KR100659298B1 - Ｍｅｍｓ 스위치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
개시된 MEMS 스위치는 기판; 기판의 상측에 형성되며 신호접촉부를 갖는 적어도 두개의 신호라인; 기판의 상측에 형성됨과 아울러서 신호라인의 사이에 소정의 간격을 두고 형성된 적어도 두개의 주전극; 주전극의 상부에 소정의 간격을 두고 시소 운동 가능하도록 설치되어 신호접촉부와 접촉하는 가동빔; 가동빔을 시소 운동하도록 지지하는 지지수단; 및 가동빔의 상부에 소정의 간격을 두고 설치됨과 아울러서 주전극과 대향되게 각각 설치되는 적어도 두개의 보조전극;을 포함한다. 가동빔은 제1절연층, 금속층, 제 2절연층이 차례로 적층된 3층 구조를 이룬다. 이러한 구성을 통해 저전압 구동이 가능하며, 구조물(가동빔)의 열적 신뢰성 및 전극간의 쇼트 현상을 방지할 수 있다.
MEMS, 스위치, 가동빔, 전극, 신호라인, 저전압
Description
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 MEMS 스위치의 구조를 개략적으로 도시한 사시도,
도 2는 상기 도 1의 평면도,
도 3a 내지 3c는 상기 도 2의 선 Ⅱ-Ⅱ′, 선 Ⅲ-Ⅲ′, Ⅳ-Ⅳ'을 각각 취해서 절취한 단면도들,
도 4a는 상기 도 2의 선 Ⅴ-Ⅴ′를 따른 수직 단면도,
도 4b 및 도 4c는 본 발명에 따른 MEMS 스위치가 동작되는 상태를 도시한 도면들,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 의한 MEMS 스위치가 제조되는 과정을 나타내는 평면도들,
도 6a 내지 6e는 상기 도 2의 선 Ⅱ-Ⅱ'를 취해서 절취된 수직 단면도상에서 MEMS 스위치가 제조되는 과정들을 나타낸 도면들,
도 6f는 상기 도 6c의 Ⅴ표시부 확대도,
도 7a 내지 도 7e는 상기 도 2의 선 Ⅲ-Ⅲ' 취해서 절단된 부분의 수직 단면도상에서 MEMS 스위치가 제조되는 과정들을 나타낸 도면들, 그리고,
도 8a 내지 8e는 상기 도 2의 선 Ⅳ-Ⅳ'를 각각 취해서 절취된 수직 단면도상에서 MEMS 스위치가 제조되는 과정들을 나타낸 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : MEMS 스위치 101 : 기판
102 : 절연층 105 : 제 1희생층
105a : 가동빔지지홀 105c : 보조전극콘택홀
107 : 제 2희생층 107a : 보조전극콘택홀
110 : 구동전극 111a,113a : 제 1,2주전극
115b,117b : 제 1,2보조전극 115b1,117b1 : 지지부
115b2,117b2 : 전극부 115b3,117b3 : 접촉패드
130 : 가동빔 131 : 제 1절연층
131c : 접촉부재관통홀 133 : 금속층
133a : 스페이서 133b : 스프링암
133c,133d : 제 1,2접촉부 133e : 절연라인
150 : 신호라인 151, 153 : 제 1,2신호라인
151a,153a : 제 1,2신호접촉부 180 : 그라운드
본 발명은 MEMS(Micro Electro Mechanical System)스위치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저전압 구동이 가능하고, 구조물(가동빔)의 열적 안정성 증대 및 전극간의 쇼트를 방지하는 MEMS 스위치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고주파 대역에서 사용되는 많은 전자 시스템은 초소형화, 초경량화, 고성능화가 되어가고 있다. 따라서, 지금까지 이러한 시스템들에서 신호를 제어하기 위해서 사용되고 있는 FET(Field Effect Transistor)나 핀 다이오드(PIN Diode)와 같은 반도체 스위치들을 대체하기 위해서 마이크로머시닝(MicroMaching)이라는 새로운 기술을 이용한 초소형 마이크로 스위치가 널리 연구되고 있다.
MEMS 기술을 이용한 RF(Radio Frequency)소자 중 현재 가장 널리 제작되고 있는 것은 스위치이다. RF 스위치는 마이크로파나 밀리미터파 대역의 무선통신 단말기 및 시스템에서 신호의 선별 전송이나 임피던스 정합 회로 등에서 많이 응용되는 소자이다.
이러한 MEMS 스위치에 관한 것으로서, 미국특허 번호 US 6,307,169가 개시된 바 있다.
개시된 MEMS 스위치는 기판상에서 멤브레인타입의 전극을 지지하는 힌지(hinge)를 갖는다. 힌지는 앵커에 의해 기판과 연결되는 제어전극(control electrode 과, 힌지컬러(hinge collar)와, 힌지암 세트를 갖는다. 제어전극은 기판상에 형성된 제어전극으로부터 분리됨과 아울러서 연결되는 단락바(shorting bar)를 갖는다.
