KR20080041676A - 마이크로 캐비티 ｍｅｍｓ 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

마이크로 캐비티 ｍｅｍｓ 장치 및 그 제조방법 Download PDF

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로렌스 에이 클레벤거
티모시 제이 달튼
칼 제이 라덴스
케이스 퀑 혼 웡
치 차오 양
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Abstract

본 발명은 마이크로 캐비티(40) 내에 자유 이동 가능 요소(140)를 갖고, 적어도 하나의 유도 요소에 의해 안내되는 MEM(Micro-Electromechanical) 스위치를 개시하고 있다. 스위치는, 각각 금속 코어(180, 200)를 갖고 바람직하게는 퍼말로이로 제조되는 상부 유도 코일(170) 및 선택적인 하부 유도 코일(190); 마이크로 캐비티(40); 및 바람직하게는 역시 자성 재료로 제조되는 자유 이동 가능 스위칭 요소(140)를 포함한다. 스위칭은, 전류를 상부 코일을 통해 흘려 코일 요소에 자기장을 유도함으로써 이루어진다. 자기장은 자유 이동 가능 자기 요소를 위로 당기고, 두 개의 개방 와이어(M_l, M_r)를 단락시켜, 스위치를 폐쇄한다. 전류의 흐름이 멈추거나 반대로 될 때, 자유 이동 가능 자기 요소는 중력에 의해서 마이크로 캐비티의 저부까지 떨어지고, 와이어가 개방된다. 칩이 똑바로 선 배향 상태로 장착되지 않을 때, 중력이 이용될 수 없다. 이러한 경우에, 하부 코일이, 자유 이동 가능 스위칭 요소를 뒤로 잡아당겨 원래의 위치에 유지시키는 데에 필요하게 된다.

Description

마이크로 캐비티 ＭＥＭＳ 장치 및 그 제조방법{MICRO-CAVITY MEMS DEVICE AND METHOD OF FABRICATING SAME}
본 발명은, 유도 자기력에 기초한 스위칭 메커니즘을 구비하는 마이크로 전자기계(MEM: Micro-Electromechanical) 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
MEM 스위치는, 적은 삽입 손실 및 훌륭한 온/오프 전기적 특성의 면에서 종래의 트랜지스터 장치보다 우수하다. 이러한 종류의 스위치는 고주파수 분야에서 그 용례가 증가하고 있다.
예로써, Pond의 미국 특허 제5,943,223호는 에너지 변환 장치에서 전력 손실을 줄이는 MEM 스위치를 개시하고 있는데, 여기서 MEM 장치는 AC/AC 컨버터, AC/DC 컨버터, DC/AC 컨버터, 매트릭스 컨버터, 모터 제어기, 공진 모터 제어기 및 다른 유사 장치를 스위칭한다.
당 업계에는, 다양한 구성에 사용되도록 설계되어 많은 다양한 용례에서 최적으로 작동하기에 매우 적합한 각종 구성을 사용하여 설계된 MEM 스위치가 공지되어 있다.
예컨대, Chow 등의 미국 특허 제6,667,245호는, 1) 상판(71); 2) 하판(74); 3) 하부 접점(19); 4) 상부 접점(29); 5) 인터커넥트 플러그(27) 및 6) 캔틸레 버(72)를 포함하는 도 18에 도시한 캔틸레버식 MEM 스위치를 개시하고 있다. 상판(71)과 하판(74) 사이에서 전류가 흐를 때, 정전기력이 생성되어, 상판(71)을 끌어당겨 도면부호 14로 나타낸 지점을 향해 캔틸레버(72)를 아래로 굴곡시킴으로써, 두 개의 접점(19, 29) 간에 접속을 형성한다.
