KR101734547B1 - 스위치 구조체 및 방법 - Google Patents

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Abstract

콘택트(102)와, 도전성 요소가 콘택트로부터 분리되는 제 1 위치와 도전성 요소가 콘택트에 접촉하는 제 2 위치 사이에서 변형 가능하도록 구성되는 도전성 요소(104)를 포함하는 스위치 구조체(100)와 같은 장치가 제공된다. 도전성 요소는 시간 종속적인 변형을 금지하도록 구성된 금속 재료로 실질적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속 재료는 금속 재료의 항복 강도의 적어도 약 25 퍼센트의 스트레스 및 금속 재료의 용융 온도의 약 절반 이하인 온도에 놓일 때 10-13 s-1 미만의 최대 정상 상태 플라스틱 스트레인 레이트를 나타내도록 구성될 수 있다. 콘택트 및 도전성 요소는 마이크로 전기 기계적인 장치 또는 나노 전기 기계적인 장치의 일부분일 수 있다. 연관된 방법이 또한 제공된다.

Description

스위치 구조체 및 방법{SWITCH STRUCTURE AND METHOD}
본 명세서의 실시예는 전반적으로 스위칭 전류에 대한 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 마이크로 전기 기계적인 스위치 구조체에 관한 것이다.
회로 차단기는 회로 내의 고장에 의해 야기된 손상으로부터 전기 설비를 보호하도록 설계된 전기 장치이다. 통상적으로, 다수의 통상적인 회로 차단기는 벌키(매크로) 전기 기계적인 스위치를 포함한다. 불행하게도, 크기가 큰 이들 통상적인 회로 차단기는 스위칭 메커니즘을 활성화하도록 큰 힘의 사용을 필요로 할 수 있다. 추가적으로, 이들 회로 차단기의 스위치는 일반적으로 상대적으로 저속으로 동작한다. 또한, 이들 회로 차단기는 구축하기에 복합할 수 있으므로 제조하는데 고가이다. 또한, 통상적인 회로 차단기에서의 스위칭 메커니즘의 콘택트가 물리적으로 분리될 때, 종종 이들 사이에 아크가 형성될 수 있고, 이는 회로 내의 전류가 중지할 때까지 전류가 스위치를 통해 계속해서 흐르도록 한다. 또한, 아크와 연관된 에너지는 콘택트에 심각하게 손상을 주고/주거나 사람에게 연소 위험성을 제공할 수도 있다.
저속 전기 기계적인 스위치에 대한 대안으로서, 상대적으로 고속 고체 상태 스위치가 고속 스위칭 애플리케이션에서 채용되어 왔다. 이들 고체 상태 스위치는 전압 또는 바이어스의 제어된 인가를 통해 도전성 상태와 비도전성 상태 사이에서 스위칭한다. 그러나, 고체 상태 스위치는 이들이 비도전성 상태로 스위칭될 때 콘택트들 사이의 물리적 갭을 생성하지 않으므로, 명목적으로 비도전성일 때 이들은 누설을 경험한다. 또한, 도전성 상태에서 동작하는 고체 상태 스위치는 내부 저항으로 인한 전압 강하를 경험한다. 또한, 전압 강하 및 누설 전류는 정상 동작 환경 하에서 전력 소모 및 과도한 열 생성에 기여하며, 이는 스위치 성능 및 수명에 대해 이롭지 않다. 또한, 고체 상태 스위치와 연관된 고유의 누설 전류의 적어도 일부분으로 인해, 전류 차단기 애플리케이션에서의 이들의 사용은 가능하지 않다.
마이크로 전기 기계적인 시스템(micro-electromechanical system : MEMS) 기반형 스위칭 장치는 특정의 전류 스위치 애플리케이션에 대해 앞서 기술된 매크로 전기 기계적인 스위치 및 고체 상태 스위치에 대해 유용한 대안을 제공할 수 있다. MEMS 기반형 스위치는 전류를 도통하도록 설정할 때 저 저항을 갖고, 그를 통한 전류의 흐름을 차단하도록 설정될 때 저(또는 무) 누설을 갖는 경향이 있다. 또한, MEMS 기반형 스위치는 매크로 전기 기계적인 스위치보다 고속의 응답 시간을 나타내는 것으로 예상된다.
일 측면에서, 스위치 구조체와 같은 장치가 제공된다. 장치는 콘택트와, 도전성 요소가 콘택트로부터 분리되는 제 1 위치와 도전성 요소가 콘택트에 접촉하는 제 2 위치 사이에서 변형 가능하도록 구성되는 도전성 요소를 포함한다. 예를 들어, 도전성 요소는 캔틸레버(cantilever), 양단 고정 보(fixed-fixed beam), 토션 요소(torsional element) 및 다이어프램(diaphragm)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 구조체를 포함할 수 있다. 장치는 제 2 위치를 향해 도전성 요소를 촉진하도록 구성된 정전기력을 인가하기 위해 충전되도록 구성된 전극을 또한 포함할 수 있다.
