Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung supraleitender Mikrowellenbauteile, wie z.B.
Mikrowellenresonatoren und Mikrowellen-Laufzeitketten als passive
Komponenten für elektromagnetische Wellen mit sehr kurzen
Wellenlängen, insbesondere Mikrowellen und Millimeterwellen und die
leitende Schichten aufweisen, welche aus oxidischen
supraleitenden Materialien bestehen. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines
Substrats, welches eingesetzt werden kann zur Herstellung von
Mikrowellenbauteilen mit leitenden Schichten, die aus oxischen
supraleitenden Dünnschichten bestehen.
Beschreibung des verwandten Gebietes
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Mikrowellen und Millimeterwellen sind gekennzeichnet durch ihre
geradlinigen Radiowellenausbreitungseigenschaften, Reflexion an
leitenden Platten, Brechung aufgrund von Hindernissen,
Interferenz zwischen Radiowellen, optisches Verhalten beim Durchsetzen
von Grenzschichten zwischen verschiedienen Medien und dgl. Auch
andere physikalische Erscheinungen, die nur einen winzigen
Effekt bewirken und daher in der Praxis nicht verwendbar waren,
treten deutlich bei Mikrowellen und Millimeterwellen in
Erscheinung. Z.B. werden nunmehr ein Isolator und ein Zirkulator
zur Ausnutzung des gyromagnetischen Effektes eines Ferrites
verwendet, sowie medizinische Instrumente, wie z.B. Plasma-
Diagnosegeräte unter Verwendung der Interferenz zwischen einem
Gasplasma und einer Mikrowelle. Da ausserdem die Frequenz von
Mikrowellen und Millimeterwellen äusserst hoch ist, werden
Mikrowellen und Millimeterwellen zur Signalübertragung mit
hoher Geschwindigkeit und hoher Dichte verwendet.
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Im Fall des Ausbreitens einer elektromagnetischen Welle in
Frequenzbändern vom Mikrowellen- und Millimeterbereich weist
ein Speiseleitung vom Doppelleitertyp in einem relativ
niedrigen Frequenzband grosse Übertragungsverluste auf. Wenn
ausserdem der Abstand in einem Kuppelleiter den Wert einer
Wellenlänge erreicht, bewirkt eine geringe Durchbiegung der
Übertragungsleitung und eine geringe Anpassungsänderung im
Anschlussteil eine Reflektion und Abstrahlung, welche leicht
durch benachbarte Objekte beeinflusst werden. Demzufolge wurden
hohle Wellenleiter verwendet, deren Querschnittsgrösse
vergleichbar einer Wellenlänge ist. Der Wellenleiter und der aus
dem Wellenleiter gebildete Schaltkreis bilden eine
dreidimensionale Schaltung, die grösser ist als die in gewöhnlichen
elektrischen und elektronischen Schaltkreisen verwendeten
Bauteile. Dies bedeutet, dass die Anwendung von
Mikrowellenschaltkreisen auf bestimmte Gebiete begrenzt war.
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Es wurden jedoch miniaturisierte Bauteile entwickelt, bestehend
aus Halbleitern als aktive Bauteile, die im Mikrowellenband
arbeiten. Mit zunehmender Entwicklung der Technologie der
integrierten Schaltungen wurden auch sogenannte Mikrostrip-Leiter
mit äusserst kleinem Leitungsabstand verwendet.
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1986 entdeckten Bednorz und Müller&sub1; dass (La, Ba)&sub2;CuO bei
einer Temperatur von 30 K in den supraleitenden Zustand
überging. 1987 entdeckte Chu, dass YBa&sub2;Cu&sub3;O eine supraleitende
kritische Temperatur in der Grössenordnung von 90 K aufwies und
1988 entdeckte Maeda ein supraleitendes Verbundoxid vom
sogenannten Wismuth (Bi)-Typ, mit einer supraleitenden kritischen
Temperatur, welche 100 K überstieg. Diese supraleitenden
Verbundoxide gehen in den supraleitenden Zustand über, wenn sie
mit dem billigen flüssigen Stickstoff gekühlt werden. Dadurch
wurde die Möglichkeit einer tatsächlichen Anwendung der
Supraleitungstechnologie diskutiert und näher untersucht.
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Die Supraleitungseigenschaften können mit Vorteil in
zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden, wozu auch
Mikrowellenbauteile gehören. Eine Mikrostripleitung weist einen
Dämpfungskoeffizienten auf, der auf der Widerstandskomponente des
Leiters beruht. Dieser auf die Widerstandksomponente beruhende
Dämpfungskoeffizient wächst proportional zur Wurzel aus einer
Frequenz. Andererseits wächst der dielektrische Verlust
proportional zur Frequenzzunahme. Der Verlust in neueren
Mikrostripleitungen beruht fast ausschliesslich auf dem
Leitungswiderstand, da die dielektrischen Materialien verbessert wurden.
Dies bedeutet, dass bei einer Verringerung des Widerstandes des
Leiters in der Mikrowellenleitung es möglich ist, die
Leistungsfähigkeit der Mikrowellenleitung erheblich zu steigern.
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Es ist bekannt, dass Mikrowellenleiter als einfache
Signalübertragungsleiter verwendet werden. Wird eine geeignete
Musterausbildung
vorgenommen, so kann die Mikrostripleitung auch als
Induktor, als Filter, als Resonator, als Laufzeitkette, als
Richtkoppler sowie als passive Mikrowellenschaltteile in
Hybridschaltungen verwendet werden.
