KR100513696B1

KR100513696B1 - 시이소오형 ｒｆ용 ｍｅｍｓ 스위치 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100513696B1
Application number: KR10-2003-0037285A
Authority: KR
Inventors: 신형재
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2005-09-09
Also published as: US20050012562A1; JP2005005267A; JP3935477B2; EP1486999B1; US7049904B2; KR20040106084A; EP1486999A3; EP1486999A2; DE602004017253D1

Abstract

구동전압을 저감할 수 있는 시이소오형 RF용 MEMS 스위치가 개시된다. RF용 MEMS 스위치는 반도체 기판 상부에 회로 개방(open)을 위한 갭(gap)을 갖도록 형성된 신호전송선로와, 기판 상부로부터 소정 높이로 이격 형성되며, 회동축을 중심으로 시이소오 운동을 통해 전송선로의 갭 양단부를 단속(斷續)하도록 형성된 단속부, 및 외부구동신호에 따라 단속부의 시이소오 운동을 구동하는 구동부를 갖는다. 구동부는 기판상에 공통전극을 중심으로 양측에 형성된 하부전극들과, 단속부 양측에 하부전극들을 가로질러 형성된 상부전극들, 그리고 회동축으로부터 상부전극들의 양단부 각각에 형성된 스페이서를 통해 상부전극들을 연결하는 크로스바를 갖는다. RF용 MEMS 스위치는 하부전극들에 선택적으로 인가된 구동신호에 따라 상부전극과 하부전극 사이에 발생된 정전인력에 의해 상부전극 및 크로스바가 기울면서 크로스바가 단속부를 신호전송선로의 갭 양단부와 접촉될 수 있도록 강하시킨다. 이와 같은 시이소오형 RF용 MEMS 스위치는 전극의 면적 확장 및 전극간의 거리 인자를 조절하여 스위칭을 할 수 있게 되므로 구동전압을 현저하게 저감할 수 있게 된다.

Description

시이소오형 ＲＦ용 ＭＥＭＳ 스위치 및 그 제조방법{Seasaw type ＭＥＭＳ switch for radio frequency and method for manufacturing the same}

본 발명은 RF용 미세전자기계시스템(Micro Electro Mechanical System: MEMS)에 관한 것으로서, 특히, 저전압 구동을 위한 시이소오형 RF(Radio Freqency)용 MEMS 스위치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

MEMS는 반도체 공정을 이용하여 제작된 초소형의 전자기계시스템을 말하며, 최근 이동통신기술의 발달과 함께 그 응용범위가 확대되면서 각광을 받고 있다. 이러한 MEMS 제품들 중에는 자이로스코프, 가속도 센서, RF 스위치 등이 현재 제품에 적용되고 있으며, 그 외에도 다양한 MEMS 제품들의 개발이 가속화되고 있다.

MEMS RF 스위치는, 반도체 기판 상에 초소형으로 제작된 MEMS 구조물이 움직이면서 신호전극과 접촉되는 것에 의해 신호를 스위칭 해주고, 신호전극으로부터 구조물이 이격되는 것에 의해 신호 전달을 차단하도록 구현된다. 이와 같은 MEMS 스위치는 기존 반도체 스위치에 비하여 스위치 ON시 낮은 삽입 손실과, 스위치 OFF시 높은 감쇄특성을 나타내며, 스위치 구동전력 또한 반도체 스위치에 비하여 상당히 적다는 장점을 갖는다. 또한, 적용 주파수 범위도 대략 70GHz까지 적용할 수 있어 RF 통신에 적합한 소자로서 각광받고 있다.

그러나 위와 같은 RF용 MEMS 스위치는 정전력(electrostatic force)을 사용함으로써 구동전압이 크고 접점에서 점착(stiction)현상이 발생하는 문제점이 있었다. 점착현상(stiction)이란 마이크로 구조물의 표면에 의도하지 않는 접착(adhesion)이 발생하여 복원하려는 힘이 모세관(capillary) 힘, 반 데르 발스(van der Waals) 힘, 정전력(electrostatic attraction)과 같은 표면에 작용하는 힘(interfacial force)을 극복하지 못하고 소정 시간 동안 접점이 붙어 있는 현상을 말한다.

점착현상은 크게 희생층 제거시 점착현상 (release-related stiction)과 사용중 점착현상(in use stiction)으로 분류된다. 우선, 희생층 제거시 발생하는 점착현상은 구조물의 릴리스(release) 공정 중에서 구조물이 바닥에 붙어서 떨어지지 않는 접착(adhesion)으로 액체모세관 힘(liquid capillary force)에 의해서 일어난다. 이러한 현상은 승화 건조법(sublimation release), 초임계 건조법(supercritical drying), 불산 기상 건조법(HF vapor release) 등의 액체 기상 계면(liquidvapor interface)을 피하는 기술로 해결 할 수 있다. 그 외에도 마이크로 구조물 주변에 작은 돌출물을 만들어서 액체 형상(liquid meniscus)을 변화시켜 모세관 힘을 줄이는 방법도 있다.

