KR100693345B1

KR100693345B1 - Ｍｅｍｓ 스위치

Info

Publication number: KR100693345B1
Application number: KR1020050115958A
Authority: KR
Inventors: 김재흥; 최형; 송인상; 이상훈; 권상욱
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-03-09
Also published as: JP2007157714A; EP1793403A2; US20070122074A1; US7257307B2; CN1983491A; EP1793403A3

Abstract

MEMS 스위치가 개시된다. 개시된 MEMS 스위치는 기판; 기판의 상면에 형성된 고정전극; 고정전극의 양측에 형성된 신호라인; 신호라인의 상측에 소정의 간격을 두고 형성되되, 신호라인의 에지부와 접촉하는 접촉부재; 접촉부재를 가동가능하게 지지하는 지지부재; 및 지지부재의 상면에 설치된 가동전극;을 포함한다.

Description

ＭＥＭＳ 스위치{MEMS SWITCH}

도 1은 종래 기술을 따른 MEMS 스위치의 구성을 도시한 도면으로서, 미국특허번호 6,100,477에 개시된 MEMS 스위치의 오프 상태를 나타내는 도면,

도 2는 도 1의 MEMS 스위치의 온 상태를 나타내는 도면,

도 3은 종래 기술을 따른 또 다른 MEMS 스위치의 구성을 도시한 도면으로서, 미국특허공개번호 US2003/0227361에 개시된 MEMS 스위치의 구성을 도시한 평면도,

도 4는 도 3의 선 Ⅳ-Ⅳ를 따른 단면도로서, 스위치 오프 상태를 나타내는 도면,

도 5는 도 3의 선 Ⅳ-Ⅳ를 따른 단면도로서, 스위치 온 상태를 나타내는 도면,

도 6은 본 발명의 일 실시 예를 따른 MEMS 스위치의 구성을 도시한 사시도로서, 스위치 오프 상태를 나타내는 도면,

도 7은 도 6의 선 Ⅶ-Ⅶ를 따른 단면도,

도 8은 본 발명의 일 실시 예를 따른 MEMS 스위치의 구성을 도시한 사시도로서, 스위치 온 상태를 나타내는 도면,

도 9는 도 8의 선 Ⅸ-Ⅸ'를 따른 단면도, 그리고,

도 10a 내지 도 10f는 본 발명에 의한 MEMS 스위치의 제조 과정을 나타내는 공정도들이다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

100 : MEMS 스위치 101 : 기판

103 : 고정전극 105a,105b : 신호라인

107 : 접촉부재 109 : 지지부재

109a,109b : 앵커부 109c : 스프링암

109d,109e : 보조지지부 111 : 가동전극

111a,111b : 보조전극

본 발명은 정전력을 이용하는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)스위치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

고주파 대역에서 사용되는 많은 전자 시스템은 초소형화, 초경량화, 고성능화가 되어가고 있다. 따라서, 지금까지 이러한 시스템들에서 신호를 제어하기 위해서 사용되고 있는 FET(Field Effect Transistor)나 핀 다이오드(PIN Diode)와 같은 반도체 스위치들을 대체하기 위해서 마이크로 머시닝 (Micro Maching)이라는 새로운 기술을 이용한 초소형 마이크로 스위치가 널리 연구되고 있다.

MEMS 기술을 이용한 RF 소자 중 현재 가장 널리 제작되고 있는 것은 스위치이다. RF 스위치는 마이크로파나 밀리미터파 대역의 무선통신 단말기 및 시스템에 서 신호의 선별 전송이나 임피던스 정합 회로 등에서 많이 응용되는 소자이다.

이러한 종래의 MEMS 스위치는 고정전극에 DC 전압이 인가되면, 고정전극 및 가동전극 사이에 대전이 일어나고, 따라서 정전 인력에 의해 가동전극이 기판측으로 이끌리게 된다. 가동전극이 이끌리게 됨으로써 가동전극에 마련된 접촉부재가 기판상에 마련된 신호라인에 접촉되어 스위칭 온 또는 오프 동작을 한다.

상술한 바와 같은 MEMS 스위치에 관한 예가 미국특허번호 6,100,477에 개시된바 있다.

