KR101081759B1 - 마이크로 전자기계적 시스템 스위치 - Google Patents
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Abstract
마이크로 전자기계적 시스템(MEMS) 스위치는 고정 접촉부(24) 및 전기자(30)상의 가동 접촉부(35)를 포함한다. 스위치는, 정전 스위치 동작을 제공하기 위한 고정 및 가동 접촉부들과 연관된 전극들(22, 34) 및 전압을 인가할 때 전기자를 구부리고 정전 스위칭 및 클램핑 이후에 초기 압전 스위치 동작을 제공하기 위한 전극들(36, 40)과 연관된 압전 재료를 갖는다. 전기자는 제로 전압이 인가되는 스위치 개방 상태에 있을 때 고정 접촉부로부터 떨어져 구부러지는 만곡된 형상이다. 이것은, 정전 스위치 닫힘에 적당한 압전 동작에 의해 감소된 오프 상태시 큰, 예를 들면 3pm 스위치 갭을 제공한다. 만곡된 상태는 전기자 두께에 걸쳐 스트레인을 가변시킴으로써 제공되고, 스위치의 제조 동안 형성된다.
마이크로 전자기계적 시스템(MEMS) 스위치, 전기자, 압전 재료, 정전 스위치 구동, 압전 스위치 구동
Description
본 발명은 마이크로 전자기계 시스템(MEMS: Micro Electromechanical System) 스위치에 관한 것이다.
마이크로 전자기계 시스템들(MEMS)은 반도체 재료들에서 실리콘 처리 기술에 의해 통상적으로 만들어진 공지된 종류의 장치이고, 셔터들, 구동기들, 릴레이들, 밸브들 등과 같은 종래 전자 기계적 장치들 및 바이메탈 빔들(bimetallic beams) 같은 열적 기계적 장치들에 대한 대안으로서 개발되었다.
MEMS의 예들은, 전기 접촉이 예를 들면 마이크로파 시스템의 신호 라인에 만들어질 필요가 있는 스위치들에 사용된다. 마이크로파 시스템의 두 부분들은, 가동 아암(moveable arm) 또는 전기자(armature) 상의 스위치 접촉부를 고정된 고정 접촉 패드 상으로 및 고정 접촉 패드 상으로부터 멀어지게 기계적으로 이동시킴으로써, 요구에 따라 접속 및 분리될 필요가 있다. 정전 구동(electrostatic actuation)은 MEMS 스위치들에 사용된 공지된 기술이다. 그러한 구동은 캐패시턴스 변화율 및 인가된 전압 차의 제곱에 비례하는 두 개의 도전성 물체들 사이의 힘을 제공한다. 두 개의 충전된 도전체들 사이의 힘은 이들 분리의 역 제곱에 따라 변화한다.
고착 접촉들(sticking contacts)은 빈번하게 MEMS 스위치 장치들의 고장의 원인이다. 고착(stiction)은 반데르 발스 힘들(Van der Waals forces)과 같은 접촉 인터페이스에서 표면 상호작용으로부터 발생하거나 접촉부("핫" 접촉 용접)에서 고전류 밀도들 또는 상승된 온도들에 의해 발생될 수 있다. 스위치들은 통상적으로, 적당한 정적 복원력(static restoring force)을 제공하기 위하여 충분한 기계적 강성(stiffness)을 제공하도록 설계된다.
접촉 재료의 주의깊은 선택, 및 접촉이 최대 영역(저전류 밀도)을 가지는 것을 보장하는 것은, 스위치를 릴리스하기 위해 고착력(stiction force)을 최소화하는 방향으로 진행하지만, 고착력을 완전히 제거하지는 않는다. 이 구조는 닫힘 상태들 하에서 높은 정적 기계적 복원력(return force)을 가지도록 설계되지만, 이는 매우 높은 구동 전압들(정전 구동을 가정함)을 필요로 하는 구조를 발생시키는 경향이 있다.
