JPH04373202A - 酸化物超伝導マイクロ波デバイス - 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】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は酸化膜超伝導薄膜を利用
したマイクロ波デバイスに関し、特に、酸化物超伝導薄
膜の低い表面抵抗，低い分散を活かした酸化物超伝導マ
イクロ波デバイスの容易な周波数調整，あるいは実装に
よる性能変化の少ないデバイス構造に関するものである
。 【０００２】 【従来の技術】従来、マイクロ波領域で使用される各種
フィルタ，共振器，遅延線等の受動部品は、無酸素銅や
金といった表面抵抗の低い常伝導金属が利用されていた
。マイクロ波デバイスで導体損失を支配する表面抵抗は
、常伝導金属では周波数の１／２乗に比例し、超伝導材
料では、周波数の２乗に比例して増大する。超伝導材料
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等のように極低温で超伝導を発現する金
属系超伝導材料は冷却などの問題で一部の特殊な分野の
みに限定して応用されていた。 【０００３】近年、Ｙ系，Ｂｉ系，Ｔｌ系といった酸化
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小型
の超伝導マイクロ波デバイスが期待できるとともに、７
７Ｋ動作が可能であることから、金属系超伝導材料より
も冷却実装が容易になるという特長がある。それ故、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。 【０００４】マイクロ波デバイスは、基本的に中心導体
とグランドプレーンから構成される。これらの基本的な
構成を図４に示す。ここで（ａ）はマイクロストリップ
型、（ｂ）はストリップライン型である。図４において
１は中心導体、２は下部グランドプレーン、２ａは上部
グランドプレーン、３は中心導体１を含む中間基板、４
は上部グランドプレーン２ａを含む上部基板、５は下部
グランドプレーン２を含む下部基板、６は中間基板３と
下部基板５の隙間、７は上部基板４と中間基板３の隙間
である。 【０００５】現在、ＭＩＣ，ＭＭＩＣ等ではマイクロス
トリップ型が最も多く用いられており、放射損失や導体
損失を抑えるには中心導体の回りをグランドプレーンで
囲み、ストリップライン型に近づける必要がある。この
ことは特に、低損失を利用した超伝導マイクロ波デバイ
スでは重要となる。 【０００６】良好な高周波特性を有する酸化物超伝導薄
膜は現在のところ基板の裏表に形成できないため、マイ
クロストリップで２枚、ストリップラインで３枚の基板
を重ね合わせて構成する。今後、基板の裏表に薄膜を形
成できる技術が開発された場合、中心導体１と下部グラ
ンドプレーン２は同一基板上に形成できるものの、中心
導体はパターンニングする必要があるため、中心導体を
含む中間基板３と上部グランドプレーンを含む上部基板
４とは別に成らざるを得ない。従って、低損失な超伝導
デバイスに有利なストリップライン構造を酸化物超伝導
薄膜で構成する場合には、３枚の基板の隙間６，７、特
に上部基板４と中間基板３の隙間７を避けることはでき
ない。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】通常、マイクロ波デバ
イス用酸化物超伝導薄膜は、ＭｇＯ，ＬａＡＩＯ３基板
上に形成されるが、これらの誘電率はそれぞれ９，２５
と大きい。そのため、特に、中間基板と下部基板との空
気隙間は中心導体近傍の実効誘電率を大きく変化させ、
中心導体を伝搬するマイクロ波の位相速度，群速度が設
計値からシフトするという問題があった。これらの隙間
は中心導体が０．５ミクロン厚さ程度では、比較的均一
な５００ｎｍ以下の隙間を実現できるが、通常必要な１
〜２ミクロン厚さ（磁場侵入長の３倍必要）ではパター
ンニング後、機械的接触面の平滑性が取れないことから
、均一で薄い隙間を実現しにくく、部品の調整が容易で
はない。 【０００８】図５は代表的な酸化物超伝導受動デバイス
の中心導体パターンを示す。ここで（ａ）は共振器、（
ｂ）はチェビシェフ型帯域通過フィルタ、（ｃ）は遅延
線である。図中１ａ〜１ｃはそれぞれ機能性を有するパ
ターンに加工された中心導体を意味する。これらの受動
デバイスにおける、実効誘電率による位相速度，群速度
のシフトは、共振器では非常にシャープな共振ピークの
周波数シフトを生じ、フィルタでは通過帯中心周波数の
ずれを生じるため、超伝導フィルタで有利な狭帯域通過
