JP4402682B2 - 下向型memsスイッチの製造方法及び下向型memsスイッチ - Google Patents

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Description

本発明は下向型MEMSスイッチの製造方法及び下向型MEMSスイッチに関し、より詳細には圧電力によって下向き駆動する接続パッドをRF信号ラインとレイヤを共有して製造するが、RF信号ラインを製造した後に製造する下向型MEMSスイッチの製造方法及び下向型MEMSスイッチに関する。
再構成アンテナは機械的又は電気的な方法で中心周波数、帯域幅、利得などのアンテナの特性を変換するアンテナであって、最近はマルチバンドアンテナの製造に応用されている。マルチバンドアンテナが移動通信機器に適用される場合、移動通信機器は周波数帯域の信号を区分するためのスイッチを備える必要がある。
既存の再構成マルチバンドアンテナに使われるスイッチとしては、半導体スイッチ、静電気駆動による静電型スイッチ、カンチレバースイッチなどが挙げられる。
しかし、半導体スイッチを使う場合、半導体スイッチとアンテナ間での、製造互換性に関わる問題が発生するため、同一基板に半導体スイッチとアンテナを製造するには多くの困難さがある。
また、静電型スイッチは一般的にMEMS技術を用いてスイッチを製造するので基板の一部はメタル(金属)を用いるようになる。従って、従来の静電型スイッチを使う場合、アンテナのメタルと基板のメタル上に電磁結合現象が発生する余地が高いので、性能の向上及び設計などが難しく、小型化及び低電圧駆動も難しい。
一方、カンチレバースイッチは圧電方式で主に使われるスイッチであって、マルチレイヤの製造によるストレスのため、初期変位が起こりやすく、これは正確なスイッチングの制御に大きな制約となる。
また、カンチレバースイッチは一側のみ駆動レイヤが備えられるため、その非対称構造により両側で駆動するMEMSスイッチに比べ駆動力が小さくて性能が落ちる問題点がある。
また、従来の両側で駆動するMEMSスイッチの場合、アンテナラインと接触される接続パッドをアクチュエータを製造する前に形成することで、高いカップリング現象を発生させる問題点がある。
米国特許第6069587号明細書 米国特許出願公開第2004−0094815号明細書 韓国特許出願公開第2005−047351号明細書
本発明の目的は、MEMSスイッチの製造時、圧電力によってRFラインと接続される基板のメタルを、スイッチを駆動するアクチュエータ及びアンテナラインを製造した後に形成することで、前述の問題点を解消することのできる下向型MEMSスイッチの製造方法及び下向型MEMSスイッチを提供することにある。
前述の問題点を解決するための本発明に係る下向型MEMSスイッチの製造方法は、(a)基板の上に第1及び第2空洞部を形成するステップと、(b)前記第1及び第2空洞部の上部に第1及び第2アクチュエータを形成するステップと、(c)前記基板の上面に前記第1及び第2空洞部と交差しないように第1及び第2固定ラインを形成するステップと、(d)前記第1及び第2固定ラインの表面から一定の距離で離隔された位置に配置され、前記第1及び第2アクチュエータの駆動時、前記第1及び第2固定ラインと接触可能な形の接続パッドを形成するステップと、を含む。
好ましくは、(e)前記接続パッドの表面から一定の距離で離隔された位置に前記第1及び第2アクチュエータの一端と連結される保持層を形成するステップを更に含む。
詳細には、電源が印加されると、前記第1及び第2アクチュエータから発生する圧電力によって、前記接続パッドは前記第1及び第2固定ラインのうち少なくとも一つと接続されるように下向き駆動される。
ここで、前記第1及び第2固定ラインは、互いに異なる帯域幅のアンテナ信号ラインである。
また、前記接続パッドの一定領域は凹状であり、前記一定領域の両側上端は各々前記第1及び第2固定ラインと接続されるように両側に突出される形状を有する。
より詳細には、前記(b)ステップは、(b1)前記基板の上に前記第1及び第2空洞部を覆う下部電極を形成するステップと、(b2)前記下部電極の上に圧電セラミックから成る圧電層を形成するステップと、(b3)前記圧電層の上に上部電極を形成するステップと、(b4)前記上部電極の上にメンブレイン層を形成するステップと、を含む。
一方、前述の課題を解決するための本発明に係る下向型MEMSスイッチは、第1及び第2空洞部が形成される基板と、前記第1及び第2空洞部と交差しないように前記基板の上面に形成される第1及び第2固定ラインと、前記第1及び第2固定ラインの表面から一定の距離で離隔されて形成される接続パッドと、前記第1及び第2空洞部の上部に位置し、電源が供給されると前記接続パッドを前記第1及び第2固定ラインのうち少なくとも一つを接触されるように下向き駆動する第1及び第2アクチュエータと、を含む。
前記接続パッドは、前記第1及び第2アクチュエータ、前記第1及び第2固定ラインが製造された後に製造される。
