KR20070060526A - 미세전자기계적 구조 스위치 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20070060526A KR1020050120187A KR20050120187A KR20070060526A KR 20070060526 A KR20070060526 A KR 20070060526A KR 1020050120187 A KR1020050120187 A KR 1020050120187A KR 20050120187 A KR20050120187 A KR 20050120187A KR 20070060526 A KR20070060526 A KR 20070060526A
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Abstract

MEMS 스위치의 구조적인 문제점으로 인해 발생되는 열적 변형과 스틱션 문제를 해결할 수 있는 정전기력으로 구동되는 MEMS 스위치 및 그 스위치 제조방법을 제공한다. 그 MEMS 스위치는 트렌치, 접지라인 및 일정 부분의 개방부를 갖는 신호라인이 형성된 기판; 전극판 및 개방부를 연결할 수 있는 접촉수단을 구비하고 기판과 일정 간격 이격되어 있으며 트렌치에 삽입될 수 있는 깊은 주름이 형성된 이동판부; 및 이동판부를 지지하는 지지부;를 포함한다.
미세전자기계적 스위치, 신호라인, 깊은 주름, 스위칭 전극 라인

Description

미세전자기계적 구조 스위치 및 그 제조방법{Micro-electro mechanical systems switch and method of fabricating the same switch}
도 1a는 종래 켄틸레버 구조의 MEMS 스위치에 대한 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 A1-A1 부분을 절단한 단면도이다.
도 2a 및 2b는 종래 켄틸레버 구조의 MEMS 스위치의 동작을 설명하기 위한 도 1a의 A2-A2 부분을 절단한 단면도이다.
도 3은 종래 멤브레인 구조의 MEMS 스위치에 대한 평면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 스위치에 대한 평면도이다.
도 4b는 도 4a에서 이동판부를 제거한 MEMS 스위치에 대한 평면도이다.
도 5a 및 5b는 도 4a의 B1-B1 부분을 절단한 단면도이다.
도 6a 및 6b는 도 4a의 B2-B2 부분을 절단한 단면도이다.
도 7a 및 7b는 도 4a의 B3-B3 부분을 절단한 단면도이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 MEMS 스위치의 트렌치 및 전체 모습에 대한 전자현미경 사진이다.
도 9a ~ 9f는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 스위치의 제조방법을 개략적으로 보여주는 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 기판.........................110:신호라인　
111:접지라인......................112:지지부 또는 지지대 메탈
113:개방부........................120:트렌치
121:희생막........................130:접촉수단
141:지지돌출부....................150:이동판부
151:절연막........................152:전극판 또는 전극막
153: 스위칭 전극라인.............160: 깊은 주름
본 발명은 고주파 대역의 무선통신, 고주파(RF) 시스템 등에서 신호의 전달을 제어하는 스위치에 관한 것으로, 특히 정전기력(electrostatic force)으로 구동되는 미세전자기계적 구조 스위치에 관한 것이다.
일반적으로 고주파 대역의 통신 시스템에서는 신호의 전달을 제어하는 스위칭 소자로서, FET(Field Effect Transistor)나 핀 다이오드(PIN diode) 등을 사용한다. 그러나, 최근에 이러한 반도체 스위치들은 집적화가 용이한 반면, 삽입손실(insertion loss)이 높고, 신호 분리(isolation loss) 특성이 좋지 않으며, 비선형 소자이므로 신호왜곡(signal distortion)이 발생되는 등 많은 문제점을 가지기 때문에 이러한 문제점을 해결할 수 있는 미세전자기계적 구조(Micro-electro Mechanical Systems; MEMS) 스위치에 대해 널리 연구하고 있다.
MEMS 스위치는 일반적으로 기판에 대해 상대적으로 운동하는 운동요소와 그것을 구동시키는 구동요소로 이루어진다. 구동요소는 서로 대향하도록 위치된 두 개의 전극을 가지며, 운동요소는 구동요소의 전극을 통해 인가되는 전압에 의해 발생되는 정전기력에 의해 구동한다. 즉, 운동요소는 기판에 대해 평행한 방향 또는 수직인 방향으로 운동하거나, 기판에 대해 소정의 각도 범위 내에서 회전 운동하도록 구성된다.
도 1a는 종래 켄틸레버 구조의 MEMS 스위치에 대한 평면도이다.
도 1a를 참조하면, 켄틸레버 구조의 MEMS 스위치는 하부전극(2), 신호라인(3) 및 지지부(미도시)가 형성된 기판(미도시) 및 지지부(미도시)에 의해 기판(미도시)에 고정되고 하부전극(2) 및 신호라인(3)과 소정 간격 이격된 켄틸레버 암(cantilever arm; 5)을 포함한다. 켄틸레버 암(5)의 상부에는 상부전극(6)이 형성되고, 종단 하부에는 신호라인(3)의 끊어진 부분을 연결시키기 위한 접촉부(7)가 형성된다. 켄틸레버 암(5)과 상부전극(6)은 중간 부분이 다른 부분보다 좁게 형성되어 켄틸레버 암(5)의 종단부분이 일정한 탄성을 가진다. 여기서 작은 직사각형들이 형성된 부분은 캐패시터 구조(capacitor structure) 부분(8)이고, 작은 직사각형들은 켄틸레버 암(5) 하부에 존재했던 희생막을 제거하기 위한 홀들이다.
