JPH0414302A - 超電導マイクロストリップ線路の作製方法 - 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、マイクロストリップ線路の作製方法に関する
。より詳細には、本発明は、酸化物超電導材料により形
成された導体層を備えるマイクロ波線路の新規な作製方
法に関する。

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ク／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。即ち、マイク
ロストリップ線路は、一般に、誘電体層を介して形成さ
れた１対の導体層から構成され、一方の導体層を接地に
接合して接地導体層とし、他方の導体層をパターニング
することによって信号線路としたマイクロ波線路である
。この種のマイクロ波線路は、半導体装置の分野で高度
に発達したフォ）　ＩＪソグラフィ技術等を応用するこ
とによって、非常に微細なパターンのマイクロ波線路を
作製することができる。

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ＹＢａ２
ｃｕ３０゜報告され、続いて、１９８８年には前圧等に
よって１００に以上の臨界温度を示す所謂Ｂｌ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てはマイク
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では、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。

発明が解決しようとする課題 として形成された場合に優れた特性を発揮する。

これに対して、上述のようなマイクロストリップ線路は
種々の構造をとり得るが、誘電体層と１対の導体層とを
順次積層した構造となる場合が多い。

従って、１枚の誘電体基板の両面に酸化物超電導薄膜を
形成する方法や、任意の基板上に、酸化物超電導薄膜、
誘電体薄膜、第２の酸化物超電導薄膜を順次成膜する方
法等が提案されている。しかしながら、これらの方法で
作製されたマイクロストリップ線路は、所期の特性が得
られない場合が殆どであることが判明した。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、導
体層と誘電体層との積層構造により形成された、酸化物
超電導材料の優れた特性が有効に発揮されるような超電
導マイクロス）　ＩＪツブ線路を作製することができる
新規な方法を提供することをその目的としている。

課題を解決するための手段 酸化物超電導材料による導体層は、一般に薄膜即ち、本
発明に従うと、誘電体層と、該誘電体層に隣接して形成
され且つ接地に結合された第１の導体層と、該誘電体層
を介して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導体層が所定のパターン
にパクーニンクされて信号線路を形成しているマイクロ
ストリップ線路を作製する方法であって、一方の面上に
接地導体層を形成された第１の誘電体基板と、一方の面
上に信号線路を形成された第２の誘電体基板とをそれぞ
れ作製した後、該第１および第２の誘電体基板を互いに
拡散接合することによって、該第１および第２の誘電体
基板を一体化する工程を含むことを特徴とするマイクロ
ス）　ＩＪツブ線路の作製方法が提供される。

作用 本発明に係るマイクロストリップ線路の作製方法は、そ
れぞれが酸化物超電導薄膜を装荷された誘電体基板を互
いに拡散接合することによって、誘電体層と酸化物超電
導薄膜との積層構造を形成する点にその主要な特徴があ
る。

即ち、前述したような従来の方法により積層構造のマイ
クロストリップ線路を作製する場合、既に形成された酸
化物超電導薄膜を装荷した基板に対して、更に、誘電体
薄膜または酸化物超電導薄膜を成膜する工程が不可避で
ある。しかしながら、既に形成された酸化物超電導薄膜
は、他の薄膜の成膜工程において高真空や高熱に曝され
たときに、酸素欠陥の増加や表面性状の劣化のために著
しくその品質が劣化してしまう。従って、最終的に得ら
れるマイクロス）　ＩＪツブ線路において所期の特性が
実現されない。

これに対して、本発明に係る作製方法においては、最終
的なマイクロストリップ線路を構成する各酸化物超電導
薄膜を、それぞれ個別に基板上に成膜した後、基板どう
しを拡散接合することによって積層構造が実現される。

従って、各酸化物超電導薄膜の成膜並びに養生はそれぞ
れ最適の条件で行うことができる。

尚、本発明に係る方法によれば、１つの誘電体層の一方
の面に接地導体層を、他方の面に信号線路となるパクー
ニングされた導体層をそれぞれ装荷された単純なマイク
ロス）　ＩＪツブ線路の他、誘電体基板の一方の面に接
地導体層を、他方の面上に、信号線路となる導体層と他
の誘電体層とを交互に積層して複数の信号線路を備えた
積層型のマイクロストリップを作製することもできる。

基板の拡散接合は、基板として表面の平滑な単結晶基板
を使用し、基板どうしを圧着しながら加熱することによ
って行うことができる。拡散接合の接着強度を高くする
ためには、基板の表面が充分に平滑であること、具体的
には基板の接合面の表面粗さが１００　Å以下であるこ
とが好ましい。この点から、基板の酸化物超電導薄膜を
装荷された面と第２の基板とを拡散接合する場合は、第
２の基板の接合面に、酸化物超電導薄膜のパターンに対
応した溝を形成しておくことが有利である。実際には、
酸化物超電導薄膜をパクーニングしたときに使用したマ
スクを利用してイオンミリング等の方法で、酸化物超電
導薄膜の厚さと同じ深さまでエツチングすることにより
、酸化物超電導薄膜の膜厚と同じ深さの溝を形成するこ
とができる。

