KR100587289B1 - 마이크로 스위치 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

마이크로 스위치에 관한 것으로, 기판과, 기판 위에 일정 간격을 가지고 형성되는 접지부와, 접지부 사이에 분리되어 형성되는 전송선과, 전송선의 일정 영역 상에 형성되는 절연막과, 전송선 위의 일정 거리를 두고 상기 전송선과의 정전기력에 의해 상하로 움직이는 가동부와, 접지부에 고정되어 가동부를 지지하는 구불구불한 형태의 힌지를 포함하여 구성된다. 또한, 전송선의 입력단과 출력단 사이의 기판을 선택적으로 식각하여 고주파 대역에서 마이크로 스위치의 보다 좋은 절연 특성을 가질 수 있다. 본 발명에 따른 마이크로 스위치는 힌지를 구불구불한 형태로 하고, 전송선을 입력단과 출력단으로 분리하여, 전송선에 흐르는 신호가 낮은 제어 신호에 의해서 스위칭을 잘 하게 하고, 스위치의 절연 특성을 극대화 할 수 있다.

마이크로 스위치, 힌지, 전송선

Description

마이크로 스위치 및 그의 제조방법{micro switches and method for fabricating the same}

도 1a는 본 발명에 따른 마이크로 스위치의 구조사시도.

도 1b는 도 1의 A-A'의 구조단면도.

도 1c는 도 1의 B-B'의 구조단면도.

도 2a 와 도 2b는 본 발명에 따른 마이크로 스위치의 동작원리를 보여주는 회로도.

도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 스위치의 제조 공정단면도.

도 4a와 도 4b는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 마이크로 스위치의 제조 공정사시도.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 마이크로 스위치의 구조단면도.

도 6e 내지 도 6g는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 마이크로 스위치의 제조 공정단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 기판 2 : 접지부

3 : 입력단 7 : 힌지

4 : 출력단 8 : 시드금속층

5 : 절연막 9 : 희생층

6 : 가동부 10 : 비아 몰드

본 발명은 전자 시스템(electronic system)에 관한 것으로, 특히 정전기력(eletrostatic force)을 이용하여 구동하는 고주파용 마이크로 스위치(micro switch) 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 고주파 대역에서 사용되는 많은 전자 시스템들은 점차적으로 초소형화, 초경량화, 고성능화가 되어가고 있다.

이러한 전자 시스템에서는 전기 회로 폐로, 복구, 전환 등의 전기적인 신호(signal)를 제어(control)하기 위하여 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor:FET)나 핀 다이오드(pin diode)와 같은 반도체 스위치(switch) 스위치들이 사용되고 있다.

그러나, 이 반도체 스위치들은 구동될 때에 전력 손실이 크고, 왜곡(distortion)이 있으며, 완전한 온/오프(on/off) 절연(isolation)이 이루어지지 않는 등의 많은 문제점들이 있었다.

그러므로, 최근에는 이 반도체 스위치들을 대체하기 위하여 마이크로머시닝(micromachining)이라는 새로운 기술을 사용하여 기계적으로 움직이 는 초소형 정전 스위치가 널리 연구되고 있다.

이와 같이, 기계적으로 움직이는 마이크로 정전 스위치들은 고주파 대역에서 군사용과 무선 통신 시스템, 위상 변위(phase shifter), 안테나 튜너(antenna tuners), 수신기(receivers), 송신기(transmitters), 위상 배열 안테나(phase array antennas) 등의 분야에 상업적으로 널리 이용되고 있다.

마이크로 스위치는 정전기력을 이용하여 스위칭 하는 저항형 스위치와 용량형 스위치가 있다.

이 중에, 용량형 스위치는 정전기력에 의해 움직이는 가동부를 아래로 이동시켜 전송선(transmission line) 위에 형성된 절연막 위에 놓여지게 되어 가동부와 전송선 사이의 정전용량(capacitance)의 변화로 스위칭이 이루어진다.

그러나, 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 마이크로 스위치 및 그의 제조방법에는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 마이크로 스위치 구동 시 전력 손실이 크다.

