(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に無線周波数の信号を送受信するための高周波回路と、前記高周波回路に対する無線周波数の信号を入出力する入出力端子が形成されている半導体ウェハと、
前記半導体ウェハの上部に設けられる第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の上部に設けられ、グランドが形成されている導体層と、
前記導体層の上部に設けられており、表面に、前記無線周波数の信号を空間に放射するための導体からなる励振パッチが形成され、かつ、前記励振パッチと一端が電気的に接続されている伝送線路が形成されている第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上部に設けられ、導体からなる非励振パッチが前記励振パッチと対向して表面に形成されている第３の誘電体層と、
前記第１の誘電体層を前記グランドと電気的に非接続状態にて貫通して前記伝送線路の他端と前記入出力端子を電気的に接続する第１の層間接続導体と
を備え、
前記第１の誘電体層、前記第２の誘電体層により前記半導体ウェハの表面上に設けられる再配線層を構成し、前記励振パッチとグランドと前記非励振パッチとで２重パッチアンテナを構成するパッチアンテナ。
【請求項２】
表面に無線周波数の信号を送受信するための高周波回路と、前記高周波回路に対する無線周波数の信号を入出力する入出力端子が形成されている半導体ウェハと、
前記半導体ウェハの上部に設けられる第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の上部に設けられ、グランドが形成されている第１の導体層と、
前記第１の導体層の上部に設けられ、伝送線路が形成されている第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上部に設けられる第３の誘電体層と、
前記第３の誘電体層の上部に設けられており、グランドが形成されるとともに、当該グランドに施された開口部に、前記無線周波数の信号を空間に放射するための導体からなる励振パッチが形成されている第２の導体層と、
前記第２の導体層の上部に設けられ、導体からなる非励振パッチが前記励振パッチと対向して表面に形成されている第４の誘電体層と、
前記第１の誘電体層を前記第１の導体層によるグランドと電気的に非接続状態にて貫通して前記伝送線路の一端と前記入出力端子を電気的に接続する第１の層間接続導体と、
前記第３の誘電体層を貫通して前記励振パッチと前記伝送線路の他端を電気的に接続する第２の層間接続導体と、
前記第３の誘電体層及び前記第２の誘電体層を貫通して前記第１の導体層に形成されているグランドと前記第２の導体層に形成されているグランドを電気的に接続する第３の層間接続導体と
を備え、
前記第１の誘電体層、前記第２の誘電体層、前記第３の誘電体層により前記半導体ウェハの表面上に設けられる再配線層を構成し、前記励振パッチと前記第１の導体層に形成されているグランドと前記第２の導体層に形成されているグランドと前記非励振パッチとで２重パッチアンテナを構成するパッチアンテナ。
【請求項３】
前記励振パッチは、内部に空孔を有するリングパッチであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のパッチアンテナ。
【請求項４】
前記励振パッチは、円形又は矩形のパッチであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のパッチアンテナ。
【請求項５】
前記導体層に形成されているグランドに開口部が施されるとともに、当該開口部と同一形状のグランドが前記半導体ウェハに形成され、
前記半導体ウェハに形成されているグランドと前記導体層に形成されているグランドを電気的に接続する第２の層間接続導体を備えたことを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。
【請求項６】
前記導体層に形成されているグランドが、導体が網目状に配線されているメッシュグランドであることを特徴とする請求項１または請求項５記載のパッチアンテナ。
【請求項７】
前記第２の導体層に形成されているグランドに施されている開口部と同一形状の開口部が前記第１の導体層に形成されているグランドに施されるとともに、当該開口部と同一形状のグランドが前記半導体ウェハに形成され、
前記半導体ウェハに形成されているグランドと前記第１の導体層に形成されているグランドを電気的に接続する第４の層間接続導体を備えたことを特徴とする請求項２記載のパッチアンテナ。
【請求項８】
前記第１の導体層に形成されているグランド及び前記第２の導体層に形成されているグランドのうち、少なくとも一方のグランドが、導体が網目状に配線されているメッシュグランドであることを特徴とする請求項２または請求項７記載のパッチアンテナ。
