KR100591862B1 - Micro-Driver Using SiSiO Substrate and Manufacturing Method Thereof - Google Patents
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Abstract
초소형 구동기는 하부 전극이 형성된 유리 기판과 가동 구조물이 형성된 단결정 실리콘 기판의 접합으로 구성된다. 가동 구조물은 평판 형태의 상부 전극과 굴곡 구조를 갖는 탄성 부재로 구성되며, 상부 및 하부 전극 사이에 전압을 인가하였을 때 발생하는 정전력과 탄성 부재의 복원력을 구동력으로 사용하여 기판과 수직 면외 방향으로 구동하게 된다. 이러한 초소형 구동기는 유리 기판과 단결정 실리콘 기판을 양극 접합 기술을 이용하여 접합함으로써 구성된다. 또한 화학기계연마(CMP)공정을 사용하여 가동 구조물의 두께를 원하는 대로 조절할 수 있으며, 감광제를 마스크로 하여 가동 구조물 패턴을 형성하고 단결정 실리콘 기판을 수직 식각하여 최종 가동 구조물을 형성한다.The microminiature driver consists of a junction of a glass substrate on which a lower electrode is formed and a single crystal silicon substrate on which a movable structure is formed. The movable structure is composed of a flat plate-shaped upper electrode and an elastic member having a bent structure. The movable structure uses the electrostatic force generated when a voltage is applied between the upper and lower electrodes and the restoring force of the elastic member as a driving force in the out-plane direction perpendicular to the substrate. To drive. Such micro drivers are constructed by joining a glass substrate and a single crystal silicon substrate using an anodic bonding technique. In addition, the chemical mechanical polishing (CMP) process can be used to adjust the thickness of the movable structure as desired. A photosensitive agent is used as a mask to form a movable structure pattern, and a single crystal silicon substrate is vertically etched to form a final movable structure.
Micro-Electro-Mechanical System(MEMS), RF switch, 단결정실리콘Micro-Electro-Mechanical System (MEMS), RF Switch, Monocrystalline Silicon
Description
도 1a는 본 발명에서 제안된 직접 접촉식 직렬 스위치의 전체 사시도이다.1A is an overall perspective view of a direct contact series switch proposed in the present invention.
도 1b는 본 발명에서 제안된 꺽은 선 형태 스프링의 사시도 및 단면을 나타낸 도면이다.Figure 1b is a view showing a perspective view and a cross-section of the linear spring proposed in the present invention.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명에서 제안된 실리콘 MEMS 스위치의 제작과정을 도 1a의 A-A' 단면으로 나타낸 도면이다.2A to 2I are cross-sectional views taken along the line AA ′ of FIG. 1A to illustrate the fabrication process of the silicon MEMS switch proposed in the present invention.
도 3a는 직접 접촉식 직렬 스위치의 전자 주사 현미경 사진이다.3A is an electron scanning micrograph of a direct contact series switch.
도 3b는 3차원 프로파일러를 이용한 스위치 형상 측정 결과를 나타낸 그래프이다.3B is a graph showing a switch shape measurement result using a 3D profiler.
도 4는 본 발명을 이용하여 제작한 기판 안에서 임의로 선택한 18개의 스위치에 대한 문턱 전압분포를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing threshold voltage distributions for 18 switches arbitrarily selected in a substrate fabricated using the present invention.
도 5는 본 발명을 이용하여 제작된 4개의 직접 접촉식 직렬 스위치의 신호 전송 특성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 5 is a graph showing the measurement results of the signal transmission characteristics of the four direct contact type series switches manufactured using the present invention.
도 6a는 2㎓의 주파수 신호에 대해서 스위치 OFF상태에서 입력 전력에 따른 신호 분리도의 변화를 측정한 그래프이다.Figure 6a is a graph measuring the change in the signal separation according to the input power in the switch off state for a frequency signal of 2kHz.
도 6b는 입력 전력을 증가시키면서 스위치 ON/OFF구동을 시켰을 때 출력 전 력을 측정한 그래프이다.Figure 6b is a graph measuring the output power when the switch ON / OFF drive while increasing the input power.
도 7a 내지 도 7b는 오실로스코프를 통해서 출력으로 전달되는 입력신호의 파형을 관찰한 결과를 나타낸 것이다.7a to 7b show the results of observing the waveform of the input signal transmitted to the output through the oscilloscope.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
100 : 제 1기판 10 : 실리콘 기판100: first substrate 10: silicon substrate
11 : 절연막 12 : 접촉부11
13 : 가동구조물 14 : 탄성부재13: movable structure 14: elastic member
15 : 고정지지부 200 : 제 2기판15: fixed support 200: second substrate
20 : 유리기판 21 : 절연막20: glass substrate 21: insulating film
22 : 신호선 23 : 접지선
17 : 상부 실리콘 구조물22: signal line 23: ground wire
17: upper silicon structure
본 발명은 SiOG(Silicon-on-Glass) 기판을 이용한 미세구동기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단결정 실리콘과 유리기판이 결합된 SiOG 기판을 사용하여 RF MEMS 스위치와 같은 미세구동기를 제조하는 방법 및 그로부터 제조되는 미세구동기에 관한 것이다. The present invention relates to a micro-driver using a SiOG (Silicon-on-Glass) substrate and to a method for manufacturing the same, and more particularly to manufacturing a micro-driver such as an RF MEMS switch using a SiOG substrate combined with a single crystal silicon and a glass substrate And a microdriver manufactured therefrom.
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)기술은 기존에 확립된 미세 반도체 제조 공정을 이용하여 전기적인 요소와 기계적인 요소를 결합한 초소형 구조물, 초 소형 센서 및 초소형 구동기를 제작하는 기술로 1970년대 수백 마이크로의 크기를 갖는 단순한 기어의 제작을 시작으로 현재는 Bio, Optic, RF, IMU(Inertial Measurement Unit)등 그 분야가 세분화 되어 연구가 활발히 진행되고 있으며, 마이크로머시닝(micromachining)기법으로 통용되는 표면 미세 기술(surface micromachining)과 몸통 미세 기술(bulk micromachining)을 기반으로 하여 독자적인 기술로서의 위치를 확보해 나가고 있다. MEMS 기술은 저비용으로 저전력, 고효율, 고성능을 갖는 단위 소자나 집적(IC) 시스템을 구현할 수 있는 장점들로 인하여 그 응용 범위를 점점 넓혀가고 있는 상황이다.MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) technology is a technology for manufacturing microstructures, ultra-small sensors, and micro actuators that combine electrical and mechanical components using established micro-semiconductor manufacturing processes. Beginning with the manufacture of simple gears with size, the fields such as Bio, Optic, RF, IMU (Inertial Measurement Unit) have been subdivided, and research is being actively conducted.The surface micro-technology commonly used by micromachining technique ( Based on surface micromachining and bulk micromachining, it is securing its position as a unique technology. MEMS technology is expanding its application range due to the advantages of low power, high efficiency, and high performance unit devices or integrated (IC) systems.
