KR0160909B1 - Micro-relay - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기력 구동 마이크로 릴레이 구조체 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 실리콘 웨이퍼 기판의 상부면과 바닥면에 절연을 위해 열 산화막을 올린 후, 상기 바닥면 위에 도금의 전극이 될 얇은 금속층을 형성하는 제1단계와; 상기 금속층 위에 폴리이미드를 입혀 패턴을 전사하여 다수의 소정 부분의 금속층이 나타나도록 건식식각하는 제2단계와; 상기 나타난 금속층을 전극으로 하여 구리를 전해 및 무전해 도금으로 코일 바닥면을 제작하는 제3단계와; 상기 코일부분을 제외한 금속층을 제거한 후 산화막 또는 폴리이미드를 덮어 코일 부분인 구리를 보호하는 제4단계와; 후막의 자성체 코아를 형성하기 위해 마스크로 사용할 기판 상부면의 열 산화막을 코아의 패턴 형태로 건식식각한 후 습식 식각방법에 의해 소정 깊이 이상을 식각하는 제5단계와; 상기 제5단계의 식각된 코아 형성부분에 금속층을 입힌 후 자성체를 전기도금으로 제작하는 제6단계와; 상기 도금 전극으로 사용한 금속층을 건식식각으로 제거하고, 절연을 위해 상기 형성된 코아 상부에 소정크기의 산화막을 형성하는 제7단계와; 상기 기판 밑면의 구리코일을 웨이퍼 윗면으로 연결배선하기 위해 습식식각에서 마스크로 사용할 산화막을 건식식각한 후, 비등방성 식각을 하여 밑면의 구리코일 배선이 나타날 때까지 식각하고, 무전해 도금으로 코일 배선 부분을 채우는 제8단계와; 상기 제5단계와 제6단계의 수행 후에 형성된 후막의 분리된 자성체 상부에 형성된 산화막을 식각한 후 밑면 전극이 될 금을 리프트 오프 방법으로 제작하고, 후막의 알루미늄 또는 폴리이미드를 채워 넣은 희생층을 형성하여 전극접점 부위를 형성하는 제9단계와; 상기 희생층 위에 릴레이의 윗면 전극이 될 금과 전기적 절연을 위한 산화막을 올리는 제10단계를 포함하여 이루어지며 실리콘 웨이퍼의 벌크 마이크로 머시닝 기술, 전기도금 기술 및 반도체 공정기술을 이용하여 기존의 릴레이보다 소형이고, 집적회로 공정과 호환성이 있는 자기 구동 마이크로 릴레이 구조체 구조에 관한 것으로, 수백 ㎒에서 반복 스위칭 동작과 아울러 저 접점저항을 이룰 수 있으며, 대량생산이 가능하여 저렴하고, 릴레이 어레이(array)구성이 용이하다는 장점이 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic force-driven micro relay structure and a method of manufacturing the same, comprising: forming a thin metal layer to be a plated electrode on the bottom surface after raising a thermal oxide film for insulation on a top surface and a bottom surface of a silicon wafer substrate. Step 1; A second step of applying polyimide on the metal layer to transfer the pattern and dry etching the metal layers of a plurality of predetermined portions to appear; A third step of producing a coil bottom by electrolytic and electroless plating of copper using the metal layer as the electrode; Removing the metal layer except for the coil part and then covering the oxide film or polyimide to protect the coil part copper; A fifth step of dry etching the thermal oxide film on the upper surface of the substrate to be used as a mask to form a magnetic core of the thick film in the form of a core, and then etching a predetermined depth or more by a wet etching method; A sixth step of manufacturing a magnetic material by electroplating after coating a metal layer on the etched core forming part of the fifth step; Removing a metal layer used as the plating electrode by dry etching, and forming an oxide film having a predetermined size on the formed core for insulation; In order to connect and connect the copper coil on the bottom of the substrate to the upper surface of the wafer, the oxide film to be used as a mask in wet etching is dry-etched, and then anisotropically etched until the copper coil wiring on the bottom appears, and the coil wiring by electroless plating An eighth step of filling the part; After etching the oxide film formed on the separated magnetic material of the thick film formed after the fifth step and the sixth step, the gold to be the bottom electrode was manufactured by the lift-off method, and the sacrificial layer filled with aluminum or polyimide of the thick film was prepared. A ninth step of forming an electrode contact portion; And a tenth step of placing an oxide film for electrical insulation and gold which will be the top electrode of the relay on the sacrificial layer, and is smaller than a conventional relay by using a bulk micromachining technique, an electroplating technique, and a semiconductor process technique of a silicon wafer. The present invention relates to a structure of a magnetic drive micro relay structure compatible with an integrated circuit process, and to achieve a low contact resistance with repeated switching operation at hundreds of MHz, and to mass production, inexpensive, and a relay array configuration. It has the advantage of being easy.