【請求項９】
表面に無線周波数の信号を送受信するための高周波回路と、前記高周波回路に対する無線周波数の信号を入出力する入出力端子が形成されている半導体ウェハと、
前記半導体ウェハの上部に設けられる第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の上部に設けられ、グランドが形成されている導体層と、
前記導体層の上部に設けられており、表面に、前記無線周波数の信号を空間に放射するための導体からなる励振パッチが形成され、かつ、前記励振パッチと一端が電気的に接続されている伝送線路が形成されている第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上部に設けられ、導体からなる非励振パッチが前記励振パッチと対向して表面に形成されている第３の誘電体層と、
前記第１の誘電体層を前記グランドと電気的に非接続状態にて貫通して前記伝送線路の他端と前記入出力端子を電気的に接続する第１の層間接続導体と
を備え、
前記第１の誘電体層、前記第２の誘電体層により前記半導体ウェハの表面上に設けられる再配線層を構成し、前記励振パッチとグランドと前記非励振パッチとで２重パッチアンテナを構成するパッチアンテナが一体的に複数個形成されているアレーアンテナ。
【請求項１０】
前記複数のパッチアンテナにおける第３の誘電体層が分割されており、分割されている前記第３の誘電体層に前記非励振パッチが形成されていることを特徴とする請求項９記載のアレーアンテナ。
【請求項１１】
表面に無線周波数の信号を送受信するための高周波回路と、前記高周波回路に対する無線周波数の信号を入出力する入出力端子が形成されている半導体ウェハと、
前記半導体ウェハの上部に設けられる第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の上部に設けられ、グランドが形成されている第１の導体層と、
前記第１の導体層の上部に設けられ、伝送線路が形成されている第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層の上部に設けられる第３の誘電体層と、
前記第３の誘電体層の上部に設けられており、グランドが形成されるとともに、当該グランドに施された開口部に、前記無線周波数の信号を空間に放射するための導体からなる励振パッチが形成されている第２の導体層と、
前記第２の導体層の上部に設けられ、導体からなる非励振パッチが前記励振パッチと対向して表面に形成されている第４の誘電体層と、
前記第１の誘電体層を前記第１の導体層によるグランドと電気的に非接続状態にて貫通して前記伝送線路の一端と前記入出力端子を電気的に接続する第１の層間接続導体と、
前記第３の誘電体層を貫通して前記励振パッチと前記伝送線路の他端を電気的に接続する第２の層間接続導体と、
前記第３の誘電体層及び前記第２の誘電体層を貫通して前記第１の導体層に形成されているグランドと前記第２の導体層に形成されているグランドを電気的に接続する第３の層間接続導体と
を備え、
前記第１の誘電体層、前記第２の誘電体層、前記第３の誘電体層により前記半導体ウェハの表面上に設けられる再配線層を構成し、前記励振パッチと前記第１の導体層に形成されているグランドと前記第２の導体層に形成されているグランドグランドと前記非励振パッチとで２重パッチアンテナを構成するパッチアンテナが一体的に複数個形成されているアレーアンテナ。
【請求項１２】
前記複数のパッチアンテナにおける第４の誘電体層が分割されており、分割されている前記第４の誘電体層に前記非励振パッチが形成されていることを特徴とする請求項１１記載のアレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、信号を送受信する通信装置やレーダ装置などに搭載されるパッチアンテナ及びアレーアンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、１０ＧＨｚ以下程度の周波数の信号を送受信するアンテナの場合、例えば、樹脂基板上の導体パターンや、金属加工等を用いて製造される。
上記の周波数よりも高いミリ波帯等の周波数の信号を送受信するアンテナの場合、波長が短いため、小形化を図ることができる。そのため、集積回路であるＩＣやＩＣのパッケージに形成されることがある。
【０００３】
以下の特許文献１には、小片化されたＩＣであるＩＣパッケージにアンテナを形成する方法が開示されている。
この方法では、アンテナがＩＣパッケージに形成されるため、立体的な構造にすることができる。そのため、設計の自由度があり、インピーダンス整合も容易である。
以下の非特許文献１には、ＩＣ自体にアンテナの給電部を形成し、その給電部の上部に設けられている誘電体にアンテナの放射部を形成する方法が開示されている。
