JP2023026301A - waveguide element - Google Patents

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順悟 近藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a waveguide element capable of ensuring excellent low propagation loss performance even when guiding an electromagnetic wave with a frequency of 30 GHz or more.
SOLUTION: A waveguide element 101 includes a waveguide member 11. The waveguide member 11 includes an inorganic material substrate 1 and a conductor layer provided on an upper part of the inorganic material substrate 1. A thickness t of the inorganic material substrate 1 satisfies the following equation (1). In the equation, t represents the thickness of the inorganic material substrate, λ represents a wavelength of an electromagnetic wave guided in the waveguide member, ε represents the relative permittivity of the inorganic material substrate, and a represents a number equal to or greater than 3.
SELECTED DRAWING: Figure 7
COPYRIGHT: (C)2023,JPO&INPIT

Description

本発明は、導波素子に関する。 The present invention relates to waveguide devices.

ミリ波~テラヘルツ波を導波する素子の1つとして、導波素子の開発が進められている。導波素子は、光導波路、次世代高速通信、センサ、レーザー加工、太陽光発電等の幅広い分野への応用および展開が期待されている。このような導波素子の一例として、厚み2mmの透明基板と、透明基板上に設けられるアンテナ導体と、透明基板におけるアンテナ導体と反対側の面に設けられる透明導電膜とを備えるマイクロストリップアンテナを用いた技術が提案されている(特許文献1)。
しかし、このような技術によれば、ミリ波~テラヘルツ波を導波すると、伝搬損失が顕著に増大するという問題がある。
As one of devices for guiding millimeter waves to terahertz waves, waveguide devices are being developed. Waveguide devices are expected to be applied and developed in a wide range of fields such as optical waveguides, next-generation high-speed communication, sensors, laser processing, and photovoltaic power generation. An example of such a waveguide element is a microstrip antenna comprising a transparent substrate having a thickness of 2 mm, an antenna conductor provided on the transparent substrate, and a transparent conductive film provided on the opposite side of the transparent substrate to the antenna conductor. A technique using this technique has been proposed (Patent Document 1).
However, according to such a technique, there is a problem that propagation loss increases significantly when millimeter waves to terahertz waves are guided.

国際公開第2019/107514号WO2019/107514

本発明の主たる目的は、周波数が30GHz以上である高周波数の電磁波を導波する場合であっても、優れた低伝搬損失性能を確保できる導波素子を提供することにある。 A main object of the present invention is to provide a waveguide element capable of ensuring excellent low propagation loss performance even when guiding high-frequency electromagnetic waves having a frequency of 30 GHz or higher.

本発明の実施形態による導波素子は、周波数が30GHz以上20THz以下である電磁波を導波可能な導波部材を備えている。前記導波部材は、無機材料基板と;前記無機材料基板の上部に設けられる導体層と;を備えている。前記無機材料基板の厚みtは、下記式(1)を満たしている。

Figure 2023026301000002
(式中、tは、無機材料基板の厚みを表す。λは、導波部材に導波される電磁波の波長を表す。εは、無機材料基板の比誘電率を表す。aは、3以上の数値を表す。)
1つの実施形態においては、上記式(1)において、aが6以上の数値を表す。
1つの実施形態においては、上記無機材料基板の300GHzにおける比誘電率εと誘電正接(誘電体損失)tanδは、それぞれ3.5以上12.0以下、0.003以下である。
1つの実施形態においては、上記無機材料基板は、石英ガラス基板である。
1つの実施形態においては、上記導体層は、コプレーナ型電極である。
1つの実施形態においては、上記導波部材を伝搬する電磁波の周波数が30GHz以上5THz以下において、上記無機材料基板の厚みは、10μm以上である。
1つの実施形態においては、上記導波素子は、上記無機材料基板において、上記導体層が形成される面とは反対側の面に接地電極を備えている。
1つの実施形態においては、上記導体層は、マイクロストリップ型電極であって、上記導波素子は、上記無機材料基板において、上記導体層が形成される面とは反対側の面に接地電極を備えている。
1つの実施形態においては、上記導波素子は、上記導波部材の下部に設けられ、上記導波部材を支持する支持基板を備えている。 A waveguide element according to an embodiment of the present invention includes a waveguide member capable of guiding an electromagnetic wave having a frequency of 30 GHz or more and 20 THz or less. The waveguide member includes an inorganic material substrate; and a conductor layer provided on the inorganic material substrate. The thickness t of the inorganic material substrate satisfies the following formula (1).
Figure 2023026301000002
(Wherein, t represents the thickness of the inorganic material substrate, λ represents the wavelength of the electromagnetic wave guided by the waveguide member, ε represents the dielectric constant of the inorganic material substrate, and a is 3 or more. represents the numerical value of
In one embodiment, a represents a numerical value of 6 or more in the above formula (1).
In one embodiment, the dielectric constant ε and the dielectric loss tangent (dielectric loss) tan δ of the inorganic material substrate at 300 GHz are 3.5 or more and 12.0 or less and 0.003 or less, respectively.
In one embodiment, the inorganic material substrate is a quartz glass substrate.
In one embodiment, the conductor layer is a coplanar electrode.
In one embodiment, the thickness of the inorganic material substrate is 10 μm or more when the frequency of the electromagnetic wave propagating through the waveguide member is 30 GHz or more and 5 THz or less.
In one embodiment, the waveguide element includes a ground electrode on the surface of the inorganic material substrate opposite to the surface on which the conductor layer is formed.
In one embodiment, the conductor layer is a microstrip electrode, and the waveguide element has a ground electrode on the surface of the inorganic material substrate opposite to the surface on which the conductor layer is formed. I have.
In one embodiment, the waveguide element includes a support substrate provided under the waveguide member and supporting the waveguide member.

本発明の実施形態によれば、周波数が30GHz以上である高周波数の電磁波を導波する場合であっても、優れた低伝搬損失性能を確保できる導波素子を実現することができる。 According to the embodiments of the present invention, it is possible to realize a waveguide element that can ensure excellent low propagation loss performance even when guiding high-frequency electromagnetic waves having a frequency of 30 GHz or higher.

本発明の実施形態による導波素子の概略斜視図である。1 is a schematic perspective view of a waveguide element according to an embodiment of the invention; FIG. 図1の導波素子のII-II´断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the waveguide element of FIG. 1 taken along the line II-II'; 本発明の別の実施形態による導波素子の概略斜視図である。FIG. 5 is a schematic perspective view of a waveguide element according to another embodiment of the invention; 図3の導波素子のIV-IV´断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the waveguide device of FIG. 3 taken along line IV-IV'; 本発明のさらに別の実施形態による導波素子の概略斜視図である。FIG. 5 is a schematic perspective view of a waveguide element according to yet another embodiment of the invention; 図5の導波素子のVI-VI´断面図である。FIG. 6 is a VI-VI′ cross-sectional view of the waveguide element of FIG. 5; 本発明のさらに別の実施形態による導波素子の概略斜視図である。FIG. 5 is a schematic perspective view of a waveguide element according to yet another embodiment of the invention; 図7の導波素子のVIII-VIII´断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of the waveguide element of FIG. 7 taken along line VIII-VIII';

以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。
A.導波素子の全体構成
A-1.導波素子100の全体構成
図1は、本発明の1つの実施形態による導波素子の概略斜視図であり;図2は、図1の導波素子のII-II´断面図である。
図示例の導波素子100は、導波部材10を備えている。導波部材10は、周波数が30GHz以上20THz以下である電磁波、言い換えれば、ミリ波~テラヘルツ波の電磁波を導波可能である。なお、ミリ波とは、代表的には周波数が30GHz~300GHz程度の電磁波であり;テラヘルツ波とは、代表的には周波数が300GHz~20THz程度の電磁波である。
導波部材10は、無機材料基板1と;無機材料基板1の上部に設けられる導体層6と;を備える。無機材料基板1の厚みは、下記式(1)を満たす。

