높은 캐패시턴스 ＲＦ ＭＥＭＳ 스위치들을 제공하기 위한 시스템 및 방법

높은 캐패시턴스 ＲＦ ＭＥＭＳ 스위치들을 제공하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR PROVIDING HIGH-CAPACITANCE RF MEMS SWITCHES}

본 발명은 일반적으로 스위치에 관한 것이고, 더 구체적으로, 높은 캐패시턴스의 RF MEMS 스위치를 제공하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

스위치의 한 가지 기존 유형은 무선 주파수(RF) MEMS(micro-electro-mechanical system) 스위치이다. 이 기존 유형의 스위치는 통상 2개의 도전성 포스트들(posts)이 기판 상에서 이격된 기판을 갖는다. 도전성 부분(예컨대, 전극)이 기판 위의 기둥들 사이에 제공되고, 유전체 재료층에 의해 덮여진다. 유연하고 전기적으로 도전성의 멤브레인이 기둥들 사이에서 연장되어, 멤브레인의 중앙 부분이 기판 위의 도전성 부분 위에 위치된다. RF 신호가 도전성 부분과 멤브레인 중 하나에 인가된다.

스위치가 디액츄에이트된(deactuated) 또는 논액츄에이트된(non-actuated) 상태에서, 멤브레인은 도전성 부분과 그를 덮은 유전체층 모두의 위에서 이격된다. 스위치를 액츄에이트하기 위해, 직류(DC) 바이어스 전압이 멤브레인과 도전성 부분 사이에 인가된다. 이 바이어스 전압은 멤브레인과 도전성 부분 상에 전하들을 생성하고, 이 전하들은 멤브레인과 도전성 부분이 서로 정전기적으로 끌어당기게 한다. 이러한 인력은 멤브레인이 구부러지게 하여, 그 중앙 부분이 도전성 부분 상의 유전체층의 상부에 접촉할 때까지 아래로 움직인다. 이것은 멤브레인의 액츄에이트된 위치이다.

스위치의 이러한 액츄에이트된 상태에서, 멤브레인과 도전성 부분 사이의 이격은 디액츄에이트된 상태에서보다 적다. 따라서, 액츄에이트된 상태에서, 멤브레인과 도전성 부분 사이의 용량성 결합은 디액츄에이트된 상태에서보다 충분히 크다. 결과적으로, 액츄에이트된 상태에서, 멤브레인과 도전성 부분 중 하나를 통해 이동하는 RF 신호는 다른 부분을 따라 이동하는 신호들에 대해 그 전체가 실질적으로 용량적으로 결합된다.

스위치를 디액츄에이트하기 위해, DC 바이어스 전압이 턴오프된다. 그러면 멤브레인의 고유한 탄성은 멤브레인을 그 원래의 위치로 복귀시키고, 이것은 스위치의 디액츄에이트된 상태를 나타낸다. 멤브레인과 도전성 부분 사이의 용량성 결합은 디액츄에이트된 상태에서 훨씬 낮기 때문에, 멤브레인과 용량성 부분 중 하나를 통해 이동하는 RF 신호는 다른 부분을 따라 이동하는 신호들에 대해 용량성 결합을 거의 경험하지 못하거나 전혀 경험하지 못한다.

