KR20030025550A

KR20030025550A - 초소형 전기기계 시스템을 이용한 고주파 소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20030025550A
Application number: KR1020010058641A
Authority: KR
Inventors: 주상백; 최영준; 이종원; 김동균; 전영득; 박창수; 유정광; 옥재용; 박정호; 박찬원
Original assignee: 주식회사 나노위즈
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2003-03-29
Also published as: KR100420098B1

Abstract

초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치는, 전기적 절연을 위한 절연층이 적층된 실리콘 기판 또는 내화물질의 금속 소재를 이용한 IC가 내장된 기판과, 상기 절연층 상부에 형성되고, 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 되는 제1외부신호단과 연결된 제1신호선과, 상기 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 되는 제2외부신호단과 연결되고, 제1신호선과의 물리적 접촉을 통하여 신호를 스위칭할 수 있는 제2신호선과, 상기 제2신호선을 구동하여 스위칭할 수 있게 하는 멤브레인, 압전요소, 하부전극, 상부전극으로 구성된 적어도 하나 이상의 압전 구동부와, 상기 제2신호선과 압전 구동부를 기판에 연결하는 지지부로 구성되어 있다.

Description

초소형 전기기계 시스템을 이용한 고주파 소자 및 그 제조 방법{Radio frequency element using Micro Electro Mechanical System and Method of manufacturing the same}

본 발명은 기존의 초소형 전기 기계 시스템(Micro Electro Mechanical System : MEMS)의 온도에 대한 기술적인 제한, 예를 들면, 폴리실리콘의 스트레스 해소를 위한 열처리 공정에서 1000℃이상의 고온공정이 필요하기 때문에 한계로만여겨지던 IC회로소자와의 집적화(Monolithic Integration)를 이루기 위한 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 고주파(Radio Frequency) 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

기본 IC회로의 금속배선은 알루미늄을 주재료로 사용하고 있기 때문에 기존의 MEMS 기술에서 요구되는 고온공정(500℃ 이상)과 호환이 될 수 없다. 또한 IC회로로 사용하는 CMOS회로 소자인 경우, n형태 우물(well)과 p형태 우물간의 고온(900℃)에서의 확산으로 인한 소자의 특성 저하가 현재의 IC회로 기술의 한계이다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여, 미국의 샌디아(Sandia) 국립 연구소에서 개발한 집적화 기술을 보면, 고온공정을 사용하는 MEMS 소자를 트랜치(trench) 기술로 선행하여 제조한 후에 IC회로 소자를 후속으로 제조하는 기술을 제안하였다.

이 기술에 의해 고온공정의 한계를 극복하는 것은 가능하나 다음과 같이 부수적으로 기술적인 어려움이 따른다.

첫째, MEMS 소자와 IC회로 소자의 제조 영역을 나누어서 형성하여야 한다는 공간적인 제한 점이 있다. 이 제한점은 단위 소자의 개발 시에는 적용이 가능하나 공간의 제한이 발생하는 배열(array)된 형태의 소자의 개발이나 여러 소자를 갖는 다목적 기능의 기술 개발 시에는 적용될 수 없다.

둘째, 트랜치(Trench) 기술로 기판을 식각하여 형성된 공간에서 MEMS 소자를 형성하고 후속에 IC회로 소자를 형성하기 위해서는, 이 공간을 다시 고온에서 안정화 시켜야 하는데 이러한 공정은 매우 까다로운 공정이고, 그리고, IC회로 소자를만들기 위해서는 기판의 평탄화 공정(Planarization Process)이 기술적 제한점으로 부각된다.

셋째, 후속 공정인 IC회로 공정에서 IC 제조 공정상 고온 공정, 예를 들면, Implantation에서 사용되는 활성화 열처리)을 포함하고 있기 때문에, MEMS 소자의 선택에 있어서도 고온 공정 하에 물성이 저하되는 물질을 사용할 수 없는 제한점이 있다. 따라서 압전 재료 또는 다른 센서 재료를 MEMS 소자에 사용할 수 없다.

기존의 MEMS 기술을 이용한 RF 분야의 소자로서는 RF 스위치, 가변용량 커패시터, RF 필터, 인덕터, 안테나 등이 있으며, 주로 무선통신과 국방분야에서 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 RF 스위치와 가변용량 커패시터는 무선통신 분야의 집중적인 관심을 받고 있다.

현재, RF 스위치는 FET(Field Effect Transistor), 또는 핀(PIN) 다이오드와 같은 반도체 스위치들이 널리 사용되고 있다. 그러나 상기 반도체 스위치들은 작동할 때 전력손실이 크며, 완전한 절연이 이루어지지 않는 등의 문제점을 가지고 있으며, 이와 같은 반도체 스위치들의 문제점을 보완하기 위해 최근에 MEMS 스위치들에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있는 실정이다.

MEMS를 이용한 RF 스위치의 개발은 소형화 및 저비용을 달성할 수 있고, 온-상태 및 오프-상태 임피던스 사이에 큰 다이나믹 영역을 제공하며, 특히, 수십 기가헤르츠(GHz)에서 0.5dB 이하의 낮은 삽입손실(insertion loss)과 30∼40dB의 높은 전기 절연(isolation) 등의 우수한 스위치 특성을 가지고 있으므로 최근 몇 년 동안 관심이 증대되고 있다.

MEMS을 이용한 RF 스위치에 사용되는 구동 메커니즘은 전자기(electromagnetic), 자기(magnetic), 압전(piezoelectric), 정전기(electrostatic) 등 다양하다. 이 중 대부분이 정전기력을 이용하는 방법으로 보(beam)가 좌우로 움직이는 방식과 상하로 움직이는 방식이 있고, 이 방식은 직류전류가 흐를 수 있느냐에 따라 직접 접촉식 스위치(direct contact switch)와 정전식 스위치(capacitive switch)로 구분된다.

알려진 정전기력을 이용한 MEMS 스위치는 캔틸레버(cantilever) 스위치, 멤브레인(membrane) 스위치, 가변 커패시터(tunable capacitor)형 스위치 등이 있다.

일반적인 정전기력을 이용한 캔틸레버 스위치의 단면도를 도 1에 나타내었다.

도 1을 참조하면, 정전기력을 이용한 캔틸레버 스위치(100)의 간단한 동작원리는 상부전극(105)에 전압이 인가되면 상부전극(105)과 하부전극(102) 사이의 정전기력에 의해 캔틸레버(104)가 하부전극(102)으로 인력이 작용해서 캔틸레버(104)가 휘어지게 된다.

그러면, 캔틸레버(104) 아래의 접촉금속(107)에 의해 신호라인(106)이 서로 연결이 된다. 이것이 스위치의 온-상태가 되고 반대로 오프-상태는 상부전극(105)에 인가된 전압을 영으로 하면 캔틸레버(104)와 하부전극(102) 간의 인력이 사라지고 캔틸레버(104)의 스프링 복원력에 의해 캔틸레버(104)가 올라가서 두 신호라인(106)을 연결하던 접촉금속(107) 떨어져서 오프-상태가 된다.

그러나 상기 언급된 정전기력을 이용한 RF 스위치는 정전기력을 이용한 스위칭 방식 때문에 발생하는 전극 간의 표면 대전(surface charge)에 의한 스틱션(stiction), 접촉금속과 신호라인 간의 높은 전류가 흘려서 야기되는 용접(welding), 그리고 오프-상태에서 신호라인으로 인가되는 RF 신호에 의해서 캔틸레버가 원하지 않는 정전기력의 발생으로 아래로 휘어지게 되는 자가 구동(self acutation)의 문제점들이 있다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해서는 스틱션과 셀프 구동의 영향을 받지 않을 정도의 높은 강성(stiffness)을 갖는 캔틸레버를 만들어야 하며, 이로 인해 10내지 100 볼트의 구동전압이 필요로 한다. 따라서, 현재의 정전기력을 이용한 RF MEMS 스위치는 5볼트 미만의 전원을 요구하는 상용 무선통신 시스템에서는 적용되지 못하고, 국방분야에서만 제한적으로 응용되고 있다.

