特開 2024-46522 回路、超伝導装置及び回路の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024046522

(43)【公開日】2024-04-03

(54)【発明の名称】回路、超伝導装置及び回路の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H10N 60/00 20230101AFI20240327BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20240327BHJP

【ＦＩ】

H01L39/00 ZAA

H01L25/08 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022151958

(22)【出願日】2022-09-22

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100147267

【弁理士】

【氏名又は名称】大槻 真紀子

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(72)【発明者】

【氏名】菊地 克弥

(72)【発明者】

【氏名】荒賀 佑樹

(72)【発明者】

【氏名】藤野 真久

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 直也

(72)【発明者】

【氏名】馮 ウェイ

(72)【発明者】

【氏名】仲川 博

【テーマコード（参考）】

4M113

【Ｆターム（参考）】

4M113AA41

4M113AC06

4M113AC45

4M113AD32

4M113CA12

4M113CA13

4M113CA16

4M113CA17

(57)【要約】

【課題】低温で接合することができる回路の製造方法、回路及び超伝導装置を提供する。
【解決手段】超伝導素子を有する第一の基板と、前記第一の基板の上に設けられ、かつ超伝導材料を有する第一の配線層と、前記第一の配線層の上に設けられ、かつ貴金属を含む超伝導材料を有するバンプと、前記バンプの上に設けられ、かつ超伝導材料を有する第二の配線層と、前記第二の配線層の上に設けられる第二の基板と、有することを特徴とする回路。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超伝導素子を有する第一の基板と、
前記第一の基板の上に設けられ、かつ超伝導材料を有する第一の配線層と、
前記第一の配線層の上に設けられ、かつ貴金属を含む超伝導材料を有する合金バンプと、
前記合金バンプの上に設けられ、かつ超伝導材料を有する第二の配線層と、
前記第二の配線層の上に設けられる第二の基板と、有する
ことを特徴とする回路。

【請求項2】

前記合金バンプは、前記貴金属の含有量が前記合金バンプの厚さ方向に勾配を有する勾配層を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の回路。

【請求項3】

前記合金バンプで、前記貴金属を含む超伝導材料は、Ｐｂ及びＩｎからなる群の中の少なくとも１つ以上を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の回路。

【請求項4】

前記合金バンプの厚さは１０μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の回路。

【請求項5】

前記第一の配線層から前記第二の配線層までの間に付着強度増強のためのアンダーレイヤ層を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の回路。

【請求項6】

前記合金バンプで、前記貴金属を含む超伝導材料の融点は１５０℃以上である
ことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の回路。

【請求項7】

前記勾配層で、前記貴金属の含有量が前記第一の基板から前記第二の基板に向かって減少する
ことを特徴とする請求項２に記載の回路。

【請求項8】

請求項１に記載の回路を有する
ことを特徴とする超伝導装置。

【請求項9】

第一の基板の上に設けられる超伝導材料を有する第一の配線層の上に、貴金属の膜を設ける工程と、
第二の基板の上に設けられる超伝導材料を有する第二の配線層の上に、超伝導材料を有するバンプを設ける工程と、
前記貴金属の膜と前記バンプとが接するように配置して、前記第一の基板と前記第二の基板とを接合する工程と、を有する
ことを特徴とする回路の製造方法。

【請求項10】

前記接合する工程で、接合温度が１００℃以下であり、かつ加圧条件が１０μＮ／μｍ^２以上である
ことを特徴とする請求項９に記載の回路の製造方法。

【請求項11】

前記接合する工程の前に、前記バンプが設けられた前記第二の基板をクリーニングする工程を有する
ことを特徴とする請求項９に記載の回路の製造方法。

【請求項12】

前記バンプの融点が１５０℃以上である
ことを特徴とする請求項９に記載の回路の製造方法。

【請求項13】

前記バンプで、前記貴金属を含む超伝導材料は、Ｐｂ及びＩｎからなる群の中の少なくとも１つ以上を含む
ことを特徴とする請求項９に記載の回路の製造方法。

【請求項14】

前記接合する工程で、前記バンプと前記貴金属の膜とを熱圧着して合金化させる
ことを特徴とする請求項９～１３のいずれか一項に記載の回路の製造方法。

【請求項15】

超伝導材料を有する前記第一の配線層の上に前記貴金属の膜を設ける前に、前記第一の配線層の上にバリア層を設ける
ことを特徴とする請求項９～１３のいずれか一項に記載の回路の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回路、超伝導装置及び回路の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

