(57)【要約】【課題】  平面アンテナの導体膜をスパッタ法のみで表皮効果の影響を受けない厚さに形成する場合、スパッタ時に発生する応力（ストレス）の影響で基板の変形や導体膜にクラックが生じる場合がある。【解決手段】  少なくとも基板１上に所定の膜厚で第１の導体膜７をスパッタ法により形成するステップと、前記所定の導体膜７上に更に所定の膜厚で中間膜８をスパッタ法により形成するステップと、前記中間膜８上に更に所定の膜厚で第２の導体膜９をスパッタ法により形成するステップとを有している。これにより、最終的に表皮効果の影響を受けない厚さに形成しても基板の反りやクラックの発生が抑制できた。本発明を用いることにより、スパッタ法のみによる安定な導体膜形成を容易にし、かつ損失が少ない安価な平面アンテナ及び製造方法を提供することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂からなる誘電体を導体膜で被覆してなる平面アンテナにおいて、前記誘電体の導体被覆面の一部に前記導体膜で覆われない複数の凸部からなる所定のパターンを有しており、かつ、少なくとも前記所定のパターンが形成された誘電体の基板上に所定の膜厚で第１の導体膜が形成されており、更に前記所定の導体膜上に所定の膜厚で中間膜が形成されており、更に前記中間膜上に所定の膜厚で第２の導体膜が形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項２】
請求項１記載の平面アンテナにおいて、前記導体膜として銅の薄膜を用いていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項３】
請求項１記載の平面アンテナ、前記中間膜としてＣｒ系薄膜を用いていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項４】
請求項３記載の平面アンテナにおいて、前記中間膜の膜厚が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項５】
請求項１記載の平面アンテナにおいて、前記基板に接して下地膜を形成していることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項６】
請求項５記載の平面アンテナにおいて、前記下地膜としてＣｒ系薄膜を用いていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項７】
請求項６記載の平面アンテナにおいて、前記下地膜の膜厚が１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項８】
樹脂からなる誘電体を導体膜で被覆してなる平面アンテナにおいて、前記誘電体の導体被覆面の一部に前記導体膜で覆われない複数の凸部からなる所定のパターンを有する平面アンテナの製造方法であって、前記所定のパターンが形成された誘電体の基板上にスパッタ法用いて導体膜を形成する場合、少なくとも基板上に所定の膜厚で第１の導体膜を形成するステップと、前記所定の導体膜上に更に所定の膜厚で中間膜を形成するステップと、前記中間膜上に更に所定の膜厚で第２の導体膜を形成するステップとを有することを特徴とする平面アンテナの製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の平面アンテナの製造方法において、前記導体膜として銅の薄膜を用いていることを特徴とする平面アンテナの製造方法。
【請求項１０】
請求項８記載の平面アンテナの製造方法において、前記中間膜としてＣｒ系薄膜を用いていることを特徴とする平面アンテナの製造方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の平面アンテナの製造方法において、前記中間膜の膜厚が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする平面アンテナの製造方法。
【請求項１２】
請求項８記載の平面アンテナの製造方法において、前記基板に接して下地膜を形成していることを特徴とする平面アンテナの製造方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の平面アンテナの製造方法において、前記下地膜としてＣｒ系薄膜を用いていることを特徴とする平面アンテナの製造方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の平面アンテナの製造方法において、前記下地膜の膜厚が１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする平面アンテナの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ及び製造方法に係り、特に、導体膜の大部分をスパッタ法により形成したアンテナに関する。本発明は、例えば、５０ＧＨｚ以上の周波数帯域で使用される導波空間を利用した平面アンテナに好適である。 
