KR20060090021A - Piezoelectric driven resistance-type rf mems switch and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이동 통신 기기의 핵심 부품인 RF MEMS(Radio Frequency Micro Electro Mechanical System, 고주파 미세기전 시스템) 스위치에 관한 것으로서, 특히 미세기전시스템의 공정 기술과 웨이퍼 단위의 패키징 기술을 이용하여 제조된 기판 위에 형성된 압전캔틸레버와, 상기 압전캔틸레버의 고정단 측에 설치되어 전압이 인가된 경우 상기 압전캔틸레버의 자유단을 변위시키는 압전구동부와, 상기 압전캔틸레버의 자유단 측에 설치된 접촉판과, 상기 접촉판과 소정의 갭을 두고 설치되는 신호선과, 상기 신호선 주위에 설치되는 접지선을 포함하고, 상기 압전구동부의 상부에는 상기 상판의 신호선과의 접합을 위해 금을 증착하며 그 주위에 확산방지댐이 형성된 중앙판; 질소 충전 또는 진공 패키지를 위하여 상기 중앙판의 하부에 접합되는 하판; 및 상기 중앙판의 상부와 접합되고, 외부와의 도선 연결을 위하여 기판을 관통하는 비아홀과, 상기 비아홀에 삽입되는 연결선과, 상기 연결선의 일측 단부에 형성된 연결패드와, 상기 연결선의 타측 단부에 형성된 금-주석 합금층을 포함하는 상판을 포함하는 압전 구동 방식 저항형 RF MEMS 스위치이다.The present invention relates to an RF MEMS (Radio Frequency Micro Electro Mechanical System) switch, which is a core component of a mobile communication device, and more particularly, on a substrate manufactured using a process technology of a micromechanical system and a wafer-based packaging technology. A piezoelectric cantilever formed, a piezoelectric drive portion provided at the fixed end side of the piezoelectric cantilever and displacing the free end of the piezoelectric cantilever when a voltage is applied, a contact plate provided at the free end side of the piezoelectric cantilever, and the contact plate; A center plate including a signal line provided with a predetermined gap and a ground line installed around the signal line, and depositing gold on the upper part of the piezoelectric driving unit for joining the signal line of the upper plate and having a diffusion preventing dam around the plate. ; A lower plate bonded to a lower portion of the middle plate for nitrogen filling or a vacuum package; And a via hole penetrated with an upper portion of the center plate and penetrating a substrate for connecting the wire to the outside, a connection line inserted into the via hole, a connection pad formed at one end of the connection line, and formed at the other end of the connection line. It is a piezoelectric drive resistive RF MEMS switch including a top plate including a gold-tin alloy layer.
RF 스위치, 압전, MEMSRF Switches, Piezo, MEMS
Description
도 1은 종래 기술에 의한 정전기력 구동 RF MEMS 스위치의 개략도1 is a schematic diagram of an electrostatic force driven RF MEMS switch according to the prior art;
도 2는 본 발명에 따른 저항형 압전 구동 방식의 알에프 마이크로 스위치의의 단위 구조를 개략적으로 도시한 사시도2 is a perspective view schematically showing a unit structure of an RF microswitch of a resistive piezoelectric driving method according to the present invention;
도 3은 도 2의 마이크로 스위치의 상판의 단위 구조의 단면도3 is a cross-sectional view of the unit structure of the upper plate of the micro switch of FIG.
도 4는 도3의 상판 구조의 공정 수순도4 is a process flowchart of the upper plate structure of FIG.
도 5는 도 2의 마이크로 스위치의 중앙판의 단위 구조의 단면도5 is a cross-sectional view of the unit structure of the midplane of the micro switch of FIG.
도 6은 도5의 상판 구조의 공정 수순도6 is a process flowchart of the upper plate structure of FIG.
도 7은 도 2의 마이크로 스위치의 접합 공정을 도식한 단면도7 is a cross-sectional view illustrating a bonding process of the micro switch of FIG. 2.
도 8은 도 2의 마이크로 스위치를 하나의 셀로 하여 이를 여러 개 결합하여 형성한 단일 입력 양 분배 스위치 및 단일 입력 3분배 스위치의 개략도8 is a schematic diagram of a single input double distribution switch and a single input triple switch formed by combining the micro switch of FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1: 입력단 2: 출력단1: input stage 2: output stage
3: 상부전극 4: 빔3: upper electrode 4: beam
5: 하부전극 6: 접지면5: lower electrode 6: ground plane
100: 하판 110: 중간판100: lower plate 110: intermediate plate
111: SOI기판 112: 금-주석 합금층111: SOI substrate 112: gold-tin alloy layer
113: 희생층 114: 씨앗층113: sacrificial layer 114: seed layer
120; 압전캔틸레버 121: 압전구동부120; Piezoelectric Cantilever 121: Piezoelectric Drive Part
122: 확산방지댐 123: 금층122: diffusion barrier 123: gold layer
124: 확산방지댐 125: 금층124: diffusion barrier 125: gold layer
130: 접촉판 200: 상판130: contact plate 200: top plate
201: 실리콘 기판 202: 연결패드201: silicon substrate 202: connection pad
203: 연결선 204: 비아홀203: connecting line 204: via hole
205: 확산방지댐 206: 금-주석 합금층205: diffusion barrier 206: gold-tin alloy layer
207: 캐버티 210,211: 접지선207: cavity 210,211: ground wire
220: 신호선220: signal line
본 발명은 이동 통신 기기의 핵심 부품인 RF MEMS(Radio Frequency Micro Electro Mechanical System, 고주파 미세기전 시스템) 스위치에 관한 것으로서, 특 히 미세기전시스템의 공정 기술과 웨이퍼 단위의 패키징 기술을 이용하여 제조된 압전 구동 방식의 저항형 마이크로 스위치에 관한 것이다.The present invention relates to an RF MEMS (Radio Frequency Micro Electro Mechanical System) switch, which is a core component of a mobile communication device, and more particularly, a piezoelectric device manufactured using a process technology of a micromechanical system and a packaging technology of a wafer unit. It relates to a resistive micro switch of a driving method.