둘째, 마이크로 스위치 구동 시 신호 왜곡이 생기고 온/오프 비율이 작아서, 완전한 온/오프 절연이 되지 않는다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구동 시 전력 손실이 적어 낮은 구동 전압에 의해 구동되고, 온/오프 비율이 커 절연 특성이 좋은 마이크로 스위치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 스위치는 기판과, 기판 위에 일정 간격을 가지고 형성되는 접지부와, 접지부 사이에 분리되어 형성되는 전송선과, 전송선의 일정 영역 상에 형성되는 절연막과, 전송선 위의 일정 거리를 두고 상기 전송선과의 정전기력에 의해 상하로 움직이는 가동부와, 접지부에 고정되어 가동부를 지지하는 구불구불한 형태의 힌지를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

위와 같이 구성된 본 발명의 마이크로 스위치의 제조방법은 기판 위에 입력단과 출력단이 분리된 전송선과 접지부를 형성하는 단계와, 전송선 상의 일부분에 강유전체를 증착하고 선택적으로 식각하여 절연막을 형성하는 단계와, 접지부 위에 전기적으로 연결된 시드금속층을 형성하는 단계와, 전면에 희생층을 형성하는 단계와, 희생층을 선택적으로 식각하여 시드금속층이 형성된 접지부가 노출되도록 비아 몰드를 형성하고, 형성된 비아 몰드 안에 금속을 증착하는 단계와, 전면에 단결정층을 증착하고 몰드를 형성하는 단계와, 형성된 몰드 안에 금속을 채워 힌지를 형성하는 단계와, 희생층을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징은 전송선의 입력단과 출력단 사이의 기판을 식각할 수 있도록 창을 갖는 가동부와 힌지를 형성하고, 희생층과 기판을 선택적으로 식각한 후, 희생층을 제거하는 단계를 포함하여 기판을 식각하는 데 있다.

본 발명에 따르면, 마이크로 스위치의 힌지를 구불구불한 형태로 하고, 전송선을 입력단과 출력단으로 분리하여, 전송선에 흐르는 신호가 낮은 제어 신호에 의 해서 스위칭을 잘 하게 하고, 스위치의 절연 특성을 극대화 할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 마이크로 스위치 및 그의 제조방법의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1a는 본 발명에 따른 마이크로 스위치의 구조사시도이고, 도 1b는 도 1에서 보여준 마이크로 스위치의 A-A'의 단면도이고, 도 1c는 도 1에서 보여준 마이크로 스위치의 B-B'의 단면도이다.

먼저, 도 1a 내지 도 1c에 도시한 바와 같이, 기판(1)과, 기판(1) 위에 일정 간격을 가지고 형성되는 접지부(2)와, 접지부(2) 사이에 입력단(3)과 출력단(4)으로 분리되어 형성되는 전송선과, 전송선의 일정 영역 상에 형성되는 절연막(5)과, 전송선 위의 일정 거리를 두고 상기 전송선과의 정전기력에 의해 상하로 움직이는 가동부(6)와, 접지부(2)에 고정되어 가동부(6)를 지지하는 구불구불한 형태의 힌지(7)를 포함하여 구성된다.

도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 마이크로 스위치의 동작원리를 보여주는 회로도이다.

도 2a에 도시한 바와 같이, 제어 부분(control part)에 전압이 인가되면, 인가된 RF 신호가 용량형 결합(capacitive coupling)을 통하여 출력단에 전달된다.

또한, 도 2b에 도시한 바와 같이, 제어 부분에 전압이 인가되지 않으면, 입력단에 인가된 RF 신호가 출력단으로 흐르지 않게 되어 완전한 절연(isolation)이 이루어진다.

이와 같이 구성된 본 발명의 마이크로 스위치의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따른 마이크로 스위치의 제조 공정단면도이다.

도 3a에서 도시한 바와 같이, 절연 기판(1) 상에 Cr 혹은 Ti 금속을 이용하여 Ti/Pt/Au/Pt, Ti/Cu/Pt, 혹은 Ti/Pt 형태의 멀티층(multi-layer) 구조를 갖는 접지부-전송선-접지부(ground-signal-ground) 패턴을 형성하기 위한 절연 패드(isolated pad)를 형성한다.

이 때, 형성되는 전송선(3,4)은 입력단(3)과 출력단(4)으로 분리되어 형성된다.

도 3b에 도시한 바와 같이, 전송선(3,4)과 접지부(2)가 형성된 기판 상에 유전체를 증착하고, 포토레지스트를 이용하여 패턴닝한 후, BOE나 붉은 불산을 이용하여 불필요한 부분을 식각한다.

