特表 2023-502559 集積アンテナアレイ及び低損失多層インターポーザを有するアンテナ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-01-25

(54)【発明の名称】集積アンテナアレイ及び低損失多層インターポーザを有するアンテナ装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/822 20060101AFI20230118BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20230118BHJP

【ＦＩ】

H01L27/04 A

H01L27/04 L

H01L23/12 N

【審査請求】未請求

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2022518630

(86)(22)【出願日】2020-10-12

(85)【翻訳文提出日】2022-03-22

(86)【国際出願番号】 US2020055294

(87)【国際公開番号】W WO2021076459

(87)【国際公開日】2021-04-22

(31)【優先権主張番号】16/655,523

(32)【優先日】2019-10-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】513180451

【氏名又は名称】ヴィアサット，インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＶｉａＳａｔ，Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100196449

【弁理士】

【氏名又は名称】湯澤 亮

(72)【発明者】

【氏名】フランソン、スティーブン、ジェイ．

(72)【発明者】

【氏名】ルーナ、ジョセフ、ジェイ．

【テーマコード（参考）】

5F038

【Ｆターム（参考）】

5F038AZ04

5F038CA03

5F038CA15

5F038EZ20

(57)【要約】

【解決手段】 本開示は、アンテナアレイを形成する複数のアンテナ要素を備える放射層と、各々がビーム形成回路を有する複数のタイルを含む半導体ウェハと、多層インターポーザと、を含むアンテナ装置である。多層インターポーザは、基板に隣接する下部誘電体層と、放射層に隣接する上部誘電体層と、下部層と上部層との間の金属層であって、複数の導電性トレースを含む、金属層と、上部層及び下部層の両方を通って延在し、ビーム形成回路を複数のアンテナ要素に電気的に結合する複数の第１のビアと、ビーム形成回路と導電性トレースとの間に延在してタイルを相互接続する複数の第２のビアと、含み得る。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アンテナアレイを形成する複数のアンテナ要素を備える放射層と、
各々がビーム形成回路を有する複数のタイルを備える半導体ウェハと、
多層インターポーザと、を備えるアンテナ装置であって、前記多層インターポーザは、
前記ウェハに隣接する下部誘電体層、
前記放射層に隣接する上部誘電体層、
前記下部誘電体層と前記上部誘電体層との間にある金属層であって、複数の導電性トレースを備える金属層、
前記上部誘電体層及び前記下部誘電体層の両方を通って延在し、前記ビーム形成回路を前記複数のアンテナ要素に電気的に接続する複数の第１のビア、及び
前記ビーム形成回路と前記導電性トレースとの間に延在して、前記複数のタイルを相互接続する複数の第２のビア、を備える、アンテナ装置。

【請求項2】

前記ウェハは、前記複数のタイルを互いに分離するソーストリートを更に備える、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項3】

前記複数のタイルの各々は、同一のレチクル生成画像を通して形成された同一の回路構成を有する、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項4】

前記第１のビアは、各々、グランド－信号－グランド（ＧＳＧ）ビア遷移の信号ビアであり、前記信号ビアは、前記信号ビアの一方の側部にある第１のグランドビア、及び前記信号ビアの他方の側部にある第２のグランドビアを更に備える、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項5】

前記多層インターポーザは、前記第１の誘電体層、前記第２の誘電体層、前記ウェハと前記下部誘電体層との間の下部グランド平面、及び前記上部誘電体層と前記放射層との間の上部グランド平面を備えるストリップライン構造を有し、前記上部グランド平面は、前記アンテナ要素のためのグランド平面として機能し、
前記第１及び第２のグランドビアは、一方の端部で前記ウェハ上のそれぞれの第１及び第２のグランド接点にそれぞれ接続され、反対側の端部で各々前記上部グランド平面に接続されている、請求項４に記載のアンテナ装置。

【請求項6】

前記第２のビアは各々、ビア遷移の信号ビアであり、前記ビア遷移の信号ビアは、前記ウェハの第３のグランド接点を前記上部グランド平面に接続するグランドビア、及び前記ウェハの第４のグランド接点を前記下部グランド平面に接続するグランド－グランド接続を更に含む、請求項５に記載のアンテナ装置。

【請求項7】

前記金属層の前記導電性トレースは、合成器／分配器ネットワークの一部であり、前記合成器／分配器ネットワークは、前記インターポーザの入力／出力（Ｉ／Ｏ）接続点で受信された無線周波数（ＲＦ）送信信号を、前記合成器／分配器ネットワークのそれぞれのエンドポイントにある前記第２のビアのうちのそれぞれの１つを使用して、前記ビーム形成回路のうちの１つ以上に各々ルーティングされる複数の分配されたＲＦ送信信号に分配する、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項8】

前記ＲＦ送信信号は、前記インターポーザ内で更なるビアを使用して、前記ウェハ上の接続点から前記Ｉ／Ｏ接続点で受信される、請求項７に記載のアンテナ装置。

【請求項9】

前記分配された送信信号の各々は、前記合成器／分配器ネットワークの前記それぞれのエンドポイントで前記複数のタイルのそれぞれのタイルにルーティングされ、
前記それぞれのタイルは、前記それぞれのエンドポイントに電気的に接続されたウェハ上の合成器／分配器を更に備え、前記ウェハ上の合成器／分配器は、前記分配された信号を少なくとも２つの更に分配された信号に更に分配し、各更に分配された信号を前記それぞれのタイルの前記ビーム形成回路のうちのそれぞれの１つにルーティングする、請求項７に記載のアンテナ装置。

【請求項10】

前記複数の導電性トレースは、合成器／分配器ネットワークを形成し、前記複数のタイルのうちの少なくとも１つは、中間増幅器を含み、前記中間増幅器は、前記インターポーザ内の別のビアを通して、前記合成器／分配器ネットワークの中間点から／に、前記合成器／分配器ネットワークによってルーティングされた送信信号又は受信信号を増幅し、かつ前記増幅された送信又は受信信号を、更なるビアを通して前記合成器／分配器に戻すように出力する、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項11】

前記複数の導電性トレースは、合成器／分配器ネットワークを形成し、前記複数のタイルの各々は、前記インターポーザ内の別のビアを通して、前記合成器／分配器のそれぞれの中間点への入力側で接続可能な中間増幅器、及び前記合成器／分配器の別のそれぞれの中間点に更なるビアを通して接続可能な出力側を含み、各中間増幅器は、前記合成器／分配器ネットワークによってルーティングされた送信信号又は受信信号を選択的に増幅するように構成されている、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項12】

前記複数の導電性トレースは、前記アンテナ要素によって受信されかつ前記ビーム形成回路によって調整された複数の無線周波数（ＲＦ）受信信号を、前記ウェハ上の接続点まで前記インターポーザ内の更なるビアを使用して、合成されたＲＦ受信信号出力に合成する合成器／分配器ネットワークを形成する、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項13】

前記第１のビア又は前記第２のビアのうちのそれぞれの１つを前記ウェハに各々電気的に接続する複数のはんだバンプを更に備える、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項14】

前記ウェハは、前記多層インターポーザに直接ボンディングされている、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項15】

前記放射層は、前記インターポーザ上で成長し、前記アンテナ要素を支持する空気誘電体材料を含む、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項16】

前記アンテナ要素は、前記第１のビアのうちの１つに電気的に接続されたプローブフィードによって各々駆動されるパッチアンテナ要素である、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項17】

アンテナアレイを形成する複数のアンテナ要素を備える放射層と、
複数の無線周波数（ＲＦ）ビーム形成回路を備える半導体ウェハであって、前記複数の無線周波数（ＲＦ）ビーム形成回路の各々が、前記半導体ウェハ内に内部形成されたトランジスタ領域を有し、各ビーム形成回路が、少なくとも１つの位相シフタ、並びに送信経路増幅器及び受信経路増幅器のうちの少なくとも１つを含む、半導体ウェハと、
多層インターポーザと、を備えるアンテナ装置であって、前記多層インターポーザは、
基板に隣接する下部誘電体層、
前記放射層に隣接する上部誘電体層、
前記下部層と前記上部層との間にある金属層であって、前記複数のＲＦビーム形成回路と前記インターポーザの入力／出力接続点との間で信号を合成及び／又は分配する合成器／分配器ネットワークを形成する複数の導電性トレースを含む金属層、
前記上部層及び前記下部層の両方を通って延在し、前記複数のＲＦビーム形成回路を前記複数のアンテナ要素に電気的に接続する複数の第１のビア、及び
前記ＲＦビーム形成回路と前記導電性トレースとの間に延在する複数の第２のビア、を備え、
前記第２のビアのうちのいくつかは、前記ＲＦビーム形成回路を通して前記アンテナ要素を前記合成器／分配器ネットワークと相互接続し、
前記ウェハは、少なくとも１つの中間増幅器を含み、前記中間増幅器は、前記合成器／分配器ネットワークの中間点から／に、前記第２のビアのうちの別の１つを通してルーティングされた送信信号又は受信信号を増幅し、かつ前記第２のビアのうちの更なる１つを通して、前記増幅された送信又は受信信号を、前記合成器／分配器ネットワークに戻すように出力する、アンテナ装置。