최근의 이동 통신 기기의 급격한 발전 및 보급에 따라 이동 통신기기를 구성하는 부품들에 대한 소형화, 경량화, 및 고성능화에 대한 요구가 커지고 있다. Recently, with the rapid development and dissemination of mobile communication devices, the demand for miniaturization, light weight, and high performance of components constituting mobile communication devices is increasing.
또한, 차세대 무선 통신 시스템은 하나의 단말기에 하나의 특정 주파수 대역을 사용하는 현재의 시스템에서 하나의 단말기에서 여러 개의 주파수 대역과 여러 개의 모드를 사용할 수 있는 다기능 형태로 발전하리라 예상된다. In addition, the next generation wireless communication system is expected to be developed in a multifunctional form that can use multiple frequency bands and multiple modes in one terminal in the current system using one specific frequency band in one terminal.
따라서, 이동 통신기기 부품들은 여러 가지 주파수 대역에서 일정한 특성 이상의 우수한 특성을 나타낼 수 있어야 한다. Accordingly, mobile communication device components should be able to exhibit excellent characteristics over certain characteristics in various frequency bands.
알에프(RF; Radio Frequency) 시스템의 구성에 있어서, 신호의 분배, 단락 및 접촉을 위한 알에프 스위치는 수동 소자 모듈를 구성하는 핵심 부품이다. In the construction of RF (RF) systems, RF switches for signal distribution, short-circuit and contact are the key components of the passive element module.
현재, 알에프 스위치에 많이 상용되고 있는 FET(Field Effect Trnasistor) 타입이나 PIN 타입의 반도체 스위치는 외부의 인가 전압에 의한 전도도 변화를 갖는 반도체 특성을 이용하여 신호를 단락, 연결시키는 스위칭 역할을 한다. 이러한 반도체 스위치 방식은 신호선의 단락 및 연결에 의한 스위칭이 아닌 트랜지스터 또는 pn 접합의 특성을 이용한 스위칭이므로 높은 주파수에서 높은 삽입 손실 및 낮은 격리도 등의 알에프 특성이 나빠지는 단점을 가진다. Currently, FET (Field Effect Transistor) type or PIN type semiconductor switch, which are widely used in RF switches, serves to switch and short-circuit and connect signals using semiconductor characteristics having a change in conductivity caused by an externally applied voltage. The semiconductor switch method is a switching using a characteristic of a transistor or a pn junction rather than switching by a short circuit and connection of the signal line has a disadvantage in that the RF characteristics such as high insertion loss and low isolation at the high frequency worsens.
특히, 단일 스위칭 셀을 여러 개 배열하여 형성하는 단일 입력 다 분배 (single-pole-multi-throughput) 방식의 반도체 스위치는 고주파의 단위 셀간의 간섭에 의한 신호 왜곡이 쉽게 되므로 알에프 기기의 사용에는 적합하지 않다. In particular, the single-pole-multi-throughput semiconductor switch formed by arranging a single switching cell is not suitable for the use of RF devices because signal distortion due to interference between high frequency unit cells is easy. not.
미세기전시스템을 이용하여 반도체 스위치를 대용하려는 연구가 미국특허 US5,619,061를 시작으로 하여 수많은 연구 기관 및 연구자들에 수행되고 있다. 현재 연구되고 있는 미세기전시스템을 이용한 마이크로 스위치의 구동 방식은 대부분 도 1과 같은 정전력 구동 방식으로 국한되어 있다. Research into substituting semiconductor switches using micromechanical systems has been conducted in numerous research institutes and researchers, starting with US Pat. No. 5,619,061. Currently, the driving method of the micro switch using the micromechanical system is limited to the constant power driving method as shown in FIG. 1.
이는 정전력 구동 방식이 개념적으로 접근이 용이하며, 특별한 재료의 제약이 없고, 소자의 공정 및 제조가 용이하기 때문이다. This is because the constant power driving method is conceptually easy to access, there are no special material restrictions, and the device is easy to process and manufacture.
도 1의 종래의 정전력 구동 RF MEMS 스위치는 탄성복원력을 가지는 빔(4)과 일체로 형성된 상부전극(3)과, 상기 상부전극(3) 아래로 소정의 간격을 두어 설치되고 접지면(6)을 가지는 하부전극(5)과, 상기 빔(4)의 접촉에 의해 단속되도록 약간의 거리를 두고 형성된 입력단(1) 및 출력단(2)을 포함한다. The conventional electrostatic force driven RF MEMS switch of FIG. 1 is provided with an
따라서, 상기 상부전극(3)과 하부전극(4) 사이에 전압을 걸어 정전력을 발생시켜 상기 빔(4)이 작동하여 상기 입력단(1) 및 출력단(2)을 전기적으로 연결해서 스위치는 온이 된다. 그러므로, 평상상태, 즉 상부전극(3)과 하부전극(4) 사이에 전압이 걸리지 않은 상태에서는 스위치가 오프된다.Accordingly, a voltage is applied between the
그러나, 이러한 정전력을 이용한 알에프 마이크로 스위칭 구동 방식은 재현성을 갖는 스위칭 시스템을 구현하기 위해서는 최소 10 볼트 이상의 높은 전압을 요구한다. 이렇게 큰 전압은 스위치의 유전체 부분에 전하를 축척시키는 문제점과, 금속의 접촉 부분에 강한 충격을 일으켜 표면을 마모시키는 문제점을 일으켜 신뢰성을 크게 저하시킬 수 있다.However, the RF micro-switching driving method using the constant power requires a high voltage of at least 10 volts to implement a reproducible switching system. Such a large voltage can cause a problem of accumulating electric charges in the dielectric part of the switch, and a problem of strong impact on the contact parts of the metal and abrasion of the surface, thereby greatly reducing the reliability.
미세기전 시스템을 이용한 마이크로 스위치의 저전압 구동과 관련된 연구 방 향으로는 크게 네 가지로 압축할 수 있다. There are four major research directions related to the low-voltage operation of microswitches using micromechanical systems.
첫째, 구조물 자체를 유연하게 하여 즉 용수철 상수를 낮추어 구동 부분의 작동을 용이하게 하는 정전압 방식이 있다. 이 경우 구조체의 안정성이 떨어지며 용수철 상수를 낮추기 위하여 신호 경로를 길게 하므로 저항 및 인덕턴스가 증가하여 신호 지연 시간이 증가할 수 있다. First, there is a constant voltage method that makes the structure itself flexible, that is, lowers the spring constant to facilitate the operation of the driving part. In this case, the stability of the structure decreases and the signal path is increased to lower the spring constant, which increases the resistance and inductance, thereby increasing the signal delay time.