基板材料としては種々の誘電体材料を使用することがで
きるが、マイクロス）　ＩＪツブ線路の誘電体として機
能することを考えると、誘電体損失が低く且つ酸化物超
電導薄膜との反応性が低いことが好ましい。これらの点
から、サファ、イア、ｌａＡ　Ｉ　２０３、ＭｇＯ等を
好ましい材料として例示することができる。

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、Ｔ１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パターンニング
することもできる。

尚、酸化物超電導薄膜の品質を保つためには、成膜並び
に接合を含む全工程において、基板温度が８００℃を越
えないようにすることが好ましい。

この点から、酸化物超電導薄膜を成膜する方法としては
、真空蒸着法や活性酸素の存在下で行うレーザアブレー
ション法等が有利である。

以下、図面を参照し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１ 第２図（ａ）よび（ｂ）は、本発明に係る作製方法を適
用することができるマイクロストリップ線路の断面構造
を示す図である。

第２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２図ら）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。

第１図（ａ）　〜（ｆ）は、第２図（ａ）および（ｂ）
に示す構造のマイクロ波ストリップ線路を作製する際の
制作過程を工程毎に示す図である。

まず、第１図（ａ）に示すように、誘電体基板３ｂ上に
、所望の中心導体パターンとなるようにパタニングされ
た酸化物超電導薄膜１ｂを形成する。

一方、第１図ら）に示すように、別の誘電体基板３ａを
使用して、その下面全体に、接地導体層となる酸化物超
電導薄膜２ａを形成する。

以上のようにして、それぞれが酸化物超電導薄膜１ｂ、
２ａを装荷された１組の誘電体基板３ｂおよび３ａを、
第１図（Ｃ）に示すように、酸化物超電導薄膜１ｂ、２
ａを装荷されていない面どうし互いにか接合されるよう
に合わせ、両者を締結する。本実施例では、基板３ａお
よび３ｂの四隅をポル）４ａおよびナツト４ｂによって
挟むことによって両者を固定した。

こうして互いに締結された基板３ａ、３ｂを加熱するこ
とによって、第１図（ｄ）に示すように、基板３ａと３
ｂとが互いに拡散接合され、実質的に一体の誘電体層が
形成される。尚、実際には、この拡散接合処理時は、酸
素の豊富な雰囲気下で処理を行うことが好ましい。

以上のようにして、第２図（ａ）に示したような、マイ
クロストリップ線路が得られる。

みならず、その深さも酸化物超電導薄膜１ｂの厚さと同
じになるように形成されている。

このように、酸化物超電導薄膜２Ｃを装荷された誘電体
基板３ｃを、第１図（ｄ）において作製されたマイクロ
ス）　ＩＪツブ線路と積層した後、第１図（Ｃ）に示し
た工程と同様に一体に締結して拡散接合処理を行うと、
第１図（ｆ）に示すように、一体の誘電体層の内部に中
心導体層である酸化物超電導薄膜１ｂを埋設された、平
衡型のス）　ＩＪツブ線路が得られる。

実施例２ また、第２図ら）に示すような平衡型のストリップ線路
を作製する場合は、第１図（ｅ）に示すように、誘電体
基板３Ｃ上の全面に酸化物超電導薄膜２Ｃを別途作製す
る。ここで、誘電体基板３Ｃの下面には、中心導体層で
ある前述の酸化物超電導薄膜１ｂのパターンに対応した
形状の溝３０が形成されている。この溝３０は、平面的
な形状が酸化物超電導薄膜１ｂのパターンと同じに形成
されているの実施例３ 更に、本発明に係る方法によれば、信号線路となる導体
層を、誘電体層を介して複数備えた積層型のマイクロス
）　ＩＪツブ線路を作製することができる。

即ち、第１図（勃に示すように、上面に１対の信号線路
となるパターニングされた酸化物超電導薄膜１ａおよび
１ｃを装荷され、下面に、第１図（ｅ）に示した誘電体
基板３ｃと同様に、酸化物超電導薄膜１ｂのパターンと
同じ形状の溝を形成された誘電体基板３ｄを作製する。

この誘電体基板３ｄを、第１図（ｄ）に示したマイクロ
ストリップ線路の上側に搭載した後、拡散接合処理を行
うことによって、第１図Ｏ′１）に示すように、１つの
接地導体層である酸化物超電導薄膜２ａに対して、複数
の信号線路となるパターニングされた酸化物超電導薄膜
１ａ、１ｂおよびＩＣを備えたマイクロストリップ線路
が得られる。

以上説明したように、本発明に係る作製方法によれば、
酸化物超電導薄膜を含む積層構造のデバイスを作製する
に当たって、各酸化物超電導薄膜の成膜プロセスが、他
の酸化物超電導薄膜に影響を及ぼすことがない。従って
、上記実施例では、３層の酸化物超電導薄膜を含むマイ
クロストリップ線路の作製について説明したが、更に多
層の構造を実現することも容易であることは言うまでも
ない。

