JPS63232421A - マイクロ波モノリシツク集積回路 - 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】 （発明の利用分野） 本発明は、ＧａＡｓ　（ガリウム・ヒ素）基板を用いた
マイクロ波／ミリ波モノリシック集積回路（Ｍｉｃｒｏ
ｗａｖｅ／＋ｍ−ｗａｖｅ　Ｍｏｎｏｌｌｔｈｉｃｉ　
ＩＣ：以下ＭＭＩＣと略称する）に関し、詳しくはＧａ
Ａｓ基板上の所定領域にフェライト層を成長堆積させて
、このフェライト層を用いて形成させた非相反回路等の
回路素子を有するＭＭＩＧに関するものである。

（発明の背景） 近年、マイクロ波からミリ波の帯域に渡り高性能で優れ
たＧａＡｓを用いた半導体の開発研究が進み、したがフ
てＧａＡｓ基板を用いたマイクロ波集積回路（Ｍｉｃｒ
ｏｗａｖｅ／ｍｍ−ｗａｖｅｌ（１：　：以下ＭＩＣと
略称する）技術の研究開発も盛んとなっている。

なお一般にはマイクロ波とは波長がセンチメートル帯に
あるものを言うが、本明細書においては便宜上ミリ波、
サブミリ波を含めて以下マイクロ波と総称する。

上記のようなＭＩＣの開発上の問題点は、広義にはマイ
クロ波回路素子として重要なフェライト材料を用いた非
相反回路、フィルタ、遅延回路等（以下非相反回路等と
いう）の回路素子の開発、集積度を高めた回路の精密設
計、精密加工技術の開発、更には性能に影響する材料面
への要求の実現等々にあり、特に、実際上のＭＩＣの形
成においては、フェライト材料を用いた非相反回路等の
物理的現象の把握に基づき、マイクロ波回路としての特
性上問題となる周波数帯域幅、低挿入損失の要求を材料
との関係で好ましく実現すること、また回路の高集積化
を実現する精密設計、精密加工技術を開発することなど
が重要である。

そして上記の問題は、フェライト材料等を用いて構成し
たた非相反回路等の回路素子をＭＩＣに外付けするハイ
ブリッド型のものにおいて重要であるだけでなく、一層
の集積化、高性能化を実現するのに適した、非相反回路
等の回路素子を含めてＧａＡｓ基板上に集積回路として
構成するそりシックタイプのＭＩＧ　　（すなわちＭＭ
Ｉに）を実現するのに極めて重大な問題となる。すなわ
ち未だ実際的な集積回路として実現されるには至ワてい
ないＭＭＩＧについては、ＧａＡｓ基板の材料特性、フ
ェライト層の形成技術等々に関連していくつかの未解決
の問題があるからである。

この点に関して挙げられる代表的な問題の一つは、非相
反回路等の構成に必要なフェライト材料の良質な層（し
たがってマイクロ波損失が少ないなどの良好な特性が得
られるフェライトの層）を、ＧａＡｓ基板上に形成させ
るに通した実際的に適用可能な簡易な技術が未だ確立さ
れるに至っていないことにある。例えば、マイクロ波回
路用のフェライトの連続膜作製法として従来から知られ
ているいくつかの方法、具体的にはスパッタ法、真空蒸
着法、溶融プラズマ法。

ＣＶＤ法、熱分解法、溶液コート法等々の各方法は、い
ずれもＧａＡｓ基板を数百℃以上に加熱処理しなければ
ならないために、耐熱温度が２５０℃程度のＧａＡｓ基
板上にこれらの方法を用いて集積してモノリシックの回
路を形成させるとすると、該ＧａＡｓ基板が上記加熱処
理によって耐熱限界以上の熱の影響を受け、半導体基板
として要求される特性を溝足することができなくなって
適当でないという問題を惹起する。

そこで従来一般のＭＭＩＣでは、上述の如くハイブリッ
ド型としてＭＩＣを構成させているのである。また観念
的に、あるいは実験室レベルでは一応次のような方法も
考えられる。すなわち、独立に作製したフェライト薄板
から所定形状の例えばフェライト円板を切出し、このフ
ェライト円板をＧａＡｓ基板上に固定させることでフェ
ライト層を形成させる方法である。

