(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023026315
(43)【公開日】2023-02-24
(54)【発明の名称】導波素子
(51)【国際特許分類】
H01P 3/12 20060101AFI20230216BHJP
H01P 3/00 20060101ALI20230216BHJP
H01P 3/08 20060101ALI20230216BHJP
H01P 5/107 20060101ALI20230216BHJP
【ＦＩ】
H01P3/12 100
H01P3/00 101
H01P3/08 100
H01P5/107 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022085564
(22)【出願日】2022-05-25
(31)【優先権主張番号】P 2021131757
(32)【優先日】2021-08-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000004064
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100122471
【弁理士】
【氏名又は名称】籾井 孝文
(72)【発明者】
【氏名】谷 健太郎
(72)【発明者】
【氏名】近藤 順悟
【テーマコード（参考）】
5J014
【Ｆターム（参考）】
5J014CA42
5J014CA55
5J014CA56
5J014DA01
(57)【要約】 （修正有）
【課題】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提供する。
【解決手段】導波素子１０１は、無機材料基板１と、無機材料基板１の上部に設けられる導体層２と、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支持基板７と、無機材料基板１と支持基板７との間に位置している第１金属層３と、支持基板７に対して無機材料基板１と反対側に位置している第２金属層４と、第１金属層３と第２金属層４とを電気的に接続する複数の基板貫通ビア５と、を備えている。導体層２は、電磁波を伝搬可能な伝送線路を構成する信号電極２１を備える。第１金属層３と第２金属層４と複数の基板貫通ビア５とは、電磁波を伝搬可能な基板集積導波管を構成している。
【選択図】図１
【解決手段】導波素子１０１は、無機材料基板１と、無機材料基板１の上部に設けられる導体層２と、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支持基板７と、無機材料基板１と支持基板７との間に位置している第１金属層３と、支持基板７に対して無機材料基板１と反対側に位置している第２金属層４と、第１金属層３と第２金属層４とを電気的に接続する複数の基板貫通ビア５と、を備えている。導体層２は、電磁波を伝搬可能な伝送線路を構成する信号電極２１を備える。第１金属層３と第２金属層４と複数の基板貫通ビア５とは、電磁波を伝搬可能な基板集積導波管を構成している。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
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１金属層と、
前記支持基板に対して前記無機材料基板と反対側に位置している第２金属層と、
前記第１金属層と前記第２金属層とを電気的に接続する複数の基板貫通ビアと、を備え、
前記導体層は、所定方向に延びて、かつ、前記電磁波を伝搬可能な伝送線路を構成する信号電極を備え、
前記第１金属層と前記第２金属層と前記複数の基板貫通ビアとは、電磁波を伝搬可能な基板集積導波管を構成し、
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；
（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）。
無機材料基板と、
前記無機材料基板の上部に設けられる導体層と、
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１金属層と、
前記支持基板に対して前記無機材料基板と反対側に位置している第２金属層と、
前記第１金属層と前記第２金属層とを電気的に接続する複数の基板貫通ビアと、を備え、
前記導体層は、所定方向に延びて、かつ、前記電磁波を伝搬可能な伝送線路を構成する信号電極を備え、
前記第１金属層と前記第２金属層と前記複数の基板貫通ビアとは、電磁波を伝搬可能な基板集積導波管を構成し、
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；
【数1】
【請求項2】
前記無機材料基板の厚みは、１００μｍ以下である、請求項１に記載の導波素子。
【請求項3】
前記無機材料基板の厚みは、３１μｍ以上である、請求項１に記載の導波素子。
【請求項4】
前記導体層は、前記信号配線と間隔を空けて配置されている接地電極をさらに備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の導波素子。
【請求項5】
前記接地電極と前記第１金属層とを電気的に接続するビアをさらに備える、請求項４に記載の導波素子。
【請求項6】
前記伝送線路と前記基板集積導波管とを、前記電磁波が伝搬可能となるように結合する導体ピンを、さらに備え、
前記導体ピンは、前記信号電極から、前記無機材料基板を貫通して、前記支持基板における前記基板集積導波管に到達している、請求項１～３のいずれか一項に記載の導波素子。
前記導体ピンは、前記信号電極から、前記無機材料基板を貫通して、前記支持基板における前記基板集積導波管に到達している、請求項１～３のいずれか一項に記載の導波素子。
【請求項7】
前記第１金属層は、前記導体ピンが挿通される開口部であって、前記導体ピンの周囲に空気層を形成する開口部を有している、請求項６に記載の導波素子。
【請求項8】
前記支持基板は、前記無機材料基板の厚み方向において互いに間隔を空けて複数配置され、複数の支持基板のそれぞれに基板集積導波管が設けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載の導波素子。
【請求項9】