또 다른 구성은, 본 출원인에 양도된 Volant 등의 미국 특허 제6,701,779호 B2에서 개시한 바와 같은 비틀림 빔을 이용한다. 도 19a 및 도 19b에는 각각 측면도 및 평면도로 도시된 직교 비틀림식 마이크로 전자기계 스위치(perpendicular torsion microelectro-mechanical switch)가 예시되어 있다. 이 도시된 스위치는, 5개의 기본 구성요소, 즉, 1) 가동 접점(20); 2) 고정 접점(30); 3) 고정된 제1 제어 전극(40); 4) 굴곡 가능한 제2 제어 전극(50, 50A); 및 비틀림 빔(6)으로 이루어진다. 전극(40, 50)은, 전극 사이에 DC 전압이 가해질 때 서로 끌어당기고, 이는 비틀림 빔(60)이 구부러지게 한다. 가동 접점(20)이 토션 빔(60)에 부착되기 때문에, 마찬가지로, 가동 접점(20)은 하향 이동되어 고정 접점(30)과 접촉하게 된다.
또 다른 구성으로는, 본 출원인에 양도된 미국 특허 제6,831,524호 B2에 개시된 마이크로 전자기계 유도 결합력 스위치가 있고, 이는 도 20에 예시적으로 도시되어 있다. 그 MEM 장치는 적어도 5개의 구성요소, 즉, 1) 가동 코일 어셈블리(10); 2) 피벗 핀(75)을 중심으로 회전하는 가동 인덕터 코일(20, 30); 3) 고정 코일(40, 50); 4) 빗살형 드라이브(8, 9; comb drive); 및 5) 가동 인덕터 코일(20, 30)에 결합된 컨덕터를 포함한다. 코일의 결합력(20과 40 사이, 30과 50 사이)은, 빗살형 드라이브(8, 9)에 의해 조정되는 어셈블리의 위치에 의존하여, 아주 미약하거나 매우 강할 수 있다. 완전 결합 조건에서, 코일(40) 내에서 흐르는 전류는 인덕터 코일(20) 내에 전류를 유도한다. 인덕터 코일(20, 30)이 서로 연결되어 있기 때문에, 동일한 전류가 인덕터 코일(30)에 흐를 것이고, 이어서 고정 코일(50)에 전류를 유도한다.
York 등의 미국 특허 제6,452,124호 B1에 개시되어 있는 다른 구성은, 도 21에서 도시되는 캐퍼시티브 멤브레인 MEM 장치(capacitive membrane MEM device)를 나타낸다. 여기에서, 도시된 MEM 스위치는, 4개의 기본 구성요소, 즉, 1) 상부 금속 전극(102); 2) 하부 금속 전극(104); 3) 절연체 멤브레인(108); 및 금속 캡(110)을 포함하고 있다.
마이크로 미러를 작동시키기 위해서 각도 변위를 제공하는 자기 커플링이 Pan 등의 미국 특허 제6,577,431호 B2에 개시되어 있다. 이 어셈블리는, 각각 어셈블리의 사시도와 측면도를 도시하는 도 22a와 도 22b에 예시되어 있다. 어셈블리는 3개의 기본 구성요소, 즉, 1) 반사 미러(44); 2) 배향 미러(43); 및 퍼말로이 재료(441, 431)를 포함한다. 전류가 액츄에이터(46)를 통과할 때, 두 개의 퍼말로이 요소는 자기장을 유도하고, 반발력을 생성하며 미러를 기판으로부터 떨어지게 구부린다. 반사 미러(44) 및 배향 미러(43) 모두는 유리 또는 실리콘 기판(41) 위에 도면부호 42a로 표기한 부분에 의해 지지된다.
<기타 관련 특허문헌>
Yi 등의 미국 특허 제6,166,478호는 각각 상이한 양의 퍼말로이 또는 다른 자성 재료를 갖는 적어도 두 개의 힌지 플랩에 의한 자기 작용을 이용한 마이크로 전자기계 시스템을 개시하고 있다.
Judy 등의 미국 특허 제5,945,898호는 캔틸레버 요소의 하나 이상의 영역 상에 배치된 적어도 하나의 자기적 활성 재료 층의 배향 및 캔틸레버 요소의 배향을 변화시킬 수 있는 적어도 하나의 기계적 부착부에 의해 지지되는 캔틸레버 요소를 구비한 자기 마이크로 액츄에이터를 개시하고 있다.