Figure 2023026301000003
(式中、tは、無機材料基板の厚みを表す。λは、導波部材に導波される電磁波の波長を表す。εは、無機材料基板の比誘電率を表す。aは、3以上の数値を表す。)
無機材料基板の厚みが上記式(1)を満足すると、導波部材が上記した高周波数の電磁波を導波する場合であっても、スラブモードの誘起を抑制でき、導波部材が支持基板に支持される構成では基板共振の発生を抑制できる。
そのため、上記導波素子は、上記した高周波数の電磁波を導波する場合であっても、伝搬損失が増大することを抑制でき、優れた低伝搬損失性能を確保できる。
また、導波素子は小型化の開発が進められており、将来的には回路の集積化が見込まれるため、導波部材(線路構造)もそれに伴う小型化が求められると予想される。上記の導波素子では、導波部材(線路構造)が備える無機材料基板の薄板化が図られているので、優れた低伝搬損失性能を確保しながら、小型化の要望にも対応することができる。 Embodiments of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these embodiments.
A. Overall Configuration of Waveguide Device A-1. Overall Configuration of Waveguide Device 100 FIG. 1 is a schematic perspective view of a waveguide device according to one embodiment of the present invention; FIG. 2 is a II-II' sectional view of the waveguide device of FIG.
A waveguide element 100 in the illustrated example includes a waveguide member 10 . The waveguide member 10 can guide electromagnetic waves having a frequency of 30 GHz or more and 20 THz or less, in other words, electromagnetic waves of millimeter waves to terahertz waves. Note that millimeter waves are typically electromagnetic waves with a frequency of about 30 GHz to 300 GHz; terahertz waves are typically electromagnetic waves with a frequency of about 300 GHz to 20 THz.
The waveguide member 10 includes an inorganic material substrate 1 and a conductor layer 6 provided on the inorganic material substrate 1 . The thickness of the inorganic material substrate 1 satisfies the following formula (1).
Figure 2023026301000003
(Wherein, t represents the thickness of the inorganic material substrate, λ represents the wavelength of the electromagnetic wave guided by the waveguide member, ε represents the dielectric constant of the inorganic material substrate, and a is 3 or more. represents the numerical value of
When the thickness of the inorganic material substrate satisfies the above formula (1), even when the waveguide member guides the above-described high-frequency electromagnetic wave, the induction of the slab mode can be suppressed, and the waveguide member can be attached to the support substrate. The supported configuration can suppress the occurrence of substrate resonance.
Therefore, even when the waveguide element guides the above-described high-frequency electromagnetic waves, it is possible to suppress an increase in propagation loss and to ensure excellent low propagation loss performance.
In addition, since waveguide devices are being developed for miniaturization, and it is expected that circuits will be integrated in the future, it is expected that waveguide members (line structures) will also be required to be miniaturized accordingly. In the above-mentioned waveguide element, the inorganic material substrate included in the waveguide member (line structure) is made thinner, so it is possible to meet the demand for miniaturization while ensuring excellent low propagation loss performance. can.

1つの実施形態において、上記式(1)において、aは6以上の数値を表す。
無機材料基板の厚みが、aが6以上の数値を表す式(1)を満足すると、上記した高周波数の電磁波を導波する場合の伝搬損失の低減を安定して図ることができる。
In one embodiment, a represents a numerical value of 6 or more in the above formula (1).
When the thickness of the inorganic material substrate satisfies the formula (1) expressing a numerical value in which a is 6 or more, it is possible to stably reduce the propagation loss when guiding the above-described high-frequency electromagnetic wave.

無機材料基板1の300GHzにおける比誘電率εは、代表的には3.5以上であり、代表的には12.0以下、好ましくは10.0以下、より好ましくは5.0以下である。
無機材料基板1の300GHzにおける誘電正接(誘電体損失)tanδは、代表的には0.0030以下、好ましくは0.0020以下、より好ましくは0.0015以下である。
無機材料基板の比誘電率εおよび誘電正接(誘電体損失)tanδが上記の範囲であると、上記した高周波数の電磁波(特に300GHz以上の電磁波)を導波する場合の伝搬損失の低減をより安定して図り得る。なお、比誘電率εおよび誘電正接(誘電体損失)tanδは、テラヘルツ時間領域分光法によって測定できる。また、本明細書において、比誘電率および誘電正接に関して測定周波数の言及がない場合、300GHzにおける比誘電率および誘電正接を意味する。
The dielectric constant ε of the inorganic material substrate 1 at 300 GHz is typically 3.5 or more, typically 12.0 or less, preferably 10.0 or less, more preferably 5.0 or less.
The dielectric loss tangent (dielectric loss) tan δ of the inorganic material substrate 1 at 300 GHz is typically 0.0030 or less, preferably 0.0020 or less, more preferably 0.0015 or less.
When the dielectric constant ε and the dielectric loss tangent (dielectric loss) tan δ of the inorganic material substrate are within the above ranges, the propagation loss can be further reduced when guiding the above-described high-frequency electromagnetic waves (especially electromagnetic waves of 300 GHz or higher). It can be stably planned. The dielectric constant ε and dielectric loss tangent (dielectric loss) tan δ can be measured by terahertz time domain spectroscopy. Moreover, in this specification, when there is no mention of the measurement frequency with respect to the dielectric constant and the dielectric loss tangent, it means the dielectric constant and the dielectric loss tangent at 300 GHz.

上記式(1)を満たす無機材料基板1の厚みは、具体的には1μm以上、好ましくは2μm以上、より好ましくは10μm以上、さらに好ましくは20μm以上であり、例えば1700μm以下、好ましくは500μm以下、より好ましくは200μm以下、さらに好ましくは100μm以下である。また、導波部材を伝搬する電磁波の周波数が30GHz以上5THz以下である場合、無機材料基板1の厚みは、好ましくは10μm以上である。
無機材料基板1の厚みが上記下限を下回ると、導波素子を構成する電極の厚みや幅が数μm程度まで小さくなり、表皮効果による影響で伝搬損失が大きくなることに加え、製造ばらつきによる線路性能のトレランスが著しく低下する。
無機材料基板1の厚みが上記上限以下であると、スラブモードの誘起や基板共振の発生が抑制され、広い周波数範囲にわたって伝搬損失が小さい(すなわち、広帯域の)導波素子を実現できる。
The thickness of the inorganic material substrate 1 that satisfies the above formula (1) is specifically 1 μm or more, preferably 2 μm or more, more preferably 10 μm or more, still more preferably 20 μm or more, for example 1700 μm or less, preferably 500 μm or less, It is more preferably 200 μm or less, still more preferably 100 μm or less. Moreover, when the frequency of the electromagnetic wave propagating through the waveguide member is 30 GHz or more and 5 THz or less, the thickness of the inorganic material substrate 1 is preferably 10 μm or more.
If the thickness of the inorganic material substrate 1 is less than the above lower limit, the thickness and width of the electrodes constituting the waveguide element are reduced to about several μm, and the propagation loss increases due to the skin effect. Performance tolerance is significantly reduced.
When the thickness of the inorganic material substrate 1 is equal to or less than the above upper limit, the induction of slab mode and the occurrence of substrate resonance are suppressed, and a waveguide element with small propagation loss over a wide frequency range (that is, broadband) can be realized.

図示例の導波部材10は、コプレーナ線路を構成する。すなわち、導波部材10の導体層6は、コプレーナ型電極2である。
コプレーナ型電極2は、無機材料基板1の上面に設けられている。コプレーナ型電極2は、信号電極2aと、第1接地電極2bと、第2接地電極2cとからなる。信号電極2aは、所定方向に延びる線形状を有している。信号電極2aの幅wは、例えば2μm以上、好ましくは20μm以上、例えば200μm以下、好ましくは150μm以下である。第1接地電極2bは、信号電極2aの長手方向と直交する方向に信号電極2aに対して間隔を空けて配置されている。第2接地電極2cは、信号電極2aの長手方向と直交する方向において、信号電極2aに対して第1接地電極2bの反対側に位置し、信号電極2aに対して間隔を空けて配置されている。これによって、信号電極2aと、接地電極2b、2cとの間には、信号電極2aの長手方向に延びる空隙部(スリット)が形成される。当該空隙部(スリット)の幅gは、例えば2μm以上、好ましくは5μm以上、例えば100μm以下、好ましくは80μm以下である。
The waveguide member 10 in the illustrated example constitutes a coplanar line. That is, the conductor layer 6 of the waveguide member 10 is the coplanar electrode 2 .
A coplanar electrode 2 is provided on the upper surface of the inorganic material substrate 1 . The coplanar electrode 2 consists of a signal electrode 2a, a first ground electrode 2b, and a second ground electrode 2c. The signal electrode 2a has a linear shape extending in a predetermined direction. The width w of the signal electrode 2a is, for example, 2 μm or more, preferably 20 μm or more, and for example, 200 μm or less, preferably 150 μm or less. The first ground electrode 2b is spaced apart from the signal electrode 2a in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the signal electrode 2a. The second ground electrode 2c is located on the side opposite to the first ground electrode 2b with respect to the signal electrode 2a in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the signal electrode 2a, and is spaced apart from the signal electrode 2a. there is Thus, a gap (slit) extending in the longitudinal direction of the signal electrode 2a is formed between the signal electrode 2a and the ground electrodes 2b and 2c. The width g of the gap (slit) is, for example, 2 μm or more, preferably 5 μm or more, and for example, 100 μm or less, preferably 80 μm or less.