어떤 응용에서는, 논액츄에이트된 또는 디폴트 상태에서의 캐패시턴스에 대한 액츄에이트된 상태에서의 캐패시턴스의 비가 매우 중요할 수 있다. 일반적으로, 캐패시턴스 비가 클수록, 스위치가 제공할 수 있는 대역폭이 더 커진다. 논액츄에이트된 캐패시턴스, 또는 오프-캐패시턴스(off-capacitance)는 멤브레인이 논액츄에이트된 위치에 있을 때의 기생성분(parasitics)과 스위치 멤브레인의 함수이다. 액츄에이트된 캐패시턴스, 또는 온-캐패시턴스(on-capacitance)는 멤브레인이 전극을 덮는 유전체의 상부 상의 액츄에이트된 위치로 스냅 다운될 때 형성된 MIM(metal-insulator-metal) 캐패시터의 함수이다. 따라서, 더 좋은 성능 특성을 갖는 RF MEMS 스위치를 제공하기 위해서는, 스위치의 온-캐패시턴스를 증가시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 양태들은 높은 캐패시턴스의 RF MEMS 스위치를 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일 실시예에서, 본 발명은 기판, 기판의 일부분 상에 배치된 전극, 전극의 적어도 일부분 상에 배치된 유전체층, 유전체층의 적어도 일부분 상에 배치된 금속층, 기판 베이스 상의 이격된 위치들에서 지지되는 제1 및 제2 단부들을 갖는 플렉서블 멤브레인을 포함하는 MEMS 조립체에 관한 것이고, 플렉서블 멤브레인은 플렉서블 멤브레인과 전극 사이에 인가된 미리 선택된 스위칭 전압에 응답하여 디폴트 위치로부터 액츄에이트된 위치로 이동하며, 액츄에이트된 위치에서, 플렉서블 멤브레인은 금속층과 전기적으로 접촉하도록 구성된다.

다른 실시예에서, 본 발명은 MEMS 조립체를 제조하는 방법으로서, 기판의 표면 상에 전극 재료를 퇴적하고, 전극 재료 표면의 적어도 일부 위에 유전체 재료를 배치하고, 유전체층 표면의 적어도 일부분 상에 금속층을 퇴적하고, 전극 재료로부터 이격된 위치들에서 기판 위에 복수의 기둥을 퇴적하고, 금속층 상에 그리고 기둥들 사이에 스페이서 재료를 퇴적하고, 스페이서 재료 및 기둥들 상에 플렉서블 멤브레인을 퇴적하고, 조립체로부터 스페이서 재료를 에칭하는 것을 포함하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 스위치의 액츄에이트된 위치에서 공극을 감소시키기 위한 플로팅 금속층을 갖는 RF MEMS 스위치의 상면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 논액츄에이트된 상태에서의, 플로팅 금속층을 포함하는 도 1의 RF MEMS 스위치의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 액츄에이트된 상태에서의 도 1의 RF MEMS 스위치 및 플로팅 금속층의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 멤브레인의 일부분과 접촉하는 플로팅 금속층을 도시하는 도 3의 RF MEMS 스위치의 일부분의 단면 확대도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 스위치 바이어싱을 위한 패터닝된 플로팅 금속층을 갖는 RF MEMS 스위치의 상면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다양한 단계들 및 대응하는 프로세스 단계들에서의 스위치의 단면도들을 포함하는, RF MEMS 스위치를 제조하기 위한 프로세스의 개략적 도면.

RF MEMS 스위치의 캐패시턴스는 스위치의 성능에 대한 중요한 특성이다. 임의의 특정 이론에 의해 한정되지는 않으나, 액츄에이트된 상태 또는 온-캐패시턴스(on-capacitance)에서의 RF MEMS 스위치의 캐패시턴스는 유전율 및 유전체의 두께의 함수이다. 더욱 구체적으로는, 온-캐패시턴스는 일정한 두께에 대한 유전율에 비례한다. RF MEMS 용량성 스위치들에서, 종종, 표면 거칠기에 의해 야기된, 유한한 양의 공기(예를 들면, 공극들)가 멤브레인과 유전체 사이에 존재하며, 공기가 낮은 유전율을 갖기 때문에, 그리고 이들 공극들이 쉽게 제거되지 않기 때문에 최대 획득가능한 온-캐패시턴스를 현저하게 감소시킨다. 그러한 경우, 감소된 온-캐패시턴스는 바람직하지 않게 RF MEMS 스위치의 저주파수 광대역 동작을 제한한다.

