KR20140073507A

KR20140073507A - 향상된 ｒｆ 성능의 ｍｅｍｓ 가변 커패시터

Info

Publication number: KR20140073507A
Application number: KR1020147008030A
Authority: KR
Inventors: 로버르튀스 페트뤼스 반 캄펀; 안나츠 우나무노; 리차드 엘. 크닙; 비크람 조쉬; 로베르토 가디; 토시유키 나가타
Original assignee: 카벤디시 키네틱스, 인크.
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2014-06-16
Also published as: CN103907166A; EP2751817A4; CN103907166B; KR102005335B1; EP2751817B1; EP2751817A1; US9589731B2; US20140340814A1; WO2013033725A1; JP6235472B2; JP2014529911A

Abstract

MEMS 장치에서, RF 전극 위에 멤브레인이 정착되는 방식은 장치의 성능에 영향을 미칠 수 있다. RF 전극 위에 배치된 범프 또는 스토퍼가 멤브레인의 정착 및 그에 따른 MEMS 장치의 정전용량(커패시턴스)을 제어하는 데 사용될 수 있다. 범프 또는 스토퍼의 형상 및 위치는, 과전압이 인가되는 경우에도 멤브레인의 적절한 정착을 위해 조절될 수 있다. 또한, 범프 또는 스토퍼는 MEMS 장치의 최상층 또는 상부 전극 위에의 멤브레인의 정착을 제어하기 위해 멤브레인 자체에 적용될 수도 있다.

Description

향상된 ＲＦ 성능의 ＭＥＭＳ 가변 커패시터{MEMS VARIABLE CAPACITOR WITH ENHANCED RF PERFORMANCE}

본 발명의 구현예들은 전반적으로, MEMS(미세 전자 기계 시스템) 가변 커패시터에 관한 것이다.

MEMS 가변 커패시터를 작동시키는 가장 흔한 방법은 정전기력을 사용하는 것이다. 일반적으로, 작동에 필요한 전압은 10V 내지 100V이다. 이러한 전압을 사용한다는 것은, 마이크로미터 이하 크기에서 전기장이 매우 커진다는 것을 의미한다. 전기장은 E=V/gap의 식으로 표현되는데, 여기서, 'V'는 두 전극 사이의 전압을 나타내고 'gap(간극)'은 두 전극 사이의 거리를 나타낸다. 유전체 재료의 특성은 높은 전기장 하에서 변화되며(예를 들어, 대전됨(charging)), 어떤 경우에는 유전체에 물리적 손상이 있을 수 있다. 이러한 요인은 MEMS 디지털 가변 커패시터의 수명, 성능, 및 동작 조건을 감소시킬 수 있다.

따라서, MEMS를 정착(land)시킬 때에 높은 정전용량 상태를 유지하면서도 MEMS 가변 커패시터에서의 전기장의 크기를 줄일 필요성이 있다.

또한, RF-MEMS 가변 커패시터의 혼변조(inter-modulation) 성능은 만족시키기 어려운 사양(스펙)이다. 왜냐하면 MEMS 장치는 정전용량의 조정을 담당하는 움직이는 부분을 포함하고 있기 때문이다. 간극이 조금이라도 있다면 두 전극 사이의 RF 전압은 MEMS 가변 커패시터의 두 판을 함께 더욱 끌어당기게 되어서, 정전용량을 더욱 더 변화시킨다. MEMS 장치의 전기-기계적 설계 및 의도된 적용 혼변조 사양에 따라 다르지만, 최대 허용 변화량은 가변 커패시터의 두 판 사이의 수(several) 볼트의 인가 전압에 대해서 수(few) 나노미터 정도로 작을 수 있다.

양호한 혼변조 성능을 만족하는 데는 화학적 기계적 연마(CMP)와 같은 표면 처리조차도 충분하지 않을 수 있다. 예를 들어, 화학적 기계적 연마(CMP)를 한 후, 금속-유전체 계면에 범프(bump)가 일부 나타날 수 있다. 이들 범프는 추가적인 간극을 형성하게 되어 여기서 멤브레인이 편향될 수 있는바, RF 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 또한 CMP 후의 산화물 표면 자체가 금속 표면에 대해서 기립된 상태로 세워질 수 있게 되어서, 멤브레인과 전극 사이에 간극을 형성하게 된다. 또한, CMP 범프는 전기장을 강화시키는 역할을 해서 해당 부품의 신뢰성을 재차 낮추게 된다.

