JPH03194979A - マイクロ波共振器 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、マイクロ波共振器に関する。より詳細には、
本発明は、マイクロ波あるいはミリ波等の波長の短い電
磁波を取り扱うデバイスであって、特にその導体層を酸
化物超電導材料によって形成したマイクロ波共振器の新
規な構成に関する。

従来の技術 数十ｃｍから数ｍｍまでの波長を有し、マイクロ波ある
いはミリ波等と呼ばれる電磁波は、理論的には電磁波ス
ペクトルの一部の範囲に過ぎないが、工学的にはこれを
取り扱うための独特の手法やデバイスが開発されている
ことから、特に独立して検討される場合が多い。

マイクロ波やミリ波は、電波の直進性、導体板による反
射、障害物による回折、電波どうしの干渉、異なる媒質
間を伝播する際の光学的な振る舞い等の特徴がある他、
低周波や光の場合には効果が小さすぎて実用にならなか
った物理現象が顕著に顕れている場合があり、フェライ
トのジャイロ磁気効果を利用したアイソレータ／サーキ
ュラや気体プラズマとマイクロ波との干渉を利用したプ
ラズマ診断等の医療装置に利用されている。また、周波
数が極めて高いことから、高速／高密度な信号伝送媒体
としても期待されている。

この帯域の電磁波を誘導させるためには、低周波用の平
行線等では伝送損失が極端に大きい。また、特に線間距
離と波長とが同程度の長さになると、線路の僅かな屈曲
や接続部の僅かな寸法の不一致により反射や放射が発生
し、隣接物の影響を受は易くなる。そこで、実際には、
波長と同程度の断面寸法を有する管状の導波管を使用す
る。このような−導波管およびそれによって構成された
回路は、その立体的な形状から立体回路などと呼ばれて
いるが、通常の電気／電子回路の要素に比較すると寸法
が大きく、実際の利用は特殊な分野に限られていた。

ところが、マイクロ波帯で動作する能動素子として半導
体を使用した小型のものが開発され、また、集積回路技
術の進歩に伴い、導波路間隔の極めて小さいストリップ
線路が使用されるようになってきている。

発明が解決しようとする課題 一方、１９８６年にベドノーツ、ミューラー等によって
、３０にで超電導状態を示す（Ｌａ、　Ｂａ）　２ｃｕ
　Ｏ４が発見され、更に、１９８７年には、チュー等に
よって９０に台の超電導臨界温度Ｔｃを有するＹＢａ２
Ｃｕ３０ｙ発見され、続いて、１９８８年には前日等に
よって１００に以上の臨界温度を示す所謂Ｂａ系の複合
酸化物系超電導材料が発見された。これらの一連の複合
酸化物系超電導材料は、廉価な液体窒素による冷却でも
超電導現象を実現することができるものがあり、超電導
技術の実用的な応用の可能性が取り沙汰されるようにな
った。

超電導特有の現象が有利に作用するという点では、マイ
クロ波部品も例外ではない。即ち、一般に、ストリップ
線路では、周波数の平方根に比例して、導体の抵抗によ
る減衰定数が増大する。また、周波数の増大に比例して
誘電体損も増加するが、近年のス）　ＩＪツブ線路では
、誘電体材料の改良により、特に１０ＧＨｚ以下の領域
では、ストリップ線路の損失は、専ら導体層の抵抗に起
因するものが大部分を占めている。従って、ストリップ
線路における導体層の抵抗を低減することは、ストリッ
プ線路の性能を著しく向上することになる。

尚、ストリップ線路は、単純な伝送路としての用途の他
に、適切なパターニングを行うことによって、インダク
タンス素子、フィルタ、共振器、方向性結合器、ハイブ
リッド等のマイクロ波部品を構成することができる。