도면을 참조하여 보면, RF MEMS 스위치들의 실시예들은 기판, 기판에 위치한 전극, 전극에 위치한 유전체, 플렉서블 멤브레인, 및 임의의 공극들의 용량성 효과들을 실질적으로 제거하거나 또는 없애는, 유전체에 위치한 플로팅(예를 들면, 전기적으로 절연된) 금속층을 포함한다. 플로팅 금속층은 유전체층 상에 퇴적되어, 최소한의 공극이 플로팅 금속층과 유전체 사이에 존재할 수 있게 한다. 몇몇 실시예들에서, 플로팅 금속층은 유전체층 상에 퇴적되어, 어떠한 공극도 플로팅 금속층과 유전체 사이에 존재하지 않게 한다. RF MEMS 스위치들이 액츄에이트될 때, 플렉서블 멤브레인은 플로팅 금속층과 오믹 접촉을 할 수 있다. 그러한 것으로서, 플로팅 금속층과 플렉서블 멤브레인 사이에 존재할 수 있는 임의의 공극들에도 불구하고, 플로팅 금속층은 플렉서블 멤브레인과 효과적으로 연속으로 된다. 그러한 경우에, 온-캐패시턴스는 유전율 및 유전체 재료의 두께만의 함수가 된다. 따라서, 온-캐패시턴스는 공극들에 의해 야기되는 제한들 없이 증가될 수 있다.

다수의 실시예들에서, 유전체는 거친 표면들을 가질 수 있다. 그러나, 본원에 개시된 RF MEMS 스위치들의 실시예들을 제조하기 위한 프로세스들에 따르면, 플로팅 금속층은 직접적으로 유전체 상에 퇴적될 수 있어, 문제가 되는 공극들을 실질적으로 감소시키거나 또는 없앨 수 있게 된다. 일부 공극들이 액츄에이트된 위치에서 플로팅 금속층과 플렉서블 멤브레인 사이에 존재할 수 있으나, 오믹 접촉들이 플로팅 금속층과 플렉서블 멤브레인 사이에서 만들어질 수 있다. 그러한 것으로서, 플로팅 금속층과 플렉서블 멤브레인 사이에 존재할 수 있는 임의의 공극들은 RF MEMS 스위치를 통과하는 신호들에 의해 보여지는 캐패시턴스에 대해 무시할 수 있는 영향을 주며, 성능에 대한 매우 감소된 영향력을 갖는 접촉 저항에만 영향을 준다.

몇몇 실시예들에서, RF MEMS 스위치들의 플로팅 금속층들은, 플렉서블 멤브레인을 액츄에이트된 위치로 스위치하는 전계를 가하도록 바이어싱 회로를 인에이블하고, 전계가 제거될 때 플렉서블 멤브레인을 디폴트 위치로 되돌리도록 인에이블하는 충분한 전기적 특성들을 제공하도록 패터닝된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 스위치의 액츄에이트된 위치에서 공극을 감소시키기 위한 (도시되지 않은) 플로팅 금속층을 갖는 RF MEMS 스위치(100)의 상면도이다. 스위치(100)는 기판(102), 기판(102) 상에 위치한 전극 층(104), 전극 상에 위치한 유전체층(106), 유전체(106) 상에 위치한 플로팅 금속층(110)(도 2 참조), 및 유전체(106) 위의 포스트들(112)(도 2 참조) 상에 위치한 플렉서블 멤브레인(108)을 포함한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 논액츄에이트된 상태에서, 플로팅 금속층(110)을 포함하는 도 1의 RF MEMS 스위치의 단면도이다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 전극(104)은 기판(102)의 상면의 일부에 위치한다. 유전체(106)는 기판(102)의 일부 및 전극(104)의 상면 및 측면 상에 위치한다. 플로팅 금속층(110)은 유전체(106)의 상면 상에 위치한다. 유전체(106)의 상면이 평탄하지 않고 거칠 수 있으며, 플로팅 금속층(110)은 후술되는 퇴적 프로세스에서 유전체(106) 위에 퇴적될 수 있다. 그러한 경우에, 플로팅 금속층(110)은 플로팅 금속층과 유전체 사이에 공극을 제공할 수 있는 분리 공간이 거의 없이 또는 완전히 없이 유전체(106)의 상부에 위치할 수 있다.