그리하여, 증착된 유전체가 전송선(3,4)의 일부분에만 남도록 함으로서, 전송선(3,4) 위의 일정 영역에 절연막(5)을 형성한다.

여기서, 절연막(5)은 폴리머(polymer), 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 산화물(silicon oxide), 또는 높은 유전율을 갖는 강 유전물질을 사용한다.

절연막(5)이 증착되는 전송선(3,4)의 표면(surface)는 거친 것(roughness)이 없이 평평해야만 스위치를 완성한 후에 원하는 높은 정전 용량(high on capacitance)을 얻을 수 있다.

도 3c에 도시한 바와 같이, 접지부(2) 상에 패턴된 시드금속층(patterned seed metal)(8)을 형성한다.

여기서, 시드금속층(8)은 Ti/Cu 또는 Ti/Au로 이루어지고, 전기적으로 연결되어 있어야 한다.

도 3d에 도시한 바와 같이, 전면에 희생층(9)으로 코팅(coating)하고 큐어링(curing)한다.

여기서, 희생층(9)은 포토레지스트(photoresist)나 폴리이미드(polyimide)를 이용하여 형성한다.

도 3e에 도시한 바와 같이, 희생층(9)을 선택적으로 식각하여 비아 몰드(via mold)(10)를 형성한다.

여기서, 희생층(9)을 포토레지스트로 형성했을 경우는, 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통하여 비아 몰드(10)를 형성하고, 희생층(9)을 폴리이미드로 형성했을 경우는, 건식 식각(dry etching) 공정을 사용하여 비아 몰드(10)를 형성한다.

그리고 나서, 형성된 비아 몰드(10) 안으로 전기도금을 이용하여, Au 또는 Cu와 같은 금속들을 채운다.

도 3f에 도시한 바와 같이, 전면에 단결정층으로 코팅한 후, 포토레지스트 또는 폴리이미드를 전면에 코팅하고, 선택적으로 식각하여, 힌지(hinge)(7)를 위한 몰드를 형성한다.

그리고 나서, 형성된 몰드 안에 전기도금을 이용하여 Ni, Au, Cu 등을 채워 힌지(7)를 형성한다.

여기서, 힌지(7)는 스퍼터링(sputtering) 이나 애바포래이션(evaporation)을 이용하여 증착된 금속들을 패턴닝함에 의해서 형성할 수도 있다.

이어, 힌지(7) 위에 포토레지스트를 이용하여 매스(mass) 형성을 위한 몰드를 형성하고, 형성된 몰드 안에 전기도금으로 금속들을 증착하여, 매스를 형성할 수 있다.

마지막으로, 도 3g에 도시한 바와 같이, 희생층(9), 시드금속층(8)을 제거함으로서 본 발명에 따른 마이크로 스위치가 제작된다.

여기서, 폴리이미드로 이루어진 희생층(9)은 건식 식각 공정을 이용하여 제거되고, 포토레지스트로 이루어진 희생층은 건식 식각 공정이나 아세톤을 사용하여 제거된다.

또 다른 실시 예는 고주파 대역에서 마이크로 스위치의 보다 좋은 절연 특성을 갖기 위해서 입력단과 출력단 사이의 기판을 선택적으로 식각한 형태의 마이크로 스위치 및 그의 제조방법이다.

도 4a와 도 4b는 입력단(3)과 출력단(4) 사이의 기판을 선택적으로 식각할 수 있는 가동부(6)를 형성한 마이크로 스위치의 구조사시도이다.

도 4a와 도 4b에 도시한 바와 같이, 전송선의 입력단(3)과 출력단(4) 사이에 있는 기판을 선택적으로 식각할 수 있도록 가동부(movable plate)(6)를 설계한다.

도 5는 도 4a와 도 4b의 방법으로 전송선의 입력단(3)과 출력단(4) 사이에 있는 기판을 선택적으로 식각하였을 때의 마이크로 스위치의 구도단면도이다.

전송선의 입력단(3)과 출력단(4) 사이의 기판을 선택적으로 식각하는 방법은 위에서 언급한 실시 예의 제조과정 중, 기판(1) 위에 전송선(3,4)과 접지부(2)를 형성하고, 전송선(3,4) 상의 일부분에 절연막(5)을 형성하고, 접지부(2) 위에 시드금속층(8)을 형성하고, 전면에 희생층(9)을 형성하고, 희생층(9)을 선택적으로 식각하여 비아 몰드(10)를 형성하고, 비아 몰드(10) 안에 금속을 증착하는 단계까지는 동일하다.

