CN114730154A - 在晶片中制造多个谐振器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在制造晶片(10)中制造多个机械谐振器(100)的方法，该谐振器旨在装配至钟表的调整构件，所述方法包括以下步骤：(a)根据参考规格在至少一个参考晶片中制造多个谐振器，这种制造包括在参考晶片上或上方形成谐振器的图案的至少一个光刻步骤以及使用该图案在参考板中进行机加工的步骤；(b)针对所述至少一个参考板，建立表明谐振器的相对于平均刚度值的刚度分散的图；(c)将该图划分成多个区块，并且针对所述区块中的至少一个区块确定为了减少分散而要对谐振器的尺寸进行的校正；(d)对用于光刻步骤的参考规格进行修改，以在光刻步骤中针对所述至少一个区块进行尺寸的校正；(e)使用修改的规格在制造晶片中制造谐振器。

Description

在晶片中制造多个谐振器的方法
技术领域
本发明涉及在晶片上制造多个机械谐振器的方法，特别是旨在装备钟表的调节构件的谐振器。
更具体地，本发明特别有利地应用于在晶片上制造多个游丝，各个游丝旨在装备诸如手表的机械钟表的摆轮。
背景技术
机械手表机芯是借助于机械调节器来调节的，该机械调节器包括谐振器(即，可弹性变形部件)，该谐振器的振荡确定手表的速率。许多手表例如包括调节器，该调节器包括作为谐振器的游丝，该游丝被安装在摆轮的轴线上并且借助于擒纵机构振荡；摆轮-游丝对的固有频率调节手表。其它类型的已知谐振器例如基于音叉、振荡杆或其它机械元件。最后，根据最新发展(如文献EP2037335中所提出的)，将谐振器集成到另一手表功能中也是已知的，其中，该谐振器的功能与用于调节振荡的主谐振器的功能不同。
游丝型谐振器的刚度取决于其尺寸，并且具体取决于沿着其条带的各圈的厚度(或宽度)。更具体地，刚度由下式给出：
Figure BDA0003575725110000011
其中：
Figure BDA0003575725110000012
是弹簧的扭转角，并且
M是游丝的返回扭矩
其中，对于由特定材料制成的具有恒定截面的条带，M由下式给出：
Figure BDA0003575725110000013
其中：
E是用于条带的材料的杨氏模量，
L是条带的长度，
h是条带的高度，并且
e是条带的厚度或宽度。
游丝的固有谐振频率与其刚度的平方根成比例。游丝的主要规格是其刚度，该刚度应该处于明确限定的范围内，以能够使其与摆轮(即，振荡器的惯性元件)配对。这种配对操作对于精确调整机械振荡器的频率是必要的。
非常有利的是，可以使用精密加工技术在单个晶片上制造几百个游丝。具体地，已知的实践是在硅晶片中使用光刻工艺和机加工/蚀刻工艺以非常高的精度在硅中制造多个谐振器。用于制造这些机械谐振器的方法通常利用单晶硅晶片，但是也可以使用其它材料的晶片，例如，多晶硅或非晶硅、其它半导体材料、玻璃、陶瓷、碳或者包括这些材料的复合物。就其本身而言，单晶硅对磁场相对不敏感，并且属于热膨胀系数(α)为各向同性的立方m3m晶体类。
就第一热弹性系数而言，硅具有高负值，因此由硅制成的谐振器的刚度以及因此其固有频率随温度变化很大。为了至少部分地补偿该缺点，文献EP1422436、EP2215531以及WO2016128694描述了一种游丝型机械谐振器，其是由单晶硅制造的芯(或者在WO2016128694的情况下为双芯)制成的，并且其杨氏模量随温度的变化由围绕芯(或多个芯)的非晶氧化硅(SiO2)层来补偿，该非晶氧化硅是具有正热弹性系数的少数材料之一。