도시되지 않았지만, 바이어스 제어 회로는 통상적으로 멤브레인(108)과 전극(104)에 결합된다. 동작 시, 바이어스 제어 회로는 멤브레인(108)과 전극(104) 사이에 DC 바이어스 전압을 인가함으로써 디폴트 위치(예를 들면, 도 2)로부터 액츄에이트된 위치(예를 들면, 도 3, 4)로 멤브레인을 액츄에이트시키는 전계를 생성할 수 있다. 액츄에이트된 위치에서, 스위치는 최대 용량성 결합(예를 들면, RF MEMS 스위치에 대해 닫힌 위치)을 제공할 수 있다. DC 바이어스 전압이 제거되면, 플렉서블 멤브레인은 최소 용량성 결합(예를 들면, RF MEMS 스위치에 대해 열린 위치)을 제공하는 디폴트 또는 논액츄에이트된 위치로 돌아갈 수 있다.

도 2에 도시된 실시예에서, 기판은 알루미나로 만들어질 수 있다. 다른 실시예들에서, 비화 갈륨, 알루미나, 석영, 유리 또는 그들의 조합과 같은 높은 비저항 실리콘을 포함하는 다른 적절한 재료들이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

도 2에 도시된 실시예에서, 구성요소들은 특정한 상대적인 크기들을 갖는 것처럼 보인다. 그러나, 도 2는 실제 비율대로 도시되지 않았으며 다른 적절한 구성요소 크기들이 사용될 수 있다.

도 1에 도시된 실시예에서, RF MEMS 스위치(102)에 대한 통상적인 치수들은 300 마이크로미터의 길이와 264 마이크로미터의 폭이다. 도 2에 도시된 실시예에서, 금속 포스트(112)의 통상적인 두께는 3 마이크로미터이며 통상적으로 금으로 만들어진다. 전극(104)은 통상적으로 0.5 마이크로미터의 두께를 가지며 금 및/또는 다른 금속들로 만들어지는 한편, 유전체(106)는 통상적으로 0.25 마이크로미터의 실리콘 질화물로 만들어진다. 플로팅 금속층(110)은 통상적으로 0.25 마이크로미터이며 티타늄으로부터 만들어질 수 있는 한편, 플렉서블 멤브레인(108)은 통상적으로 0.5 마이크로미터의 두께를 가지며 알루미늄으로 만들어진다. 이 문단에서, 특정한 치수들 및 재료들을 참조하였다. 다른 실시예들에서, 다른 적절한 치수들 및 재료들이 사용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이트된 상태에서의 도 1의 플로팅 금속층(110) 및 RF MEMS 스위치(100)의 단면도이다. 액츄에이트된 상태 또는 위치에서, 스위치(100)의 멤브레인(108)은 멤브레인(108)의 중앙부가 플로팅 금속층(110)과 접촉하도록 아래쪽으로 연장한다. 액츄에이트된 위치에서, 플로팅 금속층(110)은 두개의 금속성 구성요소 사이에 오믹, 또는 금속 대 금속 접촉을 효과적으로 형성하는 다수의 접촉 포인트들에서 막(108)과 접촉할 수 있다. 일부 실시예들에서, 멤브레인과 플로팅 금속층 모두는 그들 사이에 접촉이 표면 대 표면으로 만들어지도록 (예를 들면, 접촉 포인트들의 전체 개수는 많다) 대략 편평한 표면을 갖는다.

