JPH04196601A

JPH04196601A - 酸化物超伝導マイクロ波受動素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH04196601A
Application number: JP2321944A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nagai; 靖浩永井; 浩二 ▲つる▼; Kouji Tsuru; Keiichiro Ito; 圭一郎伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-11-26
Filing date: 1990-11-26
Publication date: 1992-07-16

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、酸化物超伝導膜の低い表面抵抗、低い分散を
利用した酸化物超伝導マイクロ波受動素子およびその製
造方に関するものである。

［従来の技術］従来、マイクロ波領域で使用されるフィルタ。

リゾネータなどの受動部品は、無酸素銅や金などの表面
抵抗の低い常伝導金属が利用されていた。

第５図に無酸素銅、Ｙ系超伝導展、Ｎｂ薄膜における表
面抵抗の周波数依存性を示す、マイクロ波部品で抵抗損
失を決定する表面抵抗は、常伝導金属では周波数の１／
２乗に比例し、超伝導膜では、周波数の２乗に比例して
増大する。第５図に示すように超伝導膜は数百ＧＨｚ以
下の領域で銅より抵抗損失が少なく、低い周波数になる
につれ抵抗損失は一層低減できる。しかし、従来のＮｂ
なとのように極低温で超伝導を発現する材料は冷却など
の問題で一部の特殊な分野のみに応用されていた、近年
、Ｙ系、Ｂｉ系、Ｔｉ系などの酸化物超伝導材料が発見
され、これらの材料の薄膜化技術も大幅に進展しつつあ
る。これにより、従来の常伝導金属よりはるかに抵抗損
失が少なく、低い分散を利用したマイクロ波受動素子が
期待できるとともにＮｂなとよりも冷却実装が容易にな
るという特長がある。このために酸化物超伝導膜を利用
したマイクロ波部品の研究が精力的に進められている。

超伝導マイクロ波受動部品は、基本的に中心導体とグラ
ンドプレーンとから構成される。これらの基本的な構成
を第６図に示す、同図（ａ）はマイクロストリップ型、
同図（ｂ）はコプレーナ型である。同図において、１は
中心導体、２は誘電体基板、３はグランドプレーンであ
る。

現在、同図（ａ＞に示すようなマイクロストリップ型が
最も多く用いられており、Ｑ値を高くするには中心導体
１の回りをグランドプレーン３で囲む必要がある。ただ
し、特性インピーダンスは中心導体１の幅、グランドプ
レーン３との距離、誘電体基板２の誘電率でほぼ決定さ
れ、広範囲な自由度はない。一方、同図（ｂ）に示すよ
うなコプレーナ型は、中心導体１とグランドプレーン３
とを同一面上に形成できることが大きな特徴であり、半
導体などのプレーナ素子との接続が容易になるという便
利さがある。また、中心導体１の幅、中心導体１とグラ
ンドプレーン３との隙間を変えることにより、任意の特
性インピーダンスが容易に得られるという特長がある。

［発明が解決しようとする課題］酸化物超伝導膜は、反応性に富むため、特定の単結晶基
板あるいはバッファ層を必要とし、酸化物超伝導膜を積
層することは現在のところ極めて困難である。そのため
、マイクロ波部品をストリップ型で構成する場合、Ｍｇ
Ｏなどの単結晶基板の表裏に中心導体１．グランドプレ
ーン３を構成しなければならない。ここで、測定器との
インピーダンス整合（５０Ω）をとる必要があり、マイ
クロストリップ型のインピーダンスは、中心導体１の幅
、誘電体基板２の厚さ、誘電体基板２の誘電率などで決
定される。ＭｇＯなどの単結晶基板は鏡面磨き２パター
ン処理、熱処理に伴う反りを考慮すれば、基板厚みとし
て０．３ｍｍ以上が要求される。このとき、通常使用す
る基板の誘電率を考慮しく例えばＭｇＯでは９程度）、
５０Ωのインピーダンスが得られる中心導体の線幅を計
算すると、はぼ数百μｍとなる。インダクタや遅延線な
どの部品の場合、これらの線路を長く引き回す必要があ
り、したがってこのような中心導体幅では部品全体の寸
法が大きくなってしまうという問題があり、酸化物超伝
導膜で期待されるコンパクトな機能性パターンの実装が
実現できないとイウ問題があった。一方、コプレーナ型
で部品を構成する場合、面内素子のため、積層の困難さ
や基板の厚みに影響されずにインピーダンスが調整でき
るため、より細い線路で済み、そのため、インダクタや
遅延線といったマイクロ波部品においても、コンパクト
なパターン実装が可能になるという特長を有する。しか
し、コプレーナ型の設計は容易ではなく、細かい中心導
体に平行しているグランドプレーンの電位が変動し易い
ため、エアーブリッジといった特殊なグランドを付加す
る必要があるという問題があった。同時にマイクロ波の
封じ込めが不十分なため、共振器などのような高Ｑ部品
には不向きであるという問題があった。

