KR100456771B1 - 고주파용 압전 스위칭 소자 - Google Patents
고주파용 압전 스위칭 소자 Download PDFInfo
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Abstract
낮은 구동 전압 하에서도 효과적으로 스위칭 동작을 수행할 수 있으며 기계식 접촉에 의해 전력 손실을 최소화 할 수 있는 고주파용 압전 스위칭 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 고주파용 압전 스위칭 소자는 양측부가 장착되는 기판에 접촉되고 중앙부가 상기 기판에 대하여 수평하게 형성되는 제1 전극, 상기 제1 전극의 상부에 형성된 압전층, 상기 압전층의 상부에 형성된 제2 전극 및 상기 제2 전극의 상부에 형성된 지지층을 포함한다. 복수 개의 박막들로 이루어진 압전 스위칭 소자를 구현하여 낮은 구동 전압 하에서도 효율적으로 구동케 할 수 있으며, 지지층이 중립축 선상에 배치되기 때문에 압전 스위칭 소자를 구성하는 각 박막들 사이에 발생하는 응력을 최소화할 수 있다. 또한, 지지층의 위치와 반대 방향으로 캔틸레버 구조의 소자를 구동시켜 정확한 스위칭 동작을 수행케 할 수 있으며, 패드에 대하여 기계식 접촉으로 개폐하기 때문에 삽입 손실 및 전력 손실 등을 최소화한 상태에서 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
Description
본 발명은 고주파(RF)용 압전 스위칭 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 MEMS(micro-electro mechanical systems) 기술을 이용하여 복수 개의 박막들로 구성되어 낮은 구동 전압 하에서도 효과적으로 스위칭 동작을 수행할 수 있는 동시에 기계식 접촉에 의해 삽입 손실 및 전력 손실 등을 최소화 할 수 있는 고주파용 압전 스위칭 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 압전체란 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하거나, 역으로전기적 에너지로부터 기계적인 에너지를 유발하는 물질을 말한다. 압전 세라믹을 이용한 제품은 광범위하게 각 분야에서 이용되고 있다. 예를 들면, 단순하게 힘을 가하면 전기를 발생하여 가스에 불을 붙이는 압전 착화 소자, 전기 기계 공진 현상을 이용한 압전 세라믹 필터, 압전 부저, 초음파 가습기 소자, 가속도 센서, 자이로스코프, 초음파 모터, 액츄에이터, 압전 트랜스포머, 초음파 진단자, 압전 펌프, 압전 필터 또는 MEMS 소자 등 다양한 목적에 따라 여러 가지 압전 소자들이 개발되어 있다. 최근 메카트로닉스 분야에 있어서 압전 현상을 넣어 발생하는 변위나 힘을 기계적 구동원으로 이용하는 압전 엑츄에이터가 주목되고 있다. 이들은 압전 점화와 동일한 비 공진 현상을 이용한 것이지만, 종래와는 전혀 다른 새로운 분야의 제품이 개발되고 있다. 압전 엑츄에이터는 압전 효과를 이용한 고체 소자이므로 소비 전력이 낮고, 응답 속도가 빠르며, 변위량이 크고, 발열이 작으며, 사이즈 중량이 낮다는 등의 우수한 특징을 가지고 있다. 특히, 최근에는 여러 가지 통신기기를 위한 고주파 및 고효율 스위치의 개발이 진행 중이며, 이러한 관점에서 압전 스위치에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이러한 압전 소자를 이용한 스위치는 국내 공개특허 제 1999-39552호(발명의 명칭: 압전 소자를 이용한 스위치 장치) 및 등록특허 제 1995-9641호(발명의 명칭: 압전 스위치) 등에 제시되어 있다.
도 1은 종래의 상기 특허 제 1995-9541호에 개시된 압전 스위치의 단면도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 압전 스위치(10)는, 하우징(65)의 내부에 설치되는고정구(20), 압전 핑거(30), 가동 접속부(25), 전도체(15), 패드(17), 제1 및 제2 금속층(35, 40), 제1 및 제2 고정 접속부(45. 50), 그리고 제1 및 제2 연결 도체(55, 60)를 구비한다.
상기 고정구(20)는 하우징(65)의 일측에 위치하며, 그 상면 및 하면에 각기 제1 및 제2 금속층(35, 40)이 형성된 압전 핑거(30)는 일측이 고정구(20)에 의해 지지되며, 타측이 하우징(65)의 저면에 대하여 수평하게 위치한다.
상기 전도체(15)의 일측은 고정구(20)의 측벽을 따라 연장되어 압전 핑거(30)의 하면에 위치하는 제2 금속층(40)에 연결되며, 전도체(15)의 타측은 하우징(65)의 바닥면 상에 위치한다. 이러한 전도체(15)의 타측에는 패드(17)가 형성된다.
상기 가동 접속부(25)는 압전 핑거(30)의 타측 단부를 관통하여 압전 핑거(30)의 상면 및 하면으로 노출되도록 형성된다. 하우징(65)의 타측 상부 및 하부에는 상기 가동 접속부(25)와 소정의 간격을 두고 이격되는 제1 및 제2 고정 접속부(45, 50)가 각기 위치한다. 이와 같은 제1 및 제2 고정 접속부(45, 50)로부터 하우징(65)의 외부로 각기 제1 및 제2 연결 도체(55, 60)가 연결된다.
전술한 압전 스위치(10)에 있어서, 패드(17)와 전도체(15)를 통하여 압전 핑거(30)의 하면에 위치하는 제2 금속층(40)에 신호가 인가되면 제1 금속층(35)과 제2 금속층(40) 사이에 전기장이 발생하며, 이러한 전기장에 의해 압전 핑거(30)가 상방 또는 하방으로 휘어지게 된다. 상기 압전 핑거(30)가 상방으로 휘어질 경우에는 압전 핑거(30)의 타측에 형성된 가동 접속부(25)가 제1 고정 접속부(45)에 접속되고, 압전 핑거(30)가 하방으로 휘어질 경우에는 가동 접속부(25)가 제2 고정 접속부(50)에 접속되어 제1 또는 제2 연결 도체(55, 60)를 통해 신호를 전달한다.
그러나, 전술한 압전 스위치에 있어서, 압전 스위치를 구성하는 다수의 박막들을 형성하는 동안에 박막들 사이에 스트레스가 발생하여 압전 스위치가 수평상태를 유지하기 어려운 문제점이 있다. 이와 같은 문제점이 발생하면, 압전 스위치가 그 상부 또는 하부에 형성된 도체에 정확하게 접촉되기 어려우며, 이에 따라 압전 스위치가 입력되는 신호 분배를 위한 스위칭 동작을 제대로 수행하지 못하는 현상이 발생한다.