도 1은 종래 기술을 따른 MEMS 스위치의 구성을 도시한 도면으로서, 미국특허번호 6,100,477에 개시된 MEMS 스위치의 오프 상태를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 MEMS 스위치의 온 상태를 나타내는 도면이다.

도 1,2를 참조하면, 종래의 MEMS 스위치는 캐비티(30)가 형성된 기판(28)과, 캐비티(30)의 적어도 일부분에 형성된 고정전극(38)과, 고정전극(38)과 소정의 간격을 두고 형성되어, 고정전극(38) 소정의 전압이 인가됨에 따라 상기 고정전극(38)을 향하여 변형되는 멤브레인(34) 및 절연층(32,40)으로 구성된다. 멤브레인(34)는 그 주변에 휨구조체(36)가 마련되어 탄력적으로 지지된다.

도면에서, 미설명부호(44)는 RF입력단을 나타내고, 부호(42)는 DC 바이어스를 나타내고, 부호 (46)은 고정 캐패시턴스를 나타내고, 부호(48)은 RF출력단을 나타낸다.

도 3은 종래 기술을 따른 또 다른 MEMS 스위치의 구성을 도시한 도면으로서, 미국특허공개번호 US2003/0227361에 개시된 MEMS 스위치의 구성을 도시한 평면도, 도 4는 도 3의 선 선 Ⅳ-Ⅳ을 따른 단면도로서, 스위치 오프 상태를 나타내는 도면, 그리고, 도 5는 도 3의 선 Ⅳ-Ⅳ를 따른 단면도로서, 스위치 온 상태를 나타내는 도면이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 종래의 MEMS 스위치(40)는 기판(44)상에 RF전도체(42,42)이 증착된다.

기판(44)의 상부에는 중앙강성체(48)를 갖는 브릿지구조체(46)가 마련된다. 중앙강성체(48)는 지지부재(52)에 각각 연결된 스프링암(50)에 의해 수직으로 이동가능하다.

중앙강성체(48)의 중앙 및 에지부에는 세그먼트(54,55,56)가 형성된다. 브릿지구조체(46)는 중앙강성체(48)의 하면으로 일부가 연장되어 전극부(60,61)를 각각 형성하는 스프링암(50)이 형성된다. 이에 더하여, 세그먼트(56)에는 스위치(40)가 동작할 때 RF전도체(42,43)사이를 전기적으로 연결하는 접촉부재(64)가 마련된다.

전극부(60,61)는 지지부재(52)에 의해 지된다.

기판(44)상에는 전극부(60,61)과 대응하는 전극(70,71)들이 형성된다. 이에 더하여, 전극(70,71)의 양측에는 중앙강성체(48)의 하강동작을 제한하는 스토퍼(74,75)가 마련된다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래의 MEMS 스위치들을 살펴보면, 멤브레인(34) 및 접촉부재(64)의 전면이 접촉하는 형태로 이루어지므로 점착불량(Sticking Failure)이 쉽게 일어나 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 스위칭 동작되는 부분이 복원력이 주위에 비하여 상대적으로 작은 멤 브레인(34)의 중앙부 및 중앙강성체(48)의 중앙부에서 일어나 점착불량이 쉽게 발생하는 문제점이 있다.

한편, 상술한 바와 같은 MEMS 스위치는 저 전압 구동을 위해 멤브레인(34) 또는 중앙강성체(48)를 하향 조정할 경우 복원력(Restoring Force)의 감소를 초래하여 점착불량에 의한 안정성이 악화되는 문제점을 초래할 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 첫 번째 목적은 점착불량 감소를 통한 스위치의 안정성을 꾀할 수 있는 MEMS 스위치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 두 번째 목적은 저 전압 구동이 가능한 MEMS 스위치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 세 번째 목적은 접촉구조를 개선하여 접촉력을 증대시키는 MEMS 스위치를 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 제안된 본 발명의 일 실시 예를 따르면, 기판; 상기 기판의 상면에 형성된 고정전극; 상기 고정전극의 양측에 형성된 신호라인; 상기 신호라인의 상측에 소정의 간격을 두고 형성되되 상기 신호라인의 에지부와 접촉하는 접촉부재; 상기 접촉부재를 가동가능하게 지지하는 지지부재; 및 상기 지지부재의 상면에 설치된 가동전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치가 제공된다.

