JPH03286601A

JPH03286601A - マイクロ波共振器

Info

Publication number: JPH03286601A
Application number: JP2088441A
Authority: JP
Inventors: Kenjiro Higaki; 賢次郎桧垣; Saburo Tanaka; 三郎田中; Hideo Itozaki; 糸崎　秀夫
Original assignee: Research Development Corp of Japan; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-04-03
Filing date: 1990-04-03
Publication date: 1991-12-17
Also published as: EP0455527B1; EP0455527A1; DE69114762D1; US5219827A; DE69114762T2; CA2039593C

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、特にその導体層の一
部を酸化物超電導材料によって形成した新規なマイクロ
波共振器の構成に関する。

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、特に独立した分野と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／電子回路の構成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）　２ＣＬ
ｌ○、が報告され、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Ｙ　Ｂ　
ａ　２　Ｃｕ　３０゜報告され、続いて、１９８８年に
は前置等によって１００に以上の臨界温度を示す所謂Ｂ
ｉ系の複合酸化物系超電導材料が報告された。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）　ＩＪツ
ブ線路では、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、近年のストリップ線路ては、誘
電体材料の改良により、特にマイクロ波、ミリ波の領域
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）ＩＪツブ線路は、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、該誘電体層に隣接
して形成されて接地に結合された第１の導体層と、該誘
電体層ｊ＝隣接し且つ該接地導体層と分離して形成され
た第２の導体層とを少なくとも備え、該第２導体層が共
振回路を形成する共振回路領域と該共振回路領域に対し
てマイクロ波を誘導する少なくとも１つの誘導線路領域
とを形成するようにパターニングされて構成されたマイ
クロ波共振器であって、該第２導体層の該共振回路領域
と該共振回路領域に対応する該第１導体層の所定領域と
が複合酸化物超電導材料により形成され、該第１導体層
の残余の領域および該第２導体層の該誘導線路領域が常
電導金属材料により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。

尚、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　ｔ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、マイクロストリップ
線路により構成されており、且つ、その導体層の材料と
して、共振回路を形成する部分にのみ酸化物超電導材料
を使用し、他の導体層は常電導金属により形成している
ことをその主要な特徴としている。

マイクロ波共振器は、共振回路を構成する共振回路領域
とこの共振回路領域に対してマイクロ波を誘導する誘導
線路領域とを含むひとつの導体層と、この導体層から分
離して形成された接地導体層との少なくとも１対の導体
層を備えている。

これらの導体層のうち、パターニングされた導体層の共
振回路領域を超電導化することによって、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。

一方、共振回路領域以外の導体層、即ち、マイクロ波信
号を外部から共振回路へ、また共振回路から外部へ供給
するための誘導線路領域に常電導金属材料を使用するこ
とにより、他の回路やパッケージへの接続に既存の部材
並びに方法をそのまま利用することが可能となる。尚、
共振回路領域と誘導線路領域とは、通常間隙容量によっ
て接続されているので、異なる材料でパターニングされ
た導体層を形成することは容易である。

このような本発明に係るマイクロ波共振器において、各
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、特に共振回路領域の導体層を形成する超電
導材料層は薄膜の方が品質に優れている。

即ち、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、マイクロ波共振回路の導
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。

というのは、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ン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、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２
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Ａｌ２Ｏ３や５１０２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
ーサ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ＭｇＯ１ＳｒＴ　ｉ○３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Ａｌ２Ｏ３、Ｌ
ａＡＩＣ）＋、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。

共振回路領域の導体層を形成する超電導材料としては、
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、これを薄膜として底膜する
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パ
ター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の種々の構成に対してい
ずれも適用である。

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。

実施例第１図（ａ）〜（Ｃ）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の上面に所定のパターンに従って形成された
中心導体１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図わ）に示すマイクロ波線路は、中心導体層１と、
中心導体層１を中心に埋設され、上面および下面に接地
導体層２ｍおよび２ｎを備えた誘電体層３により構成さ
れた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１および１対の接地導体層２ｍ、２ｎ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。

上述のような種々のマイクロ波線路は、その中心導体層
１を適切にパターニングすることによってマイクロ波共
振器を構成することができるが、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図山〕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。

第２図は、後述するような方法で作製するマイクロ波共
振器における中心導体層のパターンを示す図であり、第
１図（ｂ）に示す平衡型ストリップ線路のＸ−ｘ断面を
表している。

同図に示すマイクロ波共振器において誘電体層３上に形
成された導体層パターンは、誘導線路領域１ｂおよびＩ
Ｃの間に、それぞれ間隙容量４ｂおよび４Ｃを介して結
合された共振回路領域１ａにより形成されている。ここ
で、この共振回路領域１ａは幅０．２６ｍｍであり、誘
導線路領域１ｂおよびＩＣに対してそれぞれ０．７ｃｍ
ｍの間隙を介して配置されている。尚、この誘導線路領
域１ｂおよびｌｃは、１０ＧＨｚにおける特性インピー
ダンスが５０Ωのス）　ＩＪツブ線路となっフいる。一
方、共振回路領域１ａは、幅０．２６ｍｍ、長さ８．Ｏ
Ｑｍｒｎノ方形ツバターンを有している。