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Die Mikrostripleitung besteht ganz allgemein aus einem Paar
Leiter, welche voneinander durch eine dielektrische Schicht
getrennt sind, wobei einer der Leiter geerdet ist.
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Nunmehr wird ein Substrat betrachtet, welches zur Herstellung
einer Mikrostripleitung verwendbar ist, welche Leiter aufweist,
die aus oxidischem supraleitendem Material bestehen, wobei
angenommen wird, dass das Substrat eine Platte aus einem
dielektrischen Material und ein Paar oxidischer supraleitender
Dünnschichten aufweist, die auf gegenüberliegenden Oberflächen
der entsprechenden dielektrischen Platte angeordnet sind. Mit
einem derartigen Substrat kann ein supraleitendes
Mikrowellenbauteil mit einem vorgegebenen Leitermuster auf einer
Oberfläche der dielektrischen Platte und einem geerdeten Leiter auf
der anderen Seite der dielektrischen Platte leicht hergestellt
werden durch entsprechende Musterausbildung einer der beiden
oxidischen supraleitenden Dünnschichten.
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Es ist jedoch sehr schwierig, das oben beschriebene Substrat
zum Einsatz in einem Mikrowellenbauteil herzustellen durch ein
Verfahren zur Abscheidung einer oxidischen supraleitenden
Dünnschicht auf einer Oberfläche einer dielektrischen Platte und
anschliessendes Abscheiden einer weiteren oxidischen
supraleitenden Dünnschicht auf der anderen Oberfläche der
dielektrischen Platte.
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Der Grund dafür liegt darin: Zuerst kann eine oxidische
supraleitende Dünnschicht nur dann erhalten werden, wenn eine
Schicht aus oxidischem supraleitendem Material auf einem
bestimmten Substrat unter bestimmten Abscheidebestimmungen
abgeschieden wird. Da der in dem oxidischen supraleitenden Material
enthaltene Sauerstoff instabil ist, wird zweitens bei Erwärmung
des abgeschiedenen oxidischen supraleitenden Materials eine
Änderung des Sauerstoffgehalts auftreten. Bei einem Verfahren,
bei dem nacheinander oxidische supraleitende Dünnschichten erst
auf der einen Oberfläche der dielektrischen Platte und danach
auf der anderen oder zweiten Oberfläche der dielektrischen
Platte abgeschieden werden, werden die supraleitenden
Eigenschaften der oxidischen supraleitenden Dünnschicht, die auf der
ersten Oberfläche der dielektrischen Platte abgeschieden worden
ist, beeinträchtigt wenn die oxidische supraleitende
Dünnschicht auf der zweiten Oberfläche der dielektrischen Platte
abgeschieden wird. Aus diesem Grunde ist es schwierig, ein
Substrat für Mikrowellenbauteile herzustellen, bei dem
supraleitende Dünnschichten mit guten Eigenschaften gleichmässig auf
beiden Substratoberflächen ausgebildet sind.
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Aus der EP-A-0 345 441 ist ein Mikrowellenbauteil bekannt,
welches einedielektrische Schicht aufweist und wenigstens ein
Paar leitender Schichten auf gegenüberliegenden Oberflächen der
dielektrischen Schicht, wobei wenigstens eine der leitenden
Schichten einen Erdungsleiter bildet und die andere leitende
Schicht ein vorgegebenes Muster aufweist, und wobei wenigstens
ein Paar leitender Schichten aus oxidischem supraleitendem
Material bestehen, welche auf den beiden gegenüberliegenden
Oberflächen der dielektrischen Schicht ausgebildet sind.
Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren zur
Herstellung eines Mikrowellenbauteils hoher Leistungsfähigkeit
zu schaffen, welches oxidische supraleitende Schichten mit
guten Supraleitungseigenschaften auf gegenüberliegenden
Substratflächen aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss ein Verfahren
zur Herstellung eines supraleitenden Mikrowellenbauteils
vorgeschlagen, welches ein dielektrisches Substrat und wenigstens
ein Paar oxidischer supraleitender Dünnschichten auf
gegenüberliegenden Oberflächen des dielektrischen Substrats aufweist,
wobei diese unter Verwendung einer Abscheidevorrichtung
hergestellt werden, welche einen Substrathalter zur Halterung des
Substrates dergestalt aufweist, dass die Abscheideoberflächen
des Substrats senkrecht zu einer waagrechten Ebene der
Abscheidevorrichtung angeordnet werden, wobei ein Targethalter zur
Halterung eines Targets derart angeordnet wird, dass das Target
senkrecht zu den Abscheideoberflächen des vom Substrathalter
gehaltenen Substrats angeordnet wird und wobei eine
Heizanordnung seitlich zu den Abscheideoberf lächen des vom
Substrathalter gehaltenen Substrats angeordnet wird, um nicht die
Abscheideoberflächen des Substrats und des vom Targethalter gehaltenen
Targets abzuschirmen, so dass oxidische supraleitende
Dünnschichten zugleich auf den entsprechenden sich
gegenüberliegenden Abscheideoberflächen des Substrats abgeschieden werden.
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Vorzugsweise wird wenigstens ein Paar supraleitender
Dünnschichten in einem Zustand abgeschieden, in dem die
Substrattemperatur 800ºC nicht überschreitet.