これまでの古典的な科学手法を使用するシミュレーション、計測及び制御では限界が来ている。そのため、量子科学技術を使用する新たな科学技術手法の発展により、電子レベルでの物質の挙動等を明らかにすることで、非連続的な課題解決を図ることが重要である。

【0003】

特許文献１は、第１の回路素子と、前記第１の回路素子に電気的に接触する第１の相互接続パッドと、前記第１の相互接続パッド上のバリア層とを備える第１のチップであって、前記バリア層が窒化チタンである、第１のチップと、前記バリア層上の超伝導バンプボンドと、第１の量子回路素子を備え、前記超伝導バンプボンドによって前記第１のチップに接合された第２のチップであって、前記超伝導バンプボンドが前記第１の回路素子と前記第１の量子回路素子との間に電気的接続を提供する、第２のチップと、を備えるデバイスを開示している。該特許文献１では第一のチップの窒化チタンバリア層表面をイオンミーリングするステップとこれに接続させる第二のチップの超伝導バンプ表面を水素プラズマに暴露するステップが含まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６７４２４３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

超伝導集積回路チップを配線基板などへ接続する技術においては、絶対零度（－２７３．１５℃）近辺の温度環境、高真空環境、及び超伝導接続など、半導体とは異なる機械的、化学的、電気的な条件を満たした接続技術が求められている。また、半導体で用いられる接合促進のためのフラックスなどは、超伝導回路の量子動作などに影響を与えるため使用できない。例えば、該特許文献１の方法では、アルミニウムや窒化チタン、インジウムといった超伝導材料のみ、かつフラックスフリーで超伝導接続を実現するため、２つのチップを接合する前に、それぞれのチップの接合部分の窒化チタン表面とインジウムバンプ表面をイオンミーリングまたは水素プラズマなどの物理的、化学的原子照射に暴露されるプラズマクリーニング工程が必須となっている。しかしながら、超伝導集積回路チップに搭載されるジョセフソン接合などの超伝導デバイスは、高温環境や回路面へのプラズマクリーニングなどで破壊されるという問題があった。そのため、従来の方法で超伝導デバイスを含む超伝導回路または配線基板を大気中で接合することは困難であるという問題があった。

【0006】

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、超伝導デバイスを破壊することなく低温で接合することができる回路の製造方法、回路及び超伝導装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供している。
（１）本発明に係る回路の一態様は、超伝導素子を有する第一の基板と、
前記第一の基板の上に設けられ、かつ超伝導材料を有する第一の配線層と、
前記第一の配線層の上に設けられ、かつ貴金属を含む超伝導材料を有する合金バンプと、
前記合金バンプの上に設けられ、かつ超伝導材料を有する第二の配線層と、
前記第二の配線層の上に設けられる第二の基板と、有することを特徴とする。