MEMS 스위치의 또 다른 예로 일본공개특허공보(공개번호 : 특개 2001-143595호)가 개시된 바 있다.
개시된 MEMS 스위치는 스프링 현가장치(suspention apparatus)상에 현가된 마이크로플레이트프레임 구조를 이용하고, 기판상에 형성된다. 스프링현가장치는 일단부에 앵커가 부착되고, 신호라인상에 실질적으로 직교하는 방향으로 신장된다. 마이크로플레이트프레임은 신호라인내의 간폭에 대향해서 배치된 단락편을 갖고, 전기접점포스트가 신호라인상에 형성되어서 콘덴서구조를 형성한다. 그 콘덴서구조는 선택된 전압이 인가되어 정전기에 의해 하부전극 방향으로 당겨진다.
상술한 바와 같은 MEMS 스위치의 결점은 정전력을 사용함으로써 구동전압이 크다는 문제점이 있다. 일반적으로 구동전압을 낮추기 위해서는 전극의 면적을 증대시켜야만 하나, 제품의 소형화를 위해서는 전극 면적을 증대시키는 것이 제한된다.
또한, 상술한 바와 같은 MEMS 스위치는 구조물 즉, 미국특허 번호 US 6,307,169에 개시된 멤브레인타입의 전극 및 일본공개특허공보(공개번호 : 특개 2001-143595호)에 개시된 마이크로플레이트프레임 구조 등은 열적 안정성을 위하여 보강구조를 필요로 하며, 각 전극간의 쇼트 현상을 방지하기 위한 구조가 필요하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해소시키기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 첫 번째 목적은 저전압 구동이 가능하고, 구조물의 열적 안정성 증대 및 전극간의 쇼트를 방지하는 MEMS 스위치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 두 번째 목적은 상술한 MEMS 스위치를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점을 따르면, 기판; 상기 기판의 상측에 형성되며 신호접촉부를 갖는 적어도 두개의 신호라인; 상기 기판의 상측에 형성됨과 아울러서 상기 신호라인의 사이에 소정의 간격을 두고 형성된 적어도 두개의 주전극; 상기 주전극의 상부에 소정의 간격을 두고 시소 운동 가능하도록 설치되어 상기 신호접촉부와 접촉하는 가동빔; 상기 가동빔을 시소 운동하도록 지지하는 지지수단; 및 상기 가동빔의 상부에 소정의 간격을 두고 설치됨과 아울러서 상기 주전극과 대향되게 각각 설치되는 적어도 두개의 보조전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치가 제공된다.
상기 신호라인, 주전극 및 보조전극의 재질은 금(Au)으로 함이 바람직하다.
상기 지지수단은 가동빔의 중앙부 양측으로 돌출 형성된 스프링암; 및 상기 스프링암과 연결되며 상기 기판상에 소정 높이로 직립되게 형성된 스페이서;를 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 지지수단은 상기 금속층으로부터 인출된 스프링암과, 상기 스프링암과 연결되며 상기 기판상에 소정 높이로 직립되게 형성된 스페이서를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 가동빔은 제 1절연층, 금속층, 제 2절연층이 차례로 적층된 3층 구조를 이루도록 된 것이 바람직하다. 상기 제 1,2절연층의 재질은 실리콘나이트라이드 (SiN)이고, 상기 금속층의 재질은 알루미늄(Al)인 것이 바람직하다. 상기 가동빔 형상을 이루는 상기 제 1절연층의 양측에는 상기 금속층이 일부 매립되어 상기 신호접촉부와 접촉하는 접촉부가 마련되고, 상기 접촉부가 형성된 금속층에는 상기 금속층과 접촉부를 절연하는 절연라인이 추가로 형성된 것이 바람직하다.
상기 기판상에는 상기 스페이서의 하단을 지지하는 그라운드가 추가로 형성되어 상기 가동빔을 접지하도록 된 것이 바람직하고, 상기 기판은 고저항 실리콘 웨이퍼로 함이 바람직하다. 여기서, 상기 기판이 고저항 기판이 아닌 경우 상기 기판상에는 절연층이 추가로 구성된 것이 바람직하며, 상기 절연층은 산화막(SiO2)으로 구성함이 바람직하다.
