一种微辐射探测器的微桥结构及其阵列的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术中的微电子机械系统领域，具体涉及一种微辐射探测器的微桥结构及其阵列。
【背景技术】
[0002]自然界中的物质都会向外辐射红外信号，微辐射探测器用于接收物质辐射的红外光，并利用热敏感材料对红外辐射的敏感性探测物体的温度变化，由于其能够在室温状态下工作，并具有质量轻、体积小、寿命长、成本低、功率小、启动快及稳定性好等优点，满足了民用红外系统和部分军事红外系统对长波红外探测器的迫切需要，近几年来发展迅猛。其中，基于MEMS制造工艺的微辐射探测器由于其响应速率高，制作工艺简单且与集成电路制造工艺兼容，具有较低的串音和较低的Ι/f噪声，较高的帧速，工作无需斩波器，便于大规模生产等优点，成为主流技术之一。
[0003]现有基于MEMS制造工艺的微辐射探测器一般采用微桥结构，包括支撑柱、梁及桥面等，为了防止能量损失，减少热量传播路径，承担红外吸收和感应的桥面与支撑柱之间由较窄的梁进行连接，梁的其它部分以及支撑柱和桥面之间由真空分隔，起到绝热的效果。为使桥面最大限度的接收红外光，提高填充率(Fill Factor)，支撑柱一般设置为对角放置的两个，但这样会导致微辐射探测器整体结构不易平衡，在工艺控制不佳的情况下极易出现像元翘曲甚至断裂现象。
[0004]因此，本领域技术人员亟需提供一种微辐射探测器的微桥结构及其阵列，使得像元整体结构更加平衡，增加工艺窗口，同时不损失填充率，保证微辐射探测器具有较高的灵敏度和信噪比。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种微辐射探测器的微桥结构及其阵列，使得像元整体结构更加平衡，增加工艺窗口，同时不损失填充率，保证微辐射探测器具有较高的灵敏度和信噪比。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微辐射探测器的微桥结构，所述微桥结构包括:
[0007]半导体衬底，所述半导体衬底具有读出电路；
[0008]桥面，所述桥面悬空设置在所述半导体衬底上；
[0009]梁，所述梁为四个，分别从所述桥面的边角处引出；
[0010]支撑柱，所述支撑柱为四个，均架设在所述半导体衬底上，并通过所述梁与所述桥面连接。
[0011 ]优选的，所述桥面呈对称结构，所述桥面沿互相垂直的X轴方向和Y轴方向对称。
[0012]优选的，所述桥面、梁以及支撑柱构成的图形具有二重旋转对称轴或四重旋转对称轴。
[0013]优选的，所述梁包括不带电连接的第一组梁以及带有电连接的第二组梁，所述第一组梁和第二组梁沿互相垂直的X轴方向和Y轴方向设置，且所述第一组梁和第二组梁均包括中心对称设置的两根梁。
[0014]优选的，所述梁呈细长结构，其一端与所述桥面连接，另一端与所述支撑柱连接，所述梁的宽度为0.1?0.5微米，其具有至少一道弯折。
[0015]优选的，所述支撑柱包括呈对角线设置的第一对支撑柱以及第二对支撑柱，所述第一对支撑柱提供不带有电连接的机械支撑，与所述第一组梁相连，所述第二对支撑柱提供带有电连接的机械支撑，与所述第二组梁相连。
[0016]优选的，所述第一对支撑柱以及第二对支撑柱的横截面大小相等。
[0017]优选的，所述第一对支撑柱的横截面大于所述第二对支撑柱的横截面。
[0018]优选的，所述梁与支撑柱的连接处位于所述支撑柱的外侧边缘，所述梁与支撑柱的边缘共同构成微辐射探测器的外围。
[0019]优选的，所述梁与支撑柱的连接处靠近所述支撑柱的内侧边缘，且所述梁的外边缘与所述支撑柱横截面的中点位置距离0.05微米?I微米。
[0020]本发明还提供一种微辐射探测器的微桥结构阵列，采用上述所述的微辐射探测器的微桥结构作为基本单元沿X轴方向以及Y轴方向重复排列，基本单元之间无交叠且间隔
0.1微米?2微米。
[0021 ]本发明还提供一种微辐射探测器的微桥结构阵列，采用上述所述的微辐射探测器的微桥结构作为基本单元，沿X轴方向以及Y轴方向重复排列，相邻的所述基本单元之间共用支撑柱。
[0022]优选的，所述支撑柱向四个相邻基本单元中的两个基本单元提供不带电连接的机械支撑，同时向四个相邻基本单元中的另外两个基本单元提供带电连接的机械支撑。