Wu 등의 미국 특허 제6,542,653 B2호는 복수 개의 래칭(latching) 기구를 포함하는 마이크로 스위치 어셈블리를 개시하고 있다.
CMOS 제조 기술에 적합하지만, 커버하기에 어렵고 적절하게 평탄화하기에는 훨씬 더 어려운 넓은 개방 캐비티(large open cavities)에 대한 요구가 없는, 저비용의 매우 신뢰할 수 있는 MEM 스위치를 당업계에서 여전히 열망하고 있고 요구하고 있다. 당업계에서 이러한 MEM 스위치는, 내구성 있고 신뢰할 수 있는 스위칭을 이루기 위해서 힌지의 제거, 즉 기계적인 가동부의 제거를 요구하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, CMOS 반도체 칩 제조 라인에서 완전하게 통합될 수 있는 마이크로 캐비티 MEMS(이하, MC-MEMS) 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.
다른 목적은, 넓은 개방 표면의 캐비티가 필요없는 MC-MEM 스위치를 제공하는 것에 있다.
또 다른 목적은, 진공 상태로 둘러싸인 가동성 기계적 힌지 요소가 없는, 매우 신뢰할 수 있고 내구성 있는 MC-MEMS를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 태양에서, 기판에 의해 지지되는 마이크로 전자기계(MEM) 스위치가 제공되는데, 이는, 기판 내의 캐비티; 적어도 하나의 유도 요소에 의해 활성화되는, 캐비티 내에서 자유롭게 이동하는 스위칭 요소를 포함하고, 제1 위치에서, 스위칭 요소는 두 개의 전도 와이어를 전기적으로 연결하고, 제2 위치에서, 스위칭 요소는 두 개의 전도 와이어에서 분리된다.
본 발명의 다른 태양에서, 기판 상에 마이크로 전자기계 스위치의 형성방법이 제공되는데, 이는, 기판 상에 자기 코어를 둘러싸는 유도 코일을 형성하는 단계; 실질적으로 자기 코어와 정렬된 개구부를 갖는 마이크로 캐비티를 기판 내에 에칭하는 단계; 마이크로 캐비티 내에서 자유롭게 이동하는 자기 스위칭 요소를 형성하는 단계를 포함하고, 자기 스위칭 요소는, 유도 코일에 의해 활성화될 때 제1 위치로 이동하고, 활성화되지 않을 때 제2 위치로 이동한다.
또한, 본 발명은 유도 자기력에 기초한 MEM 스위치를 제공하고, 이는 이하와 같은 독특한 특징을 포함한다:
a) 스위칭 장치의 어떤 부분도 개방 표면에 노출되지 않고;
b) 스위칭 요소는 스위칭 장치의 임의의 다른 부분에도 물리적으로 부착되지 않으며;
c) 자유 이동 가능 스위치 요소는, BEOL(Back-end of the line; 생산 라인의 후단)을 위해 사용된 금속 스터드와 동일한 형상 및 크기의 작은 캐비티 내에 넣어지고;
d) 스위치 요소는 캐비티 내부에서 이동하고, 스위치 요소의 이동은 유도 자기력에 의해 제어된다.
본 발명의 상기한 목적, 태양 및 이점은 물론 다른 목적, 태양 및 이점은 첨부 도면과 함께 고려할 때, 본 발명의 상세하고 바람직한 실시예로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 MC-MEMS의 개략도이다.
도 2 내지 도 17은 본 발명의 MEM 장치를 구성하기 위한 다양한 제조 단계를 도시한 개략도이다.
도 18은 종래의 캔틸레버식 MEM 스위치를 도시한다.
도 19a-19b는 종래의 직교 비틀림식 마이크로 전자기계 스위치의 단면도 및 평면도를 각각 도시한다.
도 20은 종래의 마이크로 전자기계 유도 결합력 MEM 스위치를 도시한다.
도 21은 종래의 캐퍼시티브 멤브레인 MEM 장치를 도시한다.
도 22a-22b는 마이크로 미러를 작동하기 위해서 각도 변위를 제공하는 종래의 자기 커플링의 사시도 및 측면도를 각각 도시한다.