전기자 접촉이 고정 접촉부와 근접하여 있을 때, 및 전기자 접촉이 고정 접촉부에 평행할 때, 최대 힘이 정전 구동기로부터 얻어진다.
스위치가 개방 위치에 있을 때 양호한 절연 특성에 대한 요구는, 스위치 접촉부들 사이의 갭이 약 3㎛ 이상일 것을 요구한다. 최소 스위칭 시간에 대한 요구는 전기자의 크기에 대한 상한을 정하고, 양호한 복원력에 대한 요구는 강성에 대한 하한을 부과한다.
전기자의 횡 압전 구동(transverse piezoelectric actuation)은 MEMS 스위치들을 동작시키기 위한 다른 공지된 기술이다. 이러한 구동은 구동 하의 영역에서 전기자의 포물선 굴곡을 발생시킨다. 이 굴곡은 빔 팁 편향(beam tip deflection)이 압전층에 걸린 전압에 직접 비례하여 변하는 것이다. 압전 구동으로 발생하는 접촉력들은 낮은 경향이 있다. 접촉력들은 양호한 전기 접촉부를 보장하기 위하여 높은 것이 바람직하다.
상기 문제들은 본 발명에 따라 이중 구동 메카니즘의 사용에 의해 감소된다, 즉 전기자의 굴곡과 함께, 압전의 또는 전열의(electrothermal) 또는 전자기의 동작과 협력하는 정전기의 동작의 이중 구동 메카니즘의 사용에 의해 감소된다.
본 발명에 따라, 전기자 상에 고정 접촉부(fixed contact) 및 가동 접촉부(moveable contact)를 포함하는 마이크로 전자기계적 시스템 스위치에 있어서,
정전 스위치 동작(electrostatic switch operation)을 제공하기 위한 상기 고정 및 가동 접촉부들과 연관된 전극들; 및
전압을 인가할 때, 상기 전기자를 구부리고 압전 스위치 동작(piezoeletric switch operation)을 제공하기 위한 연관된 전극들을 갖는 압전 재료(piezoelectric material)를 포함하고,
상기 전기자는, 제로 인가 전압을 갖는 스위치 개방 상태일 때 상기 고정 접촉부로부터 떨어져 구부러지는 만곡된 형상이고,
상기 스위치 구성은, 상기 압전 재료의 동작이, 상기 고정 접촉부 쪽으로 상기 전기자를 구부리고, 상기 정전 전극으로부터의 정전기력(electrostatic force) 하에서 상기 고정 및 가동 접촉부들을 클램핑(clamping)하기 위해, 상기 가동 접촉부를 고정된 전극과 실질적으로 평행한 배열로 구부리도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 기술될 것이다.
도 1은 개방 상태 또는 제로 전압 인가 상태에서 전기자가 고정 접촉부로부터 떨어져 구부러지는 MEMS의 개략도.
도 2는 평행하게 이격된 위치에서 정전기 전극들을 가진 부분적으로 닫힌 상태의 도 1의 스위치를 도시한 도면.
도 3은 완전히 닫힌 상태에서 도 1의 스위치를 도시한 도면.
도 4는 도 2의 부분적으로 스위치된 상태에서 릴리스 전에 제조된 MEMS 스위치의 단면도.
도 5는 도 4의 스위치 평면도.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 이중 정전 및 압전 구동 MEMS 스위치(1)는 고정 접촉부(3) 및 얇은 절연층(5)으로 코팅된 하부 정전 전극(4) 자체를 구비한 기판(2)을 포함한다. 전기자(6)는 기판에 고정된 하나의 단부 및 옴폭 들어간 가동 접촉부(7)를 구비하는 자유 외부 단부를 가진다. 전기자(6) 자체는 상부 금속층(8), PZT의 압전층(9), 중앙 금속 층(10), 절연 기계적 층(11), 및 가동 접촉부(7)를 구비한 하부 금속 층(12)의 샌드위치 구성이다.