好ましくは、前記第1及び第2アクチュエータの一端に連結され、前記接続パッドの表面から一定の距離で離隔された位置に浮遊された保持層を更に含む。
詳細には、前記第1及び第2アクチュエータの各々は、前記基板の上に位置し前記第1及び第2空洞部を覆う下部電極と、前記下部電極の上に位置し圧電セラミックから成る圧電層と、前記圧電層の上に位置する上部電極と、前記上部電極の上に位置するメンブレイン層と、を含む。
本発明に係る下向型MEMSスイッチの製造方法及び下向型MEMSスイッチによると、圧電方式を用いてスイッチを製造することにより、低電圧駆動ができ、アンテナとスイッチの製造時に発生する互換性の問題が解消され、アンテナとスイッチを同一基板に製造することができる。これにより、パッケージング費用を削減するとともに小型化が可能になる。
また、圧電力を用いたスイッチを使うことで、アンテナラインのメタルと基板のメタル上で発生する電磁結合現象を解消することができ、これにより性能も改善される。
また、互いに対称な2つのアクチュエータを用いることで、初期変位の発生を事前に防止することができ正確にスイッチングの制御を行うことができる。更に、対称構造により駆動力が縮小されることを防止することができる。
また、アンテナラインと接触される接続パッドをアクチュエータを製造した後に形成することで、カップリング現象を縮小させる効果がある。
また、前述の効果を有するMEMSスイッチをマルチバンドのために再構成アンテナに適用することで、再構成アンテナの性能及び再構成アンテナが適用されるモバイル機器等の性能も改善される効果がある。
以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳説する。
図1は本発明の好適な実施形態に係る下向型MEMSスイッチを示す平面図であり、図2は図1の保持層が省略された下向型MEMSスイッチの一部を示す斜視図であり、図3は図1の保持層が省略された図1のA−A’断面図であり、図4は図1のB−B’断面図である。
図1ないし図4に示すように、下向型MEMSスイッチ100は、第1及び第2空洞部120、122が形成される基板110、第1アクチュエータ130、第2アクチュエータ132、第1固定ライン140、第2固定ライン142、接続パッド150、及び保持層160を含み、後述する圧電方式で駆動する。
第1空洞部120及び第2空洞部122は、基板110の第1領域及び第2領域に互いに対称なように形成され、一定の距離で離隔して形成される。
第1アクチュエータ130及び第2アクチュエータ132は、各々第1空洞部120及び第2空洞部122の上部に形成され、基板110の一端に先端が固定される。図1において、第1及び第2サブアクチュエータ130’、132’側に位置する第1アクチュエータ130及び第2アクチュエータ132の先端が基板110に固定される。電源が印加されると、第1アクチュエータ130及び第2アクチュエータ132は圧電力を用いて接続パッド150が第1及び第2固定ライン140、142のうち少なくとも一つに接触されRF信号を伝送するように下向き駆動する。
そのために、第1アクチュエータ130は第1下部電極130a、第1圧電層130b、第1上部電極130c、及び第1メンブレイン層130dを有し、第2アクチュエータ132は第2下部電極132a、第2圧電層132b、第1上部電極132c、及び第2メンブレイン層132dを有する。
第1下部電極130a及び第2下部電極132aは基板の上に位置し、第1空洞部120及び第2空洞部122を覆う。
第1圧電層130b及び第2圧電層132bは各々第1下部電極130a及び第2下部電極132aの上に位置し圧電セラミックから成る。圧電セラミックはPbO、ZrO2、TiO2を用いたセラミック製造によって作られる圧電層であって、PZTともいう。
第1上部電極130c及び第2上部電極132cは各々第1圧電層130b及び第2圧電層132bの上に位置し、第1メンブレイン層130d及び第2メンブレイン層132dは各々第1圧電層130b及び第2圧電層132bの上に位置する。
第1下部電極130a及び第1上部電極130cは各々上部端子170及び下部端子171によって第1サブアクチュエータ130’と連結され、第1電極パッド180及び第1接地パッド181は駆動ライン190、191によって第1サブアクチュエータ130’と連結される。
第2アクチュエータ132は第2下部電極132a、第2圧電層132b、第2上部電極132c、及び第2メンブレイン層132dを有し、これは第1アクチュエータ130と対応されるため、説明の便宜上、詳細説明は省略する。
但し、第2下部電極132a及び第2上部電極132cは各々上部端子172及び下部端子173によって第2サブアクチュエータ132’と連結され、第2電極パッド182及び第2接地パッド183は駆動ライン192、193によって第2サブアクチュエータ132’と連結される。