상기 보조전극은 상기 기판상에 소정의 높이로 직립되게 형성됨과 아울러서 상기 가동빔의 양측에 형성된 복수개의 지지부;와 상기 지지부에 의해 지지되며 상기 가동빔을 가로지르도록 마련된 전극부;를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 기판상에는 상기 지지부가 그 상면에 접촉되는 접촉패드가 추가로 구성된 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 기판상에 금속층을 증착하고, 신호접촉부를 갖는 적어도 두개의 신호라인 및 적어도 두개의 주전극을 패터닝하는 단계; 상기 신호라인 및 주전극이 패터닝된 상측에 소정 두께로 제 1희생층을 증착한 후 가동빔지지홀 및 제 1보조전극콘택홀을 패터닝하는 단계; 상기 제 1희생층(Sacrificial Layer)의 상측에 가동빔층을 증착함과 아울러서 상기 가동빔층 구성물질을 가동빔 지지홀에 매립하여 스페이서를 형성하는 단계; 상기 가동빔층상에서 가동빔에 대응하는 형상을 패터닝하는 단계; 상기 가동빔이 패터닝 된 제 1희생층의 상측에 제 2희생층을 증착하고, 제 2보조전극콘택홀을 패터닝하는 단계; 및 상기 제 2희생층의 상측에 보조전극층을 증착함과 아울러서, 상기 보조전극층물질이 상기 제 1,2보조전극콘택홀에 매립되어 지지부를 형성한 후, 상기 보조전극에 대응된 형상을 패터닝하는 단계; 및 상기 제 1,2희생층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법이 제공된다.
상기 제 1희생층(Sacrificial Layer)의 상측에 가동빔층을 증착한 후 상기 가동빔을 패터닝하는 단계는, 상기 제 1희생층의 상측에 제 1절연층을 증착한 후 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계; 상기 제 1절연층의 상측에 금속층을 증착한 후 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계; 및 상기 금속층의 상면에 제 2절연층을 증착한 후 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제 1절연층의 상측에 금속층을 증착한 후 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계에서, 상기 금속층이 상기 가동빔지지홀을 통해 매립되어 상기 스페이서를 형성하는 단계; 및 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝된 상기 금속층의 양단과 상기 스페이서를 연결하는 스프링암 패터닝 단계;가 추가로 포함되는 것이 바람직하며, 상기 스페이서의 하단부가 접촉되어 가동빔을 접지하는 그라운드를 기판상에 형성하는 단계;가 추가되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 제 1희생층의 상측에 제 1절연층을 증착한 후 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계에서, 접촉부재관통홀 패터닝단계가 추가되고; 상기 제 1절연층의 상측에 금속층을 증착한 후 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계에서, 상기 금속층이 상기 접촉부재관통홀에 매립되어 접촉부를 형성하는 단계가 추가로 포함되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 제 1절연층의 상측에 금속층을 증착한 후 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계에서, 상기 접촉부 및 가동빔을 형성하는 금속층간의 절연을 위한 절연라인을 패터닝하는 단계가 추가로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 기판상에 상기 보조전극을 지지하는 접촉패드가 형성되는 단계가 추가되는 것이 바람직하다.
상기 기판은 고저항 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer)를 사용하는 것이 바람직하며, 여기서, 기판이 고저항이 아닌 경우 상기 기판의 상측에는 절연층을 추가함이 바람직하다. 이때, 상기 절연층은 산화막(SiO2)으로 하고, 상기 산화막 형성은 산화 열처리(Thermal Treatment)에 의함이 바람직하다.
상기 기판상에 금속층을 증착하고, 신호접촉부를 갖는 적어도 두개의 신호라인 및 적어도 두개의 주전극을 패터닝하는 단계에서, 상기 금속층은 금으로 형성하고, 상기 신호라인 및 주전극의 패터닝은 습식 식각(wet etching)에 의하는 것이 바람직하다.
상기 제 1,2절연층은 실리콘나이트라이드(SiN)로 형성하고, 상기 제 1,2절연층은 PECVD(Plasma Enhancd Chemical Vapor Deposition)에 의해 증착되고, 상기 제 1,2절연층은 건식 식각(Dry Etching)에 의해 가동빔 형상으로 패터닝하는 것이 바람직하다.
상기 금속층은 알루미늄(Al)으로 형성하고, 상기 금속층 증착은 스퍼터링(Sputtering)에 의하고, 상기 금속층은 건식 식각(Dry Etching)에 의해 가동빔 형상으로 패터닝하는 것이 바람직하다.
상기 제 1,2희생층은 포토레지스트(Phto Resist)로 형성하고, 상기 포토레지스트 증착은 스핀코팅(Spin Coating) 또는 스프레이코팅(Spray Coating)에 의하며, 상기 제 1,2보조전극콘택홀은 포토리소그래피에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제 1,2희생층 제거는 산소 마이크로 플라즈마 연소(O2 microwave plasma ashing)에 의하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 MEMS 스위치의 구조를 개략적으로 도시한 사시도, 도 2는 상기 도 1의 평면도이고, 도 3a 내지 3c는 상기 도 2의 선 Ⅱ-Ⅱ′, 선 Ⅲ-Ⅲ′,Ⅳ-Ⅳ′을 각각 취해서 절취한 단면도들이다.