複数の前記支持基板のうち互いに隣り合う支持基板の間には、スペーサー基板が設けられている、請求項８に記載の導波素子。
【請求項10】
前記無機材料基板と前記支持基板との間には有機系接着剤が存在せず、前記無機材料基板と前記支持基板とは、前記第１金属層を介して直接接合されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の導波素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、導波素子に関する。
【背景技術】
【0002】
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２ｍｍの透明基板と、透明基板上に設けられるアンテナ導体と、透明基板におけるアンテナ導体と反対側の面に設けられる透明導電膜とを備えるマイクロストリップアンテナ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。
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】国際公開第２０１９／１０７５１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
［１］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；該無機材料基板の上部に設けられる導体層と；該無機材料基板に対して該導体層と反対側に位置している支持基板と；該無機材料基板と該支持基板との間に位置している第１金属層と；該支持基板に対して該無機材料基板と反対側に位置している第２金属層と；該第１金属層と該第２金属層とを電気的に接続する複数の基板貫通ビアと；を備えている。該導体層は、所定方向に延びて、かつ、上記電磁波を伝搬可能な伝送線路を構成する信号電極を備えている。上記第１金属層と上記第２金属層と上記複数の基板貫通ビアとは、電磁波を伝搬可能な基板集積導波管を構成している。上記無機材料基板の厚みｔは、下記式（１）を満たしている。
（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。）
［２］上記［１］に記載の導波素子において、上記無機材料基板の厚みは、１００μｍ以下であってもよい。
［３］上記［１］または［２］に記載の導波素子において、上記無機材料基板の厚みは、３１μｍ以上であってもよい。
［４］上記［１］から［３］のいずれかに記載の導波素子において、上記導体層は、上記信号配線と間隔を空けて配置されている接地電極をさらに備えていてもよい。
［５］上記［４］に記載の導波素子は、上記接地電極と上記第１金属層とを電気的に接続するビアをさらに備えていてもよい。
［６］上記［１］から［５］のいずれかに記載の導波素子は、上記伝送線路と上記基板集積導波管とを、上記電磁波が伝搬可能となるように結合する導体ピンをさらに備えていてもよい。該導体ピンは、上記信号電極から、上記無機材料基板を貫通して、上記支持基板における基板集積導波管に到達している。
［７］上記［６］記載の導波素子において、上記第１金属層は、上記導体ピンが挿通される開口部であって、上記導体ピンの周囲に空気層を形成する開口部を有していてもよい。
［８］上記［１］から［７］のいずれかに記載の導波素子において、上記支持基板は、上記無機材料基板の厚み方向において互いに間隔を空けて複数配置され、複数の支持基板のそれぞれに基板集積導波管が設けられていてもよい。
［９］上記［８］に記載の導波素子において、複数の支持基板のうち互いに隣り合う支持基板の間には、スペーサー基板が設けられていてもよい。
［１０］上記［１］から［９］のいずれかに記載の導波素子において、上記無機材料基板と上記支持基板との間には有機系接着剤が存在せず、上記無機材料基板と上記支持基板とは、上記第１金属層を介して直接接合されていてもよい。
【数1】
［２］上記［１］に記載の導波素子において、上記無機材料基板の厚みは、１００μｍ以下であってもよい。
［３］上記［１］または［２］に記載の導波素子において、上記無機材料基板の厚みは、３１μｍ以上であってもよい。
［４］上記［１］から［３］のいずれかに記載の導波素子において、上記導体層は、上記信号配線と間隔を空けて配置されている接地電極をさらに備えていてもよい。
［５］上記［４］に記載の導波素子は、上記接地電極と上記第１金属層とを電気的に接続するビアをさらに備えていてもよい。
［６］上記［１］から［５］のいずれかに記載の導波素子は、上記伝送線路と上記基板集積導波管とを、上記電磁波が伝搬可能となるように結合する導体ピンをさらに備えていてもよい。該導体ピンは、上記信号電極から、上記無機材料基板を貫通して、上記支持基板における基板集積導波管に到達している。
［７］上記［６］記載の導波素子において、上記第１金属層は、上記導体ピンが挿通される開口部であって、上記導体ピンの周囲に空気層を形成する開口部を有していてもよい。
［８］上記［１］から［７］のいずれかに記載の導波素子において、上記支持基板は、上記無機材料基板の厚み方向において互いに間隔を空けて複数配置され、複数の支持基板のそれぞれに基板集積導波管が設けられていてもよい。
［９］上記［８］に記載の導波素子において、複数の支持基板のうち互いに隣り合う支持基板の間には、スペーサー基板が設けられていてもよい。
［１０］上記［１］から［９］のいずれかに記載の導波素子において、上記無機材料基板と上記支持基板との間には有機系接着剤が存在せず、上記無機材料基板と上記支持基板とは、上記第１金属層を介して直接接合されていてもよい。
【発明の効果】
【0006】
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。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本発明の実施形態による導波素子の概略斜視図である。
【図5】本発明の別の実施形態による導波素子の概略斜視図である。
【図7】本発明のさらに別の実施形態による導波素子の概略断面図である。
【図8】本発明のさらに別の実施形態による導波素子の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
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の導波素子の分解斜視図である。