둘째, 정자기력 구동 방식을 이용한 마이크로 스위치가 있다. 정자기력 방식은 자성을 갖는 물질로 구동부를 만들어 작동시키는 방식으로 저전압 구동 스위치 제조가 용이하나, 전력 소모가 매우 커서 배터리 유지 시간을 짧게 한다는 단점을 가지고 있다. Second, there is a micro switch using a static magnetic force driving method. The magneto-optic method is a method of making a drive part made of a magnetic material to operate the low voltage drive switch, but has a disadvantage in that the power consumption is very large and the battery holding time is shortened.
셋째, 열 구동 방식을 이용한 마이크로 스위치가 있는데, 이는 구동부의 구동을 위하여 긴 시간이 필요하다는 단점을 가지고 있다. Third, there is a micro switch using a thermal drive method, which has a disadvantage of requiring a long time for driving the drive unit.
넷째가 압전 방식을 이용한 마이크로 스위치이다. The fourth is a micro switch using a piezoelectric method.
상기 압전력을 이용한 알에프 마이크로 스위치는 저전압, 저전력 소모 구동이 가능하며 이론적으로 가장 빠른 스위칭 동작 시간을 갖는다. 또한, 적절한 전극을 사용하였을 경우 압전 구동부의 구동 횟수도 거의 무한대로 가져갈 수 있다는 장점을 갖는다. The RF micro switch using the piezoelectric power is capable of driving low voltage and low power consumption, and has the fastest switching operation time in theory. In addition, when the appropriate electrode is used, the number of driving of the piezoelectric driver may also be almost infinite.
다만, 압전성을 갖는 특수한 재료를 사용하여야 하며, 공정 및 제조 과정이 많은 경험을 바탕으로 이루어져야 한다는 단점을 가지고 있다.However, the use of a special material having a piezoelectric property, and has the disadvantage that the process and manufacturing process must be made based on a lot of experience.
기존의 미세기전시스템 마이크로 스위치의 패키징에서의 외부 패드 연결 방식은 내부 소자의 신호 전극과 패키징 연결 부위의 패드 전극을 평면에서 연결하는 방식을 많이 채택하고 있다. 이는 패드 전극을 연결하는 부분에 별도의 공간이 필요하므로 전체적으로 패키징된 소자의 면적이 증가하는 단점을 가지고 있다. The external pad connection method of the conventional micromechanical system microswitch packaging employs a method of connecting the signal electrode of the internal device and the pad electrode of the packaging connection part in a plane. This requires a separate space at the portion connecting the pad electrode has the disadvantage of increasing the area of the packaged device as a whole.
이는 기존 미세기전시스템 마이크로 스위치가 군사용 목적으로 개발되어서 소자 면적에 큰 제한이 없기 때문이다. This is because the existing micromechanical system microswitch has been developed for military purposes, so there is no big limitation on the device area.
이동 통신 단말기 적용에 있어서는 단말기 자체의 다 기능화 (통화 기능, 디지털 카메라 모듈 기능, 개인 정보 관리 시스템 기능, 및 MP3 플레이어 기능 등) 로 인하여 소자의 소형화가 절실히 요구 되므로 이러한 형태의 패키징 방식은 적합하지 않다. This type of packaging method is not suitable for the application of the mobile communication terminal, since the miniaturization of the device is urgently required due to the multifunctionalization of the terminal itself (call function, digital camera module function, personal information management system function, and MP3 player function, etc.). .
본 발명의 목적은 앞서 설명한 반도체 스위치의 고주파에서 갖는 높은 삽입 손실 및 낮은 격리도의 문제점을 해결하는데 있다.An object of the present invention is to solve the problems of high insertion loss and low isolation at high frequency of the semiconductor switch described above.
본 발명의 다른 목적은 단일 입력 단일 출력 마이크로 스위치를 적절하게 배열하여 우수한 특성을 갖는 단일 입력 다방향 분배(single pole multi throughput) 마이크로 스위치 모듈을 구현하는데 있다. Another object of the present invention is to implement a single input single pole multi throughput micro switch module having excellent characteristics by properly arranging a single input single output micro switch.
본 발명의 또 다른 목적은 정전력 구동 방식의 미세기전 시스템 스위치의 높은 작동 전압을 수 볼트 정도로 낮추어 직류 변압기 없이 일반적인 이동 단말기 소자의 기본 배터리 전압 그대로 사용하는데 있다. Still another object of the present invention is to lower the high operating voltage of the microvoltaic system switch of the constant power driving method to several volts so as to use the basic battery voltage of a general mobile terminal device without a DC transformer.
본 발명의 또 다른 목적은 마이크로 스위치 소자의 전력 소모를 최소로 구현하여 이동 단말 기기의 배터리 사용 시간을 최대화하는데 있다. Another object of the present invention is to maximize the battery life of the mobile terminal device by minimizing the power consumption of the micro switch device.
본 발명의 또 다른 목적은 웨이퍼 단위의 패키지 기술을 적용하여 최대한 적은 면적을 갖는 고신뢰성의 패키지 마이크로 스위치 소자를 구현하는데 있다.