그러나 상기와 같은 방법들 역시 사용중 발생되는 습도나 과도한 충격 등에 의해 구조물이 복원되지 않는 점착현상의 발생을 피할 수는 없다. 그 이유는 근접한 마이크로 구조물 표면이 서로 접촉할 때에도 역시 모세관힘, 정전력, 반데르 발스힘 등이 발생하며, 이 힘에 의해 표면접착(surface adhesion)이 일어나고, 그 결과 소자 손상을 초래하게 되어 결국 구조물의 점착현상이 발생하게 되는 것이다. 이와 같이 사용중 발생되는 점착현상을 해결하기 위하여 마이크로 딤플(dimple)을 형성하여 표면 접촉면적을 줄이는 방법과 마이크로미터 수준(microscopic level)으로 다결정 실리콘 표면을 거칠게 하는 방법이 제안되었다. 또한, 최근에는 점착현상을 방지하기 위해 미세 구조물 표면을 화학물질로 개질(chemical modification of the surface)하는 방법이 제안되었는데, 제안된 방법들로는, hydrogen passivation, hydrogen-bonded fluorinated monolayers, plasma-deposited fluorocarbon thin films, covalently-bound hydrocarbon self-assembled monolayer(SAM) 등이 있다. 이중 대표적인 방식이 자기 집합 단층막(SAM) 방식이다. SAM 방식은, 화학물질을 이용하여 실리콘 웨이퍼 표면을 소수화 처리하여 점착현상을 방지하는 기술이다. 하지만 이 SAM 방식의 경우는, 처리방법이 복잡하고 제조 비용이 높으며, 온도에 대한 의존성이 높다는 단점이 있었다.

위와 같이 RF용 MEMS 스위치는 점착현상 발생 문제를 해결하기 위하여 다각도로 연구가 진행되고 있으나 산업 제품에 이용하기 위해서는 보다 더 경제적이며, 효과적일 것이 요구되고 있다. 따라서 점착현상에 대한 저비용의 해결 방안으로 MEMS 구조물의 구조 또는 구동방법을 다르게 적용하는 방안이 다양하게 시도되고 있다.

도 1a 및 도 1b는 각각 미국 락웰사(Rockwell International Corporation)에서 제안한 종래 RF용 MEMS 스위치(미국등록특허, USP 5578976, 1996.11.26)의 평면도 및 단면도이다. 락웰사의 RF용 MEMS 스위치는, 기판(12) 상에 형성된 구동전극(16), 절단부위를 갖는 전송선로(18), 그리고 외팔보 지지기둥(14)과, 지지기둥(14)을 통해 기판으로부터 소정높이로 이격되어 형성된 외팔보(20), 외팔보 (20)상부로 하부전극(16)과 대응 부위를 갖도록 형성된 상부전극(24), 그리고 외팔보(20)의 지지기둥(14) 타측 하단부에 신호전송선로(18)의 절단 부위에 대응되며, 전송선로(18)를 전기적으로 연결시키기 위해 형성된 접점부(22)를 갖는다. 여기서, 외팔보(20) 및 상부전극(24)은 둘 다 외팔보가 보다 탄력있게 상하 운동을 수행할 수 있도록 하부전극(16) 대응 부위(26) 및 지지기둥(14) 상층 부위를 연결하는 스프링부(도 1에서 부재번호 24 표기 부분)를 갖는다. 스프링부는 하부전극 대응 부위(26) 및 지지기둥 상층 부위를 폭이 좁은 선형태로 연결하고 있다.

위와 같이 외팔보 구조를 갖는 락웰사의 RF용 MEMS 스위치는 상하부의 전극(16, 24)에 인가되는 전위차에 의해 발생되는 정전인력에 의하여 외팔보(20)의 유동측(도 1에서 부재번호 20 표기 부분)이 아래쪽으로 강하되며, 외팔보(20)의 하방 운동에 따라 접점부(22)가 전송선로(18)의 절단 부분을 전기적으로 연결시키게 된다. 이와 같은 동작에 의해 신호는 전송선로(18)를 통과할 수 있게 되며, 이후, 신호의 절단을 위해 상부전극(24)과 하부전극(16)에 인가된 구동전압이 제거되면, 외팔보(20)의 탄성 복원력에 의해 접점부(22)가 전송선로로부터 분리되어 원상태로 되돌아가게 된다. 이때, 스프링부에 의해 보다 큰 탄성력으로 접점이 전송선로로부터 분리되도록 하고 있다. 즉, 락웰사는 점착현상 문제를 해결하기 위하여 스프링부를 형성함으로서 스프링부가 없는 외팔보에 비해 보다 복원력을 높일 수 있도록 한 것이다.