상기 접촉부재는 그 양단부가 상기 신호라인의 일단부와 오버랩되도록 형성됨이 바람직하다.

상기 신호라인의 상면은 상기 고정전극의 상면보다 높게 위치된 것이 바람직하다.

상기 지지부재는 그 양단이 상기 신호라인 상에 접촉 지지되는 앵커부와, 상기 접촉부재를 상기 신호라인으로부터 소정의 간격을 유지하며 탄력적으로 지지하는 스프링 암을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 지지부재는 절연재로 형성되며, 상기 절연재는 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 폴리머 중 어느 하나가 사용될 수 있다.

상기 가동전극은 상기 접촉부재의 길이방향과 직교되는 방향으로 보조전극이 추가로 포함된 것이 바람직하며, 상기 지지부재는 상기 보조전극을 지지하는 보조지지부가 추가로 포함됨이 바람직하다.

상기 고정전극 및 가동전극은 알루미늄(Al)이나 금(Au)으로 형성됨이 바람직하며, 상기 신호라인은 금(Au)으로 형성됨이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예를 따른 MEMS 스위치의 구성을 도시한 사시도로서, 스위치 오프 상태를 나타내는 도면이고, 도 7은 도 6의 선 Ⅶ-Ⅶ'를 따른 단면도이다.

도 6,7을 참조하면, MEMS 스위치(100)는 기판(101)의 상측에 고정전극(103) 및 신호라인(105a,105b)들이 증착된다. 고정전극(103)은 기판(101)의 대략 중앙부에 형성되고, 신호라인(105a,105b)들은 고정전극(103)을 사이에 개재시켜 양측으로 각각 형성된다. 여기서, 신호라인(105a,105b)의 두께는 고정전극(103)의 두께보다 두껍게 증착되어 신호라인(105a,105b)의 상면과 고정전극(103)의 상면이 소정의 갭(G1)을 이루도록 증착된다. 여기서, 고정전극(103)은 알루미늄( Al)이나 금(Au)과 같은 도전성 재질이 사용될 수 있으며, 신호라인(105a,105b)은 도전성 재질로 예컨대, 금(Au)을 사용할 수 있다.

고정전극(103) 및 고정전극(103)과 근접하게 위치하는 각 신호라인(105a,105b)들의 일단부로 하는 상측에는 접촉부재(107)가 설치된다. 이때, 접촉부재(107)는 지지부재(109)를 통해 신호라인(105a,105b)의 상면으로부터 소정의 갭(G2)을 두고 설치된다.

지지부재(109)는 그 양단이 신호라인(105a,105b)의 상면에 접촉 지지하는 앵커부(109a,109b)와 접촉부재(107)를 신호라인(105a,105b)으로부터 소정의 갭(G2)을 유지함과 아울러서, 탄력적으로 지지하는 스프링 암(109c)을 포함한다. 여기서, 지지부재(109)는 절연재로 예컨대, 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiO₂), 폴리머(Polymer) 등으로 형성됨이 바람직하다. 따라서, 지지부재(109)는 접촉부재(107)를 지지하는 앵커 역할을 수행함과 동시에 후술 될 가동전극(111) 및 고정전극(103)의 사이를 절연하는 역할을 함께 수행한다. 이와 같은 구조를 취할 경우 앵커 및 절연층을 각각 별개로 구성하여 구조가 복잡해지고, 공정 수가 증가하는 문제점 을 해소하는 이점이 있다.

지지부재(109)의 상측에는 가동전극(111)이 증착된다. 이때, 가동전극(111)은 구동전압의 감소를 위하여 접촉부재(107)의 길이 방향과 직교하는 방향을 따라 보조전극(111a,111b : 도 6 참조.)이 추가로 형성될 수 있다. 이때, 지지부재(109)에도 역시 보조전극(111a,111b)을 지지하는 보조지지부(109d,109e)가 추가로 형성됨이 바람직하다. 여기서, 가동전극(111)은 고정전극(103)과 유사하게 알루미늄이나 금과 같은 재질로 형성할 수 있다.

다음은 상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 의한 MEMS 스위치의 동작에 대하여 간략하게 설명한다.

