KR100420098B1 - Radio frequency element using Micro Electro Mechanical System and Method of manufacturing the same - Google Patents

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KR100420098B1 KR10-2001-0058641A KR20010058641A KR100420098B1 KR 100420098 B1 KR100420098 B1 KR 100420098B1 KR 20010058641 A KR20010058641 A KR 20010058641A KR 100420098 B1 KR100420098 B1 KR 100420098B1
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    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators

Abstract

초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치는, 전기적 절연을 위한 절연층이 적층된 실리콘 기판 또는 내화물질의 금속 소재를 이용한 IC가 내장된 기판과, 상기 절연층 상부에 형성되고, 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 되는 제1외부신호단과 연결된 제1신호선과, 상기 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 되는 제2외부신호단과 연결되고, 제1신호선과의 물리적 접촉을 통하여 신호를 스위칭할 수 있는 제2신호선과, 상기 제2신호선을 구동하여 스위칭할 수 있게 하는 멤브레인, 하부전극, 압전요소, 상부전극으로 구성된 적어도 하나 이상의 압전 구동부와, 상기 제2신호선과 압전 구동부를 기판에 연결하는 지지부로 구성되어 있다.A piezoelectric drive high frequency switch using a micro electromechanical system includes a silicon substrate having an insulating layer laminated thereon for electrical insulation or a substrate in which an IC using a metal material of refractory material is embedded, and a signal to be transmitted and formed on the insulating layer. A first signal line connected to a first external signal terminal serving as an input terminal or an output terminal of the first signal line, and a second external signal terminal serving as an input terminal or an output terminal of the signal to be transmitted, and switching a signal through physical contact with the first signal line At least one piezoelectric driver including a second signal line, a membrane, a lower electrode, a piezoelectric element, and an upper electrode to drive and switch the second signal line, and a support part connecting the second signal line and the piezoelectric driver to a substrate. Consists of

Description

초소형 전기기계 시스템을 이용한 고주파 소자 및 그 제조 방법{Radio frequency element using Micro Electro Mechanical System and Method of manufacturing the same}Radio frequency element using Micro Electro Mechanical System and Method of manufacturing the same

본 발명은 기존의 초소형 전기 기계 시스템(Micro Electro Mechanical System : MEMS)의 온도에 대한 기술적인 제한, 예를 들면, 폴리실리콘의 스트레스 해소를 위한 열처리 공정에서 1000℃이상의 고온공정이 필요하기 때문에 한계로만여겨지던 IC회로소자와의 집적화(Monolithic Integration)를 이루기 위한 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 고주파(Radio Frequency) 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention is limited to the technical limitations on the temperature of the conventional micro electro mechanical system (MEMS), for example, a high temperature process of 1000 ° C. or higher is required in the heat treatment process for stress relief of polysilicon. The present invention relates to a radio frequency device using a microelectromechanical system for achieving integration with a considered IC circuit device, and a method of manufacturing the same.

기본 IC회로의 금속배선은 알루미늄을 주재료로 사용하고 있기 때문에 기존의 MEMS 기술에서 요구되는 고온공정(500℃ 이상)과 호환이 될 수 없다. 또한 IC회로로 사용하는 CMOS회로 소자인 경우, n형태 우물(well)과 p형태 우물간의 고온(900℃)에서의 확산으로 인한 소자의 특성 저하가 현재의 IC회로 기술의 한계이다.The metal wiring of the basic IC circuit is not compatible with the high temperature process (above 500 ℃) required by existing MEMS technology because aluminum is used as the main material. In addition, in the case of a CMOS circuit element used as an IC circuit, deterioration of device characteristics due to diffusion at high temperature (900 ° C) between an n-type well and a p-type well is a limitation of current IC circuit technology.

이러한 문제점을 극복하기 위한 미국의 샌디아(Sandia) 국립 연구소에서 개발한 집적화 기술을 살펴보면, 고온공정을 사용하는 MEMS 소자를 트랜치(trench) 기술로 선행하여 제조한 후에 IC회로 소자를 후속으로 제조하는 기술을 제안하였다.Looking at the integration technology developed by Sandia National Laboratories of America to overcome this problem, the IC circuit device is subsequently fabricated after the MEMS device using the high temperature process is manufactured prior to the trench technology. Proposed technology.

이 기술에 의해 고온공정의 한계를 극복하는 것은 가능하나 다음과 같이 부수적으로 기술적인 어려움이 따른다.It is possible to overcome the limitations of the high temperature process by this technique, but there are additional technical difficulties as follows.

첫째, MEMS 소자와 IC회로 소자의 제조 영역을 나누어서 형성하여야 한다는 공간적인 제한점이 있다. 이 제한점은 단위 소자의 개발 시에는 적용이 가능하나 공간의 제한이 발생하는 배열(array)된 형태의 소자의 개발이나 여러 소자를 갖는 다목적 기능의 기술 개발시에는 적용될 수 없다.First, there is a spatial limitation that the manufacturing area of the MEMS device and the IC circuit device must be formed separately. This limitation can be applied in the development of unit devices, but not in the development of an array of devices in which space is limited or in the development of a multipurpose function technology having multiple devices.

둘째, 트랜치(Trench) 기술로 기판을 식각하여 형성된 공간에서 MEMS 소자를 형성하고 후속에 IC회로 소자를 형성하기 위해서는 이 공간을 다시 고온에서 안정화 시켜야 하는데 이러한 공정은 매우 까다롭고, IC회로 소자를 만들기 위해서는 기판의 평탄화 공정(Planarization Process)이 기술적 제한점으로 부각된다.Second, in order to form a MEMS device in a space formed by etching a substrate with trench technology and subsequently to form an IC circuit device, the space must be stabilized again at a high temperature. This process is very demanding and makes an IC circuit device. For this purpose, the planarization process of the substrate is a technical limitation.

셋째, 후속 공정인 IC회로 공정에서 IC 제조 공정상 고온 공정(예를 들면, Implantation에서 사용되는 활성화 열처리)을 포함하고 있기 때문에, MEMS 소자의 선택에 있어서도 고온 공정 하에 물성이 저하되는 물질을 사용할 수 없는 제한점이 있다. 따라서 압전 재료 또는 다른 센서 재료를 MEMS 소자에 사용할 수 없다.Third, since the IC circuit process, which is a subsequent process, includes a high temperature process (for example, an activation heat treatment used in implantation) in the IC manufacturing process, it is possible to use a material whose physical properties are deteriorated under the high temperature process even in the selection of a MEMS device. There are no restrictions. Therefore, no piezoelectric material or other sensor material can be used for the MEMS device.

기존의 MEMS 기술을 이용한 RF 분야의 소자로서는 RF 스위치, 가변용량 커패시터, RF 필터, 인덕터, 안테나 등이 있으며, 주로 무선통신과 국방분야에서 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 RF 스위치와 가변용량 커패시터는 무선통신 분야의 집중적인 관심을 받고 있다.RF devices, variable capacitance capacitors, RF filters, inductors, antennas, and the like in the RF field using the existing MEMS technology are mainly researched in the wireless communication and defense fields. In particular, RF switches and variable capacitance capacitors are receiving attention in the wireless communication field.

현재, RF 스위치로서 FET(Field Effect Transistor) 또는 핀(PIN) 다이오드와 같은 반도체 스위치들이 널리 사용되고 있다. 그러나 상기 반도체 스위치들은 작동할 때 전력손실이 크며, 완전한 절연이 이루어지지 않는 등의 문제점을 가지고 있으며, 이와 같은 반도체 스위치들의 문제점을 보완하기 위해 최근에 MEMS 스위치들에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.Currently, semiconductor switches such as field effect transistor (FET) or pin (PIN) diodes are widely used as RF switches. However, the semiconductor switches have problems such as high power loss when operating and not fully insulated, and researches on MEMS switches have been actively conducted to compensate for the problems of the semiconductor switches. .

MEMS를 이용한 RF 스위치의 개발은 소형화 및 저비용을 달성할 수 있고, 온-상태 및 오프-상태 임피던스 사이에 큰 다이나믹 영역을 제공하며, 특히, 수십 기가헤르츠(GHz)에서 0.5dB 이하의 낮은 삽입손실(insertion loss)과 30∼40dB의 높은 전기 절연(isolation) 등의 우수한 스위치 특성을 가지고 있으므로 최근 몇 년 동안 관심이 증대되고 있다.The development of RF switches using MEMS can achieve miniaturization and low cost, provide a large dynamic range between on-state and off-state impedances, especially low insertion loss of less than 0.5dB at tens of gigahertz (GHz). In recent years, attention has been increased due to excellent switch characteristics such as insertion loss and high electrical isolation of 30 to 40 dB.

MEMS을 이용한 RF 스위치에 사용되는 구동 메커니즘은 전자기(electromagnetic), 자기(magnetic), 압전(piezoelectric), 정전기(electrostatic) 등 다양하다. 이 중 대부분이 정전기력을 이용하는 방법으로서 보(beam)가 좌우로 움직이는 방식과 상하로 움직이는 방식이 있고, 이 방식은 직류전류가 흐를 수 있는가에 따라 직접 접촉식 스위치(direct contact switch)와 정전식 스위치(capacitive switch)로 구분된다.The driving mechanisms used for the RF switch using MEMS are various, such as electromagnetic, magnetic, piezoelectric, electrostatic, and the like. Most of these methods use the electrostatic force, and the beam moves from side to side and up and down, and this method is a direct contact switch and a capacitive switch depending on whether DC current can flow. It is divided into (capacitive switch).

종래의 정전기력을 이용한 MEMS 스위치는 캔틸레버(cantilever) 스위치, 멤브레인(membrane) 스위치, 가변 커패시터(tunable capacitor)형 스위치 등이 있다.Conventional electrostatic force MEMS switches include cantilever switches, membrane switches, tunable capacitor switches, and the like.

일반적인 정전기력을 이용한 캔틸레버 스위치의 단면도를 도 1에 나타내었다.1 is a cross-sectional view of a cantilever switch using a general electrostatic force.

도 1을 참조하면, 정전기력을 이용한 캔틸레버 스위치(100)의 간단한 동작원리는 상부전극(105)에 전압이 인가되면 상부전극(105)과 하부전극(102) 사이의 정전기력에 의해 캔틸레버(104)가 하부전극(102)으로 인력이 작용해서 캔틸레버(104)가 휘어지게 된다.Referring to FIG. 1, a simple operation principle of the cantilever switch 100 using electrostatic force is that when the voltage is applied to the upper electrode 105, the cantilever 104 is prevented by the electrostatic force between the upper electrode 105 and the lower electrode 102. The attractive force acts on the lower electrode 102 and the cantilever 104 is bent.

그러면, 캔틸레버(104) 아래의 접촉금속(107)에 의해 신호라인(106)이 서로 연결이 된다. 이것이 스위치의 온-상태가 되고 반대로 오프-상태는 상부전극(105)에 인가된 전압을 영으로 하면 캔틸레버(104)와 하부전극(102) 간의 인력이 사라지고 캔틸레버(104)의 스프링 복원력에 의해 캔틸레버(104)가 올라가서 두 신호라인(106)을 연결하던 접촉금속(107) 떨어져서 오프-상태가 된다.Then, the signal lines 106 are connected to each other by the contact metal 107 under the cantilever 104. This is the on-state of the switch, and in the off-state, when the voltage applied to the upper electrode 105 is zero, the attraction force between the cantilever 104 and the lower electrode 102 disappears and the cantilever is released by the spring restoring force of the cantilever 104. 104 is raised to be off-state away from the contact metal 107 connecting the two signal lines 106.

그러나 상기 언급된 정전기력을 이용한 RF 스위치는 정전기력을 이용한 스위칭 방식 때문에 발생하는 전극 간의 표면 대전(surface charge)에 의한 스틱션(stiction), 접촉금속과 신호라인 간의 높은 전류가 흘려서 야기되는 용접(welding), 그리고 오프-상태에서 신호라인으로 인가되는 RF 신호에 의해서 캔틸레버가 원하지 않는 정전기력의 발생으로 아래로 휘어지게 되는 자가 구동(self acutation)의 문제점들이 있다.However, the above-mentioned electrostatic force RF switch has a stiction due to surface charge between electrodes caused by the electrostatic force switching method, and welding caused by high current flow between the contact metal and the signal line. In addition, there are problems of self acutation in which the cantilever is bent downward due to the generation of unwanted electrostatic force by the RF signal applied to the signal line in the off-state.

이러한 문제점들을 해결하기 위해서는 스틱션과 자가 구동의 영향을 받지 않을 정도의 높은 강성(stiffness)을 갖는 캔틸레버를 만들어야 하며, 이로 인해 10내지 100 볼트의 구동전압이 필요로 한다. 따라서, 현재의 정전기력을 이용한 RF MEMS 스위치는 5볼트 미만의 전원을 요구하는 상용 무선통신 시스템에서는 적용되지 못하고, 국방분야에서만 제한적으로 응용되고 있다.To solve these problems, it is necessary to make a cantilever with a high stiffness that is not affected by stiction and self-driving, which requires a driving voltage of 10 to 100 volts. Therefore, the current RF MEMS switch using the electrostatic force is not applied in the commercial wireless communication system requiring a power supply of less than 5 volts, has been limited application in the defense field.

가변용량 커패시터는 정전용량을 변화시킬 수 있는 커패시터로 주로 통신 주파수 조정 등에 사용된다.Variable capacitance capacitor is a capacitor that can change capacitance, and is mainly used for adjusting communication frequency.

현재, 일반적으로 사용되는 가변용량 커패시터로는 세라믹을 유전체로 사용한 트리머(trimmer)가 사용되고 있다. 그러나, 이러한 벌크 형태의 세라믹 유전체를 사용하는 경우에도 크기의 최소화에 있어서 한계점이 있으며, 벌크 형태의 가변용량 커패시터를 포함한 소자들의 온어칩(on a chip)이 불가능하다는 단점이 있다.Currently, a trimmer using a ceramic as a dielectric is used as a variable capacitor used in general. However, there is a limitation in minimizing the size even when using such a bulk ceramic dielectric, there is a disadvantage that the on-chip of the element including the bulk-type variable capacitance capacitor is impossible.

