KR20060017713A

KR20060017713A - 전자기력 구동의 ｍｅｍｓ 스위치 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20060017713A
Application number: KR1020040066180A
Authority: KR
Inventors: 박재영
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-08-21
Filing date: 2004-08-21
Publication date: 2006-02-27
Also published as: KR100664023B1

Abstract

본 발명은 고저항 실리콘 기판과; 상기 고저항 실리콘 기판에 양측 코어부와 바닥 코어부가 구비되도록 형성되는 고정 코어부와; 상기 고정코어의 양측 코어부 중 적어도 일측 코어부를 중심으로 와권형으로 매입 형성되는 코일과; 상기 고저항 실리콘 기판의 선단부에 서로 분리 형성되는 신호 접속단자와; 상기 고정코어의 상부에 가동 가능하게 형성되어 상기 신호 접속단자를 접속시키는 가동코어를 포함하여 구성되는 전자기력 구동의 MEMS 스위치 및 그 제조방법을 제공한다. 이러한 본 발명은 저전압에서 사용 가능한 자기 구동형 MEMS 스위치를 구현하여 기존의 FET 스위치의 단점인 고효율, 저손실, 광대역의 특성을 확보함으로써 차세대 이동단말기와 고가의 반도체 측정 장비에 사용 가능한 스위칭 어레이(array)에 응용할 수 있으며 큰 사업적 효과를 얻을 것으로 기대된다. 기존의 다른 자기 구동형 스위치와 비교하여도 열 분산 및 전력 소모에 있어 월등히 개선된 구조를 이용함으로써 좋은 성능을 가지며, 고주파에서 사용 가능하고 다른 공정과 호환이 가능해 무선 통신 기기의 필터 뱅크 와 같은 형태로 사용이 가능하다. 또한 실리콘(silicon) 기판위에 집적화가 용이하여 CMOS회로와 완전한 집적(fully integration)화가 가능함으로써 다양한 분야에 폭 넓게 응용이 가능한 장점을 갖고 있다.

Description

전자기력 구동의 ＭＥＭＳ 스위치 및 그 제조방법{MEMS SWITCH TO BE MOVED ELECTROMAGNETIC FORCE AND MANUFACTURE METHOD THEREOF}

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전자기력 구동 MEMS 스위치를 보인 것으로,

도 1은 전자기력 구동 MEMS 스위치의 평면도.

도 2는 전자기력 구동 MEMS 스위치의 종단면도.

도 3은 전자기력 구동 MEMS 스위치의 작용 설명도.

도 4는 전자기력 구동 MEMS 스위치 제조방법을 설명하기 위한 공정도.

도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 전자기력 구동 MEMS 스위치를 보인 도면.

도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 전자기력 구동 MEMS 스위치를 보인 도면.

도 9 및 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 전자기력 구동 MEMS 스위치를 보인 도면.

도 11 및 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 전자기력 구동 MEMS 스위치를 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 고저항 실리콘 기판

110;111,112,113,115 : 고정코어

110a,110b : 양측 코어부

110c : 바닥 코어부

120;121,122,123,125 : 코일

130;131,132,133,135 : 가동코어

140;141,142 : 신호 접속단자

본 발명은 이동 및 정보통신 회로 및 반도체 테스트 장비에서 신호의 차폐를 위하여 폭넓게 사용되고 있는 스위치에 관한 것으로, 특히 고저항 실리콘 기판에 고정코어와 가동코어로 이루어지는 자기코어와 코일을 갖는 전자기력 구동기를 형성하고 이 전자기력 구동기의 중간부 또는 일측부에 끊겨진 한쌍의 신호 접속단자를 형성하여 저전압에서 사용 가능하도록 한 전자기력 구동의 MEMS 스위치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 스위치는 통상의 가전기기부터 최근의 무선 이동통신 기기까지 대부분의 전자제품에 폭 넓게 널리 사용되고 있는 대표적인 부품으로 각종 전자제품의 부가 기능이 추가되어감에 따라 스위치는 단수의 제품에도 다량의 부품이 사용되어진다.