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Die im erfindungsgemässen Mikrowellenbauteil vorhandenen Leiter
bestehen aus einem Leiter mit vorgegebenen Muster und aus einem
Erdungsleiter, der getrennt von dem gemusterten Signalleiter
ausgebildet ist, wobei sowohl der gemusterte Leiter als auch
der Erdungsleiter auf den oxidischen supraleitenden
Dünnschichten ausgebildet sind, welche auf den sich gegenüberliegenden
Oberflächen der dielektrischen Schicht abgeschieden sind und
die eine gute im wesentlichen gleiche Supraleitfähigkeit
aufweisen. Da beide Leiter aus oxidischen supraleitenden
Dünnschichten mit guter Supraleitfähigkeit bestehen, wird der
Wanderverlust in der Mikrowellenleitung, die durch das
Mikrowellenbauteil gebildet wird, erheblich verringert und das
verwendbare Frequenzband in Richtung zur Hochfrequenzseite erweitert.
Da ausserdem der Leiter aus oxidischem supraleitendem Material
besteht, kann der supraleitende Zustand durch Verwendung des
billigen flüssigen Stickstoffs erreicht werden, so dass das
Mikrowellenbauteil mit hoher Leistungsfähigkeit einen
vergrösserten Anwendungsbereich findet.
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Das oben erwähnte Paar aus leitenden Schichten besteht aus dem
gleichen oxidischen supraleitenden Verbundmaterial. In diesem
Eall weist das Paar von Leiterschichten gute und im
wesentlichen gleiche supraleitende Eigenschaften auf. Da jedoch
wenigstens ein Paar der supraleitenden Schichten aus
unterschiedlichen oxidischen supraleitenden Materialien hergestellt werden
kann, weisen in diesem Fall die beiden supraleitenden Schichten
gelegentlich zwar gute supraleitende Eigenschaften auf, die
jedoch nicht im wesentlichen gleich sind, da die
unterschiedlichen
oxidischen supraleitenden Materialien unterschiedliche
kritische Temperaturen und/oder kritische Ströme aufweisen. Es
kann jedoch gesagt werden, dass wenigstens ein Paar leitender
Schichten aus unterschiedlichen oxidischen supraleitenden
Verbundmaterialien bei guter Supraleitßähigkeit auch im
wesentlichen vergleichbar miteinander ist.
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Da die oxidischen supraleitenden Dünnschichten zugleich auf den
sich gegenüberliegenden Oberflächen des dielektrischne
Sbustrats abgeschieden werdne, wird keine der abgeschiedenen
oxidischen supraleitenden Dünnschichten einer schädlichen
Umgebungsbedingung wie z.B. Wärme, Elektronenbeschiessung und dgl.
ausgesetzt. Demzufolge können die oxidischen supraleitenden
Dünnschichten mit guten und gleichförmigen Eigenschaften auf
den beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen des
dielektrischen Substrats abgeschieden werden.
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Die die leitenden Schichten bildenden oxidischen supraleitenden
Dünnschichten können durch jedes der bekannten
Abscheideverfahren abgeschieden werden. Sollen jedoch die oxidischen
supraleitenden Dünnschichten als Leiterschichten des
Mikrowellenbauteils dienen, so ist es erforderlich, darauf zu achten, dass
die Grenzschicht zwischen der dielektrischen Schicht und der
oxidischen supraleitenden Dünnschicht einen guten Zustand
aufweist. Bei Mikrowellenbauteilen fliesst ein elektrischer Strom
auf der Oberfläche der Leiterschicht, so dass bei einer Störung
der Oberflächengestalt und damit der elektromagnetischen
Eigenschaften der durch den Einsatz des oxidischen supraleitenden
Materials für die Leiterschicht erzielte Vorteil verloren geht.
Besteht ausserdem die dielektrische Schicht aus Al&sub2;O&sub3; oder
SiO&sub2;, so kann es in einigen Fällen passieren, dass Al&sub2;O&sub3; oder
SiO&sub2; mit dem oxidischen supraleitenden Verbundmaterial aufgrund
der während des Abscheideverfahrens der oxidischen
supraleitenden Dünnschicht zugeführten Wärme reagiert mit dem Ergebnis,
dass die supraleitenden Eigenschaften eines Signalleiters
beeinträchtigt werden oder verschwinden.
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Während des Abscheidens des oxidischen Supraleiters muss auf
folgendes geachtet werden: (1) Das oxidische supraleitende
Material und das Material der dielektrischen Schicht oder des
Substrats dürfen nur wenig miteinander reagieren und (2) eine
Behandlung, bei der die Materialien der oxidischen
supraleitenden Schicht und der dielektrischen Schicht ineinander
eindiffundieren, beispielsweise eine Erwärmung des Substrats auf eine
hohe Temperatur während und nach der Abscheidung muss soweit
wie möglich vermieden werden. Insbesondere ist es wesentlich
sicherzustellen, dass die Substrattemperatur in keinem Fall
800ºC während des Verfahrens zur Abscheidung des oxidischen
supraleitenden Materials überschreitet.
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Unter diesen Gesichtspunkten eignet sich eine achsversetzte
Zerstäubung oder eine Laserzerstäubung, da hier weniger
Aufmerksamkeit auf die Substrattemperatur während der Abscheidung
zu richten ist, so dass man frei und leicht die
Substrattemperatur einhalten kann. Auch das sogenannte Nachglühen nach der
Abscheidung ist unerwünscht nicht nur bei den oben angegebenen
Abscheideverfahren, sondern auch bei anderen
Abscheideverfahren. Es ist daher wichtig ein Abscheideverfahren zu wählen, das
sicherstellt, dass die abgeschiedene supraleitende Schicht
bereits die supraleitende Eigenschaft ohne Nachbehandlung
aufweist.