【請求項18】

前記多層インターポーザは、前記第１の誘電体層、前記第２の誘電体層、前記ウェハと前記下部誘電体層との間の下部グランド平面、及び前記上部誘電体層と前記放射層との間の上部グランド平面を備えるストリップライン構造を有し、前記上部グランド平面は、前記アンテナ要素のためのグランド平面として機能する、請求項１７に記載のアンテナ装置。

【請求項19】

前記合成器／分配器ネットワークは、前記合成器／分配器ネットワークのそれぞれのエンドポイントで、送信信号を複数の分配された送信信号に分配し、
前記分配された送信信号の各々は、前記エンドポイントのうちのそれぞれの１つで前記ウェハにルーティングされ、
前記ウェハは、各々が前記エンドポイントのうちの１つにそれぞれ電気的に接続された複数のウェハ上の合成器／分配器を更に備え、前記ウェハ上の合成器／分配器は、前記分配された送信信号を少なくとも２つの更に分配された信号に更に分配し、各更に分配された信号を前記ＲＦビーム形成回路のうちのそれぞれの１つにルーティングする、請求項１７に記載のアンテナ装置。

【請求項20】

前記送信経路増幅器及び前記受信経路増幅器の各々は、ミリメートル波増幅器である、請求項１７に記載のアンテナ装置。

【請求項21】

前記多層インターポーザは、石英又は溶融シリカから構成されている、請求項１７に記載のアンテナ装置。

【請求項22】

アンテナ装置を製造する方法であって、
半導体ウェハの複数の領域の各々に同一のレチクル画像を順次適用し、それにより、各領域内にそれぞれのタイルを形成する工程であって、各タイルは、前記ウェハ内にイオン注入されたトランジスタ領域及び前記ウェハの表面上に金属配線パターンを有する無線周波数（ＲＦ）ビーム形成回路を備える、工程と、
インターポーザを前記ウェハに取り付ける工程であって、前記インターポーザは、前記ウェハに隣接する下部誘電体層、上部誘電体層、及び前記下部誘電体層と前記上部誘電体層との間の金属層を備え、かつ複数の導電性トレース、前記上部層及び前記下部層の両方を通って延在する複数の第１のビア、及び前記インターポーザの下部表面と前記金属層との間に延在して、前記複数のタイルを相互接続する複数の第２のビアを備える、工程と、
複数のアンテナ要素を含む放射層を、前記アンテナ要素が前記複数の第１のビアを通して前記ＲＦビーム形成回路に電気的に接続されるように、前記インターポーザの上部表面に取り付ける工程と、を含む方法。

【請求項23】

前記放射層を前記インターポーザの上部表面に前記取り付け工程は、
前記インターポーザ上に空気誘電体材料を成長させることと、
第１の端部で電気的に接続された前記成長した空気誘電体材料内のプローブフィードビアを前記第１のビアのうちのそれぞれの１つに形成することと、
前記プローブフィードビアの反対側の端部に電気的に接続された前記空気誘電体材料の上又は中に前記アンテナ要素を形成することと、を含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項24】

前記ウェハにインターポーザを前記工程は、前記インターポーザの前記下部表面及び／又は前記ウェハに複数のはんだバンプを取り付け、前記複数のはんだバンプの反対側に、前記ウェハ及び前記インターポーザの各々の電気接点をはんだ付けすることを含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項25】

基板にインターポーザを前記取り付けることは、直接結合インターフェース結合法を使用して、前記インターポーザの前記下部表面を前記ウェハの主要な表面に直接取り付けることを含む、請求項２２に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、概して、アンテナに関し、より具体的には、ビーム形成回路と統合されたアンテナアレイのコンパクトな構成に関する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0002】

アンテナアレイは、現在、航空機、衛星、車両、一般的な陸上通信用の基地局を含む、マイクロ波及びミリメートル波周波数の様々な用途において展開される。このようなアンテナアレイは、典型的には、ビームを方向付けするためのフェーズドアレイを形成するために、位相シフトビーム形成回路を用いて駆動されるパッチ放射要素を含む。多くの場合、アンテナアレイ及びビーム形成回路を含むアンテナシステム全体が、必要な性能メトリックを満たす一方で、低プロファイルの最小空間しか占有しないことが望ましい。特に、高ミリメートル波周波数では、波長及び構成要素の寸法／間隔が非常に小さいため、望ましくないリアクタンスと損失を制限するという課題が存在する。

【0003】

本開示の技術の一態様では、アンテナ装置は、アンテナアレイを形成する複数のアンテナ要素を含む放射層と、各々がビーム形成回路を有する複数のタイルを含む半導体ウェハと、多層インターポーザと、を含む。多層インターポーザは、ウェハに隣接する下部誘電体層と、放射層に隣接する上部誘電体層と、下部誘電体層と上部誘電体層との間の金属層であって、複数の導電性トレースを含む金属層と、上部誘電体層及び下部誘電体層の両方を通って延在し、ビーム形成回路を複数のアンテナ要素に電気的に接続する複数の第１のビアと、ビーム形成回路と導電性トレースとの間に延在して、タイルを相互接続する複数の第２のビアと、を含み得る。

【0004】

別の態様では、アンテナ装置は、アンテナアレイを形成する複数のアンテナ要素を有する放射層と、半導体ウェハ内に内部形成されたトランジスタ領域を各々有する複数のＲＦビーム形成回路を含む半導体ウェハであって、各ビーム形成回路が少なくとも１つの位相シフタ並びに送信経路増幅器及び／又は受信経路増幅器を有する、半導体ウェハと、多層インターポーザと、を含む。多層インターポーザは、基板に隣接する下部誘電体層と、放射層に隣接する上部誘電体層と、下部層と上部層との間にある金属層であって、複数のＲＦビーム形成回路とインターポーザの入力／出力接続点との間で信号を合成及び／又は分配する合成器／分配器ネットワークを形成する複数の導電性トレースを含む金属層と、上部層及び下部層の両方を通って延在し、複数のＲＦビーム形成回路を複数のアンテナ要素に電気的に接続する複数の第１のビアと、を含む。複数の第２のビアは、ＲＦビーム形成回路と導電性トレースとの間に延在し、そのいくつかは、ＲＦビーム形成回路を通して、アンテナ要素を合成器／分配器ネットワークと相互接続する。ウェハは、少なくとも１つの中間増幅器を更に含み、この中間増幅器は、第２のビアのうちの別の１つからルーティングされた送信信号又は受信信号を、合成器／分配器ネットワークの中間点から／に増幅し、かつ増幅された送信又は受信信号を、第２のビアのうちの更なる１つを通して合成器／分配器ネットワークに戻すように出力する。

【0005】

別の態様では、アンテナ装置を製造する方法は、半導体ウェハの複数の領域の各々に同一のレチクル画像を順次適用し、それにより、各領域内にそれぞれのタイルを形成することであって、各タイルは、ウェハ内にイオン注入されたトランジスタ領域及びウェハの表面上に金属配線パターンを有するＲＦビーム形成回路を含む、ことと、インターポーザをウェハに取り付けることと、を含む。インターポーザは、ウェハに隣接する下部誘電体層と、上部誘電体層と、下部誘電体層と上部誘電体層との間にある金属層であって、複数の導電性トレースを含む金属層と、上部層及び下部層の両方を通って延在する複数の第１のビアと、インターポーザの下部表面と金属層との間に延在して、複数のタイルを相互接続する複数の第２のビアと、を含む。複数のアンテナ要素を含む放射層は、インターポーザの上部表面上に取り付けられるか、又は形成され、その結果、アンテナ要素は、複数の第１のビアを通してＲＦビーム形成回路に電気的に接続される。