【背景技術】
【０００２】
近年、高度情報化社会を背景に無線を利用した通信システムが汎用されており、とりわけ情報量の多いマイクロ波やミリ波領域を使用した通信システムの発展が著しい。このような通信システムにおいて、平面アンテナは短波長無線システムの入出力装置として好適である。ところでアンテナの大きさは電（磁）波の波長の大きさにあわせて作る必要があり、波長を短波長化すると入出力装置であるアンテナの形状も小型化する必要がある。これにより、近年のアンテナではアンテナの寸法精度も微細加工技術が要求されるようになっている。一般的に使用されているエッチング技術を用いてアンテナの例えばスロットパターンやパッチパターンを形成しようとすると、精度良く大量に生産できないという欠点があった。特に、ミリ波における寸法精度は少なくとも波長の１％以上は必要とされ、例えば、５０ＧＨｚにおいては数十μｍの精度が必要とされる。このような要求に対してＬＳＩの製造工程に適用可能な微細加工技術を適用することも考えられるが、かかる技術では安価なアンテナを製造することはできない。
そこで、特開２００４−１５８３３号公報に開示されたように、基板上の導体を被覆しない領域である所定のパターンと基板とを射出成形法により一体に形成することにより、所定のパターンを有する平面アンテナのスロットを寸法精度良く形成することが可能となっている。射出成形法で誘電体を作製することは一度所定のパターンを含む誘電体の金型を成形してしまえばアンテナの量産が容易であり、安価にアンテナを成形することができる。また、射出成形法はミクロン単位で所定のパターンを成形可能であり、短波長化に好適な小型のアンテナを提供できる。
また、前記の導体の膜厚は動作周波数における電磁気的な表皮効果を考慮して決定される。表皮効果は導体膜を流れる電流密度が周波数高くなると導体の表面部分に集中して流れる現象をいい、膜厚が厚いからといって高周波における抵抗値が小さいわけではない。電流密度が導体表面における値より１／e（０．３７倍）になる厚さをスキンデプスと称し、この値は周波数の平方根に反比例して小さくなる。この表皮効果の影響を考慮し、電流のほとんどが伝導する範囲としてスキンデプスの１０倍程度を想定している。そのため、５０ＧＨｚでは約３μｍ確保し表皮抵抗を小さくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１５８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術においては、導体膜を表皮効果の影響を少なくする為に約３μｍと厚く形成している。この形成法としては、例えば、２段階プロセスにより実施している、即ち、第１段階として、基板に無電解処理、例えば蒸着法やスパッタ法による導体膜付けや無電解めっき処理を用いて薄く導体膜を形成し、次に第２段階としてかかる導体の上から表皮効果を避けるべく所定の厚さとなるように更に導体を形成する。これには電解めっき（電気めっき）法が用いられる。
ここで、導体膜の導電率が高い方が損失（特に、導体損）が小さくて好ましい。前記電解めっき法で形成した導体膜の導電率に比べてスパッタ法で形成した導体膜の導電率の法が約２倍近く大きいことが実験で確認されたので、本発明者はスパッタ法のみで導体膜を形成することを試みた。しかし、スパッタ法のみで例えば銅膜を約３μｍ形成すると、スパッタ時に発生する応力（ストレス）の影響で基板の変形や銅膜にクラックが生じる場合がある事が明らかになった。また、導体膜形成時にスパッタパワーを上げて生産性を上げようするとクラックが発生するという問題が生じた。
本発明は、このような従来技術における問題点を解決し、スパッタ法のみによる安定な導体膜形成を容易にし、かつ損失が少ない安価な平面アンテナ及び製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる課題を解決するために、本発明では、所定のパターンが形成された誘電体の基板上にスパッタ法用いて導体膜を形成する場合、少なくとも基板上に所定の膜厚で第１の導体膜を形成するステップと、前記所定の導体膜上に更に所定の膜厚で中間膜を形成するステップと、前記中間膜上に更に所定の膜厚で第２の導体膜を形成するステップとを有している。従って、得られた平面アンテナは、少なくとも前記所定のパターンが形成された誘電体の基板上に所定の膜厚で第１の導体膜が形成されており、更に前記所定の導体膜上に所定の膜厚で中間膜が形成されており、更に前記中間膜上に所定の膜厚で第２の導体膜が形成されていることになる。実際には、動作周波数における電磁気的な表皮効果を考慮して合計の導体膜の厚さや各ステップ数が決定されるが、本発明での各ステップにおける導体膜の最大膜厚は、少なくとも基板の変形やクラックを生じさせない膜厚以下としている。なお、各ステップで形成する導体膜は、銅や銀、ニッケル等の導体金属であれば良く、特に高周波においては銅が好ましい。更に、各ステップで形成する導体膜はステップ毎に材質を変えても良い。なお、基板がディスク形状の場合には、前記導体膜は基板両面から同時にスパッタ法により形成した方がストレスや熱の影響が少なくて好ましい。
