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JP7602996B2 - Waveguide element and method for manufacturing the same - Google Patents

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JP7602996B2 JP2021206457A JP2021206457A JP7602996B2 JP 7602996 B2 JP7602996 B2 JP 7602996B2 JP 2021206457 A JP2021206457 A JP 2021206457A JP 2021206457 A JP2021206457 A JP 2021206457A JP 7602996 B2 JP7602996 B2 JP 7602996B2
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Description

本発明は、導波素子および導波素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a waveguide element and a method for manufacturing a waveguide element.

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300μmのガラス基板と、ガラス基板上に設けられるコプレーナ型導体と、ガラス基板におけるコプレーナ型導体と反対側の面に設けられる接地電極とから構成される接地コプレーナ導波路を用いた技術が提案されている(特許文献1)。
このような技術による導波素子を各種産業製品に採用する場合、導波素子を、IC基板やプリント基板などの支持基板に実装することが検討される。しかし、導波素子を支持基板に実装して、ミリ波~テラヘルツ波(とりわけ300GHz以上の電磁波)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。
Waveguide elements are being developed as one type of element that guides millimeter waves to terahertz waves. Waveguide elements are expected to be applied and developed in a wide range of fields, such as optical waveguides, next-generation high-speed communications, sensors, laser processing, and solar power generation. As an example of such a waveguide element, a technology has been proposed that uses a grounded coplanar waveguide that is composed of a glass substrate with a thickness of 300 μm, a coplanar conductor provided on the glass substrate, and a ground electrode provided on the surface of the glass substrate opposite to the coplanar conductor (Patent Document 1).
When using such a waveguide element in various industrial products, mounting the waveguide element on a support substrate such as an IC substrate, a printed circuit board, etc. However, when a waveguide element is mounted on a support substrate and millimeter waves to terahertz waves (particularly electromagnetic waves of 300 GHz or higher) are guided, there is a problem that the propagation loss increases significantly.

特表2021-509767号公報Special Publication No. 2021-509767

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伝搬損失を十分に低減できる導波素子およびその製造方法を提供することにある。 The main objective of the present invention is to provide a waveguide element and a method for manufacturing the same that can sufficiently reduce propagation loss even when guiding high-frequency electromagnetic waves with frequencies 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である。該導波素子は、無機材料基板と;前記無機材料基板の上部に設けられている導体層であり、所定方向に延びている信号電極と、前記所定方向と交差する方向において前記信号配線と間隔を空けて配置されている第1接地電極と、を備える導体層と;前記無機材料基板に対して前記導体層と反対側に位置している支持基板と;前記無機材料基板と前記支持基板との間に位置している第2接地電極と;前記支持基板に対して前記第2接地電極と反対側に位置している第3接地電極と;前記第1接地電極と前記第3接地電極とを電気的に接続し、かつ、前記第2接地電極と電気的に接続されている第1ビアと;前記第1接地電極と前記第2接地電極とを電気的に接続する第2ビアと;を備えている。該導波素子は、上記第1ビアを複数備えており、上記第2ビアは、複数の第1ビアのうち互いに隣り合う第1ビアの間に配置されている。上記無機材料基板の厚みtは、下記式(1)を満たしている。

Figure 0007602996000001
(式中、tは、無機材料基板の厚みを表す。λは、導波素子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、上記導体層と上記第2接地電極は、マイクロストリップ型電極である。
1つの実施形態においては、上記導波素子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、上記第1ビアが配置される第1ビアホールであって、上記無機材料基板、上記第2接地電極および上記支持基板を貫通している第1ビアホールを複数有している。
1つの実施形態においては、上記第1ビアホールは、上記無機材料基板の表面(上面)方向から見て円形状を有し、上記第2接地電極に近づくにつれて小径となるテーパ形状を有している。
1つの実施形態においては、上記第1ビアホールは、上記無機材料基板の表面(上面)方向から見て円形状を有し、上記第2接地電極に近づくにつれて大径となるテーパ形状を有している。
本発明の別の局面による導波素子の製造方法は、上記した導波素子を製造する方法であって、上記無機材料基板、上記第2接地電極および上記支持基板をこの順に備える積層体であり、上記無機材料基板、上記第2接地電極および上記支持基板を一括して貫通する第1ビアホールと、上記無機材料基板を貫通し上記支持基板を貫通しない(上記無機材料基板のみ貫通する)第2ビアホールとを有する積層体を準備する工程と;上記第1ビアホール内に上記第1ビアを形成し、上記第2ビアホール内に上記第2ビアを形成し、上記支持基板の下部に上記第3接地電極を形成し、上記無機材料基板の上部に上記導体層を形成する工程と;を含んでいる。 The waveguide element according to the embodiment of the present invention can guide electromagnetic waves having a frequency of 30 GHz or more and 20 THz or less. The waveguide element includes an inorganic material substrate; a conductor layer provided on the upper part of the inorganic material substrate, the conductor layer including a signal electrode extending in a predetermined direction and a first ground electrode arranged at a distance from the signal wiring in a direction intersecting the predetermined direction; a support substrate located on the opposite side of the conductor layer with respect to the inorganic material substrate; a second ground electrode located between the inorganic material substrate and the support substrate; a third ground electrode located on the opposite side of the support substrate from the second ground electrode; a first via electrically connecting the first ground electrode and the third ground electrode and electrically connecting the second ground electrode; and a second via electrically connecting the first ground electrode and the second ground electrode. The waveguide element includes a plurality of the first vias, and the second via is arranged between adjacent first vias among the plurality of first vias. The thickness t of the inorganic material substrate satisfies the following formula (1).
Figure 0007602996000001
(In the formula, t represents the thickness of the inorganic material substrate, λ represents the wavelength of the electromagnetic wave guided by the director element, ε represents the relative dielectric constant of the inorganic material substrate, and a represents a numerical value of 3 or more.)
In one embodiment, in the above formula (1), a represents a numerical value of 6 or more.
In one embodiment, the inorganic material substrate has a relative dielectric constant ε and a dielectric loss tangent (dielectric loss) tan δ at 300 GHz of 3.5 to 12.0 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 conductor layer and the second ground electrode are microstrip type electrodes.
In one embodiment, when the frequency of the electromagnetic wave propagating through the waveguide element is 30 GHz or more and 5 THz or less, the inorganic material substrate has a thickness of 10 μm or more.
In one embodiment, the waveguide element has a plurality of first via holes in which the first vias are arranged, the first via holes penetrating the inorganic material substrate, the second ground electrode and the support substrate.
In one embodiment, the first via hole has a circular shape when viewed from the surface (upper surface) direction of the inorganic material substrate, and has a tapered shape whose diameter decreases toward the second ground electrode.
In one embodiment, the first via hole has a circular shape when viewed from the surface (upper surface) direction of the inorganic material substrate, and has a tapered shape that becomes larger in diameter as it approaches the second ground electrode.
A method for manufacturing a waveguide element according to another aspect of the present invention is a method for manufacturing the above-mentioned waveguide element, comprising the steps of: preparing a laminate having the inorganic material substrate, the second ground electrode, and the support substrate in this order, the laminate having a first via hole penetrating the inorganic material substrate, the second ground electrode, and the support substrate collectively, and a second via hole penetrating the inorganic material substrate but not the support substrate (penetrating only the inorganic material substrate); forming the first via in the first via hole, forming the second via in the second via hole, forming the third ground electrode at the bottom of the support substrate, and forming the conductor layer on the top of the inorganic material substrate.

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伝搬損失を十分に低減できる導波素子を実現することができる。また、本発明の別の局面による実施形態によれば、上記した導波素子を円滑に製造することができる。 According to an embodiment of the present invention, it is possible to realize a waveguide element that can sufficiently reduce propagation loss even when guiding high-frequency electromagnetic waves with frequencies of 30 GHz or more. In addition, according to an embodiment of another aspect of the present invention, the above-mentioned waveguide element can be smoothly manufactured.

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 present invention; 図1の導波素子のII-II´断面図である。2 is a cross-sectional view of the waveguide element of FIG. 1 along line II-II'. 図1の導波素子のIII-III´断面図である。3 is a cross-sectional view of the waveguide element of FIG. 1 taken along line III-III'. 図1の導波素子のIV-IV´断面図である。4 is a cross-sectional view of the waveguide element of FIG. 1 taken along line IV-IV'. 本発明の別の実施形態による導波素子のIV-IV´断面図である。FIG. IV-IV' cross-sectional view of a waveguide element according to another embodiment of the present invention. 本発明のさらに別の実施形態による導波素子のIV-IV´断面図である。FIG. IV-IV' cross-sectional view of a waveguide element according to yet another embodiment of the present invention. 本発明のさらに別の実施形態による導波素子のII-II´断面図である。2 is a cross-sectional view of a waveguide element according to yet another embodiment of the present invention; FIG. 本発明のさらに別の実施形態による導波素子のII-II´断面図である。2 is a cross-sectional view of a waveguide element according to yet another embodiment of the present invention; FIG.

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
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´断面図であり;図3は、図1の導波素子のIII-III´断面図であり;図4は、図1の導波素子のIV-IV´断面図である。
図示例の導波素子100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。とりわけ、導波素子100は、周波数が30GHz以上2THz以下である電磁波(特に周波数が30GHz以上1THz以下である電磁波)を優れた伝搬損失で導波できる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but the present invention is not limited to these embodiments.
A. Overall Configuration of the Waveguide Element FIG. 1 is a schematic perspective view of a waveguide element according to one embodiment of the present invention; FIG. 2 is a cross-sectional view of the waveguide element of FIG. 1 taken along line II-II'; FIG. 3 is a cross-sectional view of the waveguide element of FIG. 1 taken along line III-III'; and FIG. 4 is a cross-sectional view of the waveguide element of FIG. 1 taken along line IV-IV'.
The illustrated waveguide element 100 can guide electromagnetic waves having a frequency of 30 GHz or more and 20 THz or less, in other words, millimeter waves to terahertz waves. Note that millimeter waves are typically electromagnetic waves having a frequency of about 30 GHz to 300 GHz, and terahertz waves are typically electromagnetic waves having a frequency of about 300 GHz to 20 THz. In particular, the waveguide element 100 can guide electromagnetic waves having a frequency of 30 GHz to 2 THz or less (particularly electromagnetic waves having a frequency of 30 GHz to 1 THz or less) with excellent propagation loss.

導波素子100は、無機材料基板1と;信号電極2aおよび第1接地電極2b,2cを備える導体層2と;支持基板7と;第2接地電極3と;第3接地電極4と;第1ビア5と;第2ビア6と;を備えている。
導体層2は、無機材料基板1の上部に設けられている。信号電極2aは、所定方向(導波方向)に延びている。第1接地電極2b,2cのそれぞれは、信号電極2aの延びる所定方向と交差する方向において、信号電極2aと間隔を空けて配置されている。支持基板7は、無機材料基板1に対して導体層2と反対側に位置している。第2接地電極3は、無機材料基板1と支持基板7との間に位置している。第3接地電極4は、支持基板7に対して第2接地電極3と反対側に位置している。第1ビア5は、第1接地電極2b,2cと第3接地電極4とを電気的に接続し、かつ、第2接地電極3と電気的に接続されている。導波素子100は、上記第1ビア5を複数備えている。第2ビア6は、第1接地電極2b,2cと第3接地電極3とを電気的に接続している。第2ビア6は、複数の第1ビア5のうち互いに隣り合う第1ビア5の間に配置されている。無機材料基板1の厚みtは、下記式(1)を満たしている。