특히 1990년대부터 정보통신 분야의 급격한 발전과 더불어 기존 사용 주파수 대역의 고갈로 IF 및 RF 대역 등 고주파 대역에서 사용되는 무선통신 시스템의 지속적인 개발이 이루어지고 있다. 그러나 기존의 MIC(Microwave Integrated Chip)나 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Chip)등은 고주파에서 광대역 동작에 어려움이 있으며, 그들이 갖는 특징인 큰 손실과 비선형성 때문에 사용이 제한되고 있다. 따라서 기존의 고주파 소자에서 발생되는 일반적인 문제점을 해결하기 위한 RF MEMS 소자에 대한 연구가 절실히 요구된다. In particular, since the 1990s, with the rapid development of the information and communication field, the continuous development of wireless communication systems used in high frequency bands such as IF and RF bands due to the depletion of existing frequency bands. However, the existing Microwave Integrated Chip (MIC) or Monolithic Microwave Integrated Chip (MMIC) has difficulty in wideband operation at high frequencies, and their use is limited due to their large loss and nonlinearity. Therefore, there is an urgent need for research on RF MEMS devices to solve general problems occurring in existing high frequency devices.
특히 이러한 무선 통신 시스템에서 RF 스위치는 소자의 성능에 결정적인 영향을 미치는 핵심 부품으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 기존의 스위칭 소자인 P-I-N 다이오드나 FET(Field Effect Transistor)의 경우 좁은 주파수 대역을 가지며 고주파에서 손실 및 전력소모가 크고 또한 그들이 갖는 비선형성에 의해서 간섭 왜곡 현상이 두드러진다는 문제점을 갖는다. 이에 비해 RF MEMS 스위치의 경우 120 ㎓까지의 광대역 동작이 가능하며 고주파에서 손실 및 전력 소모가 적다. 또한 바이어스 네트워크가 간단하며 전기적인 요소의 일부를 기계적인 구조물로 대체함에 따른 선형성 증가로 간섭왜곡에 의한 영향을 줄일 수 있다. 이러한 장점들로 인하여 RF MEMS 스위치는 고주파 대역에서 기존의 전기적인 소자들을 대체할 수 있는 대안으로 여겨지고 있다. In particular, the RF switch in such a wireless communication system is actively researched as a key component that has a decisive effect on the performance of the device. Conventional switching devices, such as P-I-N diodes or field effect transistors (FETs), have narrow frequency bands, have high loss and power consumption at high frequencies, and have interference distortion phenomena due to their nonlinearity. In comparison, RF MEMS switches are capable of wideband operation up to 120 하며 and have low loss and power consumption at high frequencies. In addition, the bias network is simple, and the linearity increase due to the replacement of some of the electrical components by mechanical structures can reduce the effects of interference distortion. These advantages make RF MEMS switches an alternative to conventional electrical components in the high frequency band.
현재까지 보고 되고 있는 RF MEMS 스위치는 그 구조재로서 주로 금, 구리, 니켈, 알루미늄 등의 금속이 널리 사용되고 있으며, 이는 웨이퍼 단위로 많은 기술이 집적되어 있다. 그러나 이러한 MEMS 스위치가 상용화되기 위해서는 해결해야 할 몇 가지 문제점들이 여전히 존재한다. 그 중 대표적인 문제점이 소자 신뢰성 문제이다. 금속을 구조개로 이용한 기존의 MEMS 스위치의 제작은 주로 고온 상태에서 박막을 증착하고 애싱(ashing)과정을 통해서 희생층을 제거하여 구조물을 부유시키는 과정을 거치게 되는데 이러한 제작 과정에서 발생하는 열 및 여러 가지 응력에 의해서 구조물이 휘어지거나 변형을 일으켜 스위치 특성을 저하시키거나 최악의 경우 스위치로서 사용될 수 없게 되는 등 제작 수율 및 소자 신뢰성을 크게 저하시키는 결과를 초래할 수 있다. RF MEMS switches reported to date are mainly used as a structural material, metals such as gold, copper, nickel, aluminum, etc., and many technologies are integrated in wafer units. However, there are still some problems to be solved for such a MEMS switch to be commercially available. One of the major problems is device reliability. The fabrication of existing MEMS switches using metal as a structural structure is usually performed by depositing a thin film at a high temperature and removing the sacrificial layer through ashing to float the structure. The stress may cause the structure to bend or deform, deteriorating the switch characteristics or, in the worst case, to be unable to be used as a switch, which may result in a significant decrease in fabrication yield and device reliability.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 스위치의 구조물을 형성하는 재료를 온도 특성이 좋으며 외부 응력에 영향을 받지 않는 물질로 대체하는 것이다. 반도체 제조공정에서 널리 사용되고 있는 재료인 단결정 실리콘은 열 특성이 매우 좋 아 800℃ 이하에서는 소성 변형이나 크립(creep)현상이 없으며, 잔류 응력이나 응력 기울기가 거의 없고, 과도한 기계적 열적 외부 환경에서도 견딜 수 있는 장점을 갖는 재료로써 기존 MEMS 스위치에서 구조재로 사용되는 금속을 대체할 수 있는 재료라 할 수 있다. In order to solve this problem, the material forming the switch structure is replaced with a material having good temperature characteristics and not affected by external stress. Single crystal silicon, a material widely used in the semiconductor manufacturing process, has very good thermal properties, and there is no plastic deformation or creep phenomenon below 800 ° C, little residual stress or stress gradient, and can withstand excessive mechanical and thermal external environments. As a material having an advantage, it is a material that can replace the metal used as a structural material in the existing MEMS switch.
본 발명은 기존에 스위치 구조재로 주로 사용되었던 금속 대신 단결정 실리콘을 사용하여 스위치를 제작하여, 소자의 기계적 신뢰성을 증가시킬 뿐만 아니라 제작이 수월하게 되고, 탁월한 열 특성에 의해 구조물 변형을 배제시킴으로써 제작 및 특성의 균일성을 얻도록 하는 데에 그 목적이 있다..
The present invention manufactures a switch using single crystal silicon instead of a metal that has been mainly used as a switch structure material, thereby increasing the mechanical reliability of the device as well as facilitating the fabrication and excluding the structure deformation by excellent thermal properties. The purpose is to achieve uniformity of properties.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 단일층으로 이루어진 제1 기판 및 제2 기판을 마련하는 단계; 상기 제1 기판 및 제2 기판을 접합하는 단계; 접합된 제1 기판을 연마하여 두께를 조절하는 단계; 및 연마된 상기 제1 기판에 가동구조물을 형성하는 단계; 를 포함하는 미세구동기의 제조방법을 제공하는 데 있다. As a construction means for achieving the above object, the present invention comprises the steps of providing a first substrate and a second substrate consisting of a single layer; Bonding the first substrate and the second substrate; Polishing the bonded first substrate to adjust the thickness; And forming a movable structure on the polished first substrate; It is to provide a method of manufacturing a micro-driver comprising a.
상기 제1 기판과 제2 기판은 각각 단결정 실리콘과 유리로 이루어질 수 있으며, 이때에 상기 제1 기판 및 제2 기판을 접합하는 단계에서, 상기 접합은 양극 접합법을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 접합된 제1 기판을 연마하여 두께를 조절하는 단계는 상기 제1 기판이 가지고 있는 제1 면을 화학기계연마(CMP)공정을 이용하여 연마하는 것에 의해 수행되는 것이 바람직하다. The first substrate and the second substrate may be made of single crystal silicon and glass, respectively. In this case, in the bonding of the first substrate and the second substrate, it is preferable to use an anode bonding method. In addition, the step of adjusting the thickness by grinding the bonded first substrate is preferably carried out by polishing the first surface of the first substrate using a chemical mechanical polishing (CMP) process.