当游丝通过在晶片上批量制造而由硅或另一材料制成时，最终的功能成品率将由刚度对应于配对范围的游丝的数量除以晶片上游丝的总数量来给出。
然而，用于在晶片上制造游丝的精密加工步骤以及更具体的蚀刻步骤通常导致给定晶片上的游丝的尺寸的显著几何分散，并因此导致它们的刚度的显著分散，纵使对于各个游丝来说，蚀刻图案是相同的。所测量的刚度分散通常遵循高斯分布，并且为了优化产品率，因此有利的是，使高斯分布的均值以标称刚度值为中心，并且减小该高斯分布的标准偏差。
另外，虽然遵循相同的工艺规格时，但以不同时间蚀刻的两个晶片的游丝之间刚度分散仍然很大。该现象在图1中示出，其中，例示了三个不同晶片上的游丝的刚度Rd1、Rd2以及Rd3的分散曲线。通常，针对各个晶片，刚度R(相对于具有该刚度的游丝数量N)的分布遵循正态或高斯分布，各个分散曲线以其相应的均值Rm1、Rm2以及Rm3为中心。
文献WO2015113973和EP3181938提出了通过以下方式来补救该问题：形成尺寸大于获得具有预定刚度的游丝所需的尺寸的游丝；测量所形成的该游丝的刚度；计算材料的要去除以获得为获得具有预定刚度的游丝而需要的尺寸的厚度；以及从游丝去除该厚度。类似地，文献EP3181939提出通过以下方式来补救该相同问题：形成尺寸小于获得具有预定刚度的游丝所需的尺寸的游丝；确定所形成的该游丝的刚度；计算材料的待添加以获得为获得具有预定刚度的游丝而需要的尺寸的厚度；以及将该厚度的材料添加至游丝
以这种方式，如图2所示，不管给定晶片上的刚度的平均刚度Rm1、Rm2等如何，刚度Rd1、Rd2等的分散曲线都可以相对于标称刚度值Rnom重新定中心。
在已蚀刻谐振器之后调整刚度的这些步骤普遍地应用于晶片上的所有谐振器。为此，刚度的这种调整不会减少跨给定晶片的显著刚度分散，即，它不会减小分布的标准偏差(该标准偏差仍然较大)。为此，各个晶片上的所有游丝的功能成品率仍相对较低。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种在晶片上制造多个机械谐振器(特别是用于机械钟表机芯的调节构件的机械谐振器)的方法，该方法使得可以避免或克服上述缺点，或者在任何情况下在这些缺点之间提供更好的折衷。
具体地，本发明的一个目的是提供一种对谐振器晶片的刚度分散进行校正以确保刚度的高斯分布的较大部分与预定配对范围重叠的新颖制造方法。根据本发明，通过在机加工谐振器之前针对晶片上的不同区块对光刻步骤进行修改来减小晶片上的谐振器的刚度分散的标准偏差。
根据一个方面，这些目的是借助于一种在晶片中制造多个机械谐振器的方法来实现的，该谐振器旨在装备钟表的调节构件，并且该制造方法包括在所述晶片上或上方形成谐振器的图案的至少一个光刻步骤以及穿过所述图案进入所述晶片进行机加工的步骤，所述方法包括以下步骤：针对根据参考规格制造的谐振器，建立表明相对于平均刚度值的刚度分散的图；将所述图划分成多个区块，并且针对所述区块中的至少一个区块确定为了减少所述分散而要对所述谐振器的尺寸进行的校正；对用于光刻步骤的参考规格进行修改，以在光刻步骤期间针对所述至少一个区块进行对所述尺寸的校正；以及使用修改的规格在制造晶片上制造谐振器。
根据另一方面，这些目的是借助于一种在制造晶片中制造多个机械谐振器的方法来实现的，该谐振器旨在装备钟表的调节构件。所述方法包括以下步骤：(a)根据参考规格在至少一个参考晶片中制造多个谐振器，该制造步骤包括：在所述参考晶片上或上方形成谐振器的图案的至少一个光刻步骤以及穿过所述图案进入所述参考晶片进行机加工的步骤；(b)针对至少一个参考晶片，建立表明谐振器的相对于平均刚度值的刚度分散的图；(c)将所述图划分成多个区块，并且针对所述区块中的至少一个区块确定为了减少所述分散而要对所述谐振器的尺寸进行的校正；(d)对用于光刻步骤的参考规格进行修改，以在光刻步骤期间针对所述至少一个区块进行对所述尺寸的校正；(e)使用修改的规格在制造晶片上制造谐振器。