그러나 상기와 같은 락웰사의 RF용 MEMS 스위치는 외팔보(20)를 운동시키기 위한 구동전압이 커지게 되는 문제점이 있었다. 즉, 외팔보(20)를 운동시키는 데 필요한 구동력 f는 전극의 면적 A에 비례하고, 하부전극(16)과 외팔보의 상부전극(24) 사이의 거리 d의 제곱에 반비례하는 관계가 성립된다. 그러나 전송선로(18)에 연결되어 있는 접점을 분리시키기 위한 복원력을 증가시키기 위하여 외팔보(20)의 스프링 강성을 높이면, 외팔보(20)를 운동시키는 데 있어서 보다 큰 구동력이 요구되며, 구동력을 높이려면 전극들의 면적을 확장시키거나 구동 전압을 높여야 하는 데, 이때, 전극의 면적을 확장시키는 것은 점착력 증가 등 악영향이 따르므로, 일반적으로 구동전압을 상승시켜 구동력을 향상시키게 된다. 이러한 이유로 현재 MEMS 방식의 스위치들의 구동전압은 10V를 상회한다. 이처럼 RF용 MEMS 스위치의 구동전압이 커지는 것은, 일반적인 휴대형 단말기들이 보통 3V 정도의 낮은 전압에서 구동되므로 별도의 승압회로를 요구하게 되어 또 다른 비용 발생의 원인이 된다.

또한, 브리지형이나 캔티레버(cantilever: 외팔보) 형태의 구조를 갖는 RF용 MEMS 스위치들은 접점 복원시 전적으로 구조물의 강성에 의존하게 되는 데, 스위치와 같은 경우, 상태 전환이 발생하는 시기가 일정치 않고, 어느 한 상태에 머무르는 시간이 길어질 수 있으므로, 한 상태가 장기간 유지되면, 크립(creep 또는 메모리 현상)이 발생하여 원형으로 복원되지 못하는 문제점이 발생할 우려가 컸다. 즉, 브리지형이나 캔티레버 형태의 RF용 MEMS 스위치에 있어서는 상태 변형부가 초기 상태를 제외하고는 항상 N(Neutral) - T(Tension) - N 또는 N - C(Compressive) - N 상태로 한가지 종류의 응력을 받고 있으므로 장기간 사용시 원상태로 복원되지 못하여 RF 특성을 저하시키는 문제가 발생하게 된다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 낮은 구동전압으로 구동되면서 RF 특성 저하를 방지할 수 있는 시이소오형 RF용 MEMS 스위치 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시이소오형 RF용 MEMS 스위치는, 기판 상부에 회로 개방(open)을 위한 갭(gap)을 갖도록 형성된 전송선로와, 상기 기판 상부로부터 소정 높이로 이격 형성되며, 축을 중심으로 시이소오 운동을 통해 상기 전송선로의 갭을 단속(斷續)하도록 형성된 단속부, 및 외부구동신호에 따라 상기 단속부의 시이소오 운동을 구동하는 구동부를 포함한다.

여기서, 상기 단속부는, 상기 기판 상부에 형성된 스페이서들과, 상기 스페이서들 사이에 연결되는 회동축, 및 상기 회동축에 교차 연결되어 시이소오 운동을 수행하는 단속바를 포함한다.

상기 단속바는, 상기 전송선로의 갭 양단부를 서로 전기적으로 연결시킬 수 있도록 형성된 접점부, 및 상기 회동축과 교차 연결되며, 상기 접점부를 지지하는 지지대를 포함한다.

상기 지지대는 절연체로 형성되며, 상기 접점부는 상기 지지대 하면에 상기 갭 양단부와 대응면을 갖도록 형성한다. 또한, 상기 접점부는, 상기 전송선로의 갭 양단부에 면대응되도록 'T'자 형태를 갖도록 형성한다. 또한, 상기 접점부는, 상기 지지대의 상기 접점부 결합부위 일부분의 제거를 통해 형성된 스프링부를 포함한다.

상기 전송선로는 상기 단속바 양단부와 대응하도록 각각 갭이 형성된 제1 및 제2 전송선로가 신호입력단으로부터 분기될 수 있다. 이를 통해 스위치는 RF신호에 대해 두개의 전달 경로를 갖게 된다.