【図面の簡単な説明】

【0006】

開示された技術の上記及び他の態様及び特徴は、同様の参照符号が同様の素子又は特徴を示す添付の図面と併せて、以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。同じ又は類似のタイプの様々な要素は、参照ラベルにダッシュ及び同じ／類似の要素の間で区別する第２のラベルを付け足すか（例えば、－１、－２）、又は参照ラベルに第２のラベルを直接付け足すことによって区別され得る。しかしながら、所与の説明が第１の参照ラベルのみを使用する場合、第２のラベルに関係なく、同じ第１の参照ラベルを有する同じ／類似の要素のうちのいずれか１つに適用可能である。要素及び特徴は、図面の縮尺に描かれていない場合がある。

【0007】

【図1】図１は、一実施形態による、例示的なアンテナ装置の分解斜視図である。

【0008】

【図2】図２は、断面図で図示された、組み立てられた状態の図１のアンテナ装置の例示的な構成を例解する。

【0009】

【図3】図３は、断面図で図示された、組み立てられた状態のアンテナ装置の別の例示的な構成を例解する。

【0010】

【図4】図４は、ウェハ上の例示的なタイル配置及びアンテナ装置のタイル構成を例解する。

【0011】

【図5】図５は、レチクルを使用して、アンテナ装置のウェハのタイルがどのように形成され得るかを概略的に例解する。

【0012】

【図6】図６は、ウェハ上の連続するタイルの例示的なレイアウトを図示する。

【0013】

【図7A】図７Ａは、一実施形態による、アンテナ装置における共通タイルのサブ回路と信号ルーティングとの間の例示的な接続構成を例解する。

【0014】

【図7B】図７Ｂは、図７Ａの実施形態における信号分配及びルーティングを示す機能図である。

【0015】

【図8】図８は、一実施形態による、アンテナ装置における異なるタイルのサブ回路と信号ルーティングとの間の例示的な接続構成を例解する。

【0016】

【図9】図９は、一実施形態による、信号ルーティング例を有する例示的なタイルレイアウトを例解する。

【0017】

【図10】図１０は、一実施形態による、アンテナ装置を形成するための例示的な方法のフロー図である。

【0018】

【図11】図１１は、アンテナ装置のインターポーザを形成するための例示的な方法のフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下の説明は、添付の図面を参照して、例示目的のために本明細書に開示される技術の特定の例示的実施形態の包括的な理解を支援するために提供される。本明細書は、技術を理解する当業者を支援するための様々な具体的な詳細を含むが、これらの詳細は単なる例示であるとみなされるべきである。簡潔さ及び明瞭さのために、周知の機能及び構造の説明は、当業者が技術を理解することを不明瞭にし得る場合には、周知の機能及び構造の説明を省略することができる。

【0020】

本明細書では、基板は、回路が（例えば、トランジスタ又は埋め込まれた導体のドープされた領域として）、基板内に部分的にのみ形成され得る場合でも、回路を「含む」、又は「内部に形成された回路を含む」など、と言われ得る。回路を含むと言われる基板はまた、基板の表面上に部分的に形成された導電性要素を有し得る。

【0021】

本明細書では、「ビーム形成回路」は、アンテナビームの形成に寄与する任意の回路であり得る。ビーム形成回路は、１つ以上の能動構成要素及び／又は１つ以上の受動構成要素から構成され得る。能動構成要素の例としては、増幅器、位相シフタ、及びスイッチが挙げられ、受動構成要素の例としては、フィルタ、及び送信線の部分が挙げられる。複数の相互接続されたビーム形成回路は、ともに、アンテナアレイに接続されたＲＦフロントエンドを形成し得る。

【0022】

本明細書では、「ビア遷移」という用語は、少なくとも１つのビアを含む２つ以上の接続の組を意味し、一組の接続は、一方の送信線又は送信機構から別の送信線又は機構への遷移を集合的に行う。ビア遷移は、アンテナ要素に接続されたプローブフィードへの同一平面導波管（ＣＰＷ、coplanar waveguide）、マイクロストリップ又はストリップの間のグランド－信号－グランド（ＧＳＧ、ground-signal-ground）接続の３つのビアの組であり得る。ビア遷移はまた、ストリップ線へのＣＰＷ又はマイクロストリップ間のＧＳＧ接続であり得、この場合、ＧＳＧ接続は、２つのビア及びグランド－グランド接続を含む。更に他の例では、１つの層においてマイクロストリップ又はＣＰＷを別の層内のマイクロストリップに接続するビア遷移は、１つのビア及び１つの直接接続を有することができる。

【0023】

図１は、一実施形態による、アンテナ装置１０の分解斜視図である。アンテナ装置１０は、放射層２０、ウェハ４０、及び放射層２０とウェハ４０との間にある多層インターポーザ３０を含む。放射層２０のアンテナ要素２２は、インターポーザ３０を通してウェハ４０内のビーム形成回路に接続される。ウェハ４０は、シリコン、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、又はリン化インジウム（ＩｎＰ）などの半導体材料から構成される。インターポーザ３０は、石英又は溶融シリカなどのウェハ４０よりも低い損失接線を有する材料から構成され得る。インターポーザ３０は、ウェハ４０内の接続点の間、又はウェハ４０とアンテナ要素２２との間でＲＦ信号の低損失ルーティング及び分配／合成を提供する。一実施例では、アンテナ装置１０は、３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚ範囲内の帯域として一般的に定義される、ミリメートル（ｍｍ）波周波数帯域にわたる動作のために構成される。他の例では、アンテナ装置１０は、約１ＧＨｚ～３０ＧＨｚのマイクロ波範囲内で、又は１ＧＨｚを下回るサブマイクロ波範囲内で動作する。本明細書では、無線周波数（ＲＦ、radio frequency）信号は、１ＧＨｚ～３００ＧＨｚを下回るいずれかの周波数を有する信号を意味する。

【0024】

放射層２０は、誘電体２５の上部表面上に形成されたアンテナアレイ２３を画定する「ｎ」個のアンテナ要素２２－１～２２－ｎを含み得る。アンテナ要素２２の数ｎ、それらのタイプ、サイズ、形状、要素間間隔、及びそれらがビーム形成回路から供給される様式は、目標とする性能メトリックを実現するために設計によって変更され得る。このような性能メトリックの例としては、必要な周波数帯域にわたるビーム幅、指向方向、偏波、サイドローブ、電力損失、ビーム形状などが挙げられる。アンテナ要素２２は、図１に例解されるようなマイクロストリップパッチアンテナ要素であり得、若しくはプリントダイポール又はスロット付き要素などの他のラジエータタイプであってもよい。用途に応じて、アンテナ要素２２は、ＲＦ信号を送信及び／又は受信するためのビーム形成構成要素に接続され得る。アンテナ要素２２－１～２２－ｎのビーム形成回路への接続は、それぞれ、誘電体２５内に形成され、かつインターポーザ３０内の他のビアに接続するプローブフィード２７－１～２７－ｎを通してもよい。誘電体２５は、インターポーザ３０にわたり層ごとに原子的に成長させることができる空気／ハニカム材料などの低損失材料であり得る。追加の例として、液晶ポリマー又は石英などの他の材料が使用されてもよい。

【0025】

インターポーザ３０は、石英又は溶融シリカなどの低損失誘電材料を含み得る。一実施形態では、インターポーザ３０は、ストリップライン構造を有し、この場合、インターポーザ３０は、上部誘電体層３３の上部表面上に形成され、かつアンテナ要素２２のためのストリップライン及びグランド平面に対する両方の上部グランド平面として機能する上部金属層３６と、下部誘電体層３１の底部表面上に形成された下部金属層（下部グランド平面）３９と、ストリップライン構造の中心導体を形成するための上部誘電体層３３と下部誘電体層３１との間の金属（導電性）層３７と、を有する。金属層３９、３７、及び３６の各々は、薄膜金属層であり得る。上部金属層３６は、中に開口部を有し、それを通してプローブフィード２７がビア７２ｓの上端部に接続され、かつグランド平面から分離される。下部金属層３９はまた、開口部を有し、それを通してビア７２ｓ及び８２ｓの下端部が貫通する。ビア７２ｓは、プローブフィード２７をウェハ４０上の接続点に接続する。ビア７２ｓは、以下で考察されるそれぞれのＧＳＧビア遷移７２の各部分である。ビア８２ｓは、層３７の中心導体の点をウェハ４０上の他の接続点に接続するブラインドビアである。ビア８２ｓは、以下でまた説明するそれぞれのビア遷移８２の各部分である。金属層３７は、各々がＲＦ信号をルーティングする複数の相互接続された導電性トレースを有する合成器／分配器ネットワーク３５を形成するために、パターン化される。合成器／分配器ネットワーク３５は、アンテナ要素２２から／への更なるルーティングのために、入力／出力（Ｉ／Ｏ）接続点ｐ４とウェハ４０上の接続点との間で伝搬するＲＦ信号を合成及び／又は分配する。例えば、送信方向において、合成器／分配器ネットワーク３５は、複数の分配された信号経路の間にあるＩ／Ｏ点ｐ４で入力送信信号を分配するための分配器として機能し、その結果、対応する複数の分配された送信信号は、３５ｅ１及び３５ｅ２などのネットワークエンドポイント３５ｅに提供される。受信方向において、合成器／分配器ネットワーク３５は、エンドポイント３５ｅで受信された受信信号を、Ｉ／Ｏ点ｐ４で出力される複合受信信号に合成するための合成器として機能する。

