(57)【要約】【課題】積層されたＩＣ回路における層間の電気的接続は、従来、導体を集積形成した配線（有線の配線）で行われていた。従って、後で層間の配線経路を変更するなどということは出来ず、当初設計された通りの回路で使用するほかなかった。【解決手段】ＩＣ回路の回路層１と隣接する回路層４との間の構造を、絶縁体層５，７と屈折率が制御部１７からの制御信号により制御可能とされた左手系媒質層１７とを介在させた構造とする。回路層１の発信部８より発信した電磁波は、それらの層を実線矢印の如く伝播して回路層４の受信部１１に達し、両者間の電気的接続がなされる。制御部１７からの制御信号により左手系媒質層６の屈折率を変えると、点９からは点線矢印の如く伝播して、異なる位置の受信部１３に達する。かくして、ＩＣ回路を異なった回路構成に切り換えて使用することが、可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層構造のＩＣ回路の第１の回路層と隣接する第２の回路層との間の構造を、
絶縁体層と屈折率が制御部からの制御信号により制御可能とされた左手系媒質層とを介在させた構造とし、
第１の回路層の発信部より発信した電磁波を第２の回路層の受信部で受信して第１の回路層と第２の回路層との電気的接続を為すようにすると共に、
前記制御信号により左手系媒質の屈折率を変えることにより接続先を変え得るようにしたことを特徴とする３次元無線配線ＩＣ回路。
【請求項２】
回路層と絶縁体層とが交互に積層されて成るＩＣ回路の第１の回路層に回路配線と関係付けて複数個の第１の回路層用左手系漏れ波アンテナを形成すると共に、
前記ＩＣ回路の第２の回路層に回路配線と関係付けて複数個の第２の回路層用左手系漏れ波アンテナを形成し、
前記第１の回路層用左手系漏れ波アンテナと前記第２の回路層用左手系漏れ波アンテナとの間で、回路配線に流れる電流に応じた電磁波を授受することにより、第１の回路層と第２の回路層との電気的接続を為すようにした
ことを特徴とする３次元無線配線ＩＣ回路。
【請求項３】
同じ回路層内の回路間の電気的接続をも、それぞれの回路に付設した左手系漏れ波アンテナを用いて無線で行うようにした構成を更に付加した
ことを特徴とする請求項２記載の３次元無線配線ＩＣ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層構成されたＩＣ回路における、回路層と回路層との間の配線に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣ回路において積層される回路層の数は、集積技術が進むにつれて次第に多くなって来ており、例えば７層とか８層といったものもある。１つの回路層に集積形成されている回路素子と回路素子との間は、その層内に導体を集積形成した配線により接続される。この配線は、１つの回路層の平面内における配線であるから２次元配線である。
一方、或る回路層上の回路素子と他の回路層上の回路素子との接続も、導体を集積して形成した配線により行われる。この配線は、上記の２次元配線に対して直角の方向に行う配線であるから、いわば３次元配線である。従来のＩＣ回路における３次元配線は、このように有線で行われている。
【０００３】
図６は、ＩＣ回路における回路層間の従来の３次元配線を示す図である。図６において、６０〜６３は回路層、６４〜６８は絶縁体層、６９，７０は点、７１〜７３は層間接続導体である。斜線で示されている層間接続導体７１〜７３等が、異なる回路層間の接続を行っている３次元配線である。
例えば、回路層６１，６２それぞれの平面（紙面に垂直な平面）上には、多くの回路素子が集積形成されているわけであるが、回路層６１上の点６９と回路層６２上の点７０とは、層間接続導体７１により接続されている。