도 1 내지 도 3c를 참조하면, MEMS 스위치(100)는 크게 기판(101 : substrate), 고정전극(immovable electrode (110): 제 1,2주전극(111a,113a : main electrode) 제1,2보조전극(115b,117b:sub electrode), 가동빔(130 : actuating beam), 신호라인(150 : signal line: 제 1,2신호라인 : 151,153) 으로 구성된다.
그에 대하여 좀더 구체적으로 설명하면, 기판(101) 상면에 적어도 두개의 신호라인(150 : 이하, "제 1,2신호라인(151,153)"이라 칭함)이 소정의 간격을 두고 형성된다. 제 1,2신호라인(151,153)은 그 일부가 소정의 갭을 두고 단선된 제 1,2신호접촉부(151a,153a: signal contacting portion)가 각각 형성된다.
제 1,2신호라인(151,153)의 사이에는 고정전극(110)을 이루는 적어도 두개의 주전극(이하, "제 1,2주전극(111a,113a)"이라 칭함)이 형성된다. 또한, 제 1,2주전극(111a,113a)과 대향되는 위치로 하여 제 1,2주전극(111a,113a)으로부터 소정 간격을 두고 제 1,2보조전극(115b,117b)이 각각 형성된다. 여기서, 제 1주전극(111a) 및 제 1보조전극(115b)과, 제 2주전극(113a) 및 제 2보조전극(117b)은 각각 한 쌍을 이룬다. 즉, 제 1주전극(111a) 및 제 1보조전극(115b)에 전압이 동시에 인가되고, 제 2주전극(113a) 및 제 2보조전극(117b)에 전압이 동시 인가된다. 제 1,2보조전극(115b,117b)은 기판(101)상에 지지되는 지지부(115b1, 117b1)와, 가동빔(130)과 소정간격 이격되어 가로지게 형성되는 전극부(115b2,117b2)로 구성된다. 이때, 지지부(115b1,117b1)의 하단을 지지하는 접촉패드(115b3,117b3)를 추가로 구성함이 바람직하다. 접촉패드(115b3,117b3)는 지지부(115b1,117b1)를 보다 안정적으로 지지함과 동시에 외부 전원과 접속하는 패드로서의 역할을 수행할 수 있다.
또한, 기판(101) 상면의 중앙부 양측에는 그라운드(180 :ground)가 형성되고, 그라운드(180)상에는 가동빔(130)을 제 1,2주전극(111a,113a)의 상면으로부터 소정 간격(d1) 떨어지게 지지하는 스페이서(133a)가 형성된다. 스페이서(133a)의 상단에는 가동빔(130)을 시소 운동 가능하게 지지하는 스프링암(133b)이 형성된다. 여기서, 스프링암(133b)은 가동빔(130)의 중앙부 양측에 연결된다.
가동빔(130)은 제 1절연층(131), 금속층(133), 제 2절연층(135)의 3층 구조를 이룬다. 여기서, 제 1,2절연층(131,135)은 실리콘나이트라이드(SiN)로 이루어지며, 금속층(133)은 도전성 재질로 예컨대, 알루미늄(Al)으로 이루어진다. 상술한 스프링암(133b)은 금속층(133)으로부터 인출되어 스페이서(133a)와 접속되도록 구성된다. 여기서, 가동빔(130)을 이루는 금속층(133), 스프링암(133b), 및 스페이서(133a)는 일체로 형성된다. 그에 대한 설명은 후술하는 MEMS 스위치 제조 과정에서 상세히 설명한다.
한편, 가동빔(130)의 양단부측으로 하여 상기 금속층(133)의 일부가 제 1절연층(131)을 관통하여 제 1,2스위치접촉부(151a,153a)와 접촉되는 제 1,2접촉부(133c,133d)가 마련된다. 이때, 가동빔(130)을 이루는 금속층(133)과 제 1,2접촉부(133c, 133d)의 절연을 위하여 절연라인(133e)이 추가로 형성된다.
스프링암(133b)을 구성하는 데 있어서, 가동빔(130)과 같이 3층 구조로도 제작 가능하나 가동빔(130)의 시소 운동을 탄력적으로 지지하기 위해서는 금속층(133)으로만 형성시킴이 보다 효율적이다.
상술한 바와 같이 가동빔(130)을 3층 구조로 구현함으로써, 열적 안정성을 도모할 수 있고, 또한, 제 1,2주전극(111a,113a) 및 제 1,2보조전극(115b,117b)간의 절연 효과를 높일 수 있다.
상술한 기판(101)상에는 절연층(102)이 추가되어 절연 효율을 높이도록 할 수 있다.
다음은 상술한 바와 같이 구성된 MEMS 스위치(100)의 동작원리에 대해서 상세히 설명한다.
