JP2861497B2 - Monolithic millimeter wave antenna and method of manufacturing the same - Google Patents

Monolithic millimeter wave antenna and method of manufacturing the same

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は化合物半導体を用いたモ
ノリシック・ミリ波アンテナおよびその製造方法に関す
るものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a monolithic millimeter-wave antenna using a compound semiconductor and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年化合物半導体集積回路の発展は目覚
ましく、ミリ波レーダ装置等の送受信モジュールのみな
らずアンテナ素子をも含めてモノリシック集積化するた
めの研究開発が活発に行われている。このようなモノリ
シック化を行うと、4インチ程度のGaAsウェハー上
に数百のミリ波送受信モジュール付きアンテナ素子をア
レイ状に配置できフェイズド・アレイ・アンテナ・モジ
ュールが実現される。
2. Description of the Related Art In recent years, the development of compound semiconductor integrated circuits has been remarkable, and research and development for monolithic integration including not only transmission / reception modules such as millimeter wave radar devices but also antenna elements has been actively conducted. When such monolithic processing is performed, several hundreds of antenna elements with a millimeter wave transmitting / receiving module can be arranged in an array on a GaAs wafer of about 4 inches, and a phased array antenna module is realized.

【0003】従来例のモノリシック・ミリ波アンテナは
マイクロウェーブ・ジャーナル(Microwave
Journal)誌1986年7月号119ページにま
とめられている。
A conventional monolithic millimeter-wave antenna is a microwave journal (Microwave).
Journal, July 1986, page 119.

【0004】図4は従来例のモノリシック・ミリ波アン
テナを示す図である。図4(a)は平面図、図4(b)
は断面図である。半絶縁性GaAs基板51の表面に接
地導体52,比誘電率εrの誘電体54,パッチアンテ
ナ導体53からなるパッチアンテナが構成され、アンテ
ナ給電線55とへテロ接合FETのドレイン電極56と
の間にインピーダンス整合用スタブ60が設けられてい
る。57,58は各々へテロ接合FETのゲート電極、
ソース電極、59はチャンネル層である。アンテナ長を
Lとすると、λg≒2Lなる波長λgに対してアンテナ
は共振し効率よく電磁波を空間に放射する。ここでλg
は、周波数をf、真空中の光の速さをcとすると、
FIG. 4 shows a conventional monolithic millimeter wave antenna. FIG. 4A is a plan view, and FIG.
Is a sectional view. On the surface of the semi-insulating GaAs substrate 51, a patch antenna composed of a ground conductor 52, a dielectric 54 having a relative permittivity of εr, and a patch antenna conductor 53 is formed. Is provided with an impedance matching stub 60. 57 and 58 are the gate electrodes of the heterojunction FET, respectively.
The source electrode 59 is a channel layer. Assuming that the antenna length is L, the antenna resonates at a wavelength λg such that λg ≒ 2L, and efficiently radiates electromagnetic waves into space. Where λg
Is the frequency f and the speed of light in a vacuum c.

【0005】[0005]

【数1】 (Equation 1)

【0006】となる。f=90GHz,εr =3とする
と、λgは約2mmとなる。したがってL=1mmのと
き90GHz用のアンテナとなる。
[0006] If f = 90 GHz and ε r = 3, λg is about 2 mm. Therefore, when L = 1 mm, the antenna is for 90 GHz.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】図4の従来例のパッチ
アンテナにおいては、L=1mmで90GHz帯で共振
するが、90GHzにおける自由空間波長は3.33m
m、1/2波長で1.66mmである。すなわちεr=
3の誘電体を用いた場合のアンテナ長1mm(λg/
2)は、自由空間における1/2波長の約60%である
ため、アンテナの電流密度が上昇し損失が大きくなり、
アンテナに入力されたエネルギー効率よく空間に放射で
きないという欠点があった。
The conventional patch antenna shown in FIG. 4 resonates in the 90 GHz band at L = 1 mm, but the free space wavelength at 90 GHz is 3.33 m.
m, which is 1.66 mm at 波長 wavelength. That is, εr =
Antenna length 1 mm (λg /
2) is about 60% of a half wavelength in free space, so the current density of the antenna increases and the loss increases,
There is a disadvantage that the energy input to the antenna cannot be efficiently radiated into the space.