더욱 바람직하게는 상기 제1 기판의 연마된 제1 면 위에 패드 형성을 위한 금 박막을 형성하는 단계; 및 상기 패드가 형성된 제1 기판의 제1 면에 감광제를 이용하여 식각 마스크를 형성하고, 이방 식각 하여 가동 구조물의 패턴을 형성하는 단계;를 추가적으로 포함할 수 있다. 또한 더욱 바람직하게는 상기 제1 기판의 가동 구조물이 기판과 수직 면외 방향, 기판과 평행한 면내 방향으로 구동되도록 할 수 있다. 혹은 상기 제1 기판의 가동 구조물이 기판과 수직한 면외 방향 및 기판과 수직한 면외 방향으로 구동되도록 형성할 수 있다.More preferably, forming a gold thin film for pad formation on the polished first surface of the first substrate; And forming an etching mask on the first surface of the first substrate on which the pad is formed by using a photoresist and anisotropically etching to form a pattern of the movable structure. Further preferably, the movable structure of the first substrate may be driven in an out-of-plane direction perpendicular to the substrate and in an in-plane direction parallel to the substrate. Alternatively, the movable structure of the first substrate may be formed to be driven in an out-of-plane direction perpendicular to the substrate and in an out-of-plane direction perpendicular to the substrate.
바람직하게는 상기 제1 기판 및 제2 기판을 접합하는 단계 전에, 상기 제 1기판에 접촉부를 형성하는 단계; 및 상기 제 2기판에 상기 접촉부와 접촉 및 비접촉되어 신호를 전달하는 신호 전송선 및 고정 전극을 형성하는 단계;를 추가적으로 포함한다. 더욱 바람직하게는 상기 제1 기판에 접촉부를 형성하는 단계는, 제1 기판 상에 건식 및 습식 식각 공정을 이용하여 공동(cavity)을 형성하는 단계; 상기 형성된 공동 중앙부에 절연막을 패터닝하는 단계; 및 상기 형성된 절연막 위에 금속 박막을 패터닝하는 단계;를 포함한다. 또한 상기 제2 기판에 신호 전송선 및 고정 전극을 형성하는 단계는, 제 2기판 위에 금속 박막을 패터닝하는 단계; 및 상기 형성된 금속 박막 위에 절연막을 패터닝하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.Preferably, before the step of bonding the first substrate and the second substrate, forming a contact portion on the first substrate; And forming a signal transmission line and a fixed electrode on the second substrate in contact with and in contact with the contact portion to transmit a signal. More preferably, the forming of the contact portion on the first substrate may include forming a cavity on the first substrate by using dry and wet etching processes; Patterning an insulating film on the formed cavity center portion; And patterning a metal thin film on the formed insulating film. The forming of the signal transmission line and the fixed electrode on the second substrate may include: patterning a metal thin film on the second substrate; And patterning an insulating film on the formed metal thin film.
바람직하게는 상기 가동 구조물 패턴은 상기 형성된 패드와 연결되며, 상기 이방 식각 후에 제1 기판 위에 형성된 가동 구조물 패턴은 아래 제2 기판과 거리를 두고 있으며, 제 1기판의 가동 구조물 패턴을 제외한 부분은 제2 기판과 접합되며, 이때 상기 형성된 패드와 연결된 가동 구조물 패턴은 공기 저항 저지 구멍을 가지 며 구동하는 탄성 부재를 포함할 수 있다.Preferably, the movable structure pattern is connected to the formed pad, and after the anisotropic etching, the movable structure pattern formed on the first substrate is spaced apart from the second substrate below, and the portion except for the movable structure pattern of the first substrate is 2 is bonded to the substrate, wherein the movable structure pattern connected to the formed pad may include an elastic member having an air resistance blocking hole and driving.
또한 본 발명은, 고정부, 상기 고정부와 탄성적으로 연결되며, 전기적인 힘에 의해 이동하도록 형성된 가동 구조물, 및 상기 가동 구조물의 하부에 형성되는 접촉부를 포함하고, 단일층으로 형성되는 제1 기판; 및 상기 제1 기판의 고정부와 접합되고 상기 가동 구조물과 소정거리 이격되도록 형성되고, 상기 접촉부와 접촉 및 비접촉을 하는 것에 의해 신호를 전달하는 신호 전송선 및 상기 가동 구조물에 전기적인 힘을 가해 이동하도록 하는 고정 전극을 포함하는 제2 기판;을 포함하는 미세 구동기를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기 미세 구동기의 가동 구조물은 상기 고정 전극에 대응하는 이동전극을 포함하며, 상기 이동 전극은 공기 저항 저지 구멍을 갖고 다수의 탄성부재를 통해 상기 고정부와 연결되어 있는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 각 탄성부재는 꺽인 형태의 구조를 가질 수 있다. In another aspect, the present invention, the first portion is formed in a single layer, including a fixed portion, a movable structure elastically connected to the fixed portion, the movable structure formed to move by an electrical force, and a contact portion formed in the lower portion of the movable structure Board; And an electric force applied to the signal transmission line and the movable structure which are bonded to the fixed part of the first substrate and spaced apart from the movable structure by a predetermined distance, and which transmit and receive signals by contacting and non-contacting with the contact part. It is an object of the present invention to provide a fine driver comprising a; a second substrate comprising a fixed electrode. The movable structure of the micro driver includes a moving electrode corresponding to the fixed electrode, and the moving electrode has an air resistance blocking hole and is connected to the fixed part through a plurality of elastic members. More preferably, each of the elastic members may have a folded shape.
또한 상기 미세 구동기의 상기 제1 기판과 제2 기판은 각각 단결정 실리콘과 유리로 이루어 질 수 있으며, 상기 제1 기판 위에 형성된 접촉부 및 제2 기판 위에 형성된 고정 전극과 신호 전송선은 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 상기 제1 기판 위에 형성 되어 있는 이동 전극 및 탄성부재는 단결정 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직하다. In addition, the first substrate and the second substrate of the micro driver may be made of single crystal silicon and glass, respectively, and the contact portion formed on the first substrate and the fixed electrode formed on the second substrate and the signal transmission line may be made of metal. . In addition, the moving electrode and the elastic member formed on the first substrate is preferably made of single crystal silicon.
또한 상기 미세 구동기의 상기 제1 기판의 가동 구조물은 기판과 수직 면외 방향으로 혹은 기판과 평행한 면내 방향으로 구동되도록 형성될 수 있다. 또는 상기 제1 기판의 가동 구조물은 기판과 평행한 면내 방향 및 기판과 수직한 면외 방향으로 구동되도록 형성될 수 있다. 또한 상기 제1 기판의 가동 구조물이 기판과 수직 면외 방향으로 구동되도록 형성될 때의 미세 구동기를 RF 스위치로 제작할 수 있다.In addition, the movable structure of the first substrate of the micro driver may be formed to be driven in an out-of-plane direction perpendicular to the substrate or in an in-plane direction parallel to the substrate. Alternatively, the movable structure of the first substrate may be formed to be driven in an in-plane direction parallel to the substrate and in an out-plane direction perpendicular to the substrate. In addition, the fine driver when the movable structure of the first substrate is formed to be driven in a direction out of the plane perpendicular to the substrate can be manufactured by the RF switch.
미세구동기는 마이크로 머시닝 기술을 이용한 구동기로써, 신호를 차단 및 연결하는 스위치, 초소형 액츄에이터, 초소형 구조물, 초소형 센서 및 초소형 구동기 등이 있다. 이하 상술하는 본 발명의 바람직한 실시예에서는 상기 미세구동기 중 RF MEMS 스위치에 대하여 설명한다. The micro driver is a driver using micromachining technology, and includes a switch for blocking and connecting a signal, a micro actuator, a micro structure, a micro sensor, and a micro driver. In the following preferred embodiment of the present invention will be described with respect to the RF MEMS switch of the micro-driver.