Description
제1도는 본 발명에 의한 자기구동 마이크로 릴레이 구조체의 개략도.1 is a schematic diagram of a self-driven micro relay structure according to the present invention.
제2도는 본 발명에 의한 자기구동 마이크로 릴레이 구조체의 접점 부분을 도시한 도면.2 shows a contact portion of a self-driven micro relay structure according to the present invention.
제3a도는 본 발명에 의한 자기구동 마이크로 릴레이 구조체의 코일 부분 단면도.Figure 3a is a cross-sectional view of the coil portion of the magnetic drive micro relay structure according to the present invention.
제3b도는 본 발명에 의한 자기구동 마이크로 릴레이 구조체의 자성체 부분 단면도.3b is a partial cross-sectional view of the magnetic body of the magnetic drive micro relay structure according to the present invention;
제3c도는 본 발명에 의한 자기구동 마이크로 릴레이 구조체의 코일, 자성체 및 희생층 단면도.Figure 3c is a cross-sectional view of the coil, magnetic material and the sacrificial layer of the magnetic drive micro relay structure according to the present invention.
제3d도는 본 발명에 의한 자기구동 마이크로 릴레이 구조체의 전극 접점부분 단면도.Figure 3d is a cross-sectional view of the electrode contact portion of the magnetic drive micro relay structure according to the present invention.
제3e도는 본 발명에 의한 자기구동 마이크로 릴레이 구조체 단면도.Figure 3e is a cross-sectional view of the magnetic drive micro relay structure according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
11 : 실리콘 웨이퍼 기판 12,18,22 : 산화막11: silicon wafer substrate 12, 18, 22: oxide film
13,16 : 금속층 14 : 폴리이미드13,16 metal layer 14 polyimide
15 : 구리 17 : 자성체15 copper 17 magnetic material
19,23 : 전극 20 : 희생층19,23 electrode 20 sacrificial layer
21 : 금21: gold
본 발명은 자기력 구동 마이크로 릴레이 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 특히 기존의 전자기 릴레이에 비해 크기가 수백 ㎛로 소형이고, 타 전자 부품과의 집적화가 가능하도록 반도체 공정기술을 사용하고, 또한 전극접점의 접촉저항을 작게 하기 위해 자성체 코아의 단면적을 크게 하고, 접점재료를 반복 동작시 열화가 작은 금을 채용하여, 저 저항, 고속반복 동작이 가능한 자기력 구동 마이크로 릴레이 구조체 및 그 제작방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic force driven micro relay and a method of manufacturing the same. In particular, the present invention relates to a magnetic force-driven micro relay and a method of manufacturing the same. The present invention relates to a magnetic force-driven micro relay structure and a method of manufacturing the same, which have a large cross-sectional area of a magnetic core to reduce contact resistance, and employ gold that has little deterioration when the contact material is repeatedly operated.
종래 릴레이는 전자교환기의 스위칭 부품 및 교통신호 제어 시스템등 많은 응용분야에서 전류의 개·폐를 담당하는 스위치 소자로서 사용되고 있으나, 크기가 크고, 고가이며, 릴레이 어레이 구성이 불가능하며 또한 타 전자소자와의 집적화가 불가능하기 때문에 이용에 불편함이 많다.Conventionally, the relay is used as a switch element in charge of opening and closing of electric current in many applications such as switching parts of an electronic exchanger and a traffic signal control system, but is large in size, expensive, and cannot be configured in a relay array. It is inconvenient to use because it is impossible to integrate.
특히, 선행기술 자료 특허번호 EP-573267에 의한 마그네틱 구동방식을 사용하지만 상기 종래 기술도 타 전자소자와의 집적화와 릴레이 어레이 구조가 어려운 문제점이 있다.In particular, the magnetic driving method according to the prior art document No. EP-573267 is used, but the prior art also has a problem in that integration with other electronic devices and a relay array structure are difficult.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 반도체 공정중 식각기술과 전기도금 방법을 일부 사용하여 어레이화가 가능하고 크기가 소형이며, 타 전자소자와의 집적화가 가능하면서 반복 스위칭 동작이 수백 ㎒에서 작동하는 저 접점저항의 자기력 구동 마이크로 릴레이 구조체 및 제작방법을 제공하는 데에 있다.An object of the present invention for solving the above problems is, by using some of the etching technology and the electroplating method in the semiconductor process, the array can be arrayed, the size is small, it is possible to integrate with other electronic devices and the hundreds of repeated switching operation It is to provide a low contact resistance magnetic force driving micro relay structure and a manufacturing method operating at MHz.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 자기력 구동 마이크로 릴레이 구조체가 {110}면을 갖는 실리콘 웨이퍼 밑면의 구리코일이 실리콘 웨이퍼 윗면으로 연결되고 전극접점 부위의 자성체 코아가 외팔보 형태로 이루어지는 데에 있다.A feature of the present invention for achieving the above object, the magnetic force driving micro relay structure is a copper coil of the bottom surface of the silicon wafer having the {110} plane is connected to the silicon wafer top surface and the magnetic core of the electrode contact portion cantilever form. There is.
