(57)【要約】  【課題】  本発明はプリント基板近傍の電磁界分布を観測する電磁界検知プローブに関し、より詳細には半導体プロセスを用いて積層構造のアンテナ素子を形成し、高い空間分解能を有する電磁界検知プローブと電磁界検知プローブ製作方法に関するものである。  【解決手段】  本発明の電磁界検知プローブは、同軸ケーブルと、絶縁膜上に所定形状のアンテナパターンを導体薄膜により形成したアンテナ素子とを備え、同軸ケーブルの先端端面に前記アンテナ素子を配置し、同軸ケーブルとアンテナ素子とを電気的に接続する、よう構成する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸ケーブルと、
絶縁膜上に所定形状のアンテナパターンを導体薄膜により形成したアンテナ素子とを備え、
前記同軸ケーブルの先端端面に前記アンテナ素子を配置し、該同軸ケーブルと該アンテナ素子とを電気的に接続した
ことを特徴とする電磁界検知プローブ。
【請求項２】
前記アンテナ素子は、前記絶縁膜とアンテナパターンを形成した前記導体薄膜とを交互に積層し、該絶縁膜に貫通するビアを形成して該導体薄膜間を電気的に接続した積層アンテナである
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁界検知プローブ。
【請求項３】
前記アンテナ素子は、該アンテナ素子の最上層に所定厚さの絶縁層を設けた、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁界検知プローブ。
【請求項４】
前記アンテナ素子は、該アンテナ素子の最下層にシールド層を形成し、該シールド層と前記同軸ケーブルのシールド導体とを電気的に接続した
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の電磁界検知プローブ。
【請求項５】
所定材料の基板に絶縁膜を生成する絶縁膜生成手順と、
絶縁膜上に導体薄膜を生成して該導体薄膜に第１または第２のアンテナパターンを形成するアンテナパターン形成手順と、
前記第１または第２のアンテナパターンが形成された基板に絶縁膜を生成し、該絶縁膜に貫通する第１のビアを所定位置に形成するビア形成手順と、
前記アンテナパターン形成手順と前記ビア形成手順とを所定回数実施し、前記第１と第２のアンテナパターンが前記第１のビアを介して螺旋状に接続したアンテナ素子を形成する積層手順と、
前記積層手順の後に絶縁膜を生成し、該絶縁膜に貫通する第２のビアを所定位置に形成し、導体薄膜を生成して該第２のビアを除いて該導体薄膜によるシールドパターンを形成するシールド層形成手順と、
基板から前記アンテナ素子を切り出し、該アンテナ素子の基板部分を除去するアンテナ素子成形手順と、
前記アンテナ素子の天地を逆にして同軸ケーブルの先端端面に前記アンテナ素子を配置し、前記第２のビアと該同軸ケーブルの心線とを電気的に接続し、前記シールド層と該同軸ケーブルのシールド導体とを電気的に接続し固定する組立手順と
を有することを特徴とする電磁界検知プローブ製作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプリント基板近傍の電磁界分布を観測する電磁界検知プローブに関し、より詳細には半導体プロセスを用いて積層構造のアンテナ素子を形成し、高い空間分解能を有する電磁界検知プローブと電磁界検知プローブ製作方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＰＵなどの高速化により、プリント基板上に高速信号を伝送するケースが増加している。高速信号の伝送に関しては、配線インピーダンスの整合のみならず、放射電磁界の抑制にも留意して配線設計を行う必要があり、電磁界シミュレーションの活用が必須となっている。しかしながら、シミュレーション結果の信頼性検証の手段は整備されておらず、実際に試作を行って計測した伝送信号品質評価から放射電磁界の様態を推測するしかない状況である。
【０００３】
プリント基板近傍の電磁界分布を求める方法として、波長サイズ程度のアンテナを用いて、プリント基板から離れた場所で遠方電磁界分布を計測するシステムは良く知られており、計測結果と計測対象であるプリント基板の設計データを用いて、プリント基板近傍の電磁界分布を逆演算する手法も検討されている。しかしながら、そのような方法は配線の一本一本が生成する電磁界を推定することは難しく、近傍電磁界シミュレーションの検証に適用することは困難である。
【０００４】