콘택트 및 도전성 요소(및 전극)는 마이크로 전기 기계적인 장치 또는 나노 전기 기계적인 장치의 일부분일 수 있다. 예를 들어, 도전성 요소는 약 103 m-1 이상인 표면 영역 대 볼륨 비를 갖는다. 콘택트 및 도전성 요소의 각각은 기판 상에 배치될 수 있으며, 이 기판은 MOS FET(metal oxide semiconductor field effect transistor)를 포함할 수 있다.
외부 힘의 부재 시에 도전성 요소가 제 1 위치를 취하도록 하기 위해 도전성 요소는 변형 동안 충분한 에너지를 내부에 저장하도록 구성될 수 있다. 또한, 도전성 요소가 제 1 위치를 실질적으로 점유할 때 도전성 요소는 약 40 퍼센트보다 낮게 변화하는 분리 거리만큼 콘택트로부터 분리되고 인가된 힘에 의해 제 2 위치를 향해 촉진되며 인가된 힘의 부재 시에 실질적으로 제 1 위치로 복귀하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도전성 요소는 제 2 위치를 점유할 때 적어도 약 10,000초의 누적 시간에 걸쳐 적어도 약 100MPa의 스트레스를 경험하도록 구성될 수 있다.
도전성 요소는, 가령, 약 40℃보다 높은 온도에서, 시간 종속적인 변형을 금지하도록 구성된 금속 재료로 실질적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속 재료는 금속 재료의 항복 강도의 적어도 약 25 퍼센트의 스트레스 및 금속 재료의 용융 온도의 약 절반 이하인 온도에 놓일 때 10-12 s-1 미만의 최대 정상 상태(steady-stated) 플라스틱 스트레인 레이트(plastic strain rate)를 나타내도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 금속 재료는 니켈과 텅스텐의 합금, 예를 들어, 적어도 65 원자 퍼센트 니켈 및 적어도 1 원자 퍼센트 텅스텐을 포함하는 합금을 포함할 수 있다. 니켈과 텅스텐의 합금은 약 1 ㎛ 이하의 평균 그레인 크기를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 금속 재료는 비정질 금속을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 금속 재료는 적어도 700℃의 용융 온도를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 금속 재료는 비자기(non-magnetic)일 수 있다.
장치는 상이한 전기 포텐셜에서 제 1 측면 및 제 2 측면을 갖는 회로를 더 포함할 수 있다. 콘택트 및 도전성 요소는 회로의 제 1 및 제 2 측면 중 한 측면 및 다른 측면에 각각 접속될 수 있어, 가령, 금속 재료의 용융 온도의 30 퍼센트 미만의 주변 온도에서, 제 1 및 제 2 위치 사이의 도전성 요소의 변형이 제 1 위치와 제 2 위치 사이에 흐르는 전류를 각각 관통시키고 차단하도록 작용한다. 제 1 측면은 적어도 1mA의 크기를 갖는 전류 및 약 1kHz 이하인 발진 주파수를 공급하도록 구성된 전원을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 장치는 시간 종속적인 변형을 금지하도록 구성된 금속 재료로 실질적으로 형성된 제 2 도전성 요소를 포함할 수 있다. 도전성 요소가 콘택트로부터 분리되는 제 1 위치와 도전성 요소가 콘택트에 접촉하는 제 2 위치 사이에서 도전성 요소 콘택트가 변형 가능하도록 제 2 도전성 요소가 구성됨 수 있다. 도전성 요소 및 제 2 도전성 요소는 기판 상에 배치된 회로의 일부분으로서 직렬로 및 병렬로 어레이될 수 있다.
다른 측면에서, 기판을 제공하는 단계와 기판 상에 콘택트를 형성하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 도전성 요소가 기판 상에 형성될 수 있고, 도전성 요소는 (예를 들어, 전기 도금을 통해) 실질적으로 적어도 니켈과 텅스텐의 합금으로 형성되며 도전성 요소가 콘택트로부터 분리되는 제 1 위치와 도전성 요소가 콘택트에 접촉하는 제 2 위치 사이에서 변형 가능하도록 구성된다. 전극은 기판 상에 또한 형성될 수 있으며, 전극은 도전성 요소를 제 2 위치로 촉진하는데 충분한 정전기력을 수립하도록 구성된다. 도전성 요소는 적어도 300℃의 온도에 노출될 수 있다. 추가적으로, 콘택트 및 도전성 요소는 기판과 보호 캡 사이에 밀봉될 수 있다.
콘택트 및 도전성 요소는 회로의 대향 측면에 각각 접속될 수 있고, 대향 측면이 접속 해제될 때 대향 측면은 상이한 전기 포텐셜에 있다. 도전성 요소는 전류, 예를 들어, 적어도 1mA의 진폭 및 적어도 1kHz 이하의 발진 주파수를 갖는 제 1 위치와 제 2 위치 사이에 흐르는 전류를 각각 관통시키고 차단하도록 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 선택적으로 변형될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도전성 요소는 전류를 각각 관통시키고 차단하도록 적어도 40℃의 사용 온도 및 250℃보다 낮은 온도에서 선택적으로 변형될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도전성 요소는 제 1 위치와 제 2 위치 사이에 흐르는 전류를 각각 관통시키고 차단하도록 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 선택적으로 변형하기 이전의 사용 온도보다 높은 온도를 프로세스하도록 노출될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 측면 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 후술하는 상세한 설명이 읽혀질 때 가장 잘 이해될 것이고 도면 전반에 걸쳐 유사한 참조 부호는 유사한 부분을 나타내며 도면에서
도 1은 예시적인 실시예에 따라 구성된 스위치 구조체의 개략적인 사시도이고,
도 2는 도 1의 스위치 구조체의 개략적인 측면도이며,
도 3은 도 1의 스위치 구조체의 개략적인 부분 측면도이며,
도 4는 도 1의 스위치 구조체의 개방 위치에서의 개략적인 측면도이며,
도 5는 도 1의 스위치 구조체의 폐쇄 위치에서의 개략적인 측면도이며,
도 6(a) 내지 도 6(e)는 예시적인 실시예에 따라 구성된 스위치 구조체를 제조하는 프로세스를 나타내는 개략적인 측면도이다.
