WO2024111406A1 - 超電導デバイス - Google Patents

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WO2024111406A1
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superconducting
organic layer
ceramic layer
stage portion
superconducting device
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有平 松本
泉太郎 山元
隆 田中
菜月 太田
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京セラ株式会社
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    • H01B12/16—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N60/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/80—Constructional details
    • H10N60/81—Containers; Mountings

Definitions

  • This disclosure relates to superconducting devices.
  • Patent Document 1 discloses a package for mounting superconducting elements in which a superconducting element such as a Josephson element is mounted on a substrate having a conductor layer inserted between ceramic layers.
  • a superconducting device has a superconducting element and a stage portion.
  • the stage portion is where the superconducting element is located.
  • the stage portion is a laminate of a ceramic layer and an organic layer.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a superconducting device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a superconducting device according to the second embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a superconducting device according to the third embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a superconducting device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a superconducting device according to the fifth embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing the positional relationship between the organic layer and the fixing member according to the fifth embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic plan view showing the positional relationship between an organic layer and a fixing member according to a modification of the fifth embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a superconducting device according to the sixth embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a superconducting device according to the seventh embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a superconducting device according to the seventh embodiment.
  • Patent Document 1 discloses a package for mounting superconducting elements in which a superconducting element such as a Josephson element is mounted on a substrate having a conductor layer inserted between ceramic layers.
  • Such superconducting elements need to be kept in an atmosphere that is lower than room temperature, for example, at about the boiling point of liquid nitrogen (77K), in order to achieve a superconducting state.
  • the substrate on which the superconducting element is mounted is made of ceramic with a relatively high Young's modulus, so when the superconducting element is cooled, distortion occurs in the substrate due to temperature changes, and there is a risk of cracks occurring in the substrate.
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a superconducting device 100 according to the first embodiment.
  • the superconducting device 100 is an apparatus having a superconducting element 1.
  • the superconducting device 100 is cooled to an extremely low temperature of, for example, 4K or less using a refrigerant such as liquid helium in order to obtain a superconducting state by the superconducting element 1.
  • the superconducting device 100 has a superconducting element 1, a stage portion 2, and a substrate 3.
  • the superconducting element 1 is located on the stage portion 2.
  • the stage portion 2 is a laminate of a ceramic layer 22 and an organic layer 21.
  • the ceramic layer 22 is located on the substrate 3 side, which will be described later.
  • the organic layer 21 is located on the superconducting element 1 side.
  • the stage portion 2 may have a conductor (not shown) extending along at least one of the surfaces of the organic layer 21 and the ceramic layer 22.
  • the conductor may be configured with separate conductor materials, such as a superconducting material directly below the superconducting element 1 and a normal conductive material (silver, gold, copper, etc.) around it.
  • the shape of the stage part 2 may be circular in plan view, or may be similar to the shape of the superconducting element 1.
  • the surface of the stage part 2 may have an uneven shape (not shown).
  • the superconducting element 1 is preferably in contact with the convex parts of the stage part 2, in other words, not in contact with the bottom of the concave parts. In other words, the superconducting element 1 may be in a state of partial contact with the stage part 2.
  • the concave parts and convex parts are preferably arranged alternately.
  • the concave parts and convex parts may be formed continuously up to the opposing ends of the stage part 2.
  • part of the conductor may be formed by meander wiring or differential wiring.
  • the stage portion 2 may have a metal film (not shown) partially to accommodate changes in the dielectric constant that occur in the material of the stage portion 2 when the stage portion 2 is exposed to temperature changes from room temperature to extremely low temperatures.
  • the partially disposed metal film can change the capacitance near the surface of the base 3, adjusting the impedance of the circuit. Note that such a metal film does not contribute to the electric circuit.
  • stage part 2 is composed only of the ceramic layer 22, there is a risk that stress will be generated in the stage part 2 and cracks will occur when the stage part 2 is exposed to low temperatures. As shown in Figure 1, by having the stage part 2 have the organic layer 21, the Young's modulus of the entire stage part 2 can be reduced, and therefore the occurrence of cracks can be reduced.
  • stage part 2 is configured with the ceramic layer 22 disposed on the base 3 side, even if the thermal expansion coefficient differs between the base 3 and the stage part 2, the strength of the stage part 2 can be maintained because the ceramic layer 22 has a high Young's modulus.
  • the organic layer 21 is disposed on the superconducting element 1 side, the load (stress concentration) on the superconducting element 1 can be reduced even if distortion due to the thermal expansion coefficient occurs in the stage part 2.
  • the stage portion 2 is located on the base 3.
  • the base 3 is made of, for example, metal.
  • the superconducting device 100 is connected to an external circuit (not shown) for driving the superconducting element 1.
  • the external circuit is placed outside the superconducting device 100 system.
  • the temperature of the surrounding area where the external circuit is placed is room temperature, about 25°C.