【特許文献１】特開平０６−０７７４００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の積層されたＩＣ回路では、層間の電気的接続を、導体を集積して形成した配線（有線の配線）で行っているので、配線は固定されている。従って、いったん出来上がったＩＣ回路では、後で層間の配線経路を変更するなどということは出来ず、当初設計された通りの回路で使用する以外に使用することは出来なかった。
そのため、層間の配線を少し変更して、回路構成を変えたものも動作させたいということがあっても、その場合には、そのように配線変更した回路構成を追加したＩＣ回路全体を新たに作り直し、それを用いるほかなかった。そうすれば、ＩＣ回路のサイズが大になってしまうとか、ＩＣ回路の資源（層間の電気的接続に使用される導体は、金等の貴金属が使われることが多い）を無駄に消費する等という問題点があった。
本発明は、このような問題点を解決することを課題とするものであり、回路層間の電気的信号の授受を、有線ではなく無線で行うようにし、しかも、その接続先を切り換え得るようにしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するため、本発明では、積層構造のＩＣ回路の第１の回路層と隣接する第２の回路層との間の構造を、絶縁体層と屈折率が制御部からの制御信号により制御可能とされた左手系媒質層とを介在させた構造とし、第１の回路層の発信部より発信した電磁波を第２の回路層の受信部で受信して第１の回路層と第２の回路層との電気的接続を為すようにすると共に、前記制御信号により左手系媒質の屈折率を変えることにより接続先を変え得るようにした新たな３次元無線配線ＩＣ回路を提供することとした。
【０００６】
また本発明では、回路層と絶縁体層とが交互に積層されて成るＩＣ回路の第１の回路層に回路配線と関係付けて複数個の第１の回路層用左手系漏れ波アンテナを形成すると共に、前記ＩＣ回路の第２の回路層に回路配線と関係付けて複数個の第２の回路層用左手系漏れ波アンテナを形成し、前記第１の回路層用左手系漏れ波アンテナと前記第２の回路層用左手系漏れ波アンテナとの間で、回路配線に流れる電流に応じた電磁波を授受することにより、第１の回路層と第２の回路層との電気的接続を為すようにした３次元無線配線ＩＣ回路も提供する。
この３次元無線配線ＩＣ回路では、同じ回路層内の回路間の電気的接続をも、それぞれの回路に付設した左手系漏れ波アンテナを用いて無線で行うようにした構成を、更に付加した構成とすることも出来る。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の３次元無線配線ＩＣ回路によれば、ＩＣ回路の異なる回路層間の電気的接続を無線で行うと共に、接続先を切り換えることが出来るので、次のような効果を奏する。
１．ＩＣ回路の回路構成が固定的でなく、幾つか異なった構成に切り換えることが出来るので、１つのＩＣ回路を多様に使用することが出来る。
２．層間接続に必要とされていた導体が不用となるので、それに用いられていた貴金属等が不用となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
これは、積層されたＩＣ回路の層間に左手系媒質の層を存在せしめ、その左手系媒質の特性を可変制御することにより、層間の配線変更を行い得るようにしたものである。左手系媒質は、「左手系メタマテリアル」とか「左手系材料」等とも呼ばれている。左手系媒質は、その中を電磁波が伝播する場合、或る特定の周波数領域の電磁波は、古くから知られている通常の伝播方向とは逆の方向に伝播するという性質を有している。
「左手系」と呼ばれるのは、この伝播方向の違いに由来しており、通常の伝播方向とは逆の方向に伝播してゆくことを説明するのに、左手を用いるのが便利であることから「左手系」（Ｌｅｆｔ−Ｈａｎｄｅｄ）と名付けられている。先ずそれを説明する。
【０００９】