しかしこの方法によってフェライト層を形成させる方式
では、フェライト円板の切出し、表面加工、基板上の所
定位置への固定等の各加工工程を極めて高い精密度で行
なわなければならず、実際的な工業レベルでの集積度を
高めたＭＭＩＣの作製には適さないと通常考えられるば
かりでなく、実際には更に、上記のような多数の加工工
程を経てＭＭＩＣが作製されることに由来して、加工に
伴なって材料に生じた特性低下の影響を除去するなどの
仕上加工の必要性を生じ、一層の加工工数の増加を招く
他、ＧａＡｓ基板とフェライト層の間に空隙あるいは接
着剤等が存在するための磁気特性、マイクロ波特性への
影響等々の解決すべき課題を招く。したがってこの方式
による実際的なＭＭＩＣの提供は殆んど不可能である。

このことを更に具体的に説明すると、例えばハイブリッ
ド型ＭＩＣの作製技術としてのオガワ氏等の方法（米国
電気及び電子学会誌ＭＴ７３０巻：　ＩＥＥＥ、　ＭＴ
Ｔ　３０＠、Ｎｏｔ、３４〜４１゜１９８２年１月）は
、フェライト材料を用いたサーキュレータの作製技術と
して、アルミナ基板（サブストレート）についての（レ
ーザによる孔明は一熱損傷層の研摩、テーパ付は一仕上
加工）、フェライト材料についての（レーザによる円板
切出し一熱損傷層の研摩、テーパ付は一仕上加工）、テ
ーパ付きフェライト円板のアルミナ基板への挿入固定、
を概要とした加工技術を提案している。また同提案では
同時に基板孔とフェライト円板の円形形状の精度、径寸
法誤差（ギャップ）１表面粗さ等が回路素子としての特
性に影響することも指摘している。

ところでこの方法を耐熱性の低いＧａＡｓ基板にそのま
ま応用してＭＭＩＣを作製しようとした場合には、Ｇａ
Ａｓ基板の熱損傷の度合はアルミナ基板に比べて相当程
度大きくなることはいうまでもなく、したがって上記提
案をＭＭＩＣ作製の技術としてそのまま応用することは
できない。

（発明の目的） 本発明は、以上の観点″かうなされたものであり、その
目的は、ＧａＡｓ基板の上に堆積形成させたフェライト
層を用いてマイクロ波の信号処理に必要な非相反回路等
を構成させた高集積度化に適した構造のＭＭＩＣを提供
するところにある。

また本発明の他の目的は、比較的耐熱性の低いＧａＡｓ
基板に、熱損傷等によって特性を損なう悪影響を与える
ことなく形成されたマイクロ波の信号処理に必要な非相
反回路等のためのフェライト層を有し、したがって挿入
損失や周波数帯域幅等のマイクロ波回路特性を良好に得
ることができるＭＭＩＣを提供するところにある。

また本発明の更に他の目的は、ＧａＡｓ基板上の所定の
領域に簡易な方法、簡易な作製作業によって、極めて高
精度な寸法、形状に形成されたフェライト層を用いてマ
イクロ波の信号処理に必要な非相反回路等を良好に形成
させたＭＭＩＣを提供することができ、またフェライト
層の平面形状が円形等に制約されることなく、要求され
る回路素子の特性に適した形状を容易に選択形成するこ
とが可能な特徴をもったＭＭＩＣを提供するところにあ
る。

（発明の概要） 而して、かかる目的の実現のためになされた本発明より
なるマイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＧ）の特
徴とするところは、ＧａＡｓ基板上に、非相反回路等の
フェライト材料からなる層を積層した回路素子を有する
ＭＭＩＧであって、上記回路素子におけるフェライト材
料の層は、ＧａＡｓ基板上のフェライトを積層させる面
に、少なくとも鉄２価イオンを含む溶液を接触させてフ
ェライト層を析出させるフェライトメッキにより堆積さ
せたところにある。

本発明のＭＭＨ：は、ＧａＡｓ基板に公知の方法によっ
て所定の元素をドープすること等により形成された回路
要素を有する領域と、フェライト層を構成要素の一つと
するサーキュレータ、アイソレータ等の非相反回路、フ
ィルター、遅延回路等の回路要素を有する領域とが、Ｇ
ａＡｓ基板上に混在して作製される。