최근, RF 및 밀리미터파(millimeter-wave) 대역을 사용하는 차세대 무선이동통신시스템이 급속히 증가함에 따라, 소자들의 온칩화가 가능한 집적(IC) 가변용량 커패시터의 필요성이 증가하고 있다. 가변용량 커패시터의 집적화에 대한 연구는 강유전체의 특성을 향상시키려는 화학적 접근방법과 미크론 수준의 동작을 가지는MEMS 소자를 이용하여 유전체층의 간극이나 면적을 조절하려는 물리적 접근방법이 있다.Recently, as the next generation wireless mobile communication system using RF and millimeter-wave bands is rapidly increasing, the necessity of an integrated (IC) variable capacitance capacitor capable of on-chip of devices is increasing. Research into the integration of variable capacitance capacitors includes chemical approaches to improve the characteristics of ferroelectrics and physical approaches to control gaps or areas of dielectric layers using MEMS devices with micron-level operation.

MEMS 기술을 이용한 집적 가변용량 커패시터는 CMOS공정기술과 호환성이 있으며, 일괄 공정을 통하여 대량 생산과 저가격화를 달성할 수 있고, 또한, 일반적인 IC 가변용량 커패시터인 집적회로 다이오드 바랙터에 비해 삽입손실(insertion loss)이 적고 정전용량의 변화폭이 넓으며 선형적인 변화를 갖는 등 성능면에서 뛰어나고 저전력을 소모하는 것을 특징으로 한다.Integrated variable capacitance capacitor using MEMS technology is compatible with CMOS process technology, can achieve mass production and low price through batch process, and also has insertion loss (compared to the integrated circuit diode varactor which is a general IC variable capacitance capacitor). It is characterized by excellent performance and low power consumption, such as low insertion loss, wide capacitance change, and linear change.

이러한 집적 가변용량 커패시터는 전압 제어 발진기(VCO; voltage controlled oscillator), 대역 통과 필터(BPF; band pass filter), 매칭 회로(Matching Circuit) 등에 응용될 수 있다.Such an integrated variable capacitance capacitor may be applied to a voltage controlled oscillator (VCO), a band pass filter (BPF), a matching circuit, and the like.

종래의 RF 분야의 전압제어발진회로에는 반도체 다이오드 바랙터가 주로 사용되며, 최근에는 MEMS 기술로 제작된 정전기력 구동방식의 가변용량 커패시터 등이 연구되고 있지만, 다음과 같은 문제점이 있다.A semiconductor diode varactor is mainly used for a voltage controlled oscillator circuit in the conventional RF field, and recently, a variable capacitance capacitor of an electrostatic force driving method manufactured by MEMS technology has been studied, but has the following problems.

도 2는 종래 기술에 따른 실리콘 웨이퍼에 집적된 반도체 바랙터(varactor)를 이용한 전압제어발진회로의 구성으로서, 이러한 전압제어발진회로는 p-n접합 다이오드 역방향 커패시턴스의 전압제어 특성을 이용한다.2 is a configuration of a voltage controlled oscillator circuit using a semiconductor varactor integrated in a silicon wafer according to the prior art, and the voltage controlled oscillator circuit uses the voltage control characteristic of a p-n junction diode reverse capacitance.

상기 바랙터는 직렬 저항 값이 커서 Q값이 낮기 때문에 주파수가 높아질수록 바랙터에 의한 VCO의 손실이 커지는 문제점이 있으며, 가변 커패시턴스 값의 범위가 전압인가 전 커패시턴스 값의 50%를 넘지 못하는 단점이 있다. 또한, 바랙터를 동작시키기 위해서는 DC전력 손실이 불가피하며, 바이어스 인가에 의한 소자의 열화로 RF 특성이 저하되는 문제가 있다.The varactor has a problem in that the loss of V CO caused by the varactor increases as the frequency increases, because the Q value is low because the series resistance is large, and the range of the variable capacitance value does not exceed 50% of the capacitance value before applying voltage. have. In addition, DC power loss is inevitable in order to operate the varactor, and RF characteristics are deteriorated due to deterioration of the device by bias application.

도 3은 기존의 MEMS기술로 구현된 가변 커패시터를 나타내는 도면으로서, (a)는 평면도, (b)는 단면도를 나타내는 바, 버클리(berkeley) 대학의 영(Darrin J. Young) 등에 의하여 알루미늄을 구조물 재료로 한 평판형 가변 커패시터를 나타낸다.3 is a view showing a variable capacitor implemented by the conventional MEMS technology, (a) is a plan view, (b) is a cross-sectional view, the structure of aluminum by Darrin J. Young of Berkeley University, etc. A flat plate type variable capacitor is shown as a material.

상기 소자는 실리콘 웨이퍼위에 CMOS와 호환성이 있는 전형적인 반도체공정을 사용하여 제작되는 바, 포토레지스트(photoresist, 이하 PR이라 함)를 희생층으로, 알루미늄을 구조층으로 증착하고 패터닝 및 에칭을 한 후, 이후 상기 희생층을 제거함으로써 4개의 스프링 역할의 지지부를 가진 평판형 가변 커패시터를 구현했다. 상기 소자는 하부전극과 상부 평판사이에 인가된 전위차에 의한 정전기력에 의해 평판 양단의 간격이 변화함으로써 커패시턴스 값을 변화시킬 수 있다.The device is fabricated using a typical semiconductor process that is compatible with CMOS on a silicon wafer, wherein photoresist (PR) is deposited as a sacrificial layer, aluminum is deposited as a structural layer, patterned and etched. Since the sacrificial layer was removed, a flat variable capacitor having four spring supporting members was implemented. The device may change the capacitance value by changing the distance between both ends of the plate due to the electrostatic force caused by the potential difference applied between the lower electrode and the upper plate.

이에 대한 수학식은 다음과 같다.Equation for this is as follows.

----- (1) ----- (One)

----- (2) ----- (2)

여기서 C는 커패시턴스 값, ε0는 진공 중에서의 유전상수, A는 평판의 면적, x는 하부 전극판과 상부 전극판사이의 간격, Fc는 정전기력, Vc는 두 평판 사이에 인가된 전압이다. 스프링에 의한 복원력에 대한 수학식은 다음과 같다.Where C is the capacitance value, ε 0 is the dielectric constant in vacuum, A is the area of the plate, x is the spacing between the lower and upper electrode plates, Fc is the electrostatic force, and Vc is the voltage applied between the two plates. The equation for the restoring force by the spring is as follows.

----- (3) ----- (3)

여기서, Ks는 스프링 상수, Δx는 초기 위치로부터의 변위이다.Where Ks is the spring constant and Δx is the displacement from the initial position.

상기 평판형 가변 커패시터는 약 900MHz이 주파수에서 2∼2.5pF 정도의 작은 커패시턴스 값을 갖고, 기계적 잡음에 둔감한 비교적 우수한 특성을 갖는 것으로 보고되었다. 결과적으로 상기 반도체 바랙터 다이오드와 비교하면 높은 Q값을 갖고 위상잡음이 작아서 전압제어발진회로에 적용시 성능개선의 효과가 있음을 알 수 있다.The planar variable capacitor has been reported to have a relatively small capacitance value of about 2 to 2.5 pF at a frequency of about 900 MHz and relatively insensitive to mechanical noise. As a result, compared with the semiconductor varactor diode, it has a high Q value and a small phase noise, so it can be seen that there is an effect of improving the performance when applied to a voltage controlled oscillator circuit.

하지만, 상기 영(Darrin J. Young)의 평판형 가변 커패시터는 다음과 같은 몇 가지 단점을 갖고 있다.However, the planar variable capacitor of Darrin J. Young has some disadvantages as follows.

첫째, 정전기력에 의해 구동하는 경우, 복원력을 제공하기 위해서는 지지부 스프링이 필요하다. 그런데 지지부 스프링의 강성이 너무 작은 경우, 평판과 하부전극 사이에 잔류 정전기력이나 표면 대전에 의한 스틱션을 이길 만큼의 충분한 복원력이 제공되지 않아서 상부평판이 본래 위치로 복원되지 못할 우려가 있다. 반대로 지지부 스프링의 강성을 너무 증가시키면 평판 커패시터를 구동하기 위해 요구되는 전압이 너무 커지게 되고(50V 이상), 이 경우 전원이 커지기 때문에 휴대용 무선통신기기에 적용하기 어렵다.First, when driven by electrostatic force, a support spring is required to provide restoring force. However, when the rigidity of the support spring is too small, sufficient restoring force may not be provided between the plate and the lower electrode to overcome the sticking by residual electrostatic force or surface charging, so that the upper plate may not be restored to its original position. Conversely, if the stiffness of the support spring is increased too much, the voltage required to drive the flat capacitor becomes too large (50V or more), and in this case, the power is large, and thus it is difficult to apply to a portable wireless communication device.

둘째, 액츄에이터가 차지하는 면적이 커패시터에 비해 상대적으로 크고 전극 간격 조절이 미세하지 못하다.Second, the area occupied by the actuator is relatively large compared to the capacitor, and the electrode spacing is not finely adjusted.

셋째, 정전기력을 이용한 소자 특성상 상부 평판의 변위가 충분치 않아서 구현할 수 있는 튜닝범위가 초기 커패시턴스 값의 15%를 넘기 어렵다.Third, the tuning range that can be implemented due to insufficient displacement of the upper plate due to the characteristics of the device using the electrostatic force is less than 15% of the initial capacitance value.

1995년에는 골드스미스(Goldsmith) 등에 의해 정전기형 구동방식을 사용한 MEMS기술 기반의 스위칭 격판(switching diaphragm)에 대한 연구가 발표되었으나, 이 방법 또한 원 수준의 77%보다 간극 크기가 작아질 경우 상부 전극판이 하부 전극판과 충돌한다는 한계가 있다.In 1995, a study on switching diaphragms based on MEMS technology using an electrostatic drive method was published by Goldsmith et al., But this method also has an upper electrode when the gap size is smaller than 77% of the original level. There is a limitation that the plate collides with the lower electrode plate.

이를 보안하기 위한 방안으로 콜로라도 대학의 휴(Hue) 등은 폴리실리콘(polysilicon) 재질의 얇은 박막과 두꺼운 박막의 복합구조로 구성된 지지대(arm)로 구성된 구동기를 제안하였는데, 이 구동기는 상이한 박막의 두께에 의해 발생하는 열팽창의 차이에 의해 앞뒤로 움직이게 되는 전기-열 액츄에이터(electro-thermal actuator)를 사용하여 간극을 조정하려는 시도를 하였다. 그러나 이 구조는 커패시터에 비해 구동기의 크기가 크고, 구동조절이 쉽지 않다는 단점이 있다.As a way to secure this, Hue et al. At the University of Colorado proposed a driver consisting of a polysilicon thin film and an arm consisting of a composite of thick thin films. Attempts have been made to adjust the gap using an electro-thermal actuator that is moved back and forth by the difference in thermal expansion caused by. However, this structure has a disadvantage in that the size of the driver is larger than that of the capacitor, and the driving control is not easy.

아래의 표 1 및 표 2는 압전구동 방식의 스위치와 가변용량 커패시터를 정전기력 구동방식과 비교한 특성을 나타내고 있다.Tables 1 and 2 below show the characteristics of the piezoelectric drive switch and the variable capacitor in comparison with the electrostatic force driving method.

압전구동 스위치Piezoelectric Drive Switch 정전기력 스위치Electrostatic force switch 구동전압(V)Driving voltage (V) 3v3v 스위칭 속도Switching speed 10∼100㎲10 to 100 ㎲ 100㎲∼100㎳100㎲-100㎳ 스틱션(stiction)Stiction XX OO 자가구동의 영향Influence of self-driving XX OO

<압전구동 스위치와 정전기력 스위치 비교><Piezoelectric Drive Switch vs. Electrostatic Force Switch>

압전구동 가변용량 커패시터Piezo Drive Variable Capacitors 정전기력 가변용량 커패시터Electrostatic Force Variable Capacitors 컬럼비아 대학Columbia University 버클리 대학Berkeley University 제조방법Manufacturing method MEMS/압전박막(PZT)MEMS / Piezoelectric Thin Film (PZT) MUMPs/폴리실리콘MUMPs / Polysilicon MEMS/알루미늄MEMS / Aluminum 튜닝전압(V)Tuning voltage (V) 0∼30 to 3 0∼40 to 4 0∼30 to 3 Cmax./Cmin.Cmax./Cmin. 3 이상More than 3 1.381.38 1.151.15 Q인자Q factor 6 이상6 or more 9.3@1.9GHz9.3@1.9GHz 60@1.0GHz60@1.0 GHz

<압전구동 가변용량 커패시터와 정전기력 가변용량 커패시터 비교><Comparison of Piezoelectric Variable Capacitors and Electrostatic Force Variable Capacitors>

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 IC회로 소자와 공정적으로 호환이 되며 IC회로 소자 위에 직접적으로 MEMS소자들을 집적화 할 수 있는 총괄적 표준 MEMS 공정(Standard MEMS Processing, 이하 SMP라 함)을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to be compatible with IC circuit elements and to integrate MEMS devices directly on the IC circuit elements. MEMS Processing, hereinafter referred to as SMP).

본 발명의 다른 목적은 IC회로 소자와 공정적으로 안정되게 호환되는 새로운 RF MEMS 소자에 대한 구조 및 압전재료를 이용한 구동 방식과 이에 따른 제조 공정을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a structure and driving method using a piezoelectric material for a new RF MEMS device that is compatible with the IC circuit device in a stable process and a manufacturing process accordingly.