【0008】

（２）（１）に記載の回路は、前記合金バンプは、前記貴金属の含有量が前記合金バンプの厚さ方向に勾配を有する勾配層を有してもよい。

【0009】

（３）（１）又は（２）に記載の回路は、前記合金バンプで、前記貴金属を含む超伝導材料は、Ｐｂ及びＩｎからなる群の中の少なくとも１つ以上を含んでもよい。

【0010】

（４）（１）～（３）のいずれか一項に記載の回路は、前記合金バンプの厚さは１０μｍ以下であってもよい。

【0011】

（５）（１）～（４）のいずれか一項に記載の回路は、前記第一の配線層から前記第二の配線層までの間に付着強度増強のためのアンダーレイヤ層を有してもよい。

【0012】

（６）（１）～（５）のいずれか一項に記載の回路は、前記合金バンプで、前記貴金属を含む超伝導材料の融点は１５０℃以上であってもよい。

【0013】

（７）（１）～（６）のいずれか一項に記載の回路は、前記勾配層で、貴金属の含有量が前記第一の基板から前記第二の基板に向かって減少してもよい。

【0014】

（８）本発明に係る超伝導装置の一態様は、（１）～（７）のいずれか一項に記載の回路を有することを特徴とする。

【0015】

（９）本発明に係る回路の製造方法の一態様は、第一の基板の上に設けられる超伝導材料を有する第一の配線層の上に、貴金属の膜を設ける工程と、
第二の基板の上に設けられる超伝導材料を有する第二の配線層の上に、超伝導材料を有するバンプを設ける工程と、
前記貴金属の膜と前記バンプとが接するように配置して、前記第一の基板と前記第二の基板とを接合する工程と、を有することを特徴とする。

【0016】

（１０）（９）に記載の回路の製造方法は、前記接合する工程で、接合温度が１００℃以下であり、かつ加圧条件が１０μＮ／μｍ^２以上であってもよい。
また、本開示の一態様は、前記接合する工程の前に、前記バンプが設けられた前記第二の基板をクリーニングする工程を有してもよい。

【0017】

（１１）（９）又は（１０）に記載の回路の製造方法は、前記バンプの融点が１５０℃以上であってもよい。

【0018】

（１２）（９）～（１１）のいずれか一項に記載の回路の製造方法は、前記バンプで、貴金属を含む超伝導材料は、Ｐｂ及びＩｎからなる群の中の少なくとも１つ以上を含んでもよい。

【0019】

（１３）（９）～（１２）のいずれか一項に記載の回路の製造方法は、
前記バンプで、貴金属を含む超伝導材料は、Ｐｂ及びＩｎからなる群の中の少なくとも１つ以上を含んでもよい。

【0020】

（１４）（９）～（１３）のいずれか一項に記載の回路の製造方法は、
前記接合する工程で、前記バンプと前記貴金属の膜とを熱圧着して合金化させてもよい。

【0021】

（１５）（９）～（１４）のいずれか一項に記載の回路の製造方法は、
超伝導材料を有する前記第一の配線層の上に前記貴金属の膜を設ける前に、前記第一の配線層の上にバリア層を設けてもよい。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、低温で接合することができる回路の製造方法、回路及び超伝導装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係る回路の模式図及び回路の製造方法の一例を示すフローチャートである。

【図2】図２は、本発明の実施形態に係る超伝導装置の一例を示す模式図である。

【図3】図３は、鉛－インジウム合金バンプのデイジーチェーン直列接続構造で測定した超伝導遷移温度Ｔｃ測定結果を示す。

【図4】図４は、貴金属を含む鉛－インジウム合金バンプのデイジーチェーン直列接続構造で測定した電流－電圧特性である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、図面において、同一又は類似の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省く場合がある。また、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。

【0025】

＜回路１０＞
まず、本発明の実施形態に係る回路を図面に基づいて説明する。なお、同一の構成の場合は同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

【0026】

図１は、本発明の実施形態に係る回路の一例を示す模式図である。図１に示すように、本発明の実施形態に係る回路１０は、第一の基板２０と、下部配線層３０と、上部配線層４０と、合金バンプ６０と、第二の基板７０と、を備えることを特徴とする。

【0027】

第一の基板２０および第二の基板７０は超伝導デバイスを有する。下部配線層３０は、第一の基板２０の上に配置されている。上部配線層４０は、第二の基板７０の上に配置されている。図１において、下部配線層３０は、第一の基板２０と接するように配置されている。上部配線層４０は、第二の基板７０と接するように配置されている。上部配線層４０及び下部配線層３０は超伝導材料を有する。

【0028】

合金バンプ６０は、下部配線層３０の上に配置されている。図１において、合金バンプ６０は、下部配線層３０と接するように配置されている。上部配線層４０は、合金バンプ６０の上に設けられている。図１において、上部配線層４０は、合金バンプ６０と接するように設けられている。