【0008】本発明の目的は、この欠点を除去した高効
率のモノリシック・ミリ波アンテナおよびその製造方法
を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a high-efficiency monolithic millimeter-wave antenna which eliminates this drawback and a method of manufacturing the same.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、ミリ波アンテ
ナおよびミリ波能動素子が同一半導体基板上に形成され
たモノリシック・ミリ波アンテナにおいて、半絶縁性化
合物半導体基板上に形成された接地導体上に複数の誘電
体支柱に支えられたパッチアンテナ導体を備えているこ
とを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a monolithic millimeter-wave antenna in which a millimeter-wave antenna and a millimeter-wave active element are formed on the same semiconductor substrate, and a ground conductor formed on a semi-insulating compound semiconductor substrate. It is characterized in that a patch antenna conductor supported by a plurality of dielectric posts is provided thereon.

【0010】また本発明のモノリシック・ミリ波アンテ
ナの製造方法は、半絶縁性化合物半導体基板上に接地金
属を形成する工程と、誘電体膜を全面に形成する工程
と、前記誘電体膜の支柱となるべき部分を除いた残りを
異方性ドライエッチングする工程と、ホトレジストを基
板全面に塗布し、ホトレジスト表面を平坦化する工程
と、異方性ドライエッチングにより前記誘電体の頭出し
をした後、能動素子電極上のホトレジストを部分的に除
去する工程と、金メッキ用給電金属を蒸着し、さたにパ
ッチアンテナ導体およびアンテナ給電線となる部分が開
口されたホトレジストパターンを形成する工程と、金メ
ッキをする工程と、前記レジストパターン、前記金メッ
キ用給電金属、および前記ホトレジストを除去する工程
とを含むことを特徴とする。
The method of manufacturing a monolithic millimeter-wave antenna according to the present invention includes a step of forming a ground metal on a semi-insulating compound semiconductor substrate, a step of forming a dielectric film over the entire surface, and a step of supporting the dielectric film. A step of anisotropically dry-etching the remainder except for the part to be formed, a step of applying a photoresist to the entire surface of the substrate, and a step of flattening the photoresist surface; and A step of partially removing the photoresist on the active element electrode, a step of depositing a feeding metal for gold plating, and a step of forming a photoresist pattern in which a portion serving as a patch antenna conductor and an antenna feeding line is opened, And removing the resist pattern, the power supply metal for gold plating, and the photoresist. That.

【0011】[0011]

【作用】このような本発明においては、複数の誘電体支
柱により、パッチアンテナ導体が空気中に支えられた構
造となるため、実行誘電率が低下する。このため共振に
必要なアンテナ長が、自由空間波長の1/2に近づき、
アンテナの効率を大幅に増大できる。
In the present invention, since the patch antenna conductor is supported in the air by the plurality of dielectric posts, the effective dielectric constant is reduced. Therefore, the antenna length required for resonance approaches one half of the free space wavelength,
The efficiency of the antenna can be greatly increased.

【0012】さらに本発明の製造方法においては、支柱
となるべき誘電体の寸法が数μmオーダーであり、また
その個数が複数であっても、ホトレジストによる平坦化
工程、異方性ドライエッチングによう頭出し工程を含む
ため容易にモノリシック・ミリ波アンテナを製造でき
る。
Further, in the manufacturing method of the present invention, even if the size of the dielectric to be a support is on the order of several μm, and the number is plural, the planarization process using a photoresist and the anisotropic dry etching can be used. Since the cueing step is included, a monolithic millimeter-wave antenna can be easily manufactured.

【0013】[0013]

【実施例】図1は、本発明のモノリシック・ミリ波アン
テナの実施例を示す図である。図1(a)は平面図、図
1(b)は断面図である。この実施例では、半絶縁性G
aAs基板1の表面に接地導体2,比誘電率εrの誘電
体支柱4,パッチアンテナ導体3からなるモノリシック
・パッチアンテナが構成され、アンテナ給電線5とへテ
ロ接合FETのドレイン電極6との間にインピーダンス
整合用スタブ10が設けられている。7および8は各々
へテロ接合FETのゲート電極,ソース電極、9はチャ
ンネル層である。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a monolithic millimeter wave antenna according to the present invention. FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view. In this embodiment, the semi-insulating G
On the surface of the aAs substrate 1, a monolithic patch antenna composed of a ground conductor 2, a dielectric support column 4 having a relative permittivity of εr 4, and a patch antenna conductor 3 is formed, between the antenna feed line 5 and the drain electrode 6 of the hetero junction FET. Is provided with an impedance matching stub 10. 7 and 8 are a gate electrode and a source electrode of the heterojunction FET, respectively, and 9 is a channel layer.