따라서, 장시간의 신뢰성있는 동작을 위해서 충분히 낮은 전기장을 유지하면서도, 발생가능한 혼변조 문제를 해결하는 솔루션의 필요성이 당업계에 있다.

MEMS 장치에서, RF 전극 위에 멤브레인이 정착(land)되는 방식은 장치의 성능에 영향을 미칠 수 있다. RF 전극 위에 배치된 범프 또는 스토퍼가 멤브레인의 정착 및 그에 따른 MEMS 장치의 정전용량(커패시턴스)을 제어하는 데 사용될 수 있다. 범프 또는 스토퍼의 형상 및 위치는, 과전압이 인가되는 경우에도 멤브레인의 적절한 정착을 위해 조절될 수 있다. 또한, 범프 또는 스토퍼는 MEMS 장치의 최상층 또는 상부 전극 위에의 멤브레인의 정착을 제어하기 위해 멤브레인 자체에 적용될 수도 있다.

일 구현예에서, MEMS 가변 커패시터는 하나 이상의 제어 전극과 하나 이상의 RF 전극이 배치된 기판; 상부 전극; 그리고 기판과 상부 전극 사이에서 움직이는 멤브레인을 포함한다. 여기서, 기판과 멤브레인 중 하나 이상은, 멤브레인과 상부 전극 사이에 또는 멤브레인과 하나 이상의 제어 전극 및 하나 이상의 RF 전극 사이의 간격을 제어하기 위해 그 위에 형성된 범프를 갖는다.

다른 구현예에서는 MEMS 가변 커패시터를 제조하는 방법이 개시된다. 이 방법은, 기판 내에 설치된 하나 이상의 제어 전극과 하나 이상의 RF 전극을 노출시키기 위해 기판 위에 형성된 제1 유전체층을 연마하되, 상기 하나 이상의 제어 전극과 상기 하나 이상의 RF 전극의 상부 표면 가장자리에 범프가 형성되도록 하고; 제2 유전체층을 적층하고; 제2 유전체층 위에 희생층을 적층하고; 희생층 위에 멤브레인을 형성하고; 그리고, 멤브레인이 상기 제2 유전체층으로부터 이격된 위치 및 상기 제2 유전체층에 접촉된 위치 사이에서 움직이도록 상기 희생층을 제거하는 것을 포함한다.

또다른 구현예에서는 MEMS 장치를 동작시키는 방법이 개시된다. 이 방법은, 기판 내에 설치된 RF 전극으로부터 제1 거리로 이격된 제1 위치로부터 상기 RF 전극으로부터 제2 거리(상기 제1 거리보다 짧음)로 이격된 제2 위치까지 멤브레인을 움직이도록, 기판 내에 설치된 하나 이상의 제어 전극에 전기 바이어스를 인가하고; 상기 RF 전극으로부터 이격된 제3 거리(상기 제2 거리보다 짧음)까지 멤브레인을 움직이도록, 상기 RF 전극에 DC 전기 바이어스를 인가하는 것을 포함한다.