第1固定ライン140及び第2固定ライン142は第1空洞部120及び第2空洞部122と交差しないように基板110の上面に形成され、各一端は突出型で形成される。これは、接続パッド150が下向き駆動される時、第1固定ライン140及び第2固定ライン142のうち少なくとも一つとより正確に接続されるようにするためである。
本発明において、第1固定ライン140及び第2固定ライン142は、再構成アンテナに適用するために、互いに異なる帯域幅のアンテナ信号ラインが用いられる。また、第1固定ライン140及び第2固定ライン142は、信号線と接地を一面にもつCPWラインを使用する。
接続パッド150は、第1固定ライン140及び第2固定ライン142の表面から一定の距離を隔てて形成される。接続パッド150は直方体又は立方体など第1固定ライン140及び第2固定ライン142と連結される形態を有する。
本発明において、接続パッド150は、図1に示すように一定領域は凹状であり、一定領域の両側上端は各々第1及び第2固定ライン140、142と連結されるように両側に突出される形状を有する。従って、接続パッド150が下向き駆動されると、第1及び第2固定ライン140、142の突出部位は接続パッド150の突出された両側と接触されスイッチングオンされる。しかし、このような突出形態は接続パッド150の一例であって、この形状に限定されるものではない。
第1固定ライン140、第2固定ライン142、及び接続パッド150は伝導性の金属材質で、例えば金で作ることができ、接続パッド150は第1及び第2アクチュエータ130、132、第1及び第2固定ライン140、142が製造された後に製造される。これは、接続パッド150と第1及び第2アクチュエータ130、132、又は接続パッド150と第1及び第2固定ライン140、142との間など、MEMSスイッチ100内で発生し得るカップリング現象を解消するためである。
保持層160は、第1及び第2アクチュエータ130、132に電源が印加され圧電力が発生する場合、接続パッド150が上向きに移動したり落ちることを防止する。そのために、保持層160の両端は第1及び第2メンブレイン層130d、132dの一端に連結され、接続パッド150の凹状の表面又は全体表面から一定の距離を隔てた位置に形成される。また、接続パッド150の突出された部位の上面は保持層160と接触されることで接続パッド150の上向き移動を防止することができる。
図5Aないし図5Fは、図1に係る下向型MEMSスイッチの製造過程を説明するための図面である。
まず、図5Aに示すように、エッチングによって第1及び第2空洞部120、122を形成した後、基板110の表面に保護層112と第1及び第2犠牲層120a、122aを蒸着する。
次に、第1及び第2犠牲層120a、122aをポリレジストでコーティング及びパターニングした後、化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)を行う。第1及び第2犠牲層120a、122aとしてはポリシリコン、PRポリマー、金属などを使うことができる。ここで、第1及び第2犠牲層120a、122aは一定の距離で離隔されるように形成する。そして、第1及び第2犠牲層120a、122aを含む基板110の上に下部電極1、圧電層2、上部電極3、及びメンブレイン層4を順に蒸着してアクチュエータ10を形成する。
次に、図5Bに示すように、アクチュエータ10をパターニングして第1及び第2アクチュエータ130、132、第1及び第2サブアクチュエータ130’、132’を形成するが、第1及び第2犠牲層120a、122aが形成されていない基板110の領域には第1及び第2サブアクチュエータ130’、132’が形成されるようにパターニングする。
次に、図5Cに示すように、第1及び第2アクチュエータ130、132が形成された基板110に第1及び第2固定ライン140、142を形成する。図5Cには第1固定ライン140のみ示されている。第1及び第2固定ライン140、142は一般的にCPWラインで形成され、Auのようなコンタクトメタルを使う。第1及び第2固定ライン140、142の一端は突出型であるため、B−B’断面図で第1及び第2アクチュエータ130、132より高い線上に位置する。
それとともに、上部端子170、172と下部端子171、173が電源供給経路として第1アクチュエータ130と第1サブアクチュエータ130’との間及び第2アクチュエータ132と第2サブアクチュエータ132’との間に形成される。そして、第3及び第4犠牲層200a、200bとシード層(図示せず)を蒸着した後、接続パッド150を形成するためにメッキ形成を行う。この過程で第3及び第4犠牲層200a、200bの厚さによって第1及び第2固定ライン140、142と接続パッド150との間の間隔を調整することができる。
次に、図5Dに示すように、メッキ形成された位置に電気メッキによって接続パッド150を形成する。ここで、接続パッド150の両端は突出されるように形成され接続パッド150の両端が下向き駆動される場合、各々第1及び第2固定ライン140、142の一端に接触されるようにする。