特許文献１及び非特許文献１に記載されている方法を用いれば、別途、アンテナを製造することなく、ＩＣあるいはＩＣパッケージの製造プロセス内でアンテナを製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７８００５号公報（図１）
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】A 108-114 GHz 44 Wafer-Scale Phased Array Transmitter With High-Efficiency On-Chip Antennas, IEEE Journal of solid-state circuits, vol. 48, no. 9, Sept 2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のパッチアンテナは以上のように構成されているので、特許文献１の場合、アンテナがＩＣパッケージに形成される。このため、多数のＩＣパッケージを配列すれば、大規模なアレーアンテナを製造することが可能であるが、アレーアンテナの小型化を図るには、各ＩＣパッケージの間隔を狭める必要がある。その間隔によってはＩＣパッケージの配列が困難になり、アレーアンテナを製造することができなくなるという課題があった。
また、非特許文献１の場合、ＩＣのウェハの面積が許す限り、多数のアンテナを形成することができるが、ＩＣの薄膜上にアンテナや伝送線路が形成されるため、厚さ方向の設計の自由度がほとんどない。したがって、厚さ方向を調整することができないため、損失の増加を招いたり、アンテナと伝送線路との間のインピーダンス整合が困難になってしまったりすることがあるという課題があった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、大規模なアレーアンテナを容易に製造することができるとともに、インピーダンス整合を容易に図ることができる低損失なパッチアンテナを得ることを目的とする。
また、この発明は、インピーダンス整合を容易に図ることができる低損失なアレーアンテナを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るパッチアンテナは、表面に無線周波数の信号を送受信するための高周波回路と、高周波回路に対する無線周波数の信号を入出力する入出力端子が形成されている半導体ウェハと、半導体ウェハの上部に設けられる第１の誘電体層と、第１の誘電体層の上部に設けられ、グランドが形成されている導体層と、導体層の上部に設けられており、表面に、無線周波数の信号を空間に放射するための導体からなる励振パッチが形成され、かつ、その励振パッチと一端が電気的に接続されている伝送線路が形成されている第２の誘電体層と、第２の誘電体層の上部に設けられ、導体からなる非励振パッチが励振パッチと対向して表面に形成されている第３の誘電体層と、第１の誘電体層をグランドと電気的に非接続状態にて貫通して伝送線路の他端と入出力端子を電気的に接続する第１の層間接続導体とを備え、第１の誘電体層、第２の誘電体層により半導体ウェハの表面上に設けられる再配線層を構成し、励振パッチとグランドと非励振パッチとで２重パッチアンテナを構成したものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、表面に無線周波数の信号を送受信するための高周波回路と、高周波回路に対する無線周波数の信号を入出力する入出力端子が形成されている半導体ウェハと、半導体ウェハの上部に設けられる第１の誘電体層と、第１の誘電体層の上部に設けられ、グランドが形成されている導体層と、導体層の上部に設けられており、表面に、無線周波数の信号を空間に放射するための導体からなる励振パッチが形成され、かつ、その励振パッチと一端が電気的に接続されている伝送線路が形成されている第２の誘電体層と、第２の誘電体層の上部に設けられ、導体からなる非励振パッチが励振パッチと対向して表面に形成されている第３の誘電体層と、第１の誘電体層をグランドと電気的に非接続状態にて貫通して伝送線路の他端と入出力端子を電気的に接続する第１の層間接続導体とを備え、第１の誘電体層、第２の誘電体層により半導体ウェハの表面上に設けられる再配線層を構成し、励振パッチとグランドと非励振パッチとで２重パッチアンテナを構成したので、大規模なアレーアンテナを容易に製造することができるとともに、インピーダンス整合を容易に図ることができる低損失なパッチアンテナが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１によるパッチアンテナを示す分解斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態２によるパッチアンテナを示す分解斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態２による他のパッチアンテナを示す分解斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態３によるパッチアンテナを示す分解斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態３による他のパッチアンテナを示す分解斜視図である。