본 발명의 상술한 특징들을 상세히 이해할 수 있도록, 위에서 간략하게 요약한 본 발명의 보다 구체적인 설명을 이하, 구현예들을 참조하여 상세하게 설명한다. 일부 구현예는 이하의 첨부 도면에 도시되어 있다. 그러나, 첨부 도면들은 단지 본 발명의 대표적인 구현예들을 예시적으로 설명하는 것이며, 본 발명은 다른 등가의 효과를 갖는 구현예에 대해서도 인정될 수 있는 것으로서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 취급해서는 안 됨을 유의해야 한다.
도 1a 내지 도 1c는 가변 커패시터의 풀다운 동안에 전기장을 제어하기 위한 방법의 개략도이다.
도 2a는 상부 범프를 갖는 상부 전극과 상부 패턴 전극에 대한 전기장 제어의 구현을 위한 평면도이고, 도 2b는 단면도이다.
도 3a는 앵커식으로 고정된 상부 층에서 멈춰져 있는 하부 와플 층의 평면도이고, 도 3b는 단면도이다.
도 4는 제어 전극 위에 멤브레인이 2차적으로 정착되는, 있을 법한 문제점을 보여준다.
도 5는 멤브레인의 처짐을 방지하여 IP3 성능과 신뢰성을 개선하기 위하여 멤브레인을 따라 형성된 스토퍼를 나타낸다.
도 6a 내지 도 6d는 유전체로써 전극을 평탄화하기 위해 CMP를 수행한 이후의 MEMS 가변 커패시터의 제조 공정과, 디싱의 문제 및 범프의 출현에 대해서 간략하게 도시하고 있다.
도 7은 범프로 인해 변형된 저부 유전체와 접촉된 MEMS 빔을 나타낸다. RF 전압이 인가되면, 멤브레인이 화살표 방향으로 움직이며, RF 정전용량을 변화시키고 이에 따라 RF 성능을 저하시킨다.
도 8a 내지 도 8d는 슬롯형 RF 및 제어 전극의 구현을 위한 공정을 간략히 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 결합된 슬롯형 제어 및 RF 전극이, 제어 및 RF 전극 위에서 주저 앉는 것을 완화시키는 것을 나타낸다.
도 10a 내지 도 10e는 에칭 방식 공정의 간략한 설명을 나타낸다.
도 11은 제어 및 RF 전극 상에서 멤브레인이 주저 앉는 것을 에칭 방식이 어떻게 해결하는지를 보여준다.
도 12a는 저부 유전체를 적층한 후에 본 범프를 나타낸다.
도 12b는 에칭 방식을 사용한 결과를 나타낸다.
도 13은 범프와 스토퍼 위에서 전기장을 제어하기 위한 다양한 구현예들을 보여준다.
도 14a 내지 도 14d는 혼변조 왜곡을 제한하기 위하여 ac-부유 제어 전극에 RF 신호를 연결하여 전기장을 감소시키는 설계안을 설명하기 위한 것이다.
도 15는 혼변조 왜곡을 제한하도록 RF 전극과 긴밀하게 접촉된 멤브레인을 끌어당기기 위하여 RF 전극의 영역 내의 멤브레인에 DC 전기력을 인가하는 바이어스 저항과 결합 커패시터를 사용하는 설계안을 도시하고 있다.
용이한 이해를 돕기 위해, 도면에서 공통되는 동일한 구성요소에 대해서는 가능한한 동일한 참조 번호를 사용하였다. 하나의 구현예에 개시된 구성요소들은 특별히 인용하지 않고도 다른 구현예에서도 유리하게 활용될 수 있음을 이해해야 한다.

MEMS 장치에서, RF 전극 위에 멤브레인을 정착시키는 방식은 장치의 성능에 영향을 미칠 수 있다. RF 전극 위에 배치되는 범프(bump) 또는 스토퍼(stopper)는 멤브레인(membrane)의 정착을 제어하는 데 사용될 수 있고, 따라서 MEMS 장치의 정전용량(커패시턴스)을 제어하는 데 사용될 수 있다. 과전압이 인가되는 경우에도 멤브레인의 적정한 정착을 보장하기 위해 범프 또는 스토퍼의 형상 및 위치가 조절될 수 있다. 또한, 범프 또는 스토퍼는, MEMS 장치의 상층, 즉, 상부 전극에의 멤브레인의 정착을 제어하기 위해 멤브레인 자체에 적용할 수도 있다.

가변 커패시터의 풀다운(pull-down) 동안에 전기장을 제어하기 위한 세 가지 방법이 도 1a 내지 도 1c에 도시되어 있다. 이들 세 가지 모드의 차이는 멤브레인이 작동될 때에 취해지는 형상에 관한 것이다. 세 가지의 경우에, 작동 전극(즉, "제어 전극")의 상부에 별도의 간극이 있는데, 여기서 전압이 가장 높다. 작동 전극 위의 간극의 깊이(이는 일반적으로, 도 1b의 판굽힘 스토퍼(plate-bend stopper) 및 RF 스토퍼의 높이와 같거나 도 1a와 도 1c의 RF 스토퍼 높이와 판굽힘 스토퍼 높이간의 거리와 같음)는 전기장을 대폭 낮출 수 있도록, 그리고 제어 전극 위에서의 접촉에 의해 반발되는 대신에 RF 전극에 의해서 반발되는 힘을 아래 쪽으로 받는 결과가 일어나도록 그 크기가 정해진다. 간극의 깊이는, 평균 전기장이 작동 전압을 (증가된 간극에 의해서) 크게 증가시킴이 없이 3 MV/cm 미만이 되도록 선택된다. 도 1a 내지 도 1c에서 볼 수 있는 작동 전극 위의 간극은, 여러가지 방법으로 웨이퍼 처리공정에 의해 만들 수 있다. 하나의 예로서, RF 전극 위에 유전체 보호 마스크를 사용하여서 작동 전극 위에 유전체를 에칭하는 것이 있다. 제거되는 유전체의 두께가 간극의 깊이를 결정한다. 다른 접근 방법으로서, RF 전극 위의 유전체 적층 사이에 부유(floating) 금속을 삽입하여 개재시키는 것이 있다. 여기서는 RF 전극 위의 부유 금속의 두께가 작동 전극 위의 간극의 깊이를 결정한다. 세 번째 방법은 RF 전극 위에 별도의 유전체층을 곧바로 적층시키고 패턴형성함으로써 작동 전극 위에 동등한 간극을 형성하는 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 RF 및 판굽힘 스토퍼의 높이 조합을 이용한 전기장 제어 방법을 나타낸다. 도 1a는 RF 스토퍼가 판굽힘 스토퍼보다 기판 위로 짧게 연장설치됨에 따라 멤브레인이 웃는 입 모양으로 정착된 경우를 보여준다. 도 1b는 판굽힘 스토퍼와 RF 스토퍼가 기판 위에서 같은 높이로 설치되기 때문에 멤브레인이 평평하게 정착되는 것을 보여준다. 도 1c는 RF 스토퍼가 판굽힘 스토퍼보다 기판 위로 더 높게 설치됨으로 인해 멤브레인이 찡그린 입 모양으로 정착된 것을 보여준다.

