WO2019093182A1 - 高周波デバイス用シリカガラス及び高周波デバイス - Google Patents

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silica glass
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木寺　信隆
寿弥 佐々木
康臣 岩橋
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Ａｇｃ株式会社
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    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits

Definitions

  • the present invention relates to silica glass for high frequency devices and high frequency devices.
  • high frequency devices used for passive devices in high frequency bands such as microwaves and millimeter waves include antennas, filters, duplexers, diplexers, capacitors, inductors, and the like.
  • a filter which is one of high frequency devices, a configuration using transmission lines such as a waveguide, a substrate integrated waveguide (SIW), and a microstrip line is known.
  • Patent Document 2 describes that the FQ value is constant.
  • the fact that the FQ value is constant means that the higher the frequency F, the lower the Q value (the dielectric loss tangent tan ⁇ becomes larger), and the dielectric loss increases.
  • the inventor of the present invention has studied the relationship between the OH group concentration (hydroxyl group concentration) and the frequency F and the FQ value. In the frequency band of 20 GHz or more and 100 GHz or less, the frequency is high in silica glass having a low OH group concentration. It has been found that the FQ value increases as F increases.
  • the present disclosure provides silica glass for a high frequency device whose FQ value increases as the frequency increases in a frequency band of 20 GHz or more and 100 GHz or less, and a high frequency device formed using the silica glass.
  • OH group concentration is 300 wtppm or less
  • FQ value at frequency 25 GHz to 30 GHz is 90000 GHz or more
  • slope is 1000 or more when FQ value is approximated as a linear function of frequency in a frequency band from 20 GHz to 100 GHz
  • silica glass for a high frequency device and a high frequency device formed using the silica glass.
  • the FQ value increases as the frequency increases in the frequency band of 20 GHz to 100 GHz, and therefore, the increase in dielectric loss is suppressed as the frequency increases. be able to.
  • One embodiment of the present invention is a synthetic silica glass manufactured by the vapor-phase axial deposition (VAD) method.
  • the synthetic silica glass is manufactured by supplying a compound containing Si as a synthetic raw material, oxygen gas, hydrogen gas, nitrogen gas and the like to a quartz glass burner and subjecting the synthetic raw material to hydrolysis reaction or oxidation reaction in an oxyhydrogen flame. Is a method of synthesizing silica glass.
  • the direct method is a synthesis method in which a compound containing Si is flame-hydrolyzed at a temperature of 1500 to 2000 ° C. to synthesize SiO 2 particles, and a transparent synthetic silica glass is directly synthesized by depositing and fusing on a substrate. It is.
  • a compound containing Si is subjected to flame hydrolysis at a temperature of 1000 to 1500 ° C. to synthesize SiO 2 particles, and deposited on a substrate to obtain a porous synthetic silica glass body, then 1400
  • the porous synthetic silica glass body is densified by raising the temperature to a temperature of ⁇ 1500 ° C. to obtain a transparent synthetic silica glass body.
  • the synthetic raw material of synthetic silica glass is not particularly limited as long as it can be gasified, but chlorides such as SiCl 4 , SiHCl 3 , SiH 2 Cl 2 , SiCH 3 Cl 3 , SiF 4 , SiHF 3 , SiH
  • a halogenated silicon compound such as a fluoride such as 2 F 2 or an alkoxysilane represented by RnSi (OR) 4-n (where R is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms and n is an integer of 0 to 3)
  • RnSi (OR) 4-n where R is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms and n is an integer of 0 to 3
  • Examples thereof include halogen-free silicon compounds such as CH 3 ) 3 Si—O—Si (CH 3 ) 3 .
  • the porous silica glass body is heated to a transparent vitrification temperature to be transparent vitrified to obtain a dense silica glass body.
  • the transparent vitrification temperature is usually 1300 to 1600 ° C., preferably 1350 ° C. to 1500 ° C.
  • the atmosphere is preferably an atmosphere of 100% inert gas such as helium or an atmosphere containing an inert gas such as helium as a main component.
  • the pressure may be reduced pressure or normal pressure. In particular, helium gas can be used at normal pressure.
  • OH group reduction treatment and transparent vitrification treatment can be performed simultaneously.
  • the temperature is maintained at 1200 to 1350 ° C. under reduced pressure for 20 to 70 hours to reduce OH groups, and then the temperature is raised to 1350 to 1500 ° C. to perform transparent vitrification.
  • the OH group concentration can be adjusted by the processing time and the processing temperature. At the same processing temperature, the longer the processing time, the lower the OH group concentration. If the treatment temperature is too low, dehydration does not occur in the glass, and if it is too high, sintering proceeds to densify the glass so that the water in the glass does not escape, so the treatment temperature is preferably in the range of 1000 to 1350 ° C.
  • the silica glass body obtained in this manner is heated to a temperature above the softening point and molded into a desired shape to obtain a silica glass molded body.
  • the temperature range of molding processing is preferably 1650 ° C. to 1800 ° C. If the temperature is less than 1650 ° C., the viscosity of the silica glass is high, so that self weight deformation is not substantially performed, and growth of cristobalite, which is a crystal phase of SiO 2 , may occur to cause so-called devitrification. Also, in 1800 ° C. or more it is because sublimation of SiO 2 can not be neglected.
  • the silica glass in the present embodiment has an OH group concentration of 300 wtppm or less, preferably 100 wtppm or less, more preferably 40 wtppm or less, and further preferably 10 wtppm or less.
  • OH group concentration 300 wtppm or less, preferably 100 wtppm or less, more preferably 40 wtppm or less, and further preferably 10 wtppm or less.
  • Alkali metals Na, K, Li, etc.
  • alkaline earth metals Mg, Ca, etc.
  • transition metals Fe, Ni, Cr, Cu, Mo, W, Al, Ti, Ce
  • ppb stands for parts per billion.
  • the measurement of the OH group concentration of the silica glass in the present embodiment can be carried out by an infrared spectrophotometer according to Non-Patent Document 1 listed above.
  • the concentration of the metal impurity contained in the silica glass in the present embodiment can be evaluated by ICP (Inductively Coupled Plasma) mass spectrometry.
  • the FQ value which is an evaluation value of the dielectric loss of the silica glass in the present embodiment can be determined by the product of the frequency F and the Q value (reciprocal of dielectric loss tangent tan ⁇ ).
  • the dielectric loss tangent tan ⁇ of silica glass can be evaluated by the balanced disk resonator method described in Non-Patent Document 2 listed above.
  • the inventor of the present invention has studied the relationship between the OH group concentration, the frequency F and the FQ value, and the silica glass having an OH group concentration of 300 wt ppm or less has an FQ value of 90000 GHz or more at a frequency of 25 GHz to 30 GHz. It was found that when the FQ value is approximated as a linear function of frequency in the frequency band of 100 GHz or less, the slope is 1000 or more. That is, the inventor found that in the frequency band of 20 GHz or more and 100 GHz or less, the FQ value increases as the frequency F becomes higher.
  • the inventors of the present invention have found that the silica glass having an OH group concentration exceeding 300 wtppm has a substantially constant FQ value regardless of the frequency F of the electromagnetic wave passing through the silica glass.
  • silica glass having an OH group concentration exceeding 300 wtppm has an FQ value of less than 90000 GHz at a frequency of 25 GHz to 30 GHz and approximates the FQ value as a linear function of frequency in a frequency band of 20 GHz to 100 GHz. It was found that the slope at the time of When the FQ value is substantially constant regardless of the frequency F, the Q value decreases (the dielectric loss tangent tan ⁇ increases) as the frequency F increases, and the dielectric loss increases.
  • silica glass having an OH group concentration of 300 wtppm or less has an FQ value of 90000 GHz or more at a frequency of 25 GHz to 30 GHz and approximates the FQ value as a linear function of the frequency in a frequency band of 20 GHz to 100 GHz.