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Die dielektrische Schicht kann aus einem beliebigen der
bekannten dielektrischen Materialien bestehen. So sind z.B. SrTiO&sub3;
und YSZ vorteilhaft im Hinblick auf dL.e Abscheidung der
supraleitenden Dünnschicht. Ein zu grosser dielektrischer Verlust
dieses Materiales würde jedoch den Vorteil eines verringerten
Leitungsverlustes aufgrund der Verwendung eines Supraleiters
zunichte machen. Im Hinblick auf eine Verbesserung der
Eigenschaften der Mikrowellenleitung ist es vorteilhaft, wenn ein
Material mit einem geringen dielektrischen Verlust z.B. Al&sub2;O&sub3;,
LaAlO&sub3;, NdGaO&sub3;, MgO und SiO&sub2;verwendet wird. Insbesondere
eignet sich LaAlO&sub3; sehr gut, da es bis zur Erreichung sehr hoher
Temperaturen stabil ist und nur wenig mit einem oxidischen
supraleitenden Verbundmaterial reagiert und da es einen
dielektrischen Verlust aufweist, der nur 1/10 oder weniger desjenigen
von SrTiO&sub3; und YSZ beträgt. Als Substrat mit geringem
dielektrischem Verlust und auf dem das oxidische supraleitende
Material in gutem Zustand abscheidbar ist, ist es möglich ein
Substrat zu verwenden, bei dem auf den sich gegenüberliegenden
Oberflächen einer dielektrischen Platte z.B. aus Saphir und
SiO&sub2; mit äusserst kleinem dielektrischen Verlust eine
Pufferschicht angeordnet wird, die es ermöglicht, das oxidische
supraleitende Material in hervorragendem Zustand abzuscheiden.
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Zur Ausbildung des gemusterten Signalleiters und des
Erdungleiters in Mikrowellenbauteil eignet sich ein Yttrium (Y)
enthaltendes oxidisches supraleitendes Verbundmaterial und ein
Thalhum (Tl) oder Wismuth (Bi) enthaltendes oxidisches
supraleitendes Verbundmaterial, da diese eine hohe kritische Temperatur
der Supraleitung aufweisen und bereits bei Kühlung mit
flüssigem Stickstoff supraleitend werden. Selbstverständlich ist die
Auswahl der Materialien für den gemustereten Leiter und den
Erdungsleiter im Mikrowellenbauteil nicht auf diese Materialien
beschränkt.
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Das oxidische supraleitende Verbundmaterial, das auf der
gesamten Oberfläche des Substrats abgeschieden wird, kann durch ein
Nass-Atzverfahren unter Verwendung von Chlorwasserstoffsäure
oder anderen Atzstoffen als Muster ausgebildet werden.
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Ist das erfindungsgemässe Mikrowellenbauteil ein
Mikrowellenresonator, so kann dieser die Gestalt eines linearen Resonators
aufweisen bestehend aus rechtwinkligen Leiterschichten
vorgegebener Breite und vorgegebener Länge oder die Gestalt eines
kreisförmigen Scheibenresonators oder eines Ringresonators
aufweisen mit einem kreisförmigen Leiter vorgegebenen
Durchmessers.
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Besteht das erfindungsgemässe Bauteil aus einer
Mikrowellenlaufzeitkette, so kann die für diese erwünschten Eigenschaften
geeignete Musterbildung der Leiterschicht auf der einen
Oberfläche der dielektrischen Schicht erhalten werden. Die
Laufzeitkette kann verwirklicht werden, indem diese eine erwünschte
oder vorgegebene Induktivität aufweist, z.B. durch geeignete
Bemessung der Breite und der Länge des gemusterten
Signalleiters im Falle einer Mikrostripleitung.
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Diese und andere Eigenschaften, Vorteile und Besonderheiten der
vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung
bevorzugter erfindungsgemässer Ausführungsbeispiele im
Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung besser hervor. Es sei
betont, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele nur der
Illustration der vorliegenden Erfindung dienen und diese nicht
darauf beschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein Substrat
eines supraleitenden Mikrowellenbauteils, welches
mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt
werden kann;
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Figur 2a zeigt schematisch einen senkrechten Schnitt durch
eine Abscheidevorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemässen Verfahrens;
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Figur 2B zeigt schematisch einen waagrechten Schnitt durch
die in Figur 2A dargestellte Vorrichtung;
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Figur 3A zeigt schematisch einen Schnitt durch ein
supraleitendes Mikrowellenbauteil, welches
erfindungsgemäss hergestellt werden kann;
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Figur 3B zeigt schematisch einen Schnitt eines anderen
Ausführungsbeispiels eines supraleitenden
Mikrowellenbauteis, welches erfindungsgemäss
hergestellt werden kann;
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Figur 4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen
gemusterten Signalleiter eines supraleitenden
Mikrowellenbauteils&sub1; das gemäss der Erfindung
hergestellt werden kann;
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Figuren 5A
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bis 5B zeigen schematisch Schnittansichten zu
verschiedenen Bearbeitungszeitpunkten durch einen
erfindungsgemässen Mikrowellenresonator;
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Figur 6 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung
der Eigenschaften eines erfindungsgemäss
hergestellten Mikrowellenresonators;
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Figur 7 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen
gemusterten Signalleiter einer erfindungsgemäss her
gestellten supraleitenden Mikrowellen
Laufzeitkette, und
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Figur 8 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung
der Eigenschaften der erfindungsgemäss
hergestellten Mikrowellenlaufzeitkette.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Wie Figur 1 zeigt, weist ein erfindungsgemäss hergestelltes
supraleitendes Mikrowellenbauteil ein Paar oxidischer
supraleitender Dünnschichten 1 und 2 auf, die auf den sich
gegenüberliegenden Oberflächen eines einzigen dielektrischen Substrats 3
abgeschieden sind.