종래에 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 스위치를 제작하는 경우에는 주로 금속이나 다결정 실리콘을 그 구조재로 이용하였고, 희생층 공정을 통하여 제작되어왔다. 그러나 이들은 재료의 특성에 기인하여 제작 과정에서 발생하는 열에 의한 변형을 피할 수 없으며, 따라서 원하는 특성을 기대하기 어렵게 된다. 또한 이러한 변형은 한 기판 내에서 불균일하게 발생하므로, 결국 한 기판에서 생성되는 스위치 간의 특성 분포가 고르지 못하게 되어 제품의 안정성에 문제가 생길 수 있는 단점이 있다. Conventionally, when fabricating a switch using a micromachining technique, a metal or polycrystalline silicon is mainly used as a structural material, and has been manufactured through a sacrificial layer process. However, due to the properties of the material, they cannot avoid deformation due to heat generated in the manufacturing process, and thus, it is difficult to expect the desired properties. In addition, since such deformation occurs unevenly within one substrate, there is a disadvantage that the distribution of the characteristics of the switches generated in one substrate may be uneven, which may cause a problem in the stability of the product.
본 발명에서는 단일층으로 이루어진 단결정 실리콘 기판을 사용하여 스위치의 구동부 및 접촉부가 형성되는 실리콘 상부 기판과 신호 전송선이 형성되는 하부 기판을 별도로 제작하고, 이들 두 기판을 정렬하고 접합함으로써 스위치를 구성하였다. 이처럼 단일층으로 이루어진 실리콘 기판을 사용할 경우에는 SOI 기판을 사용하는 경우에 비해서 구동부의 두께 조절이 자유롭게 되고 생산 단가를 낮출 수 있는 장점을 갖게 된다. 본 발명에서는 구동부 및 탄성 부재를 구성하기 위하여 단 결정 실리콘 기판을 사용하므로 열이나 외부 응력에 의한 변형이 발생하지 않는 장점이 있다. 이러한 특성에 기인하여 단결정 실리콘 기판을 이용하여 스위치를 제작할 경우 하나의 기판에서 제작되는 다수의 스위치의 전기, 기계적인 특성이 상당히 균일해질 수 있어, 생산시 제품의 안정성을 높일 수 있게되는 장점도 있다.In the present invention, a single crystal silicon substrate composed of a single layer is used to separately manufacture a silicon upper substrate on which a driving part and a contact part of a switch are formed, and a lower substrate on which a signal transmission line is formed, and the switches are configured by aligning and bonding the two substrates. As such, when using a single layer silicon substrate, the thickness of the driving unit can be freely adjusted and the production cost can be lowered as compared with the case of using the SOI substrate. In the present invention, since the single crystal silicon substrate is used to form the driving unit and the elastic member, there is an advantage in that deformation due to heat or external stress does not occur. Due to these characteristics, when the switch is manufactured using a single crystal silicon substrate, the electrical and mechanical properties of a plurality of switches manufactured on one substrate may be fairly uniform, thereby increasing the stability of the product during production. .
본 발명에서는 실리콘 기판(10)에 구동부 및 접촉부(12)를 형성하고 유리 기판(20)에 CPW(coplanar waveguide)를 형성하여 이 두 기판을 정렬한 후 양극 접합 기법을 이용하여 접합을 형성하는 SiOG(Silicon on Glass)공정을 이용하여 스위치를 구성하였으며, 그 개략도는 도 1a에서 보는 바와 같다. 또한 도 1b는 제안된 스위치에서 사용된 기계적 스프링(탄성부재)(14)의 모식도이다.;도 1a 및 도 1b에서 보는 바와 같이 실리콘 기판(10)을 구성하는 가동 구조물(14), 접촉부(12), 고정 지지부(15) 및 기계적 스프링(탄성부재)(14)은 모두 단결정 실리콘 재질로 한 몸으로 이루어져 있으며, CPW가 형성된 유리기판(20)에 정렬하여 양극 접합 기법을 이용하여 접합함으로써 스위치를 구성하였다. 양극 접합을 위해서 하부 기판은 유리 기판(Pyrex 7740)을 사용하였다. 유리 기판의 비유전율은 4.82이며, 석영기판에 비해 비교적 유전체 손실이 크나 양극 접합을 통해서 밀봉 접합이 가능하다는 장점을 갖는다. In the present invention, the driver and the
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본 발명에서 제안되는 스위치는 상부 전극과 하부 전극 사이에 전압을 인가할 때 두 전극 사이에서 유기되는 정전력에 의해서 구동하게 되며, 이때 접촉부 금속(12)이 개방된 신호 전송선(22) 사이를 연결하여 단락 회로를 구성함으로써 입력 신호가 출력으로 전달되게 된다. 스위치를 구동하기 위해 인가되는 전압의 크기는 전극의 크기와 비례하게 되므로 본 연구에서는 구동 전압을 낮추기 위해 전극의 크기를 기존의 금속을 이용한 스위치의 전극 크기에 비해서 비교적 크게 설계하였다. 이는 열 특성이 매우 뛰어나며 내부 응력이 거의 없는 실리콘의 재료 특성상, 제작 중 변형이 생기지 않기 때문에 구현이 가능하다. 또한 단결정 실리콘을 사용하여 스프링을 구성하는 경우 금속에 비해 영률(Young's modulus)이 커서 같은 크기를 갖는 스프링을 구성할 경우 스프링 상수가 커지게 되어 구동 전압이 증가하게 되므로, 본 발명에서는 꺽은 선 형태의 스프링을 도입함으로써 이를 보상하여 구동 전압을 낮추는 시도를 하였다. 다음 수학식 1은 제안된 실리콘 스위치의 기계적 스프링(14)이 갖는 스프링 상수 식을 보여준다.The switch proposed in the present invention is driven by the electrostatic force induced between the two electrodes when a voltage is applied between the upper electrode and the lower electrode, wherein the
여기서 L은 스프링의 길이, t와 w는 각각 스프링의 두께와 폭을 나타낸다. 그리고 E와 G는 각각 영률(Young's modulus)과 전단 탄성 계수(Shear modulus)이다. Where L is the length of the spring, t and w are the thickness and width of the spring, respectively. And E and G are Young's modulus and Shear modulus, respectively.