본 발명의 또 다른 목적은 종래의 정전기력 방식의 MEMS 평판형 가변용량 커패시터에 비해 낮은 구동전압과 높은 튜닝범위를 갖는 압전 구동 방식의 MEMS 가변용량 커패시터의 구조 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a structure of a piezoelectric drive MEMS variable capacitance capacitor having a low driving voltage and a high tuning range and a method of manufacturing the same, compared to the conventional electrostatic force MEMS plate type variable capacitance capacitor.

특히, 본 발명에서는 상기와 같은 종래의 반도체 스위치들이 갖는 동작에서의 전력손실이 크고, 완전한 절연이 이루어지지 않는다는 문제점과 MEMS 기술을 이용한 정전기력 RF 스위치의 10 내지 100볼트 정도의 높은 구동전압으로 인해 무선통신 시스템에서는 사용할 수 없다는 문제점을 해결하는 방안으로, 저전압 압전구동 방식을 이용한 RF MEMS 스위치의 구조 및 그 제조 방법을 제시한다.In particular, in the present invention, due to the problem that the power loss in the operation of the conventional semiconductor switches as described above is large, complete isolation is not achieved, and a high driving voltage of about 10 to 100 volts of the electrostatic force RF switch using MEMS technology is used. In order to solve the problem that the communication system can not be used, the structure of the RF MEMS switch using a low voltage piezoelectric drive method and a method of manufacturing the same.

도 1은 종래기술의 정전기력을 이용한 캔틸레버 스위치의 단면도.1 is a cross-sectional view of a cantilever switch using the electrostatic force of the prior art.

도 2는 종래 기술에 따른 반도체 바랙터를 이용한 전압제어발진회로의 구성도.2 is a block diagram of a voltage controlled oscillator circuit using a semiconductor varactor according to the prior art.

도 3은 종래 초소형 전기 기계 시스템을 이용하여 구현된 가변용량 커패시터의 입체도.3 is a three-dimensional view of a variable capacitance capacitor implemented using a conventional microelectromechanical system.

도 4는 본 발명에 따른 RF스위치의 제1실시예를 나타내는 도면.4 shows a first embodiment of an RF switch according to the invention;

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 RF스위치의 제1실시예의 A-A' 선에 따른 단면도.5A and 5B are sectional views taken along the line A-A 'of the first embodiment of the RF switch according to the present invention;

도 6a 내지 도 6h는 본 발명에 따른 RF스위치의 제1실시예의 제조 공정도.6a to 6h are manufacturing process diagrams of the first embodiment of the RF switch according to the present invention;

도 7은 본 발명에 따른 RF스위치의 제2실시예를 나타내는 도면.Figure 7 shows a second embodiment of the RF switch according to the present invention.

도 8은 본 발명에 따른 RF스위치의 제3실시예를 나타내는 도면.8 shows a third embodiment of an RF switch according to the invention;

도 9는 본 발명에 따른 RF스위치의 제4실시예를 나타내는 도면.9 shows a fourth embodiment of an RF switch in accordance with the present invention;

도 10은 본 발명에 따른 가변용량 커패시터의 평면도.10 is a plan view of a variable capacitance capacitor according to the present invention.

도 11은 도 10의 본 발명에 따른 가변용량 커패시터의 B-B' 선에 따른 단면도.FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line BB ′ of the variable capacitance capacitor of FIG. 10. FIG.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

200 : RF스위치 201 : 기판200: RF switch 201: substrate

202 : 절연층 203 : 제1신호선202: insulating layer 203: first signal line

204 : 지지부 205 : 제2신호선204: support portion 205: second signal line

206 : 멤브레인 207 : 하부전극206: membrane 207: lower electrode

208 : 압전요소 209 : 상부전극208: piezoelectric element 209: upper electrode

210 : 에어 브릿지 700 : 가변용량 커패시터210: air bridge 700: variable capacitance capacitor

701 : 기판 702 : 절연층701: substrate 702: insulating layer

703 : 하부 평행전극판 704 : 지지부703: lower parallel electrode plate 704: support

705 : 상부 평행전극판 706 : 멤브레인705: upper parallel electrode plate 706: membrane

707 : 하부전극 708 : 압전요소707: lower electrode 708: piezoelectric element

709 : 상부전극 710 : 외부 바이어서 패드709: upper electrode 710: external visor pad

711 : 공통전극 패드 712, 713 : 에어 브릿지711: common electrode pads 712, 713: air bridge

본 발명에 따른 SMP는 MEMS 단위 소자를 제조하는 단위 공정들의 표준화된 제조 설계 및 제조 공정 기술이다. 또한 이 SMP는 IC회로 소자와 호환되는 저온 MEMS 공정 기술이며 IC회로 소자에 직접적으로 집적화(monolithic integration)를 가능케 하는 제조 설계 및 제조 공정 기술이다.SMP according to the present invention is a standardized manufacturing design and manufacturing process technology of unit processes for manufacturing MEMS unit devices. The SMP is also a low temperature MEMS process technology compatible with IC circuit devices and a manufacturing design and manufacturing process technology that enables monolithic integration directly into IC circuit devices.

본 발명에 따른 SMP는 다음과 같이 구성되어 있다.SMP according to the present invention is configured as follows.

SMP1 : MEMS 소자를 제조하기 위한 구조적 지지역할을 하며 자체적으로 스트레스(stress) 조절이 가능한 멤브레인(membrane)의 제조 공정 및 구조 설계 기술.SMP1: Manufacturing process and structure design technology of membrane that can control the stress by itself and make a structural area for manufacturing MEMS devices.

SMP2 : MEMS 소자를 제조하기 위한 기계적 변위(displacement)를 제공하는 압전 재료(piezoelectric material) 및 전극 재료의 제조 공정 및 구조 설계 기술.SMP2: Manufacturing process and structure design technology of piezoelectric and electrode materials that provide mechanical displacement for fabricating MEMS devices.

SMP3 : MEMS 소자를 제조하는 데 있어 자유로운 움직임을 위한 자유공간(air gap 또는 space)을 제공하는 희생층(sacrificial layer)의 제조 공정 및 구조 설계 기술.SMP3: Manufacturing process and structure design technology of sacrificial layer that provides free space (air gap or space) for free movement in manufacturing MEMS devices.

SMP4 : MEMS 소자를 제조하는데 있어 구조적으로 분리되어 있는 요소들 간의 전기적 연결을 위한 에어 브릿지(air bridge)의 제조 공정 및 구조 설계 기술.SMP4: Manufacturing process and structure design technology of air bridge for electrical connection between structurally separated elements in manufacturing MEMS devices.

SMP5 : MEMS 소자의 평탄화(planarization) 기술.SMP5: Planarization technology of MEMS devices.

SMP6 : MEMS 소자를 IC회로에 직접적으로 집적화하기 위한 내화물질 금속의 제조 공정 및 구조 설계 기술.SMP6: Manufacturing process and structure design technology of refractory metals for integrating MEMS devices directly into IC circuits.

이하, 본 발명에 따른 상기 6가지의 SMP에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, the six SMPs according to the present invention will be described in detail.

SMP1에서는 SMP5에서 언급되는 평탄화 기술을 이용하여 평탄화된 표면에 스트레스 조절이 가능한 멤브레인층을 증착하는 구조를 갖게 된다. 이 구조는 도 6e에 나타내는 바와 같이 평탄화 공정이 수행되지 않는 굴곡상에 증착되는 층에서 발생되는 스트레스 집중과 굴곡 단차의 차이에서 발생될 수 있는 캔틸레버 형태 구조의 균일성 저하를 방지 할수 있는 구조이다.SMP1 has a structure in which a stress-controlled membrane layer is deposited on the planarized surface using the planarization technique mentioned in SMP5. As shown in FIG. 6E, the structure can prevent the uniformity of the cantilever type structure that can be generated due to the difference in stress concentration and bending step generated in the layer deposited on the bent phase where the planarization process is not performed.

실험결과에 따르면 상기 언급된 지지부에서 수평으로 평탄화하게 연결된 캔틸레버 형태의 구조에서 균일성의 정도는 다층 박막으로 구성된 구동부의 초기 휨상태를 수평되게(0°)하여 조절할 경우 70x 50mm 크기의 면적에서 3십5만개의 실험용 캔틸레버(단위길이: 100mm)에서 0.02° 이내로 조절이 가능케 한다. 이러한 멤브레인층은 규소질화물(SiNx)을 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법을 이용하여 1000∼8000Å정도의 두께를 가지도록 형성한다. 상기 방법으로 증착된 규소질화물은 공급하는 제공 가스의 공급량의 조정 및 증착되는 온도의 조절로 규소질화물층의 스트레스를 압축에서 인장까지 조절할 수 있다(3×109(tensile)에서 8×109dyn/cm2). 이 기술을 이용하여 다층 박막으로 구성된 구동부로 지칭되는 캔틸레버의 스트레스를 조절한다. 이때, 규소질화물의 증착온도는 750∼850℃이며, 규소질화막의 굴절율을 1.98∼2.1정도로 조절한다.According to the experimental results, the degree of uniformity in the cantilever-type structure connected horizontally and flatly in the above-mentioned support part is 30 times in the area of 70x 50mm when the initial bending state of the drive part composed of multilayer thin films is adjusted horizontally (0 °). It can be adjusted within 0.02 ° in 50,000 experimental cantilevers (unit length: 100mm). The membrane layer is formed of silicon nitride (SiNx) to have a thickness of about 1000 to 8000 kPa using low pressure chemical vapor deposition (LPCVD). The silicon nitride deposited by the above method can control the stress of the silicon nitride layer from compression to tensile strength by adjusting the supply amount of the supplying gas to be supplied and controlling the deposition temperature (from 3 × 10 9 (tensile) to 8 × 10 9 dyn). / cm 2 ). This technique is used to control the stress of the cantilever, referred to as the drive consisting of multilayer thin films. At this time, the deposition temperature of silicon nitride is 750-850 degreeC, and the refractive index of a silicon nitride film is adjusted to about 1.98-2.1.

SMP2 공정에서는 압전재료(piezoelectric material)의 결정방향의 배향을 향상시키는 백금(Pt)과 탄탈륨(Ta) 또는 티타늄(Ti)으로 구성된 상부전극층(307)과 하부전극층(305)를 형성한다(도 6e참조). 전극 재료의 증착은 스퍼터링 방법으로 수행되며, 증착시 200∼300℃정도의 열처리를 동시에 하면서 수행하며, 특히 하부전극 형성 시에는 접착층으로 도입되는 탄탈륨 또는 티타늄은 산소분위기의 급속열처리(RTA: rapid temperature annealing)방법으로 열처리하여 백금전극과 압전층의 결정방향의 배향을 향상시킬 수 있다. 이는 압전 성질을 이용한 변위 구동을 위한 응용분야에서 매우 중요하다. 결정방향의 배향이 향상될수록 압전의 특성이 향상이 된다.In the SMP2 process, an upper electrode layer 307 and a lower electrode layer 305 formed of platinum (Pt), tantalum (Ta) or titanium (Ti), which improve the orientation of the crystal direction of the piezoelectric material, are formed (FIG. 6E). Reference). The deposition of the electrode material is carried out by a sputtering method, at the same time performing a heat treatment of about 200 ~ 300 ℃ at the time of deposition, in particular, when forming the lower electrode tantalum or titanium introduced into the adhesive layer is rapid thermal treatment of oxygen atmosphere (RTA) By heat treatment by annealing method, the orientation of the crystal direction of the platinum electrode and the piezoelectric layer can be improved. This is very important in applications for displacement drive using piezoelectric properties. As the orientation in the crystal direction is improved, the piezoelectric characteristics are improved.

압전층을 PZT(PbZrTiO3) 또는 PLZT(PbLaZrTiO3) 등의 압전 물질을 사용하여 0.1∼1㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 압전층은 졸-겔(sol-gel)법, 스퍼터링 방법, 또는 화학 기상 증착(CVD) 방법을 이용하여 형성한 후, 급속열처리 방법으로 결정화시킨다. 압전물질의 증착 방법에 있어서 핵 생성층(nuclear seed layer)을 도입함으로써 백금과 압전물질 간의 결정격자(lattice parameter)의 불일치성을 최소화하여 핵 생성을 향상시켜서 압전물질의 특성을 향상시키며, 급속열처리(RTA)를 통하여 2차상이 없는 페르브스카이트 구조(perovskite structure)를 갖게 한다. 이 핵 생성층은 증착하고자 하는 압전층과 유사한 결정성을 갖는 물질로서 PT(PbTiO3)를 사용한다. 졸-젤(Sol-gel)법으로 제조하는 경우, 용제(solvent)의 제거를 위한 건조조건인 200℃∼400℃ 및 700℃ 이하에서의 어닐링공정으로 구성되며, 스퍼터링이나 화학 기상 증착 방법으로는 압전물질의 증착시의 온도를 300℃ 내지 400℃로 조절하고 급속열처리를 통한 700℃ 이하에서의 열처리 공정으로 수행한다.The piezoelectric layer is formed to have a thickness of about 0.1 to 1 μm using a piezoelectric material such as PZT (PbZrTiO 3 ) or PLZT (PbLaZrTiO 3 ). The piezoelectric layer is formed using a sol-gel method, a sputtering method, or a chemical vapor deposition (CVD) method, and then crystallized by a rapid heat treatment method. In the piezoelectric material deposition method, a nuclear seed layer is introduced to minimize the inconsistency of the lattice parameter between the platinum and the piezoelectric material, thereby improving nucleation and improving the characteristics of the piezoelectric material. RTA) allows a perovskite structure without secondary phase. This nucleation layer uses PT (PbTiO 3 ) as a material having crystallinity similar to that of the piezoelectric layer to be deposited. In case of manufacturing by Sol-gel method, it consists of annealing process at 200 ℃ ~ 400 ℃ and below 700 ℃ which is drying condition for removing solvent. The temperature at the time of deposition of the piezoelectric material is adjusted to 300 ° C. to 400 ° C., followed by a heat treatment at 700 ° C. or lower through rapid heat treatment.