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Mit dem in Figur 1 dargestellten Substrat kann ein
Mikrowellenbauteil hergestellt werden durch Ausbildung eines Musters auf
einer der beiden oxidischen supraleitenden Dünnschichten 1 und
2.
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Figuren 2A und 2B zeigen eine Abscheidevorrichtung, mit der das
erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung des Substrats für
ein Mikrowellenbauteil verwirklicht werden kann.
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Figur 2A zeigt schematisch einen senkrechten Schnitt durch die
Abscheidevorrichtung und Figur 2A zeigt schematisch einen
waagrechten Schnitt durch die Abscheidevorrichtung.
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Gemäss Figuren 2A und 2B weist die Abscheidevorrichtung einen
Substrathalter 12 zur Halterung des Substrats derart auf, dass
die sich gegenüberliegenden Abscheideoberflächen des Substrats
senkrecht zu einer waagrechten Ebene angeordnet sind, wobei ein
Paar Targethalter 14a und 14b seitlich vom Substrathalter 12
vorgesehen sind und wobei jeder ein Target 13a bzw. 13b trägt;
zwei Paar Heizanordnungen 15a bis 15d sind ebenfalls seitlich
vom Substrathalter 12 angeordnet. Der Substrathalter 12, die
Targethalter 14a und 14b und die Heizanordnungen 15a bis 15d
sind in einer Kammer 16 angeordnet.
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Der Substrathalter 12 ergreift nur einen Teil der Seitenfläche
des Substrats 3 und einen Teil des Umfangs der
Abscheideoberflächen des Substrats 3, so dass ein wesentlicher Abschnitt der
beiden sich gegenüberliegenden Abscheideoberflächen des
Substrats 3 nicht durch den Substrathalter 12 abgedeckt wird.
Die Targethalter 14a und 14b sind derart ausgestaltet, dass sie
das Target 13a bzw. 13b derartig halten, dass das Target 13a
bzw. 13b senkrecht zu den Abscheideoberflächen des Substrats 3
angerodnet sind, welches vom Substrathalter gehalten wird. Die
Heizanordnungen 15a bis 15d sind seitlich versetzt von der
Stimseite der beiden sich gegenüberliegenden
Abscheideoberflächen des Substrats 3 angeordnet, so dass das Substrat 3 durch
die versetzte Anordnung erwärmt werden kann, ohne dass sie den
Weg zwischen der Abscheideoberfläche des Substrats und dem vom
Targethalter gehaltenen Target abschirmen.
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Durch Verwendung der oben beschriebenen Abscheidevorrichtung
können oxidische supraleitende Dünnschichten zu gleicher Zeit
auf einem Paar sich gegenüberliegender Abscheideoberflächen
eines einzigen Substrats 3 abgeschieden werden, während das
Paar sich gegenüberliegender Abscheideoberflächen des Substrats
3 erwärmt wird.
Beispiel 1
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Es wurde ein Substrat für ein supraleitendes Mikrowellenbauteil
unter Verwendung der in Figur 2 dargestellen
Abscheidevorrichtung hergestellt.
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Als dielektrisches Substrat 3 wurde ein Substrat aus LaAlO&sub3; mit
einer Dicke von 0,5 mm, einer Breite von 15 mm und einer Länge
von 15 mm verwendet. Ein supraleitendes Verbundmaterial vom
Y-Ba-Cu-O-Typ wurde als oxidischer Supraleiter verwendet und
durch Zerstäubung unter den folgenden Bedingungen
abgesschieden:
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Target : YaBa&sub2;Cu&sub3;Oy
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Zerstäubungsgas : Ar mit 20 % O&sub2;
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Gasdruck : 665 Pa (0,5 Torr)
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Substrattemperatur : 600ºC
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Schichtdicke : 4000 Å
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Als Heizquelle wurde eine Wolfram-Halogenlampe verwendet.
In diesem Substrat für ein Mikrowellenbauteil, bei dem die
oxidischen supraleitenden Dünnschichten auf den beiden sich
gegenüberliegenden Oberflächen ausgebildet wurden, wurden die
Eigenschaften der oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf
jeder der beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen gemessen.
Im folgenden sind die Messergebnisse dargestellt:
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Wie man sieht, weisen die oxidischen supraleitenden
Dünnschichten, die auf den beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen des
Substrates, das unter Verwendung der Erfindung hergestellt
worden ist, im wesentlichen die gleichen
Supraleitungseigenschaften auf.
Beispiel 2
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Ein Substrat für ein supraleitendes Mikrowellenbauteil wurde
unter Verwendung der Abscheidevorrichtung gemäss Beispiel 1
hergestellt.
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Es wurde ein MgO-Substrat der gleichen Grösse wie das in
Beispiel 1 verwendete Substrat eingesetzt. Als supraleitendes
Material wurde ein Y-Ba-Cu-O-Verbundoxid gewählt, welches
mittels Zerstäubung abgeschieden wurde unter den folgenden
Bedingungen:
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Target . Yaba&sub2;Cu&sub3;Oy
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Zerstäubungsgas . Ar mit 20 % O&sub2;
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Gasdruck . 665 Pa (0,5 Torr)
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Substrattemperatur . 620ºC
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Schichtdicke . 4000 Å
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Im derart hergestellten Substrat für ein Mikrowellenbauteil,
bei dem die oxidischen supraleitenden Dünnschichten auf den
beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen abgeschieden wurden,
wurden die Eigenschaften jeder oxidischen supraleitenden
Dünnschicht auf den beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen
gemessen. Im folgenden sind die Messergebnisse dargestellt:
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Wie man sieht, weisen die oxidischen supraleitenden
Dünnschichten, die auf den beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen des
erfindungsgemäss hergestellten Substrates im wesentlichen die
gleichen supraleitenden Eigenschaften auf.