가변용량 커패시터는 정전용량을 변화시킬 수 있는 커패시터로 주로 통신 주파수 조정 등에 사용된다.

현재, 일반적으로 사용되는 가변용량 커패시터로는 세라믹을 유전체로 사용한 트리머(trimmer)가 사용되고 있다. 그러나, 이러한 벌크 형태의 세라믹 유전체를 사용하는 경우에도 크기의 최소화에 한계점이 있으며, 벌크 형태의 가변용량 커패시터를 포함한 소자들의 온어칩(on a chip)이 불가능하다는 단점이 있다.

최근, RF 및 밀리미터파(millimeter-wave) 대역을 사용하는 차세대 무선이동통신시스템이 급속히 증가함에 따라, 소자들의 온칩화가 가능한 집적(IC) 가변용량 커패시터의 필요성이 증가하고 있다. 가변용량 커패시터의 집적화에 대한 연구는 강유전체의 특성을 향상시키려는 화학적 접근방법과 미크론 수준의 동작을 가지는MEMS 소자를 이용하여 유전체층의 간극이나 면적을 조절하려는 물리적 접근방법이 있다.

MEMS 기술을 이용한 집적 가변용량 커패시터는 CMOS공정기술과 호환성이 있으며, 일괄 공정을 통하여 대량 생산과 저 가격화을 달성할 수 있고, 또한, 일반적인 IC 가변용량 커패시터인 집적회로 다이오드 바랙터에 비해 삽입손실(insertion loss)이 적고 정전용량의 변화폭이 넓으며 선형적인 변화를 갖는 등 성능면에서 뛰어나고 저전력을 소모하는 것을 특징으로 한다.

이러한 집적 가변용량 커패시터는 전압 제어 발진기(VCO; voltage controlled oscillator), 대역 통과 필터(BPF; band pass filter), 매칭 회로(Matching Circuit) 등에 응용될 수 있다.

종래의 RF 분야의 전압제어발진회로에는 반도체 다이오드 바랙터가 주로 사용되며, 최근에는 MEMS 기술로 제작된 정전기력 구동방식의 가변용량 커패시터 등이 연구되고 있지만, 다음과 같은 문제점이 있다.

도 4는 종래 기술에 따른 실리콘 웨이퍼에 집적된 반도체 바랙터(varactor)를 이용한 전압제어발진회로의 구성으로서, 이러한 전압제어발진회로는 p-n접합 다이오드 역방향 커패시턴스의 전압제어 특성을 이용한다.

상기 바랙터는 직렬 저항 값이 커서 Q값이 낮기 때문에 주파수가 높아질수록 바랙터에 의한 V_CO의 손실이 커지는 문제점이 있으며, 가변 커패시턴스 값의 범위가 전압인가 전 커패시턴스 값의 50%를 넘지 못하는 단점이 있다. 또한, 바랙터를 동작시키기 위해서는 DC전력 손실이 불가피하며, 바이어스 인가에 의한 소자의 열화로 RF 특성이 저하되는 문제가 있다.

도 3은 기존의 MEMS기술로 구현된 가변 커패시터를 나타내는 도면으로서, (a)는 평면도, (b)는 단면도를 나타내는 바, 버클리(berkeley) 대학의 영(Darrin J. Young) 등에 의하여 알루미늄을 구조물 재료로 한 평판형 가변 커패시터를 나타낸다.

상기 소자는 실리콘 웨이퍼위에 CMOS와 호환성이 있는 전형적인 반도체공정을 사용하여 제작되는 바, 포토레지스트(photoresist, 이하 PR이라 함)를 희생층으로, 알루미늄을 구조층으로 증착하고 패터닝 및 에칭을 한 후, 이후 상기 희생층을 제거함으로써 4개의 스프링 역할의 지지부를 가진 평판형 가변 커패시터를 구현했다. 상기 소자는 하부전극과 상부 평판사이에 인가된 전위차에 의한 정전기력에 의해 평판 양단의 간격이 변화함으로써 커패시턴스 값을 변화시킬 수 있다.

이에 대한 수학식은 다음과 같다.

----- (1)

----- (2)

여기서 C는 커패시턴스 값, ε₀는 진공 중에서의 유전상수, A는 평판의 면적, x는 하부전극과 상부 평판사이의 간격, Fc는 정전기력, Vc는 두 평판 사이에 인가된 전압이다. 스프링에 의한 복원력에 대한 수학식은 다음과 같다.

----- (3)

여기서, Ks는 스프링 상수, Δx는 초기 위치로부터의 변위이다.

상기 평판형 가변 커패시터는 약 900MHz이 주파수에서 2∼2.5pF 정도의 작은 커패시턴스 값을 갖고, 기계적 잡음에 둔감한 비교적 우수한 특성을 갖는 것으로 보고되었다. 결과적으로 상기 반도체 바랙터 다이오드와 비교하면 높은 Q값을 갖고 위상잡음이 작아서 전압제어발진회로에 적용 시 성능개선의 효과가 있음을 알 수 있다.

하지만, 상기 영(Darrin J. Young)의 평판형 가변 커패시터는 다음과 같은 몇 가지 단점을 갖고 있다.

첫째, 정전기력에 의해 구동하는 경우, 복원력을 제공하기 위해서는 지지부 스프링이 필요하다. 그런데 지지부 스프링의 강성이 너무 작을 경우, 평판과 하부전극 사이에 잔류 정전기력이나 표면 대전에 의한 스틱션을 이길 만큼의 충분한 복원력이 제공되지 않아서 상부평판이 본래 위치로 복원되지 못할 우려가 있다. 반대로 지지부 스프링의 강성을 너무 증가시키면 평판 커패시터를 구동하기 위해 요구되는 전압이 너무 커지게 되고(50V 이상), 이 경우 전원이 커져 휴대용 무선통신기기에 적용하기 어렵다.

둘째, 액츄에이터가 차지하는 면적이 커패시터에 비해 상대적으로 크고 전극 간격 조절이 미세하지 못하다.

셋째, 정전기력을 이용한 소자 특성상 상부 평판의 변위가 충분치 않아서 구현할 수 있는 튜닝범위가 초기 커패시턴스 값의 15%를 넘기 어렵다.

1995년에는 골드스미스(Goldsmith) 등에 의해 정전기형 구동방식을 사용한 MEMS기술 기반의 스위칭 격판(switching diaphragm)에 대한 연구가 발표되었으나, 이 방법 또한 원 수준의 77%보다 간극 크기가 작아질 경우 상부 전극판이 하부 전극판과 충돌한다는 한계가 있다.

이를 보안하기 위한 방안으로 콜로라도 대학의 휴(Hue) 등은 폴리실리콘(polysilicon) 재질의 얇은 박막과 두꺼운 박막의 복합구조로 구성된 지지대(arm)로 구성된 구동기를 제안하였는데, 이 구동기는 상이한 박막의 두께에 의해 발생하는 열팽창의 차이에 의해 앞뒤로 움직이게 되는 전기-열 액츄에이터(electro-thermal actuator)를 사용하여 간극을 조정하려는 시도를 하였다. 그러나 이 구조는 커패시터에 비해 구동기의 크기가 크고, 구동조절이 쉽지 않다는 단점이 있다.

아래의 표 1 및 표 2는 압전구동 방식의 스위치와 가변용량 커패시터를 정전기력 구동방식과 비교한 특성을 나타내고 있다.