このようなコプレーナ線路では、コプレーナ型電極2に電圧が印加されると、信号電極2aと接地電極2b、2cとの間に電界が生じる。上記した高周波数の電磁波は、導波素子100に入力されると、信号電極2aと接地電極2b、2cとの間に生じた電界と結合して、無機材料基板1中を伝搬する。 In such a coplanar line, when a voltage is applied to the coplanar electrode 2, an electric field is generated between the signal electrode 2a and the ground electrodes 2b and 2c. When the above-described high-frequency electromagnetic wave is input to the waveguide element 100, it is coupled with the electric field generated between the signal electrode 2a and the ground electrodes 2b and 2c and propagates through the inorganic material substrate 1. FIG.

図示例の導波素子100は、導波部材10の下部に設けられ、導波部材10を支持する支持基板20をさらに備える。
導波素子が支持基板を備えると、導波素子の機械的強度を高めることができる一方、導波部材が上記した高周波数の電磁波を導波したときに、基板を含めた厚みで基板共振が起こり、伝搬損失が増加する場合がある。
しかし、上記の構成では、無機材料基板の厚みが上記式(1)を満足しており、かつ、支持基板と導波部材との誘電率が異なるので、導波部材が上記した高周波数の電磁波を導波する場合であっても、基板共振の発生も抑制できる。そのため、上記導波素子が、支持基板を備え、かつ、上記した高周波数の電磁波を導波する場合であっても、伝搬損失が増大することを抑制できる。
この観点から、導波部材と支持基板の誘電率は差が大きいほどよく、さらに支持基板の誘電率は導波部材の誘電率より小さい方がよい。また、支持基板の誘電率が、導波部材の誘電率よりも大きい場合には、誘電率の小さい層を導波部材と支持基板との間に設けてもよい。
さらに、完全に基板共振を抑制するために、後述のようにグランド付きコプレーナ線路やマイクロストリップ線路を採用することができる。
The waveguide element 100 of the illustrated example further includes a support substrate 20 that is provided under the waveguide member 10 and supports the waveguide member 10 .
If the waveguide element is provided with a support substrate, the mechanical strength of the waveguide element can be increased. On the other hand, when the waveguide member guides the above-described high-frequency electromagnetic wave, substrate resonance occurs in the thickness including the substrate. may occur and increase propagation loss.
However, in the above configuration, the thickness of the inorganic material substrate satisfies the above formula (1), and the dielectric constants of the support substrate and the waveguide member are different. , the occurrence of substrate resonance can also be suppressed. Therefore, even when the waveguide element has a support substrate and guides the high-frequency electromagnetic wave, it is possible to suppress an increase in propagation loss.
From this point of view, the larger the difference between the dielectric constants of the waveguide member and the support substrate, the better, and the lower the dielectric constant of the support substrate, the better. Further, when the dielectric constant of the support substrate is higher than that of the waveguide member, a layer with a small dielectric constant may be provided between the waveguide member and the support substrate.
Furthermore, in order to completely suppress substrate resonance, a grounded coplanar line or microstrip line can be employed as described later.

図示例の導波素子100では、導波部材を支持する支持基板を備えているが、本発明の導波素子は、支持基板を備えなくてもよい。言い換えれば、導波素子は、導波部材のみからなってもよい。後述する導波素子101および導波素子102においても同様である。 Although the waveguide element 100 of the illustrated example includes a support substrate for supporting the waveguide member, the waveguide element of the present invention may not include a support substrate. In other words, the waveguide element may consist only of the waveguide member. The same applies to waveguide element 101 and waveguide element 102, which will be described later.

A-2.導波素子101の全体構成
図3は、本発明の別の実施形態による導波素子の概略斜視図であり;図4は、図3の導波素子のIV-IV´断面図である。
図示例の導波素子101では、導波部材11が、グランド付きコプレーナ線路を構成し、コプレーナ型電極2と、無機材料基板1と、接地電極3とを備えている。接地電極3は、無機材料基板1において、コプレーナ型電極2(導体層6)が形成される面とは反対側の面に設けられている。図示例の導波素子101において、接地電極3は、無機材料基板1と支持基板20との間に位置する。
導波部材11が接地電極3を備えていると、信号電極2aと接地電極2b、2cとの間に生じる電界が、無機材料基板1から支持基板20に漏洩することを抑制し、基板共振や浮遊容量発生による伝搬損失低減を抑制できる。
信号電極2aの幅wは、例えば2μm以上、好ましくは20μm以上、例えば300μm以下、好ましくは250μm以下である。空隙部(スリット)の幅gは、例えば2μm以上、好ましくは5μm以上、例えば200μm以下、好ましくは150μm以下である。
A-2. Overall Configuration of Waveguide Element 101 FIG. 3 is a schematic perspective view of a waveguide element according to another embodiment of the present invention; FIG. 4 is a IV-IV' sectional view of the waveguide element of FIG.
In the illustrated waveguide element 101 , the waveguide member 11 constitutes a grounded coplanar line and includes a coplanar electrode 2 , an inorganic material substrate 1 , and a ground electrode 3 . The ground electrode 3 is provided on the surface of the inorganic material substrate 1 opposite to the surface on which the coplanar electrode 2 (conductor layer 6) is formed. In the waveguide element 101 of the illustrated example, the ground electrode 3 is positioned between the inorganic material substrate 1 and the support substrate 20 .
When the waveguide member 11 has the ground electrode 3, the electric field generated between the signal electrode 2a and the ground electrodes 2b and 2c is suppressed from leaking from the inorganic material substrate 1 to the support substrate 20, and substrate resonance and Reduction in propagation loss due to floating capacitance generation can be suppressed.
The width w of the signal electrode 2a is, for example, 2 μm or more, preferably 20 μm or more, and for example, 300 μm or less, preferably 250 μm or less. The width g of the gap (slit) is, for example, 2 μm or more, preferably 5 μm or more, and for example, 200 μm or less, preferably 150 μm or less.

また、図7および図8に示すように、接地電極2b、2cと、接地電極3とは導通していてもよい。接地電極2b、2cと接地電極3とが導通していると、グランドを強化でき、周囲の線路や素子による浮遊容量を抑制できる。
図示例では、無機材料基板1に複数のビアホールが形成されており、各ビアホール内に位置するビア5によって、第1接地電極2bおよび接地電極3と、第2接地電極2cおよび接地電極3とのそれぞれが、短絡されている。第1接地電極2bおよび接地電極3を短絡するビア5と、第2接地電極2cおよび接地電極3を短絡するビア5とは、信号電極2aの長手方向と交差する方向に互いに間隔を空けて配置されている。ビア5は、代表的には導電膜である。複数のビアホールの配置は特に制限されないが、図示例では、複数のビアホールが、信号電極2aの長手方向に並んでいる。
Further, as shown in FIGS. 7 and 8, the ground electrodes 2b, 2c and the ground electrode 3 may be electrically connected. When the ground electrodes 2b, 2c and the ground electrode 3 are electrically connected, the ground can be strengthened and the stray capacitance due to the surrounding lines and elements can be suppressed.
In the illustrated example, a plurality of via holes are formed in the inorganic material substrate 1, and the first ground electrode 2b and the ground electrode 3 and the second ground electrode 2c and the ground electrode 3 are connected by the vias 5 located in each via hole. Each is shorted. The via 5 that short-circuits the first ground electrode 2b and the ground electrode 3 and the via 5 that short-circuits the second ground electrode 2c and the ground electrode 3 are spaced apart from each other in the direction crossing the longitudinal direction of the signal electrode 2a. It is The via 5 is typically a conductive film. The arrangement of the plurality of via holes is not particularly limited, but in the illustrated example, the plurality of via holes are arranged in the longitudinal direction of the signal electrode 2a.