접촉부(12)를 형성하는 재료로는 금을 선택하였고, 접촉부(12)를 구성하는 금은 접촉 저항이 매우 낮고 전도성이 뛰어나며 RF 신호 전송 특성이 좋은 장점을 갖는다. 또한 비교적 높은 경도를 가지므로 금속 접촉에 의한 표면 손상의 영향을 비교적 작게 받는다는 것도 금이 가지는 중요한 특징이다. 접촉부(12)는 스위치가 ON 상태가 되어 신호를 전송할 때 접촉부(12)와 가동 구조물(13) 사이에서 신호가 간섭(coupling)하는 것을 최소화 시키기 위해 접촉부(12)와 마주보는 가동 구조물(13) 부분을 격자 무늬 형태로 개방하여 가동 구조물(13)과 접촉부(12)가 직접 마주 닿는 면적을 줄임과 동시에 기계적인 안정성을 유지하고자 하였다. 앞에서 언급했듯이, 본 발명에서 제안된 스위치는 접촉부 금속(12)과 신호 전송선(22)의 접촉 여부에 따라서 스위치의 ON/OFF 상태가 결정된다. 접촉부 금속(12)과 신호 전송선(22)의 접촉시 접촉 저항은 접촉하는 면적이 클수록 감소하게 된다. 그러나 접촉부 금속(12)이 너무 클 경우 점착 현상이 발생할 수 있는 우려가 있으므로 이점을 고려하여 접촉부 금속(12)의 크기를 설계하였다. 또한 구동부를 갖는 구조물의 경우 구동 시 공기 저항(air damping)의 영향을 받는다. 특히 MEMS 구조물과 같이 크기가 작은 구조물의 경우 그 영향은 더욱 크다. 공기 저항 계수는 상, 하부의 초기 간격에 큰 영향을 받으며, 구동시 공기 저하의 영향을 줄이는 방법으로는 구동부에 공기 저항 저하를 위한 구멍(hole)을 형성하는 것이 일반적이다. 구동부의 크기가 큰 경우 공기 저항에 더 민감하게 되어 결국 스위치의 응답 속도가 저하되는 문제점을 갖는다. 따라서 본 발명에서는 양 쪽 상부 전극 사이에 접촉부(12)가 형성되는 부분의 크기를 줄였으며, 실리콘 상부 전극에 한 변의 길이가 5㎛를 갖는 공기 저항 저하 구멍(hole)을 20㎛ 간격의 어레이(array)형태로 배열함으로써 공기 저항의 영향을 최소화하도록 설계하였다.Gold was selected as a material for forming the
상기 스위치가 구동되는 방식으로는 세가지가 있을 수 있다. 우선 위의 실시 예에서 설명한 RF 스위치의 경우에는 상, 하부 평판 전극 사이에 전압을 인가하면 서로 반대되는 전하로 대전된 두 평판 사이에 정전력이 인가되고, 상부전극이 형성된 가동구조물이 기판의 수직 면외 방향 즉, 상하로 움직이면서 기판과 접촉하게 된다. There may be three ways in which the switch is driven. First, in the case of the RF switch described in the above embodiment, when a voltage is applied between the upper and lower plate electrodes, electrostatic power is applied between the two plates charged with opposite charges, and the movable structure having the upper electrode is perpendicular to the substrate. In contact with the substrate while moving out of the plane, that is, up and down.
이와는 다른 방법으로 가동구조물이 기판과 평행하게 좌우로 움직여서 기판과 접촉하여 구동될 수 있다. 그 대표적인 예로는 콤형 구동기(comb actuator)가 있다. 이것은 지지부에 전압을 인가하면 마주보는 빗모양 구동기 사이에 인가되는 전압에 의해서 인력이 발생하여 가동 콤형 구동기가 기판과 평행하게 구동하게 된다. 또한 인가 전압을 제거하면 탄성부재가 갖는 복원력에 의해서 제자리로 돌아오게 된다.Alternatively, the movable structure may be driven in contact with the substrate by moving from side to side in parallel with the substrate. A representative example is a comb actuator. When a voltage is applied to the support part, the attraction force is generated by the voltage applied between the opposite comb drivers so that the movable comb driver is driven in parallel with the substrate. In addition, if the applied voltage is removed, it is returned to its place by the restoring force of the elastic member.
이하 본 발명에서 제안된 SiOG 기판을 이용한 실리콘 스위치의 제작 과정에 대해서 설명한다. Hereinafter, a manufacturing process of the silicon switch using the SiOG substrate proposed in the present invention will be described.
본 발명에서 제안된 실리콘 스위치는 반도체 미세 공정을 이용하여 제작된다. 도 2a 내지 도 2h는 스위치의 전체 제작 과정을 보여주고 있으며, 도 1a의 A-A'단면을 나타낸다. 도 2a 내지 도 2h에서 보는 바와 같이 양극 접합을 하기 전에는 구동부와 접촉부(12)가 형성되는 제1 기판(100)인 실리콘 기판(10)과 CPW가 형성되는 제2 기판(200)인 유리 기판(20)은 병렬로 제작될 수 있다. 먼저 실리콘 기판 제작의 첫 단계로 제작 후 구동부와 CPW 사이의 초기 간격을 형성하는 공동(cavity)을 패터닝(patterning) 하였다. 설계된 상부 전극과 하부 전극 사이의 초기 간격과 접촉부(12) 및 신호 전송선(22)이 형성되는 금과 절연막(11,21)의 두께를 고려하여 공동은 3.7㎛ 깊이로 식각하였다 (도 2a). 형성된 공동(cavity) 안쪽으로 실리콘(10)과 접촉부 금속(12) 사이의 전기적인 절연을 위한 실리콘 산화막(11)(silicon dioxide)을 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, STS 社)방식을 이용하여 0.2㎛의 두께로 증착하였고, 증착된 실리콘 산화막(11)은 사진 공정(photolithography process)을 통해 원하는 형상을 정의한 후 RIE(Reactive Ion Etching) 방식으로 식각하였다 (도 2b). 그 후 패터닝(patterning)된 실리콘 산화막(11) 위에 접촉부(12) 형성을 위해서 리프트 오프(lift-off) 공정을 수행하였다. 먼저 양성 감광제인 AZ4620을 이용하여 6㎛의 두께를 갖는 제거 틀을 형성하였으며, 접촉부(12)로 사용되는 금의 증착은 스텝 커버리지가 좋지 못하여 불필요한 금속 부분을 쉽게 제거할 수 있는 열증착(thermal evaporation) 방식을 사용하여 5000Å의 두께로 증착하였다. 일반적으로 금은 기판과 접착력이 좋지 못하므로 그 사이에 크롬이나 타이타늄 등을 접착층으로 사용한다. 본 연구에서는 금과 기판 사이의 접착층으로 크롬을 사용하였으며 그 두께는 100Å 이다. 그 후 아세톤을 이용하여 감광제 틀을 제거함과 동시에 불필요한 금속 패턴을 제거함으로써 절연막(11) 위에 원하는 접촉부(12) 패턴만 형성하였다. 리프트 오프 공정 시 감광제 틀 패터닝 및 기타 사진 공정은 Karl-SUSS 社의 MA-6 장비를 사용하였다 (도 2c). 이상의 과정을 통해 제1 기판인 실리콘 기판 가공이 완료된다. The silicon switch proposed in the present invention is fabricated using a semiconductor microprocess. Figures 2a to 2h shows the entire manufacturing process of the switch, it shows the AA 'cross-section of Figure 1a. As shown in FIGS. 2A to 2H, the
다음으로 제2 기판인 유리 기판(20) 가공의 첫 단계는 리프트 오프 공정을 이용한 CPW 형성 과정이다. 상판 제작에서 접촉부를 형성했던 것과 마찬가지로 먼 저 AZ4620을 이용하여 감광제 틀을 형성하고 그 위에 열증착 방식으로 크롬과 금을 각각 100Å, 5000Å의 두께로 증착하였다. 그 후 아세톤을 이용하여 감광제 틀을 제거하여 원하는 CPW 패턴을 유리 기판위에 형성하였다 (도 2d). Next, the first step of processing the