このように酸化物超伝導膜によるマイクロ波部品は、材
料の低い損失、低い分散を活かし、しかもコンパクトに
パターン実装でき、従来の超伝導材料より冷却の困難性
が軽減できるという特長がある。このような酸化物超伝
導マイクロ波部品を構成する中心導体とグランドプレー
ンとの配置構成に関しては、酸化物超伝導膜の作製上の
制限からコプレーナ型が適しており、コンパクトな実装
を可能にできる。その反面、設計やグランドの問題があ
る。一方、マイクロストリップ型は基板厚さなどの制約
からコンパクト性を損なうという問題がある。そのなめ
、酸化物超伝導膜の特長を活かしたまま部品化できる配
置構成が強く望まれていた。

したがって本発明は、別の基板に作製した中心導体とグ
ランドプレーンとを非晶質フッ素樹脂膜を介して重ね合
わせることにより、酸化物超伝導膜の低い損失、低い分
散などの利点を活かした誘電損失の少ない高性能でコン
パクトな酸化物超伝導マイクロ波部品を比較的容易に得
られる酸化物超伝導マイクロ波受動素子およびその製造
方法を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］このような課題を解決するために本発明による酸化物超
伝導マイクロ波受動素子は、酸化物超伝導膜による中心
導体とグランドプレーンとから構成される酸化物超伝導
マイクロ波受動素子において、この中心導体とグランド
プレーンとの間を非晶質フッ素樹脂膜で分離するように
したものである。

また、本発明による酸化物超伝導マイクロ波受動素子の
製造方法は、一方の単結晶基板に酸化物超伝導膜による
中心導体機能性パターンを形成し、他方の単結晶基板に
酸化物超伝導膜によるグランドプレーンを形成し、これ
らの少なくとも一方の単結晶基板に溶剤に溶けたフッ素
樹脂膜をスピンコートし、しかる後、両者の単結晶基板
機械的に重ね合わせて熱処理することにより、中心導体
とグランドプレーンとの間を非晶質フッ素樹脂膜で分離
するようにしたものである。

［作用］本発明においては、誘電損失が少なく、均一で高精度な
分離を可能にし、しかも狭い中心導体幅と薄いスペーシ
ングのために高密度な機能性パターンの実装が可能とな
る。