  • the slope has a characteristic of 1000 or more.
  • the Q value decreases as the frequency F increases in the frequency band of 20 GHz to 100 GHz as compared to the silica glass having a substantially constant FQ value regardless of the frequency F (dielectric tangent The degree to which tan ⁇ increases) decreases.
  • the silica glass which can suppress the increase degree of the dielectric loss which increases as the frequency becomes higher.
  • the FQ value at a frequency of 25 GHz to 30 GHz is preferably larger, but usually, the upper limit is preferably 230000 GHz or less.
  • the inclination when the FQ value is approximated as a linear function of the frequency is preferably as large as possible, but in general, the upper limit is preferably 1600 or less.
  • silica glass having an OH group concentration of 100 wtppm or less has an FQ value of 100000 GHz or more at a frequency of 25 GHz to 30 GHz and approximates the FQ value as a linear function of frequency in a frequency band of 20 GHz to 100 GHz. It was found that the inclination at the time of the test was 1000 or more.
  • the Q value decreases as the frequency F increases in a frequency band of 20 GHz or more and 100 GHz or less compared to silica glass having a substantially constant FQ value regardless of the frequency F ( The degree to which the dielectric loss tangent tan ⁇ increases further decreases.
  • the silica glass which can further suppress the increase degree of the dielectric loss which increases as the frequency becomes higher.
  • the FQ value at a frequency of 25 GHz to 30 GHz is preferably larger, but usually 2300000 GHz or less as the upper limit.
  • the inclination when the FQ value is approximated as a linear function of the frequency is preferably as large as possible, but in general, the upper limit is preferably 1600 or less.
  • silica glass having an OH group concentration of 40 wtppm or less has an FQ value of 160000 GHz or more at a frequency of 25 GHz to 30 GHz and approximates the FQ value as a linear function of frequency in a frequency band of 20 GHz to 100 GHz. It was found that the inclination at the time of the test was 1000 or more.
  • the FQ value at a frequency of 25 GHz to 30 GHz is preferably larger, but usually 2300000 GHz or less as the upper limit.
  • the inclination when the FQ value is approximated as a linear function of the frequency is preferably as large as possible, but in general, the upper limit is preferably 1600 or less.
  • the inventor of the present invention found that the silica glass having an OH group concentration of 10 wtppm or less has an FQ value of 160000 GHz or more at a frequency of 25 GHz to 30 GHz and approximates the FQ value as a linear function of the frequency in a frequency band of 20 GHz to 100 GHz. It was found that the inclination at the time of having been 1250 or more.
  • the FQ value at a frequency of 25 GHz to 30 GHz is preferably larger, but usually 2300000 GHz or less as the upper limit. Further, in the frequency band of 20 GHz or more and 100 GHz or less, the inclination when the FQ value is approximated as a linear function of the frequency is preferably as large as possible, but in general, the upper limit is preferably 1600 or less.
  • the degree to which the Q value decreases as the frequency F becomes higher in a frequency band of 20 GHz to 100 GHz as compared to silica glass having a substantially constant FQ value regardless of the frequency F (The degree to which the dielectric loss tangent tan ⁇ increases) is further reduced. That is, in the frequency band of 20 GHz or more and 100 GHz or less, it is possible to provide the silica glass which can further suppress the increase degree of the dielectric loss which increases as the frequency becomes higher.
  • the inclination when the FQ value is approximated as a linear function of the frequency in the frequency band of 20 GHz to 100 GHz is larger than when the OH group concentration exceeds 10 wtppm.
  • the degree of increase in dielectric loss can be significantly suppressed.
  • the silica glass of the present invention has the characteristic that the FQ value increases as the frequency increases.
  • the use of the silica glass of the present invention is considered not only for the frequency band of 20 GHz to 40 GHz used in wireless transmission systems, but also for the use of 40 GHz to 70 GHz for the purpose of achieving further high-capacity communication. Even in the case of a band, the increase of dielectric loss can be suppressed.
  • the use of silica glass by the present inventor is considered to be applied to a safe driving support for automobiles and the like, a high resolution radar system for collision prevention, etc. The dielectric loss increases even in the frequency band of 70 GHz to 100 GHz. Can be suppressed.
  • the silica glass of the present invention preferably has an OH group concentration of 40 wtppm or less, an FQ value of 125000 GHz or more at a frequency of 20 GHz or more and less than 40 GHz, and an upper limit of the FQ value of 230000 GHz or less.
  • the FQ value is preferably 175000 GHz or more at a frequency of 40 GHz or more and less than 70 GHz, and the upper limit of the FQ value is preferably 300000 GHz or less.
  • the FQ value is preferably 200,000 GHz or more at a frequency of 70 GHz or more and 100 GHz or less, and the upper limit of the FQ value is preferably 330000 GHz or less.
  • the silica glass of the present invention preferably has an OH group concentration of 10 wtppm or less, an FQ value of 150000 GHz at a frequency of 20 GHz or more and less than 40 GHz, and an upper limit of the FQ value of 230000 GHz or less.
  • the FQ value is preferably 200,000 GHz or more at a frequency of 40 GHz or more and less than 70 GHz, and the upper limit of the FQ value is preferably 300000 GHz or less.
  • the FQ value is preferably 225000 GHz or more at a frequency of 70 GHz or more and 100 GHz or less, and the upper limit of the FQ value is preferably 330000 GHz or less.
  • the silica glass of such a characteristic can be suitably applied to any of the above-mentioned applications with different operating frequencies in order to suppress an increase in dielectric loss.
  • the inventor's silica glass can be suitably used to form a high frequency device used in various wireless systems.
  • high frequency devices include waveguides, transmission lines such as SIWs and microstrip lines, and passive devices such as antennas, filters, duplexers, diplexers, capacitors, and inductors.
  • passive devices such as antennas, filters, duplexers, diplexers, capacitors, and inductors.
  • the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction indicate a direction parallel to the X-axis, a direction parallel to the Y-axis, and a direction parallel to the Z-axis, respectively.
  • the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction are orthogonal to one another.
  • the XY plane, the YZ plane, and the ZX plane are a virtual plane parallel to the X axis direction and the Y axis direction, a virtual plane parallel to the Y axis direction and the Z axis direction, and a virtual plane parallel to the Z axis direction and the X axis direction Represents
  • the filter according to the present disclosure is a waveguide filter including a waveguide formed in a dielectric surrounded by a conductor wall, and is configured to receive a high frequency signal in a high frequency band (for example, 0.3 GHz to 300 GHz) such as microwaves and millimeter waves.
  • a high frequency band for example, 0.3 GHz to 300 GHz
  • the filter according to the present disclosure is suitable, for example, for filtering a high frequency signal corresponding to a radio wave transmitted or received by an antenna in a fifth generation mobile communication system (so-called 5G), an on-vehicle radar system, or the like.
  • 5G fifth generation mobile communication system
  • 5G fifth generation mobile communication system
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of the configuration of a filter according to the present disclosure.
  • the filter 10 according to the present disclosure shown in FIG. 1 includes a first conductor layer 21, a second conductor layer 22, and a dielectric sandwiched between the first conductor layer 21 and the second conductor layer 22.
  • And 23 is a band pass filter provided with the SIW structure.
  • the filter 10 passes a high frequency signal of a predetermined frequency band passing in the Y-axis direction, and blocks a high frequency signal of a frequency band other than the frequency band.
  • the first conductor layer 21 and the second conductor layer 22 are planar conductors arranged in parallel to the XY plane, and oppose each other in the Z-axis direction.
  • the first conductor layer 21 and the second conductor layer 22 are formed in a rectangular shape with the Y-axis direction as the longitudinal direction.
  • silver, copper, etc. are mentioned, for example.
  • the dielectric 23 is formed in a rectangular parallelepiped shape with the Y-axis direction as the longitudinal direction.
