KR0160918B1 - 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이 및 그 구조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 100면의 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼 기판의 바닥면에 습식 식각에서 마스크로 사용하기 위한 열산화막과 질화막을 순차적으로 형성한 후, 구조체 형태로 건식 식각하는 제1단계와; 상기 제1단계의 수행 후, 비등방성 용액으로 십 ㎛ 정도로 습식 식각을 하고 상기 구조체 부분의 절연을 위해 산화막을 형성하는 제2단계와; 상기 제2단계의 수행 후, 마이크로 릴레이의 전극을 만들기 위해 얇은 금속층을 입힌 후, 전기도금으로 후막의 전극을 형성하고, 건식 식각으로 나머지 얇은 금속층을 제거하는 제3단계와; 상기 제3단계의 전기도금 방법으로 코일을 형성한 다음, 폴리이미드를 덮은 후 패턴을 형성하는 제4단계와; 상기 제4단계의 수행 후, 상기 구조 위에 자기코아와 희생층을 각각 올린 후, 패턴을 형성하는 제5단계와; 상기 자기 코아의 절연과 저장고의 제작을 위해 폴리이미드를 올리고 상기 희생층 제거를 위한 구멍을 제작한 후, 자기 코아의 전극을 전기도금으로 제작하고 상기 희생층을 제거하여 틈을 만드는 제6단계와; 상기 제6단계의 수행 후, 실리콘 기판 뒷면의 질화막과 산화막을 건식 식각한 후 비등방성 습식 식각을 이용하여 수은 주입구를 제작하는 제7단계와; 상기 제7단계의 수행 후, 밀봉과 절연을 위해 폴리이미드를 올리고 코일을 제작한 후, 릴레이 구조체에 압력을 이용하여 수은을 주입한 다음 글라스를 실리콘 기판에 자외선 접착제로 밀봉하는 제8단계를 포함하여 이루어지어, 수 백 MHz에서 반복 스위칭 동작과 함께 액체 접점으로 인해 저 접점저항을 이룰 수 있으며, 대량생산이 가능하여 저렴할 뿐만 아니라 릴레이 어레이(array) 구성이 용이하다는 장점이 있다.

Description

랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이 및 그 구조방법

제1도는 본 발명에 의한 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이 구조체의 개략도.

제2a도는 본 발명에 따른 마이크로 릴레이 구조체 형성 단면도.

제2b도는 본 발명에 따른 마이크로 릴레이 구조체의 전극 형성 단면도.

제2c도는 본 발명에 따른 마이크로 릴레이 구조체의 희생층, 코일 및 자기 코아 단면도.

제2d도는 본 발명에 따른 마이크로 릴레이 구조체의 자기 전극의 형성과 희생층 제거 단면도.

제2e도는 본 발명에 따른 마이크로 릴레이 구조체의 수은 주입구 단면도.

제2f도는 본 발명에 따른 마이크로 릴레이 구조체의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 실리콘 웨이퍼 기판 12,24 : 열산화막

13,23 : 질화막 14A,14B : 릴레이의 전극

15,27 : 코일 16,20,26 : 폴리이미드

17 : 자기코아 18 : 희생층

19A,19B : 저장고 21 : 구멍

22 : 자기코아의 전극 25 : 수은 주입구

28 : 글라스

본 발명은 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이 및 그 구조방법에 관한 것으로서, 특히 반도체 공정중 식각기술을 이용하여 크기를 수 백 ㎛로 소형화시켜 타 전자 부품과의 집적화가 가능하도록 하고, 액체금속인 수은의 전기도금 방법을 이용하여 전극접점의 접촉저항을 작게 함으로써 저 저항, 고속 반복 동작이 가능하도록 한 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 릴레이는 전자교환기의 스위칭 부품 및 교통신호 제어 시스템등 많은 응용분야에서 전류의 개.폐를 담당하는 스위치 소자로서 사용되고 있다.

그러나, 상기와 같은 기능을 수행하는 종래의 릴레이는 크기가 크고 고가이며 특히, 릴레이 어레이 구성이 불가능하다.

또한, 타 전자소자와의 집적화가 불가능하기 때문에 이용에 불편함이 많다.

한편, 선행기술 자료의 특허번호 EP-573267에는 마그네틱 구동방식을 사용하는 릴레이에 대한 기술이 설명되어 있는데, 상기 마그네틱 구동방식의 릴레이가 타 전자소자와의 집적화는 물론 릴레이 어레이의 구성이 용이하지 못한 문제점이 있었다.

