、またデユワ−自体もごく小
さな量を付は加えるだけである・液体窒素により冷却さ
れる熱シールド・システムの窒素溜ろ７は液体ヘリウム
溜から熱によるヘリウム損失が生じるのを防止する０ 室温の試験チップは、自分の発生する動作熱及び室内の
空気からの周刀熱以外の熱源を必ずしも必要としない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の説明図、 第２図は他の実施例の説明図、 第３Ａ図乃至第６Ｅ図は別の実施例の説明図、第４Ａ図
及び第４Ｂ図はさらに別の実施例の説明図である。 １・・・・サンプリング・チップ、２・・・・半導体チ
ップ、５・・・・長い貫通チップ部材、４・・・・短か
い貫通プラグ部材、５・・・・伝送線、６・・・・封止
部、７・・・・試験容器、８・・・・ヒーター、９・・
・・熱電対、１４・・・・デユワ−０ 出ＰＸ　人　　　インターカヨナノービジネス・マシー
ンズ中コー件レーク田ンＦＩＧ、　３Ａ　　　　　　　
　　　ＦＩＧ、　３ＢＦＩＧ、３Ｄ 第１頁の続き ０発　明　者　アーサー・ダビッドソンアメリカ合衆国
ニューヨーク州 ヨークタウン・ハイツ・ウェス トビュー・ドライブ１４６３番地 ０発　明　者　ジョージ・アンソニー・サイ−ハラスズ アメリカ合衆国ニューヨーク州 マウント・キスコ・ティンバー ・リッジ２６番地

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 試験操作装置及び表示装置、周辺温度領域で動作する電
   子装置用の保持具、低温で動作するサンプリング装置、
   並びに低温環境中の上記サンプリング装置用の保持具を
   有する、上記周辺温度領域で動作する電子デバイスのた
   めの試験装置であって、 プラグ長の一部において対向する２つの部分、並びにそ
   れぞれ第１のチップ取り付は場所及び第２のチップ取り
   付は場所として役立つ第１の非対向延長部及び第２の非
   対向延長部を有し、上記低温環境と上記周辺温度環境と
   の間を分離する貫通プラグと、 上記貫通プラグの少なくとも１つの部分の上にあって、
   上記第１のチップ取り付は場所を上記第２のチップ取り
   付は場所に接続する複数の導体から成る平坦な伝送線と
   、 上記貫通プラグの対向部と共に、上記周辺温度環境に関
   する上記低温環境の封止を与える電気絶縁性の低熱伝導
   封止材と、 上記第１のチップ取り付は場所において、低温で動作す
   るサンプリング装置を上記操作装置及び上記伝送線に接
   続する電気接続手段と、上記第２のチップ取り付は場所
   にお（・て、周辺温度で動作する電子装置を一時的に上
   記操作装置及び上記伝送線に接続する電気接続手段とを
   備えた試験装置。