Figure 0007602996000002
(式中、tは無機材料基板の厚みを表す。λは導波素子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。)
上記した信号電極を含む導体層を備える導波素子では、導波素子に入力される高周波数の電磁波は、無機材料基板中を伝搬する。
上記の構成によれば、無機材料基板の厚みが上記式(1)を満足するので、導波素子が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および/または基板共振の発生を抑制できる。しかし、無機材料基板の厚みが上記式(1)を満足すると、伝搬する電磁波が無機材料基板から支持基板に漏洩し、支持基板の誘電体損失による伝搬損失が大きくなるという新たな問題が生じ得る。
これに対して、上記の構成では、第2接地電極が無機材料基板と支持基板との間に配置され、第3接地電極が支持基板に対して第2接地電極と反対側に配置されているので、電磁波が支持基板に漏洩することを抑制することができる。そのため、スラブモードの誘起および/または基板共振の発生を抑制できつつ、電磁波の支持基板への漏洩を抑制できる。
また、第1ビアが第1接地電極と第2接地電極と第3接地電極とを電気的に接続しているので、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。また、基板に放熱機能を付加することができる。さらに、高次モードでの伝送を抑制することができる。
この点、第1接地電極と第2接地電極とを接続するビアと、第2接地電極と第3接地電極とを接続するビアとを別々に設けて、第1接地電極と第2接地電極と第3接地電極とを電気的に接続することも想定され得る。しかし、そのような構成では、第1接地電極および第2接地電極を接続するビアと、第2接地電極および第3接地電極を接続するビアとの相対的な位置精度を確保することが難しく、位置ずれが大きいと周波数特性においてリップルが顕著に発生する場合がある。さらに、そのような構成を有する導波素子の製造は、非常に煩雑である。
これに対して、上記の構成では、第1ビアが第1接地電極と第2接地電極と第3接地電極とを電気的に接続しているので、第1ビアにおいて、第1接地電極と第2接地電極との間に位置する部分と、第2接地電極と第3接地電極との間に位置する部分との相対的な位置精度を簡便に確保することができ、リップルの発生を抑制することができる。
さらに、第2ビアが互いに隣り合う第1ビアの間に配置されているので、無機材料基板における第1ビアおよび第2ビアのピッチを、支持基板における第1ビアのピッチよりも小さくすることができる。そのため、無機材料基板が上記のように薄厚化されていても、無機材料基板の強度を十分に確保することができる。
これらの結果、導波素子において、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、伝搬損失を十分に低減できる。
なお、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。上記の導波素子では、無機材料基板の薄板化が図られているので、優れた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。 The waveguide element 100 comprises an inorganic material substrate 1; a conductor layer 2 having a signal electrode 2a and first ground electrodes 2b, 2c; a support substrate 7; a second ground electrode 3; a third ground electrode 4; a first via 5; and a second via 6.
The conductor layer 2 is provided on the inorganic material substrate 1. The signal electrode 2a extends in a predetermined direction (waveguiding direction). The first ground electrodes 2b and 2c are arranged at intervals from the signal electrode 2a in a direction intersecting the predetermined direction in which the signal electrode 2a extends. The support substrate 7 is located on the opposite side of the inorganic material substrate 1 to the conductor layer 2. The second ground electrode 3 is located between the inorganic material substrate 1 and the support substrate 7. The third ground electrode 4 is located on the opposite side of the support substrate 7 to the second ground electrode 3. The first via 5 electrically connects the first ground electrodes 2b and 2c to the third ground electrode 4, and is also electrically connected to the second ground electrode 3. The director element 100 includes a plurality of the first vias 5. The second via 6 electrically connects the first ground electrodes 2b and 2c to the third ground electrode 3. The second via 6 is arranged between adjacent first vias 5 among the plurality of first vias 5. The thickness t of the inorganic material substrate 1 satisfies the following formula (1).
Figure 0007602996000002
(In the formula, t represents the thickness of the inorganic material substrate, λ represents the wavelength of the electromagnetic wave guided by the waveguide element, ε represents the relative dielectric constant of the inorganic material substrate, and a represents a value of 3 or more.)
In the director element having the conductor layer including the signal electrode described above, a high-frequency electromagnetic wave input to the director element propagates through the inorganic material substrate.
According to the above configuration, since the thickness of the inorganic material substrate satisfies the above formula (1), even when the director element guides a high-frequency electromagnetic wave, induction of a slab mode and/or occurrence of substrate resonance can be suppressed. However, if the thickness of the inorganic material substrate satisfies the above formula (1), a new problem may arise in that the propagating electromagnetic wave leaks from the inorganic material substrate to the supporting substrate, and the propagation loss due to the dielectric loss of the supporting substrate increases.
In contrast, in the above-mentioned configuration, the second ground electrode is disposed between the inorganic material substrate and the support substrate, and the third ground electrode is disposed on the opposite side of the support substrate to the second ground electrode, so that it is possible to suppress leakage of electromagnetic waves to the support substrate, thereby suppressing induction of slab modes and/or occurrence of substrate resonance while suppressing leakage of electromagnetic waves to the support substrate.
In addition, since the first via electrically connects the first ground electrode, the second ground electrode, and the third ground electrode, the ground can be strengthened and the stray capacitance due to the surrounding lines and elements can be suppressed. In addition, a heat dissipation function can be added to the substrate. Furthermore, transmission in higher modes can be suppressed.
In this regard, it may be possible to provide a via connecting the first ground electrode and the second ground electrode and a via connecting the second ground electrode and the third ground electrode separately, and electrically connect the first ground electrode, the second ground electrode, and the third ground electrode. However, in such a configuration, it is difficult to ensure the relative positional accuracy of the via connecting the first ground electrode and the second ground electrode and the via connecting the second ground electrode and the third ground electrode, and if the positional deviation is large, ripples may occur significantly in the frequency characteristics. Furthermore, the manufacture of a waveguide element having such a configuration is very complicated.
In contrast, in the above configuration, the first via electrically connects the first ground electrode, the second ground electrode, and the third ground electrode, so that the relative positional accuracy of the portion of the first via located between the first ground electrode and the second ground electrode and the portion located between the second ground electrode and the third ground electrode can be easily ensured, and the occurrence of ripples can be suppressed.
Furthermore, since the second vias are disposed between the adjacent first vias, the pitch of the first and second vias in the inorganic material substrate can be made smaller than the pitch of the first vias in the support substrate, so that the strength of the inorganic material substrate can be sufficiently ensured even if the inorganic material substrate is thinned as described above.
As a result, even when the director element guides high-frequency electromagnetic waves having frequencies of 30 GHz or more, the propagation loss can be sufficiently reduced.
Development of miniaturized waveguide elements is underway, and circuit integration is expected in the future. The above-mentioned waveguide elements use thin inorganic material substrates, so they can meet the demand for miniaturization while maintaining excellent propagation loss performance.

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, in the above formula (1), a represents a numerical value of 6 or more.
When the thickness of the inorganic material substrate satisfies the formula (1) in which a is a numerical value of 6 or more, it is possible to stably reduce the propagation loss when guiding the above-mentioned high-frequency electromagnetic waves.

無機材料基板1の100GHz~10THzにおける誘電率は、例えば10.0以下であり、好ましくは3.7以上10.0以下であり、より好ましくは3.8以上9.0以下である。使用する周波数が300GHzである場合、無機材料基板1の比誘電率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。無機材料基板の誘電率がこのような範囲であれば、伝搬する電磁波の遅延を抑制できる。
無機材料基板の誘電正接(tanδ)は、使用する周波数において好ましくは0.01以下であり、より好ましくは0.008以下であり、さらに好ましくは0.006以下であり、特に好ましくは0.004以下である。使用する周波数が300GHzである場合、無機材料基板1における誘電正接tanδは、好ましくは0.0030以下、より好ましくは0.0020以下、さらに好ましくは0.0015以下である。
誘電正接がこのような範囲であれば、導波路における伝搬損失を小さくすることができる。誘電正接は小さいほど好ましい。誘電正接は、例えば0.001以上であり得る。
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 of the inorganic material substrate 1 at 100 GHz to 10 THz is, for example, 10.0 or less, preferably 3.7 or more and 10.0 or less, and more preferably 3.8 or more and 9.0 or less. When the frequency used is 300 GHz, the relative dielectric constant ε of the inorganic material substrate 1 is typically 3.5 or more and typically 12.0 or less, preferably 10.0 or less, and more preferably 5.0 or less. If the dielectric constant of the inorganic material substrate is in such a range, the delay of the propagating electromagnetic wave can be suppressed.
The dielectric loss tangent (tan δ) of the inorganic material substrate is preferably 0.01 or less, more preferably 0.008 or less, even more preferably 0.006 or less, and particularly preferably 0.004 or less, at the frequency used. When the frequency used is 300 GHz, the dielectric loss tangent tan δ of the inorganic material substrate 1 is preferably 0.0030 or less, more preferably 0.0020 or less, and even more preferably 0.0015 or less.
If the dielectric loss tangent is in this range, the propagation loss in the waveguide can be reduced. The smaller the dielectric loss tangent, the more preferable it is. The dielectric loss tangent can be, for example, 0.001 or more.
When the dielectric constant ε and the dielectric loss tangent (dielectric loss) tan δ of the inorganic material substrate are in the above range, the propagation loss can be more stably reduced when guiding the above-mentioned high-frequency electromagnetic waves (particularly electromagnetic waves of 300 GHz or more). The dielectric constant ε and the dielectric loss tangent (dielectric loss) tan δ can be measured by terahertz time domain spectroscopy. In this specification, when the measurement frequency is not mentioned for the dielectric constant and the dielectric loss tangent, the dielectric constant and the dielectric loss tangent at 300 GHz are meant.

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、導波素子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 satisfying the above formula (1) is specifically 1 μm or more, preferably 2 μm or more, more preferably 10 μm or more, and even more preferably 20 μm or more, and is, for example, 1700 μm or less, preferably 500 μm or less, more preferably 200 μm or less, and even more preferably 100 μm or less. In addition, when the frequency of the electromagnetic wave propagating through the waveguide element 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 falls below the lower limit, the thickness and width of the electrodes constituting the waveguide element will be reduced to about a few μm, resulting in increased propagation loss due to the skin effect and a significant decrease in the tolerance of line performance due to manufacturing variations.
When the thickness of the inorganic material substrate 1 is equal to or less than the upper limit, induction of slab mode and occurrence of substrate resonance are suppressed, and a waveguide element with small propagation loss over a wide frequency range (i.e., broadband) can be realized.

1つの実施形態において、導波素子は、コプレーナ線路を構成する。すなわち、導波素子の導体層は、コプレーナ型電極である。
1つの実施形態において、導体層2は、コプレーナ型電極である。図2に示すように、導体層2がコプレーナ型電極である場合、上記した高周波数の電磁波は、信号電極2aと第1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。
導体層2がコプレーナ型電極である場合、信号電極2aは、所定方向(導波方向)に延びる線形状を有している。第1接地電極2bは、信号電極2aの長手方向と交差(好ましくは直交)する方向において、信号電極2aとの間に所定の空隙部(ギャップ)を形成するように配置されている。第1接地電極2cは、信号電極2aの長手方向と交差(好ましくは直交)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との間に所定の空隙部(ギャップ)を形成するように配置されている。空隙部(ギャップ)は、信号電極2aの長手方向に延びている。
コプレーナ型電極の信号電極2aの幅(長手方向と直交する方向の寸法)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。
上記空隙部(ギャップ)の幅(長手方向と交差する方向の寸法)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。
In one embodiment, the waveguide element comprises a coplanar line, i.e., the conductor layers of the waveguide element are coplanar electrodes.
In one embodiment, the conductor layer 2 is a coplanar electrode. When the conductor layer 2 is a coplanar electrode as shown in Fig. 2, the high-frequency electromagnetic wave is coupled with an electric field generated between the signal electrode 2a and the first ground electrodes 2b and 2c, and propagates through the inorganic material substrate 1.
When the conductor layer 2 is a coplanar electrode, the signal electrode 2a has a linear shape extending in a predetermined direction (waveguiding direction). The first ground electrode 2b is arranged so as to form a predetermined gap between the signal electrode 2a and the first ground electrode 2b in a direction intersecting (preferably perpendicular) with the longitudinal direction of the signal electrode 2a. The first ground electrode 2c is located on the opposite side of the first ground electrode 2b with respect to the signal electrode 2a in a direction intersecting (preferably perpendicular) with the longitudinal direction of the signal electrode 2a, and is arranged so as to form a predetermined gap between the first ground electrode 2b and the signal electrode 2a. The gap extends in the longitudinal direction of the signal electrode 2a.
The width w (dimension in a direction perpendicular to the longitudinal direction) of the signal electrode 2a of the coplanar electrode is, for example, 2 μm or more, preferably 20 μm or more, for example, 200 μm or less, preferably 150 μm or less.
The width g of the gap (dimension in a direction intersecting the longitudinal direction) is, for example, 2 μm or more, preferably 5 μm or more, and is, for example, 100 μm or less, preferably 80 μm or less.