该制造方法的其它有利的和优选的特征在下面的说明书和从属权利要求中进行了详细说明。
有利地，涉及调整光刻步骤以在尺寸上调整晶片上的机械谐振器的本发明的方法用于相对于参考晶片非常显著地提高制造晶片上的功能(刚度)成品率，同时消除各个制造步骤的广泛研究和优化。
附图说明
在由附图例示的描述中给出了本发明的示例性实现，其中：
·图1示出了三个不同晶片上的游丝的未校正的刚度分散曲线。
·图2示出了晶片上的刚度的均值以标称值为中心。
·图3A至图3G是在晶片上制造机械谐振器(这里是游丝)的方法的简化表示图。
·图4示出了现有技术的晶片上的谐振器的刚度分布与根据本发明的具有分散校正的刚度分布的比较。
·图5例示了被部分地划分成多个区块的包括多个游丝的晶片。
·图6例示了晶片上每区块的刚度分散的图。
·图7是示出了根据本发明的一个优选实施方式的制造多个谐振器的方法中的主要步骤的示意图。
·图8示出了根据本发明的以标称刚度值为中心的、晶片上的刚度分散的校正。
·图9例示了根据一个实施方式的用于光刻步骤的光刻机和分划板系统。
具体实施方式
图3A至图3G是在晶片10上制造机械谐振器100的方法的简化表示图。该谐振器特别旨在装备钟表的调节构件，并且根据该示例，采用由硅制成的游丝100的形式，该游丝旨在装备机械钟表机芯的摆轮。
晶片10在图3A中被例示为SOI(绝缘体上硅)晶片，并且包括承载牺牲氧化硅(SiO2)层30和单晶硅层40的基板或“柄状件”20。举例来说，基板20的厚度可以为500μm，牺牲层30的厚度可以为2μm，并且硅层40的厚度可以为120μm。单晶硅层40可以具有任何晶体取向。
在图3B和图3C中示出了光刻步骤。术语“光刻”应被理解为是指将晶片10上或上方的图像或图案移印到晶片10上的一组操作。参照图3B，在该示例性实施方式中，层40覆盖有例如由可聚合抗蚀剂制成的保护层50。该层50通常在光刻步骤中被结构化，该光刻步骤使用紫外光源以及例如光掩模(或另一类型的曝光掩模)或者光刻机和分划板系统。如图3C所例示的，通过光刻进行这种结构化会在层50中形成多个谐振器的图案。
接下来，在图3D的步骤中，对图案进行机加工，特别是蚀刻，以在层40中形成多个谐振器100。可以使用深反应离子蚀刻(DRIE)技术来进行蚀刻。在蚀刻之后，随后去除保护层50的剩余部分。
在图3E中，通过局部去除氧化物层30甚至通过蚀刻基板或柄状件20的全部或一些硅，从基板20释放谐振器。蚀刻的表面的平滑化(未示出)也可以在释放步骤之前进行，例如，通过热氧化步骤，然后是脱氧步骤，例如，包括基于氢氟酸(HF)的湿法蚀刻。
如上文提及的，在这个阶段，形成在晶片中的各种谐振器通常会表现出它们之间的显著的几何分散，并因此表现出它们的刚度方面的显著分散，纵使对于所有谐振器来说，图案化步骤和穿过这些图案进行机加工/蚀刻的步骤是相同的。