本発明において、ＧａＡｓ基板上の面にフェライト層を
堆積形成させるフェライトメッキは、本発明者等により
提案された例えば特開昭５９−１１１９２９号、特開昭
８１−３０６７４号、特開昭６１−１７９８７７号、特
開昭８１−２２２９２４号等に記載された方法に準拠し
て行μうことかできる。

例えば上記フェライトメッキによるフェライト層作製の
代表的な方法を例示すると、まずＧａＡｓ基板上の非相
反回路等の回路要素を形成する領域を除いて、他の領域
を所定のマスキング材にて被覆し、このＧａＡｓ基板の
非マスキング領域の面に対し、上記フェライトメッキを
適用して所定厚みのフェライトメッキ層を堆積形成させ
ることで与えられる。

フェライトメッキにより形成されるフェライト層は、上
記所定の領域に接触させる溶液中の金属イオンを選択す
ることによって、非相反回路等の特性に応じて知られる
ように所定の目的に適した材質のフェライトとして得る
ことができ、例えば数ＧＨｚ程度のマイクロ波からサブ
ミリ波、ミリ波に適用す・るサーキュレータとしては、
ＮｉＺｎフェライトが使用される場合が多い。

上記により与えられる非相反回路等の回路要素を構成す
るフェライト層は、目的とする回路の種類、特性に応じ
てその層厚が決められ、これに応じて上記フェライトメ
ッキによる層の堆積厚みを調整することで与えられ、サ
ーキュレータを例にするならば、フェライト層の厚みは
一般的には数十μｍ〜数百μＩの範囲として形成される
場合が多い、フェライト層の形状はマスキングにより決
められ、一般的な円形である場合の他直線形、三つ段形
等々の回路素子の特性に合せて適宜選択することができ
、この点は従来のハイブリッド型ＭＩＣについて説明し
た形成方法に比べての有利な点の一つである。マスキン
グ材料にはＩＣ回路技術で用いられるエツチングレジス
ト材料等を同様にして使用することもできるし、その他
貼着テープを使用することもできる。

ＧａＡｓ基板の上にフェライトメッキを直接行なうため
には、該ＧａＡｓ基板の表面はフェライトメッキの金属
イオンの吸着活性点が少ないことから、該ＧａＡｓ基板
表面に対してプラズマ処理を行なうことが好ましい０本
発明の非相反回路等の回路素子のためのフェライト層を
ＧａＡｓ基板の上に形成させる他の方法は、ＧａＡｓ基
板の上にフェライト層堆積のための金属イオンの吸着に
適した中間層を形成させ、この後直接あるいは該中間層
の表面にプラズマ処理を施してフェライトメッキを行な
う方式を採用してもよい。このような中間層はフェライ
ト層形成の目的に必要十分な例えば数百人〜数千人程度
の極めて薄い層でよく、例えば電界フェライトメッキ法
によりＧａＡｓ基板上に強固に付着させた数百人〜数千
人厚みのマグネタイト膜、真空蒸着法により形成した金
属膜、　ＣＶＤ法による５１０２　、　　ＴｉＯ２など
の金属イオンの吸着に対して活性な膜、あるいはスピン
コード法で形成した一ＯＨ基、−に００）１基などを有
した有機材料よりなる膜を例示することができる。

またＧａＡｓ基板上のフェライト層の形成は、該ＧａＡ
ｓ基板の上にそのまま行なってもよいし、必要に応じて
ＧａＡｓ基板にエツチング加工した凹所にあるいはこれ
に対向させて反対面に行な２でもよい。

本発明のＭＭＩＣは、上記のように形成されたフェライ
ト層の積層を構成中に含む非相反回路等の回路要素とそ
の他の回路とを有するモノリシック集積回路として構成
されるものであり、車−のＧａＡｓ基板上に、マイクロ
波の信号処理に必要なサーキュレータ、アイソレータ等
の非相反回路、フィルタ、遅延回路等を形成した領域と
、フェライト層を構成中に含まないその他の回路とが混
在したモノリシック集積回路として得られる。上記非相
反回路等のフェライト層を除く他の構成部分の形成、例
えばサーキュレータにおけるフェライト層上面のマイク
ロストリップ線路（導体）の固定は既知の方法を用いて
行なうことができる。したがって本発明により与えられ
るＭＭＩＣの代表的な一例は、単一のＧａＡｓ基板の下
面に導体が固定され、上面の非相反回路等の回路素子を
形成する領域の回路はフェライト層が回路構成中に含ま
れ、その他の回路は既知の方法によるＧａＡｓ基板への
所定の元素のドープ及び結線のためのプリントで形成さ
れる。