1つの実施形態において、導波素子は、マイクロストリップ線路を構成する。すなわち、導波素子の導体層と第2接地電極は、マイクロストリップ型電極である。
1つの実施形態において、導体層2と第2接地電極3とは、マイクロストリップ型電極である。図8に示すように、マイクロストリップ型電極である場合、上記した高周波数の電磁波は、信号電極2aと第2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。
導体層2がマイクロストリップ型電極である場合、信号電極2aは、所定方向(導波方向)に延びる平帯形状を有している。第2接地電極3は、信号電極2aの長手方向と交差(好ましくは直交)する方向において、信号電極2aとの間に所定のギャップ(無機材料基板の厚み)を形成するように配置されている。ギャップは、信号電極2aの長手方向に延びている。一方、コプレーナ型電極と同様に第1接地電極2b,2cを設置することもでき、第1接地電極2b,2cは、信号電極2aの長手方向と交差(好ましくは直交)する方向において、信号電極2aに対して、上記したコプレーナ型電極の空隙部(ギャップ)の幅gよりも離れて位置している。
マイクロストリップ型電極の信号電極2aの幅(長手方向と直交する方向の寸法)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。
In one embodiment, the director element comprises a microstrip line, i.e., the conductor layer of the director element and the second ground electrode are microstrip type electrodes.
In one embodiment, the conductor layer 2 and the second ground electrode 3 are microstrip type electrodes. As shown in Fig. 8, in the case of the microstrip type electrodes, the above-mentioned high-frequency electromagnetic wave is coupled with an electric field generated between the signal electrode 2a and the second ground electrode 3 and propagates through the inorganic material substrate 1.
When the conductor layer 2 is a microstrip electrode, the signal electrode 2a has a flat belt shape extending in a predetermined direction (waveguiding direction). The second ground electrode 3 is arranged so as to form a predetermined gap (thickness of the inorganic material substrate) between the signal electrode 2a and the second ground electrode 3 in a direction intersecting (preferably perpendicular) the longitudinal direction of the signal electrode 2a. The gap extends in the longitudinal direction of the signal electrode 2a. On the other hand, the first ground electrodes 2b and 2c can also be installed in the same manner as the coplanar electrode, and the first ground electrodes 2b and 2c are located away from the signal electrode 2a in a direction intersecting (preferably perpendicular) the longitudinal direction of the signal electrode 2a by a distance greater than the width g of the gap of the coplanar electrode described above.
The width (dimension in a direction perpendicular to the longitudinal direction) w of the signal electrode 2a of the microstrip electrode is, for example, 100 μm or more, preferably 300 μm or more, for example, 800 μm or less, preferably 500 μm or less.

なお、図示例では、導体層2がコプレーナ型電極およびマイクロストリップ型電極のいずれの場合であっても、信号電極2aは、導波素子100の全体にわたって延びているが、信号電極2aの長手方向の寸法は、導波素子の導波方向の寸法以下であれば任意の適切な寸法とすることができる。また、信号電極は、導波素子において、導波方向に並ぶように複数設けられていてもよい。 In the illustrated example, regardless of whether the conductor layer 2 is a coplanar electrode or a microstrip electrode, the signal electrode 2a extends across the entire waveguide element 100, but the longitudinal dimension of the signal electrode 2a can be any appropriate dimension as long as it is equal to or smaller than the dimension of the waveguide element in the waveguide direction. In addition, multiple signal electrodes may be provided in the waveguide element so as to be aligned in the waveguide direction.

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。
以下、導波素子の各構成要素の具体的な構成についてB項~H項で説明する。また、導波素子の製造方法については、I項で説明する。
In this specification, the term "waveguide element" encompasses 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.
The specific configuration of each component of the waveguide element will be described below in Sections B to H. A method for manufacturing the waveguide element will be described in Section I.

B.無機材料基板
図1および図2に示すように、無機材料基板1は、導体層2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 As shown in Figures 1 and 2, the inorganic material substrate 1 has an upper surface on which the conductor layer 2 is provided, and a lower surface located within the composite substrate.
The inorganic material substrate 1 is made of an inorganic material. Any suitable material can be used as the inorganic material as long as the effect of the embodiment of the present invention can be obtained. Representative examples of such materials include single crystal quartz (relative dielectric constant 4.5, dielectric loss tangent 0.0013), amorphous quartz (quartz glass, relative 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 (relative 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). The inorganic material substrate 1 is preferably a quartz glass substrate made of amorphous quartz.
If the inorganic material substrate is a quartz glass substrate, the increase in propagation loss can be more stably suppressed even when guiding the above-mentioned high-frequency electromagnetic waves. Furthermore, since the dielectric constant is larger than that of resin-based substrates, the substrate size can be made smaller, and since the dielectric constant is relatively small among inorganic materials, it is advantageous in terms of reducing delay.

無機材料基板1の抵抗率は、例えば100kΩ・cm以上であり、好ましくは300kΩ・cm以上であり、より好ましくは500kΩ・cm以上であり、さらに好ましくは700kΩ・cm以上である。抵抗率がこのような範囲であれば、電磁波が電子伝導に影響を与えることなく、材料中を低損失で伝搬することができる。この現象は、詳細には明らかではないが、抵抗率が小さいと電磁波が電子と結合し電磁波のエネルギーが電子伝導に奪われるために損失となると推察され得る。この観点から、抵抗率は大きいほど好ましい。抵抗率は、例えば3000kΩ(3MΩ)・cm以下であり得る。 The resistivity of the inorganic material substrate 1 is, for example, 100 kΩ·cm or more, preferably 300 kΩ·cm or more, more preferably 500 kΩ·cm or more, and even more preferably 700 kΩ·cm or more. If the resistivity is in this range, the electromagnetic waves can propagate through the material with low loss without affecting the electronic conduction. Although the details of this phenomenon are not clear, it can be assumed that if the resistivity is low, the electromagnetic waves bind with electrons and the energy of the electromagnetic waves is taken away by electronic conduction, resulting in loss. From this perspective, the higher the resistivity, the more preferable it is. The resistivity can be, for example, 3000 kΩ (3 MΩ)·cm or less.

無機材料基板1の曲げ強度は、例えば50MPa以上であり、好ましくは60MPa以上である。曲げ強度がこのような範囲であれば、基板が変形しにくいので空孔径、空孔周期が安定となり、特性変化の小さい導波素子を実現することができる。曲げ強度は大きいほど好ましい。曲げ強度は、例えば700MPa以下であり得る。なお、曲げ強度は、JIS規格R1601に準拠して測定することができる。 The bending strength of the inorganic material substrate 1 is, for example, 50 MPa or more, and preferably 60 MPa or more. If the bending strength is in this range, the substrate is less likely to deform, so the pore diameter and pore period are stable, and a waveguide element with small changes in characteristics can be realized. The higher the bending strength, the more preferable it is. The bending strength can be, for example, 700 MPa or less. The bending strength can be measured in accordance with JIS standard R1601.

無機材料基板1の熱膨張係数(線膨張係数)は、例えば10×10-6/K以下であり、好ましくは8×10-6/K以下である。熱膨張係数がこのような範囲であれば、基板の熱変形(代表的には、反り)を良好に抑制することができる。なお、熱膨張係数はJIS規格R1618に準拠して測定することができる。 The thermal expansion coefficient (linear expansion coefficient) of the inorganic material substrate 1 is, for example, 10×10 −6 /K or less, and preferably 8×10 −6 /K or less. If the thermal expansion coefficient is in this range, thermal deformation (typically, warpage) of the substrate can be effectively suppressed. The thermal expansion coefficient can be measured in accordance with JIS standard R1618.

また、上記したように、無機材料基板1における誘電正接tanδは、小さいほど好ましい。300GHz帯における無機材料基板1の誘電正接(tanδ)を低減する方法として、無機材料基板中に含有するOH基濃度を低減することが挙げられる。導波素子100が周波数250GHz~350GHzの電磁波を導波する場合、無機材料基板におけるOH基濃度は、例えば100wtppm以下、好ましくは15wtppm以下、より好ましくは10wtppm以下である。なお、無機材料基板におけるOH基濃度は、代表的には0wtppm以上であり得る。OH基濃度は、FTIR(フーリエ変換赤外線分光法)、ラマン散乱分光、カールフィーッシャー法によって測定することができる。 As described above, the dielectric loss tangent tan δ of the inorganic material substrate 1 is preferably as small as possible. One method for reducing the dielectric loss tangent (tan δ) of the inorganic material substrate 1 in the 300 GHz band is to reduce the concentration of OH groups contained in the inorganic material substrate. When the waveguide element 100 guides electromagnetic waves with frequencies of 250 GHz to 350 GHz, the concentration of OH groups in the inorganic material substrate is, for example, 100 wtppm or less, preferably 15 wtppm or less, and more preferably 10 wtppm or less. The concentration of OH groups in the inorganic material substrate may typically be 0 wtppm or more. The concentration of OH groups can be measured by FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy), Raman scattering spectroscopy, or the Karl Fischer method.

また、無機材料基板1の誘電損失は、FQ値によって評価し得る。FQ値は、誘電正接(tanδ)の逆数と、導波素子100に導波される電磁波の周波数の積とによって算出される。
無機材料基板1のOH基濃度が100wtppm以下である場合、電磁波の周波数が150GHz以上250GHz未満であると、FQ値は、好ましくは45000GHz以上であり、電磁波の周波数が周波数250GHz以上350GHz未満であると、FQ値は、好ましくは75000GHz以上である。
また、無機材料基板1のOH基濃度が15wtppm下である場合、電磁波の周波数が150GHz以上250GHz未満であると、FQ値は、好ましくは75000GHz以上であり、電磁波の周波数が250GHz以上350GHz未満であると、FQ値は、好ましくは105000GHz以上である。
さらに、無機材料基板1のOH基濃度が10wtppm下である場合、電磁波の周波数が150GHz以上250GHz未満であると、FQ値は、好ましくは150000GHz以上、代表的には270000GHz以下であり、電磁波の周波数が周波数250GHz以上350GHz未満であると、FQ値は、好ましくは250000GHz以上、代表的には390000GHz以下である。
The dielectric loss of the inorganic material substrate 1 can be evaluated by the FQ value. The FQ value is calculated by multiplying the inverse of the dielectric tangent (tan δ) by the frequency of the electromagnetic wave guided by the director element 100.
When the OH group concentration of the inorganic material substrate 1 is 100 wtppm or less, if the frequency of the electromagnetic waves is 150 GHz or more and less than 250 GHz, the FQ value is preferably 45,000 GHz or more, and if the frequency of the electromagnetic waves is 250 GHz or more and less than 350 GHz, the FQ value is preferably 75,000 GHz or more.
Furthermore, when the OH group concentration of the inorganic material substrate 1 is 15 wtppm or less, if the frequency of the electromagnetic wave is 150 GHz or more and less than 250 GHz, the FQ value is preferably 75,000 GHz or more, and if the frequency of the electromagnetic wave is 250 GHz or more and less than 350 GHz, the FQ value is preferably 105,000 GHz or more.
Furthermore, when the OH group concentration of the inorganic material substrate 1 is 10 wtppm or less, if the frequency of the electromagnetic waves is 150 GHz or more and less than 250 GHz, the FQ value is preferably 150,000 GHz or more and typically 270,000 GHz or less, and if the frequency of the electromagnetic waves is 250 GHz or more and less than 350 GHz, the FQ value is preferably 250,000 GHz or more and typically 390,000 GHz or less.