또한 전기장은 디지털 가변 커패시터의 상부 동작(top operation)에서 감소되어야 한다. 도 2a, 도 2b, 도 3a, 및 도 3b는 이에 대한 두 가지 방법을 보여준다. 도 2a 및 도 2b는 전기장을 줄이기 위해 상부 범프/스토퍼를 사용하며, 범프/스토퍼가 전압이 인가되지 않는 영역(즉, 유전체 플러그)에 정착되도록 상부 전극이 패턴형성되어서 전기장을 낮추는 방법을 보여준다. 도 2a는 상부 범프/스토퍼 및 상부 패턴형성된 상부 전극(상부 패턴 전극)을 위한 전기장 제어의 구현을 위한 평면도이고, 도 2b는 단면도이다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 멤브레인에는, 상부 전극에 형성된 유전체 플러그 상에 정착되는 스토퍼가 돌출 설치된다. 따라서 스토퍼와 유전체 플러그는 모두 전략적으로 배치된다. 스토퍼가 기판 위에 있으며 멤브레인에는 있지 않은 도 1a 내지 도 1c와 비교할 때, 도 2a 및 도 2b에서는 스토퍼가 멤브레인의 상부에 있다. 멤브레인이 기판에서 떨어져 상부 전극으로 움직일 때를 위하여(도 2a 및 도 2b에서와 같이), 도 1a 내지 도 1c 및 도 2a 내지 도 2b의 경우를 조합하여 스토퍼를 기판 위에 설치(도 1a 내지 도 1c에서와 같이)할 뿐만 아니라 멤브레인의 상부에 설치할 수도 있다.

도 3a 및 도 3b는 멤브레인의 하층이, 앵커로부터 연장되는 상층에 닿는 방식을 보여준다. 이는, 멤브레인과 최상층 사이의 간극이 눌림으로 인해 멤브레인이 최상층(도 3b에는 상부 전극으로 표시하였음)에 접촉되는 것을 방지한다. 이러한 설계 기능의 추가를 위해서는, 멤브레인이 접촉되더라도 접촉이 일어난 곳이 저전압/무전압 영역으로 확실히 있도록 하여 전기장을 감소시키기 위하여 범프/스토퍼 및/또는 상부 패턴 전극을 사용할 수 있다. 도 3a는 앵커의 상층 위에 정지된 하부 와플(waffle) 층의 평면도이고 도 3b는 단면도이다. 멤브레인이 기판에서 떨어져 상부 전극으로 이동될 때를 위하여(도 2a 및 도 2b 및 도 3a 및 도 3b에서와 같이), 도 1a 내지 도 1c, 도 2a 및 도 2b, 및 도 3a 및 도 3b의 경우를 조합하여 스토퍼를 기판 위에 설치(도 1a 내지 도 1c에서와 같이)할 뿐만 아니라 멤브레인의 상부(도 2a 및 도 2b의 경우와 같이)에 설치하고 앵커의 상층(도 3a 내지 도 3b에 도시된 바와 같이)에 설치할 수도 있다는 것을 고려한다.

