JPS6359274B2 - - Google Patents

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ツプのため
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
ツプとの間の高品質のインターフエースを提供す
る機構に関する。

〔背景技術〕

特開昭56−94829号公報は５ピコ秒の時間分解
能及び10μVの感度を有するジヨセフソン・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・ゲートとして用いられ
るジヨセフソン・デバイスの固有のスイツチング
速度によつて究極的に制限される領域まで伸ばす
事ができる。これは原理的には0.09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
て発生する高速の波形だけを測定する事に限定さ
れない。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エースが工夫され
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、そのインタフエ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カツトオフ周波
数で300Kから4.2K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たなければならない。また信
号伝送線はデユワーの外壁から真空領域、放射シ
ールド及びデユワーの内壁を通つて、液体ヘリウ
ム中に浸漬されたサンプリング・チツプに接続す
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
3dB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パラメータの組が存在
する。

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
ヘンリー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いて、
従来（Hamilton外、IEEE Trausactions on
Magnetics，MAG−17，pp.577〜582，1981）同
軸線の中にチツプを挿入し、そこを通る信号をチ
ツ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。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ツプに容易に適合させ
る事ができない。またそのシステムは１本の伝送
線しかチツ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とする高
性能のインタフエース・システムを提供する。現
在、他の技術によつ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ピコ秒程度のスイツチング速度
を持つと報告されている。

従つて本発明の目的は、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エース・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
信号をジヨセフソン・サンプリング装置によつて
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T_cの超伝導体等の室温デバイスのスイ
ツチング速度を、4.2〓の超伝導システムによつ
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・チツ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
インタフエース・システムが提供される。このサ
ンプリング・チツ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、一方同時に被試
験チツプは室温（300K）に保たれる。主な問題
点は低損失の1000GHzの帯域幅の結合を２つのチ
ツプ間に与えながら同時に300Kの環境から4.2K
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
下記のような薄膜ストリツプライン構造を利用す
る事によつて、クライオスタツトからのヘリウム
の蒸発を１日当り数リツトルという妥当なレベル
に保ちながら1000GHzの応答が得られる。

インタフエースは、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
真空封止の貫通プラグを含む。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、
ジヨセフソン・チツプ基板及び半導体チツプ基板
に用いられるシリコンの膨張率と良く整合してい
る。

貫通プラグの２つの石英部材は異なつた長さを
持ち、銅ストリツプ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、半導体チツプ又はデバイスがその一
端に搭載され、サンプリング・チツプが他端に搭
載されるプラツトフオ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。ストリツプラインの平
坦性は、サンプリング・チツプ及び半導体チツプ
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プロ
ーブでも良い。これは機械的圧力によつて接触さ
れる時にチツプ上のはんだパツドを貫通する。貫
通プラグは非伝導性のセメントの薄層で封止さ
れ、クライオスタツトの壁面内に取り付けられ
る。サンプリング・チツプは液体ヘリウム浴中に
浸漬され、バルクヘツドの他端の被試験チツプも
しくはデバイスは高い温度の真空中に維持され
る。被試験チツプの近傍にはチツプを加温するた
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・チツプ１及び半導体チツプ２は長い貫通
プラグ部材３上に取り付けられており、このプラ
グ部材３は短かい貫通プラグ部材４によつて封止
されている。チツプ１及び２は平坦な伝送線５に
よつて電気的に接続されている。

貫通プラグはエポキシ・セメントによつて封止
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
（umbilical）１０は、試験チツプ取り付けクリツ
プ１１及び取り付けクリツプねじ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、デユワー１４の内壁１３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
を通つてデユワー１４外の表示回路及び制御回路
に至る。

動作中、半導体チツプ２はヒーター抵抗８によ
つて正規の動作周辺温度にまで加熱され、温度は
熱電対９によつて測定され、そして試験が行なわ
れる。チツプ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は図式的に且つチツ
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。チツプ２は取り付け
クリツプねじ１２によつて押し付けられる圧力パ
ツドによつて位置付けられる。