無機材料基板1の気孔率は、気孔サイズ1μm以上の気孔が、例えば0.5ppm以上3000ppm以下であり、好ましくは0.5ppm以上1000ppm以下であり、より好ましくは0.5ppm以上100ppm以下である。気孔率がこのような範囲であれば緻密化が可能であり、さらに、上記の空孔サイズを所定範囲とする効果との相乗効果により、機械強度および長期信頼性のいずれの観点からも安定な導波素子を実現できる。さらに、粒径も小さくできることから、後述するビアホールの形状がばらつくことなく均一化することができるという利点がある。なお、気孔率が3000ppmを超えると、導波路における伝搬損失が大きくなる場合がある。気孔率を0.5ppm未満とすることは、無機材料基板を用いる技術では困難である。 The porosity of the inorganic material substrate 1 is, for example, 0.5 ppm to 3000 ppm, preferably 0.5 ppm to 1000 ppm, more preferably 0.5 ppm to 100 ppm, for pores with a size of 1 μm or more. If the porosity is in this range, densification is possible, and further, due to the synergistic effect with the effect of setting the pore size within a predetermined range, a stable waveguide element can be realized in terms of both mechanical strength and long-term reliability. Furthermore, since the particle size can be made small, there is an advantage that the shape of the via hole described later can be made uniform without variation. Note that if the porosity exceeds 3000 ppm, the propagation loss in the waveguide may increase. It is difficult to make the porosity less than 0.5 ppm using technology that uses an inorganic material substrate.

気孔のサイズとは、気孔が略球状である場合には直径であり、略円柱状である場合には平面視した場合の直径であり、その他の形状である場合には気孔に内接する円の直径である。気孔の有無は、例えば、光CT(Computed Tomograohy)または透過率測定器により確認することができる。気孔のサイズは、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)により測定することができる。 The size of the pores refers to the diameter if the pores are approximately spherical, the diameter when viewed in a planar view if the pores are approximately cylindrical, and the diameter of a circle inscribed in the pores if the pores have any other shape. The presence or absence of pores can be confirmed, for example, by optical CT (Computed Tomography) or a transmittance meter. The size of the pores can be measured, for example, by a scanning electron microscope (SEM).

C.導体層
導体層2は、無機材料基板1に対して第2接地電極3と反対側に位置し、無機材料基板1の表面に設けられている。導体層2は、代表的には無機材料基板1と直接接触している。
導体層2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)、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、チタン(Ti)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2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2は、例えばめっき、スパッタリング、蒸着、印刷によって、無機材料基板1上に形成される。
導体層2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。
C. Conductive Layer The conductor layer 2 is located on the opposite side of the inorganic material substrate 1 to the second ground electrode 3, and is provided on the surface of the inorganic material substrate 1. The conductor layer 2 is typically in direct contact with the inorganic material substrate 1.
The conductor layer 2 is typically made of a metal. Examples of metals include chromium (Cr), nickel (Ni), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), and titanium (Ti). The metals can be used alone or in combination. The conductor layer 2 may be a single layer, or may be formed by laminating two or more layers. The conductor layer 2 is formed on the inorganic material substrate 1 by, for example, plating, sputtering, vapor deposition, or printing.
The thickness of the conductor layer 2 is, for example, 1 μm or more, preferably 4 μm or more, and, for example, 20 μm or less, preferably 10 μm or less.

D.第2接地電極
1つの実施形態において、第2接地電極3は、無機材料基板1における導体層2と反対側の表面に設けられている。第2接地電極3は、無機材料基板1の厚み方向において、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3は、代表的には無機材料基板1と直接接触している。第2接地電極3は、導体層2と同様の金属で構成可能である。第2接地電極3は、無機材料基板1と支持基板7とを接合するという観点で、接合面を平坦化しやすい密着強度を確保する必要があり、第2接地電極3の金属は、導体層2の金属と異なっていてよい。第2接地電極3の厚みの範囲は、導体層2の厚みの範囲と同様である。
第2接地電極3は、代表的には、スパッタリングやめっきにより、無機材料基板1に形成される。
D. Second Ground Electrode In one embodiment, the second ground electrode 3 is provided on the surface of the inorganic material substrate 1 opposite to the conductor layer 2. The second ground electrode 3 is disposed at a distance from the signal electrode 2a in the thickness direction of the inorganic material substrate 1. The second ground electrode 3 is typically in direct contact with the inorganic material substrate 1. The second ground electrode 3 can be made of the same metal as the conductor layer 2. From the viewpoint of bonding the inorganic material substrate 1 and the support substrate 7, the second ground electrode 3 needs to ensure an adhesion strength that makes it easy to flatten the bonding surface, and the metal of the second ground electrode 3 may be different from the metal of the conductor layer 2. The thickness range of the second ground electrode 3 is the same as the thickness range of the conductor layer 2.
The second ground electrode 3 is typically formed on the inorganic material substrate 1 by sputtering or plating.

E.支持基板
支持基板7は、導波素子に優れた機械的強度を付与し得る。これにより、無機材料基板の厚みt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7としては、任意の適切な構成が採用され得る。支持基板7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7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またはシリコンナイトライド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、この観点における支持基板7を構成する材料としては、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。
E. Support Substrate The support substrate 7 can provide the waveguide element with excellent mechanical strength. This allows the thickness t of the inorganic material substrate to be thinned so as to satisfy the above formula (1). Any appropriate configuration can be adopted as the support substrate 7. Specific examples of materials constituting the support substrate 7 include indium phosphide (InP), silicon (Si), glass, sialon (Si 3 N 4 -Al 2 O 3 ), mullite (3Al 2 O 3 ·2SiO 2 , 2Al 2 O 3 ·3SiO 2 ), aluminum nitride (AlN), magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), spinel (MgAl 2 O 4 ), sapphire, quartz, quartz, gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si 3 N 4 ), and gallium oxide (Ga 2 O 3 ).
The support substrate 7 is preferably made of at least one material selected from the group consisting of indium phosphide, silicon, aluminum nitride, silicon carbide and silicon nitride, and more preferably made of silicon.
When active elements such as an oscillator or a receiver are mounted on the waveguide element 100, the inorganic material substrate may heat up, which may deteriorate the characteristics of other active elements and mounted components. To prevent this, a material with high thermal conductivity may be used for the support substrate. In this case, the thermal conductivity is preferably 150 W/Km or more, and examples of materials constituting the support substrate 7 from this viewpoint include silicon (Si), aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC), and silicon nitride (Si 3 N 4 ).

なお、支持基板7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7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、支持基板7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、導波素子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、支持基板7の誘電正接は0.07以下であることが好ましい。
The linear expansion coefficient of the material constituting the support substrate 7 is preferably as close as possible to the linear expansion coefficient of the material constituting the inorganic material substrate 1. With such a configuration, thermal deformation (typically, warping) of the composite substrate can be suppressed. Preferably, the linear expansion coefficient of the material constituting the support substrate 7 is within a range of 50% to 150% of the linear expansion coefficient of the material constituting the inorganic material substrate 1.
In addition, it is preferable that the dielectric loss tangent of the material constituting the support substrate 7 is small. In the case of a coplanar line, when the thickness of the waveguide element is small, the propagating electromagnetic waves may seep into the support substrate, and the propagation loss can be suppressed by reducing the dielectric loss tangent. From this viewpoint, it is preferable that the dielectric loss tangent of the support substrate 7 is 0.07 or less.

支持基板7の厚みは、例えば50μm以上、好ましくは100μm以上、より好ましくは150μm以上であり、例えば3000μm以下、好ましくは2000μm以下、より好ましくは300μm以下である。また、1つの実施形態において、支持基板7の厚みは、無機材料基板の厚みよりも大きい。より詳しくは、支持基板7の厚みは、無機材料基板の厚みに対して、例えば1.1倍以上、好ましくは1.5倍以上であり、例えば30倍以下、好ましくは10倍以下、さらに好ましくは5倍以下である。支持基板の厚みが上記下限以上であれば、導波素子の機械強度の向上を安定して図ることができる。支持基板の厚みが上記上限以下であれば、スラブモード伝搬の抑制、導波素子の薄型化(導波素子の機械強度保持)、および基板共振の抑制を図ることができる。 The thickness of the support substrate 7 is, for example, 50 μm or more, preferably 100 μm or more, more preferably 150 μm or more, and, for example, 3000 μm or less, preferably 2000 μm or less, more preferably 300 μm or less. In one embodiment, the thickness of the support substrate 7 is greater than the thickness of the inorganic material substrate. More specifically, the thickness of the support substrate 7 is, for example, 1.1 times or more, preferably 1.5 times or more, and, for example, 30 times or less, preferably 10 times or less, and more preferably 5 times or less, relative to the thickness of the inorganic material substrate. If the thickness of the support substrate is equal to or greater than the lower limit, the mechanical strength of the waveguide element can be stably improved. If the thickness of the support substrate is equal to or less than the upper limit, the slab mode propagation can be suppressed, the waveguide element can be made thinner (the mechanical strength of the waveguide element can be maintained), and the substrate resonance can be suppressed.

支持基板7は、導体層2、無機材料基板1および第2接地電極3を支持している。より詳しくは、支持基板7は、第2接地電極3のみを介して無機材料基板1と直接接合されていてもよく、第2接地電極3および接合部(図示せず)を介して無機材料基板1と直接接合されていてもよい。
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。なお、直接接合の詳細については、後述するI項において説明する。
支持基板7が第2接地電極3のみを介して無機材料基板1と接合されている場合、第2接地電極3は、無機材料基板1と支持基板7とを接合する接合部として機能し、支持基板7は、第2接地電極3と直接接触している。
支持基板7が第2接地電極3および接合部を介して無機材料基板1と接合されている場合、接合部は、第2接地電極3と支持基板7との間に設けられる。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。また、密着強度確保とマイグレーションの防止という観点で、Ti、Cr、Ni、Pt、Pdの金属膜を中間層として、無機材料基板と第2接地電極の間や支持基板と第2接地電極の間に形成してもよい。接合部の厚みは、例えば0.01μm以上3μm以下である。
The supporting substrate 7 supports the conductor layer 2, the inorganic material substrate 1, and the second ground electrode 3. More specifically, the supporting substrate 7 may be directly bonded to the inorganic material substrate 1 only via the second ground electrode 3, or may be directly bonded to the inorganic material substrate 1 via the second ground electrode 3 and a bonding portion (not shown).
In this specification, the term "direct bonding" means that two layers or substrates are bonded to each other without the use of an adhesive. The form of direct bonding can be appropriately set depending on the configuration of the layers or substrates to be bonded to each other.
By integrating them by direct bonding, peeling in the waveguide element can be effectively suppressed, and as a result, damage (e.g., cracks) to the inorganic material substrate caused by such peeling can be effectively suppressed. Details of direct bonding will be described in Section I below.
When the supporting substrate 7 is joined to the inorganic material substrate 1 only via the second ground electrode 3, the second ground electrode 3 functions as a joining portion joining the inorganic material substrate 1 and the supporting substrate 7, and the supporting substrate 7 is in direct contact with the second ground electrode 3.
When the support substrate 7 is joined to the inorganic material substrate 1 via the second ground electrode 3 and the joint, the joint is provided between the second ground electrode 3 and the support substrate 7. The joint may be a single layer, or may be a laminate of two or more layers. Examples of the joint include a SiO2 layer, an amorphous silicon layer, and a tantalum oxide layer. In addition, from the viewpoint of ensuring adhesion strength and preventing migration, a metal film of Ti, Cr, Ni, Pt, or Pd may be formed as an intermediate layer between the inorganic material substrate and the second ground electrode or between the support substrate and the second ground electrode. The thickness of the joint is, for example, 0.01 μm or more and 3 μm or less.

F.第3接地電極
1つの実施形態において、第3接地電極4は、支持基板7における第2接地電極3と反対側の表面に設けられている。第3接地電極4は、無機材料基板1の厚み方向において、第2接地電極3に対して間隔を空けて配置されている。第3接地電極4は、代表的には支持基板7と直接接触している。第3接地電極4は、導体層2と同様の金属で構成され、第3接地電極4の厚みの範囲は、導体層2の厚みの範囲と同様である。第3接地電極4は、例えばスパッタリングもしくはめっきによって支持基板7上に形成される。第3接地電極4は必ずしも支持基板7における第2接地電極と反対側の表面全体に形成されなくてもよい。
F. Third Ground Electrode In one embodiment, the third ground electrode 4 is provided on the surface of the support substrate 7 opposite to the second ground electrode 3. The third ground electrode 4 is disposed at a distance from the second ground electrode 3 in the thickness direction of the inorganic material substrate 1. The third ground electrode 4 is typically in direct contact with the support substrate 7. The third ground electrode 4 is made of the same metal as the conductor layer 2, and the thickness range of the third ground electrode 4 is the same as the thickness range of the conductor layer 2. The third ground electrode 4 is formed on the support substrate 7 by, for example, sputtering or plating. The third ground electrode 4 does not necessarily have to be formed on the entire surface of the support substrate 7 opposite to the second ground electrode.