  • the thickness of the ceramic layer 22 may be thicker than the thickness of the organic layer 21. With this configuration, the ceramic layer 22 is less likely to deform because the thickness of the ceramic layer 22 is increased. In addition, the organic layer 21 is made thinner, so the overall thermal expansion coefficient of the stage portion 2 can be reduced. This reduces the load (stress) on the superconducting element 1, leading to improved mechanical reliability.
  • Second Embodiment Fig. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a superconducting device 100 according to the second embodiment.
  • the base 3 of the superconducting device 100 may have a recess 31.
  • the stage part 2 may be located in the recess 31.
  • the ceramic layer 22 of the stage part 2 may be located in the recess 31.
  • Third Embodiment Fig. 3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the superconducting device 100 according to the third embodiment. As shown in Fig. 3, the entire stage part 2 of the superconducting device 100 may be accommodated in the recess 31. With this configuration, the fixing force of the stage part 2 to the base body 3 can be further increased.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a superconducting device 100 according to a fourth embodiment.
  • the superconducting device 100 may have a fixing member 4 that fixes the organic layer 21 of the stage portion 2 and the base 3.
  • the fixing member 4 may be, for example, a screw such as a bolt or a screw.
  • the fixing member 4 may also be a rod-shaped member such as a pin. With this configuration, the base 3 and the organic layer 21, which has low rigidity, are fixed, so that the base 3 is less likely to crack when fixed.
  • the fixing member 4 may have a washer material (not shown).
  • the material constituting the washer material is preferably one that has a greater contraction rate than the fixing member 4 when the fixing member 4 is cooled. The more the fixing member 4 is cooled, the looser the tightening of the fixing member 4 becomes. Therefore, if the fixing member 4 has such a washer material, it is possible to prevent the tightening from becoming loose.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the superconducting device 100 according to the fifth embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing the positional relationship between the second organic layer 21B and the fixing member 4 according to the fifth embodiment.
  • the organic layer 21 of the stage part 2 may have a first organic layer 21A located between the superconducting element 1 and the ceramic layer 22, and a second organic layer 21B located on the opposite side of the first organic layer 21A with the ceramic layer 22 interposed therebetween.
  • the organic layer 21 is disposed on both sides of the ceramic layer 22, and can serve as a buffer for the fixing member 4.
  • the second organic layer 21B serves as a thermal and mechanical buffer for the base 3, and the occurrence of such defects can be reduced.
  • the second organic layer 21B located between the ceramic layer 22 and the base 3 may be a buffer material composed of a material other than an organic material.
  • the Young's modulus of the buffer material is lower than that of the ceramic layer 22 constituting the stage portion 2. It is also preferable that the Young's modulus of the buffer material is lower than that of the material constituting the base 3.
  • FIG. 7 is a schematic plan view showing the positional relationship between a second organic layer 21B and a fixing member 4 according to a modification of the fifth embodiment.
  • the second organic layer 21B may have an area that covers the entire surface excluding the through-hole of the stage portion 2 on the base 3 side, as shown in FIG. 6, or may be disposed only in the area excluding the fixing member 4 directly below the superconducting element 1, as shown in FIG. 7.
  • the second organic layer 21B may have a shape that surrounds the periphery of the area directly below the superconducting element 1 in a frame-like shape. In this case, since no other members such as the fixing member 4 are interposed between the stage portion 2 and the base 3, the effect of alleviating stress between the two can be improved while maintaining thermal conductivity from the superconducting element 1 to the base 3.
  • Sixth Embodiment 8 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a superconducting device 100 according to the sixth embodiment.
  • the superconducting device 100 may have a superconducting film 6 in contact with a part of the organic layer 21 or the ceramic layer 22.
  • the superconducting element 1 is electrically connected to the stage part 2 through the superconducting film 6.
  • the superconducting film 6 may have a via structure penetrating the organic layer 21 and the ceramic layer 22 constituting the stage part 2 in the thickness direction.
  • the material of the superconducting film 6 may contain at least one of mercury, vanadium, lead, niobium, niobium-titanium, niobium-tin, niobium-aluminum, vanadium-gallium, and magnesium-boron.
  • the stage portion 2 has a superconducting film 6, which does not cause resistance at extremely low temperatures and reduces noise.
  • the superconducting film 6 has a via structure, the inductance of the circuit in the stage portion 2 can be reduced.
  • Seventh Embodiment 9 and 10 are schematic cross-sectional views showing a configuration example of a superconducting device 100 according to the seventh embodiment.
  • the superconducting device 100 may have a cap 5 fixed to the stage part 2 or the base 3.
  • the superconducting element 1 is disposed in the region inside the cap 5.
  • Fig. 9 shows an example in which the cap 5 is fixed to the organic layer 21 of the stage part 2
  • Fig. 10 shows an example in which the cap 5 is fixed to the base 3.