性を活かせない。また、遅延線では遅延時間が設計より
ずれるという問題がある。　　従って、これらの超伝導
マイクロ波部品をストリップラインで構成する場合、中
間基板と上部基板との隙間を均一に制御でき、しかも実
効誘電率への影響の少ない構造が望まれていた。 【０００９】本発明の目的は、ストリップライン構造に
おける基板間の隙間にフッ素樹脂薄膜を充填することに
よって、中心導体上に生じる凹凸を平滑にし、平滑な機
械的接触面を得ると同時に、空気隙間より実効誘電率の
変化が小さいために、周波数調整，あるいは実装時の性
能調整が容易な高性能で信頼性の高い酸化物超伝導マイ
クロ波デバイスを提供することにある。 【００１０】 【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、上部グランドプレーンを含む上部基板と
、中心導体を含む中間基板との隙間に薄いフッ素樹脂薄
膜をコート・充填し、酸化物超伝導マイクロ波デバイス
のストリップライン構造を組み上げることを特徴とする
ものである。この場合、フッ素樹脂として本発明で利用
できるための条件は、（ｉ）誘電率が空気より大きく、
（ｉｉ）塗布できる（スピンコートできること）、さら
に（ｉｉｉ）誘電損失が小さいことである。これを満足
するフッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン
等があり、例えば非晶質テフロン（デュポン社製）が好
適である。　　　　 【００１１】 【作用】このように本発明によると、上部基板と中間基
板との機械的接触面を平滑にすることにより、密着させ
る際の不必要な隙間をなくすと同時に、空気より誘電率
の大きなフッ素樹脂薄膜で充填しているために、中心導
体付近の実効誘電率の変化を抑制できる。その結果、調
整が少ない、高性能で信頼性の高い酸化物超伝導マイク
ロ波デバイスを実現することができる。 【００１２】 【実施例】図１は本発明による酸化物超伝導マイクロ波
デバイスの構造例である。図１において１１は酸化物超
伝導薄膜による中心導体、１２は酸化物超伝導薄膜によ
る上部グランドプレーン、１２ａは同じく酸化物超伝導
薄膜による下部グランドプレーンである。１３は中心導
体１１を含むＭｇＯ，ＬａＡＩＯ３等の単結晶基板、１
４は上部グランドプレーン１２を含む単結晶基板、１５
は下部グランドプレーン１２ａを含む単結晶基板、１６
は中間基板１３と下部基板１５との隙間、１７は上部基
板１４と中間基板１３との隙間（スペーシング）、１８
はその隙間１６，１７にそれぞれ充填されたフッ素樹脂
薄膜である。ただし、中心導体１１と下部グランドプレ
ーン１２ａを同一基板上に形成できれば、隙間１６と基
板１５は省ける。図中εＳは隙間１７を充填するフッ素
樹脂材料の誘電率である。 【００１３】通常、隙間１６は中心導体１１の実効誘電
率変化にはあまり影響しないが、隙間１７は中心導体１
１の実効誘電率変化に大きく影響する。本発明では、フ
ッ素樹脂薄膜をフロリナートで溶かした溶液を中心導体
１１を含む基板１３にスピンコータ等で塗布する。この
際、フッ素樹脂薄膜は粘性を有するため、中心導体１１
の形状に関わらず、塗布後の最表面は平滑にできる。こ
の後、上部グランドプレーン１２を含む基板１４を機械
的に接触させ、比較的低い温度（溶媒を飛ばすためのポ
ストアニールで２００℃程度で処理）で熱処理し隙間１
７にフッ素樹脂薄膜１８を充填する。 【００１４】共振器，帯域通過型フィルタにおける共振
あるいは中心周波数は、中心導体付近の実効誘電率で大
きく変化する。また、遅延線における遅延時間も中心導
体を伝搬するマイクロ波の群速度（Ｖｇ）で決定され、
この際にも中心導体付近の実効誘電率で大きく変化する
。ストリップライン構造で隙間のない場合、実効誘電率
は基板の誘電率εｒで与えられるが、空気等の隙間が介
在する場合、実効誘電率εｒは隙間の分だけ低下する。 【００１５】この誘電率の変化率（δεｒ／εｒ）と周
波数の変化率（δｆ／ｆ）の間には、（δｆ／ｆ）＝−
０．５×（δεｒ／εｒ）の関係があり、遅延線に重要
となる群速度の変化率も同様に、（δＶｇ／Ｖｇ）＝−
０．５×（δεｒ／εｒ）の関係がある。例えば空気隙
間等によって見かけ上の誘電率変化（δεｒ／εｒ）が
２０％生じるとすれば、１０％の周波数シフト，あるい
は１０％の群速度変化を招くことになる。 【００１６】図２は、誘電率変化率（δεｒ／εｒ）と
スペーシングの関係を計算機シミュレーションした結果
である。基板には、０．５ｍｍ厚さのＭｇＯ（εｒ＝９
．１程度）単結晶基板を用い、中心導体幅，厚さはそれ
