KR101766482B1 - 스위치 구조물 - Google Patents

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쿠나 벤카트 사티야 라마 키쇼레
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비카쉬 쿠마르 신하
옴 프라카쉬
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Abstract

스위치 구조물(100)과 같은 디바이스로서, 콘택트(102) 및 도전성 엘리먼트(104)를 포함하는 디바이스가 제공된다. 도전성 엘리먼트는 도전성 엘리먼트가 콘택트로부터 (몇몇 경우에는 대략 4㎛ 이하의 거리만큼 및 다른 경우에는 대략 1㎛ 이하만큼) 분리되는 비접촉 위치와 도전성 엘리먼트가 접촉하고 콘택트와 전기적 통신을 수립하는 접촉 위치 사이에서 선택적으로 움직일 수 있도록 구성된다. 도전성 엘리먼트가 비접촉 위치에 배치될 때, 콘택트 및 도전성 엘리먼트는 그들 사이에서 320 V㎛-1보다 큰 크기의 전기장에 지탱하도록 구성된다.

Description

스위치 구조물{SWITCH STRUCTURES}
본 발명의 실시예는 전반적으로 전류를 스위칭하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 마이크로전자기계적 스위치 구조에 관한 것이다.
회로 차단기는 회로 내의 폴트에 의해 야기되는 손상으로부터 전자 장비를 보호하도록 설계된 전기 디바이스이다. 일반적으로, 많은 통상적 회로 차단기는 벌키 (매크로-)전자기계적 스위치를 포함한다. 공교롭게도, 이들 통상적인 회로 차단기는 크기 면에서 크기 때문에 스위칭 메커니즘을 기동시키는 데에는 큰 힘의 이용을 필요로 할 수 있다. 추가로, 이들 회로 차단기의 스위치는 일반적으로 비교적 느린 속도로 동작한다. 또한, 이들 회로 차단기는 구축하기에는 복잡할 수 있고, 그에 따라 제조하기에는 비용이 많이 들 수 있다. 추가로, 통상적인 회로 차단기 내의 스위칭 메커니즘의 콘택트가 물리적으로 분리될 때, 아크가 때때로 그들 사이에 형성되어, 회로 내의 전류가 중지될 때 전류가 계속해서 스위치를 통해 흐르게 한다. 더욱이, 아크와 연관된 에너지는 콘택트를 심각하게 손상시킬 수도 있고 및/또는 구성원에게 화상 위험을 보일 수도 있다.
느린 전자기계적 스위치에 대한 대안으로서, 비교적 빠른 고체상태 스위치가 고속 스위칭 애플리케이션에 채용되고 있다. 이들 고체상태 스위치는 전압 또는 바이어스의 제어된 인가를 통해 전도 상태와 비전도 상태 사이를 스위칭한다. 그러나, 고체 상태 스위치가 비전도 상태로 스위칭될 때 그들이 콘택트들 사이에 물리적 갭을 만들지 않기 때문에, 그들은 공칭적으로(nominally) 비전도 상태일 때 누설 전류를 겪는다. 또한, 도전 상태에서 동작하는 고체상태 스위치는 내부 저항으로 인해 전압 강하를 겪는다. 전압 강하와 누설 전류 양자 모두는 정상 동작 환경 하에서 전력 소실 및 과열 생성을 야기하는데, 이는 스위치의 성능 및 수명에 결정적일 수 있다. 더욱이, 적어도 부분적으로 고체상태 스위치와 연관된 고유 누설 전류로 인해, 회로 차단기 애플리케이션 내에서의 그들의 이용은 가능하지 않다.
마이크로전자기계적 시스템(MEMS) 기반 스위칭 디바이스는 소정 전류 스위칭 애플리케이션에 전술된 매크로전자기계적 스위치 및 고체상태 스위치의 유용한 대안을 제공할 수 있다. MEMS 기반 스위치는 전류를 도전시키도록 설정될 때에는 낮은 저항을 가지며, 통과하는 전류의 흐름을 저지하도록 설정될 때에는 낮은 누설량을 갖는(누설이 전혀 없는) 경향이 있다. 또한, MEMS 기반 스위치는 매크로-전자기계적 스위치보다 더 빠른 응답 시간을 나타내도록 기대된다.