ここで、尚、誘電体層３はｌａＡ］０３により、共振回
路領域１ａの導体層はＹＢａ２Ｃｕ３○、薄膜により、
誘導線路領域１ｂ、１ｃおよこぐ図示されていなし）接
地導体層はＡ１薄膜；＝よりそれぞれ形成されている。

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。尚、第３図（ａ）〜
（ｄ）は、第１図（ｂ）および第２図上に示すＹ　−Ｙ
　！：ｍおける断面て示されている。

まず、厚さＱ、　５ｍｍのＬａ八へ０３板３ａを基板と
して、その上面に中心導体の共振回路領域１ａとして、
下面に接地導体層２ａとしてＹＢａ２Ｃｕ３０ｙ薄膜を
、それぞれ電子ビーム蒸着法により形成した。

次に、塩酸をエッチ剤としたウェットエツチング法によ
り、第３図（ａ）に示すように、共振回路領域１ａおよ
び接地導体層２ａををパターニングした。

尚、ＹＢａｚＣｕ３０　ｙ薄膜の厚さは６０００人とし
、接地導体層２ａは、幅および長さをそれぞれ共振回路
領域１ａの３倍および１．２倍とした。

続いて、リフトオフ法により、中心導体層の誘導線路領
域１ｂ、ＩＣおよび接地導体層２ｂとして、第３図わ）
に示すように、厚さ６０００人のＡＩ薄膜を形成した。

尚、接地導体層２ｂは基板３ａの下面全体に形成した。

次に、第３図（Ｃ）に示すように、共振回路領域１ａお
よび誘導線路領域１ｂ、ＩＣ上を、それぞれマスク層５
によりマスクしながら、残余の領域に厚さ６０００人の
ｌａＡ］０３薄膜３ｂを成長させた。

一方、第３図（ａ）および（ｂ）に示した工程と同様の
方法で、上面に接地導体層２Ｃおよび２ｄを装荷したＬ
ａＡｌＯ３板３Ｃを作製した後、第３図（ｄ）に示すよ
うに、マスク層５を除去した導体層１ａ、１ｂ、ｌｃお
よびＬａＡｌＯ３薄膜３ｂ上に密着させた。

以上のようにして、第１図ら）に示した断面構造と実質
的に同じ構成のマイクロ波共振器が完成した。

尚、共振回路領域１ａ、接地導体層２ａ、２Ｃおよび誘
電体層３ｂの成膜条件は下記の第１表に示す通りである
。

第１表尚、上記の各ＹＢａ２Ｃυ３０．薄膜の成膜に際しては
、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、肢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０３ガスで
ある。０３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２０ＧＩ（
ｚまての透過電力の周波数特性を測定した。

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

との比［ｆ［ｌ／ＢｌをＱ値として示すことが一般的で
ある。そこで、全ての導体層をＡＩ薄膜により形成した
同じ仕様のマイクロ波共振器を作製し、比較例として本
実施例に係るマイクロ波共振器と共に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
導体層のうち共振回路に相当する部分を超電導材料によ
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Ｑｌの高−・）マイクロ波共振器を実現することが
できる。

また、共振回路に相当する部分以外の導体層を常電導金
属で構成することにより既存のパンケージや、マイクロ
波に関する部品に従来の手法で接続することが可能とな
った。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（Ｃ）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）　ＩＪツブ線路の作製過程を示
す図である。〔主な参照番号〕 ■・・・中心導体、２．２ｍ、２ｎ・・・接地導体層、３・・・誘電体層、４ａ、４ｂ・・・間隙容量、ｌａ・・・共振回路領域（ＹＢａｚＣｕ３０ｙ薄膜導体層）、１ｂ、ＩＣ・・誘導線路領域（ＡＩ薄膜導体層）、２ａ
、２ｃ・・・接地導体層（ＹＢａ２Ｃｕ３０．薄膜）、２ｂ、２ｄ・・・接地導体層（Ａ＋薄膜）、３ａ、３ｂ
、３Ｃ・・・誘電体層（ＬａＡｌＯ３）、５・・・マス
ク層

Claims

【特許請求の範囲】

　誘電体層と、該誘電体層に隣接して形成されて接地に
結合された第１の導体層と、該誘電体層に隣接し且つ該
接地導体層と分離して形成された第２の導体層とを少な
くとも備え、該第２導体層が共振回路を形成する共振回
路領域と該共振回路領域に対してマイクロ波を誘導する
少なくとも１つの誘導線路領域とを形成するようにパタ
ーニングされて構成されたマイクロ波共振器であって、
該第２導体層の該共振回路領域と該共振回路領域に対応
する該第１導体層の所定領域とが複合酸化物超電導材料
により形成され、該第１導体層の残余の領域および該第
２導体層の該誘導線路領域が常電導金属材料により形成
されていることを特徴とするマイクロ波共振器。