KR20080097023A

KR20080097023A - Ｒｆｍｅｍｓ 스위치 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20080097023A
Application number: KR1020070042093A
Authority: KR
Inventors: 이병기; 정진원; 이희철
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2008-11-04

Abstract

본 발명은 RF MEMS 스위치 내에 공동부(cavity)를 형성함으로써 금속의 열적 흐름을 최소화하여 RF MEMS 스위치의 신뢰성을 높일 수 있고, RF MEMS 스위치를 웨이퍼 레벨에서 패키징 함으로써 RF MEMS 스위치의 생산 단가를 낮출 수 있는 RF MEMS 스위치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치는, 제1 기판에 형성된 압전 스위치부의 적어도 일부를 수용하는 공동부를 갖는 제2 기판과; 상기 제2 기판 내부의 적어도 하나 이상의 비아홀의 내부에 채워진 금속층으로 구성된다.

Description

ＲＦＭＥＭＳ 스위치 및 그 제조 방법{RF MEMS switch and fabrication method thereof}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치의 구조를 나타낸 도이다.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치의 하부기판에 구성된 압전 스위치부를 제작하는 방법을 순차적으로 나타낸 공정도이다.

도3a 내지 도3i는 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치의 상부 기판의 제조 방법을 나타낸 공정도이다.

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***

10: 상부 기판 12: 산화막

13, 16: 금속층 18: 금속 패드

20: 상부 기판 21a: 하부 전극

21b: 압전체 21c: 상부 전극

22: 압전 캐패시터 23: 압전 스위치부

24: 절연체 25: 스위치 접촉부

본 발명은 RF MEMS(radio frequency micro-electromechanical system) 스위치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, RF MEMS 스위치는, 전기적 스위치를 기계적인 스위치로 대체한 RF 스위치로서, 고주파수 대역에서의 삽입 손실(insertion loss) 특성을 개선시킬 수 있는 스위치이다. 종래 기술에 따른 RF MEMS 스위치는 정전력, 전자기력 및 열구동 방식 등으로 구동된다.

그러나, 종래 기술에 따른 RF MEMS 스위치는 상부 구조(상부 기판)와 하부 구조(하부 기판)로 이루어져 있으며, 상기 RF MEMS 스위치를 작동시키기 위해 상기 상부 구조와 하부 구조 사이의 간격이 큼으로 인해 상기 RF MEMS 스위치 내의 금속의 열적 흐름 현상으로 인해 상기 RF MEMS 스위치의 구동에 치명적인 악영향을 주게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은, RF MEMS 스위치 내에 공동부(cavity)를 형성함으로써 금속의 열적 흐름을 최소화하여 RF MEMS 스위치의 신뢰성을 높일 수 있는 RF MEMS 스위치 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, RF MEMS 스위치를 웨이퍼 레벨에서 패키징 함으로써 RF MEMS 스위치의 생산 단가를 낮출 수 있는 RF MEMS 스위치 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치는, 제1 기판에 형성된 압전 스위치부의 적어도 일부를 수용하는 공동부를 갖는 제2 기판과; 상기 제2 기판 내부의 적어도 하나 이상의 비아홀의 내부에 채워진 금속층으로 구성된다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치는, 제1 기판에 형성된 압전 스위치부의 적어도 일부를 수용하는 공동부를 갖는 제2 기판과; 상기 제2 기판 내부의 비아홀들의 내부에 채워진 제1 금속층과; 상기 제1 금속층의 상부 표면에 형성된 전극 패드와; 상기 제1 금속층의 하부 표면에 형성된 제2 금속층으로 구성된다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치는, 전기적 신호의 흐름을 제어하는 압전 스위치부를 갖는 하부 기판과; 상기 압전 스위치부의 적어도 일부를 수용하는 공동부를 갖는 상부 기판으로 구성된다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치는, 하부 기판과; 상기 하부 기판 상에 형성된 절연체와; 상기 절연체 상에 순차적으로 형성된 제1 전극, 압전체, 제2 전극으로 이루어진 압전 캐패시터와, 상기 절연체 상에 형성되고, 상기 압전 캐피시터에 인접한 위치에 형성된 스위치 접촉부를 포함하는 압전 스위치부와; 상기 압전 스위치부의 적어도 일부를 수용하는 공동부를 갖는 상부 기판과; 상기 상부 기판 내부의 비아홀들의 내부에 채워진 제1 금속층과; 상기 제1 금속층의 상부 표면에 형성된 전극 패드와; 상기 제2 금속층의 하부 표면에 형성된 제2 금속층으로 구성된다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치 제조 방법은, 상부 기판에 공동부를 형성하는 단계와; 상기 공동부가 형성된 상부 기판의 표면에 제1 금속층을 형성하는 단계와; 상기 제1 금속층의 일부가 노출되도록 상기 상부 기판에 비아홀들을 형성하는 단계와; 상기 비아홀들 내부에 제2 금속층을 형성하는 단계와; 상기 제2 금속층에 연결된 상기 제1 금속층을 패터닝하는 단계로 이루어진다.