Still another object of the present invention is to implement a highly reliable packaged micro switch device having the smallest area possible by applying a wafer-based package technology.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판 위에 형성된 압전캔틸레버와, 상기 압전캔틸레버의 고정단 측에 설치되어 전압이 인가된 경우 상기 압전캔틸레버의 자유단을 변위시키는 압전구동부와, 상기 압전캔틸레버의 자유단 측에 설치된 접촉판과, 상기 접촉판과 소정의 갭을 두고 설치되는 신호선과, 상기 신호선 주위에 설치되는 접지선을 포함하고, 상기 압전구동부의 상부에는 상기 상판의 신호선과의 접합을 위해 금을 증착하며 그 주위에 확산방지댐이 형성된 중앙판; 질소 충전 또는 진공 패키지를 위하여 상기 중앙판의 하부에 접합되는 하판; 및 상기 중앙판의 상부와 접합되고, 외부와의 도선 연결을 위하여 기판을 관통하는 비아홀과, 상기 비아홀에 삽입되는 연결선과, 상기 연결선의 일측 단부에 형성된 연결패드와, 상기 연결선의 타측 단부에 형성된 금-주석 합금층을 포함하는 상판을 포함하는 압전 구동 방식 저항형 RF MEMS 스위치이다.The present invention for achieving the above object, the piezoelectric cantilever formed on the substrate, the piezoelectric driving portion for displacing the free end of the piezoelectric cantilever when the voltage is applied to the fixed end side of the piezoelectric cantilever and the piezoelectric cantilever A contact plate provided on the free end side, a signal line provided with a predetermined gap with the contact plate, and a ground line provided around the signal line, and an upper portion of the piezoelectric drive unit for joining the signal line of the upper plate. A central plate formed with a diffusion preventing dam around it; A lower plate bonded to a lower portion of the middle plate for nitrogen filling or a vacuum package; And a via hole penetrated with an upper portion of the center plate and penetrating a substrate for connecting the wire to the outside, a connection line inserted into the via hole, a connection pad formed at one end of the connection line, and formed at the other end of the connection line. It is a piezoelectric drive resistive RF MEMS switch including a top plate including a gold-tin alloy layer.
상기 상판과 상기 중앙판의 밀봉실립 접합을 위하여, 상기 중앙판의 상부에는 금을 증착하고 그 주위에 확산방지댐을 형성하고, 상기 상판의 하부에는 금-주석 합금을 증착하고 그 주위에 확산방지댐을 형성하는 것을 특징으로 한다.For sealing-separated bonding of the upper plate and the middle plate, gold is deposited on the upper part of the middle plate and a diffusion barrier is formed around the upper plate, and a gold-tin alloy is deposited on the lower part of the upper plate to prevent diffusion around the upper plate. It is characterized by forming a dam.
상기 중앙판의 기판은 SOI 기판인 것을 특징으로 한다.The substrate of the middle plate is characterized in that the SOI substrate.
상기 접촉판은 이리듐, 루데늄, 몰리브데늄, 텅스텐의 단일금속으로 형성된 것을 특징으로 한다.The contact plate is characterized in that formed of a single metal of iridium, rudenium, molybdenum, tungsten.
상기 중앙판의 기판의 하부에는 금주석합금을 패터닝하여 형성하는 것을 특징으로 한다.The lower portion of the substrate of the middle plate is characterized in that formed by patterning the gold alloy.
상기 하판의 상면에는 금이 도포된 것을 특징으로 한다.Gold is coated on the upper surface of the lower plate.
상기 상판의 하부에는 상기 중앙판의 접지선과 신호선을 수용할 수 있도록 캐버티를 형성하는 것을 특징으로 한다.The lower portion of the upper plate is characterized in that the cavity is formed to accommodate the ground line and the signal line of the central plate.
상기 상판의 기판은 실리콘 기판, LTCC 기판, 유리기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.The upper substrate may be any one of a silicon substrate, an LTCC substrate, and a glass substrate.
상기 확산방지막은 티타늄, 크롬 또는 질화알루미늄인 것을 특징으로 한다.The diffusion barrier is characterized in that the titanium, chromium or aluminum nitride.
또, 상기의 상판과 중앙판과 하판의 결합은, 적외선을 이용하여 상판과 중앙판의 배열을 맞추는 단계; 질소분위기 또는 진공분위기에서 250~350℃의 열을 가하여 상판의 금-주석 합금층과 중앙판의 금층을 접합하는 단계; 및 질소분위기 또는 진공분위기에서 250~350℃의 열을 가하여 중앙판의 하부의 금-주석 합금층과 하판을 접합하는 단계를 포함하여 제작되는 것을 특징으로 한다.In addition, the combination of the upper plate, the middle plate and the lower plate, the step of aligning the arrangement of the top plate and the center plate using infrared; Joining the gold-tin alloy layer of the upper plate and the gold layer of the middle plate by applying heat of 250 to 350 ° C. in a nitrogen atmosphere or a vacuum atmosphere; And bonding the lower plate to the gold-tin alloy layer in the lower part of the middle plate by applying heat of 250 to 350 ° C. in a nitrogen atmosphere or a vacuum atmosphere.
또한, 상기 스위치의 작동전압을 조절하기 위해 중앙판과 하판을 접합하기 전에 압전캔틸레버의 두께를 식각으로 얇게 하거나, 유전체 박막증착으로 두껍게 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the thickness of the piezoelectric cantilever is thinned by etching or thickened by dielectric thin film deposition before bonding the middle plate and the lower plate to adjust the operating voltage of the switch.
또한, 상기의 상판은, 기판을 하부측을 식각하여 비아홀로 사용될 트렌치를 형성하는 단계; 도금공정을 이용하여 상기 트렌치를 도전체로 채우는 단계; 상기 기판의 하부를 화학 기계적 연마법으로 평탄하게 연마하는 단계; 상기 기판의 하부 에 중앙판의 신호선 및 접지선을 수용할 수 있는 캐버티를 형성하는 단계; 금-주석합금층 및 확산방지댐을 패터닝하고 증착한 후 리프트오프공정을 통하여 형성하는 단계; 및 상기 중앙판과 결합한 후, 기판의 상부를 화학기계적 연마법으로 연마하여 외부회로와의 연결을 위한 연결패드를 형성하는 단계를 포함하여 제작되는 것을 특징으로 한다.In addition, the upper plate may include forming a trench to be used as a via hole by etching a lower side of the substrate; Filling the trench with a conductor using a plating process; Polishing the lower portion of the substrate evenly by chemical mechanical polishing; Forming a cavity in the lower portion of the substrate to accommodate the signal line and the ground line of the center plate; Patterning and depositing a gold-tin alloy layer and a diffusion barrier dam, and then forming the gold-tin alloy layer through a lift-off process; And after bonding with the central plate, forming a connection pad for connecting to an external circuit by polishing the upper portion of the substrate by a chemical mechanical polishing method.