（発明の実施例） 以下本発明を、非相反回路等の代表的なものの一つであ
るサーキュレータとして形成させた場合の例として図面
に示す実施例に基づいて説明する。

実施例Ｉ Ｃｒをドープした半絶縁性型ＧａＡｓ　（比抵抗５×１
０８Ωｃｍ）　　（１００）ウェハー（厚み０．５ｍｍ
、　　１辺ＩＬ　＝　２０ｍｍの正方形）を、低温空気
プラズマ（室温、空気圧０．１ｔｏｒｒ、周波数１３．
５６Ｍ）Ｉｚ、出力３０Ｗ）に３０分さらして表面の水
ぬれを改善した。

次にこれを基板として回転加熱板にセットし、下記条件
で上部より反応液及び酸化剤液基板上に噴霧供給するこ
とによりＮｉ−Ｚｎフェライト膜を厚さ２００μ国まで
堆積した。

上記のスプレースピンコード法は次によって行なった。

反応液　ＮＩＣ℃２３ｇ／ＩＬ ＺｎＣｕ　２ｏ、３ｇ／ｊ！ ＦｅＣｊ２２　　　　　　３　　ｇ／ｌｐＨ６，９ 酸化液　　ＮａＮＯ２０，１ｇ／４２ ｐ）（６，９ 基板温度　　　　　　　　　　７０℃ スプレー量　　　　　　　　　７０　Ｂ／１１ｉｎ回転
速度　　　　　　　　　　４００　　ｒｐｍ化学分析の
結果、形成されたフェライト膜の組成は Ｎｉ　　　Ｚｎ　　　Ｆｅ　　０ ０．３５　０．８５　２．０４ であった。

次にフォトレジストでパターン形成を行ない、金を真空
蒸着して幅１　ｍｍ、厚さ約１μｍのマイクロストリッ
プ線路（Ｄ−５ｍｍ、Ｗ＝１　ｍｍ）をフェライト膜上
に、またＧａＡｓ基板の裏面に接地板を第１図、第２図
のように形成し、フェライト磁石でサンドイッチして基
板と垂直方向に外磁界（約５Ｎｏｅ）を印加して接合型
サーキュレータを構成させた。　三つの内の二つのマイ
クロストリップ線路の端に同軸コネクタの先端を銀ペー
ストで接続させて残りのストリップ線路を５００ダミー
抵抗　で短絡して、ＬＯＧ）ｌｚでのアイソレータとし
てのマイクロ波損失特性を測定したところ、順方向挿入
損失０．６　ｄＢ、逆方向損失２３ｄ　Ｂ、比帯域幅３
５零の良好な特性が得られた。

実施例２ 実施例１と同じ材質、形状のＧａＡｓウェハーの全面を
スピンコード法によりフェノール樹脂で約４００人の厚
さにコートし、これを基板として実施例１に記載したも
のと同じ条件下でスピンコード法でＮｉ−Ｚｎフェライ
ト膜を３００μｍの厚さに形成し、実施例１に記載した
と同じ方法でストリップ線路の形成を行ない　（第３図
参照）、フェライト磁石でサンドイッチしてサーキュレ
ータを構成した。実施例１と同じ＜　１０ＧＨｚでのア
イソレータとしてのマイクロ波損失特性を測定したとこ
ろ、順方向挿入損失０．４ｄＢ、逆方向損失２５ｄ　Ｂ
、比帯域幅３５零の実施例１よりやや良好な特性が得ら
れた。（なお中間層として用いたフェノール樹脂膜は、
フェライト膜に比べ厚さが約１万倍も小さいためマイク
ロ波特性には全く影響を与えない）。