図示例の導波素子１０１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１０１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。
Ａ．導波素子の全体構成
図１は本発明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の導波素子の分解斜視図である。
図示例の導波素子１０１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１０１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。
【0009】
導波素子１０１は、無機材料基板１と、信号電極２１を備える導体層２と、支持基板７と、第１金属層３と、第２金属層４と、複数の基板貫通ビア５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２１は、所定方向（導波方向）に延びている。信号電極２１は、上記した電磁波を伝搬可能な伝送線路を構成する。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１金属層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２金属層４は、支持基板７に対して第１金属層３と反対側に位置している。複数の基板貫通ビア５のそれぞれは、第１金属層３と第２金属層４とを電気的に接続している。第１金属層３と第２金属層４と複数の基板貫通ビア５とは、電磁波を伝搬可能な基板集積導波管（ＳＩＷ）を構成する。無機材料基板１の厚みｔは、下記式（１）を満たしている。
（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備える導波素子では、高周波数の電磁波が、無機材料基板中の伝送線路を伝搬する。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。また、第１金属層が無機材料基板と支持基板との間に配置され、第２金属層が支持基板に対して第１金属層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。その結果、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。
さらに、第１金属層および第２金属層は、複数の基板貫通ビアとともに基板集積導波管（以下、ＳＩＷとします。）を構成する。これによって、支持基板にＳＩＷを設けることができ、支持基板を導波管として有効に利用できる。
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、かつ、信号電極が構成する伝送線路とＳＩＷとを効率的に配置できるので、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。
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２１は、所定方向（導波方向）に延びている。信号電極２１は、上記した電磁波を伝搬可能な伝送線路を構成する。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１金属層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２金属層４は、支持基板７に対して第１金属層３と反対側に位置している。複数の基板貫通ビア５のそれぞれは、第１金属層３と第２金属層４とを電気的に接続している。第１金属層３と第２金属層４と複数の基板貫通ビア５とは、電磁波を伝搬可能な基板集積導波管（ＳＩＷ）を構成する。無機材料基板１の厚みｔは、下記式（１）を満たしている。
【数1】
上記した信号電極を備える導波素子では、高周波数の電磁波が、無機材料基板中の伝送線路を伝搬する。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。また、第１金属層が無機材料基板と支持基板との間に配置され、第２金属層が支持基板に対して第１金属層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。その結果、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。
さらに、第１金属層および第２金属層は、複数の基板貫通ビアとともに基板集積導波管（以下、ＳＩＷとします。）を構成する。これによって、支持基板にＳＩＷを設けることができ、支持基板を導波管として有効に利用できる。
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、かつ、信号電極が構成する伝送線路とＳＩＷとを効率的に配置できるので、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。
【0010】
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。
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、とりわけ好ましくは３１μｍ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。
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、とりわけ好ましくは３１μｍ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。
【0011】
図示例の信号電極２１は、第１金属層３とともに、伝送線路の一例としてのマイクロストリップ線路を構成する。すなわち、信号電極２１および第１金属層３は、マイクロストリップ型電極である。信号電極および第１金属層が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２１と第１金属層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。
【0012】