본 발명의 예시적인 실시예는 첨부 도면을 참조하여 이하 상세하게 기술되며, 동일한 참조 부호는 도면 전반에 골쳐 동일한 부분을 나타낸다. 이들 실시예의 몇몇은 상기 및 다른 필요성의 일부를 다룰 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 예시적인 실시예에 따라 구성된 스위치 구조체(100)의 몇몇 개략적인 도면이 도시되어 있다. 스위치 구조체(100)는, 예를 들어, 도전성 재료(예를 들어, 금속)의 적어도 부분적으로 형성된 패드일 수 있다. 스위치 구조체(100)는 도전성 재료(예를 들어, 금속)의 적어도 부분적으로 형성된 캔틸레버 보(cantilevered beam)(104)와 같은 도전성 요소를 또한 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도전성 요소는, 예를 들어, 보(104) 상에서의 보호(및 가능하게는 비도전성) 코팅 및/또는, 가령, 콘택트(102)(이하 더 기술됨)에 접촉하도록 의도된 보의 부분 상에 배치된 콘택트 패드와 같은 다른 피쳐(features)를 또한 포함할 수 있다. 보(104)는 앵커(106)에 의해 지지될 수 있고, 이는 보와 통합될 수 있고 기판(108)과 같은 아래에 놓이는 지지 구조에 보를 접속하도록 작용할 수 있다. 콘택트(102)는 기판(108)에 의해 또한 지지될 수 있다.
기판(108) 상에 콘택트(102) 및 보(104)를 배치하는 것은 통상적인 마이크로제조 기법(예를 들어, 전기 도금, 증착, 포토리소그래피, 습식 및/또는 건식 에칭 등)을 통해 스위치 구조체(100)의 생성을 용이하게 할 수 있다. 이들 라인을 따라, 스위치 구조체(100)는 마이크로 전기 기계적인 또는 나노 전기 기계적인(nano-electromechanical) 장치, 또는 마이크로 전기 기계적인 시스템(MEMS)의 일부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 콘택트(102)와 보(104)는 대략 마이크로미터 및/또는 나노미터 중 하나 또는 이들의 수십의 치수를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 보(104)는 108m-1 이상인 표면 면적 대 볼륨 비를 가질 수 있는 한편, 다른 실시예에서 비는 103m-1에 근접할 수 있다. 스위치 구조체(100)를 제조하는 가능한 방법에 관한 세부 사항이 이하 더 기술된다.
기판(108)은 내부 또는 그 사이에 전기 접속을 제공하도록 작용하는, 예를 들어, MOS FET(metal oxide semiconductor field effect transistor) 및 패터닝된 도전층(도시되지 않음)과 같은 반도체 장치 및/또는 구성요소를 또한 포함하거나 지지할 수 있다. 이러한 패터닝된 도전층은 콘택트(102)와 보(104)에 전기 접속(후자에 대한 접속은, 예를 들어, 앵커(106)를 통해 이루어짐)을 또한 제공할 수 있으며, 이 접속은 도 1 및 도 2에 도시되고 본 명세서에서 기술된다. 스위치 구조체(100)의 피쳐와 같은 반도체 장치 및 도전층은 통상적인 마이크로제조 기법을 이용하여 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 기판(108)은 웨이퍼의 표면 상에 형성된 스위치 구조체(100) 및 다른 회로와 함께, 하나 이상의 MOSFET를 포함하기 위해 처리된 반도체 웨이퍼일 수 있다. 스위치 구조체(100)는 MOSFET 중 하나 위에 배치될 수 있고(예를 들어, 웨이퍼의 표면에 직교하는 라인은 MOSFET 및 스위치 구조체와 교차함), MOSFET(이하 더 기술됨)과 함께 동작 가능하다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 보(104)는 스펙트럼 거리 d만큼 보가 콘택트(102)로부터 분리되는 제 1의 비접촉 또는 "개방" 위치(예를 들어, 도 4)와, 보가 접촉하고 콘택트와 전기적 통신을 수립하는 제 2의 비접촉 또는 "폐쇄" 위치(예를 들어, 도 5) 사이에서 선택적으로 이동 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 보(104)는 접촉 및 비접촉 위치 사이에서 이동할 때 변형을 경험하도록 구성될 수 있어, (즉, 외부적으로 인가된 힘의 부재 시에) 비접촉 위치에 보가 자연스럽게 배치되고 기계적인 에너지를 내부에 저장하면서 접촉 위치를 점유하기 위해 변형될 수 있다. 다른 실시예에서, 보(104)의 변형되지 않은 구성은 접촉 위치일 수 있다.