이하에서는, RF MEMS 스위치 내에 공동부(cavity)를 형성함으로써 금속의 열적 흐름을 최소화하여 RF MEMS 스위치의 신뢰성을 높일 수 있고, RF MEMS 스위치를 웨이퍼 레벨에서 패키징 함으로써 RF MEMS 스위치의 생산 단가를 낮출 수 있는 RF MEMS 스위치 및 그 제조 방법의 바람직한 실시예를 도1~도3i를 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치의 상부 기판과 하부 기판의 간격은 상기 상부 기판에 형성된 공동부(cavity)의 높이에 의해서 결정된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치의 상부 기판과 하부 기판의 간격이 상기 상부 기판에 형성된 공동부(cavity)의 높이에 의해서 결정됨으로 인해 RF MEMS 스위치 내의 금속의 열적 흐름 현상이 최소화된다.

도1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치는 하부 기판(20)과; 상기 하부 기판(20)에 형성되고, 압전체의 변화에 의하여 전기적 신호의 흐름을 제어하는 압전 스위치부(23)와; 상기 압전 스위치부(23)의 적어도 일부를 수용하는 공동부를 갖는 상부 기판(10)과, 상기 상부 기판(10)에 형성된 금속층(신호 전송선)(16)으로 구성된다. 여기서, 상기 상부 기판(10)은, 신호 전송선(16)의 지지 기판으로서의 역할을 하면서 상기 압전 스위치부(23)를 패키징하는 구조를 갖는다.

상기 신호 전송선(16)은, 상기 상부 기판(10)의 비아홀들을 통해 외부 회로에 전기적으로 연결되고, 상기 상부 기판(10)과 상기 하부 기판(20)과의 접합을 통해 스위치 접촉부(25)로부터 일정 간격을 유지하게 된다.

상기 하부 기판(20)의 압전 스위치부(23)의 구동을 위한 전극도 상기 상부 기판(10)의 비아홀들을 통하여 외부 회로와 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 하부 기판(20)의 압전 스위치부(23)는 표면 미세 가공 기술을 이용하여 하부 기판으로부터 부상(floating)된 형태로 형성되고, 압전 캐패시터(22)에 의해 기계적 구동이 가능하게 됨으로써 상기 신호 전송선(16)의 개폐를 전기 신호로서 제어할 수 있다. 상기 스위치 접촉부(25)는 전기 전도성이 우수한 금속 물질로서 압전 캐패시터(22)가 구동할 때 신호 전송선(16)과 접촉된다.

상기 압전 캐패시터(22)는 스위치 접촉부(25)와 절연체(24)에 연결되며, 상기 절연체(24)는 상기 압전 캐패시터(22)와 스위치 접촉부(25) 사이를 기계적으로 연결시켜 상기 압전 캐피시터(22)의 구동력을 스위치 접촉부(25)에 전달하는 역할을 하는 동시에 상기 압전 캐패시터(22)에 의한 RF 특성의 저하를 줄여주는 역할을 한다.