그 후 스위치 구동 시 상부 전극과 하부 전극 사의 전기적인 단락을 방지하기 위해서 접지선(23) 위에 절연막(21)으로 사용되는 실리콘 산화막(21)을 0.2㎛의 두께로 증착하고 패터닝하였다. (도 2e). 위와 같은 과정을 통해서 구동부가 형성되는 실리콘 기판(100)과 신호 전송선(22)이 형성되는 유리 기판(200)을 제작한 후 양 기판을 정렬하여 양극 접합을 수행하였다 (도 2f). 이 과정에서는 실리콘 기판(100)과 유리 기판(200)의 정렬이 불량한 경우 접합이 잘 안되거나 스위치 제작 후 특성의 저하 등 문제점이 발생할 수 있으므로 주의해야 한다. 따라서 양 기판을 접합하기 전에 황산과 과산화수소를 4대 1의 비율로 혼합한 용액을 이용하여 표준 세척 작업을 수행하여 기판에 이물질이나 잔류 폴리머 성분을 제거하였다. 양극 접합은 EVG 社의 EV501 접합기를 사용하였으며, 350 ℃ 의 온도와800 V의 전압을 일정하게 가해주면서 7분 동안 접합을 수행하였다. Thereafter, in order to prevent an electrical short between the upper electrode and the lower electrode, the
접합이 끝난 후 최종 구조물의 두께를 정의하기 위해 실리콘 박화(thinning) 공정을 수행하였으며 화학기계연마 공정(Chemical Mechanical Polishing)을 이용하여 세부 두께 조절을 함과 동시에 실리콘 기판(100) 표면의 경면 처리를 수행하였다(도 2g). 실리콘 박화 및 화학기계연마 공정을 통해서 실리콘 두께를 조절하는 것은 SiOG 공정 기법을 사용할 경우 갖는 특징이며, 이는 구동 전압을 조절할 수 있음을 의미하므로 매우 중요한 과정이라고 할 수 있다. 실리콘 박화 과정에 널리 사용되는 식각액으로는 TMAH(Tetramethylammonium hydroxide)와 KOH(Potasium hydroxide)가 있다. After the bonding was completed, a thinning process of silicon was performed to define the thickness of the final structure, and the mirror surface treatment of the surface of the
본 발명의 실시예로서 40 w% KOH를 사용할 수 있으며, 이 때 KOH의 농도를 40 w%로 맞추기 위해서 증류수 600 ml와 KOH 400 g을 혼합하였다. 박화 공정 온도는 80 ℃이고 8시간 동안 식각을 진행하였으며 식각률은 분 당 1 ㎛이다. 실리콘 박화 공정 후에는 화학기계연마 기법을 이용하여 미세 두께를 조절하였으며 동시에 경면 처리를 하였다. 이 때의 식각율은 분 당 0.9 ㎛이다. 화학기계연마 공정 후에는 기판에 남은 슬러리(slurry)를 제거하기 위하여 세척 작업을 거치는데, 이는 270℃ 이상의 온도로 수산화 암모늄, 과산화 수소 및 이온화 물을 2:1:1의 비율로 혼합한 용액에서 20 분 이상 수행하였다. 40 w% KOH may be used as an embodiment of the present invention, in which 600 ml of distilled water and 400 g of KOH were mixed to adjust the concentration of KOH to 40 w%. The thinning process temperature was 80 ° C. and etching was carried out for 8 hours with an etching rate of 1 μm per minute. After the silicon thinning process, the fine thickness was controlled by chemical mechanical polishing and mirror-treated. The etching rate at this time is 0.9 µm per minute. After the chemical mechanical polishing process, washing is performed to remove the remaining slurry on the substrate, which is mixed in a solution of 2: 1: 1 mixed with ammonium hydroxide, hydrogen peroxide and ionized water at a temperature of 270 ° C or higher. At least 20 minutes were performed.
그 후 마지막 제작 과정으로 실리콘(100)을 수직 식각하여 최종적으로 스위치를 형성한다. 이때 실리콘 식각 마스크로는 1.2 ㎛의 두께를 갖는 감광제인 AZ1512를 사용하였고, 후면 정렬(backside align)을 통해 패터닝하였다. 실리콘 수직 식각은 ICP(Inductively Coupled Plasma) 방식을 사용하는 Plasma-therm 社의 Deep silicon etcher를 사용하였다 (도 2h). 이상의 과정을 통해서 본 연구에서 제안된 실리콘 스위치가 제작된다. 도시하였으나 미설명된 부호 17은 상부 실리콘 구조물을 나타낸 것이다.Thereafter, in the final fabrication process,
지금까지 살펴본 제작 과정을 통해 제작된 실리콘 스위치가 기존의 금속이나 다결정 실리콘을 이용하여 제작되었던 MEMS 스위치에 비해서 안정적인 특성을 보임을 확인하기 위하여 제작된 실리콘 스위치의 성능을 평가하였다. The performance of the fabricated silicon switch is evaluated to confirm that the fabricated silicon switch shows more stable characteristics than the MEMS switch fabricated using the existing metal or polycrystalline silicon.
먼저 기존의 금속 스위치가 갖는 가장 큰 문제점인 제작 과정에서 발생하는 구조물의 변형 여부를 판단하였고, 기존의 금속 스위치에 비해서 제작 및 성능의 균일성이나 기계적인 신뢰성 및 안정성 면에서 개선시킬 수 있는 가능성을 보이기 위해 제작된 실리콘 스위치의 전기 기계적인 특성을 측정하였다. First of all, it was judged whether or not structural deformation occurred in the manufacturing process, which is the biggest problem of the existing metal switch, and compared with the existing metal switch, the possibility of improvement in the uniformity of manufacturing and performance, mechanical reliability, and stability was examined. The electromechanical properties of the fabricated silicon switch were measured.
제작 후 구조물의 변형 여부를 판단하기 위하여 전자 주사 현미경(SEM)과 3차원 프로파일러를 사용하였다. 도 3a는 제작된 스위치의 전자 주사 현미경 측정 결과이다. 사진에서 볼 수 있는 바와 같이 구조물이 매우 편평하였으며, 변형이 관찰되지 않았다. 그리고 도 3b는 도 3a의 전자 주사 현미경 측정 결과를 뒷받침하기 위해서 3차원 프로파일러를 이용하여 제작된 실리콘 스위치의 형상을 측정한 결과이다. 역시 구조물에 변형이 관찰되지 않았으며 또한 스위치 구동부와 탄성 부재 부분이 같은 높이로 매우 안정적으로 제작되었음을 확인하였다. 이는 스위치의 구조재로 단결정 실리콘을 사용할 경우 제작 과정에서 발생하는 열이나 잔류 응력 등에 의한 영향을 받지 않아 안정적인 제작 결과를 얻을 수 있음을 의미한다. Electron scanning microscope (SEM) and 3D profiler were used to determine whether the structure was deformed after fabrication. 3A is an electron scanning microscope measurement result of the manufactured switch. As can be seen in the photograph, the structure was very flat and no deformation was observed. And 3b is a result of measuring the shape of the silicon switch manufactured using a three-dimensional profiler in order to support the electron scanning microscope measurement results of FIG. 3a. In addition, no deformation was observed in the structure, and it was confirmed that the switch driving part and the elastic member part were made very stable at the same height. This means that when the single crystal silicon is used as the structural material of the switch, it is not affected by heat or residual stress generated in the manufacturing process, and thus, a stable manufacturing result can be obtained.