본 공정은 전극재료를 식각하는 공정기술로써 본 발명에서 상부전극 또는 하부전극을 형성하는데 사용되는 공정기술이다. 염화가스(Cl2, BCl3)를 주요 에칭 가스로, 그리고 불활성(inert) 가스(Ar 또는 He)를 사용하는 혼합가스를 사용하는 고밀도 프라즈마 형태(high density plasma type)의 식각 장비(etcher equipment)를 사용하여 저압에서(10 mTorr 이하) 식각을 수행한다. 이공정의 식각 속도는 900∼ 1500Å/min이며, 염화가스/불활성가스의 혼합비율은 (10∼30sccm)/(110∼140sccm)이다. 그리고 식각 균일도는 3% 이하로 조절한다.This process is a process technology used to form the upper electrode or the lower electrode in the present invention as a process technology for etching the electrode material. High density plasma type etching equipment using chloride gas (Cl 2 , BCl 3 ) as main etching gas and mixed gas using inert gas (Ar or He) Etch at low pressure (<10 mTorr) using. The etching rate of this process is 900-1500 kW / min, and the mixing ratio of chloride gas / inert gas is (10-30 sccm) / (110-140 sccm). And etching uniformity is adjusted to 3% or less.

압전재료를 식각하는 공정기술로써 본 발명에서 압전요소(208) 형성하는 기술이다. 불화가스(SF6, CF4, CHF3)를 주요 에칭 가스(Etcher gases)로 그리고 불활성(inert) 가스(Ar 또는 He)를 사용하는 혼합가스를 사용하는 혼합가스의 사용하는, 또는 염화가스(Cl2, BCl3)를 주요 에칭 가스로 그리고 불활성 가스(Ar 또는 He)를 사용하는 혼합가스를 사용하는 고밀도 프라즈마 형태의 식각 장비를 사용하여 저압에서(10 mTorr 이하) 식각을 수행한다. 불화가스를 사용하는 경우 이 공정의 식각 속도는 2500∼3500Å/min이며, 불화가스/불활성가스의 혼합비율은 (20 ∼40sccm)/(30∼60sccm)이다. 그리고 식각 균일도는 3% 이하로 조절한다. 염화가스를 사용하는 경우 이공정의 식각 속도는 2200∼3200Å/min이며, 염화가스/불활성가스의 혼합비율은 (20∼40sccm)/(0∼20sccm)이다. 그리고 식각 균일도는 3% 이하로 조절한다.In the present invention, the piezoelectric element 208 is formed as a process technology for etching the piezoelectric material. Fluorinated gases (SF 6 , CF 4 , CHF 3 ) as the main etching gases and of mixed gases using mixed gases using inert gases (Ar or He), or chlorinated gases ( Etching is performed at low pressure (10 mTorr or less) using a high density plasma type etching equipment using Cl 2 , BCl 3 ) as the main etching gas and a mixed gas using an inert gas (Ar or He). In the case of using fluorinated gas, the etching rate of this process is 2500-3500 Pa / min, and the mixing ratio of fluorine gas / inert gas is (20-40 sccm) / (30-60 sccm). And etching uniformity is adjusted to 3% or less. In the case of using chlorine gas, the etching rate of this process is 2200-3200 kW / min, and the mixing ratio of chlorine gas / inert gas is (20-40 sccm) / (0-20 sccm). And etching uniformity is adjusted to 3% or less.

SMP3 공정에서는 희생층을 에어갭이 형성될 부분에 다결정 실리콘(polysilicon) 재료를 1.0∼3㎛ 정도의 두께로 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법을 이용하여 증착하여 형성한다. 증착되는 온도 600℃에서 700℃정도이며 조정된 희생층의 스트레스는 2x109dyn/cm2이하 (silicon wafer위에서 tensile)이다. 이렇게 형성된 희생층은 불화크세논(XeF2) 기화 식각 공정을 이용하여 제거함으로써 희생층의 위치에 에어 갭을 형성한다. 불화크세논(XeF2)은 상온 상압에서 고체상태이다. 그러나 저압이나 약간의 고온에서 승화되어서 기체가 된다. 이 성질을 이용하여 저압 분위기 하에서 불화크세논을 이용하여 기화시킨다. 기화된 불화 크세논과 다결정질 규소(polysilicon)를 기화 상태에서 반응이 일어나서 크세논 가스와 불화규소가스로 기화시킴으로써 제거된다. 에칭을 수행하는 중에 계속적으로 기화된 불화 크세논을 공급하는 형태의 식각 방법과 일정시간의 간격을 주고 기화된 불화 크세논을 공급하는 방법으로 공정을 진행할 수 있다. 이 공정은 규소 산화막의 경우 매우 안정하여서 거의 식각이 불가능하고 많은 물질(알루미늄, 금, 산화물 그리고 질화물)과도 안정하여, 규소 또는 텡스텐 등의 금속성분을 제거하기에 알맞은 공정이다.In the SMP3 process, a sacrificial layer is formed by depositing polycrystalline silicon (polysilicon) material at a thickness of about 1.0 to 3 μm using a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method on a portion where an air gap is to be formed. The deposition temperature is 600 ° C. to 700 ° C. and the adjusted sacrificial layer has a stress of 2 × 10 9 dyn / cm 2 or less (tensile on silicon wafer). The sacrificial layer thus formed is removed using a xenon fluoride (XeF 2 ) vaporization etching process to form an air gap at the position of the sacrificial layer. Xenon fluoride (XeF 2 ) is solid at room temperature and atmospheric pressure. However, it sublimates at low pressure or a little high temperature to become a gas. This property is used to vaporize using xenon fluoride under low pressure atmosphere. The vaporized xenon fluoride and polysilicon are reacted in a vaporized state and removed by vaporizing them with xenon gas and silicon fluoride gas. During the etching, the process may be performed by an etching method of continuously supplying vaporized xenon fluoride and by supplying vaporized xenon fluoride with a predetermined time interval. This process is very stable in the case of silicon oxide film and is almost impossible to etch and is stable with many materials (aluminum, gold, oxide and nitride), and is suitable for removing metal components such as silicon or tungsten.

SMP4 공정에서는 MEMS에서 구조적으로 분리되어 있는 요소의 전기적 연결을 위해 에어 브릿지를 이용한다. 일실시예로서 본 발명에서는 상부전극과 공통전극의 연결시에 에어 브릿지(Air bridge)는 우수한 절연성을 확보한 공기를 이용하여 다른 인접하는 층들과의 절연성을 확보하게 하고, 금속연결(metal contact)이 가능하게 하여 준다. 이 기술은 반도체 공정에서 응용되고 있는 비어연결(via contact)과 유사하다. 그러나 반도체 공정에서와 같은 기존의 방법으로 다른 절연체를 사용하는 경우, 압전재료의 절연성과 유전율 등이 기존에 사용되고 있는 유전막(dielectric film)보다 좋아서 압전재료의 물성저하가 발생하게 된다. 또한 표면에 발생된 굴곡(topology)는 적용되는 유전막의 증착시 여러 개의 계단형식의 단차 구조를 유발되는 유전막의 물성 저하가 발생한다. 이 위에 직접적으로 비아연결(via contact)을 위한 식각 후 금속막을 증착하는 경우, 원하지 않는 굴곡사이의 측면(side wall) 금속을 제거하기 위해서 많은 오버에칭(over etching)을 필요하게 된다. 그러나 포토레지스트(Photoresist)를 이용한 에어 브릿지(air bridge)는 공기를 절연체로 사용한 것으로 완전한 절연이 가능하고, 포토레지스트에 의한 일시적 표면 평탄화를 이루어진 상태에서 연결금속(contact metal)을 증착하기 때문에 계단형태의 단차구조가 없게 된다. 이에 금속 식각은 평탄화된 평면적 공정으로 많은 시간의 오버 에칭(overetching)이 필요없다.In the SMP4 process, air bridges are used for the electrical connection of elements that are structurally separated from the MEMS. In one embodiment of the present invention, when the upper electrode and the common electrode are connected, an air bridge ensures insulation with other adjacent layers by using air having excellent insulation, and makes metal contact. This makes it possible. This technique is similar to the via contact used in semiconductor processes. However, in the case of using another insulator by the conventional method such as in the semiconductor process, the insulation and dielectric constant of the piezoelectric material is better than the conventional dielectric film (dielectric film) is used to cause the degradation of the properties of the piezoelectric material. In addition, the topology generated on the surface causes a decrease in the properties of the dielectric film, which causes several stepped stepped structures upon deposition of the applied dielectric film. In the case of depositing a metal film after etching for via contact directly on top of this, a lot of over etching is required to remove side wall metal between unwanted bends. However, an air bridge using photoresist is air-insulated and can be completely insulated, and because it deposits contact metal in the state of temporary surface planarization by photoresist, it is stepped. There is no step structure. As a result, metal etching is a planarized planar process, which does not require a lot of overetching.

SMP5 공정에서는 일반적으로 사용하는 평탄화 공정 전에 추가적인 공정을 도입하여 본 발명에서 거론되는 평탄화공정전에 평탄화 하여야 하는 물질의 표면적을 최소화함으로써 최적의 평탄화를 얻도록 한다(도 6c 참조).In the SMP5 process, an additional process is introduced before the planarization process that is generally used to obtain the optimum planarization by minimizing the surface area of the material to be planarized before the planarization process discussed in the present invention (see FIG. 6C).

도 6c에서 나타낸 것과 같은 구조를 평탄화공정 전에 포토리쏘그래픽 공정과 식각 공정을 통하여 평탄화 하기 위한 물질의 표면적을 최소화함으로써 아래에서 설명되는 방법으로 평탄화 공정의 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 도면에서는 표시되어 있지 않지만, 각각의 소자가 위치하는 공간과 그 공간사이의 배열이 평탄화 공정에서 매우 중요한 설계기술로서, 소자가 위치하는 공간과 공간 사이에 즉 페리(perri) 지역이라고 불리는 지역에 소자가 위치하는 공간과 같은 구조를 형태의 더미(dummy)구조를 형성하여 균일성을 향상 시킬 수 있다. 이때 더미구조는 평탄화공정시 평탄화되는 물질로 구성한다.The uniformity of the planarization process may be improved by the method described below by minimizing the surface area of the material for planarizing the structure as shown in FIG. 6C through the photolithographic process and the etching process before the planarization process. In addition, although not shown in the drawings, the space in which each device is located and the arrangement between the spaces are very important design techniques in the planarization process. Uniformity can be improved by forming a dummy structure having the same structure as a space in which an element is located. At this time, the dummy structure is composed of a material to be flattened during the planarization process.

평탄화공정 중 화학 기계적 연마(CMP)의 경우, 연마할 물질의 단면을 최소화하여서 상기에서 언급한 형태의 구조를 형성하기 때문에 초기의 연마속도를 상대적으로 증가시킬 수 있다(상기의 건식 식각을 하지 않은 경우는 기판 전면에 희생층이 남아 있으므로 많은 시간이 걸리게 된다.)In the case of chemical mechanical polishing (CMP) during the planarization process, the initial polishing rate can be relatively increased because the structure of the above-mentioned form is minimized by minimizing the cross section of the material to be polished (the above-mentioned dry etching is not performed). In this case, it takes a lot of time because the sacrificial layer remains on the front of the substrate.)

또한, 희생층의 표면을 스핀 온 글래스(SOG) 또는 스핀 온 폴리머(SOP)를 사용하는 방법에서 에칭백(etching-back) 공정으로 평탄화를 수행하게 되는데 같은 원리로 스핀 온 글래스 및 폴리머층의 두께와 에칭백하여 제거하고자 하는 층의 두께를 상대적으로 얇게 할 수 있어 에칭백 공정 시간을 줄일 수 있다.In addition, the surface of the sacrificial layer is planarized by an etching-back process using a spin on glass (SOG) or a spin on polymer (SOP) method. The thickness of the spin on glass and the polymer layer is the same principle. The thickness of the layer to be removed by etching back can be made relatively thin, thereby reducing the etching back process time.

이러한 구조적 개선은 두 공정에 공통으로 적용되며, 두 공정의 공정시간을 최소화함으로써, 두 공정을 수행하는 장비의 연마 또는 에칭의 일정한 균일도를 갖고 있을 때에 공정시간의 시간 또는 층의 두께의 증가에 따른 누적 두께편차가 증가되게 된다. 예를 들면, 두 공정장비의 균일도가 1%라고 하면, 두께 3,000과 90,000을 수행하는 경우 항상 균일도는 1%이지만 누적되는 두께편차는 30과 900이다. 이러한 구조와 공정기술로 연마 또는 에칭백의 균일도를 최대화할 수 있다.This structural improvement is common to both processes, and by minimizing the process time of both processes, the process time or the thickness of the layer is increased when the uniformity of polishing or etching of equipment performing the two processes is maintained. Cumulative thickness deviation is increased. For example, if the uniformity of the two process equipment is 1%, the uniformity is always 1% when the thickness of 3,000 and 90,000 is performed, but the accumulated thickness deviation is 30 and 900. This structure and process technology can maximize the uniformity of the polishing or etching back.