	압전구동 스위치	정전기력 스위치
구동전압(V)	3v
스위칭 속도	10∼100㎲	100㎲∼100㎳
스틱션(stiction)	X	O
자가구동의 영향	X	O

<압전구동 스위치와 정전기력 스위치 비교>

	압전구동 가변용량 커패시터	정전기력 가변용량 커패시터
	압전구동 가변용량 커패시터	컬럼비아 대학	버클리 대학
제조방법	MEMS/압전박막(PZT)	MUMPs/폴리실리콘	MEMS/알루미늄
튜닝전압(V)	0∼3	0∼4	0∼3
Cmax./Cmin.	3 이상	1.38	1.15
Q인자	6 이상	9.3@1.9GHz	60@1.0GHz

<압전구동 가변용량 커패시터와 정전기력 가변용량 커패시터 비교>

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 IC회로 소자와 공정적으로 호환이 되며 IC회로 소자 위에 직접적으로 MEMS소자들을 집적화 할 수 있는 총괄적 표준 MEMS 공정(Standard MEMS Processing, 이하 SMP라 함)을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 IC회로 소자와 공정적으로 안정되게 호환되는 새로운 RF MEMS 소자에 대한 구조 및 압전재료를 이용한 구동 방식과 이에 따른 제조 공정을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 종래의 정전기력 방식의 MEMS 평판형 가변용량 커패시터에 비해 낮은 구동전압과 높은 튜닝범위를 갖는 압전 구동 방식의 MEMS 가변용량 커패시터의 구조 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.

특히, 본 발명에서는 상기와 같은 종래의 반도체 스위치들이 갖는 동작에서의 전력손실이 크고, 완전한 절연이 이루어지지 않는다는 문제점과 MEMS 기술을 이용한 정전기력 RF 스위치의 10 내지 100볼트 정도의 높은 구동전압으로 인해 무선통신 시스템에서는 사용할 수 없다는 문제점을 해결하는 방안으로, 저전압 압전구동 방식을 이용한 RF MEMS 스위치의 구조 및 그 제조 방법을 제시한다.

도 1은 일반적인 정전기력을 이용한 캔틸레버 스위치의 단면도.

도 2는 종래 기술에 따른 반도체 바랙터를 이용한 전압제어발진회로의 구성도.1

도 3은 종래 초소형 전기 기계 시스템을 이용하여 구현된 가변용량 커패시터의 입체도.

도 4는 본 발명에 따른 RF스위치의 제1실시예를 나타내는 도면.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 RF스위치의 제1실시예의 A-A' 선에 따른 단면도.

도 6a 내지 도 6h는 본 발명에 따른 RF스위치의 제1실시예의 제조 공정도.

도 7은 본 발명에 따른 RF스위치의 제2실시예를 나타내는 도면.

도 8은 본 발명에 따른 RF스위치의 제3실시예를 나타내는 도면.

도 9는 본 발명에 따른 RF스위치의 제4실시예를 나타내는 도면.

도 10은 본 발명에 따른 가변용량 커패시터의 평면도.

도 11은 도 10의 본 발명에 따른 가변용량 커패시터의 B-B' 선에 따른 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

200 : RF스위치 201 : 기판

202 : 절연층 203 : 제1신호선

204 : 지지부 205 : 제2신호선

206 : 멤브레인 207 : 하부전극

208 : 압전요소 209 : 상부전극

210 : 에어 브릿지 700 : 가변용량 커패시터

701 : 기판 702 : 절연층

703 : 하부 평행전극판 704 : 지지부

705 : 상부 평행전극판 706 : 멤브레인

707 : 하부전극 708 : 압전요소

709 : 상부전극 710 : 외부 바이어서 패드

711 : 공통전극 패드 712, 713 : 에어 브릿지

본 발명에 따른 SMP는 MEMS 단위 소자를 제조하는 단위 공정들의 표준화된 제조 설계 및 제조 공정 기술이다. 또한 이 SMP는 IC회로 소자와 호환되는 저온 MEMS 공정 기술이며 IC회로 소자에 직접적으로 집적화(monolithic integration)를 가능케 하는 제조 설계 및 제조 공정 기술이다.

본 발명에 따른 SMP는 다음과 같이 구성되어 있다.

SMP1 : MEMS 소자를 제조하기 위한 구조적 지지역할을 하며 자체적으로 스트레스(stress) 조절이 가능한 멤브레인(membrane)의 제조 공정 및 구조 설계 기술.

SMP2 : MEMS 소자를 제조하기 위한 기계적 변위(displacement)를 제공하는 압전 재료(piezoelectric material) 및 전극 재료의 제조 공정 및 구조 설계 기술.

SMP3 : MEMS 소자를 제조하는 데 있어 자유로운 움직임을 위한 자유공간(air gap 또는 space)을 제공하는 희생층(sacrificial layer)의 제조 공정 및 구조 설계 기술.

SMP4 : MEMS 소자를 제조하는 데 있어 구조적으로 분리되어 있는 요소들 간의 전기적 연결을 위한 에어 브릿지(air bridge)의 제조 공정 및 구조 설계 기술.

SMP5 : MEMS 소자의 평탄화(planarization) 기술.

SMP6 : MEMS 소자를 IC회로에 직접적으로 집적화하기 위한 내화물질 금속의 제조 공정 및 구조 설계 기술.

이하, 본 발명에 따른 6가지의 SMP에 대해서 상세하게 설명한다.

SMP1는 SMP5에서 언급되는 평탄화 기술을 이용하여, 평탄화된 표면에 스트레스 조절이 가능한 멤브레인층을 증착하는 구조를 갖게 된다. 이 구조는 도 8e에 나타내는 바와 같이 평탄화 공정이 수행되지 않는 굴곡 상에 증착되는 층에서 발생되는 스트레스 집중과 굴곡 단차의 차이에서 발생될 수 있는 캔틸레버 형태 구조의 균일성 저하를 방지 할수 있는 구조이다.

실험결과에 따르면 상기 언급된 지지부에서 수평으로 평탄화하게 연결된 캔틸레버 형태의 구조에서 균일성의 정도는 도 2에 나타내듯이 다층 박막으로 구성된 구동부의 초기 휨상태를 수평되게(0°)하여 조절할 경우 70x 50mm 크기의 면적에서 3십5만개의 실험용 캔틸레버(단위길이: 100mm)에서 0.02° 이내로 조절이 가능케 한다. 이러한 멤브레인층은 규소질화물(SiNx)을 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법을 이용하여 1000∼8000Å정도의 두께를 가지도록 형성한다. 상기 방법으로 증착된 규소질화물은 공급하는 제공 가스의 공급량의 조정 및 증착되는 온도의 조절로 규소질화물층의 스트레스를 압축에서 인장까지 조절할 수 있다(3×10⁹(tensile)에서 8×10⁹dyn/cm²). 이 기술을 이용하여 다층 박막으로 구성된 구동부로 지칭되는 캔틸레버의 스트레스를 조절한다. 이때, 규소질화물의 증착온도는 750∼850℃이며, 규소질화막의 굴절율을 1.98∼2.1정도에서 조절한다.

SMP2 공정은 압전재료(piezoelectric material)의 결정방향의 배향을 향상시키는 백금(Pt)과 탄탈륨(Ta) 또는 티타늄(Ti)으로 구성된 상부전극층(307)과 하부전극층(305)를 형성한다(도 6e참조). 전극 재료의 증착은 스퍼터링 방법으로 수행되며, 증착 시 200∼300℃정도의 열처리를 동시에 하면서 수행하며, 특히 하부전극형성 시에는 접착층으로 도입되는 탄탈륨 또는 티타늄은 산소분위기의 급속열처리(RTA: rapid temperature annealing)방법으로 열처리하여 백금전극과 압전층의 결정방향의 배향을 향상 시킬 수 있다. 이는 압전 성질을 이용한 변위 구동을 위한 응용분야에서 매우 중요하다. 결정방향의 배향이 향상 될수록 압전의 특성이 향상이 된다.