스위치 구조체(100)는 전극(110)을 또한 포함할 수 있다. 전극과 보(104) 사이에 포텐셜 차이가 존재하도록 전극(110)이 적절하게 충전될 때, 정전기력은 전극을 향태(및 콘택트(102)를 또한 향해) 보를 풀링(pull)하도록 작용할 것이다. 전극(110)에 인가될 전압을 적절하게 선택함으로써, 보(104)는 비도전성(즉, 개방 또는 비도전성) 위치로부터 도전성(즉, 폐쇄 또는 도전성) 위치로 보를 이동시키는데 충분한 정전기력에 의해 변형될 수 있다. 따라서, 전극(110)은 스위치 구조체의 개방/폐쇄를 제어하도록 작용하는 전극에 인가된 전압("게이트 전압"으로서 지칭됨)으로, 스위치 구조체(100)에 대해 "게이트"로서 작동할 수 있다. 전극(110)은 게이트 전압원(112)과 결합할 수 있으며, 이 게이트 전압원은 선택적인 게이트 전압 VG를 전극에 인가할 수 있다.
콘택트(102)와 보(104)는 회로(114)의 일부분으로서 작용할 수 있다. 예를 들어, 회로(114)는 서로 간에 분리될 때, (측면 중 단지 하나가 전원(120)에 대해 접속되는 것으로서) 서로에 대해 상이한 전기 포텐셜에 있는 제 1 측면(116)과 제 2 측면(118)을 가질 수 있다. 콘택트(102)와 보(104)는 회로(114)의 측면(116, 118) 중 하나에 각각 접속될 수 있어, 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 보의 변형은 제 1 위치와 제 2 위치 사이에 흐르는 전류를 관통시키고 차단하도록 작용한다. 보(104)는 스위치 구조체(100)가 이용되는 애플리케이션에 의해 결정되는 주파수(균일한 또는 균일하지 않은)에서 콘택트(102)의 내부 및 외부로 각각 이동될 수 있다. 콘택트(102)와 보(104)가 서로 간에 분리될 때, 포텐셜 차이 및 전압 차이가 콘택트와 보 사이에 존재하며, 이 전압 차이는 "스탠드 오프(stand-off) 전압"이라 지칭된다.
일 실시예에서, 보(104)는 (예를 들어, 앵커(106)를 통해) 전원(120)과 결합할 수 있고, 콘택트(102)는, 가령 부하 저항 RL을 제공하는 전극 부하(122)와 결합할 수 있다. 전원(120)은 전압원 및 전류원으로서 상이한 시각에서 동작될 수 있다. 이와 같이, 보(104)는 전기 스위치로서 작용하여, 보가 접촉 위치에 있을 때 부하 전류(가령, 약 1mA 이상의 크기 및 약 1kHz 이하의 발진 주파수를 갖는)가 보 및 콘택트(102)를 통해 전원(120)으로부터 전기 부하(122)로 흐르도록 하는 한편, 보가 비접촉 위치에 있을 때 전원으로부터 부하로의 전류 경로를 차단하고 전류 흐름을 방지하도록 할 수 있다. 상기 표시된 전류 및 스위칭 주파수는 상대적으로 높은 전력 분배 애플리케이션에서 이용될 수 있다. 다른 실시예에서, 스위치 구조체(100)가 (상대적으로 낮은 전력에서 종종 동작하는) 시그널링 컨텍스트에서 이용될 애플리케이션에서와 같이, 전원(120)은 100 mA 이하의(및 1㎂ 범위로 낮아짐) 크기를 갖는 전류에 1kHz보다 높은 발진 주파수를 제공할 수 있다.
상기 기술된 스위치 구조체(100)는 전체 회로의 전류 및 전압 용량을 증가시키기 위해, 설계가 유사하거나 유사하지 않은지에 대해 다른 스위치 구조체를 포함하는 회로의 일부분으로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 심지어 스위치 구조체가 개방될 때 스탠드 오프 전압의 분배 및 심지어 스위치 구조체가 폐쇄될 때 전류의 분배를 용이하게 하기 위해, 스위치 구조체는 직렬 및 병렬로 어레이될 수 있다.
스위치 구조체(100)의 동작 동안, 보(104)는 앞서 기술된 전극(110)에 의해 수립된 정전기력과 같이, 보가 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서(즉, 콘택트(112)와의 접촉 내부 및 외부로) 변형되도록 하는 외부적으로 인가된 힘일 수 있다. 이들 힘은 인가될 수 있고, 스위치 구조체(100)가 실온으로부터 약 40℃ 한도까지의 주변 온도(사용 온도)에서 동작할 수 있으나, 종종 보가 실질적으로 형성되는 재료(들)의 용융 온도의 50 퍼센트보다 낮거나 심지어 30 퍼센트보다 낮다. 또한, 스위치 구조체(100)가 대략 수년의 유용한 수명을 소유하는 것으로 예상되는 애플리케이션(예를 들어, 상대적으로 보다 높은 전력 분배 애플리케이션)에 대해, 보(104)는 적어도 104 초의 누적 시간 동안, 및 몇몇 경우에 106 초보다 긴 동안 또는 심지어 108 동안 콘택트(102)와 접촉 상태로 유지할 수 있다. 또한, 콘택트(102)에 접촉하기 위해 변형될 때, 보(104)는 상대적으로 높은 스트레스를 경험할 수 있고, 스트레스의 크기는 스위치 구조체(100)의 지오메트리 및 보가 실질적으로 형성되는 재료에 따라 달라진다.