  • the X-axis direction is located on a pair of opposing side surfaces of the dielectric 23 in the X-axis direction or inside the dielectric 23 so that the waveguide is formed in the dielectric 23.
  • a conductor wall is formed on the pair of boundary surfaces facing each other.
  • the silica glass of the present invention is used as the material of the dielectric 23.
  • FIG. 2 is a plan view showing a filter in the first embodiment according to the present disclosure.
  • the band pass filter 10A shown in FIG. 2 is an example of the filter 10 of FIG. 1 and includes a waveguide formed in a dielectric 23 surrounded by a conductor wall.
  • a conductor wall surrounding dielectric 23 is a pair of an upper conductor wall corresponding to first conductor layer 21, a lower conductor wall corresponding to second conductor layer 22, and a pair of dielectric members facing in the X-axis direction. It has a pair of side surface conductor walls 41 and 42 formed in the side.
  • the dielectric portion surrounded by the pair of side surface conductor walls 41 and 42, the upper conductor wall and the lower conductor wall functions as a waveguide extending in the Y axis direction so as to guide the electromagnetic wave in the Y axis direction.
  • the pair of side surface conductor walls 41 and 42 respectively have a plurality of control walls projecting in the X-axis direction inside the waveguide.
  • the band pass filter 10A in the first embodiment includes control walls 43a to 47a projecting from the first side surface conductor wall 41 toward the second side surface conductor wall 42, and a first side surface from the second side surface conductor wall 42. And control walls 43b to 47b protruding toward the side conductor wall 41. These control walls are each formed by a conductor slit whose surface is covered with a conductor.
  • Each conductor slit has an upper end connected to the upper conductor wall and a lower end connected to the lower conductor wall, for example, a portion where the conductor is coated on the surface of the slit provided in the dielectric 23 by cutting or the like It corresponds to
  • control walls 43a to 47a are formed, for example, at equal intervals at intervals in the Y-axis direction between adjacent control walls, and project from the first side conductor wall 41 toward the second side conductor wall 42. It is formed to be.
  • control walls 43b to 47b are formed at equal intervals, for example, in the Y-axis direction between adjacent control walls, and from the second side conductor wall 42 to the first side conductor wall 41. It is formed to project toward the side. That is, the X-axis direction shown in FIG. 2 represents the projecting direction of each of the control walls 43a to 47a and 43b to 47b.
  • the pair of control walls 43a and 43b, the pair of control walls 44a and 44b, the pair of control walls 45a and 45b, the pair of control walls 46a and 46b, and the pair of control walls 47a and 47b are respectively in the same ZX plane Is formed.
  • the positions of the pair of control walls may be offset from each other in the Y-axis direction.
  • L43 to L47 represent the lengths of the control walls 43a to 47a in the X-axis direction, respectively.
  • Each of the control walls 43a to 47a is set to a length that can be seen as a wall when viewed from an electromagnetic wave propagating through the waveguide, and functions as a post wall that reflects the electromagnetic wave propagating through the waveguide.
  • the control walls 43b to 47b may be set to the same length.
  • the distance L41 between the pair of side surface conductor walls 41 and 42 is preferably approximately equal to ⁇ g / 2, where ⁇ g is the wavelength of the electromagnetic wave propagating through the waveguide (in-tube wavelength).
  • the distance between the control walls adjacent in the Y-axis direction is preferably about the same as ⁇ g / 2, where ⁇ g is the wavelength of the electromagnetic wave propagating through the waveguide (in-tube wavelength).
  • the control walls 43a to 47a are arranged at intervals in the Y-axis direction, and the lengths of the control walls 43a to 47a in the X-axis direction are gradually increased in the order of arrangement of the control walls 43a to 47a in the Y-axis direction Or it may decrease gradually. Thereby, the degree of suppressing the reflection loss of the electromagnetic wave propagating through the waveguide can be adjusted with high accuracy. For example, L47, L46 and L45 gradually increase in this order, and L44 and L43 gradually decrease in this order.
  • the lengths in the X-axis direction of the control walls 43b to 47b arranged at intervals in the Y-axis direction are also gradually increased or gradually reduced in the order of arrangement of the control walls 43b to 47b in the Y-axis direction
  • the degree of suppressing the reflection loss of the electromagnetic wave propagating through the waveguide can be adjusted with high accuracy.
  • the lengths of the control walls in the X-axis direction may be set to the same dimensions.
  • the control walls 43a to 47a and 43b to 47b have a length of about ⁇ g / 2 arranged in the Y-axis direction by a pair of control walls opposed in the X-axis direction and a pair of control walls adjacent in the Y-axis direction.
  • a plurality of resonators are configured (the wavelength of the electromagnetic wave propagating in the waveguide (tube wavelength) is ⁇ g).
  • the coupling between the resonators is adjusted by the length of each control wall in the X-axis direction and the width in the Y-axis direction (wall thickness), and affects the reflection characteristics and the frequency characteristics as a filter.
  • the band pass filter 10A has a plurality of (four in the case of FIG. 2) resonators formed between control walls adjacent in the Y-axis direction.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the frequency and the FQ value for a plurality of silica glasses having different OH group concentrations.
  • the sample glass materials of Examples 1 to 3 are examples of the silica glass of the present invention, which are synthetic silica glasses produced by the VAD method, and have different OH group concentrations.
  • the OH group concentrations in Examples 1 to 3 are 5 wtppm, 34 wtppm and 82 wtppm, respectively.
  • the sample glass material of Comparative Example 1 is a synthetic silica glass produced by the direct method.
  • the OH group concentration of Comparative Example 1 is 1122 wtppm.
  • FIG. 3 shows an example of the evaluation results of FQ values of these sample glass materials. It can be seen that the sample glass materials of low OH group concentration of Examples 1 to 3 have high FQ value and small dielectric loss as compared with Comparative Example 1. Also, it can be seen that the dielectric loss decreases as the OH group concentration decreases. Furthermore, when the FQ value is approximated as a linear function of frequency, the sample glass material of low OH group concentration in Examples 1 to 3 has a large slope of the approximated linear function compared to Comparative Example 1, and the higher frequency band The FQ value becomes significantly higher. Therefore, it turns out that dielectric loss can be suppressed especially in a high frequency band. In the approximate linear function described in FIG. 1, "y" represents an FQ value, and "x" represents a frequency.
  • Examples 1 to 3 concentration of the metal impurities in Examples 1 to 3 is 5 ppb or less, and Examples 1 to 3 can be suitably used in the high frequency device manufacturing process.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a filter according to a second embodiment of the present disclosure.
  • the band pass filter 10B shown in FIG. 4 is an example of the filter 10 of FIG. 1 and includes a waveguide formed in a dielectric surrounded by a conductor wall.
  • the description of the configuration and effects similar to those of the first embodiment in the second embodiment will be omitted by using the above description.
  • the band pass filter 10B has an SIW structure formed of a first conductor layer, a second conductor layer, and a dielectric layer sandwiched between the first conductor layer and the second conductor layer. .
  • FIG. 4 the illustration of the first conductor layer and the second conductor layer is omitted to improve the visibility, and only a rectangular parallelepiped dielectric layer is illustrated.
  • This dielectric layer is formed using the silica glass of the present invention.
  • the X axis, the Y axis, and the Z axis are orthogonal to one another.
  • the dielectric layer of the bandpass filter 10B has a pair of post walls 11 and 12 arranged in two rows in the Y-axis direction.
  • the dielectric portion surrounded by the pair of post walls 11, 12 and the first conductor layer and the second conductor layer functions as a waveguide extending in the Y axis direction so as to guide the electromagnetic wave in the Y axis direction.
  • Each of the pair of post walls 11 and 12 is a set of a plurality of conductor posts arranged in a fence shape.
  • Each conductor post is a columnar conductor having an upper end connected to the first conductor layer and a lower end connected to the second conductor layer, and, for example, a through hole penetrating the dielectric layer in the Z-axis direction It is conductor plating formed in the hole wall surface.