另外，在以不同时间蚀刻的两个晶片的游丝之间，这种刚度分散甚至更大，纵使使用了相同的工艺规格。为了使不同晶片上的谐振器的平均刚度如图2所示以标称刚度值为中心，所讨论的在步骤3E中在晶片10上获得的谐振器可以被故意形成为尺寸d大于获得标称或目标刚度所需的尺寸。通过对步骤3E的晶片上的谐振器的样本的刚度进行测量，可以计算要去除以获得对应于目标刚度的尺寸的材料厚度(例如，在游丝的情况下则是绕每圈去除)。可以根据各种公知的方法来执行测量刚度的步骤；例如，在游丝的情况下，则是在M.Vermot等人的Traitéde construction horlogère(2011)第178至179页以及在文献EP2423764中描述的方法。
接下来，如图3F所例示的，通过执行热氧化步骤，随后是允许精细且精确地去除被带走的材料量的脱氧步骤，可以将谐振器的尺寸精细地调整成能够获得尺寸为d’的谐振器。更具体地，根据该方法，将尺寸差异转换成待生长的氧化物厚度的值，其中，约44％氧化物层将处于原始表面下方，而56％处于原始表面上方。由于热氧化物层的生长可以被精确控制，因此在调整层的脱氧之后，各圈的尺寸在理论上非常接近目标值。
在制造方法的、图3G中的最后步骤中，通常通过热氧化步骤，利用氧化硅(SiO2)层120覆盖硅谐振器100的各圈110，以制造热补偿的谐振器。该层120(其通常具有2μm至5μm的厚度)的形成也影响谐振器的最终刚度，并因此必须在前面的步骤中加以考虑。
从上文已经看到，已知的实践是使刚度的高斯分布的均值以指定标称值为中心，但是这并不减小该分布的大的标准偏差。然而，本发明用于减小谐振器晶片上的刚度分散的标准偏差，以确保最大部分的高斯分布与配对范围重叠。
根据本发明，通过在机加工谐振器之前在晶片上局部地修改光刻步骤来实现晶片上的谐振器的刚度分散的标准偏差的减小。在图4中，通过将现有技术的晶片上的谐振器的刚度分布Rd1与根据本发明的具有刚度分散校正的刚度分布Rdc1进行比较来示出这种减小的结果的原理。
通常，用于制造多个谐振器的方法包括根据谐振器的组成、它们的预期应用以及诸如制造成本的其它方面而选择的一系列精密加工技术。因而，该方法的特征在于影响谐振器的几何形状的多个因素和技术要素，举例来说，包括：所使用的层和膜的材料及其厚度的选择、用于蚀刻的一种或更多种侵蚀元素的化学组分、操作的持续时间、精密加工设备的选择、用于获得蚀刻掩模的技术等。针对给定的制造方法，这些因素和技术要素在此称为“参考规格”。
发明人已经发现，两个基本步骤确定用于在晶片上制造谐振器的方法的准确度和可重复性：在晶片上形成谐振器的图案，以及穿过这些图案进入晶片中机加工谐振器。因此，主要是用于这些步骤的参考规格确定了如图1所例示的晶片上的刚度分散的形状。本文中，这种形状的刚度分散称为该方法的“分散特征图”，因为它是可重复的，并且对于给定的谐振器制造方法而言不是随机的，所以该特征图表示了所有制造步骤的连续的叠加效果。换句话说，如果根据相同的参考规格制造多个谐振器晶片，那么即使从一个晶片到下一晶片，平均刚度可能随时间推移显著改变和变化，它们的特征图通常也保持恒定。
在用于制造如图5所例示的包括多个硅游丝100的晶片10的方法的情况下，所讨论的步骤通常是：光刻，其包括用于将游丝的精确几何形状移印至晶片的所有操作；以及深蚀刻，其用于将游丝机加工成其最终形状。更具体地，在根据现有技术的用于制造这些游丝的方法结束时观察到的刚度分散大部分是由于DRIE反应室的形状和等离子体云在该室中的分布造成的。由于晶片深蚀刻步骤而造成的这种分散特征图不仅关于其高斯分布而且关于晶片上的刚度分散的图都是高度可重复的。
在图6中，通过将谐振器局部地分组成晶片上的区块(或区域)15来例示晶片上的刚度分散的这种图150的一个示例。各个区块包括至少一个谐振器，并且各个区块优选地包括2个至20个谐振器，并且更优选地包括5个至15个谐振器。区块中的不同谐振器的刚度彼此接近，这是因为它们在晶片上处于相同的邻域中。图5的晶片上例示了一些区块15，并且在图6中，晶片被象征性地划分成56个区块的阵列。