개방 상태, 즉 전압 오프 상태의 스위치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 만곡된 윤곽(profile)을 가지도록 제조된다. 이 만곡(curvature)은 구성요소 층들(8-12)에 상이한 양의 스트레스를 제공하는 제조 단계들의 제어에 의해 얻어진다.
도 2는 전압들이 층들의 길이의 팽창 및 결과적으로 전기자(6)의 펴짐을 발생시키는 압전층(9) 양단 전극들(8, 10)에 인가된, 부분적으로 스위칭된 상태를 도시한다. 이 상태에서 전기자(6)는 곧고, (정전 구동기의 일부를 형성하는) 하부 정전 전극(4) 및 하부 층(12)은 작은 간격을 가지고 서로에 대해 평행하다. 이 단계에서 도 3에 도시된 스위치 닫힘 상태들로 전기자(6)가 아래로 이동되도록 정전 전극들(4, 12)은 에너지를 공급받는다. 닫힘 후, 도 3에서, 압전 요소(9)는 인가된 전압을 제거함으로써 스위치 오프되고, 스위치는 정전 전극들(4, 12)에 전압의 계속된 인가에 의해 클램핑(clamped), 닫힘 상태를 유지한다.
이런 닫힌 상태의 도 3에서, 전기자의 상태 구성요소 부분들은 스트레인(strain) 상태에 있다. 따라서 정전, 스위치 전압의 제거시, 도 1의 자유 상태로 전기자 스프링들이 되돌아감에 따라 접촉부들은 분리된다. 만약 필요하다면, 역 전압은 고정 접촉부(3)로부터 떨어져 전기자(6)를 구부리는 것을 돕도록 압전 재료(9)에 인가될 수 있다.
통상적으로, MEMS 스위치들은 2GHz하에서 >50 dB의 절연으로 45GHz까지의 광대역 범위에 걸쳐 0.2dB 이하의 측정된 삽입 손실들로 동작한다.
본 발명에 따른 예시적인 MEMS 스위치의 단면도는 릴리스(release) 전에 제조된 것으로 도 4에 도시된다. 이는 동일 평면의 도파 무선 주파수 전송 라인(또는 CPW) 및 외부 및 내부 스위치 전극들(25, 26) 각각을 포함하는 패턴화된 금속 층을 갖는 실리콘 이산화물의 전기 절연층(20)으로 캡핑된 실리콘 기판(21)을 포함한다. CPW는 두 개의 그라운드 평면들(22, 23) 및 전송 라인(24)을 포함한다. 그라운드 평면(22)은 얇은, 예를 들면 0.2㎛ 층(27)의 절연 질화 실리콘으로 커버되고, 정전 구동을 위하여 하부 전극을 형성한다.
전기자(30)는 스위치 전극들(25, 26) 상에 고정된 하나의 단부 및 전기 제어하에서 상하로 움직이기에 자유로운 다른 단부를 가진 기판(21) 위에 떨어져 이격된다. 전기자(30)는 패턴화된 제 1 금속 층(33)을 그 하부 표면 상에 갖는 1㎛ 두께의 질화 실리콘 층에 의해 형성된다. 이 층(33)은 상부 정전 전극을 제공하는 전극(34)으로 형성되고, 내부 스위치 전극(26)에 전기적으로 접속된다. 제 1 금속 층은 스위치가 동작될 때 전송 라인(24)에서의 브레이크(42)의 어느 한 측에 접촉하도록 배열된 옴폭 들어간 부분(dimples)을 갖는 가동 접촉부(35)을 또한 형성한다. 질화 실리콘 층(38)의 상부에는, 비아(44)를 통하여 상부 정전 전극(34)에 접속하고 1㎛ 두께의 지르콘산-티탄산납(lead-zirconate-titanate)(또는 PZT) 압전 재료 층(37) 하에서 하부 전극(36)을 형성하도록 패턴화된, 제 2 금속 층이 있다. PZT 층(37)은 유전체 층(39)으로 캡핑된다. 압전층(37) 상에는 비아들(31, 41)(vias)을 통하여 외부 스위치 전극(25)에 접속하는 상부 압전 구동 전극(40)이 있다. 캡핑 층(39)은 상부 압전 구동 전극(40)으로부터 하부 압전 구동 전극(36)을 절연시킨다. 참조 번호(43)는 처리 단계들 동안 사용된 희생 층을 가리키고, 추후에 기술된 바와 같이 제거된다.