제 1 양상에 있어서, 스위치 구조물과 같은 디바이스로서, 기판 상에 배치되는 몇몇 경우에 콘택트 및 도전성 엘리먼트를 포함하는 디바이스가 제공된다. 도전성 엘리먼트는 도전성 엘리먼트가 (예컨대, 대략 4㎛ 이하의 거리만큼, 또한 몇몇 경우에는 대략 1㎛ 이하만큼) 콘택트로부터 분리되는 비접촉 위치와 도전성 엘리먼트가 접촉하고 그 콘택트와 전기적 통신을 수립하는 접촉 위치 사이에서 선택적으로 움직이도록 구성될 수 있다. 도전성 엘리먼트가 비접촉 위치에 배치될 때, 콘택트 및 도전성 엘리먼트는, 예를 들어 그들 사이의 적어도 대략 330 V의 전위차로 인해, 320 V ㎛-1보다 큰 크기로 그들 사이의 전기장에 지탱하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 콘택트 및 도전성 엘리먼트는 마이크로전자기계적 디바이스의 일부일 수 있으며, 도전성 엘리먼트는 103m-1 이상의 표면적 대 부피 비율을 가질 수 있다. 도전성 엘리먼트는 접촉 위치와 비접촉 위치 사이에서 움직일 때 변형을 겪도록 구성될 수 있다. 도전성 엘리먼트는 캔틸레버를 포함할 수 있다. 콘택트 또는 도전성 엘리먼트 중 적어도 하나는 도전성 엘리먼트가 비접촉 위치에 있을 때 콘택트와 도전성 엘리먼트 사이의 정전력이 도전성 엘리먼트 및 콘택트를 접촉 상태로 오게 하는 데 필요한 힘보다 작도록 구성되는 (예컨대, 대략 100㎛2 이하의) 유효 콘택트 표면적을 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 콘택트 및 도전성 엘리먼트는 도전성 엘리먼트가 비접촉 위치에 배치될 때 그들 사이의 전류를 대략 1㎂ 이하로 제한하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도전성 엘리먼트가 비접촉 위치에 배치될 때, 콘택트 및 도전성 엘리먼트는 적어도 대략 330 V의 진폭 및 대략 40 GHz 이하의 주파수에서 발진하는 전위차 또는 적어도 대략 1㎲의 시간 동안 적어도 대략 330 V의 전위차에서 유지되도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 디바이스는 콘택트 또는 도전성 엘리먼트 중 적어도 하나와 전기적 통신하며 적어도 대략 330 V의 전압을 공급하도록 구성된 전력원을 포함할 수 있다. 전력원은 도전성 엘리먼트가 접촉 위치에 배치될 때 적어도 대략 1㎃의 전류를 공급하도록 구성될 수 있다.
다른 양상에 있어서, 스위치 구조물과 같은 디바이스로서, 콘택트 및 도전성 엘리먼트를 포함하는 디바이스가 제공된다. 도전성 엘리먼트는 도전성 엘리먼트가 콘택트로부터 분리되는 비접촉 위치와 도전성 엘리먼트가 접촉하고 그 콘택트와 전기적 통신을 수립하는 접촉 위치 사이에서 선택적으로 움직일 수 있도록 구성될 수 있다. 도전성 엘리먼트가 비접촉 위치에 배치될 때, 콘택트 및 도전성 엘리먼트는 적어도 대략 330 V의 전위차로 유지되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 특징, 양상 및 이점과 그 밖의 특징, 양상 및 이점은 다음의 상세한 설명이 첨부한 도면을 참조하여 독출되면 보다 더 잘 이해될 것이다. 도면에서 동일한 특성은 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 나타낸다.
도 1은 예시적 실시예에 따라 구성된 스위치 구조물의 개략적인 투시도,
도 2는 도 1의 스위치 구조물의 개략적인 단면도,
도 3은 도 1의 스위치 구조물의 개략적인 부분 투시도,
도 4는 개방된 위치에서 본 도 1의 스위치 구조물의 개략적인 단면도,
도 5는 폐쇄된 위치에서 본 도 1의 스위치 구조물의 개략적인 단면도,
도 6(a)는 동일한 전위로 유지되는 빔 및 콘택트를 포함하는 도 1의 스위치 구조물의 개략적인 단면도,
도 6(b)는 도 6(a)에서 참조번호 6B로 표기된 영역의 확대도,
도 7(a)는 빔 및 콘택트가 제각각 상이한 전위로 유지되는 도 1의 스위치 구조물의 개략적인 단면도,
도 7(b)는 도 7(a)에서 참조번호 7B로 표기된 영역의 확대도,
도 8은 다른 예시적 실시예에 따라 구성된 스위치 구조물의 개략적인 단면도,
도 9(a)는 빔 및 콘택트를 포함하는 또 다른 예시적 실시예에 따라 구성된 스위치 구조물의 개략적인 단면도,
도 9(b)는 도 9(a)의 스위치 구조물의 개략적인 빔 투시도,
도 10은 빔 표면의 조도(roughness)를 도시한 도 4에서 참조번호 10으로 표기된 영역의 확대도,
도 11은 빔 표면과 콘택트 표면 사이의 콘택트의 세부를 도시한 도 5에서 참조번호 11로 표기된 영역의 확대도,
도 12(a) 내지 도 12(e)는 예시적 실시예에 따라 구성된 스위치 구조물을 제조하는 과정을 나타내는 개략적인 단면도이다.