그 중에서도 FET(Field Effect Transistor) 소자는 반도체 형태의 스위치 부품으로 작은 사이즈와 낮은 가격으로 주류를 이루었으나 최근 나타난 MEMS 기술의 등장은 전기장 효과에 의한 스위칭이 아닌 기계적 구동을 통해 회로의 개폐를 제어할 수 있는 릴레이의 형태로 구현되기 시작하였으며, 이 MEMS 스위치는 기계적인 구동이 직접 발생하기 때문에 구동력을 발생시키는 방식에 따라 구분되는 것이 일반적이다.

첫 번째로 현재 가장 많이 연구 개발되고 있는 정전 구동 방식이 있다. 정전 구동 방식은 탄성 영역 내에서 변형이 가능한 구조물에 각각 양극과 음극의 전압을 가해주어 발생하는 서로간의 인력으로 회로를 차폐시키는 기본 개념을 가지고 있다. 이러한 정전구동 방식은 소모 전력이 작고 간단한 구조를 가져 구현이 쉬운 장점을 가지고 있다. 구동력이 인가한 전압 차이에 의해 발생하기 때문에 신뢰성을 갖으면서 구동하기 위하여서는 수십 볼트 이상이 요구된다. 따라서 저전압 사용이 필수적인 휴대폰과 같은 휴대형 모바일 기기에 그 적용이 쉽지 않을 것으로 예상된다.

자기 구동형 MEMS 스위치는 낮은 구동 전압, 큰 구동력과 변위 등 장점을 가지고 있지만 구조가 복잡해 제작이 어렵고 소비 전력이 높아 지금까지 많이 연구되지 않아 왔으나 최근 3차원 마이크로 머시닝 기술의 발전에 따라 앞에서 언급한 단점들을 개선할 수 있어서 연구개발이 활발이 이루어 지고 있다.

자기 구동형 MEMS 스위치는 앞에서 언급된 바와 같이 구조적으로 구현이 힘든 단점이 있어 지금까지 많은 연구가 진행되지 못했으며, 자기 구동력이 전류량에 비례해 발생하기 때문에 발열량이 많은 단점을 가지고 있다.

따라서, 이러한 단점을 해소 하기 위해서 다양한 개선이 이루어져야 하는데, 첫 번째로 면적을 최소화하고 공정 단계를 줄여야 한다. 두 번째로 코일의 단면적을 최대한 확보하고 면저항을 최소화하여 최대 전류량과 이에 따른 구동력을 확보하여야 한다. 마지막으로 가능한 열전도도가 높은 절연체를 사용하여 열 분산을 최대화시켜야 한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점 및 결함을 해소하기 위하여 창안한 것으로, 고저항 실리콘 기판에 고정코어와 가동코어로 이루어지는 자기코어와 코일을 갖는 전자기력 구동기를 형성하고 이 전자기력 구동기의 중간부 또는 일측부에 끊겨진 한쌍의 신호 접속단자를 형성하여 저전압에서 사용 가능하도록 한 전자기력 구동의 MEMS 스위치 및 그 제조방법를 제공하고자 함에 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 전자기력 구동의 MEMS 스위치는 본 발명은 하측 수평부(bottom magnetic core)와 그 양측의 수직부(side magnetic core)로 이루어지는 고정코어(core)와, 코일(coils), 신호 접속단자(signal line), 그리고 힌지(hinge)에 의해 상하로 가동하여 상기 신호 접속단자를 접속하는 가동 마그네틱 플레이트(movable upper magnetic plate)의 가동코어로 이루어지고, 이들이 고저항 실리콘 기판위에 집적화되어 구성된 것을 특징으로 한다.

즉, 고저항 실리콘 기판과, 고저항 실리콘 기판에 양측 코어부와 바닥 코어 부를 갖도록 형성되는 고정코어와, 상기 고저항 실리콘 기판에 고정코어의 중앙 수직부 주위로 형성되는 코일과, 상기 고저항 실리콘 기판의 일단부에 형성되는 외팔보(cantilever)의 가동코어와, 상기 고저항 실리콘 기판의 타단부에 서로 분리 형성되어 상기 가동코어에 의해 접속되는 신호 접속단자를 포함하여 구성된다.