상기의 일례로서, 스위치 구조체(100)는 약 100㎛의 길이 L, 약 25 대 1의 종횡 비(두께 t에 대한 길이 L), 및 약 5㎛의 콘택트(102)로부터의 분리 거리 d를 갖는 니켈(Ni) 12 원자 퍼센트 텅스텐(W)의 캔틸레버 보(104)를 포함할 수 있으며, 여기서 콘택트는 보의 자유단에 대향하여 위치하고 거리 LO만큼 보와 중첩한다. 각각의 지오메트리에 대해, 콘택트(102)에 접촉하기 위해 보가 변형될 때 100 MPa보다 큰 스트레스, 및 600 MPa만큼의 크기나 또는 그 이상의 스트레스는 보(104) 및/또는 앵커(106)의 실질적인 부분에 제공될 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 몇몇 애플리케이션에서, 보(104) 및/또는 앵커(106)는 고장 없이, 사용 조건 하에서 104 초만큼 긴 또는 104 초보다 길 수 있는 시간 동안 이 스트레스를 유지하도록 요구될 수 있다. 이들 스트레스는 대략 지오메트리 불규칙성 및 표면 거칠기와 같은 스트레스 농도 영역 근처에 존재할 수 있는 고도로 국소화되고, 종종 순간적인 스트레스로부터 분리되는 것으로 예상된다.
캔틸레버 보(또는 다른 변형 가능한 접촉 구조) 및 연관된 콘택트를 포함하는 (스위치 구조체(100)와 같은) 스위치 구조체의 적절한 동작에 대해, 콘택트와 접촉하는 보를 촉진하는 외부 힘의 존재 또는 부재(예를 들어, 전극(110) 및 대응하는 정전기력과 연관된 게이트 전압의 존재 또는 부재)에 의해 지정된 바와 같이 보는 접촉 부분 또는 비접촉 부분을 추정하는 것으로 종종 의도된다. 그러나, 다양한 조사자에 의해 스위치 구조체의 동작이 의도된 대로 되지 않도록, 금속, 마이크로미터 스케일 캔틸레버 보(또는 다른 변형 가능한 콘택트 구조)를 포함하는 스위치 구조체가 오기능하는 경향을 관측하였다. 이들 오기능은 일반적으로 표면 접착 관련 문제에 기인한다. 구체적으로, 마이크로미터 스케일 보(또는 다른 변형 가능한 접촉 구조)에 존재하는 큰 표면 영역 대 볼륨 비의 관점에서, 보가 연관된 콘택트 패드와 접촉하는 자유 표면의 제거와 연관된 에너지 감소는 사소하지 않거나 또는 심지어 변형 동안 보에 저장된 기계적인 에너지에 비해 높을 수 있다. 이와 같이, 이론적으로는 보의 내부 스트레인 에너지가 콘택트로부터 보의 분리를 유도하는데 불충분하므로, 캔틸레버 보 및 연관된 콘택트는 2개가 접촉하도록 달리 촉진하는 외부 힘을 제거하는 것에 후속하여 접착된 상태로 유지된다.
지배적인 이론과 달리, 본 출원인은 금속, 작은 스케일의 캔틸레버 보를 포함하는 스위치 구조체의 고장이 종종 보 및 연관된 콘택트의 접착으로 인한 것은 아니고, 주로 보의 변형되지 않은 구성의 변화로 인한 것이라는 것을 관측하였다. 즉, 연관된 콘택트와 접촉하는 보를 촉진하도록 외부 힘이 인가됨에 따라, 보는 "크립(creep)"이라 또한 지칭되는 시간 종속적인 플라스틱 변형을 경험한다. 시간 종속적인 플라스틱 변형과 관련하여, 몇몇 경우에 보는 반복된 부하에 응답하여 피로 상태를 경험하는 것으로 관측되었다. 피로 상태는 보와 앵커를 따라 스트레스 집중 위치에서 최대 정도로 발생하는 시간 종속적인 플라스틱 변형의 함수로서 보인다.
보가 시간 종속적인 플라스틱 변형을 경험함에 따라, 보의 변형되지 않은 구성(즉, 외부 부하의 부재 시에 보가 추정하는 형상)이 그로부터 이동하여 보가 접촉 위치에서 배치되는 구성을 향해 비접촉 위치에 보가 배치된다. 마찬가지로, 접촉 위치가 몇몇 경우에 0으로 감소될 때 기계적인 스트레인 에너지는 초기에 보와 연관된다. 궁극적으로, 스위치 구조체는 보와 연관된 콘택트 사이의 접착으로 인해 고장일 수 있으나, 이 고장 메커니즘은 접촉 위치의 보와 연관된 기계적인 스트레인 에너지의 감소로 인해 부수적일 수 있다. 스위치 구조체와 연관된 보의 시간 종속적인 플라스틱 변형은 이들 장치가 보가 형성되는 금속 재료의 용융 온도의 50 퍼센트 아래의 또는 심지어 30 퍼센트 아래의 주변 온도에서 종종 동작한다는 점에서 놀랍다.