  • the superconducting device 100 includes the superconducting element 1, but the elements included in the superconducting device 100 are not limited to this.
  • the superconducting device 100 may include a quantum element such as a Josephson element, a silicon quantum bit element, an ion trap element, or an optical element.
  • the above-mentioned superconducting device can be fabricated by preparing the superconducting element 1, the stage 2, and the base 3, and stacking and bonding them together in a desired arrangement.
  • the stage 2 is fabricated, for example, by attaching an uncured organic layer (precursor) to the surface of the ceramic layer 22, which has already become a sintered body, and applying a pressurized and heated process.
  • the organic layer 21 is hardened by applying a heat and pressurized process to the uncured sheet-shaped body.
  • the uncured sheet-shaped body and the organic layer 21 contain an organic resin as a main component.
  • an epoxy resin is a suitable organic resin.
  • the uncured sheet-shaped body and the organic layer 21 may contain an inorganic filler in addition to the organic resin. Silica and alumina can be selected as the inorganic filler. Silica is particularly suitable because of its low specific gravity.
  • the uncured sheet-like molding and the organic layer 21 may contain carbon particles.
  • the content of inorganic filler in the uncured sheet-like molding and the organic layer 21 is preferably 1 volume % or more and 50 volume % or less.
  • the content of carbon particles in the uncured sheet-like molding and the organic layer 21 is preferably 1 volume % or more and 30 volume % or less.
  • the remainder excluding the content of inorganic filler and carbon particles is organic resin.
  • the organic layer 21 of the present disclosure may be a two-component material in which inorganic filler is added to organic resin, but for reasons described below, it is preferable to use a three-component material in which part of the inorganic filler is replaced with carbon particles. In this way, the organic layer 21 can maintain a state in which it is more easily elastically deformed than the ceramic layer 22.
  • the ceramic layer 22 it is preferable to use an alumina sintered body or a glass ceramic sintered body.
  • the ceramic layer 22 may have a structure having a conductor (wiring, via conductor) on at least one of its surface (main surface) and inside.
  • the organic layer 21 since the organic layer 21 is attached to the entire surface of one main surface of the ceramic layer 22, stress is usually generated between the two layers due to the thermal expansion coefficient and Young's modulus.
  • the organic layer 21 and the ceramic layer 22 are attached to each other on the entire main surfaces, the organic layer 21 plays a role in reducing the amount of strain generated in the ceramic layer 22 due to temperature changes.
  • the ceramic layer 22 also plays a role in reducing the amount of strain generated in the organic layer 21 due to temperature changes with respect to the organic layer 21.
  • the organic layer 21 and the ceramic layer 22 have a smaller amount of deformation due to thermal expansion than when both layers exist as single layers.
  • the organic layer 21 and the ceramic layer 22 are not bonded via any other material. Since the organic layer 21 and the ceramic layer 22 are directly bonded to each other over the entire main surfaces, the binding force between the two layers can be increased. In addition, since the thermal conductivity between the two layers can be increased, the organic layer 21 and the ceramic layer 22 can use the inherent physical properties of each layer as a binding force even in an environment where the temperature changes suddenly.
  • the organic layer 21 preferably contains carbon particles as an inorganic filler. Carbon particles have a lower Young's modulus in themselves compared to metal oxides such as alumina or silica. Even during the process in which the organic layer 21 is exposed to a low-temperature environment, an increase in the Young's modulus can be suppressed between the carbon particles and the surrounding organic resin.
  • the stage portion 2 When forming through holes in the stage portion 2, it is preferable to use a method selected from the group consisting of punching, drilling, and laser. In this case, it is preferable to make holes in the ceramic layer 22 when it is in the form of a green sheet before firing.
  • the organic layer 21 may have holes in advance when it is in an uncured state, or may have holes after curing.
  • a superconducting device for example, superconducting device 100
  • the superconducting element is located in the stage portion.
  • the stage portion is a laminate of a ceramic layer (for example, ceramic layer 22) and an organic layer (for example, organic layer 21).
  • the superconducting device of (1) above may have a metal base on which the stage portion is located, the ceramic layer being located on the base side, and the organic layer being located on the superconducting element side.
  • the ceramic layer may be thicker than the organic layer.
  • the superconducting device of (1) or (2) above may have a base having a recess, and the stage portion may be located in the recess.
  • the entire stage portion may fit into the recess.
  • any one of the superconducting devices (1) to (3) above may have a base on which the stage portion is located, and a fixing member that fixes the organic layer of the stage portion to the base.
  • the base may have a recess, and the ceramic layer of the stage may be located in the recess.
  • the organic layer may have a first organic layer located between the superconducting element and the ceramic layer, and a second organic layer located on the opposite side of the ceramic layer to the first organic layer.
  • any one of the superconducting devices (1) to (8) above may have a superconducting film in contact with the organic layer or a portion of the ceramic layer.