実施例３ 実施例１で使用したのと同じ材質、形状のＧａＡｓウェ
ハーの片面の中心を直径ＬｏＩｍｍにわたってスパッタ
エツチングを行ない、その部分の厚さを約８０μｍとし
、エツチング部分に対応する反対側の表面について実施
例１に記載したのと同じ方法２条件でＮｌＺｎフェライ
ト膜を厚さ２００μｍまで堆積した（第４図参照）。こ
の後、フェライトメッキ膜上にストリップ線路を、また
上記エツチングした方のＧａＡｓ基板表面、上に接地板
を、夫々実施例１と同じ方法で形成して接合型サーキュ
レータを構成し、アイソレータとしての特性を測定した
ところ、順方向挿入損失０．３ｄＢ、逆方向損失２７ｄ
　Ｂ、比帯域幅３５９ｇの実施例２よりもさらに良好な
特性が得られた。これはスパッタエツチングによりサー
キュレータ部のフェライトメッキ膜部分に蓄えられる比
率が増大したためであると考えられる。このように非相
反フェライト素子を構成する部分のＧａＡｓ基板の厚さ
をエツチングにより制御することにより、中間層を用い
ずに直接フェライト膜を２００μｍの厚さまで堆積する
ことで十分良好な特性が得られた。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明よりなるＭＭＩＣは、比較的
低い耐熱性のＧａＡｓ基板の適性を損なうことなく、か
つ非相反回路等としての磁気特性。

マイクロ波特性を良好に満足できるフエライト層をもっ
た非相反回路等を有するため、マイクロ波集積回路、ミ
リ波集積回路として極めて優れた集積度の回路を提供す
ることができる他、下記のような種々の効果を得ること
ができる特徴がある。

（ａ）　ＧａＡｓ基板の上に堆積形成させたフェライト
層を用いて形成したマイクロ波の信号処理に必要な非相
反回路等を有するＭＭＩＣを、高い集積度に適した構造
として得られる。

（ｂ）比較的耐熱柾の低いＧａＡｓ基板に、熱損傷等に
よって特性を損なう悪影響を与えることなく形成された
マイクロ波の信号処理に必要な非相反回路等のためのフ
ェライト層を有し、したがって挿入損失や周波数帯域幅
等のマイクロ波回路特性を良好に得ることができる。

（ｃ）　ＧａＡｓ基板上の所定の領域に簡易な方法、簡
易な作製作業によって、極めて高精度な寸法、形状に形
成されたフェライト層を用いてマイクロ波の信号処理に
必要な非相反回路等を良好に形成させたＭＭＩＣを提供
できる。

（ｄ）フェライト層の平面形状が円形等に制約されるこ
となく、要求される回路素子の特性に適した形状を容易
に選、択形成することが可能である。

【図面の簡単な説明】

図面第１図は本発明よりなる実施例１に示したマイクロ
ストリップ線路を用いた接合型アイソレータの構成を模
式的に示す図、第２図は第１図のアイソレータの断面の
模式図、第３図は実施例２のアイソレータの断面の模式
図、第４図は実施例３　　　　　　　のアイソレータの
断面の模式図を示すものである。 １：マイクロストリップ線路（金） ２　：　ＮｉＺｎフェライト膜 ３　：　ＧａＡｓ基板 ４：接地板 ５：フェノール樹脂中間層 煎　　　　　　　　　　涙

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＧａＡｓ基板上に、非相反回路等のフェライト材
   料からなる層を積層した回路素子を有するマイクロ波モ
   ノリシック集積回路であって、上記回路素子におけるフ
   ェライト材料の層は、ＧａＡｓ基板上のフェライトを積
   層させる面に、少なくとも鉄２価イオンを含む水溶液を
   接触させてフェライト層を析出させるフェライトメッキ
   により堆積されたものであることを特徴とするマイクロ
   波モノリシック集積回路。
2. （２）上記回路素子が、サーキュレータ、アイソレータ
   、フィルタ、遅延回路の少なくともいずれか一つである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のマイ
   クロ波モノリシック集積回路。
3. （３）上記ＧａＡｓ基板上のフェライトを積層させる面
   が、ＧａＡｓ基板の表面に直接プラズマ処理した面であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のマ
   イクロ波モノリシック集積回路。
4. （４）上記ＧａＡｓ基板上のフェライトを積層させる面
   が、ＧａＡｓ基板の表面に形成され、かつ金属イオンの
   吸着に活性な表面を有する中間層の面であることを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項記載のマイクロ波モノ
   リシック集積回路。