상기 구동부는, 상기 기판 상부에 상기 단속바 양측으로 각각 형성된 적어도 하나 이상의 스페이서들, 상기 기판 상부에 상기 단속바의 시이소오 운동축 양측으로 각각 형성된 하부전극들, 상기 스페이서와 회동축을 통해 연결되며, 상기 단속바 양측에 각각 상기 하부전극들과 대응면을 갖도록 형성된 상부전극들, 및 상기 상부전극에 연결되며, 상기 하부전극에 선택적으로 인가된 구동신호에 따라 강하하는 상기 상부전극의 시이소오 운동과 함께 상기 단속바의 접점부가 상기 전송선로의 상기 갭 양단부에 접촉되도록 상기 단속바의 일측부를 하방으로 밀어내리는 시이소오강하부를 포함한다.

상기 시이소오강하부는, 상기 단속바 양측의 상기 상부전극 각각에 형성된 스페이서들, 및 상기 상부전극에 형성된 상기 스페이서들을 상기 단속바 양측의 서로 대응되는 위치끼리 연결한 크로스바를 포함한다.

이상과 같은 RF용 MEMS 스위치는, 단속부와 구동부가 분리되어 전극과 접점과의 상호 관계가 분리되므로, 점착현상에 대해 전극의 면적을 통해 조절할 수 있게 되며, 하부전극에 인가된 구동전압의 제거와 동시에 복원되므로 구동전압을 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라 시이소오 운동에 의해 장기간 이용에도 구조물의 변형을 방지할 수 있게 된다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 RF용 MEMS 스위치의 사시도 및 분해 사시도이다. 이하, 설명에서 복수의 동일 부재들에 대해서 단일의 대표부호로 기재한 경우가 있음을 미리 명시한다. RF용 MEMS 스위치는, 반도체 기판 상부에 갭(111-1, 112-1)을 갖는 전송선로(110), 기판 상부로부터 소정 높이로 이격되어 시이소오소 운동을 하는 단속부(200), 및 단속부(200)의 시이소오 운동을 구동하는 구동부(300)를 포함한다.

전송선로(110)는 신호입력단으로부터 제1 및 제2 전송선로(111, 112)로 분기되며, 각 전송선로(111, 112)는 서로 대응되는 위치에 회로 개방을 위하여 형성된 갭(111-1, 112-1)을 갖는다.

단속부(200)는 공통전극 상부에 형성된 한쌍의 제1 스페이서들(135)과, 제1 스페이서들(135) 사이에 연결되는 회동축(145), 및 회동축(145)에 교차 연결되어 시이소오 운동을 수행하는 단속바(210)로 구성된다. 여기서, 단속바(210)는 제1 및 제2 전송선로(111, 112) 각각의 갭(111-1, 112-1) 양단부를 서로 전기적으로 연결시킬 수 있도록 양단부에 금속박막으로 형성된 제1 및 제2 접점부(142, 142'), 및 회동축(145)과 일체로 교차 연결되며, 제1 및 제2 접점부(142, 142')를 지지하는 절연체로 형성된 지지대(150)를 갖는다. 제1 및 제2 접점부(142, 142')는 전송선로(110)의 갭(111-1, 112-1) 양단부에 면대응되도록 'T'자 형태를 갖는다. 또한, 접점부(142, 142')는, 지지대(150)와의 결합부위 일부분의 제거를 통해 스프링부(143)가 형성된다.

구동부(300)는, 공통전극(130) 상부에 회동축(145) 양측으로 형성된 제2 스페이서들(136)과, 기판상에 공통전극(130) 양측으로 각각 형성된 제1 및 제2 하부전극(122, 124)과, 제2 스페이서들(136)에 각각 제2 회동축(146)을 통해 연결되며, 단속바(210) 양측에 각각 공통전극(130) 양측으로 위치한 하부전극들(120)을 가로지르면서 대응면을 갖도록 형성된 제1 및 제2 상부전극들(140a, 140b), 및 각 상부전극(140a, 140b)에 연결되며, 상부전극들(140a, 140b) 일측의 강하와 함께 단속바(210) 일측의 접점부(142 또는 142')가 전송선로(111)의 갭(111-1, 112-1) 양단부에 접촉되도록 단속바(210)의 지지대(150) 일측단부를 하방으로 밀어내리는 시이소오강하부(350)를 포함한다. 여기서 시이소오강하부(350)는, 제1 및 제2 상부전극(140a, 140b) 각각의 양단부에 단속바를 중심으로 대향되게 형성되는 제3 스페이서들(155a, 155a', 155b, 155b') 및 서로 대응되는 제3 스페이서들(155a-155b, 115b'-155b')을 연결한 크로스바(160)를 포함한다.