또한, 상술한 압전 스위치의 경우에는 압전 핑거를 지지하며 압전 스위치의 동작 방향을 조절하는 수단이 구비되지 않기 때문에 발생하는 전기장에 따라 압전 스위치가 상방 또는 하방으로 휘어지는 것을 정확하게 제어하기 어려워 원활한 스위칭 동작을 수행하지 못하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 일 목적은 중립축 선상에 지지층을 배치하여 캔틸레버 구조의 압전 스위칭 소자를 패드가 위치하는 방향으로 정확하게 틸팅(tilting)하게 할 수 있는 고주파용 압전 스위칭 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 압전층을 포함한 복수 개의 박막으로 이루어진 압전 스위칭 소자를 구현함으로써, 낮은 구동 전압 하에서도 효율적으로 동작할 수 있는 고주파용 압전 스위칭 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 압전 스위칭 소자의 스위치 전극과 패드가 기계식 접촉에 의해 신호를 전달하게 함으로써, 전력 손실을 최소화한 상태에서 스위칭 동작을 수행할 수 있는 고주파용 압전 스위칭 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 압전 스위치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 스위칭 소자의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 압전 스위칭 소자의 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파용 압전 스위칭 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고주파용 압전 스위칭 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고주파용 압전 스위칭 소자의 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시한 압전 스위칭 소자의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고주파용 압전 스위칭 소자의 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시한 압전 스위칭 소자의 단면도이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 스위칭 소자의제조 공정을 설명하기 위한 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
100, 200, 300：압전 스위칭 소자 110, 210：지지층
115, 215, 315：제2 전극 120, 220, 320：압전층
125, 225, 325：제1 전극 130, 230, 330：스위치 전극
135, 235, 435：입력 패드 140, 240, 340, 440：출력 패드
150a, 150b, 250, 350：지지부 155, 255, 355：구동부
160, 360, 460：기판 165, 365, 465：희생층
310：제1 지지층 335：제2 지지층
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르면, 양측부가 장착되는 기판에 접촉되고 중앙부가 상기 기판에 대하여 수평하게 형성되는 제1 전극, 상기 제1 전극의 상부에 형성된 압전층, 상기 압전층의 상부에 형성된 제2 전극, 그리고 상기 제2 전극의 상부에 형성된 지지층을 포함하는 고주파용 압전 스위칭 소자가 제공된다. 이 경우, 상기 제1 전극의 중앙부는 소정의 간격으로 절개되며, 알루미늄, 금, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 티타늄 및 백금-티타늄으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 금속으로 이루어진 스위치 전극이 상기 제1 전극의 중앙부 사이에 배치된다. 또한, 상기 지지층은 상기 압전 스위칭 소자의 중립축 선상에 위치하며, 이에 따라 고주파용 압전 스위칭 소자는 하방으로 구동하게 된다.
바람직하게는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 알루미늄, 금, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 티타늄 및 백금-티타늄으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 금속으로 이루어지고, 상기 압전층은 PZT, PLZT, ZnO, PMN, PMN-PT, PZN, PZN-PT 및 AlN으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나를사용하여 이루어지며, 상기 지지층은 저온 산화물, 질화 실리콘, 산화아연, 또는 질화 알루미늄으로 이루어진다.
또한, 상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판 상에 희생층을 형성하고 패터닝하는 단계, 상기 희생층 및 기판의 상부에 제1 금속층을 형성하는 단계, 상기 제1 금속층을 패터닝하여 제1 전극 및 스위치 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 및 스위치 전극의 상부에 제1 층을 형성하는 단계, 상기 제1 층의 상부에 제2 금속층을 형성하는 단계, 상기 제2 금속층의 상부에 제2 층을 형성하는 단계, 그리고 상기 제2 층, 상기 제2 금속층 및 상기 제1 층을 패터닝하여 상기 제1 전극 및 스위치 전극의 상부에 순차적으로 압전층, 제2 전극 및 지지층을 형성하는 단계를 포함하는 고주파용 압전 스위칭 소자의 제조 방법이 제공된다. 이 경우, 상기 희생층은 인-실리케이트 유리, 산화 아연, 폴리 실리콘 또는 폴리머 등으로 구성된다. 상기 희생층이 인-실리케이트 유리 또는 폴리 실리콘으로 이루어질 경우에는 화학 기상 증착 방법을 통하여 희생층이 형성되고, 산화 아연으로 구성될 경우에는 스퍼터링 방법으로 희생층을 형성한다. 또한, 희생층이 폴리머로 이루어질 경우에는 스핀 코팅 방법으로 희생층을 형성한다.
상기 제1 금속층 및 제2 금속층은 스퍼터링 방법 또는 진공 증착 방법으로 형성되며, 상기 제1 층은 압전 물질을 화학 기상 증착 방법, 졸겔법, 스퍼터링 방법 또는 스핀 코팅 방법으로 적층하여 형성되고, 상기 제2 층은 화학 기상 증착 방법, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 방법 또는 스퍼터링 방법으로 형성된다.
바람직하게는, 상기 희생층의 표면을 화학 기계적 연마 방법으로 평탄화시키는 단계, 상기 희생층을 부분적으로 식각하여 상기 희생층에 소정의 깊이를 갖는 개구부를 형성하는 단계 및 상기 희생층을 제거하는 단계를 포함한다. 이 때, 상기 희생층이 폴리 실리콘으로 이루어질 경우에는 플루오르화크세논 또는 플루오르화브롬을 사용하여 희생층을 제거하고, 희생층이 인-실리케이트 유리로 구성될 경우에는 BOE 또는 플루오르화수소를 사용하여 희생층을 제거한다. 또한, 상기 희생층이 폴리머로 이루어질 경우에는 애싱(ashing) 또는 아세톤 등의 유기 용제를 사용하여 희생층을 제거한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 일측이 장착되는 기판에 접촉되며 타측이 상기 기판에 대하여 수평하게 연장된 제1 전극, 상기 제1 전극의 상부에 형성된 압전층, 상기 압전층의 상부에 형성된 제2 전극, 그리고 상기 제2 전극의 상부에 형성된 지지층을 포함하는 고주파용 압전 스위칭 소자가 제공된다. 이 때, 상기 압전층의 타측 하부에는 상기 제1 전극과 이격되어 스위치 전극이 형성된다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 일측이 장착되는 기판에 접촉되며 타측이 상기 기판에 대하여 수평하게 연장된 스위치 전극, 상기 스위치 전극의 상부에 형성된 제1 지지층, 상기 제1 지지층의 상부에 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극의 상부에 형성된 압전층, 상기 압전층의 상부에 형성된 제2 전극, 그리고 상기 제2 전극의 상부에 형성된 제2 지지층을 포함하는 고주파용 압전 스위칭 소자가 제공된다. 이 경우, 상기 스위치 전극의 타측에는 상기 기판을 향하는 돌출부가 형성되며, 상기 제1 지지층 및 제2 지지층은 저온 산화물, 질화 실리콘, 산화아연, 또는 질화 알루미늄으로 이루어진다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 스위칭 소자는 기판 상에 희생층을 형성하고 패터닝하는 단계, 상기 희생층 및 기판의 상부에 제1 금속층을 형성하는 단계, 상기 제1 금속층의 상부에 제1 층을 형성하는 단계, 상기 제1 층의 상부에 제2 금속층을 형성하는 단계, 상기 제2 금속층의 상부에 제2 층을 형성하는 단계, 상기 제2 층의 상부에 제3 금속층을 형성하는 단계, 상기 제3 금속층의 상부에 제3 층을 형성하는 단계, 그리고 상기 제3 층, 제3 금속층, 제2 층, 제2 금속층, 제1 층 및 제1 금속층을 패터닝하여 스위치 전극, 제1 지지층, 제1 전극, 압전층, 제2 전극 및 제2 지지층을 형성하는 단계를 통하여 제조된다.