압전층을 PZT(PbZrTiO₃) 또는 PLZT(PbLaZrTiO₃) 등의 압전 물질을 사용하여 0.1∼1㎛ 정도의 두께를 가지도록 형성한다. 압전층은 졸-겔(sol-gel)법, 스퍼터링 방법, 또는 화학 기상 증착(CVD) 방법을 이용하여 형성한 후, 급속열처리 방법으로 결정화시킨다. 압전물질의 증착 방법에 있어서 핵 생성 층(nuclear seed layer)을 도입함으로써 백금과 압전물질 간의 결정격자(lattice parameter)의 불일치성을 최소화하므로 핵 생성을 향상시켜서 압전물질의 특성을 향상시키며, 급속열처리(RTA)를 통하여 2차상이 없는 페르브스카이트 구조(perovskite structure)를 갖게 한다. 이 핵 생성층은 증착하고자 하는 압전층과 유사한 결정성을 갖는 물질로써 PT(PbTiO₃)를 사용한다. 졸-젤(Sol-gel)법으로 제조하는 경우, 용제(solvent)의 제거를 위한 건조조건 200℃∼400℃ 및 700℃ 이하에서의 어닐링공정으로 구성되며, 스퍼터링이나 화학 기상 증착 방법으로는 압전물질의 증착 시의 온도를 300℃ 내지 400℃로 조절하고 급속열처리를 통한 700℃ 이하에서의 열처리 공정으로 수행한다.

본 공정은 전극재료를 식각하는 공정기술로써 본 발명에서 상부전극 또는 하부전극을 형성하는 데 사용되는 공정기술이다. 염화가스(Cl₂, BCl₃)를 주요 에칭 가스로, 그리고 불활성(inert) 가스(Ar 또는 He)를 사용하는 혼합가스를 사용하는 고밀도 프라즈마 형태(high density plasma type) 식각 장비(etcher equipment)를 사용하여 저압에서(10 mTorr 이하) 식각을 수행한다. 이공정의 식각 속도는 900∼ 1500℃/min이며, 염화가스/불활성가스의 혼합비율은 (10∼30sccm)/(110∼140sccm)이다. 그리고 식각 균일도는 3% 이하로 조절한다.

압전재료를 식각하는 공정기술로써 본 발명에서 압전요소(208) 형성하는 기술이다. 불화가스(SF₆, CF₄, CHF₃)를 주요 에칭 가스(Etcher gases)로 그리고 불활성(inert) 가스(Ar 또는 He)를 사용하는 혼합가스를 사용하는 혼합가스의 사용하는, 또는 염화가스(Cl₂, BCl₃)를 주요 에칭 가스로 그리고 불활성 가스(Ar 또는 He)를 사용하는 혼합가스를 사용하는 고밀도 프라즈마 형태 식각 장비를 사용하여 저압에서(10 mTorr 이하) 식각을 수행한다. 불화가스를 사용하는 경우 이 攻정의 식각 속도는 2500∼3500Å/min이며, 불화가스/불활성가스의 혼합비율은 (20 ∼40sccm)/(30∼60sccm)이다. 그리고 식각 균일도는 3% 이하로 조절한다. 염화가스를 사용하는 경우 이공정의 식각 속도는 2200∼3200Å/min이며, 염화가스/불활성가스의 혼합비율은 (20∼40sccm)/(0∼20sccm)이다. 그리고 식각 균일도는 3% 이하로 조절한다.

SMP3 공정은 희생층을 에어갭이 형성될 부분에 다결정 실리콘(polysilicon) 재료를 1.0∼3㎛ 정도의 두께로 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법을 이용하여 증착하여 형성한다. 증착되는 온도 600℃에서 700℃정도이며 조정된 희생층의 스트레스는 2x10⁹dyn/cm²이하 (silicon wafer위에서 tensile)이다. 이렇게 형성된 희생층은 불화크세논(XeF₂) 기화 식각 공정을 이용하여 제거함으로써 희생층의 위치에 에어 갭을 형성한다. 불화크세논(XeF₂) 는 상온 상압에서 고체상태이다. 그러나 저압이나 약간의 고온에서 승화되어서 기체가 된다. 이 성질을 이용하여 저압 분위기 하에서 불화크세논을 이용하여 기화된 불화 크세논 제조하여 규소로 제조된 다결정질 규소(polysilicon)를 기화 상태에서 반응이 일어나서 크세논 가스와 불화규소가스로 기화되어서 제거된다. 에칭을 수행하는 중에 계속적으로 기화된 불화 크세논을 공급하는 형태의 식각 방법과 일정시간의 간격을 주고 기화된 불화 크세논을 공급하는 방법으로 공정을 진행할 수 있다. 이 공정은 규소 산화막의 경우 매우 안정하여서 거의 식각이 불가능하고 많은 물질(알루미늄, 금, 산화물 그리고 질화물)과 안정하여, 규소 또는 텡스텐 등의 금속성분을 제거하기에 알맞은 공정이다.

SMP4 공정은 MEMS에서 구조적으로 분리되어 있는 요소의 전기적 연결을 위해 에어 브릿지를 이용한다. 한 실 예로 본 발명에서는 상부전극과 공통전극의 연결 시에 에어 브릿지(Air bridge)는 우수한 절연성을 확보한 공기를 이용하여 다른 인접하는 층들과의 절연성을 확보하게 하고, 금속연결(metal contact)이 가능하게 하여 준다. 이 기술은 반도체 공정에서 응용되고 있는 비어연결(via contact)과 유사하다. 그러나 반도체 공정에서와 같은 기존의 방법으로 다른 절연체를 사용하는 경우, 압전재료의 절연성과 유전율 등이 기존에 사용되고 있는 유전막(dielectric film)보다 좋아서 압전재료의 물성저하가 발생 하게 된다. 또한 표면에 발생된 굴곡(topology)는 적용되는 유전막의 증착 시 여러 개의 계단형식의 단차 구조를 유발되는 유전막의 물성 저하가 발생한다. 이 위에 직접적으로 비아연결(via contact)을 위한 식각 후 금속막을 증착하는 경우, 원하지 않는 굴곡사이의 측면(side wall) 금속을 제거하기위해서 많은 오버에칭(over etching)을 필요하게 된다. 그러나 포토레지스트(Photoresist)를 이용한 에어 브릿지(air bridge)는 공기을 절연체로 사용한 것으로 완전한 절연이 가능하고, 포토레지스트에 의한 일시적 표면 평탄화를 이루어진 상태에서 연결금속(contact metal)을 증착하므로써, 계단형태의 단차구조가 없게 된다. 이에 금속 식각은 평탄화된 평면적 공정으로 많은 시간의 오버 에칭(overetching)이 필요가 없다.

SMP5 공정은 일반적으로 사용하는 평탄화 공정 전에 추가적인 공정을 도입하여 본 발명에서 거론되는 평탄화공정전에 평탄화 하여야 하는 물질의 표면적을 최소화 함으로써 최적의 평탄화를 얻도록 한다(도 6c 참조).

도 6c에서 나타낸 것과 같은 구조를 평탄화공정 전에 포토리쏘그래픽 공정과 식각 공정을 통하여 평탄화 하기 위한 물질의 표면적을 최소화 함으로써 아래에서 설명되는 방법으로 평탄화 공정의 균일성을 향상 시킬 수 있다. 또한, 도면에서는 표시되어 있지 않지만, 각각의 소자가 위치하는 공간과 그 공간사이의 배열이 평탄화 공정에서 매우 중요한 설계기술로써, 소자가 위치하는 공간과 공간 사이에 즉 페리(perri) 지역이라고 불리는 지역에 소자가 위치하는 공간과 같은 구조를 형태의 더미(dummy)구조를 형성하여 균일성을 향상 시킬 수 있다. 이때 더미구조는 평탄화공정시 평탄화 되는 물질로 구성한다.