  • the dielectric layer of the band pass filter 10B has a plurality of control walls 13a, 13b, 14a, 14b, 15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b inside the waveguide.
  • Each of these control walls is a set of a plurality of conductor posts arranged in a fence-like manner.
  • Each conductor post is a columnar conductor having an upper end connected to the first conductor layer and a lower end connected to the second conductor layer, and, for example, a through hole penetrating the dielectric layer in the Z-axis direction It is conductor plating formed in the hole wall surface.
  • control walls are formed to be orthogonal to the pair of post walls 11 and 12 which are orthogonal to the first conductor layer and the second conductor layer parallel to the XY plane and parallel to the YZ plane. (Ie, formed parallel to the ZX plane).
  • the control walls 13a, 14a, 15a, 16a, 17a are formed between the adjacent control walls at intervals in the Y-axis direction, and project toward the second post wall 12 from the first post wall 11 side. It is formed to be.
  • the control walls 13b, 14b, 15b, 16b and 17b are formed between the adjacent control walls at intervals in the Y-axis direction, and project from the second post wall 12 side toward the first post wall 11 It is formed to be.
  • the pair of control walls 13a and 13b are formed in the same ZX plane.
  • a pair of control walls 14a and 14b, a pair of control walls 15a and 15b, a pair of control walls 16a and 16b, and a pair of control walls 17a and 17b are also formed in the same ZX plane.
  • the conductor posts on the control wall 13a are disposed at intervals sufficiently shorter than the wavelength of the electromagnetic wave propagating through the waveguide.
  • the distance between the conductor post in the control wall 13a and the conductor post in the first post wall 11 is also set sufficiently shorter than the wavelength of the electromagnetic wave propagating through the waveguide.
  • the control wall 13a functions as a post wall that reflects the electromagnetic wave propagating through the waveguide.
  • the distance L4 between the pair of post walls 11 and 12 is preferably about the same as ⁇ / 2, where ⁇ is the wavelength of the electromagnetic wave propagating through the waveguide.
  • the band pass filter 10B has an SIW structure having a plurality of (four in the case of FIG. 4) resonators.
  • the filter A is a band pass filter in a frequency band including 28 GHz
  • the filter B is a band pass filter in a frequency band including 60 GHz
  • the filter C is a band pass filter in a frequency band including 80 GHz.
  • FIG. 5 shows an example of an analysis result of the pass characteristic S21 of the filter A which passes electromagnetic waves in a frequency band including 28 GHz.
  • the dielectric physical property value of silica glass used for the dielectric material layer of the filter A used the measured value of the dielectric loss tangent tan ⁇ measured in order to calculate the FQ value around 33 GHz of FIG.
  • the dimensions of the dielectric layer of the filter A (see FIG.
  • FIG. 6 shows an example of an analysis result of the pass characteristic S21 of the filter B which passes electromagnetic waves in a frequency band including 60 GHz.
  • the dielectric physical property value of silica glass used for the dielectric material layer of filter B used the measured value of dielectric loss tangent tan-delta measured in order to calculate the FQ value around 65 GHz of FIG.
  • the dimensions of the dielectric layer of the filter B (see FIG.
  • FIG. 7 shows an example of an analysis result of the pass characteristic S21 of the filter C which passes electromagnetic waves in a frequency band including 80 GHz.
  • the dielectric physical property value of silica glass used for the dielectric material layer of the filter C used the measured value of the dielectric loss tangent tan ⁇ measured in order to calculate the FQ value around 85 GHz of FIG.
  • the dimension of the dielectric layer of the filter C (see FIG.
  • silica glass having a high FQ value can be provided as compared to conventional silica glass.
  • silica glass which has a high FQ value as the frequency increases, and in particular, a low loss in a high frequency band can be provided.

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Abstract

ＯＨ基濃度が300wtppm以下であり、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値が90000GHz以上であり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きが1000以上である高周波デバイス用シリカガラス。当該シリカガラスを用いて形成される高周波デバイス。

Description

高周波デバイス用シリカガラス及び高周波デバイス
　本発明は、高周波デバイス用シリカガラス及び高周波デバイスに関する。
　従来から、マイクロ波やミリ波等の高周波帯におけるパッシブなデバイスに用いられる高周波デバイスとして、アンテナ、フィルタ、分波器、ダイプレクサ、コンデンサ及びインダクタ等がある。例えば、高周波デバイスの一つであるフィルタの形態には、導波管、ＳＩＷ（Substrate Integrated Waveguide）及びマイクロストリップ線路等の伝送線路を利用した構成などが知られている。
　近年、大容量伝送技術としてマイクロ波帯やミリ波帯域を利用する無線伝送が注目されている。しかし、使用する周波数の拡大に伴い信号周波数が高くなるにつれて、高周波デバイスの誘電体層における誘電損失が大きくなる問題がある。そこで、誘電体基板材料として誘電損失が小さな材料が注目されている。例えば、誘電損失の小さな誘電体として、誘電正接tanδが小さな石英が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　一方、ＯＨ基濃度が比較的低く、マイクロ波の周波数帯域におけるＦＱ値が所定値以上の石英ガラス材料を使用すると、石英ガラス材料へのマイクロ波電力の吸収が抑制されることが知られている（例えば、特許文献２参照）。なお、ＦＱ値は、周波数ＦとＱ値（誘電正接tanδの逆数）との積である。
特開２０１４－２３０２８号公報 特開平７－３３０３５７号公報
J . Paul Williams, Yao-sin Su, Wesley R. Strzegowski, Barry L. Butler, Herbert L. Hoover and Vincent O. Altemose, "Direct determination of water in glass" Ceramic. Bulletin., Vol.55, No.5, pp524, 1976. Y. Kato and M. Horibe, "Permittivity measurements and associated uncertainties up to 110 GHz in circular-disk resonator method" Proceedings of the 46th European Microwave Conference (2016) 4-6 Oct 2016.