본 발명의 예시적 실시예는 첨부한 도면을 참조하여 이하에서 상세히 설명되며, 이 때 동일한 참조번호는 도면 전체에서 동일한 부분을 표시한다. 이들 실시예 중 몇몇은 전술한 필요성 및 그 밖의 필요성을 해결할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 예시적 실시예에 따라 구성된 스위치 구조물(100)의 여러 가지 개략도가 도시되어 있다. 스위치 구조물(100)은, 예를 들어 적어도 부분적으로 도전성 물질(예컨대, 금속)로 형성된 융기형 패드일 수 있는 콘택트(102)를 포함할 수 있다. 스위치 구조물(100)은 또한 캔틸레버형 빔(104)과 같이 적어도 부분적으로 도전성 물질(예컨대, 금속)로 형성된 도전성 엘리먼트를 포함할 수 있다. 빔(104)은 기판(108)과 같은 하부 지지 구조물에 빔을 접속시키도록 이용할 수 있는 앵커(106)에 의해 지지될 수 있다. 콘택트(102)는 또한 기판(108)에 의해 지지될 수 있다.
콘택트(102) 및 빔(104)을 기판(108) 상에 배치하는 것은 마이크로제조 기술(예컨대, 증기 증착, 전기도금, 포토리소그래피, 습식 및 건식 에칭 등)을 통한 스위치 구조물(100)의 생산을 용이하게 한다. 이들 라인을 따라서, 스위치 구조물(100)은 마이크로전자기계적 디바이스 또는 MEMS의 일부분을 구성할 수 있다. 예를 들어, 콘택트(102) 및 빔(104)은 수 마이크로미터나 나노미터 또는 수십 마이크로미터나 나노미터 정도의 피처를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 빔(104)은 103m-1 이상의 표면적 대 부피 비율을 가질 수 있다. 스위치 구조물(100)을 제조하는 가능성 있는 방법에 관한 세부가 이후에 더 논의된다. 기판(108)은 또한 콘택트(102) 및 빔(104)에 전기적 접속을 제공하는 데 이용되는 패터닝된 도전 층(도시하지 않은)을 포함하거나 지지할 수 있다. 이들 도전 층은 또한 표준 마이크로제조 기술을 이용하여 제조될 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 빔(104)은 빔이 콘택트(102)로부터 분리되는 비접촉 또는 "개방형" 위치(예컨대, 도 4)와 빔이 접촉하고 콘택트와의 전기적 통신을 수립하는 접촉 또는 "폐쇄형" 위치(예컨대, 도 5) 사이에서 선택적으로 움직일 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 빔(104)은 접촉 위치와 비접촉 위치 사이에서 움직일 때 변형을 겪어, 빔이 자연스럽게 비접촉 위치에 (즉, 외부에서 인가되는 힘의 부재 시에) 배치되고 접촉 위치를 점유하도록 변형될 수 있도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 빔(104)의 비변형 구성은 접촉 위치일 수 있다. 빔(104)은 표면(116)을 포함할 수 있으며, 이 표면은 (예컨대, 표면이 공칭적으로 연속적인 금속 평면인 경우) 그 전체가 전기적으로 접촉될 수 있다. 그러나, "유효" 콘택트 표면적 a eff 는 빔(104)의 표면(116)보다 현저히 자을 수 있으며, 빔과 콘택트(102) 사이의 중첩 범위에 의해 정의될 것이다.
빔(104)은 (예컨대, 앵커(106)를 통해) 로드 전력원(112)과 통신할 수 있고, 콘택트(102)는 전기적 로드와 (이어서, 접지 또는 몇몇 다른 전류 싱크와) 통신할 수 있다. 로드 전력원(112)은 전압원 및 전류원과는 상이한 시각에 동작할 수 있다. 이와 같이, 빔(104)은 전기적 스위치로서 작용하여, 빔이 접촉 위치에 있을 때에는 (예를 들면, 대략 1㎃ 이상의) 로드 전류가 빔 및 콘택트(102)를 통해 로드 전력원(112)으로부터 전기적 로드로 흐르게 하고, 그와 달리 빔이 비접촉 위치에 있을 때에는 (몇몇 경우, 빔이 개방형 위치에 있을 때조차 1 ㎂ 이하의 적은 누설 전류가 콘택트 및 빔을 통해 흐를 수 있다 하더라도) 로드 전력원으로부터 로드로 상당한 전류의 흐름을 방지할 수 있다.
스위치 구조물(100)은 또한 전극(110)을 포함할 수 있다. 전극(110)이 적절히 대전되어, 전극과 빔(104) 사이에 전위차가 존재하도록 될 때, 정전력은 전극을 향해(또한, 콘택트(102)를 향해) 빔을 당기도록 작용할 것이다. 전극(110)에 인가될 전압을 적절히 선택함으로써, 빔(104)은 (가능하게는 스프링에 의해 전달되는 상보적인 기계적 힘과 같은 다른 힘과 결합하여) 생성된 정전력에 의해 비접촉(즉, 존재할 수 있는 비교적 작은 누설 전류와는 다른 개방형 또는 비도전성) 위치로부터 접촉(즉, 폐쇄형 또는 도전성) 위치로 빔을 움직이기에 충분히 변형될 수 있다. 따라서, 전극(110)은 스위치 구조물(100)과 관련하여 "게이트"로서 작용할 수 있으며, 전극에 인가된 전압은 스위치 구조물의 개방/폐쇄를 제어하는 데 이용된다. 전극(110)은 전극에 선택적 게이트 전압 VG를 인가할 수 있는 게이트 전압원(도시하지 않음)과 통신할 수 있다.