또, 상기의 중앙판은, 기판의 상부에 압전캔틸레버로 사용될 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물 또는 실리콘질화물/실리콘산화물 겹층구조를 증착하는 단계; 상기 압전캔틸레버의 고정단 측에 하부전극, 압전층, 상부전극의 순으로 증착하여 압전구동부를 형성하는 단계; 상기 하부전극, 압전층, 상부전극을 차례로 패터닝하고 식각하는 단계; 상기 압전캔틸레버의 자유단 측에 접촉판을 증착하여 리프트오프 공정을 통하여 패터닝하는 단계; 상기 압전구동부 상측과 상기 상판과 접합될 부위에 금을 리프트 공정을 통하여 증착하고 그 주위로 접합방지댐을 형성하는 단계; 상기 기판의 상부 위로 희생층 및 씨앗층을 증착하는 단계; 상기 씨앗층에 신호선 및 접지선의 영역을 패터닝하는 단계; 상기 패터닝된 씨앗층에 신호선 및 접지선을 도금하는 단계; 상기 씨앗층을 제거하는 단계; 상기 기판의 하부의 바닥층을 에칭용액으로 이방성 식각하고, 상기 바닥층 위를 단순식각으로 식각하는 단계; 및 상기 압전캔틸레버가 변형이 가능하도록, 상기 기판의 상부에 증착된 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물 또는 실리콘질화물/실리콘산화물 겹층구조를 식각하는 단계를 포함하여 제작되는 것을 특징으로 한다.In addition, the middle plate, the step of depositing a silicon nitride or silicon oxide or silicon nitride / silicon oxide layer structure to be used as a piezoelectric cantilever on top of the substrate; Forming a piezoelectric driving part by depositing the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode on the fixed end side of the piezoelectric cantilever; Patterning and etching the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode in sequence; Depositing a contact plate on a free end side of the piezoelectric cantilever and patterning the same through a lift-off process; Depositing gold on an upper side of the piezoelectric driving unit and a portion to be bonded to the upper plate through a lift process and forming a junction preventing dam around the piezoelectric driving unit; Depositing a sacrificial layer and a seed layer over the top of the substrate; Patterning an area of a signal line and a ground line on the seed layer; Plating a signal line and a ground line on the patterned seed layer; Removing the seed layer; Anisotropically etching the bottom layer of the lower part of the substrate with an etching solution, and etching the bottom layer by simple etching; And etching the silicon nitride or silicon oxide or silicon nitride / silicon oxide layered structure deposited on the substrate so that the piezoelectric cantilever is deformable.
이하, 본 발명을 실시예 및 도면을 통하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples and drawings.
본 발명의 제1특징에 따르면, 본 발명에서 제시된 마이크로 스위치는 세개의 판으로 구성되며, 압전 물질로 형성된 압전 구동부, 금속 접촉부, 신호선 및 접지선 등으로 구성된 중앙판과 연결 비아홀 및 접촉 패드 등을 포함하는 상판을 웨이퍼 단위로 접합한 후, 질소 충전 및 진공 패키지를 위하여 하판과 중앙판을 접합하여 형성하는 것을 특징으로 한다.According to a first aspect of the present invention, the micro switch presented in the present invention is composed of three plates, and includes a center plate formed of a piezoelectric material, a metal contact portion, a signal line and a ground line, and a connecting via hole and a contact pad. After bonding the upper plate to the wafer unit, it is characterized in that the lower plate and the middle plate is formed by bonding for nitrogen filling and vacuum package.
본 발명의 제2특징에 따르면, 제1특징에서 형성하는 중앙판의 공정 안정성 및 소자 제작의 편의성을 고려하여 공정 제작을 SOI (Silicon-On-Insulator) 기판을 사용하는 것을 특징으로 한다. According to the second aspect of the present invention, the process fabrication in consideration of the process stability of the center plate formed in the first characteristic and the convenience of device fabrication is characterized by using a silicon-on-insulator (SOI) substrate.
본 발명의 제3특징에 따르면, 제1특징에서 형성된 마이크로 스위치를 하나의 단위 구조로 하여 상판 패드 또는 중앙판 내에서 연결하여 단일 입력 다 방향 분배(sinlge pole multi throughput) 마이크로 스위치 모듈을 구성하는 것을 특징으로 한다.According to a third aspect of the present invention, it is possible to form a single input multi-pole distributed multi-switch micro switch module by connecting a micro switch formed in the first aspect as a unit structure in a top pad or a middle plate. It features.
본 발명의 제4특징에 따르면, 제 1 특징에서 형성되는 하판의 금속 접촉부의 물질을 기계적 강도가 우수하고, 반응성이 낮으며, 비저항이 비교적 낮은 Ir (Iridium), Ru (ruthenium), Mo (Molybdenum), 및 W (Tungsten) 등의 단일 금속으로 하는 것을 특징으로 한다.According to the fourth aspect of the present invention, the material of the lower metal contact portion formed in the first aspect is Ir (Iridium), Ru (ruthenium), Mo (Molybdenum) having excellent mechanical strength, low reactivity, and relatively low resistivity. ) And W (Tungsten).
본 발명의 제5특징에 따르면, 제1특징에서 형성된 상판의 비아홀(via hole)을 전해도금법을 이용하여 구리로 채우고 중앙판과의 접합 부분에 금 또는 금-주석 합금을 증착하는 것을 특징으로 한다.According to a fifth aspect of the present invention, a via hole of the upper plate formed in the first aspect is filled with copper using an electroplating method, and gold or a gold-tin alloy is deposited on the junction with the center plate. .
본 발명의 제6특징에 따르면, 제1특징에서 언급된 접합 과정에서 금-주석 합금이 넘치는 것을 방지하기 위하여 솔더 방지막을 Ti (titanium), Cr (Chrome)의 금속 층이나 질화알루미늄(Aluminum nitride) 등의 유전체 물질로 사용하는 것을 특징으로 한다.According to a sixth aspect of the present invention, in order to prevent the gold-tin alloy from overflowing in the joining process mentioned in the first aspect, a solder barrier layer is formed of a metal layer of Ti (titanium), Cr (Chrome) or aluminum nitride. It is characterized by using as a dielectric material.
본 발명의 제7특징에 따르면, 압전 구동부의 상하 움직임을 위하여 웨이퍼 뒷면에서부터 실리콘 부분을 벌크 마이크로머시닝한 후, 웨이퍼 전면의 유전체 부분인 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물을 플라즈마 식각하여 압전 구동부를 유연하게 완화시키는 공정을 특징으로 한다.According to a seventh aspect of the present invention, after bulk micromachining a silicon portion from the back surface of a wafer for vertical movement of the piezoelectric drive portion, the silicon nitride or silicon oxide, which is a dielectric portion on the front surface of the wafer, is plasma-etched to flexibly relax the piezoelectric drive portion. Characterized by the process.