　特許文献２には、ＦＱ値が一定である旨が記載されている。ＦＱ値が一定であるということは、周波数Ｆが高くなるほど、Ｑ値が低下し（誘電正接tanδが大きくなり）、誘電損失が増大することを意味する。しかしながら、本発明者は、ＯＨ基濃度（水酸基濃度）と周波数ＦとＦＱ値との関係について研究を進めたところ、20GHz以上100GHz以下の周波数帯において、ＯＨ基濃度が低いシリカガラスにおいては、周波数Ｆが高くなるほどＦＱ値が増加することを見出した。
　そこで、本開示は、20GHz以上100GHz以下の周波数帯において、周波数が高くなるほどＦＱ値が増加する高周波デバイス用シリカガラス、及び当該シリカガラスを用いて形成される高周波デバイスを提供する。
　本開示の一態様は、
　ＯＨ基濃度が300wtppm以下であり、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値が90000GHz以上であり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きが1000以上である高周波デバイス用シリカガラス、及び当該シリカガラスを用いて形成される高周波デバイスを提供する。
　本開示の一態様に係る高周波デバイス用シリカガラスによれば、20GHz以上100GHz以下の周波数帯において、周波数が高くなるほどＦＱ値が増加するので、周波数が高くなるほど増大する誘電損失の増加度合いを抑制することができる。
本開示に係るフィルタの構成の一例を示す斜視図である。 本開示に係る第１の実施形態におけるフィルタを示す平面図である。 ＯＨ基濃度の異なる複数のシリカガラスについて、周波数とＦＱ値との関係の一例を示す図である。 ＳＩＷの一実施例を示す斜視図である。 ＳＩＷの28GHz付近のフィルタ特性の一例を示す図である。 ＳＩＷの60GHz付近のフィルタ特性の一例を示す図である。 ＳＩＷの80GHz付近のフィルタ特性の一例を示す図である。
　以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
　本発明の一実施形態に、ＶＡＤ（Vapor-phase Axial Deposition）法によって製作された合成シリカガラスがある。合成シリカガラスを製作する方法は、石英ガラス製バーナーに合成原料としてＳｉを含む化合物、酸素ガス、水素ガス、窒素ガスなどを供給し、合成原料を酸水素火炎中で加水分解反応あるいは酸化反応させることによりシリカガラスを合成する方法である。合成シリカガラスを製作する方法には、直接法と間接法（ＶＡＤ法、ＯＶＤ法など）の２種類がある。
　直接法は、Ｓｉを含む化合物を１５００～２０００℃の温度にて火炎加水分解してＳｉＯ２粒子を合成し、基材上に堆積、融着させることにより透明合成シリカガラスを直接合成する合成方法である。
　一方、ＶＡＤ法は、Ｓｉを含む化合物を１０００～１５００℃の温度にて火炎加水分解してＳｉＯ２粒子を合成し、基材上に堆積させることにより多孔質合成シリカガラス体を得、次いで１４００～１５００℃の温度に昇温することにより多孔質合成シリカガラス体を緻密化し、透明合成シリカガラス体を得る方法である。
　また、合成シリカガラスの合成原料は、ガス化可能な原料であれば特に制限されないが、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＣＨ３Ｃｌ３などの塩化物、ＳｉＦ４、ＳｉＨＦ３、ＳｉＨ２Ｆ２などのフッ化物といったハロゲン化珪素化合物、またはＲｎＳｉ（ＯＲ）４－ｎ（ここにＲは炭素数１～４のアルキル基、ｎは０～３の整数）で示されるアルコキシシランや（ＣＨ３）３Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ（ＣＨ３）３などのハロゲンを含まない珪素化合物が挙げられる。
　多孔質シリカガラス体を得た後、多孔質シリカガラス体を透明ガラス化温度まで昇温して透明ガラス化し、緻密シリカガラス体を得る。透明ガラス化温度は通常１３００～１６００℃であり、特に１３５０℃から１５００℃であることが好ましい。雰囲気は、ヘリウムなどの不活性ガス１００％の雰囲気、またはヘリウムなどの不活性ガスを主成分とする雰囲気であることが好ましい。圧力は、減圧または常圧であればよい。特に常圧の場合はヘリウムガスを用いることができる。
　更に減圧下においてはＯＨ基低減化処理と透明ガラス化処理を同時に行うことができる。この場合、減圧下において１２００～１３５０℃の間で２０～７０時間温度を保ちＯＨ基を低減させた後、１３５０～１５００℃に昇温して透明ガラス化を行う。ＯＨ基濃度は、処理時間と処理温度により調整できる。同じ処理温度では処理時間が長い程、ＯＨ基濃度は低減される。処理温度は低過ぎるとガラス中で脱水反応が起きず、また高すぎると焼結が進み緻密化してガラス中の水分が外に抜けなくなるため、処理温度は１０００～１３５０℃の範囲が好ましい。
　こうして得られたシリカガラス体を軟化点以上の温度に加熱して所望の形状に成形してシリカガラス成形体を得る。成形加工の温度域は１６５０℃～１８００℃が好ましい。１６５０℃未満ではシリカガラスの粘度が高いため、実質的に自重変形が行われず、またＳｉＯ２の結晶相であるクリストバライトの成長が起こり、いわゆる失透が生じるおそれがあるからである。また、１８００℃以上ではＳｉＯ２の昇華が無視できなくなるからである。
　本実施形態におけるシリカガラスは、ＯＨ基濃度が300wtppm以下であり、好ましくは100wtppm以下、より好ましくは40wtppm以下、さらに好ましくは10wtppm以下である。このようなＯＨ基濃度で形成されたシリカガラスに電磁波を通過させると、マイクロ波およびミリ波の周波数帯での誘電損失を小さくすることができる。マイクロ波およびミリ波の周波数帯は、300MHz以上300GHz以下の帯域を表す。wtppmは、質量分率を表し、ppmは、百万分率を表す。
　本実施形態におけるシリカガラス中のアルカリ金属（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉなど）、アルカリ土類金属（Ｍｇ，Ｃａなど）、遷移金属（Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｅなど）などの金属不純物の濃度は、100ppb以下、好ましくは20ppb以下、より好ましくは10ppb以下、さらに好ましくは5ppb以下である。シリカガラスに含まれる金属不純物がこのような濃度に抑えられることにより、高周波デバイスの製造プロセスにおける金属汚染の発生を抑制することができる。ppbは、十億分率を表す。
　本実施形態におけるシリカガラスのＯＨ基濃度の測定は、上掲の非特許文献１に従って赤外分光光度計によって実施できる。
　本実施形態におけるシリカガラスに含まれる金属不純物の濃度は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）質量分析によって評価することができる。
　本実施形態におけるシリカガラスの誘電損失の評価値であるＦＱ値は、周波数ＦとＱ値（誘電正接tanδの逆数）との積によって求めることができる。また、シリカガラスの誘電正接tanδは、上掲の非特許文献２に記載の平衡型円板共振器法よって評価することができる。
　本発明者は、ＯＨ基濃度と周波数ＦとＦＱ値との関係について研究を進めたところ、ＯＨ基濃度が300wtppm以下のシリカガラスは、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値が90000GHz以上であり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きが1000以上であることを見出した。つまり、本発明者は、20GHz以上100GHz以下の周波数帯において、周波数Ｆが高くなるほどＦＱ値が増加することを見出した。
　一方、本発明者は、ＯＨ基濃度が300wtppmを超えるシリカガラスは、シリカガラスを通過する電磁波の周波数ＦにかかわらずＦＱ値が略一定であることを見出した。特に、本発明者は、ＯＨ基濃度が300wtppmを超えるシリカガラスは、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値が90000GHz未満であり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きが1000未満であることを見出した。周波数ＦにかかわらずＦＱ値が略一定であるとき、周波数Ｆが高くなるほど、Ｑ値が低下し（誘電正接tanδが大きくなり）、誘電損失が増大する。