도 1은 본 발명의 MC-MEM 스위치의 사시도를 도시한 개략도이다.
MC-MEMS는 기본 구성요소, 즉 (1) 상부 유도 코일(170), 선택적 하부 유도 코일(190); (2) 퍼말로이로 이루어지는 것이 바람직한 상부 코어(180), 선택적 하부 코어(200); (3) 마이크로 캐비티(40), 및 (4) 캐비티 내부에서 자유롭게 이동하 고 바람직하게는 자성 재료로 제조된 스위칭 요소(140; 이하 SW)가 나타나도록 도시되어 있다. 스위칭은, 상부 코일에 전류(Iu)가 흐르게 하여 코일 요소(170)에 자기장을 유도함으로써 활성화된다. 이러한 경우에, 하부 코일(190)은 작동하지 않는다(하부 코일에는 전류가 전혀 흐르지 않는다, 즉, Id=0). 자기장은 자유 이동 가능 자기 요소(140)를 위로 끌어당기고, 두 개의 개별 와이어 세그먼트(M_l, M_r)를 단락시킨다. 전류의 흐름이 멈추거나 반대로 될 때, 자유 이동 가능 자기 요소(140)는 중력에 의해서 마이크로 캐비티의 저부까지 떨어지고, 와이어를 개방하며 MC-MEM 스위치를 끈다.
바람직하게는, 캐비티는 원통형 형상이고, 0.1 내지 10 ㎛의 범위의 직경을 갖는다. 이하에서 그러한 캐비티는 이 대신에 마이크로 캐비티라고도 지칭할 것인데, 이는 캐비티의 직경이 BEOL에서 사용된 통상의 금속 스터드의 직경에 가깝기 때문이다.
지금까지는, 칩이 직립 상태로 적절히 장착되어, 회로를 개방하는 데에 중력이 이용될 수 있게 되어 있는 것으로 가정하였다. 따라서, 하부 코일을 구비하지 않을 수 있다. 그러나, 칩이 직립 위치로 장착되지 않을 때, 중력이 이용될 수 없다. 이러한 경우에, 하부 코일(190)로 지칭한 제2 코일이, SW를 뒤로 잡아당겨 SW를 원래의 위치에 유지시키기 위해 필요하게 된다. 따라서, 스위칭 중에, 상부 코일(170)이 작동하지 않고(즉, Iu=0) 하부 코일(190)은 전류(Id)가 흐름으로써 활성화된다.
전술한 바와 같이, 자유 이동 가능 전도 요소(SW)는, 바람직하게는 퍼말로이 코어이거나, 더 양호한 전기 전도성을 위해 구리 코팅된 퍼말로이 코어이다. 당업자는 퍼말로이가 높은 자기 지속성을 갖는 철-니켈계 합금도, 자기 저장 매체 산업에서 널리 이용된다는 점을 쉽게 인식할 것이다. 또한, 퍼말로이 재료는 Co, V, Re, 및/또는 Mn을 소량 함유할 수 있다. 또한, 미국 특허 제4,699,702호; 미국 특허 제6,656,419 B2호; 및 미국 특허 제6,599,411호에 개시한 바와 같이, 퍼말로이는 물리적 스퍼터링 또는 전착에 의해서 증착될 수 있다. Co, V, Re, 및/또는 Mn과 같은 소량의 기타 원소는, 니켈-철계 퍼말로이의 연자성 특성의 성능을 증가시키기 위해 첨가될 수 있다.
전류가 인덕터(170)에 가해질 때, 자기장은 상부 코어(180)뿐만 아니라 이동성 전도 요소(140)에도 유도되고, 상부 코어와 가동성 전도 요소가 서로를 향해 끌어당긴다. 자유 이동 가능 요소(140)는 상부 전극(M_l, M_r)을 단락시켜 스위치를 폐쇄시킨다. 전류의 흐름이 멈출 때, 자유 이동 가능 요소(140)는 중력에 의해 캐비티의 저부까지 낙하하여, 스위치를 개방시킨다.