図９は、右手系，左手系を説明する図である。図９（１）は右手系を示し、図９（２）は左手系を示している。
古くから知られている伝播方向は、図９（１）の右手系の図で説明される。即ち、右手の親指，人指し指，中指を互いに直角に開いた状態で、親指を電界の方向に向け、人指し指を磁界の方向に向けると、電磁波が伝播して行く方向は中指の方向である。
これに対し、左手系媒質中を或る特定の周波数領域の電磁波が伝播する場合、その方向は図９（２）の左手系の図で説明される。即ち、左手の親指，人指し指，中指を互いに直角に開いた状態で、親指を電界の方向に向け、人指し指を磁界の方向に向けると、電磁波が伝播して行く方向は中指の方向である。
【００１０】
電磁波が媒質中を伝播して行く場合の挙動に重要な影響を及ぼすのは、媒質の屈折率であるが、左手系媒質の屈折率は負であることが知られている。なお、屈折率は、媒質の誘電率εや透磁率μに関係している。
図１０は、誘電率，透磁率の正負で分けられる領域を示す図である。横軸は誘電率εであり、原点Ｏより右方は正、左方は負を示す。縦軸は透磁率μであり、原点Ｏより上方は正、下方は負を示す。
【００１１】
自然界に存在している媒質は、誘電率εも透磁率μも正であるので、「右手系領域」と記した第１象限に属する。誘電率εも透磁率μも正であれば屈折率は正であり、マックスウェルの理論により電磁波は伝播する。その伝播方向は、図９（１）の右手系の図で示した方向である。
一方、図１０の第４象限に属する媒質では、誘電率εも透磁率μも負であるので、屈折率は負となる。負の値も実数であるから、理論からすれば電磁波は伝播するわけであるが、そのような媒質は自然界には見出されていなかった。
ところが、１９９９年になってＩｍｐｅｒｉａｌ  Ｃｏｌｌｅｇｅ  Ｌｏｎｄｏｎのペンドリィ氏等により、そのような媒質が人工的に作り出された。この媒質の中では、特定の周波数領域の電磁波は図９（２）の左手系で説明される方向に伝播するので、この媒質は左手系媒質（或いは「左手系メタマテリアル」等）と呼ばれ、図１０の第４象限は「左手系領域」と呼ばれる。特定の周波数領域が具体的にはどのような周波数領域かは、左手系媒質の構造によって異なる。
【００１２】
図７は、左手系媒質の構造を説明する模式図であり、７４は人工的構成要素、７５は絶縁体、７６は左手系媒質である。左手系媒質７６は、絶縁体７５の中に、微細な人工的構成要素７４を規則的に存在せしめることにより構成される。
図８は、人工的構成要素および等価回路を説明する図である。７４−１，７４−２は人工的構成要素、Ｃはキャパシタンス、Ｌはインダクタンスである。左手系媒質は大別して共鳴型と伝送線路型とに分けられるが、図８（１）（２）の人工的構成要素７４−１，７４−２は、共鳴型の左手系媒質に用いられる人工的構成要素７４の１例である。
人工的構成要素７４−１は、直径の異なるリングの一部を欠いた微細な金属片２つを、同心的に組み合わせて構成されている。人工的構成要素７４−２は、リングの２箇所を欠いた金属片で構成されている。これらは、ＬＣ共振器の一種（スプリットリング共振器，Ｓｐｌｉｔ  Ｒｉｎｇ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ；ＳＲＲ））として働く。
【００１３】
図８（３）は、伝送線路型の左手系媒質に用いられる人工的構成要素の等価回路を示すものである。この型の左手系媒質は、ＵＣＬＡの伊藤龍男氏等により２００２年に作り出されたものであるが、高域通過フィルターと同構造の回路素子を、規則的に存在せしめることにより構成されている。
これら左手系媒質の特性（例えば、誘電率ε，透磁率μ，屈折率Ｎ）は、それを構成する人工的構成要素のＬまたはＣの値を制御することにより、制御することが出来る。
左手系媒質７６の構造によって特定される周波数領域に属する電磁波にとってみれば、その左手系媒質７６内の伝播に関しては、左手系媒質７６は均質な媒質と扱って差し支えないことが知られている（実際には人工的構成要素７４が点在し、均質ではないわけであるが。）。