다음으로는 제작된 스위치의 구동 전압의 균일성을 알아보기 위해 같은 기판 상에서 제작된 18개의 스위치에 대해서 그 구동 전압의 분포를 살펴보았다. 본 발명에서 제안된 실리콘 스위치의 경우 실리콘 기판에 형성되는 상부 전극과 유리 기판에 형성되는 하부 전극 사이에 인가되는 전압에 의해 발생하는 정전력을 이용하여 스위치를 구동시킴으로써 ON 상태 및 OFF 상태를 조절하게 된다. 스위치에 인가 전압을 순차적으로 증가시키면 그에 따라서 구조물의 변위가 연속적으로 변하다가 인가 전압이 문턱 전압과 같아지는 순간 구조물이 불안정 영역에 도달하게 되어 순간적으로 하부 전극에 붙게 된다. 스위치의 문턱 전압(pull-in voltage)이란 스위치 구조물이 불안정 영역에 도달하여 순간적으로 하부 전극에 붙는 순간의 전압으로써 일반적으로 구동 전압이라 한다. [수학식 2]는 문턱 전압을 계산하기 위해 유도된 식이며, 이는 스위치를 구동시키는 정전력과 구동되었던 구조물이 제자리로 다시 돌아오려는 복원력의 평형 관계에 의해서 유도되었다. Next, the distribution of the driving voltages of 18 switches manufactured on the same substrate was examined to determine the uniformity of the driving voltages of the manufactured switches. In the case of the silicon switch proposed in the present invention, the ON state and the OFF state are controlled by driving the switch by using a constant power generated by a voltage applied between the upper electrode formed on the silicon substrate and the lower electrode formed on the glass substrate. do. When the voltage applied to the switch is sequentially increased, the displacement of the structure is continuously changed accordingly, and the structure reaches the unstable region at the moment when the applied voltage is equal to the threshold voltage, thereby instantaneously attaching to the lower electrode. The pull-in voltage of the switch is a voltage at which the switch structure reaches an unstable region and momentarily attaches to the lower electrode, and is generally referred to as a driving voltage.
여기서 g는 전극 사이의 초기 간격, d는 구조물의 변위, t d 와 r 은 각각 절연막의 두께와 유전율, 0는 공기의 유전율을 의미한다.Where g is the initial spacing between the electrodes, d is the displacement of the structure, t d and r are the thickness and dielectric constant of the insulating film, and 0 is the dielectric constant of air.
도 4는 한 기판 안에서 임의로 선택한 18개의 스위치에 대한 문턱 전압 분포를 보여준다. 측정 대상인 18개 스위치의 평균 문턱 전압은 19.1 V였으며, 그 표준 편차는 1.5 V였다. 그리고 표준 편차인 1.5 V 이내의 차이를 보이는 스위치는 18개 중 12개로, 이는 MEMS 스위치의 구조재로 단결정 실리콘을 사용할 경우 비교적 균일한 전압 분포를 얻을 수 있음을 의미한다. 4 shows threshold voltage distributions for 18 randomly selected switches within a substrate. The average threshold voltage of the 18 switches to be measured was 19.1 V with a standard deviation of 1.5 V. In addition, 12 out of 18 switches showed a difference within the standard deviation of 1.5 V, which means that a relatively uniform voltage distribution can be obtained when single crystal silicon is used as a structural member of the MEMS switch.
제작된 스위치의 신호 전송 특성의 균일성을 확인하기 위하여 같은 모델인 4개 스위치에 대해서 신호 전송 특성을 측정하였다. 일반적으로 스위치의 신호 전송 특성은 스위치 OFF 상태에서 얼마나 신호를 잘 차단하는가를 보여주는 신호 분리도와 스위치 ON 상태에서 얼마나 신호를 잘 전송하는가를 보여주는 삽입 손실을 측정함으로써 평가된다. 도 5는 측정된 신호 전송 특성 결과이며, 4개 스위치에 대해서 삽입 손실은 0.18 dB~-0.2 dB의 분포를 보였으며, 신호 분리도는 38 dB~-39 dB의 분포를 보여 스위치간에 편차가 매우 적고 균일한 특성을 보임을 확인할 수 있었다. 이처럼 다른 스위치간에 균일한 특성을 보이는 것은 결국 스위치의 제작이 균일하게 되었음을 의미하며, 이는 실리콘을 이용하여 스위치를 제작할 경우 얻을 수 있는 장점이다. In order to confirm the uniformity of signal transmission characteristics of the fabricated switches, the signal transmission characteristics of four switches of the same model were measured. In general, the signal transmission characteristics of a switch are evaluated by measuring signal isolation, which shows how well the signal is blocked in the switched-off state and insertion loss, which shows how well the signal is transmitted in the switched-on state. 5 shows the measured signal transmission characteristics, the insertion loss of the four switches showed a distribution of 0.18 dB to -0.2 dB, and the signal separation shows a distribution of 38 dB to -39 dB, with very little deviation between the switches. It can be seen that the uniform properties. This uniformity between the different switches means that the manufacture of the switch is uniform, which is an advantage that can be obtained when manufacturing the switch using silicon.
다음은 스위치의 기계적인 신뢰성을 평가할 수 있는 전력 전송 용량과 수명에 대하여 측정을 하였다. 먼저 일반적으로 RF 스위치의 전력 전송 용량이라 함은 높은 전력을 갖는 고주파 신호를 얼마나 효과적으로 전달하는가를 나타내는 것으로 스위치 소자의 성능을 결정하는 매우 중요한 요소이다. MEMS 기술을 이용하여 제작된 스위치는 주로 상하부 전극 사이에서 발생하는 정전력에 의한 기계적인 움직임을 통해 스위치 ON/OFF가 제어된다. 이러한 기계적인 스위치의 경우 전력 전송 용량은 스위치 OFF 상태일 때 입력 신호가 갖는 높은 전력에 의해 스위치 상하부 전극 사이에 발생하는 전압에 의해 구동 전압을 따로 인가하지 않아도 저절로 스위치가 구동 되어 버리는 현상(self-actuation)이나 ON 상태에서 높은 전력을 갖는 입력 신호에 의해서 구동 전압을 제거하여도 다시 OFF 상태로 돌아오지 않는(holding) 현상에 의해서 제한된다. 따라서 스위치가 스스로 구동 되는 현상이나 전압을 제거하지 않아도 OFF 상태로 돌아오지 않는 현상을 발생시키는 이상의 전력을 가진 신호는 전달할 수 없게 된다. 본 연구에서는 언급된 두 가지 요소에 대한 스위치의 동작 특성을 측정함으로써 제작된 스위치의 기계적인 전력 전송 용 량을 측정하였다. Next, we measured the power transfer capacity and lifetime to evaluate the mechanical reliability of the switch. First of all, the power transmission capacity of an RF switch generally indicates how effectively a high-frequency signal having high power is transmitted. The switch manufactured using MEMS technology is mainly controlled by the switch ON / OFF through mechanical movement by the electrostatic force generated between the upper and lower electrodes. In the case of such a mechanical switch, the power transfer capacity is driven by the voltage generated between the upper and lower electrodes of the switch due to the high power of the input signal when the switch is turned off. actuation) or the input signal having a high power in the ON state is limited by the phenomenon of not holding the driving voltage again. As a result, a signal with more power than the switch itself or a voltage that does not return to the OFF state without removing the voltage cannot be transmitted. In this study, the mechanical power transfer capacity of the fabricated switch was measured by measuring the operating characteristics of the switch for the two factors mentioned.