본 발명에 따르면, MEMS 기술을 이용하여 복수 개의 박막들로 이루어진 지지부 및 구동부를 구비하는 압전 스위칭 소자를 구현함으로써, 낮은 구동 전압 하에서도 스위칭 소자가 효율적으로 구동케 할 수 있으며, 지지층이 중립축 선상에 위치하기 때문에 압전 스위칭 소자가 입력 및 출력 패드가 형성된 방향인 기판을 향하여 하방으로 동작하게 된다. 이에 따라, 압전 스위칭 소자가 지지층이 형성된 방향과 반대 방향으로 구동하여 정확한 스위칭 동작을 수행케 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 압전 스위칭 소자는 최소화된 사이즈를 가질 뿐만 아니라 입력 및 출력 패드에 대하여 기계식 접촉으로 개폐하기 때문에 삽입 손실이 적으며, 전력 손실을 최소화한 상태에서 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 고주파용 압전 스위칭 소자 및 그 제조 방법에 대하여 상세하게 설명하지만 본 발명이 하기의 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고주파용 압전 스위칭 소자의 사시도를 도시한 것이며, 도 3은 도 2에 도시한 장치의 측면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 압전 스위칭 소자(100)는 그 상부로부터 순차적으로 지지층(110), 제2 전극(115), 압전층(120), 제1 전극(125) 및 스위치 전극(130)을 포함한다. 본 실시예에 따른 압전 스위칭 소자(100)는 양측의 지지부(150a, 150b)로부터 구동부(155)가 상방으로 돌출되거나 또는 수평하게 형성된 구조를 가진다. 즉, 지지층(110), 제2 전극(115), 압전층(120) 및 제1 전극(125)의 양측부들은 함께 압전 스위칭 소자(100)의 지지부(150a, 150b)를 구성하며, 지지층(110), 제2 전극(115), 압전층(120) 및 제1 전극(125)의 중앙부들은 각기 압전 스위칭 소자(100)의 구동부(155)를 구성한다.
상기 지지층(110)은 압전 스위칭 소자(100)가 배치되는 기판(도시되지 않음)으로부터 대체로 중앙부가 상방으로 돌출되거나 기판에 대하여 수평하게 형성된 구조를 가진다. 즉, 지지층(110)의 양측부는 기판에 인접하게 형성되며, 지지층(110)의 중앙부는 이러한 양측부로부터 소정의 경사를 가지고 비스듬하게 기판의 상방으로 연장된 다음 기판에 대하여 수평하게 형성되거나, 지지층(110)의 양측부 및 중앙부가 기판에 대하여 수평하게 형성되고 지지층(110)의 중앙부에 대응하여 입력 및 출력 패드(135, 140)가 위치하는 기판에 소정의 리세스(recess)가 형성된 구조를 가진다. 상기 지지층(110) 가운데 기판에 인접하는 양측부는 각기 압전 스위칭 소자(100)의 지지부(150a, 150b)를 구성하며, 중앙부는 압전 스위칭 소자(100)의 구동부(155)를 이루게 된다. 상기 지지층(110)은 산화 실리콘(SiO2)과 같은 저온 산화물(low temperature oxide; LTO)이나 질화 실리콘(SixNy), 산화 아연(ZnO), 또는 질화 알루미늄(AlN)으로 구성된다.
상부 전극인 제2 전극(115)은 지지층(110)의 하부에 지지층(110)과 동일한 모양으로 형성된다. 제2 전극(115)은 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 백금-탄탈륨(Pt-Ta), 티타늄(Ti), 백금-티타늄(Pt-Ti) 등과 같이 전기 전도성이 우수한 금속으로 형성된다. 제2 전극(115)의 양측부도 지지층(110)의 경우와 마찬가지로 지지부(150a, 150b)를 구성하며, 중앙부는 구동부(155)를 구성한다.
상기 압전층(120)은 제2 전극(115)의 하부에 제2 전극(115)과 동일한 형상으로 형성되어, 압전층(120)의 양측부는 지지부(150a, 150b)를 구성하며, 중앙부는 구동부(155)를 구성한다. 압전층(120)은 PZT(Pb(Zr(1-x),Tix)O3), PLZT((Pb, La)(Zr, Ti)O3), ZnO, PMN(PbMn1/3Nb2/3O3), PMN-PT(PbMn1/3Nb2/3O3-PbTiO3), PZN(PbZn1/3Nb2/3O3), PZN-PT(PbZn1/3Nb2/3O3-PbTiO3), 또는 AlN 등과 같은 압전 물질로 이루어진다.
상기 압전층(120)의 중앙부의 하부에는 스위치 전극(130)이 형성되며, 하부 전극인 제1 전극(125)은 스위치 전극(130)으로부터 소정의 간격을 개재하여 형성된다. 즉, 제1 전극(125)은 양측부가 각기 기판에 접촉되어 지지부(150a, 150b)를 구성하며, 중앙부는 스위치 전극(130)을 중심으로 절개된 형상을 가진다. 제1 전극(125)과 스위치 전극(130)은 각기 알루미늄, 금, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 티타늄, 또는 백금-티타늄 등과 같이 전기 전도성이 우수한 금속으로 구성된다.
압전층(120)의 중앙 하부에 형성된 스위치 전극(130)의 아래에는 스위치 전극(130)을 중심으로 소정의 거리만큼 이격되는 입력 패드(135) 및 출력 패드(140)가 배치된다. 즉, 스위치 전극(130)이 하방으로 이동할 경우, 입력 및 출력 패드(135, 140)는 입력 및 출력 패드(135, 140)에 접촉되는 스위치 전극(130)을 중심으로 서로 전기적으로 연결된다.
이하 본 실시예에 따른 고주파용 압전 스위칭 소자(100)의 동작을 설명한다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 외부로부터 제1 전극(125)에 제1 신호가 인가되고 제2 전극(115)에 제2 신호가 인가되면, 제1 전극(125)과 제2 전극(115) 사이에 전기장이 발생한다. 제1 전극(125)과 제2 전극(115) 사이에 형성된 압전층(120)은 이러한 전기장에 대하여 직교하는 방향으로 변형을 일으킨다. 이 때, 상기 지지층(110)이 압전 스위칭 소자(100)의 중립축(neutral axis) 선상에 위치하기 때문에 압전층(120)이 변형을 일으키는 경우에 압전 스위칭 소자(100)가 하방으로 휘어지게 된다. 즉, 제1 전극(125)과 제2 전극(115) 사이에 발생하는 전기장에 따라 발생하는 압전층(120)의 변형에 의한 굽힘 모멘트(bending moment)로 인하여 압전 스위칭 소자(100)의 단면에는 수직 응력이 생기지만 그 내부에는 수직응력이 생기지 않는 면, 다시 말하면 신축되지 않는 면이 생성되며, 이러한 면을 중립면(neutral plane)이라고 한다. 이와 같은 중립면과 횡단면이 교차하는 직선을 중립축(neutral axis)이라고 하며, 상기 중립축에서는 휨 모멘트를 포함한 응력이 발생하였을 경우에 수직 응력이 제로(0)가 된다. 본 발명에서는 전술한 바와 같이 지지층(110)을 중립축 선상에 위치하게 함으로써, 압전층(120)의 변형시에 압전 스위칭 소자(100)가 지지층(110)이 위치한 방향과 반대 방향으로 휘어지게 된다. 따라서, 압전 스위칭 소자(100) 중 양측의 지지부(150a, 150b)에 지지되는 중앙의 구동부(155)가 하방으로 휘어지게 된다. 전술한 바와 같이, 압전 스위칭 소자(100)의 구동부(155)가 하방으로 휘어지면, 구동부(155)를 구성하는 압전층(120)의 중앙 하부에 형성된 스위치 전극(130)의 일측 및 타측이 입력 패드(135)와 출력 패드(140)에 각기 접촉되어 입력 패드(135)와 출력 패드(140)를 전기적으로 연결함으로써, 신호가 전달된다.