도 1b는 도 1a의 A1-A1 부분을 절단한 단면도이다.
도 1b를 참조하면, 기판(1)의 왼쪽으로 형성된 지지부(4)의 두께가 하부전극(2) 및 신호라인(3)보다 두꺼워 켄틸레버 암(5)이 하부전극 및 신호라인(3)으로부터 소정 간격 이격되어 있음을 보여준다. 또한, 켄틸레버 암(5) 종단 하부에 형성 된 접촉부(7)도 확인할 수 있다.
상부전극(6) 및 하부전극(2)에 소정의 정전압을 인가하면 상부전극(6)과 하부전극(2)의 중첩에 의한 캐패시터 구조 부분(8)에서 발생되는 정전기력에 의해 켄틸레버 암(5)이 하부로 휘어지고, 이에 따라 접촉부(7)가 신호라인(3)의 끊어진 부분을 연결시켜 스위칭 동작을 이룬다. 이러한 켄틸레버 구조의 MEMS 스위치에 대한 상세한 내용은 미국특허 제5,578,976호(1996. 11. 26)에 개시되어 있다.
도 2a 및 2b는 종래 켄틸레버 구조의 MEMS 스위치의 동작을 설명하기 위한 도 1a의 A2-A2 부분을 절단한 단면도이다.
도 2a는 켄틸레버 구조의 스위치가 정상적으로 작동하여 켄틸레버 암(5)의 종단부분이 신호라인(3)과 수평을 유지하면서 상하운동(화살표)을 하는 모습을 보여준다. 그러나, 켄틸레버 구조의 스위치는 도 1a 및 1b에서 알 수 있듯이 입력부(미도시) 및 출력부(미도시)에 각각 연결된 신호라인(3)과 접촉부(7)가 서로 평행하게 위치되며, 유전체로 형성된 켄틸레버 암(5)은 지지부(4)에 의해 일측부에서만 지지된다. 그러므로 제조 공정 혹은 동작 과정에서 켄틸레버 암(5)이나 상부전극(6)이 열팽창에 의해 변형되는 경우가 발생한다.
도 2b는 켄틸레버 암(5)이 또는 상부전극(6)이 열팽창 변형되어 켄틸레버 암(5)의 종단부분이 신호라인(3)과 수평을 유지하지 못하고 불완전한 상하운동(화살표)을 하는 모습을 보여준다. 따라서, 그러한 불완전한 상하운동 때문에 신호라인(3)과 접촉부(7)의 접촉이 불량해진다. 이러한 접촉 불량은 신호라인(3)의 접촉저항을 증가시키거나, 신호의 전달을 불안정하게 하여 신뢰성을 저하시킨다.
도 3은 종래 멤브레인(membrane) 구조의 MEMS 스위치에 대한 평면도이다.
도 3을 참조하면, MEMS 스위치는 지지부(24), 하부전극(14) 및 소정 부분이 개방된 신호라인(18)이 형성된 기판(12) 및 지지부(24)에 의해 지지되고 기판(12)과 소정 간격 이격된 이동판(20)을 포함한다. 이동판(20)은 상부전극(16)을 포함하고, 신호라인(18)의 양측방으로 이동판(20)이 일정한 탄성을 갖도록 스프링(22)을 통해 지지부(24)에 지지된다. 한편, 신호라인(18)을 연결하는 연결대(34)가 이동판(20) 하부에 형성되는데, 연결대(34)에는 신호라인(18)과 접촉하기 위한 하부로 돌출된 접촉수단(32)이 형성되어 있다. 이동판(20)에 형성된 조그만 직사각형들은 역시 희생막 제거를 위해 형성된 홀들이다.
하부전극(14)에 소정의 구동전압을 인가하면 하부전극(14)과 상부전극(16) 간에 발생되는 정전기력에 의해 이동판(20)이 하부로 이동하고, 이에 따라 이동판(20) 하부에 위치한 연결대(34)가 신호라인(18)의 끊어진 부분을 연결시켜 스위칭 동작을 이룬다. 이러한 멤브레인 구조의 MEMS 스위치에 대한 상세한 내용은 미국특허 제6,307,452호(2001. 10. 23)에 개시되어 있다.