도 2 및 도 3에 도시된 실시예들은 변화하는 치수들의 재료를 수용하도록 변경될 수 있다. 예를 들면, 전극(104), 유전체(106) 및 플로팅 금속층(110)의 xyz 치수들을 변화시킴으로써, 더 크거나 작은 캐패시터가 본 발명을 따르는 전반적인 동작에 영향을 미치지 않고 형성될 수 있다. 게다가, 포스트들(112) 및 멤브레인(108)의 치수들 및 두께들은 본 발명을 따르는 전반적인 동작에 영향을 미치지 않고 스위치의 DC 작동 전압을 증가시키거나 감소시키도록 변화될 수 있다. 다수의 실시예에서, 포스트들(112), 멤브레인(108), 전극(104) 및 플로팅 금속(110)은 금속들과 같은 도전 재료들로 만들어질 수 있으나, 특정한 유형의 도전체로 제한되지 않는다. 다수의 실시예들에서, 유전체(106)는 비도전성, 저손실 RF 유전체 재료로 만들어지나, 임의의 특정한 재료로 제한되지 않는다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 멤브레인(108)의 일부와 접촉하는 플로팅 금속층(110)을 도시하는 도 3의 RF MEMS 스위치(100)의 일부의 확대 단면도이다. 도 4에 도시된 실시예에서, 플로팅 금속층(110)의 상면은 거칠다. 그와 같이, 다수의 접촉 포인트들 및 공극들이 금속 플로팅층(110)의 상면과 멤브레인(108) 사이에 존재한다.

동작의 특정한 이론에 제약을 두지 않으며, 플로팅 금속층과 멤브레인 사이의 이러한 공극들은 그러한 구성요소들 사이의 오믹 접촉이 그들이 전기적으로 하나의 연속적인 구성요소로 보이도록 하기 때문에, 액츄에이트된 위치에서 스위치의 온-캐패시턴스에 영향을 미치지 않는다. 대신, 온-캐패시턴스는 공기가 아니라 유전체층의 유전율만의 함수이다. 따라서, 온-캐패시턴스는 특정한 응용을 위한 특정한 두께 및 유전 재료의 선택에 의해 원하는 대로 제어될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 바이어싱을 위한 패터닝된 플로팅 금속층(210)을 갖는 RF MEMS 스위치(200)의 상면도이다. 스위치(200)는 기판(도시되지 않음), 기판 상에 위치된 전극층(204), 전극 상에 위치된 유전체층(206), 유전체층(206) 상에 위치된 패터닝된 플로팅 금속층(210), 유전체층(206) 위에 연장하는 포스트들(212) 상에 위치된 플렉서블 멤브레인(208)을 포함한다. 플로팅 금속층(210)의 패터닝은 인가된 전계가 상기 플로팅 금속층의 개구들을 통해 연장하여 상기 멤브레인에 도달하게 하고, 플로팅 금속층이 이전의 작동 동안 대전(charge)된 이후라 할지라도 이를 작동하게 할 수 있다.

어떠한 특정 이론에 의해서도 제약되지 않지만, 플로팅 금속층이 어떠한 것에도 전기적으로 접속되지 않기 때문에, 상기 플로팅 금속층은 플렉시블 멤브레인(208)이 논액츄에이트된 상태로 해제(release)된 이후 전하를 신속하게 소거할 방법이 없다. 따라서, 이전 작동 이후에 남아 있는 임의의 전하는 플로팅 금속층 상에 계속 잔존할 것이다. 연속(비-패터닝된) 금속 시트의 경우, 이러한 잔여(left-over) 전하는 스위치에 인가된 임의의 바이어스 전압을 효과적으로 차폐시켜서 멤브레인이 작동시킬 충분한 전하를 취득하지 못하게 할 수 있거나, 또는, 최소한, 잔여 전하가 저장되기 전보다 스위치 작동을 위한 더 높은 바이어스 전압을 요구할 수 있다. 많은 작동들에 대해 일정한 작동 전압을 유지하기 위해, 패터닝된 플로팅 금속층의 개구들은 전계가 멤브레인을 풀 다운(pull down)시켜서 플로팅 금속층 상의 잔여 전하와는 상관없이 스위치를 작동시키도록 할 수 있다.