作製例１ 誘電体としてＭｇＯを、導体層となる酸化物超電導材料
としてＹＢａ２Ｃｕ３０ｙを使用して、第１図（ｄ）に
示したような構造を有する特性インピーダンス５０Ωの
マイクロストリップ線路を作製した。

第１図（ａ）および（ｂ）に示した工程において使用し
た誘電体基板３ｂおよび３ａは、厚さＱ、　１ｍｍで２
０ｍｍＸ２０ｍｍの寸法を有するＭｇＯ単結晶基板であ
り、各超電導薄膜１ｂおよび２ａは、Ｙ、Ｂａ、および
Ｃｕのメタルを使用した電子ビーム蒸着法により、各基
板全面に、厚さ５０００人のＹＢａ２ＣＵ３０ｙ薄膜を
成膜した。成膜時のガス圧力は２　ＸＩＯ’Ｔｏｒｒと
し、基板温度は６００℃とした。また、成膜中は４０ｃ
ｃ／分の割合で成膜面に対して０３を吹きつけた。尚、
酸化物超電導薄膜１ｂは、ウェットエツチングにより、
基板３ｂの全長に渡って幅０．２＋ｎ＋ｎとなるように
パターニングした。

次に、第１図（Ｃ）に示したように、基板３ｂおよび３
ａをポル）４ａおよびナツト４ｂによって締結し、酸素
フロー中で８００℃に保つ処理を１０時間行った。この
拡散接合処理により、基板３ｂおよび３ａは実質的に一
体の誘電体層となり、第１図（ｄ）に示すような構造を
有するマイクロストリップ線路が得られた。

作製例２ 誘電体材料としてｌａＡ］ｏ３を、酸化物超電導材料と
してＹＢａ２Ｃｕ３　Ｏｙを使用し、第一図（ｄ）に示
した構造を有する特性インピーダンス５０Ωのマイクロ
ストリップ線路を作製した。使用した基板は、厚さ０．
１８ｍｍで２０ｍｍ　ｘ　２０ｍｍのＬａＡｌ０．、単
結晶基板である。酸化物超電導薄膜のパターンおよび成
膜条件は実施例１と同じとした。

ファイア（ＡＩ２０３単結晶）基板を使用し、基板の両
面全体に、各導体層として厚さ５０００人のＡ１薄膜を
成膜した後、一方の面のＡ［薄膜のみを、基板の全長に
渡って幅０．２ｍｍの中心導体が形成されるように、ウ
ェットエツチングによりパターニングした。

以上のようにして作製した３個の試料に２ＧＨｚ〜２０
ＧＨｚまでのマイクロ波を伝播させ、ネットワークアナ
ライザーによって各周波数における伝送損失を測定した
。尚、測定時は、各試料を７７、３　Ｋまで冷却した。

測定結果を第１表に示す。

第１表 比較例 上記本発明に係る方法に従って作製したマイクロス）　
＋７ツプ線路と比較するために、常電導金属材料を導体
層として使用したマイクロストリップ線路を作製した。

誘電体としては、厚さＱ、　１ｍｍで２０ｍｍＸ２０ｍ
ｍのす発明の詳細 な説明したように、本発明に係る作製方法によれば、酸
化物超電導材料の優れた特性を有効に発揮するマイクロ
ストリップ線路を実際に作製することが可能となる。

即ち、本発明に係る方法によれば、複数の酸化物超電導
薄膜を含む積層構造のマイクロス）　ＩＪツブ線路を、
各酸化物超電導材料層の品質を劣化させることなく作製
することができる。従って、酸化物超電導薄膜によって
、極限まで導体損失の少ないマイクロ線路を実現するこ
とが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（社）は、本発明に係るマイクロス）　
ＩＪツブ線路の作製方法の実施例をその工程毎に示す図
であり、 第２図（ａ）およびら）は、本発明に係る作製方法を適
用することができるマイクロストリップ線路の構造を示
す図である。 〔主な参照番号〕 １・・・中心導体層、 ２．２ｍ、２ｎ・・・接地導体層、 ３・・・誘電体層、 ｌａ、ｌｂＳ　ｌｃ。 ２ａ、２Ｃ・・・酸化物超電導薄膜、 ３ａ、３ｂ、３Ｃ１３ｄ・・・誘電体基板、４ａ・・・
ボルト、 ４ｂ・・・ナツト

Claims (1)

1. 【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且つ接地
   に結合された第１の導体層と、該誘電体層を介して該接
   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導体層が所定のパターンにパターニン
   グされて信号線路を形成しているマイクロストリップ線
   路を作製する方法であって、 一方の面上に接地導体層を形成された第１の誘電体基板
   と、一方の面上に信号線路を形成された第２の誘電体基
   板とをそれぞれ作製した後、該第１および第２の誘電体
   基板を互いに拡散接合することによって、該第１および
   第２の誘電体基板を一体化する工程を含むことを特徴と
   するマイクロストリップ線路の作製方法。