[0023]本发明还提供一种微辐射探测器的微桥结构阵列，采用上述所述的微辐射探测器的微桥结构作为基本单元，由基本单元及基本单元的对称结构沿X轴方向以及Y轴方向间隔重复排列，所述基本单元和其相邻的对称结构之间共用支撑柱。
[0024]优选的，所述支撑柱向四个相邻的基本单元和对称结构同时提供不带电连接的机械支撑或同时提供带电连接的机械支撑。
[0025]优选的，所述支撑柱具有两种不同大小尺寸的横截面，基本单元和其相邻的对称结构共用一个横截面较大的支撑柱，该支撑柱同时向四个相邻基本单元和对称结构提供不带电连接的机械支撑;横截面较小的支撑柱只向一个基本单元或其对称结构提供带有电连接的机械支撑。
[0026]本发明提供了一种微辐射探测器的微桥结构及其阵列，与传统结构相比，现有的微桥结构由于提供了四个支撑柱和梁，使得像元整体结构更加平衡，增加了工艺窗口；采用共享支撑柱形成阵列时，一个最小周期单元仅含有一个支撑柱，具有较高的填充率，能保证桥面最大限度的接收红外光，在获得极佳的结构稳固性的同时，保证了微辐射探测器具有较高的灵敏度和信噪比。
【附图说明】
[0027]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1是本发明提出的微辐射探测器的微桥结构的剖面示意图；
[0029]图2a是本发明实施例一中的微辐射探测器的微桥结构平面示意图；
[0030]图2b是本发明实施例一中的微辐射探测器的微桥结构阵列平面示意图；
[0031]图3a是本发明实施例二中的微辐射探测器的微桥结构平面示意图；
[0032]图3b是本发明实施例二中的微辐射探测器的微桥结构阵列平面示意图；
[0033]图3c是本发明实施例二中的微辐射探测器的微桥结构阵列平面示意图；
[0034]图4a是本发明实施例三中的微辐射探测器的微桥平面示意图；
[0035]图4b是本发明实施例三中的微辐射探测器的微桥结构阵列平面示意图。
【具体实施方式】
[0036]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0037]如图1所示，本发明提供了一种微辐射探测器的微桥结构的剖面平面示意图，微桥结构包括半导体衬底101、桥面104、梁103以及支撑柱102，其中，桥面104悬空设置在半导体衬底101上，四个梁103分别从桥面104的边角处引出，四个支撑柱102均架设在半导体衬底101上，并通过梁103与桥面104连接。半导体衬底101中包含读出电路，且已设置好用于电连接的顶层金属层和反射层金属层;支撑柱102主要起到机械支撑的作用，其下端与半导体衬底101中的顶层金属层相连，支撑柱102中可含有导电材料以提供电连接;桥面104具有敏感材料，其占据桥面的大部分区域，悬空设置在半导体衬底101之上;梁103连接支撑柱102与桥面104，当含有导电材料时，梁103也可同时提供电连接。
[0038]实施例一
[0039]请参考图2a，其为本发明实施例一的微辐射探测器的微桥结构的平面示意图。其中，桥面203悬空设置在半导体衬底上，桥面203沿X轴方向及Y轴方向均对称，呈方形对称结构，其四个顶角处均具有一方形缺口，四个支撑柱102分别设置在方形缺口处的位置上。本实施例沿桥面203的四个边角处引出第一组梁201b和第二组梁202b，其中相对设置的两根第一组梁201b仅提供机械连接，另外相对设置的两根第二组梁202b同时提供机械连接和电连接。较佳的，在本实施例中，第一组梁201b以及第二组梁202b均具有一道弯折，在其它实施例中，梁可以有多道弯折。本实施例中还具有呈对角线设置的第一对支撑柱201a和第二对支撑柱202a，其分别与第一组梁201b和第二组梁202b相连，第一对支撑柱201a仅提供机械支撑，第二对支撑柱202a同时提供机械支撑和电连接，本实施例中的各支撑柱的横截面大小相同，梁与支撑柱的连接处位于支撑柱的外侧边缘，梁与支撑柱共同构成了微桥结构的外围。本实施例中的梁、支撑柱与桥面203之间由真空分隔，较佳的，分隔宽度为0.1微米?I微米。本实施例中的微桥结构具有二重旋转对称轴，即沿过桥面中心且与桥面垂直的对称轴旋转180度时，微桥结构与原结构重合;特别的，在本实施例中，当四个支撑柱相同，四根梁也相