【0029】

第二の基板７０は、上部配線層４０の上に設けられている。図１において、第二の基板７０は、上部配線層４０と接するように設けられている。

【0030】

本発明の実施形態において、下部配線層３０及び上部配線層４０は、合金バンプ６０を介して、機械的および電気的に接続する。超伝導臨界温度以下では、下部配線層３０及び上部配線層４０は、合金バンプ６０を介して、超伝導電流が流れる。合金バンプ６０は、貴金属と超伝導材料とが合金化したものである。貴金属として、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）及びパラジウム（Ｐｄ）が挙げられる。

【0031】

本実施形態において、回路１０は、フリップチップ接続された構造であってもよい。

【0032】

（第一の基板２０）
本実施形態において、第一の基板２０はプラズマクリーニングを適用できない超伝導素子を有する超伝導回路基板である。そのため、第一の基板２０は、例えば、シリコンやサファイアなど一般に金属超伝導デバイスの基板として用いられる材料を使用することができる。第一の基板２０は、シリコンなどの基板にロジック、メモリ、センサ、アクチュエータ等の能動素子が形成されてもよい。

【0033】

（下部配線層３０）
本実施形態において、下部配線層３０は、超伝導材料である。下部配線層３０は、金属からなる超伝導配線であってもよい。下部配線層３０の材料としては、ニオブ、窒化ニオブ、アルミニウム、インジウム、レニウム、タンタル、及び窒化チタンなどの金属超伝導体が用いられてもよい。

【0034】

（合金バンプ６０）
本実施形態において、合金バンプ６０は、貴金属を有する超伝導材料である。貴金属を有する超伝導材料の融点は、１５０℃以上であることが好ましい。貴金属を含む超伝導材料は、Ｐｂ及びＩｎからなる群の中の少なくとも１つ以上を含んでもよい。これにより、第一の基板２０と第二の基板７０との接合のときに、第一の基板２０又は第二の基板７０の上に設けられる回路素子の破壊をより確実に防ぐことができる。合金バンプ６０の成分組成は、例えば、ＩＣＰ－ＭＳ 誘導結合プラズマ質量分析装置（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定することができる。

【0035】

合金バンプ６０は、貴金属の含有量が合金バンプ６０の厚さ方向に勾配を有する勾配層を有することが好ましい。勾配層で、貴金属の含有量が第一の基板２０から第二の基板７０に向かって減少してもよい。これにより、第一の基板２０と第二の基板７０との接合のときに、酸化層を取り除くために、第一の基板２０をプラズマクリーニングなどで処理する必要がなくなる。その結果、第一の基板２０の上に設けられる回路素子の破壊をより確実に防ぐことができる。また、酸化層を取り除くために、第一の基板２０をプラズマクリーニングなどで処理をしなくても、下部配線層３０と上部配線層４０とを確実に電気的接続させることができる。さらに、超伝導臨界温度以下では、下部配線層３０と上部配線層４０との間で超伝導電流を確実に流れさせることができる。

【0036】

合金バンプ６０の厚さは、特に限定されないが、１０μｍ以下であってもよい。合金バンプ６０は、貴金属からなる層を実質的に含まない。実質的に含まないとは、貴金属からなる層の厚さが０．５ｎｍ以下であることを意味する。貴金属からなる層の有無は、例えば、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＴＥＭ）及び走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭ）で観察することができる。

【0037】

（上部配線層４０）
本実施形態において、上部配線層４０は、超伝導材料である。上部配線層４０は、金属からなる超伝導配線であってもよい。上部配線層４０の材料としては、ニオブ、窒化ニオブ、アルミニウム、インジウム、レニウム、タンタル、及び窒化チタンなどの金属超伝導体が用いられてもよい。図１に示すように、上部配線層４０は、合金バンプ６０と接する。超伝導臨界温度以下では、合金バンプ６０と上部配線層４０との間では、超伝導電流が流れる。

【0038】

下部配線層３０と合金バンプ６０との間に貴金属の付着強度増強のためのアンダーレイヤ層を設けてもよい。超伝導臨界温度以下で、下部配線層３０と合金バンプ６０との間で、超伝導電流が流れれば、アンダーレイヤ層の構成材料及び厚さは特に限定されない。アンダーレイヤ層は例えば、Ｔｉからなってもよい。Ｔｉは超伝導臨界温度が０．３９Ｋであり、本発明の効果に影響を与えない貴金属の付着強度増強に用いる金属の一つである。