１つの実施形態において、導体層２は、信号電極２１と間隔を空けて配置されている接地電極２２をさらに備えている。図示例では、導体層２は、第１接地電極２２ａと、第２接地電極２２ｂと、第３接地電極２２ｃとを備えている。
第１接地電極２２ａおよび第２接地電極２２ｂは、信号電極２１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配置されている。第１接地電極２２ａおよび第２接地電極２２ｂの間には、信号電極２１の一端部が位置している。信号電極２１と、第１接地電極２２ａおよび第２接地電極２２ｂのそれぞれとの間には、所定の空隙部（ギャップ）が形成されている。第１接地電極２２ａおよび第２接地電極２２ｂは、図示しない外部素子と電気的に接続可能であってもよい。第３接地電極２２ｃは、信号電極２１の他端部に対して所定の間隔を空けて配置されている。信号電極２１と第３接地電極２２ｃとの間には、所定の空隙部（ギャップ）を形成されている。第３接地電極２２ｃは、無機材料基板１の厚み方向から見て略Ｃ字形状を有しており、信号電極２１の他端部を囲んでいる。なお、導体層２は、第３接地電極２２ｃを備えなくてもよい。また、図示しないが、信号電極２１は、第１接地電極２２ａおよび第２接地電極２２ｂとともに、伝送線路の一例としてのコプレーナ型電極を構成してもよい。
第１接地電極２２ａおよび第２接地電極２２ｂは、信号電極２１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配置されている。第１接地電極２２ａおよび第２接地電極２２ｂの間には、信号電極２１の一端部が位置している。信号電極２１と、第１接地電極２２ａおよび第２接地電極２２ｂのそれぞれとの間には、所定の空隙部（ギャップ）が形成されている。第１接地電極２２ａおよび第２接地電極２２ｂは、図示しない外部素子と電気的に接続可能であってもよい。第３接地電極２２ｃは、信号電極２１の他端部に対して所定の間隔を空けて配置されている。信号電極２１と第３接地電極２２ｃとの間には、所定の空隙部（ギャップ）を形成されている。第３接地電極２２ｃは、無機材料基板１の厚み方向から見て略Ｃ字形状を有しており、信号電極２１の他端部を囲んでいる。なお、導体層２は、第３接地電極２２ｃを備えなくてもよい。また、図示しないが、信号電極２１は、第１接地電極２２ａおよび第２接地電極２２ｂとともに、伝送線路の一例としてのコプレーナ型電極を構成してもよい。
【0013】
１つの実施形態において、導波素子１０１は、接地電極２２と第１金属層３とを電気的に接続するビア６をさらに備えている。これによって、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。図示例では、第１接地電極２２ａ、第２接地電極２２ｂおよび第３接地電極２２ｃのそれぞれが、複数のビア６により、第１金属層３と電気的に接続されている。
【0014】
ビア６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（後述）で構成されている。ビア６は、第１ビアホール８内に配置される（図２参照）。つまり、導波素子１０１は、複数のビア６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ビアホール８は、接地電極２２、無機材料基板１および第１金属層３を一括して貫通している。ビア６は、代表的には、ビアホール８の内面全体に形成される導電膜である。なお、第１ビアホールは、接地電極および第１金属層を貫通せずに無機材料基板のみを貫通していてもよい。この場合、ビアは、接地電極および第１金属層と接触するように、第１ビアホールに充填される。第１ビアホール８には、ホール内全体に導電性材料が充填されていてもよい。ビア６が導体膜で形成される場合、その内部は導電性材料で充填されていてもよい。導電性材料は、ビア６と同じ金属であってもよく、導電性ペーストなどの異なる材料であってもよい。
【0015】
複数の基板貫通ビア５のそれぞれは、支持基板７を厚み方向に貫通しており、支持基板７において周期的に配置されている。代表的には、複数の基板貫通ビア５は、第１ビア列５ａと第２ビア列５ｂとを含んでいる。第１ビア列５ａおよび第２ビア列５ｂのそれぞれは、所定方向に互いに間隔を空けて並ぶ複数の基板貫通ビア５からなる。第２ビア列５ｂは、第１ビア列５ａの延びる方向と直交する方向において、第１ビア列５ａから離れて位置している。１つの実施形態では、支持基板７において、第１金属層３と第２金属層４と第１ビア列５ａと第２ビア列５ｂとによって囲まれる領域が、ＳＩＷとして機能する。
【0016】
基板貫通ビア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（後述）で構成されている。基板貫通ビア５は、第２ビアホール９内に配置される（図２参照）。つまり、導波素子１０１は、複数の基板貫通ビア５に対応して、複数の第２ビアホール９を有している。図示例では、第２ビアホール９は、第１金属層３、支持基板７および第２金属層４を一括して貫通している。基板貫通ビア５は、代表的には、第２ビアホール９の内面全体に形成される導電膜である。なお、第２ビアホールは、第１金属層および第２金属層を貫通せずに支持基板のみを貫通していてもよい。この場合、基板貫通ビアは、第１金属層および第２金属層と接触するように、第２ビアホールに充填される。また、第１金属層３と第２金属層４とを導通する基板貫通ビア５が導体膜で形成される場合、その内部は樹脂などの材料で充填されていてもよい。
【0017】
導波素子１０１において、信号電極２１が構成する伝送線路とＳＩＷとは、互いに独立していてもよく、電磁波が伝搬可能となるように結合されていてもよい。１つの実施形態では、図２に示すように、信号電極２１が構成する伝送線路（代表的にはマイクロストリップ型伝送線路）とＳＩＷとは、導体ピン２５によって結合されている。これによって、電磁波の伝搬モードを、伝送線路モードと導波管モードとに変換可能である。例えば、無機材料基板を伝搬する伝送線路モードの電磁波（信号）を、導体ピンを介して、支持基板を伝搬する導波管モードの電磁波に変換できる。支持基板は、導波管モードで伝搬する電磁波を基板面内方向に空間放射するアンテナとして機能し得る。
【0018】