  • the present disclosure may also be a quantum element device having the quantum element described above instead of a superconducting element.
  • the quantum element device has a quantum element selected from the group consisting of a Josephson element, a silicon quantum bit element, an ion trap element, and an optical element, and a stage portion on which the quantum element is located, and the stage portion is a laminate of a ceramic layer and an organic layer.
  • this quantum element device may have a metal base on which the stage portion is located, with the ceramic layer located on the base side and the organic layer located on the quantum element side.
  • the thickness of the ceramic layer may be greater than the thickness of the organic layer.
  • this quantum element device may have a base with a recess, and the stage part may be located in the recess.
  • this quantum element device may be structured so that the entire stage portion fits into the recess.
  • this quantum element device may have a structure having a base on which the stage portion is located and a fixing member that fixes the organic layer to the base.
  • the base may have a recess
  • the ceramic layer of the stage may be structured to be located in the recess.
  • the organic layer may have a structure having a first organic layer located between the superconducting element and the ceramic layer, and a second organic layer located on the opposite side of the ceramic layer to the first organic layer.
  • this quantum element device may have a structure having a superconducting film in contact with a portion of the organic layer or ceramic layer.
  • each of the figures in Figs. 1 to 10 can be used as the general structure of the quantum element device.
  • the superconducting element (reference numeral 1) in Figs. 1 to 10 (excluding Figs. 6 and 7) should be replaced with the quantum element (quantum element 1) described above.
  • the operating temperature may be set higher than when the superconducting element 1 is used.
  • the operating temperature may be around room temperature (-30°C (243K) or higher and 30°C (303K) or lower).
  • the temperature is not as severe as when the superconducting element 1 is used.
  • the stage unit 2 of the present disclosure is able to withstand the issues caused by such state changes in devices that use quantum elements.
  • the stage unit 2 of the present disclosure can be used in the same way as when using a Josephson element.