A-3.導波素子102の全体構成
図5は、本発明のさらに別の実施形態による導波素子の概略斜視図であり;図6は、図5の導波素子のVI-VI´断面図である。
図示例の導波素子102では、導波部材12が、マイクロストリップ線路を構成し、導体層6としてのマイクロストリップ型電極4と、無機材料基板1と、接地電極3とを備えている。
マイクロストリップ型電極4は、所定方向に延びる平帯形状を有している。マイクロストリップ型電極4の幅wは、例えば100μm以上、好ましくは300μm以上、例えば800μm以下、好ましくは500μm以下である。
接地電極3は、無機材料基板1において、マイクロストリップ型電極4(導体層6)が形成される面とは反対側の面に設けられている。図示例の導波素子102において、接地電極3は、無機材料基板1と支持基板20との間に位置する。
A-3. Overall Configuration of Waveguide Element 102 FIG. 5 is a schematic perspective view of a waveguide element according to yet another embodiment of the present invention; FIG. 6 is a VI-VI' sectional view of the waveguide element of FIG.
In the illustrated waveguide element 102 , the waveguide member 12 constitutes a microstrip line and includes a microstrip electrode 4 as a conductor layer 6 , an inorganic material substrate 1 , and a ground electrode 3 .
The microstrip electrode 4 has a flat belt shape extending in a predetermined direction. The width w of the microstrip electrode 4 is, for example, 100 μm or more, preferably 300 μm or more, for example 800 μm or less, preferably 500 μm or less.
The ground electrode 3 is provided on the surface of the inorganic material substrate 1 opposite to the surface on which the microstrip electrode 4 (conductor layer 6) is formed. In the illustrated waveguide element 102 , the ground electrode 3 is positioned between the inorganic material substrate 1 and the support substrate 20 .

このようなマイクロストリップ線路では、マイクロストリップ型電極4および接地電極3に電圧が印加されると、マイクロストリップ型電極4と接地電極3との間に電界が生じる。上記した高周波数の電磁波は、導波素子102に入力されると、マイクロストリップ型電極4と接地電極3との間に生じた電界と結合して、無機材料基板1中を伝搬する。 In such a microstrip line, an electric field is generated between the microstrip electrode 4 and the ground electrode 3 when a voltage is applied to the microstrip electrode 4 and the ground electrode 3 . When the above-described high-frequency electromagnetic wave is input to waveguide element 102 , it is coupled with the electric field generated between microstrip electrode 4 and ground electrode 3 and propagates through inorganic material substrate 1 .

本明細書において「導波素子」は、少なくとも1つの導波素子が形成されたウエハー(導波素子ウエハー)および当該導波素子ウエハーを切断して得られるチップの両方を包含する。 As used herein, the term "waveguide element" includes both a wafer on which at least one waveguide element is formed (waveguide element wafer) and a chip obtained by cutting the waveguide element wafer.

B.無機材料基板
無機材料基板1は、導体層6が設けられる上面と、複合基板内に位置する下面と、を有する。
無機材料基板1は、無機材料で構成されている。無機材料として、本発明の実施形態による効果が得られる限りにおいて任意の適切な材料が用いられ得る。そのような材料としては、代表的には、単結晶石英(比誘電率4.5、誘電正接0.0013)、アモルファス石英(石英ガラス、比誘電率3.8、誘電正接0.0010)、スピネル(比誘電率8.3、誘電正接0.0020)、AlN(比誘電率8.5、誘電正接0.0015)、サファイア(比誘電率9.4、誘電正接0.0030)、SiC(比誘電率9.8、誘電正接0.0022)、酸化マグネシウム(比誘電率10.0、誘電正接0.0012)、および、シリコン(比誘電率11.7、誘電正接0.0016)が挙げられる。無機材料基板1は、好ましくはアモルファス石英から構成される石英ガラス基板である。
無機材料基板1が石英ガラス基板であると、上記した高周波数の電磁波を導波する場合であっても、伝搬損失が増大することをより一層安定して抑制できる。さらに樹脂系の基板と比較して誘電率が大きいので基板サイズが小さくできる、また無機材料の中で比較的に誘電率が小さいので低遅延化で有利である。
B. Inorganic Material Substrate The inorganic material substrate 1 has an upper surface on which the conductor layer 6 is provided and a lower surface located within the composite substrate.
The inorganic material substrate 1 is made of an inorganic material. Any appropriate material can be used as the inorganic material as long as the effects of the embodiments of the present invention can be obtained. Typical examples of such materials include single crystal quartz (dielectric constant 4.5, dielectric loss tangent 0.0013), amorphous quartz (quartz glass, dielectric constant 3.8, dielectric loss tangent 0.0010), Spinel (relative dielectric constant 8.3, dielectric loss tangent 0.0020), AlN (relative dielectric constant 8.5, dielectric loss tangent 0.0015), sapphire (relative dielectric constant 9.4, dielectric loss tangent 0.0030), SiC ( dielectric constant 9.8, dielectric loss tangent 0.0022), magnesium oxide (relative dielectric constant 10.0, dielectric loss tangent 0.0012), and silicon (relative dielectric constant 11.7, dielectric loss tangent 0.0016). be done. The inorganic material substrate 1 is preferably a quartz glass substrate made of amorphous quartz.
If the inorganic material substrate 1 is a quartz glass substrate, it is possible to more stably suppress an increase in propagation loss even when the above-described high-frequency electromagnetic wave is guided. In addition, since the dielectric constant is larger than that of a resin-based substrate, the size of the substrate can be reduced, and since the dielectric constant is relatively small among inorganic materials, it is advantageous in reducing the delay.

C.導体層および接地電極
導体層6は、代表的には金属で構成される。金属として、例えば、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)が挙げられる。金属は、単独でまたは組み合わせて使用できる。導体層6は、単一層であってもよく、2層以上が積層されて形成されてもよい。導体層6は、例えばスパッタリングによって無機材料基板1上に形成される。
導体層6の厚みは、例えば1μm以上、好ましくは4μm以上であり、例えば20μm以下、好ましくは10μm以下である。
また、接地電極3は、導体層6と同様の金属で構成され、接地電極3の厚みの範囲は、導体層6の厚みの範囲と同様である。
C. Conductor Layer and Ground Electrode Conductor layer 6 is typically made of metal. Examples of metal include chromium (Cr), nickel (Ni), and copper (Cu). Metals can be used alone or in combination. The conductor layer 6 may be a single layer, or may be formed by laminating two or more layers. The conductor layer 6 is formed on the inorganic material substrate 1 by sputtering, for example.
The thickness of the conductor layer 6 is, for example, 1 μm or more, preferably 4 μm or more, and is, for example, 20 μm or less, preferably 10 μm or less.
The ground electrode 3 is made of the same metal as the conductor layer 6 , and the thickness range of the ground electrode 3 is the same as the thickness range of the conductor layer 6 .