在图6的图150中，区块D9、E9、F1、F9、G2、G7、G8、H3、H4、H5、H6、H7包括具有相对高刚度的谐振器，而区块A4、A5、B3、B4、B5、B6、C2、C3、C4、C5、C6、C7、D2、D3、D4、D6、D7包括相对于晶片的其余区块(尤其是在该晶片的中心附近)具有相对低刚度的谐振器，这些其余区块包括具有更接近分布均值的刚度的谐振器。尽管谐振器的平均刚度可以从一个晶片到下一晶片有所变化，但是针对根据相同参考规格制造的各个晶片，晶片上的刚度分散的这种图仍保持非常相似。
图7是根据本发明的一个优选实施方式的用于在制造晶片上制造多个谐振器的方法中的主要步骤的示意图。在第一步骤200，在至少一个参考晶片上，使用该方法的参考规格在晶片上制造多个谐振器。该步骤200具体包括形成谐振器的图案(光刻)和穿过这些曝光图案进行机加工。该步骤200可以针对多个参考晶片来执行(优选地在10个至30个晶片之间)，以建立足够可靠的统计参考。优选地，该方法的参考规格对于各个参考晶片而言是相同的，但是根据一个变型例，可以针对参考晶片中的至少一些参考晶片使用不同的参考规格。
在下一步骤210，针对各个参考晶片测量谐振器的刚度。优选地，测量谐振器的一样本(优选地，各个参考晶片上的谐振器中的至少5％或者更优选地至少10％的谐振器)的刚度。另选地，针对将在下面的步骤230中限定的区块中的各个区块，测量至少一个谐振器。如果需要，则也可以测量参考晶片上的所有谐振器。
可以使用本领域技术人员已知的任何测量方法(包括机械/物理测量以及光学/尺寸测量)来进行刚度测量。由于谐振器的刚度与尺寸相关，因此也可以测量谐振器的尺寸，例如，通过断层扫描、通过光学测量或其它方式。
接下来，在步骤220，基于所有参考晶片的所测量的刚度来建立刚度分散相对于平均刚度值的公共图。优选地，该平均刚度值是在各个参考晶片的中心处测量的刚度的均值。
在一个另选实施方式中，代替步骤200、步骤210以及步骤220，可以使用能够模拟遵循参考规格在晶片中制造谐振器的数值模拟工具来建立晶片上的刚度分散的虚拟图。这样的虚拟图通常比通过随后的步骤200、210以及220获得的所述图更不准确，但是其例如可以用于演进制造方法中的第一校正循环，如下所述。
仍参照图7，在步骤230，将晶片的图划分成多个区块，并且针对这些区块中的至少一个区块确定要对谐振器的尺寸进行的校正。根据局部分散和批量的大小，这些区块可以包括相同数量的谐振器或不同数量的谐振器，以实现期望的可重复性。在一个示例中，至少大部分区块包括相同数量的谐振器。例如，在游丝的情况下，可以计算游丝的各个区块(组)的有效圈厚度。在这种情况下，有效圈厚度对应于区块中的游丝的有效厚度的均值。随后，例如可以确定相对于与标称刚度相对应的标称圈厚度值(e)要增加的量或要去除的量。在一个实施方式中，可以直接参考上面给出的刚度公式，并通过考虑其它恒定参数以分析方式计算有效厚度。在一些变型例中，可以使用其它更复杂的计算方法，例如，有限元法。
返回至图6的图150的示例，对区块D9、E9、F1、F9、G2、G7、G8、H3、H4、H5、H6、H7的校正将涉及这些区块中的各个区块中的谐振器的有效厚度的减小，减小的量当然可能在这些区块之间不同。相比之下，对区块A4、A5、B3、B4、B5、B6、C2、C3、C4、C5、C6、C7、D2、D3、D4、D6、D7的校正将涉及这些区块中的各个区块中的谐振器的有效厚度的增大。再次地，针对这些区块中的各个区块，增大的量可以是不同的。另外，针对图6的图150的其它区块中的谐振器(朝着该图的中心)，不需要修改有效厚度。