이하, 본 실시예에 따른 압전 스위칭 소자의 제조 방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 스위칭 소자의 제조공정을 설명하기 위한 단면도들을 도시한 것이다. 도 4a 내지 도 4c에 있어, 도 2 및 도 3과 동일한 부재들에 대해서는 동일한 참조번호를 사용한다.
도 4a를 참조하면, 먼저 그 상부에 소정의 입력 및 출력 패드(135, 140)가 형성된 실리콘, 고저항 실리콘(HRS), 갈륨-비소(Ge-As), 유리, 또는 세라믹 등으로 이루어진 기판(160) 상에 고주파용 압전 스위칭 소자를 형성하기 위한 희생층(165)을 형성한다. 상기 희생층(165)은 폴리실리콘(poly-silicon), 인-실리케이트 유리(phosphor-silicate glass; PSG), 산화 아연(ZnO), 또는 폴리머 등을 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법, 스퍼터링(sputtering) 방법 또는 스핀 코팅(spin coating) 방법으로 증착하여 약 1000Å∼10㎛ 정도의 두께를 갖도록 형성한다. 이 때, 상기 희생층(165)이 인-실리케이트 유리 또는 폴리 실리콘으로 이루어질 경우에는 화학 기상 증착 방법(CVD)을 통하여 희생층(165)이 형성되며, 산화 아연으로 구성될 경우에는 스퍼터링 방법으로 희생층(165)을 형성한다. 또한, 희생층(165)이 폴리머로 이루어질 경우에는 스핀 코팅 방법으로 희생층(165)을 형성한다. 상기 압전 스위칭 소자를 구성하는 각 박막들의 평탄도를 향상시키기 위하여 희생층(165)의 표면을 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing; CMP) 방법을 이용하여 연마함으로써, 희생층(165)의 표면을 평탄화시킬 수 있다.
이어서, 희생층(165)의 상부에 제1 포토레지스트(photo resist)(도시되지 않음)를 도포하고 패터닝한 후, 상기 제1 포토레지스트를 식각 마스크로 이용하여 희생층(165)을 패터닝하여 희생층(165)을 중심으로 양측의 기판(160)을 노출시킴으로써, 후에 압전 스위칭 소자의 지지부가 형성될 위치를 만든다. 계속하여, 제1 포토레지스트를 제거하고 희생층(165)의 상부에 제2 포토레지스트(도시되지 않음)를 도포하고 패터닝한 다음, 제2 포토레지스트를 식각 마스크로 이용하여 희생층(165)의 일부를 부분적으로 식각하여 희생층(165)의 중앙부 표면에 소정의 깊이를 갖는 개구부(170)를 형성한다. 상기 개구부(170)에는 후에 스위치 전극이 위치하게 된다.
도 4b를 참조하면, 패터닝된 희생층(165) 및 기판(160) 상에 알루미늄, 금,백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 티타늄, 또는 백금-티타늄 등과 같이 전기 전도성이 우수한 금속을 스퍼터링(sputtering) 방법 또는 진공 증착(vacuum evaporation) 방법으로 증착하여 약 1000Å∼10㎛ 정도의 두께를 갖는 제1 금속층을 형성한다. 이 때, 제1 금속층은 희생층(165)에 형성된 개구부(170)를 채우면서 희생층(165) 및 기판(160) 상에 적층된다. 이어서, 제1 금속층 상에 제3 포토레지스트(도시되지 않음)를 도포하고 패터닝한 다음, 제3 포토레지스트를 식각 마스크로 이용하여 제1 금속층을 패터닝하여 희생층(165)의 개구부(170)에 스위치 전극(130)을 형성하고, 이와 동시에 스위치 전극(130)의 양측에 소정의 간격으로 이격되는 하부 전극인 제1 전극(125) 형성한다. 따라서, 제1 전극(125)의 양측부는 기판(160) 상에 접촉되며, 중앙부는 상방으로 수평하게 연장되어 스위치 전극(130)과 함께 기판(160)에 대하여 대체로 중앙부가 돌출된 구조를 가진다. 제1 전극(125)에는 외부로부터 제1 신호가 인가된다.
도 4c를 참조하면, 상기 제1 전극(125) 및 스위치 전극(130)의 상부에 PZT, PLZT, ZnO, PMN, PMN-PT, PZN, PZN-PT, 또는 AlN 등과 같은 압전 물질을 화학 기상 증착 방법, 졸겔법, 스퍼터링 방법 또는 스핀 코팅 방법으로 적층하여 약 1000Å∼10㎛ 정도의 두께를 갖는 제1 층(175)을 형성한다. 이 경우, 압전 물질의 상변이를 위하여, 제1 층(175)을 구성하는 압전 물질을 급속 열처리(rapid thermal annealing; RTA) 방법으로 열처리할 수도 있다. 상기 제1 층(175)은 후에 전기장에 따라 변형을 일으키는 압전층(120)으로 패터닝된다.
이어서, 상기 제1 층(175)의 상부에 제1 전극(125)과 동일한 금속인 알루미늄, 금, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 티타늄, 또는 백금-티타늄 등과 같은 금속을 스퍼터링 방법 또는 진공 증착 방법으로 증착하여 약 1000Å∼10㎛ 정도의 두께를 갖는 제2 금속층(180)을 형성한다. 제2 금속층(180)은 후에 상부 전극인 제2 전극(115)으로 패터닝되며, 제2 전극(115)에는 외부로부터 제2 신호가 인가되어 제2 전극(115)과 제1 전극(125) 사이에 전위차에 따른 전기장이 발생하게 된다.
다음에, 제2 금속층(180)의 상부에 산화 실리콘과 같은 저온 산화물(LTO), 질화 실리콘, 산화아연 또는 질화 알루미늄 등을 저압 화학 기상 증착(low pressure CVD; LPCVD) 방법, 플라즈마 증대 화학 기상 증착(plasma enhanced CVD; PECVD) 또는 스퍼터링 방법으로 증착하여 약 1000Å∼10㎛ 정도의 두께를 갖는 제2 층(185)을 형성한다. 이 때, 제2 층9185)이 저온 산화물이나 질화 실리콘으로 이루어질 경우에는 저압 화학 기상 증착 방법 또는 플라즈마 증대 화학 기상 증착 방법으로 제2 층(185)을 형성하며, 산화 아연이나 질화 알루미늄으로 이루어질 때에는 스퍼터링 방법으로 제2 층(185)을 형성한다. 제2 층(185)은 후에 지지층(110)으로 패터닝된다.
계속하여, 상기 결과물의 상부에 제4 포토레지스트(도시되지 않음)를 도포하고 패터닝한 다음, 제4 포토레지스트를 식각 마스크로 이용하여 상기 제2 층(185), 제2 금속층(180), 제1 층(175)을 순차적으로 패터닝함으로써, 제1 전극(125)의 상부로부터 차례로 압전층(120), 제2 전극(115) 및 지지층(110)을 형성한다. 이어서, 상기 희생층(165)을 제거하고 세정 및 건조 처리를 수행하여, 양측의 지지부(150a,150a)로부터 구동부(155)가 상방으로 돌출되거나, 또는 지지부(150a, 150a)와 구동부가(155) 기판(160)에 대하여 수평하게 형성되고, 구동부(155) 대응하는 부분의 기판(160)에 리세스가 형성된 구조를 가지는 고주파용 압전 스위칭 소자(100)를 완성한다. 이 때, 상기 희생층(165)이 폴리 실리콘으로 이루어질 경우에는 플루오르화크세논(XeF2) 또는 플루오르화브롬(BrF2)을 사용하여 희생층(165)을 제거하고, 반면에 희생층(165)이 인-실리케이트 유리나 산화 아연으로 구성될 경우에는 BOE 또는 플루오르화수소(HF)를 사용하여 희생층를 제거한다. 또한, 상기 희생층(165)이 폴리머로 이루어질 경우에는 애싱(ashing) 또는 아세톤 등의 유기 용제를 사용하여 희생층(165)을 제거한다.