G.第1ビア
導波素子100において、第1ビア5は、信号電極2aの長手方向と交差(好ましくは直交)する方向において、信号電極2aの両側に設けられている。以下では、第1接地電極2bと第3接地電極4とを電気的に接続する第1ビアを第1ビア5aとし、第1接地電極2cと第3接地電極4とを電気的に接続する第1ビアを第1ビア5bとして互いに区別する場合がある。
図2に示すように、第1ビア5aは、第1接地電極2bおよび第3接地電極4と接触しており、第1接地電極2bと第3接地電極4との間を連続的に延びている。第1ビア5bは、第1接地電極2cおよび第3接地電極4と接触しており、第1接地電極2cと第3接地電極4との間を連続的に延びている。第1ビア5a,5bのそれぞれは、第2接地電極3を貫通しており、第2接地電極3と接触している。なお、導波素子は、第1ビア5a,5bのうちいずれか一方のみを備えていてもよい。
G. First Vias In the director element 100, the first vias 5 are provided on both sides of the signal electrode 2a in a direction intersecting (preferably perpendicular to) the longitudinal direction of the signal electrode 2a. In the following, the first vias that electrically connect the first ground electrode 2b and the third ground electrode 4 may be referred to as the first via 5a, and the first vias that electrically connect the first ground electrode 2c and the third ground electrode 4 may be referred to as the first via 5b, and may be distinguished from each other.
2, the first via 5a is in contact with the first ground electrode 2b and the third ground electrode 4, and extends continuously between the first ground electrode 2b and the third ground electrode 4. The first via 5b is in contact with the first ground electrode 2c and the third ground electrode 4, and extends continuously between the first ground electrode 2c and the third ground electrode 4. Each of the first vias 5a and 5b penetrates the second ground electrode 3 and is in contact with the second ground electrode 3. Note that the director element may include only one of the first vias 5a and 5b.

第1ビア5は、代表的には導電膜である。第1ビア5は、導体材料から構成され、代表的には導体層2と同様の金属で構成される。第1ビア5の形状は、それが配置される第1ビアホール8の形状に対応する。つまり、導波素子100は、複数の第1ビア5に対応して、複数の第1ビアホール8を有している。図示例では、第1ビア5aが配置される第1ビアホールを第1ビアホール8aとし、第1ビア5bが配置される第1ビアホールを第1ビアホール8bとして互いに区別する場合がある。第1ビアホール8は、無機材料基板1、第2接地電極3および支持基板7を貫通している。第1ビアホール8は、代表的には、無機材料基板1の表面(上面)方向から見て円形状を有する。第1ビアホールが円形状を有する場合、第1ビアホールの内径は、例えば10μm以上、好ましくは20μm以上であり、例えば200μm以下、好ましくは100μm以下、より好ましくは80μm以下である。
図2では、第1ビアホール8は、無機材料基板1の表面(上面)方向から見て円形状を有し、かつ、無機材料基板1の表面(上面)方向に沿って直線的に、無機材料基板1、第2接地電極3および支持基板7を貫通している。第1ビアホールが円形かつ直線的である場合、第1ビア5は、無機材料基板1の表面(上面)方向に沿って延びる円柱形状または円筒形状を有する。この場合、第1ビア5の外径の範囲は、上記第1ビアホールの内径の範囲と同様である。
図5に示すように、第1ビアホール8は、無機材料基板1の表面(上面)方向から見て円形状を有し、かつ、第2接地電極3に近づくにつれて小径となるテーパ形状を有していてもよい。また、図示しないが、第1ビアホール8は、無機材料基板1の表面(上面)方向から見て円形状を有し、かつ、第2接地電極3に近づくにつれて大径となるテーパ形状を有していてもよい。
第1ビアホールがテーパ形状であると、第1ビア内の導体層を形成しやすくなる、基板の強度が確保しやすくなる、という特徴を持たすことができる。また、第1ビアは、導体材料が第1ビアホールに埋め込まれるように形成されていてもよい。
第1ビアホールが円形かつテーパ形状である場合、第1ビア5の構造は特に限定はされないが、第1ビア5は、第2接地電極3との接触部分が小径となり、第2接地電極3から離れるにつれて大径となる砂時計形状を有することが好ましい。言い換えれば、第1ビア5は、好ましくは、2つの円錐の頂点同士が連結された形状を有する。この場合、第1ビア5の最大外径が、上記の範囲内となる。1つの実施形態において、第1接地電極2b,2cと接触する第1ビア5の一端部の外径は、第3接地電極4と接触する第1ビア5の他端部の外径よりも小さい。第1ビア5において、第2接地電極に対して導体層2側のテーパ角は、第2接地電極に対して第3接地電極側のテーパ角よりも小さい。
なお、図示例では、第1接地電極および第3接地電極のそれぞれが、第1ビアホールを塞ぐように形成されているが、第1接地電極および第3接地電極のそれぞれの構成はこれに限定されない。第1接地電極および第3接地電極のそれぞれは、第1ビアと導通されていればよく、第1ビアホールを塞ぐことなく開放していてもよい。
The first via 5 is typically a conductive film. The first via 5 is made of a conductive material, typically made of the same metal as the conductive layer 2. The shape of the first via 5 corresponds to the shape of the first via hole 8 in which it is arranged. That is, the waveguide element 100 has a plurality of first via holes 8 corresponding to a plurality of first vias 5. In the illustrated example, the first via hole in which the first via 5a is arranged may be referred to as the first via hole 8a, and the first via hole in which the first via 5b is arranged may be referred to as the first via hole 8b, and may be distinguished from each other. The first via hole 8 penetrates the inorganic material substrate 1, the second ground electrode 3, and the support substrate 7. The first via hole 8 typically has a circular shape when viewed from the surface (upper surface) direction of the inorganic material substrate 1. When the first via hole has a circular shape, the inner diameter of the first via hole is, for example, 10 μm or more, preferably 20 μm or more, and, for example, 200 μm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 80 μm or less.
2, the first via hole 8 has a circular shape when viewed from the surface (upper surface) direction of the inorganic material substrate 1, and penetrates the inorganic material substrate 1, the second ground electrode 3, and the support substrate 7 linearly along the surface (upper surface) direction of the inorganic material substrate 1. When the first via hole is circular and linear, the first via 5 has a columnar or cylindrical shape extending along the surface (upper surface) direction of the inorganic material substrate 1. In this case, the range of the outer diameter of the first via 5 is the same as the range of the inner diameter of the first via hole described above.
5, the first via hole 8 may have a circular shape when viewed from the surface (top) direction of the inorganic material substrate 1, and may have a tapered shape with a smaller diameter toward the second ground electrode 3. Although not shown, the first via hole 8 may have a circular shape when viewed from the surface (top) direction of the inorganic material substrate 1, and may have a tapered shape with a larger diameter toward the second ground electrode 3.
When the first via hole has a tapered shape, it is possible to provide features such as facilitating the formation of a conductive layer in the first via and facilitating the securing of strength of the substrate. In addition, the first via may be formed such that a conductive material is embedded in the first via hole.
When the first via hole is circular and tapered, the structure of the first via 5 is not particularly limited, but the first via 5 preferably has an hourglass shape in which the contact portion with the second ground electrode 3 has a small diameter and the diameter increases as it moves away from the second ground electrode 3. In other words, the first via 5 preferably has a shape in which the apexes of two cones are connected to each other. In this case, the maximum outer diameter of the first via 5 is within the above range. In one embodiment, the outer diameter of one end of the first via 5 that contacts the first ground electrodes 2b and 2c is smaller than the outer diameter of the other end of the first via 5 that contacts the third ground electrode 4. In the first via 5, the taper angle on the conductor layer 2 side with respect to the second ground electrode is smaller than the taper angle on the third ground electrode side with respect to the second ground electrode.
In the illustrated example, the first ground electrode and the third ground electrode are each formed to block the first via hole, but the configuration of the first ground electrode and the third ground electrode is not limited to this. Each of the first ground electrode and the third ground electrode only needs to be electrically connected to the first via, and may be open without blocking the first via hole.

また、図4および図5に示すように、導波素子100では、複数の第1ビア5aが、信号電極2aの長手方向に互いに間隔を空けて並んでいる。なお、複数の第1ビア5aが並ぶ方向は、信号電極2aの長手方向に限定されない。図7に示すように、複数の第1ビア5aは、信号電極2aの長手方向と交差(好ましくは直交)する方向に互いに間隔を空けて並んでいてもよい。つまり、導波素子は、信号電極2aの長手方向に並ぶ第1ビア5aの列を、信号電極2aの長手方向と交差(直交)する方向に複数有してもよい。
複数の第1ビア5aのピッチP1(互いに隣り合う第第1ビア5aの中心間の距離)は、例えば40μm以上、好ましくは60μm以上であり、例えば600μm以下、好ましくは400μm以下、より好ましくは200μm以下である。
また、導波素子100は、第1ビア5aと同様に、複数の第1ビア5bを備えていてもよい。
4 and 5, in the director element 100, the multiple first vias 5a are arranged at intervals in the longitudinal direction of the signal electrode 2a. The direction in which the multiple first vias 5a are arranged is not limited to the longitudinal direction of the signal electrode 2a. As shown in FIG. 7, the multiple first vias 5a may be arranged at intervals in a direction intersecting (preferably perpendicular) the longitudinal direction of the signal electrode 2a. In other words, the director element may have multiple rows of the first vias 5a arranged in the longitudinal direction of the signal electrode 2a in a direction intersecting (preferably perpendicular) the longitudinal direction of the signal electrode 2a.
The pitch P1 of the multiple first vias 5a (the distance between the centers of adjacent first vias 5a) is, for example, 40 μm or more, preferably 60 μm or more, and, for example, 600 μm or less, preferably 400 μm or less, more preferably 200 μm or less.
The waveguide element 100 may also include a plurality of first vias 5b, similar to the first via 5a.

H.第2ビア
図3に示すように、導波素子100において、第2ビア6は、信号電極2aの長手方向と交差(好ましくは直交)する方向において、信号電極2aの両側に設けられている。以下では、第1接地電極2bと第2接地電極3とを電気的に接続する第2ビアを第2ビア6aとし、第1接地電極2cと第3接地電極4とを電気的に接続する第2ビアを第2ビア6bとして互いに区別する場合がある。第2ビア6aは、第1接地電極2bおよび第2接地電極3と接触しており、かつ、第3接地電極4と接触していない。第2ビア6bは、第1接地電極2cおよび第2接地電極3と接触しており、かつ、第3接地電極4と接触していない。なお、導波素子は、第2ビア6a,6bのうちいずれか一方のみを備えていてもよい。
H. Second Via As shown in FIG. 3, in the director element 100, the second vias 6 are provided on both sides of the signal electrode 2a in a direction intersecting (preferably perpendicular to) the longitudinal direction of the signal electrode 2a. In the following, the second vias electrically connecting the first ground electrode 2b and the second ground electrode 3 may be referred to as the second via 6a, and the second vias electrically connecting the first ground electrode 2c and the third ground electrode 4 may be referred to as the second via 6b, and may be distinguished from each other. The second via 6a is in contact with the first ground electrode 2b and the second ground electrode 3, and is not in contact with the third ground electrode 4. The second via 6b is in contact with the first ground electrode 2c and the second ground electrode 3, and is not in contact with the third ground electrode 4. The director element may include only one of the second vias 6a and 6b.

