KR100308054B1 - 마이크로 스위치 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 임피던스 오프/온 비율이 큰 고주파용 박막 마이크로 스위치를 제공하기 위한 것으로서, 기판 위에 신호라인과 접지라인 형성에 따른 패턴을 형성하는 공정, 상기 신호라인 위에 절연막 형성을 위해 강유전체를 증착하고 선택적으로 식각하는 공정, 상기 접지라인 위에 전기적으로 연결된 씨드 금속층을 형성하는 공정, 전면에 희생층을 형성하고 선택적으로 식각하여 상기 접지라인이 노출되도록 비아 몰드를 형성하는 공정, 상기 비아 몰드 안에 금속을 증착하고 상기 금속에 걸쳐서 연결된 힌지를 형성하는 공정을 포함하여 이루어지며, 저항 손실이 작고 기계적으로 높은 신뢰성을 가진다.
Description
본 발명은 전자 시스템에 관한 것으로, 특히 정전기력(electrostatic force)을 이용하여 구동되는 고주파용 마이크로 스위치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재의 전자 시스템은 초소형화, 초경량화 되어가고 있으며, 이러한 시스템에서 전기회로의 폐로, 복구, 전환 등 전기적인 신호를 제어하기 위해서 스위치(switch)가 사용되고 있다.
그리고 현재 스위치는 FET(Field Effect Transistor), 또는 핀(pin) 다이오드와 같은 반도체 스위치(semiconductor switch)들로 널리 사용되고 있다.
그러나 상기 반도체 스위치들은 작동될 때 전력손실이 크며, 완전한 절연(isolation)이 이루어지지 않는 등의 문제점들을 가지고 있다.
이와 같은 상기 반도체 스위치들의 문제점을 보완하기 위해 최근 마이크로 기계(micromechanical) 스위치들의 많은 연구가 이루어지고 있다.
이러한 마이크로 기계 스위치들이 반도체 스위치들 대신에 시스템이나 혹은 모듈(modules)에 직접 사용되기 위해서는 다음과 같은 이상적인 조건을 갖추어야한다.
첫째, 스위치들은 스위칭에 따른 구동전압이 낮아야 한다.
둘째, 스위치의 온/오프 비율(on/off ratio)이 커야한다.
셋째, 삽입 손실이 작아야 한다.
넷째, 높은 신뢰성을 가져야만 한다.
이와 같은 특성을 갖고 있어야만 고주파대역에서 군사용과 무선 통신 시스템, 위상 변위, 안테나 튜너, 송/수신기, 페이즈드 어레이 안테나(phased array antenna)와 같은 상업용으로의 사용이 용이하다.
상기와 같은 특성을 갖는 마이크로 기계(micromechanical) 스위치는 정전기력을 이용하여 스위칭 하는 저항형 스위치와 용량형 스위치 등이 있다.
상기 저항형 스위치는 서로 끊어진 신호라인을 정전기력에 의해 움직이는 상부전극이 아래로 이동하여 상기 신호라인 연결시킴으로서 스위칭이 이루어진다.
그리고 상기 용량형 스위치는 정전기력에 의해 움직이는 상부전극을 아래로 이동시켜 하부전극 위에 형성된 절연막 위에 놓여지게 되어 상기 상부전극과 하부전극간에 커패시턴스의 변화로 스위칭이 이루어진다.
도 1a 내지 도 1b는 일반적인 정전기력을 이용한 용량형 스위치의 단면도로서, 이다.
도 1a를 보면 용량형 스위치에 정전기력이 인가되지 않아 움직이는 상부전극(4)이 공중에 떠있는 형태로서 스위치가 오프(off)인 상태이다.
이때 오프 커패시턴스는 상부전극(4)과 하부전극(2) 사이에 유전체(dielectric)(3)와 에어(air)가 직렬로 연결되어 있는 경우로 커패시턴스 값은 매우 작다.
상기 오프 커패시턴스를 수식으로 나타내면 다음 수학식 1 과 같다.
: 스위치에 전압이 인가되지 않았을 경우, 즉 오프(off) 상태일 때의 커패시턴스
: 절연막의 두께
: 절연막과 상부전극의 에어 갭(air gap)의 두께
: 하부전극과 상부전극이 오버랩(overlap)되는 부분의 면적
그리고 도 1a와 같은 용량형 스위치에 전압을 인가하면 도 1b와 같이 상부전극(4)이 아래로 이동하게 되어 하부전극(2)과 접촉된 형태로 스위치가 온(on)인 상태가 된다.