導体ピン２５は、信号電極２１から、無機材料基板１を貫通して、支持基板７におけるＳＩＷに到達している。導体ピン２５は、電磁波の伝搬媒質となり得る。導体ピン２５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（後述）で構成されている。図示例では、導体ピン２５は、無機材料基板１の厚み方向に延びている。導体ピン２５は、円柱形状などの柱形状であってもよく、円筒形状などの筒形状（中空形状）であってもよい。導体ピン２５の基端部は、信号電極２１の端部に接続されている。導体ピン２５の遊端部は、支持基板７に形成される凹部７１に挿入されている（図３参照）。凹部７１は、第１ビア列５ａと第２ビア列５ｂとの間に位置している。導体ピン２５における基端部と遊端部との間の部分は、第１金属層３が有する開口部３１に挿通されている。
導体ピン２５は、好ましくは、第１金属層３から絶縁されている。１つの実施形態において、図２に示すように、開口部３１は、導体ピン２５の周囲に空気層を形成している。開口部３１は導体ピン２５の外形よりも大きく、開口部３１の周縁部の全体が導体ピン２５から離れている。これによって、導体ピンを第１金属層から絶縁でき、ひいては、信号電極と第１金属層とを安定して絶縁できる。また、支持基板への電界の漏れによる基板共振をより一層抑制できる。さらに、空気層に樹脂が充填されている構造と比較して誘電体損失の影響を抑制できる。
導体ピン２５は、好ましくは、第１金属層３から絶縁されている。１つの実施形態において、図２に示すように、開口部３１は、導体ピン２５の周囲に空気層を形成している。開口部３１は導体ピン２５の外形よりも大きく、開口部３１の周縁部の全体が導体ピン２５から離れている。これによって、導体ピンを第１金属層から絶縁でき、ひいては、信号電極と第１金属層とを安定して絶縁できる。また、支持基板への電界の漏れによる基板共振をより一層抑制できる。さらに、空気層に樹脂が充填されている構造と比較して誘電体損失の影響を抑制できる。
【0019】
なお、図４に示すように、導体ピン２５の周囲を絶縁材料１５で覆ってもよい。これによっても、導体ピンを第１金属層から絶縁できる。絶縁材料としては、例えば、樹脂、ＳｉＯ２が挙げられる。
【0020】
Ｂ．導波素子の別の実施形態
図５は本発明の別の実施形態による導波素子の概略斜視図であり；図６は図５の導波素子のＶＩ－ＶＩ´断面図である。なお、図５では、便宜上、接地電極およびビアを省略している。
上記した導波素子１０１では、１つの信号電極２１を備えるが、信号電極２１の個数は特に制限されない。導波素子１０２は、互いに離れて位置する複数の信号電極２１を備えている。そのため、導波素子１０２は、信号電極に対応する伝送線路を複数備えている。図示例では、導波素子１０２は、第１信号電極２１ａおよび第２信号電極２１ｂを備える導体層２と；第１導体ピン２５ａと；第２導体ピン２５ｂと；を備えている。第１信号電極２１ａは、第１金属層３とともに第１の伝送線路を構成し、第２信号電極２１ｂは、第１金属層３とともに第２の伝送線路を構成している。第１導体ピン２５ａは、第１金属層３、第２金属層４および複数の基板貫通ビア５から構成されるＳＩＷと、第１の伝送線路とを結合している。第２導体ピン２５ｂは、第１金属層３、第２金属層４および複数の基板貫通ビア５から構成されるＳＩＷと、第２の伝送線路とを結合している。
これによって、１つの実施形態では、無機材料基板を伝搬する伝送線路モードの電磁波（信号）を、第１導体ピンを介してＳＩＷモードに変換した後、ＳＩＷモードで支持基板を伝搬させ、次いで、第２導体ピンを介して再び無機材料基板を伝搬する伝送線路モードに変換することができる。本実施形態では、無機材料基板を伝搬した電磁波は、無機材料基板に設けられたアンテナ素子から放出され得る。
図５は本発明の別の実施形態による導波素子の概略斜視図であり；図６は図５の導波素子のＶＩ－ＶＩ´断面図である。なお、図５では、便宜上、接地電極およびビアを省略している。
上記した導波素子１０１では、１つの信号電極２１を備えるが、信号電極２１の個数は特に制限されない。導波素子１０２は、互いに離れて位置する複数の信号電極２１を備えている。そのため、導波素子１０２は、信号電極に対応する伝送線路を複数備えている。図示例では、導波素子１０２は、第１信号電極２１ａおよび第２信号電極２１ｂを備える導体層２と；第１導体ピン２５ａと；第２導体ピン２５ｂと；を備えている。第１信号電極２１ａは、第１金属層３とともに第１の伝送線路を構成し、第２信号電極２１ｂは、第１金属層３とともに第２の伝送線路を構成している。第１導体ピン２５ａは、第１金属層３、第２金属層４および複数の基板貫通ビア５から構成されるＳＩＷと、第１の伝送線路とを結合している。第２導体ピン２５ｂは、第１金属層３、第２金属層４および複数の基板貫通ビア５から構成されるＳＩＷと、第２の伝送線路とを結合している。
これによって、１つの実施形態では、無機材料基板を伝搬する伝送線路モードの電磁波（信号）を、第１導体ピンを介してＳＩＷモードに変換した後、ＳＩＷモードで支持基板を伝搬させ、次いで、第２導体ピンを介して再び無機材料基板を伝搬する伝送線路モードに変換することができる。本実施形態では、無機材料基板を伝搬した電磁波は、無機材料基板に設けられたアンテナ素子から放出され得る。
【0021】
Ｃ．導波素子のさらに別の実施形態
図７および図８のそれぞれは本発明のさらに別の実施形態による導波素子の概略断面図である。
上記した導波素子１０１および導波素子１０２では、１つの支持基板７を備えるが、支持基板７の個数は特に制限されない。導波素子１０３および導波素子１０４では、支持基板７が、無機材料基板１の厚み方向において互いに間隔を空けて複数配置され、複数の支持基板７のそれぞれに基板集積導波管（ＳＩＷ）が設けられている。このような構成によれば、ＳＩＷモードで電磁波を放射するアンテナ部分を厚み方向にアレイ化できる。そのため、このような導波素子は、無線通信においてフェーズドアレイアンテナとして用いることができる。なお、信号（電磁波）を伝送する基板を複数集積した場合、導波素子の発熱が問題となる場合があるが、上記の実施形態では、支持基板を貫通する基板貫通ビアが金属層に接続されているので、導波素子から円滑に放熱され得る。
図７および図８のそれぞれは本発明のさらに別の実施形態による導波素子の概略断面図である。