본 발명의 제8특징에 따르면, 제7특징에서 언급한 하판 웨이퍼 뒷면의 실리콘 식각 마스크 부분에 금을 증착하여 금-주석 합금을 도포한 웨이퍼에 접합하여 질소 충전 패키징 또는 징공 패키징을 형성하는 것을 특징으로 한다. According to an eighth aspect of the present invention, gold is deposited on a silicon etching mask portion on the back side of a lower wafer referred to in the seventh aspect to be bonded to a wafer coated with a gold-tin alloy to form nitrogen filled packaging or a hollow packaging. It is done.
본 발명의 제9특징에 따르면, 제1특징에서 언급한 중앙판의 압전 구동부 중에서 상부 전극을 압축 응력영역에서 증착하여 신호선과 금속 접촉판을 공간적으로 이격시켜 신뢰성을 향상시키는 것을 특징으로 한다. According to a ninth aspect of the present invention, the upper electrode is deposited in a compressive stress region of the piezoelectric drive unit of the center plate mentioned in the first aspect, so that the signal line and the metal contact plate are spatially separated to improve reliability.
본 발명의 제10특징에 따르면, 제1특징에서 언급한 중앙판과 하판의 접합 전에 미세 작동 전압 조절을 위하여 실제 측정 작동 전압이 목표 작동 전압보다 높을 경우는 지지층을 식각하여서 조절하고, 실제 작동 전압이 목표 작동 전압보다 낮을 경우는 상온에서 증착이 가능한 질화 알루미늄등을 적당량 증착하여 조절하는 것을 특징으로 한다.According to the tenth aspect of the present invention, if the actual measured operating voltage is higher than the target operating voltage for the fine operating voltage adjustment before the junction of the middle plate and the lower plate mentioned in the first feature, the support layer is etched to adjust the actual operating voltage. If the target operating voltage is lower than, it is characterized in that by depositing an appropriate amount of aluminum nitride that can be deposited at room temperature.
도 2는 본 발명에서 제안된 저항형 압전 구동 방식의 알에프 마이크로 스위 치의의 단위 구조를 개략적으로 도시한 사시도로써, 단일 입력 단일 분배 (SPST, single pole single throw) 형태의 마이크로 스위치를 나타내고 있다. FIG. 2 is a perspective view schematically illustrating a unit structure of an RF microswitch of a resistive piezoelectric drive type proposed in the present invention, and illustrates a micro switch of a single pole single throw (SPST) type.
본 발명의 마이크로 스위치는 외부와의 도선 연결을 위한 상판(200), 신호의 연결 및 단락 등의 실질적인 스위칭 동작이 이루어지는 중앙판(110), 및 질소 충전 또는 진공 패키지를 위한 하판(100)으로 이루어져 있다. The micro switch of the present invention comprises an
또, 상기 중앙판(110)에는 압전캔틸레버(120)와 금속접촉부(130)가 설치된다.In addition, the
도 3은 본 발명의 마이크로 스위치의 상판(200)의 단위 구조의 단면도이다. 3 is a cross-sectional view of the unit structure of the
외부와의 도선 연결을 위한 상판은 실리콘기판(201)을 기저로 하여, 도선 연결을 위한 비아홀(204) 및 연결 패드(202)를 포함하고 있으며, 중앙판(110)과의 웨이퍼 단위 연결을 위한 금-주석 의 합금층(206)이 아랫 부분에 있으며, 연결시 금-주석 합금 성분이 주변으로의 확산 퍼짐을 막기 위하여 티타늄, 크롬, 또는 질화 알류미늄 (AlN) 층으로 주위를 둘러 싼 환산방지댐(205)가 형성된다.The top plate for connecting the wires to the outside includes a via
또한, 중앙판(110)의 신호선의 공간 확보를 위하여 중앙 부분에 큰 캐버티(207)가 있다. In addition, a
도 4는 도3에서 구체적으로 나타낸 마이크로 스위치의 상판 구조의 공정 수순도를 나타낸 실시예이다.FIG. 4 is an embodiment showing a process procedure of the top plate structure of the micro switch shown in FIG.
도 4a에 도시된 바와 같이, 먼저 실리콘 기판(201)에 실리콘 선택적 식각 장비를 이용하여 깊은 트렌치를 형성한다.As shown in FIG. 4A, first, a deep trench is formed in the
그 후 도 4b와 같이 도금 고정을 이용하여 구리로 트렌치를 채운 후, 실리콘 기판(201)의 밑부분에서부터 화학 기계적 연마법을 통하여 갈아 내어 평탄한 밑면을 얻는다. Thereafter, the trench is filled with copper using plating fixing as shown in FIG. 4B, and then ground from the bottom of the
그리고, 중앙판의 신호선의 위치할 공간 확보를 위하여 단위 구조의 중앙 부분에 큰 캐버티(207)를 형성한다. A
다음 도 4c와 같이 금-주석 합금 패턴(상기 합금층(206)) 및 확산 방지 패턴(상기 확산 방지댐(205))을 패터닝하고 증착한후, 리프트오프(lift-off) 공정을 통하여 형성한다.Next, as shown in FIG. 4C, the gold-tin alloy pattern (the alloy layer 206) and the diffusion prevention pattern (the diffusion prevention dam 205) are patterned and deposited, and then formed through a lift-off process. .
끝으로 도 4d와 같이, 하기(下記)에 설명하는 중앙판(200)과의 결합 후, 실리콘 기판(201)의 윗쪽 부분을 화학 기계적 연마법으로 갈아낸 후, 외부 회로와의 연결을 위한 연결 패드(202)를 형성한다.Finally, as shown in FIG. 4D, after bonding with the
본 발명에 의한 마이크로 스위치의 상판(200)의 기판을 LTCC (low temperature co firing) 기판을 이용하여 금속을 채운 시트(sheet)를 여러겹으로 적층하여 형성한 기판을 사용할 수 있다.A substrate formed by stacking a plurality of sheets filled with metal using a low temperature co firing (LTCC) substrate may be used as the substrate of the
또, 본 발명에 의한 마이크로 스위치의 상판(200)의 기판을 유리 또는 쿼츠 기판으로 사용하여 샌드 블라스터 법이나 습식 식각을 통하여 트렌치 및 캐버티를 형성하여 사용할 수 있다.In addition, the substrate of the
도 5는 본 발명으로 이루어진 마이크로 스위치의 중앙판 단면도(110)를 구체적으로 나타낸 도면들이다. 5 is a cross-sectional view of the mid-plane 110 of the micro-switch made of the present invention in detail.