【0039】

（第二の基板７０）
本実施形態において、第二の基板７０は、量子ビットチップである。量子ビットチップの材料は、通常の半導体チップと同様に例えばシリコンが用いられてもよい。量子ビットチップは、複数の量子ビットチップを平面方向に並べていてもよい。量子ビットチップは、データ処理を実行するための複数の回路素子を有してもよい。回路素子は、量子素子回路であってもよい。量子素子回路は、量子重ね合わせおよび量子もつれなどの量子力学的現象を利用して、非決定論的な方法で演算を実行するように構成されてもよい。また、量子回路素子は、複数の状態の情報を同時に表現して動作するように構成されてもよい。量子回路素子は、例えば、超伝導コプレーナ導波路、量子発振器、磁束量子ビット、超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤＳ）などが挙げられる。

【0040】

本発明の実施形態に係る回路１０において、第一の基板２０と第二の基板７０との間でキャパシタンス接続やインダクタンス接続する接続部を有してもよい。

【0041】

＜超伝導装置１００＞
続いて、本発明の実施形態に係る超伝導装置について説明する。図２は、本発明の実施形態に係る超伝導装置の一例を示す模式図である。なお、前述の実施形態と同じに構成は、同一の符号と付与して説明を省略する場合がある。図２に示すように、本発明の実施形態に係る超伝導装置１００は、本発明の実施形態に係る回路１０と、フリップチップカバー部２００と、カバー側押さえスプリング部３００と、アルミパッケージ部４００と、信号用コンタクトプローブ５００と、導波路６００とを有する。本実施形態において、回路１０はフリップチップ接続された量子ビット集積回路チップである。

【0042】

図２に示すように、量子ビット集積回路チップは、超伝導シリコン貫通ピアを有する。

【0043】

本発明の実施形態に係る超伝導装置は、超高感度磁気計測分野、超伝導デジタル集積回路分野及び量子コンピュータ分野などで使用することができる。超高感度磁気計測分野での超伝導装置として超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）が挙げられる。超伝導デジタル集積回路分野での超伝導装置として単一磁束量子（ＲＳＦＱ）などが挙げられる。量子コンピュータ分野での超伝導装置として超伝導アニーリング方式量子コンピュータ及び超伝導ゲート方式量子コンピュータなどが挙げられる。

【0044】

＜回路の製造方法＞
続いて、本発明の実施形態に係る回路の製造方法について説明する。本発明の実施形態に係る回路の製造方法は以下の特徴を有する。
（ａ）第一の基板の上に設けられる超伝導材料を有する第一の配線層の上に、貴金属の膜を設ける工程
（ｂ）第二の基板の上に設けられる超伝導材料を有する第二の配線層の上に、超伝導材料を有するバンプを設ける工程
（ｃ）貴金属の膜とバンプとが接するように配置して、第一の基板と第二の基板とを接合する工程

【0045】

（第一の基板の上に設けられる、超伝導材料を有する第一の配線層の上に貴金属の膜を設ける工程）
第一の基板の上に第一の配線層を設ける方法は、例えば接着などの接合方法であってもよい。第一の配線層の上に第一の電極を設ける方法は特に限定されず、例えば接着などの接合方法であってもよい。

【0046】

第一の基板は、インターポーザであってもよい。第一の基板は、例えば、シリコンやサファイアなど一般に金属超伝導デバイスの基板として用いられる材料を使用することができる。第一の基板は、シリコンなどの基板にロジック、メモリ、センサ、アクチュエータ等の能動素子が形成されてもよい。なお、インターポーザは、インターポーザチップとも称する。

【0047】

第一の基板は、量子ビットチップであってもよい。量子ビットチップの材料は、通常の半導体チップと同様に例えばシリコンが用いられてもよい。量子ビットチップは、複数の量子ビットチップを平面方向に並べていてもよい。量子ビットチップは、データ処理を実行するための複数の回路素子を有してもよい。回路素子は、量子素子回路であってもよい。量子回路素子は、例えば、超伝導コプレーナ導波路、量子ＬＣ発振器、磁束量子ビット、超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤＳ）などが挙げられる。