콘택트(102) 및 빔(104)은 빔이 비접촉 위치에 있을 때 대략 4㎛ 이하, 몇몇 실시예에서는 대략 1㎛이하의 거리 d만큼 분리되도록 구성될 수 있다. 즉, 비변형 구성에서 빔(104)은 (스위칭 이벤트 동안의 몇몇 일시적 순간에 대응 콘택트로부터 4㎛ 이하의 위치를 점유할 수 있지만, 그와 달리 더욱 일관적으로 콘택트로부터 더 멀리 배치되는 스위치와는 반대로) 콘택트(102)로부터 4㎛ 이하, 또한 몇몇 실시예에서는 대략 1㎛ 이하의 거리에서 꾸준히 유지될 수 있다. 콘택트(102) 및 빔(104)은 빔이 비접촉 위치에 있을 때 대략 100㎚ 이상의 거리 d만큼 분리되도록 더 구성될 수 있다.
로드 전력원(112)은 콘택트(102)와 빔(104) 사이에 320 V㎛-1 이상의 크기 및 적어도 330 V의 상대적 전위차를 갖는 전기장을 수립하기에 충분한 로드 전압 VL을 선택적으로 제공할 수 있다. 예를 들어, 콘택트(102) 및 빔(104)은 적어도 320 V의 상대적 전위차에서 전이 기간보다 더 오랫동안 유지되고 1 ㎛ 이하의 거리만큼 분리되도록 구성될 수도 있고, 또는 때때로 적어도 330 V의 상대적 전위차 및 4㎛ 이하의 분리 거리에서 유지되도록 구성될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 빔(104)이 비접촉 위치에 배치될 때, 콘택트(102) 및 빔은 적어도 대략 330 V의 진폭 및 대략 40 GHz 이하의 주파수로 발진하는 전위차에서 유지되도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 빔(104)이 비접촉 위치에 배치될 때, 콘택트(102) 및 빔은 대략 1㎲의 시간 동안 적어도 대략 330 V의 전위차에서 유지되도록 구성될 수 있다. 은 경우이든, 빔(104) 및 콘택트(102)는 단지 약간의 시간보다 오랫동안 존재하는 상대적 전위차에 저항하도록 구성될 수 있다.
출원인은, 비접촉 위치에 있을 때의 빔(104)(또는 다른 이동가능한 도전성 엘리먼트)과 콘택트(102) 사이에 대략 4㎛ 이하이지만 대체적으로 대략 50㎚보다 큰 분리 거리 d를 유지하는 것이 빔과 콘택트 사이의 330 V 이상의 전위차에 대해서도 대기압의 대기 환경에서 빔과 콘택트 사이의 전기적 아크 형성을 억제하기 쉽다는 것을 발견했다. 이것은 320 V ㎛-1 이상의 전기장 또는 330 V 이상의 전위차에 영향을 받기 쉬우며 4㎛ 이하 정도의 거리만큼 분리된 대향 마이크론 스케일 스위치 소자가 그들 사이에 아크를 형성하기 쉽게 할 것이라는 용인된 개념과는 대조적이다. 구체적으로, 상이하게 대전되고 폐쇄적으로 이격된 스위치 소자의 그러한 구성, 예를 들어 전기도금, 기상 증착 및 포토리소그래피를 포함하는 통상적인 마이크로제조 방법을 통해 형성된 그러한 소자의 구성이, 예를 들어 본체들 사이의 영역에 가스 입자의 이온화 및/또는 우세한 전기장의 영향으로 인한 본체들 중 적어도 하나로부터의 전자의 방출 때문에, 소자들 사이의 공간을 파손시킬 것이고 예상된다. 대략 50 ㎚ 이하의 분리 거리에 대해, 장 방출 효과(field emission effects)는 디바이스의 전체적인 전기적 작동을 조절하는 것으로 예상될 수 있다.
먼저 언급한 바와 같이, 전극(110)과 빔(104) 사이의 전위차를 수립하는 것은 빔과 전극 사이에 정전력을 가져온다. 유사하게, 콘택트(102)와 빔(104) 사이에 전위차가 존재할 때(예컨대, 빔이 비접촉 위치에 있고 VL>0일 때), 정전력 Fe는 빔을 콘택트로 끌어당길 것이다(이 현상은 "자기기동(self-actuation)"이라고 지칭된다.