이와 같은 본발명은 고저항 실리콘 웨이퍼를 사용하여 기존의 코일 부분을 웨이퍼 내에 삽입, 즉 웨이퍼에 홈을 파고 코일을 삽입시키는 매입(埋入) 형태로 형성함으로써 기존의 폴리머/메탈 형식의 다층 공정으로 인한 불안정성과 불균일성을 없앤 3차원 구조물의 구현을 더욱 용이하게 하게 되었고, 고저항 실리콘이 절연체의 역할을 함으로써 높은 고종횡비의 전도체 구조물의 구현이 가능해져 전기 저항을 줄이고 보다 많은 전류를 통과시켜 좋은 구동력을 얻을 수 있으며 소모 전력을 줄일 수가 있다. 또한 기존의 폴리머 계열의 절연체를 사용할 경우 폴리머 자체의 높은 열저항 때문에 열분산이 매우 안되는 단점이 있었으나 고저항 ??리콘을 사용한 본 발명은 그러한 문제를 개선시키는 성능의 개선을 가져왔다. 그리고 고저항 실리콘을 사용함으로써 고주파수대역에서 기판으로부터 오는 손실을 최소화 하였다.

이와 같은 본 발명은 차세대 이동단말 및 리컨피규어블(reconfigurable) 시스템에 적용을 위한 전자기력 구동의 MEMS 스위치와 그 제조 방법으로서 기존의 반도체 형태의 스위치와는 달리 초 미세 기계전기 시스템 가공 기술을 이용하여 저손실, 고격리도, 광대역의 특성을 얻도록 함으로써 차세대 이동 및 무선통신 시스템에 폭넓게 사용할 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면에 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전자기력 구동 MEMS 스위치를 보인 것으로, 도 1에는 전자기력 구동 MEMS 스위치의 평면도가 도시되고, 도 2에는 전자기력 구동 MEMS 스위치의 종단면도가 도시되어 있으며, 도 3에는 전자기력 구동 MEMS 스위치의 작용 설명도가 도시되어 있다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 전자기력 구동의 MEMS 스위치는 고저항 실리콘 기판(웨이퍼)(100)과, 상기 고저항 실리콘 기판(100)에 양측 코어부110a),(110b)와 바닥 코어부(110c)가 구비되도록 매입 형성되는 고정코어(110;111)와; 상기 고정코어(110;111)의 양측 코어부(110a),(110b) 중 적어도 일측 코어부(110a)를 중심으로 장방 와권형으로 매입 형성되는 코일(120;121)과; 상기 고저항 실리콘 기판(100)의 선단부에 서로 분리 형성되는 신호 접속단자(140;141,142)와; 상기 고정코어(110;111)의 상부에 가동 가능하게 형성되어 상기 신호 접속단자(140;141,142)를 접속시키는 가동코어(130;134)를 포함하여 구성되어 있다.

상기 코일(120;121)은 상기 고정코어(110;111)의 전방 코어부(110a)를 중심으로 형성되고, 상기 코일(120;121)의 전방 외측부에 상기 신호 접속단자(140;141,142)가 형성되며, 상기 가동코어(130;131)가 상기 고정코어(110;111)의 후방 코어부(110b)에 후단의 고정부(131b)가 연결되어, 상기 가동코어(130;131) 선단의 접속단(131a)이 상기 신호 접속단자(140;141,142)를 접속시키도록 구성되어 있다.

도 4는 본 발명에 의한 전자기력 구동 MEMS 스위치 제조방법을 설명하기 위한 공정도로서, 본 발명에 의한 전자기력 구동의 MEMS 스위치 소자의 제조과정은 도 4의 공정도에 각각의 공정에 따라 구분하여 나타내었다.