도 4a는 상기 도 2의 선 Ⅴ-Ⅴ′를 따른 수직 단면도이고, 도 4b 및 도 4c는 본 발명에 따른 MEMS 스위치가 동작되는 상태를 도시한 도면들이다.
먼저, 도 4a를 참조하면, 제 1,2주전극(111a,113a) 및 제 1,2보조전극(115b,117b) 중 어느 하나에도 전원이 인가되지 않은 상태에서는 가동빔(130)이 수평상태를 유지한다.
이후, 도 4b에 도시된 바와 같이 제 1주전극(111a) 및 제 1보조전극(115b)에 전압을 인가하면, 제 1주전극(111a) 및 가동빔(130)의 사이에 대전이 일어나고, 정전인력에 의해 가동빔(130)이 기판(101)측으로 이끌리게 된다. 따라서, 가동빔(130)의 제 1접촉부(133c)가 제 1신호라인(151)의 제 1신호접촉부(151a)에 접촉된다. 이에 의해 제 1신호라인(151)의 입력단(In1)을 통해 입력된 외부 신호는 출력단(Out1)측으로 출력된다.(도 1참조)
한편, 제 1신호접촉부(151a)와 접촉하는 가동빔(130)의 반대쪽은 제 1보조전극(115b) 및 가동빔(130)의 사이에 대전이 일어나고, 따라서, 정전인력에 의해 가동빔(130)이 제 1보조전극(115b)의 전극부(115b2)측으로 이끌리게 된다.
다음, 도 4c에 도시된 바와 같이 제 2주전극(113a) 및 제 2보조전극(117b)에 전압을 인가하면, 상술한 동작원리에 제 2접촉부(133d)가 제 2신호접촉부(153a)에 접촉되고, 그 반대쪽은 제 2보조전극(117b)의 전극부(117b2)측으로 이끌리게 된다. 따라서, 가동빔(130)의 제 2접촉부(133d)가 제 2신호접촉부(153a)에 접촉되고, 제 2신호라인(153)의 입력단(In2)을 통해 입력된 외부 신호는 출력단(Out2)측으로 출력된다.
다음은 상술한 바와 같은 MEMS 스위치(100)의 제조과정에 대해서 설명한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 의한 MEMS 스위치가 제조되는 과정을 나타내는 평면도, 도 6a 내지 6e, 도 7a 내지 도 7e 및 도 8a 내지 8e는 본 발명에 의한 MEMS 스위치가 제조되는 과정을 나타내는 도면들로서, 도 2의 선 Ⅱ-Ⅱ', Ⅲ-Ⅲ' 및 Ⅳ-Ⅳ'를 각각 취해서 절단된 부분의 수직 단면도상에서 제조되는 과정들을 나타낸 도면들, 도 6f는 상기 도 6c의 Ⅴ표시부 확대도이다.
도 5a, 6a, 7a, 8a를 참조하면, 기판(101)상에 절연층(102)을 증착한다. 기판(101)이 예컨대, 고저항 실리콘 웨이퍼일 경우 절연층(102) 증착은 생략할 수 있다. 여기서, 절연층(102)은 실리콘 기판을 고온 산화 분위기 속에서 처리하여 표면에 실리콘 자체의 산화막(SiO2)을 형성하는 열처리(Thermal Treatment)에 의해서 형성할 수 있다.
이어, 예컨대, 금(Au)과 같은 도전성 재질을 증착한 후 제 1,2주전극(111a,113a), 제 1,2신호라인(151,153), 그라운드(180) 및 제 1,2보조전극(115b.117b)의 제 1,2접촉패드(115b3,117b3)를 패터닝 한다. 이때, 제 1,2신호라인(151,153)은 그 일부가 끊어져 1,2신호접촉부(151a,153a)를 이룬다.(도 5a 참조) 여기서, 제 1,2주전극(111a,113a), 제 1,2신호라인(151,153), 그라운드(180), 및 제 1,2접촉패드(115b3,117b3)은 습식 식각(Wet Etching)에 의해 패터닝 된다.
이어, 제 1,2주전극(111a,113a), 제 1,2신호라인(151,153), 그라운드(180), 및 제 1,2지지패드(115b3,117b3)가 패터닝된 절연층(102)의 상면에 제 1희생층(105)을 증착한다. 제 1희생층(105)은 가동빔(130)을 제 1,2주전극(111a,113a)의 상면으로부터 소정의 간격(d1)을 유지시키기 위한 두께로 증착된다. 여기서, 그라운드(180)의 일부를 노출시키는 가동빔지지홀(105a)을 패터닝(도 5a, 6a 참조)하고, 제 1,2접촉패드(115b3,117b3)의 일부를 노출시키는 제 1보조전극콘택홀(105c)을 패터닝(도5a, 8a 참조)한다. 제 1희생층(105)의 재질은 예컨대, 포토레지스트(Photo Resist)로 하며, 스핀코팅(Spin Coating) 또는 스프레이 코팅(Spray Coating)에 의해 도포된다. 한편, 가동빔지지홀(105a) 및 보조전극콘택홀(105c)은 포토리소그래피(Photo Lithography)에 의해 제거된다.