SMP6 공정에서는 내화물질의 금속 소재인 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 질화티타늄(TiN) 또는 질화산화티타늄(TiON) 등으로 구성되어 스퍼터링 또는 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 증착하며, 증착되는 막의 두께는 3000Å∼7000Å이다. 이 막의 구성은 접착막, 금속막, 및 확산방지막으로 구성된다. 접착막은 상기 언급된 금속막이 아래 산화막 또는 실리콘 기판(MOS 제조시)과의 접착력을 향상시켜서 구조적 안정성과 전기적 성능을 향상시킨다. 확산 방지막은 텅스텐과 다른 박막 간의 규소(Si) 확산을 제거하여서 후속 공정에서의 고온 공정시 원하지 않는 고체반응의 발생을 저하하여 전기적 성능의 저하를 막는다. 접착막으로는 티타늄(Ti)을 사용하고 두께는 100Å에서 700Å 정도이며, 확산방지막으로 질화티타늄 또는 질화산화티타늄을 사용하며 두께는 300Å에서 1000Å 정도이다. 그리고 전기적 연결의 주 금속으로 텅스텐(W)을 2000Å에서 6000Å 정도의 두께를 이용한다. 전체적으로 적층되는 순서는 Ti-TiN-W-TiON, Ti-TiN-W-TiN, 또는 Ti-TiON-W-TiON이다.In the SMP6 process, it is composed of tungsten (W), titanium (Ti), titanium nitride (TiN) or titanium nitride (TiON), which are metal materials of refractory materials, and is deposited by sputtering or chemical vapor deposition (CVD). The thickness of the film is 3000 kPa to 7000 kPa. This film consists of an adhesive film, a metal film, and a diffusion barrier film. The adhesive film improves structural stability and electrical performance by improving the adhesion between the above-mentioned metal film and an oxide film or a silicon substrate (when manufacturing a MOS). The diffusion barrier layer removes silicon (Si) diffusion between tungsten and other thin films to reduce the occurrence of undesired solid reaction during the high temperature process in the subsequent process to prevent the degradation of electrical performance. Titanium (Ti) is used as the adhesive film and the thickness is about 100 to 700Å, and titanium nitride or titanium nitride is used as the diffusion barrier and the thickness is about 300 to 1000Å. In addition, tungsten (W) is used as the main metal for the electrical connection. The overall stacking order is Ti-TiN-W-TiON, Ti-TiN-W-TiN, or Ti-TiON-W-TiON.

이러한 금속은 후속 공정에서의 열적 범위를 확보하여 MEMS 소자의 제조를 가능하게 한다. 또한 집적화된 단일 칩 제조시, 내화물질의 금속 소재로 구성된 이 막은 IC회로 소자의 금속도선으로 사용되어서 본 발명에서 기술되는 새로운 MEMS 공정을 이용한 소자를 IC 회로 소자 위에 직접적인 집적화를 가능케 한다.Such metals allow for thermal ranges in subsequent processes to enable the fabrication of MEMS devices. In addition, in the manufacture of integrated single-chip, the film made of metal material of refractory material is used as the metal lead of the IC circuit element, enabling the direct integration of the device using the new MEMS process described in the present invention onto the IC circuit element.

내화물질의 금속소재의 건식 식각은 불화가스(SF6,CF4,CHF3)를 주요 에칭 가스로 사용하는 혼합가스로 사용하고 고밀도 프라즈마 형태 식각 장비를 사용하여 저압(10 mTorr 이하)에서 식각을 수행한다. 이 식각 공정은 상기 언급한 가스의 조절과 장비의 RF 소스 파워 등을 조절하여 부드럽게 조절된 경사면의 금속단면을 갖도록 식각을 수행한다. 또한 식각 공정 후 금속막의 스트레스 조절을 위하여, 그리고 금속간의 합금을 위하여 열처리 공정을 수행한다. 열처리 공정온도는 400℃에서 500℃정도 수행하며, 분위기 조절용 가스로 질소(N2)및 산소(O2)를 사용한다.Dry etching of refractory metal materials is carried out using a mixed gas using fluoride gas (SF 6 , CF 4 , CHF 3 ) as the main etching gas, and etching is performed at low pressure (10 mTorr or less) using a high density plasma type etching equipment. Perform. This etching process performs etching to have a smoothly inclined metal cross section by adjusting the above-mentioned gas and the RF source power of the equipment. In addition, after the etching process, a heat treatment is performed to control the stress of the metal film and to alloy between the metals. The heat treatment process temperature is performed at 400 ℃ to 500 ℃, nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ) is used as the atmosphere control gas.

상기에 기술한 SMP 기술을 이용한 본 발명의 압전구동 RF MEMS 스위치는,The piezoelectric drive RF MEMS switch of the present invention using the SMP technique described above,

전기적 절연을 위한 절연층이 적층된 실리콘 기판 또는 내화물질의 금속 소재를 이용한 IC가 내장된 기판;A silicon substrate in which an insulating layer for electrical insulation is laminated or a substrate in which an IC using a metal material of a refractory material is embedded;

상기 절연층 상부에 형성되고, 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 되는 제1외부신호단과 연결된 제1신호선;A first signal line formed on the insulating layer and connected to a first external signal terminal which is an input terminal or an output terminal of a signal to be transmitted;

상기 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 되는 제2외부신호단과 연결되고, 제1신호선과의 물리적 접촉을 통하여 신호를 스위칭할 수 있는 제2신호선;A second signal line connected to a second external signal end serving as an input end or an output end of the signal to be transmitted and capable of switching a signal through physical contact with the first signal line;

상기 제2신호선을 구동하여 스위칭할 수 있게 하고, 멤브레인, 압전요소, 하부전극, 상부전극순으로 적층구조된 하나 이상의 압전 구동부;상기 압전구동부에 구동 전압을 인가하기 위한 에어브리지; 및상기 제2신호선과 상기 압전 구동부를 상기 기판에 연결하는 지지부를 포함하고,상기 에어브리지를 통해 상기 압전요소 상하에 위치한 상기 상부전극 및 상기 하부 전극에 전압을 인가한 경우 상기 압전구동부가 상기 기판과 평행이 되어 스위치가 OFF되고, 상기 전압을 단락시키는 경우 상기 제 1신호선과 상기 제 2신호선이 물리적으로 접촉하여 ON되어 스위칭하는 것을 특징으로 한다.또한 상기의 본 발명에 의한 압전구동 RF MEMS 스위치의 다른 실시형태로서,At least one piezoelectric driver configured to drive and switch the second signal line, and to stack a membrane, a piezoelectric element, a lower electrode, and an upper electrode; an air bridge for applying a driving voltage to the piezoelectric driver; And a support part connecting the second signal line and the piezoelectric driver to the substrate, wherein the piezoelectric driver is applied to the substrate when the voltage is applied to the upper electrode and the lower electrode disposed above and below the piezoelectric element through the air bridge. And the switch is turned OFF when the voltage is shorted, and the first signal line and the second signal line are physically in contact with each other to be turned on to switch. The piezoelectric drive RF MEMS switch according to the present invention is also switched. As another embodiment of

전기적 절연을 위한 절연층이 적층된 실리콘 기판 또는 내화물질의 금속 소재를 이용한 IC가 내장된 기판;A silicon substrate in which an insulating layer for electrical insulation is laminated or a substrate in which an IC using a metal material of a refractory material is embedded;

상기 절연층 상부에 형성되고, 전달하고자 하는 신호의 입력단과 출력단으로 구성된 신호선;A signal line formed on the insulating layer, the signal line comprising an input terminal and an output terminal of a signal to be transmitted;

상기 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단과 물리적 접촉을 통하여 신호를 스위칭할 수 있는 접촉금속;A contact metal capable of switching the signal through physical contact with an input or output terminal of the signal to be transmitted;

상기 접촉금속을 구동하여 스위칭할 수 있게 하는 멤브레인, 압전요소, 하부전극, 상부전극으로 구성된 적어도 하나 이상의 압전 구동부;At least one piezoelectric driver including a membrane, a piezoelectric element, a lower electrode, and an upper electrode to drive and switch the contact metal;

상기 압전 구동부를 기판에 연결하는 지지부로 구성되어 있다.It consists of a support part which connects the said piezoelectric drive part to a board | substrate.

본 발명에 따른 RF 스위치에 있어서, 하부전극에 구동 신호로서 바이어스가 인가되고 상부전극이 공통전극이 연결되어 있어 상하부전극 간에 전기장이 발생하게 된다. 이 전기장에 의하여 상하부전극 사이에 적층된 압전요소는 변형을 일으킨다. 이에 따라, 압전 구동부는 소정의 각도로 경사지게 되어, 압전 구동부의 하단에 위치한 제2신호선 또는 접촉 금속이 제1신호선 또는 신호 입력단과 출력단에 비접촉 상태의 스위칭 역할을 수행하도록 한다.In the RF switch according to the present invention, a bias is applied to the lower electrode as a driving signal, and the upper electrode is connected to the common electrode, thereby generating an electric field between the upper and lower electrodes. The piezoelectric elements stacked between the upper and lower electrodes by this electric field cause deformation. Accordingly, the piezoelectric driver is inclined at a predetermined angle so that the second signal line or the contact metal positioned at the lower end of the piezoelectric driver performs a non-contact switching state between the first signal line or the signal input terminal and the output terminal.

또한 본 발명에 따른 가변용량 커패시터는,In addition, the variable capacitance capacitor according to the present invention,

기판을 통한 전기적 손실을 막기 위한 절연층이 적층된 기판 또는 내화물질의 금속 소재를 이용한 IC가 내장된 기판;A substrate in which an insulating layer is laminated to prevent electrical loss through the substrate, or a substrate in which an IC using a metal material of a refractory material is embedded;

상기 절연층 상부에 형성된 하부 평행전극판;A lower parallel electrode plate formed on the insulating layer;

상기 하부 평행전극판과 에어 갭을 통한 일정 간격을 유지하여 커패시터를 형성하는 상부 평행전극판;An upper parallel electrode plate forming a capacitor by maintaining a predetermined gap through the lower parallel electrode plate and an air gap;

상기 상부 평행전극판에 부착되고, 멤브레인, 하부전극, 압전요소, 상부전극순의 적층구조로 된 2개 이상의 압전구동부; 그리고,Two or more piezoelectric driving parts attached to the upper parallel electrode plate and having a stacked structure of a membrane, a lower electrode, a piezoelectric element, and an upper electrode; And,

상기 압전 구동부를 상기 기판에 연결하는 지지부를 포함하고,상기 상부 전극 및 상기 하부전극에 인가되는 전압에 의해 상기 압전요소가 수직방향으로 이동하고, 이에 따라 상기 상부 평행전극판을 상하로 움직여 상기 상하부 평행전극판의 간극을 조정함으로써 커패시턴스를 변화시키는 것을 특징으로 한다.And a supporting part connecting the piezoelectric driving part to the substrate, wherein the piezoelectric element moves in a vertical direction by a voltage applied to the upper electrode and the lower electrode, thereby moving the upper parallel electrode plate vertically. The capacitance is varied by adjusting the gap of the parallel electrode plate.

본 발명에 따른 가변용량 커패시터에 있어서, 하부전극에 구동 신호로서 바이어스가 인가되고 상부전극이 공통전극에 연결되어 있어 상하부전극 간에 전기장이 발생하게 된다. 이 전기장에 의하여 상하부전극 사이에 적층된 압전요소는 변형을 일으킨다. 이에 따라, 압전 구동부는 소정의 각도로 경사지게 되고, 이에 따라 압전 구동부의 하단에 위치한 하부 평행전극판과 압전 구동부와 연결된 상부 평행전극판 간의 에어 갭의 조절로 커패시턴스의 조절이 가능한 가변용량 커패시터이다.In the variable capacitor according to the present invention, a bias is applied to the lower electrode as a driving signal and the upper electrode is connected to the common electrode, thereby generating an electric field between the upper and lower electrodes. The piezoelectric elements stacked between the upper and lower electrodes by this electric field cause deformation. Accordingly, the piezoelectric driver is inclined at a predetermined angle, and thus the capacitance is controlled by adjusting the air gap between the lower parallel electrode plate disposed at the lower end of the piezoelectric driver and the upper parallel electrode plate connected to the piezoelectric driver.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 RF 소자들을 상세하게 설명한다. 우선, RF 스위치의 구조 및 제조 방법에 대해 설명하고, 그 다음에 가변용량 커패시터의 구조 및 그의 제조 방법에대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, RF elements according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, the structure and manufacturing method of the RF switch will be described, and then the structure of the variable capacitor and the manufacturing method thereof will be described in detail.

도 4는 본 발명에 따른 RF 스위치의 제1실시예의 평면도, 도 5a 및 5b는 도 4의 A-A' 선에 따른 단면도들이다.4 is a plan view of a first embodiment of an RF switch according to the present invention, and FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views taken along line AA ′ of FIG. 4.

도 4, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 RF 스위치(200)의 제1실시예는 제1외부신호선(213)과 제2외부신호선(214)의 전기적 개폐를 위하여 제1 외부신호선(213)과 전기적으로 연결된 제1신호선(203) 및 제2외부신호선(214)과 전기적으로 연결된 제2신호선(205)과, 전기기판(201)과, 제1신호선(203)과 제2신호선(205)을 물리적인 접촉에 의해 전기적인 개폐을 수행하는 압전 구동부(250)를 포함하여 이루어진다.As shown in FIGS. 4, 5A, and 5B, the first embodiment of the RF switch 200 according to the present invention may be configured to electrically open and close the first external signal line 213 and the second external signal line 214. The first signal line 203 and the second signal line 214 electrically connected to the external signal line 213, the second signal line 205 electrically connected to the second signal line 214, the electric substrate 201, and the first signal line 203 And a piezoelectric driver 250 that electrically opens and closes the second signal line 205 by physical contact.

압전 구동부(250)는 멤브레인(206), 하부전극(207), 압전요소(208), 및 상부전극(209)의 적층구조로 이루어지며, 압전 구동부(250)와 제2신호선(205)은 지지부(204)에 의해 기판과 연결되고 지지되어 있다.The piezoelectric driver 250 has a stacked structure of a membrane 206, a lower electrode 207, a piezoelectric element 208, and an upper electrode 209, and the piezoelectric driver 250 and the second signal line 205 are supported. 204 is connected to and supported by the substrate.

제1신호선(203)은 제1비어홀(210)을 통하여 제1외부연결선(213)과 연결되어 있다. 또한, 제2외부 신호선(214)은 제2신호선(205)과 동일 금속층으로 형성되어 있다.The first signal line 203 is connected to the first external connection line 213 through the first via hole 210. The second external signal line 214 is formed of the same metal layer as the second signal line 205.