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术中的微电子机械系统领域，具体涉及一种微辐射探测器的微桥结构及其阵列。
【背景技术】
[0002]自然界中的物质都会向外辐射红外信号，微辐射探测器用于接收物质辐射的红外光，并利用热敏感材料对红外辐射的敏感性探测物体的温度变化，由于其能够在室温状态下工作，并具有质量轻、体积小、寿命长、成本低、功率小、启动快及稳定性好等优点，满足了民用红外系统和部分军事红外系统对长波红外探测器的迫切需要，近几年来发展迅猛。其中，基于MEMS制造工艺的微辐射探测器由于其响应速率高，制作工艺简单且与集成电路制造工艺兼容，具有较低的串音和较低的Ι/f噪声，较高的帧速，工作无需斩波器，便于大规模生产等优点，成为主流技术之一。
[0003]现有基于MEMS制造工艺的微辐射探测器一般采用微桥结构，包括支撑柱、梁及桥面等，为了防止能量损失，减少热量传播路径，承担红外吸收和感应的桥面与支撑柱之间由较窄的梁进行连接，梁的其它部分以及支撑柱和桥面之间由真空分隔，起到绝热的效果。为使桥面最大限度的接收红外光，提高填充率(Fill Factor)，支撑柱一般设置为对角放置的两个，但这样会导致微辐射探测器整体结构不易平衡，在工艺控制不佳的情况下极易出现像元翘曲甚至断裂现象。
[0004]因此，本领域技术人员亟需提供一种微辐射探测器的微桥结构及其阵列，使得像元整体结构更加平衡，增加工艺窗口，同时不损失填充率，保证微辐射探测器具有较高的灵敏度和信噪比。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种微辐射探测器的微桥结构及其阵列，使得像元整体结构更加平衡，增加工艺窗口，同时不损失填充率，保证微辐射探测器具有较高的灵敏度和信噪比。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微辐射探测器的微桥结构，所述微桥结构包括:
[0007]半导体衬底，所述半导体衬底具有读出电路；
[0008]桥面，所述桥面悬空设置在所述半导体衬底上；
[0009]梁，所述梁为四个，分别从所述桥面的边角处引出；
[0010]支撑柱，所述支撑柱为四个，均架设在所述半导体衬底上，并通过所述梁与所述桥面连接。
[0011 ]优选的，所述桥面呈对称结构，所述桥面沿互相垂直的X轴方向和Y轴方向对称。
[0012]优选的，所述桥面、梁以及支撑柱构成的图形具有二重旋转对称轴或四重旋转对称轴。
[0013]优选的，所述梁包括不带电连接的第一组梁以及带有电连接的第二组梁，所述第一组梁和第二组梁沿互相垂直的X轴方向和Y轴方向设置，且所述第一组梁和第二组梁均包括中心对称设置的两根梁。
[0014]优选的，所述梁呈细长结构，其一端与所述桥面连接，另一端与所述支撑柱连接，所述梁的宽度为0.1?0.5微米，其具有至少一道弯折。
[0015]优选的，所述支撑柱包括呈对角线设置的第一对支撑柱以及第二对支撑柱，所述第一对支撑柱提供不带有电连接的机械支撑，与所述第一组梁相连，所述第二对支撑柱提供带有电连接的机械支撑，与所述第二组梁相连。
[0016]优选的，所述第一对支撑柱以及第二对支撑柱的横截面大小相等。
[0017]优选的，所述第一对支撑柱的横截面大于所述第二对支撑柱的横截面。
[0018]优选的，所述梁与支撑柱的连接处位于所述支撑柱的外侧边缘，所述梁与支撑柱的边缘共同构成微辐射探测器的外围。
[0019]优选的，所述梁与支撑柱的连接处靠近所述支撑柱的内侧边缘，且所述梁的外边缘与所述支撑柱横截面的中点位置距离0.05微米?I微米。
[0020]本发明还提供一种微辐射探测器的微桥结构阵列，采用上述所述的微辐射探测器的微桥结构作为基本单元沿X轴方向以及Y轴方向重复排列，基本单元之间无交叠且间隔
0.1微米?2微米。
[0021 ]本发明还提供一种微辐射探测器的微桥结构阵列，采用上述所述的微辐射探测器的微桥结构作为基本单元，沿X轴方向以及Y轴方向重复排列，相邻的所述基本单元之间共用支撑柱。
[0022]优选的，所述支撑柱向四个相邻基本单元中的两个基本单元提供不带电连接的机械支撑，同时向四个相邻基本单元中的另外两个基本单元提供带电连接的机械支撑。