一方、マイクロループコイルを用いて、配線電流による磁界を検知する方式が提案されており、そのような磁界検知プローブが一部商品化されている。しかしながら、電界分布に関しては決定的な観測手段がないのが実情である（電気光学効果を利用した観測手段は論文レベルで提案されている)。
【０００５】
近傍電磁界を計測可能とする電界プローブが提案されている。この電界プローブは平行する長い経路の導体の先端に短い経路の導体を連結してループ状の導体を形成し、この導体に発生する誘起起電力を計測し、ループ全体の誘起起電力のうち短い経路の近傍電界成分を出力するものである（特許文献１）。
【０００６】
また、他に電界プローブの提案がなされており、その電界プローブはプリント基板の表面と裏面に外来の電磁雑音を遮蔽するシールド膜を形成し、中間層の導体に電界検知パターンを形成し、この電界検知パターンに電磁波が通るようにシールド膜に窓開け部を設けた構造である。略同様の構造で磁界プローブも提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００２−２２８６９号公報
【特許文献２】特開平０８−２４８０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、提供されている電磁界検知用の多くは、プリント基板からの放射電磁界を遠方で観測するものであり、放射源の大凡の位置を知ることは可能であるが、部位を特定することは困難である。前記の近傍界計測用プローブにより、ＬＳＩのピンのサイズレベルに空間分解能が向上しているが、プローブの構造上これ以上の空間分解能を向上させることは難しい。一方、計測対象であるプリント基板は高密度化が進展しており、前記プローブを用いた解析では空間分解能が限定され、正確な計測結果を得る困難さが増大することが予測される。それと共にシミュレーションの検証に用いるためには、シミュレーション結果の空間分解能を故意に低下させるといった数学的な処理が必要となり、煩雑となることが予測される。
【０００８】
特許文献１および特許文献２で提案された電界プローブあるいは磁界プローブは、シンプルな構造で低コストでプローブの製作が可能と思われる。しかし、プローブの加工精度から空間分解能は限定的と考えられる。
【０００９】
本発明は、微細なアンテナパターンを半導体プロセスを用いて形成し、高い空間分解能を有する電磁界検知プローブ、および電磁界検知プローブ製作方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の電磁界検知プローブおよび電磁界検知プローブ製作方法は以下のように構成される。
（１）第１の発明
第１の発明の電磁界検知プローブは、同軸ケーブルと、絶縁膜上に所定形状のアンテナパターンを導体薄膜により形成したアンテナ素子とからなり、同軸ケーブルの先端端面にアンテナ素子を配置し、その同軸ケーブルとアンテナ素子とを電気的に接続した、ことを特徴とするものである。
【００１１】
即ち、同軸ケーブルの先端にパターン形成した導体薄膜のアンテナ素子を配置した構造である。導体薄膜のパターン形成は例えば半導体プロセスで一般的に用いられているフォトリソグラフィの技術を用いることができ、数ミクロンオーダの微細パターン幅を持つアンテナ素子を形成できる。
（２）第２の発明
第２の発明の電磁界検知プローブは、第１の発明の電磁界検知プローブのアンテナ素子が、絶縁膜とアンテナパターンを形成した導体薄膜とを交互に積層し、絶縁膜に貫通するビアを形成して導体薄膜間を電気的に接続した積層アンテナである、ことを特徴とする。
【００１２】
積層化によりアンテナの検知感度を高めることができる。
（３）第３の発明
第３の発明の電磁界検知プローブは、第１または第２の発明の電磁界検知プローブのアンテナ素子が、アンテナ素子の最上層に所定厚さの絶縁層を設けた、ことを特徴とする。
（４）第４の発明
第４の発明の電磁界検知プローブは、第１から第３の発明の電磁界検知プローブのアンテナ素子が、アンテナ素子の最下層にシールド膜を形成し、そのシールド膜と同軸ケーブルのシールド導体とを電気的に接続した、ことを特徴とする。
（５）第５の発明
第５の発明の電磁界検知プローブ製作方法は、絶縁膜生成手順とアンテナパターン形成手順、ビア形成手順、積層手順、シールド層形成手順、アンテナ素子成形手順および組立手順から構成する。
【００１３】
絶縁膜生成手順は、所定材料の基板に絶縁膜を生成する。所定の材料とは例えばシリコンである。
【００１４】