본 출원인의 발견의 관점에서, 보(104)는 보가 실질적으로 형성되는 재료의 용융 온도의 50 퍼센트보다 낮은 실온으로부터 40℃까지 또는 이보다 높은 온도와 같이, 시간 종속적인 변형을 금지하도록 구성되는 금속 재료로 실질적으로 형성될 수 있다(또는, 보가 다수의 이산 금속 재료로 형성되는 경우, 금속 중 하나와 연관된 최소 용융 온도는 보의 실질적인 부분을 구성함). 또한, 금속 재료는 적어도 700℃의 용융 온도를 가질 수 있다. 시간 종속적인 변형을 금지하도록 구성되는 재료("크립 저항(creep-resistant) 재료")는, 예를 들어, 계속되는 부하/스트레스에 놓여질 때 상대적으로 작은 정상 상태(steady-stated) 플라스틱 스트레인 레이트를 나타내는 재료이다. "작은" 플라스틱 스트레인 레이트를 구성하는 것은 내부에서 크립이 점유될 수 있는 콘텍스트에 따라 달라질 수 있음에 주목해야 한다. 본 출원을 위해, 크립 저항 재료는 일반적으로 정상 상태 플라스틱 스트레인 레이트가 재료의 항복 강도의 적어도 약 25 퍼센트의 스트레스 및 크립 재료의 용융 온도의 절반보다 낮은 온도에 대해 약 10-12 s-1 이하인 재료이다. 또한, 보(104)는 보의 기계적인 작동이 구성 금속 재료의 기계적인 작용에 의해 일반적으로 또는 현저하게 결정될 때 시간 종속적인 변형을 금지하도록 구성되는 금속 재료로 "실질적으로 형성"되는 것으로 간주할 수 있다.
다양한 화학적 화합물은 재료의 용융 온도의 약 절반 내지 3분의 1보다 낮은 온도에서 이용될 떼 크립 저항 금속 재료로서 작용할 수 있고, 이들 재료는 다양한 동작 가능한 마이크로구조를 생성하기 위해 다양한 방식으로 합성될 수 있다. 예를 들어, 크립 저항은 주어진 동작 조건에 대해 확산 기반형 복구 프로세스를 느리게 할 용융 온도의 증가로부터 초래될 수 있다. 이와 달리, 크립 저항은 마이크로구조 조작의 결과일 수 있다. 예를 들어, 결정 재료가 작은 그레인 크기로 형성될 수 있어, 변위 움직임에 관련된 크립을 제한한다. 이와 달리, 재료에 첨가재가 추가될 수 있고, 첨가재는 결정 격자에서 용해될 수 있어, 고체 용액 강화를 초래하고/하거나, 예를 들어, 그레인 경계에서 및/또는 결정 격자 내에서 촉진함으로써 다른 상태를 형성할 수 있다. 첨가재는 변위 움직임을 차단하도록 작용하고, 확산을 금지하고/하거나, 결정 격자 내의 빈 공간에 대한 트랩으로서 작용하는 이산 입자로서 작용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 산화물 및/또는 카바이드가 첨가재로서 이용될 수 있다. 일반적으로, 크립 저항 재료의 예는 Ni 기반형 및/또는 코발트(Co) 기반형 초합금, Ni-W 합금, Ni-망간(Mn) 합금, 소량의 Ni 및/또는 Co를 함유하는 금("경질 금"), W, 인터메탈릭스(intermetallics), 미세한 그레인을 갖는 재료, 고체 용액 및/또는 제 2 상태 강화에 영향을 받는 재료, 및 저 적층 고장 에너지를 갖는 육방정계 구조 또는 재료와 같이, 플라스틱 변형이 금지되는 결정 구조를 갖는 재료를 포함하는 초합금을 포함할 수 있다.
상대적으로 높은 용융 온도를 갖는 크립 저항 재료로부터 실질적으로 보(104)를 형성함으로써, 보와 콘택트(102) 사이의 분리 거리 d가, 가령 1년 한도의 사용 시간 동안 및 몇몇 경우에 20년 이상 동안(몇몇 애플리케이션을 위한 요건), 그 초기 값의 20-40 퍼센트 내에서, 매우 일정하게 유지될 수 있도록, 사용 동안 현저한 크립이 방지될 수 있다는 것이 본 출원인에 의해 관측되었다. 즉, (보가 거리 d만큼 콘택트(102)로부터 분리되는) 비도전성 위치로부터 보(104)가 인가된 힘에 의해 접촉 부분을 향해 촉진되고, 인가된 힘이 제거되는 각각의 사례에 대해, 보가 거리 d만큼 콘택트로부터 분리되도록, 보는 비도전성 부분으로 실질적으로 복귀할 것이고, d의 값은 40 퍼센트보다 낮게, 및 몇몇 경우에 20 퍼센트보다 낮게 변화한다.