본 발명의 중앙판은 크게 스위칭을 하기 위한 압전 구동부(121), 알에프 신호가 흘러가는 신호선(220), 그리고 알에프 신호가 신호선을 따라 흘러갈 수 있도 록 접지를 주위에 형성하게 하는 접지선(210,211), 신호선(220)과의 접촉이 이루어지는 접촉판(130) 등으로 구성된다. The center plate of the present invention has a
상기 압전 구동부(121)와 상기 접촉판(130)은 압전캔틸레버(120) 위에 설치된다.The
상기 압전 구동부(121)는 커패시터의 구조를 가지며 상부 전극, 압전층, 및 하부 전극 순으로 이루어져 있다. The
알에프 신호가 흘러가는 신호선(220)은 가운데 부분이 단락되어 있어서 상기 압전 구동부(121)에 전압이 인가되지 않았을 시에는 신호가 단락되어 있으나, 압전 구동부(121)에 전압이 인가되어 압전 구동부가 윗쪽으로 움직이면서 접촉판(130)이 신호선(220)에 닿으면 신호가 연결될 수 있다. The
두 개의 접지선(210,211)은 알에프 신호가 CPW(coplanar wave) 모드로 진행할 수 있게 하기 위하여 신호선을 중심으로 대칭으로 위치한다. The two
상기 접촉판(130)은 압전 구동부(121)와 힌지 등으로 연결되어 있어서 신호선(220)을 연결 또는 단락 시키는 역할을 한다. The
상기 접촉판(130)의 금속은 물론 도전성이 우수하여야 하고, 기계적 마모가 잘 되지 않도록 강도(hardness)가 높아야 하며, 산소 분위기에서 산화가 잘 되지 않고, 약간의 산화가 되더라도 전도성을 유지하는 물질이 바람직하다. Of course, the metal of the
도 6은 본 발명에서 제안된 저항형 마이크로 스위치의 중앙판(110)의 실시 예를 나타내고 있다. 본 발명에서 제안한 마이크로 스위치의 중앙판(110)의 제조 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다. Figure 6 shows an embodiment of the
먼저, 고저항 실리콘 기판를 이용하여 형성한 SOI (silicon on insulator) 기판(111)에 압전 구동부(121)를 지탱할 압전캔틸레버(120)로 사용될 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물/실리콘 산화물 겹층 구조를 저압 화학 기상 증착법 등을 이용하여 증착한다.First, a low pressure silicon nitride or silicon oxide or silicon nitride / silicon oxide layered layer structure to be used as the
그 후, 압전 구동부(121)로 사용될 압전 커패시터를 형성하기 위하여 하부 전극, 압전층, 및 상부 전극을 압전캔틸레버(120) 용으로 증착된 상기의 층 일측에 차례로 증착한다. Thereafter, in order to form a piezoelectric capacitor to be used as the
그리고, 하부 전극, 압전층, 및 상부전극을 차례로 패터닝하고 식각한 다음, 압전캔틸레버(120) 용으로 증착된 상기의 층 타측에 상기 접촉판(130)을 증착한 후 리프트오프공정을 통하여 패터닝한다. The lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode are sequentially patterned and etched, and then the
그리고, 도 6b에 도시한 바와 같이 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물의 패턴 및 식각을 통하여 캔틸레버 영역을 정의하고, 기판 바닥면에 마지막 공정인 벌크 마이크로 머시닝을 위하여 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물을 식각하여 실리콘이 표면에 드러나도록 한다. As shown in FIG. 6B, the cantilever region is defined through the pattern and etching of silicon nitride or silicon oxide, and silicon nitride or silicon oxide is etched for bulk micromachining, which is the final process on the bottom surface of the substrate. Make it visible.
이 때 남아 있는 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물 영역 위에는 하판(100)과의 접합을 위하여 금-주석 합금층(112)을 패터닝하고 형성한다.At this time, the gold-
또한, 상판(200)의 신호선(220)과의 접합 및 밀봉실링(hermatic sealing) 접합을 위하여 상판(200)의 신호선(220)과 닿는 부분과 소자의 주변 부위에 금층(123,125)을 리프트오프공정을 통하여 증착하고, 접합 과정에서 상기 금층(123,125)의 번짐을 방지하기 위하여 주위를 확산 방지댐(122,124)으로 둘러 쌓는 다. 도 6b 내지 도 6f에서는 상기 금층(125)과 확산 방지댐(124)는 도시가 생략된다.In addition, the gold layers 123 and 125 are lifted off to a portion in contact with the
그리고, 도 6c에 도시한 바와 같이 희생층(113)을 도포한후 금 도금을 위한 씨앗층(114)을 증착한다. 6C, the
그리고, 도 6d에 도시한 바와 같이 신호선 및 접지선 영역의 정의를 위한 패터닝을 실시한다.Then, as shown in Fig. 6D, patterning is performed to define signal and ground line regions.
그리고, 도 6e에 도시한 바와 같이, 신호선(220) 및 접지선(210,211)의 도금후 희생층(113) 및 씨앗층(114)을 제거한다. 6E, the
그리고, 도 6f에 도시한 바와 같이 전면을 보호한 후, 하부 실리콘은 KOH 등의 에칭 용액을 이용하여 이방성 식각으로 식각하고, SOI 웨이퍼 내의 실리콘 산화물 층은 단순 식각으로 식각한다. After protecting the entire surface as shown in FIG. 6F, the lower silicon is etched by anisotropic etching using an etching solution such as KOH, and the silicon oxide layer in the SOI wafer is etched by simple etching.