上記した導波素子１０１および導波素子１０２では、１つの支持基板７を備えるが、支持基板７の個数は特に制限されない。導波素子１０３および導波素子１０４では、支持基板７が、無機材料基板１の厚み方向において互いに間隔を空けて複数配置され、複数の支持基板７のそれぞれに基板集積導波管（ＳＩＷ）が設けられている。このような構成によれば、ＳＩＷモードで電磁波を放射するアンテナ部分を厚み方向にアレイ化できる。そのため、このような導波素子は、無線通信においてフェーズドアレイアンテナとして用いることができる。なお、信号（電磁波）を伝送する基板を複数集積した場合、導波素子の発熱が問題となる場合があるが、上記の実施形態では、支持基板を貫通する基板貫通ビアが金属層に接続されているので、導波素子から円滑に放熱され得る。
【0022】
図７に示すように、導波素子１０３では、複数の支持基板７のうち互いに隣り合う支持基板７の間に、第２金属層４が配置されている。これによって、各支持基板７に設けられるＳＩＷは、当該支持基板７の両側に配置される金属層（すなわち、第１金属層３および第２金属層４、または、２つの第２金属層４）と、当該支持基板７を貫通する複数の基板貫通ビア５とによって構成される。
【0023】
図８に示すように、導波素子１０４では、ＳＩＷを含む導波管ユニット１２が、無機材料基板１の厚み方向において互いに間隔を空けて複数配置されている。複数の導波管ユニット１２のそれぞれは、第１金属層３と支持基板７と第２金属層４と複数の基板貫通ビア５とを備えている。
複数の支持基板７のうち互いに隣り合う支持基板７の間には、スペーサー基板１３が設けられていてもよい。１つの実施形態において、スペーサー基板１３は、互いに隣り合う導波管ユニット１２の間に配置される。スペーサー基板を設けることにより、複数の支持基板におけるアンテナ部分の間隔を調整できる。とりわけ、複数のアンテナ部分の間隔をλ／２に調整すれば、電磁波の放射角を十分に走査できる。スペーサー基板の材料として、代表的には、無機材料基板と同様の無機材料（後述）が挙げられる。
複数の支持基板７のうち互いに隣り合う支持基板７の間には、スペーサー基板１３が設けられていてもよい。１つの実施形態において、スペーサー基板１３は、互いに隣り合う導波管ユニット１２の間に配置される。スペーサー基板を設けることにより、複数の支持基板におけるアンテナ部分の間隔を調整できる。とりわけ、複数のアンテナ部分の間隔をλ／２に調整すれば、電磁波の放射角を十分に走査できる。スペーサー基板の材料として、代表的には、無機材料基板と同様の無機材料（後述）が挙げられる。
【0024】
また、複数のＳＩＷを備える導波素子は、好ましくは、ＳＩＷと同数の信号電極２１および導体ピン２５を備える。各導体ピン２５は、各信号電極２１が構成する伝送経路と、対応するＳＩＷとを結合する。導体ピン２５は、対応する信号電極２１から、無機材料基板１を貫通し、第１金属層３の開口部３１に挿通され、さらに必要に応じて支持基板７、第２金属層４およびスペーサー基板１３を貫通して、対象の支持基板７に到達している。このような構成によれば、比較的容易に作製可能でありながら、無機材料基板上に設置した外部信号源Ｘからの信号（電磁波）を、各支持基板のＳＩＷに容易に伝搬することができる。
【0025】
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Ｄ項～Ｈ項で説明する。
以下、導波素子の各構成要素の具体的な構成についてＤ項～Ｈ項で説明する。
【0026】
Ｄ．無機材料基板
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。
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。
【0027】
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。
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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１０１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。
【0032】
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１０１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。
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。
【0033】
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、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。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。
【0034】
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。
【0035】
Ｅ．導体層
導体層２は、無機材料基板１に対して第１金属層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ている。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は、少なくとも信号電極２１を備えている。信号電極２１の幅（長手方向と直交する方向の寸法）は、例えば２μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上、さらに好ましくは３００μｍ以上であり、例えば８００μｍ以下、好ましくは５００μｍ以下である。信号電極２１の長手方向の寸法は、任意の適切な寸法とすることができる。
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。
導体層２は、無機材料基板１に対して第１金属層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ている。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は、少なくとも信号電極２１を備えている。信号電極２１の幅（長手方向と直交する方向の寸法）は、例えば２μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上、さらに好ましくは３００μｍ以上であり、例えば８００μｍ以下、好ましくは５００μｍ以下である。信号電極２１の長手方向の寸法は、任意の適切な寸法とすることができる。