[0023]本发明还提供一种微辐射探测器的微桥结构阵列，采用上述所述的微辐射探测器的微桥结构作为基本单元，由基本单元及基本单元的对称结构沿X轴方向以及Y轴方向间隔重复排列，所述基本单元和其相邻的对称结构之间共用支撑柱。
[0024]优选的，所述支撑柱向四个相邻的基本单元和对称结构同时提供不带电连接的机械支撑或同时提供带电连接的机械支撑。
[0025]优选的，所述支撑柱具有两种不同大小尺寸的横截面，基本单元和其相邻的对称结构共用一个横截面较大的支撑柱，该支撑柱同时向四个相邻基本单元和对称结构提供不带电连接的机械支撑;横截面较小的支撑柱只向一个基本单元或其对称结构提供带有电连接的机械支撑。
[0026]本发明提供了一种微辐射探测器的微桥结构及其阵列，与传统结构相比，现有的微桥结构由于提供了四个支撑柱和梁，使得像元整体结构更加平衡，增加了工艺窗口；采用共享支撑柱形成阵列时，一个最小周期单元仅含有一个支撑柱，具有较高的填充率，能保证桥面最大限度的接收红外光，在获得极佳的结构稳固性的同时，保证了微辐射探测器具有较高的灵敏度和信噪比。
【附图说明】
[0027]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1是本发明提出的微辐射探测器的微桥结构的剖面示意图；
[0029]图2a是本发明实施例一中的微辐射探测器的微桥结构平面示意图；
[0030]图2b是本发明实施例一中的微辐射探测器的微桥结构阵列平面示意图；
[0031]图3a是本发明实施例二中的微辐射探测器的微桥结构平面示意图；
[0032]图3b是本发明实施例二中的微辐射探测器的微桥结构阵列平面示意图；
[0033]图3c是本发明实施例二中的微辐射探测器的微桥结构阵列平面示意图；
[0034]图4a是本发明实施例三中的微辐射探测器的微桥平面示意图；
[0035]图4b是本发明实施例三中的微辐射探测器的微桥结构阵列平面示意图。
【具体实施方式】
[0036]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0037]如图1所示，本发明提供了一种微辐射探测器的微桥结构的剖面平面示意图，微桥结构包括半导体衬底101、桥面104、梁103以及支撑柱102，其中，桥面104悬空设置在半导体衬底101上，四个梁103分别从桥面104的边角处引出，四个支撑柱102均架设在半导体衬底101上，并通过梁103与桥面104连接。半导体衬底101中包含读出电路，且已设置好用于电连接的顶层金属层和反射层金属层;支撑柱102主要起到机械支撑的作用，其下端与半导体衬底101中的顶层金属层相连，支撑柱102中可含有导电材料以提供电连接;桥面104具有敏感材料，其占据桥面的大部分区域，悬空设置在半导体衬底101之上;梁103连接支撑柱102与桥面104，当含有导电材料时，梁103也可同时提供电连接。
[0038]实施例一
[0039]请参考图2a，其为本发明实施例一的微辐射探测器的微桥结构的平面示意图。其中，桥面203悬空设置在半导体衬底上，桥面203沿X轴方向及Y轴方向均对称，呈方形对称结构，其四个顶角处均具有一方形缺口，四个支撑柱102分别设置在方形缺口处的位置上。本实施例沿桥面203的四个边角处引出第一组梁201b和第二组梁202b，其中相对设置的两根第一组梁201b仅提供机械连接，另外相对设置的两根第二组梁202b同时提供机械连接和电连接。较佳的，在本实施例中，第一组梁201b以及第二组梁202b均具有一道弯折，在其它实施例中，梁可以有多道弯折。本实施例中还具有呈对角线设置的第一对支撑柱201a和第二对支撑柱202a，其分别与第一组梁201b和第二组梁202b相连，第一对支撑柱201a仅提供机械支撑，第二对支撑柱202a同时提供机械支撑和电连接，本实施例中的各支撑柱的横截面大小相同，梁与支撑柱的连接处位于支撑柱的外侧边缘，梁与支撑柱共同构成了微桥结构的外围。本实施例中的梁、支撑柱与桥面203之间由真空分隔，较佳的，分隔宽度为0.1微米?I微米。本实施例中的微桥结构具有二重旋转对称轴，即沿过桥面中心且与桥面垂直的对称轴旋转180度时，微桥结构与原结构重合;特别的，在本实施例中，当四个支撑柱相同，四根梁也相
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