Beispiel 3
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Ein Substrat für ein supraleitendes Mikrowellenbauteil wurde
unter Verwendung der gleichen Abscheidevorrichtung wie im
Beispiel 1 und unter Verwendung eines MgO-Substrats und eines
Wismut enthaltenden supraleitenden Verbundmaterials
hergestellt.
Das MgO-Substrat wies die gleiche Abmessung wie das in
Beispiel 1 verwendete Substrat auf. Das Wismut enthaltende
supraleitende Verbundmaterial wurde durch Zerstäubung
abgeschieden unter den folgenden Bedingungen:
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Target Bi&sub3;Sr&sub2;Ca&sub2;CuOz
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Zerstäubungsgas : Ar mit 20 % O&sub2;
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Gasdruck 133 Pa (0,1 Torr)
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Substrattemperatur : 650ºC
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Schichtdicke . 3000 Å
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Im derart erhaltenen Substrat für eine Mikrowellenbauteil, bei
dem die oxidischen supraleitenden Dünnschichten auf den beiden
sich gegenüberliegenden Oberflächen abgeschieden wurden, wurden
die Eigenschaften einer jeden oxidischen supraleitenden
Dünnschicht auf den beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen
bemessen. Im folgenden sind die Messergebnisse dargestellt:
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Wie man sieht, weisen die oxidischen supraleitenden
Dünnschichten auf den beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen des
erfindungsgemäss hergestellten Substrats im wesentlichen die
gleichen Supraleitungseigenschaften auf.
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Aus der obigen Beschreibung geht hervor, dass das
erfindungsgemässe Verfahren zu einem Substrat für ein Mikrowellenbauteil
führt, welches ein einziges Substrat und ein Paar
supraleitender Dünnschichten auf den sich gegenüberliegenden
Substratoberflächen enthält, wobei diese im wesentlichen die gleichen guten
Supraleitungseigenschaften aufweisen.
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Da erfindungsgemäss hergestellte Substrat kann leicht
bearbeitet werden, um so verschiedene Mikrowellenbauteile durch
geeignete Musterausbildung einer der beiden oxidischen
supraleitenden Dünnschichten auf den sich gegenüberliegenden
Substratoberflächen zu erhalten. Das Mikrowellenbauteil weist einen
geringen Übertragungsverlust und ein verbreitertes Frequenzband auf,
da es mit einem Leiter aus einer oxidischen supraleitenden
Dünnschicht mit guten Supraleitungseigenschaften versehen ist.
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Im folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele von
Mikrowellenbauteilen beschrieben, die hergestellt wurden unter
Verwendung von erfindungsgemäss für supraleitende
Mikrowellenbauteile hergestellten Substraten
Ausführungsbeispiel 1
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Ein Mikrowellenresonator mit einer dielektrischen Schicht
bestehend aus einem LaAlO&sub3;-Substrat und Leiterschichten in Form
von YBa&sub2;Cu&sub3;Oy-Dünnschichten wurde hergestellt.
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Figuren 3A und 3B zeigen Schnittansichten einer
Mikrowellenübertragungsleitung, welche einen erfindungsgemäss
hergestellten Mikrowellenresonator bilden kann.
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Die in Figur 3A dargestellte Mikrowellenübertragungsleitung ist
eine sogenannte Mikrostripleitung mit einer dielektrischen
Schicht 3, einem mittigen Signalleiter 1a mit einem gewünschten
Muster auf der oberen Oberfläche der dielektrischen Schicht und
einem Erdungsleiter 2, der die gesamte Unterseite der
dielektrischen Schicht 3 bedeckt.
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Die in Figur 3B dargestellte Mikrowellenübertragungsleitung ist
eine sogenannte symmetrische Mikrostripleitung mit einem
mittigen Signalleiter 1a, einer dielektrischen Schicht 3, in welche
der mittige Signalleiter 1a entlang des Zentrums eingebettet
ist und einem Paar Erdungsleitern 2a und 2b, die auf der oberen
und der unteren Oberfläche der dielektrischen Schicht 3
ausgebildet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde im Hinblick
auf die guten Eigenschaften einer Mikrowellenleitung der
Mikrowellenresonator durch Verwendung des Aufbaus als symmetrische
Mikrostripleitung gemäss Figur 3 hergestellt. Der Signalleiter
la und die Erdungsleiter 2a und 2b wurden als Dünnschichten aus
YBa&sub2;Cu&sub3;Oy hergestellt, während die dielektrische Schicht 3 aus
LaAlO&sub3; bestand.
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Figur 4 zeigt eine Musterausbildung für den mittigen
Signalleiter des im folgenden beschriebenen erfindungsgemäss
hergestellten Mikrowellenresonators.