도 6a는 2 GHz의 주파수 신호에 대해서 스위치 OFF 상태에서 입력 전력에 따른 신호 분리도의 변화를 측정한 그래프이다. 신호 전송선의 입력 단에 신호를 인가하고 그 신호가 갖는 전력을 증가시키면서 인가된 높은 전력의 신호에 대해서 제작된 스위치의 자기 구동 여부를 관찰하였다. 도 6a에서 보는 바와 같이 입력 전력을 34 dBm(2.5 W) 까지 증가시켜도 초기의 신호 분리도를 유지하면서 선형적으로 변함을 확인할 수 있다. 이는34 dBm(2.5 W)의 높은 전력의 신호에 대해서도 자기 구동 현상이 발생하지 않음을 의미한다. 도 6b는 입력 전력을 증가시키면서 스위치 ON/OFF 구동을 시켰을 때의 출력 전력을 보여준다. 입력 신호 전력을 증가시키면서 스위치를 구동시켰을 때 31 dBm(1.3 W) 까지의 신호 전력에 대해서는 스위치의 구동 전압을 제거한 경우 다시 원래의 상태로 돌아와 신호 분리도를 유지함을 확인할 수 있었다. 제작된 스위치의 전력 전송 용량 측정 결과로 기존의 금속 스위치에 비해 비교적 큰 전력을 전송할 수 있음을 확인하였으며, 이는 스위치 구조물을 실리콘을 이용하여 제작함으로써 구동부의 기계적인 강도와 복원력이 커진 것이 원인으로 사료된다.Figure 6a is a graph measuring the change in the signal separation according to the input power in the switched off state for the frequency signal of 2 GHz. While the signal was applied to the input terminal of the signal transmission line and the power of the signal was increased, it was observed whether the manufactured switch was self-driven for the applied high power signal. As shown in FIG. 6A, even when the input power is increased to 34 dBm (2.5 W), it can be seen that the signal changes linearly while maintaining the initial signal separation. This means that magnetic driving does not occur even for a high power signal of 34 dBm (2.5 W). 6B shows the output power when the switch ON / OFF drive is performed while increasing the input power. When driving the switch while increasing the input signal power, it was confirmed that the signal power of 31 dBm (1.3 W) was returned to the original state when the driving voltage of the switch was removed to maintain the signal separation. As a result of measuring the power transmission capacity of the fabricated switch, it was confirmed that relatively large power could be transmitted compared to the existing metal switch. This is due to the increase in mechanical strength and resilience of the driving part by fabricating the switch structure using silicon. do.
MEMS 기술을 이용하여 제작되는 소자의 큰 특징 중의 하나는 구조물 내에 기계적인 움직임을 갖는 구동부가 포함된다는 점이다. 그러나 구조물에 포함된 구동부는 반복적으로 구동함에 따라 피로 파괴 현상이나 특히 구동부가 금속으로 이루어진 소자의 경우 반복 구동에 의해 그 구동부의 형상이 영구 변형을 일으키는 메모리 현상이 발생할 수가 있으며, 이는 소자의 기계적인 수명을 결정하는 요인이 된다. 본 연구에서 제안된 직접 접촉식 스위치의 경우는 접촉부의 금속과 신호 전송선의 직접 접촉에 의해서 스위치의 ON/OFF 특성이 결정되는데, 이 경우에는 스위치의 반복 구동에 따라 발생할 수 있는 스프링의 기계적인 특성 열화나 접촉 저항의 변화 뿐만 아니라 접촉되는 금속 간에 발생하는 점착 현상 등에 의해 그 수명이 결정된다. 따라서 본 연구에서는 제작된 스위치의 수명 특성 측정을 위해서 스위치를 반복 구동 시킴에 따른 출력으로 전달되는 파형의 변화, 상하부 초기 간격 및 접촉 저항의 변화 등을 관찰함으로써 스위치의 수명을 예측하였다. 제작된 스위치의 신호 전송선 입력과 출력에 오실로스코프를 연결하여 반복 구동 전후의 출력 파형의 변화를 관찰하였다. One of the great features of devices fabricated using MEMS technology is the inclusion of a drive with mechanical movement in the structure. However, as the driving part included in the structure is repeatedly driven, a fatigue failure phenomenon, especially in the case of a device made of metal, may cause a memory phenomenon in which the shape of the driving part is permanently deformed by repeated driving. It is a factor in determining the lifetime. In the case of the direct contact switch proposed in this study, the ON / OFF characteristics of the switch are determined by the direct contact between the metal of the contact part and the signal transmission line. In this case, the mechanical characteristics of the spring may occur due to the repetitive operation of the switch. Its lifetime is determined not only by deterioration and change in contact resistance but also by adhesion phenomenon occurring between metals in contact. Therefore, in this study, the life span of the switch was predicted by observing the change of waveform, the initial gap between the upper and lower parts, and the contact resistance as the output of the switch was repeatedly driven. The oscilloscope was connected to the signal transmission line input and output of the fabricated switch to observe the change of the output waveform before and after repeat driving.
도 7a내지 도 7b는 오실로스코프를 통해서 출력으로 전달되는 입력 신호의 파형을 관찰한 결과이다. 도 7a내지 도 7b에서 상단부 파형은 상부 전극에 인가된 구동 전압 파형을 나타내며, 하단부 파형은 스위치가 구동하여 신호 전송선 출력으로 입력 신호가 전달된 파형을 의미한다. 또한 그림 도 7a는 반복 구동을 하기 전인 초기 상태이며, 도 7b는 108 번 이상 반복 구동 후 관찰한 파형이다. 도 7에서 보는 바와 같이 108 번 이상 반복 구동 후에도 출력으로 전달되는 파형에는 큰 변화가 발생하지 않았음을 확인할 수 있다. 이 측정 결과로 미루어볼 때 제작된 스위치의 경우 108 번 이상을 반복 구동하여도 접촉부 금속과 신호 전송선 사이에 점착 현상이 발생하지 않으며, 입력에 대한 출력 신호 역시 변형 없이 스위치가 안정적으로 구동함을 의미한다. 즉 실리콘을 이용하여 스위치를 제작할 경우 기계적인 안정 성을 증대시킬 수 있음을 확인하였다.7A to 7B show the results of observing the waveform of the input signal delivered to the output through the oscilloscope. 7A to 7B, the upper waveforms represent driving voltage waveforms applied to the upper electrode, and the lower waveforms represent waveforms in which an input signal is transmitted to the signal transmission line output by a switch. In addition, Figure 7a is the initial state before the repetitive drive, Figure 7b is a waveform observed after the repetitive drive more than 10 8 times. Also it has a waveform that is passed to the
본 발명에서는 제작 과정에서 발생하는 열 등에 의해 구조물의 변형이 발생하는 기존 금속 또는 다결정 실리콘 스위치의 문제점을 해결하고 소자 신뢰성을 증대시키기 위해 단결정 실리콘을 사용하여 직접 접촉식 RF MEMS 스위치를 설계하고 제작하였으며, 제작된 스위치의 전기 기계적인 특성의 측정을 통해서 단결정 실리콘을 구조재로 사용하여 스위치를 제작할 경우 제작 과정에서 변형이 발생하지 않음으로써 기존의 금속 스위치에 비해서 제작 및 특성의 균일성을 증대시킬 수 있으며, 기계적인 신뢰성과 안정성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. In the present invention, the direct contact RF MEMS switch is designed and fabricated using single crystal silicon in order to solve the problem of the existing metal or polycrystalline silicon switch which causes deformation of the structure due to heat generated during the fabrication process and to increase device reliability. By measuring the electromechanical properties of the manufactured switches, when the switch is manufactured using single crystal silicon as a structural material, deformation does not occur during the manufacturing process, thereby increasing the uniformity of the manufacturing and characteristics compared to the existing metal switches. In addition, it has been confirmed that the mechanical reliability and stability can be improved.
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