次に、図5Eに示すように、第1及び第2アクチュエータ130、132、第1及び第2固定ライン140、142、及び接続パッド150が露出されるように第3及び第4犠牲層200a、200bを除去し、図5Fに示すように第1及び第2空洞部120、122が形成されるように第1及び第2犠牲層120a、122aを除去する。そして、図5Eには示していないが、接続パッド150の上部を通過する保持層160の両端が第1及び第2メンブレイン層130d、132dの一端に連結されるように接続パッド150を形成する。
従って、第1及び第2電極パッド180、182、駆動ライン190、192、第1及び第2サブアクチュエータ130’、132’、上部端子170、172、及び下部端子171、173を介して電源が印加されると、第1及び第2アクチュエータ130、132は圧電力を発生する。これによって接続パッド150は下向き駆動され、第1及び第2固定ライン140、142のうち少なくとも1つと接触され所定の帯域幅のRF信号が伝送される。
図6Aは図1の下向型MEMSスイッチが適用された再構成アンテナの第1実施形態を示す図面であり、図6Bは図1の下向型MEMSスイッチが適用された再構成アンテナの第2実施形態を示す図面である。
図6Aに示すように、再構成アンテナはマルチバンドのためのダイポールアンテナであって、示された2つのMEMSスイッチ100がオンすると、2つのMEMSスイッチ100の間にある第1及び第2固定ライン(1)、(2)が電気的に接続され第1帯域幅のRF信号を伝送する。
また、図6Bでは、図6Aに示された図面番号と同様の要素に対しては同一な図面番号を記載しているが、ただ保持層160又は駆動ライン190〜193などの配置のみを変更している。再構成アンテナはマルチバンドのためのダイポールアンテナであって、示された2つのMEMSスイッチ100がオンすると、2つのMEMSスイッチ100の間にある固定ライン(3)が電気的に接続され第2帯域幅のRF信号を伝送する。
前述の本発明によると、アンテナラインとしての第1及び第2固定ライン140、142と接続パッド150はレイヤを共有して最終的にパッケージングされ、第1及び第2固定ライン140、142に接続される接続パッド150は最終ステップにおいて製造される。これにより、各構成要素間で発生するカップリング現象が減少し、低電圧での駆動も可能になる。
以上、本発明の好適な実施形態を図示及び説明してきたが、本発明の技術的範囲は前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に基づいて定められ、特許請求の範囲において請求する本発明の要旨から外れることなく、当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば誰もが多様な変形実施が可能であることは勿論のことであり、該変更した技術は特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲に属するものである。
本発明の好適な実施形態に係る下向型MEMSスイッチを示す平面図である。 図1の保持層が省略された下向型MEMSスイッチの一部を示す斜視図である。 図1の保持層が省略されたA−A’断面図である。 図1のB−B’断面図である。 図1に係る下向型MEMSスイッチの製造過程を説明するための図面である。 図1に係る下向型MEMSスイッチの製造過程を説明するための図面である。 図1に係る下向型MEMSスイッチの製造過程を説明するための図面である。 図1に係る下向型MEMSスイッチの製造過程を説明するための図面である。 図1に係る下向型MEMSスイッチの製造過程を説明するための図面である。 図1に係る下向型MEMSスイッチの製造過程を説明するための図面である。 図1の下向型MEMSスイッチが適用された再構成アンテナの第1実施形態を示す図面である。 図1の下向型MEMSスイッチが適用された再構成アンテナの第2実施形態を示す図面である。
符号の説明
100 下向型MEMSスイッチ
120 第1空洞部
122 第2空洞部
130 第1アクチュエータ
132 第2アクチュエータ
140 第1固定ライン
142 第2固定ライン
150 接続パッド
160 保持層

Claims (10)

  1. (a)平板状の基板の上に第1及び第2空洞部を形成するステップであって
    − 前記第1及び第2空洞部の双方は、前記基板の一の中心線上に形成され、
    − 前記第1及び第2空洞部のそれぞれは、互いに所定距離を置いて前記基板上に形成された凹所とされ、
    − 前記第1及び第2空洞部のそれぞれは、前記基板の端部から間隔を置いて形成されている、
    第1及び第2空洞部を形成するステップと、
    (b)前記第1及び第2空洞部の上部に第1及び第2アクチュエータを形成するステップと、