그러나 멤브레인 구조의 스위치는 신호라인(18)과 지지부(24)가 상당한 간격을 두고 위치하기 때문에 제조 공정 혹은 동작 과정에서 열팽창에 의해 금속으로 이루어진 상부전극(16)의 표면이 변형되고, 이에 따라 이동판(20)이 신호라인(18)과 완전히 접촉하지 못하고 영구적으로 개방(open)되는 문제를 일으킨다. 또한, 상부전극(16)과 하부전극(14) 사이의 간격이 좁아 상부전극(16)과 하부전극(14)이 들러붙는 스틱션(stiction) 문제가 발생되기도 한다. 이러한 문제들은 스위치의 안정 성 및 신뢰성을 저하시킨다.
한편, 이동판(20)과 스프링(22)이 열팽창에 의해 변형되면 이동판(20)이 움직일 때 기판(12)에 대해 평행하게 운동하지 못한다. 이는 지지부(24)가 이동판(20)에 비해 열팽창률이 매우 작은 기판(12)에 고정되기 때문에, 지지부(24)들 간의 거리는 거의 변하지 않는 상태에서 이동판(20)이 크게 열팽창됨으로써 야기된다. 이러한 열팽창에 의해 이동판(20)과 스프링(22)의 연결 부분에는 큰 응력이 발생되는데, 이 부분에서 영구 변형이 일어나게 된다. 결국, 이동판(20)의 변형에 따라 기판(12)으로부터 이동판(20)이 비정상적으로 멀어지거나 한쪽으로 기울어져 정상적인 스위칭 동작을 이룰 수 없게 되며, 이동판(20)이 기판(12)에 가깝게 내려앉은 경우에는 이동판(20)의 연결대(34)가 신호라인(18)에 영구 접촉되는 문제점이 발생한다.
또한, 정전기력을 발생시키기 위한 전압이 인가되는 양 전극이 수 마이크로미터 정도로 매우 가까운 거리로 유지되기 때문에 이동판(20) 혹은 스프링(22)이 인접하는 다른 고정요소에 들러붙는 스틱션 문제가 유발되기 쉬우며, 이는 스위치의 동작 및 신뢰성에 있어 매우 중요한 결함으로 작용한다.
상술한 바와 같이 켄틸레버 혹은 멤브레인 구조의 MEMS 스위치는 기존의 반도체 스위치가 갖는 높은 삽입손실, 낮은 신호 분리, 신호왜곡 등의 문제를 개선하기 위해 제안되었으나, 열적 변형, 스틱션 문제 등과 같은 구조적인 문제점들로 인해 낮은 신뢰성 및 낮은 신호 분리 특성을 가진다. 그러므로 이러한 문제점을 해소할 수 있는 새로운 구조의 MEMS 스위치 개발이 요구되는 실정이다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, MEMS 스위치의 구조적인 문제점으로 인해 발생되는 열적 변형과 스틱션 문제를 해결할 수 있는 정전기력으로 구동되는 MEMS 스위치 및 그 스위치 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 트렌치, 접지라인 및 일정 부분의 개방부를 갖는 신호라인이 형성된 기판; 전극판 및 상기 개방부를 연결할 수 있는 접촉수단을 구비하고 상기 기판과 일정 간격 이격되어 있으며 상기 트렌치에 삽입될 수 있는 깊은 주름이 형성된 이동판부; 및 상기 이동판부를 지지하는 지지부;를 포함하는 미세전자기계적 구조(Micro-electro Mechanical Systems; MEMS)스위치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면 상기 트렌치, 접지라인 및 신호라인은 상기 기판의 일방향으로 서로 이격되어 형성되고, 상기 지지부는 상기 일방향과 수직방향의 상기 기판의 양 끝단에 형성된다. 한편, 상기 신호라인은 상기 기판의 중앙부에 형성되고, 상기 지지부는 상기 기판 양 끝단 각각에 형성되며, 상기 접지라인은 상기 신호라인과 지지부 사이로 각각 형성되고, 상기 트렌치는 상기 지지부와 접지라인 사이에 각각 및 상기 신호라인과 접지라인 사이에 각각 형성된다.
본 발명의 MEMS 스위치는 기판에 형성된 트렌치 및 깊은 주름이 형성된 이동판부를 이용함으로써, 켄틸레버 구조 및 멤브레인 구조의 구조적 문제점을 해결한다. 즉, 본 발명의 MEMS 스위치는 제조 공정 또는 동작 과정에서 발생하는 열적 변 형에 덜 민감하고, 멤브레인 구조에서의 스틱션 문제가 해결되어 안정적으로 동작한다.