제2 실시예에서, 코어(180)는 영구 자석으로 작동한다. 전류의 방향에 의존하여, 자유 이동 가능 전도 요소(140)에 유도되는 극성은 영구 자석 코어(180)와 동일하거나 반대로 된다. 결과적으로, 자유 이동 가능 전도 요소(140)는 상부 코어(180)에 끌어당기거나 그로부터 밀어내어질 것이다. 그러면, 그 결과로서 스위치도 대응하여 개방 또는 폐쇄된다.
또 다른 실시예에서, 각각 코어를 구비하는 두 쌍의 코일이 자유 이동 가능 스위치 요소(140)에 결합된다. 코어 및 SW(140) 모두는, 바람직하게는 퍼말로이로 제조된다. 따라서, 상부 코일(170)은, 제1 순간에 상기 스위치 요소를 위로 끌어당기도록 활성화될 수 있다. 유사하게, 하부 코일(190)은, 제2 순간에 SW(140)를 아래로 내리도록 활성화될 수 있다. 동일한 원리에 기초하여, 스위칭 작동의 다른 조합이 가능할 수 있다.
이하는, CMOS 제조 라인에서 MC-MEM 스위치를 제조하는데 필요한 제조 공정 단계에 대한 논의이다.
도 2를 참조하면, 기판(10)은, 바람직하게는 화학적 증기 증착(CVD; Chemical Vapor Deposition) 질화물을 사용하여, 보호막(30)에 의해서 절연된다. 에칭 정지층(20)이, 전도성의 여부와 관계없이, 증착 및 패터닝을 포함하는 표준 공정에 의해 형성된다. 이어서, 캐비티(40)가 기판상에 형성되고, 에칭 정지층(20)에서 정지된다.
도 3을 참조하면, 버퍼(또는 희생) 재료(50)가 블랭킷 증착된다. 이러한 막의 두께는, 마이크로 캐비티의 측벽과 형성될 자유 이동 가능 스위치 요소 사이에 충분한 갭을 남기게 하는 자유 이동 가능 스위치 요소(미도시)와 캐비티의 측벽 사이의 공차가 얼마나 큰지에 의해 결정된다. 바람직하게는, 갭의 폭의 범위는 0.1 ㎛ 이하 정도이다. 희생 재료는, 바람직하게는, 주위 절연 재료에 대해 선택적으로 제거될 수 있는 CVD 폴리실리콘, 또는 비결정질 실리콘이다. 이들 재료는 산화물에 대한 높은 선택성을 갖고 건식 에칭 또는 습식 에칭될 수 있다.
도 4를 참조하면, 바람직하게는, 철-니켈계 합금과 같은 퍼말로이로 제조된 전도 재료(60)가 캐비티 내에 증착되고 평탄화되어, 완전히 채워진 캐비티가 얻어 진다. 표면에서의 버퍼층(50)이 이후의 화학-기계적 폴리싱 공정 중에 제거된다. 버퍼층(55)은 캐비티 내에만 남아 있다.
도 5에서, 증착된 전도 재료는 캐비티의 높이에서 예정된 레벨까지, 바람직하게는 70% 내지 80% 까지 리세스(70)된다.
도 6에서, 캐비티 상부를 채우도록 캐비티의 측벽에 이용된 것과 동일한 버퍼 재료가 증착되고(80), 다시 폴리싱 백(polish back) 된다.
도 7에서, 보호 재료(30)가 폴리싱 백 되고, 바람직하게는 제거된다.
도 8에서, 증착, 패터닝, 및 에칭과 같은 종래의 금속화 공정을 이용하여, 금속 배선(100)이 형성된다.
도 9에서, 예컨대 CVD 산화물, SOG(Spin-On Glass) 등과 같은 절연 재료층(110)이 증착된다.
도 10에서, 절연 재료(110) 내의 홀(120)이 패터닝되고 에칭되어, 마이크로 캐비티의 상단(80)에 이른다.
도 11을 참조하면, 캐비티의 상단에서 버퍼 재료(80)가 선택적으로 제거된다.
도 12에서, 남아있는 버퍼 재료(55)는, 통상의 선택적인 건식 에칭 또는 습식 에칭에 의해 마이크로 캐비티의 측벽으로부터 제거된다.