ここでの中間膜は、導電率が高く導体膜間の密着力を向上させ、かつストレス緩和効果の大きい薄膜が好ましい。例えばＣｒ系薄膜などである。中間膜の膜厚は、密着効果が得られる１０ｎｍ以上で電波特性に悪影響を及ぼさない５０ｎｍ以下が好ましい。
基板と第１の導体膜との密着力を向上させるために、逆スパッタ法やプラズマ処理あるいは紫外線照射による界面改質法などを用いてもよい。また基板上に下地膜をスパッタ法により形成した方が密着力向上の意味で好ましい。更に、基板表面を逆スパッタしたあとで下地膜を形成すると密着効果が大きい。下地膜としては、前記中間膜と同じＣｒ系薄膜を用いるとプロセス上好ましい。下地層の膜厚は、密着効果が得られる１０ｎｍ以上でクラックが発生しにくい３０ｎｍ以下が好ましい。
【０００６】
本発明では、誘電体の基板上に導体を被覆しない領域である所定のパターンをナノインプリント法により成形している。例えば、熱ナノインプリント法の場合には、前記所定のパターンを有する金型と誘電体の基板とをある特定の温度下で圧力をかけながら密着させることにより誘電体の基板表面に所定のパターンを転写させることにより行う。これにより、誘電体の基板表面にミクロン単位の高精度で例えばスロットやパッチなどを形成することができ、短波長化に好適な小型のアンテナを製造できる。更に、所定のパターンを含む金型を作製してしまえばアンテナの量産が容易であり、安価にアンテナを成形することができる。この製造方法は、アンテナに必要なフィルタの製造にも活用できる。
【発明の効果】
【０００７】
かくして本発明によれば、基板上の所定のパターンをナノインプリント法で成形し、かつ、少なくとも基板の変形やクラックを生じさせない膜厚以下の導電膜を複数層設け、更に前記導電膜の間に中間層を設けることにより、基板の反りやクラックの発生を抑えてスパッタ法のみによる安定な導体膜形成が容易になる。その結果、損失が少ない安価な平面アンテナ及び製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施例における平面アンテナの概略断面図
【図２】本実施例における導体膜の部分拡大断面図
【図３】本実施例における平面アンテナの製造プロセスの一例
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面に基づき、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００１０】
(実施例１)
図１は、本実施例における平面アンテナの概略断面図を示したものである。
この図に示すように、平面アンテナ１００は誘電体からなる基板１と、基板１の表面を被覆する導体膜２とを有し、導体膜２で覆われない基板の所定の位置に所定のパターンを有する共振スロットを形成している。なお、平面アンテナ１００の理解を補助するためスロットパターン３及び給電用スロットパターン４はその大きさが誇張されかつ一部省略して描いている。
本発明における導体膜は表皮効果を考慮して所定の厚さで形成しているが、本実施例では６０ＧＨｚの平面アンテナを想定しているので、導電体２の厚さは２μｍ程度形成した。但し、導体膜２は基板１の所定の領域（スロットパターン３及び給電用スロットパターン４）には形成されておらず、この所定の領域をスロットとすることでアンテナとして機能する。
本実施例における平面アンテナ１００は、直径６０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍのディスク形状を有し、小型のラジアルスロットアンテナとして実現されている。しかし、本発明の平面アンテナ１００の適用はこれに限定されることは無く、例えば、パッチアンテナ、マイクロストリップアンテナなど導体皮膜面の一部に導体を被覆しない領域を有する誘導体として構成されるいかなるアンテナに関しても適用することができ、またその大きさにおいて限定を有するものではない。平面アンテナ１００は、小型であっても寸法精度良く製造することができるという長所を有する。
基板１は所定の厚みを有し、かかる厚み部分が導波路となって各スロットへの給電回路として機能する。なお、本明細書においては、基板１のスロットパターン３及び給電用スロットパターン４を除き、導体膜２が形成される部分を導体被覆面５と定義する。図１に示すように、平面アンテナ１００は表面（放射面）側にスロットパターン３が、裏面（給電面）側に給電用スロットパターン４が凸型形状としてそれぞれ基板１と一体に構成されている。この凸型のパターンの高さは、誘電体の基板平坦部からの高さ、つまり導体膜２の底面部からの高さであって、その値は導体膜２の厚さよりも大きいものでなくてはならない。更にその高さは誘電体内を伝搬する波長の少なくとも１／１０以下に構成されることで凸部の高さ方向に共振回路を構成することもない。具体的には、２μｍ以上であればよいが、本実施例では後述の研磨を考慮し２０μｍとした。