【0026】

他の実施形態では、インターポーザ３０は、マイクロストリップ構造を有し、この場合、下部グランド平面３９は、マイクロストリップ送信線の導体を形成するパターン化された金属層と置換され得る。この場合、中央金属層３７は、省略することができ、上部グランド平面３６は、マイクロストリップグランド平面及びアンテナ要素２２のためのグランド平面の両方として機能し得る。更に他の実施形態では、同一平面導波管（ＣＰＷ）送信線が、インターポーザ３０内で使用され、その場合、下部グランド平面３９は、ＣＰＷ導体と置換され、中央金属層３７は、省略してもよく、上部グランド平面３６が残る。更に別の実施形態では、中央金属層３７は、インターポーザ３０のマイクロストリップ送信線の導体を形成するようにパターン化され、下部グランド平面３９は、マイクロストリップ送信線のグランドである。この場合、ビア８２ｓは、マイクロストリップ導体をウェハ４０内の信号線に接続し、直接グランド－グランド接続が、グランド平面３９とウェハ４０のグランドとの間で行われ得る。別の例では、中央金属層３７は、ＣＰＷであり、３つのビアは、ＣＰＷとＣＰＷとの間のＧＳＧ接続、又はウェハ４０内のマイクロストリップに使用される。

【0027】

ウェハ４０は、単一のＲＦ入力／出力ポート（例えば、ｐ４）とアンテナアレイ２３との間のすべての能動ビーム形成回路が含まれる半導体基板の例である。このアプローチは、ビーム形成回路を有する個々のチップが基板に取り付けられている従来の構成とは異なる。一実施形態では、ウェハ４０は、アンテナアレイ２３のものとほぼ等しいフォームファクタを有することによって、「アレイサイズ」基板であると言われる。例えば、アンテナアレイ２３は、数十、数百、又は千個以上のアンテナ要素２２から構成され得、インターポーザ３０を通して単一のウェハ４０のビーム形成回路にすべてが接続される。ウェハ４０は、内部に形成された数「ｋ」個の「タイル」４２－１～４２－ｋを含み得、各タイル４２は、タイル４２－１内に含まれる「ｗ」個のサブ回路４８－１～４８－ｗなどの１つ以上のサブ回路４８（互換的に「ビーム形成回路」）を含む。本明細書では、タイルとは、単一の領域（以下、「タイル領域」）に適用されたレチクルベースの画像を使用してウェハ内に形成された回路を意味する。（レチクルを使用したタイル形成の例は、図５に関連して以下に説明される。）一実施形態では、すべてのタイル４２は、同じ全体的な回路構成、サブ回路４８の数、及び物理的レイアウトを有する同一の設計である。他の実施形態では、タイル４２のいくつかは、互いに異なる。「ソーストリート」５５は、隣接するタイル４２の間に存在し、これは、金属配線が存在しないウェハ４０上の分離領域である。相互接続が、インターポーザ３０内に提供され、隣接するタイル４２を、ソーストリート５５を横切って接続することができる。例えば、合成器／分配器３５の導電性トレースは、ビア遷移８２と併せて、ウェハ４０の異なるタイルのサブ回路４８を効果的に相互接続するというような相互接続として機能し得る。タイル４２を、ソーストリート５５を横切って相互接続するためのかかるインターポーザ相互接続に関連して、多くのビーム形成回路４８は、個々のチップのダイシング及び再取り付けなしで単一のウェハ４０内に一体的に形成され、それによって、製造プロセスを容易にすることができる。更に、合成器／分配器ネットワークに別途割り当てられたウェハの実際の状態は、他の回路又は目的のために使用することができる。

【0028】

ここで大規模アンテナアレイの他の例では、複数のウェハ４０が並んで配置されて、マルチウェハサブアセンブリを形成し、単一のインターポーザ３０が複数のウェハ４０にボンディングされて、多数のアンテナ要素をマルチウェハサブアセンブリ上に分散されたビーム形成回路に相互接続することに留意されたい。

【0029】

任意のサブ回路４８は、ウェハ４０内に内部形成されたイオン注入トランジスタ領域を有するビーム形成回路を含み得る。ビーム形成回路は、送信経路増幅器、送信経路位相シフタ、バンドパスフィルタ、受信経路低雑音増幅器（ＬＮＡ、low noise amplifier）、受信経路位相シフタ、送信／受信（Ｔ／Ｒ、transmit ／ receive）スイッチ、及び／若しくは「ウェハ上の」合成器／分配器、又はそれらの部分などのフロントエンドビーム形成構成要素を含む。任意のサブ回路４８は、ウェハからダイシングされ、基板に再度取り付けられた個々のチップに伝統的に組み込まれ得るビーム形成回路を有する「チップユニット」として称され得る。本技術では、ウェハからチップをダイシングすること及びそれらを基板に再度取り付けることなく、単一のウェハ４０内に多くのサブ回路４８を形成することによって、アンテナ装置１０を形成するための製造プロセスが合理化される。更に、個々のチップを基板に接続するためのワイヤボンディングのような相互接続が回避され、それにより、インダクタンスが低減し、信頼性が改善される。

【0030】

任意のサブ回路４８は、それぞれの１つ以上のビア７２ｓを通して１つ以上のアンテナ要素２２に電気的に接続され得る。例えば、タイル４２－１のサブ回路４８－１は、アンテナ要素２２－１のためのプローブフィード２７－１の接続点ｐ２に、ビア７２ｓを通して（ビア遷移７２の一部）接続される接続点ｐ１を有し得る。一実施形態では、合成器／分配器３５のうちのいくつか又はすべてのエンドポイント３５ｅは、それぞれのビア８２ｓを通して、「ウェハ上の」合成器／分配器４９に接続しており、同様にして、２つ以上のサブ回路４８に／から信号をルーティングする。例えば、エンドポイント３５ｅ１は、第１のビア８２ｓを通して合成器／分配器４９の接続点ｐ３に接続しており、一方、エンドポイント３５ｅ２は、第２のビア８２ｓから別の合成器／分配器４９（図示せず）に接続している。送信信号を分配するために、かかるウェハ上の合成器／分配器４９は、入力経路で送信信号を受信し、その信号を、各々がそれぞれのサブ回路４８に接続された複数の出力経路に分配する。往復合成動作が、受信経路信号のために実施され得る。他の実施形態では、合成器／分配器４９は省略され、すべてのエンドポイント３５ｅは、ビア８２ｓを通して、それぞれのサブ回路４８に直接接続される。

【0031】

一実施形態では、いくつか又はすべてのタイル４２は、中間増幅器として機能する少なくとも１つのサブ回路６５を含む。サブ回路６５は、合成器／分配器３５の中間点（エンドポイント３５ｅ以外）から／に、ビア８２ｓを通してルーティングされた送信信号又は受信信号を増幅し、次いで増幅された信号を別のビア８２ｓを通して別の中間点で合成器／分配器３５に戻るように出力／再ルーティングする。