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 수 백 MHz에서 작동할 수 있는 저 접점저항의 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이 구조체를 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이 구조체의 구조가, 마이크로 머시닝 기술을 이용하고, 두개의 자기 전극사이에 발생하는 인력에 의해 체중이 증감되어 그 압력이 변화되는 각각의 해당 저장고가 형성되며, 상기 두개의 전극 접점 부분이 실리콘 기판 뒷면의 수은 주입구로부터 주입되는 액체 금속인 수은으로 형성되어 상기 전극의 자기력 구동에 의해 상기 저장고의 부피를 변화시킴으로써 액체 금속인 수은의 랫칭동작으로 스위칭 동작이 일어나게 하는 데에 있다.

본 발명의 부가적인 특징은, 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이 구조체의 제조방법이, 100면의 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼 기판의 바닥면에 습식 식각에서 마스크로 사용하기 위한 열산화막과 질화막을 순차적으로 형성한 후, 구조체 형태로 건식 식각하는 제1단계와; 상기 제1단계의 수행 후, 비등방성 용액으로 십 ㎛ 정도로 습식 식각을 하고 상기 구조체 부분의 절연을 위해 산화막을 형성하는 제2단계와; 상기 제2단계의 수행 후, 마이크로 릴레이의 전극을 만들기 위해 얇은 금속층을 입힌 후, 전기도금으로 후막의 전극을 형성하고, 건식 식각으로 나머지 얇은 금속층을 제거하는 제3단계와; 상기 제3단계의 전기도금 방법으로 코일을 형성한 다음, 폴리이미드를 덮은 후 패턴을 형성하는 제4단계와; 상기 제4단계의 수행 후, 상기 구조 위에 자기코아와 희생층을 각각 올린 후, 패턴을 형성하는 제5단계와; 상기 자기 코아의 절연과 저장고의 제작을 위해 폴리이미드를 올리고 상기 희생층 제거를 위한 구멍을 제작한 후, 자기 코아의 전극을 전기도금으로 제작하고 상기 희생층을 제거하여 틈을 만드는 제6단계와; 상기 제6단계의 수행 후, 실리콘 기판 뒷면의 질화막과 산화막을 건식 식각한 후 비등방성 습식 식각을 이용하여 수은 주입구를 제작하는 제7단계와; 상기 제7단계의 수행 후, 밀봉과 절연을 위해 폴리이미드를 올리고 코일을 제작한 후, 릴레이 구조체에 압력을 이용하여 수은을 주입한 다음 글라스를 실리콘 기판에 자외선 접착제로 밀봉하는 제8단계를 포함하여 이루어지는 데에 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 의한 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이의 구조체의 개략도이다.

상기 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이는, 자기 회로에서 작읍 갭(gap) 사이를 흐르는 자속(magnetic flux)은 자기 전극 사이에 인력(attractive force)을 발생시키며, 이러한 인력에 의해 릴레이 구조체의 능동 저장고의 체적을 감소시켜 능동 저장고의 압력이 상승하고 이의 압력이 릴레이의 접점으로 사용하고자 하는 액체금속인 수은(10)의 표면장력(surface tension)의 힘보다 크게 되면 상기 액체금속이 움직여 전극(14B) 사이가 전도(ON) 상태가 되는 메카니즘을 갖고 있다.

반대로, 수동 저장고 자기회로 코일에 전류를 인가하면 자기 전극 사이에 인력이 발생하여 수동 저장고의 압력을 상승시켜 액체금속인 수은을 반대 방향으로 움직여 또 다른 전극(14A)에서 전기적인 전도 상태를 이루는 구조이다.

이때, 액체 금속인 상기 수은(10)의 랫칭은 저장고의 체적과 마이크로 채널의 체적비(k)에 크게 의존하며, 체적비 k가 수십 이상이면 랫칭 작동이 가능하다.

상기와 같이 랫칭이 이루어지는 원인은 구조체 습식 식각시에 실리콘의 111면과 100면 사이의 각도로 인해 마이크로 채널에 주입된 수은과 릴레이 구조체 벽 사이에 틈이 생기기 때문에 수은이 움직인 후 압력 평형상태가 이루어지기 때문이다.

제2도 a∼f는 본 발명에 의한 벌크 마이크로 머시닝을 이용한 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이 구조체의 상기 제1도 A-A' 단면을 보인 것으로 제작 방법은 다음과 같다.

제2a도에 도시된 바와 같이, 100면의 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼 기판(11) 바닥면에 습식 식각에서 마스크로 사용하기 위해 열산화막(12)과 질화막(13)을 올린 후, 구조체 형태로 건식 식각을 한다.

그 후, 비등방성 용액으로 십 ㎛ 정도로 습식 식각을 하고 구조체 부분의 절연을 위해 산화막을 올린다.

이어서, 제2b도에 도시된 바와 같이, 마이크로 릴레이의 전극을 만들기 위해 도금의 전극이 될 아주 얇은 금속층을 입힌 후, 전기도금으로 후막의 전극(14A,14B)을 형성하고, 건식 식각으로 나머지 얇은 금속층을 제거한다.