도 5에 도시된 실시예에서, 플로팅 금속층은 특정 방식으로 패터닝되었다. 그러나, 다른 실시예들에서, 패터닝의 스타일, 이격 및 양(quantity)은, 예를 들어, 작동 전압, 오믹 접촉 품질, 온-커패시턴스를 포함한 다수의 원하는 설계 파라미터들 및/또는 다른 설계 파라미터들에 따라 달라질 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라, 다양한 스테이지들에서의 스위치의 단면도들을 포함하는, RF MEMS 스위치(300)의 제조 공정 및 상응하는 공정 단계들의 다이어그램도이다. 몇몇 실시예들에서, 이 공정은 도 1 내지 5의 RF MEMS 스위치들의 제조에 사용될 수 있다. 공정은 먼저 기판(302)의 상부 표면의 일부 상에 전극(304)을 퇴적하고 패터닝(350)한다. 공정은 전극(304)의 상부 표면과 측면 및 기판(302)의 일부분들 상에 유전체(306)를 추가로 퇴적하고 패터닝(350)한다. 이후 공정은 유전체(306)의 상부 표면 상에 플로팅 금속 시트(310)를 퇴적하고 패터닝(352)한다.

이후 공정은 전극(304), 유전체(306) 및 플로팅 금속층(310)으로부터 이격된 위치들에서 기판(302)의 상부 표면 상에 2개의 금속 포스트들(312)을 퇴적하고 패터닝(354)한다. 몇몇 실시예들에서, 금속 포스트들(312)의 위치들은 전극(304)으로부터 거의 동일한 거리로 이격된다. 이후 공정은 금속 포스트들(312) 사이에, 그리고 플로팅 금속층(310) 및 유전체(306)의 일부분들의 상부에 스페이서 재료(314)을 퇴적(356)한다. 이후 공정은 스페이서(314)와 금속 포스트들(312)의 상부 표면 상에 금속 멤브레인(308)을 퇴적하고 패터닝(358)한다. 이후 공정은 스위치 조립체(300)로부터 스페이서 재료을 에칭하거나 제거(360)한다.

일부 실시예들에서, 공정은 전술된 동작들 모두를 수행하지는 않는다. 다른 실시예들에서, 공정은 추가 동작들을 수행한다. 일 실시예에서, 공정은 도 6에 예시된 것과는 상이한 순서로 동작들을 수행한다. 일부 실시예들에서, 프로세스는 동작들 중 일부를 동시에 수행한다.

일 실시예에서, 공정은 플로팅 금속층 또는 플로팅 전극의 상부에 추가적인 얇은 유전체를 부가한다. 이러한 경우, 액츄에이트된 위치에 있는 멤브레인은 플로팅 전극을 갖는 오믹 접촉이 아닌 커패시터를 형성할 것이다. RF 신호는 이 커패시턴스를 플로팅 전극과 바닥 또는 기판 전극 사이의 커패시턴스와 직렬인 것으로 볼 것이다. 이러한 경우 커패시턴스는 상부 유전체가 제 1(바닥) 유전체보다 현저하게 더 얇다면 플로팅 전극이 없는 표준 RF MEMS 스위치에 대한 커패시턴스보다 훨씬 증가할 것이다. T _bottom 이 (예를 들어, 바닥 전극과 플로팅 전극 간의) 바닥 유전체의 두께를 나타내고, T _top 이 플로팅 전극의 상부 상의 유전체의 두께를 나타내고, R은 공극이 있는 멤브레인 커패시턴스와 공극이 없는 멤브레인 커패시턴스의 비를 나타내는 경우, 플로팅 전극이 있는 커패시턴스 대 플로팅 전극이 없는 커패시턴스의 비는 (T _top + T _bottom )/(R x T _bottom + T _top )이 될 것이며, 여기서, T _top + T _bottom 은 플로팅 전극이 없는 MEMS 유전체의 두께와 같으며, R은 0<R≤1인 값을 가진다.

위 설명이 본 발명의 많은 특정 실시예들을 포함하지만, 이들은 본 발명의 범위에 대한 제한들로서 해석되지 않아야 하며, 오히려, 본 발명의 특정 실시예들의 예시들로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 예시된 실시예들에 의해서가 아닌, 첨부된 청구항들 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.

100: 스위치
102: 기판
104: 전극 층
106: 유전체층
108: 플렉서블 멤브레인
110: 플로팅 금속층
112: 포스트들