본 발명의 부가적인 특징은, 실리콘 웨이퍼 기판의 상부면과 바닥면에 절연을 위해 열 산화막을 올린 후, 상기 바닥면 위에 도금의 전극이 될 얇은 금속층을 형성하는 제1단계와; 상기 금속층 위에 폴리이미드를 입혀 패턴을 전사하여 다수의 소정 부분의 금속층이 나타나도록 건식식각하는 제2단계와; 상기 나타난 금속층을 전극으로 하여 구리를 전해 및 무전해 도금으로 코일 바닥면을 제작하는 제3단계와; 상기 코일부분을 제외한 금속층을 제거한 후 산화막 또는 폴리이미드를 덮어 코일 부분인 구리를 보호하는 제4단계와; 후막의 자성체 코아를 형성하기 위해 마스크로 사용할 기판 상부면의 열 산화막을 코아의 패턴 형태로 건식식각한 후 습식 식각방법에 의해 소정 깊이 이상을 식각하는 제5단계와; 상기 제5단계의 식각된 코아 형성부분에 금속층을 입힌 후 자성체를 전기도금으로 제작하는 제6단계와; 상기 도금 전극으로 사용한 금속층을 건식식각으로 제거하고, 절연을 위해 상기 형성된 코아 상부에 소정 크기의 산화막을 형성하는 제7단계와; 상기 기판 밑면의 구리코일을 웨이퍼 윗면으로 연결배선하기 위해 습식식각에서 마스로 사용할 산화막을 건식식각한 후, 비등방성 식각을 하여 밑면의 구리코일 배선이 나타날 때까지 식각하고, 무전해 도금으로 코일 배선 부분을 채우는 제8단계와; 상기 제5단계와 제6단계의 수행 후에 형성된 후막의 분리된 자성체 상부에 형성된 산화막을 식각한 후 밑면 전극이 될 금을 리프트 오프 방법으로 제작하고, 후막의 알루미늄 또는 폴리이미드를 채워 넣은 희생층을 형성하여 전극접점 부위를 형성하는 제9단계와; 상기 희생층 위에 릴레이의 윗면 전극이 될 금과 전기적 절연을 위한 산화막을 올리는 제10단계를 포함하여 이루어지는 데에 있다.Additional features of the present invention include a first step of forming a thin metal layer to be a plating electrode on the bottom surface after raising a thermal oxide film for insulation on the top and bottom surfaces of a silicon wafer substrate; A second step of applying polyimide on the metal layer to transfer the pattern and dry etching the metal layers of a plurality of predetermined portions to appear; A third step of producing a coil bottom by electrolytic and electroless plating of copper using the metal layer as the electrode; Removing the metal layer except for the coil part and then covering the oxide film or polyimide to protect the coil part copper; A fifth step of dry etching the thermal oxide film on the upper surface of the substrate to be used as a mask to form a magnetic core of the thick film in the form of a core, and then etching a predetermined depth or more by a wet etching method; A sixth step of manufacturing a magnetic material by electroplating after coating a metal layer on the etched core forming part of the fifth step; Removing a metal layer used as the plating electrode by dry etching, and forming an oxide film having a predetermined size on the formed core for insulation; In order to connect the copper coil on the bottom surface of the substrate to the upper surface of the wafer, dry etching the oxide film to be used as the mask in wet etching, and then anisotropically etch until the copper coil wiring on the bottom surface appears, and then coil wiring by electroless plating. An eighth step of filling the part; After etching the oxide film formed on the separated magnetic material of the thick film formed after the fifth step and the sixth step, the gold to be the bottom electrode was manufactured by the lift-off method, and the sacrificial layer filled with aluminum or polyimide of the thick film was prepared. A ninth step of forming an electrode contact portion; And a tenth step of placing an oxide film for electrical insulation with gold, which will be the top electrode of the relay, on the sacrificial layer.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
제1도는 자기 구동 마이크로 릴레이의 구조체의 개략도로서 자기 회로에서 작은 갭(gap)사이를 흐르는 자속(magnetic flux)은 자기 전극 사이에 인력(attractive force)을 발생시키며, 이때 전극면 사이에 미치는 실제의 힘(f)은 아래의 수식과 같다.1 is a schematic diagram of a structure of a magnetically driven micro relay, in which magnetic flux flowing between small gaps in a magnetic circuit generates an attractive force between magnetic electrodes, where the actual The force f is given by the following equation.