【0032】

図２は、断面図で図示された、組み立てられた状態のアンテナ装置１０の一部分の例示的な構成を例解する。（アンテナ装置１０内の相互接続及び動作信号の流れの詳細な例は、図６～図９に関連して以下に説明されることに留意されたい。）この例では、ウェハ４０は、インターポーザ３０の下部金属層３９とウェハ４０の上部表面４１との間に接続された多数のはんだボール（又は銅ピラー）５９を通してインターポーザ３０に電気的及び機械的に接続している。例えば、大きいアンテナアレイ２３の場合、はんだボール５９は、数千の数であり得る。インターポーザ３０は、上部層３３の上部表面上に電気めっきすることによって形成され得る薄膜金属層３６を更に含む。放射層２０は、金属層３６の上の誘電体２５の空気／ハニカム誘電体材料の複数の層を原子的に成長させることによって金属層３６にボンディングされ得る。代替的に、誘電体２５のプレカットスラブが、直接結合相互接続（ＤＢＩ、direct bond interconnect）結合、熱圧縮結合、又は他の好適なプロセスを通して、金属層３６に融合される。融合方法が使用される場合、金属層３６は、代替的に、インターポーザ３０の上部表面の代わりに誘電体２５の下部表面上に最初に形成することができる。

【0033】

図２の例は、同じタイル４２の一部である２つのサブ回路４８－１及び４８－２、並びに同じタイル又は異なるタイル４２の一部であり得るサブ回路６５を図示する。放射層２０は、プローブフィード２７－１、２７－２に接続され、各々が、同様にビア７２ｓに接続するアンテナ要素２２－１、２２－２を含む。この実施例は、ＧＳＧ接続の一部を形成する３つのビアの組：「信号ビア」７２ｓ、第１の「グランドビア」７２ｇ１、及び第２のグランドビア７２ｇ２、として実現されたビア遷移７２を例解する。信号ビア７２ｓは、一端部でプローブフィード２７－１に接続され、反対側の端部ではんだボール５９を通してサブ回路４８－１の「信号接点」５１ｓに接続される。信号接点５１ｓは、第１のグランド接点５１ｇ１及びその反対側の側面の第２のグランド接点５１ｇ２とともに、一組のＧＳＧ接点５１を形成する。第１及び第２のグランドビア７２ｇ１、７２ｇ２は、それぞれのはんだボール５９を通して一端部で、それぞれ第１及び第２のグランド接点５１ｇ１、５１ｇ２に接続し、並びに反対側の端部で、グランド平面３６に接続する。ストリップライン構成では、ビア遷移８２は、ウェハ４０内の送信線インターフェースのタイプに応じて、ＣＰＷへのストリップラインとして、マイクロストリップへのストリップラインとして、又はストリップライン遷移へのストリップラインとして機能し得る。いずれの場合においても、各ビア遷移８２は、層３７内の中心導体と信号接点５１ｓとの間に接続された信号ビア８２ｓ（ブラインドビア）と、グランド平面３６とグランド接点５１ｇ１との間に接続されたグランドビア８２ｇ１と、グランド接点５１ｇ２と下部グランド平面３９との間の（はんだボール５９を通る）隣接する接続部と、を含み得る。このようにして、信号エネルギーは、インターポーザ３０のストリップラインと、ＣＰＷ、マイクロストリップ又はウェハ４０のストリップラインインターフェースとの間を自由に流れる。本明細書では、信号ビア７２ｓは、「第１のビア」の例であり、信号ビア８２ｓは、「第２のビア」の例である。

【0034】

各サブ回路４８は、増幅器５２及び位相シフタ５４などの１つ以上のビーム形成構成要素を含む。異なるタイル４２のサブ回路４８は、合成器／分配器３５に接続しているビア８２ｓによって効果的に相互接続される。任意のサブ回路４８は、制御線４７上の制御信号又はバイアス信号ＣＮＴを受信して、内部の１つ以上の能動構成要素を制御し得る。制御線４７は、ウェハ４０の底部表面４４上の入力端子を通して外部構成要素に接続し得る。サブ回路４８のビーム形成構成要素は、合成器／分配器３５から受信された送信信号を、ウェハ上の合成器／分配器４９を通して変換（例えば、増幅、位相シフト、及び／又はフィルタリング）し、かつ変換された送信信号をそれぞれのアンテナ要素２２に出力し得る。往復動作を、Ｔ／Ｒスイッチ（図示せず）及び／又は回路を使用して受信経路方向に行うことができ、完全二重又は他の送信－受信分離スキームを実現する。合成器／分配器４９がＣＰＷとして実装される場合、ＣＰＷの導体又はマイクロストリップ導体は、例解されるようにウェハ４０の表面４１上に形成しておいてもよい。はんだボール５９は、ウェハ４０及びインターポーザ３０の両側の表面間に間隙７７を作り出すのに十分な直径を有するため、間隙７７は、グランド平面３９がＣＰＷ又はマイクロストリップ導体によって搬送される信号に短絡又は悪影響を与えることを防止するのに十分であり得る。

【0035】

いくつかの例では、サブ回路４８は、変換された送信信号（例えば、増幅器５２によって出力される）を分配し、２つ以上のアンテナ要素２２を供給する分配器（図示せず）を更に含み得る。かかる分配器は、受信方向において往復合成動作を実行し得る。

【0036】

図２の例では、合成器／分配器３５は、金属層３７レベルで分けられ、ビア遷移８２を通して、サブ回路６５の送信増幅器６２にルーティングされる入力信号経路３５ａを有する。次いで、増幅器６２によって出力される増幅された送信信号は、別のビア遷移８２を通して合成器／分配器３５に戻るようにルーティングされる。例えば、入力信号経路３５が比較的長く、損失が大きい場合、増幅器６２は、送信信号の大きさを望ましいレベルに修復し得る。受信方向において、受信経路増幅器（図示せず）を、サブ回路６５内に同様に配備することができる。この場合、Ｔ／Ｒスイッチ又は他の分離回路を、送信信号及び受信信号を分離するためにサブ回路６５内に含むことができる。Ｉ／Ｏ点ｐ４は、入力送信信号を受信し、及び／又はインターポーザ３０の側部表面に取り付けられたコネクタ（図示せず）を通して受信信号を出力し得る。別の例では、Ｉ／Ｏコネクタ（図示せず）が、ウェハ４０の底部表面４４に取り付けられる。この場合、Ｉ／Ｏ点ｐ４は、別のビア遷移８２を通してＩ／Ｏコネクタに接続し得る。後者のビア遷移８２は、ウェハ４０内のビアの上端部、又はウェハ４０内の同軸フィードスルーに対応する接続点でウェハ４０に接続し得る。ウェハ４０内のビア又はフィードスルーの下端部は、底部表面４４でＩ／Ｏコネクタに接続し得る。

【0037】

概して、同じタイル又は異なるタイルのサブ回路４８は、インターポーザ３０の相互接続経路を通してルーティングされたＲＦ信号及び／又は制御信号のために互いに接続され得る。サブ回路４８間の相互接続経路は、８２ｓなどのブラインドビア、及び／又はインターポーザ３０内の異なるレベル（図示せず）における別の金属層を使用することによって、金属層３７で形成され得る。図２のサブ回路４８－１及び４８－２が代替的に、異なるタイル４２のサブ回路である場合、ソーストリート領域５５は、タイル４２間に存在する。ソーストリート領域５５内のウェハ４０の上部表面４１に金属配線が適用されないため、サブ回路４８間の「タイル間」は、このような層３７を通るインターポーザ３０を通して接続することができる。

【0038】

図３は、組み立てられた状態のアンテナ装置１０の別の例示的な構成を例解する。この構成は、はんだボール５９を省略し、代わりに、例えばＤＢＩボンディング法により、インターポーザ３０とウェハ４０との間に直接ボンディングを形成する点で図２の構成とは異なる。これにより、インターポーザ３０のビア遷移７２、８２をウェハ４０の金属接点５１に直接ボンディングすることに成る。大型のアンテナアレイでは、このアプローチは、数千のはんだボール５９を排除し、それにより、アンテナ装置１０の信頼性を改善する。グランド平面３９と表面４１上の導電性要素（例えば、表面４１上のＣＰＷ又はマイクロストリップ内部導体）との間の短絡を回避するために、分離層を、ウェハ表面４１上又はその近くの任意の導体の上に堆積することができる。