　これに対し、ＯＨ基濃度が300wtppm以下のシリカガラスは、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値が90000GHz以上であり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きが1000以上の特性を有する。このような特性のシリカガラスでは、周波数ＦにかかわらずＦＱ値が略一定のシリカガラスに比べて、20GHz以上100GHz以下の周波数帯では、周波数Ｆが高くなるほど、Ｑ値が低下する度合い（誘電正接tanδが増大する度合い）は小さくなる。つまり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯において、周波数が高くなるほど増大する誘電損失の増大度合いを抑制できるシリカガラスの提供が可能となる。ＯＨ基濃度が300wtppm以下のシリカガラスにおいて、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値は、より大きい方が好ましいが、通常上限としては230000GHz以下が好ましい。また、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きは大きいほど好ましいが、通常上限としては1600以下であることが好ましい。
　また、本発明者は、ＯＨ基濃度が100wtppm以下のシリカガラスは、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値が100000GHz以上であり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きが1000以上であることを見出した。このような特性のシリカガラスを使用すると、周波数ＦにかかわらずＦＱ値が略一定のシリカガラスに比べて、20GHz以上100GHz以下の周波数帯では、周波数Ｆが高くなるほど、Ｑ値が低下する度合い（誘電正接tanδが増大する度合い）は更に小さくなる。つまり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯において、周波数が高くなるほど増大する誘電損失の増大度合いを更に抑制できるシリカガラスの提供が可能となる。ＯＨ基濃度が100wtppm以下のシリカガラスにおいて、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値は、より大きい方が好ましいが、通常上限として230000GHz以下が好ましい。また、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きは大きいほど好ましいが、通常上限としては1600以下であることが好ましい。
　また、本発明者は、ＯＨ基濃度が40wtppm以下のシリカガラスは、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値が160000GHz以上であり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きが1000以上であることを見出した。ＯＨ基濃度が40wtppm以下のシリカガラスにおいて、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値はより大きい方が好ましいが、通常上限として230000GHz以下が好ましい。また、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きは大きいほど好ましいが、通常上限としては1600以下であることが好ましい。さらに、本発明者は、ＯＨ基濃度が10wtppm以下のシリカガラスは、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値が160000GHz以上であり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きが1250以上であることを見出した。ＯＨ基濃度が10wtppm以下のシリカガラスにおいて、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値はより大きい方が好ましいが、通常上限として230000GHz以下が好ましい。また、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きは大きいほど好ましいが、通常上限としては1600以下であることが好ましい。これらの特性のシリカガラスを使用しても、周波数ＦにかかわらずＦＱ値が略一定のシリカガラスに比べて、20GHz以上100GHz以下の周波数帯では、周波数Ｆが高くなるほど、Ｑ値が低下する度合い（誘電正接tanδが増大する度合い）は更に小さくなる。つまり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯において、周波数が高くなるほど増大する誘電損失の増大度合いを更に抑制できるシリカガラスの提供が可能となる。
　特に、ＯＨ基濃度が10wtppm以下であると、ＯＨ基濃度が10wtppmを超える場合に比べて、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きが大きくなるので、誘電損失の増加度合いを顕著に抑制することができる。
　このように、本発明のシリカガラスは、周波数の上昇に伴ってＦＱ値が増加する特性を有する。本発明のシリカガラスの使用は、無線伝送システムにて利用される20GHz以上40GHz以下の周波数帯だけでなく、更なる大容量通信を達成するために利用が検討されている40GHz以上70GHz以下の周波数帯でも誘電損失の増大を抑制できる。さらに、本発明者のシリカガラスの使用は、自動車等の安全運転支援や衝突防止のための高分解能レーダーシステム等への適用が検討されている70GHz以上100GHz以下の周波数帯でも、誘電損失の増大を抑制できる。
　例えば、本発明のシリカガラスは、ＯＨ基濃度が40wtppm以下であり、周波数20GHz以上40GHz未満にてＦＱ値は125000GHz以上であることが好ましく、ＦＱ値の上限は230000GHz以下であることが好ましい。周波数40GHz以上70GHz未満にてＦＱ値は175000GHz以上であることが好ましく、ＦＱ値の上限は300000GHz以下であることが好ましい。周波数70GHz以上100GHz以下にてＦＱ値は200000GHz以上であることが好ましく、ＦＱ値の上限は330000GHz以下であることが好ましい。また、本発明のシリカガラスは、ＯＨ基濃度が10wtppm以下であり、周波数20GHz以上40GHz未満にてＦＱ値は150000GHz以上であることが好ましく、ＦＱ値の上限は230000GHz以下であることが好ましい。周波数40GHz以上70GHz未満にてＦＱ値は200000GHz以上であることが好ましく、ＦＱ値の上限は300000GHz以下であることが好ましい。周波数70GHz以上100GHz以下にてＦＱ値は225000GHz以上であることが好ましく、ＦＱ値の上限は330000GHz以下であることが好ましい。このような特性のシリカガラスは、誘電損失の増大を抑制する上で、使用周波数の異なる上述の各アプリケーションのいずれにも好適に適用することができる。
　本発明者のシリカガラスは、各種の無線システムで用いられる高周波デバイスの形成に好適に用いることができる。高周波デバイスの具体例として、導波路、ＳＩＷ、マイクロストリップ線路等の伝送線路、アンテナ、フィルタ、分波器、ダイプレクサ、コンデンサ及びインダクタ等のパッシブデバイスが挙げられる。本発明のシリカガラスを、これらの高周波デバイスの誘電体に適用することにより、低損失で高性能な高周波デバイスを提供することができる。
　次に、本発明のシリカガラスを用いて形成されるフィルタの構成例について説明する。なお、以下の説明において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向は、それぞれ、Ｘ軸に平行な方向、Ｙ軸に平行な方向、Ｚ軸に平行な方向を表す。Ｘ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向は、互いに直交する。ＸＹ平面、ＹＺ平面、ＺＸ平面は、それぞれ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に平行な仮想平面、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に平行な仮想平面、Ｚ軸方向及びＸ軸方向に平行な仮想平面を表す。
　本開示に係るフィルタは、導体壁に囲まれる誘電体に形成される導波路を備える導波管フィルタであり、マイクロ波やミリ波等の高周波帯（例えば、0.3GHz～300GHz）における高周波信号をフィルタリングする。本開示に係るフィルタは、例えば、第５世代移動通信システム（いわゆる、５Ｇ）や車載レーダーシステムなどにおいて、アンテナにより送信又は受信される電波に対応する高周波信号をフィルタリングするのに好適である。
　図１は、本開示に係るフィルタの構成の一例を示す斜視図である。図１に示される本開示に係るフィルタ１０は、第１の導体層２１と、第２の導体層２２と、第１の導体層２１と第２の導体層２２との間に挟まれる誘電体２３とによって形成されるＳＩＷ構造を備えるバンドパスフィルタである。フィルタ１０は、Ｙ軸方向に通過する所定の周波数帯域の高周波信号を通過させ、当該周波数帯域以外の周波数帯域の高周波信号を遮断する。