도 5b,6b,7b,8b를 참조하면, 제 1희생층(105)의 상면에 가동빔(130) 형성을 위하여 제 1절연층(131)을 증착한 후 가동빔(130) 형상으로 패터닝 한다. 이때, 가동빔지지홀(105a)과 통하는 그라운드(180) 및 보조전극콘택홀(105c)과 통하는 제 1,2지지패드(115b3,117b3) 또한 제 1절연층(131)으로부터 노출된다. 한편, 가동빔(130) 형상으로 패터닝된 제 1절연층(131)의 양쪽에는 접촉부재관통홀(131a)이 패터닝(도 5b, 도 7b)된다. 제 1절연층(131)은 가동빔(130)과 제 1,2주전극(111a,113a)과의 절연 역할을 수행한다. 여기서, 제 1절연층(131)의 재질은 예컨대, 실리콘나이트라이드(SiN)를 사용할 수 있으며, 그 증착은 예컨대, PECVD(Plasma Enhancd Chemical Vapor Deposition)에 의한다. PECVD 공정은 일반적으로 300℃의 고온의 분위기에서 이루어지나 본 발명에서는 포토레지스트 재질인 제 1희생층(105)이 버닝(burning)되는 것을 방지하기 위하여, 예컨대, 150℃의 저온 환경에서 실시함이 바람직하다. 또한, 그 패터닝 작업은 건식 식각(Dry Etching)에 의한다.
도 5c,6c,6f,7c,8c를 참조하면, 제 1절연층(131)의 상면에 도전성 재질인 예컨대, 알루미늄(Al) 재질로 된 금속층(133)을 예컨대, 스퍼터링(Sputtering)에 의해 증착한다. 이때, 금속층(133)의 일부는 가동빔지지홀(105a)을 통과하여 그라운드(180)와 접촉되어 스페이서(133a)를 형성한다.(도 6c, 6f참조) 그와 동시에 접촉부재관통홀(131a)을 통해 금속층(133)이 매립되어 제1,2접촉부(133c,133d)가 형성(도 5c, 도 7c참조)된다. 여기서, 제 1,2접촉부(133c,133d)와 가동빔(130)을 이루는 금속층과의 절연을 위하여 가동빔(130)을 이루는 금속층(133)상에는 절연라인(133e)이 추가로 형성됨이 바람직하다.(도 5c,7c 참조) 한편, 금속층(133)을 가동빔(130) 형상으로 패터닝하며, 이때, 스페이서(133a)와 가동빔(130)을 이루는 금속층(133)의 측면을 연결하는 스프링암(133b)을 패터닝(도 5c, 도 6c참조)한다. 한편, 그 패터닝은 건시식각(dry etching)에 의한다.
이어, 제 2절연층(135)을 추가로 증착한 후 가동빔(130) 형상으로 패터닝한다. 여기서, 제 2절연층(135)은 가동빔(130)의 제 1,2보조전극(115b,117b)과의 절연 역할을 수행한다. 여기서, 제 2절연층(135)은 제 1절연층(131)과 마찬가지로 실리콘나이트라이드 재질로 형성되며, 그 증착 또한 PECVD에 의한다.
상술한 바와 같이 가동빔(130)은 제 1절연층(131), 금속층(133), 제 2절연층(135)의 3중 구조를 취함에 따라 열적 변형(thermal distortion)을 줄이는 이점이 있다.
다음, 가동빔(130)이 패터닝 된 제 1희생층(105)의 상면에 제 2희생층(107)을 증착한다. 여기서, 제 2희생층(107)은 제 1,2보조전극(115b,117b)이 가동빔(130)의 상면으로터 소정의 간격(d2)을 이루는 두께로 증착된다.(도 6c참조) 제 2희생층(107)에는 제 2보조전극콘택홀(107a)이 형성되어 제 1,2접촉패드(115b3,117b3)를 노출시키고, 그 도포는 제 1희생층(105)과 마찬가지로 스핀코팅 및 스핀스프레이 방식에 의한다. 또한, 제 2보조콘택홀(107a) 형성 또한 포토리소그래피에 의한다.(도 5c, 8c참조)
도 5d,6d,7d,8d를 참조하면, 제 2희생층(107)의 상면에 보조전극층(미도시)이 증착된 후 제 1,2보조전극(115b,117b)이 패터닝된다. 여기서, 보조전극층은 보조전극콘택홀(105a,107a)을 통해 매립되어 지지패드(115b3,117b3)와 접촉되어 지지부(115b1,117b1)가 형성되며, 패터닝 과정을 통해 제 1,2전극부(115b2,117b
2)가 형성(도 5d,도 8d 참조)된다.