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Wie Figur 4 zeigt, ist der gemusterte mittige Signalleiter des
Mikrowellenresonators in Form eines Paars mittiger Leiter 1b
ausgebildet, die zueinander ausgerichtet sind, jedoch
voneinander getrennt sind, während ein weiterer mittiger Leiter 1c
zwischen dem Paar mittiger Leiter 1b angeordnet ist und zu dem
Paar mittiger Leiter 1b ausgerichtet ist. Der mittige Leiter 1c
ist von dem Paar mittiger Leiter 1b durch Schlitze 4a und 4b
getrennt, wobei jeder Schlitz 4a und 4b einen Koppelkondensator
bildet. Insbesondere weist jeder der mittigen Leiter 1b eine
Breite von 0,26 mm auf und jeder Schlitz 4a und 4b ist 0,70 mm
breit. Das Paar mittiger Leiter 1b bildet eine
Mikrostripleitung mit einer Impedanz von 50 Ω bei 10 GHZ. Der mittige Leiter
1c wiederum weist eine Breite von 0,26 mm und eine Länge von
8,00 mm auf.
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In den Figuren 5A bis 5D ist ein Verfahren zur Herstellung
dieses Ausführungsbeispiels eines Mikrowellenresonators gemäss
der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Zuerst wird ein Substrat für ein supraleitendes
Mikrowellenbauteil gemäss Figur 5A hergestellt, welches nach dem oben
beschriebenen erfindungsgemässen Verfahren hergestellt wird. Eine
LaAlO&sub3;-Platte mit einer Dicke von 0,5 mm wurde als
dielektrisches Substrat 3 verwendet. Mit den im Zusammenhang mit dem
Beispiel 1 beschriebenen Abscheideverfahren und den
Abscheidebedingungen wurden Dünnschichten 1 und 2 mit einer Dicke von
6000 Å aus YBa&sub2;Cu&sub3;Oy zugleich auf der oberen und der unteren
Oberfläche des dielektrischen Substrats 3 aus LaAlO&sub3;
abgeschieden.
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Danach wurde gemäss Figur SB ein Muster in der oxidischen
supraleitenden Dünnschicht 1 durch ein Nassätzverfahren
hergestellt, wobei als Ätzstoff Chlorwasserstoffsäure verwendet
wurde, so dass die in Figur 4 dargestellte gemusterte oxidische
supraleitende Dünnschicht 1a auf der oberen Oberfläche des
dielektrischen Substrats 3 aus LaAlO&sub3; entstand. Gemäss Figur 5C
wurde ausschliesslich die gemusterte oxidische supraleitende
Dünnschicht 1 mit einer Maske 5 bedeckt und eine dielektrische
Schicht 3a aus LaAlO&sub3; auf der oberen Oberfläche des
dielektrischen
Substrats 3 aus LaAlO&sub3; mit Ausnahme der gemusterten
oxidischen supraleitenden Dünnschicht 1a abgeschieden bis die
abgeschiedene dielektrische Schicht 3a aus LaAlO&sub3; die gleiche
Dicke aufwies wie die gemusterte oxidische supraleitende
Dünnschicht 1a. Die Abscheidung der dielektrischen Schicht 3a aus
LaAlO&sub3; erfolgte durch ein Elektronenstrahl-
Verdampfungsverfahren unter Verwendung von La und Al (Metall)
als Verdampfungsquellen mit einem Gasdruck von 2,66 x 10&supmin;² Pa (2
x 10&supmin;&sup4; ) Torr und einer Substrattemperatur von 600ºC.
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Gemäss Figur 5D wurde ein dielektrisches Substrat 3b aus LaAlO&sub3;
mit einer Dünnschicht aus YBa&sub2;Cu&sub3;Oy auf seiner oberen
Oberfläche als Leiter 2 auf der oberen Oberfläche des Substrats 3 mit
dem gemusterten Leiter 1a angeordnet und befestigt.
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Dadurch wurde der mit seinem Querschnitt in Figur 3b
dargestellte Mikrowellenresonator erhalten.
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Der wie oben beschrieben hergestellte Mikrowellenresonator
wurde mit einem Netzwerkanalysator verbunden, um die
Frequenzeigenschaften einer Übertragungsleistung im Bereich von 2 GHz
bis 20 GHz zu messen. Das Messergebnis ist in Figur 6
dargestellt.
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Zur Bestimmung der Frequenzselektivität eines
Mikrowellenresonators ist es üblich, als Q-Faktor das Verhältnis einer
Resonanzfrequenz "fo" und einer Bandbreite "B" anzugeben, wobei der
Grad der Übertragungsleistung nicht unter einen Wert fällt,
welcher niedriger ist als der maximale Grad bei 3 dB(Q = fo/B)
Als Vergleichsbeispiel wurde ein Mikrowellenresonator mit der
gleichen Spezifikation wie der gemäss der vorliegenden
Erfindung oben beschriebene Mikrowellenresonator hergestellt mit der
Ausnahme, dass nicht aus Aluminium bestehende Leiter verwendet
wurden. Der Q-Faktor des erfindungsgemässen
Mikrowellenresonators und derjenige des Vergleichsbeispiels wurden gemessen. Das
Messergebnis ist in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
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Es wird angenommen, dass der hohe Q-Faktor des
erfindungsgemässen Mikrowellenresonators verglichen mit dem
Vergleichsbeispiel durch die Tatsache erhalten wird, dass sowohl der mittige
Signalleiter als auch die Erdungsleiter einen sehr geringen
Oberflächen- oder Randwiderstand aufweisen. Dies beruht
wahrscheinlich darauf, dass sowohl der Signalleiter als auch die
Erdungsleiter aus oxidischen supraleitenden Dünnschichten
bestehen mit guter, im wesentlichen gleicher Supraleitfähigkeit.