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。
【0036】
Ｆ．第１金属層
１つの実施形態において、第１金属層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１金属層３は、無機材料基板１の厚み方向において、信号電極２１に対して間隔を空けて配置されている。第１金属層３は、代表的には無機材料基板１と直接接触している。第１金属層３は、導体層２と同様の金属で構成可能である。第１金属層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１金属層３の金属は、導体層２の金属と異なっていてよい。第１金属層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１金属層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。
１つの実施形態において、第１金属層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１金属層３は、無機材料基板１の厚み方向において、信号電極２１に対して間隔を空けて配置されている。第１金属層３は、代表的には無機材料基板１と直接接触している。第１金属層３は、導体層２と同様の金属で構成可能である。第１金属層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１金属層３の金属は、導体層２の金属と異なっていてよい。第１金属層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１金属層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。
【0037】
Ｇ．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（Ｓｉ３Ｎ４－Ａｌ２Ｏ３）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２，２Ａｌ２Ｏ３・３ＳｉＯ２）、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（Ａｌ２Ｏ３）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、サファイア、石英（単結晶石英、アモルファス石英など）、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（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）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。
本願においては、支持基板７にＳＩＷが形成されるため、ＳＩＷを伝搬する電磁波の損失を低減するために、誘電体損失ｔａｎδの小さい材料が好ましい。この観点から、単結晶石英、アモルファス石英、スピネル、ＡｌＮ、サファイア、酸化アルミニウム、ＳｉＣ、酸化マグネシウム、および、シリコンが例示できる。
導波素子１０１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（Ｓｉ３Ｎ４）が挙げられる。
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（Ｓｉ３Ｎ４－Ａｌ２Ｏ３）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２，２Ａｌ２Ｏ３・３ＳｉＯ２）、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（Ａｌ２Ｏ３）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、サファイア、石英（単結晶石英、アモルファス石英など）、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（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）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。
本願においては、支持基板７にＳＩＷが形成されるため、ＳＩＷを伝搬する電磁波の損失を低減するために、誘電体損失ｔａｎδの小さい材料が好ましい。この観点から、単結晶石英、アモルファス石英、スピネル、ＡｌＮ、サファイア、酸化アルミニウム、ＳｉＣ、酸化マグネシウム、および、シリコンが例示できる。
導波素子１０１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（Ｓｉ３Ｎ４）が挙げられる。
【0038】
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。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。
【0039】
支持基板７の厚みは、支持基板７の比誘電率をεｂ、導波素子に導波される電磁波の波長をλとすると、例えばλ／４√εｂ以上、好ましくはλ／２√εｂ以上であり、例えば２λ／√εｂ以下、好ましくは３λ／２√εｂ以下、より好ましくはλ／√εｂ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。
支持基板７が無機材料基板１の厚み方向において互いに間隔を空けて複数配置される場合、フェーズドアレイアンテナとして用いるのであれば、互いに隣り合う支持基板７の間隔はアンテナピッチに適したλ／２程度であることが望ましいが、支持基板７の厚みが前記間隔に満たない場合、隣り合う支持基板の間にスペーサー基板１３を設けることで、適切なアンテナピッチを確保することができる。
支持基板７が無機材料基板１の厚み方向において互いに間隔を空けて複数配置される場合、フェーズドアレイアンテナとして用いるのであれば、互いに隣り合う支持基板７の間隔はアンテナピッチに適したλ／２程度であることが望ましいが、支持基板７の厚みが前記間隔に満たない場合、隣り合う支持基板の間にスペーサー基板１３を設けることで、適切なアンテナピッチを確保することができる。
