JP7011806B2 - 誘電体材料評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、チタン酸バリウムに代表される半導体セラミックス等、誘電体材料の誘電特性を計測するための誘電体材料評価装置に関する。

スマートフォンのような移動体通信機器の小型化、高性能化に伴い、マイクロ波回路構成用の誘電体基板の物性値、特に比誘電率といった誘電定数の高精度な計測の必要性が急速に高まっている。
特許文献１には、第１、第２の誘電体基板にリング状の共振器を一体的に形成し、両者の共振周波数、無負荷Ｑ値を計測することにより、誘導体基板の電磁気的物性値を求めることが記載されている。
特許文献２には、誘導体支持基板上にリング状の間隙により内側導体と外側導体に分割された導体膜と、この導体膜の上面、下面に積層された誘導体薄膜を設け、内側導体、外側導体の一方から他方に向けて電界を発生する共振モードを得ることにより比誘電率や誘導正接の計測を高精度化することが記載されている。

特許第４３７３９０２号公報 特許第４５４０５９６号公報

しかし、特許文献１、２の計測装置では、予め、専用のリング状共振器を備えた計測対象を作成し、リング共振を発生させるための実験条件を模索する必要があり、時間やコストを要するばかりでなく、高精度な計測結果を得ることができないといった問題があった。

これに対する解決手段として、図１に示すように、リング共振器ａの上に計測対象物である誘電体材料（ＤＵＴ）を設置することで、実効比誘電率を変化させ、共振周波数の変化をみる手法が考えられる。
しかしながら、計測対象物の誘電率が高い場合、特に比誘電率が２０以上の場合には、リング共振器ａのリング回路における実効比誘電率が大きく変化するため、特性インピーダンスのずれによって、式（１）に従って回路での反射の影響が大きくなり、精度の高い計測ができず、比誘電率の評価値に５０％程度の誤差が発生する場合もあった。

なお、Γは反射係数、Ｚ₀は線路の特性インピーダンス（通常５０Ω）、Ｚは誘電体設置部の特性インピーダンスである。

そこで、本発明の目的は、小型で、しかも比誘電率が高い計測対象物であっても、その実効比誘電率、比誘電率を正確に簡便に計測可能とすることにある。

上記の課題を解決するため、本発明の比誘電率計測装置は、支持基板と、支持基板上に形成された少なくともの２本の導線路であって、互いに交差し、一方に計測対象の基板が載置されるとともに、他方が計測対象の基板から隔離されている少なくともの２本の導線路と、他方の導線路の両端に設けられた、プローブが接続される入力側ポート及び出力側ポートとから構成される。

本発明によれば、小型で誘電率が高い計測対象物であっても、支持基板上に形成された導線路の一方に、他方の導線路から隔離されるよう配置するだけで、比誘電率を正確かつ簡便に計測・評価することが可能となる。

図１は、リング共振器ａ上にＤＵＴを設置することで、実効比誘電率を変化させ、共振周波数の変化を計測する場合の問題点を示す図である。 図２は、実施例１の基本構成を示す図である。 図３は、入力側ポート３ａから出力側ポート３ｂに到る高周波信号のルートを示す図である。 図４は、実施例２によるＤＵＴ４の支持構造を示す図である。 図５は、実施例３に基づいてコプレーナ線路を採用した場合の利点を示す図である。 図６は、実施例４に基づく回路構造を示す図である。 図７は、本発明に基づく実験装置の概要を示す図である。 図８は、その実験結果を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

［実施例１］
図２を用いて、実施例の基本構成を説明する。
支持基板１の表面には、水平線路部２ａと、その中央部から垂直方向に延びる垂直線路部２ｂとからなるＴ字型導線路２が形成されている。なお、支持基板１は、例えばアルミナからなり、Ｔ字型線路２は金メッキなどにより形成されている。
水平線路部２ａの両端にはプローブが電気的に接続される入力側ポート３ａ、出力側ポート３ｂが設けられており、垂直線路部２ｂには水平線路部２ａに接触しないよう、計測対象物ＤＵＴ４が載置される。
ここで、ＤＵＴ４がない状態（大気が誘電体）と比べて、誘電体材料であるＤＵＴ４がＴ字型導線線路２の水平線路部２ａ上に載置されることによって、回路の実効比誘電率が変化する。これにより、波長短縮効果により高周波信号の波長が変化する。
すなわち、図３に示すように、入力側ポート３ａから入力された高周波信号は、水平線路部２ａを通って直接出力側ポート３ｂに到るものと、一部ＤＵＴ４が載置され、波長短縮効果を受ける領域を含む垂直線路部２ｂを経由して出力側ポート３ｂに到るものとに分断される。
そこで、出力側ポート３ｂから出力される高周波を計測してＤＵＴ４の有無による共振周波数の変化量を評価することにより、下記の式（２）、（３）を用いて、ＤＵＴの実効比誘電率を算出することができる。
Ｌ＝(２ｎ－１)λ／４ ・・・・・・（２）
λ＝λ₀／(ε_eff) ^1/2 ・・・・・・（３）
ただし、Ｌは垂直部線路長、λは誘電体による波長短縮後の波長、λ₀は入射信号の波長、ε_effは実効比誘電率である。