アンテナパターン形成手順は、絶縁膜上に導体薄膜を生成し、その導体薄膜に第１または第２のアンテナパターンを形成する。例えば、第１のアンテナパターンは右半円のパターンで、第２のアンテナパターンは左半円のパターンである。
【００１５】
ビア形成手順は、第１または第２のアンテナパターンが形成された基板に絶縁膜を生成し、その絶縁膜に貫通する第１のビアを所定位置に形成する。第１のビアは第１と第２のアンテナパターンとを接続する役割を持つ。
【００１６】
積層手順は、アンテナパターン形成手順とビア形成手順とを所定回数実施して、第１と第２のアンテナパターンが第１のビアを介して螺旋状に接続したアンテナ素子を形成する。例えば、２重の螺旋の円パターンを作成する場合に、第１と第２のアンテナパターンがそれぞれ右半円、左半円のパターンであったとき、第１と第２のアンテナパターンを交互に２回づつ形成すればよい（第１と第２のアンテナパターンは第１のビアによって接続している）。
【００１７】
シールド層形成手順は、積層手順の後に絶縁膜を生成し、その絶縁膜に貫通する第２のビアを所定位置に形成し、導体薄膜を生成して第２のビアを除いて導体薄膜によるシールドパターンを形成する。第２のビアはアンテナ素子に誘起した電気信号を取り出し、後述する同軸ケーブルと電気的に接続するためのものである。
【００１８】
アンテナ素子成形手順は、基板から前記アンテナ素子を切り出し、該アンテナ素子の基板部分を除去する。基板部分の除去は、例えば適切な溶解液で基板を溶解する。
【００１９】
組立手順は、アンテナ素子の天地を逆にして同軸ケーブルの先端端面に前記アンテナ素子を配置し、第２のビアと同軸ケーブルの心線と、シールド層と同軸ケーブルのシールド導体とをそれぞれ電気的に接続し固定する。
【発明の効果】
【００２０】
上述のように本発明によれば、次に示す効果が得られる。
【００２１】
第１の発明により、アンテナパターンの外径寸法を微細に形成できるので、従来の近傍界計測プローブでは実効的な空間分解能は100μm程度であったものが、10μm程度の空間分解能を持つ電磁界検知プローブの提供が可能となる。
【００２２】
第２の発明により、アンテナを積層構造としたことにより、検知感度を高めることができる。
【００２３】
第３の発明により、アンテナの最上層に所定厚さの絶縁層を設けたので、電磁界検知プローブの先端を被計測対象物（例えば、プリント基板の配線パターン）に押し付けて計測すれば、常に被計測対象物とアンテナ素子間を一定の間隔で計測でき、高い再現性を得ることができる。
【００２４】
第４の発明により、アンテナ素子の下部にシールド層を設けたことで、同軸ケーブルとアンテナ素子との間の接続部に侵入する外乱電磁波あるいは外乱磁束を遮蔽でき、高い精度で計測できる。
【００２５】
第５の発明により、第１と同様の効果を有する電磁界検知プローブの製作方法の提供ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１に本発明による電磁界検知プローブ１００の概略構造を示す。同軸ケーブル１１０の先端に積層構造のアンテナ素子１２０、またはアンテナ素子１３０を接合している。アンテナ素子１２０は電界検知用であり、アンテナ素子１３０は磁界検知用でそれぞれを後述する。アンテナ素子１２０は外部電界によって、アンテナ素子１３０は外部磁界によって誘起される電圧信号を同軸ケーブルの心線（中心導体）に導き計測する。同軸ケーブル１１０の外径寸法は約１ｍｍ以下で、その構造は中心に心線、その周囲を絶縁体、その絶縁体をシールド導体を兼ねた金属製のシース（保護被覆）で覆った構造である。同軸ケーブル１１０はセミリジッドで屈折し、プローブがプリント基板の搭載物に当たったような場合に搭載物に与える衝撃、またはプローブが受ける衝撃を吸収するようにしている。また、外径が１ｍｍ以下であるので、狭隘な所にプローブの近接が可能となる。このため、従来では計測が不可能であった所でも計測でき、計測箇所を増加させることができる。
【００２７】
より詳細に電磁界検知プローブ１００の構造を図２および図３を用いて説明する。
【００２８】
図２は電界検知用の電界検知プローブ１０１を示すもので、上の図はアンテナ素子１２０の端面の方向からみたアンテナパターンとビアの形状を（正確には透視して見た形状）、下の図は電界検知用のプローブ１０１の断面構造をそれぞれ模式的に示している。上下の図に示すようにアンテナの形状はここでは螺旋状の円形パターンとしており、絶縁膜１２７上に導体薄膜で形成した半円のパターン１２１を形成し、その上の絶縁膜１２７上にパターン１２２を形成し、絶縁膜の間をビア１２４、またはビア１２５を介して接続している。円形の直径は数十μｍ、パターン幅は数μｍである。アンテナを形成する導体はＡｕ、Ｃｕ、Ｎｉなどで膜厚は１μｍ程度である。また、絶縁膜１２７はＳｉＯ２あるいはエポキシ系のレジストなどで、膜厚は１〜１．５μｍである。