그리고, 상기 제2b도의 전기도금 방법으로 코일(15)을 형성한 다음, 폴리이미드(16)를 덮은 후 패턴을 형성한다.

그 다음, 자기코아(17)와 희생층(18)을 각각 순차적으로 올린 후, 패턴을 형성하여 제2c도에 도시된 바와 같은 형상을 만든다.

이어서, 제2d도에 도시된 바와 같이, 자기 코아의 절연과 저장고(19A,19B)의 제작을 위해 상기 제2c도의 구조 위에 폴리이미드(20)를 올리고, 상기 희생층 제거를 위한 구멍(21)을 제작한 후, 자기 코아의 전극(22)을 전기도금으로 제작하고, 상기 희생층(18)을 제거하여 틈을 만든다.

그 다음, 제2e,f도에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 뒷면의 질화막(23)과 산화막(24)을 건식 식각한 후 비등방성 습식 식각을 통해서 수은 주입구(25)를 형성한다.

그리고, 밀봉과 절연을 위해 폴리이미드(26)를 올린 후, 코일(27)을 제작하고, 릴레이 구조체에 압력을 이용하여 수은을 주입한 후, 글라스(28)를 실리콘 기판(11)에 자외선 접착제로 밀봉하여 본 발명의 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이의 구조체를 완성한다.

이상과 같이, 본 발명은 실리콘 웨이퍼의 표면 및 벌크 마이크로 머시닝 기술, 전기도금 기술 및 반도체 공정기술을 이용하여 기존의 릴레이보다 소형이고, 집적회로 공정과 호환성이 있는 자기 구동 마이크로 릴레이 구조체를 제조함으로써, 수 백 MHz에서 반복 스위칭 동작과 액체 접점으로 인해 저 접점저항을 이룰 수 있으며, 대량생산이 가능하여 저렴할 뿐만 아니라 릴레이 어레이(array) 구성이 용이하다는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 마이크로 머시닝 기술을 이용하고, 두개의 자기 전극사이에 발생하는 인력에 의해 체적이 증감되어 그 압력이 변화되는 각각의 해당 저장고자 형성되며, 상기 두 개의 전극 접점 부분이 실리콘 기판 뒷면의 수은 주입구로부터 주입되는 액체 금속인 수은으로 형성되어 상기 전극의 자기력 구동에 의해 상기 저장고의 부피를 변화시킴으로써 액체 금속인 수은의 랫칭동작으로 스위칭 동작이 일어나게 하는 것을 특징으로 하는 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이.
2. 제1항에 있어서, 상기 자기 전극을 자기회로 밖으로 만들어 줌으로써 제작공정의 마스크 수를 줄일 수 있는 것을 특징으로 하는 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마이크로 릴레이는 비등방성 식각을 이용하여 마이크로 채널을 형성하고, 저장고와 마이크로 채널의 체적비에 따라 수은의 랫칭동작이 이루어지는 것을 특징으로 하는 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이.
4. 100면의 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼 기판의 바닥면에 습식 식각에서 마스크로 사용하기 위한 열산화막과 질화막을 순차적으로 형성한 후, 구조체 형태로 건식 식각하는 제1단계와; 상기 제1단계의 수행 후, 비등방성 용액으로 십 ㎛ 정도로 습식 식각을 하고 상기 구조체부분의 절연을 위해 산화막을 형성하는 제2단계와; 상기 제2단계의 수행 후, 마이크로 릴레이의 전극을 만들기 위해 얇은 금속층을 입힌 후, 전기도금으로 후막의 전극을 형성하고, 건식 식각으로 나머지 얇은 금속층을 제거하는 제3단계와; 상기 제3단계의 전기도금 방법으로 코일을 형성한 다음, 폴리이미드를 덮은 후 패턴을 형성하는 제4단계와; 상기 제4단계의 수행 후, 상기 구조 위에 자기코아와 희생층을 각각 올린 후, 패턴을 형성하는 제5단계와; 상기 자기 코아의 절연과 저장고의 제작을 위해 폴리이미드를 올리고 상기 희생층 제거를 위한 구멍을 제작한 후, 자기 코아의 전극을 전기도금으로 제작하고 상기 희생층을 제거하여 틈을 만드는 제6단계와; 상기 제6단계의 수행 후, 실리콘 기판 뒷면의 질화막과 산화막을 건식 식각한 후 비등방성 습식 식각을 이용하여 수은 주입구를 제작하는 제7단계와; 상기 제7단계의 수행 후, 밀봉과 절연을 위해 폴리이미드를 올리고 코일을 제작한 후, 릴레이 구조체에 압력을 이용하여 수은을 주입한 다음 글라스를 실리콘 기판에 자외선 접착제로 밀봉하는 제8단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 랫칭형 자기력 구동 마이크로 릴레이의 제조 방법.