도 4a 내지 도 4f는 도 2에 보인 RF용 MEMS 스위치의 제조공정을 순차적으로 나타낸 단면도이다. 여기서 각 도면들은 도2의 RF용 MEMS 스위치가 좌우 대칭 구조이므로, 대칭되는 일측부분은 생략하여 나타내고 있음을 미리 명시한다. 또한, RF용 MEMS 스위치에서 특정의 부재는 복수개로 형성되지만, 이하에는 단일의 부재로서 설명한다. RF용 MEMS 스위치는, 먼저, 도 4a와 같이 반도체 기판(400) 상부에 절연층(410)을 적층하고, 절연층(410) 상부로 금속막을 적층한 후, 통상적인 패터닝 과정을 통해 신호전송선로(426), 하부전극(424), 및 공통전극(422)을 형성한다. 여기서, 통상적인 패터닝 과정이란 반도체 공정에서 마스킹(masking), 노광, 현상, 그리고 에칭 등을 통해 원하는 구조물 형상을 얻는 과정을 말한다. 다음으로 도 4b와 같이 전송선로(426), 하부전극(424), 그리고 공통전극(422)이 형성된 절연층(410) 상부로 희생층(430)을 적층하고, 희생층 상면으로부터 공통전극(422)과 연통되는 스페이서용 제1 비아홀(432)을 형성한다. 다음으로 도 4c와 같이 비아홀(432)이 형성된 희생층(430) 상면을 따라 금속막을 2차 적층하고, 2차 적층된 금속막에 대해 통상적인 패터닝 과정을 통해 접점부(446) 및 상부전극(444)을 형성한다. 다음으로 도 4d와 같이 절연층(454)을 적층한 후, 패터닝하여 지지대 및 보강부를 제작한다. 도 4d에서 접점부(446) 상부에 잔존하는 절연층(454)이 지지대가 되고, 상부전극(444) 상부에 잔존하는 절연층(454)이 보강부가 된다. 지지대는 접점부(446)를 지지하는 역할을 하고, 보강부는 상부전극(444)을 보강하는 역할을 한다.다음으로 도 4e와 같이 2차 희생층(460)을 적층한 후, 2차 희생층(460) 상면으로부터 상부전극(444) 상의 절연층(454), 즉, 보강부와 연통하도록 제2 비아홀(462)을 형성한다. 다음으로 도 4f와 같이 제2 비아홀(462)이 형성된 제2 희생층(460) 상면을 따라 절연층을 적층한 후, 패터닝 과정을 통해 크로스바(474)를 형성한다. 이후, 1차 및 2차 희생층(430, 460)을 제거한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 위와 같은 RF용 MEMS 스위치는 기판상에 공통전극(130)을 중심으로 대칭 위치에 형성된 제1 및 제2 하부전극들(122, 124) 중 어느 한 하부전극에 선택적으로 외부구동신호가 인가되면, 예를 들어, 제1 하부전극(122)에 구동신호가 인가되면, 소정 높이에서 공통전극(130) 양측의 하부전극들(122, 124)을 가로질러 형성된 제1 및 제2 상부전극(140a, 140b)과 제1 하부전극(122) 사이에 전위차가 발생하게 된다. 이 전위차에 의해 제1 하부전극(122)과 상부전극들(140a, 140b)의 우측부 사이에는 인력이 발생되며, 상부전극들(140a, 140b)에 연결된 제2 회동축들(146a, 146b)은 제1 하부전극(122) 방향으로 회전 모멘텀이 발생하게 된다. 이때 제2 회동축들(146a, 146b)에 발생된 회전 모멘텀의 크기가 제2 회동축들(146a, 146b)에 가해지는 비틀림 스프링 복원력보다 크게 되면, 제1 하부전극(122)에 대응되는 제1 및 제2 상부전극들(140a, 140b) 및 크로스바(160)로 이루어진 상층 구조물이 회동축(146)을 중심으로 우측 아래로 기울어지게 된다. 이때, 우측의 크로스바(160)가 하강과 함께 지지대(150)의 우측단부와 접촉되면서 지지대(150)를 아래쪽으로 밀어내리게 된다. 그러면 지지대(150)에 연결된 T자형 제1 접점부(142')는 제1 전송선로(111)의 갭(111-1) 양단부를 커버하면서 접촉되며, 이에 의해 신호입력단으로부터 전달된 RF신호를 제1 전송선로(111)를 통해 다음 신호처리단(미도시)으로 전달할 수 있게 된다. 도 5는 도 2에 보인 RF용 MEMS 스위치가 제1 전송선로를 통해 RF신호를 전달할 수 있도록 우측으로 구동된 형태의 도면을 나타낸다. 도면에서 운동 구조물은 회동축을 중심으로 우측으로 기울어져 제1 접점부(142')가 제1 전송선로(111)와 접촉되고 있다. 한편, 제2 하부전극(124)에 구동신호가 인가된 경우에는, 상층 구조물이 좌측으로 기울어지게 되며, 동일 과정을 통해 제2 접점부(142)가 제2 전송선로(112)에 접촉되면서, 신호입력단에 전달된 RF신호를 제2 전송선로(112)를 통해 또 다른 신호처리단에 전달할 수 있게 된다.