상기 압전 구동부(250) 내의 상부전극(209)에는 에어 브릿지(211)를 통하여 외부의 공통전원선(217)과 연결되어 있으며, 하부전극(207)은 에어 브릿지(212)를 통하여 외부의 바이어스 전원선(216)과 연결되어 전기적 스위칭 역할을 수행하게 된다.The upper electrode 209 in the piezoelectric driver 250 is connected to an external common power line 217 through an air bridge 211, and the lower electrode 207 is connected to an external bias power source through the air bridge 212. It is connected to the line 216 to perform an electrical switching role.

도 5a와 도 5b는 본 발명의 제1실시예에 따른 RF 스위치(200)의 작동 원리를 나타내는 도면들이다.5A and 5B are diagrams illustrating an operating principle of the RF switch 200 according to the first embodiment of the present invention.

도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 RF 스위치(200)는 희생층(302)을 제거한 초기 상태에서 구동부(250) 내에 스트레스 조절에 따라 구동부(250) 하부에 위치한 제2신호선(205)이 제1신호선(203)과 물리적으로 접촉하여 전기적으로 연결된다.As illustrated, in the RF switch 200 according to the present invention, the second signal line 205 located under the driving unit 250 is controlled by the stress control within the driving unit 250 in the initial state in which the sacrificial layer 302 is removed. It is in electrical contact with the signal line 203 and is electrically connected.

스위치를 OFF시키기 위하여 압전요소(208) 상하에 위치한 상부전극(209)과 하부전극(207)에 일정한 전압을 인가시키면 도 5b와 같이 구동부(250)는 위로 변위를 일으켜 기판(201)과 평행하게 되고, 이에 따라 제2신호선(205)은 제1신호선(203)과 물리적으로 분리되어 전기적인 개방을 얻을 수 있다.When a constant voltage is applied to the upper electrode 209 and the lower electrode 207 located above and below the piezoelectric element 208 to turn off the switch, the driving unit 250 causes the displacement to move upward as shown in FIG. 5B to be parallel to the substrate 201. As a result, the second signal line 205 may be physically separated from the first signal line 203 to obtain an electrical opening.

이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 RF 스위치의 제조 방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an RF switch according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 6a 내지 도 6h는 본 발명의 제1실시예에 따른 RF 스위치의 제조 공정도를 도시한 것이다.6A to 6H show a manufacturing process diagram of the RF switch according to the first embodiment of the present invention.

도 6a는 본 발명에 따른 RF 스위치에 있어서, 제1신호선(203)을 형성한 후의 후의 상태를 나타내는 도 5의 A-A' 선에 따른 단면도이다.6A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 5 showing a state after the formation of the first signal line 203 in the RF switch according to the present invention.

도시하는 바와 같이, 세척 후 실리콘 기판 또는 내화물질의 금속소재를 이용한 IC가 내장된 기판(201)의 상부에 절연층(202)을 형성한다. 이때, 절연층(202)은 LTO(Low Temperature Oxide) 또는 열산화막(thermal oxide) 등의 산화물을 저압 기상 증착(LPCVD) 방법, 건식 또는 습식 산화막 제조 방법(dry oxidation, wet oxidation)을 이용하여 5000∼12000Å 정도의 두께로 형성한다. 절연층(202)은 후속하는 공정 동안 실리콘 기판이 손상을 입게 되는 것을 방지하며, 실리콘 기판(201)과 후술하는 제1신호선(203)의 전기적 고립을 유지한다. 계속해서, 절연층(202) 상부에 제1신호층(도시되지 않음)을 형성한 후, 제1신호층을 패터닝하여 제1신호선(203)을 형성한다. 상기 공정은 앞에서 기술한 SMP6 공정을 이용하는 것으로서, 열적 안정성을 갖는 신호선을 형성하고자 하는 것이고, 포토리쏘그래피 방법에 의해 패터닝하고 SMP6에서 언급된 건식 식각에 의하여 제1신호선(203)을 형성한다. 제1신호선(203)은 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 된다.As shown, after the cleaning, the insulating layer 202 is formed on the silicon substrate or the substrate 201 in which the IC using the metal material of the refractory material is embedded. In this case, the insulating layer 202 may be formed by using a low pressure vapor deposition (LPCVD) method, a dry or wet oxidation method, or an oxide, such as a low temperature oxide (LTO) or a thermal oxide film. It is formed to a thickness of about 12000 kPa. The insulating layer 202 prevents the silicon substrate from being damaged during subsequent processing and maintains electrical isolation between the silicon substrate 201 and the first signal line 203 described later. Subsequently, after forming the first signal layer (not shown) on the insulating layer 202, the first signal layer is patterned to form the first signal line 203. The above process uses the SMP6 process described above, and is intended to form a signal line having thermal stability, and is patterned by a photolithography method and forms the first signal line 203 by dry etching referred to in SMP6. The first signal line 203 is an input terminal or an output terminal of a signal to be transmitted.

도 6b는 본 발명에 따른 RF 스위치에 있어서, 후술하게 될 지지부(204)를 형성하기 위한 지지층(301)을 증착한 후의 상태를 나타내는 도 4의 A-A' 선에 따른 단면도이다.6B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 4 illustrating a state after depositing a support layer 301 for forming a support 204 to be described later in the RF switch according to the present invention.

도시하는 바와 같이, 제1신호선(203)을 포함한 절연층(202)의 상부에 지지층(301)을 형성한다. 지지층(301)은 산화물을 1∼2㎛ 정도의 두께로 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법 또는 상압 화학 기상 증착(APCVD) 방법을 이용하여 형성한다. 산화물로는 보론(B)과 인(P)이 도핑된 실리콘 산화막(BPSG)이나 인(P)이 도핑된 실리콘 산화막(PSG)을 사용한다. 상기의 막은 350℃에서 450℃정도에서 증착한다. 이때, 막의 굴절률은 1.42에서 1.47 정도이다. 상기 산화막은 후속 공정에서 거론될 표면 평탄화 공정에서 사용할 화학 기계적 연마에서 연마 정지막의 역할을 해야 하며, 또는 스핀 온 글라스(SOG) 또는 스핀 온 폴리머(polymer)를 사용하는 방법을 이용한 에칭백시 에칭 방지막 역할을 수행하고, 마지막 공정에서 희생층 제거 시 사용하는 제거 기술인 불화크세논(XeF2) 기화 식각 공정에서의 식각 방지막 역할을 수행하며, 또한, 적층막(mutil-layer)의 스트레스 조절시 안정된 스트레스 조절이 가능하도록 하는 역할을 수행하는데, 이때, 막의 스트레스의 조정은 2×109dyn/cm2이하가 되도록 조절한다.As shown, the support layer 301 is formed on the insulating layer 202 including the first signal line 203. The support layer 301 is formed using a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method or an atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD) method to form a thickness of about 1 to 2 μm. As the oxide, a silicon oxide film (BPSG) doped with boron (B) and phosphorus (P) or a silicon oxide film (PSG) doped with phosphorus (P) is used. The film is deposited at about 350 ° C to about 450 ° C. At this time, the refractive index of the film is about 1.42 to about 1.47. The oxide film should serve as a polishing stop film in chemical mechanical polishing to be used in the surface planarization process, which will be discussed in a subsequent process, or an anti-etching film during etching back using a method using spin on glass (SOG) or spin on polymer (polymer). play a role, and removing technique fluoride xenon (XeF 2) vaporization, and perform the etching film role in the etching process, and a stable stress control during stress control of the laminated film (mutil-layer) for use in removing the sacrifice layer in the final step In this case, the stress of the membrane is adjusted to be 2 × 10 9 dyn / cm 2 or less.

상기 산화막(301)은 포토리쏘그래피 방법에 의해 패터닝하고 건식 식각에 의해 에칭된다. 이는 상기 지지층(301) 중 후속 공정에서 에어 갭(215)이 형성될 부분을 형성하기 위한 공정이다. 이때, 상기 건식 식각은 불화가스(SF6,CF4,CHF3)와 불활성 가스의 혼합가스를 사용하고 반응 이온 식각 형태(RIE type) 식각 장비를 사용하여 300∼2000 mTorr 압력하에서 진행한다. 이러한 식각 공정은 포토리소그래피 방법에 의한 패터닝시 포토레지스트를 조정하여 부드러운 경사면을 갖게 함으로써 식각 공정시 부드럽게 조절된 경사면 산화막 단면을 갖도록 식각을 수행한다.The oxide film 301 is patterned by a photolithography method and etched by dry etching. This is a process for forming a portion of the support layer 301 in which the air gap 215 will be formed in a subsequent process. In this case, the dry etching is performed under a mixed gas of fluorine gas (SF 6 , CF 4 , CHF 3 ) and an inert gas and using a reactive ion etching (RIE type) etching equipment under a pressure of 300 to 2000 mTorr. In the etching process, the photoresist is adjusted during patterning by a photolithography method to have a smooth inclined surface, thereby performing etching to have a smoothly controlled inclined oxide film cross section during the etching process.

이어서, 희생층(302)을 절연층(202)과 제1신호선(203) 및 지지부(도시하지 않음)위, 즉 기판(201)의 표면 전체에 대하여 증착하는데, 이때, 희생층(302)은 SMP3 방법으로 형성한다.Subsequently, the sacrificial layer 302 is deposited on the insulating layer 202, the first signal line 203, and the support (not shown), that is, the entire surface of the substrate 201. It is formed by the SMP3 method.

도 6c는 본 발명에 따른 RF 스위치에 있어서, 희생층(302)을 포토리쏘그래피 방법에 의해 패터닝하고 건식 식각에 의해 에칭된 상태를 나타내는 도 4의 A-A' 선에 따른 단면도이다. 이 공정은 SMP5에서 기술된 바와 같은 평탄화 공정을 향상시키는 구조를 갖게 한다.6C is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 4 illustrating a state in which a sacrificial layer 302 is patterned by a photolithography method and etched by dry etching in an RF switch according to the present invention. This process has a structure that improves the planarization process as described in SMP5.

상기의 패터닝과 건식 식각은 앞선 공정에서 기술한 바와 유사한 방법으로 수행된다. 이는 평탄화 공정을 수행하기 전의 단면을 설명하고 있다. 후속 공정인 평탄화 공정은 SMP5에 기술된 바와 같이 수행한다.The above patterning and dry etching is carried out in a similar manner as described in the previous process. This illustrates the cross section before performing the planarization process. The subsequent process, the planarization process, is carried out as described in SMP5.

도 6d는 제2신호선(도시하지 않음)을 형성하기 위한 제2신호층(303)을 증착한 후의 상태를 나타내는 단면도를 도시한 것이다.FIG. 6D shows a cross-sectional view showing a state after depositing the second signal layer 303 for forming the second signal line (not shown).

제2신호층(303)은 평탄화된 희생층(302)의 상부와 지지부(204)의 상부에 증착되는데, 이때, 제2신호층(303)은 SMP6에서 기술된 방법으로 증착하여 형성한다.The second signal layer 303 is deposited on top of the planarized sacrificial layer 302 and on the support 204, wherein the second signal layer 303 is formed by depositing in the manner described in SMP6.

도 6e는 본 발명에 따른 RF 스위치에 있어서, 제2신호층(303)의 증착 공정 후 상기에서 언급한 연속적인 증착 공정으로 상부전극층(307)까지 형성한 후의 상태를 나타내는 단면도를 도시한 것이다.6E illustrates a cross-sectional view of the RF switch according to the present invention after the deposition of the second signal layer 303 and the formation of the upper electrode layer 307 by the above-described continuous deposition process.

각 층에 대한 세부 공정에 관하여 기술하면, 제2신호층(303)의 상부에는 압전 구동부(도시하지 않음)의 멤브레인(도시하지 않음)을 형성하기 위하여 SMP1에 기술된 방법으로 멤브레인층(304)을 증착한다. 이어서 SMP2에 기술된 방법으로 하부전극층(305), 압전층(306), 상부전극층(307)을 순차적으로 형성한다.Referring to the detailed process for each layer, the membrane layer 304 by the method described in SMP1 to form a membrane (not shown) of a piezoelectric driver (not shown) on top of the second signal layer 303. Deposit. Subsequently, the lower electrode layer 305, the piezoelectric layer 306, and the upper electrode layer 307 are sequentially formed by the method described in SMP2.

도 6f는 도 6e의 상부전극층(307)부터 제2신호층(303)을 단계별로 포토리쏘그래픽 방법을 이용한 패터닝과 식각을 통하여 상부전극(209)에서 제2신호선(205)까지를 형성한 후의 상태를 나타낸다.6F illustrates the formation of the upper electrode 209 to the second signal line 205 through patterning and etching of the upper electrode layer 307 to the second signal layer 303 using the photolithographic method step by step. Indicates the state.

구체적으로, 도 6e의 상부전극층(307), 압전층(306), 및 하부전극층(305)을 SMP2에 기술된 식각 방법으로 에칭하여 상부전극(209), 압전요소(208), 하부전극(207), 바이어스 라인(215), 및 외부의 바이어스 전원선(216)을 형성한다. 계속해서, 도 6e의 멤브레인층(304)과 제2신호층(303)를 차례로 식각하여 멤브레인(206)을 형성하여 압전 구동부를 완성하고 제2신호선(205)과 제2외부연결 신호선(214)을 형성한다. 마지막으로, 비록 도면으로 나타내지는 않았지만, 도 4에서 도시하는 바와 같이, 제1신호선(203)의 일부가 드러나도록 지지부(204)를 사각형 형상으로 패터닝하고 식각하여 제1비어홀(210)을 형성한다.Specifically, the upper electrode layer 307, the piezoelectric layer 306, and the lower electrode layer 305 of FIG. 6E are etched by the etching method described in SMP2 to etch the upper electrode 209, the piezoelectric element 208, and the lower electrode 207. ), A bias line 215, and an external bias power line 216 are formed. Subsequently, the membrane layer 304 and the second signal layer 303 of FIG. 6E are sequentially etched to form a membrane 206 to complete the piezoelectric driver, and the second signal line 205 and the second external connection signal line 214 are etched. To form. Finally, although not shown in FIG. 4, as shown in FIG. 4, the support part 204 is patterned and etched in a square shape so that a part of the first signal line 203 is exposed to form the first via hole 210. .