상기 상부 기판(10)과 하부 기판(20)은 유테틱 본딩으로 접합하게 되며 RF MEMS 스위치의 격리도를 확보하기 위한 스위치 접촉부(25)와 신호 전송선(16) 사이의 간격을 유지한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치는 SPST(single-pole single-throw) 형태의 RF MEMS 스위치 구조 또는 SPDT(single-pole double-throw), SP3T와 같은 SPMT(single-pole multi- throw) 형태의 RF 스위치로 변경 가능하다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치 내의 신호 전송 선(금속층)(16)을 하나 이상으로 구성할 수도 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치에 적용된 하부기판에 구성된 압전 스위치부(23)를 제작하는 방법을 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 설명한다.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치의 하부기판에 구성된 압전 스위치부(23)를 제작하는 방법을 순차적으로 나타낸 공정도이다.

도 2a에 도시한 바와 같이, 실리콘 질화물과 같은 절연체(24)는 저압 화학 기상 증착법 등을 통해 하부 기판(20) 상에 증착된다. 상기 절연체(24) 상에 하부 전극(예를 들면, Ti/Pt)(21a), 압전체(21b), 및 상부 전극(예를 들면, RuO2)(21c)이 순차적으로 증착된다.

도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 하부 전극(21a), 압전체(21b), 및 상부 전극(21c)을 식각 공정을 통해 패터닝함으로써 상기 압전 캐패시터(22)가 형성된다.

도2c에 도시한 바와 같이, 상기 스위치 접촉부(25)는 상기 절연체(24) 상에 증착된다. 여기서, 상기 스위치 접촉부(25)는 상기 압전 캐패시터(22)에 인접한 위치에 형성된다.

도2d에 도시한 바와 같이, 상기 스위치 접촉부(25)와 상기 압전 캐패시터(22)로 구성된 상기 압전 스위치부(23)를 상기 하부 기판(20)으로부터 부상(floating)시키기 위해, 상기 압전 스위치부(23)에 인접한 절연체(24)의 일부분이 식각 공정을 통해 패터닝됨으로써 제거된다.

도2e에 도시한 바와 같이, 상기 절연체(24)의 일부분을 제거함으로써 노출된 하부 기판(20)과 상기 압전 스위치부(23)의 하부에 위치한 하부 기판(20)을 식각함으로써 상기 압전 스위치부(23)가 상기 하부 기판(20)으로부터 부상된다. 여기서, 상기 압전 스위치부(23)는 하부 기판(20)(예를 들면, 실리콘)의 방향성에 따른 이방성 습식 식각 공정을 통해 상기 하부 기판(20)으로부터 부상될 수 있다.

따라서, 상기 도2a 내지 도2e 과정을 통해 상기 하부 기판(20)에 압전 스위치부(23)가 형성된다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 RF MEMS 스위치의 상부 기판(상부 구조)을 제조하는 방법을 도3a 내지 도3i를 참조하여 상세히 설명한다.

도3a에 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼와 같은 상부 기판(10)에 공동부(cavity)를 형성하기 위해, 상기 상부 기판(10)의 일부분(예를 들면, 상부 기 판(10)의 가장 자리) 상에 포토레지스트(photoresist, PR)(11)를 코딩(Coating)한 후, KOH 식각액을 이용하여 습식 식각 또는 건식 식각 방법을 통해 상기 상부 기판(10)를 패터닝함으로써 상기 상부 기판(10)에 공동부가 형성된다. 여기서, 상기 공동부의 깊이는 하부 기판(20)의 압전 스위치부(23)가 작동할 수 있는 거리를 감안하여 결정한다.

도3b에 도시한 바와 같이, 상기 상부 기판(10) 상에 형성된 포토레지스트(11)를 제거한 후, 상기 상부 기판(10)의 상부 및 하부 상에 산화막(SiO₂)(12)을 형성한다. 상기 산화막(12)은 노(furnace)를 이용하여 습식, 건식 방법으로 성장시킬 수 있다. 상기 상부 기판(10)의 상부에 형성된 산화막(12)은 신호 전송선들을 형성하기 위해 건식 식각 공정의 마스크 층으로서 사용되고, 상기 상부 기판(10)의 하부에 형성된 산화막(12)은 건식 식각 공정을 차단하기 위한 층으로서 사용된다. 상기 산화막(12)의 두께는 건식 식각 공정에서 실리콘과 산화막간의 식각 비율에 따라 결정될 수 있다.