본 실시예에 있어서, 압전 스위칭 소자(100)를 구성하는 각 박막들의 치수는 예를 든 것에 지나지 않으며, 이러한 박막들의 치수는 압전 스위칭 소자(100)가 장착되는 기판이나 요구되는 환경에 따라 증가하거나 감소될 수 있다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고주파용 압전 스위칭 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 5a 내지 도 5c에 있어서, 도 2 및 도 3과 동일한 부재들에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용한다.
도 5a를 참조하면, 고주파용 압전 스위칭 소자의 구조 형성을 위하여 실리콘, 고저항 실리콘, 갈륨-비소, 유리 또는 세라믹 등으로 이루어진 기판(460)의 일부를 소정의 깊이까지 식각하여 기판에 개구부(450)를 형성한다. 이 경우, 기판(460)이 식각되는 깊이 및 폭은 대체로 도 4a에 도시한 바와 같이 기판 상에형성되는 희생층의 두께 및 폭과 동일하다.
이어서, 상기 기판(460)에 형성된 개구부(450) 내에 전기 전도성을 갖는 금속, 예를 들면 알루미늄, 금, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 티타늄, 또는 백금-티타늄 등을 증착한 다음, 증착된 금속을 패터닝하여 입력 및 출력 패드(435, 440)를 형성한다.
도 5b를 참조하면, 입력 및 출력 패드(435, 440)가 위치하는 개구부(450)를 채우면서 기판(460)의 전면에 희생층(465)을 형성한다. 전술한 바와 같이, 희생층(465)은 폴리 실리콘, 인-실리케이트 유리, 산화 아연(ZnO), 또는 폴리머 등을 화학 기상 증착(CVD) 방법, 스퍼터링 방법, 또는 스핀 코팅 방법으로 약 1000Å∼10㎛ 정도의 두께로 증착한다. 이 경우, 인-실리케이트 유리 및 폴리 실리콘은 화학 기상 증착 방법으로 증착되고, 산화 아연은 스퍼터링 방법으로 증착되며, 폴리머는 스핀 코팅 방법으로 적층된다. 이 때, 후에 희생층(465)이 제거되는 공정을 고려하여 기판(460)이 실리콘으로 이루어질 경우에는 희생층(465)을 도포하기 전에 기판(460)의 상부에 저온 산화물 또는 질화 실리콘층을 형성한다. 즉, 희생층(465)이 폴리 실리콘으로 구성될 경우에는 후에 플루오르화 크세논 또는 플루오르화 브롬을 사용하여 희생층(465)을 제거하게 되는 바, 이 때 실리콘으로 이루어진 기판(460)도 함께 식각되는 문제가 발생하므로 이를 방지하기 위하여 기판(460) 상에 저온 산화물층 또는 질화 실리콘층을 형성한 다음, 폴리 실리콘으로 이루어진 희생층(465)을 형성한다.
이어서, 상기 희생층(465)을 패터닝한 다음, 후에 형성되는 압전 스위칭 소자를 구성하는 각 박막들을 평탄도를 향상시키기 위하여 희생층(465)의 표면을 화학 기계적 연마(CMP) 방법을 이용하여 연마하여 희생층(465)의 표면을 평탄화시킨다. 이 경우, 희생층(465)을 별도로 패터닝하지 않고 희생층(465)의 표면을 평탄화시키는 공정을 수행할 수도 있다.
이후에 희생층(465)의 상부에 스위치 전극, 제1 금속층, 제1 층, 제2 금속층 및 제2 층을 순차적으로 형성하고 이들을 패터닝하여 지지층, 제2 전극층, 압전층, 제1 전극층 및 스위치 전극을 형성하는 공정은 전술한 도 4b 및 도 4c에 도시한 바와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 즉, 본 실시예에 따른 고주파용 압전 스위칭 소자의 제조 방법은 기판에 희생층의 형성을 위한 개구가 먼저 형성되는 점을 제외하면 기본적으로 도 4a 내지 도 4c에 도시한 공정과 동일하며, 따라서 본 실시예에 따른 고주파용 압전 스위칭 소자도 기본적으로 도 2 및 도 3에 도시한 바와 유사한 구조를 갖는다.
실시예 2
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고주파용 압전 스위칭 소자의 사시도를 도시한 것이며, 도 7은 도 6에 도시한 고주파용 압전 스위칭 소자의 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 압전 스위칭 소자(200)는 그 상부로부터 지지층(210), 제2 전극(215), 압전층(220), 제1 전극(225) 및 스위치 전극(230)을 포함한다. 본 실시예에 따른 압전 스위칭 소자(200)는 일측의 지지부(250)로부터 구동부(255)가 상방으로 비스듬히 연장된 후 수평하게 형성된구조를 갖는다. 본 실시예에 따른 압전 스위칭 소자(200)의 형상은 전술한 제1 실시예의 압전 스위칭 소자를 절단한 것과 유사한 구조를 갖는다. 즉, 지지층(210), 제2 전극(215), 압전층(220) 및 제1 전극(225)의 일측들은 함께 압전 스위칭 소자(200)의 지지부(250)를 구성하며, 지지층(210), 제2 전극(215), 압전층(220) 및 제1 전극(225)의 타측들은 함께 압전 스위칭 소자(200)의 구동부(255)를 구성한다. 또한, 본 실시예에 있어서, 고주파용 압전 스위칭 소자(200)를 구성하는 각 박막들의 구성 물질은 제1 실시예의 경우와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
지지층(210)은 고주파용 압전 스위칭 소자(200)가 배치되는 기판(도시되지 않음)으로부터 캔틸레버(cantilver)의 형상으로 형성된다. 즉, 상기 지지층(210)의 일측은 기판에 인접하게 형성되며, 지지층(210)의 타측은 비스듬하게 기판의 상방으로 연장된 다음 기판에 대하여 수평하게 형성된다. 지지층(210) 중 기판에 인접하는 일측은 압전 스위칭 소자(200)의 지지부(250)를 구성하며, 타측은 압전 스위칭 소자(200)의 구동부(255)를 이룬다.
상부 전극인 제2 전극(215)은 지지층(210)의 하부에 지지층(210)과 동일한 모양으로 형성된다. 즉, 제2 전극(215)의 일측도 지지층(210)의 경우와 마찬가지로 압전 스위칭 소자(200)의 지지부(250)를 구성하며, 타측은 구동부(255)를 구성한다.
상기 압전층(220)은 제2 전극(215)의 하부에 제2 전극(215)과 동일한 형상으로 형성되어, 압전층(220)의 일측은 지지부(250)를 구성하며, 타측은 구동부(255)를 구성한다. 압전층(220)의 타측 하부에는 스위치 전극(230)이 형성되며, 하부 전극인 제1 전극(225)은 스위치 전극(230)으로부터 소정의 간격으로 이격되게 형성된다. 제1 전극(225)은 일측이 기판에 접촉되어 압전 스위칭 소자(200)의 지지부(250)를 구성하며, 타측은 구동부(255)를 구성한다.