第2ビア6は、代表的には導電膜である。第2ビア6は、導体材料から構成され、代表的には第1ビア5と同様の金属で構成される。第2ビア6の形状は、それが配置される第2ビアホール9の形状に対応する。つまり、導波素子100は、第2ビア6に対応する第2ビアホール9を有している。図示例では、第2ビア6aが配置される第2ビアホールを第2ビアホール9aとし、第2ビア6bが配置される第2ビアホールを第2ビアホール9bとして互いに区別する場合がある。
第2ビアホール9は、少なくとも無機材料基板1を貫通し、かつ、支持基板7を貫通しない。第2ビアホール9は、代表的には、無機材料基板1の表面(上面)方向から見て円形状を有する。第2ビアホールが円形状を有する場合、第2ビアホールの内径の範囲は、例えば、上記した第1ビアホールの内径の範囲と同様である。
図3では、第2ビアホール9は、無機材料基板1の表面(上面)方向から見て円形状を有し、かつ、無機材料基板1の表面(上面)方向に沿って直線的に無機材料基板1を貫通している。図3および図4で示される第2ビアホール9は、第2接地電極3を貫通していない。第2ビアホール9が円形状かつ直線的である場合、第2ビア6は、無機材料基板1の厚み方向に沿って延びる円柱形状または円筒形状を有する。この場合、第2ビア6の外径の範囲は、上記第2ビアホールの内径の範囲と同様である。
図5に示すように、第2ビアホール9は、導体層2から離れるにつれて先細りとなる円錐形状を有していてもよい。図5で示される第2ビアホール9は、無機材料基板1および第2接地電極3を貫通し、その先端が支持基板7に到達している。第2ビアホール9が円錐形状である場合、第2ビア6の構造は特に限定はされないが、第2ビア6は、第2ビアホール9と同様の円錐形状であることが好ましい。この場合、第2ビア6の最大外径が、上記第2ビアホールの内径の範囲内となる。また、第2ビア6の頂点部(第2ビア6における導体層2と反対側の端部)は、支持基板7に到達していてもよい。
なお、図示例では、第1接地電極が、第2ビアホールを塞ぐように形成されているが、第1接地電極の構成はこれに限定されない。第1接地電極は、第2ビアと導通されていればよく、第2ビアホールを塞ぐことなく開放していてもよい。
The second via 6 is typically a conductive film. The second via 6 is made of a conductive material, typically the same metal as the first via 5. The shape of the second via 6 corresponds to the shape of the second via hole 9 in which it is arranged. That is, the waveguide element 100 has a second via hole 9 corresponding to the second via 6. In the illustrated example, the second via hole in which the second via 6a is arranged may be referred to as the second via hole 9a, and the second via hole in which the second via 6b is arranged may be referred to as the second via hole 9b, to be distinguished from each other.
The second via hole 9 penetrates at least the inorganic material substrate 1, but does not penetrate the support substrate 7. The second via hole 9 typically has a circular shape when viewed from the surface (upper surface) direction of the inorganic material substrate 1. When the second via hole has a circular shape, the range of the inner diameter of the second via hole is, for example, the same as the range of the inner diameter of the first via hole described above.
In Fig. 3, the second via hole 9 has a circular shape when viewed from the surface (upper surface) direction of the inorganic material substrate 1, and penetrates the inorganic material substrate 1 linearly along the surface (upper surface) direction of the inorganic material substrate 1. The second via hole 9 shown in Fig. 3 and Fig. 4 does not penetrate the second ground electrode 3. When the second via hole 9 is circular and linear, the second via 6 has a columnar or cylindrical shape extending along the thickness direction of the inorganic material substrate 1. In this case, the range of the outer diameter of the second via 6 is the same as the range of the inner diameter of the second via hole.
As shown in FIG. 5, the second via hole 9 may have a conical shape that tapers away from the conductor layer 2. The second via hole 9 shown in FIG. 5 penetrates the inorganic material substrate 1 and the second ground electrode 3, and its tip reaches the support substrate 7. When the second via hole 9 is conical, the structure of the second via 6 is not particularly limited, but the second via 6 is preferably conical in shape similar to the second via hole 9. In this case, the maximum outer diameter of the second via 6 is within the range of the inner diameter of the second via hole. In addition, the apex of the second via 6 (the end of the second via 6 opposite to the conductor layer 2) may reach the support substrate 7.
In the illustrated example, the first ground electrode is formed so as to block the second via hole, but the configuration of the first ground electrode is not limited to this. The first ground electrode only needs to be electrically connected to the second via, and may leave the second via hole open without blocking it.

図4~図7に示すように、第2ビア6は、所定方向に並ぶ複数の第1ビア5のうち、互いに隣り合う第1ビア5の間に配置されている。第2ビア6は、代表的には、互いに隣り合う第1ビア5の間の間隔の中央に位置している。
図示例の導波素子100は、複数の第2ビア6(複数の第2ビア6a、および、複数の第2ビア6b)を有している。図4~図6に示す導波素子100では、第2ビア6は、信号電極2aの長手方向に並ぶ複数の第1ビア5(第1ビア5aまたは第1ビア5b)のうち、互いに隣り合う第1ビア5の間に配置されている。図7に示す導波素子100では、第2ビア6は、信号電極2aの長手方向と交差(好ましくは直交)する方向に並ぶ複数の第1ビア5(第1ビア5aまたは第1ビア5b)のうち、互いに隣り合う第1ビア5の間に配置されている。
また、第2ビア6は、互いに隣り合う第1ビア5の間であれば、任意の適切な位置に配置できる。第2ビア6は、複数の第1ビアが並ぶ方向において、n個の第1ビア5毎に配置されてもよい。nは、例えば1以上5以下であり、好ましくは1または2である。より好ましくは、第1ビア5と第2ビア6とは交互に配置される。また、複数の第2ビア6は、図4および図5に示すように、そのすべてが互いに隣り合う第1ビア5の間に配置されてもよく、図6に示すように、少なくとも1つが互いに隣り合う第1ビア5の間に配置されていれば、第1ビア5の間に配置されていない第2ビア6を含んでいてもよい。
4 to 7, the second vias 6 are disposed between adjacent first vias 5 among a plurality of first vias 5 arranged in a predetermined direction. The second vias 6 are typically located at the center of the interval between the adjacent first vias 5.
The illustrated waveguide element 100 has a plurality of second vias 6 (a plurality of second vias 6a and a plurality of second vias 6b). In the waveguide element 100 shown in Figs. 4 to 6, the second vias 6 are arranged between adjacent first vias 5 (first vias 5a or first vias 5b) arranged in the longitudinal direction of the signal electrode 2a. In the waveguide element 100 shown in Fig. 7, the second vias 6 are arranged between adjacent first vias 5 (first vias 5a or first vias 5b) arranged in a direction intersecting (preferably perpendicular to) the longitudinal direction of the signal electrode 2a.
Also, the second vias 6 can be arranged at any appropriate position between the first vias 5 adjacent to each other. The second vias 6 may be arranged every n first vias 5 in the direction in which the multiple first vias are arranged. n is, for example, 1 to 5, and preferably 1 or 2. More preferably, the first vias 5 and the second vias 6 are arranged alternately. Also, the multiple second vias 6 may all be arranged between the first vias 5 adjacent to each other as shown in FIG. 4 and FIG. 5, and may include a second via 6 that is not arranged between the first vias 5 as long as at least one second via 6 is arranged between the first vias 5 adjacent to each other as shown in FIG. 6.

互いに隣り合う第1ビア5と第2ビア6とのピッチP2(互いに隣り合う第1ビア5aと第2ビア6aとの中心間の距離)は、実質的にピッチP1(互いに隣り合う第1ビア5aの中心間の距離)の1/2であって、例えば25μm以上、好ましくは60μm以上であり、例えば600μm以下、好ましくは400μm以下、より好ましくは200μm以下である。
このように、第2ビア6を互いに隣り合う第1ビア5の間に配置することで、無機材料基板1における第1ビア5および第2ビア6のピッチP2を、支持基板7における第1ビア5のピッチP1よりも小さくすることができる。そのため、無機材料基板を上記のように薄厚化しても、無機材料基板の強度を十分に確保できる。
また、図5に示すように、第1ビアホール8が第2接地電極3から離れるにつれて大径となるテーパ形状を有し、かつ、支持基板7の厚みが無機材料基板1よりも大きいと、第1接地電極2b,2cと接触する第1ビア5の一端部の外径よりも、第3接地電極4と接触する第1ビア5の他端部の外径が大きくなる場合がある。この場合、第2ビア6を設けずに複数の第1ビア5のピッチを上記したピッチP2のように狭くすると、第1ビア5の他端部同士が干渉するおそれがある。これに対して、導波素子100では、第2ビア6が互いに隣り合う第1ビア5の間に配置されているので、第1ビア5同士の干渉を抑制することができる。
The pitch P2 between adjacent first vias 5 and second vias 6 (the distance between the centers of adjacent first vias 5a and second vias 6a) is substantially 1/2 of the pitch P1 (the distance between the centers of adjacent first vias 5a), and is, for example, 25 μm or more, preferably 60 μm or more, and for example, 600 μm or less, preferably 400 μm or less, and more preferably 200 μm or less.
In this way, by arranging the second vias 6 between the adjacent first vias 5, the pitch P2 of the first vias 5 and the second vias 6 in the inorganic material substrate 1 can be made smaller than the pitch P1 of the first vias 5 in the support substrate 7. Therefore, even if the inorganic material substrate is thinned as described above, the strength of the inorganic material substrate can be sufficiently ensured.
5, if the first via hole 8 has a tapered shape that increases in diameter as it moves away from the second ground electrode 3, and the thickness of the support substrate 7 is greater than that of the inorganic material substrate 1, the outer diameter of the other end of the first via 5 that contacts the third ground electrode 4 may be larger than the outer diameter of the one end of the first via 5 that contacts the first ground electrodes 2b and 2c. In this case, if the pitch of the multiple first vias 5 is narrowed to the pitch P2 described above without providing the second vias 6, the other ends of the first vias 5 may interfere with each other. In contrast, in the waveguide element 100, the second vias 6 are arranged between the adjacent first vias 5, so that interference between the first vias 5 can be suppressed.

I.導波素子の製造方法
次に、図1~図3を参照して、導波素子100の製造方法について説明する。1つの実施形態において、導波素子100の製造方法は、無機材料基板1、第2接地電極3および支持基板7をこの順に備える積層体11であって、無機材料基板1、第2接地電極3および支持基板7を一括して貫通する第1ビアホール8と、無機材料基板1を貫通し支持基板7を貫通しない第2ビアホール9とを有する積層体11を準備する工程と;第1ビアホール8内に第1ビア5を形成し、第2ビアホール9内に第2ビア6を形成し、支持基板7の下部に第3接地電極4を形成し、無機材料基板1の上部に導体層2を形成する工程と;を含んでいる。
I. Method for Manufacturing a Director Element Next, a method for manufacturing the director element 100 will be described with reference to Figures 1 to 3. In one embodiment, the method for manufacturing the director element 100 includes the steps of: preparing a laminate 11 including an inorganic material substrate 1, a second ground electrode 3, and a support substrate 7 in this order, the laminate 11 having a first via hole 8 penetrating the inorganic material substrate 1, the second ground electrode 3, and the support substrate 7 together, and a second via hole 9 penetrating the inorganic material substrate 1 but not the support substrate 7; forming a first via 5 in the first via hole 8, forming a second via 6 in the second via hole 9, forming a third ground electrode 4 at the bottom of the support substrate 7, and forming a conductor layer 2 at the top of the inorganic material substrate 1;

無機材料基板1および支持基板7が第2接地電極3を介して接合される場合、そのような積層体11を準備するには、まず、上記した無機材料基板1の表面に、上記した第2接地電極3を構成する金属をスパッタリングして、第1接合部としての第1金属薄膜を形成する。さらに、上記した支持基板7の表面に、上記した第2接地電極3を構成する金属をスパッタリングして、第2接合部としての第2金属薄膜を形成する。なお、第1金属薄膜および第2金属薄膜の成膜については、密着強度の確保とマイグレーションの防止という観点でTi、Cr、Ni、Pt、Pdの金属膜を中間層として形成してもよい。
次いで、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。
このように、第1接合部としての第1金属薄膜と第2接合部としての第2金属薄膜とが直接接合されることにより一体化して、第2接地電極3を形成する。これによって、無機材料基板1/第2接地電極3/支持基板7の構成を有する積層体11が得られる。
When the inorganic material substrate 1 and the support substrate 7 are bonded via the second ground electrode 3, in order to prepare such a laminate 11, first, the metal constituting the second ground electrode 3 is sputtered on the surface of the inorganic material substrate 1 to form a first metal thin film as a first bonding portion. Furthermore, the metal constituting the second ground electrode 3 is sputtered on the surface of the support substrate 7 to form a second metal thin film as a second bonding portion. In addition, in terms of ensuring adhesion strength and preventing migration, a metal film of Ti, Cr, Ni, Pt, or Pd may be formed as an intermediate layer in the formation of the first metal thin film and the second metal thin film.
Next, in a high vacuum chamber (for example, about 1×10 −6 Pa), a neutralizing beam is irradiated onto each of the bonding surfaces of the components (layers or substrates) to be bonded. This activates each bonding surface. 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 bonding can be, for example, 100 N to 20,000 N. In one embodiment, when performing surface activation using a neutralizing beam, an inert gas is introduced into the chamber, and a high voltage is applied from a DC power source to an electrode placed in the chamber. With this configuration, electrons are moved by an 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, and a beam of neutral atoms is emitted from the high-speed atom beam source. The atomic species that constitute the beam is preferably an inert gas element (for example, 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. Note that the direct bonding method is not limited to this, and surface activation methods using FAB (Fast Atom Beam) or an ion gun, atomic diffusion methods, plasma bonding methods, etc. can also be applied.
In this manner, the first metal thin film as the first bonding portion and the second metal thin film as the second bonding portion are directly bonded and integrated to form the second ground electrode 3. This results in a laminate 11 having a configuration of inorganic material substrate 1/second ground electrode 3/support substrate 7.