도3c에 도시한 바와 같이, 금속층(예를 들면, 금)(13)은 상기 공동부를 갖는 상부 기판(10)의 하부에 형성된 산화막(12) 상에 증착된다. 예를 들면, 상기 공동부가 형성된 상부 기판(10)의 하부에 형성된 산화막(12) 상에만 상기 금속층(13)이 형성된다.

도3d에 도시한 바와 같이, 상기 상부 기판(10)에 비아홀들을 형성하기 위해, 상기 상부 기판(10)의 상부 표면이 노출되도록 상기 상부 기판(10)의 상부 표면 상 에 형성된 산화막(12)을 패터닝함으로써 상기 상부 기판(10)의 상부에 홀들(14)이 형성된다.

도3e에 도시한 바와 같이, 상기 상부 기판(10)의 상부 표면에 형성된 산화막(12)을 패터닝함으로써 노출된 상부 기판 표면을 건식 식각함으로써 비아홀들(15)이 형성된다. 이때, 실리콘(상부 기판)과 산화막(12)은 식각 비율의 차이가 크기 때문에 상기 상부 기판(10)의 하부 표면에 형성된 산화막 층에서 건식 식각 공정이 멈추게 된다. 따라서, 상기 상부 기판(10)의 상부에 형성된 비아홀들(15)을 통해 노출된 산화막(12)을 건식 식각이나 습식 식각을 이용하여 제거한다.

도3f에 도시한 바와 같이, 상기 상부 기판(10)의 상부에 형성된 비아홀들(15) 내부에 금속층(16)(신호 전송선)을 채운다. 이때, 상기 금속층(16)은 상기 상부 기판(10)의 하부에 형성된 산화막을 제거함으로써 노출된 금속층(13)에 연결된다. 여기서, 상기 비아홀들 외부에 돌출된 금속층을 화학기계 연마법(CMP, chemical mechanical polishing)을 이용하여 평탄화함으로써 상기 돌출된 금속층을 제거한다.

도3g에 도시한 바와 같이, 상기 비아홀들 내부에 채워진 금속 층(16)에 연결된 금속층(13a)만이 상기 상부 기판(10)의 하부에 형성되도록 상기 금속층(13)을 패터닝한다. 이때, 상기 하부 기판(20)과 상부 기판(10)을 본딩하기 위해, 상기 공동부에 인접한 금속층(13a) 상에 금과 주석으로 이루어진 합금(17)을 얇게 증착하고, 그 증착된 합금을 패터닝한다.

도3h는 도3g과정에서 제조된 상부 기판(상부 구조)(10)과 하부 기판(하부 구 조)(20)을 정렬한 후 상부 기판(10)과 하부 기판(20)에 열 및 압력을 가함으로써 웨이퍼 레벨로 상기 상부 기판(10)과 하부 기판(20)을 패키징한다. 이때, 상기 상부 기판(10)과 하부 기판(20)에 가해지는 열(온도)과 압력은 접합층 역할을 하는 합금(17)인 금과 주석의 비율에 따라 결정된다.

도3i에 도시한 바와 같이, 상기 금속층(16)과 외부 회로를 전기적으로 연결하기 위해, 상기 비아홀들 내에 채워진 금속층(16) 상에 전극 패드(18)를 형성함으로써 RF MEMS 스위치를 완성한다. 여기서, 상기 금속층(16)은, 압전 스위치부(23)의 구동 전극(21a, 21c)을 외부 회로에 연결시켜주기 위해 상기 구동 전극(21a, 21c)에 접촉되거나, 스위치 접촉부(25)에 선택적으로 접촉된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 RF MEMS 스위치 및 그 제조 방법은, RF MEMS 스위치 내에 공동부(cavity)를 형성함으로써 금속의 열적 흐름을 최소화하여 RF MEMS 스위치의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들에 따른 RF MEMS 스위치 및 그 제조 방법은, 상부 기판의 공동부(cavity)를 이용하여 상부 기판과 하부 기판의 간격을 조절함으로써, 두꺼운 접착 금속 층을 필요로 하지 않으므로, RF MEMS 스위치 내의 금속의 열적 흐름 현상을 방지할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 RF MEMS 스위치 및 그 제조 방법은, RF MEMS 스위치를 웨이퍼 레벨에서 패키징 함으로써 RF MEMS 스위치의 생산 단가를 낮출 수 있는 효과도 있다. 예를 들면, 상부 기판의 비아홀들 내에 채원진 금속층을 상기 상부 기판의 하부에 형성된 금속층에 전기적으로 연결시킬 때 화학 기계적 연마법을 한 번만 사용함으로써 공정 비용을 절감할 수 있는 효과도 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