【0040】
支持基板７は、導体層２、無機材料基板１、第１金属層３および第２金属層４を支持している。より詳しくは、無機材料基板１と支持基板７との間には有機系接着剤（例えば、樹脂などの接着剤）が存在せず、無機材料基板１と支持基板７とは、第１金属層３を介して直接接合されている。本明細書において「直接接合」とは、有機系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。
さらに、直接接合により接合された界面は、アモルファス化して接合界面の熱抵抗を樹脂接合と比較して飛躍的によくすることが可能である。これにより導波素子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することなくパッケージへ熱を逃がすことができ、その他の能動素子や実装部品の特性劣化を抑制できる。
図示例では、支持基板７は、第１金属層３のみを介して無機材料基板１と直接接合されている。支持基板７が第１金属層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１金属層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１金属層３と直接接触している。
また、支持基板７は、第１金属層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。支持基板７が第１金属層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、無機材料基板１と第１金属層３との間に設けられてもよく、第１金属層３と支持基板７との間に設けられてもよい。すなわち、接合部は、無機材料基板と第１金属層との間、および／または、第１金属層と支持基板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、ＳｉＯ２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１金属層の間や支持基板と第１金属層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。
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。
さらに、直接接合により接合された界面は、アモルファス化して接合界面の熱抵抗を樹脂接合と比較して飛躍的によくすることが可能である。これにより導波素子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することなくパッケージへ熱を逃がすことができ、その他の能動素子や実装部品の特性劣化を抑制できる。
図示例では、支持基板７は、第１金属層３のみを介して無機材料基板１と直接接合されている。支持基板７が第１金属層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１金属層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１金属層３と直接接触している。
また、支持基板７は、第１金属層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。支持基板７が第１金属層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、無機材料基板１と第１金属層３との間に設けられてもよく、第１金属層３と支持基板７との間に設けられてもよい。すなわち、接合部は、無機材料基板と第１金属層との間、および／または、第１金属層と支持基板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、ＳｉＯ２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１金属層の間や支持基板と第１金属層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。
【0041】
Ｈ．第２金属層
１つの実施形態において、第２金属層４は、支持基板７における第１金属層３と反対側の表面に設けられている。第２金属層４は、無機材料基板１の厚み方向において、第１金属層３に対して間隔を空けて配置されている。第２金属層４は、代表的には支持基板７と直接接触している。第２金属層４は、導体層２と同様の金属で構成され、第２金属層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２金属層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２金属層４は必ずしも支持基板７における第１金属層と反対側の表面全体に形成されなくてもよい。
１つの実施形態において、第２金属層４は、支持基板７における第１金属層３と反対側の表面に設けられている。第２金属層４は、無機材料基板１の厚み方向において、第１金属層３に対して間隔を空けて配置されている。第２金属層４は、代表的には支持基板７と直接接触している。第２金属層４は、導体層２と同様の金属で構成され、第２金属層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２金属層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２金属層４は必ずしも支持基板７における第１金属層と反対側の表面全体に形成されなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0042】
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。
【符号の説明】
【0043】
１ 無機材料基板
２ 導体層
２１ 信号電極
２２ 接地電極
３ 第１金属層
４ 第２金属層
５ 基板貫通ビア
６ ビア
７ 支持基板
２ 導体層
２１ 信号電極
２２ 接地電極
３ 第１金属層
４ 第２金属層
５ 基板貫通ビア
６ ビア
７ 支持基板
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】