제2도는 자기 구동 마그네틱 릴레이의 접점 부분으로 moment-area 방법에 의해 외팔보 빔의 휨(deflection)을 계산하면, 다음 수식과 같다.2 is a contact portion of a magnetically driven magnetic relay, and when the deflection of the cantilever beam is calculated by a moment-area method, the following equation is obtained.
여기서 E는 자성재료의 Young's modulus, M은 관성모멘트로, N은 코일 권선수, I는 코일에 흐르는 전류, μr은 마그네틱 코아의 투자율, ℓc은 자로, ℓo은 외팔보의 길이, ℓg는 외팔보 갭(gap) 간격, Ac는 마그네틱 코아 단면적, Ag는 마그네틱 전극 단면적이다.Where E is the Young's modulus of the magnetic material and M is the moment of inertia , N is the number of turns of the coil, I is the current flowing through the coil, μ r is the magnetic permeability of the magnetic core, ℓ c is the ruler, ℓ o is the length of the cantilever, ℓ g is the cantilever gap and A c is the magnetic core cross-sectional area. , A g is the magnetic electrode cross-sectional area.
그러므로, 상기 수식 (50), (60)에서 알 수 있듯이 마그네틱 코아의 포화시간이 짧고, 투자율이 큰 자성재료를 사용하면 빠른 스위칭 동작을 하는 자기력 구동 마이크로 릴레이 스위치가 가능하다.Therefore, as can be seen from the above equations (50) and (60), a magnetic force driving micro relay switch capable of fast switching operation is possible by using a magnetic material having a short magnetic saturation time and a high permeability.
또한, 전극 접점부분의 저항은 자기 전극면에 미치는 힘과 접점재료에 따라 영향을 받고, 전극면에 미치는 힘은 코일의 권수, 코일전류 및 자성체 코아의 단면적의 함수이므로 이를 적절히 조정하고, 접점재료로 전기전도도가 우수한 금, 백금 등을 사용하면 1Ω 이하의 저 저항을 이룰 수 있다.In addition, the resistance of the electrode contact portion is affected by the force on the magnetic electrode surface and the contact material, and the force on the electrode surface is a function of the number of turns of the coil, the coil current, and the cross-sectional area of the magnetic core. By using gold, platinum, etc., which have excellent electrical conductivity, low resistance of 1Ω or less can be achieved.
제3도는 벌크 마이크로 머시닝을 이용한 자기력 구동 마이크로 릴레이 구조체의 단면도로서, 제작 방법을 설명하면 다음과 같다.3 is a cross-sectional view of a magnetic force driven micro relay structure using bulk micromachining.
제3a도와 같이 110면의 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼 기판(11)의 상부면과 바닥면에 절연을 위해 열 산화막(12)을 올린 후, 상기 바닥면 위에 도금의 전극이 될 아주 얇은 금속층(13)을 입힌다.As shown in FIG. 3A, after the thermal oxide film 12 is placed on the top and bottom surfaces of the silicon wafer substrate 11 having the orientation of 110 planes, a very thin metal layer 13 to be a plating electrode on the bottom surface is formed. Clothe.
그 다음 상기 금속층(13) 위에 후막의 폴리이미드(14)를 입혀 패턴을 전사하여 다수의 소정 부분의 금속층(13)이 나타나도록 건식식각하고 상기 드러난 금속층(13)을 전극으로 하여 도전성이 우수한 구리(15)를 전해 및 무전해 도금으로 코일 바닥면을 제작한 다음 폴리이미드를 제거하고 전체를 건식식각하여 코일부분을 제외한 금속층을 제거한다.Then, a polyimide 14 of a thick film is coated on the metal layer 13 to transfer the pattern, and the substrate is dry etched so that a plurality of predetermined portions of the metal layer 13 appear, and the copper having excellent conductivity using the exposed metal layer 13 as an electrode. Prepare the bottom of the coil by electrolytic and electroless plating (15), remove the polyimide and dry etch the whole to remove the metal layer except the coil part.