평탄화 공정 중 화학 기계적 연마(CMP)의 경우, 연마할 물질의 단면을 최소화하여서 상기에서 언급한 형태의 구조를 형성함으로써 초기의 연마속도를 상대적으로 증가 시킬 수 있다(상기의 건식 식각을 하지 않은 경우는 기판 전면에 희생층이 남아 있으므로 많은 시간이 걸리게 된다.)

또한, 희생층의 표면을 스핀 온 글래스(SOG) 또는 스핀 온 폴리머(polymer)를 사용하는 방법에서 에칭백(etching-back) 공정으로 평탄화를 수행하게 되는데 같은 원리로 스핀온그래스 및 폴리머층의 두께와 에칭백하여 제거하고자 하는 층의 두께를 상대적으로 얇게 할 수 있어 에칭백 공정 시간을 줄일 수 있다.

이러한 구조적 개선은 두 공정에 공통으로 적용되며, 두 공정의 공정시간을 최소화 함으로써, 두 공정을 수행하는 장비의 연마 또는 에칭의 일정한 균일도를 갖고 있을 때에 공정시간의 시간 또는 층의 두께의 증가에 따른 누적 두께편차가 증가되게 된다. 예를들면, 두 공정장비의 균일도가 1%라고 하면, 두께 3,000과 90,000을 수행하는 경우 항상 균일도는 1%이지만 누적되는 두께편차는 30과 900이다. 이러한 구조와 공정기술로 연마 또는 에칭백의 균일도를 최대화할 수 있다.

SMP6 공정은 내화물질의 금속 소재인 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 또는 질화티타늄(TiN) 그리고 질화산화티타늄(TiON) 등으로 구성되어 스퍼터링 또는 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 증착하며, 증착되는 막의 두께는 3000Å∼7000Å이다. 이 막의 구성은 접착막, 금속막, 확산방지막으로 구성된다. 접착막은 상기 언급된 금속막이 아래 산화막 또는 실리콘 기판(MOS 제조 시)과의 접착력을 향상시켜서 구조적 안정성과 전기적 성능을 향상시킨다. 확산 방지막은 텅스텐과 다른 박막 간의 규소(Si)확산을 제거하여서 후속 공정에서의 고온 공정시 원하지 않는 고체반응의 발생을 저하하여 전기적 성능의 저하를 막는다. 접착막으로는 티타늄(Ti)을 사용하고 두께는 100Å에서 700Å 정도이며, 확산방지막으로 질화티타늄 또는 질화산화티타늄을 사용하며 두께는 300Å에서 1000Å 정도이다. 그리고 전기적 연결의 주 금속으로 텅스텐(W)을 2000Å에서 6000Å 정도의 두께를 이용한다. 전체적으로 적층되는 순서는 Ti-TiN-W-TiON, Ti-TiN-W-TiN, 또는 Ti-TiON-W-TiON이다.

이러한 금속은 후속 공정에서의 열적 범위를 확보하여 MEMS 소자의 제조를 가능하게 한다. 또한 집적화된 단일 칩 제조 시, 내화물질의 금속 소재로 구성된 이 막은 IC회로 소자의 금속도선으로 사용되어서 본 발명에서 기술되는 새로운 MEMS 공정을 이용한 소자를 IC 회로 소자 위에 직접적 집적화를 가능케 한다.

내화물질의 금속소재의 건식 식각은 불화가스(SF₆,CF₄,CHF₃)를 주요 에칭 가스로 사용하는 혼합가스로 사용하고 고밀도 프라즈마 형태 식각 장비를 사용하여 저압(10 mTorr 이하)에서 식각을 수행한다. 이 식각 공정은 상기 언급한 가스의 조절과 장비의 RF 소스 파워 등을 조절하여 부드럽게 조절된 경사면의 금속단면을 갖도록 식각을 수행한다. 또한 식각 공정 후 금속막의 스트레스 조절을 위한 그리고 금속간의 합금을 위하여 열처리 공정을 수행한다. 열처리 공정온도는 400℃에서 500℃정도 수행하며, 분위기 조절용 가스로 질소(N₂)및 산소(O₂)를 사용한다.

상기에 기술한 SMP 기술을 이용한 본 발명의 압전구동 RF MEMS 스위치는,

전기적 절연을 위한 절연층이 적층된 실리콘 기판 또는 내화물질의 금속 소재를 이용한 IC가 내장된 기판;

상기 절연층 상부에 형성되고, 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 되는 제1외부신호단과 연결된 제1신호선;

상기 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 되는 제2외부신호단과 연결되고, 제1신호선과의 물리적 접촉을 통하여 신호를 스위칭할 수 있는 제2신호선;

상기 제2신호선을 구동하여 스위칭할 수 있게 하는 멤브레인, 압전요소, 하부전극, 상부전극으로 구성된 적어도 하나 이상의 압전 구동부;

상기 제2신호선과 압전 구동부를 기판에 연결하는 지지부로 구성되어 있다.

또한 상기의 본 발명에 의한 압전구동 RF MEMS 스위치의 다른 실시형태로서,

상기 절연층 상부에 형성되고, 전달하고자 하는 신호의 입력단과 출력단으로 구성된 신호선;

상기 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단과 물리적 접촉을 통하여 신호를 스위칭할 수 있는 접촉금속;

상기 접촉금속을 구동하여 스위칭할 수 있게 하는 멤브레인, 압전요소, 하부전극, 상부전극으로 구성된 적어도 하나 이상의 압전 구동부;

상기 압전 구동부를 기판에 연결하는 지지부로 구성되어 있다.

본 발명에 따른 RF 스위치에 있어서, 하부전극에 구동 신호로서 바이어스가인가되고 상부전극이 공통전극이 연결되어 있어 상하부전극 간에 전기장이 발생하게 된다. 이 전기장에 의하여 상하부전극 사이에 적층된 압전요소는 변형을 일으킨다. 이에 따라, 압전 구동부는 소정의 각도로 경사지게 되어, 압전 구동부의 하단에 위치한 제2신호선 또는 접촉 금속이 제1신호선 또는 신호 입력단과 출력단에 비접촉 상태의 스위칭 역할을 수행하도록 한다.

또한 본 발명에 따른 가변용량 커패시터는,

기판을 통한 전기적 손실을 막기 위한 절연층이 적층된 기판 또는 내화물질의 금속 소재를 이용한 IC가 내장된 기판;

상기 절연층 상부에 형성된 하부 평행전극판;

상기 하부 평행전극판과 에어 갭을 통한 일정 간격을 유지하여 커패시터를 형성하는 상부 평행전극판;

상기 상부 평행전극판을 상하로 움직여 상기 상하부 평행전극판 간극을 조정하여 커패시턴스를 변화시키기 위한 상부 평행전극판과 연결된 적어도 두 개 이상의 압전 구동부; 그리고,

본 발명에 따른 가변용량 커패시터에 있어서, 하부전극에 구동 신호로서 바이어스가 인가되고 상부전극이 공통전극에 연결되어 있어 상하부전극 간에 전기장이 발생하게 된다. 이 전기장에 의하여 상하부전극 사이에 적층된 압전요소는 변형을 일으킨다. 이에 따라, 압전 구동부는 소정의 각도로 경사지게 되고, 이에 따라 압전 구동부의 하단에 위치한 하부 평행전극판과 압전 구동부와 연결된 상부 평행전극판 간의 에어 갭의 조절로 커패시턴스의 조절이 가능한 가변용량 커패시터이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 RF 소자들을 상세하게 설명한다.방법에 대해 설명하고, 추후에 가변용량 커패시터의 구조 및 그의 제조 방법에대해 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 RF 스위치의 제1실시예의 평면도, 도 5a 및 5b는 도 4의 A-A' 선에 따른 단면도들이다.