도 8은 본 발명에 의한 MEMS 스위치의 온 상태를 나타내는 사시도이고, 도 9는 도 8의 선 Ⅸ-Ⅸ를 따른 단면도이다.

도 8,9를 참조하면, 고정전극(103)에 소정의 전압이 인가되면, 고정전극(103) 및 가동전극(111)의 사이에 대전이 일어나고, 정전인력에 의해 가동전극(111)은 고정전극(103)을 향하여 하향한다.

이와 같이 가동전극(111)의 하향동작에 따라 지지부재(109) 및 접촉부재(107)도 함께 하향 이동하여 신호라인(105a,105b)의 에지부(E1,E2)에 접촉되어 신호라인(105a,105b)을 연결한다. 이와 같이 접촉부재(107)가 신호라인(105a,105b)의 에지부(E1,E2)에 접촉됨으로 접촉력은 종래에 비하여 증대되고, 접촉면적은 종래에 비하여 상대적으로 줄어들게 되어 점착불량을 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 컨택이 일어나는 위치가 가동전극(111)의 중앙부을 벗어난 위치 즉, 앵커부(109a,109b)에 근접된 위치에 있게 되어 복원력이 강해진다. 즉, 점착력이 가동전극(111)의 중앙에서 작용하는 종래의 것에 비하여 모멘트 암(moment arm)이 작아지므로 점착 모멘트가 작아져서 점착불량이 일어나는 것이 감소한다.

또한, 접촉부재(107)가 첨예한 신호라인(105a,105b)의 에지부(E1,E2)에 접촉하여 찌꺼기(예컨대, 후술 될 희생층(106)이 완전히 제거되지 못하고 남아 있는 것)의 영향을 최소화하여 컨택저항을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

상술한 구성에 있어서, 신호라인(105a,105b)의 에지부(E1,E2)가 신호라인(105a,105b)의 단면 형상이 직각으로 형성된 모서리부에 의하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 접촉성을 향상시키기 위한 다양한 형태로 변경 적용 가능하다.

다음은 상술한 바와 같이 구성된 MEMS 스위치(100)의 제조과정에 대하여 좀더 상세하게 설명한다.

도 10a를 참조하면, 기판(101)상에 고정전극(103)을 형성한 후 신호라인(105a,105b)을 형성한다. 고정전극(103) 및 신호라인(105a,105b)은 도전성 재질로 형성됨이 바람직하다. 고정전극(10)은 예컨대, 알루미늄(Al)이나 금(Au)과 같은 금속이 사용될 수 있으며, 신호라인(105a,105b)은 금(Au)과 같은 도전성 재질을 사용함이 바람직하다. 이때, 고정전극(103) 및 신호라인(105a,105b)은 일반적으로 스퍼터링(Sputtering)이나 증기증착(Evaporation)에 의해 증착될 수 있다.

기판(101)은 예컨대, 실리콘 기판이 사용될 수 있다.

신호라인(105a,105b)의 두께는 고정전극(103)의 두께보다 두껍게 형성하여 신호라인(105a,105b)의 상면 및 고정전극(103)의 상면이 소정의 갭(G1)을 이루도록 형성한다.

도 10b를 참조하면, 고정전극(103) 및 신호라인(105a,105b)의 일부에 희생층(106)을 증착한다. 여기서, 희생층(106)은 예컨대, 포토레지스트(Photoresist)가 사용될 수 있으며, 포토레지스트는 예컨대, 스핀코터(Spin Coater)에 의해 도포될 수 있다. 이와 같이 증착된 희생층(106)은 큐어링(CURING)공정을 거친다. 큐어링 공정은 고온의 분위기에서 이루어지는 후술될 접촉부재(107), 지지부재(109), 및 가동전극(109)의 형성 공정에서 희생층(106)을 이루는 성분이 소실되는 등의 문제점을 방지하기 위하여 희생층(106)을 고온의 조건에서 예열시키는 공정을 의미한다..

도 10c를 참조하면, 희생층(106)의 상측에 접촉부재(107)를 형성한다. 여기서, 접촉부재(107)는 도전성 재질로서 예컨대, 금(Au), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 등이 사용된다. 이때, 그 증착은 스퍼터링이나 증기증착에 의한다. 접촉부재(107)는 고정전극(103)의 중앙부를 가로질러 그 일부가 신호라인(105a,105b)의 일부와 오버랩되는 길이를 갖도록 형성함이 바람직하다.