이때의 온 커패시턴스을 수식으로 나타내면 다음 수학식 2 와 같다.
상기 수학식 1과 수학식 2를 대입하여 RF MEMS(Radio Frequency Micro Electro Mechanical Systems) 용량형 스위치의 임피던스 오프/온 비율을 수식으로나타내면 다음 수학식 3 과 같다.
이때, 도 2 는 일반적인 정전기력을 이용한 용량형 스위치의 회로도로서, 도 2를 보면 전송라인(2)에 가변 커패시터(variable capacitor)가 붙어있는 구조로써, 스위치가 오프(off)일 때는 커패시터의 커패시턴스는 아주 작아져서 대부분의 신호가 전송라인(2)을 따라서 전송되고, 스위치가 온(on) 일 때는 커패시터의 커패시턴스는 아주 커져서 대부분의 신호가 접지(ground)로 바이패싱(bypassing)된다.
따라서, 온/오프 비율이 크면 클수록 좋은 특성의 스위칭이 발생되어 고주파용 박막 마이크로 스위치가 마이크로파 스위칭용으로 사용되기 위해서는 오프/온 비율이 크거나 온 커패시턴스가 큰 것이 바람직하다.
그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 마이크로 스위치 및 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 스위치의 절연막으로 낮은 유전율(6~8[F/m])을 갖는 재료를 사용했기 때문에 스위치의 온/오프 비율이 작다.
둘째, 스위치의 온 커패시턴스를 크게 하기 위해서는 스위치의 커패시터 영역을 크게 해야하는데, 그 때문에 스위치의 공정이 어려워지고, 또한 한 웨이퍼(wafer)에 만들 수 있는 스위치의 갯 수도 줄어들게 된다.
셋째, 사용된 금속 피막(metallic film)의 두께가 얇아 캐리 전도 성능이 작아서 전력용(power application)으로 사용이 불가능하다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 스위치의 임피던스(impedance) 오프/온 비율이 큰 고주파용 마이크로 스위치를 구현하는데 그 목적이 있다.
도 1a는 일반적인 정전기력을 이용한 용량형 스위치가 오프(off) 상태일 경우의 단면도
도 1b는 일반적인 정전기력을 이용한 용량형 스위치가 온(on) 상태일 경우의 단면도
도 2 는 일반적인 정전기력을 이용한 용량형 스위치의 회로도
도 3 은 본 발명에 따른 강유전 절연막으로 이용한 용량형 마이크로 스위치의 실시예
도 4 는 본 발명에 따른 강유전 절연막을 이용한 용량형 마이크로 스위치의 다른 실시예
도 5 는 본 발명에 따른 강유전체 증착 공정 후의 단면도
도 6a 내지 도 6h는 본 발명에 따른 강유전 절연막을 이용한 용량형 마이크로 스위치의 공정도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2 : 하부전극
3 : 절연막 4 : 상부전극
5 : 힌지 6 : 접지부
7 : 산화막 9 : 씨드 금속층
10 : 희생층
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 스위치의 특징은 기판 위에 형성되어 신호 전송라인으로 사용되는 하부전극과, 상기 하부전극 위의 일정영역에 강유전체로 형성되는 절연막과, 상기 하부전극 양측 기판 위에 일정거리를 가지고 형성되는 접지부와, 상기 절연막 위에 일정높이로 에어갭(air gap)을 가지고 형성되어 상기 접지부에 걸쳐서 상하로 움직이는 힌지를 포함하여 구성되는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 스위치 제조방법의 특징은 기판 위에 신호라인과 접지라인 형성에 따른 패턴을 형성하는 공정, 상기 신호라인 위에 절연막 형성을 위해 강유전체를 증착하고 선택적으로 식각하는 공정, 상기 접지라인 위에 전기적으로 연결된 씨드 금속층을 형성하는 공정, 전면에 희생층을 형성하고 선택적으로 식각하여 상기 접지라인이 노출되도록 비아 몰드를 형성하는 공정, 상기 비아 몰드 안에 금속을 증착하고 상기 금속에 걸쳐서 연결된 힌지를 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는데 있다.
본 발명의 특징에 따른 작용은 높은 유전율(100 ~ 300[F/m])을 갖는 상유전체, 또는 강유전체를 절연막으로 이용하여 스위치의 온/오프 비율과 온 커패시턴스를 크게 하고, 또한 전기도금으로 증착된 박막을 이용하여 캐리 전도 성능을 크게 하고 삽입 손실을 작게 할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 마이크로 스위치 및 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3 및 도 4 는 본 발명에 따른 상유전체 또는 강유전체를 절연막으로 이용한 두 가지 형태의 용량형 마이크로 스위치의 사시도이다.