一般的には、Ｔ字型導線路２により構成されるＴ型フィルター回路の共振は、式（２）を満たす波長（周波数）で発生するが、Ｔ字型導線路２とＤＵＴ４間の隙間、Ｔ字型導線路２におけるＤＵＴ４の配置のずれなどの外乱があるため、必ずしも式（２）により正確な実効比誘電率ε_effを得ることができない場合がある。
そこで本実施例では、比誘電率が既知の標準試料を用いて得られた検量線と共振周波数の計測結果に基づいて比誘電率の評価値を算出し、その結果が既知の比誘電率とどの程度ズレているかに基づいて評価を行うようにしている。

なお、水平線路部２ａと垂直線路部２ｂに載置されたＤＵＴ４との間隙ｄは、相互作用による寄生インピーダンスの影響を防止するため、最小でも１ｍｍ程度の間隙が必要である。
また、この実施例では、ＤＵＴ４の中心線を垂直線路部２ｂに合わせるとともに、上辺が水平線路部２ａと平行になるように載置しているが、ＤＵＴ４が垂直線路部２ｂを覆っており、上記のとおり、水平線路部２ａとの間隙が所定値以上であれば、ＤＵＴ４の中心線が垂直線路部２ｂに対して多少傾斜していても計測精度に大きな影響はない。ただし、上述のように検量線を用いた補正を行う場合には、計測精度を一定に維持するため、水平線路部２ａ、垂直線路部２ｂに対する標準試料と計測対象のＤＵＴ４の配置は常時同一とし、一定に維持する必要がある。

［実施例２］
ＤＵＴ４と、支持基板１上のＴ字型導線路２との間に、Ｔ字型導線路２の厚さ、設置時の押し付け圧、両者の表面粗さなどに起因した空隙（エアギャップ）は計測誤差の原因となる。
そこで、本実施例では、図４に示すように、台座５に支持基板１を支持する治具６を設け、支持基板１に貫通孔７ａ、７ｂを形成する。ＤＵＴ４を、貫通孔７ａ、７ｂを覆うように載置し、治具６により形成される空間を真空引きし、その吸引圧を一定にすることで、ＤＵＴ４が支持基板１に密着した状態としてエアギャップを限りなく零に近い一定の値に維持することで計測誤差を最小限にすることができる。

［実施例３］
本実施例では実施例２に加え、Ｔ字型導線路２に２本のスロットを備えたコプレーナ線路を採用することで、より高精度な実効比誘電率の解析を可能とする。
すなわち、図５に示すように、実施例１や実施例２のように、Ｔ字型導線路２にマイクロストリップ線路を採用した場合の実効比誘電率ε_effは、下記の式（４）により算出する必要がある。なお、式中、ε_rは計測対象の誘電体材料である基板の比誘電率、ｈは基板の厚さ、ＷはＴ字型導線路２の線路幅である。

これに対し、コプレーナ線路を採用すると、図５に示したとおり電界は上部誘電体と基板に均一に分布する。そのため、下記の式（５）に基づき、誤差の原因となるパラメータが少ない、シンプルな演算式により実効比誘電率を高精度に解析することが可能となる。

また、マイクロストリップ線路では線路の厚み分だけ支持基板１とＤＵＴ４の間に隙間ができるため、実施例２において貫通孔を設けて真空引きした場合もよりＤＵＴ４とＴ字型導線路２との間に空隙ができやすくなる。コプレーナ線路ならばより安定的に吸着をさせることができるため、マイクロストリップ線路よりも安定的な空隙を得ることが可能となる。

［実施例４］
本実施例では、図６に示すように、実施例３に示したコプレーナ線路構造において、線路２ｂの先にインダクタンスを接続した回路構造をしている。線路のキャパシタンスＣ₁と、インダクタンスＬとその先に直列接続したキャパシタンスＣ₂の並列接続した等価回路を想定する。この等価回路においては２つの共振が得られ、それぞれの共振周波数をω_r1、ω_r2とする。この時、ω_r1はＣ₁を含まない。線路のキャパシタンスＣ₁はその上に設置されるＤＵＴ４の設置位置によって変化してしまう。すなわち、線路２ｂ中でＤＵＴ４によって覆われる線路長によってＣ₁の値は変化する。したがって、Ｃ₁を含まないω_r1を用いることによって、支持基板１におけるＤＵＴ４の位置依存性を低減できる。