그 후 전체적으로 산화막 또는 폴리이미드를 덮어 코일 부분인 구리를 보호한다.Thereafter, the oxide film or polyimide is entirely covered to protect the coil portion copper.
제3b도는 자성체인 코아를 형성하기 위해 먼저 마스크로 사용할 열 산화막(12)을 코아의 패턴 형태로 건식식각한 후 반도체 호환성이 있는 습식 식각방법으로 백㎛이상을 식각하고, 도금의 얇은 금속층(16)을 입힌 후 자성체(17)를 전기도금으로 제작하고, 도금 전극으로 사용한 얇은 금속층을 건식식각으로 제거한다.FIG. 3b illustrates a method of forming a magnetic core, followed by dry etching a thermal oxide film 12 to be used as a mask in the form of a core, followed by etching of more than 100 μm by a wet etching method compatible with semiconductors, and plating a thin metal layer (16). ), The magnetic body 17 is produced by electroplating, and the thin metal layer used as the plating electrode is removed by dry etching.
그 다음 절연을 위해 후막의 산화막(18)을 수 ㎛ 올린다.The thick film oxide film 18 is then raised a few micrometers for insulation.
제3c도에서는 웨이퍼 밑면의 구리코일을 웨이퍼 윗면으로 연결하기 위해 습식식각하여 마스크로 사용할 산화막을 건식식각한 후, 비등방성 식각을 하여 밑면의 구리코일 배선이 나타날 때까지 식각하고, 무전해 도금으로 코일 배선 부분을 채운다.In FIG. 3C, an oxide film to be used as a mask is wet-etched by wet etching the copper coil on the bottom surface of the wafer, and then anisotropically etched until the copper coil wiring on the bottom surface appears, followed by electroless plating. Fill the coil wiring section.
이때, 전극접점 부위는 산화막(18)을 식각한 후 밑면 전극(19)이 될 금을 lift-off 방법으로 제작하고, 희생층(20)으로 후막의 알루미늄 또는 폴리이미드를 채워 넣는다.At this time, the electrode contact portion is formed by etching the oxide film 18, the gold to be the bottom electrode 19 by a lift-off method, and the aluminum or polyimide of the thick film is filled with the sacrificial layer 20.
그 다음 상기 희생층(20) 위에 릴레이의 윗면 전극이 될 금(21)과 전기적 절연을 위한 산화막(22)을 올린다.Then, on the sacrificial layer 20, the gold 21 to be the upper electrode of the relay and the oxide film 22 for electrical insulation are mounted.
제3d도는 전극접점 부분을 나타낸 것으로 자성체 코아로서 외팔보(23) 형태를 제작한다.Figure 3d shows the electrode contact portion to form a cantilever 23 as a magnetic core.
그 다음 희생층(20)을 제거하여 제3e도에 도시된 바와 같이 완전한 자기 구동 마이크로 릴레이 구조체를 완성한다.The sacrificial layer 20 is then removed to complete the complete magnetic drive micro relay structure as shown in FIG. 3E.
이상과 같이, 본 발명은 실리콘 웨이퍼의 벌크 마이크로 머시닝 기술, 전기도금 기술 및 반도체 공정기술을 이용하여 기존의 릴레이보다 소형이고, 집적회로 공정과 호환성이 있는 자기 구동 마이크로 릴레이 구조체 구조에 관한 것으로, 수백 ㎒에서 반복 스위칭 동작과 아울러 저 접점저항을 이룰 수 있으며, 대량생산이 가능하여 저렴하고, 릴레이 어레이(array)구성이 용이하다는 장점이 있다.As described above, the present invention relates to a structure of a magnetic drive micro relay structure that is smaller than a conventional relay and compatible with an integrated circuit process by using a bulk micromachining technique, an electroplating technique, and a semiconductor processing technique of a silicon wafer. In addition to the repeated switching operation at MHz can achieve a low contact resistance, mass production is possible and inexpensive, there is an advantage that the relay array (array) configuration is easy.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019950052658A KR0160909B1 (en) | 1995-12-20 | 1995-12-20 | Micro-relay |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019950052658A KR0160909B1 (en) | 1995-12-20 | 1995-12-20 | Micro-relay |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR970051558A KR970051558A (en) | 1997-07-29 |
| KR0160909B1 true KR0160909B1 (en) | 1998-12-15 |
Family
ID=19441839
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019950052658A KR0160909B1 (en) | 1995-12-20 | 1995-12-20 | Micro-relay |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR0160909B1 (en) |
-
1995
- 1995-12-20 KR KR1019950052658A patent/KR0160909B1/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR970051558A (en) | 1997-07-29 |
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