［実施例］以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明による酸化物超伝導マイクロ波受動素子
の一実施例による構成を示す要部断面図である。同図に
おいて、４Ａ、４Ｂは酸化物超伝導膜に適したＭｇＯな
どの基板、５は中心導体、６はグランドプレーン、７は
ポリテトラフルオロエチレンなどの非晶質フッ素樹脂膜
からなる分離層である。中心導体５およびグランドプレ
ーン６を構成する酸化物超伝導膜はＭｇＯなどの基板４
Ａ、４Ｂを使用するために比較的容易に形成できる。ま
た、分離層７は誘電損失の少ない材料でなければならな
い。白雲母、アルミナ、石英ガラスなどのｔａｎδ（誘
電損失に対応し小さい方が良い）はｌ０ＸＩＯ−’以下
であるため、基板材料として好ましいが、スパッタリン
グなどで中心導体５上に堆積させると、中心導体５の形
状にしたがって凹凸を発生させるため、誘電率の異なる
空気層の混入、酸化物超伝導膜との反応および堆積が簡
便でないなどの問題を生じた。その反面、レジストなど
の高分子膜は簡便にスピンコートでき、中心導体５の上
に塗布してもレジストの表面張力によって凹凸のない平
滑面が得られ、空気層などの混入を避けることができた
。°シかじ、一部の高分子膜を例外とし、一般に高分子
材料はｔａｎδが前述の無機材料系に比べ、２桁程度大
きく、誘電損失が支配的になってしまった。一方、非晶
質フッ素樹脂膜は、１，８〜１．９の誘電率を持ち、ス
ピンコートにて容易に塗布でき、１〜４μｍの範囲で精
度良く、しかも均一に中心導体５とグランドプレーン６
とを分離できた。また、通常のフッ素樹脂膜も十分に小
さな誘電損失（ｔａｎδは２×１０″′以下）を持つが
、非晶質フッ素樹脂膜はより一層小さな誘電損失を示し
た。さらに非晶質フッ素樹脂膜は、通常のフッ素樹脂膜
と同じく耐薬品性、耐候性に優れるため、劣化し易い酸
化物超伝導膜の保護膜としても機能した。この分離層７
は薄いため、５０Ωの特性インピーダンスを得るには中
心導体幅は数〜数十μｍとなり、機能性中心導体パター
ンを狭い領域に高密度で実装することが可能となった。

第２図は本発明による酸化物超伝導マイクロ波受動素子
を応用した基本的なマイクロ波部品の構成例であり、第
１図の上方向から機能性パターンを見た図である。同図
（ａ）は超伝導遅延線、メアンダインダクタの構成、同
図（ｂ）は超伝導共振器の構成、同図（ｃ）は近接導体
のカップリングを利用したチャープフィルタの構成であ
る。これらの図において、４Ａは中心導体５の基板、５
は中心導体、８Ａ、８Ｂは中心導体５が切れた共振用ギ
ャップである。

このような構成においては、中心導体５の線幅を狭くで
きるため、中心導体パターンを狭い領域に高密度で実装
でき、そのため、遅延線では時間を大きく、インダクタ
では大きなインダクタンスが得られ、共振器では低い周
波数からの共振ピークが得られ、フィルタではシャープ
なカットオフを実現した。同時にこれらの優れた高性能
部品をコンパクトに実現できた。

第３図は本発明による酸化物超伝導マイクロ波受動素子
を共振器に適用した場合の配置構成を示す要部断面図で
ある。同図においては、第１図の構成に加えて中心導体
５の基板４Ａの裏側に酸化物超伝導膜をグランドプレー
ン６′として付加している。

このような構成により、より強いマイクロ波の閉じ込め
が起こり、共振ピーク（Ｑ値）が大幅に改善できた。

次に本発明による酸化物超伝導マイクロ波受動素子の製
造方法について第４図（ａ）〜（ｆ＞を用いて説明する
。

まず、同図（ａ＞に示すようにＭｇＯなどの比較的誘電
損失が低く、酸化物超伝導膜に適した中心導体用基板１
０の上に中心導体用酸化物超伝導膜１１を形成する。膜
厚は酸化物超伝導膜の質に依るが、磁場侵入長の３〜４
倍必要であるなめ、約１μｍとする。次に同図（ｂ）に
示すようにフォトリソグラフィとエツチング技術とによ
り酸化物超伝導膜１１を機能性中心導体パターン１２と
する０次に同図（Ｃ）に示すようにフッ素樹脂を溶かし
た溶液をスピンコートにより中心導体１２の上に均一に
塗布して非晶質フッ素樹脂膜１３を形成する。このとき
のフッ素樹脂膜１３の膜厚は１〜２μｍである。次に同
図（ｄ）に示すようにＭｇＯなどの比較的誘電損失が低
く、酸化物超伝導膜に適した中心導体用酸化物超伝導膜
１１と同等の他方のグランドプレーン用基板１４を用意
し、このグランドブレーン用基板１４の上にグランドプ
レーン用酸化物超伝導膜１５を形成する。