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Abstract

本開示による超電導デバイスは、超電導素子と、ステージ部とを有する。ステージ部は、超電導素子が位置する。ステージ部は、セラミック層と有機層との積層体である。

Description

超電導デバイス
　本開示は、超電導デバイスに関する。
　従来、ジョセフソン素子などの超電導素子を搭載するためのパッケージング技術が知られている。特許文献１には、セラミック層間に導体層が内挿された基板上に、ジョセフソン素子などの超電導素子が実装された超電導素子実装用パッケージが開示されている。
特開平０１－２９８６０８号公報
　本開示の一態様による超電導デバイスは、超電導素子と、ステージ部とを有する。ステージ部は、超電導素子が位置する。ステージ部は、セラミック層と有機層との積層体である。
図１は、第１実施形態に係る超電導デバイスの構成例を示す模式断面図である。 図２は、第２実施形態に係る超電導デバイスの構成例を示す模式断面図である。 図３は、第３実施形態に係る超電導デバイスの構成例を示す模式断面図である。 図４は、第４実施形態に係る超電導デバイスの構成例を示す模式断面図である。 図５は、第５実施形態に係る超電導デバイスの構成例を示す模式断面図である。 図６は、第５実施形態に係る有機層と固定部材との位置関係を示す模式平面図である。 図７は、第５実施形態の変形例に係る有機層と固定部材との位置関係を示す模式平面図である。 図８は、第６実施形態に係る超電導デバイスの構成例を示す模式断面図である。 図９は、第７実施形態に係る超電導デバイスの構成例を示す模式断面図である。 図１０は、第７実施形態に係る超電導デバイスの構成例を示す模式断面図である。
　以下に、本開示による超電導デバイスを実施するための形態（以下、「実施形態」と記載する）について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではない。また、各実施形態は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。また、以下の各実施形態において同一の部位には同一の符号を付し、重複する説明は省略される。
　また、以下に示す実施形態では、「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」といった表現が用いられる場合があるが、これらの表現は、厳密に「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」であることを要しない。すなわち、上記した各表現は、例えば製造精度または設置精度などのずれを許容するものとする。
　従来、ジョセフソン素子などの超電導素子を搭載するためのパッケージング技術が知られている。特許文献１には、セラミック層間に導体層が内挿された基板上に、ジョセフソン素子などの超電導素子が実装された超電導素子実装用パッケージが開示されている。
　かかる超電導素子は、超電導状態を得るために室温よりも低温、たとえば液体窒素の沸点（７７Ｋ）程度の雰囲気中に保持する必要がある。しかしながら、特許文献１に開示されたパッケージにおいては、超電導素子が搭載される基板が、ヤング率が比較的高いセラミックからなるため、超電導素子を冷却した場合に、温度変化に伴う歪みが基板に発生することで、基板にクラックが発生するおそれがある。
　そこで、温度変化に伴うクラックの発生を低減する技術が期待されている。
（第１実施形態）
　まず、第１実施形態に係る超電導デバイス１００の構成例について図１を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係る超電導デバイス１００の構成例を示す模式断面図である。超電導デバイス１００は、超電導素子１を有する装置である。超電導デバイス１００は、超電導素子１による超電導状態を得るために、液体ヘリウムなどの冷媒を用いて、たとえば４Ｋ以下の極低温に冷却される。
　超電導デバイス１００は、超電導素子１と、ステージ部２と、基体３とを有する。ステージ部２は、超電導素子１が位置する。ステージ部２は、セラミック層２２と有機層２１との積層体である。セラミック層２２は、後述する基体３側に位置する。有機層２１は、超電導素子１側に位置する。
　ステージ部２は、有機層２１の表面およびセラミック層２２の表面のうちの少なくとも一方に、かかる表面の沿う方向に延びる導体（図示せず）を有していてもよい。導体のうち、超電導素子１の直下は超電導材料、その周囲は常電導性の材料（銀、金または銅など）を配置するなど導体材料を分けた構成であってもよい。
　ステージ部２の形状は、平面視において、円形状でもよいし、超電導素子１の形状と相似形を成すものであってもよい。ステージ部２の表面は、凹凸形状（図示せず）を有していてもよい。その場合、超電導素子１がステージ部２の凸部に接する構造、言い換えれば、凹部の底には接しない構造がよい。つまり、超電導素子１はステージ部２上に部分的に接している状態でもよい。凹部および凸部は、互いに交互に並んでいることが好ましい。凹部および凸部は、ステージ部２の対向する端部間まで連続して形成されていてもよい。ステージ部２上に導体が配置される場合、ステージ部２に形成された導体の全体積をＶ０とし、ステージ部２を貫通する導体の全体積Ｖ１としたときに、Ｖ１／Ｖ０は１０～５０％であるのがよい。
　ステージ部２に導体が配置される場合、かかる導体の一部はミアンダ配線または差動配線などで形成されていてもよい。ステージ部２が常温から極低温までの温度変化に晒されるときにステージ部２の材料に起きる比誘電率の変化に対して、ステージ部２は部分的に金属膜（図示せず）を有していてもよい。部分的に配置した金属膜によって基体３の表面付近において静電容量を変化させて、回路のインピーダンスを調整することができる。なお、かかる金属膜は電気回路に寄与しない。
