JP5439025B2 - 誘電体素子、および誘電体素子の作成方法 - Google Patents
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本発明の誘電体材料は、酸素原子と金属原子からなる金属酸化物絶縁体であり、絶縁体を構成する酸素原子のすべてがO17またはO18、あるいは酸素原子がO16、O17、およびO18のいずれかであり、金属酸化物を構成する酸素同位体の種類あるいは比率を変えることにより、結晶構造を同一に保ちつつ常温における電磁波に対する誘電率を変化できる誘電体材料である
本発明の誘電体材料は、金属原子がハフニウムであり、金属酸化物絶縁体が立方晶ハフニアである誘電体材料である。
材料を構成する酸素の同位体の種類および比率を変えて誘電率を変化させた場合でも結晶構造は変化しないので、本発明の誘電体材料を用いて誘電体素子を作成すれば、従来技術の問題点は解決する。
誘電体素子は、一般に誘電率の高い部分と低い部分からなり、誘電率の高い部分と低い部分の界面で電磁波を反射して機能を発現する。
本発明の誘電体材料は、材料を構成する酸素原子の平均質量に依存し、平均質量が大きな材料ほど誘電率が大きい特徴がある。そこで本発明では、本発明の誘電体材料の有するこの性質を利用し、誘電率を高くすべき素子の部分を構成する材料の酸素の平均質量をより大きく、誘電率を低くすべき素子の部分の酸素の平均質量をより小さくして、前者の部分の誘電率をより高く、後者の部分の誘電率をより低くすることにより、誘電体多層フィルターあるいは誘電体導波路として機能する誘電体素子を構成できるようにした。
ゾル・ゲル法によるハフニア膜の作成法は公知であり、容易に行うことができる。ゾル・ゲル法によるハフニア膜の作成法に関しては、たとえば特許文献4(特開2004-267822)がある。
ここで、3層膜を構成するHfO2の酸素Oの右肩に数字が記載されていない場合は、自然の酸素であることを示す。このプロセスを繰り替えることにより、
HfO2/HfO2(17)/HfO2/ HfO2(17)/HfO2の構造を有する油誘電体多層膜が作成される。この多層膜は、すべての誘電体層が立方晶ハフニアであり、第1、3、5層が通常の立方晶ハフニア、第2および4層がO17からなる立方晶ハフニアとなっている。各誘電体層の膜厚は、必要な膜厚に調整されている。
次にふっ酸ガスを用いた気相エッチングにより、コアを形成する部分18の部分を除去し、ハフニウム基板16中にトラフ状の空間19を作成し、レジストを除去する(図11(b))。
Claims (10)
- 酸素原子と金属原子から構成される金属酸化物絶縁体を用いた誘電体素子であって、
前記金属酸化物絶縁体は、酸素同位体であるO16、O17、およびO18の少なくともいずれか一つの酸素原子を含む結晶構造を有する第1の金属酸化物絶縁体と、前記第1の金属酸化物絶縁体と前記酸素同位体の組成比率が異なる第2の金属酸化物絶縁体とを有し、
常温における電磁波に対する前記金属酸化物絶縁体の誘電率が、前記酸素同位体の各々の組成比率に基づいて変化し、
前記電磁波の周波数が、ミリ波帯域にあることを特徴とする誘電体素子。 - 前記金属原子がハフニウムであり、前記金属酸化物絶縁体が立方晶ハフニアであることを特徴とする請求項1記載の誘電体素子。
- 前記第1の金属酸化物絶縁体の酸素原子の平均質量が、前記第2の金属酸化物絶縁体の酸素原子の平均質量より大きいことを特徴とする請求項1記載の誘電体素子。
- 前記第1の金属酸化物絶縁体の誘電率が、前記第2の金属酸化物絶縁体の誘電率より大きいことを特徴とする請求項1記載の誘電体素子。
- 前記第1の金属酸化物絶縁体の周囲が、前記第1の金属酸化物絶縁体の誘電率より低い誘電率を有する前記第2の金属酸化物絶縁体で覆われた構造体であることを特徴とする請求項1記載の誘電体素子。
- 前記金属酸化物絶縁体で構成された誘電体多層フィルターであって、
前記誘電体多層フィルターは、前記酸素同位体O16、O17、およびO18のそれぞれの比率が自然界における比率に等しい組成比率を有する第1の誘電体材料と、前記O16以外の酸素同位体を含まない第2の誘電体材料とが交互に周期的に積層された構造を有し、周波数が3000ギガヘルツから4000ギガヘルツの電磁波に対してフィルターとして作用することを特徴とする請求項1記載の誘電体素子。 - 前記誘電体多層フィルターが、前記第1の誘電体材料と前記第2の誘電体材料において前記酸素同位体O17の代わりに酸素同位体O18を用いた第3の誘電体材料とを交互に周期的に積層して形成され、
周波数が2500ギガヘルツから4000ギガヘルツの電磁波に対するフィルターとして作用することを特徴とする請求項6記載の誘電体素子。 - 前記酸素同位体であるO16、O17、およびO18のそれぞれの比率が自然界における比率に等しい組成比率を有する部分と酸素同位体組成がO17である誘電体材料基板であって、
前記誘電体材料基板の前記酸素同位体組成がO17である部分が導波路コアとして機能し、前記O 17 がドープされた部分以外の部分が導波路クラッドとして機能し、周波数が3000ギガヘルツから4000ギガヘルツの電磁波を導波することを特徴とする請求項6記載の誘電体素子。 - 常温におけるミリ波帯域の電磁波に対する誘電率が、酸素同位体の組成比率に基づいて変化する誘電体層を有する誘電体素子の作成方法であって、
所望の膜厚を有し、通常の立方晶ハフニア(HfO2)の結晶からなる基板を準備する工程と、
四フッ化ハフニウム(HfF4)を酸素同位体O17からなる水(H2O17)に溶解して作成された第1のゾル液を室温で前記基板上に塗布し、第1の誘電体層を形成する工程と、
前記基板を100度程度に加熱し、前記四フッ化ハフニウム(HfF4)と前記水(H2O17)を反応させることにより、前記第1の誘電体層をアモルファス構造のハフニア(HfO17 2)にする工程と、
前記基板と前記第1の誘電体層の2層膜を絶対温度2700Kで熱処理し、前記第1の誘電体層を結晶化させて立方晶ハフニア(HfO17 2)とする工程と、
前記熱処理後、常温まで冷却し、前記第1の誘電体層を研磨して所望の膜厚に加工する工程と、
前記四フッ化ハフニウム(HfF4)を通常の水に溶解したゾル液を前記第1の誘電体層上に塗布して第2の誘電体層を形成する工程と、
前記基板を100度程度に加熱し、前記四フッ化ハフニウム(HfF4)と前記通常の水とを反応させることにより、前記第2の誘電体層を通常の立方晶ハフニア(HfO2)にする工程と、
前記通常の立方晶ハフニア(HfO2)と、前記結晶化された立方晶ハフニア(HfO17 2)とが積層されてなるHfO2/HfO17 2/HfO2の構造を有する3層膜を形成する工程とを有することを特徴とする誘電体素子の作成方法。 - 前記第1及び第2の誘電体層の形成に用いるハフニウム化合物が、四フッ化ハフニウム、四塩化ハフニウム、四臭化ハフニウム、四ヨウ化ハフニウムのいずれかである請求項9記載の誘電体素子の作成方法。
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