膜厚は酸化物超伝導膜の質に依るが、磁場侵入長の３〜
４倍必要であるため、約１μｍとする。次に同図（ｅ）
に示すようにフッ素樹脂を溶かした溶液をスピンコート
によりグランドプレーン用酸化物超伝導膜１５の上に均
一に塗布して非晶質フッ素樹脂膜１６を形成する。この
ときの非晶質フッ素樹脂膜１６の膜厚は１〜２μｍであ
る０次に同図（ｆ）に示すように同図（ｃ）の表面に非
晶質フッ素樹脂膜１３を形成した中心導体用基板１０と
同図（ｅ）の表面に非晶質フッ素樹脂膜１６を形成した
グランドブレーン用基板１４とをその非晶質フッ素樹脂
膜面を重ね合わせて約２００℃以下の範囲で熱処理を施
すことによって非晶質フッ素樹脂膜１７を形成するとと
もに中心導体１２とグランドプレーン用酸化物超伝導膜
１５との分離を行う。

また、第３図に示す構成の場合には、中心導体用酸化物
超伝導膜１１を形成する際にその基板１０の裏側にも酸
化物超伝導膜を形成し、以降同様のプロセスによりマイ
クロ波受動素子が作製できる。

［発明の効果］以上、説明したように本発明によれば、中心導体とグラ
ンドプレーンとの隙間を極めて薄く高精度にしかも均一
に形成できるため、特性インピーダンスの整合性より要
求される中心導体の幅を狭くすることができる。したが
って狭い領域に高密度なパターンの実装が可能になり、
分離層として誘電損失の極めて少ない非晶質フッ素樹脂
膜を使用するために酸化物超伝導膜の低い損失を活かし
たまま長い遅延時間、大きなインダクタンス、低い共振
特性、鋭いフィルタ特性などを有した高性能でしかもコ
ンパクトなマイクロ波部品を比較的容易に実現できるな
どの極めて優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による酸化物超伝導マイクロ波受動素子
の一実施例による構成を示す要部断面図、第２図は本発
明による酸化物超伝導マイクロ波受動素子を利用したマ
イクロ波素子の基本例を示す平面図、第３図は本発明に
よる酸化物超伝導マイクロ波受動素子の他の実施例によ
る構成を示す要部断面図、第４図（ａ）〜（ｆ）は本発
明による酸化物超伝導マイクロ波受動素子の製造方法の
一実施例を説明する工程の要部断面図、第５図は各種の
薄膜における表面抵抗の周波数依存性を示す図、第６図
はマイクロ波部品の基本的な構成を示す要部断面図であ
る。４Ａ、４Ｂ・・・・基板、５・・・・中心導体、６，６
′　・・・・グランドプレーン、７・・・・分離層、８
Ａ、８Ｂ・・・・共振用ギャップ、１０・・・・中心導
体用基板、１１・・・・中心導体用酸化物超伝導膜、１
２・・・・機能性中心導体パターン、１３・・・・非晶
質フッ素樹脂膜、１４・・・・グランドプレーン用基板
、１５・・・・グランドプレーン用酸化物超伝導膜、１
６・・・・非晶質フッ素樹脂膜、１７・・・・酸化物超
伝導膜。第１図第２図゛（ａ）　　　　　　　　　（ｂ）第４図第５図０．１　　　　　　１　　　　　　１０　　　　　１０
０１ｔＩｒｋ　　ｔ　　（ＧＨ２）第６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸化物超伝導膜による中心導体とグランドプレー
ンとから構成される酸化物超伝導マイクロ波受動素子に
おいて、前記中心導体とグランドプレーンとの間を非晶
質フッ素樹脂膜で分離することを特徴とした酸化物超伝
導マイクロ波受動素子。
（２）一方の単結晶基板に酸化物超伝導膜による中心導
体機能性パターンを形成し、他方の単結晶基板に酸化物
超伝導膜によるグランドプレーンを形成し、これらの少
なくとも一方の単結晶基板に溶剤に溶けたフッ素樹脂膜
をスピンコートし、しかる後、両者の単結晶基板を機械
的に重ね合わせて熱処理することにより、中心導体とグ
ランドプレーンとの間を非晶質フッ素樹脂膜で分離する
ことを特徴とした酸化物超伝導マイクロ波受動素子の製
造方法。