실례로서, 도 1, 6(a), 6(b), 7(a), 7(b)를 참조하면, 스위치 구조물(100)은, (완전한 회로의 일부분일 때) 선택적 전압 VL 및 로드 전류 IL을 제공하도록 구성될 수 있는 로드 전력원(112)과 RL로 표현되는 로드 사이의 스위치로서 작용할 수 있다. (도 6(a) 및 도 6(b)에 의해 표현되는) 한 때, 게이트 전압 VG이 (예컨대, 빔(104)이 비접촉 위치를 점유하고자 할 때) 0으로 설정되고 VL이 0으로 설정되어, 콘택트(102) 및 빔은 동일한 전위에 있다. 이 경우, 빔(104)은 콘택트(102)로부터 거리 d만큼 분리된다.
(도 7(a) 및 도 7(b)에 의해 표현되는) 다른 때, VG는 여전히 0이고, 로드 전력원(112)은 전압 VL = 330 V를 공급한다. 콘택트(102) 및 빔(104)은 현재 서로에 대해 상이한 전위차에 있다. 그 결과, 대향 극성의 전하는 콘택트(102)의 표면(114) 및 콘택트의 표면(114)에 대향하는 빔(104)의 표면 중 일부 p에 누적된다. 콘택트(102) 및 빔(104)을 당기도록 작용하는 정전력 Fe이 수립되고, 빔은 그것의 자연스러운 구성(즉, Fe의 부재 시 그것의 구성)에 대해 상대적인 거리 δ만큼 치환된다. 콘택트(102)가 정전력 Fe의 영향 하에 매우 적게 변형된다고 가정하면, 빔(104)은 거리 de = d - δ만큼 콘택트로부터 분리된다. 출원인은, 몇몇 경우, 자기 기동이 스위치의 비의도적 폐쇄를 야기하기에 충분할 수 있음을 관측했는데, 이것은 결과적으로 스위치의 고장에 이르게 한다. 따라서, 자기 기동은 스위치 구조물을 설계할 때 고려되어야 한다. 이것은 이후에 더 논의된다.
콘택트(102) 및 빔(104)을 평행판 커패시터로서 처리하면, 기본 정전 이론은 그 둘 사이의 정전력 Fe의 크기가 콘택트와 빔 사이의 전위차 V의 제곱에 비례하고, 콘택트와 빔을 분리한 거리 de의 제곱에 반비례하며, 콘택트 및 빔이 대향하는 영역 A에 비례한다고 제안하며, 대략적으로 다음의 식에 의해 주어진다.
Figure 112010052294412-pat00001
이 때, ε0은 공기의 유전 상수이다. 중첩 영역 A가 빔(104)의 전체 폭 w(도 1)를 포함한다고 가정하면, 중첩 영역 A는 단순히 빔 및 콘택트(102)가 중첩되며 폭 w에 의해 승산되는 길이 Lo(도 2)일 것이다. 큰 로드 전압 VL(몇몇 경우 ≥ 330 V 이상)가 콘택트(102) 및 빔(104) 사이의 작은 분리 거리 d(정전력 Fe의 존재 시에는 더 작은 분리 거리 de)에 의해 또한 몇몇 경우에는 스위치 구조물(100)에 의해 차단된다면, Fe는 비교적 높고 잠재적으로 콘택트와 접촉하는 빔을 데려오기에 충분한 전위를 갖는다. 전극(110) 상의 게이트 전압 VG가, 스위치 구조물(100)이 개방형인지 아니면 폐쇄형인지를 일방적으로 결정하도록 의도된 실시예에서, 정전력 Fe는 Fe의 영향으로 인한 의도하지 않은 스위치 폐쇄가 회피되는 것을 보장하기 위해 스위치 구조물을 설계함에 있어서 고려되어야 한다. 구체적으로, 자기 기동으로 인해 스위치 구조물(100)의 우연한 폐쇄를 회피하기 위해, 빔(104) 및 콘택트(102)는 (이후에 논의되는 바와 같이, 무엇보다 콘택트의 영역 a와 관련되는) 인력 Fe가 콘택트로부터 그것의 자연스러운 분리 거리보다 더 작은 빔의 편향을 야기한다. 이것은 이후에 보다 상세히 논의된다.
정전력 Fe가 빔(104)의 자유단(free end)에 인가되고 매우 작은 변형이 앵커(106)에서 일어난다고 가정하면, 기본 빔 이론은 정전력 Fe로 인해 빔(104)의 편향의 양 δ은 다음 식에 의해 대략적으로 주어진다.
Figure 112010052294412-pat00002
이 때 E는 빔을 구성하는 물질의 탄성률이고, L은 빔의 길이이며, I는 빔의 관성 모멘트로서 (w·t3)/12이다(도 1에 도시한 바와 같이, w는 빔의 폭이다).
(2)에 (1)로부터의 Fe 및 모멘트 I를 치환하면 다음과 같다.