前記スロットパターン３及び給電用スロットパターン４において、凸部の誘電体パターンは柱型状を有することが好ましい。断面積がほぼ一定の柱状であればスロットが腐食した場合でも、スロット形状の同一性は保たれ、長期間に亘って安定した特性を維持することができる。
前記給電用スロットパターン４は例えばプラス形状で断面凸部形状を有し、基板１の中心位置に形成されている。なお、給電用スロット４がアンテナ１００のスロット中心に給電できないと放射電力パターンが偏った特性となる為、かかる給電パターンは上述したスロットのスパイラル状のパターン中心に精度良く設けられている。
本実施例では、スロットパターン３の中心と給電用スロットパターン４の中心（電位的意味の中心）のずれがλ（波長）／５０以内であることが好ましい。共振スロットからの放射電磁波の位相のずれを抑えることにより、それら放射電磁波が合成されることにより形成される放射パターンが良好なものとなる。
表面（放射面）側のスロットパターン３と裏面（給電面）側の給電用スロットパターン４とを別々に成形を行っても良いが、位置合せジグ等を用いて表裏パターンを同時に一体成形した方が中心位置のずれが少なくて好ましい。
本実施例で用いる導体膜２は、基板１の導体被覆面５に表皮効果の影響を受けないようにしかるべき所定の厚さに形成されている。導体材料としては銅や銀、ニッケルが一般的であるが、本実施例では銅を用いた。
図２は、本実施例における導体膜２の部分拡大断面図を示したものである。
まず、誘電体の基板１の表面にマグネトロンスパッタを用いて逆スパッタを実施した。その後、下地膜６としてＣｒ−Ｔｉ系薄膜をＤＣスパッタ法により１５ｎｍ程度形成した。このように基板１と導体膜２との密着性を上げる処理をしないと、テープ剥離テストで簡単に基板から導体膜２が剥れてしまう。下地膜６が薄いと密着効果が少ないので１０ｎｍ以上が好ましく、３０ｎｍ以上ではクラックが発生するので、下地膜６の厚さとしては、１０ｎｍ以上で３０ｎｍ以下が好ましい。
【００１１】
次に、前記下地層６の上に第１の導体膜７である銅をＤＣスパッタ法により５００ｎｍ程度形成した。本実施例でのスパッタ条件では単層における銅の膜厚が５００ｎｍまでは基板１の反りやクラックの発生は無かったが、それ以上の膜厚やスパッタパワーを更に上げるとクラックの発生が見受けられた。
【００１２】
前記第１の導体膜７上に第１の中間層８としてＣｒ−Ｔｉ系薄膜をＤＣスパッタ法により２０ｎｍ程度形成した。中間層８としては、導電率が高く導体膜間の密着力を向上させ、かつストレス緩和効果の大きい薄膜が好ましい。また中間膜８の膜厚は、密着効果が得られる１０ｎｍ以上で電波特性に悪影響を及ぼさない５０ｎｍ以下が好ましい
次に、前記中間層８の上に第２の導体膜９として銅をＤＣスパッタ法により５００ｎｍ程度形成した。これにより合計で銅の導体膜の厚みは１μｍとなったが、基板１の反りやクラックの発生は無かった。
【００１３】
同様にして、第２の導体膜９上に第２の中間層１０（２０ｎｍ）と第３の導体膜１１（５００ｎｍ）を形成し、更に第３の中間層１２（２０ｎｍ）と第４の導体膜１３（５００ｎｍ）を形成した。これにより、銅の導体膜の厚さは２μｍとなったが、この状態においても基板１の反りやクラックの発生は問題ないレベルであった。この図には基板１の片面の断面構造しか表示していないが、実際には基板１両面から同時スパッタ法により両面に同じ膜構成で形成されている。なお、各ステップにおける導体膜（７、９，１１，１３）の最大膜厚は動作周波数により変わってくるが、少なくとも基板１の変形やクラックを生じさせない膜厚以下とする。更に、各ステップで形成する導体膜（７、９，１１，１３）はステップ毎に材質を変えても良い。また、基板１がディスク形状の場合には、本実施例のように各薄膜は基板１両面から同時にスパッタ法により形成した方がストレスや熱の影響が少なくて好ましい。
本発明では、少なくとも基板上に所定の膜厚で第１の導体膜をスパッタ法により形成するステップと、前記所定の導体膜上に更に所定の膜厚で中間膜をスパッタ法により形成するステップと、前記中間膜上に更に所定の膜厚で第２の導体膜をスパッタ法により形成するステップとを有していることが特徴である。場合によっては、最後に形成した導体膜上に保護層を形成しても良い。ただし、保護層としてはアンテナの電波特性に影響を及ぼさないものを使用する必要がある。
【００１４】
次に、図３を用いて本実施例における平面アンテナの製造プロセスの一例を示す。本実施例では熱ナノインプリント法を用いてスロットパターンを形成した。