在下一步骤240，通过调整光刻步骤(即，形成谐振器的图案的步骤)以针对需要校正位于其中的谐振器的尺寸的各个区块进行在步骤230确定的校正来修改参考规格。
最后，在步骤250，在与所述一个或更多个参考晶片相同类型的至少一个制造晶片上，使用修改的规格来制造多个谐振器。如图4所示，在这些制造晶片上形成的谐振器的校正的刚度分散因此大大减少。
步骤250当然可以包括各种制造步骤，诸如使刚度的高斯分布的均值以标称刚度值为中心，该标称刚度值是通过调整晶片上的谐振器的尺寸(图3F)和形成热补偿层(图3G)而指定的。(当然，当在参考晶片上制造谐振器时也可以执行这样的步骤，然而会获得较低的功能成品率)。图8示出了对刚度的高斯分布的均值进行定中心的原理，其中，刚度的分布的分散最初根据上面的步骤240和步骤250减小，以从分布Rd1变为校正的分布Rdc1，并且随后该校正的分布Rdc1以标称刚度Rnom为中心。
然而，在诸如下面结合图9描述的实施方式的一些实施方式中，步骤240中的光刻的调整不仅可以允许减少分散，而且可以允许制造晶片上的谐振器的刚度分布以标称刚度Rnom为中心或者朝着标称刚度Rnom移动。这使得可以避免或者至少有助于或支持如结合图3F描述的后期定中心步骤。
根据一个实施方式，针对图7中的本发明的方法的步骤的新循环，已经历校正的制造晶片也可以变成“校正的参考晶片”，其中校正的参考晶片因此充当参考晶片。以这种方式，根据本发明的制造方法变得具有演进性，并且可以针对所制造的每批晶片进行更新，以形成该方法的演进历史。这也使得可以随时间目测和跟踪晶片的每区块的刚度分布。
通常，步骤240中对光刻进行调整以对参考晶片的刚度图进行校正可以根据所使用的精密加工技术和参考规格以不同的方式来执行。这些项可以根据具体包括谐振器的材料(或多种材料)在内的许多因素而广泛地改变。
光刻通常使用“机加工掩模”(例如，图3C中的结构化保护层50)，该“机加工掩模”是存在于晶片的面上的有孔层，并且在机加工/蚀刻操作期间暴露。一些光刻技术还使用“曝光掩模”，该“曝光掩模”是用于确保曝光并接着确保在机加工操作期间打开基板保护层的掩模。
针对由硅制成的谐振器(并因此针对晶片)，机加工掩模例如可以使用以下方法之一来构造：电子束(e-beam)光刻法，其通常被认为是“无掩模的”；具有曝光掩模的光刻法，其原则上是独特的、固定的且不可编程的；没有这种曝光掩模的光刻法，例如，改为利用光刻机和分划板系统；具有可重编程掩模的光刻法，例如，利用用于曝光的可电启用透镜；以及直接激光写入(或等效)光刻法，例如，针对光致抗蚀剂。
例如通过校正分布在曝光掩模上的谐振器的尺寸或者通过校正可编程掩模的尺寸，可以在光刻步骤之前进行刚度分散的校正。
另选地，刚度分散的校正可以在光刻步骤期间进行，例如通过校正辐照量；通过校正曝光掩模与机加工掩模之间的、从晶片的一个区块到下一区块的距离(“阴影掩蔽”效应)；或者通过使用远心照明(倘若分散是由远心误差引起的话)。