【図６】この発明の実施の形態３による他のパッチアンテナを示す分解斜視図である。
【図７】この発明の実施の形態４によるアレーアンテナを示す分解斜視図である。
【図８】この発明の実施の形態５によるアレーアンテナを示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるパッチアンテナを示す分解斜視図である。
図１において、半導体ウェハ１には、無線周波数の信号を送受信するための高周波回路が形成されており、また、半導体ウェハ１には、その高周波回路が無線周波数の信号を入出力するための入出力端子２が形成されている。
誘電体層１１は半導体ウェハ１の上部に設けられる第１の誘電体層である。
導体層１２は誘電体層１１の上部に設けられ、グランド１２ａが形成されている。また、導体層１２には層間接続導体３１との短絡を避けるための小孔１２ｂが設けられている。
【００１３】
誘電体層１３は導体層１２の上部に設けられている第２の誘電体層であり、誘電体層１３の表面には、導体からなる励振パッチであるリングパッチ１４が形成され、かつ、リングパッチ１４と接続されている伝送線路１５が形成されている。
なお、誘電体層１１、導体層１２及び誘電体層１３から再配線層（ＲＤＬ：Ｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒｓ）が構成されている。
【００１４】
誘電体基板である誘電体層２１は誘電体層１３の上部に設けられている第３の誘電体層であり、誘電体層２１の表面には、導体からなる非励振パッチ２２が形成されている。
なお、誘電体層２１は、誘電正接が低い低損失な材料からなる誘電体であればよく、また、誘電体層２１の厚さには自由度がある。
層間接続導体３１は伝送線路１５と入出力端子２を電気的に接続する第１の層間接続導体である。
層間接続導体３１は導体層１２に形成されているグランド１２ａと短絡しないように、導体層１２に設けられている小孔１２ｂを通されている。
【００１５】
次に動作について説明する。
例えば、半導体ウェハ１に形成されている高周波回路が、無線周波数の信号を入出力端子２に出力すると、入出力端子２は、層間接続導体３１を介して、伝送線路１５と電気的に接続されており、伝送線路１５は、リングパッチ１４と電気的に接続されているため、その無線周波数の信号が励振パッチであるリングパッチ１４に給電される。
これにより、リングパッチ１４が励振することで、無線周波数の信号が空間に放射される。
【００１６】
この実施の形態１では、誘電体層２１の表面に形成されている非励振パッチ２２が、リングパッチ１４の上方に配置されているため、リングパッチ１４及び非励振パッチ２２と、導体層１２に形成されているグランド１２ａとによって、２重パッチアンテナが形成されている。
仮に非励振パッチ２２が配置されていない構成では、アンテナの入力インピーダンスが低くなるため、例えば、５０Ω程度のインピーダンスを有する伝送線路１５とリングパッチ１４との接続が困難になることがある。あるいは、伝送線路１５とリングパッチ１４を接続するために、インピーダンスの大きな変換比を有するインピーダンス変換器を伝送線路１５に接続する必要を生じることがある。
また、導体層１２に形成されているグランド１２ａとリングパッチ１４との間隔が狭いことに起因して、使用可能な周波数帯域が狭くなることがある。
以上より、非励振パッチ２２が配置されていない構成では、実用的なアンテナを製造することが困難になることがある。
【００１７】
この実施の形態１では、非励振パッチ２２が配置されているため、アンテナの入力インピーダンスが高くなり、導体層１２に形成されているグランド１２ａとリングパッチ１４との間隔が狭い場合でも、リングパッチ１４の内径及び外径を調整するのみで、容易に伝送線路１５とリングパッチ１４との間の整合を図ることができるようになる。したがって、伝送線路１５とリングパッチ１４を接続するために、インピーダンスの大きな変換比を有するインピーダンス変換器を伝送線路１５に接続する必要がない。
【００１８】
一般的に、２重パッチアンテナは、単純なパッチアンテナと比較して広帯域であり、使用可能な周波数帯域を広げることができる。
この実施の形態１では、２重パッチアンテナが形成されているため、使用可能な周波数帯域を広げることができる。