동작에서, 전압 오프 상태일 때, 도 1에 도시된 바와 같이 전기자(30)는 위쪽으로 구부러진다. 스위치를 닫히게 위하여, 전압들은 두 개의 앵커(anchor) 전극들(25, 26)에 인가되어, PZT 층(37)이 팽창되고 도 4 상태 또는 심지어 그 이하로 전기자(30)를 구부린다. 이 상태에서 정전 전극들(22 및 34)은 실질적으로 평행하게 아주 근접하여 있다. CPW 그라운드 평면(22) 및 상부 정전 전극(34) 사이의 인가된 전압차는, 가동 접촉부(35)가 전송 라인(24)과 접촉하고 스위치가 닫히는 상태에 있을 때까지, 전기자의 하향 이동을 보충하는 전극들 사이의 인력을 발생시킨다. 이 시점에서 전압은 (외부 앵커 패드(25)로의 신호를 제거함으로써) PZT 층(37)으로부터 제거되고, 스위치는 정전기력에 의해 확실하게 클램핑된 채 있다.
스위치를 개방하기 위하여, 전압은 정전 전극(26,34)으로부터 제거되어 전기자(30)에 저장된 스트레인 에너지(strain energy)는 전송 라인(24) 위쪽 및 맞물림이 해제되는 쪽으로 가동 접촉부(35)를 이동시킨다. 만약 필요하면, PZT 층(37)은 길이를 축소하고 전기자(30)의 상향 이동을 강화하도록 역 바이어스될 수 있다.
도 4의 스위치는 다음 제조 단계들에 의해 제조될 수 있다.
모든 층들은 상업적으로 입수할 수 있는 원래의 실리콘 웨이퍼들(virgin silicon wafers) 상에 제조된다. 이들은 통상적으로 0.1Ωcm이하의 비저항(resistivity)으로 붕소 도핑(p 타입)되어, 선택적 저항 금속 접촉(ohmic metal contact)이 기판(21)에 만들어질 수 있도록 한다.
이산화 실리콘 막의 전기 절연층은 웨이퍼들 상에서 성장/증착된다. 접촉 홀들은 벌크 기판 접촉이 추후 처리 단계들에서 이루어지도록 이 층에서 (예를 들면, 반응 이온 에칭, RIE에 의해) 에칭될 수 있다.
금속막(구성요소들 22-26)은 그 다음 (예를 들면, 스퍼터 증착에 의해) 증착되고, 이어 포토리소그래피를 사용하여 패턴화된다. 이 과정에서, 웨이퍼들은 포토레지스트로 코팅되고, 포토레지스트는 적당한 마스크로 노출되고, 노출된 포토레지스트는 추후 패턴 전사를 위한 원하는 에칭 마스크를 하부 층에 형성하도록 현상된다. 포토레지스트를 패터닝한 후, 하부층은 (예를 들면, RIE에 의해) 에칭되고, 포토레지스트는 (예를 들면, RIE에 의해) 제거된다. 리소그래피, 증착 및 에칭의 이러한 순서는 웨이퍼의 표면상에 3차원(3D) 구조를 형성하도록 반복된다. 이런 고정된 금속 층은 전극 상호접속부들 및 본드 패드들을 형성한다.