본 발명은 또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 기판 상의 일방향으로 트렌치, 접지라인 및 일정 부분의 개방부를 갖는 신호라인을 형성하는 단계; 상기 일방향과 수직방향의 상기 기판의 양 끝단의 적어도 한 부분에 지지대 메탈을 형성하는 단계;
상기 지지대 메탈이 형성 후 기판 전면으로 일정의 두께를 가진 희생막을 형성하는 단계; 상기 희생막 상부로 상기 지지대 메탈에 연결된 전극막 및 상기 개방부를 연결할 수 있는 접촉수단을 구비한 이동판부를 형성하는 단계; 및 상기 희생막을 제거하는 단계를 포함하는 미세전자기계적 구조(Micro-electro Mechanical Systems; MEMS) 스위치 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 희생막의 형성단계는, 상기 희생막을 식각하여 상기 지지대 메탈 및 상기 접지라인 일부를 노출시키는 단계를 포함한다. 또한, 상기 이동판부를 형성하는 단계는, 상기 지지대 메탈 및 접지라인 일부를 노출시킨 후 기판 전면에 절연막을 형성하는 단계; 상기 개방부의 상기 신호라인 양 끝단 상부의 상기 절연막 및 희생막을 식각하고 내부를 도전성 물질로 매립하여 접촉수단을 형성하는 단계;및 상기 절연막 및 접촉수단 상에 전극막을 형성하고 상기 접촉수단 상의 전극막 주변을 식각하여 스위칭 전극라인을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 MEMS 스위치는 이동판부의 열적 변형을 억제하여 신뢰성을 개선시 키는 깊은 주름을 이동판부에 형성하고 이동판부의 중앙부에 기판과의 간격을 유지하기 위한 접지라인 일정부분 상부로 지지돌출부를 형성함으로써, 접촉수단과 신호라인의 접촉이 안정적으로 이루어져 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 과장되었고, 도면상에서 동일 참조부호는 동일한 구성 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 스위치에 대한 평면도이다. 여기서, 도 4b는 도 4a에서 이동판부를 제거한 MEMS 스위치에 대한 평면도이다.
도 4a 및 4b를 참조하면, MEMS 스위치는 트렌치(120), 신호라인(110) 및 접지라인(111)이 형성된 기판(100), 기판(100) 양 끝단에 형성된 지지부(112) 및 지지부(112)에 의해 지지되고 기판(100)과 소정간격 이격된 깊은 주름(미도시)이 형성된 이동판부(150)를 포함한다.
기판(100)은 반도체 또는 유전체 기판일 수 있고, 신호라인(110)은 신호 전송을 위한 입/출력 신호라인으로, 일정 부분이 끊어진 개방부(113)를 갖는다. 접지라인(111)은 신호라인(110) 양측의 기판(100) 상으로 신호라인(110)과 평행하도록 형성된다. 기판(100) 양 끝단에 형성된 지지부(112)는 이동판부(150)의 전극판(152)에 전압인가를 위한 메탈로 형성된 지지대 메탈(112)이다. 본 실시예에서는 기판(100) 양 끝단으로 지지부(112)를 형성하여 대칭형 스위치를 형성하였지만, 기판(100) 한 끝단으로만 지지부(112)를 형성하고 다른 끝단 부분으로 신호라인(110)을 형성할 수도 있다.
한편, 기판(100)에는 신호라인(110)과 접지라인(111) 사이 각각 그리고 접지라인(111)과 지지부(112) 사이 각각에 신호라인(110)과 나란하게 직사각형 모양의 트렌치(120)가 형성되어 있다. 트렌치(120)는 반도체 식각공정을 통해서 소정의 깊이를 가지도록 형성된다. 본 실시예에서 접지라인(111) 2개 및 트렌치(120) 4개가 형성되었지만, 이동판부(150)의 특성에 따라 다른 적정한 수로 형성될 수 있음은 물론이다.
이동판부(150)는 전압을 인가하기 위한 전극판(152), 전극판(152) 하부로 전극판(152)이 접지라인(111)과의 단락을 방지하기 위한 절연막(151) 및 중앙부에 신호라인(110)의 개방부(113)를 연결하기 위한 접촉수단(130)을 포함한다. 이동판부(150)는 지지부(112) 및 지지돌출부(141)에 의해 지지되면서 기판(100)과 소정 간격 이격되어 있으며, 트렌치(120)에 삽입될 수 있는 깊은 주름이 형성되어 있다. 접촉수단(130)은 절연막(151)을 관통하여 개방부(113)의 신호라인(110) 양 끝단과 접촉할 수 있는 위치에 돌출되어 형성되어 있고 절연막(151) 상부로 전극판(152)과 전기적으로 고립된 스위칭 전극라인(153)에 연결되어 있다.
한편, 이동판부(150)를 구성하는 전극판(152) 및 절연막(151)은 탄성을 가지 는 물질로 형성하여 이동판부(150)는 전체적으로 탄성복원력을 가지고 상하로 이동할 수 있다. 도면상 도시되지는 않았지만 이동판부(150) 전면으로 다수의 홀들(미도시)이 형성되어 있는데, 이는 희생막 제거를 위한 홀들이다.
지지돌출부(141)는 접지라인(111) 상부 네 곳에 형성되고, 소정의 높이를 가지고 내부로 쇄기 형상의 홈을 가진 형태로 형성된다. 이러한 지지돌출부(141)는 이동판부(150)를 구성하는 절연막(151)을 이용하여 형성된다. 지지돌출부(141)에는 전극판(152)이 제거되어 지지돌출부(141)에 가해지는 정전기력을 최소로 한다.