また、一般的に、パッチアンテナは、パッチとグランドとの間の厚さが厚いほど損失を低減することができる。
この実施の形態１では、再配線層の誘電体である誘電体層１１，１３は、半導体ウェハ１内の層間よりも厚いため、半導体ウェハ１にアンテナを形成する場合と比較して、信号の損失を低減することができる。
【００１９】
半導体ウェハ１には、無線周波数の信号を送受信するための高周波回路が形成されるが、半導体ウェハ１にアンテナが形成される場合、アンテナの形成に必要な面積の分だけ、高周波回路を形成することが可能な面積が減少し、高周波回路のレイアウトが難しくなる。
この実施の形態１では、上述したように、半導体ウェハ１にはアンテナが形成されていないため、半導体ウェハ１の全面に高周波回路を形成することができ、高周波回路のレイアウトが容易になる。したがって、大規模なアレーアンテナを容易に製造することができる。
【００２０】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、リングパッチ１４及び非励振パッチ２２と、導体層１２に形成されているグランド１２ａとによって、２重パッチアンテナが形成されるように構成したので、大規模なアレーアンテナを容易に製造することができるとともに、インピーダンス整合を容易に図ることができる低損失なパッチアンテナが得られる効果がある。
【００２１】
この実施の形態１では、誘電体層１３の表面には、励振パッチとして、内部に空孔を有するリングパッチ１４が形成されているものを示したが、リングパッチ１４の内径を調整することなく、リングパッチ１４の外径を調整するのみで、伝送線路１５とリングパッチ１４との間の整合を図ることができる場合、リングパッチ１４の内側の開口を廃し、円形又は矩形のパッチを励振パッチとして、誘電体層１３の表面に形成するようにしてもよい。
なお、誘電体層２１は、誘電体であればよく、例えば、ガラス基板や樹脂基板などであってもよい。
【００２２】
この実施の形態１では、グランド１２ａが導体層１２に形成されているものを示したが、このグランド１２ａはメッシュグランドであってもよい。メッシュグランドは、例えば、誘電体の表面、側面及び裏面に対して、網目状に導体を配線することで形成することができる。
グランド１２ａがメッシュグランドである場合、伝送線路１５のインピーダンスが上昇して、アンテナとの整合を図ることが困難になることがあるが、この実施の形態１では、リングパッチ１４の内径及び外径を調整するのみで、容易に伝送線路１５とリングパッチ１４との間の整合を図ることができる。
【００２３】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２によるパッチアンテナを示す分解斜視図であり、図２において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ただし、この実施の形態２では、導体層１２は第１の導体層を構成し、誘電体層２１は第４の誘電体層を構成している。
【００２４】
誘電体層４１は導体層１２の上部に設けられている第２の誘電体層であり、誘電体層４１の表面には、伝送線路４２が形成されている。
なお、誘電体層４１のうち、導体層１２に形成されているグランド１２ａと導体層４４に形成されているグランド４４ａに挟まれており、かつ、伝送線路４２が形成されていない部分には、例えば、半導体ウェハ１に形成されている高周波回路を駆動するための電源線や制御線などが形成されているようにしてもよい。その電源線や制御線などは、例えば、図示せぬ層間接続導体によって半導体ウェハ１に形成されている高周波回路と接続されることが想定される。
【００２５】
誘電体層４３は誘電体層４１の上部に設けられている第３の誘電体層である。
導体層４４は誘電体層４３の上部に設けられている第２の導体層であり、導体層４４には、グランド４４ａが形成されるとともに、グランド４４ａに施されている開口部４４ｂに、導体からなる励振パッチであるリングパッチ４５が形成されている。
なお、誘電体層１１、導体層１２、誘電体層４１，４３及び導体層４４から再配線層が構成されている。
【００２６】
層間接続導体５１は伝送線路４２と入出力端子２を電気的に接続する第１の層間接続導体である。
層間接続導体５１は導体層１２に形成されているグランド１２ａと短絡しないように、導体層１２に設けられている小孔１２ｂを通されている。
層間接続導体５２はリングパッチ４５と伝送線路４２を電気的に接続する第２の層間接続導体である。
層間接続導体５３は導体層１２に形成されているグランド１２ａと導体層４４に形成されているグランド４４ａを電気的に接続する第３の層間接続導体である。
図２では、図面を見易くするために、数本の層間接続導体５３を配置している例を示しているが、例えば、グランド４４ａに施されている開口部４４ｂに沿うように、開口部４４ｂの全周に亘って層間接続導体５３が配置されているようにしてもよい。