【0048】

第一の配線層は、超伝導材料である。第一の配線層は、金属からなる超伝導配線であってもよい。第一の配線層の材料としては、ニオブ、窒化ニオブ、アルミニウム、インジウム、レニウム、タンタル、及び窒化チタンなどの金属超伝導体が用いられてもよい。

【0049】

第一の配線層の上に貴金属の膜を設ける方法は、例えば、蒸着法を使用してもよい。貴金属の膜の厚さは１００ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、超伝導材料を有するバンプと貴金属の膜とを確実に合金化させることができる。貴金属の膜の厚さは５０ｎｍ以下であることが好ましく、３０ｎｍ以下であることが好ましくより好ましい。これにより、熱圧着の合金化の反応時間の増大をより確実に防ぐことができる。図１において、貴金属の膜はＡが指し示す層である。

【0050】

本実施形態において、貴金属とは、Ｐｂとの接合界面からＰｂ内に１００℃以下の温度で拡散、合金化する金属である。貴金属として、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）及びパラジウム（Ｐｄ）が挙げられる。貴金属の膜の専有面積は、超伝導材料を有するバンプの専有面積より大きいことが好ましい。とりわけ、超伝導材料を有するバンプの表面もプラズマクリーニングを適用できない場合には、熱圧着による超伝導材料を有するバンプを圧縮することで該バンプの接合面積を増大させて新生面と貴金属の膜と接合させる。これにより、第一の基板および第二の基板の超伝導接続が実現される。

【0051】

貴金属の膜は、下部配線上にプラズマクリーニングを行った後に、蒸着法、スパッタ法などにより製膜できる。プラズマクリーニングなどで破壊される可能性のある超伝導デバイスは貴金属の膜を作製したのちに形成する。貴金属の膜は、貴金属で作製されるため、この後に一般的な超伝導デバイスを作製するプロセスに耐えることができる。

【0052】

貴金属の膜は超伝導性を示さない貴金属が用いられることから、一般的な有機溶剤（アセトン、アルコールなど）による洗浄のみで第二の基板との熱圧着フリップチップ接合を実施することができる。

【0053】

貴金属は安定な元素である。そのため、貴金属の膜は、自然酸化膜をほとんど有さない。これにより、第一の基板と第二の基板とを接合する前に、第一の基板をクリーニングする必要が無い。その結果、第一の基板に設けられる回路素子の破壊を確実に防ぐことができる。さらに、第一の基板をクリーニングしなくても、第一の配線層から第二の配線層までの間で、絶縁層を実質的になくすことができる。これにより、第一の配線層と第二の配線層とを確実に電気的に接続させることができる。また、超伝導臨界温度以下で、第一の配線層と第二の配線層との間で、超伝導電流が流れる。なお、実質的になくすとは、絶縁層の厚みが０．５ｎｍ以下であることを意味する。

【0054】

第一の配線層と貴金属の膜との間に、更にバリア層を設けてもよい。バリア層は、Ｔｉの膜であってもよい。これにより、第一の配線層と貴金属の膜との接合強度をさらに向上させることができる。Ｔｉの膜を設ける方法は、例えば、蒸着法であってもよい。Ｔｉの膜の厚さは１００ｎｍ以下であってもよく、５０ｎｍ以下であってもよく、３０ｎｍ以下であってもよい。

【0055】

（第二の基板の上に設けられる、超伝導材料を有する第二の配線層の上に超伝導材料を有するバンプを設ける工程）
第二の基板の上に第二の配線層を設ける方法は、例えば接着などの接合方法であってもよい。第二の配線層の上に第一の電極を設ける方法は特に限定されず、例えば接着などの接合方法であってもよい。