이러한 접근법(상부 및 하부 동작 모두에 적용)에서 일어날 가능성이 있는 문제를 도 4에 도시한다. 이 경우, 멤브레인은 제어 전극으로 주저 앉고, 이 주저 앉은 위치에 큰 전기장이 존재하게 되어서, (RF 전극의 상부에 간극이 형성되어서) 장치의 신뢰성이 저하되고 혼변조 성능이 감소된다. 이러한 문제점에 대한 해결책은 도 5에 나타내었는데, 여기서는, 멤브레인을 따라 위치한 범프들이, 동작 전압과 주저 앉을 때 전압 사이의 여유를 충분히 높히고, 또한 RF 전극 위에 형성되는 간극을 최소화시킨다. 스토퍼가 있는 영역에서 전기장을 감소시키기 위하여, 제어 전극은 이들 스토퍼 아래에서 제거되어야 한다. 범프와 스토퍼는 (1) 접지 전극 위에, (2) 금속제 부유 전극 위에, 또는 (3) 유전체 위에 배치될 수 있고, 도 13에 도시된 바와 같이, 제어 전극으로부터 이격될 수 있다. 여기서 (1)번 및 (3)번은 범프 상의 전기장을 감소시키고, (2)번은 범프/스토퍼의 높이 위에서의 보다 양호한 제어를 위해 사용된다.

RF MEMS 가변 커패시터의 전기장을 제어하는 장점이 있다. 특히, 유전체는 높은 전기장에서 스트레스를 받지 않는다. 또한, 장치의 신뢰성이 크게 향상된다. 그러나, 풀-인(pull-in) 영역에 있는 여분의 간극에 의해서 멤브레인이 처지게 되며 결국에는 2차적으로 제어 전극 영역 위로 떨어지고, 따라서 RF 간극이 변화되어 혼변조 성능을 감소시킬 수 있다. 그러나 제어 전극을 따라 스터브(stub)/범프를 추가함으로써 이러한 문제점이 완화된다.

도 6a 내지 도 6d는 유전체로써 전극을 평탄화하기 위하여 CMP를 수행한 이후의 MEMS 가변 커패시터의 제조 공정과, 디싱(dishing)의 문제 및 범프(bump)의 출현에 대해서 간략히 도시하고 있다. 이 문제를 확인하기 위하여 TEM(전자투과 현미경) 영상이 도 12a에 도시되어 있다. 범프는 제어 전극의 상부에 적층된 유전체층 쪽으로 평행이동되며, 도 7에 도시된 바와 같이, 유전체 상에서의 이러한 특징은 RF 전압 하에서 멤브레인이 편향되도록 하여서 혼변조 성능을 감소시킨다. 여기에서 논의하는 해결책에는 두 가지가 있다. 하나의 해결책은 슬롯형 RF 및 제어 전극을 사용하는 것이고, 또 다른 해결책은 에칭에 의해 범프를 형성하는 것이다.

도 6a 내지 도 6d에 도시된 바와 같이, 기판은 두 개의 제어 전극과 그 위에 형성된 유전체층과 그 내부에 배치되는 RF 전극을 갖는다. 제어 전극 및 RF 전극을 노출시키도록 CMP 공정 또는 다른 기술(예컨대, 그라인딩)을 사용하여 유전체층을 연마할 수 있다. 이렇게 함으로써, 범프/스토퍼가 전극의 상면 가장자리 위로 형성된다. 범프/스토퍼는 유전체 재료로 형성된다. 이후, 또 다른 유전체층을 그 위에 적층시킬 수 있지만, 이러한 형성시에, 범프/스토퍼는 이 범프/스토퍼가 현재 적층된 유전체층 내에 존재하지 않도록 처리된다. 다음에, 유전체층 위에 희생층을 형성할 수 있으며, 그 위에 멤브레인을 형성할 수 있다. 최종적으로 희생층을 제거하여서, 멤브레인이 유전체층으로부터 이격된 위치로부터 유전체층에 접촉하는 위치로 움직일 수 있도록 한다. 멤브레인은 제어 전극에 전기 바이어스가 인가될 때에 움직이게 된다. 또한, 멤브레인은 (도 7에 도시된 바와 같이) RF 전극에 RF 전압을 인가하는 경우에 한하여 편향될 수 있다.

슬롯형 RF 및 제어 전극

도 8a 내지 도 8d에 도시된 슬롯형 RF 및 제어 전극은, 두 연속된 범프 사이의 거리를 단축시키면 범프와 범프 사이의 멤브레인의 강직성이 증가된다는 것에 기초한 것이다. 이 해결책은 전극을 슬롯형성함으로써 제공된다. 도 9에 도시된 바와 같이 두 개의 연속된 범프 사이에서의 멤브레인 부분이 짧으며, 따라서 소정 전압에 대한 편향이, 범프 사이의 거리가 큰 설계의 경우보다 작아진다.