しかしながら、有利な特性を有する酸化物超電導材料を
マイクロ波分野の技術に実際に応用した例はまだない。

そこで、本発明の目的は、酸化物超電導材料を利用した
高性能なマイクロ波部品を提供することにある。

課題を解決するための手段 即ち、本発明に従うと、誘電体層と、該誘電体層と隣接
して所定のパターンに従って形成された少なくとも１対
の導体層とを含み、該導体層の一方を接地されて形成さ
れたマイクロ波伝送線路により構成されたマイクロ波共
振器であって、該導体層が複合酸化物超電導材料によっ
て形成されていることを特徴とするマイクロ波共振器が
提供される。

上記本発明に係るマイクロ波共振器における導体層は、
基板温度が全工程を通じて８００℃を越えない工程によ
って薄膜として形成されることが好ましい。

作用 本発明に係るマイクロ波共振器は、マイクロ波伝送線路
により形成されており、且つ、その導体層の材料として
酸化物超電導材料を使用していることをその主要な特徴
としている。

マイクロ波共振器における導体層は、後述する所定のパ
ターンに従って形成された導体線路と、この導体線路か
ら分離して形成された接地導体層とである。これらの導
体層が超電導化されることによって、共振器を構成する
マイクロ波線路の伝播損失が著しく低減すると共に、適
用可能な周波数帯域が高周波数側に拡張される等の利点
がある。

また、超電導材料として酸化物超電導材料を使用するこ
とによって、廉価な液体窒素により超電導状態を実現す
ることができるので、より広い分野でこの高性能なマイ
クロ波共振器を使用することが可能になる。

これら本発明に係るマイクロ波共振器における導体層は
、厚膜としであるいは薄膜として形成することができる
が、一般に、薄膜の方が超電導層としての品質に優れて
いる。

導体層としての酸化物超電導薄膜は、公知の種々の成膜
法により作製できるが、マイクロ波共振器の導体層とし
て超電導薄膜を作製する場合は、特に、誘電体層と超電
導薄膜との界面の性状が良好に保たれるように留意する
必要がある。即ち、マイクロ波線路の場合、導体層の表
面を電流が伝播するので、この領域で、物理的な形状お
よび電磁気的な特性が擾乱されると、導体層として超電
導材料を使用したことのメリットが失われてしまうから
である。また、導体層下地材料として、Ａ１□０３や５
１０２を使用した場合、超電導薄膜を成膜する過程で必
要な加熱処理に際して、Ａ　］　２０　ｓやＳｉＯ□と
複合酸化物系超電導材料とが反応して信号線路の超電導
特性が劣化あるいは消失してしまう場合がある。

従って、特に、導体層の成膜時に留意しなければならな
いことは、導体層の材料と誘電体層または基板材料とが
、互いに反応性の低い材料の組合せであること、また、
成膜時および成膜後に基板を高温に加熱して相互の材料
が拡散するような処理は極力避けること等である。具体
的には、導体層としての超電導薄膜の成膜過程では、基
板温度が８００℃を越えないように留意する必要がある
。

このような観点からは、成膜時の基板温度に対する制約
が少なく、基板温度の制御がし易い真空蒸着法またはレ
ーザ蒸着法が有利である。また、他の成膜法も含めて、
成膜後のボストアニール処理を行うことは不利なので、
成膜中の基板雰囲気に活性の高い酸素を導入する等して
、成膜したままの状態で薄膜が超電導薄膜となっている
ような成膜法を選択することが重要である。

尚、誘電体層の材料としては、公知の誘電体材料をいず
れも使用することができるが、超伝導薄膜の形成に関し
てのみ有利なＭｇＯ１ＳｒＴｉＯ３あるいはＹＳＺを使
用した場合、これらの材料の誘電体損失が非常に大きく
、超電導線路による導体損失の低減が活かされない。従
って、線路のマイクロ波線路としての特性を向上させる
ためには、誘電正接ｔａｎδの小さいＡ　Ｉ　２０　ｙ
、ＬａＡｌ０＊、ベリリア、硼珪酸ガラス等を使用する
ことが有利である。

