JP2007180704A - アンテナ素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オンチップアンテナにおいて、半導体素子に形成されたアンテナに対してアンテナ長の物理的な加工を行わずに周波数特性を適切に制御可能な構成を備えるアンテナ素子を提供する。
【解決手段】本発明のアンテナ素子１は、電子回路が形成された基板２と、該基板２の一部を覆うように絶縁層３を介して形成され、前記基板２と電気的に接続された配線層４と、該配線層４を覆う部材５と、を少なくとも備え、前記部材５は、前記配線層４が送受信する信号の波長を変化させる機能を有する誘電体であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦ−ＩＤ（RADIO Frequency Identification）タグ等に使用されるオンチップアンテナに関し、特にアンテナの周波数特性を簡易に制御し得るように構成したアンテナ素子とその製造方法に関する。

近年、個人認証や商品管理、物流処理などの各種システムに、ＲＦ−ＩＤタグの利用が急速に広まっている。
ＲＦ−ＩＤタグは、情報の取得の対象となる識別対象物の表面に装着する必要から、小型化の要求が大きい。そのため、ＲＦ−ＩＤタグでは、ＲＦ−ＩＤタグリーダ／ライタからの電磁波からエネルギーを得てＩＣ（Integrated Circuit）の動作電源とし、電池を不要としている。
また、近年、ＲＦ−ＩＤタグ用に、絶縁層を介してＩＣ上に超小型の平面状のアンテナを形成する、いわゆるオンチップアンテナが開発されている。

さらに、電界型のアンテナの場合、アンテナ長は、送受信に使用される特定周波数に同調するように、信号の波長をλとした場合、たとえばλ／２やλ／４等の長さに設計される。したがって、製造プロセスのばらつき等によりアンテナ長が設計値からずれた場合、所望の周波数に同調するようにアンテナの周波数特性を調整する必要がある。

そこで、アンテナの周波数特性を調整する方法としては、たとえばアンテナの形成後、アンテナパターンの一部を切除あるいは延長させることによりアンテナ長を調整し、対象周波数に同調させる方法が開示されている（特許文献１参照）。

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術は、手作業にてアンテナの配線を切り貼りしてアンテナ長を変えることによる周波数特性の調整方法であるため、ＩＣと一体化し、数ｍｍ角と小型化したオンチップアンテナの周波数特性の調整に直接適用することはできない。
したがって、オンチップアンテナの周波数特性を調整するために、この作業を半導体素子に形成されたアンテナに適用し、アンテナ長を加工した場合、半導体プロセス装置等を使用してアンテナ配線の切断、除去、追加等を行わなければならず、工程が多くなり、製造コストの増大を招くことになる。
特開平１１−２４２７８６号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、オンチップアンテナにおいて、半導体素子に形成されたアンテナに対してアンテナ長の物理的な加工を行わずに周波数特性を適切に制御可能な構成を備えるアンテナ素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、オンチップアンテナの製造において、半導体素子にアンテナを作製した後に、アンテナに対して直接の加工を施すことなく、アンテナが有する周波数特性の制御を可能としたアンテナ素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係るアンテナ素子は、電子回路が形成された基板と、該基板の一部を覆うように絶縁層を介して形成され、前記基板と電気的に接続された配線層と、該配線層を覆う部材と、を少なくとも備え、前記部材は、前記配線層が送受信する信号の波長を変化させる機能を有する誘電体であることを特徴とする。

本発明の請求項２に係るアンテナ素子は、請求項１に係る半導体装置において、前記誘電体は、樹脂又はセラミックであることを特徴とする。

本発明の請求項３に係るアンテナ素子の製造方法は、電子回路が形成された基板と、該基板の一面を覆うように絶縁層を介して形成され、前記基板と電気的に接続された配線層と、該配線層を覆う部材と、を少なくとも備え、前記部材は、前記配線層が送受信する信号の波長を変化させる機能を有する誘電体であるアンテナ素子の製造方法であって、前記配線層を形成した後、前記配線層の周波数特性を測定する工程Ａと、前記工程Ａの測定に基づき、前記配線層を覆うように誘電体を設け、該配線層が送受信する信号の波長を変化させる工程Ｂと、を少なくとも備えることを特徴とする。