在又一变型例中，可以将包括照明滤光器和曝光掩模的系统用作光掩模。在该变型例中，使机加工掩模曝光在多个区域中，该光掩模具有受限制的开孔，这使得可以选择将使用照明滤光器的几何形状中的哪一个。因此，照明滤光器可以包括按照目标尺寸的部件的轮廓以及按照校正尺寸的至少一个轮廓，根据图的区块(整个系统在晶片上的移动，以及照明滤光器相对于光掩模的移动)选择要与光掩模的孔径对准的轮廓。例如，Voelkel等人的Advanced mask aligner lithography:new illumination system,Optic ExpressVol.18,No.20,September 2010描述了这种包括照明滤光器的系统。在另一类似方法中，可以使用激光干涉光刻方法，其使用衍射光栅并且根据晶片上的刚度图来改变衍射光栅。
还可以在第一光刻步骤之后，特别是通过在(这里称为)第二光刻步骤期间校正机加工或蚀刻掩模来进行刚度分散的校正。更具体地，针对由陶瓷或某些其它非半导体材料制成的晶片，机加工掩模可以由诸如金属或金属合金的硬材料层(与光致抗蚀剂层相对)制成，在已预先沉积第一掩模之后通过化学侵蚀(例如，经由利用光致抗蚀剂的光刻)来构造该硬材料层。Singh等人的Scanning Probe Lithography Techniques used for masklesslithography,Int.Journal of Science and Research India Vol.2,Issue 7,July 2013描述了这种用于金属机加工掩模的方法的一个示例。金属机加工掩模的尺寸可以通过局部金属生长(电镀)、通过仅向必须校正的区域中的迹线供电来校正。优选地，在前面的光刻步骤中获得的尺寸将小于目标尺寸，以使可以通过增大通过该校正步骤获得的掩模区域来校正所述尺寸。
根据本发明的一个优选实施方式，利用诸如图9例示的光刻机和分划板系统300执行制造方法的光刻步骤。该系统300包括辐照(或辐射)源310(通常为UV光)，其经由曝光孔径320、分划板330和光学透镜装置340连续逐步地辐照晶片的区块(或晶片上的保护层50)。晶片10安装在可去除载体350上，该可去除载体以已知方式由步进控制系统精确定位，以使一次仅使晶片的一个区块被辐照。光刻机300的操作类似于幻灯机的操作，术语“光刻机”是步进重复相机的缩写。系统300允许使用小分划板330而不是固定宽的曝光掩模。因此，可以根据光刻机/分划板在晶片上方的相对位置来局部调整辐照量，以在保护层50中获得具有更大或更小宽度的图案。
通常，将光刻机和分划板系统用于制造方法的光刻步骤具有许多优点。例如，它不需要定期制造新的掩模(例如，与光致抗蚀剂接触或靠近光致抗蚀剂使用的光刻掩模)，定期制造新的掩模表示额外的制造成本并且必须有更长的时间来提供调整。利用光刻机系统，光刻分划板被保留(没有额外的成本)并且可以直接在线工作。另外，接近或接触光刻具有远低于光刻机光刻的分辨率的光刻分辨率，接近或接触光刻的临界尺寸(CD)为1.5μm至2μm，而光刻机的CD为0.35μm甚或更精细。此外，光刻机设备的制造率高于接近或接触光刻的制造率。
根据本发明的该实施方式的光刻机和分划板系统的使用也是有利的，因为其允许一方面通过校正标称在线量(该标称在线量用于控制晶片的平均刚度相对于标称刚度值的变化)并且另一方面通过补偿每区块的光刻量以减小刚度分散的标准偏差来提高成品率。
具体地，针对使用光刻机的该实施方式，可以表征在光刻步骤中获得的标示尺寸与预先施加的量之间的关系，即，CD与量的关系曲线，CD是系统300的临界尺寸。通常，通过忽略晶片边缘效应并且考虑小于100mJ的量变化范围，所获得的标示尺寸与用于光刻的量成比例。CD与量的关系则由以下形式的直线来描述：
CD＝m·dose+cd0
可以观察到，针对给定的抗蚀剂(保护层50)，比例系数m随时间推移是恒定的，而尺寸偏置cd0可以改变。