【００１４】
図８（４）は、伝送線路型左手系媒質の人工的構成要素の中のインダクタンスＬを、外部からの制御信号により制御し、左手系媒質の特性（屈折率など）を制御可能としたものを示している。キャパシタンスＣの方を制御して、左手系媒質の特性を制御可能とすることも出来るし、インダクタンスＬ，キャパシタンスＣの両方を制御して、左手系媒質の特性を制御可能とすることも出来る。
共鳴型の左手系媒質の特性を制御する場合のやり方としては、例えば、図８（２）の人工的構成要素７４−２の一方の金属片の途中に、半導体スイッチ素子（例、電界効果型トランジスタ）を予め集積形成しておき、それを制御信号（信号線も予め集積形成しておく）でオン，オフするというやり方が考えられる。オンしたりオフしたりすることにより、半導体スイッチ素子の両側の金属片がつながれて１本にされたり、分けられて２本にされたりするから、人工的構成要素７４−２が呈するインダクタンスＬやキャパシタンスＣの値を変えることが出来る。
【００１５】
図１は、左手系媒質を用いた本発明の３次元無線配線ＩＣ回路の動作を説明する図である。これは、積層されたＩＣ回路の断面の一部を模式的に表した図であり、１は回路層、２，３は境界面、４は回路層、５は絶縁体層、６は左手系媒質層、７は絶縁体層、８は発信部、９，１０，１２は点、１１，１３は受信部、１４〜１６は法線、１７は制御部である。
回路層１，４は回路素子が集積形成されている層であり、これらの層の間には、絶縁体層５，左手系媒質層６，絶縁体層７が介在させられている。
図２は、回路層１上の電磁波の発信部周辺の回路構成の１例を示す図である。符号は図１のものに対応し、２０は配線、２１，２２は回路素子である。回路層１上の回路素子２１，２２等の動作によって発信部８に電流が流され、その電流により発信部８から電磁波が発信される。
【００１６】
図３は、回路層４上の電磁波の受信部周辺の回路構成の１例を示す図である。符号は図１，図２のものに対応し、２３，２４は回路素子である。受信部１１は電磁波を受信して、回路層４上の回路素子２３，２４等を動作させる。
発信部８と受信部１１との間で電磁波の授受を行うことにより、発信部８と受信部１１との電気的接続がなされる。この接続は、回路層１の２次元平面と回路層４の２次元平面との間の接続を無線で行うものであるから、その配線は「３次元無線配線」である。
【００１７】
図１に示す本発明では、特性を制御可能とした左手系媒質層６を、回路層１と４との間に介在させ、左手系媒質層６の特性を制御することにより、層間での接続先を切り換え得るようにしたものである（例えば、発信部８の接続先を、受信部１１から受信部１３に切り換える）。電磁波の伝播方向に関係するのは屈折率であるが、左手系媒質層６の特性を制御すれば屈折率の値も変るから、伝播方向を変えることが出来る。図１ではそれを利用している。以下、その動作メカニズムを説明する。
【００１８】
（１）左手系媒質層６の屈折率＝Ｎ1 のとき
発信部８から出た電磁波が絶縁体層５内を進み、左手系媒質層６との境界面２上の点９に、その点の法線１４に対して角θ1 で入射したとする。左手系媒質層６の屈折率がＮ1 （これは負の値）であれば、入射角θ1 に対する屈折角はθ2 となるとすると、電磁波は法線１４に対する角がθ2 となるよう屈折する（屈折率が負の値であるため、法線に対し入射した側と同じ側に屈折する）。屈折した電磁波は左手系媒質層６内を進み、左手系媒質層６と絶縁体層７との境界面３上の点１０に至る。
絶縁体層７と絶縁体層５の材質は同じで、境界面２，３は平行だとすると、点１０の法線１５に対して屈折角θ1 で屈折し、絶縁体層７内を進む。そのように進行した電磁波は、やがて回路層４上の点に到達する。その点を受信部１１となるよう設計しておけば、発信部８と受信部１１との電気的接続（無線配線）が実現される。