特に、ＬａＡｌＯ３は、かなり高温まで安定で、複合酸
化物系超電導材料との反応性が低く、また、誘電体損失
も、ＭｇＯやＹＳＺに比較して１桁以上低いので好まし
い。

導体層および接地導体層としては、Ｙ系の複合酸化物の
他、ＴＩおよび／またはＢｉを含む複合酸化物を、特に
超電導臨界温度が高く液体窒素による冷却で超電導化す
る酸化物超電導材料として例示することができるが、こ
れに限定されるものではない。一連の複合酸化物超電導
材料は、これを薄膜として成膜する際に、予め基板上に
レジストによるマスクを形成しておくリフトオフ法によ
って任意のパターンを形成することができる。また、−
旦全面に形成した導体層を塩酸等によってエツチングす
るウェットエツチング法によってバターンニングするこ
ともできる。

このような本発明に係るマイクロ波共振器は、所定の幅
と長さを有する方形の導体層により形成される線形共振
器、あるいは所定の直径の円形の導体層により形成され
る円板共振器やリング共振器等を形成することができる
。

以下、作製例を挙げて本発明をより具体的に説明するが
、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技
術的範囲を何ら限定するものではない。

実施例 誘電体層をＬａＡｌＯ３により、導体層をＹＢａ２Ｃｕ
ｚＯ９薄膜によりそれぞれ形成して、マイクロ波共振器
を作製した。

第１図（ａ）〜（６）は、本発明に係るマイクロ波共振
器を構成することができるマイクロ波伝送線路の断面構
造を示す図である。

第１図（ａ）に示すマイクロ波線路は、誘電体層３と、
誘電体層３の上面に所望のパターンに従って形成された
中心導体ｌと、誘電体層３の下面全体に形成された接地
導体層２とから構成されたマイクロストリップ線路であ
る。

第１図（ｂ）に示すマイクロ波線路は、中心導体層ｌと
、中心導体層ｌを中心に埋設され、上面ふよび下面に接
地導体層２ａ−および２ｂを備えた誘電体層３により構
成されている平衡型ストリップ線路である。

また、第１図（Ｃ）に示すマイクロ波線路は、誘電体層
３と、誘電体層３上に、互いに離隔して形成された中心
導体層ｌおよび１対の接地導体層２ａ、２ｂとから構成
されたコプレーナガイド型マイクロ波線路である。

更に、第１図（ｄ）に示すマイクロ波線路は、誘電体層
３上に形成された１対の導体層ｌおよび２をそれぞれ中
心導体層ふよび接地導体層に割り当てたスロットライン
型マイクロ波線路である。

尚、本実施例においては、特にパターニングの自由度の
高さと、マイクロ波線路としての特性が優れているとい
う点から、第１図（ｂ）に示した平衡型ストリップ線路
の構造を採用してマイクロ波共振器を作製した。即ち、
第１図ら）に示すストリップ線路において、接地導体層
２ａおよび２ｂと中心導体層１とは、それぞれＹＢａｚ
Ｃｕ３０ｙ薄膜により形成されており、誘電体層３は、
ＬａＡ１０．により形成されている。

第２図は、後述するような方法で作製するマイクロ波共
振器にあける導波路パターンを示す図である。

同図に示すマイクロ波共振器における中心導体層パター
ンは、中心導体層１ａおよび１ｂの間に、それぞれ間隙
容量４ａおよび４ｂを介して結合された中心導体層ＩＣ
により形成されている。ここで、この中心導体層１ｃは
、幅０．２６ｍｍであり、中心導体層１ａおよびｌｂに
対して、それぞれ０．７０ｍｍの間隙を介して配置され
ている。尚、この中心導体層１ａおよび１ｂは、１０Ｇ
Ｈｚにおける特性インピーダンスが５０Ωのストリップ
線路となっている。一方、共振器を構成する中心導体層
１ｃは、幅０．２６ｍｍ、長さ８．　ＯＯｍｒｎの方形
の形状を有している。