이러한 쇄기 형상의 지지돌출부(141)는 접지라인(111)과 이동판부(150)가 단락되는 것을 억제시켜주는 역할을 한다. 상기와 같이 지지돌출부(141)를 형성하면 다음과 같이 동작 특성을 개선시킬 수 있다.
첫째, 일반적으로 이동판부(150)는 희생막을 이용하여 형성되고, 이동판부(150)가 완성되면 희생막이 제거되게 되는데, 지지돌출부(141)는 희생막이 제거하고 난 후 이동판부(150)에 생기는 잔류 응력을 억제하여 구동전압을 일정하게 해 줌으로써, 신뢰성을 향상키는 역할을 한다. 즉, 희생막이 제거되면 이동판부를 구성하는 물질의 고유 인장력 차이로 발생하는 잔류 응력이 이동판부를 동일 평면 높이에 위치시키지 않고 휘어지게 하여 스위치 동작시 구동전압의 변화를 일으키게 한다. 이러한 구동전압의 변화는 신뢰성 저하를 일으킬 수 있는데, 지지돌출부(141)가 잔류 응력을 억제함으로써, MEMS 스위치의 신뢰성 향상에 중요한 역할을 하게 된다.
둘째, 이동판부(150)가 구동요소의 제어신호에 따라 운동할 때, 발생할 수 있는 접지라인(111)과 이동판부(150)의 단락을 예방할 수 있다. 이러한 지지돌출부(141)는 많은 동작 횟수에서도 이동판부(150)가 실패하지 않고 오랫동안 동작할 수 있도록 이동판부(150)를 지지해 줄 수 있다.
본 실시예에서는 4 개의 지지돌출부(141)를 형성하였지만, 이동판부(150)의 잔류 응력 방지 및 단락 방지를 위해 그 이상 또는 그 이하로 적절히 형성될 수 있음은 물론이다.
도 5a 및 5b는 도 4a의 B1-B1 부분을 절단한 단면도로서, 도 5a는 오프(off) 상태, 즉 접지라인(111)과 전극판(152) 사이에 전압이 인가되지 않은 상태의 모습이고 도 5b는 온(on) 상태의 모습을 나타낸다.
도 5a를 참조하면, 이동판부(150)는 소정 높이의 양측부와 연결된 지지부(112) 및 중앙부의 지지돌출부(141)에 의해 지지되고 소정 간격으로 기판(100)과 이격되어 있다. 또한, 이동판부(150)는 트렌치(120)에 삽입될 수 있는 깊은 주름(160)이 형성되어 있는데, 깊은 주름(160)은 이동판부(150)를 구성하는 전극판(152) 및 절연막(151) 전체에 걸쳐 형성된다. 한편, 접촉수단(130)은 절연막(151)을 관통하여 하부로 돌출되어 있고 상부의 스위칭 전극라인(153)에 연결되어 있다.
도 5b는 접지라인과 전극판 사이에 전압이 인가된 상태를 보여주고 있다. 상부 전극으로 이용되는 전극판(152)과 하부전극으로 이용되는 접지라인(111)에 소정의 직류(DC) 구동전압을 인가하면 정전기력에 의해 전극판(152)과 접지라인(111) 간에 인력이 발생된다. 이때 접지라인(111)은 기판(100)에 고정되어 있기 때문에 탄성을 갖는 이동판부(150)가 접지라인(111) 방향으로 휘어지고, 이동판부(150)의 휨에 의해 접촉수단(130)이 신호라인(110)에 접촉되어 신호의 흐름이 이루어진다.
이때 전극판(152) 하부로 절연막(151)이 형성되어 있기 때문에 접지라인(111)과 전극판(152)의 전기적 단락은 방지된다. 한편, 전압의 인가가 중단되면, 이동판부(150)의 탄성복원력에 의해 스위치는 도 5a와 같은 상태로 돌아간다.
깊은 주름(160)이 구비된 본 발명의 MEMS 스위치는 고유의 3차원적 모양 때문에 희생막(미도시) 제거 시와 스위칭 동작 시 발생할 수 있는 이동판부(150)의 열적 변형을 최대한 억제할 수 있어서, 우수한 신뢰 특성을 얻을 수 있다. 또한, 깊은 주름(160)이 형성된 이동판부(150)의 스프링 상수가 기존의 MEMS 스위치에 비해 상대적으로 작기 때문에 기존의 MEMS 스위치보다 낮은 구동전압으로 동작될 수 있다.