그러나, 입력단(3)과 출력단(4) 사이의 기판을 식각하는 과정이 추가된다.

도 6a에 도시한 바와 같이, 전면에 단결정층으로 코팅한 후, 포토레지스트 또는 폴리이미드를 전면에 코팅하고, 선택적으로 식각하여, 창(window)을 갖는 가동부(6)와 힌지(7)를 위한 몰드를 형성한다.

그리고 나서, 형성된 몰드 안에 전기도금을 이용하여 Ni, Au, Cu 등을 채워 창을 갖는 가동부(6)와 힌지(7)를 형성한다.

이 때, 힌지(7)는 스퍼터링이나 애바포레이션을 이용하여 증착된 금속들을 패턴닝함에 의해서 형성할 수도 있다.

도 6b에 도시한 바와 같이, 가동부(6)의 창을 통해 희생층(9)과 기판(1)을 선택적으로 식각한다.

마지막으로, 도 6c에 도시한 바와 같이, 희생층(9), 시드금속층(8)을 제거함으로서 본 발명에 따른 또 다른 실시 예인 마이크로 스위치가 제작된다.

여기서, 폴리이미드로 이루어진 희생층(9)은 건식 식각 공정을 이용하여 제 거되고, 포토레지스트로 이루어진 희생층(9)은 건식 식각 공정이나 아세톤을 사용하여 제거된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 마이크로 스위치 및 그의 제조방법에는 다음과 같은 효과가 있다.

마이크로 스위치의 힌지를 구불구불한 형태로 하여 전송선에 흐르는 낮은 제어 신호에 의해서도 스위칭을 잘 하도록 하고, 전송선을 입력단과 출력단으로 분리하여, 스위치의 절연 특성을 극대화 할 수 있다.

즉, 스위치의 온/오프 비율(on/off ratio)이 크고, 온(on) 정전용량이 크면서 오프(off) 정전용량이 작은 마이크로 스위치를 제공할 수 있다.

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 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (10)

1. 기판과,

   상기 기판 위에 일정 간격을 가지고 형성되는 접지부과,

   상기 접지부 사이에 서로 분리되어 형성되는 전송선과,

   상기 전송선 위에 일정 거리를 두고 형성되어 상기 전송선과의 정전기력에 의해 상하로 움직이는 가동부로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 접지부에 고정되어 상기 가동부를 지지하는 힌지를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 힌지는 구불구불한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 전송선의 일정 영역 상에 형성되는 절연막을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치.
5. 기판 위에 입력단과 출력단이 분리된 전송선과 접지부 형성에 따른 절연된 패드를 형성하는 단계;

   상기 전송선 상의 일부분에 강유전체를 증착하고 선택적으로 식각하여 절연막을 형성하는 단계;

   상기 접지부 위에 전기적으로 연결된 시드금속층을 형성하는 단계;

   전면에 희생층을 형성하고, 선택적으로 식각하여 상기 시드금속층이 형성된 접지부가 노출되도록 비아 몰드를 형성하고, 상기 형성된 비아 몰드 안에 금속을 증착하는 단계;

   전면에 단결정층을 증착하고 몰드를 형성하여, 몰드 안에 금속을 채워 가동부와 힌지를 형성하는 단계;

   상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 마이크로 스위치 제조방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 희생층은 포토레지스트나 폴리이미드 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치 제조방법.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 희생층을 제거하는 과정은 상기 희생층 중 폴리이미드는 건식 식각 공정을 이용하고, 상기 포토레지스트로 이루어진 희생층은 건식 식각 공정 또는 아세톤을 사용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치 제조방법.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 금속의 증착은 전기 도금에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치 제조방법.
9. 제 5항에 있어서,

   상기 입력단과 상기 출력단 사이의 기판을 식각하는 기판 식각 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치 제조방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 기판 식각 방법은,

    기판을 식각할 수 있도록 창을 갖는 가동부와 힌지를 형성하는 단계;

    가동부의 창을 통해 희생층과 기판을 선택적으로 식각하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 스위치 제조방법.

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