［実施例５］
本実施例では、入力信号を入力側ポート３ａから入射してから同ポートに戻る信号（反射係数）の大きさを時間領域で解析する、時間領域（ＴＤ）解析を採用する。各時間における信号量を解析することで、回路上のどの位置に反射点があるか解析することができ、ＤＵＴ４直下の回路を通った信号が小さければ、共振周波数のシフトが小さくなるので、本実施例では、Ｔ字垂直部の奥まで通った信号（実際にＤＵＴ直下の回路を通った信号）の大きさを用いて、共振周波数を補正する。

ここで、本発明を用いた比誘電率についての実験およびその評価結果を図７、図８を用いて説明する。本実験では、図７に示すようにベクトルネットワークアナライザＥ８３６１Ａと１ｍｍ周波数拡張ユニットを用いた。測定周波数は１０ＭＨｚ～１１０ＧＨｚ、ＩＦバンドワイドは１００Ｈｚ、ソースパワーは－１７ｄＢｍとした。
公称比誘電率ε_r,normが９.８，３８，１１０の材料をＤＵＴ４として設置し、透過係数を計測し得られる複数の共振のうち、最も低周波帯における共振周波数を第一共振周波数ｆ_r,1st,εrとした。
次に反射係数のＴＤ解析を行ない、０.１－０.３ｎｓｅｃの範囲で得られる極大値Ａ_εrを得る。また、ＤＵＴ４を設置しない場合のｆ_r,1st,1及びＡ₁も得る。空気の比誘電率は１であるため、比誘電率１の評価結果に相当する。
そして、式（６）に基づいて修正した共振周波数ｆ_{r,1st,εr,mod}を得る。
ｆ_{r,1st,εr,mod}＝ｆ_r,1st,εr×Ａ_εr／Ａ₁ （６）
得られたｆ_{r,1st,εr,mod}を公称比誘電率の平方根√ε_r,normに対してプロットし線形近似により検量線（ｙ＝Ａｘ＋Ｂ）を得る。
そして、下記の式（７）によって比誘電率の評価値ε_r、evalを得る。
ε_r,eval＝((ｆ_{r,1st,εr,mod}‐ｂ)／ａ)² （７）
ε_r,evalとε_r,normの差分を評価誤差として取り扱ったところ、図８に示すように比誘電率３８のＤＵＴでも±１の範囲で評価が可能であった。

以上説明したように、本発明によれば、小型で誘電率が高い計測対象物であっても、支持基板上に形成された導線路の一方に、他方の導線路から隔離されるよう配置するという簡便な操作で基板の比誘電率を正確に計測することができるので、半導体製造工程などで広く採用されることが期待できる。

１・・・支持基板
２・・・Ｔ字型導線路
２ａ・・・水平線路部
２ｂ・・・垂直線路部
３ａ・・・入力側ポート
３ｂ・・・出力側ポート
４・・・ＤＵＴ
５・・・台座
６・・・治具
７ａ、７ｂ・・・貫通孔

Claims (6)

1. 支持基板と、
   前記支持基板上に形成された２本の導線路であって、互いに交差し、一方に計測対象の誘電体材料が載置されるとともに、他方が前記誘電体材料から隔離されている導線路と、
   前記他方の導線路の両端に設けられた、プローブが接続される入力側ポート及び出力側ポートとを備えていることを特徴とする誘電体材料評価装置。
2. 前記導線路に対し、予め比誘電率が既知である誘電体材料を載置して求めた検量線に基づいて、計測対象の誘電体材料に対する計測結果の評価値を算出する算出手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載された誘電体材料評価装置。
3. 台座上に配置した治具により前記支持基板を支持させ、該支持基板に形成した貫通孔を介して計測対象の誘電体材料を吸着することにより、前記支持基板との間隙を均一化することを特徴とする請求項１または請求項２に記載された誘電体材料評価装置。
4. 前記導線路を２本のスロットを備えたコプレーナ線路としたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載された誘電体材料評価装置。
5. 前記コプレーナ線路のキャパシタンスＣ１を、インダクタンスＬとその先に直列接続したキャパシタンスＣ２に対し並列接続した等価回路としたことを特徴とする請求項４に記載された誘電体材料評価装置。
6. 前記入力側ポートから入射し、この入力側ポートに戻る信号の大きさを時間領域で解析し、計測対象の誘電体材料に対する計測結果の評価値を算出する算出を補正する補正手段を備えていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載された誘電体材料評価装置。

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