도 3을 보면 기판 위에 형성되어 신호 전송라인으로 사용되는 하부전극(2)과, 상기 하부전극(2) 위의 일정영역에 형성되는 절연막(3)과, 상기 하부전극(2) 양측 기판 위에 일정거리를 가지고 형성되는 접지부(6)와, 상기 절연막(3) 위에 일정높이로 에어갭(air gap)을 가지고 형성되어 상기 하부전극(2)과의 정전기력에 의해 상하로 움직이는 상부전극(4)과, 상기 접지부(6)와 상부전극(4)을 연결하고 상기 상부전극을 지탱하는 힌지(5)로 구성된다.
그리고 도 4를 보면 도 3의 구조에서 하부전극(2)에 의한 전송라인의 저항 손실을 줄이기 위해서 커패시터 영역의 나머지 부분을 전기도금을 이용하여 높은 전도성을 갖는 Cu, Au로 두껍게 메스(mass)를 형성하였다.
이와 같이 구성된 도 3, 4를 보면 제 1 금속층(2)의 윗면, 즉 절연막(3)이 증착되는 면은 Pt가 주로 사용되나 기타 다른 금속도 사용이 가능하다.
즉, Au/Pt나 Cu/Pt 처럼 다수개의 막으로 사용하기도 한다.
왜냐하면 절연막(3)인 상유전체 또는 강유전체를 증착하기 위해서는 고온 공정을 사용해야함으로 도 5에서 보여지는 것처럼 전송라인(2)과 유전체(3) 사이에 산화막(7)이 형성되고, 상기 산화막(7)과 유전체(3)가 직렬 연결되게 되어 아무리 높은 유전율을 갖는 유전체(3)를 사용하여도 큰 효과를 가지지 못하기 때문이다.
제 2 금속층(6)은 Ag, Au, 또는 Cu 처럼 높은 전도성을 갖는 도체를 사용하여 상부전극(4)과 하부전극(2)간에 전압을 인가하여 정전기력이 효과적으로 발생되도록 한다.
그리고 제 3 금속층(5)은 힌지를 구성하는 막으로써 좋은 기계적 특성을 갖는 Au 또는 Al을 사용하여 탄성력이 강하면서 높은 전도성을 갖도록 하여 상부전극(4)이 지탱되도록 한다.
제 4 금속층(4)은 Ag, Au, 또는 Cu 처럼 높은 전도성을 갖는 도체가 사용된다.
이와 같이 구성된 마이크로 스위치의 공정순서를 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6a 내지 도 6b는 도 3 과 도 4에서 보여진 상유전체 또는 강유전체를 절연막으로 이용한 두 가지 형태의 용량형 고주파용 마이크로 스위치의 공정 순서도이다.
먼저, 도 6a와 같이 절연 기판(1) 위에 리프트 오프 공정을 이용하여 Cr 또는 Ti/Pt/Au/Pt, 혹은 Ti/Pt를 증착하여 접지라인-신호라인-접지라인 패턴(8)을 형성한다.
이때 상기 리프트 오프 공정은 기판(1) 위에 포토레지스트를 코팅하고 포토리소그라피 공정으로 패턴을 형성한 후, 증발 식각(evaporator)을 이용하여 금속을 증착하여 아세톤에 담가 놓으면 패턴된 부분은 금속이 남아있고 패턴되지 않은 부분은 상기 포토레지스트가 제거되면서 금속도 같이 제거되는 공정이다.
여기서 리프트 오프 공정을 사용하는 이유는 백금(platinum : Pt)의 식각이 쉽지 않기 때문이다.
그리고 도 6b와 같이 전면에 RF 스퍼터(sputter)를 이용하여 절연막(3) 형성을 위해 상유전체 STO 또는 BSTO를 증착한다.
이어 포토레지스트를 이용하여 패터닝한 후, BOE나 묽은 불산을 이용하여 불필요한 부분을 식각한다.
이때 유전체가 증착되는 신호라인의 표면은 울퉁불퉁함이 없이 반드시 평탄(flat)해야만 스위치의 완성 후, 원하는 온 커패시턴스와 온/오프 비율을 얻을 수 있다.
이어 도 6c와 같이 접지라인 위에 패턴된 씨드 금속층(9)을 형성하는데, 상기 씨드 금속층(9)은 전기적으로 연결되어 있어야 한다.