Figure 112010052294412-pat00003
빔(104)이 콘택트(102)로부터 자연스럽게 (즉, Fe의 부재 시에) 1㎛만큼 분리된다고 가정하고, δ이 0.5㎛보다 작게(de = 0.5㎛로) 하며, V가 330 V로 되게 하고, 빔(104)의 길이 L이 100㎛ 정도로 되게 하며, 두께 t가 5㎛ 정도(마이크로제조된 구조물에 대한 일반적인 치수)로 되게 할 것을 요구하고, 탄성 강도(stiffness) E가 100 GPa(금속에 대한 대표 값) 정도이면, 식 (3)은 대략 10㎚의 중첩 길이 Lo가 빔(104)의 자기 기동의 전조가 되도록 충분히 작음을 나타낸다. 보다 일반적으로, 예를 들어, 물질 속성, 분리 거리 및 인가 전압에 따라, 중첩 영역 A가 대략 100㎛2이하이고, 또는 몇몇 경우에는 대략 1㎛2 이하이거나, 또는 다른 경우에는 대략 10㎚2 이하일 것이라는 점이 예상된다.
상기 관점에서, 콘택트(102)는 빔(104)의 자기 기동의 전조가 되기에 충분히 낮은 영역 a를 갖는 콘택트 표면(114)을 가질 수 있다. 예를 들어, 콘택트 표면(114)은 (예를 들어, 하나 이상의 나노와이어로부터 콘택트(102)를 형성함으로써) 대략 100㎛2 이하, 몇몇 경우에는 1㎛2, 다른 경우에는 10㎚2 이하의 면적 a를 가질 수 있다. 콘택트(102)의 영역 a를 제한함으로써, 빔(104) 및 콘택트의 대향하는 반대극성으로 대전된 영역이 제한되어, 그 둘 사이의 정전력 Fe를 제한한다. 또한, 콘택트(102)와 빔(104) 사이의 콘택트 영역을 제한하는 것은 스위치 구조물(100)의 폐쇄 시에 그들 사이를 발전시키는 접착력을 감소시켜, 그와 달리 의도될 때 스위치 구조물이 개방되지 않을 가능성(때때로 "정지마찰(stiction)"이라고 지칭되는 문제)을 감소시킬 수 있다.
도 8을 참조하면, 다른 실시예에서, 콘택트의 표면적은 비교적 더 높지만, "유효" 콘택트 표면적은 작을 수 있다. 예를 들어, 콘택트(202)는 게이트 전극(210)에 의해 수립되는 정전력의 영향 하에 빔(204)에 의해 선택적으로 접촉되도록 기판(208) 상에 배치될 수 있다. 콘택트(202)는 유전 층(220)에 의해 상당한 범위까지 커버되는 표면(214)을 가질 수 있다. 보다 작은 유효 콘택트 표면(214a)은 유전 층(220)을 통해 배치될 수 있고, 이 보다 작은 표면 영역은 빔(204)과 콘택트 사이에 정전력을 수립(하고 이어서 콘택트와 빔 사이에 전기적 콘택트를 수립)할 목적으로 콘택트(202)의 유효 표면 영역으로서 동작한다. 도 9(a) 및 도 9(b)를 참조하면, 또 다른 실시예에서, 빔(304)은 연관 콘택트(302)를 접촉하도록 구성된다. 빔(304)의 표면(316)은 일반적으로 유전 층(320)에 의해 커버되어, 작은 유효 콘택트 표면(316a)만이 콘택트(302)와의 전기적 접촉을 수립하기 위해 빔에 의해 표현되도록 할 수 있다.
전반적으로, 유효 콘택트 표면 영역은 콘택트와 도전성 엘리먼트 사이의 정전력이 그 둘을 접촉 상태로 오게 하는 데 요구되는 것보다 작도록 구성될 수 있다. 그러나, 유효 콘택트 영역이 감소함에 따라, 빔-콘택트 계면과 관련된 저항은 비례적으로 증가한다는 점이 예상되며, 통상적인 지식은 유효 영역의 하한이 시스템에 의해 용인될 수 있는 최소 전기적 저항에 의해 수립된다는 점을 나타낸다. 예를 들어, 증가한 저항은 허용될 수 없는 높은 수준의 저항성 가열 및 전력 소산을 유도할 수 있다. 또한, 유효 콘택트 표면 영역 상의 저항 표기 하한은, 자기 기동으로 인한 스위치 폐쇄를 피하도록, 몇몇 애플리케이션에 대해(예컨대, 매우 높은 원격 전압, 높은 동작 전류(예컨대, 1-10 ㎃보다 큼), 및 매우 작은 분리 거리에 대해) Fe를 적절히 변조시키기에 충분한 유효 콘택트 표면 영역 감소의 전조가 될 것이다.
그러나, 출원인은 빔(104)(도 1)과 콘택트(102)(도 1) 사이의 유효 콘택트 표면 영역이 빔-콘택트 계면(한쪽 면 또는 양쪽 면 상에 금속을 가짐)과 관련된 저항에 비례적으로 증가하지 않지만, 그 대신 예상저항 증가보다 더 작다. 이와 같이, 금속 표면에 대한 유효 콘택트 표면 영역은 저항을 현저히 증가시키지 않고도 감소될 수 있다. 또한, 출원인은 100㎛2의 금속성 유효 콘택트 표면 영역을 갖는 단일 스위치 구조물의 유효 저항이 1㎛2의 금속 유효 콘택트 표면 영역을 제각각 갖는 100개의 병렬 스위치 구조물에 대한 것보다 더 높은 실제 저항을 나타내어, 이 결과가 간단한 전자 이론으로부터 예측되지 않을 것이라는 점을 관찰했다.