도 13에서, 그러한 구조체의 상부에 절연 재료(150)가 증착되어 홀의 상부를 밀봉하고 있다. 이 증착은, 높은 증착 속도, 압력 및 낮거나 바이어스가 없는 전원/전극 전력을 이용하는 화학적 증기 증착에 의해 행해진다. 높은 증착 속도(5000 Å/sec 초과) 및 압력(100 mTorr 초과)은 반응종의 평균 자유 경로를 제한하고 반응종이 캐비티 내에 증착되지 않게 한다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 낮은 및/또는 바이어스가 없는 전원/전극 전력(100W 미만)은, 캐비티의 상단에서 모서리가 둥글게 되는 정도를 제한하여, 캐비티 내의 반응종의 증착을 더욱 억제한다.
도 14를 참조하면, 코일 및 코어 요소는, 통상의 증착, 패터닝 및 에칭 공정을 이용하여 별도로 형성된다. 코어 재료는 퍼말로이 재료, 바람직하게는 니켈, 구리, 티타늄 또는 몰리브덴으로 제조된다. 코일은 알루미늄, 구리, 텅스텐 또는 그 합금과 같은 통상의 금속으로 제조된다. 제조 단계는 다음과 같다: 박막 퍼말로이 재료가 먼저 증착되고 나서 퍼말로이 박막을 패터닝한다. 유리하게는, 절연 재료가 먼저 증착되고 나서 코어 패턴을 형성하기 위해 에칭 단계를 거치는 다마신 공정에 의해 패터닝이 이루어진다. 다음, 패턴을 메우도록 코어 재료가 채워지고 폴리싱 백 된다. 다음, 동일한 절연 재료가 코일의 패턴을 형성하기 위해 패터닝되고, 이어서 코일 패턴을 채우기 위해 금속 증착 및 폴리싱 백이 이루어진다.
도 15는 캐비티의 저부에 위치하는 것으로 이동가능한 전도성 스위칭 요소(140)가 도시된, 개방 상태에서의 MC-MEM 스위치를 도시한다.
도 16은 자기장에 의해 위로 당겨진 자유 이동 가능한 스위칭 요소(140)에 의해 두 개의 와이어(100)의 단락이 달성되어 있는 동일한 MC-MEM 스위치를 도시하고 있다. 버퍼 재료는, SW가 마이크로 캐비티의 바닥에 '접합'하지 않도록 도 12에 도시된 바와 같이 에칭되어 있다.
도 17a 및 도 17b는 최종 MC-MEMS 구조물의 측면도 및 X-X'선을 따라 취한 상응하는 평면도를 각각 도시한다.
도 17b에서 마이크로 캐비티의 개구부가 금속 와이어에 의해 부분적으로 가려져 있는 것이 도시되어 있다. 부가적인 금속 확장편(200)이 두 가지의 목적, 즉, (1) 상부 밀봉 공정 중에 찌꺼기를 막기 위해서[그림자 효과(shadowing effect)라고도 한다], 및 (2) 스위치 요소를 위한 더 많은 전기 접촉 영역을 마련하기 위해서 제공된다. 캐비티 내에 찌꺼기가 증착되는 것을 막기 위해 완전한 그림자 효과가 달성될 수 있도록 금속 와이어를 패터닝할 수 있다는 점을 이해할 것이다.
본 발명의 마이크로 캐비티는, 통상의 금속 스터드와 대략 동일한 크기를 갖는다. 바람직하게는, 캐비티 내의 자유 이동 가능 스위치 요소가 진공중에서 밀봉되어 부식으로부터 해방된다.
종래의 MEM 스위치와 달리, 기계적으로 이동하는 힌지 요소가 없어서 장치는 보다 강건하고 내구성이 좋다. 캐비티가 완전하게 에워싸여 밀봉되기 때문에, 이후의 평탄화된 표면은 집적 또는 조립 능력도 제공한다. 전술한 MC-MEMS는, 종래의 CMOS 반도체 제조 공정 단계와 완전하게 조화를 이룬다.