【0014】次に、本実施例のモノリシック・ミリ波ア
ンテナの製造方法について説明する。図2に、その製造
工程を説明するための断面図を示す。
Next, a method of manufacturing the monolithic millimeter-wave antenna according to the present embodiment will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the manufacturing process.

【0015】まず、図2(a)に示すように、チャンネ
ル層9,ドレイン電極6,ゲート電極7,ソース電極8
から構成されるへテロ接合FETが形成された半絶縁性
GaAs基板1上に接地金属2を形成する。
First, as shown in FIG. 2A, a channel layer 9, a drain electrode 6, a gate electrode 7, and a source electrode 8 are formed.
A ground metal 2 is formed on a semi-insulating GaAs substrate 1 on which a hetero-junction FET composed of is formed.

【0016】次に、図2(b)に示すように、基板全面
にSiO2 膜を成膜した後に、ホトレジスト等をマスク
として支柱4およびパッシベイション膜34を残して異
方性ドライエッチングする。
Next, as shown in FIG. 2B, after an SiO 2 film is formed on the entire surface of the substrate, anisotropic dry etching is performed using a photoresist or the like as a mask while leaving the support 4 and the passivation film 34. .

【0017】次に、図2(c)に示すように、ホトレジ
スト15を全面にスピン塗布し、ホトレジスト15の表
面を平坦化する。
Next, as shown in FIG. 2C, a photoresist 15 is spin-coated on the entire surface to flatten the surface of the photoresist 15.

【0018】次に、図(d)に示すように、垂直方向か
らの異方性ドライエッチングにより、誘電体支柱4の頭
出しをした後、能動素子電極上16のホトレジストを部
分的に除去する。
Next, as shown in FIG. 2D, after the dielectric pillar 4 is caught by anisotropic dry etching from the vertical direction, the photoresist on the active element electrode 16 is partially removed. .

【0019】次に、図3(e)に示すように、メッキ用
給電金属TiAu17を全面に蒸着した後、パッチアン
テナ導体およびアンテナ給電線となる部分が開口された
ホトレジスト・パターン18を形成する。
Next, as shown in FIG. 3 (e), after a feeding metal TiA17 for plating is deposited on the entire surface, a photoresist pattern 18 is formed in which a portion serving as a patch antenna conductor and an antenna feeding line is opened.

【0020】次に、図3(f)に示すように、金メッキ
層19を選択的に形成する。
Next, as shown in FIG. 3F, a gold plating layer 19 is selectively formed.

【0021】最後に、図3(g)に示すように、ホトレ
ジスト層18およびその下部にあるメッキ用給電線1
7、さらにホトレジスト15を、それぞれ有機溶剤,イ
オンミリング,酸素プラズマによるアッシングにより除
去することにより、本実施例のモノリシック・ミリ波ア
ンテナが得られる。なお図3(g)における20は空気
を示している。
Finally, as shown in FIG. 3 (g), a photoresist layer 18 and a plating feed line 1 under the photoresist layer 18 are formed.
7. By removing the photoresist 15 by ashing with an organic solvent, ion milling, and oxygen plasma, respectively, the monolithic millimeter wave antenna of this embodiment can be obtained. In FIG. 3 (g), reference numeral 20 denotes air.

【0022】以上の実施例においては、支柱はアンテナ
の横方向に一様に伸びた形状(水平断面が長方形)にな
っているが、支柱の構造はこれに限らず水平断面が正方
形,円など別の形状であってもよいことはいうまでもな
い。
In the above-described embodiment, the column has a shape (horizontal section is rectangular) extending uniformly in the lateral direction of the antenna. However, the structure of the column is not limited to this, and the horizontal section is square or circular. It goes without saying that another shape may be used.

【0023】[0023]

【発明の効果】本発明のモノリシック・ミリ波アンテナ
においては、パッチアンテナ導体を間隔のあいた複数の
誘電体支柱により支持するため、実効誘電率が1に近づ
く。このため共振に必要なアンテナ長が自由空間波長の
1/2に近づき、アンテナの効率を大幅に増大できる。
In the monolithic millimeter-wave antenna according to the present invention, the effective dielectric constant approaches 1 because the patch antenna conductor is supported by a plurality of spaced dielectric posts. For this reason, the antenna length required for resonance approaches の of the free space wavelength, and the efficiency of the antenna can be greatly increased.