　ステージ部２がセラミック層２２のみで構成される場合、かかるステージ部２が低温に晒されると、ステージ部２に応力が発生し、クラックが生じてしまうおそれがあった。図１に示すように、ステージ部２が有機層２１を有することで、ステージ部２全体のヤング率を低減させることができるため、クラックの発生を低減できる。
　また、ステージ部２は基体３側にセラミック層２２を配置する構成であるため、基体３とステージ部２との間で熱膨張率が異なった場合でもセラミック層２２が高いヤング率であることから、ステージ部２の強度を保つことができる。一方で、超電導素子１側に有機層２１を配置していることから、ステージ部２に熱膨張率による歪が生じた場合でも超電導素子１への負荷（応力集中）を低減できる。
　基体３は、ステージ部２が位置する。基体３は、たとえば金属製である。
　超電導デバイス１００は、超電導素子１を駆動させるための外部回路（図示せず）に接続される。外部回路は、超電導デバイス１００系外に配置される。外部回路が配置される周辺の温度は、２５℃程度の常温である。
　図１に示すように、セラミック層２２の厚みは、有機層２１の厚みより厚くてもよい。かかる構成によれば、セラミック層２２の厚みを厚くしていることから、セラミック層２２がより変形しにくい。また、有機層２１の厚みを薄くしていることから、ステージ部２の全体的な熱膨張率を小さくできる。このため、超電導素子１への負荷（応力）を小さくでき、機械的な信頼性向上につながる。
（第２実施形態）
　図２は、第２実施形態に係る超電導デバイス１００の構成例を示す模式断面図である。図２に示すように、超電導デバイス１００の基体３は、凹部３１を有していてもよい。この場合、ステージ部２は、凹部３１に位置していてもよい。具体的には、ステージ部２のセラミック層２２が凹部３１に位置していてもよい。かかる構成によれば、ステージ部２と基体３との接触面積が大きくなり、固定がより強固になる。また、セラミック層２２の少なくとも底面と側面とが基体３と接しているため、放熱の効率が良くなる。
（第３実施形態）
　図３は、第３実施形態に係る超電導デバイス１００の構成例を示す模式断面図である。図３に示すように、超電導デバイス１００のステージ部２の全体が凹部３１に収まっていてもよい。かかる構成によれば、基体３に対するステージ部２の固定力をより高めることができる。
（第４実施形態）
　図４は、第４実施形態に係る超電導デバイス１００の構成例を示す模式断面図である。図４に示すように、超電導デバイス１００は、ステージ部２の有機層２１と基体３とを固定する固定部材４を有していてもよい。固定部材４は、たとえばボルトまたはビスなどのねじであってもよい。また、固定部材４は、ピンなどの棒状部材であってもよい。かかる構成によれば、基体３と、剛性の低い有機層２１とが固定されるため、固定した場合に基体３が割れにくい。
　なお、固定部材４は、ワッシャー材（図示せず）を有していてもよい。ワッシャー材を構成する部材としては、固定部材４が冷却された場合に、固定部材４よりも収縮率が大きい部材がよい。固定部材４が冷却されるほど、固定部材４の締め付けが緩くなるため、かかるワッシャー材を有していれば、締め付けが緩くなるのを防ぐことができる。
（第５実施形態）
　図５は、第５実施形態に係る超電導デバイス１００の構成例を示す模式断面図である。図６は、第５実施形態に係る第２有機層２１Ｂと固定部材４との位置関係を示す模式平面図である。図５に示すように、ステージ部２の有機層２１は、超電導素子１とセラミック層２２との間に位置する第１有機層２１Ａと、セラミック層２２を挟んで第１有機層２１Ａと反対側に位置する第２有機層２１Ｂとを有していてもよい。かかる構成によれば、有機層２１がセラミック層２２の両面に配置されるため、固定部材４の緩衝材にできる。またステージ部２の面積が大きい場合は、基体３とステージ部２との間に発生する応力により、基体３およびステージ部２にひずみなどの不具合が生じるおそれがある。第５実施形態に係る超電導デバイス１００によれば、第２有機層２１Ｂが基体３との熱的、機械的な緩衝材になり、かかる不具合の発生を低減することができる。
　なお、セラミック層２２と、基体３との間に位置する第２有機層２１Ｂは、有機材料以外で構成される緩衝材であってもよい。この場合、緩衝材のヤング率はステージ部２を構成するセラミック層２２のヤング率よりも低い方がよい。また、緩衝材は基体３を構成する材料よりもヤング率が低い方がよい。
（第５実施形態の変形例）
　図７は、第５実施形態の変形例に係る第２有機層２１Ｂと固定部材４との位置関係を示す模式平面図である。
　第２有機層２１Ｂは、図６に示すように、基体３側のステージ部２の貫通孔を除く全面をカバーする面積を有するものでもよいし、図７に示すように、超電導素子１の直下の固定部材４を除く領域のみに配置されていてもよい。あるいは、第２有機層２１Ｂは、超電導素子１の直下の領域の周囲をフレーム状に取り巻く形状でもよい。この場合には、ステージ部２と基体３との間に固定部材４などの他の部材が介在しないため、超電導素子１から基体３への熱伝導性を維持しつつ、両者間の応力を緩和する効果を高めることができる。
（第６実施形態）
　図８は、第６実施形態に係る超電導デバイス１００の構成例を示す模式断面図である。図８に示すように、超電導デバイス１００は、有機層２１またはセラミック層２２の一部と接する超電導膜６を有していてもよい。超電導素子１は、超電導膜６を介してステージ部２と電気的に接続されている。超電導膜６は、図８に示すように、ステージ部２を構成する有機層２１およびセラミック層２２を厚み方向に貫通するビア構造であってもよい。超電導膜６の材質は、水銀、バナジウム、鉛、ニオブ、ニオブ‐チタン、ニオブ‐スズ、ニオブ‐アルミニウム、バナジウム‐ガリウム、マグネシウム‐ホウ素のうちの少なくとも一種を含んでいてもよい。