이때, 멤브레인(206)과 제1비어홀(210)의 형성은 불화가스(SF6, CF4, CHF3)와 불활성 가스의 혼합가스를 에칭가스로 사용하고 반응 이온 식각 형태 식각 장비를 사용하여 300∼2000 mTorr 압력하에서 수행하며, 제2신호선(205)은 SMP6에서 기술된 식각 공정을 사용하여 형성한다.At this time, the formation of the membrane 206 and the first via hole 210 is performed using a mixed gas of fluorine gas (SF 6 , CF 4 , CHF 3 ) and an inert gas as an etching gas and 300 using a reactive ion etching type etching equipment. Performed under a pressure of -2000 mTorr, the second signal line 205 is formed using the etching process described in SMP6.

도 6g는 본 발명에 따른 RF 스위치에 있어서, 제 2비어홀(219) 형성부분에 금속을 이용하여, 상부전극(209)과 외부의 공통전원선(도시되지 않음) 간의 에어 브릿지(211)을 형성한 후의 상태를 나타내는 도 4의 A-A'선에 따른 단면도를 도시한 것이며, 도면에는 생략되었으나, 도 4의 제1비어홀(210)의 형성 부분에 금속을 이용하여 제1외부연결선(213)을 동시에 형성한다.FIG. 6G illustrates an air bridge 211 between the upper electrode 209 and an external common power line (not shown) using metal in a portion of the second via hole 219 formed in the RF switch according to the present invention. 4 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 4, which is omitted in the drawing. However, the first external connection line 213 is formed by using a metal in the formation portion of the first via hole 210 of FIG. 4. Form simultaneously.

다시 말해, 도 6g와 도 4를 참조하면, 상부전극(209)과 외부의 바이어스 전원선(216) 사이와 하부전극(207)과 바이어스 라인(215) 간의 전기적 접속을 위하여, SMP4 공정을 이용하여 공중에 부양된 다리 형태의 에어 브릿지(211, 212)를 형성한다.In other words, referring to FIGS. 6G and 4, for the electrical connection between the upper electrode 209 and the external bias power line 216 and between the lower electrode 207 and the bias line 215, an SMP4 process is used. Air bridges 211 and 212 in the form of legs suspended in the air are formed.

도 6h는 SMP3에 기술되어 있는 희생층 제거 기술을 사용하여 희생층을 제거한 후 상태를 나타내는 단면도이다. 도면에서, 부호 212는 희생층이 제거된 후 형성되는 에어 브릿지를 나타낸다.6H is a cross-sectional view illustrating a state after removing a sacrificial layer using the sacrificial layer removing technique described in SMP3. In the figure, reference numeral 212 denotes an air bridge formed after the sacrificial layer is removed.

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 RF 스위치를 나타내는 평면도를 나타낸다.도 7와 도 5a를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 RF 스위치(400)는 제2신호선(405)의 좌우에 두 개의 압전 구동부(450, 450)를 갖는 구조이며, 이러한 구조에서는 제1실시예의 구조에 비해 구동부 쪽으로 신호손실이 적고 바이어스에 의한 간섭 잡음이 적다.7 is a plan view illustrating an RF switch according to a second embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 7 and 5A, the RF switch 400 according to the second embodiment of the present invention may include a second signal line 405. It has a structure having two piezoelectric driving units 450 and 450 on the left and right sides of the structure. In this structure, the signal loss is less toward the driving unit and the interference noise due to the bias is smaller than that of the first embodiment.

도 5a의 제1실시예의 구조에서 보면 스위치가 온-상태에서 제1신호선(203)을 통해 제2신호선(205)으로 신호가 들어올 때 얇은 멤브레인(206) 위에 있는 하부전극(207)으로 유도전류가 발생하는데, 이러한 유도전류는 전력손실로 이어지는 바 이것을 방지하기 위해 제2실시예에서는 구동부(450, 450)가 제2신호선(405)과 겹쳐지지 않도록 설계한다. 따라서, 제2실시예에 따른 RF 스위치의 구조는 신호가 구동부쪽으로 손실이 일어나는 것을 막을 수 있다.In the structure of the first embodiment of FIG. 5A, when the switch is in the on-state and a signal comes into the second signal line 205 through the first signal line 203, the induced current is directed to the lower electrode 207 on the thin membrane 206. This induced current leads to power loss, and in order to prevent this, in the second embodiment, the driving units 450 and 450 are designed not to overlap the second signal line 405. Therefore, the structure of the RF switch according to the second embodiment can prevent the signal from being lost toward the driver.

도 8 및 도 9는 도 4와 도 7에 나타낸 제1실시예와 제2실시예의 변형된 구조를 갖는 본 발명의 제3 및 제4실시예에 따른 RF 스위치(500, 600)을 나타낸다.8 and 9 show RF switches 500 and 600 according to the third and fourth embodiments of the present invention having modified structures of the first and second embodiments shown in FIGS. 4 and 7.

제3 및 제4실시예에 따른 RF 스위치의 압전구동부(550, 650)는 접촉금속(506, 606), 멤브레인(507, 607), 하부전극(508, 608), 압전요소(509, 609), 상부전극(510, 610)으로 구성되어 있고, 인가되는 바이어스에 의한 변형에 따라 압전 구동부(550, 650, 650)의 접촉금속(506, 606)이 제1신호선(503, 603) 및제2신호선(504, 604)과 접촉을 하게 되어 전기적 스위칭 역할을 수행하도록 구성된다.The piezoelectric actuators 550 and 650 of the RF switch according to the third and fourth embodiments may include contact metals 506 and 606, membranes 507 and 607, lower electrodes 508 and 608, and piezoelectric elements 509 and 609. And the upper electrodes 510 and 610, and the contact metals 506 and 606 of the piezoelectric driving units 550, 650 and 650 are connected to the first signal lines 503 and 603 and the second signal lines according to the deformation caused by the bias applied. Contacts 504 and 604 and is configured to perform an electrical switching role.

도 7 내지 도 9에 나타낸 본 발명의 제2, 제3, 및 제4실시예에 따른 RF 스위치들의 제조 공정은 제1실시예에 따른 RF 스위치의 제조 공정과 동일하므로 별도로 설명하지 않는다.The manufacturing process of the RF switches according to the second, third, and fourth embodiments of the present invention shown in FIGS. 7 to 9 is the same as the manufacturing process of the RF switch according to the first embodiment and will not be described separately.

도 10은 본 발명에 따른 가변용량 커패시터의 평면도를 나타내며, 도 11은 도 10의 B-B' 선에 따른 단면도를 나타낸다.10 is a plan view of a variable capacitance capacitor according to the present invention, and FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG. 10.

도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 가변용량 커패시터(700)는 전기적 손실을 막기 위한 절연층(702)이 상부에 형성된 실리콘 기판(701) 또는 내화물질의 금속소재를 이용한 IC가 내장된 기판과, 내화물질 금속으로 구성된 하부 평행전극판(703)과, 하부 평행전극판(703)과 에어 갭(715)을 사이에 두고 수직방향으로 위치한 내화물질 금속으로 구성된 상부 평행전극판(705)과, 상부 평행전극판(705)을 상하로 이동시켜 커패시턴스를 변화시키는 두 개 이상의 압전 구동부(750)와, 그리고 상부 평행전극판(705)과 연결되어 있는 압전 구동부(750)를 지지하기 위한 지지부(704)를 포함하여 이루어진다.As shown, the variable capacitance capacitor 700 according to the present invention is a silicon substrate 701 or a substrate containing an IC using a metal material of the refractory material formed on top of the insulating layer 702 to prevent electrical loss; A lower parallel electrode plate 703 made of refractory metal, an upper parallel electrode plate 705 made of refractory metal positioned vertically with the lower parallel electrode plate 703 and an air gap 715 interposed therebetween, and Two or more piezoelectric drivers 750 for moving the parallel electrode plate 705 up and down to change capacitance, and a support part 704 for supporting the piezoelectric drivers 750 connected to the upper parallel electrode plate 705. It is made, including.

비록 도면으로 나타내지는 않았지만, 지지부(704) 내에는 하부 평행전극판(703)과 하부단자 라인을 연결시키기 위한 비어홀이 형성되어 있으며, 하부 평행전극판(703)은 지지부 내에 형성된 비어홀을 통해 에어 브릿지 제조 시 형성되는 금속으로 하부단자 라인과 연결되어 있다.Although not shown in the drawings, a via hole for connecting the lower parallel electrode plate 703 and the lower terminal line is formed in the support part 704, and the lower parallel electrode plate 703 has an air bridge through the via hole formed in the support part. It is a metal that is formed during manufacturing and is connected to the lower terminal line.

압전 구동부(750)는 압전요소(708), 압전요소(708)의 양단에 전압차를 인가하기 위한 하부전극(707)과 상부전극(709), 그리고 구조적으로 지지하기 위한 멤브레인(706)으로 이루어지고, 압전 구동부(750) 하부에 위치하는 상부단자 라인(714)을 통해 상부 평형전극판이 외부 상부단자 라인(716)과 연결되며, 각각의 압전 구동부(750)의 하부전극(707)은 외부 바이어스 패드(710)와 직접적으로 연결되어 있고, 각각의 압전 구동부(750)의 상부전극(709)은 각각의 에어 브릿지(712)를 통해 공통전극 패드(711)와 연결되어 있다.The piezoelectric driver 750 includes a piezoelectric element 708, a lower electrode 707 and an upper electrode 709 for applying a voltage difference across both ends of the piezoelectric element 708, and a membrane 706 for structural support. The upper balance electrode plate is connected to the external upper terminal line 716 through the upper terminal line 714 positioned below the piezoelectric driver 750, and the lower electrode 707 of each piezoelectric driver 750 is externally biased. The upper electrode 709 of each piezoelectric driver 750 is connected to the common electrode pad 711 through each air bridge 712.

본 발명에 따른 가변용량 커패시터(700)는 상부 평행전극판(705)과 하부 평행전극판(703) 사이에 공기를 유전체로 사용한다. 각각의 압전 구동부(750)의 하부전극(707)에 바이어스가 인가되고 상부전극(709)에 공통전극이 인가되면, 압전요소(708)는 전기장과 수직한 방향으로 수축하게 된다. 이에 따라, 네 개의 압전 구동부(750)는 소정의 각도로 경사지고, 이 결과, 상부 평행전극판(705)이 상하로 움직여 평행전극판 간의 간격 변화에 따라 정전용량이 변한다.The variable capacitor 700 according to the present invention uses air as a dielectric between the upper parallel electrode plate 705 and the lower parallel electrode plate 703. When a bias is applied to the lower electrode 707 of each piezoelectric driver 750 and a common electrode is applied to the upper electrode 709, the piezoelectric element 708 contracts in a direction perpendicular to the electric field. As a result, the four piezoelectric driving units 750 are inclined at a predetermined angle. As a result, the upper parallel electrode plate 705 moves up and down, and thus the capacitance changes as the gap between the parallel electrode plates changes.

본 발명에 따른 가변용량 커패시터의 제조 방법은 먼저, 절연 물질을 실리콘 기판(701) 상에 증착하여 절연층(702)를 형성한다. 이어서, 하부 평행전극판(703)을 형성한 후 지지부(704)를 형성한다. 계속해서, 에어 갭 형성을 위해 희생층을 형성한다. 상기한 각 구조의 형성은 상술한 RF 스위치의 제조 공정과 동일하다.In the method of manufacturing a variable capacitor according to the present invention, first, an insulating material is deposited on a silicon substrate 701 to form an insulating layer 702. Subsequently, after forming the lower parallel electrode plate 703, the support part 704 is formed. Subsequently, a sacrificial layer is formed to form an air gap. Formation of each structure described above is the same as the manufacturing process of the above-described RF switch.

다음으로, RF 스위치의 제조 공정에서 사용한 기술을 이용하여 평탄화 공정을 수행하고, 하부 평행전극판(703)과, 멤브레인층, 하부전극층, 압전층, 상부전극층을 순서대로 증착한 후, 역순으로 식각하여 상부전극(709), 압전요소(708), 하부전극(707), 멤브레인(706)을 형성한다. 이때, 각각을 형성하는 방법은 상술한 RF스위치의 경우와 동일하다.Next, a planarization process is performed by using a technique used in the manufacturing process of the RF switch, and the lower parallel electrode plate 703, the membrane layer, the lower electrode layer, the piezoelectric layer, and the upper electrode layer are sequentially deposited and then etched in the reverse order. The upper electrode 709, the piezoelectric element 708, the lower electrode 707, and the membrane 706 are formed. At this time, the method of forming each is the same as the case of the above-described RF switch.

마지막으로, 상부전극(209)과 공통전극선 사이와 하부단자 라인과 하부 평행전극판 사이에 상기 SMP4 공정을 이용하여 에어 브릿지를 형성하고, 희생층을 SMP3에서 기술한 공정으로 제거하여 가변용량 커패시터(700)을 완성한다.Finally, an air bridge is formed using the SMP4 process between the upper electrode 209 and the common electrode line, and between the lower terminal line and the lower parallel electrode plate, and the sacrificial layer is removed by the process described in SMP3. Complete 700).

본 발명에 따르면, IC회로 소자와 공정적으로 호환이 되며 IC회로 소자 위에 직접적으로 MEMS소자들을 집적화 할 수 있는 총괄적 표준 MEMS 공정(Standard MEMS Processing, 이하 SMP라 함)을 제공하는 것이 가능하다.According to the present invention, it is possible to provide a comprehensive standard MEMS process (hereinafter referred to as SMP) which is compatible with IC circuit elements and can integrate MEMS elements directly on the IC circuit elements.