임의의 특정 이론에 들어맞는 것을 원하는 것은 아니지만, 출원인은 유효 콘택트 표면 영역과 콘택트 계면 저항 사이의 관계가 (이상적 표면이라기보다는) 실제 표면들 사이의 콘택트 속성과 관련된 것일 수 있다고 가정한다. 구체적으로, 도 4, 5, 10, 11을 참조하면, 표면(예컨대, 참조번호 114 및 115)은 흔히 평면으로서 개략적으로 도시되고 있지만, 실제 표면, 특히 전기도금, 기상 증착 및 습식 및/또는 건식 에칭과 같은 통상적인 마이크로제조 기법을 통해 형성되는 표면은 흔히 마이크로미터 및 나노미터 스케일 조도 r과 표면 거칠기 sa를 포함한다. 2개의 실제 표면이 (예컨대, 도 5의 참조번호 114 및 116에 대한 것과 같이) 콘택트 내에 들여지면, 콘택트는 접촉 표면의 제거에 의해 표기된 이산 위치에서 발생하는 것으로 예상되며, 그것의 표면 거칠기는 먼저 대향 표면과 더욱 접촉하기 쉬운 것으로 예상된다.
빔(104) 및 콘택트(102)의 공칭적의 치수는 유효 콘택트 표면 영역 aeff를 정의하는 데 이용된다. 그러나, 실제 콘택트 표면 면적 aact(즉, 물리적 콘택트가 수립되는 총 면적은 개별적인 콘택트 지점의 전체 집합과 동일하다(aact = aact1 + aact2...). 유효 콘택트 영역이 증가함에 따라, 항상 더 큰 조도가 콘택트 영역 내에서 (한도까지) 발견되어, 그 밖의 보다 덜 두드러진 위치에 콘택트를 억제하면서 보다 큰 조도의 우선적 콘택트를 유도할 가능성이 있다.
식 (3)으로부터, 주어진 원격 전압 V에 대해 빔(104)이 경험한 편향 δ의 양은 빔을 구성하는 물질(들)의 탄성 계수 E를 증가시키거나 빔의 만곡 관성 모멘트 I를 증가시켜(예를 들어, 빔의 두께를 증가시켜) 빔(104)의 변형에 대한 저항을 증가시킴으로써 감소될 수 있다. 그러나, 빔(104)의 저항을 만곡 변형으로 증가시키는 것은 콘택트(102)와 접촉하는 빔을 의도적으로 변형하는 데 요구되는 힘의 크기 면에서의 대응하는 증가를 가져올 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 1의 스위치 구조물(100)과 같은 전술한 스위치 구조물은 통상적인 마이크로제조 기법을 이용하여 기판 상에서 제조될 수 있다. 예를 들어, 도 12(a) 내지 도 12(e)를 참조하면, 예시적 실시예에 따라 구성된 스위치 구조물을 생산하는 제조 과정의 개략도가 도시되어 있다. 먼저, 기판(408)에는 그 위에 배치되는 전극(410) 및 콘택트(402)가 제공된다. 실리콘 이산화물(430)이, 예를 들어 기상 증착에 의해 증착되고, 전극(410) 및 콘택트(402)를 밀봉하도록 패터닝된다(도 12(a)). 얇은 접착 층(436)(예컨대, 티타늄), 시드 층(434)(예컨대, 금), 및 금속 층(436)(예컨대, 금)이 전기도금 및/또는 기상 증착을 통해 증착될 수 있다(도 12(b)). 포토레지스트(438)가 통상적인 포토리소그래피를 이용하여 부착되고 패터닝될 수 있으며, 그 후, 금속, 시드 및 접착 층(436, 434, 432)이 빔(404)을 형성하도록 에칭되고 이어서 포토레지스트가 제거될 수 있다(도 12(d)). 마지막으로, 빔(404)을 지지하고 전극(410) 및 콘택트(402)를 밀봉하는 실리콘 이산화물(430)이 제거될 수 있다. 그 후, 빔(404)은 보호 캡에 의해 동봉될 수 있다.