상기 스위치 전극(230)의 아래에는 스위치 전극(230)을 중심으로 서로 소정의 간격으로 이격되는 입력 패드(235) 및 출력 패드(240)가 배치된다. 따라서, 스위치 전극(230)이 하방으로 이동하여 입력 및 출력 패드(235, 240)에 접촉되면, 입력 및 출력 패드(235, 240)는 스위치 전극(230)을 중심으로 서로 전기적으로 연결되어 신호가 전달된다.
이하, 본 실시예에 따른 압전 스위칭 소자(200)의 동작을 설명한다.
도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 외부로부터 제1 전극(225)에 제1 신호가 인가되고 제2 전극(215)에 제2 신호가 인가되면, 제1 전극(225)과 제2 전극(215) 사이에 전기장이 발생하며, 이러한 전기장에 의해 제1 전극(225)과 제2 전극(215) 사이에 형성된 압전층(220)이 전기장에 대하여 직교하는 방향으로 변형을 일으킨다. 전술한 바와 마찬가지로, 상기 지지층(210)이 압전 스위칭 소자(200)의 중립축 상에 위치하기 때문에 압전층(220)이 변형을 일으키는 경우에 압전 스위칭 소자(200)의 구동부(255)는 하방으로 휘어지게 된다. 이에 따라, 압전층(220)의 타측 하부에 형성된 스위치 전극(230)의 일측 및 타측이 입력 패드(235)와 출력 패드(240)에 각기 접촉되어 입력 패드(235)와 출력 패드(240)를 전기적으로 연결함으로써, 신호를 전달할 수 있게 된다.
본 실시예에 따른 고주파용 압전 스위칭 소자(200)의 제조 방법에 있어서,압전 스위칭 소자(200)를 구성하는 각 박막들을 패터닝하는 공정을 제외하면 전술한 제1 실시예에 따른 압전 스위칭 소자의 제조 공정과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
실시예 3
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 고주파용 압전 스위칭 소자의 사시도를 도시한 것이며, 도 9는 도 8에 도시한 압전 스위칭 소자의 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 압전 스위칭 소자(300)는, 그 상부로부터 순차적으로 형성된 제2 지지층(310), 제2 전극(315), 압전층(320), 제1 전극(325), 제1 지지층(335) 그리고 스위치 전극(330)을 포함한다. 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 지지부(350)와 구동부(355)로 구성되는 캔틸레버 구조를 갖는 본 실시예에 따른 압전 스위칭 소자(300)는 제1 지지층(335)과 스위치 전극(330)을 제외하면 대체로 제2 실시예의 경우와 유사한 형상을 가진다. 즉, 제2 지지층(310), 제2 전극(315), 압전층(320), 제1 전극(325), 제1 지지층(335) 및 스위치 전극(330)의 각 일측들은 함께 압전 스위칭 소자(300)의 지지부(350)를 구성하며, 제2 지지층(310), 제2 전극(315), 압전층(320), 제1 전극(325), 제1 지지층(335) 및 스위치 전극(330)의 각 타측들은 함께 압전 스위칭 소자(300)의 구동부(355)를 구성한다.
상기 제2 지지층(310)의 일측은 압전 스위칭 소자(300)가 장착되는 기판(도시되지 않음) 상에 배치되며, 타측은 상기 일측으로부터 경사지게 연장된 다음, 기판에 대하여 수평하게 형성된다. 제2 지지층(310) 중 기판 상에 접촉되는 일측은 압전 스위칭 소자(300)의 지지부(350)를 구성하며, 타측은 구동부(355)를 구성한다. 제2 지지층(310)은 산화 실리콘과 같은 저온 산화물, 질화 실리콘, 산화아연, 또는 질화 알루미늄 등으로 이루어진다.
제2 전극(315)은 상부 전극으로서 제2 지지층(310)의 하부에 제2 지지층(310)과 동일한 형상인 캔틸레버 구조로 형성되며, 알루미늄, 금, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 티타늄, 또는 백금-티타늄 등과 같이 전기 전도성이 우수한 금속으로 이루어진다. 제2 지지층(310)과 마찬가지로 제2 전극(315)의 일측은 압전 스위칭 소자(300)의 지지부(350)를 구성하며, 타측은 압전 스위칭 소자(300)의 구동부(355)를 구성한다.
제2 전극(315) 하부에 형성되어 변형을 일으키는 압전층(320)은 제2 전극(315)과 동일한 형상인 캔틸레버 구조를 가지며, 이러한 압전층(320)의 일측은 압전 스위칭 소자(300)의 지지부(350)를 구성하며, 타측은 구동부(355)를 이루게 된다. 전술한 바와 같이, 압전층(320)은 PZT, PLZT, ZnO, PMN, PMN-PT, PZN, PZN-PT 및 AlN로 이루어진 압전 물질 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진다.
상기 압전층(320)의 하부에는 압전층(320)과 동일한 구조를 갖는 하부 전극인 제1 전극(325)이 형성된다. 제1 전극(325)의 일측도 압전 스위칭 소자(300)의 지지부(350)를 구성하며, 타측은 압전 스위칭 소자(300)의 구동부(355)를 이루게 된다. 제1 전극(325)은 알루미늄, 금, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 티타늄, 또는 백금-티타늄 등과 같이 전기 전도성이 우수한 금속으로 구성된다.
제1 전극(325)의 하부에는 제1 전극(325)과 동일한 형상인 캔틸레버 구조를 갖는 제1 지지층(335)이 형성된다. 제1 지지층(335)은 산화 실리콘과 같은 저온 산화물, 질화 실리콘, 산화아연 또는 질화 알루미늄 등으로 구성된다. 제1 지지층(335)은 그 하부에 형성되는 스위치 전극(330)과 상부의 제1 전극(325)을 절연시켜 스위치 전극(330)과 제2 전극(325)이 전기적으로 접속되는 것을 방지한다. 또한, 제1 지지층(335)은 전술한 각 층들의 하부에 형성되어 제1 지지층(335) 상에 형성된 박막들을 안정적으로 지지하는 기능을 수행한다.
제1 지지층(335)의 하부에는 알루미늄, 금, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 티타늄, 또는 백금-티타늄 등의 금속으로 구성되는 스위칭 전극(330)이 형성된다. 스위칭 전극(330)의 일측은 기판 상에 접촉되어 압전 스위칭 소자(300)의 지지부(350)를 구성하며, 타측은 경사지게 연장된 다음, 기판에 대하여 수평하게 형성되어 압전 스위칭 소자(300)의 구동부를 구성한다. 이러한 스위치 전극(330)의 타측 하부에는 소정의 두께를 갖고 하방으로 돌출된 돌출부(337)가 형성되어, 압전 스위칭 소자(300)의 구동부(355)가 하방으로 휘어질 때, 기판 상에 형성된 출력 패드(340)에 스위치 전극(330)의 타측이 접촉된다.
본 실시예에 있어서, 외부로부터 제1 전극(325)에 제1 신호가 인가되고 제2 전극(315)에 제2 신호가 인가되어 제1 전극(325)과 제2 전극(315) 사이에 전기장이 발생하면, 제1 전극(325)과 제2 전극(315) 사이에 형성된 압전층(320)이 전기장에 대하여 직교하는 방향으로 변형을 일으킨다. 전술한 바와 같이, 제2 지지층(310)이중립축 선상에 위치하기 때문에 압전층(320)이 변형을 일으키는 경우에 압전 스위칭 소자(300)의 구동부(355)는 하방으로 휘어지게 된다. 압전 스위칭 소자(300)의 구동부(355)가 하방으로 휘어짐에 따라, 제1 지지층(335)의 하부에 위치하는 스위치 전극(330)의 타측에 형성된 돌출부(337)가 출력 패드(340)에 접촉됨으로써, 신호는 스위치 전극(330)으로부터 출력 패드(340)로 전달된다.