　第６実施形態に係る超電導デバイス１００によれば、ステージ部２が超電導膜６を有することで、極低温下において、抵抗にならずノイズを少なくすることができる。また、超電導膜６がビア構造であるため、ステージ部２における回路のインダクタンスを小さくできる。
（第７実施形態）
　図９および図１０は、第７実施形態に係る超電導デバイス１００の構成例を示す模式断面図である。図９および図１０に示すように、超電導デバイス１００は、ステージ部２または基体３に固定されるキャップ５を有していてもよい。この場合、超電導素子１は、キャップ５の内側の領域に配置される。なお、図９には、キャップ５がステージ部２の有機層２１に固定される場合の例を示しており、図１０には、キャップ５が基体３に固定される場合の例を示している。
（その他の実施形態）
　上述した実施形態では、超電導デバイス１００が超電導素子１を有する例を説明したが、超電導デバイス１００が備える素子はこれに限らない。たとえば、ジョセフソン素子、シリコン量子ビット素子、イオントラップ素子または光素子などの量子素子を有していてもよい。
　上記した超電導デバイスは、超電導素子１、ステージ部２、および基体３を用意して、これらを所望の配置になるように、互いに、積層、接着させることにより作製できる。この場合、ステージ部２は、例えば、すでに焼結体となったセラミック層２２の表面に未硬化状態の有機層（前駆体）を貼り付けて加圧加熱の処理を施すことによって作製する。有機層２１は、未硬化状態のシート状成形体が加熱加圧の処理を受けることで硬化した有機層２１となる。未硬化のシート状成形体および有機層２１は有機樹脂を主成分として含む。有機樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂が好適なものとなる。未硬化のシート状成形体および有機層２１は、有機樹脂の他に無機フィラーを含んでも良い。無機フィラーとしては、シリカ、アルミナを選択することができる。特に、比重が小さいという点からシリカが好適である。
　さらに、後述するように、未硬化のシート状成形体および有機層２１は炭素粒子を含んでも良い。未硬化のシート状成形体および有機層２１における無機フィラーの含有量は１体積％以上５０体積％以下がよい。未硬化のシート状成形体および有機層２１における炭素粒子の含有量は１体積％以上３０体積％以下がよい。無機フィラーおよび炭素粒子の含有分を除いた残部が有機樹脂である。本開示の有機層２１は、有機樹脂に無機フィラーを加えた２成分系の材料でも良いが、後述する理由から、無機フィラーの一部を炭素粒子に置き換えた３成分系にするのがよい。こうして、有機層２１はセラミック層２２よりも弾性変形しやすい状態を維持できる。
　セラミック層２２としては、アルミナ質焼結体またはガラスセラミック質焼結体を用いるのがよい。この場合、セラミック層２２は、その表面（主面）および内部の少なくとも一方に、導体（配線、ビア導体）を有する構造となっていてもよい。また、有機層２１がセラミック層２２の一方の主面の全面に貼り付いていることにより、両層間には、通常、熱膨張率およびヤング率に起因する応力が発生する。本開示のステージ部２の場合には、有機層２１とセラミック層２２とが、互いにその主面の全面に貼り付いていることで、有機層２１は温度変化によりセラミック層２２に発生するひずみ量を小さくする役割を担う。一方で、セラミック層２２も有機層２１に対して、温度変化により有機層２１に発生するひずみ量を小さくする役割を担う。この場合、有機層２１およびセラミック層２２は、両層が単体として存在するときよりも熱膨張に起因する変形量が小さくなる。有機層２１とセラミック層２２とは、これ以外の材料を介して接着していない。有機層２１とセラミック層２２とが、互いに、これらの主面の全面で直に接して接着していることから、両層間の拘束力を高めることができる。また、両層間の熱伝導性を高めることができるため、有機層２１、セラミック層２２は、急激に温度が変化する環境においても、それぞれの層が本来有する物性を拘束力として作用させることが可能になる。
　有機層２１は無機フィラーとして炭素粒子を含んでいるのがよい。炭素粒子はアルミナまたはシリカなどの金属酸化物に比べてそれ自体のヤング率が低い。有機層２１が低温の環境下に晒される過程においても、炭素粒子とその周囲の有機樹脂との間で、ヤング率の増加を抑えることができる。
　ステージ部２に貫通孔を形成する場合には、パンチング、ドリルおよびレーザーなどの群から選ばれるいずれかの方法を用いるのがよい。この場合、セラミック層２２は、焼成前のグリーンシートの状態のときに孔を開けておくのがよい。有機層２１は、未硬化状態のときに予め孔を開けておいても良いし、硬化後に孔開けしてもよい。
　一実施形態において、（１）超電導デバイス（一例として、超電導デバイス１００）は、超電導素子（一例として、超電導素子１）と、ステージ部（一例として、ステージ部２）とを有する。ステージ部は、超電導素子が位置する。ステージ部は、セラミック層（一例として、セラミック層２２）と有機層（一例として、有機層２１）との積層体である。
　（２）上記（１）の超電導デバイスは、前記ステージ部が位置する金属製の基体を有し、前記セラミック層は、前記基体側に位置し、前記有機層は、前記超電導素子側に位置していてもよい。
　（３）上記（１）の超電導デバイスにおいて、前記セラミック層の厚みは、前記有機層の厚みよりも厚くてもよい。
　（４）上記（１）または（２）の超電導デバイスは、凹部を有する基体を有し、前記ステージ部は、前記凹部に位置していてもよい。