먼저 도 4a, 4b에 도시된 바와 같이 고저항 실리콘 기판(100)을 직벽으로 식각하여 코일(120;121)을 형성하였다. 이와 달리 기존의 폴리머 계열의 몰드에 의한 구조물의 구현은 고종횡비에 있어 한계가 있었지만 실리콘 식각을 통한 몰드는 알려진 바로는 최대 40:1의 고종횡비까지 구현이 가능하며 이제는 도금기술의 개발이 요구되고 있다. 그리고 소자의 크기를 줄이고 전기저항을 줄이기 위해 코일(120;121)의 선폭을 줄이고 깊은 트렌치(홈)를 형성시켜 전기 전도도가 좋은 구리 전기도금 등을 통해 코일을 형성한다.

이어서, 도 4c의 공정에서는 고저항 실리콘 기판(100)에 고정코어(110;111)를 형성하며, 낮은 전압에서 자기 전류를 최대한 많이 유도하여 높은 자속밀도를 얻기 위해서 니켈이나 니켈 합금과 같이 비교적 높은 투자율을 가지는 재료를 사용하여 역시 도금 공정을 통해 구현할 수 있다.

상기 코일(120;121)의 일측 고정코어부(110a), 외측단 수직부(110b) 및 하측 수평부(110c)는 모두 이 단계에서 형성하거나, 이전에 하측 수평부(110c)를 미리 형성하고 일측 고정코어부(110a)와 외측단 수직부(110b)를 이 단계에서 형성할 수도 있다.

이어서, 도 4d와 같이 고저항 실리콘 기판(100)의 도면을 기준으로 우측 단 부에 신호 접속단자(140;141,142)를 서로 분리되는 형태로 형성한다.

이어서, 도 4e 및 도 4f와 같이, 상기 고저항 실리콘 기판(100)의 좌측 단부에 일단이 연결된 형태로 외팔보의 가동코어(130;131)를 형성한다.

상기한 구조물 형성은 사진 감광 공정을 이용한 패턴 형성과 건식 식각을 이용한 몰드의 형성, 스퍼터링을 통한 전기 도금용 씨드층의 형성, 마지막으로 전기 도금 공정을 반복하여 형성한다. 도 4d,e,f 공정은 일반적으로 표면 마이크로 머시닝으로 불리우는 포토레지스트 및 감광성 폴리이미드를 사용한 몰드의 형성과 전기도금 그리고 희생층을 제거하는 공정으로 진행된다.

이와 같은 본 발명에 의한 전자기력 구동의 MEMS 스위치는 코일(120;121) 부분에 전류가 흐르면 고정코어(110;111)의 일측 고정코어부(110a)에 자속이 발생하여 도 3과 같이 자기 전류가 흐르게 되고 중앙부분에 서로 간에 인력이 작용하며, 외팔보(cantilever)의 가동코어(130;131) 끝단부가 아래로 움직여 두개로 나뉘어진 신호 접속단자(140;141,142)가 접속된다.

그리고, 인가되던 전류가 차단되면 가동코어(130;131)가 위로 복동되어 신호 접속단자(140;141,142)의 접속이 끊어지며, 이와 같은 가동코어(130;131)의 움직임으로 on/off 스위칭이 이루어지는 원리을 사용한다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 전자기력 구동 MEMS 스위치를 보인 도면으로서, 상기 도 1 내지 도 3에 도시된 일 실시예와 비교하여 가동코어(130;134)가 보다 넓은 폭을 갖으며 앞 부분이 접속단(134a)으로 가면서 점차 폭이 좁아지는 테이퍼형으로 형성된 것이 다르며, 이 외에 다른 구성 및 작용은 일 실시예와 같다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 전자기력 구동 MEMS 스위치를 보인 도면으로서, 이에 도시한 바와 같이 고저항 실리콘 기판(100)에 양측 코어부(110a),(110b)과 바닥 코어부(110c)가 구비되도록 형성되는 고정코어(110;112)의 양측 코어부(110a),(110b) 주위로 코일(120;122)이 각각 형성되고, 코일(120;122)의 전방 외측부에 신호 접속단자(140;141,142)가 형성되며, 상기 고정코어(110;112)의 후방 코어부(110b)에 가동코어(130;132) 후단의 고정단(132b)이 연결되어, 상기 가동코어(130;132) 선단의 접속단(132a)이 상기 신호 접속단자(140;141,142)를 접속시키도록 구성되어 있다.