【0039】

図４は、ウェハ上の例示的なタイル配置及びアンテナ装置１０の例示的なタイル構成を例解する。挙げられたように、タイルは、本明細書では「タイル領域」と称される、特定の物理的表面に適用されたレチクルベースの画像を使用して、ウェハ内に形成された回路を意味する。例解されるように、ディスク形状のウェハ４０は、行及び列で形成されたタイル４２を有し得、隣接するタイル４２間にソーストリート５５を有する。しかしながら、タイル４２は、従来の設計とは異なり、ソーストリート５５に沿ってウェハから切断されない。４２－１などのタイルは、サブ回路４８－１～４８－ｗのグリッドレイアウトを含み得る（そのうちの１つ以上は、先に考察されたサブ回路６５であり得る）。いくつかの例では、完全な長方形又は正方形のタイル４２のみが、ウェハ４０の一部として形成され、ウェハ４０のいくつかの周辺表面積が未使用のままである。他の例では、追加のサブ回路は、ウェハの円形の外周で形成され得る。

【0040】

図５は、レチクルを使用してウェハ４０のタイルがどのように形成され得るかを概略的に例解する。レチクル９０は、（すでにウェハ上に堆積された）フィルム又はマスクをパターン化して、加工のために領域を露出させ、最終的には多くのプロセス工程後に完全な回路を形成する、フォトリソグラフィ画像９１を生成するツールである。画像９１は、典型的には、ウェハ４０の直径の一部分のみに限定されるスパン「ｄ」を有する。典型的には、スパンｄは、目標解像度でウェハ４０の表面に回路画像を生成するために、ウェハ４０の直径の半分未満である。いくつかの場合では、レチクル９０を横方向にステップし、同じ画像９１で照射を繰り返すことによって、同一の画像が、ウェハ４０にわたるタイル領域で生成され得る。（他の例では、異なる画像が、同じ処理フェーズの一部として、ウェハ４０の異なるそれぞれの領域内において使用することができる。）それゆえ、図５では、第１の露光工程の一部として、レチクル９０は、最初に第１の画像９１を製造して、タイル４２－ｉに対して第１の露光を生成する。次いで、レチクル９０は、経路９３によって例解されるように横方向に並進され、第１の画像と典型的に同じである第２の画像９１を製造して、第２のタイル４２－（ｉ＋１）に対して第１の露光を生成する。プロセスは、ウェハ４０のすべてのタイル領域に対して繰り返され得る。次いで、ドーピングトランジスタ領域のためのイオン注入、又は第１の金属配線層を堆積させるための電気めっきなどの第１の処理工程は、すべてのタイル領域に対してウェハ４０上で同時に実施され得る。次に、別のマスク又はフィルムが、ウェハ４０の表面上に堆積され得、レチクル９０は、再び制御されて、第２の処理工程に対応するタイル領域露光のためにタイル領域の第２のラウンドを開始し得、すべての処理工程が完了するまで、続く。全体的なプロセスでは、隣接するタイル間のソーストリート５５が形成され、これは、従来、ウェハからのダイスタイル又は個々のチップに使用された、金属のない分離領域である。本実施形態では、タイル４２間のダイシングは実施されず、それにより、多くのタイル４２が内部で形成された状態の連続基板としてウェハ４０を製造する。

【0041】

図６は、一例による、アンテナ装置１０のウェハ４０上の連続するタイルの例示的なレイアウトを図示する。タイル４２－ｉ、４２－（ｉ＋１）、及び４２－（ｉ＋２）は、隣接するタイル間にソーストリート５５を有するウェハ４０の所与の行内に配置される。各タイル４２は、複数の相互接続されたサブ回路４８－１～４８－ｗを有してもよく、これは、従来のデバイスを形成するために、領域６６に沿って（及びソーストリート５５に沿って）ウェハからダイシングされて、基板に再度取り付けられ得る、個々のチップを形成し得る。本実施形態では、チップは、ダイシングされず、４２－ｉなどの各タイルは、４９－１及び４９－２などの複数のウェハ上の合成器／分配器を有し得る。

【0042】

図７Ａは、インターポーザ３０を使用して相互接続された、図６の４２－ｉなどの同じタイル内のサブ回路４８の間の例示的な接続及び信号の流れを概略的に例解する。図７Ｂは、この実施例の機能ブロック図である。送信方向において、サブ回路４８－ｊから出力されたＲＦ信号は、インターポーザ３０内の合成器／分配器３５の経路３５ｃと３５ｄとの間に分配される。分配された信号は、それぞれの経路７２２、７２４を通して（例えば、ビア遷移８２）ウェハ４０に戻るように再ルーティングされ、これは、それぞれ、点ｐ６及び点ｐ７においてウェハ上の分配器４９－１、４９－２に接続する。ウェハ上の分配器４９－１、４９－２は、各々複数の経路の間で信号を再度分配し、これらの分配された信号は、それぞれ、隣接するサブ回路対（４８－（ｊ－２）、４８－（ｊ－１））及び（４８－（ｊ＋１）、４８－（ｊ＋２））に提供される。各サブ回路４８は、経路７１３によって図示されるように、入力信号を変換し、インターポーザ３０を通して変換された信号をアンテナ要素２２に出力し得る。往復信号流量は、受信方向において発生し得る。

【0043】

図８は、一実施形態による、異なるタイルのサブ回路とアンテナ装置１０内のタイルにわたる信号ルーティングとの間の例示的な接続構成を概略的に例解する。送信方向において、タイル４２－（ｉ＋１）のサブ回路４８－Ｐが起源であるＲＦ信号は、インターポーザ３０を通して出力され、合成器／分配器３５の経路３５ｆと３５ｇとの間で分配される。経路３５ｆは、ソーストリート５５にわたって横断し、ビア遷移８２を通して隣接するタイル４２－ｉのウェハ上の分配器４９－ｕに接続する。経路３５ｇは、タイル４２－（ｉ＋１）にわたって横断し、別のビア遷移８２を通してウェハ上の分配器４９－ｖに接続する。ウェハ上の分配器４９－ｕ、４９－ｖは、変換のために隣接するサブ回路４８間で再度信号を分配し、アンテナアレイ２３に出力する。往復信号は、受信方向に流れることができる。

【0044】

図９は、アンテナ装置１０の一実施形態による信号ルーティング例とともに、例示的なタイルレイアウトを例解する。この実施例では、ウェハ４０は、６０のタイル４２－１～４２－６０のグリッドレイアウトを含み、１つのタイルが、正方形プロファイルの各角部から省略されている。４２－ｊ（ｊ＝１～６０の任意の数）などの各タイルは、同一の設計を有し、かつＲＦ前端部回路を有するサブ回路４８－１～４８－１６、及び中間増幅を提供するための中間増幅器６２を有する別のサブ回路６５（以下、単に「増幅器６５」）を含み得る。各サブ回路４８は、ビア遷移７２を通してそれぞれのアンテナ要素２２に接続するために、上記で説明したような一組の接点５１を含み得る。図９の太い線は、インターポーザ３０内の例示的な合成器／分配器３５の経路を表す。ウェハ４０の集中した縁部付近のインターポーザ３０内に位置付けられたＲＦ Ｉ／Ｏ接続点ｐ４は、入力経路３５ａに接続する。入力経路３５ａは、インターポーザ３０の集中点ｐ８に延在し、そこで左側及び右側タイル４２に供給するために分配される。送信経路の実施例では、送信信号は、合成器／分配器３５から各側部上のタイル４２の増幅器６５－１にビア遷移８２によって再ルーティングされる。そこで、上部象限及び下部象限のタイルに向かう点ｐ９における更なる分配のために、別のビア遷移８２によって、合成器／分配器３５に増幅及びルーティングされる。下流で、合成器／分配器３５による更なる分配、及び６５－２などの増幅器による増幅は、必要に応じて、又は所望により発生して、分配された送信信号を適切なレベルに修復し得る。

【0045】

タイル４２－ｊの拡大図で見られるように、タイル４２－ｊに対応する送信信号は、インターポーザ３０から、ビア遷移８２を通して中間増幅器６５にルーティングされ、かつ増幅され得る。増幅された出力は、合成器／分配器３５まで最大戻るようにルーティングされ得、２つの経路に分配され得、そのうちの１つは、エンドポイント３５ｅｊで終端し得る。そこで、別のビア遷移８２が、信号をウェハ上の合成器／分配器４９－ｊに戻すようにルーティングし得る。この例では、合成器／分配器４９－ｊは、アンテナ要素２２を通る送信のためにそれぞれのサブ回路４８－１～４８－１６に接続された１６の終端点を有する、１：１６の電力分配器／合成器である。往復動作は、アンテナ要素２２からの受信経路で発生し得る。同一の１つ以上の増幅器６５が、各タイル４２内に提供され得るが、いくつかの増幅器６５は、能動的に使用され得、一方で他の増幅器は、未使用（非接続及び／又はオフ）であることに留意されたい。どの増幅器６５を使用するかの選択、及び変数増幅のためにそれらを付勢する方法は、タイル４２の全体的なレイアウト及びアンテナアレイ２３の開口部にわたる目標電界（アンテナ電流）分布に依存し得る。例えば、均一な電界分布を設計する代わりに、外部アンテナ要素が、より少ないＲＦ電力を供給して、下部サイドローブを有する目標アンテナパターンを実現し得る。