금속, 크립 저항 재료는 적어도 Ni 및 W의 합금을 포함할 수 있다. 본 출원인은 적어도 65 원자 퍼센트 Ni 및 적어도 1 원자 퍼센트 W를 함유하는 합금이 합금의 증대된 크립 저항을 나타내는 경향이 있다는 것을 발견하였다. 크립에 대한 이러한 저항을 나타내도록 본 출원인에 의해 관측된 합금의 하나의 특정한 예는 Ni-4 원자 퍼센트 W이다. 그러나, 앞서 표시된 바와 같이, Ni 및 약 1 원자 퍼센트만큼 적은 W를 실질적으로 포함하는 합금은 향상된 크립 저항을 나타내는 것으로 예상되며, 크립이 금지되는 정도는 W 함유량으로 스케일링할 것이다.
Ni 및 W의 합금은 (예를 들어, 직접 전류 조건 하에서 전기 도금될 때) 약 1㎛ 이하의 평균 그레인 크기를 가질 수 있고, 몇몇 경우에 약 10㎚의 크기로 축소된다. 예를 들어, 96 원자 퍼센트 Ni 및 4 원자 퍼센트 W의 합금은, 가령, 약 10-100㎚의 평균 그레인 크기를 갖는 Ni-W 재료의 막을 생성하도록 직접 전류 조건 하에서, 전기 도금될 수 있다. Ni-W 막은, 예를 들어, 재료의 저항이 크립하는 것을 더 촉진하기 위해, 30분 동안 300-450℃에서 어닐링함으로써, 상승된 온도로 실질적으로 노출될 수 있다. 일반적으로, 본 출원인은 Ni-W 막을 어닐링하는 것은 상대적으로 낮은 온도에서 행해지지만, 그 온도는 (보다 높은 전력 소비 조건에 대해, 약 250℃ 이하인 경향이 있는) 사용 조건 동안 경험될 온도보다 높으며, 어닐링된 Ni-W 막으로 형성된 구조에 의해 경험된 시간 종속적인 변형의 정도를 제한하도록 작용하는 것을 발견하였다.
앞서 기술된 바와 같이, 시간 종속적인 변형을 금지하도록 구성된 금속 재료로 실질적으로 형성된 상기 스위치 구조체(100)의 생성과 연관된 프로세스 온도는 통상적으로 450℃보다 낮다. 이것은 통상적인 도핑 프로시쥬어를 채용할 때, 900℃보다 통상적으로 높은 실리콘으로부터 도전체를 형성하도록 요구되는 온도와 대조적이다. 스위치 구조체(100)의 연관된 보다 낮은 프로세싱 온도는, 예를 들어, MOS FET와 같은 온도 감지 구성요소와 스위치 구조체의 통합을 용이하게 할 수 있다.
금속, 크립 저항 재료는 비정질 금속을 포함할 수 있다. 비정질 금속의 예는 적어도 Ni, W 및 철(Fe)의 합금을 포함하며, 합금은 약 80 원자 퍼센트 이상의 Ni, 약 1 내지 20 원자 퍼센트 사이의 W, 및 약 1 원자 퍼센트 이하의 Fe를 포함한다. 이들 재료는 큰 범위의 원자 차수가 결여되어 있는 것을 특징으로 하며, 일반적으로 플라스틱 변형에 대해 상대적으로 저항성이 있는 것으로 간주된다. 구성 원자가 액체 상태로부터의 냉각 동안 자신을 이퀼리브리엄(equilibrium) 결정 상태로 통합할 수 없도록, 다수의 비정질 합금은 다수의 상이한 원소를 다양한 원자 크기로 종종 혼합함으로써 형성된다. 비정질 금속의 다른 예는 55 원자 퍼센트 팔라듐(Pd), 22.5 원자 퍼센트 납, 및 22.5 원자 퍼센트 안티몬; 41.2 원자 퍼센트 지르코늄(Zr), 13.8 원자 퍼센트 티타늄(Ti), 12.5 원자 퍼센트 구리(Cu), 10 원자 퍼센트 Ni, 및 22.5 원자 퍼센트 베릴륨; 및 Zr, Pd, Fe, Ti, Cu 또는 망간계 비정질 합금을 포함하며, 이들로만 제한되지 않는다.