本発明のアンテナ素子は、電子回路が形成された基板と電気的に接続された配線層を覆う部材が、前記配線層が送受信する信号の波長を変化させる機能を有する誘電体で構成されている。ゆえに、オンチップアンテナにおいて、半導体素子に形成されたアンテナに対してアンテナ配線の切断、除去、追加等といったアンテナ長の物理的な加工を行わずに、誘電体での被覆によってアンテナ配線の実効比誘電率を変化させ、電気的なアンテナ長を変化させて送受信する信号の周波数に同調するように、周波数特性を適切に制御可能な構成を備える。したがって、アンテナの小型化、低コスト化を図りつつ、適切な共振周波数をもつアンテナ本体を備えたアンテナ素子を提供することができる。
また、かかる構成によれば、アンテナの周波数特性を調節するためのアンテナ配線の切断、延長用に確保するスペースが不要になるため、特に限られた面積にアンテナを作製する場合、アンテナの設計の自由度が上がるものとなる。

本発明のアンテナ素子の製造方法は、アンテナの配線層を形成した後、前記配線層の周波数特性を測定する工程Ａと、前記工程Ａの測定に基づき、前記配線層を覆うように誘電体を設け、該配線層が送受信する信号の波長を変化させる工程Ｂと、を少なくとも備える。ゆえに、オンチップアンテナの製造において、半導体素子にアンテナを作製した後に、アンテナに対して直接の加工を施すことなく、アンテナが有する周波数特性の制御が可能となる。したがって、適切な共振周波数をもつアンテナ本体を備えたアンテナ素子を、工程が多くならず容易に製造することができる。
しかも、アンテナ作製後の適切な周波数特性の制御手段がなかったオンチップアンテナに対し、簡易な制御方法が提供できるため、オンチップアンテナの歩留まりを大幅に向上させることができる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、アンテナ素子の構造の一例を示す断面図である。
まず、図１に示すとおり、本実施形態におけるアンテナ素子１は、電子回路が形成された基板２と、該基板２の一部を覆うように絶縁層３を介して形成され、前記基板２と電気的に接続された配線層４と、該配線層４を覆う部材５とを少なくとも備えている。

基板２は、半導体ウエハをチップ寸法に切断（ダイシング）した半導体チップ（ＩＣチップ）であり、たとえばウエハ（基板）におけるＩＣチップ領域に、メモリ、ＣＰＵ及び外部からの入力に応答して信号を発生する電子回路を有する。この基板２は、外部機器と非接触で通信により応答する場合、メモリ内の特定情報を変調してアンテナ配線から出力するように構成されている。
また、基板２は、配線層４が電子回路と電気的に接続される接続部を有している。

絶縁層３は、たとえばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等からなり、その厚さは、たとえば１０〜３０μｍとすると良い。この絶縁層３は、たとえばフォトリソグラフィ技術を利用したパターニングなどにより形成することができる。
また、絶縁層３は、絶縁性の面、耐性の面等からポリイミド樹脂層であることが好ましく、特に感光性ポリイミドである場合は、処理性、絶縁性、耐性等から好ましい。

配線層４は、アンテナ本体をなすアンテナ配線であり（以下、アンテナ本体を符号４で示す）、その各端部は前記基板２の接続部と電気的に接続されている。このアンテナ本体４の材料としては、たとえばＣｕが用いられ、その幅は、たとえば５〜３０μｍ、厚さは、たとえば５〜２０μｍである。これにより充分な導電性が得られる。このアンテナ本体４はＡｕ等によって形成しても良い。また、アンテナ本体４は、たとえば電解銅メッキ法等のメッキ法などにより形成することができる。

部材５は、誘電率を選択して送受信する信号の周波数に同調するように前記配線層の周波数特性を変化させる誘電体からなる被覆層（以下、被覆層を符号５で示す）である。被覆層５に用いる誘電体としては、たとえばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂などが挙げられる。また、被覆層５の厚さは、たとえば０．１〜１．０ｍｍである。
この被覆層５は、樹脂を塗布することにより形成する他、あらかじめシート状に形成した樹脂やセラミック等の誘電体を、アンテナ本体４の表面に貼り付けるようにしても良い。

すなわち、本実施形態のアンテナ素子１は、次の２点を特徴としている。
（Ａ）オンチップアンテナの構造において、アンテナ本体４の上にアンテナの周波数特性の制御用の被覆層５を形成すること。
（Ｂ）信号の波長短縮効果を利用して、アンテナ本体４を被覆する部材５の誘電率により、電気的なアンテナ長を調整し、アンテナと送受信信号との同調をとること。

本実施形態のアンテナ素子１について、さらに詳しく説明すると、高周波信号が配線を伝播する場合、信号の速度は、その物質や外部被覆などの影響で、波長短縮により真空中の速度より遅くなる。この波長の変化の割合を波長短縮率といい、以下の式で表される。なお、式中のεeff は実効比誘電率であり、配線周囲の物質により決まる。

ゆえに、電界型アンテナにおいては、適切な誘電率の樹脂によりアンテナ配線を覆うことで、アンテナ配線の実効比誘電率を変化させ、アンテナに対して直接加工を行わずに電気的なアンテナ長を可変することができる。したがって、アンテナの周波数特性を適切に制御可能な構成を備えるものとなる。

