(57)【要約】  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。
2019093182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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）。【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−２３０２８号公報
【特許文献２】特開平７−３３０３５７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】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.
【非特許文献２】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.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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２】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３】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。
【図４】ＳＩＷの一実施例を示す斜視図である。
【図５】ＳＩＷの28GHz付近のフィルタ特性の一例を示す図である。
【図６】ＳＩＷの60GHz付近のフィルタ特性の一例を示す図である。
【図７】ＳＩＷの80GHz付近のフィルタ特性の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【符号の説明】
【００７０】
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
【図１】
2019093182.tif 000003
【図２】
2019093182.tif 000004
【図３】
2019093182.tif 000005
【図４】
2019093182.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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