(질화 실리콘 같은) 얇은 유전체 층(27)은 (예를 들면, 플라즈마 강화 기상 증착 또는 PECVD에 의해) 증착되고, 포토리소그래피를 사용하여 패턴화된다. 이 층은 의도되지 않은 전기 접촉부들로부터 고정된 금속을 보호하고, 하부 정전 전극(22)을 절연시킨다.
(폴리아미드, 비결정질 실리콘 등 같은) 희생 층(43)은 (예를 들면, 레지스트 스피닝에 의해) 증착된다. 이 층은 평탄화 정도를 제공할 수 있고 전기자(30)를 형성하는 구조적 가동 층들을 자유롭게 하기 위하여 제조 과정의 종료시 (RIE 릴리스 또는 습식 에칭 릴리스 처리와 같은) 릴리스 처리에서 제거된다.
옴푹 들어간 부분(dimples)은 포토리소그래피 및 희생 층의 시한 에칭(timed etch)에 의해 희생층에 형성될 수 있다.
접촉 홀들(31, 32)은 가동 기계적 층들 및 고정된 금속 층 사이의 전기적 및 기계적 접속들을 가능하게 하기 위하여 희생 층에서 에칭된다.
도전 금속층(33)이 (예를 들면, 스퍼터링에 의해) 증착되고, 다음에 포토리소그래피에 의해 패턴화된다. 이 층은 정전 구동을 위한 상부, 가동 전극(34) 및 RF 스위칭 동작을 위한 가동 접촉부(35) 둘다를 형성한다.
(PECVD 질화 실리콘 같은) 기계적 유전층은 증착되고, 다음에 패턴화된다. 이 층은 스위치 전기자에서의 탄성(elastic) 기계적 층(38)을 형성한다. 면내 스트레스들(in-plane stresses) 및 면외 스트레스 기울기(gradients)는, 릴리스된 스위치 전기자의 일부 곡률 제어를 가능하도록 하기 위해, 참조 [1,2]에 기술된 바와 같이, 이 층에서 제어될 수 있다. PECVD 증착 처리(예를 들면, RF 전력)에서 가변하는 처리 파라미터들은 그러한 제어를 허용한다.
도전층은 증착 및 패턴화된다. 이 층은 스위치에서의 압전 재료층(37)에 대한 하부 전극(36)을 형성한다. 이 층은 (란타늄 니켈(Lanthanum Nickelate)과 같은) 비금속들을 포함하는 도전층들의 결합을 포함하고, 압전 재료층(37)(예를 들면, 페로브스카이트(perovskite))에서의 적당한 단계(phase)의 핵형성(nucleation)에 적절한 표면을 제공하여야 한다.
압전층(37)은 (예를 들면, 금속 유기 화학 기상 증착에 의해) 증착되고, (예를 들면 포토리소그래피 및 RIE에 의해) 패턴화된다.
얇은 캡핑 유전층(39)(예를 들면, PECVD 질화 실리콘)은 하부 압전 전극(36) 및 추후 도전층들 사이에 의도되지 않은 전기 접촉을 방지하기 위하여 증착 및 패턴화된다. 이 층에서 스트레스는 릴리스된 스위치 전기자에서 곡률의 추가 제어가 가능하도록 제어될 수 있다.
제 3 금속층은 증착 및 패턴화된다. 이 층은 상부 압전 전극(40)을 형성하고, 전극(36)과 협력하여 압전층(37)에 전기장이 인가되게 할 수 있다. 이 층은 외부 앵커 패드(25)와 접촉을 형성한다.
추후 유전층은 (제어된 스트레스를 갖고) 증착될 수 있고, 릴리스된 스위치 전기자에서 곡률의 범위 및 영역들의 더 제어하도록 패턴화될 수 있다.
상기 처리에 따르는 것은 스위치 전기자가 작은 희생층으로 형성되게 할 수 있지만, 압전층을 포함하는 전기자의 영역 상에서 위쪽으로 잘 구부러진다(그러나 실질적으로 어느 곳에서는 편평함). 이런 위쪽으로의 만곡은 RF를 스위칭하는 가동 접촉부(35) 및 RF를 전달하는 고정된 금속층(24) 사이에 큰 갭(>3 마이크론)을 발생시킨다. 이는 양호한 절연 및/또는 삽입 손실 대 절연 비율을 가능하게 한다.