　（５）上記（４）の超電導デバイスにおいて、前記ステージ部の全体が前記凹部に収まってもよい。
　（６）上記（１）～（３）のいずれか一つの超電導デバイスは、前記ステージ部が位置する基体と、前記ステージ部の前記有機層と前記基体とを固定する固定部材とを有していてもよい。
　（７）上記（６）の超電導デバイスにおいて、前記基体は凹部を有し、前記ステージ部の前記セラミック層は、前記凹部に位置していてもよい。
　（８）上記（１）の超電導デバイスにおいて、前記有機層は、前記超電導素子と前記セラミック層との間に位置する第１有機層と、前記セラミック層を挟んで前記第１有機層と反対側に位置する第２有機層とを有していてもよい。
　（９）上記（１）～（８）のいずれか一つの超電導デバイスは、前記有機層または前記セラミック層の一部と接する超電導膜を有していてもよい。
　また、本開示は、超電導素子の代わりに、上記した量子素子を有する量子素子デバイスとしてもよい。より詳細には、量子素子デバイスは、ジョセフソン素子、シリコン量子ビット素子、イオントラップ素子および光素子の群から選ばれる量子素子と、量子素子が位置するステージ部と、を有し、そのステージ部は、セラミック層と有機層との積層体である。
　また、この量子素子デバイスでは、ステージ部が位置する金属製の基体を有し、セラミック層は、基体側に位置し、有機層は、量子素子側に位置するものでもよい。
　また、この量子素子デバイスでは、セラミック層の厚みは、有機層の厚みよりも厚くてもよい。
　また、この量子素子デバイスでは、凹部を有する基体を有し、ステージ部は、凹部に位置するものでもよい。
　また、この量子素子デバイスでは、ステージ部の全体が凹部に収まる構造であってもよい。
　また、この量子素子デバイスでは、ステージ部が位置する基体と、有機層を基体に固定する固定部材と、を有する構造であってもよい。
　また、この量子素子デバイスでは、基体は凹部を有し、ステージ部のセラミック層は、凹部に位置する構造であってもよい。
　また、この量子素子デバイスでは、有機層は、超電導素子とセラミック層との間に位置する第１有機層と、セラミック層を挟んで第１有機層と反対側に位置する第２有機層と、を有する構造であってもよい。
　また、この量子素子デバイスでは、有機層またはセラミック層の一部と接する超電導膜を有する構造であってもよい。
　なお、量子素子デバイスの概略の構造としては、図１～図１０の各図（各図の超電導デバイスを構成する各部材を含む）を適用できることは言うまでもない。この場合、図１～図１０（図６および図７を除いて）における超電導素子（符号１）を上記した量子素子（量子素子１）に置き換えるものとする。
　上記した量子素子デバイスでは、選択する量子素子によっては、超電導素子１を用いる場合に比べて、動作温度を高く設定できる場合がある。動作温度としては、室温付近の温度（－３０℃（２４３Ｋ）以上３０℃（３０３Ｋ）以下）を挙げることができる。室温付近で動作する量子素子を用いる場合、超電導素子１を用いる場合に比べて、温度としては過酷な環境とは言えない。しかし、室温付近で動作するデバイスの場合、超電導素子１が置かれる極低温よりも温度変化が大きくなる可能性が高い。この大きい温度変化が基板にクラックを発生させる可能性が高い。本開示のステージ部２は、量子素子を適用したデバイスのこのような状態変化に起因する課題に対しても抗するものとなる。
　さらに、動作温度が、液体ヘリウムの沸点（－２６９℃（４Ｋ））より高く、液体窒素の沸点（－１９６℃（７７Ｋ））よりも低い温度の領域となる量子素子を用いる場合においても、本開示のステージ部２はジョセフソン素子を用いる場合と同様に用いることができる。
　今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の請求の範囲およびその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
　１　超電導素子
　２　ステージ部
　３　基体
　４　固定部材
　５　キャップ
　６　超電導膜
　２１　有機層
　２２　セラミック層
　３１　凹部
　１００　超電導デバイス

Claims (9)

  1. 　超電導素子と、
    　前記超電導素子が位置するステージ部と
    　を有し、
    　前記ステージ部は、セラミック層と有機層との積層体である、
    　超電導デバイス。
  2. 　前記ステージ部が位置する金属製の基体を有し、
    　前記セラミック層は、前記基体側に位置し、
    　前記有機層は、前記超電導素子側に位置する、請求項１に記載の超電導デバイス。
  3. 　前記セラミック層の厚みは、前記有機層の厚みよりも厚い、請求項１に記載の超電導デバイス。
  4. 　凹部を有する基体を有し、
    　前記ステージ部は、前記凹部に位置する、請求項１に記載の超電導デバイス。
  5. 　前記ステージ部の全体が前記凹部に収まる、請求項４に記載の超電導デバイス。
  6. 　前記ステージ部が位置する基体と、
    　前記有機層を前記基体に固定する固定部材と
    　を有する、請求項１に記載の超電導デバイス。
  7. 　前記基体は凹部を有し、
    　前記ステージ部の前記セラミック層は、前記凹部に位置する、請求項６に記載の超電導デバイス。
  8. 　前記有機層は、
    　前記超電導素子と前記セラミック層との間に位置する第１有機層と、
    　前記セラミック層を挟んで前記第１有機層と反対側に位置する第２有機層と
    　を有する、請求項１に記載の超電導デバイス。
  9. 　前記有機層または前記セラミック層の一部と接する超電導膜を有する、請求項１に記載の超電導デバイス。
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