第２図は半導体チツプの大量試験のために構成
された試験インタフエースを示す。ここでは半導
体チツプを、試験すべき次の半導体チツプと置き
換えるためにサンプリング・チツプを除去する必
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はデユワー１４の絶縁壁内に恒久
的に埋め込まれ、デユワーの内壁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、封止ハッチ１
７、並びにアンビリカル１０を経て適当な制御機
構及び支持機構１９の備わつ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、半導体チツプ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ツプを試験ステ
ーシヨンに迅速に配送するために種々の半自動的
及び自動的チツプ取り扱い装置を用いる事ができ
る。容器７は大気圧の下にあつても良く、ドア１
６及びハツチ１７は自動的試験の場合は取り去つ
ても良い。

デユワーへの入口は、サンプリング・チツプが
液体ヘリウム中に置かれる限り、便利なように上
部にあつても又側面、底面にあつてもよい。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「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に関する試験容器は「バー
ヘツド・ポート」と呼ぶ。

第３Ａ図及び第３Ｂ図はインターフエース・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・チツプは第３Ａ図の破線のボツクス２
０内にあり、これは第３Ｂ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Ｉ／Ｏ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・チユーブ２１上に保持される。
アンビリカル・チユーブ２１はデユワー１４内に
挿入され、試験容器及びサンプリング・チツプは
液体ヘリウム中に浸漬される。

第３Ｂ図は試験容器及びサンプリング・チツプ
の詳細を示す。サンプリング・チツプ１は液体ヘ
リウムの表面下にあり、一方被試験チツプ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はチツプ２を動作温度に保
つ。これはほぼ室温よりも上である（300K）。
長い半円筒形の石英ロツド部材３は被試験チツプ
２をサンプリング・チツプ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
形の石英ロツド部材４は長い石英ロツド部材３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のた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・チツ
プ１に対するＩ／Ｏ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・チツ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３Ｃ図は研磨された石英と銅の導体パターン
５とから成る長い石英部材３の一部の斜視図であ
る。

第３Ｄ図は長い石英部材３上の伝送線の拡大断
面図である。狭いストリツプライン３０及び３１
は電流伝導導体であり、接地ストリツプライン３
２，３３及び３４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、長い石英ロツド部材３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。この組立体は液体ヘリウム
−真空封止を形成するようにフランジ２６に接着
される。

伝送線は１ピコ秒の分解能の５cmの配線に関し
て1000GHz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、底面バーベツド・ポ
ート式のデユワー設計及びその真空封止の詳細を
示す。図には２壁真空デユワー３５、液体窒素溜
３６及びHe溜３７が示されている。He溜３７の
周囲には77〓の熱シールド３８が設けられる。貫
通プラグ及び封止部（囲み４０）によつてデユワ
ーが完成し、デユワー３５からデユワーの壁面４
１及び４３を経由する封止された出口が設けられ
る。

第４Ｂ図は第４Ａ図の囲み４０の部分の拡大図
である。デユワー壁４３はフランジ４４と接触す
る。室温の試験チツプ２は貫通プラグ３〜４、伝
送線５に取り付けられ、その他端にはジヨセフソ
ン・サンプリング・チツプ１が取り付けられる。
フランジ４５及びプラグ４６は、封止位置に第２
の半円筒形のロツド部材４′を有する貫通プラグ
でデユワー真空容器を封止する。

サンプリング・チツプはデユワー内に取り付け
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・チツプをその低温環
境から引き出す事なしに試験できる事である。イ
ンタフエース実装体に起因するヘリウムの損失は
小さく、またデユワー自体もごく小さい量を付け
加えるだけである。液体窒素により冷却される熱
シールデ・システムの窒素溜３７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。

室温の試験チツプは、自分の発生する動作熱及
び室内の空気からの周辺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３Ｅ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・チツプ、２……半導体チ
ツプ、３……長い貫通チツプ部材、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……デユワー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 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
   つて、 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のチツプ取り付け場所及び第
   ２のチツプ取り付け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
   あつて、上記第１のチツプ取り付け場所を上記第
   ２のチツプ取り付け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のチツプ取り付け場所において、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のチツプ取り付け場所において、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。