【0046】

図１０は、ストリップライン構造を備えるインターポーザを有するアンテナ装置１０を形成する例示的な方法のフロー図である。方法の様々なプロセス工程の順序は、所望により変更され得る。ウェハ４０は、図５に関して上記で説明したように、レチクルを使用して、複数のタイルで形成される（Ｓ１０２）。ストリップライン構造を備えるインターポーザ３０が形成され（Ｓ１０４）、インターポーザは、上部及び下部グランド平面、並びにビア（例えば、ブラインドビア８２ｓ、及びインターポーザの下部表面と上部表面との間に完全に延在する「完全なビア」８２ｇ１、７２ｓ、７２ｇ１、７２ｇ２）を含む。

【0047】

ウェハは、先に説明されたはんだボール接続スキーム（図２）又は直接取り付け方法（図３）のいずれかを使用して、インターポーザの下部グランド平面に取り付けられる（Ｓ１０６）。放射層２０の誘電体層は、上部グランド平面の上で成長し得る（Ｓ１０８）。誘電体層の材料は、層ごとに原子的に成長した空気／ハニカム材料であり得る。一度誘電体層が完了すると、アンテナ要素が、誘電体層の上に形成され得、プローブフィードビアが、誘電体層を通して形成され得（Ｓ１１０）、それにより、アンテナ装置１０の製造を完了する。プローブフィードビアは、一方の端部上でアンテナ要素の金属配線に接続し、反対側の端部上で、インターポーザ信号ビア７２ｓの上部金属配線に接続する。

【0048】

図１１は、図１０の方法のインターポーザを形成するための例示的なプロセス工程のフロー図であり、プロセスＳ１０４の一実施例を表す。この方法の様々なプロセス工程の順序は、所望により変更され得る。インターポーザの下部誘電体層が、提供される（Ｓ１１２）。下部誘電体層の上部表面は、合成器／分配器３５を形成するためにパターンで、金属配線される（Ｓ１１４）、及び下部誘電体層の底部表面は、信号ビア７２ｓ及び８２ｓのための開口部を有する下部グランド平面３９を形成するためにパターンで金属配線される。開口部は、信号ビアの下部グランド平面への短絡を防止する。それゆえ、各信号ビア７２ｓ及び８２ｓの領域において、金属配線パターンは、金属が除去された分離リングによって囲まれ、同様にして、グランド平面金属によって取り囲まれている、中央金属ディスク又はビアパッドのための正方形で形成され得る。

【0049】

合成器／分配器３５の点に接続された、ビア遷移８２のブラインドビア８２ｓが、形成され得る（Ｓ１１６）。次いで、ストリップラインの上部誘電体層は、下部基板の金属配線された上部表面上に形成されるか、又は取り付けられ得る（Ｓ１１８）。誘電体層の上部表面は、プローブフィードビアと信号ビア７２ｓとの間の分離された接続を可能にするために、同様の開口部を有する上部グランド平面を形成するためのパターンで金属配線され得る。次いで、ビア遷移７２及びビア遷移８２の完全なビア８２ｇ１のために穿孔され得、穴は、金属で充填されて、ビアの形成を完了し（Ｓ１２０）、それにより、インターポーザ３０の製造が完了する。

【0050】

上記で説明されるようなアンテナ装置の実施形態は、従来の設計と比較して、低いプロファイルで形成され、かつ優れた性能（例えば、より低い損失及びより高い周波数動作）を実現し得る。更に、構造は、促進された製造プロセスに適している。ビアを有するインターポーザを提供して、ソーストリート分離領域にわたってレチクル画像ベースのタイルを相互接続することにより、多数のビーム形成回路が、単一のウェハ内で内部形成され得る。それによって、ビームフォーミング回路を備えたアレイサイズのウェハは、ダイシング及び個々のチップを基板に再取り付けする必要なく、製造され得る。更に、合成器／分配器ネットワークに別途割り当てられたウェハ内の領域は、他の目的のために解放され得る。

【0051】

本明細書に記載の技術は、その例示的な実施形態を参照して特に示され説明されているが、以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって定義される特許請求の範囲に記載の主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細の様々な変更を行うことができることが当業者には理解されよう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【手続補正書】

【提出日】2021-11-03

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アンテナアレイを形成する複数のアンテナ要素（２２）を備える放射層（２０）と、
ビーム形成回路（４８）を各々有する複数のタイル（４２）を備える半導体ウェハ（４０）と、
多層インターポーザ（３０）であって、
前記ウェハに隣接する下部誘電体層（３１）と、
前記放射層に隣接する上部誘電体層（３３）と、
前記下部誘電体層と上部誘電体層との間にある金属層（３７）であって、複数の導電性トレース（３５）を備える金属層（３７）と、
前記上部誘電体層及び下部誘電体層の両方を通って延在し、前記ビーム形成回路を前記複数のアンテナ要素に電気的に接続する複数の第１のビア（７２）と、
前記ビーム形成回路と前記導電性トレースとの間に延在して、前記複数のタイルを相互接続する複数の第２のビア（８２）と、を備える多層インターポーザと、を備えるアンテナ装置（１０）であって
前記複数のタイルの各々は、同一のレチクル生成画像（９１）によって形成された同一の回路構成を有する、アンテナ装置（１０）。

【請求項2】

前記ウェハは、前記複数のタイルを互いに分離するソーストリート（５５）を更に備える、請求項１に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項3】

前記第１のビアは各々、グランド－信号－グランド（ＧＳＧ）ビア遷移の信号ビア（７２ｓ）であり、前記信号ビアの一方の側部に第１のグランドビア（７２ｇ１）を備え、前記信号ビアの他方の側部に第２のグランドビア（７２ｇ２）を更に備える、請求項１に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項4】

前記多層インターポーザ（３０）は、前記第１の誘電体層、前記第２の誘電体層、前記ウェハと前記下部誘電体層との間の下部グランド平面（３９）、及び前記上部誘電体層と前記放射層との間の上部グランド平面（３６）を備えるストリップライン構造を有し、前記上部グランド平面は、前記アンテナ要素のためのグランド平面として機能し、
前記第１及び第２のグランドビアは、一方の端部で前記ウェハ上のそれぞれの第１及び第２のグランド接点（５１ｇ１、５１ｇ２）にそれぞれ接続されており、かつ反対側の端部で前記上部グランド平面にそれぞれ接続されている、請求項３に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項5】

前記第２のビア（８２ｓ）は、各々、ビア遷移の信号ビアであり、前記ウェハの第３のグランド接点を前記上部グランド平面に接続するグランドビア（８２ｇ１）、及び前記ウェハの第４のグランド接点を前記下部グランド平面に接続するグランド－グランド接続を更に含む、請求項４に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項6】

前記金属層の前記導電性トレースは、合成器／分配器ネットワーク（３５）の一部であり、前記合成器／分配器ネットワークは、前記インターポーザの入力／出力（Ｉ／Ｏ）接続点（Ｐ４）で受信された無線周波数（ＲＦ）送信信号を、前記合成器／分配器ネットワークのそれぞれのエンドポイント（３５ｅ）にある前記第２のビアのうちのそれぞれ１つを使用して、前記ビーム形成回路のうちの１つ以上に各々ルーティングされた複数の分配されたＲＦ送信信号に分配する、請求項１に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項7】

前記ＲＦ送信信号は、前記インターポーザ内で更なるビア（８２）を使用して、前記ウェハ上の接続点から前記Ｉ／Ｏ接続点で受信される、請求項６に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項8】

前記分配された送信信号の各々は、前記合成器／分配器ネットワークの前記それぞれのエンドポイントで前記複数のタイルのそれぞれのタイルにルーティングされ、
前記それぞれのタイルは、ウェハ上の合成器／分配器を更に備え、前記ウェハ上の合成器／分配器は、前記それぞれのエンドポイントに電気的に接続されており、前記分配された信号を少なくとも２つの更に分配された信号に更に分配し、各更なる分配信号を前記それぞれのタイルの前記ビーム形成回路のうちのそれぞれ１つにルーティングする、請求項６に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項9】