또한, 기존의 MEMS 스위치는 이동판이 양쪽으로 고정되기 때문에 이동판이 쉽게 열적으로 변형되고, 이동판과 접지라인 간의 간격이 작아 상부전극으로 이용되는 이동판이 다른 고정요소에 들러붙는 스틱션 문제가 쉽게 발생된다. 이러한 스틱션 문제는 수 마이크로미터의 간격으로 유지되는 이동판과 기판 사이에 습기나 제조 공정 시 발생된 이물질 등이 존재함으로써 발생하고, 그에 따라 스위치의 동작 특성을 불안정하게 만드는 요인으로 작용한다. 따라서, 본 발명은 지지돌출부(141)를 이동판부(150)에 형성함으로써 동작전압을 일정하게 유지하면서 스틱션을 방지하고 안정하게 동작할 수 있도록 한다.
도 6a 및 6b는 도 4a의 B2-B2 부분을 절단한 단면도로서, 본 발명의 MEMS 스위치의 구조를 보다 쉽게 이해하기 위해 지지돌출부(141)가 없는 부분을 보여주고 있다.
도 6a는 전압을 인가하지 않는 상태로서, 도 5a와 비슷하나, 지지돌출부(141)와 접촉수단(130)이 표시되지 않고 있다. 한편, 6b는 전압이 인가된 상태로서, 이동판부(150)가 거의 기판(100)에 달라붙는 모습을 보여준다.
도 7a 및 7b는 도 4a의 B3-B3 부분을 절단한 단면도로서, 접촉수단(130)이 형성된 부분을 자세히 보여준다. 도 7a는 전압이 인가되지 않은 상태를 보여주고 도 7b는 전압이 인가된 상태를 보여준다.
도 7a를 참조하면, 전압이 인가되지 않았으므로 이동판부(150)는 기판(100)과 소정 간격 이격되어 있다. 따라서, 신호라인(110)은 개방부(113)의 존재로 신호 흐름이 차단된다. 본 실시예에서는 접촉수단(130)이 절연막(151)을 관통하여 돌출된 형태로 상부 스위칭 전극라인(153)과 연결되어 있지만, 절연막(151) 하부에 접촉수단(130) 및 스위칭 전극라인(153)이 형성될 수 있음은 물론이다.
한편, 도 7b와 같이 전압이 인가되면, 이동판부(150)는 기판(100)에 접근하게 되고 그에 따라 접촉수단(130)이 신호라인(110)에 접촉되어 스위칭 전극라인(153)을 통해 신호의 흐름이 이루어진다. 도 7b의 상태에서 전압이 제거되면, 이동판부(150)가 탄성복원력에 의해 상부로 이동하고 신호라인(110)이 다시 개방되어 신호의 흐름이 차단된다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 스위치의 트렌치 및 전체 모습에 대한 전자현미경 사진이다.
도 8a를 참조하면, 신호라인(110)과 접지라인(111) 사이 각각 그리고 지지부 (112)와 접지라인(111) 사이 각각에 직사각형 모양의 트렌치(120)가 형성될 수 있는데. 그러한 트렌치(120)는 반도체 식각 공정을 통해서 소정의 깊이로 형성된다.
도 8b를 참조하면, 본 발명의 MEMS 스위치의 전체적인 모습을 보여주고 있는데, MEMS 스위치는 SPST(Single Pole Single Throw) 구조, 즉 하나의 입/출력 신호라인(110)을 갖는 구조로 형성되어 있다. 그러나, 본 발명의 MEMS 스위치는 SPST 구조에 한정되지 않고, 하나의 입력 신호라인과 둘 이상의 출력 신호라인으로 구성되는 SPMT(Single Pole Multi Throw) 구조 등의 다양한 구조에 확장하여 적용할 수 있음은 물론이다. 여기서, 조그만 직사각형들은 희생막 제거를 위해 형성된 홀들이다.
도 9a ~ 9f는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 스위치의 제조방법을 개략적으로 보여주는 단면도들이다.
도 9a를 참조하면, 먼저 기판(100) 상의 일방향으로 트렌치(120), 지지대 메탈(112), 접지라인(111) 및 일정부분의 개방부(미도시)를 갖는 신호라인(110)을 형성한다. 지지대 메탈(112)은 기판(100) 양 끝단에 형성되고 기판(100) 중앙부에 신호라인(110)이 형성된다. 신호라인(110)과 지지대 메탈(112) 사이 각각에 구동요소의 하부 전극에 해당하는 접지라인(111)이 형성된다. 한편, 지지대 메탈(112)과 접지라인(111) 사이 각각 및 신호라인(110)과 접지라인(111) 사이 각각에 트렌치(120)가 형성된다.
본 실시예에서는 대칭형으로 스위치를 형성하고 있지만 기판(100) 한 끝단에 지지대 메탈(112)을 형성하고 다른 끝단 부분에 신호라인(110)을 형성할 수도 있 다. 이때 접지라인(111) 및 트렌치(120)는 차후에 형성되는 이동판의 특성에 따라 적절한 수로 형성한다.