【００２９】
アンテナ素子１２０の最先端（即ち、最上層）は、絶縁膜１２８で覆っており、この最先端部分を例えばプリント基板の配線パターンに押し付けて計測できるようにしている。アンテナ素子１２０は最下層の絶縁膜１２７に形成したビア１２３を介して同軸ケーブル１１０の心線１１１と接合している。また、アンテナ素子１２０の最下層は、形成したビア１２３とその周囲を除いてシールド層１２６を形成している。シールド層１２６は同軸ケーブル１１０のシールド導体と接合している。
【００３０】
同軸ケーブル１１０の構造は前述したので省略するが、下の図に心線１１１、絶縁体１１２、外被を兼ねたシールド導体１１３を示す。
【００３１】
磁界検知用の磁界検知プローブ１０２を図３に示す。電磁界検知プローブ１０２のアンテナ素子１３０が電界検知用のアンテナ素子１２０と異なる点はアンテナパターンの形状にあり、他は構造、材質など同一である。アンテナ素子１３０のアンテナパターンの最上層から各絶縁層１２７に形成したビア１３６を介してシールド層と接続しており、この点が異なる部分である。
【００３２】
次に、電界検知用の電界検知プローブ１０１の製作フローを図４と図５を用いて説明する。まず、シリコン（Ｓｉ）の基板上に絶縁膜（ＳｉＯ２）を生成し、その上に導体膜（Ａｕ）を生成する（図４（ａ）−（ｃ））。
【００３３】
次に導体膜に半円のアンテナパターンを形成し、その上から基板全体に絶縁膜を生成する。導体膜のアンテナパターンは生成した絶縁膜で覆われ、表面は平坦化される。アンテナパターンの端部の位置に絶縁膜を貫通するビアを形成する。再び導体膜を生成し、アンテナパターンが下層の半円と併せて円となるようにもう一方の半円パターンを形成する。そして絶縁層を生成し、平坦化を行う。ここまでのフローで、絶縁膜を貫通するビアを介して円形のアンテナパターンが形成されことになる（図４（ｄ）−（ｈ））。
【００３４】
続いて、ビアの形成、導体膜生成、アンテナパターン形成、絶縁膜生成を所望のアンテナの巻き数となるまで繰り返す。所望の巻き数となったら、最上層の絶縁膜に信号取り出しのビアを円形パターンの中央位置に形成する。また、導電膜を生成してシールド層を形成する（図５（ｉ））。
【００３５】
シールド層の形成まででＳｉ基板上に積層のアンテナ素子が形成されたことになるので、外径成形を行ってアンテナ素子を切り出す（例えば、超音波加工により円盤上にアンテナ素子を打ち抜く）。続いて、切り出したアンテナ素子のＳｉ基板を除去し、天地を逆にして、同軸ケーブルとを電気的に接合した後に例えば導電性接着剤により固定する（図５（ｊ）、（ｋ））。
【００３６】
磁界検知用の磁界検知プローブ１０２も図４、図５に示したフローにより製作できる。
【００３７】
次に、本発明の電磁界検知プローブ１００を用いた近傍電界検知システムの例を図６を用いて説明する。計測対象のプリント基板２００はプリント基板駆動系３００により駆動しておき、電磁界検知プローブ１００をＸＹＺ方向に位置決め可能な電動ステージに取付け、プログラムの制御により計測箇所に押し当てる。電磁界検知プローブ１００に誘起した起電力はアンプ５００により増幅しスペクトラムアナライザに入力する。スペクトラムアナライザから出力したデータをデータ処理装置７００で取り込み、プリント基板の設計データを基に電界あるいは磁界分布を求める。
【００３８】
本発明による電磁界検知プローブ１００では、所望する計測周波数の電磁波に対して、アンテナ素子１２０（１３０）の積層数を最適化することで感度をチューニングすることが可能である。一方、他の周波数の電磁波に対しても、計測位置に応じて信号強度が得られるため、相対強度分布は得られる。このため、目的に応じてアンテナの外径寸法を定める事により狭帯域の高感度プローブと、比較的帯域の広いプローブの両者を実現可能である。
【００３９】
上の実施例に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
同軸ケーブルと、
絶縁膜上に所定形状のアンテナパターンを導体薄膜により形成したアンテナ素子とを備え、
前記同軸ケーブルの先端端面に前記アンテナ素子を配置し、該同軸ケーブルと該アンテナ素子とを電気的に接続した
ことを特徴とする電磁界検知プローブ。
（付記２）