前記複数の導電性トレースは、合成器／分配器ネットワーク（３５）を形成し、前記複数のタイルのうちの少なくとも１つは、中間増幅器を含み、前記中間増幅器は、前記インターポーザ内の別のビアを通して、前記合成器／分配器ネットワークの中間点から／への、前記合成器／分配器ネットワークによってルーティングされた送信信号又は受信信号を増幅し、かつ前記増幅された送信又は受信信号を、更なるビア（８２）を通して前記合成器／分配器に戻すように出力する、請求項１に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項10】

前記複数の導電性トレースは、合成器／分配器ネットワーク（３５）を形成し、前記複数のタイルの各々は、中間増幅器（６５）を含み、前記中間増幅器は、入力側で前記インターポーザ内の別のビア（８２）を通して、前記合成器／分配器のそれぞれの中間点に接続可能であり、かつ出力側で更なるビアを通して、前記合成器／分配器の別のそれぞれの中間点に接続可能であり、各中間増幅器は、前記合成器／分配器ネットワークによってルーティングされた送信信号又は受信信号を選択的に増幅するように構成されている、請求項１に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項11】

前記複数の導電性トレースは、合成器／分配器ネットワーク（３５）を形成し、前記合成器／分配器ネットワークは、前記アンテナ要素によって受信されかつ前記ビーム形成回路によって調整された複数の無線周波数（ＲＦ）受信信号を、前記ウェハ上の接続点に至る前記インターポーザ内の更なるビアを使用して、合成されたＲＦ受信信号出力に合成する、請求項１に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項12】

前記第１のビア又は前記第２のビアのうちのそれぞれ１つを前記ウェハに各々電気的に接続する複数のはんだバンプ（５９）を更に備える、請求項１に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項13】

前記ウェハは、前記多層インターポーザに直接ボンディングされている、請求項１に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項14】

前記放射層は、前記インターポーザ上で成長し、前記アンテナ要素を支持する空気誘電体材料を含む、請求項１に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項15】

前記アンテナ要素は、前記第１のビアのうちの１つに電気的に接続されたプローブフィード（２７）によって各々駆動されるパッチアンテナ要素である、請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項16】

アンテナアレイを形成する複数のアンテナ要素（２２）を備える放射層（２０）と、
複数の無線周波数（ＲＦ）ビーム形成回路（４８）を備える半導体ウェハ（４０）であって、前記複数の無線周波数（ＲＦ）ビーム形成回路は各々が、前記半導体ウェハ内に内部形成されたトランジスタ領域を有し、各ビーム形成回路は、少なくとも１つの位相シフタ（５４）、並びに送信経路増幅器（５２）及び受信経路増幅器（５２）のうちの少なくとも１つを含む、半導体ウェハ（４０）と、
多層インターポーザ（３０）であって、
前記基板に隣接する下部誘電体層（３１）と、
前記放射層に隣接する上部誘電体層（３３）と、
前記下部層と上部層との間にある金属層（３７）であって、前記複数のＲＦビーム形成回路と前記インターポーザの入力／出力接続点（Ｐ４）との間で信号を合成及び／又は分配する合成器／分配器ネットワーク（３５）を形成する複数の導電性トレースを含む金属層（３７）と、
前記上部層及び下部層の両方を通って延在し、前記複数のＲＦビーム形成回路を前記複数のアンテナ要素に電気的に接続する複数の第１のビア（７２）と、
前記ＲＦビーム形成回路と前記導電性トレースとの間に延在する複数の第２のビア（８２）であって、前記第２のビアのうちのいくつかが、前記ＲＦビーム形成回路を通して前記アンテナ要素を前記合成器／分配器ネットワークと相互接続する、複数の第２のビア（８２）と、を備える多層インターポーザ（３０）と、を備えるアンテナ装置（１０）であって、
前記ウェハは、少なくとも１つの中間増幅器（６２）を含み、前記中間増幅器は、前記合成器／分配器ネットワークの中間点から／に、前記第２のビアのうちの別の１つを通してルーティングされた送信信号又は受信信号を増幅し、かつ前記第２のビアのうちの更なる１つを通して、前記増幅された送信又は受信信号を、前記合成器／分配器ネットワークに戻すように出力する、アンテナ装置（１０）。

【請求項17】

前記多層インターポーザは、ストリップライン構造を有し、前記ストリップライン構造は、前記第１の誘電体層、前記第２の誘電体層、前記ウェハと前記下部誘電体層との間の下部グランド平面（３９）、及び前記上部誘電体層と前記放射層との間の上部グランド平面（３６）を備え、前記上部グランド平面は、前記アンテナ要素のためのグランド平面として機能する、請求項１６に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項18】

前記合成器／分配器ネットワークは、前記合成器／分配器ネットワークのそれぞれのエンドポイントで、送信信号を複数の分配送信信号に分配し、
前記分配された送信信号の各々が、前記エンドポイントのうちのそれぞれ１つで前記ウェハにルーティングされ、
前記ウェハは、ウェハ上の複数の合成器／分配器（４９）を更に備え、前記複数の合成器／分配器の各々は、前記エンドポイントのうちの１つにそれぞれ電気的に接続されており、前記分配された送信信号を、少なくとも２つの更なる分配信号に更に分配し、各更なる分配信号を前記ＲＦビーム形成回路のうちのそれぞれ１つにルーティングする、請求項１６に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項19】

前記送信経路増幅器及び前記受信経路増幅器の各々は、ミリメートル波増幅器である、請求項１６に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項20】

前記多層インターポーザは、石英又は溶融シリカから構成されている、請求項１６に記載のアンテナ装置（１０）。

【請求項21】

アンテナ装置（１０）を製造する方法であって、
半導体ウェハ（４０）の複数の領域の各々に同一のレチクル画像（９１）を順次適用し、それにより、各領域内のそれぞれのタイル（４２）を形成する工程であって、各タイルは、前記ウェハ内にイオン注入されたトランジスタ領域及び前記ウェハの表面上に金属配線パターンを有する無線周波数（ＲＦ）ビーム形成回路（４８）を備える、工程と（Ｓ１０２）、
インターポーザ（３０）を前記ウェハに取り付ける工程（Ｓ１０４、Ｓ１０６）であって、前記インターポーザは、前記ウェハに隣接する下部誘電体層と、上部誘電体層と、前記下部誘電体層と前記上部誘電体層との間の金属層と、を含み、複数の導電性トレースと、前記上部層及び下部層の両方を通って延在する複数の第１のビアと、前記インターポーザの下部表面と前記金属層との間に延在して、前記複数のタイルを相互接続する複数の第２のビアと、を備える、工程（Ｓ１０４、Ｓ１０６）と、
複数のアンテナ要素を含む放射層を、前記インターポーザの上部表面に取り付ける工程であって、その結果、前記アンテナ要素が、前記複数の第１のビアを通して前記ＲＦビーム形成回路に電気的に接続される（Ｓ１０８、Ｓ１１０）、工程と、を含む方法。

【請求項22】

前記放射層を前記インターポーザの上部表面に取り付ける前記工程は、
前記インターポーザ上に空気誘電体材料を成長させること（Ｓ１０８）と、
第１の端部で電気的に接続された前記成長空気誘電体材料内のプローブフィードビア（２７）を前記第１のビアのうちのそれぞれ１つに形成すること（Ｓ１１０）と、
前記空気誘電体材料上又は前記空気誘電体材料内に、前記プローブフィードビアの反対側の端部に電気的に接続された前記アンテナ要素を形成すること（Ｓ１１０）と、を含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項23】

前記ウェハにインターポーザを取り付ける前記工程は、前記インターポーザの前記下部表面、及び／又は前記ウェハに複数のはんだバンプ（５９）を取り付けることと、前記複数のはんだバンプの反対側に、前記ウェハ及び前記インターポーザの各々の電気接点（５１）をはんだ付けすることと、を含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項24】

基板にインターポーザを取り付けることが、直接結合インターフェース結合法を使用して、前記インターポーザの前記下部表面を前記ウェハの主要な表面（４１）に直接取り付けることを含む、請求項２１に記載の方法。

【国際調査報告】