　第１の導体層２１と第２の導体層２２とは、ＸＹ平面に平行に配置される平面状の導体であり、互いにＺ軸方向で対向する。第１の導体層２１と第２の導体層２２とは、Ｙ軸方向を長手方向として、矩形状に形成されている。第１の導体層２１と第２の導体層２２の材料として、例えば、銀、銅などが挙げられる。
　誘電体２３は、Ｙ軸方向を長手方向として、直方体状に形成されている。図１には明示されていないが、導波路が誘電体２３に形成されるように、誘電体２３のＸ軸方向で対向する一対の側面、又は、誘電体２３の内部に位置しＸ軸方向で対向する一対の境界面には、導体壁が形成される。誘電体２３の材料に、本発明のシリカガラスが使用される。
　図２は、本開示に係る第１の実施形態におけるフィルタを示す平面図である。図２に示されるバンドパスフィルタ１０Ａは、図１のフィルタ１０の一例であり、導体壁に囲まれる誘電体２３に形成される導波路を備える。誘電体２３を囲む導体壁は、第１の導体層２１に相当する上側導体壁と、第２の導体層２２に相当する下側導体壁と、誘電体２３のＸ軸方向で対向する一対の側面に形成される一対の側面導体壁４１，４２とを有する。
　一対の側面導体壁４１，４２と上側導体壁と下側導体壁とに囲まれる誘電体部分は、電磁波をＹ軸方向に導くようにＹ軸方向に延在する導波路として機能する。
　一対の側面導体壁４１，４２は、それぞれ、導波路の内側にＸ軸方向に突出する複数の制御壁を有する。第１の実施形態におけるバンドパスフィルタ１０Ａは、第１の側面導体壁４１から第２の側面導体壁４２に向かって突出する制御壁４３ａ～４７ａと、第２の側面導体壁４２から第１の側面導体壁４１に向かって突出する制御壁４３ｂ～４７ｂとを備える。これらの制御壁は、それぞれ、表面が導体で覆われる導体スリットにより形成されている。各導体スリットは、上側導体壁に接続される上端と、下側導体壁に接続される下端とを有し、例えば、誘電体２３に切削等により設けられるスリットの表面に導体が被覆された部位に相当する。
　また、これらの制御壁は、例えば、ＸＹ平面に平行な上側導体壁及び下側導体壁に直交し、且つ、ＹＺ平面に平行な一対の側面導体壁４１，４２に直交するように形成されている（つまり、ＺＸ平面に平行に形成されている）。制御壁４３ａ～４７ａは、例えば、隣り合う制御壁間でＹ軸方向に間隔を空けて等間隔に形成されており、第１の側面導体壁４１から第２の側面導体壁４２に向かって突出するように形成されている。同様に、制御壁４３ｂ～４７ｂは、例えば、隣り合う制御壁間でＹ軸方向に間隔を空けて等間隔に形成されており、第２の側面導体壁４２から第１の側面導体壁４１に向かって突出するように形成されている。つまり、図２に示されるＸ軸方向は、制御壁４３ａ～４７ａ，４３ｂ～４７ｂのそれぞれの突出方向を表す。
　例えば、一対の制御壁４３ａ，４３ｂ、一対の制御壁４４ａ，４４ｂ、一対の制御壁４５ａ，４５ｂ、一対の制御壁４６ａ，４６ｂ及び一対の制御壁４７ａ，４７ｂは、それぞれ、同一のＺＸ平面内に形成されている。なお、これらの一対の制御壁の各々の位置が、Ｙ軸方向に互いにずれていてもよい。
　Ｌ４３～Ｌ４７は、それぞれ、制御壁４３ａ～４７ａのＸ軸方向での長さを表す。制御壁４３ａ～４７ａは、それぞれ、導波路を伝搬する電磁波から見ると壁に見えるような長さに設定されており、導波路を伝搬する電磁波を反射するポスト壁として機能する。制御壁４３ｂ～４７ｂについても同様の長さに設定されているとよい。
　また、一対の側面導体壁４１，４２の間の間隔Ｌ４１は、導波管を伝搬する電磁波の波長（管内波長）をλｇとするとき、λｇ／２と同程度であることが好ましい。また、Ｙ軸方向に隣り合う制御壁間の間隔は、導波管を伝搬する電磁波の波長（管内波長）をλｇとするとき、λｇ／２と同程度であることが好ましい。
　制御壁４３ａ～４７ａは、Ｙ軸方向に間隔を空けて配列されており、制御壁４３ａ～４７ａのＸ軸方向での各長さは、制御壁４３ａ～４７ａのＹ軸方向での配列順に漸増又は漸減してもよい。これにより、導波管を伝搬する電磁波の反射損失を抑制する度合いを高精度に調整することができる。例えば、Ｌ４７，Ｌ４６，Ｌ４５はこの順に漸増し、Ｌ４４，Ｌ４３はこの順に漸減する。同様に、Ｙ軸方向に間隔を空けて配列されている制御壁４３ｂ～４７ｂのＸ軸方向での各長さも、制御壁４３ｂ～４７ｂのＹ軸方向での配列順に漸増又は漸減することで、導波管を伝搬する電磁波の反射損失を抑制する度合いを高精度に調整することができる。なお、各制御壁のＸ軸方向での長さは、互いに同じ寸法に設定されてもよい。
　制御壁４３ａ～４７ａ，４３ｂ～４７ｂは、Ｘ軸方向で対向する一対の制御壁とＹ軸方向で隣り合う一対の制御壁とで、Ｙ軸方向に配列される約λｇ／２の長さの複数の共振器を構成する（導波管を伝搬する電磁波の波長（管内波長）をλｇとする）。それらの共振器間の結合は、各制御壁のＸ軸方向での長さとＹ軸方向での幅（壁厚）とで調整され、フィルタとしての反射特性及び周波数特性に影響を与える。このように、バンドパスフィルタ１０Ａは、Ｙ軸方向で隣り合う制御壁間に形成される複数段（図２の場合、４段）の共振器を有する。
　次に、本発明者のシリカガラスの実施例について説明する。
　図３は、ＯＨ基濃度の異なる複数のシリカガラスについて、周波数とＦＱ値との関係の一例を示す図である。実施例１～３のサンプルガラス材は、本発明のシリカガラスの実施例であり、ＶＡＤ法により作製した合成シリカガラスであって、各々異なるＯＨ基濃度を有している。実施例１～３のＯＨ基濃度は、それぞれ、5wtppm, 34wtppm, 82wtppmである。比較例１のサンプルガラス材は、直接法により作製した合成シリカガラスである。比較例１のＯＨ基濃度は、1122wtppmである。
　図３は、これらのサンプルガラス材のＦＱ値の評価結果の一例を示す。実施例１～３の低ＯＨ基濃度のサンプルガラス材は、比較例１と比べ、ＦＱ値が高く誘電損失が小さいことが分かる。また、誘電損失は、ＯＨ基濃度が低いほど小さくなることが分かる。さらに、ＦＱ値を周波数の１次関数として近似すると、実施例１～３の低ＯＨ基濃度のサンプルガラス材では、比較例１と比べ、近似した１次関数の傾きが大きく、高周波数帯ほどＦＱ値が顕著に高くなっていく。そのため、特に高周波数帯にて誘電損失を抑制できることが分かる。なお、図１中に記載の近似１次関数において、“y”は、ＦＱ値を表し、“x”は、周波数を表す。
　また、実施例１～３の金属不純物の濃度は5ppb以下であり、高周波デバイス製作プロセスにおいて実施例１～３を好適に使用できる。
　また、本発明のシリカガラスを用いて高周波フィルタを作製することを想定し、図４に示されるＳＩＷ形式のバンドパスフィルタ１０Ｂについて、Ｓパラメータの一つである通過特性Ｓ２１のシミュレーションを実施した。
　シミュレーションについて説明する前に、バンドパスフィルタ１０Ｂの構成について以下説明する。
　図４は、本開示に係る第２の実施形態におけるフィルタを示す斜視図である。図４に示されるバンドパスフィルタ１０Ｂは、図１のフィルタ１０の一例であり、導体壁に囲まれる誘電体に形成される導波路を備える。なお、第２の実施形態のうち第１の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略する。
　バンドパスフィルタ１０Ｂは、第１の導体層と、第２の導体層と、第１の導体層と第２の導体層との間に挟まれた誘電体層とによって形成されるＳＩＷ構造を備える。図４では、視認性向上のため、第１の導体層と第２の導体層の図示は省略され、直方体状の誘電体層のみが図示されている。この誘電体層は、本発明のシリカガラスを用いて形成される。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、互いに直交する。
　バンドパスフィルタ１０Ｂの誘電体層は、Ｙ軸方向に二列に並ぶ一対のポスト壁１１，１２を有する。一対のポスト壁１１，１２と第１の導体層と第２の導体層とに囲まれた誘電体部分は、電磁波をＹ軸方向に導くようにＹ軸方向に延在する導波路として機能する。一対のポスト壁１１，１２は、それぞれ、柵状に配列された複数の導体ポストの集合である。各導体ポストは、第１の導体層に接続される上端と、第２の導体層に接続される下端とを有する柱状導体であり、例えば、誘電体層をＺ軸方向に貫通する貫通孔の孔壁面に形成された導体めっきである。
　また、バンドパスフィルタ１０Ｂの誘電体層は、複数の制御壁１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂを導波路の内部に有する。これらの制御壁は、それぞれ、柵状に配列された複数の導体ポストの集合である。各導体ポストは、第１の導体層に接続される上端と、第２の導体層に接続される下端とを有する柱状導体であり、例えば、誘電体層をＺ軸方向に貫通する貫通孔の孔壁面に形成された導体めっきである。