【００１９】
（２）左手系媒質層６の屈折率＝Ｎ2 のとき（Ｎ2 の絶対値＞Ｎ1 の絶対値）
制御部１７からの制御信号により左手系媒質層６の特性を制御して、屈折率をＮ2 に変化させたとする。そして、屈折率Ｎ2 の絶対値は屈折率Ｎ1 の絶対値より大だとする。すると、発信部８から入射角θ1 で点９に入射した電磁波は、新しい屈折率Ｎ2 に対応した角θ3 （この角は、先の屈折角θ2 よりも大）で屈折する。そのように屈折して左手系媒質層６内を進行し、境界面３に至る。その点を１２とすると、点１２の法線１６に対して屈折角θ1 で屈折し、絶縁体層７内を進む。そのように進行した電磁波は、やがて回路層４上の点に到達する。その点を受信部１３となるよう設計しておけば、発信部８と受信部１３との電気的接続（無線配線）が実現される。
【００２０】
かくして、左手系媒質層６の特性（屈折率）を制御することにより、３次元無線配線の接続先を、受信部１１から受信部１３に切り換えることが可能となる。なお、上記の動作メカニズムの説明から明らかなように、接続先の位置は、左手系媒質層６や絶縁体層５，７の厚さによっても変わって来る。
従来のＩＣ回路では、積層された回路層間の接続は、集積形成された金属体（つまり有線）により行われており、配線は固定されているので、それを変更することは不可能であった。従って、ＩＣ回路は１通りにしか使用できず、回路間の配線を切り換えて、別の回路構成にして使用するというようなことは出来なかった。
しかし、本発明のように、回路層と回路層との間の接続を、外部からの制御信号により切り換えることが出来るようにすると、回路構成を何通りにも切り換えて使用することが出来るようになる。また、それに伴い、回路を余分に作っておく必要はなくなり、ＩＣ回路のサイズが大になってしまうとか、ＩＣ回路の資源を無駄に消費する等ということを、少なくすることが出来る。
【００２１】
（第２の実施形態）
左手系媒質を利用して作られる素子の１つとして、左手系漏れ波アンテナが知られている。例えば、導体（例、銅）の微小パターンをテフロン(登録商標）基板上に形成し、それら微小導体パターン間を誘電体で埋め込むことにより構成される。左手系漏れ波アンテナには、前記の微小導体パターンの形状とか誘電体の誘電率の値等に応じて、周波数分散が明確に行われるという特徴がある。逆に言うならば、小さな空間的範囲において、異なる周波数成分を分離抽出し、個別に扱うことが出来る。
なお、誘電体として制御信号により誘電率が制御し得るもの（例、液晶）を用い、外部からその誘電率を制御してやると、アンテナから発信される電磁波の向きを変えることが出来る。
【００２２】
図４は、左手系漏れ波アンテナを用いた３次元無線配線の動作を説明する図である。図４において、３０，３１は回路層、３２は配線、３３〜３６は左手系漏れ波アンテナ、３７，３８は配線、３９〜４２は左手系漏れ波アンテナ、４３，４４は配線、４５，４６，４７は絶縁体層である。
第２の実施形態は、回路層に左手系漏れ波アンテナを埋め込んで形成しておき、矢印で示すように左手系漏れ波アンテナ同志で電磁波を授受することにより、３次元無線配線を実現したものである。
【００２３】
図５は、左手系漏れ波アンテナの微小導体パターンの例を示す図である。図５において、５０は配線、５１，５２は微小導体パターンである。微小導体パターン５１は、いわゆるスプリットリング共振器（ＳＲＲ）の一種であり、微小導体パターン５２は、スタブ形状の一種である。これらが左手系漏れ波アンテナに用いられた場合、それぞれに対応した特定の周波数の電磁波に感応する（発信，受信の機能を有す）。
【００２４】
即ち、図５（１）の配線５０に、微小導体パターン５１が感応する周波数成分を含む電流が流れると、微小導体パターン５１の面から或る方向へとその周波数の電磁波を発信する。逆に、その周波数の電磁波が到来した場合には、その電磁波に感応し、傍の配線５０にその周波数の信号電流を流す（受信）。