【００２７】
次に動作について説明する。
例えば、半導体ウェハ１に形成されている高周波回路が、無線周波数の信号を入出力端子２に出力すると、入出力端子２は、層間接続導体５１を介して、伝送線路４２と電気的に接続されており、伝送線路４２は、層間接続導体５２を介して、リングパッチ４５と電気的に接続されているため、その無線周波数の信号が励振パッチであるリングパッチ４５に給電される。
これにより、リングパッチ４５が励振することで、無線周波数の信号が空間に放射される。
【００２８】
この実施の形態２では、誘電体層２１の表面に形成されている非励振パッチ２２が、リングパッチ４５の上方に配置されているため、リングパッチ４５及び非励振パッチ２２と、導体層１２，４４に形成されているグランド１２ａ，４４ａとによって、２重パッチアンテナが形成されている。
この実施の形態２でも、２重パッチアンテナが形成されているため、上記実施の形態１と同様の理由により、伝送線路４２とアンテナとの間のインピーダンス整合を容易に図ることができる。
【００２９】
この実施の形態２では、リングパッチ４５が形成されている導体層４４と、グランド１２ａが形成されている導体層１２との間に、２つの誘電体層４１，４３が設けられているため、上記実施の形態１と比べて、リングパッチ４５とグランド１２ａとの間隔が拡大する。このため、上記実施の形態１よりも更に信号の損失を低減することができる。
【００３０】
また、この実施の形態２では、導体層１２に形成されているグランド１２ａだけでなく、導体層４４に形成されているグランド４４ａも２重パッチアンテナのグランドの役割を担っている。
即ち、伝送線路４２の下面にはグランド１２ａが配置され、伝送線路４２の上面にはグランド４４ａが配置されているため、トリプレート線路が形成されている。伝送線路がトリプレート線路となることで、上記実施の形態１よりも更に伝送線路４２での信号の損失を低減することができる。
【００３１】
この実施の形態２では、グランド１２ａ，４４ａが導体層１２，４４に形成されているものを示したが、グランド１２ａ，４４ａのうち、少なくとも一方がメッシュグランドであってもよい。
グランド１２ａ，４４ａがメッシュグランドである場合、伝送線路４２のインピーダンスが上昇して、アンテナとの整合を図ることが困難になることがあるが、この実施の形態２では、リングパッチ４５の内径及び外径を調整するのみで、容易に伝送線路４２とリングパッチ４５との間の整合を図ることができる。
【００３２】
この実施の形態２では、半導体ウェハ１に形成されている入出力端子２が１個で、リングパッチ４５及び入出力端子２と電気的に接続されている伝送線路４２が１本である例を示したが、図３に示すように、半導体ウェハ１に形成されている入出力端子２が２個で、リングパッチ４５及び入出力端子２と電気的に接続されている伝送線路４２が２本であってもよい。
図３の構成によれば、例えば、２つの入出力端子２での信号の振幅を同じとし、２本の伝送線路４２の線路長を調整することで、リングパッチ４５における２つの給電点での信号の位相を調整すれば、円偏波などの特定の偏波を送受信することが可能になる。また、２つの入出力端子２での信号の振幅及び位相を調整することで、リングパッチ４５における２つの給電点での信号の位相を調整すれば、円偏波などの特定の偏波を送受信することが可能になる。
【００３３】
この実施の形態２では、グランド４４ａに施されている開口部４４ｂに、励振パッチとして、内部に空孔を有するリングパッチ４５が形成されているものを示したが、リングパッチ４５の内径を調整することなく、リングパッチ４５の外径を調整するのみで、伝送線路４２とリングパッチ４５との間の整合を図ることができる場合、リングパッチ４５の内側の開口を廃し、円形又は矩形のパッチを励振パッチとして、グランド４４ａに施されている開口部４４ｂに形成するようにしてもよい。
【００３４】
実施の形態３．
上記実施の形態１，２では、入出力端子２が半導体ウェハ１に形成されているものを示したが、入出力端子２のほかに、グランドが半導体ウェハ１に形成されているようにしてもよい。
【００３５】
図４はこの発明の実施の形態３によるパッチアンテナを示す分解斜視図であり、図４において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
導体層１２には導体層４４の開口部４４ｂと同一形状の開口部１２ｃが施されている。
半導体ウェハ１の表面には、導体層４４の開口部４４ｂと同一形状のグランド１ａが形成されている。
図４では、開口部４４ｂと開口部１２ｃとグランド１ａが同一形状の例を示しているが、開口部１２ｃ及びグランド１ａは、リングパッチ４５より大きければよく、必ずしも開口部４４ｂと同一形状である必要はない。