도 5e,6e,7e,8e를 참조하면, 제 1,2희생층(105,107)을 제거하여 MEMS 스위치(100)를 완성한다. 이때, 제 1,2희생층(105,107)제거는 산소 마이크로 플라즈마 연소(O2 microwave plasma ashing)에 의한다.
본 발명에 의한 MEMS 스위치의 바람직한 실시예로서, 절연층(102)은 0.5㎛ 두께를 가지는 SiO2재질로 형성되며, 제1희생층(105)의 높이(d1)는 2.0㎛이며, 제2희생층(107)의 높이(d2)는 2.0㎛ 로 형성된다. 또한, 구동전극(110)은 1.5㎛ 두께를 가지는 Au재질로 형성되며, 제1,2주전극(111a,113a)는 1.5㎛ 두께를 가지는 Au재질로 형성되며, 제1,2보조전극(115b,117b)는 2.0㎛ 두께를 가지는 Au재질로 형성된다. 또한, 제1절연층(131) 및 제2절연층(135)은 0.5㎛ 두께를 가지는 SiNx재질로 형성되며, 금속층(133)은 0.5㎛ 두께를 가지는 Au재질로 형성된다. 또한, 신호라인(150), 제1,2신호라인(151,153) 및 그라운드(180)은 1.5㎛ 두께를 가지는 Au재질로 형성된다.
본 발명에 의한 MEMS 스위치의 바람직한 실시예로서, 절연층(102)은 0.5㎛ 두께를 가지는 SiO2재질로 형성되며, 제1희생층(105)의 높이(d1)는 2.0㎛이며, 제2희생층(107)의 높이(d2)는 2.0㎛ 로 형성된다. 또한, 구동전극(110)은 1.5㎛ 두께를 가지는 Au재질로 형성되며, 제1,2주전극(111a,113a)는 1.5㎛ 두께를 가지는 Au재질로 형성되며, 제1,2보조전극(115b,117b)는 2.0㎛ 두께를 가지는 Au재질로 형성된다. 또한, 제1절연층(131) 및 제2절연층(135)은 0.5㎛ 두께를 가지는 SiNx재질로 형성되며, 금속층(133)은 0.5㎛ 두께를 가지는 Au재질로 형성된다. 또한, 신호라인(150), 제1,2신호라인(151,153) 및 그라운드(180)은 1.5㎛ 두께를 가지는 Au재질로 형성된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 MEMS 스위치는 제 1,2보조전극을 추가하여 전극면적을 증대시킴으로써 저전압 구동이 가능한 이점이 있다.
또한, 가동빔을 3층 구조로 제작함에 따라 열적 안정성을 도모할 수 있으며, 전극간의 쇼트 현상을 방지하는 이점이 있다.
이와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (30)
- 기판;상기 기판의 상측에 형성되며 신호접촉부를 갖는 적어도 두개의 신호라인;상기 기판의 상측에 형성됨과 아울러서 상기 신호라인의 사이에 형성된 적어도 두개의 주전극;상기 주전극의 상부에 시소 운동 가능하도록 설치되어 상기 신호접촉부와 접촉하는 가동빔;상기 가동빔을 시소 운동하도록 지지하는 지지수단; 및상기 가동빔의 상부에 설치됨과 아울러서 상기 주전극과 대향되게 각각 설치되는 적어도 두개의 보조전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 제 1항에 있어서, 상기 지지수단은 가동빔의 중앙부 양측으로 돌출 형성된 스프링암; 및 상기 스프링암과 연결되며 상기 기판상에 직립되게 형성된 스페이서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 제 1항에 있어서, 상기 가동빔은 제 1절연층, 금속층, 제 2절연층이 차례로 적층된 3층 구조를 이루도록 된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 제 3항에 있어서, 상기 지지수단은 상기 금속층으로부터 인출된 스프링암과, 상기 스프링암과 연결되며 상기 기판상에 직립되게 형성된 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 제 4항에 있어서, 상기 기판상에는 상기 스페이서의 하단을 지지하는 그라운드가 추가로 형성되어 상기 가동빔을 접지하도록 된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 제 3항에 있어서, 상기 제 1,2절연층의 재질은 실리콘나이트라이드(SiN)인 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 제 3항에 있어서, 상기 금속층의 재질은 알루미늄(Al)인 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 제 1항에 있어서, 상기 기판은 고저항 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 제 1항에 있어서, 기판상에는 절연층이 추가로 구성된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 제 7항에 있어서, 상기 절연층은 산화막(SiO2)인 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 제 3항에 있어서, 상기 제 1절연층에는 상기 금속층이 일부 매립되어 상기 신호접촉부와 접촉하는 접촉부가 마련된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 제 11항에 있어서, 상기 접촉부가 형성된 금속층에는 상기 금속층과 접촉부를 절연하는 절연라인이 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 제 1항에 있어서, 상기 신호라인, 주전극 및 보조전극의 재질은 금(Au)인 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 제 1항에 있어서, 상기 보조전극은 상기 기판상에 직립되게 형성됨과 아울러서 상기 가동빔의 양측에 형성된 복수개의 지지부;와상기 지지부에 의해 지지되며 상기 가동빔을 가로지르도록 마련된 전극부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 제 14항에 있어서, 상기 기판상에는 상기 지지부가 그 상면에 접촉되는 접촉패드가 추가로 구성된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