도 8a 내지 도 8d에 도시된 바와 같이, 기판은 두 개의 슬롯형 제어 전극과 그 위에 형성된 유전체층 및 내부에 배치된 슬롯형 RF 전극을 갖는다. 전극들은 하나의 큰 전극이 아닌 "슬롯형으로 형성(slotted)"되는바, 전극들은 유전체 재료를 사이에 두고 이격되는 다수의 작은 조각으로 나뉜다. 슬롯형 제어 전극 및 슬롯형 RF 전극을 노출시키도록 CMP 공정 또는 다른 기술(예컨대, 그라인딩)을 사용하여 유전체층을 연마할 수 있다. 이렇게 함으로써, 범프/스토퍼가 슬롯형 전극의 상면 가장자리 위로 형성된다. 범프/스토퍼는 유전체 재료로 형성된다. 이후, 또 다른 유전체층을 그 위에 적층시킬 수 있지만, 이러한 형성시에, 범프/스토퍼는 이 범프/스토퍼가 현재 적층된 유전체층 내에 존재하지 않도록 처리된다. 다음에, 유전체층 위에 희생층을 형성할 수 있으며, 그 위에 멤브레인을 형성할 수 있다. 최종적으로 희생층을 제거하여서, 멤브레인이 유전체층으로부터 이격된 위치로부터 유전체층에 접촉하는 위치로 움직일 수 있도록 한다. 멤브레인은 제어 전극에 전기 바이어스가 인가될 때에 움직이게 된다. 또한, 멤브레인은 (도 9에 도시된 바와 같이) RF 전극에 RF 전압을 인가하는 경우에 한하여 편향될 수 있다.

도 14a 내지 도 14d는 혼변조 왜곡을 제한하기 위하여 ac-부유 제어 전극에 RF 신호를 연결하여 전기장을 감소시키는 설계안을 설명하기 위한 것이다. 도 14a는 하부 전극에 인가된 임계 전압에서의 MEMS 장치의 이상적 상태를 나타낸다. 여기서, 임계 정전기력 Ft가 멤브레인의 복원력을 완벽하게 균형잡고 있기 때문에, RF 전극 스토퍼 위에서 멤브레인이 완전 평면 상태로 있다. 이 상황은 실제로는 일어날 수 없는데, 그 이유는 제어 전극에 인가되는 일부 과전압이 안정적 동작을 위해 항상 인가될 것이기 때문이다. 이러한 상황을 도 14b에 도시하였다. 여기서, 인가된 과전압에 의한 부가 정전기력 Fo가 제어 전극 위의 멤브레인을 처지게 하고 이에 따라 RF 스토퍼 위의 멤브레인이 위로 올라가게 한다. 도 14c에서 RF 전력이 인가된다. 이때 rms 전압에 의한 일부 실효 정전기력 Frf가 RF 스토퍼 위의 멤브레인에 작용될 것이다. 접촉점 주변의 토크 효과에 의해서 제어 전극 위의 멤브레인에 반대 방향의 힘 F'rf가 생성될 것이고 결과적으로 멤브레인은 평평해질 것이다. RF 전력에 의한 이러한 멤브레인의 변형은, 정전용량을 변화시키기 때문에 혼변조 왜곡의 원인이 된다. 본 설계에서는, 도 14d에서, RF 전력의 일부를 작동 전극에 용량결합시킨다. 이 용량결합은 직렬 저항을 이용하여 ac를 부유(floating)시킴으로써 이루어진다. 이와 같이 결합되는 ac 신호는 제어 전극 상부에 정전기력 Fc를 발생시키고, 접촉점에서의 토크 효과에 따라 RF 스토퍼의 상부에 반대 방향의 힘 F'c 를 발생시킨다. 이 힘은, RF 전력에 의해 일어나는 변형을 부분적으로 보상하는바, 멤브레인의 변형이 제한되며 따라서 혼변조 왜곡도 감소된다.

도 15는 혼변조 왜곡을 제한하도록 RF 전극과 긴밀하게 접촉된 멤브레인을 끌어당기기 위하여 RF 전극의 영역 내의 멤브레인에 DC 전기력을 인가하는 바이어스 저항과 결합 커패시터를 사용하는 설계안을 도시하고 있다.