【0024】さらに本発明の製造方法によれば、数μm
オーダーの複数の誘電体支柱を有するモノリシック・ミ
リ波アンテナが製造できる。
Further, according to the manufacturing method of the present invention, several μm
A monolithic millimeter-wave antenna having a plurality of dielectric posts on the order can be manufactured.

【0025】本発明により、ミリ波帯においてアンテナ
までを含んだ1チップ送受信機,ウェハースケール・フ
ェイズド・アレイレーダなどが実現でき、ミリ波工学上
意義が大きい。
According to the present invention, a one-chip transceiver including an antenna in a millimeter wave band, a wafer scale phased array radar, and the like can be realized, which has great significance in millimeter wave engineering.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例のモノリシック・ミリ波アン
テナを示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a monolithic millimeter-wave antenna according to one embodiment of the present invention.

【図2】図1のモノリシック・ミリ波アンテナの製造方
法を説明するための断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the monolithic millimeter wave antenna of FIG.

【図3】図1のモノリシック・ミリ波アンテナの製造方
法を説明するための断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view for describing a method of manufacturing the monolithic millimeter wave antenna of FIG.

【図4】従来例のモノリシック・ミリ波アンテナを示す
図である。
FIG. 4 is a diagram showing a conventional monolithic millimeter wave antenna.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,51 半絶縁性GaAs基板 2,52 接地導体 4,54 誘電体 3,53 パッチアンテナ導体 5,55 給電線 10,60 スタブ 6,56 ドレイン電極 7,57 ゲート電極 8,58 ソース電極 9,59 チャンネル送 34 パッシベイション膜 1,51 Semi-insulating GaAs substrate 2,52 Ground conductor 4,54 Dielectric 3,53 Patch antenna conductor 5,55 Feed line 10,60 Stub 6,56 Drain electrode 7,57 Gate electrode 8,58 Source electrode 9, 59 Channel transmission 34 Passivation film

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01Q 13/08 H01Q 23/00Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01Q 13/08 H01Q 23/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ミリ波アンテナおよびミリ波能動素子が同
一半導体基板上に形成されたモノリシック・ミリ波アン
テナにおいて、 半絶縁性化合物半導体基板上に形成された接地導体上に
複数の誘電体支柱に支えられたパッチアンテナ導体を備
えていることを特徴とするモノリシック・ミリ波アンテ
ナ。
A monolithic millimeter-wave antenna in which a millimeter-wave antenna and a millimeter-wave active element are formed on the same semiconductor substrate, wherein a plurality of dielectric posts are provided on a ground conductor formed on a semi-insulating compound semiconductor substrate. A monolithic millimeter-wave antenna comprising a supported patch antenna conductor.
【請求項2】半絶縁性化合物半導体基板上に接地金属を
形成する工程と、 誘電体膜を全面に形成する工程と、 前記誘電体膜の支柱となるべき部分を除いた残りを異方
性ドライエッチングする工程と、 ホトレジストを基板全面に塗布し、ホトレジスト表面を
平坦化する工程と、 異方性ドライエッチングにより前記誘電体の頭出しをし
た後、能動素子電極上のホトレジストを部分的に除去す
る工程と、 金メッキ用給電金属を蒸着し、さたにパッチアンテナ導
体およびアンテナ給電線となる部分が開口されたホトレ
ジストパターンを形成する工程と、 金メッキをする工程と、 前記レジストパターン、前記金メッキ用給電金属、およ
び前記ホトレジストを除去する工程とを含むことを特徴
とするモノリシック・ミリ波アンテナの製造方法。
2. A step of forming a ground metal on a semi-insulating compound semiconductor substrate, a step of forming a dielectric film over the entire surface, and anisotropically removing a portion of the dielectric film except for a portion to be a support. A step of dry-etching, a step of applying a photoresist to the entire surface of the substrate, and a step of planarizing the photoresist surface; Forming a photoresist pattern in which a portion serving as a patch antenna conductor and an antenna feed line is opened, and performing a gold plating process; and A method for manufacturing a monolithic millimeter-wave antenna, comprising: a step of removing a feed metal and the photoresist.
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