본 명세서에는 본 발명의 소정 특징만이 예시되고 설명되었지만, 당업자에게는 많은 수정 및 변경이 일어날 것이다. 예를 들어, 전술한 모든 스위치 구조물은 비접촉 위치로부터 접촉 위치로 변형되도록 구성되는 캔틸레버형 빔을 포함하고 있다. 그러나, 다른 실시예는 현저히 변형되는 일 없이 비접촉 위치와 접촉 위치 사이에서 움직이도록 구성된 도전성 엘리먼트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도전성 엘리먼트는 탄성 힌지 구조물에 연결될 수 있다. 또한, 변형을 겪는 도전성 엘리먼트에 대해, 도전성 엘리먼트가 캔틸레버형 빔을 포함하지만, 그 대신 예를 들어 이중 지지형 빔 또는 가용성 멤브레인을 포함할 수 있다는 것이 필수적인 것은 아니다. 또한, 전술한 실시예는 빔/도전성 엘리먼트에 접속된 로드 전력원 및 관련 콘택트에 접속된 로드를 포함하지만, 이 장치에 대한 요건이 있는 것은 아니며, 로드 전력원은 콘택트에 접속될 수 있다. 마지막으로, 예를 들어 범프, 나노와이어 어레이, 및/또는 보다 견고하고 비도전성인 기판에 내장된 도전성 패드를 포함하는 콘택트(102)(도 1)에 대해 다양한 구성 및 형상이 존재한다. 따라서, 첨부한 특허청구범위는 본 발명의 진실된 사상 내에 있는 모든 그러한 수정 및 변경을 포괄하도록 의도된다는 것이 이해될 것이다.

Claims (10)

  1. 콘택트(a contact)(102)와,
    도전성 엘리먼트(a conductive element)(104)를 포함하되,
    상기 도전성 엘리먼트는 상기 도전성 엘리먼트가 상기 콘택트로부터 분리되는 비접촉 위치와 상기 도전성 엘리먼트가 상기 콘택트와 접촉하여 상기 콘택트와 전기적 통신을 수립하는 접촉 위치 사이에서 선택적으로 움직일 수 있도록 구성되고,
    상기 도전성 엘리먼트가 상기 비접촉 위치에 배치될 때, 상기 콘택트 및 상기 도전성 엘리먼트는 상기 접촉 위치로 이동하지 않으면서 그들 사이에서 320V㎛-1보다 큰 크기의 전기장에 지탱(support)하도록 구성되는
    디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 엘리먼트가 상기 비접촉 위치에 배치될 때, 상기 콘택트 및 상기 도전성 엘리먼트는 적어도 330 V의 전위차에서 유지되도록 구성되는
    디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 엘리먼트가 상기 비접촉 위치에 배치될 때, 상기 콘택트 및 상기 도전성 엘리먼트는 4㎛ 이하의 거리만큼 분리되도록 구성되는
    디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 엘리먼트는 상기 접촉 위치와 상기 비접촉 위치 사이에서 움직일 때 변형을 겪도록 구성되는
    디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 엘리먼트는 캔틸레버(a cantilever)를 포함하는
    디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 엘리먼트는 상기 접촉 위치와 상기 비접촉 위치 사이에서 움직일 때 변형을 겪도록 구성되고,
    상기 콘택트 또는 상기 도전성 엘리먼트 중 적어도 하나는 상기 도전성 엘리먼트가 상기 비접촉 위치에 있을 때 상기 콘택트와 상기 도전성 엘리먼트 사이의 정전력(an electrostatic force)이 상기 도전성 엘리먼트 및 상기 콘택트를 접촉 상태로 만드는데 필요한 힘보다 작게 구성되는 유효 콘택트 표면 영역을 갖는
    디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 엘리먼트가 상기 비접촉 위치에 배치될 때, 상기 콘택트 및 상기 도전성 엘리먼트는 적어도 330 V의 진폭 및 40 GHz 이하의 주파수로 발진하는 전위차에서 유지되도록 구성되는
    디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 엘리먼트가 상기 비접촉 위치에 배치될 때, 상기 콘택트 및 상기 도전성 엘리먼트는 적어도 1㎲의 시간 동안 적어도 330 V의 전위차에서 유지되도록 구성되는
    디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    기판(108)을 더 포함하며,
    상기 콘택트 및 상기 도전성 엘리먼트는 상기 기판 상에 배치되는
    디바이스.
  10. 콘택트(102)와,
    도전성 엘리먼트(104) -상기 도전성 엘리먼트는 상기 도전성 엘리먼트가 상기 콘택트로부터 분리되는 비접촉 위치와 상기 도전성 엘리먼트가 상기 콘택트와 접촉하여 상기 콘택트와 전기적 통신을 수립하는 접촉 위치 사이에서 선택적으로 움직일 수 있도록 구성됨- 와,
    상기 콘택트 또는 상기 도전성 엘리먼트 중 적어도 하나와 전기적인 통신을 하고 전압을 공급하도록 구성되는 전력원(power source)을 포함하고,
    상기 도전성 엘리먼트가 상기 비접촉 위치에 배치될 때, 상기 전력원은 상기 도전성 엘리먼트를 상기 접촉 위치로 이동시키지 않으면서 상기 콘택트 및 상기 도전성 엘리먼트 간에 적어도 320 V㎛-1 보다 큰 크기의 전기장을 수립하기에 충분한 전압을 제공하도록 구성되는,
    디바이스.
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