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Claims (5)
- 전기자(armature)(30) 상의 가동 접촉부(moveable contact)(35) 및 고정 접촉부(fixed contact)(24, 42)를 포함하는 마이크로 전자기계적 시스템 스위치에 있어서,정전 스위치 동작(electrostatic switch operation)을 제공하기 위해 상기 가동 접촉부가 상기 고정 접촉부와 접촉하도록 하는 정전 전극들(22, 34); 및전압 인가시 상기 전기자(30)를 구부리고 압전 스위치 동작(piezoeletric switch operation)을 제공하기 위한, 압전 구동 전극들(36, 40)을 갖는 압전 재료(piezoelectric material)(37)를 포함하고,상기 전기자는, 제로 인가 전압을 갖는 스위치 개방 상태일 때, 상기 고정 접촉부(24)로부터 떨어져 구부러지는 만곡된 형상(curved shape)이고,상기 압전 재료(37)의 동작은, 상기 전기자를 상기 고정 접촉부(24) 쪽으로 구부리고, 상기 정전 전극들(22, 34)로부터의 정전기력(electrostatic force) 하에서 상기 고정 및 가동 접촉부들을 클램핑(clamping)하기 위해, 상기 정전 전극들(22,34) 중 가동 전극(34)을 상기 정전 전극들(22,34) 중 고정 전극(22)과 평행한 배열로 구부리도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 마이크로 전기기계적 스위치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고정 접촉부는 전송 라인 접촉부들이고, 상기 가동 접촉부는 마이크로파 시스템의 부분들을 스위칭하기 위한 스위치 접촉부인, 마이크로 전기기계적 스위치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 가동 접촉부는 신호 라인의 두 개의 전기적으로 분리된 부분들을 함께 접속하기 위한 적어도 두 개의 돌출부들(protuberances)을 갖는 스위치 접촉부인, 마이크로 전기기계적 스위치.
- 기판(21) 상에 장착되고 기판(21)으로부터 분리되는 가동 전기자(30)를 갖는 마이크로 전자기계적 시스템 스위치를 제공하는 방법에 있어서,고정 접촉부(24)를 형성하는 고정된 금속 층, 정전 스위치 구동 전극들(22) 및 전기 상호 접속부들(25, 26)을 보유하는 기판(21)을 제공하는 단계; 및전기 스위칭, 전극(34) 정전 구동을 위한 적어도 하나의 가동 스위치 접촉부(35)를 보유하고 두 개의 전극들(36, 40) 사이의 압전 재료(37) 층을 보유하는 기계적 층(38)을 갖는 전기자를 제공하는 단계를 포함하고,상기 층들은, 자유 상태에서의 상기 전기자가 상기 기판으로부터 떨어져 구부러지는 만곡된 형태를 갖도록 하기 위해 두께에 걸쳐 가변하는 면내 스트레스(in-plane stress) 및 스트레스 기울기(stress gradient)를 갖는 스위치를 포함하고,상기 압전 재료(37)의 동작은, 상기 전기자(30)를 상기 기판(21) 쪽으로 구부리고, 정전기력 하에서 상기 고정 접촉부(24)에 상기 가동 스위치 접촉부(35)를 클램핑하기 위해, 가동 정전 구동 전극(34)을 고정 정전 전극(22)과 평행한 배열로 구부리도록 구성되는, 마이크로 전자기계적 시스템 스위치 제공 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 고정된 금속 층은 동일 평면 도파(coplanar waveguide) 전송 라인의 일부를 형성하고, 상기 고정 접촉부는 상기 전송 라인의 일부인, 마이크로 전자기계적 시스템 스위치 제공 방법.
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