이 도 7 및 도 8의 실시예는 두개의 수직 자기고정코어부가 구비된 고정코어(110;112)와 두개의 코일(120;122)을 갖으며, 움직이는 자성박막의 외팔보(cantilever), 즉 가동코어(130;132)의 고정단132b)이 고정코어(110;111)의 외측 수직 자기고정코어부에 연결되어서 가동코어(130;131)의 접속단(132a)이 신호 접속단자(140;141,142)를 접속시키게 된다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 전자기력 구동 MEMS 스위치를 보인 도면으로서, 고저항 실리콘 기판(100)에 양측 코어부(110a),(110b)와 바닥 코어부(110c)가 구비되도록 형성되는 고정코어(110;113)의 양측 코어부(110a),(110b) 주위로 한 쌍의 코일(120;123)이 형성되고, 상기 가동코어(130;133)의 양단부가 상기 고저항 실리콘 기판(100)에 탄성 힌지(133b)로 굴신 가능하게 연결되며, 상기 신호 접속단자(140;141,142)가 양쪽 코일(120;123)의 중간부에 형성 되어, 상기 가동코어(130;133)의 중간 접속부(133a)에 의해 접속되도록 구성되어 있다.

이 도 9 및 도 10의 실시예는 신호 접속단자(140;141,142)가 고정코어(110;113)에 구비된 두개의 양측 코어부(110a),(110b)와, 두개의 코일(120;123)을 갖는 전자기력 구동기의 중앙에 배치된 구조로서 움직이는 자성박막의 브리지(bridge)의 가동코어(130;133)가 4개의 끝단에 낮은 스프링 상수(spring constant)를 갖는 탄성 힌지(133b)로 연결되어 가동코어(130;133)의 중간 접속부(133a)가 신호 접속단자(140;141,142)를 접속시키게 된다.

도 11 및 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 전자기력 구동 MEMS 스위치를 보인 도면으로서, 고저항 실리콘 기판(100)에 양측 코어부(110a),(110b)와 바닥 코어부(110c)가 구비되도록 형성되는 고정코어(110;115)의 일측 코어부(110a) 주위로 코일(120;125)이 형성되고, 상기 가동코어(130;135)의 일측 양단부가 상기 고저항 실리콘 기판(100)에 탄성 힌지(135b)로 굴신 가능하게 연결되며, 상기 신호 접속단자(140;141,142)가 상기 코일(120;125)의 전방 외측부에 형성되어 상기 가동코어(130;135) 전방의 접속단(135a)에 의해 접속되도록 구성되어 있다.

이 도 11 및 도 12의 실시예는 끊겨진 신호 접속단자(140;141,142)가 양측 코어부110a),(110b)를 가지는 고정코어(110;115)와 하나의 코일(120;125)을 갖는 전자기력 구동기의 코일(120;125) 측면에 위치한 구조로서 움직이는 외팔보의 가동코어(130;135)의 한쪽에 끝단에 낮은 스프링 상수를 갖는 탄성 힌지(135b)로 연결하여 줌으로써 가동코어(130;135)가 탄성 힌지(135b)에 의해 탄력적으로 회동하여 가동코어(130;135)의 선단 접속단(135a)이 신호 접속단자(140;141,142)을 접속시키게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 3 V 이하의 저전압에서 사용 가능한 자기 구동형 MEMS 스위치를 구현하여 기존의 FET 스위치의 단점인 고효율, 저손실, 광대역의 특성을 확보함으로써 차세대 이동단말기와 고가의 반도체 측정 장비에 사용 가능한 스위칭 어레이(array)에 응용할 수 있으며 큰 사업적 효과를 얻을 것으로 기대된다. 기존의 다른 자기 구동형 스위치와 비교하여도 열 분산 및 전력 소모에 있어 월등히 개선된 구조를 이용함으로써 좋은 성능을 가지며, 고주파에서 사용 가능하고 다른 공정과 호환이 가능해 무선 통신 기기의 필터 뱅크 와 같은 형태로 사용이 가능하다. 또한 실리콘(silicon) 기판위에 집적화가 용이하여 CMOS회로와 완전한 집적(fully integration)화가 가능함으로써 다양한 분야에 폭 넓게 응용이 가능한 장점을 갖고 있다.