이하, 본 실시예에 따른 고주파용 압전 스위칭 소자의 제조 방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 스위칭 소자의 제조공정을 설명하기 위한 단면도들을 도시한 것이다. 도 10a 내지 도 10c에 있어, 도 8 및 도 9와 동일한 부재들에 대해서는 동일한 참조번호를 사용한다.
도 10a를 참조하면, 그 상부에 소정의 형상을 갖는 출력 패드(340)가 배치되는 실리콘, 고저항 실리콘, 갈륨-비소, 유리 또는 세라믹 등으로 이루어진 기판(360) 상에 압전 스위칭 소자의 구조 형성을 위한 희생층(365)을 형성한다. 희생층(365)은 폴리 실리콘, 인-실리케이트 유리(PSG), 산화 아연, 또는 폴리머 등을 화학 기상 증착(CVD) 방법, 스퍼터링 방법 또는 스핀 코팅 방법으로 증착하여 약 1000Å∼10㎛ 정도의 두께를 갖도록 형성한다. 전술한 바와 마찬가지로, 희생층(365)이 인-실리케이트 유리나 폴리 실리콘으로 이루어질 경우에는 화학 기상 증착 방법으로 희생층(365)을 형성하며, 산화 아연으로 구성될 때는 스퍼터링 방법으로 희생층(365)을 형성한다. 또한, 희생층(365)이 폴리머로 구성될 경우에는 스핀 코팅 방법을 통해 희생층(365)을 형성한다. 이 때, 고주파용 압전 스위칭 소자를 구성하는 각 박막들의 평탄도를 향상시키기 위하여 희생층(365)의 표면을 화학 기계적 연마(CMP) 방법으로 연마하여 희생층(365)의 표면을 평탄화시킬 수 있다.
이어서, 희생층(365)의 상부에 제1 포토레지스트(도시되지 않음)를 도포하고 패터닝한 후, 상기 제1 포토레지스트를 식각 마스크로 이용하여 희생층(365)을 패터닝하여 기판(360)의 일부를 노출시킴으로써, 후에 압전 스위칭 소자의 지지부가 형성될 위치를 만든다. 계속하여, 제1 포토레지스트를 제거하고 희생층(365)의 상부에 제2 포토레지스트(도시되지 않음)를 도포하고 패터닝한 다음, 제2 포토레지스트를 식각 마스크로 이용하여 희생층(365)의 일부를 부분적으로 식각하여 희생층(365)의 표면에 소정의 깊이를 갖는 개구부(370)를 형성한다. 따라서, 개구부(370)의 아래에는 기판(340) 상에 형성된 출력 패드(340)가 위치하며, 개구부(370)에는 후에 스위치 전극의 돌출부가 위치하게 된다.
도 10b를 참조하면, 패터닝된 희생층(365) 및 기판(360) 상에 알루미늄, 금, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 티타늄, 또는 백금 티타늄 등과 같이 전기 전도성이 우수한 금속을 스퍼터링 방법 또는 진공 증착 방법으로 약 1000Å∼10㎛ 정도의 두께를 갖는 제1 금속층(375)을 형성한다. 이 경우, 제1 금속층(375)은 희생층(365)에 형성된 개구부(370)를 채우면서 희생층(365) 및 기판(360) 상에 적층된다. 제1 금속층(375)은 후에 스위치 전극으로 패터닝된다.
이어서, 제1 금속층(375) 상에 산화 실리콘과 같은 저온 산화물, 산화아연, 질화 알루미늄 또는 질화 실리콘을 저압 화학 기상 증착 방법(LPCVD), 플라즈마 증대 화학 기상 증착(PECVD) 방법 또는 스퍼터링 방법으로 증착하여 약 1000Å∼10㎛ 정도의 두께를 갖는 제1 층(380)을 형성한다. 제1 층(380)은 후에 제1 지지층(335)으로 패터닝된다.
도 10c를 참조하면, 상기 제1 층(380)의 상부에 알루미늄, 금, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 티타늄, 또는 백금-티타늄 등과 같이 금속을 스퍼터링 방법 또는 진공 증착 방법으로 증착하여 약 1000Å∼10㎛ 정도의 두께를 갖는 제2 금속층(385)을 형성한다. 제2 금속층(385)은 후에 하부 전극인 제1 전극(325)으로 패터닝된다.
이어서, 제2 금속층(385)의 상부에 PZT, PLZT, ZnO, PMN, PMN-PT, PZN, PZN-PT, 또는 AlN 등과 같은 압전 물질을 화학 기상 증착 방법, 졸겔법, 스퍼터링 방법 또는 스핀 코팅 방법으로 적층하여 약 1000Å∼10㎛ 정도의 두께를 갖는 제2 층(390)을 형성한다. 이 때, 제2 층(390)을 구성하는 압전 물질의 상변이를 위하여 급속 열처리(RTA) 방법으로 열처리할 수 있다. 상기 제2 층(390)은 후에 전기장에 따라 변형을 일으키는 압전층(320)으로 패터닝된다.
계속하여, 제2 층(390)의 상부에 알루미늄, 금, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 티타늄, 또는 백금-티타늄 등과 같은 금속을 스퍼터링 방법 또는 진공 증착 방법으로 증착하여 약 1000Å∼10㎛ 정도의 두께를 갖는 제3 금속층(395)을 형성한다. 제3 금속층(395)은 후에 상부 전극인 제2 전극(315)으로 패터닝된다.
다음에, 제3 금속층(395)의 상부에 산화 실리콘과 같은 저온 산화물이나 질화 실리콘, 산화아연 또는 질화 알루미늄 등을 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 방법, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 방법 또는 스퍼터링 방법으로 증착하여 약 1000Å∼10㎛ 정도의 두께를 갖는 제3 층(400)을 형성한다. 제3 층(400)은 후에 지지층(310)으로 패터닝된다.
이어서, 상기 결과물의 상부에 제3 포토레지스트(도시되지 않음)를 도포하고 패터닝한 다음, 상기 제3 층(400), 제3 금속층(395), 제2 층(390), 제2 금속층(385), 제1 층(380) 및 제1 금속층(375)을 각기 상부층을 그 하부 층에 대한 식각 마스크로 이용하여 순차적으로 패터닝함으로써, 기판(360) 및 희생층(365)의 상부로부터 차례로 스위치 전극(330), 제1 지지층(335), 제1 전극(325), 압전층(320), 제2 전극(315) 및 제1 지지층(310)을 형성한다. 다음에, 희생층(365)을 제거하고 세정 및 건조 처리를 수행하여 도 8에 도시한 바와 같이 양측의 지지부(350)로부터 구동부(355)가 상방으로 비스듬히 연장된 후, 수평하게 형성되어 캔틸레버의 구조를 갖는 압전 스위칭 소자(300)를 완성한다. 이 경우에도, 희생층(365)이 폴리 실리콘으로 이루어질 때에는 플루오르화크세논 또는 플루오르화브롬을 사용하여 희생층(365)을 제거하고, 반면에 희생층(365)이 인-실리케이트 유리 또는 산화 아연으로 구성될 경우에는 BOE 또는 플루오르화수소를 사용하여 희생층(365)을 제거한다. 또한, 희생층(365)이 폴리머로 이루어질 경우에는 애싱하거나 아세톤과 같은 유기 용제를 사용하여 희생층(365)을 제거한다.