第３図（ａ）〜（ｄ）は、本実施例におけるマイクロ波
共振器の作製過程を示す図である。

同図に示すように、まず、第３図（ａ）に示すように、
厚さＱ、　５ｎ＋ｍのＬａＡ１０ｓ板１３ａを基板とし
て、その上面および下面に、導体層１１および１２ａと
して、厚さ６０００人までＹＢａ２Ｃｕ＋Ｏｙ薄膜を電
子ビーム蒸着法により成膜する。続いて、第３図（ｂ）
に示すように、塩酸をエッチ剤としたウェットエツチン
グ法により、導体層１１をパターニングする。続いて、
第３図（Ｃ）に示すように、パターン化された導体層１
１をマスク層１５によりマスクしながら、残余の領域に
ＬａＡ１０．薄膜１３ｃを、導体層１１と同じ厚さまで
成膜する。次に、第３図（ａ）に示した工程と同様の方
法で上面に導体層１２ｂを搭載したＬａＡ１０、板１３
ｂを、第３図（ｄ）に示すように、ノくターン化された
導体層１１を搭載したＬａＡ１０．板１３ａに上方から
密着させる。以上のようにして、第１図に示した断面構
造を有するマイクロ波素子が完成する。各導体層１１．
１２ａ、１２ｂおよび誘電体層１３Ｃの成膜条件は、下
記の第１表に示す通りである。

第１表 尚、上記の導体層１１．１２ａ、１２ｂおよびＬａＡｌ
０゜層１３ｃの成膜に際しては、成膜面近傍に配置した
リング状ノズルによって成膜面に対して０３ガスの吹き
つけを行った。吹きつけた０３ガスは、液体窒素によっ
て冷却した液体オゾンを気化させたもので、実質的に純
粋なＯ，ガスである。０．ガスの供給量は４０ＣＣ／分
とした。

以上のようにして作製したマイクロ波共振器をネットワ
ークアナライザに接続して、２Ｇｌ（ｚから２０ＧＨｚ
までの透過電力の周波数特性を測定した。

測定結果を第４図に示す。

また、マイクロ波共振器の周波数選択性の評価として、
透過電力の大きさがその最大値から３ｄＢ以上低下しな
い範囲の帯域幅Ｂと共振周波数ｆ。

との比［ｆＯ／Ｂ’ｌをＱ値として示すことが一般的で
ある。そこで、Ａｕ導体層により作製した同じ仕様のマ
イクロ波共振器−を比較例として、本実施例に係るマイ
クロ波共振器のＱ値を測定した。測定結果は、第２表に
併せて示す。

第２表 発明の効果 以上詳述のように、本発明によれば、ストリップ線路の
導体層を超電導材料によって構成することにより、液体
窒素温度で動作する画期的にＱ値の高いマイクロ波共振
器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は、本発明を適用可能なマイクロ
波共振器の断面構造を示す図であり、 第２図は、実施例において作製したマイクロ波共振器の
導体層パターンを示す図であり、第３図（ａ）〜（ｄ）
は、第１図に示したストリップ線路の作製過程を示す図
であり、 第４図は、実施例において作製したマイクロ波共振器の
特性を示すグラフである。 〔主な参照番号〕 １、ｌａ、ｌｂ、ｌｃ　−−・中心導体、２．２ａ、２
ｂ・・・接地導体層、 ３・・・誘電体層、４ａ、４ｂ・・・間隙容量、１１・
・・中心導体（Ｙ　Ｂ　ａ　２　ＣＵ　３０　ｙ薄膜）
、１３ａ、　１３ｂ　−−・誘電体層（ＬａＡ１０ｓ基
板）、１３Ｃ・・・誘電体層（ＬａＡＩＣ１＋薄膜）、
１５・・・マスク層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 誘電体層と、該誘電体層に隣接して所定のパターンに従
   って形成された少なくとも１対の導体層とを含み、該導
   体層の一方を接地されて形成されたマイクロ波伝送線路
   により構成されたマイクロ波共振器であって、該導体層
   が複合酸化物超電導材料によって形成されていることを
   特徴とするマイクロ波共振器。