前記アンテナ素子は、前記絶縁膜とアンテナパターンを形成した前記導体薄膜とを交互に積層し、該絶縁膜に貫通するビアを形成して該導体薄膜間を電気的に接続した積層アンテナである
ことを特徴とする付記１に記載の電磁界検知プローブ。
（付記３）
前記アンテナ素子は、該アンテナ素子の最上層に所定厚さの絶縁層を設けた、
ことを特徴とする付記１または付記２に記載の電磁界検知プローブ。
（付記４）
前記アンテナ素子は、該アンテナ素子の最下層にシールド層を形成し、該シールド層と前記同軸ケーブルのシールド導体とを電気的に接続した
ことを特徴とする付記１乃至付記３に記載の電磁界検知プローブ。
（付記５）
所定材料の基板に絶縁膜を生成する絶縁膜生成手順と、
絶縁膜上に導体薄膜を生成して該導体薄膜に第１または第２のアンテナパターンを形成するアンテナパターン形成手順と、
前記第１または第２のアンテナパターンが形成された基板に絶縁膜を生成し、該絶縁膜に貫通する第１のビアを所定位置に形成するビア形成手順と、
前記アンテナパターン形成手順と前記ビア形成手順とを所定回数実施し、前記第１と第２のアンテナパターンが前記第１のビアを介して螺旋状に接続したアンテナ素子を形成する積層手順と、
前記積層手順の後に絶縁膜を生成し、該絶縁膜に貫通する第２のビアを所定位置に形成し、導体薄膜を生成して該第２のビアを除いて該導体薄膜によるシールドパターンを形成するシールド層形成手順と、
基板から前記アンテナ素子を切り出し、該アンテナ素子の基板部分を除去するアンテナ素子成形手順と、
前記アンテナ素子の天地を逆にして同軸ケーブルの先端端面に前記アンテナ素子を配置し、前記第２のビアと該同軸ケーブルの心線とを電気的に接続し、前記シールド層と該同軸ケーブルのシールド導体とを電気的に接続し固定する組立手順と
を有することを特徴とする電磁界検知プローブ製作方法。
（付記６）
前記アンテナ素子は、該アンテナ素子の側面にシールド層を形成し、該シールド層と該同軸ケーブルのシールド導体とが電気的に接続した
ことを特徴とする付記１乃至付記４に記載の電磁界検知プローブ。
（付記７）
前記アンテナ素子の形状は、ループ状である
ことを特徴とする付記２に記載の電磁界検知プローブ。
（付記８）
前記基板は、シリコンを含む半導体材料である
ことを特徴とする付記５に記載の電磁界検知プローブ製作方法。
（付記９）
前記電磁界検知プローブ製作方法は１つの基板上に複数のアンテナ素子を形成し、該基板を個片化して複数のアンテナ素子を製作する
ことを特徴とする付記５に記載の電磁界検知プローブ製作方法。
（付記１０）
前記電磁界検知プローブ製作方法は、さらに
前記組立手順後に前記アンテナ素子の側面にシールド層を形成し、該シールド層と該同軸ケーブルのシールド導体とが電気的に接続するシールド層形成手順
を有することを特徴とする付記５に記載の電磁界検知プローブ製作方法。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の電磁界プローブの構成例である。
【図２】電界検知用プローブの構造例である。
【図３】磁界検知用プローブの構造例である。
【図４】電界検知プローブの製作フロー（その１）である。
【図５】電界検知プローブの製作フロー（その２）である。
【図６】本発明の電磁界検知プローブを用いた近傍電磁界計測システムの構成例である。
【符号の説明】
【００４１】
１００  電磁界検知プローブ
１０１  電界検知プローブ
１０２  磁界検知プローブ
１１０  同軸ケーブル
１１１  心線
１１２  絶縁体
１１３  シールド導体
１２０  電界検知用アンテナ素子
１２１  アンテナパターン
１２２  アンテナパターン
１２３  ビア（信号取り出し用）
１２４  ビア（アンテナパターン接続用）
１２５  ビア（アンテナパターン接続用）
１２６  シールド層
１２７  絶縁膜
１２８  絶縁膜
１３０  磁界検知用アンテナ素子
１３１  アンテナパターン
１３２  アンテナパターン
１３３  ビア（信号取り出し用）
１３４  ビア（アンテナパターン接続用）
１３５  ビア（アンテナパターン接続用）
１３６  ビア（シールド導体接続用）
２００  プリント基板
３００  プリント基板駆動系
４００  ＸＹＸ電動ステージ
５００  アンプ
６００  スペクトラムアナライザ
７００  データ処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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