以上のように構成された本実施形態のアンテナ素子１は、たとえば次のようにして製造することができる。図２に基づき、オンチップアンテナの周波数特性を、樹脂を用いて制御可能とした本発明のアンテナ素子１の製造方法を説明する。
図２は、オンチップアンテナの周波数特性の制御方法のフローを示す図である。
まず初めに、電子回路が形成された基板（以下、ＩＣチップと称する）２を準備する。
次いで、配線層４を被覆する部材として、たとえば誘電率（εｒ）が３．０である適当な樹脂を仮定し、オンチップアンテナが送受信する信号の周波数に同調するようにアンテナ長を設計する［図２の（１）参照］。

次に、ＩＣチップ２の電子回路形成面上に絶縁層３を形成した後、該絶縁層３を介して、たとえば銅メッキ等により、オンチップアンテナの配線層（以下、アンテナ配線と称する）４を作製する［図２の（２）参照］。
そして、アンテナ配線４を形成した後、当該アンテナ配線４の周波数特性を、ネットワークアナライザ等により測定し、アンテナの共振周波数を求める［図２の（３）参照］。

引き続き、この周波数特性の測定に基づき、オンチップアンテナが送受信する信号の周波数にシフトさせるのに必要な誘電率を持った樹脂を選択する［図２の（４）参照］。たとえば、前記アンテナの共振周波数が、送受信に使用される周波数より小さい場合は、上記設計した樹脂の誘電率である３．０より低い誘電率を有する樹脂を、一方、送受信に使用される周波数より大きい場合は、上記設計した樹脂の誘電率である３．０より高い誘電率を有する樹脂を、それぞれ選択する。
その後、アンテナ配線４を選択された樹脂によって覆い、アンテナが送受信する信号の波長を変化させる被覆層５を形成する［図２の（５）参照］。

これにより、アンテナ本体に所定の実効比誘電率が与えられ、共振周波数を適切に制御可能とし、所望の共振周波数をもつアンテナを備えたアンテナ素子を構成することができる。
したがって、本発明の半導体装置は、アンテナに対して直接加工を行わず、アンテナ本体を覆う部材の選択により、ＩＣチップの小型化や低コスト化を図りつつ、所望の共振周波数を得ることができるものである。しかも、その作業性は容易なものである。

なお、アンテナ配線４を覆う樹脂の選択には、あらかじめ電磁界シミュレーション等により、樹脂の誘電率と実効比誘電率と電気的なアンテナ長の相関データを取得し、表もしくはグラフとして用意しておくと望ましい。これにより、アンテナの周波数特性の制御に使用する、適切な誘電率の樹脂を容易に選択することが出来る。

以上の制御手段により、設計時より高い誘電率の樹脂で覆った場合、設計よりも波長が短縮され電気的なアンテナ長が長くなり、アンテナの共振周波数が低周波数側にシフトして同調が可能となる。一方、設計時より低い誘電率の樹脂で覆った場合、設計よりも波長が長くなり電気的なアンテナ長は短くなって、アンテナの共振周波数が高周波数側にシフトして同調が可能となる。

したがって本発明によれば、半導体プロセス装置によるアンテナ配線の加工をすることなく、作製されたアンテナ配線の共振周波数の測定後に、たとえば所定の誘電率を有する樹脂を塗布するといった、誘電体を被覆する簡易な方法で、オンチップアンテナの周波数特性が適切に制御可能となる。

次に、上述したオンチップアンテナの周波数特性の制御方法によって、適切な共振周波数をもつアンテナ本体を備えたアンテナ素子が提供できることを確認するため、以下のようにアンテナ素子を製造し、その共振周波数を測定した。なお、本実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

初めに、オンチップアンテナは小型であることから、作製されたアンテナ配線のアンテナ長にバラツキが生じ、送受信する信号の周波数にズレが生じてしまうことを確認した。
まず、縦３ｍｍ×横３ｍｍの大きさをもつＩＣが形成された、厚さ０．５ｍｍのシリコン基板を準備した。以下、この構成としたものをＩＣチップ２と呼ぶ。
次に、アンテナ配線４を被覆する部材として、誘電率が３．２であるポリイミド樹脂を仮定し、オンチップアンテナが送受信する信号の周波数２．４５ＧＨｚに同調するようにアンテナ長を設計した。
次いで、ＩＣチップ２の電子回路形成面上に、ポリイミド樹脂を厚さ１０μｍ塗布し、絶縁層３を形成した後、該絶縁層３を介して電解銅メッキ法により、上記設計したアンテナ長を有するアンテナ配線４を作製した。その後、作製したアンテナ配線４の周波数特性を、ネットワークアナライザにより測定し、アンテナ配線４の共振周波数を求めた。その結果を表１に示す。
引き続き、作製したアンテナ配線４を前記ポリイミド樹脂によって覆い、被覆層５を形成した。その後、樹脂で被覆したアンテナの周波数特性を、ネットワークアナライザによりそれぞれ測定し、アンテナの共振周波数を求めた。その結果を、併せて表１に示す。