도 9b를 참조하면, 트렌치(120), 지지대 메탈(112), 접지라인(111) 및 신호라인(110)이 형성된 기판 전면으로 소정 두께로 희생막(121)을 형성한다. 예를 들면, 희생막(121)은 스핀 코팅법으로 약 2 ㎛ 두께로 형성하게 되는데, 트렌치(120) 내부의 하부로는 약 3 ㎛ 정도의 두께가 되며, 양 측벽은 그보다 얇게 형성된다. 희생막(121) 형성 후, 식각에 의해 지지대 메탈(112)과 접지라인(111)의 일정부분 노출시킨다. 접지라인(111)이 노출된 부분(103)은 차후에 지지돌출부를 형성한다.
도 9c를 참조하면, 지지대 메탈(112) 및 접지라인(111)을 노출시킨 후 기판 전면에 걸쳐 절연막(151)을 형성한다. 절연막(151)은 차후에 형성되는 전극막이 접지라인(111) 또는 신호라인(110)과 단락되는 것을 방지하는 역할을 한다. 한편, 절연막(151) 전면에는 차후의 희생막(121) 제거를 위한 다수의 홀들(미도시)이 형성된다.
도 9d를 참조하면, 절연막(151) 일정부분을 식각하여 지지대 메탈(112)을 노출시키고 개방부(미도시)의 신호라인(110) 양 끝단과 접촉할 수 있는 위치에 접촉수단(130)을 형성한다. 접촉수단(130)은 절연막(151) 및 희생막(121) 상층부 일부를 식각하고 도전성 물질을 매립하여 절연막(151) 하부로 돌출되게 형성한다.
도 9e를 참조하면, 접촉수단(130) 형성 후, 기판 전면에 걸쳐 전극막(152)을 형성하여, 절연막(151) 및 전극막(152)으로 구성된 이동판부(150)를 형성한다. 이 동판부(150)는 트렌치(120)가 형성되었던 부분에 깊은 주름(160)을 형성하게 된다. 한편, 접촉수단(130) 상의 전극막 주변을 식각하여 전극막(152)과 전기적으로 고립된 스위칭 전극라인(153)을 형성한다. 스위칭 전극라인(153) 형성시, 노출된 접지라인(111) 부분의 절연막(151) 상의 전극막(152)을 제거하여 지지돌출부(141)를 형성한다. 이는 지지돌출부(141)에 정전기력에 의한 인력을 최대한 줄이기 위함이다. 한편, 전극막 전면에 걸쳐 절연막(151)에 형성된 다수의 홀들(미도시)과 일치하는 홀들(미도시)이 역시 형성된다.
신호라인(110)을 통한 고주파(RF) 신호의 흐름을 제어하기 위해서는 스위칭 라인(153)과 이동판부(150)의 구동 방향이 일치되어야 한다. 그러므로 전극막(152)과 스위칭 전극라인(153)을 동일 물질막을 이용하여 동일 평면상에 위치시키고, 전극막(152)으로부터 스위칭 전극라인(153)을 고립시켜 전극판(152)에 정전압이 인가될 때 스위칭 전극라인(153)이 전기적으로 절연되도록 한다.
도 9f를 참조하면, 이동판부(150)와 기판(100) 사이에 존재하는 희생막(121)을 제거한다. 희생막(121)은 이동판부(150)에 형성된 다수의 홀(미도시)을 이용하여 식각 제거된다. 희생막(121)이 제거됨으로써, 이동판부(150)는 기판으로부터 소정간격 이격되어 상하 운동을 할 수 있게 된다. 한편, 이동판부(150)는 이동판부(150)의 양측부와 연결된 지지대 메탈(112) 및 지지돌출부(141)를 통해 기판(100)과 소정 간격 이격되면서 지지된다.
본 발명의 이동판부(150)는 넓은 면적을 가지기 때문에 지지대 메탈(112)에서 상대적으로 먼 거리에 위치하는 중심 부분은 정전압이 가해지지 않은 상태에서 도 쉽게 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명은 기판(100) 상에 트렌치(120)를 형성하고 이동판부(150)에 트렌치(120)에 삽입될 수 있는 깊은 주름(160)을 형성시킴으로써, 이동판부(150)의 고유 스프링 상수를 변형시키지 않으면서도 이동판부(150)의 열적 변형을 억제할 수 있다. 깊은 주름(160)은 이동판부(150)의 상하이동이 신뢰성을 갖도록 이동판부(150)의 여러 부분에 형성될 수 있다. 또한, 본 발명은 쇄기 형상의 지지돌출부(141)를 접지라인 위에 형성하여 동작 과정에서 발생하는 이동판부와 접지라인 간의 스틱션을 방지하여 안정성과 신뢰성이 향상시킨다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 MEMS 스위치는 이동판부의 열적 변형을 억제하여 신뢰성을 개선시키는 깊은 주름을 이동판부에 형성하고 이동판부의 중앙부에 기판과의 간격을 유지하기 위한 지지돌출부를 형성함으로써, 접촉수단과 신호라인의 접촉이 안정적으로 이루어져 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기와 같은 안정적인 구조로 인해 제조 과정에서 발생되는 불량을 최소화할 수 있으며, 제조 공정이 비교적 간단하고 용이하여 제조 수율을 증대시킬 수 있다.