ぞれ０．５ｍｍ，０．５μｍで数値解析している。空気
隙間（εｓ＝１）では、スペーシング８μｍでほぼ−１
０％の誘電率変化を引き起こすのに対して、フッ素樹脂
薄膜（εｓ＝１．８）を充填した場合には、空気の変化
のほぼ半分で抑えられている。これは、ＭｇＯの誘電率
が９．１と大きいために、空気のような小さい誘電率の
ものが介在すると実効誘電率が容易に変化するのに対し
て、空気より少しでも大きな誘電率のフッ素樹脂薄膜を
充填することにより、急激な誘電率変化を抑制できた結
果である。 【００１７】通常、０．５μｍ厚さの中心導体パターン
では注意深く調整することにより、空気隙間を５００ｎ
ｍ程度まで狭くできるが、この場合でも約−１％の誘電
率変化を引き起こす。超伝導による狭帯域通過型フィル
タでは、例えば、中心周波数１０ＧＨｚ，通過帯域１０
０ＭＨｚ（１％）といった特性を要求されるが、理想的
な機械的接触を行っても空気の場合、中心周波数は設計
値から容易に約５０ＭＨｚはずれてしまう。特に、磁場
侵入長の３倍以上取るために、中心導体の厚さを１μｍ
以上に設定した場合には、パターン配置に依るものの、
機械的なガタにより理想的な機械的接触は期待できず、
大幅な周波数変動を引き起こす。 【００１８】一方、フッ素樹脂薄膜充填の場合、中心導
体が厚くても上部基板との機械的接触面は平滑で、空気
の介在を最小限にできるため、パターン配置に関わりな
く、機械的ガタが小さく高い信頼性を有した接触が可能
である。同時に、フッ素樹脂薄膜は空気より誘電率が大
きいため、誘電率の変化も空気の約半分に抑えることが
でき、周波数，群速度変化も約１／４に抑えることがで
きる。また、フッ素樹脂薄膜のスペーシングは均一に高
精度で設定できるため、あらかじめ実効誘電率の変化を
見込んで設計すれば周波数の調整は殆ど必要ない。 【００１９】図３は、特性インピーダンスとスペーシン
グの関係を計算機シミュレーションしたものである。設
定条件は図２と同様である。中心導体幅０．５ｍｍのた
め、特性インピーダンス３１〜３２Ω系となっている。 特性インピーダンスに関しては、スペーシングを８μｍ
程度まで広げてもたかだか１Ω程度の増加を招くだけで
あるが、この場合でもフッ素樹脂薄膜の方が空気の場合
より変化が小さい。 【００２０】以上のように、本発明による上部基板１４
と中間基板１３の間にフッ素樹脂薄膜１８を充填したス
トリップライン構造では、（１）中心導体１１の厚さ，
配置に関わらず平滑な機械的接触面を有し、高信頼な接
触を実現できる。（２）空気隙間より誘電率が高いため
に、誘電率変化，特性インピーダンス，位相速度，群速
度，周波数に及ぼす隙間の影響を軽減できる、（３）フ
ッ素樹脂薄膜１８で酸化膜超伝導体の中心導体１１を覆
うことにより、大気中の水分等との反応による経時変化
を防止するといった特長があり、その結果として、調整
が少ない、高性能で信頼性の高い酸化物超伝導マイクロ
波デバイスを実現している。 【００２１】 【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、実
装や冷却時の周波数変動が少なく、しかも調整が容易な
酸化物超伝導マイクロ波デバイスが可能になることから
、高性能で高い信頼性を有した酸化物超伝導マイクロ波
部品が製造歩留まり良く、比較的容易に提供できるとい
う利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による酸化物超伝導マイクロ波デバイス
の構造例を示す図である。

【図２】本発明の説明に供する実効誘電率の変化分とス
ペーシングの関係を示す図である。

【図３】同じく本発明の説明に供する特性インピーダン
スとスペーシングの関係を示す図である。

【図４】一般のマイクロ波デバイスの構造例を示す図で
ある。

【図５】典型的なマイクロ波デバイスの中心導体パター
ン例を示す図である。

【符号の説明】

１１　　中心導体 １２　　グランドプレーン １３　　中間基板 １４　　上部基板 １５　　下部基板 １６　　中間基板と下部基板との隙間 １７　　上部基板と中間基板との隙間 １８　　フッ素樹脂薄膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板上の酸化物超伝導薄膜を、フォト
   リソグラフィにより、機能性を有するパターンに加工し
   た中心導体を含む基板の上下を、グランドプレーンを含
   む基板で挟む込んだストリップライン構造において、上
   部グランドプレーン基板と、中心導体基板の間の隙間に
   フッ素樹脂薄膜を充填することを特徴とする酸化物超伝
   導マイクロ波デバイス。