본 발명에 따르면, MEMS 기술을 이용하여 복수 개의 박막들로 이루어진 지지부 및 구동부를 구비하는 압전 스위칭 소자를 구현함으로써, 낮은 구동 전압 하에서도 스위칭 소자가 효율적으로 구동케 할 수 있다.
또한, 지지층이 중립축 선상에 위치하기 때문에 압전 스위칭 소자가 입력 및 출력 패드가 형성된 방향인 기판을 향하여 하방으로 동작하게 된다. 이에 따라, 압전 스위칭 소자가 지지층이 형성된 방향과 반대 방향으로 구동하여 정확한 스위칭 동작을 수행케 할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 압전 스위칭 소자는 최소화된 사이즈를 가질 뿐만 아니라 입력 및 출력 패드에 대하여 기계식 접촉으로 개폐하기 때문에 삽입 손실이 적으며, 전력 손실을 최소화한 상태에서 스위칭 동작을 수행할 수 있다
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (17)
- 양측부가 장착되는 기판에 접촉되는 제1전극, 상기 제1 전극의 상부에 형성된 압전층, 상기 압전층의 상부에 형성된 제2 전극 및 상기 제2 전극의 상부에 형성된 지지층을 포함하는 압전 스위칭 소자에 있어서,상기 제1전극은 중앙부가 상기 기판에 대하여 수평하게 형성되며;상기 제1 전극의 중앙부는 소정의 간격으로 절개되고, 스위치 전극이 상기 제1 전극의 중앙부 사이에 배치되며;상기 지지층은 상기 압전 스위칭 소자의 중립축 선상에 위치하고;상기 압전 스위칭 소자는 하방으로 구동하는 것을 특징으로 하는 압전 스위칭 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 스위치 전극은 알루미늄, 금, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 티타늄 및 백금-티타늄으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 스위칭 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 및 제2 전극은 알루미늄, 금, 백금, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 백금-탄탈륨, 티타늄 및 백금-티타늄으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나의 금속으로 이루어지고, 상기 압전층은 PZT, PLZT, ZnO, PMN, PMN-PT, PZN, PZN-PT 및 AlN으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나를 사용하여 이루어지며, 상기 지지층은 저온 산화물, 질화 실리콘, 산화아연 및 질화 알루미늄으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 스위칭 소자.
- 삭제
- 기판 상에 신호 전달을 위한 패드를 형성하는 단계;상기 패드가 위치하는 기판 상에 희생층을 형성하고 패터닝하는 단계;상기 희생층 및 기판의 상부에 제1 금속층을 형성하는 단계;상기 제1 금속층을 패터닝하여 제1 전극 및 스위치 전극을 형성하는 단계;상기 제1 전극 및 스위치 전극의 상부에 제1 층을 형성하는 단계;상기 제1 층의 상부에 제2 금속층을 형성하는 단계;상기 제2 금속층의 상부에 제2 층을 형성하는 단계; 및상기 제2 층, 상기 제2 금속층 및 상기 제1 층을 패터닝하여 상기 제1 전극및 스위치 전극의 상부에 순차적으로 압전층, 제2 전극 및 지지층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 스위칭 소자의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 희생층은 폴리 실리콘, 인-실리케이트 유리, 산화아연 및 폴리머로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나를 화학 기상 증착 방법, 스퍼터링 방법 또는 스핀 코팅 방법으로 증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 스위칭 소자의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 희생층의 표면을 화학 기계적 연마 방법으로 평탄화시키는 단계 및 상기 희생층을 부분적으로 식각하여 상기 희생층에 소정의 깊이를 갖는 개구부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 스위칭 소자의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제1 금속층 및 제2 금속층은 스퍼터링 방법 또는 진공 증착 방법으로 형성되고, 상기 제1 층은 압전 물질을 화학 기상 증착 방법, 졸겔법, 스퍼터링 방법 또는 스핀 코팅 방법으로 적층하여 형성되며, 상기 제2 층은 저압 화학 기상 증착 방법, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 방법 또는 스퍼터링 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 스위칭 소자의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 희생층을 플루오르화크세논, 플루오르화브롬, BOE, 플루오르화수소, 또는 아세톤을 포함하는 유기 용제를 사용하여 제거하거나 애싱 방법으로 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 스위칭 소자의 제조 방법.
- 기판을 부분적으로 식각하여 기판에 개구부를 형성하는 단계;상기 개구부에 신호 전달을 위한 패드를 형성하는 단계;상기 개구부를 채우면서 상기 기판 상에 희생층을 형성하는 단계;상기 희생층의 표면을 평탄화시키는 단계;상기 희생층 및 기판의 상부에 제1 금속층을 형성하는 단계;상기 제1 금속층을 패터닝하여 제1 전극 및 스위치 전극을 형성하는 단계;상기 제1 전극 및 스위치 전극의 상부에 제1 층을 형성하는 단계;상기 제1 층의 상부에 제2 금속층을 형성하는 단계;상기 제2 금속층의 상부에 제2 층을 형성하는 단계; 및상기 제2 층, 상기 제2 금속층 및 상기 제1 층을 패터닝하여 상기 제1 전극 및 스위치 전극의 상부에 순차적으로 압전층, 제2 전극 및 지지층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 스위칭 소자의 제조 방법.
- 일측이 장착되는 기판에 접촉되는 제1전극, 상기 제1 전극의 상부에 형성된 압전층, 상기 압전층의 상부에 형성된 제2 전극 및 상기 제2 전극의 상부에 형성된 지지층을 포함하는 압전 스위칭 소자에 있어서,상기 제1전극은 타측이 상기 기판에 대하여 수평하게 연장되며;상기 압전층의 타측 하부에는 상기 제1 전극과 이격되어 스위치 전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 스위칭 소자.
- 삭제
- 스위치 전극의 상부에 형성된 제1 지지층, 상기 제1 지지층의 상부에 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극의 상부에 형성된 압전층, 상기 압전층의 상부에 형성된 제2 전극을 포함하는 압전 스위칭 소자에 있어서,상기 스위치 전극은 일측이 장착되는 기판에 접촉되며 타측이 상기 기판에 대하여 수평하게 연장되어 상기 기판을 향하는 돌출부가 형성되며;상기 제2 전극의 상부에는 제2 지지층이 형성;것을 특징으로 하는 압전 스위칭 소자.
- 삭제
- 기판 상에 신호 전달을 위한 패드를 형성하는 단계;상기 패드가 위치하는 기판 상에 희생층을 형성하고 패터닝하는 단계;상기 희생층 및 기판의 상부에 제1 금속층을 형성하는 단계;상기 제1 금속층의 상부에 제1 층을 형성하는 단계;상기 제1 층의 상부에 제2 금속층을 형성하는 단계;상기 제2 금속층의 상부에 제2 층을 형성하는 단계;상기 제2 층의 상부에 제3 금속층을 형성하는 단계;상기 제3 금속층의 상부에 제3 층을 형성하는 단계; 및상기 제3 층, 제3 금속층, 제2 층, 제2 금속층, 제1 층 및 제1 금속층을 패터닝하여 스위치 전극, 제1 지지층, 제1 전극, 압전층, 제2 전극 및 제2 지지층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 스위칭 소자의 제조 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 희생층을 부분적으로 식각하여 상기 희생층에 소정의 깊이를 갖는 개구부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 스위칭 소자의 제조 방법.
- 제 16 항에 있어서,상기 제1 층 및 상기 제3 층은 저온 산화물, 질화 실리콘, 산화아연 또는 질화 알루미늄을 저압 화학 기상 증착 방법, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 방법 또는 스퍼터링 방법으로 증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 스위칭 소자의 제조 방법.
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