Claims (18)

  1. 트렌치, 접지라인 및 일정 부분의 개방부를 갖는 신호라인이 형성된 기판;
    전극판 및 상기 개방부를 연결할 수 있는 접촉수단을 구비하고 상기 기판과 일정 간격 이격되어 있으며 상기 트렌치에 삽입될 수 있는 깊은 주름이 형성된 이동판부; 및
    상기 이동판부를 지지하는 지지부;를 포함하는 미세전자기계적 구조(Micro-electro Mechanical Systems; MEMS) 스위치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 트렌치, 접지라인 및 신호라인은 상기 기판의 일방향으로 서로 이격되어 형성되고,
    상기 지지부는 상기 일방향과 수직방향의 상기 기판의 양 끝단의 적어도 한 부분에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 신호라인은 상기 기판의 중앙부에 형성되고,
    상기 지지부는 상기 기판 양 끝단 각각에 형성되며,
    상기 접지라인은 상기 신호라인과 지지부 사이로 각각 형성되고,
    상기 트렌치는 상기 지지부와 접지라인 사이에 각각 및 상기 신호라인과 접 지라인 사이에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 지지부는,
    상기 기판 상에 형성되고 상기 전극판과 전기적으로 연결된 지지대 메탈인 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 이동판부는,
    상기 접지라인 상에 형성되고 상기 이동판부를 지지하며 상기 기판으로부터 일정 간격 이격시키는 지지돌출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 지지돌출부는 내부로 쇄기 형상의 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 이동판부는 상기 접지라인과의 단락을 방지하기 위하여 상기 전극판 하부에 절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 개방부 상부로 상기 절연막 상에 상기 전극판과 전기적으로 고립된 도전성 스위칭 라인이 형성되고,
    상기 접촉수단은 상기 도전성 스위칭 라인에 연결되고 상기 개방부 방향의 상기 신호라인 양 끝단과 접촉할 수 있는 위치에 절연막을 관통하여 돌출되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 접지라인의 표면에 절연막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 이동판부는 탄성복원력을 갖는 물질들로 형성되어 상하 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 접지라인은 제1 전극이 되고 상기 전극판이 제2 전극이 되며,
    상기 제1 및 제2 전극에 전압이 인가되는 경우에 상기 접지라인과 상기 전극판의 정전기적 인력에 의해 상기 개방부가 상기 접촉수단을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
  12. 기판 상의 일방향으로 트렌치, 접지라인 및 일정 부분의 개방부를 갖는 신호라인을 형성하는 단계;
    상기 일방향과 수직방향의 상기 기판의 양 끝단의 적어도 한 부분에 지지대 메탈을 형성하는 단계;
    상기 지지대 메탈이 형성 후 기판 전면으로 일정의 두께를 가진 희생막을 형성하는 단계;
    상기 희생막 상부로 상기 지지대 메탈에 연결된 전극막 및 상기 개방부를 연결할 수 있는 접촉수단을 구비한 이동판부를 형성하는 단계; 및
    상기 희생막을 제거하는 단계를 포함하는 미세전자기계적 구조(Micro-electro Mechanical Systems; MEMS) 스위치 제조방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 신호라인은 상기 기판의 중앙부에 형성하고,
    상기 지지대 메탈은 상기 기판 양 끝단 각각에 형성하며,
    상기 접지라인은 상기 신호라인과 지지대 메탈 사이로 각각 형성하고,
    상기 트렌치는 상기 지지대 메탈과 접지라인 사이에 각각 및 상기 신호라인과 접지라인 사이에 각각 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치의 제조방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 희생막의 형성단계는,
    상기 희생막을 식각하여 상기 지지대 메탈 및 상기 접지라인의 일정 부분을 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 이동판부를 형성하는 단계는,
    상기 노출 단계 이후 기판 전면에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 개방부의 상기 신호라인 양 끝단 상부의 상기 절연막 및 희생막을 식각하고 내부를 도전성 물질로 매립하여 접촉수단을 형성하는 단계;및
    상기 절연막 및 접촉수단 상에 전극막을 형성하고 상기 접촉수단 상의 전극막 주변을 식각하여 스위칭 전극라인을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 절연막 및 희생막의 식각 과정에서,
    상기 지지대 메탈 상부의 절연막을 식각하여 노출시키는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 스위칭 전극라인을 형성하는 단계에서,
    상기 접지라인 일정부분의 절연막 상에 형성된 전극막을 식각하여 지지돌출부를 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
  18. 제12 항에 있어서,
    상기 이동판부는 탄성복원력을 갖는 물질들로 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치 제조방법.
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