また、無機材料基板1および支持基板7が第2接地電極3および接合部を介して接合される場合、そのような積層体11を準備するには、上記した無機材料基板1の表面に、スパッタリングによって上記した第2接地電極3を形成する。次に、第2接地電極3上に上記した接合部を成膜(より詳しくは、厚み0.02μmのCr薄膜、および、厚み0.1μmのアモルファスシリコン層を順に成膜)する。成膜後、例えばCMP研磨により平坦化処理する。また、必要に応じて、支持基板にも上記と同様に接合部を形成する。
次いで、上記と同様にして無機材料基板と支持基板とを直接接合する。これによって、無機材料基板1/第2接地電極3/接合部/支持基板7の構成を有する積層体11が得られる。
Also, when the inorganic material substrate 1 and the support substrate 7 are joined via the second ground electrode 3 and a joint, in order to prepare such a laminate 11, the above-mentioned second ground electrode 3 is formed on the surface of the above-mentioned inorganic material substrate 1 by sputtering. Next, the above-mentioned joint is formed on the second ground electrode 3 (more specifically, a Cr thin film having a thickness of 0.02 μm and an amorphous silicon layer having a thickness of 0.1 μm are formed in that order). After the film formation, a flattening process is performed, for example, by CMP polishing. Also, if necessary, a joint is formed on the support substrate in the same manner as described above.
Next, the inorganic material substrate and the support substrate are directly bonded in the same manner as above, thereby obtaining a laminate 11 having a structure of inorganic material substrate 1/second ground electrode 3/joint portion/support substrate 7.

その後、例えばレーザー加工(より詳しくは、波長515nm、パルス幅10psのレーザーによる加工)によって、無機材料基板1、第2接地電極3および支持基板7を一括して貫通する第1ビアホール8と、無機材料基板1を貫通し支持基板7を貫通しない第2ビアホール9と、を形成する。
次いで、第1ビアホール8および第2ビアホール9内の側壁部と無機材料基板1の表面と支持基板7の裏面に、例えばICP(誘導結合プラズマ)スパッタ装置によって、下地金属薄膜を成膜(より詳しくは、厚み0.15μmのTi薄膜、および、厚み0.04μmのパラジウム薄膜を順に成膜)した後、例えばめっき(より詳しくは電界めっき)によって、表面金属薄膜(例えば、厚み1.5μmの銅薄膜)を形成する。
その後、無機材料基板1の表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、導体層2のギャップを形成する部分を露出し、かつ、それ以外の部分をマスクするように、レジストをパターニングする。その後、例えばウェットエッチング(より詳しくは塩化第二鉄水)によって、導体層2(コプレーナ型電極またはマイクロストリップ型電極)を形成する。
これによって、無機材料基板1の上部に導体層が形成され、第1ビアホール8内に第1ビア5が形成され、第2ビアホール9内に第2ビア6が形成され、支持基板7の下部に第3接地電極4が形成される。そのため、導体層、第1ビア、第2ビアおよび第3接地電極を別々に形成する場合と比較して、導波素子を円滑に製造可能である。その後、レジストを除去する。なお、上記実施形態では、第1ビア5、第2ビア6および第3接地電極4が形成された後、エッチングによって導体層2が形成されるが、本発明はこれに限定されない。第1ビア5と第2ビア6と第3接地電極4と導体層2とは、同時に形成することもできる。
以上によって、導波素子100を製造し得る。
なお、上記では、積層体を形成した後に第1ビアホールおよび第2ビアホールを形成して、第1ビアホールおよび第2ビアホールを有する積層体を準備する工程について詳述したが、積層体を準備する工程は、これに限定されない。無機材料基板に予め第2ビアホールを形成した後、無機材料基板、第2接地電極および支持基板のそれぞれに穴を形成し、それらの穴が連通して第1ビアホールを形成するように、無機材料基板、第2接地電極および支持基板を接合することもできる。
Thereafter, for example, by laser processing (more specifically, processing using a laser having a wavelength of 515 nm and a pulse width of 10 ps), a first via hole 8 that penetrates the inorganic material substrate 1, the second ground electrode 3, and the support substrate 7 all at once, and a second via hole 9 that penetrates the inorganic material substrate 1 but not the support substrate 7 are formed.
Next, a base metal thin film (more specifically, a Ti thin film having a thickness of 0.15 μm and a palladium thin film having a thickness of 0.04 μm are sequentially formed) is deposited on the sidewall portions in the first via hole 8 and the second via hole 9, the front surface of the inorganic material substrate 1, and the rear surface of the support substrate 7, for example, by an ICP (inductively coupled plasma) sputtering device, and then a surface metal thin film (for example, a copper thin film having a thickness of 1.5 μm) is formed, for example, by plating (more specifically, electrolytic plating).
Thereafter, a resist is applied to the surface of the inorganic material substrate 1, and the resist is patterned by photolithography so as to expose the portions that form the gaps in the conductor layer 2 and mask the other portions. Thereafter, the conductor layer 2 (coplanar electrodes or microstrip electrodes) is formed by, for example, wet etching (more specifically, ferric chloride water).
As a result, a conductor layer is formed on the upper part of the inorganic material substrate 1, a first via 5 is formed in the first via hole 8, a second via 6 is formed in the second via hole 9, and a third ground electrode 4 is formed on the lower part of the support substrate 7. Therefore, compared with the case where the conductor layer, the first via, the second via, and the third ground electrode are formed separately, the waveguide element can be manufactured smoothly. Then, the resist is removed. In the above embodiment, after the first via 5, the second via 6, and the third ground electrode 4 are formed, the conductor layer 2 is formed by etching, but the present invention is not limited to this. The first via 5, the second via 6, the third ground electrode 4, and the conductor layer 2 can also be formed simultaneously.
In this manner, the waveguide element 100 can be manufactured.
In the above, the step of forming the first via hole and the second via hole after forming the laminate and preparing the laminate having the first via hole and the second via hole has been described in detail, but the step of preparing the laminate is not limited to this. After forming the second via hole in advance in the inorganic material substrate, holes can be formed in each of the inorganic material substrate, the second ground electrode, and the support substrate, and the inorganic material substrate, the second ground electrode, and the support substrate can be bonded so that the holes communicate with each other to form the first via hole.

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

<参考例1>
1-1.導波素子(コプレーナ線路)の作製
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リングにて形成した。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。
<Reference Example 1>
1-1. Fabrication of a waveguide element (coplanar line) A 0.5 mm thick quartz glass wafer (quartz glass substrate, inorganic material substrate) was prepared, and a 0.2 μm thick amorphous silicon film was formed on the quartz glass wafer by sputtering. After film formation, the amorphous silicon film was polished and flattened. Here, the arithmetic mean roughness of the surface of the amorphous silicon film over a 10 μm square was measured using an atomic force microscope, and was found 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。 A silicon wafer (support substrate) with a thickness of 525 μm was also prepared. Using an atomic force microscope, the arithmetic mean roughness of the surface of the silicon wafer, 10 μm square, 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, the quartz glass wafer and the silicon wafer were put into a vacuum chamber, and in a vacuum of the 10 −6 Pa range, both bonding surfaces (the amorphous silicon surface of the quartz glass wafer and the surface of the silicon wafer) were irradiated with a high-speed Ar neutral atom beam (accelerating voltage 1 kV, Ar flow rate 60 sccm) for 70 seconds. After irradiation, the quartz glass wafer and the silicon wafer were left to cool for 10 minutes, and then the bonding surfaces of the quartz glass wafer and the silicon wafer (the surface beam irradiated surfaces of the quartz glass wafer and the silicon wafer) were brought into contact with each other, and the quartz glass wafer and the silicon wafer were bonded by applying pressure of 4.90 kN for 2 minutes. After bonding, the quartz glass wafer was polished until the thickness was 150 μm to form a composite wafer. In the obtained quartz glass/silicon composite substrate, no defects such as peeling were observed at the bonding 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、コプレーナ型電極と、無機材料基板と、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 opposite to the silicon wafer, and the resist was patterned by photolithography to expose the portion where the coplanar electrode pattern was to be formed. After that, a 50 nm thick Cr film and a 100 nm thick Ni film were formed by sputtering on the upper surface of the quartz glass wafer exposed from the resist to form a base electrode. Furthermore, a copper film was formed by electrolytic plating on the base electrode to form a coplanar electrode pattern. The length of the signal electrode in the waveguiding direction was 10 mm.
In this manner, a waveguide element including a coplanar electrode, an inorganic material substrate, and a supporting 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、導波素子の入力側にプローブにてRF信号発生機を結合し、導波素子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(導波素子)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 director element, three director elements with signal electrodes having lengths of 30 mm, 40 mm, and 50 mm were fabricated in the same manner as above.
Next, an RF signal generator was coupled to the input side of the director element by a probe, and an electromagnetic wave was coupled to an RF signal receiver by installing a probe on the output side of the director element.
Next, a voltage was applied to the RF signal generator, causing the RF signal generator to transmit electromagnetic waves at the frequencies shown in Table 1. This caused the electromagnetic waves to propagate through the coplanar line (waveguide element). The RF signal receiver measured the RF power of the electromagnetic waves output from the coplanar line. From the measurement results of three waveguide elements with different signal electrode lengths, the propagation loss (dB/cm) was calculated and evaluated according to the following criteria. The results are shown in Table 1.
◎: 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

<参考例2>
2-1.導波素子(グランド付きコプレーナ線路)の作製
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、第2接地電極を形成した。次いで、第2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。
<Reference Example 2>
2-1. Preparation of a waveguide element (coplanar line with ground) A 0.5 mm thick quartz glass wafer (quartz glass substrate, inorganic material substrate) was prepared, and a 50 nm thick Cr film and a 100 nm thick Ni film were formed on the quartz glass wafer by sputtering to form a base electrode. Furthermore, a copper film was formed on the base electrode by electrolytic plating to form a second ground electrode. Next, a 0.2 μm thick amorphous silicon film was formed on the second ground electrode by sputtering. After the film formation, the amorphous silicon film was polished and flattened. Here, the arithmetic mean roughness of the surface of the amorphous silicon film over 10 μm square was measured using an atomic force microscope, and was found 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。 A silicon wafer (support substrate) with a thickness of 525 μm was also prepared. Using an atomic force microscope, the arithmetic mean roughness of the surface of the silicon wafer, 10 μm square, 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、参考例1と同様に実施した。得られた石英ガラス/第2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。
Thereafter, the amorphous silicon surface formed on the ground electrode was directly bonded to the silicon wafer. The direct bonding was performed in the same manner as in Reference Example 1. In the obtained quartz glass/second ground electrode/silicon composite substrate, no defects such as peeling were observed at the bonding interface.
The quartz glass wafer was then polished to a thickness of 150 μm.