금속, 크립 저항 재료는 비자기일 수 있다. 예를 들어, 보(104)는 알루미늄, 플래티늄, 은 및/또는 Cu로 형성될 수 있다. 비자기 재료로 보(104)를 형성하는 것은 자기 응답 이미징 애플리케이션에서와 같이, 강한 자기장의 존재 시에 스위치 구조체가 동작하도록 노출되는 환경에서 스위치 구조체(100)의 사용을 용이하게 할 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 도 1의 스위치 구조체(100)와 같은 스위치 구조체는 통상적인 마이크로제조 기법을 이용하여 기판 상에 제조될 수 있다. 예를 들어, 도 6(a) 내지 도 6(e)를 참조하면, 예시적인 실시예에 따라 구성된 스위치 구조체를 생성하는 제조 프로세스의 개략적인 표시가 도시되어 있다. 먼저, 기판(208)에는 전극(210)과 그 위에 배치된 콘택트(202)가 제공될 수 있다. 그 다음에 실리콘 다이옥사이드(230)가, 예를 들어, 증착 기법에 의해 증착될 수 있고, 전극(210) 및 콘택트(202)를 전기 도금하기 위해 패터닝될 수 있다(도 6(a)). 얇은 접착층(232)(예를 들어, 티탄), 시드층(234)(예를 들어, 금), 및 금속층(236)(예를 들어, Ni-4 원자 퍼센트 W)은 전기 도금을 통해 증착될 수 있다(도 6(b)). 그 다음에 통상적인 리소그래피를 이용하여 포토레지스터(238)가 인가되고 패터닝될 수 있고(도 6(c)), 이후에 금속층, 시드층 및 접착층(236, 234, 232)이 에칭되어 보(204)를 형성할 수 있고, 이후 포토레지스터가 제거된다(도 6(d)). 마지막으로, 보(204)를 지지하고 전극(210)과 콘택트(202)로 인캡슐레팅하는 실리콘 다이옥사이드(230)가 제거될 수 있다. 이후, 보(204)는, 예를 들어, 약 300-450℃의 온도에서 보호 캡에 의해 또한 밀봉될 수 있다.
본 명세서에서 본 발명의 특정의 피쳐만이 도시되고 기술되었으나, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 다수의 변형 및 변경이 발생할 것이다. 예를 들어, 도 1의 스위치 구조체(100)의 도전성 요소가 캔틸레버 보로 예시되었으나, 예를 들어, 양단 고정 보, 토션 요소 및/또는 다이어프램을 포함하는 다른 변형 가능한 콘택트 구조가 또한 가능하다. 또한, 상기 설명은 시간 종속적인 변형을 금지하도록 구성된 모노리식 금속 층을 포함하는 보를 수반하지만, 다른 실시예는 다수의 층의 금속 재료로 실질적으로 형성되는 보를 포함할 수 있으며, 층의 각각(또는 대부분)은 시간 종속적인 변형을 금지하도록 구성된다. 따라서, 첨부된 특허 청구 범위는 ㅍ 본 발명의 진정한 사상 내에 해당하는 것으로 포함하는 것으로 의도된다.
100 : 스위치 구조체
102 : 콘택트
104 : 캔틸레버 보
106 : 앵커
108 : 기판
110 : 전극
112 : 게이트 전압원
114 : 회로
116 : 제 1 측면
118 : 제 2 측면
120 : 전원
122 : 전기 부하
202 : 콘택트
204 : 보
208 : 기판
210 : 전극
230 : 실리콘 다이옥사이드
232 : 접착층
234 : 시드층
236 : 금속층
238 : 포토레지스트

Claims (11)

  1. 콘택트(102)와,
    시간 종속적인 변형을 금지하도록 구성된 금속 재료로 형성되는 도전성 요소(104) -상기 도전성 요소는, 상기 도전성 요소가 상기 콘택트로부터 분리되는 제 1 위치와 상기 도전성 요소가 상기 콘택트에 접촉하는 제 2 위치 사이에서 변형 가능하도록 구성됨- 를 포함하고,
    상기 금속 재료는 상기 금속 재료의 항복 강도의 적어도 25 퍼센트의 스트레스 및 상기 금속 재료의 용융 온도의 절반 이하인 온도에 놓일 때 10-12 s-1 미만의 최대 정상 상태(steady-state) 플라스틱 스트레인 레이트를 나타내도록 구성되는
    장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 요소는 캔틸레버(cantilever), 양단 고정 보(fixed-fixed beam), 토션 요소(torsional element) 및 다이어프램(diaphragm)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 구조체를 포함하는
    장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 콘택트 및 상기 도전성 요소는 마이크로 전기 기계적인(micro-electromechanical) 장치 또는 나노 전기 기계적인(nano-electromechanical) 장치의 일부분인
    장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 재료는 적어도 700℃의 용융 온도를 갖는
    장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 재료는 40℃보다 높은 온도에서 시간 종속적인 변형을 금지하도록 구성되는
    장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    기판(108)을 더 포함하며, 상기 콘택트 및 상기 도전성 요소의 각각은 상기 기판 상에 배치되는
    장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 재료는 적어도 니켈과 텅스텐의 합금을 포함하는
    장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상이한 전기 포텐셜에서 제 1 측면(116)과 제 2 측면(118)을 갖는 회로(114)를 더 포함하며, 상기 콘택트 및 도전성 요소가 상기 회로의 상기 제 1 측면 및 제 2 측면 중 한 측면과 다른 측면에 각각 접속되어, 상기 제 1 위치와 상기 제 2 위치 사이의 상기 도전성 요소의 변형이 상기 제 1 위치와 상기 제 2 위치 사이에 흐르는 전류를 각각 관통시키고 차단하도록 작용하는
    장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 측면은 적어도 1mA의 크기를 갖는 전류 및 1kHz 이하의 발진 주파수를 공급하도록 구성된 전원(120)을 포함하는
    장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 도전성 요소는 상기 금속 재료의 용융 온도의 30 퍼센트 미만의 주변 온도에서 상기 제 1 위치와 상기 제 2 위치 사이에 흐르는 전류를 각각 관통시키고 차단하기 위해 상기 제 1 위치와 상기 제 2 위치 사이에서 변형되도록 구성되는
    장치.
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