또한, 본 발명에 따르면 소자의 크기를 줄일 수 있으며, 생산단가를 감소시키고, 기계적 미세 조정 등의 패키징의 어려움을 제거하고, 기생회로의 발생을 최소화, 또한 각각의 기능형 소자간의 연결에 따른 소자특성의 저하를 방지하는 것이 가능하다.In addition, according to the present invention can reduce the size of the device, reduce the production cost, eliminate the difficulty of packaging such as mechanical fine-tuning, minimize the occurrence of parasitic circuits, and the device according to the connection between each functional device It is possible to prevent deterioration of characteristics.

본 발명에서 기술된 압전 구동 RF 스위치는 수십 기가헤르츠(GHz)에서 0.5dB 이하의 낮은 삽입손실과 30∼40dB의 높은 전기 절연 등의 우수한 스위치 특성을 가지며, 낮은 구동전압에서 작동이 가능하여 휴대용 무선통신 시스템에서 적용이 가능하다.The piezoelectric drive RF switch described in the present invention has excellent switching characteristics such as low insertion loss of less than 0.5 dB and high electrical isolation of 30 to 40 dB at tens of gigahertz (GHz), and can be operated at a low driving voltage to enable portable wireless. Applicable in communication systems.

또한, 상술한 바와 같이 본 발명의 압전구동방식 집적 가변용량 커패시터는, 압전구동방식으로 인해 선형적인 커패시턴스의 변화를 확보할 수 있으며, 기판과의 노이즈 성분을 줄일 수 있고 10 이상의 Q값을 확보할 수 있다. 또한, 구동부가 커패시터와 같은 면적 내에 위치하여 면적을 줄일 수 있는 효과가 있어 RF 대역 무선통신 이동시스템의 소형화에 기여할 수 있는 효과가 있다.In addition, as described above, the piezoelectric drive type integrated variable capacitance capacitor of the present invention can secure a linear capacitance change due to the piezoelectric drive type, reduce noise components with a substrate, and secure a Q value of 10 or more. Can be. In addition, the driving unit is located in the same area as the capacitor has the effect of reducing the area there is an effect that can contribute to the miniaturization of the RF band wireless communication mobile system.

Claims (14)

전기적 절연을 위한 절연층이 적층된 실리콘 기판 또는 내화물질의 금속 소재를 이용한 IC가 내장된 기판과,A silicon substrate in which an insulating layer is laminated for electrical insulation, or a substrate in which an IC using a metal material of a refractory material is embedded; 상기 절연층 상부에 형성되고, 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 되는 제1외부신호단과 연결된 제1신호선과,A first signal line formed on the insulating layer and connected to a first external signal terminal which is an input terminal or an output terminal of a signal to be transmitted; 상기 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 되는 제2외부신호단과 연결되고, 제1신호선과의 물리적 접촉을 통하여 신호를 스위칭할 수 있는 제2신호선과,A second signal line connected to a second external signal end serving as an input end or an output end of the signal to be transmitted, and capable of switching a signal through physical contact with the first signal line; 상기 제2신호선을 구동하여 스위칭할 수 있게 하는, 멤브레인, 하부전극, 압전요소, 상부전극 순의 적층구조로 된 하나 이상의 압전 구동부와,At least one piezoelectric driver having a stacked structure of a membrane, a lower electrode, a piezoelectric element, and an upper electrode to drive and switch the second signal line; 상기 압전구동부에 구동 전압을 인가하기 위한 에어브리지와,An air bridge for applying a driving voltage to the piezoelectric driving unit; 상기 제2신호선과 상기 압전 구동부를 상기 기판에 연결하는 지지부를 포함하고,A support part connecting the second signal line and the piezoelectric driver to the substrate; 상기 에어브리지를 통해 상기 압전요소 상하에 위치한 상기 상부전극 및 상기 하부 전극에 전압이 인가된 경우 상기 압전구동부가 상기 기판과 평행이 되어 스위치가 OFF되고, 상기 전압이 인가되지 않는 경우 상기 제 1신호선과 상기 제 2신호선이 물리적으로 접촉하여 ON되어 스위칭하는 것을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치.When a voltage is applied to the upper electrode and the lower electrode positioned above and below the piezoelectric element through the air bridge, the piezoelectric driving part is parallel with the substrate, and the switch is turned off. When the voltage is not applied, the first signal line And the second signal line is physically in contact with the piezoelectric drive high frequency switch using the micro electromechanical system, characterized in that for switching. 기판을 통한 전기적 손실을 막기 위한 절연층이 적층된 기판 또는 내화물질의 금속 소재를 이용한 IC가 내장된 기판과,A substrate in which an insulating layer is laminated to prevent electrical loss through the substrate, or a substrate in which an IC using a refractory metal material is embedded; 상기 절연층 상부에 형성된 하부 평행전극판과,A lower parallel electrode plate formed on the insulating layer; 상기 하부 평행전극판과 에어 갭을 통한 일정 간격을 유지하여 커패시터를 형성하는 상부 평행전극판과,An upper parallel electrode plate for forming a capacitor by maintaining a predetermined gap through the lower parallel electrode plate and an air gap; 상부 평행전극판에 부착되고, 멤브레인, 하부전극, 압전요소, 상부전극 순의 적층구조로 된 두 개 이상의 압전 구동부와,Two or more piezoelectric driving parts attached to the upper parallel electrode plate and having a stacked structure of a membrane, a lower electrode, a piezoelectric element, and an upper electrode; 상기 상부전극 및 상기 하부전극에 전압을 인가하기 위한 에어브리지와An air bridge for applying a voltage to the upper electrode and the lower electrode; 상기 압전 구동부를 상기 기판에 연결하는 지지부를 포함하고,A support part connecting the piezoelectric driver to the substrate; 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극에 인가되는 전압에 의해 상기 압전요소가 수직방향으로 이동하고, 이에 따라 상기 상부 평행전극판을 상하로 움직여 상기 상하부 평행전극판의 간극을 조정함으로써 커패시턴스를 변화시키는 것을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 가변용량 커패시터.The piezoelectric element is moved in the vertical direction by the voltage applied to the upper electrode and the lower electrode, thereby changing the capacitance by adjusting the gap between the upper and lower parallel electrode plates by moving the upper parallel electrode plate up and down. Variable capacitance capacitors using microelectromechanical systems. 실리콘 기판 또는 내화물질의 금속소재를 이용한 IC가 내장된 기판을 제공하는 단계와,Providing a substrate in which an IC is built using a silicon substrate or a metal material of a refractory material, 상기 기판 위에 절연층을 형성하는 단계와,Forming an insulating layer on the substrate; 상기 절연층 위에 제1신호층을 형성한 후, 제1신호층을 패터닝하여 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 되는 제1신호선을 형성하는 단계와,Forming a first signal layer on the insulating layer and then patterning the first signal layer to form a first signal line serving as an input terminal or an output terminal of a signal to be transmitted; 상기 제1신호선을 포함한 절연층의 상부에 지지층을 형성하는 단계와,Forming a support layer on the insulating layer including the first signal line; 절연층, 제1신호선 및 지지부 상부 기판의 표면 전체에 대하여 희생층을 증착하는 단계와,Depositing a sacrificial layer over the entire surface of the insulating layer, the first signal line and the support upper substrate; 상기 희생층을 평탄화시키는 단계와,Planarizing the sacrificial layer; 평탄화된 희생층의 상부와 지지부의 상부에 제2신호층을 형성하는 단계와,Forming a second signal layer over the planarized sacrificial layer and over the support; 상기 제2신호층의 상부에 멤브레인층, 하부전극층, 압전층, 상부전극층을 순차적으로 형성하는 단계와,Sequentially forming a membrane layer, a lower electrode layer, a piezoelectric layer, and an upper electrode layer on the second signal layer; 상기 상부전극층, 압전층, 하부전극층을 패터닝하여 상부전극, 압전요소, 하부전극, 바이어스 라인, 그리고 공통전극선을 형성하는 단계와,Patterning the upper electrode layer, the piezoelectric layer, and the lower electrode layer to form an upper electrode, a piezoelectric element, a lower electrode, a bias line, and a common electrode line; 상기 멤브레인층과 제2신호층을 차례로 식각하여 멤브레인을 형성하여 압전구동부를 완성하고 제2신호선과 제2외부연결 신호선을 형성하는 단계와,Forming a membrane by sequentially etching the membrane layer and the second signal layer to complete a piezoelectric driving part, and forming a second signal line and a second external connection signal line; 상기 제1신호선의 일부가 드러나도록 지지부를 사각형 형상으로 패터닝하고 식각하여 제1비어홀을 형성하는 단계와,Forming a first via hole by patterning and etching the support part in a rectangular shape so that a part of the first signal line is exposed; 상기 상부전극과 공통전극선 사이와 하부전극과 바이어스 라인 간의 전기적 접속을 위하여, 공기 중에 떠 있는 다리 형태의 에어 브릿지를 형성하는 단계와,Forming an air bridge in the form of a bridge floating in air for electrical connection between the upper electrode and the common electrode line and between the lower electrode and the bias line; 희생층을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.A method of manufacturing a piezoelectric drive high frequency switch using a microelectromechanical system comprising the step of removing the sacrificial layer. 제3항에 있어서, 상기 멤브레인층이 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법에 의해 1000∼8000Å정도의 두께를 갖도록 형성된 규소질화물(SiNx)층인 것을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.4. The piezoelectric driven high frequency switch of claim 3, wherein the membrane layer is a silicon nitride (SiNx) layer formed to have a thickness of about 1000 to 8000 Pa by a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method. Manufacturing method. 제3항에 있어서, 상기 상부전극층과 하부전극이 증착온도 200∼300℃에서 백금(Pt)과 탄탈륨(Ta) 또는 티타늄(Ti)을 스퍼터링 방법을 이용하여 형성함을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.The microelectromechanical system according to claim 3, wherein the upper electrode layer and the lower electrode are formed by sputtering of platinum (Pt), tantalum (Ta) or titanium (Ti) at a deposition temperature of 200 to 300 ° C. Method for manufacturing a piezoelectric drive high frequency switch using. 제5항에 있어서, 상기 하부전극 형성시 접착층으로 도입되는 탄탈륨 또는 티타늄은 산소분위기 하에서 급속열처리함을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.The method of claim 5, wherein tantalum or titanium introduced into the adhesive layer when the lower electrode is formed is rapidly thermally treated in an oxygen atmosphere. 제3항에 있어서, 상기 압전층이 PZT(PbZrTiO3) 또는 PLZT(PbLaZrTiO3)를 이용하여 0.1∼1㎛ 두께로 형성되고 급속열처리 방법으로 결정화됨을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.The piezoelectric driving high frequency using a micro electromechanical system according to claim 3, wherein the piezoelectric layer is formed to a thickness of 0.1 to 1 탆 using PZT (PbZrTiO 3 ) or PLZT (PbLaZrTiO 3 ) and crystallized by a rapid heat treatment method. Method of manufacturing a switch. 제7항에 있어서, 상기 압전층의 생성시, 백금과 압전물질 간의 결정격자의 불일치성을 최소화하도록 핵생성층을 형섬함을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.The method of manufacturing a piezoelectric drive high frequency switch using a microelectromechanical system according to claim 7, wherein the nucleation layer is shaped to minimize the inconsistency of crystal lattice between platinum and the piezoelectric material. 제3항에 있어서, 상기 희생층을 에어갭이 형성될 부분에 다결정 실리콘 재료를 1.0∼3㎛ 정도의 두께로 저압 화학 기상 증착 방법을 이용하여 증착하여 형성함을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.The microelectromechanical system according to claim 3, wherein the sacrificial layer is formed by depositing a polycrystalline silicon material on a portion where an air gap is to be formed by using a low pressure chemical vapor deposition method with a thickness of about 1.0 to 3 µm. Method of manufacturing piezoelectric drive high frequency switch using. 제9항에 있어서, 상기 희생층의 제거가 불화크세논(XeF2) 기화 식각 공정에 의해 수행됨을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the removing of the sacrificial layer is performed by a xenon fluoride (XeF 2 ) vaporization etching process. 제3항에 있어서, 상기 에어 브릿지가 포토레지스트에 의한 일시적 표면 평탄화를 이루어진 상태에서 연결금속을 증착하므로써, 계단형태의 단차구조가 없도록형성됨을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.4. The piezoelectric drive of the piezoelectric drive high frequency switch according to claim 3, wherein the air bridge is formed such that there is no stepped structure by depositing a connecting metal in a state where temporary surface planarization is performed by photoresist. Manufacturing method. 제3항에 있어서, 상기 내화물질의 금속소재가 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 또는 질화티타늄(TiN) 그리고 질화산화티타늄(TiON)인 것을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.4. The piezoelectric drive high frequency according to claim 3, wherein the metal material of the refractory material is tungsten (W), titanium (Ti), or titanium nitride (TiN) and titanium nitride oxide (TiON). Method of manufacturing a switch. 제12항에 있어서, 상기 내화물질의 금속소재가 Ti-TiN-W-TiON, Ti-TiN-W-TiN, 또는 Ti-TiON-W-TiON 순으로 적층됨을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.The method of claim 12, wherein the metal material of the refractory material is stacked in order of Ti-TiN-W-TiON, Ti-TiN-W-TiN, or Ti-TiON-W-TiON. Method of manufacturing piezoelectric driven high frequency switch. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 내화물질의 금속소재가 불화가스(SF6,CF4,CHF3)를 에칭 가스로 사용하고, 고밀도 프라즈마 형태 식각 장비를 사용하여 저압에서 식각이 수행됨을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.The method of claim 11 or 12, wherein the metal material of the refractory material using a fluorinated gas (SF 6 , CF 4 , CHF 3 ) as an etching gas, the etching is performed at low pressure using a high-density plasma type etching equipment. A method of manufacturing a piezoelectric drive high frequency switch using a micro electromechanical system characterized in that.
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