바이어스 저항 Rrf는 RF 신호를 격리시키며, 결합 커패시터 Crf는 RF 신호가 MEMS 가변 커패시터 장치의 RF 전극에 결합될 수 있도록 한다. RF 전극에 DC 바이어스 전압을 인가함으로써, RF 전극에 긴밀하게 접촉된 멤브레인을 끌어당기는 Fdc가 결과적으로 발생된다. 이로써, RF 전력의 인가에 의해서 정전용량은 더 이상 변조도지 않게 되어서, 혼변조 왜곡의 개선이 보장된다.

에칭에 의한 범프의 형성

범프를 에칭하는 것에 의해 문제점이 완전히 제거된다. 도 10a 내지 도 10e의 공정 설명은 에칭 단계에 의해서 멤브레인(도 11) 아래에 깨끗하고 평탄한 특징이 어떻게 형성되는지, 그리고 이에 따라 디지털 MEMS 가변 커패시터의 혼변조 성능이 어떻게 향상되는지를 보여준다. 슬롯형 RF 및 제어 전극과 에칭을 둘 다 조합하여 사용할 수 있는 것이 고려된다. 도 12b는 에칭 방식을 이용한 후의 TEM 결과 영상을 나타낸다.

도 10a 내지 도 10e에 도시된 바와 같이, 기판은 두 개의 제어 전극과 그 위에 형성된 유전체층 및 내부에 배치된 RF 전극을 갖는다. 제어 전극 및 RF 전극을 노출시키도록 CMP 공정 또는 다른 기술(예컨대, 그라인딩)을 사용하여 유전체층을 연마할 수 있다. 이렇게 함으로써, 범프/스토퍼가 전극들의 상면 가장자리 위로 형성된다. 범프/스토퍼는 유전체 재료로 형성된다. 다음에, 유전체층을 제어 전극과 RF 전극 아래 수준까지 더 에칭하기 위하여 유전체 에칭 공정이 시행된다. 이 에칭에 의해서 또한, 범프/스토퍼가 제거된다. 그 다음에, 그 위에 또다른 유전체층을 적층시킬 수 있다. 그러나 이러한 형성시에, 유전체층이 RF 전극과 제어 전극 위에서 실질적으로 평면이 되도록 유전체층을 등각 적층(conformally deposit)시킨다. 이런 다음, 그 위에 희생층을 형성할 수 있으며, 이 위에 멤브레인을 형성할 수 있다. 최종적으로 희생층을 제거하여서, 멤브레인이 유전체층으로부터 이격된 위치로부터 유전체층에 접촉하는 위치로 움직일 수 있도록 한다. 멤브레인은 제어 전극에 전기 바이어스가 인가될 때에 움직이게 된다. 멤브레인이 기판 쪽으로 움직일 때에, 멤브레인은 제어 전극과 RF 전극 위에 배치된 유전체층에 대해서 실질적으로 평탄하게 위치하게 될 것이다. 따라서, RF 전극에 RF 전압을 인가하는 경우에 멤브레인은 약간만 편향되거나 전혀 편향되지 않을 것이다(도 11 참조).

이상에서 본 발명의 구현형태들에 대해서 설명하였지만, 본 발명의 다른 구현형태 및 추가적 구현형태도 본 발명의 기본 범위를 벗어남이 없이 고안할 수 있다. 또한 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위에 의해 결정된다.