層間接続導体６１は半導体ウェハ１に形成されているグランド１ａと導体層１２に形成されているグランド１２ａと導体層４４に形成されているグランド４４ａとを電気的に接続している。図４では、層間接続導体６１が縦に直線である例を示しているが、途中で折れ曲がっていてもよいし、斜めに直線であってもよい。なお、層間接続導体６１は第３の層間接続導体及び第４の層間接続導体を構成している。
図４では、図面を見易くするために、数本の層間接続導体６１を配置している例を示しているが、例えば、グランド４４ａに施されている開口部４４ｂに沿うように、開口部４４ｂの全周に亘って層間接続導体６１が配置されているようにしてもよい。
【００３６】
次に動作について説明する。
例えば、半導体ウェハ１に形成されている高周波回路が、無線周波数の信号を入出力端子２に出力すると、入出力端子２は、層間接続導体５１を介して、伝送線路４２と電気的に接続されており、伝送線路４２は、層間接続導体５２を介して、リングパッチ４５と電気的に接続されているため、上記実施の形態２と同様に、その無線周波数の信号が励振パッチであるリングパッチ４５に給電される。
これにより、リングパッチ４５が励振することで、無線周波数の信号が空間に放射される。
【００３７】
図４のパッチアンテナの構成は、基本的には図２のパッチアンテナの構成と同様であり、図２のパッチアンテナと同様の効果が得られる。
ただし、図２のパッチアンテナでは、導体層４４に形成されているグランド４４ａと、導体層１２に形成されているグランド１２ａとが２重パッチアンテナのグランドの役割を担っているのに対して、図４のパッチアンテナでは、導体層４４に形成されているグランド４４ａと、半導体ウェハ１に形成されているグランド１ａとが２重パッチアンテナのグランドの役割を担っている点で相違している。
この実施の形態３では、上記の相違点によって、２重パッチアンテナのグランドのうち、リングパッチ４５の下方側のグランドとして、グランド１ａが用いられるため、上記実施の形態２よりも、リングパッチ４５の上方側のグランドであるグランド４４ａと、下方側のグランドとの間隔が拡大する。したがって、上記実施の形態２よりも更に伝送線路４２での信号の損失を低減することができる。
【００３８】
この実施の形態３では、半導体ウェハ１の表面にグランド１ａが形成されるため、上記実施の形態２よりも、半導体ウェハ１の表面に対して高周波回路を形成することが可能な面積が減少するが、半導体ウェハ１において、グランド１ａが形成される層よりも下層側に導体層が存在する場合には、その導体層に高周波回路を形成するようにしてもよい。
【００３９】
図５はこの発明の実施の形態３による他のパッチアンテナを示す分解斜視図である。
図５のパッチアンテナは、導体層４４に形成されるグランドがメッシュグランド４４ｃになっており、また、導体層１２に形成されるグランドがメッシュグランド１２ｄになり、かつ、導体層１２に開口部１２ｃが施されていない点で、図４のパッチアンテナと相違している。
これにより、２重パッチアンテナのグランドのうち、リングパッチ４５の下方側のグランドが、メッシュグランド１２ｄとグランド１ａの２重構造となる。この場合も、図４のパッチアンテナと同様に、伝送線路４２での信号の損失を低減することができる。
【００４０】
この実施の形態３では、図２のパッチアンテナにおける半導体ウェハ１の表面にグランド１ａが形成されているものを示したが、図１のパッチアンテナにおける半導体ウェハ１の表面にグランド１ａが形成されているものであってもよい。
図６はこの発明の実施の形態３による他のパッチアンテナを示す分解斜視図である。
図６の例では、第２の層間接続導体である層間接続導体６２が、半導体ウェハ１に形成されているグランド１ａと導体層１２に形成されているグランド１２ａとを電気的に接続している。
この場合、半導体ウェハ１に形成されているグランド１ａが、２重パッチアンテナのグランドの役割を担うため、上記実施の形態１よりも、リングパッチ１４とグランドとの間隔が拡大する。このため、上記実施の形態１よりも更に伝送線路１５での信号の損失を低減することができる。
【００４１】
実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、１個のパッチアンテナを示したが、図１〜図６のパッチアンテナのうち、いずれかのパッチアンテナを一体的に複数個形成することで、アレーアンテナを構成するようにしてもよい。
【００４２】
図７はこの発明の実施の形態４によるアレーアンテナを示す分解斜視図である。
図７の例では、導体層４４に形成されているグランド４４ａに４個の開口部４４ｂが施されて、４個の開口部４４ｂにリングパッチ４５がそれぞれ形成されている。また、誘電体層２１の表面に４個の非励振パッチ２２が形成されている。