또한 도 2 및 3을 참조하면, 시이소오형 RF용 MEMS 스위치는 단속바(210)와 상부전극들(140a, 140b)이 서로 분리되어 형성되고 있는데, 이는 분리된 이중구조를 통해 어느 한 하부전극(122, 124)에 인가된 구동신호의 제거와 함께 상층구조물이 곧바로 수평 상태로 복원될 수 있도록 하기 위한 것이다. 예를 들어, RF용 MEMS 스위치에서 제1 하부전극(122)에 인가된 구동신호를 제거했을 때, 상부전극들(140a, 140b)의 기울어졌던 부위는 접점부(142')의 전송라인(111) 접촉과 관계없이 수평 상태로 복원하기 위하여 반대쪽으로 시이소오 운동을 수행하게 된다. 즉, 제2 회동축(146) 및 상부전극부(140)의 수평 상태로 복원하려는 힘에 의해 자동적으로 운동을 하게 된다. 도 6b는 상부전극부(140)의 수평상태 복귀에 따라 크로스바(160')가 지지대(150)의 기울어진 반대측 단부에 접촉되고 있는 상태를 나타낸다. 이에 의해 구동전극들(124, 140) 사이의 거리는 보다 더 가까워지게 되며, 이에 의해 구동전압을 감소시킬 수 있게 된다. 만일, 상기한 시이소오형 RF용 MEMS 스위치를 구성하는 구조물에서 단속부(210)와 상부전극(140)이 일체형이라면, 도 6a와 같이 상층구조물이 일측으로 기울어진 상태일 때, 반대측의 하부전극(124)과 상부전극(140) 사이의 거리는 수평상태일 때보다 늘어나게 되며, 이때, 반대쪽으로 상태를 전환하려는 경우, 수평상태에서 예상하였던 구동전압 값 이상의 값을 하부전극(124)에 인가해 주어야 하므로 구동전압의 상승 요인이 된다.

한편, 스위치는 오프상태인 경우, 신호의 전달을 완벽히 차단할 수 있을 것이 요구되는데, 본 발명에 따른 시이소오형 RF용 MEMS 스위치는 그러한 아이솔레이션(isolation)에 있어서 매우 유리하다. 즉, 오프 상태에서는 구동전극들 사이의 거리가 멀수록 신호의 전달을 완벽하게 차단할 수 있는 데, 기존의 브리지형이나 캔티레버형 구조물의 경우에는 초기의 상태가 최대 아이솔레이션을 의미하나 시이소오형 스위치의 경우에는 시이소오의 일측 구동에 따라 타측이 초기 상태보다 더 높게 상승하므로 전극간 거리의 최대값이 증가하게 된다. 따라서 요구되는 아이솔레이션 값을 위해 계산된 기판 상부와 상부전극간의 이격거리를 기존의 브리지형이나 캔티레버형보다 낮출 수 있어, 전극간의 거리를 줄임으로써 구동전압을 보다 더 낮출 수 있게 한다. 즉, 시이소오를 운동시키기 위한 구동력은 전극간의 거리의 제곱에 반비례하므로 전극간의 거리를 줄이면, 그만큼 구동전압을 저감시킬 수 있는 것이다. 또한, 충분히 낮은 구동전압이 확보된 경우에는 기존의방식에 비해 우수한 아이솔레이션 값을 갖도록 할 수 있다.

또한, 캔티레버형 또는 시이소오형과 같이 회전운동을 하는 구조물에 있어서는 접점부를 끝단에 위치시키면, 접점부가 갭 양단부에 접촉될 때, 점 또는 선접촉이 되어 접촉면적이 매우 작아 핸들링 파워의 감소로 나타날 수 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 RF용 MEMS 스위치는 도 2에서 처럼 접점부(142)를 'T'자 형태의 금속재로 제작하며, 지지대(150)와 접점부(142)의 결합부위에서 접점부(142) 일부분이 노출된 스프링부(143)를 갖도록 하고 있다. 즉, 단속부(200)의 노출된 금속부분(143)은 스프링의 역할을 수행하여 접점부(142)와 전송선로(110)와의 접촉되는 힘에 따라 변형되며, 그에 따라 접점부(142)와 전송선로(110)의 갭(111-1) 양단부 사이에 면대 면접촉이 이루어진다. 이 스프링부의 탄성은 스프링부의 선폭 또는 길이를 조정함으로서 원하는 탄성도를 얻을 수 있으며, 접점부(142)가 전송선로(110)와 접촉되는 힘, 즉 접촉력을 충분히 제공하기 위해서 단속부(200)의 길이를 조절할 수도 있다. 단속부(200)의 길이를 충분히 길게 하면 낮은 구동전압으로 충분히 높은 접촉력을 얻을 수 있게 된다. 도 7은 접점부(142)와 전송선로(110)의 접촉 상태를 확대하여 나타낸 단면도이다. 도면에서 구동력에 의해 크로스바(160)가 지지대(150) 일단을 누르고 있으며, 크로스바(160)의 누르는 힘에 의해 지지대(150)와 접점부(142) 사이의 스프링부(143)가 굽어진 모습을 보이고 있다.