본 발명의 MEM 스위치의 다양한 파라미터를 양호하게 정량화하기 위해서, MC-MEMS의 자기장 및 코일의 크기에 대한 예상값이 이하에서 논의될 것이다.
특정 거리만큼 자유 이동 가능 요소를 움직이기 위해 필요한 에너지 또는 일이 다음 방정식에 의해 주어진다:
에너지 = 1/2 LI2 = {mg(1+ε)}h
여기서,
ε: 마찰 계수 = 0.1
m: 스위치 요소의 중량
h: 이동 거리의 높이 = 0.5 ㎛
H: 원통형 스위치 요소의 높이 = 0.5 ㎛
D: 원통형 스위치 요소의 직경 = 1 ㎛
g: 중력계수 = 9.8 ㎨
L: 인덕턴스(헨리)
I: 자기 발생 전류(Amp)
자유 이동 가능 요소의 중량은 다음과 같이 추산된다:
알루미늄과 합금의 밀도는 대략 2.7 g/cm3
이동 가능 요소의 부피는 다음 식에 의해 주어진다:
V = π(d/2)2H = (3.14)(0.25)(0.5) = 0.39E-12 cm3
이동 요소의 중량은,
M = 2.7 × 0.39E-12 = 1.05E-12 g
추산된 일은,
일 = {mg(1+ε)}h = (1.06E-12) × 9.8 × 1.1(0.5E-6) = 5.7 E-18 gm2/s2
= 5.7E-21 Nm = 5.7E-21 J
인덕터의 크기는 다음과 같이 추산된다:
1/2 LI2 = 5.7E-21 J
전류 I는 다음과 같이 계산된다:
I = 0.1 mA = 1E-4 A(즉, 1mA = 1E-3 A)
따라서, 나선형 인덕턴스는,
L = (2 × 5.7E-21)/(1E-4)2 = 1.14E-11 = 10 pH(또는 0.01nH)
높은 투자율의 코어를 갖는 코일이 10배 이상까지 자기장을 높일 수 있어, 필요한 전류량(I)이 10배까지 낮아질 수 있다는 점을 유의해야 할 것이다.
수정된 휠러 공식(Modified Wheeler Formula)
Figure 112008015557645-PCT00001
K1 = 2.34
K2 = 2.75
n = 감김수 = 1
davg = 평균 직경 = 0.5(din + dout)
ρ = 채움 비(fill ratio) = (dout-din)/(dout+din)
μ0 = 공기의 투자율 = 1.26E-6
1) 1회 감김의 경우,
din = 1 ㎛, dout = 2 ㎛
davg = 1.5 ㎛
ρ = 0.34
L = {2.34 × 1.26E-6 × (1 × 1.5E-6)}/(1 + 2.75 × 0.34) = 1.90 pH
2) 2회 감김의 경우,
din = 1 ㎛, dout = 4 ㎛
davg = 2.5 ㎛
ρ = 0.6
L = {2.34 × 1.26E-6 × (4 × 2.5E-6)}/(1 + 2.75 × 0.6) = 11.12 pH
1 mA의 전류가 이용된다면, 1 ㎛의 내부 직경, 0.5 ㎛의 감김 폭 및 간격을 갖는 1회 감김 코일이 적합할 것이다. 인덕터의 전류가 0.1 mA로 감소한다면, 2회 감김 인덕터가 요구된다. 두 경우의 코일의 크기 및 전류는 반도체 용례에서 수용 가능한 범위이다.
본 발명이 특정 실시예와 관련하여 상세하게 설명되었지만, 다른 대안, 변경 및 변형이 본 설명에 비추어서 당업자에게 명백할 것이라는 점은 분명하다. 따라서, 첨부한 청구범위는, 본 발명의 진정한 범위 및 사상 내에 속하는 어떠한 대안, 변경 및 변형도 포함할 것이라는 점이 의도된다.
마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 스위치는 통신 설비, 더 구체적으로는 휴대폰에 적용가능하다.