図５（２）の微小導体パターン５２についても、同様のことが言える。
Ｌ1 〜Ｌ7 等は寸法を表す符号であるが、寸法を変えることにより、感応する周波数の値が変えられる。
【００２５】
図４に戻るが、回路層３０の配線３２に信号電流が流されると、配線３２に沿って形成されている左手系漏れ波アンテナ３３からは、それが感応する特定周波数ｆ1 の電磁波が、回路層３１にある同様の左手系漏れ波アンテナ３５に向けて発信される。それが左手系漏れ波アンテナ３５で受信されると、その特定周波数ｆ1 の信号電流が傍にある配線３７に流れ、回路層３１内の他の回路素子へと流されて行く。
回路層３０の左手系漏れ波アンテナ３４と回路層３１の左手系漏れ波アンテナ３６についても、同様のことが行われる（周波数はｆ2 ）。
このような電気信号の授受は、絶縁体層４６で隔てられた回路層３０，３１という異なる平面間で無線で行われるから、その配線は３次元無線配線である。
そして、左手系漏れ波アンテナから発信する電磁波の方向は、前記したように誘電率の制御等により変えることが出来るから、方向を変えることにより受信先（接続先）を変えることが出来る。
【００２６】
なお、回路層３０の左手系漏れ波アンテナ３９〜４２のように、その発信方向，受信方向が同じ回路層３０の平面方向となるように向きを設定しておけば、先に述べたのと同様の動作により、それらの間の電気的接続を無線にて行うことが可能である。左手系漏れ波アンテナ３９，４１間では特定周波数ｆ3 の電磁波が授受され、左手系漏れ波アンテナ４０，４２間では特定周波数ｆ4 の電磁波が授受される。
仮に、回路層３０，３１間の無線配線のように、異なる回路層間の無線配線を「縦無線配線」と言うならば、回路層３０内での無線配線のように同じ回路層内での無線配線を「横無線配線」と言うことで、両者を区別することが出来る。
【００２７】
左手系漏れ波アンテナを用いた３次元無線配線では、信号を周波数で分離した形で授受されるが、分離したままの形で利用することも出来るし、元の信号の形で利用したければ、合成により容易に元の信号に復元することが出来るから、復元して利用することも出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】左手系媒質を用いた３次元無線配線ＩＣ回路の動作を説明する図
【図２】電磁波の発信部周辺の回路構成の１例を示す図
【図３】電磁波の受信部周辺の回路構成の１例を示す図
【図４】左手系漏れ波アンテナを用いた３次元無線配線の動作を説明する図
【図５】左手系漏れ波アンテナの微小パターンの例を示す図
【図６】ＩＣ回路における回路層間の従来の３次元配線を示す図
【図７】左手系媒質の構造を説明する模式図
【図８】人工的構成要素および等価回路を説明する図
【図９】左手系，右手系を説明する図
【図１０】誘電率，透磁率の正負で分けられる領域を示す図
【符号の説明】
【００２９】
１…回路層、２，３…境界面、４…回路層、５…絶縁体層、６…左手系媒質層、７…絶縁体層、８…発信部、９，１０，１２…点、１１，１３…受信部、１４〜１６…法線、１７…制御部、２０…配線、２１〜２４…回路素子、３０，３１…回路層、３２…配線、３３〜３６…左手系漏れ波アンテナ、３７，３８…配線、３９〜４２…左手系漏れ波アンテナ、４３，４４…配線、４５，４６，４７…絶縁体層、５０…配線、５１，５２…左手系漏れ波アンテナ、６０〜６３…回路層、６４〜６８…絶縁体層、６９，７０…点、７１〜７３…層間接続導体、７４，７４−１，７４−２…人工的構成要素、７５…絶縁体、７６…左手系媒質、Ｌ…インダクタンス、Ｃ…キャパシタンス
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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