도 4, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 RF 스위치(200)의 제1실시예는 제1외부신호선(213)과 제2외부신호선(214)의 전기적 개폐를 위하여 제1 외부신호선(213)과 전기적으로 연결된 제1신호선(203) 및 제2외부신호선(214)과 전기적으로 연결된 제2신호선(205)과, 전기기판(201)과, 제1신호선(203)과 제2신호선(205)을 물리적인 접촉에 의해 전기적인 개폐을 수행하는 압전 구동부(250)를 포함하여 이루어진다.

압전 구동부(250)는 멤브레인(206), 하부전극(207), 압전요소(208), 및 상부전극(209)으로 이루어지며, 압전 구동부(250)와 제2신호선(205)은 지지부(204)에 의해 기판과 연결되고 지지되어 있다.

제1신호선(203)은 제1비어홀(210)을 통하여 제1외부연결선(213)과 연결되어 있다. 또한, 제2외부 신호선(214)은 제2신호선(205)과 동일 금속층으로 형성되어 있다.

상기 압전 구동부(250) 내의 상부전극(209)에는 에어 브릿지(211)을 통하여외부로부터 공통전극선(217)과 연결되어 있으며, 하부전극(207)은 에어 브릿지(212)를 통하여 외부의 바이어스(216)와 연결되어 전기적 스위칭 역할을 수행하게 된다.

도 5a와 도 5b는 본 발명의 제1실시예에 따른 RF 스위치(200)의 작동 원리를 나타내는 도면들이다.

도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 RF 스위치(200)는 희생층(302)을 제거한 초기 상태에서 구동부(250) 내에 스트레스 조절에 따라 구동부(250) 하부에 위치한 제2신호선(205)이 제1신호선(203)과 물리적으로 접촉하여 전기적으로 연결된다.

스위치를 OFF시키기 위하여 압전요소(208) 상하에 위치한 상부전극(209)과 하부전극(207)에 일정한 전압을 인가시키면 도 7b와 같이 구동부(250)는 위로 변위를 일으켜 기판(201)과 평행하게 되고, 이에 따라 제2신호선(205)은 제1신호선(203)과 물리적으로 분리되어 전기적인 개방을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 RF 스위치의 제조 방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 6a 내지 도 6h는 본 발명의 제1실시예에 따른 RF 스위치의 제조 공정도를 도시한 것이다.

도 6a는 본 발명에 따른 RF 스위치에 있어서, 제1신호선(203)을 형성한 후의 후의 상태를 나타내는 도 5의 A-A' 선에 따른 단면도이다.

도시하는 바와 같이, 세척 후 실리콘 기판 또는 내화물질의 금속소재를 이용한 IC가 내장된 기판(201)의 상부에 절연층(202)을 형성한다. 이때, 절연층(202)은 LTO(Low Temperature Oxide) 또는 열산화막(thermal oxide) 등의 산화물을 저압 기상 증착(LPCVD) 방법, 건식 또는 습식 산화막 제조 방법(dry oxidation, wet oxidation)을 이용하여 5000∼12000Å 정도의 두께로 형성한다. 절연층(202)은 후속하는 공정 동안 실리콘 기판이 손상을 입게 되는 것을 방지하며, 실리콘 기판(201)과 후술하는 제1신호선(203)의 전기적 고립을 유지한다. 계속해서, 절연층(202) 상부에 제1신호층(도시되지 않음)을 형성한 후, 제1신호층을 패터닝하여 제1신호선(203)을 형성한다. 상기 공정은 앞에서 기술한 SMP6 공정을 이용하는 것으로서 열적 안정성을 갖는 신호선을 형성하고자 하는 것이고, 포토리쏘그래피 방법에 의해 패터닝하고 SMP6에서 언급된 건식 식각에 의하여 제1신호선(203)을 형성한다. 제1신호선(203)은 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 된다.

도 6b는 본 발명에 따른 RF 스위치에 있어서, 후술하게 될 지지부(204)를 형성하기 위한 지지층(301)을 증착한 후의 상태를 나타내는 도 4의 A-A' 선에 따른 단면도이다.

도시하는 바와 같이, 제1신호선(203)을 포함한 절연층(202)의 상부에 지지층(301)을 형성한다. 지지층(301)은 산화물을 1∼2㎛ 정도의 두께로 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법 또는 상압 화학 기상 증착(APCVD) 방법을 이용하여 형성한다. 산화물로는 보론(B)과 인(P)이 도핑된 실리콘 산화막(BPSG)이나 인(P)이 도핑된 실리콘 산화막(PSG)을 사용한다. 상기의 막은 350℃에서 450℃정도에서 증착한다. 이때, 막의 굴절률은 1.42에서 1.47 정도이다. 상기 산화막은 후속 공정에서거론될 표면 평탄화 공정에서 사용할 화학 기계적 연마에서 연마 정지막의 역할을 해야 하며, 또는 스핀 온 글라스(SOG) 또는 스핀 온 폴리머(polymer)를 사용하는 방법을 이용한 에칭백 시 에칭 방지막 역할을 수행하고, 마지막 공정에서 희생층 제거 시 사용하는 제거 기술인 불화크세논(XeF₂) 기화 식각 공정에서의 식각 방지막 역할을 수행하며, 또한, 적층막(mutil-layer)의 스트레스 조절 시 안정된 스트레스 조절이 가능하도록 하는 역할을 수행하는데, 이때, 막의 스트레스의 조정은 2×10⁹dyn/cm²이하가 되도록 조절한다.

상기 산화막(301)은 포토리쏘그래피 방법에 의해 패터닝하고 건식 식각에 의해 에칭된다. 이는 상기 지지층(301) 중 후속 공정에서 에어 갭(215)이 형성될 부분을 형성하기 위한 공정이다. 이때, 상기 건식 식각은 불화가스(SF₆,CF₄,CHF₃)와 불활성 가스의 혼합가스를 사용하고 반응 이온 식각 형태(RIE type) 식각 장비를 사용하여 300∼2000 mTorr 압력하에서 진행한다. 이러한 식각 공정은 포토리소그래피 방법에 의한 패터닝 시 포토레지스트를 조정하여 부드러운 경사면을 갖게함으로써 식각 공정 시 부드럽게 조절된 경사면 산화막 단면을 갖도록 식각을 수행한다.

이어서, 희생층(302)을 절연층(202)과 제1신호선(203) 및 지지부(도시하지 않음)위에, 즉 기판(201)의 표면 전체에 대하여 증착하는데, 이때, 희생층(302)은 SMP3 방법으로 형성한다.

도 6c는 본 발명에 따른 RF 스위치에 있어서, 희생층(302)을 포토리쏘그래피 방법에 의해 패터닝하고 건식 식각에 의해 에칭된 상태를 나타내는 도 4의 A-A' 선에 따른 단면도이다. 이 공정은 SMP5에서 기술된 바와 같은 평탄화 공정을 향상시키는 구조를 갖게 한다.

상기의 패터닝과 건식 식각은 앞선 공정에서 기술한 바와 유사한 방법으로 수행된다. 이는 평탄화 공정을 수행하기 전의 단면을 설명하고 있다. 후속 공정인 평탄화 공정은 SMP5에 기술된 바와 같이 수행한다.

도 6d는 제2신호선(도시하지 않음)을 형성하기 위한 제2신호층(303)를 증착한 후의 상태를 나타내는 단면도를 도시한 것이다.

제2신호층(303)은 평탄화된 희생층(302)의 상부와 지지부(204)의 상부에 증착되는데, 이때, 제2신호층(303)은 SMP6에서 기술된 방법으로 증착하여 형성한다.

도 6e는 본 발명에 따른 RF 스위치에 있어서, 제2신호층(303) 증착 공정 후 상기에서 언급한 연속적인 증착 공정으로 상부전극층(307)까지 형성한 후의 상태를 나타내는 단면도를 도시한 것이다.