その結果、作製したアンテナ配線の共振周波数に示すとおり、アンテナが小型であることから作製されたアンテナ配線のアンテナ長にはバラツキがあり、目的とするオンチップアンテナが送受信する信号の周波数に合わせて適切に設計できず、所望の周波数に同調するようにアンテナの周波数特性を制御する必要があることがわかる。

次に、アンテナ配線を被覆する誘電体の誘電率によって、アンテナの共振周波数を適切に変化させることができることを確認した。
まず、上記方法にしたがって、目的とするオンチップアンテナが送受信する信号の周波数よりアンテナ配線の共振周波数が小さく作製されてしまった場合と、大きく作製されてしまった場合のアンテナ長を有するアンテナ配線４をそれぞれ用意した。
次いで、作製した各アンテナ本体４の周波数特性を、ネットワークアナライザにより測定し、アンテナ配線の共振周波数をそれぞれ求めた。その結果を表２に示す。

引き続き、アンテナ長の設計時に仮定した誘電率が３．２であるポリイミド樹脂と、該ポリイミド樹脂より誘電率が低く３．０であるポリベンズオキサゾール樹脂と、該ポリイミド樹脂より誘電率が高く３．４であるポリベンゾイミダゾール樹脂をそれぞれ準備し、前記アンテナ本体４を各樹脂によって覆い、被覆層５を形成した。
そして、各樹脂で被覆後のアンテナの周波数特性を、ネットワークアナライザによりそれぞれ測定し、アンテナの共振周波数をそれぞれ求めた。その結果を、表２に併せて示す。

その結果、目的とするオンチップアンテナが送受信する信号の周波数と、樹脂（誘電体）被覆後のアンテナの共振周波数との差から、測定したアンテナ配線の共振周波数から予想される被覆後のアンテナの共振周波数が、アンテナが送受信する信号の周波数よりも小さい場合は、あらかじめ設計した樹脂の誘電率である３．２より低い誘電率を有する樹脂を選択して、前記アンテナ配線を被覆することにより、電気的なアンテナ長を変化させて送受信する信号の周波数に同調するように、周波数特性が適切に制御可能となることがわかる。一方、測定したアンテナ配線の共振周波数から予想される被覆後のアンテナの共振周波数が、アンテナが送受信する信号の周波数よりも大きい場合は、あらかじめ設計した樹脂の誘電率である３．２より高い誘電率を有する樹脂を選択して、前記アンテナ配線を被覆することにより、電気的なアンテナ長を変化させて送受信する信号の周波数に同調するように、周波数特性が適切に制御可能となることがわかる。

本発明は、無線通信用アンテナ配線をＩＣチップ等の基板上に搭載する、たとえばＲＦ−ＩＤタグ等に使用されるオンチップアンテナのアンテナ素子に適用できる。

本発明のアンテナ素子の構造の一例を示す断面図である。 オンチップアンテナの周波数特性の制御方法のフローを示す図である。

符号の説明

１ アンテナ素子、２ 基板（ＩＣチップ）、３ 絶縁層、４ 配線層（アンテナ本体）、５ 被覆層（誘電体）。

Claims (3)

1. 電子回路が形成された基板と、該基板の一部を覆うように絶縁層を介して形成され、前記基板と電気的に接続された配線層と、該配線層を覆う部材と、を少なくとも備え、
   前記部材は、前記配線層が送受信する信号の波長を変化させる機能を有する誘電体であることを特徴とするアンテナ素子。
2. 前記誘電体は、樹脂又はセラミックであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ素子。
3. 電子回路が形成された基板と、該基板の一面を覆うように絶縁層を介して形成され、前記基板と電気的に接続された配線層と、該配線層を覆う部材と、を少なくとも備え、前記部材は、前記配線層が送受信する信号の波長を変化させる機能を有する誘電体であるアンテナ素子の製造方法であって、
   前記配線層を形成した後、前記配線層の周波数特性を測定する工程Ａと、
   前記工程Ａの測定に基づき、前記配線層を覆うように誘電体を設け、該配線層が送受信する信号の波長を変化させる工程Ｂと、
   を少なくとも備えることを特徴とするアンテナ素子の製造方法。
   

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