- 기판상에 금속층을 증착하고, 신호접촉부를 갖는 적어도 두개의 신호라인 및 적어도 두개의 주전극을 패터닝하는 단계;상기 신호라인 및 주전극이 패터닝된 상측에 소정 두께로 제 1희생층을 증착한 후 가동빔지지홀 및 제 1보조전극콘택홀을 패터닝하는 단계;상기 제 1희생층(Sacrificial Layer)의 상측에 가동빔층을 증착함과 아울러서 상기 가동빔층 구성물질을 가동빔지지홀에 매립하여 스페이서를 형성하는 단계;상기 가동빔층상에서 가동빔에 대응하는 형상을 패터닝하는 단계;상기 가동빔이 패터닝 된 제 1희생층의 상측에 제 2희생층을 증착하고, 제 2보조전극콘택홀을 패터닝하는 단계; 및상기 제 2희생층의 상측에 보조전극층을 증착함과 아울러서, 상기 보조전극층물질이 상기 제 1,2보조전극콘택홀에 매립되어 지지부를 형성한 후, 상기 보조전극에 대응된 형상을 패터닝하는 단계; 및상기 제 1,2희생층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 제 1희생층(Sacrificial Layer)의 상측에 가동빔층을 증착한 후 상기 가동빔을 패터닝하는 단계는,상기 제 1희생층의 상측에 제 1절연층을 증착한 후 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계;상기 제 1절연층의 상측에 금속층을 증착한 후 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계; 및상기 금속층의 상면에 제 2절연층을 증착한 후 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 제 1절연층의 상측에 금속층을 증착한 후 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계에서, 상기 금속층이 상기 가동빔지지홀을 통해 매립되어 상기 스페이서를 형성하는 단계; 및상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝된 상기 금속층의 양단과 상기 스페이서를 연결하는 스프링암 패터닝 단계;가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
- 제 18항에 있어서, 상기 스페이서의 하단부가 접촉되어 가동빔을 접지하는 그라운드를 기판상에 형성하는 단계;가 추가되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 제 1희생층의 상측에 제 1절연층을 증착한 후 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계에서, 접촉부재관통홀 패터닝단계가 추가되고;상기 제 1절연층의 상측에 금속층을 증착한 후 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계에서, 상기 금속층이 상기 접촉부재관통홀에 매립되어 접촉부를 형성하는 단계가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
- 제 20항에 있어서, 상기 제 1절연층의 상측에 금속층을 증착한 후 상기 가동빔에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계에서, 상기 접촉부 및 가동빔을 형성하는 금속층간의 절연을 위한 절연라인을 패터닝하는 단계가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 기판상에 상기 보조전극을 지지하는 접촉패드가 형성되는 단계가 추가되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 기판은 고저항 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer)로 하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 기판의 상측에는 절연층이 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
- 제 24항에 있어서, 상기 절연층은 산화막(SiO2)으로 하고, 상기 산화막 형성은 산화 열처리(Thermal Treatment)에 의하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 기판상에 금속층을 증착하고, 신호접촉부를 갖는 적어도 두개의 신호라인 및 적어도 두개의 주전극을 패터닝하는 단계에서, 상기 금속층은 금으로 형성되고, 상기 신호라인 및 주전극의 패터닝은 습식 식각(wet etching)에 의하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 제 1,2절연층은 실리콘나이트라이드(SiN)로 형성하고, 상기 제 1,2절연층은 PECVD(Plasma Enhancd Chemical Vapor Deposition)에 의해 증착되고, 상기 제 1,2절연층은 건식 식각(Dry Etching)에 의해 가동빔 형상으 로 패터닝하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 금속층은 알루미늄(Al)으로 형성하고, 상기 금속층 증착은 스퍼터링(Sputtering)에 의하고, 상기 금속층은 건식 식각(Dry Etching)에 의해 가동빔 형상으로 패터닝되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 제 1,2희생층은 포토레지스트(Phto Resist)로 형성하고, 상기 포토레지스트 증착은 스핀코팅(Spin Coating) 또는 스프레이코팅(Spray Coating)에 의하며, 상기 제 1,2보조전극홀은 포토리소그래피에 의해 패터닝되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 제 1,2희생층 제거는 산소 마이크로 플라즈마 연소(O2 microwave plasma ashing)에 의하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
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