【0056】

第二の基板は、通常の半導体チップと同様に例えばシリコンが用いられてもよい。第二の基板は、量子回路素子など、クリーニングで破砕されやすい素子を有さないことが好ましい。これにより、第二の配線層の上に超伝導材料を有するバンプを設けた後に、第二の基板をクリーニングすることができる。その結果、超伝導材料を有するバンプが有する酸化膜を除去することができる。したがって、第一の基板と第二の基板とをより確実に電気的に接続させることができる。また、超伝導臨界温度以下で、第一の配線層と第二の配線層との間で、確実に超伝導電流が流れさせることができる。量子回路素子は、例えば、超伝導コプレーナ導波路、量子ＬＣ発振器、磁束量子ビット、超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤＳ）などが挙げられる。

【0057】

第二の配線層は、超伝導材料である。第二の配線層は、金属からなる超伝導配線であってもよい。第二の配線層の材料としては、ニオブ、窒化ニオブ、アルミニウム、インジウム、レニウム、タンタル、及び窒化チタンなどの金属超伝導体が用いられてもよい。

【0058】

第二の配線層の配線層の上に超伝導材料を有するバンプを設ける方法は、例えば、接合であってもよい。接合の方法として、接着が挙げられる。

【0059】

バンプは、超伝導材料である。超伝導材料の融点は、１５０℃以上であることが好ましい。超伝導材料は、Ｐｂ及びＩｎからなる群の中の少なくとも１つ以上を含んでもよい。これにより、第一の基板と第二の基板との接合のときに、第一の基板又は第二の基板の上に設けられる回路素子の破壊をより確実に防ぐことができる。バンプの厚さは、特に限定されないが、１０μｍ以下であってもよい。図１において、バンプはＢが指し示す層である。

【0060】

バンプは、Ｐｂを主体とする超伝導材料であってもよい。また、Ｐｂを主体とする超伝導材料に、Ｉｎを添加することにより、バンプの表面に形成される酸化物をＰｂＯとＩｎ_２Ｏ_３の混合物になる。これにより、バンプの耐久性が向上し、かつバンプの硬さの制御が可能になる。本発明ではＰｂ－１０Ｗｔ％Ｉｎの合金が望ましい。バンプは下部配線層上にプラズマクリーニング工程の後にＰｂとＩｎの順次積層蒸着法やスパッタ法などで形成できる。プラズマクリーニングによる超伝導回路の破壊が問題になる場合には、最初にバンプを形成し、その後に超伝導デバイスを作製する。この場合、超伝導材料を有するバンプは、Ｐｂを主体とする材料を用いている。そのため、バンプを形成したのちに超伝導デバイスを作製する場合は、十分なレジスト材料などで保護する必要がある。

【0061】

これを回避する方法は、第二の基板上の上部配線層上に第一の基板の下部配線層上に形成する貴金属と同じ構造のバンプを形成しておき、その後、超伝導デバイスを作製し、この貴金属の膜の上にさらに超伝導材料を有するバンプを形成することができる。この場合は、バンプを形成中に貴金属はＰｂ中に拡散し、バンプと第二基板の下部配線層とが超伝導接続される。貴金属の膜と超伝導材料を有するバンプとが合金化した合金バンプは、合金バンプの両側から貴金属濃度の勾配が生じてもよい。

【0062】

（貴金属の膜とバンプとが接するように配置して、第一の基板と第二の基板とを接合する工程）
貴金属の膜が設けられた第一の基板とバンプが設けられた第二の基板とを接合する。接合する時、貴金属の膜とバンプとが接するように配置する。接合温度は、第一の基板及び第二の基板に設けられる素子が破壊されずかつバンプと貴金属の膜とが合金化する温度であることが好ましい。接合温度は、１００℃以下であることがより好ましい。これにより、第一の基板及び第二の基板に設けられる素子が破壊をより確実に防ぐことができる。また、バンプと貴金属の膜とを確実に合金化させることができる。加圧条件は１０μｍ^２以上であることが好ましく、６０μＮ／μｍ^２以上であることがより好ましい。これにより、第一の基板と第二の基板とをより確実に接合することができる。なお、加圧条件とは、バンプと貴金属の膜とが接する面に係る荷重を意味する。