    (c)前記基板の上面に前記第1及び第2空洞部と交差しないように第1及び第2固定ラインを形成するステップであって
    − 前記第1及び第2固定ラインは、前記第1空洞部と第2空洞部との間を通り、前記基板の一の中心線に直交する中心線上に形成され、
    − 前記第1及び第2固定ラインは、前記第1及び第2空洞部から離隔して形成されている、
    第1及び第2固定ラインを形成するステップと、
    (d)前記第1及び第2固定ラインの表面から一定の距離で離隔された位置に配置され、前記第1及び第2アクチュエータの駆動時、前記第1及び第2固定ラインと接触可能となるように一定領域は凹状であり、前記一定領域の両側領域は各々前記第1及び第2固定ラインと接続されるように突出される形状を有する接続パッドを形成するステップと、
    を含むことを特徴とする下向型MEMSスイッチの製造方法。
  2. (e)前記接続パッドの表面から一定の距離で離隔された位置に前記第1及び第2アクチュエータの一端と連結され、前記接続パッドの突出された領域の上面と接触され、前記凹状の領域とは離隔された位置に保持層を形成するステップを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の下向型MEMSスイッチの製造方法。
  3. 電源が印加されると、前記第1及び第2アクチュエータから発生する圧電力によって、前記接続パッドは前記第1及び第2固定ラインのうち少なくとも一つと接続されるように下向き駆動されることを特徴とする請求項1に記載の下向型MEMSスイッチの製造方法。
  4. 前記第1及び第2固定ラインは、互いに異なる帯域幅のアンテナ信号ラインであることを特徴とする請求項1に記載の下向型MEMSスイッチの製造方法。
  5. 前記(b)ステップは、
    (b1)前記基板の上に前記第1及び第2空洞部を覆う下部電極を形成するステップと、
    (b2)前記下部電極の上に圧電セラミックから成る圧電層を形成するステップと、
    (b3)前記圧電層の上に上部電極を形成するステップと、
    (b4)前記上部電極の上にメンブレイン層を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項1に記載の下向型MEMSスイッチの製造方法。
  6. 第1及び第2空洞部が形成される平板状の基板であって
    − 前記第1及び第2空洞部の双方は、前記基板の一の中心線上に形成され、
    − 前記第1及び第2空洞部のそれぞれは、互いに所定距離を置いて前記基板上に形成された凹所とされ、
    − 前記第1及び第2空洞部のそれぞれは、前記基板の端部から間隔を置いて形成されている、
    基板と、
    前記第1及び第2空洞部と交差しないように前記基板の上面に形成される第1及び第2固定ラインであって
    − 前記第1及び第2固定ラインは、前記第1空洞部と第2空洞部との間を通り、前記基板の一の中心線に直交する中心線上に形成され、
    − 前記第1及び第2固定ラインは、前記第1及び第2空洞部から離隔して形成されている、
    第1及び第2固定ラインと、
    前記第1及び第2固定ラインの表面から一定の距離で離隔されて形成される接続パッドと、
    前記第1及び第2空洞部の上部に位置し、電源が供給されると前記接続パッドを前記第1及び第2固定ラインのうち少なくとも一つに接触されるように下向き駆動する第1及び第2アクチュエータと、
    含み、
    前記接続パッドは、前記第1及び第2アクチュエータの駆動時、前記第1及び第2固定ラインと接触可能となるように一定領域は凹状であり、前記一定領域の両側領域は各々前記第1及び第2固定ラインと接続されるように突出される形状を有することを特徴とする下向型MEMSスイッチ。
  7. 前記第1及び第2アクチュエータの一端に連結され、前記接続パッドの表面から一定の距離で離隔された位置に浮遊され、前記接続パッドの突出された領域の上面と接触され、前記凹状の領域とは離隔された位置に形成される保持層を更に含むことを特徴とする請求項に記載の下向型MEMSスイッチ。
  8. 前記第1及び第2固定ラインは、互いに異なる帯域幅のアンテナ信号ラインであることを特徴とする請求項に記載の下向型MEMSスイッチ。
  9. 前記第1及び第2アクチュエータの各々は、
    前記基板の上に位置し前記第1及び第2空洞部を覆う下部電極と、
    前記下部電極の上に位置し圧電セラミックから成る圧電層と、
    前記圧電層の上に位置する上部電極と、
    前記上部電極の上に位置するメンブレイン層と、
    を含むことを特徴とする請求項に記載の下向型MEMSスイッチ。
  10. 前記接続パッドは、前記第1及び第2アクチュエータ、前記第1及び第2固定ラインが製造された後に製造されることを特徴とする請求項に記載の下向型MEMSスイッチ。
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