D.支持基板
支持基板20は、複合基板内に位置する上面と、外部に露出する下面と、を有する。支持基板20は、複合基板の強度を高めるために設けられており、これにより、無機材料基板の厚みを、上記式(1)を満たすように薄くすることができる。支持基板20としては、任意の適切な構成が採用され得る。支持基板20を構成する材料の具体例としては、インジウムリン(InP)、シリコン(Si)、ガラス、サイアロン(Si-Al)、ムライト(3Al・2SiO,2Al・3SiO)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al)、スピネル(MgAl)、サファイア、石英、水晶、窒化ガリウム(GaN)、シリコンカーバイド(SiC)、シリコンナイトライド(Si)、酸化ガリウム(Ga)が挙げられる。
支持基板20は、好ましくはインジウムリン、シリコン、窒化アルミニウム、シリコンカーバイドおよびシリコンナイトライドからなる群から選択される少なくとも1種から構成され、より好ましくはシリコンから構成される。
導波素子100に発振器や受信器等の能動素子を実装する場合、無機材料基板が加熱し、その他の能動素子や実装部品の特性が劣化してしまう恐れがある。これを防ぐために、支持基板には熱伝導率の高い材料を使用することができる。この場合、熱伝導率は150W/Km以上であることが好ましく、この観点において支持基板20は、シリコン(Si)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、シリコンカーバイド(SiC)、シリコンナイトライド(Si)が挙げられる。
なお、支持基板20を構成する材料の線膨張係数は、無機材料基板1を構成する材料の線膨張係数に近いほど好ましい。このような構成であれば、複合基板の熱変形(代表的には、反り)を抑制することができる。好ましくは、支持基板20を構成する材料の線膨張係数は、無機材料基板1を構成する材料の線膨張係数に対して50%~150%の範囲内である。
また、コプレーナ線路では支持基板20を構成する材料の誘電正接は小さいほうが好ましい。コプレーナ線路の場合、導波部材の厚みが小さくなると、伝搬する電磁波が支持基板に染み出すことがあり、誘電正接を小さくすることで伝搬損失を抑制することができる。この観点で、誘電正接は0.07以下であることが好ましい。
D. Support Substrate The support substrate 20 has an upper surface located within the composite substrate and a lower surface exposed to the outside. The support substrate 20 is provided to increase the strength of the composite substrate, thereby making it possible to reduce the thickness of the inorganic material substrate so as to satisfy the above formula (1). Any appropriate configuration can be adopted as the support substrate 20 . Specific examples of materials constituting the support substrate 20 include indium phosphide (InP), silicon (Si), glass, sialon (Si 3 N 4 —Al 2 O 3 ), mullite (3Al 2 O 3.2SiO 2 , 2Al). 2O3.3SiO2 ) , aluminum nitride (AlN ) , magnesium oxide (MgO), aluminum oxide ( Al2O3 ), spinel ( MgAl2O4 ), sapphire, quartz , crystal, gallium nitride (GaN ) , silicon Carbide (SiC), silicon nitride ( Si3N4 ) , and gallium oxide ( Ga2O3 ) can be mentioned.
Support substrate 20 preferably comprises at least one selected from the group consisting of indium phosphide, silicon, aluminum nitride, silicon carbide and silicon nitride, and more preferably comprises silicon.
When an active element such as an oscillator or a receiver is mounted on the waveguide element 100, the inorganic material substrate may be heated, degrading the characteristics of other active elements and mounted parts. To prevent this, a material with high thermal conductivity can be used for the support substrate. In this case, the thermal conductivity is preferably 150 W/Km or more, and from this point of view, the support substrate 20 is composed of silicon (Si), aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC), silicon night Ride (Si 3 N 4 ) can be mentioned.
It is preferable that the coefficient of linear expansion of the material forming the support substrate 20 is closer to the coefficient of linear expansion of the material forming the inorganic material substrate 1 . With such a configuration, thermal deformation (typically, warpage) of the composite substrate can be suppressed. Preferably, the coefficient of linear expansion of the material forming the support substrate 20 is in the range of 50% to 150% of the coefficient of linear expansion of the material forming the inorganic material substrate 1 .
Further, in the coplanar line, it is preferable that the dielectric loss tangent of the material forming the support substrate 20 is small. In the case of a coplanar line, when the thickness of the waveguide member is reduced, propagating electromagnetic waves may seep into the supporting substrate, and propagation loss can be suppressed by reducing the dielectric loss tangent. From this point of view, the dielectric loss tangent is preferably 0.07 or less.

支持基板20は、代表的には、導波部材(導波部材10、11、12)と直接接合することにより、導波部材(導波部材10、11、12)を支持している。本明細書において「直接接合」とは、接着剤を介在させることなく2つの層または基板が接合していることを意味する。直接接合の形態は、互いに接合される層または基板の構成に応じて適切に設定され得る。
直接接合によりそれらを一体化することで、導波素子における剥離を良好に抑制することができ、結果として、このような剥離に起因する無機材料基板の損傷(例えば、クラック)を良好に抑制することができる。
図示しないが、導波素子(導波素子100、101、102のそれぞれ)は、導波部材(導波部材10、11、12)と、支持基板20との間に設けられ、導波部材10と支持基板20とを接合する接合部をさらに備えていてもよい。
具体的には、図1および図2に示す導波素子100では、接合部は、無機材料基板1と支持基板20との間に位置し、それらを一体化してもよい。また、図3および図4に示す導波素子101では、接合部は、接地電極3と支持基板20との間に位置し、それらを一体化してもよい。また、図5および図6に示す導波素子102では、接合部は、接地電極3と支持基板20との間に位置し、それらを一体化してもよい。
The support substrate 20 typically supports the waveguide members (waveguide members 10, 11 and 12) by directly bonding to the waveguide members (waveguide members 10, 11 and 12). As used herein, "direct bonding" means that two layers or substrates are bonded without an intervening adhesive. The form of direct bonding can be appropriately set according to the configuration of the layers or substrates to be bonded together.
By integrating them by direct bonding, delamination in the waveguide element can be suppressed satisfactorily, and as a result, damage (for example, cracks) to the inorganic material substrate caused by such delamination can be satisfactorily suppressed. be able to.
Although not shown, the waveguide elements (waveguide elements 100, 101, and 102, respectively) are provided between the waveguide members (waveguide members 10, 11, and 12) and the support substrate 20. and the support substrate 20 may be further provided.
Specifically, in the waveguide device 100 shown in FIGS. 1 and 2, the junction may be positioned between the inorganic material substrate 1 and the support substrate 20 to integrate them. Moreover, in the waveguide element 101 shown in FIGS. 3 and 4, the junction may be positioned between the ground electrode 3 and the support substrate 20, and they may be integrated. Moreover, in the waveguide element 102 shown in FIGS. 5 and 6, the junction may be positioned between the ground electrode 3 and the support substrate 20 to integrate them.

接合部は、1層であってもよく、2層以上が積層されていてもよい。接合部として、例えば、SiO層、アモルファスシリコン層、酸化タンタル層が挙げられる。接合部の厚みは、例えば0.1μm以上3μm以下である。 The joint portion may be one layer, or two or more layers may be laminated. The junction includes, for example, a SiO2 layer, an amorphous silicon layer, and a tantalum oxide layer. The thickness of the joint portion is, for example, 0.1 μm or more and 3 μm or less.

直接接合は、例えば、以下の手順で実現され得る。高真空チャンバー内(例えば、1×10-6Pa程度)において、接合される構成要素(層または基板)のそれぞれの接合面に中性化ビームを照射する。これより、各接合面が活性化される。次いで、真空雰囲気で、活性化された接合面同士を接触させ、常温で接合する。この接合時の荷重は、例えば100N~20000Nであり得る。1つの実施形態においては、中性化ビームによる表面活性化を行う際には、チャンバーに不活性ガスを導入し、チャンバー内に配置した電極へ直流電源から高電圧を印加する。このような構成であれば、電極(正極)とチャンバー(負極)との間に生じる電界により電子が運動して、不活性ガスによる原子とイオンのビームが生成される。グリッドに達したビームのうち、イオンビームはグリッドで中和されるので、中性原子のビームが高速原子ビーム源から出射される。ビームを構成する原子種は、好ましくは不活性ガス元素(例えば、アルゴン(Ar)、窒素(N))である。ビーム照射による活性化時の電圧は例えば0.5kV~2.0kVであり、電流は例えば50mA~200mAである。なお、直接接合の方法は、これに限定されることはなく、FAB(Fast Atom Beam)やイオンガンによる表面活性化法、原子拡散法、プラズマ接合法等も適用できる。 Direct bonding can be realized, for example, by the following procedure. In a high-vacuum chamber (eg, about 1×10 −6 Pa), a neutralizing beam is applied to each bonding surface of the components (layers or substrates) to be bonded. Thereby, each joint surface is activated. Next, in a vacuum atmosphere, the activated bonding surfaces are brought into contact with each other and bonded at room temperature. The load during this joining may be, for example, 100N to 20000N. In one embodiment, when performing surface activation with a neutralizing beam, an inert gas is introduced into the chamber, and a high voltage is applied from a DC power supply to the electrodes arranged in the chamber. With such a configuration, electrons move due to the electric field generated between the electrode (positive electrode) and the chamber (negative electrode), and a beam of atoms and ions is generated by the inert gas. Of the beams that reach the grid, the ion beam is neutralized by the grid, so that a beam of neutral atoms is emitted from the fast atom beam source. The atomic species that make up the beam are preferably inert gas elements (eg, argon (Ar), nitrogen (N)). The voltage during activation by beam irradiation is, for example, 0.5 kV to 2.0 kV, and the current is, for example, 50 mA to 200 mA. The direct bonding method is not limited to this, and FAB (Fast Atom Beam), a surface activation method using an ion gun, an atomic diffusion method, a plasma bonding method, or the like can also be applied.