　また、これらの制御壁は、ＸＹ平面に平行な第１の導体層及び第２の導体層に直交し、且つ、ＹＺ平面に平行な一対のポスト壁１１，１２に直交するように形成されている（つまり、ＺＸ平面に平行に形成されている）。制御壁１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａ，１７ａは、隣り合う制御壁間でＹ軸方向に間隔を空けて形成されており、第１のポスト壁１１側から第２のポスト壁１２に向かって突出するように形成されている。制御壁１３ｂ，１４ｂ，１５ｂ，１６ｂ，１７ｂは、隣り合う制御壁間でＹ軸方向に間隔を空けて形成されており、第２のポスト壁１２側から第１のポスト壁１１に向かって突出するように形成されている。
　一対の制御壁１３ａ，１３ｂは、同一のＺＸ平面内に形成されている。同様に、一対の制御壁１４ａ，１４ｂ、一対の制御壁１５ａ，１５ｂ、一対の制御壁１６ａ，１６ｂ及び一対の制御壁１７ａ，１７ｂも、それぞれ、同一のＺＸ平面内に形成されている。
　制御壁１３ａにおける各導体ポストは、導波路を伝搬する電磁波の波長よりも十分短い間隔で配置されている。制御壁１３ａにおける導体ポストと、第１のポスト壁１１における導体ポストとの間隔も、導波路を伝搬する電磁波の波長よりも十分短く設定されている。これにより、制御壁１３ａは、導波路を伝搬する電磁波を反射するポスト壁として機能する。他の制御壁１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂについても同様である。また、一対のポスト壁１１，１２の間の間隔Ｌ４は、導波管を伝搬する電磁波の波長をλとするとき、λ／２と同程度であることが好ましい。
　このように、バンドパスフィルタ１０Ｂは、複数段（図４の場合、４段）の共振器を有するＳＩＷ構造を備える。
　次に、バンドパスフィルタ１０Ｂの通過特性Ｓ２１を計算するシミュレーションについて説明する。シミュレーション上で使用されるバンドパスフィルタ１０Ｂとして、有限要素法を用いて３種類のフィルタＡ，Ｂ，Ｃを設計した。フィルタＡは、28GHzを含む周波数帯域におけるバンドパスフィルタであり、フィルタＢは、60GHzを含む周波数帯域におけるバンドパスフィルタであり、フィルタＣは、80GHzを含む周波数帯域におけるバンドパスフィルタである。
　図５は、28GHzを含む周波数帯域の電磁波を通過させるフィルタＡの通過特性Ｓ２１の解析結果の一例を示す。フィルタＡの誘電体層に使用されるシリカガラスの誘電物性値は、図３の33GHz付近のＦＱ値を計算するために測定された誘電正接tanδの測定値を用いた。フィルタＡの誘電体層の寸法（図４参照）は、単位をｍｍとすると、
　　Ｌ１：４．２
　　Ｌ２：１６．５
　　Ｌ３：０．５
　　Ｌ４：４．０
　　制御壁１３ａ，１３ｂの長さＬ１３：０．９
　　制御壁１４ａ，１４ｂの長さＬ１４：１．２
　　制御壁１５ａ，１５ｂの長さＬ１５：１．２５
　　制御壁１６ａ，１６ｂの長さＬ１６：１．２
　　制御壁１７ａ，１７ｂの長さＬ１７：０．９
である。
　図６は、60GHzを含む周波数帯域の電磁波を通過させるフィルタＢの通過特性Ｓ２１の解析結果の一例を示す。フィルタＢの誘電体層に使用されるシリカガラスの誘電物性値は、図３の65GHz付近のＦＱ値を計算するために測定された誘電正接tanδの測定値を用いた。フィルタＢの誘電体層の寸法（図４参照）は、単位をｍｍとすると、
　　Ｌ１：２．０
　　Ｌ２：８．３
　　Ｌ３：０．５
　　Ｌ４：１．８
　　制御壁１３ａ，１３ｂの長さＬ１３：０．２５
　　制御壁１４ａ，１４ｂの長さＬ１４：０．４５
　　制御壁１５ａ，１５ｂの長さＬ１５：０．５５
　　制御壁１６ａ，１６ｂの長さＬ１６：０．４５
　　制御壁１７ａ，１７ｂの長さＬ１７：０．２５
である。
　図７は、80GHzを含む周波数帯域の電磁波を通過させるフィルタＣの通過特性Ｓ２１の解析結果の一例を示す。フィルタＣの誘電体層に使用されるシリカガラスの誘電物性値は、図３の85GHz付近のＦＱ値を計算するために測定された誘電正接tanδの測定値を用いた。フィルタＣの誘電体層の寸法（図４参照）は、単位をｍｍとすると、
　　Ｌ１：１．４５
　　Ｌ２：６．８５
　　Ｌ３：０．５
　　Ｌ４：１．２５
　　制御壁１３ａ，１３ｂの長さＬ１３：０．３２
　　制御壁１４ａ，１４ｂの長さＬ１４：０．４１５
　　制御壁１５ａ，１５ｂの長さＬ１５：０．４２５
　　制御壁１６ａ，１６ｂの長さＬ１６：０．４１５
　　制御壁１７ａ，１７ｂの長さＬ１７：０．３２
である。
　図５～７において、Ｓ２１が大きいほど（零に近づくほど）、誘電体層の誘電損失が低いことを表す。εｒは、比誘電率を表す。図５～７に示されるように、ＯＨ基濃度が少ないほど、通過特性Ｓ２１によって表される通過損失が少ないことがわかる。また、高周波数帯域におけるバンドパスフィルタほど、ＯＨ基濃度の差異による通過損失の差異が大きくなり、低ＯＨ基濃度のシリカガラスほど良好な通過特性を示すことがわかる。
　以上、本発明によれば、従来のシリカガラスと比較して高ＦＱ値のシリカガラスを提供できる。また、周波数の増加に応じてＦＱ値が高くなり、特に高周波数帯にて低損失となるシリカガラスを提供できる。
　以上、高周波デバイス用シリカガラス及び高周波デバイスを実施形態により説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
　本国際出願は、２０１７年１１月７日に出願した日本国特許出願第２０１７－２１５１１９号及び２０１８年１月１５日に出願した日本国特許出願第２０１８－００４２３２号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１７－２１５１１９号及び日本国特許出願第２０１８－００４２３２号の全内容を本国際出願に援用する。
１０　フィルタ
１０Ａ，１０Ｂ　バンドパスフィルタ
１１，１２　ポスト壁
１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ　制御壁
２１　第１の導体層
２２　第２の導体層
２３　誘電体
４１，４２　側面導体壁

Claims (10)

  1. 　ＯＨ基濃度が300wtppm以下であり、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値が90000GHz以上であり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きが1000以上である高周波デバイス用シリカガラス。
  2. 　ＯＨ基濃度が100wtppm以下であり、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値が100000GHz以上であり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きが1000以上である高周波デバイス用シリカガラス。
  3. 　ＯＨ基濃度が40wtppm以下であり、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値が160000GHz以上であり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きが1000以上である高周波デバイス用シリカガラス。
  4. 　ＯＨ基濃度が10wtppm以下であり、周波数25GHz以上30GHz以下におけるＦＱ値が160000GHz以上であり、20GHz以上100GHz以下の周波数帯においてＦＱ値を周波数の１次関数として近似した際の傾きが1250以上である高周波デバイス用シリカガラス。
  5. 　ＯＨ基濃度が40wtppm以下であり、周波数20GHz以上40GHz未満にてＦＱ値が125000GHz以上であり、周波数40GHz以上70GHz未満にてＦＱ値が175000GHz以上であり、周波数70GHz以上100GHz以下にてＦＱ値が200000GHz以上である、請求項３に記載の高周波デバイス用シリカガラス。
  6. 　ＯＨ基濃度が10wtppm以下であり、周波数20GHz以上40GHz未満にてＦＱ値が150000GHz以上であり、周波数40GHz以上70GHz未満にてＦＱ値が200000GHz以上であり、周波数70GHz以上100GHz以下にてＦＱ値が225000GHz以上である、請求項４に記載の高周波デバイス用シリカガラス。
  7. 　金属不純物の濃度が100ppb以下である、請求項１から６のいずれか一項に記載の高周波デバイス用シリカガラス。
  8. 　請求項１から７のいずれか一項に記載の高周波デバイス用シリカガラスを用いて形成される高周波デバイス。
  9. 　請求項１から７のいずれか一項に記載の高周波デバイス用シリカガラスを用いて形成されるパッシブデバイス。
  10. 　請求項１から７のいずれか一項に記載の高周波デバイス用シリカガラスを用いて形成されるフィルタ。
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