한편, 상기의 실시예에 보인 RF용 MEMS 스위치에서 전송선로는 신호 입력단으로부터 2개의 라인으로 분기하고 있지만, 본 발명의 스위치는 반드시 2개의 분기된 전송선로를 갖는 것에 한정되지 않으며, 단일의 전송선로를 갖는 스위치에도 적용 가능하다. 즉, 시이소오의 일측만 접점을 갖도록 하는 것으로 단일의 전송선로에 대해 단속 동작을 수행할 수 있다. 또한, 위 실시예에서는 지지대를 중심으로 하는 상부전극이 한쌍 배치되고 있지만 반드시 한쌍으로 한정되는 것은 아니며, 단일의 상부전극만으로도 하부전극에 대응하여 일측으로 구동되도록 할 수 있으며, 또한, 크로스바는 'ㄱ'자 형태를 취할 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 시이소오형 RF용 MEMS 스위치 및 그 제조방법은, 구동부와 전송선로의 갭 양단부에 접촉되는 접점부가 분리되므로 기존의 정전 구동방식 스위치에서 전극의 면적과 전극간의 거리 그리고 구동전압에 의해 결정되는 구동력 및 복원력에 대해 전극의 면적과 전극들간의 거리가 접점의 면적과 접점들간의 거리와 일치함으로서 불가피하게 구동전압의 상승을 통해 해결했던 부분을 전극과 접점의 구조를 분리하여 해결함으로서 구동전압을 낮게 유지할 수 있게 된다.

또한, 시이소오형 RF용 MEMS 스위치는 운동하는 구조물이 N-T-N-C-N의 천이 상태를 가지므로 크립(creep)과 같은 변형의 발생을 방지할 수 있다.

또한, 시이소오형 RF용 MEMS 스위치는 구동신호의 제거 및 회전축을 중심으로 반대측 지지부 및 접점부의 하중, 그리고 반대측 구동력을 통해 복원력이 높아져 접점에서의 점착현상 발생문제를 보다 더 원할하게 해결할 수 있으며, 접점부에 제작되어 면접촉을 이루도록 하는 스프링부도 복원을 돕게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1a 및 도 1b는 각각 종래 RF용 MEMS 스위치의 평면도 및 단면도,

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시이소오형 RF용 MEMS 스위치의 사시도 및 분해사시도,

도 4a 내지 도 4f는 각각 도 2에 보인 시이소오형 RF용 MEMS 스위치의 제조공정을 순차적으로 나타낸 단면도들,

도 5는 도 2에 보인 시이소오형 RF용 MEMS 스위치의 일측 전송선로와의 접촉상태를 나타낸 측면도,

도 6a 및 도 6b는 각각 상부전극과 단속부가 일체형으로 형성된 경우와 서로 분리된 경우에 대해 구동전압과의 관계를 설명하는 도면, 그리고

도 7은 도 2의 시이소오형 RF용 MEMS 스위치에서 접점부와 전송선로의 면접촉을 위하여 스프링부의 굽어진 상태를 나타낸 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

12: 100, 400: 기판

14, 135, 136, 155: 지지기둥(스페이서)

16, 120, 424: 하부전극 18, 110, 426: 전송선로

20: 외팔보 22, 142, 446: 접점부

24, 140, 444: 상부전극 111-1, 112-1: 갭(gap)

130, 422: 공통전극 145, 146: 회동축

150, 454: 지지대 160, 474: 크로스바

Claims

기판;

상기 기판 상부에 회로 개방(open)을 위한 갭(gap)을 갖도록 형성된 전송선로;

상기 기판 상부로부터 소정 높이로 이격 형성되며, 축을 중심으로 시이소오 운동을 통해 상기 전송선로의 갭 양단부를 단속(斷續)하도록 형성된 단속부; 및

외부구동신호에 따라 상기 단속부의 시이소오 운동을 구동하는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시이소오형 RF용 MEMS 스위치.
제 1항에 있어서,