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

<実施例1>
1-1.導波素子(コプレーナ線路)の作製
図1および図2に示す導波素子を作製した。
<Example 1>
1-1. Fabrication of Waveguide Device (Coplanar Line) The waveguide device shown in FIGS. 1 and 2 was fabricated.

0.5mm厚みの石英ガラスウエハー(石英ガラス基板、無機材料基板)を用意して、石英ガラスウエハー上に、0.2μmのアモルファスシリコン膜をスパッタにて形成した。成膜後、アモルファスシリコン膜を研磨して、平坦化処理をした。ここで、原子間力顕微鏡を用いて、アモルファスシリコン膜の表面の□10μmの算術平均粗さを測定したところ、0.2nmであった。 A quartz glass wafer (quartz glass substrate, inorganic material substrate) having a thickness of 0.5 mm was prepared, and an amorphous silicon film having a thickness of 0.2 μm was formed on the quartz glass wafer by sputtering. After the film formation, the amorphous silicon film was polished and planarized. Using an atomic force microscope, the arithmetic average roughness of the surface of the amorphous silicon film of square 10 μm was measured to be 0.2 nm.

また、厚み525μmのシリコンウエハー(支持基板)を用意した。原子間力顕微鏡を用いて、シリコンウエハーの表面の□10μmの表面の算術平均粗さを測定したところ、0.2nmであった。 Also, a silicon wafer (supporting substrate) having a thickness of 525 μm was prepared. Using an atomic force microscope, the arithmetic mean roughness of the surface of the silicon wafer with a square of 10 μm was measured and found to be 0.2 nm.

石英ガラスウエハーのアモルファスシリコン面とシリコンウエハーとを、以下のように直接接合した。まず石英ガラスウエハーとシリコンウエハーとを真空チャンバーに投入し、10-6Pa台の真空中で、双方の接合面(石英ガラスウエハーのアモルファスシリコン面とシリコンウエハーの表面)に高速Ar中性原子ビーム(加速電圧1kV、Ar流量60sccm)を70秒間照射した。照射後、10分間放置して石英ガラスウエハーおよびシリコンウエハーを放冷したのち、石英ガラスウエハーとシリコンウエハーの接合面(石英ガラスウエハーとシリコンウエハーの表面ビーム照射面)を接触させ、4.90kNで2分間加圧して石英ガラスウエハーとシリコンウエハーとを接合した。接合後、石英ガラスウエハーの厚みが150μmになるまで研磨加工し複合ウエハーを形成した。得られた石英ガラス/シリコン複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。 The amorphous silicon surface of the quartz glass wafer and the silicon wafer were directly bonded as follows. First, a quartz glass wafer and a silicon wafer are placed in a vacuum chamber, and a high-speed Ar neutral atom beam is applied to both bonding surfaces (amorphous silicon surface of the quartz glass wafer and the surface of the silicon wafer) in a vacuum of the order of 10 −6 Pa. (accelerating voltage of 1 kV, Ar flow rate of 60 sccm) was applied for 70 seconds. After the irradiation, the quartz glass wafer and the silicon wafer were allowed to stand for 10 minutes to cool. The quartz glass wafer and the silicon wafer were bonded by pressing for 2 minutes. After bonding, the quartz glass wafer was polished to a thickness of 150 μm to form a composite wafer. In the resulting quartz glass/silicon composite substrate, no defect such as peeling was observed at the bonded interface.

次いで、石英ガラスウエハーにおけるシリコンウエハーと反対側の表面(研磨面)にレジストを塗布して、フォトリソグラフィーによって、コプレーナ型電極パターンを形成する部分を露出するようにパターニングした。その後、レジストから露出する石英ガラスウエハーの上面に、スパッタによって、Cr膜50nm厚、Ni膜100nm厚を成膜して下地電極を形成した。さらに、下地電極上に電界メッキによって銅を成膜して、コプレーナ型電極パターンを形成した。信号電極の導波方向の長さは、10mmであった。
以上によって、コプレーナ型電極および無機材料基板を備える導波部材と、支持基板とを備える導波素子を得た。
Next, a resist was applied to the surface (polished surface) of the quartz glass wafer on the side opposite to the silicon wafer, and patterning was performed by photolithography so as to expose the portion where the coplanar electrode pattern was to be formed. Thereafter, a Cr film of 50 nm thickness and a Ni film of 100 nm thickness were formed by sputtering on the upper surface of the quartz glass wafer exposed from the resist to form a base electrode. Furthermore, a coplanar electrode pattern was formed by depositing a copper film on the base electrode by electroplating. The length of the signal electrode in the waveguide direction was 10 mm.
As described above, a waveguide element including a waveguide member including coplanar electrodes and an inorganic material substrate, and a support substrate was obtained.

1-2.伝搬損失の算出
導波素子の伝搬損失を測定するために、上記と同様にして、信号電極の長さが30mm、40mm、および50mmの3つ導波素子を作製した。
次いで、導波部材の入力側にプローブにてRF信号発生機を結合し、導波部材の出力側にプローブに設置してRF信号受信機に電磁波を結合した。
次いで、RF信号発生機に電圧を印加して、RF信号発生機に、表1に示す周波数の電磁波を送信させた。これによって、電磁波が、コプレーナ線路(導波部材)に伝搬された。RF信号受信機は、コプレーナ線路から出力される電磁波のRFパワーを測定した。信号電極の長さが異なる3つの導波素子の測定結果から、伝搬損失(dB/cm)を算出して、下記の基準で評価した。その結果を表1に示す。
◎:0.5dB/cm未満
〇:0.5dB/cm以上1dB/cm未満
△:1dB/cm以上2dB/cm未満
×:2dB/cm以上
1-2. Calculation of Propagation Loss To measure the propagation loss of the waveguide element, three waveguide elements with signal electrode lengths of 30 mm, 40 mm, and 50 mm were produced in the same manner as described above.
Next, an RF signal generator was coupled with a probe to the input side of the waveguide member, and a probe was installed at the output side of the waveguide member to couple electromagnetic waves to the RF signal receiver.
Then, a voltage was applied to the RF signal generator to cause the RF signal generator to transmit electromagnetic waves of the frequencies shown in Table 1. Electromagnetic waves were thereby propagated to the coplanar line (waveguiding member). An RF signal receiver measured the RF power of the electromagnetic waves output from the coplanar line. Propagation loss (dB/cm) was calculated from the measurement results of three waveguide elements having different signal electrode lengths and evaluated according to the following criteria. Table 1 shows the results.
◎: Less than 0.5 dB/cm ○: 0.5 dB/cm or more and less than 1 dB/cm △: 1 dB/cm or more and less than 2 dB/cm ×: 2 dB/cm or more

<実施例2>
2-1.導波素子(グランド付きコプレーナ線路)の作製
図3および図4に示す導波素子を作製した。
<Example 2>
2-1. Fabrication of Waveguide Device (Coplanar Line with Ground) The waveguide device shown in FIGS. 3 and 4 was fabricated.