제1 기판에 형성된 압전 스위치부의 적어도 일부를 수용하는 공동부를 갖는 제2 기판과;

상기 제2 기판 내부의 적어도 하나 이상의 비아홀의 내부에 채워진 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF MEMS 스위치.
제1항에 있어서,

상기 제1 금속층의 상부 표면에 형성된 전극 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF MEMS 스위치.
제1항에 있어서,

상기 제1 금속층의 하부 표면에 형성된 금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF MEMS 스위치.
제1 기판에 형성된 압전 스위치부의 적어도 일부를 수용하는 공동부를 갖는 제2 기판과;

상기 제2 기판 내부의 적어도 하나 이상의 비아홀의 내부에 채워진 제1 금속층과;

상기 제1 금속층의 상부 표면에 형성된 전극 패드와;

상기 제1 금속층의 하부 표면에 형성된 제2 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF MEMS 스위치.
전기적 신호의 흐름을 제어하는 압전 스위치부를 갖는 하부 기판과;

상기 압전 스위치부의 적어도 일부를 수용하는 공동부를 갖는 상부 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF MEMS 스위치
제 5항에 있어서,

상기 상부 기판은,

상기 압전 스위치부와 외부 회로를 서로 전기적으로 연결시키는 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF MEMS 스위치.
제 5항에 있어서,

상기 상부 기판은,

상기 상부 기판 내부의 비아홀들의 내부에 채워진 제1 금속층과;

상기 제1 금속층상에 형성된 제2 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF MEMS 스위치.
제 5항에 있어서,

상기 상부 기판은,

상기 상부 기판 내부의 비아홀들의 내부에 채워진 제1 금속층과;

상기 제1 금속층의 상부 표면에 형성된 전극 패드와;

상기 제1 금속층의 하부 표면에 형성된 제2 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF MEMS 스위치.
제8항에 있어서,

상기 압전 스위치부는,

상기 하부 기판 상에 형성된 절연체와;

상기 절연체 상에 순차적으로 형성된 제1 전극, 압전체, 제2 전극으로 이루어진 압전 캐패시터와;

상기 절연체 상에 형성되고, 상기 압전 캐피시터에 인접한 위치에 형성된 스위치 접촉부를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF MEMS 스위치.
제9항에 있어서,

상기 스위치 접촉부는,

상기 압전체의 변화에 의하여 상기 상부 기판 내부에 형성된 금속 층과 선택적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는 RF MEMS 스위치.
하부 기판과;

상기 하부 기판 상에 형성된 절연체와;

상기 절연체 상에 순차적으로 형성된 제1 전극, 압전체, 제2 전극으로 이루어진 압전 캐패시터와, 상기 절연체 상에 형성되고, 상기 압전 캐피시터에 인접한 위치에 형성된 스위치 접촉부를 포함하는 압전 스위치부와;

상기 압전 스위치부의 적어도 일부를 수용하는 공동부를 갖는 상부 기판과;

상기 상부 기판 내부의 비아홀들의 내부에 채워진 제1 금속층과;

상기 제1 금속층의 상부 표면에 형성된 전극 패드와;

상기 제2 금속층의 하부 표면에 형성된 제2 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF MEMS 스위치.
상부 기판에 공동부를 형성하는 단계와;

상기 공동부가 형성된 상부 기판의 표면에 제1 금속층을 형성하는 단계와;

상기 제1 금속층의 일부가 노출되도록 상기 상부 기판에 비아홀들을 형성하는 단계와;

상기 비아홀들 내부에 제2 금속층을 형성하는 단계와;

상기 제2 금속층에 연결된 상기 제1 금속층을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF MEMS 스위치 제조 방법.
제12항에 있어서, 상기 공동부는

하부 기판에 형성된 압전 스위치부의 적어도 일부를 수용하는 것을 특징으로 하는 RF MEMS 스위치 제조 방법.