이때 상기 씨드 금속층(9)은 Ti/Cu 또는 Ti/Au로 형성된다.
그리고 도 6d와 같이 상기 형성된 씨드 금속층(9) 위에 희생층(10)으로 포토레지스트나 폴리이미드를 코팅하고 큐어링(curing)한다.
이어 도 6e와 같이 상기 희생층 중 포토레지스트는 포토리소그라피 공정을통하여 상기 접지라인(9)으로 비아 몰드(via mold)를 형성하고, 폴리이미드는 건식 식각 공정을 이용하여 상기 접지라인(9)으로 비아 몰드를 형성한다.
그리고 상기 형성된 비아 몰드 안에 전기도금을 이용하여 Au 나 Cu등을 증착하여 상기 접지라인(9)에 일정높이만큼의 메스(mass)(11)를 형성한다.
이어 도 6f와 같이 전면에 씨드 금속층을 증착하고 포토레지스트를 이용하여 힌지를 위한 몰드를 형성하고, 그 형성된 몰드안에 전기도금을 이용하여 Ni, Au, Cu등을 증착하여 힌지(12)를 형성한다.
상기 형성된 힌지(12)는 스퍼터링이나 증발 증착(evaporation)을 이용하여 증착하고, 상기 증착된 금속을 패터닝하여 형성한다.
그리고 도 6g와 같이 전면에 포토레지스트를 이용하여 상부전극(13)형성을 위한 몰드를 형성하고 전기 도금으로 금속을 증착하여 상부전극(13)을 형성한다.
마지막으로 도 6h와 같이 희생층(10)인 포토레지스트, 폴리이미드, 그리고 씨드 금속층(9)을 선택적으로 제거함으로써 마이크로 스위치를 제작한다.
이때 상기 폴리이미드는 건식 식각 공정을 이용하여 제거되고, 상기 포토레지스트는 건식 식각 공정이나 아세톤을 이용하여 제거된다.
그리고 앞에서 언급한 도 6g와 같은 상부전극(13) 형성 공정은 생략이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 마이크로 스위치 및 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 높은 유전율을 가진 절연막을 이용하기 때문에 임피던스 온/오프 비율과 온 커패시턴스를 크게 할 수 있다.
둘째, 전기도금으로 증착된 금속 피막(electroplated metallic film)을 이용하기 때문에 높은 전류의 전달이 가능하여 전력용으로도 사용할 수 있다.
셋째, 저전압으로 구동이 가능하며, 또한 건식 식각 공정을 이용하기 때문에 수율이 높다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
Claims (10)
- 기판 위에 형성되어 신호 전송라인으로 사용되는 하부전극과,상기 하부전극 위의 일정영역에 강유전체로 형성되는 절연막과,상기 하부전극 양측 기판 위에 일정거리를 가지고 형성되는 접지부와,상기 절연막 위에 일정높이로 에어갭(air gap)을 가지고 형성되어 상기 접지부에 걸쳐서 상하로 움직이는 힌지를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
- 제 1 항에 있어서,상기 힌지 위의 상기 절연막과 대응하는 위치에 일정두께로 형성되는 상부전극을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
- 제 1 항에 있어서,상기 강유전체는 STO(Strontium Titanate Oxide) 또는 BSTO(Barium STO) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
- 제 1 항에 있어서,상기 접지부는 상기 에어갭(air gap)의 높이만큼 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
- 제 1 항에 있어서,상기 하부전극은 상기 절연막 양측으로 상기 에어갭(air gap) 높이만큼 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
- 기판 위에 신호라인과 접지라인 형성에 따른 패턴을 형성하는 공정,상기 신호라인 위에 절연막 형성을 위해 강유전체를 증착하고 선택적으로 식각하는 공정,상기 접지라인 위에 전기적으로 연결된 씨드 금속층을 형성하는 공정,전면에 희생층을 형성하고 선택적으로 식각하여 상기 접지라인이 노출되도록 비아 몰드를 형성하는 공정,상기 비아 몰드안에 금속을 증착하고 상기 금속에 걸쳐서 연결된 힌지를 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 힌지 중앙영역에 일정 두께를 갖는 상부전극을 형성하는 공정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 힌지 형성공정 후에 상기 희생층을 제거하고 상기 씨드 금속층을 선택적으로 제거하는 공정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 강유전체는 STO 또는 BSTO 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 씨드 금속층은 Ti/Cu 또는 Ti/Au 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치의 제조방법.
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