0.5mm厚みの石英ガラスウエハー(石英ガラス基板、無機材料基板)を用意して、石英ガラスウエハー上に、スパッタによって、Cr膜50nm厚、Ni膜100nm厚を成膜して下地電極を形成した。さらに、下地電極上に電界メッキによって銅を成膜して、接地電極を形成した。次いで、接地電極上に0.2μmのアモルファスシリコン膜をスパッタにて形成した。成膜後、アモルファスシリコン膜を研磨して、平坦化処理をした。ここで、原子間力顕微鏡を用いて、アモルファスシリコン膜の表面の□10μmの算術平均粗さを測定したところ、0.2nmであった。 A quartz glass wafer (quartz glass substrate, inorganic material substrate) having a thickness of 0.5 mm was prepared, and a Cr film of 50 nm thickness and a Ni film of 100 nm thickness were formed on the quartz glass wafer by sputtering to form a base electrode. . Further, a copper film was formed on the base electrode by electroplating to form a ground electrode. Next, an amorphous silicon film of 0.2 μm was formed on the ground electrode by sputtering. After the film formation, the amorphous silicon film was polished and planarized. Using an atomic force microscope, the arithmetic average roughness of the surface of the amorphous silicon film of square 10 μm was measured to be 0.2 nm.

また、厚み525μmのシリコンウエハー(支持基板)を用意した。原子間力顕微鏡を用いて、シリコンウエハーの表面の□10μmの表面の算術平均粗さを測定したところ、0.2nmであった。 Also, a silicon wafer (supporting substrate) having a thickness of 525 μm was prepared. Using an atomic force microscope, the arithmetic mean roughness of the surface of the silicon wafer with a square of 10 μm was measured and found to be 0.2 nm.

その後、接地電極上に形成されたアモルファスシリコン面とシリコンウエハーとを直接接合した。直接接合は、実施例1と同様に実施した。得られた石英ガラス/接地電極/シリコン複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。
次いで、石英ガラスウエハーを研磨して、厚みを150μmとした。
After that, the amorphous silicon surface formed on the ground electrode was directly bonded to the silicon wafer. Direct bonding was carried out as in Example 1. In the resulting quartz glass/ground electrode/silicon composite substrate, no defect such as peeling was observed at the bonding interface.
The quartz glass wafer was then polished to a thickness of 150 μm.

次いで、実施例1と同様にて、石英ガラスウエハーにおけるシリコンウエハーと反対側の表面(研磨面)に、コプレーナ型電極パターンを形成した。信号電極の導波方向の長さは、10mmであった。
以上によって、コプレーナ型電極、無機材料基板および接地電極を備える導波部材と、支持基板とを備える導波素子を得た。
Then, in the same manner as in Example 1, a coplanar electrode pattern was formed on the surface (polished surface) of the quartz glass wafer opposite to the silicon wafer. The length of the signal electrode in the waveguide direction was 10 mm.
As described above, a waveguide element including a waveguide member including a coplanar electrode, an inorganic material substrate, and a ground electrode, and a support substrate was obtained.

2-2.伝搬損失の算出
また、導波素子の伝搬損失を測定するために、上記と同様にして、信号電極の長さが30mm、40mm、および50mmの3つの導波素子を作製した。次いで、実施例1と同様に、RF信号受信機によって、コプレーナ線路から出力される電磁波のRFパワーを測定した。実施例2の導波素子の伝搬損失を、実施例1と同様に評価した。その結果を表1に示す。
2-2. Calculation of Propagation Loss Also, in order to measure the propagation loss of the waveguide element, three waveguide elements with signal electrode lengths of 30 mm, 40 mm, and 50 mm were produced in the same manner as described above. Then, as in Example 1, the RF signal receiver was used to measure the RF power of the electromagnetic wave output from the coplanar line. The propagation loss of the waveguide element of Example 2 was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

<実施例3>
3-1.導波素子(マイロストリップ線路)の作製
図5および図6に示す導波素子を作製した。
<Example 3>
3-1. Fabrication of Waveguide Device (Mylostrip Line) The waveguide device shown in FIGS. 5 and 6 was fabricated.

実施例2と同様にして、石英ガラス/接地電極/シリコン複合基板を得た。
次いで、石英ガラスウエハーにおけるシリコンウエハーと反対側の表面(研磨面)にレジストを塗布して、フォトリソグラフィーによって、マイクロストリップ型電極を形成する部分を露出するようにパターニングした。その後、レジストから露出する石英ガラスウエハーの上面に、スパッタによって、Cr膜50nm厚、Ni膜100nm厚を成膜して下地電極を形成した。さらに、下地電極上に電界メッキによって銅を成膜して、マイクロストリップ型電極を形成した。マイクロストリップ型電極の導波方向の長さは、10mmであった。
以上によって、マイクロストリップ型電極および無機材料基板を備える導波部材と、支持基板とを備える導波素子を得た。
A quartz glass/ground electrode/silicon composite substrate was obtained in the same manner as in Example 2.
Next, a resist was applied to the surface (polished surface) of the quartz glass wafer on the side opposite to the silicon wafer, and patterning was performed by photolithography so as to expose the portions where the microstrip electrodes were to be formed. Thereafter, a Cr film of 50 nm thickness and a Ni film of 100 nm thickness were formed by sputtering on the upper surface of the quartz glass wafer exposed from the resist to form a base electrode. Further, a copper film was formed on the base electrode by electroplating to form a microstrip electrode. The length of the microstrip electrodes in the waveguide direction was 10 mm.
As described above, a waveguide element including a waveguide member including a microstrip electrode and an inorganic material substrate, and a support substrate was obtained.

3-2.伝搬損失の算出
また、導波素子の伝搬損失を測定するために、上記と同様にして、マイクロストリップ型電極の長さが30mm、40mm、および50mmの3つの導波素子を作製した。次いで、実施例1と同様に、RF信号受信機によって、コプレーナ線路から出力される電磁波のRFパワーを測定した。実施例3の導波素子の伝搬損失を、実施例1と同様に評価した。その結果を表1に示す。
3-2. Calculation of Propagation Loss In order to measure the propagation loss of the waveguide element, three waveguide elements with microstrip electrode lengths of 30 mm, 40 mm, and 50 mm were fabricated in the same manner as described above. Then, as in Example 1, the RF signal receiver was used to measure the RF power of the electromagnetic wave output from the coplanar line. The propagation loss of the waveguide element of Example 3 was evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

<実施例4~6>
研磨後の石英ガラスウエハー(無機材料基板)の厚みを表1に示す値に変更したこと以外は、実施例1~3のそれぞれと同様にして、導波素子を作製した。
得られた導波素子について、実施例1と同様にして伝搬損失を算出および評価した。その結果を表1に示す。
<Examples 4 to 6>
A waveguide element was produced in the same manner as in Examples 1 to 3, except that the thickness of the polished quartz glass wafer (inorganic material substrate) was changed to the value shown in Table 1.
The propagation loss of the obtained waveguide element was calculated and evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

<実施例7>
無機材料基板としての石英ガラスウエハーを単結晶シリコンウエハーに変更したこと、および、研磨後のシリコンウエハーの厚みを表1に示す値に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、導波素子を作製した。
得られた導波素子について、実施例1と同様にして伝搬損失を算出および評価した。その結果を表1に示す。
<Example 7>
In the same manner as in Example 1, except that the quartz glass wafer as the inorganic material substrate was changed to a single crystal silicon wafer, and the thickness of the silicon wafer after polishing was changed to the value shown in Table 1, a waveguide was obtained. A device was produced.
The propagation loss of the obtained waveguide element was calculated and evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

<実施例8>
無機材料基板としての石英ガラスウエハーをサファイアウエハーに変更したこと、および、研磨後のサファイアウエハーの厚みを表1に示す値に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、導波素子を作製した。
得られた導波素子について、実施例1と同様にして伝搬損失を算出および評価した。その結果を表1に示す。
<Example 8>
A waveguide element was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the quartz glass wafer as the inorganic material substrate was changed to a sapphire wafer, and the thickness of the sapphire wafer after polishing was changed to the value shown in Table 1. made.
The propagation loss of the obtained waveguide element was calculated and evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