도 10d를 참조하면, 접촉부재(107)가 형성된 상측으로 하여 지지부재(109)를 형성한다. 이때, 지지부재(109)의 일단은 신호라인(105a,105b)과 접촉되어 접촉부재(107)를 지지하는 앵커부(109a,109b)를 이루며, 희생층(106)과 접촉된 부분은 스프링암(109c)을 이루게 된다. 여기서, 접촉부재(107)의 길이방향과 직교하는 방향 을 따라 보조지지부(109d,109e)가 추가로 형성함이 바람직하다. 이때, 지지부재(109)는 절연성 재질로 예컨대, 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiO₂) 폴리머(Polymer) 등이 사용된다. 실리콘 질화막 증착은 플라즈마 화학 증착 (PE-CVD)에 의하며, 폴리머 증착은 스핀 코팅에 의한다.

도 10e를 참조하면, 고정전극(103)과 대응하는 가동전극(111)을 형성한다. 여기서, 가동전극(111)은 고정전극(103)과 마찬가지로 도전성 재질로 형성됨이 바람직하며, 접촉부재(107)의 폭에 해당하는 만큼만 형성될 수도 있으나, 구동전압의 감소를 위하여 보조지지부(109d,109e)의 상측에 증착된 보조전극부(111a,111b)를 추가로 형성함이 바람직하다.

도 10f를 참조하면, 희생층(106)을 제거하여 접촉부재(107)를 신호라인(105a,105b)의 상면으로부터 소정의 갭(G2)을 두고 이격되게 구성하여 MEMS 스위치(100)를 완성한다. 여기서, 희생층(106) 제거는 애싱(Ashing) 공정에 의한다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 의한 MEMS 스위치는 저전압 구동이 가능한 이점이 있다.

또한, 컨택부재가 신호라인의 에지부에 접촉됨에 따라 접촉압력(Contact Pressure)이 증가하는 이점이 있다.

또한, 컨택부재의 접촉이 이루어지는 부분이 가동전극의 중앙부가 아닌 앵커측에 가까우므로 복원력이 강해지고, 점착력이 중앙에서 작용하는 종래의 것에 비 하여 모멘트 암이 작으므로 점착 모멘트가 작아져서 점착불량이 감소하는 이점이 있다.

이와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

기판;

상기 기판의 상면에 형성된 고정전극;

상기 고정전극의 양측에 형성된 신호라인;

상기 신호라인의 상측에 소정의 간격을 두고 형성되되 상기 신호라인의 에지부와 접촉하여 상기 신호라인을 전기적으로 연결하는 접촉부재;

하면에 상기 접촉부재를 가동가능하게 지지하는 지지부재; 및

상기 고정전극으로부터 절연되도록 상기 지지부재의 상면에 설치된 가동전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
제 1항에 있어서, 상기 접촉부재는 그 양단부가 상기 신호라인의 일단부와 오버랩되도록 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
제 1항에 있어서, 상기 신호라인의 상면은 상기 고정전극의 상면보다 높게 위치된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
제 2항에 있어서, 상기 지지부재는 그 양단이 상기 신호라인 상에 접촉 지지되는 앵커부와, 상기 접촉부재를 상기 신호라인으로부터 소정의 간격을 유지하며 탄력적으로 지지하는 스프링암을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
제 4항에 있어서, 상기 지지부재는 절연재로 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
제 5항에 있어서, 상기 절연재는 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiO₂), 폴리머(Polymer) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
제 1항에 있어서, 상기 가동전극은 상기 접촉부재의 길이방향과 직교되는 방향으로 보조전극이 추가로 포함된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
제 7항에 있어서, 상기 지지부재는 상기 보조전극을 지지하는 보조지지부가 추가로 포함된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
제 1항에 있어서, 상기 고정전극은 알루미늄(Al)이나 금(Au)으로 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
제 1항에 있어서, 상기 신호라인은 금(Au)으로 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.
제 1항에 있어서, 상기 가동전극은 알루미늄(Al)이나 금(Au)으로 형성된 것을 특징으로 하는 MEMS 스위치.