마지막으로, SOI 웨이퍼내의 전면 실리콘 층을 XeF2 식각 또는 플라즈마 식각을 통하여 제거하여 압전 구동부(121) 및 접촉판(130)을 완화시킨다. Finally, the front silicon layer in the SOI wafer is removed through XeF 2 etching or plasma etching to relax the
도 7은 제안된 저항형 마이크로 스위치의 상판(200) 및 중앙판(110)의 접합 공정 및 중앙판(110)과 하판(100)의 접합 공정을 도식한 단면도이다. 7 is a cross-sectional view illustrating a bonding process of the
적외선을 이용하여 상판(200)과 중앙판(110)의 배열을 맞힌 후, 질소 분위기 또는 진공 분위기에서 약 300℃의 열을 가하여 상판(200)의 금-주석 합금층(206)과 중앙판(110)의 금층(125) 부분을 접합시킨다. After the alignment of the
그리고, 중앙판(110)의 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물 위에 있는 금-주 석 합금층(206)과 하판의 금층(125)을 질소 분위기 또는 진공 분위기에서 약 300oC의 열을 가하여 접합시킨다. Then, the gold-
하판(100)은 기판(101) 위에 금(102)을 전체적으로 도포하여 사용한다.The
상기와 같이 제작된 본 발명의 스위치의 작동 전압이 설계된 값과 일치하였을 때, 작동 전압 조절은 중앙판(110)과 하판(100)의 접합 전에 이루어 진다. When the operating voltage of the switch of the present invention manufactured as described above is consistent with the designed value, the operating voltage adjustment is made before the junction of the
스위치의 작동 전압이 설계값 보다 높은 경우는 압전캔틸레버(120) 쪽의 실리콘 산화물/질화물 층의 두께를 플라즈마 식각을 통하여 얇게 한다. When the operating voltage of the switch is higher than the design value, the thickness of the silicon oxide / nitride layer on the
반대로 스위치 작동 전압이 설계값보다 작은 경우는 상온에서 우수한 특성의 유전체 박막 증착이 가능한 질화 알류미늄을 압전캔틸레버(120) 쪽의 실리콘 산화물/질화물 층에 증착하면서 작동 전압을 조절할 수 있다. On the contrary, when the switch operating voltage is smaller than the design value, the operating voltage may be controlled while depositing the aluminum nitride on the silicon oxide / nitride layer on the
도 8은 앞서 제안 설명한 단일 입력 단일 분배 스위치 구조를 하나의 셀로 하여 이를 여러 개 결합하여 형성한 단일 입력 양 분배 스위치 (SPDT, single pole double throughput) 및 단일 입력 3분배 스위치 (single pole three throughput) 구조의 단면도이다. FIG. 8 illustrates a single input double distribution switch (SPDT) and a single pole three throughput (SDT) structure formed by combining a single input single distribution switch structure described above as a single cell and combining them. It is a cross section of.
본 발명에서 제안하는 단일 입력 다 분배 스위치는 각 단위 셀에서의 입력 단 및 출력단의 넓이 또는 간격을 알에프 신호의 CPW 전달 모드에서 임피던스를 50 ohms으로 맞히도록 설계하는 것을 특징으로 하며, 셀과 셀 사이를 연결하는 신호선도 CPW 신호 전달을 위하여 양 쪽으로 접합선을 분포시켰다. The single input multi-distribution switch proposed by the present invention is designed to match the width or interval of the input terminal and output terminal in each unit cell to 50 ohms impedance in CPW transmission mode of RF signal. Also, the signal line connecting the was distributed to both sides for CPW signal transmission.
각 알에프 출력 신호단 옆에 전압 인가 패드가 있어서 각 출력단의 동작을 조정한다.Next to each RF output signal stage is a voltage application pad to adjust the operation of each output stage.
상술한 바와 같이 본 발명은 알에프 마이크로 스위치를 상판 및 중앙판 그리고 중앙판 및 하판의 웨이퍼 단위 패키징으로 모든 패키징 공정을 마칠 수 있으며, 이를 소자의 칩 크기에 맞게 자를 경우 바로 소자 로 사용할 수 있으므로, 스위치 제작 공정 후 들어가는 비용을 절감하는 효과가 있다. As described above, the present invention can finish all the packaging processes with the wafer micropacking of the RF microswitches in the upper plate and the middle plate, and the middle plate and the lower plate, and when cut to fit the chip size of the device, the switch can be used as an element. There is an effect of reducing the cost to go after the manufacturing process.
또한, 본 발명은 압전 구동 방식을 이용하며, 신호 전달 선을 기판과 일정 간격을 가지도록 공중에 부양함으로써 낮은 전압의 동작 전압에서도 낮은 삽입 손실 및 높은 격리도의 우수한 특성을 가지고 있어서 본 발명에서 제시한 SPST, SPDT 및 SP3T 스위치 등을 이동 단말기 분야에 적용하면 고감도의 신호 감도를 얻는 효과를 볼 수 있다. In addition, the present invention uses a piezoelectric drive method, and by providing a signal transmission line in the air at a predetermined distance from the substrate has excellent characteristics of low insertion loss and high isolation even at a low operating voltage Application of SPST, SPDT, and SP3T switches to the mobile terminal field can achieve high sensitivity of signal sensitivity.
또한, 본 발명에서 제시한 신호 전달선은 입력단을 제외한 전 부분에서 공중에 떠 있는 구조로 이루어져 있으므로 기판 쪽으로의 알에프 신호 손실을 최소화 할 수 있으며, 두 개의 접지선을 신호선 주위에 대칭으로 배열하여 CPW 신호 전달이 반사 손실 없이 이루어지도록 하는 효과를 가지고 있다. In addition, since the signal transmission line proposed in the present invention has a structure floating in the air at all parts except the input terminal, it is possible to minimize the RF signal loss toward the substrate, and by symmetrically arranging two ground lines around the signal line, the CPW signal This has the effect of making the transmission without return loss.
또한, 본 발명에서 제시한 마지막 단계에서의 작동 전압 조절 방법을 이용하면 공정 변수에서 발생할 수 있는 작동 전압 값의 차이를 정확하게 조절하여 사용할 수 있는 효과를 볼 수 있다. In addition, by using the operating voltage adjustment method in the last step proposed in the present invention can be seen that the effect can be used to accurately adjust the difference in the operating voltage value that can occur in the process variable.
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