<実施例9>
無機材料基板としての石英ガラスウエハーを多結晶AlNウエハーに変更したこと、および、研磨後のAlNウエハーの厚みを表1に示す値に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、導波素子を作製した。
得られた導波素子について、実施例1と同様にして伝搬損失を算出および評価した。その結果を表1に示す。
<Example 9>
In the same manner as in Example 1, except that the quartz glass wafer as the inorganic material substrate was changed to a polycrystalline AlN wafer, and the thickness of the AlN wafer after polishing was changed to the value shown in Table 1, waveguides were obtained. A device was produced.
The propagation loss of the obtained waveguide element was calculated and evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

<実施例10>
研磨後の石英ガラスウエハー(無機材料基板)の厚みを表1に示す値に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、導波素子を作製した。
得られた導波素子について、実施例1と同様にして伝搬損失を算出および評価した。その結果を表1に示す。
<Example 10>
A waveguide element was produced in the same manner as in Example 1, except that the thickness of the polished quartz glass wafer (inorganic material substrate) was changed to the value shown in Table 1.
The propagation loss of the obtained waveguide element was calculated and evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

<実施例11~14>
研磨後の石英ガラスウエハー(無機材料基板)の厚みを表1に示す値に変更したこと以外は、実施例3と同様にして、導波素子を作製した。
得られた導波素子について、実施例1と同様にして伝搬損失を算出および評価した。その結果を表1に示す。
<Examples 11 to 14>
A waveguide element was produced in the same manner as in Example 3, except that the thickness of the polished quartz glass wafer (inorganic material substrate) was changed to the value shown in Table 1.
The propagation loss of the obtained waveguide element was calculated and evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

<比較例1>
厚さ2100μmの石英ガラスウエハー(石英ガラス板、無機材料基板)を用意して、研磨後の石英ガラスウエハーの厚みを2000μmに変更したこと以外は、実施例3と同様にして、導波素子を作製した。
得られた導波素子について、実施例1と同様にして伝搬損失を算出および評価した。その結果を表1に示す。
<Comparative Example 1>
A waveguide element was fabricated in the same manner as in Example 3, except that a quartz glass wafer (quartz glass plate, inorganic material substrate) having a thickness of 2100 μm was prepared and the thickness of the polished quartz glass wafer was changed to 2000 μm. made.
The propagation loss of the obtained waveguide element was calculated and evaluated in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.

Figure 2023026301000004
Figure 2023026301000004

表1から明らかなように、無機材料基板の厚みが上記式(1)を満たす場合、30GHzを超える高周波数の電磁波を導波しても、伝搬損失が小さく、優れた低伝搬損失性能を確保できることがわかる。 As is clear from Table 1, when the thickness of the inorganic material substrate satisfies the above formula (1), even if a high frequency electromagnetic wave exceeding 30 GHz is guided, the propagation loss is small, and excellent low propagation loss performance is secured. I know you can.

本発明の実施形態による導波素子は、導波路、次世代高速通信、センサ、レーザー加工、太陽光発電等の幅広い分野に用いられ得、特に、ミリ波~テラヘルツ波の導波路として好適に用いられ得る。このような導波素子は、例えば、アンテナ、バンドパスフィルタ、カプラ、遅延線(位相器)、またはアイソレータに用いられ得る。 The waveguide device according to the embodiment of the present invention can be used in a wide range of fields such as waveguides, next-generation high-speed communications, sensors, laser processing, and solar power generation, and is particularly suitable for use as waveguides for millimeter waves to terahertz waves. can be Such waveguide elements can be used, for example, in antennas, bandpass filters, couplers, delay lines (phase shifters), or isolators.

1 無機材料基板
2 コプレーナ型電極
3 接地電極
4 マイクロストリップ型電極
10 導波部材
11 導波部材
12 導波部材
100 導波素子
101 導波素子
102 導波素子
REFERENCE SIGNS LIST 1 inorganic material substrate 2 coplanar electrode 3 ground electrode 4 microstrip electrode 10 waveguide member 11 waveguide member 12 waveguide member 100 waveguide element 101 waveguide element 102 waveguide element

Claims (8)

周波数が30GHz以上20THz以下である電磁波を導波可能な導波部材を備える導波素子であって、
前記導波部材は、無機材料基板と、前記無機材料基板の上部に設けられる導体層と、を備え、
前記導体層は、
所定方向に延びる中心電極と、
前記中心電極の長手方向と直交する方向に前記中心電極に対して間隔を空けて配置されている第1接地電極と、
前記中心電極に対して前記第1接地電極の反対側に位置する第2接地電極であって、前記中心電極に対して間隔を空けて配置されている第2接地電極と、を備え、
前記導波素子は、
前記導波部材の下部に設けられる支持基板であって、前記導波部材を支持する支持基板と、
前記無機材料基板に対して前記導体層の反対側に位置している第3接地電極と、
前記第1接地電極および前記第3接地電極を短絡する第1ビアと、
前記第2接地電極および前記第3接地電極を短絡する第2ビアと、をさらに備え、
前記無機材料基板の厚みtは、下記式(1)を満たす、導波素子。
Figure 2023026301000005
(式中、tは、無機材料基板の厚みを表す。λは、導波部材に導波される電磁波の波長を表す。εは、無機材料基板の比誘電率を表す。aは、3以上の数値を表す。)
A waveguide element comprising a waveguide member capable of guiding an electromagnetic wave having a frequency of 30 GHz or more and 20 THz or less,
The waveguide member comprises an inorganic material substrate and a conductor layer provided on the inorganic material substrate,
The conductor layer is
a center electrode extending in a predetermined direction;
a first ground electrode spaced apart from the center electrode in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the center electrode;
a second ground electrode located on the opposite side of the first ground electrode with respect to the center electrode, the second ground electrode being spaced from the center electrode;
The waveguide element is
a support substrate provided under the waveguide member, the support substrate supporting the waveguide member;
a third ground electrode located on the opposite side of the conductor layer with respect to the inorganic material substrate;
a first via that short-circuits the first ground electrode and the third ground electrode;
a second via that short-circuits the second ground electrode and the third ground electrode;
A waveguide element, wherein the thickness t of the inorganic material substrate satisfies the following formula (1).
Figure 2023026301000005
(Wherein, t represents the thickness of the inorganic material substrate, λ represents the wavelength of the electromagnetic wave guided by the waveguide member, ε represents the dielectric constant of the inorganic material substrate, and a is 3 or more. represents the numerical value of
前記式(1)において、aが6以上の数値を表す、請求項1に記載の導波素子。 2. The waveguide device according to claim 1, wherein a represents a numerical value of 6 or more in said formula (1). 前記無機材料基板の300GHzにおける比誘電率εと誘電正接(誘電体損失)tanδは、それぞれ3.5以上12.0以下、0.003以下である、請求項1または2に記載の導波素子。 3. The waveguide device according to claim 1, wherein the dielectric constant ε and the dielectric loss tangent (dielectric loss) tan δ at 300 GHz of the inorganic material substrate are 3.5 or more and 12.0 or less and 0.003 or less, respectively. . 前記無機材料基板は、石英ガラス基板である、請求項3に記載の導波素子。 4. The waveguide device according to claim 3, wherein said inorganic material substrate is a quartz glass substrate. 前記導体層は、コプレーナ型電極である、請求項1から4のいずれかに記載の導波素子。 5. The waveguide device according to claim 1, wherein said conductor layer is a coplanar electrode. 前記導波部材を伝搬する電磁波の周波数が30GHz以上5THz以下において、前記無機材料基板の厚みは、10μm以上である、請求項5に記載の導波素子。 6. The waveguide element according to claim 5, wherein the inorganic material substrate has a thickness of 10 [mu]m or more when the frequency of the electromagnetic wave propagating through the waveguide member is 30 GHz or more and 5 THz or less. 前記導体層は、マイクロストリップ型電極である、請求項1から4のいずれかに記載の導波素子。 5. The waveguide element according to claim 1, wherein said conductor layer is a microstrip electrode. 前記無機材料基板の厚みは、100μm以下である、請求項1から7のいずれかに記載の導波素子。
8. The waveguide device according to claim 1, wherein said inorganic material substrate has a thickness of 100 [mu]m or less.
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