リングパッチ４５及び非励振パッチ２２が４個形成されている点以外は、図２のパッチアンテナとほぼ同様の構成である。ただし、４個のリングパッチ４５が形成されているため、図面上は一部隠れているが、４個の入出力端子２と、４本の伝送線路４２と、４本の層間接続導体５１と、４個の小孔１２ｂとが設けられている。
【００４３】
アレーアンテナを構成している４個のパッチアンテナの動作は、図２のパッチアンテナの動作と同様であり、上記実施の形態２と同様の効果が得られる。
一般的に、複数のパッチアンテナを配列することで、アレーアンテナを構成する場合、製造条件等によっては、隣り合っているパッチアンテナの間のグランドが切断されることがある。
パッチアンテナの間のグランドが切断されている場合、その切断部分から漏れ出る回折波によってアレーアンテナの性能が劣化することがある。
この実施の形態４では、導体層４４に形成されているグランド４４ａに対して、４個の開口部４４ｂを設けた上で、４個の開口部４４ｂにリングパッチ４５をそれぞれ形成するものであり、４個のリングパッチ４５のグランド４４ａが一体化されているものであるため、隣り合っているリングパッチ４５の間のグランド４４ａが切断されることはない。
このため、この実施の形態４によれば、グランドの切断に起因する放射パターンの劣化等は生じない。
【００４４】
ここでは、一例として、図２のパッチアンテナが複数個形成されているアレーアンテナを示したが、図１又は図３〜６のパッチアンテナが複数個形成されているアレーアンテナであってもよく、同様の理由で、図７のアレーアンテナと同様の効果が得られる。
図７のアレーアンテナでは、４個のパッチアンテナが形成されているものを示したが、再配線層は、半導体ウェハ１の面積と同一あるいはそれに近い面積で形成されるため、再配線層の面積が許す限り、多数のパッチアンテナを形成するようにしてもよい。
【００４５】
なお、この実施の形態４のアレーアンテナは、半導体ウェハ１に形成される高周波回路が、各パッチアンテナでの信号の位相を固定にすることで、特定の方向にアンテナが指向するものであってもよいし、各パッチアンテナでの信号の位相を可変することで、アンテナの指向性を電気的に制御可能なフェーズドアレーアンテナ装置であってもよい。
【００４６】
実施の形態５．
上記実施の形態４では、１個の誘電体層２１の表面に４個の非励振パッチ２２が形成されているものを示したが、誘電体層２１が、非励振パッチ２２毎に分割されているものであってもよい。
図８はこの発明の実施の形態５によるアレーアンテナを示す分解斜視図である。
【００４７】
誘電体層２１に用いる材料が半導体ウェハ１よりも小さい場合がある。
また、誘電体層２１に用いる材料が半導体ウェハ１と同一寸法であっても、半導体ウェハ１及び誘電体層２１が大き過ぎるために、半導体ウェハ１又は誘電体層２１に反り等があると、半導体ウェハ１と誘電体層２１を接着する際、均一な仕上がりが得られない場合がある。
上記のような場合、誘電体層２１を小片化して、１個の誘電体層２１に１個の非励振パッチ２２が形成されるようにして、複数の誘電体層２１が配列されるようにしてもよい。
誘電体層２１を小片化しても、上記実施の形態４と同様に、４個のリングパッチ４５のグランド４４ａが一体化されているものであるため、グランドの切断に起因する放射パターンの劣化等は生じない。
ここでは、誘電体層２１を小片化して、１個の誘電体層２１に１個の非励振パッチ２２が形成されるものを示しているが、均一な仕上がりが得られない等の問題が生じない範囲で、小片化した１個の誘電体層２１に２個以上の非励振パッチ２２が形成されるようにしてもよい。
【００４８】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１  半導体ウェハ、１ａ  グランド、２  入出力端子、１１  誘電体層（第１の誘電体層）、１２  導体層（第１の導体層）、１２ａ  グランド、１２ｂ  小孔、１２ｃ  開口部、１２ｄ  メッシュグランド、１３  誘電体層（第２の誘電体層）、１４  リングパッチ（励振パッチ）、１５  伝送線路、２１  誘電体層（第３の誘電体層、第４の誘電体層）、２２  非励振パッチ、３１  層間接続導体（第１の層間接続導体）、４１  誘電体層（第２の誘電体層）、４２  伝送線路、４３  誘電体層（第３の誘電体層）、４４  導体層（第２の導体層）、４４ａ  グランド、４４ｂ  開口部、４４ｃ  メッシュグランド、４５  リングパッチ（励振パッチ）、５１  層間接続導体（第１の層間接続導体）、５２  層間接続導体（第２の層間接続導体）、５３  層間接続導体、６１  層間接続導体（第３の層間接続導体、第４の層間接続導体）、６２  層間接続導体（第２の層間接続導体）。
【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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