【００１５】
まず、図３（ａ）に示したように、誘電体の平板基板１４とスロットパターン３に対応する凹部１５を有する金型１６と給電用スロットパターン４に対応する凹部１７を有する金型１８を用意する。なお、前記金型（１６，１８）を用いることによりアンテナの量産が容易であり、安価にアンテナを成形することができる。
次に、図３（ｂ）に示したように、専用の中心位置あわせジグ１９を用いて、スロットパターンと給電用スロットパターンの中心位置が合う様にして両者で平板基板１４を密着して挟み込む。そして、熱ナノインプリント装置により金型（１６，１８）の両側から所定の熱と圧力を加え金型（１６，１８）のパターンを基板上に転写させる。この結果、図３（ｃ）に示したような、スロットパターン３及び給電用スロットパターン４が一体に形成された基板１が形成される。この熱ナノインプリント法ではスロットパターン３及び給電用スロットパターン４の大きさや配置を忠実に再現することが可能であり、精度の高い又アンテナの指向性に優れる基板１を作成することができる。場合によっては、光ナノインプリント法や射出成形法を用いても良い。
次に、図３（ｄ）に示したように所定のパターン有する基板１にスパッタ法により導電体２を形成する（導電体２の詳細断面構造は図２を参照）。これにより、スロットパターン３及び給電用スロットパターン４と基板１本体に一様に導体膜２が形成される。実際にはスロットパターン３である凸部の側面にも銅の導体膜２は形成されるが、図面上省いている。そして、ディスク形状の基板１の縁２０は、スパッタ法を用いている為にスロットパターン３及び給電用スロットパターン４側の面に比べて導体膜２の厚さは薄くなっている。
なお、この状態ではスロットパターン３及び給電用スロットパターン４は導体を被覆した凹凸パターンであって電気的なアンテナパターンは得られていない。そこで、この状態からスロットパターン３及び給電用スロットパターン４の導体膜２を剥離する。これは機械的な手段、例えば、研削や研磨作業を行いスロットパターン３及び給電用スロットパターン４に付着した導体膜２を剥離することができる。この際、誘電体表面の凸部を被覆する部分の導体金属と誘電体凸部の先端部を同時に除去することにより誘電体と導体の高さをほぼ同じにすることができる。もちろん、本発明は、導体膜のみを剥離することを排除するものではないが、製造の容易性の為に誘電体と導体の両方の先端部を除去している。この際、スロット径が変化しないように誘電体の凸部は柱状であることが好ましい。なお、放射面の平坦性が充分でないと研磨は偏ってしまいうまく剥離できない。そのため変形しないような成形条件やスパッタ条件を見つけることは重要である。
以上のプロセスを得て、図３（ｅ）に示したように、アンテナ１００は基板１上の所定の領域に導体膜２が被覆されないスロットアンテナとして構成される。
本実施例ではスロットアンテナを例として示したが、例えば、パッチアンテナではスロットパターンが導体膜として構成されるだけでその他において製造方法に変わりは無い。また、本発明の製造方法はアンテナに限らず、バンドパスフィルターなどにも適用できる。
以上のように、金型成形によりすべてのスロットの寸法及び位置関係が高い精度で均一化することができるので、指向性の鋭い、特性の良好なアンテナを得ることができる。また、量産性にも優れる為、製造コストの削減をもたらすことができる。
本発明のアンテナは、ミリ波帯（周波数３０乃至３００ＧＨｚ、波長１乃至１０ｍｍの電波）に適した小型な平面アンテナである。特に、この帯域では、酸素による吸収減衰が大きく、遠くまで到達しないなどの物理特性を有し、大容量で低コストな多様な無線システムに適用可能である。アンテナは、例えば、自動車衝突防止用のレーダ、短距離通信システム、無線ＬＡＮ、及び家庭の屋内配線の無線化などに好適である。
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はその要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００１６】
１：誘電体の基板
２：導体膜
３：スロットパターン
４：給電用スロットパターン
５：導体被覆面
６：下地膜
７：第１の導体膜
８：第１の中間膜
９：第２の導体膜
１０：第２の中間膜
１１：第３の導体膜
１２：第３の中間膜
１３：第４の導体膜
１４：誘電体の平板基板
１５：スロットパターンに対応する凹部
１６：スロットパターン用金型
１７：給電用スロットパターンに対応する凹部
１８：給電用スロットパターン用金型
１９：中心位置あわせジグ
２０：基板の縁
【図１】
2010252246.tif 000003
【図２】
2010252246.tif 000004
【図３】
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