상기 단속부는,

상기 기판 상부에 형성된 제1 스페이서들;

상기 스페이서들 사이에 연결되는 회동축; 및

상기 회동축에 교차 연결되어 시이소오 운동을 수행하는 단속바;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시이소오형 RF용 MEMS 스위치.
제 2항에 있어서,

상기 단속바는,

상기 전송선로의 갭 양단부를 서로 전기적으로 연결시킬 수 있도록 형성된 접점부; 및

상기 회동축과 교차 연결되며, 상기 접점부를 지지하는 지지대;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시이소오형 RF용 MEMS 스위치.
제 3항에 있어서,

상기 지지대는 절연체로 형성되며,

상기 접점부는 상기 지지대 하면에 상기 갭 양단부와 대응면을 갖도록 형성한 것을 특징으로 하는 시이소오형 RF용 MEMS 스위치.
제 4항에 있어서,

상기 접점부는, 상기 전송선로의 갭 양단부에 면대응되도록 'T'자 형태를 갖도록 형성한 것을 특징으로 하는 시이소오형 RF용 MEMS 스위치.
제 5항에 있어서,

상기 접점부는, 상기 지지대의 상기 접점부 결합부위 일부분의 제거를 통해 형성된 스프링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF용 MEMS 스위치.
제 6항에 있어서,

상기 전송선로는 상기 단속바 양단부와 대응하도록 각각 갭이 형성된 제1 및 제2 전송선로로 신호입력단으로부터 분기된 것을 특징으로 하는 RF용 MEMS 스위치.
제 1항에 있어서,

상기 구동부는,

상기 기판 상부에 상기 단속바 양측으로 각각 형성된 적어도 하나 이상의 제2 스페이서들;

상기 기판 상부에 상기 단속바의 시이소오 운동축 양측으로 각각 형성된 하부전극들;

상기 제2 스페이서와 회동축을 통해 연결되며, 상기 단속바 양측에 각각 상기 하부전극들과 대응면을 갖도록 형성된 상부전극들; 및

상기 상부전극에 연결되며, 상기 하부전극에 선택적으로 인가된 구동신호에 따라 강하하는 상기 상부전극의 시이소오 운동과 함께 상기 단속바의 접점부가 상기 전송선로의 상기 갭 양단부에 접촉되도록 상기 단속바의 일측부를 하방으로 밀어내리는 시이소오강하부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시이소오형 RF용 MEMS 스위치.
제 8항에 있어서,

상기 시이소오강하부는,

상기 단속바 양측의 상기 상부전극 각각에 형성된 스페이서들; 및

상기 상부전극에 형성된 상기 스페이서들을 상기 단속바 양측의 서로 대응되는 위치끼리 연결한 크로스바;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시이소오형 RF용 MEMS 스위치.
기판 상부에 제1 절연층을 적층하는 단계;

상기 절연층 상부에 회로 개방을 위한 갭을 갖는 전송선로 및 구동신호를 인가 받기 위한 하부전극을 공통전극을 사이에 두고 각각 형성하는 단계;

상기 공통전극 상부에 제1 및 제2 스페이서들을 형성하는 단계;

상기 제1 스페이서들 사이에 연결된 제1 회동축에 교차되며, 상기 전송선로에 형성된 갭 양단부를 전기적으로 연결시키는 단속바, 및 상기 단속바 양측에 각각 상기 제1 회동축과 동축으로 회동하는 상기 제2 회동축을 통해 상기 제2 스페이서에 연결되며, 상기 공통전극 양측으로 각각 형성된 상기 하부전극들을 가로지르는 상부전극을 형성하는 단계; 및

상기 공통전극 양측의 상기 하부전극들에 선택적으로 인가된 구동신호에 따라 상기 상부전극 일측의 강하에 의해 상기 단속바의 일측이 상기 전송선로의 상기 갭 양단부에 접촉되도록 하방으로 밀어내리는 시이소오강하부를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF용 MEMS 스위치의 제조방법.
제 10항에 있어서,

상기 전송선로는, 상기 단속바 양단부에 대응되어 갭이 형성되도록 신호입력단으로부터 제1 및 제2 전송선로로 분기된 것을 특징으로 하는 RF용 MEMS 스위치의 제조방법.
제 10항에 있어서,

상기 제1 및 제2 스페이서를 형성하는 단계는,

상기 전송선로 및 상기 하부전극들이 형성된 상기 기판 상부에 희생층을 적층하는 단계;

상기 희생층 상면으로부터 상기 공통전극과 연통하는 상기 제1 및 제2 스페이서용 비아들을 형성하는 단계; 및

상기 비아들이 형성된 상기 희생층 상면을 따라 금속막을 적층하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF용 MEMS 스위치의 제조방법.