次いで、参考例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、コプレーナ型電極と、無機材料基板と、第2接地電極と、支持基板とを備える導波素子を得た。
Next, a coplanar electrode pattern was formed on the surface (polished surface) of the quartz glass wafer opposite to the silicon wafer in the same manner as in Reference Example 1. The length of the signal electrode in the waveguiding direction was 10 mm.
In this manner, a waveguide element including the coplanar electrode, the inorganic material substrate, the second ground electrode, and the supporting 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、参考例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。参考例2の導波素子の伝搬損失を、参考例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 In addition, in order to measure the propagation loss of the director element, three director elements with signal electrode lengths of 30 mm, 40 mm, and 50 mm were fabricated in the same manner as described above. Then, as in Reference Example 1, the RF power of the electromagnetic wave output from the coplanar line was measured by an RF signal receiver. The propagation loss of the director element of Reference Example 2 was evaluated in the same manner as Reference Example 1. The results are shown in Table 1.

<参考例3>
3-1.導波素子(マイロストリップ線路)の作製
参考例2と同様にして、石英ガラス/第2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と、無機材料基板と、支持基板とを備える導波素子を得た。
<Reference Example 3>
3-1. Fabrication of a Waveguide Element (Microstrip Line) In the same manner as in Example 2, a quartz glass/second ground electrode/silicon composite substrate was obtained.
Next, a resist was applied to the surface (polished surface) of the quartz glass wafer opposite to the silicon wafer, and patterned by photolithography to expose the portion where the microstrip electrode was to be formed. After that, a 50 nm thick Cr film and a 100 nm thick Ni film were formed by sputtering on the upper surface of the quartz glass wafer exposed from the resist to form a base electrode. Furthermore, a copper film was formed on the base electrode by electrolytic plating to form a microstrip electrode. The length of the microstrip electrode in the waveguiding direction was 10 mm.
In this manner, a waveguide element including a microstrip electrode, an inorganic material substrate, and a supporting 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、参考例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。参考例3の導波素子の伝搬損失を、参考例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 director element, three director elements with microstrip electrodes of 30 mm, 40 mm, and 50 mm in length were fabricated in the same manner as described above. Then, the RF power of the electromagnetic waves output from the coplanar line was measured by an RF signal receiver in the same manner as in Reference Example 1. The propagation loss of the director element of Reference Example 3 was evaluated in the same manner as in Reference Example 1. The results are shown in Table 1.

<参考例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、参考例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、参考例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。
<Reference Examples 4 to 6>
Waveguide elements were fabricated in the same manner as in each of Reference 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.
For the obtained waveguide element, the propagation loss was calculated and evaluated in the same manner as in Reference Example 1. The results are shown in Table 1.

<参考例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、参考例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、参考例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。
<Reference Example 7>
A waveguide element was fabricated in the same manner as in Reference Example 1, except that the quartz glass wafer used as the inorganic material substrate was changed to a single crystal silicon wafer, and the thickness of the polished silicon wafer was changed to the value shown in Table 1.
For the obtained waveguide element, the propagation loss was calculated and evaluated in the same manner as in Reference Example 1. The results are shown in Table 1.

<参考例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、参考例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、参考例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。
<Reference Example 8>
A waveguide element was fabricated in the same manner as in Reference Example 1, except that the quartz glass wafer used as the inorganic material substrate was changed to a sapphire wafer, and the thickness of the polished sapphire wafer was changed to the value shown in Table 1.
For the obtained waveguide element, the propagation loss was calculated and evaluated in the same manner as in Reference Example 1. The results are shown in Table 1.

<参考例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、参考例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、参考例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。
<Reference Example 9>
A waveguide element was fabricated in the same manner as in Reference Example 1, except that the quartz glass wafer used 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.
For the obtained waveguide element, the propagation loss was calculated and evaluated in the same manner as in Reference Example 1. The results are shown in Table 1.

<参考例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、参考例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、参考例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。
<Reference Example 10>
A waveguide element was fabricated 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.
For the obtained waveguide element, the propagation loss was calculated and evaluated in the same manner as in Reference Example 1. The results are shown in Table 1.

<参考例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、参考例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、参考例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。
<Reference Examples 11 to 14>
A waveguide element was fabricated 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.
For the obtained waveguide element, the propagation loss was calculated and evaluated in the same manner as in Reference Example 1. The results are shown in Table 1.

<参考例15>
研磨後の石英ガラスウエハーの厚みを300μmに変更したこと以外は、参考例2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、参考例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。
<Reference Example 15>
A waveguide element was fabricated in the same manner as in Example 2, except that the thickness of the polished quartz glass wafer was changed to 300 μm.
For the obtained waveguide element, the propagation loss was calculated and evaluated in the same manner as in Reference Example 1. The results are shown in Table 1.

<参考例16>
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、参考例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、参考例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。
<Reference Example 16>
A quartz glass wafer (quartz glass plate, inorganic material substrate) having a thickness of 2100 μm was prepared, and a waveguide element was fabricated in the same manner as in Reference Example 3, except that the thickness of the polished quartz glass wafer was changed to 2000 μm.
For the obtained waveguide element, the propagation loss was calculated and evaluated in the same manner as in Reference Example 1. The results are shown in Table 1.

Figure 0007602996000003
Figure 0007602996000003

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たときの伝搬損失が比較的小さいことがわかる。 As is clear from Table 1, when the thickness of the inorganic material substrate satisfies the above formula (1), the propagation loss when guiding high-frequency electromagnetic waves exceeding 30 GHz is relatively small.

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 element 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 can be particularly suitable for use as a waveguide for millimeter waves to terahertz waves. Such a waveguide element can be used, for example, in an antenna, a bandpass filter, a coupler, a delay line (phase shifter), or an isolator.

1 無機材料基板
2 導体層
2a 信号電極
2b,2c 第1接地電極
3 第2接地電極
4 第3接地電極
5 ビア
8 ビアホール
11 積層体

REFERENCE SIGNS LIST 1 inorganic material substrate 2 conductive layer 2a signal electrode 2b, 2c first ground electrode 3 second ground electrode 4 third ground electrode 5 via 8 via hole 11 laminate

Claims (12)

周波数が30GHz以上20THz以下である電磁波を導波可能な導波素子であって、
無機材料基板と、
前記無機材料基板の上部に設けられている導体層であり、所定方向に延びている信号電極と、前記所定方向と交差する方向において前記信号電極と間隔を空けて配置されている第1接地電極と、を備える導体層と、
前記無機材料基板に対して前記導体層と反対側に位置している支持基板と、
前記無機材料基板と前記支持基板との間に位置している第2接地電極と、
前記支持基板に対して前記第2接地電極と反対側に位置している第3接地電極と、
前記第1接地電極と前記第3接地電極とを電気的に接続し、かつ、前記第2接地電極と電気的に接続されている第1ビアと、
前記第1接地電極と前記第2接地電極とを電気的に接続する第2ビアと、を備え、
前記導波素子は、前記第1ビアを複数備え、
前記第2ビアは、複数の前記第1ビアのうち互いに隣り合う第1ビアの間に配置され、
前記無機材料基板の厚みtは、下記式(1)を満たしている、導波素子;
Figure 0007602996000004
(式中、tは無機材料基板の厚みを表し;λは導波素子に導波される電磁波の波長を表し;εは無機材料基板の比誘電率を表し;aは3以上の数値を表す)。
A waveguide element capable of guiding an electromagnetic wave having a frequency of 30 GHz or more and 20 THz or less,
An inorganic material substrate;
a conductor layer provided on an upper portion of the inorganic material substrate, the conductor layer including a signal electrode extending in a predetermined direction and a first ground electrode disposed at an interval from the signal electrode in a direction intersecting the predetermined direction;
a support substrate located on the opposite side of the inorganic material substrate from the conductor layer;
a second ground electrode located between the inorganic material substrate and the support substrate;
a third ground electrode located on the opposite side of the support substrate from the second ground electrode;
a first via that electrically connects the first ground electrode and the third ground electrode and is also electrically connected to the second ground electrode;
a second via electrically connecting the first ground electrode and the second ground electrode;
the waveguide element includes a plurality of the first vias,
the second via is disposed between adjacent first vias among the plurality of first vias,
a waveguide element, wherein the thickness t of the inorganic material substrate satisfies the following formula (1):
Figure 0007602996000004
(In the formula, t represents the thickness of the inorganic material substrate; λ represents the wavelength of the electromagnetic wave guided by the waveguide element; ε represents the relative dielectric constant of the inorganic material substrate; and a represents a value of 3 or more).
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。 The waveguide element according to claim 1, wherein in formula (1), a is a value of 6 or more. 前記無機材料基板の300GHzにおける比誘電率εと誘電正接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。 The waveguide element according to claim 1 or 2, wherein the relative dielectric constant ε and the dielectric loss tangent tanδ of the inorganic material substrate at 300 GHz 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。 The waveguide element according to claim 3, wherein the 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。 A waveguide element according to any one of claims 1 to 4, wherein the conductor layer is a coplanar electrode. 前記導体層と前記第2接地電極は、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。 The waveguide element according to any one of claims 1 to 4, wherein the conductor layer and the second ground electrode are microstrip type electrodes. 前記導波素子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または6に記載の導波素子。 The waveguide element according to claim 5 or 6, wherein the thickness of the inorganic material substrate is 10 μm or more when the frequency of the electromagnetic waves propagating through the waveguide element is 30 GHz or more and 5 THz or less. 前記第1ビアが配置される第1ビアホールであって、前記無機材料基板、前記第2接地電極および前記支持基板を貫通している第1ビアホールを複数有する、請求項1~7のいずれかに記載の導波素子。 The waveguide element according to any one of claims 1 to 7, comprising a plurality of first via holes in which the first vias are disposed, the first via holes penetrating the inorganic material substrate, the second ground electrode, and the support substrate. 前記第1ビアホールは、前記無機材料基板の表面(上面)方向から見て円形状を有し、前記第2接地電極に近づくにつれて小径となるテーパ形状を有している、請求項8に記載の導波素子。 The waveguide element according to claim 8, wherein the first via hole has a circular shape when viewed from the surface (top) direction of the inorganic material substrate, and has a tapered shape that becomes smaller in diameter as it approaches the second ground electrode. 前記第1ビアホールは、前記無機材料基板の表面(上面)方向から見て円形状を有し、前記第2接地電極に近づくにつれて大径となるテーパ形状を有している、請求項8に記載の導波素子。 The waveguide element according to claim 8, wherein the first via hole has a circular shape when viewed from the surface (top) direction of the inorganic material substrate, and has a tapered shape that becomes larger in diameter as it approaches the second ground electrode. 前記第2ビアが配置される第2ビアホールであって、前記無機材料基板を貫通し、かつ、前記支持基板を貫通していない第2ビアホールを有する、請求項8~10のいずれかに記載の導波素子。 A waveguide element according to any one of claims 8 to 10, comprising a second via hole in which the second via is disposed, the second via hole penetrating the inorganic material substrate and not penetrating the support substrate. 請求項11に記載の導波素子の製造方法であって、
前記無機材料基板、前記第2接地電極および前記支持基板をこの順に備える積層体であって、前記無機材料基板、前記第2接地電極および前記支持基板を一括して貫通する第1ビアホールと、前記無機材料基板を貫通し前記支持基板を貫通しない第2ビアホールとを有する積層体を準備する工程と、
前記第1ビアホール内に前記第1ビアを形成し、前記第2ビアホール内に前記第2ビアを形成し、前記支持基板の下部に前記第3接地電極を形成し、前記無機材料基板の上部に前記導体層を形成する工程と、を含む導波素子の製造方法。
A method for manufacturing a waveguide element according to claim 11, comprising the steps of:
preparing a laminate including the inorganic material substrate, the second ground electrode, and the support substrate in this order, the laminate having a first via hole penetrating the inorganic material substrate, the second ground electrode, and the support substrate collectively, and a second via hole penetrating the inorganic material substrate but not the support substrate;
forming the first via in the first via hole, forming the second via in the second via hole, forming the third ground electrode on the lower part of the support substrate, and forming the conductor layer on the upper part of the inorganic material substrate.
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