Mit anderen Worten kann gesagt werden, dass sowohl die den
Signalleiter als auch die Erdungsleiter bildenden oxidischen
supraleitenden Dünnschichten nur geringe Defekte aufweisen.
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Wie man sieht, kann der Mikrowellenresonator bei der Temperatur
des flüssigen Stickstoffs betrieben werden und weist einen
bemerkenswert hohen Q-Faktor auf, da dieser
Mikrowellenresonator eine Mikrostripleitung aufweist, deren Leiter aus
oxidischen supraleitenden Schichten mit ausgezeichneten
Eigenschaften der Supraleitung bestehen.
Ausführungsbeispiel 2
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Eine Mikrowellenlaufzeitkette mit einer dielektrischen Schicht
bestehend aus einem Substrat aus LaAlO&sub3; und Leiterschichten
bestehend aus Dünnschichten aus YBa&sub2;Cu&sub3;Oy wurde hergestellt.
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Eine Mikrowellenübertragungsleitung in Form einer
erfindungsgemässen Laufzeitkette kann den in den Figuren 3A und 3B
dargestellten Querschnitt aufweisen.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde die
Mikrowellenlaufzeitkette hergestellt unter Verwendung der in Figur 3A
dargestellten Struktur einer Mikrostripleitung. Dabei bestand der mittige
Signalleiter 1a und der Erdungsleiter 2 aus einer Dünnschicht
aus YBa&sub2;Cu&sub3;Oy während die dielektrische Schicht 3 aus LaAlO&sub3;
bestand.
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Figur 7 zeigt das Muster des mittigen Signalleiters der
Mikrowellenlaufzeitkette, die gemäss dem nachstehend beschriebenen
Verfahren hergestellt wurde.
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Gemäss Figur 7 weist der mittige Signalleiter 1 ein
Mänderoder Zick-Zack-Muster auf. Der Signalleiter 1a weist eine
Breite
von 280 µm und eine Länge 63 cm auf. Der Signalleiter la
bildet eine Mikrostripleitung mit einer chararakteristischen
Impedanz von 50 Ω. Die Verzögerungszeit der
Mikrowellenlaufzeitkette betrug 10 ns, wenn sich die Leiter im
Supraleitungszustand befanden.
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Diese Mikrowellenlaufzeitkette wurd wie folgt hergestellt:
Zuerst wird ein Substrat für ein supraleitendes
Mikrowellenbauteil hergestellt, wie es weiter oben beschrieben ist. Eine
Platte aus LaAlO&sub3; mit einer Dicke von 0,5 mm wurde als
dielektrisches Substrat 3 verwendet. Mit dem gleichen
Abscheideverfahren und den gleichen Abscheidebedingungen wie im Beispiel 1,
wurden Dünnschichten 1 und 2 mit einer Dicke von 6000 Å aus
YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub3; zugleich auf der oberen Oberfläche und der unteren
Oberfläche des dielektrischen Substrats 3 aus LaAlO&sub3;
abgeschieden. Danach wurde der supraleitenden Dünnschicht 1 durch ein
Nassätzverfahren ein Muster erteilt, wobei als Ätzmittel
Chlorwasserstoffsäure verwendet wurde, so dass das in Figur 7
dargestellte Muster als oxidische supraleitende Dünnschicht 1a auf
der oberen Oberfläche des dielektrischen Substrats 3 aus LaAlO&sub3;
entstand.
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Als Vergleichsbeispiel wurde eine Mikrowellenlaufzeitkette
hergestellt mit einer Verzögerungszeit von 10 ns bestehend aus
einer Stripleitung mit einem Leiter einer Breite von 280 µm
bestehend aus einer Aluminium-Dünnschicht, die auf einem
Saphir-Substrat abgeschieden wurde.
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Der Übertragungsverlust des erfindungsgemässen
Ausführungsbeispiels einer Mikrowellenlaufzeitkette und des
Vergleichsbeispiels
wurde durch Einspeisen von 1 GHZ bis 40 GHZ gemessen.
Das Messergebnis ist in Figur 8 dargestellt.
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Es wird angenommen, dass der geringe Übertragungsverlust der
erfindungsgemässen Mikrowellenlaufzeitketter verglichen mit dem
Ausführungsbeispiel auf der Tatsache beruht, dass sowohl der
mittige Signalleiter als auch der Erdungsleiter einen sehr
geringen Oberflächen- oder Randwiderstand aufweisen. Dies
beruht darauf, dass sowohl der Signalleiter als auch der
Erdurigsleiter aus oxidischen supraleitenden Dünnschichten mit im
wesentlichen gleicher guter Supraleitfähigkeit bestanden. Mit
anderen Worten kann gesagt werden, dass die oxidischen
supraleitenden Dünnschichten, welche den Signalleiter und den
Erdungsleiter bilden, nur geringe Defekte aufweisen.
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Wie man sieht, erhält man erfindungsgemäss eine
Mikrowellenlaufzeitkette, welche bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs
betrieben werden kann und nur geringe Übertragungsverluste
aufweist, da die Mikrowellenlaufzeitkette aus einer
Mikrostripleitung besteht, deren Leiter aus oxidischem supraleitendem
Material mit ausgezeichneten Eigenschaften der Supraleitung
bestehen.
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Zwar wurde die Erfindung im Zusammenhang mit speziellen
Ausführungsbeispielen beschrieben, jedoch sei darauf hingewiesen,
dass sie keineswegs darauf beschränkt ist, sondern alle in den
Rahmen der Ansprüche fallende Äquivalente umfasst.