각 층에 대한 세부 공정에 관하여 기술하면, 제2신호층(303)의 상부에는 압전 구동부(도시하지 않음)의 멤브레인(도시하지 않음)을 형성하기 위하여 SMP1에 기술된 방법으로 멤브레인층(304)을 증착한다. 이어서 SMP2에 기술된 방법으로 하부전극층(305), 압전층(306), 상부전극층(307)을 순차적으로 형성한다.

도 6f는 도 6e의 상부전극층(307)부터 제2신호층(303)을 단계별로 포토리쏘그래픽 방법을 이용한 패터닝과 식각을 통하여 상부전극(209)에서 제2신호선(205)까지를 형성한 후의 상태를 나타낸다.

구체적으로, 도 6e의 상부전극층(307), 압전층(306), 하부전극층(305)를SMP2에 기술된 식각 방법으로 에칭하여 상부전극(209), 압전요소(208), 하부전극(207), 바이어스 라인(215), 그리고 공통전극선(216)을 형성한다. 계속해서, 도 6e의 멤브레인층(304)과 제2신호층(303)를 차례로 식각하여 멤브레인(206)을 형성하여 압전 구동부를 완성하고 제2신호선(205)과 제2외부연결 신호선(214)을 형성한다. 마지막으로, 비록 도면으로 나타내지는 않았지만, 도 4에서 도시하는 바와 같이, 제1신호선(203)의 일부가 드러나도록 지지부(204)를 사각형 형상으로 패터닝하고 식각하여 제1비어홀(210)을 형성한다.

이때, 멤브레인(206)과 제1비어홀(210)의 형성은 불화가스(SF₆, CF₄, CHF₃)와 불활성 가스의 혼합가스를 에칭가스로 사용하고 반응 이온 식각 형태 식각 장비를 사용하여 300∼2000 mTorr 압력하에서 수행하며, 제2신호선(205)은 SMP6에서 기술된 식각 공정을 사용하여 형성한다.

도 6g는 본 발명에 따른 RF 스위치에 있어서, 에어 브릿지(211)을 형성한 후의 상태를 나타내는 도 4의 A-A'선에 따른 단면도를 도시한 것이며, 도면에는 생략되었으나, 도 4의 제1비어홀(210)의 형성 부분에 금속을 이용하여 제1외부연결선(213)을 동시에 같이 형성한다.

다시말해, 도 6g와 도 4를 참조하면, 상부전극(209)과 공통전극선(216) 사이와 하부전극(207)과 바이어스 라인(215) 간의 전기적 접속을 위하여, SMP4 공정을 이용하여 공기 중에 떠 있는 다리 형태의 에어 브릿지(211, 212)를 형성한다.

도 6h는 SMP3에 기술되어 있는 희생층 제거 기술을 사용하여 희생층을 제거한 후 상태를 나타내는 단면도이다. 도면에서, 부호 212는 희생층이 제거된 후 형성되는 에어 브릿지를 나타낸다.

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 RF 스위치를 나타내는 평면도를 나타낸다.

도 7와 도 5a를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 RF 스위치(400)는 제2신호선(405)의 좌우에 두 개의 압전 구동부(450, 450)를 갖는 구조이며, 이러한 구조는 제1실시예의 구조에 비해 구동부 쪽으로 신호손실이 적고 바이어스에 의한 간섭 잡음이 적은 구조이다.

도 5a의 제1실시예의 구조에서 보면 스위치가 온-상태에서 제1신호선(203)을 통해 제2신호선(205)으로 신호가 들어올 때 얇은 멤브레인(206) 위에 있는 하부전극(207)으로 유도전류가 발생하는데, 이러한 유도전류는 전력손실로 이어지는 바 이것을 방지하기 위해 제2실시예에서는 구동부(450, 450)가 제2신호선(405)과 겹쳐지지 않도록 설계한다. 따라서, 제2실시예에 따른 RF 스위치의 구조는 신호가 구동부쪽으로 손실이 일어나는 것을 막을 수 있다.

도 8 및 도 9는 도 4와 도 7에 나타낸 제1실시예와 제2실시예의 변형된 구조를 갖는 본 발명의 제3 및 제4실시예에 따른 RF 스위치(500, 600)을 나타낸다.

제3 및 제4실시예에 따른 RF 스위치의 압전구동부(550, 650)는 접촉금속(506, 606), 멤브레인(507, 607), 하부전극(508, 608), 압전요소(509, 609), 상부전극(510, 610)으로 구성되어 있고, 인가되는 바이어스에 의한 변형에 따라 압전 구동부(550, 650, 650)의 접촉금속(506, 606)이 제1신호선(503, 603) 및제2신호선(504, 604)과 접촉을 하게 되어 전기적 스위칭 역할을 수행하도록 구성된다.

도 7 내지 도 9에 나타낸 본 발명의 제2, 제3, 및 제4실시예에 따른 RF 스위치들의 제조 공정은 제1실시예에 따른 RF 스위치의 제조 공정과 동일하므로 별도로 설명하지 않는다.

도 10은 본 발명에 따른 가변용량 커패시터의 평면도를 나타내며, 도 11은 도 10의 B-B' 선에 따른 단면도를 나타낸다.

도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 가변용량 커패시터(500)는, 전기적 손실을 막기 위한 절연층(702)이 상부에 형성된 실리콘 기판(701) 또는 내화물질의 금속소재를 이용한 IC가 내장된 기판과, 내화물질 금속으로 구성된 하부 평행전극판(703)과, 하부 평행전극판(703)과 에어 갭(715)을 사이에 두고 수직방향으로 위치한 내화물질 금속으로 구성된 상부 평행전극판(705)과, 상부 평행전극판(705)을 상하로 이동시켜 커패시턴스를 변화시키는 두 개 이상의 압전 구동부(750)와, 그리고 상부 평행전극판(705)과 연결되어 있는 압전 구동부(750)를 지지하기 위한 지지부(704)를 포함하여 이루어진다.

비록 도면으로 나타내지는 않았지만, 지지부(704) 내에는 하부 평행전극판(703)과 하부단자 라인을 연결시키기 위한 비어홀이 형성되어 있으며, 하부 평행전극판(703)은 지지부 내에 형성된 비어홀을 통해 에어 브릿지 제조 시 형성되는 금속으로 하부단자 라인과 연결되어 있다.

압전 구동부(750)는 압전요소(708), 압전요소(708)의 양단에 전압차를 인가하기 위한 하부전극(707)과 상부전극(709), 그리고 구조적으로 지지하기 위한 멤브레인(706)으로 이루어지고, 압전 구동부(750) 하부에 위치하는 상부단자 라인(714)을 통해 상부 평형전극판이 외부 상부단자 라인(716)과 연결되며, 각각의 압전 구동부(750)의 하부전극(707)은 외부 바이어스 패드(710)와 직접적으로 연결되어 있고, 각각의 압전 구동부(750)의 상부전극(709)은 각각의 에어 브릿지(712)를 통해 공통전극 패드(711)와 연결되어 있다.

본 발명에 따른 가변용량 커패시터(700)는 상부 평행전극판(705)과 하부 평행전극판(703) 사이에 공기를 유전체로 사용한다. 각각의 압전 구동부(750)의 하부전극(707)에 바이어스가 인가되고 상부전극(709)에 공통전극이 인가되면, 압전요소(708)는 전기장과 수직한 방향으로 수축하게 된다. 이에 따라, 네 개의 압전 구동부(750)는 소정의 각도로 경사지고, 이 결과, 상부 평행전극판(705)이 상하로 움직여 평행전극판 간의 간격 변화에 따라 정전용량이 변한다.