Claims

MEMS 가변 커패시터로서,
하나 이상의 제어 전극과 하나 이상의 RF 전극을 내부에 구비하는 기판;
상부 전극; 및
상기 기판과 상기 상부 전극 사이에서 움직이는 멤브레인;을 포함하고,
상기 기판과 상기 멤브레인 중 하나 이상은, 상부 전극과 상기 멤브레인 사이의 간격, 또는 상기 하나 이상의 제어 전극 및 하나 이상의 RF 전극과 상기 멤브레인 사이의 간격을 제어하기 위해 형성된 범프를 갖는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터.
제1항에 있어서,
상기 범프는 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터.
제2항에 있어서,
하나 이상의 범프가 상기 하나 이상의 RF 전극 상에 직접 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터.
제3항에 있어서,
상기 하나 이상의 제어 전극은 하나 이상의 슬롯형 제어 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 MS 가변 커패시터.
제4항에 있어서,
상기 하나 이상의 RF 전극은 하나 이상의 슬롯형 RF 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터.
제5항에 있어서,
상기 하나 이상의 슬롯형 RF 전극 상에 배치된 범프는, 상기 하나 이상의 슬롯형 제어 전극 상에 배치된 범프가 뻗어나가는 거리와 거의 동일한 거리로 상기 기판 위에서 뻗어나가는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터.
제3항에 있어서,
제1 범프는 RF 전극의 전체를 덮고, 하나 이상의 제어 전극 상에서 상기 제1 범프의 두께와 동일한 간극을 생성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터.
제1항에 있어서,
상기 범프는 멤브레인 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터.
제8항에 있어서,
상기 상부 전극은, 멤브레인 상에 형성된 범프에 대응하는 위치에 배치되는 하나 이상의 유전체 플러그를 포함하여, 상기 멤브레인이 움직여서 상부 전극에 접촉할 때에 상기 범프가 상기 유전체 플러그에 접촉되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터.
제9항에 있어서,
상기 범프는 기판 상에 부가적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터.
제10항에 있어서,
하나 이상의 범프가 상기 하나 이상의 RF 전극 상에 직접 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터.
제11항에 있어서,
상기 하나 이상의 슬롯형 RF 전극 상에 배치된 범프는, 상기 하나 이상의 슬롯형 제어 전극 상에 배치된 범프가 뻗어나가는 거리와 거의 동일한 거리로 상기 기판 상에서 뻗어나가는 MEMS 것을 특징으로 하는 가변 커패시터.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 RF 전극에 결합되는 DC 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터.
MEMS 가변 커패시터 제조 방법으로서,
기판 내에 설치된 하나 이상의 하나 이상의 RF 전극과 제어 전극을 노출시키기 위해 기판 상에 형성된 제1 유전체층을 연마하여, 상기 하나 이상의 제어 전극과 상기 하나 이상의 RF 전극의 상부 표면 가장자리에 범프가 형성되도록 하는 단계;
제2 유전체층을 적층하는 단계;
상기 제2 유전체층 위에 희생층을 적층하는 단계;
상기 희생층 위에 멤브레인을 형성하는 단계; 및
상기 멤브레인이 상기 제2 유전체층으로부터 이격된 위치 및 상기 제2 유전체층과 접촉하는 위치 사이에서 움직이도록, 상기 희생층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터 제조 방법.
제14항에 있어서,
상기 제1 유전체층을 연마한 후에, 상기 제1 유전체층과 상기 범프를 에칭하여, 상기 하나 이상의 제어 전극과 상기 하나 이상의 RF 전극이 상기 제1 유전체층 위에서 뻗어나가도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터 제조 방법.
제15항에 있어서,
상기 하나 이상의 제어 전극은 두 개의 제어 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터 제조 방법.
제16항에 있어서,
상기 하나 이상의 제어 전극은 슬롯형 제어 전극인 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터 제조 방법.
제17항에 있어서,
상기 하나 이상의 RF 전극은 슬롯형 RF 전극인 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터 제조 방법.
제14항에 있어서,
상기 하나 이상의 제어 전극은 두 개의 제어 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터 제조 방법.
제19항에 있어서,
상기 하나 이상의 제어 전극은 슬롯형 제어 전극인 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터 제조 방법.
제20항에 있어서,
상기 하나 이상의 RF 전극은 슬롯형 RF 전극인 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터 제조 방법.
제14항에 있어서,
하나 이상의 RF 전극 상에 배치된 범프가, 상기 하나 이상의 제어 전극 상에 배치된 범프가 뻗어나가는 거리와 거의 동일한 거리로 상기 기판 위에서 뻗어나가는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 커패시터 제조 방법.
MEMS 장치를 동작시키는 방법으로서,
기판 내에 설치된 RF 전극으로부터 제1 거리로 이격된 제1 위치로부터, 상기 제1 거리보다 짧은 제2 거리로 상기 RF 전극으로부터 이격된 제2 위치까지 멤브레인을 움직이도록, 기판 내에 설치된 하나 이상의 제어 전극에 전기 바이어스를 인가하는 단계; 및
상기 제2 거리보다 짧게 상기 RF 전극으로부터 이격된 제3 거리까지 멤브레인을 움직이도록, 상기 RF 전극에 DC 전기 바이어스를 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 장치를 동작시키는 방법.
제23항에 있어서,
상기 기판에는, 상기 멤브레인과 상기 하나 이상의 제어 전극 및 하나 이상의 RF 전극 사이의 간격을 제어하기 위하여 범프가 형성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 장치를 동작시키는 방법.