Claims (10)

  1. 기판에 의해 지지된 마이크로 전자기계(MEM; Micro-Electromechanical) 스위치로서,
    상기 기판 내의 캐비티(40); 및
    상기 캐비티(40) 내에서 자유롭게 이동하고, 적어도 하나의 유도 요소(170, 190)에 의해 작동되는 스위칭 요소(140)
    를 포함하고, 제1 위치에서, 상기 스위칭 요소(140)는 두 개의 전도 요소(M_l, M_r)를 전기적으로 연결하고, 제2 위치에서, 상기 스위칭 요소는 상기 두 개의 전도 요소(M_l, M_r)로부터 분리되며, 상기 스위칭 요소는 비활성시에 중력에 의해 상기 제1 위치에서부터 상기 제2 위치로 낙하하는 것인 마이크로 전자기계 스위치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 요소(140)는 전도 재료로 제조되는 것인 마이크로 전자기계 스위치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유도 요소(170, 190)는 자성 재료로 제조되는 것인 마이크로 전자기계 스위치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유도 요소는 자기 코어(180, 200)와 결합된 코일로 구 성되는 것인 마이크로 전자기계 스위치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 두 개의 전도 요소는 상기 캐비티의 상단에 위치 설정되고, 이들의 이격 부분은 상기 스위칭 요소와 정렬되는 것인 마이크로 전자기계 스위치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 캐비티 내에서 이동하는 상기 스위칭 요소는 상부 유도 요소 및 하부 유도 요소에 의해 안내되는 것인 마이크로 전자기계 스위치.
  7. 기판 상에 마이크로 전자기계(MEM) 스위치를 형성하는 방법으로서,
    상기 기판 상에 가동성 자기 코어를 둘러싸는 유도 코일을 형성하는 단계;
    상기 자기 코어와 실질적으로 정렬된 개구부를 갖는 마이크로 캐비티를 상기 기판 내에 에칭하는 단계; 및
    상기 마이크로 캐비티 내에서 자유롭게 이동하는 상기 가동성 자기 코어를 포함하는 자기 스위칭 요소를 형성하는 단계
    를 포함하고, 상기 자기 스위칭 요소는, 상기 유도 코일에 의해 활성화될 때 제1 위치로 이동하여 두 개의 와이어를 단락시키며, 상기 유도 코일이 비활성화될 때 상기 제2 위치로 이동하고 상기 두 개의 단락된 와이어를 개방하며, 상기 스위칭 요소는 비활성시에 중력에 의해 상기 제1 위치에서부터 상기 제2 위치까지 낙하하는 것인 기판 상에 마이크로 전자기계 스위치를 형성하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 마이크로 캐비티를 형성하는 단계는, 먼저 에칭 정지층을 증착하고 패터닝하는 단계와, 이어서 상기 기판 내에 상기 마이크로 캐비티를 에칭하여 상기 에칭 정지층에서 중단시키는 단계를 포함하는 것인 기판 상에 마이크로 전자기계 스위치를 형성하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 마이크로 캐비티 내에 상기 자기 스위칭 요소를 형성하는 단계는,
    상기 자유 이동 가능 스위칭 요소와 상기 마이크로 캐비티의 측벽 사이에 공차에 의해 결정되는 두께로 상기 마이크로 캐비티의 측벽 상에 정합하게 희생 재료를 증착하는 단계; 상기 마이크로 캐비티 내에 전도 재료를 증착하는 단계; 상기 마이크로 캐비티를 채우기 위해 평탄화하는 단계; 상기 전도 재료를 상기 마이크로 캐비티의 높이의 예정된 레벨까지 리세스하는 단계; 상기 마이크로 캐비티의 상단까지 상기 마이크로 캐비티를 희생 재료로 다시 채우는 단계; 및 상기 측벽으로부터 상기 전도 재료가 자유롭게 되도록 상기 희생 재료를 선택적으로 제거하는 단계를 더 포함하는 것인 기판 상에 마이크로 전자기계 스위치를 형성하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 자기 코어 및 상기 스위칭 요소는 퍼말로이로 제조되는 것인 기판 상에 마이크로 전자기계 스위치를 형성하는 방법.
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