본 발명에 따른 가변용량 커패시터의 제조 방법은 먼저, 절연 물질을 실리콘 기판(701) 상에 증착하여 절연층(702)를 형성한다. 이어서, 하부 평행전극판(703)을 형성한 후 지지부(704)를 형성한다. 계속해서, 에어 갭 형성을 위해 희생층을 형성한다. 상기한 각 구조의 형성은 상술한 RF 스위치의 제조 공정과 동일하다.

다음으로, RF 스위치의 제조 공정에서 사용한 기술을 이용하여 평탄화 공정을 수행하고, 하부 평행전극판(703)과, 멤브레인층, 하부전극층, 압전층, 상부전극층을 순서대로 증착한 후, 역순으로 식각하여 상부전극(709), 압전요소(708), 하부전극(707), 멤브레인(706)을 형성한다. 이때, 각각을 형성하는 방법은 상술한 RF스위치의 경우와 동일하다.

마지막으로, 상부전극(209)과 공통전극선 사이와 하부단자 라인과 하부 평행전극판 사이에 상기 SMP4 공정을 이용하여 에어 브릿지를 형성하고, 희생층을 SMP3에서 기술한 공정으로 제거하여 가변용량 커패시터(700)을 완성한다.

본 발명에 따르면, IC회로 소자와 공정적으로 호환이 되며 IC회로 소자 위에 직접적으로 MEMS소자들을 집적화 할 수 있는 총괄적 표준 MEMS 공정(Standard MEMS Processing, 이하 SMP라 함)을 제공하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면 소자의 크기를 줄일 수 있으며, 생산단가를 감소시키고, 기계적 미세 조정 등의 패키징의 어려움을 제거하고, 기생회로의 발생을 최소화, 또한 각각의 기능형 소자간의 연결에 따른 소자특성의 저하를 방지하는 것이 가능하다.

본 발명에서 기술된 압전 구동 RF 스위치는 수십 기가헤르츠(GHz)에서 0.5dB 이하의 낮은 삽입손실과 30∼40dB의 높은 전기 절연 등의 우수한 스위치 특성을 가지며, 낮은 구동전압에서 작동이 가능하여 휴대용 무선통신 시스템에서 적용이 가능하다.

또한, 상술한 바와 같이 본 발명의 압전구동방식 집적 가변용량 커패시터는, 압전구동방식으로 인해 선형적인 커패시턴스의 변화를 확보할 수 있으며, 기판과의 노이즈 성분을 줄일 수 있고 10 이상의 Q값을 확보할 수 있다. 또한, 구동부가 커패시터와 같은 면적 내에 위치하여 면적을 줄일 수 있는 효과가 있어 RF 대역 무선통신 이동시스템의 소형화에 기여할 수 있는 효과가 있다.

Claims

전기적 절연을 위한 절연층이 적층된 실리콘 기판 또는 내화물질의 금속 소재를 이용한 IC가 내장된 기판과,

상기 절연층 상부에 형성되고, 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 되는 제1외부신호단과 연결된 제1신호선과,

상기 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 되는 제2외부신호단과 연결되고, 제1신호선과의 물리적 접촉을 통하여 신호를 스위칭할 수 있는 제2신호선과,

상기 제2신호선을 구동하여 스위칭할 수 있게 하는 멤브레인, 압전요소, 하부전극, 상부전극으로 구성된 적어도 하나 이상의 압전 구동부와,

상기 제2신호선과 압전 구동부를 기판에 연결하는 지지부를 포함하여 이루어진 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치.
기판을 통한 전기적 손실을 막기 위한 절연층이 적층된 기판 또는 내화물질의 금속 소재를 이용한 IC가 내장된 기판과,

상기 절연층 상부에 형성된 하부 평행전극판과,

상기 하부 평행전극판과 에어 갭을 통한 일정 간격을 유지하여 커패시터를 형성하는 상부 평행전극판과,

상기 상부 평행전극판을 상하로 움직여 상기 상하부 평행전극판 간극을 조정하여 커패시턴스를 변화시키기 위한 상부 평행전극판과 연결된 적어도 두 개 이상의 압전 구동부와,

상기 압전 구동부를 기판에 연결하는 지지부를 포함하여 이루어진 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 가변용량 커패시터.
실리콘 기판 또는 내화물질의 금속소재를 이용한 IC가 내장된 기판을 제공하는 단계와,

상기 기판 위에 절연층을 형성하는 단계와,

상기 절연층 위에 제1신호층을 형성한 후, 제1신호층을 패터닝하여 전달하고자 하는 신호의 입력단 또는 출력단이 되는 제1신호선을 형성하는 단계와,

상기 제1신호선을 포함한 절연층의 상부에 지지층을 형성하는 단계와,

절연층, 제1신호선 및 지지부 상부 기판의 표면 전체에 대하여 희생층을 증착하는 단계와,

상기 희생층을 평탄화시키는 단계와,

평탄화된 희생층의 상부와 지지부의 상부에 제2신호층을 형성하는 단계와,

상기 제2신호층의 상부에 멤브레인층, 하부전극층, 압전층, 상부전극층을 순차적으로 형성하는 단계와,

상기 상부전극층, 압전층, 하부전극층을 패터닝하여 상부전극, 압전요소, 하부전극, 바이어스 라인, 그리고 공통전극선을 형성하는 단계와,

상기 멤브레인층과 제2신호층을 차례로 식각하여 멤브레인을 형성하여 압전구동부를 완성하고 제2신호선과 제2외부연결 신호선을 형성하는 단계와,

상기 제1신호선의 일부가 드러나도록 지지부를 사각형 형상으로 패터닝하고 식각하여 제1비어홀을 형성하는 단계와,

상기 상부전극과 공통전극선 사이와 하부전극과 바이어스 라인 간의 전기적 접속을 위하여, 공기 중에 떠 있는 다리 형태의 에어 브릿지를 형성하는 단계와,

희생층을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 멤브레인층이 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법에 의해 1000∼8000Å정도의 두께를 갖도록 형성된 규소질화물(SiNx)층인 것을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 상부전극층과 하부전극이 증착온도 200∼300℃에서 백금(Pt)과 탄탈륨(Ta) 또는 티타늄(Ti)을 스퍼터링 방법을 이용하여 형성함을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 하부전극 형성시 접착층으로 도입되는 탄탈륨 또는 티타늄은 산소분위기 하에서 급속열처리함을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 압전층이 PZT(PbZrTiO₃) 또는 PLZT(PbLaZrTiO₃)를 이용하여 0.1∼1㎛ 두께로 형성되고 급속열처리 방법으로 결정화됨을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 압전층의 생성시, 백금과 압전물질 간의 결정격자의 불일치성을 최소화하도록 핵생성층을 형섬함을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 희생층을 에어갭이 형성될 부분에 다결정 실리콘 재료를 1.0∼3㎛ 정도의 두께로 저압 화학 기상 증착 방법을 이용하여 증착하여 형성함을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 희생층의 제거가 불화크세논(XeF₂) 기화 식각 공정에 의해 수행됨을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 에어 브릿지가 포토레지스트에 의한 일시적 표면 평탄화를 이루어진 상태에서 연결금속을 증착하므로써, 계단형태의 단차구조가 없도록형성됨을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 내화물질의 금속소재가 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 또는 질화티타늄(TiN) 그리고 질화산화티타늄(TiON)인 것을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 내화물질의 금속소재가 Ti-TiN-W-TiON, Ti-TiN-W-TiN, 또는 Ti-TiON-W-TiON 순으로 적층됨을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 내화물질의 금속소재가 불화가스(SF₆,CF₄,CHF₃)를 에칭 가스로 사용하고, 고밀도 프라즈마 형태 식각 장비를 사용하여 저압에서 식각이 수행됨을 특징으로 하는 초소형 전기 기계 시스템을 이용한 압전구동 고주파 스위치의 제조방법.