Claims

고저항 실리콘 기판과; 상기 고저항 실리콘 기판에 양측 코어부와 바닥 코어부가 구비되도록 형성되는 고정 코어부와; 상기 고정코어의 양측 코어부 중 적어도 일측 코어부를 중심으로 와권형으로 매입 형성되는 코일과; 상기 고저항 실리콘 기판의 선단부에 서로 분리 형성되는 신호 접속단자와; 상기 고정코어의 상부에 가동 가능하게 형성되어 상기 신호 접속단자를 접속시키는 가동코어를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전자기력 구동의 MEMS 스위치.
제 1 항에 있어서, 상기 고정코어의 전방 코어부를 중심으로 상기 코일이 형성되고, 상기 코일의 전방 외측부에 상기 신호 접속단자가 형성되며, 상기 가동코어가 상기 고정코어의 후방 코어부에 후단의 고정부로 연결되어, 상기 가동코어 선단의 접속단이 상기 신호 접속단자를 접속시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자기력 구동의 MEMS 스위치.
제 1 항에 있어서, 상기 고정코어의 양측 코어부 주위로 코일이 각각 형성되고, 상기 코일의 전방 외측부에 상기 신호 접속단자가 형성되며, 상기 고정코어의 후방 코어부에 가동코어 후단의 고정단이 연결되어, 상기 가동코어 선단의 접속단이 상기 신호 접속단자를 접속시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자기력 구동의 MEMS 스위치.
제 1 항에 있어서, 상기 고정코어의 양측 코어부 주위로 한 쌍의 코일이 형성되고, 상기 가동코어의 전,후방부의 양측단이 상기 고저항 실리콘 기판에 탄성 힌지로 굴신 가능하게 연결되며, 상기 신호 접속단자가 양쪽 코일의 중간부에 형성되어, 상기 가동코어의 중간 접속부에 의해 접속되도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자기력 구동의 MEMS 스위치.
제 1 항에 있어서, 상기 고정코어의 일측 코어부 주위로 코일이 형성되고, 상기 가동코어의 후방부의 양측단이 상기 고저항 실리콘 기판에 탄성 힌지로 굴신 가능하게 연결되며, 상기 신호 접속단자가 상기 코일의 전방 외측부에 형성되어 상기 가동코어 전방의 접속단에 의해 접속되도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자기력 구동의 MEMS 스위치.
고저항 실리콘 기판을 직벽으로 식각하고 코일을 매입 형성하는 단계와; 상기 고저항 실리콘 기판을 식각하고 양측 코어부,와 바닥 코어부를 갖는 고정코어를 매입 형성하는 단계와; 상기 고저항 실리콘 기판에 신호 접속단자를 서로 분리 형성하는 단계와; 상기 고저항 실리콘 기판의 가동코어 상부에 가동코어를 하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전자기력 구동의 MEMS 스위치 제조방법.
제 6 항에 있어서, 상기한 구조물 형성은 사진 감광 공정을 이용한 패턴 형 성과 건식 식각을 이용한 몰드의 형성, 스퍼터링을 통한 전기 도금용 씨드층의 형성, 마지막으로 전기 도금 공정을 반복하며, 상기 가동코어 형성 공정은 포토레지스트 및 감광성 폴리이미드를 사용한 몰드의 형성과 전기도금 그리고 희생층을 제거하는 공정으로 행하는 것을 특징으로 하는 전자기력 구동의 MEMS 스위치 제조방법.