【0063】

貴金属が超伝導材料を有するバンプに拡散することで、貴金属と超伝導材料を有するバンプが合金化する。接合後、貴金属の膜は実質的になくなる。実質的になくなるとは、貴金属の膜の厚さが０．５ｎｍ以下であることを意味する。また、接合後、バンプは、貴金属の含有量がバンプの厚さ方向に勾配を有する勾配層を有してもよい。さらに、勾配層で、貴金属の含有量が第一の基板から第二の基板に向かって減少してもよい。

【0064】

本発明の実施形態に係る回路の製造方法によれば、貴金属が安定的な元素であるので、貴金属の膜は酸化膜をほとんど含まない。これにより、貴金属の膜が設けられた第一の基板を接合前にクリーニングしなくても、第一の基板と第二の基板とを接合した後に、第一の配線層と第二の配線層とを確実に電気的接続させることができる。また、超伝導臨界温度以下で、第一の配線層と第二の配線層との間で、確実に超伝導電流を流れさせることができる。

【0065】

明細書の全体において、ある部分がある構成要素を「有する」や「備える」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができるということを意味する。

【0066】

また、明細書に記載の「…部」の用語は、少なくとも１つの機能や動作を処理する単位を意味し、これは、ハードウェアまたはソフトウェアとして具現されてもよいし、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせで具現されてもよい。

【0067】

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

【実施例0068】

以下、実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明する。実施例での条件は、本発明の実施可能性および効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明はこの一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

【0069】

（チップ１）
８ｍｍ×８ｍｍ×０．４ｍｍのシリコンチップ上にニオブ金属の配線層を形成した。ニオブ金属の配線層の厚みは２００ｎｍであった。Ｎｂと貴金属の接合強度を高めるために、ニオブ金属の配線層の上に２０μｍφの５ｎｍ厚みＴｉ層を形成した。Ｔｉ層の上に、３０ｎｍ厚み貴金属パッドを形成した。貴金属パッドの上に１４μｍφ×５μｍ高さのＰｂ－１０ｗｔ％Ｉｎバンプを形成した。

【0070】

（チップ２）
１ｍｍ×１ｍｍ×０．４ｍｍシリコンチップ上にニオブ金属の配線層（厚み２００ｎｍ）を形成した。ニオブ金属の配線層の厚みは２００ｎｍであった。Ｎｂと貴金属の接合強度を高めるために、ニオブ金属の配線層の上に２０μｍφの５ｎｍ厚みＴｉ層を形成した。Ｔｉ層の上に、３０ｎｍ厚み貴金属パッドを形成した。

【0071】

（回路）
チップ１とチップ２を熱圧着法によるフリップチップ接合で接合した。接合温度は１００℃、荷重は６３μＮ／μｍ^２であった。フリップチップした接合チップで４０１９６個のバンプ接合をデイジーチェーン直列結線された超伝導回路において、０．３Ｋの極低温環境ですべてのバンプが超伝導接続されているのを確認した、また、フリップチップした接合チップで４０１９６個のバンプ接合をデイジーチェーン直列結線された超伝導回路において、１０ｍＡ以上の超伝導電流が流れることを確認した。

【0072】

作成したフリップチップサンプルを室温から０．３Ｋに２回繰り返して熱サイクルテストを行ったが、すべての接合に異変は見られなかった。

【0073】

図３は、貴金属を含む鉛－インジウム合金バンプのデイジーチェーン直列接続構造で測定した超伝導遷移温度Ｔｃ測定結果を示す。図３に示すように、Ｎｂ電極のＴｃが９Ｋであることが測定された。また、貴金属を含む鉛－インジウム合金のＴｃが７Ｋであることが測定された。

【0074】

図４は、貴金属を含む鉛－インジウム合金バンプのデイジーチェーン直列接続構造で測定した電流－電圧特性である。図４に示すように、各貴金属を含む鉛－インジウム合金バンプで、大きさが１０ｍＡ以上の超伝導電流が流れることが測定された。

【産業上の利用可能性】

【0075】

以上のことから、本発明によれば、低温で接合することができる回路の製造方法、回路及び超伝導装置を提供することができるので、産業上の利用価値が高い。

【符号の説明】

【0076】

１０ 回路
２０ 第一の基板
３０ 下部配線層
４０ 上部配線層
６０ 合金バンプ
７０ 第二の基板
１００ 超伝導装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】