为了总是以正确的CD值为目标，因此必须确定所述一个或更多个参考晶片的系数cd0，然后重新计算要用于制造晶片的量。更具体地，针对各个参考晶片，按照测试量d1执行光刻。在各个参考晶片的中心测量的标示尺寸cd1的均值使得可以确定制造晶片的cd0的值。然后如下计算要在制造晶片上使用的量：
Figure BDA0003575725110000121
这样计算的量最终用作在制造晶片上执行光刻步骤的标称量。这种调整有利地使得可以将刚度的高斯分布的中心定位在标称刚度目标值附近。
接下来，根据利用光刻机的该实施方式，表征机加工的谐振器的刚度与光刻量之间的关系。在已知游丝的刚度对其各圈的厚度的立方依赖性的情况下，通过增大刚度不足的区块(例如，图6的图150的区块A4、A5、B3、B4、B5、B6、C2、C3、C4、C5、C6、C7、D2、D3、D4、D6、D7)的CD以及通过减小刚度过大的区块(例如，图6的图150的区块D9、E9、F1、F9、G2、G7、G8、H3、H4、H5、H6、H7)的CD，可以补偿制造晶片上的分散特征图。
针对根据该示例的补偿，校正在晶片的区块中测量的刚度(和CD)相对于位于中心的区块的差异。然后针对晶片的各个区块限定ΔCD值，然后将该值转换成将被施加至标称量的偏置。
另选地，根据一个变型例，可以任意选择要施加的偏置值，然后测量校正的参考晶片上的新刚度分散，并将该测量的分散与针对一个或更多个其它参考晶片建立的图进行比较。基于该比较，可以再次计算偏置。为了简化该计算，可以假设，针对厚度e的非常小的变化，游丝的刚度与圈厚度成正比，而圈厚度又与所施加的量成比例：
M～e～m·dose
因此，在已制造了调整的参考晶片(其中任意选择了调整补偿)之后，可以使用简单的比例规则来确定要应用于制造晶片的补偿。还可以通过对刚度公式求逆以估计实际制造的圈厚度并由此估计要应用的ΔCD来计算要应用于校正的参考晶片的初始校正。
本发明的制造方法适用于在由不同类型的材料(诸如多晶硅或非晶硅、另一半导体材料、玻璃、陶瓷、碳或复合材料(例如包括碳纳米管的复合材料))制成的晶片中制造机械谐振器。在这些情况下，晶片的单晶硅层40当然将被希望材料的层代替，并且适合于该材料的精密加工技术将被选择用于光刻和机加工步骤。

Claims (25)

1.一种在制造晶片(10)中制造多个机械谐振器(100)的方法，所述谐振器旨在装备钟表的调节构件，所述方法包括以下步骤：
(a)根据参考规格在至少一个参考晶片中制造多个谐振器，该制造步骤包括：在所述参考晶片上或上方形成所述谐振器的图案的至少一个光刻步骤以及穿过所述图案进入所述参考晶片进行机加工的步骤；
(b)针对所述至少一个参考晶片，建立表明所述谐振器的相对于平均刚度值的刚度分散的图；
(c)将所述图划分成多个区块，并且针对所述区块中的至少一个区块确定为了减少所述分散而要对所述谐振器的尺寸进行的校正；
(d)对用于所述光刻步骤的所述参考规格进行修改，以在所述光刻步骤期间针对所述至少一个区块实现对所述尺寸的校正；
(e)使用修改的规格在制造晶片上制造谐振器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各个区块包括至少一个谐振器。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，各个区块包括多个谐振器，优选地包括2至20个谐振器，并且更优选地包括5至15个谐振器。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，至少大部分所述区块包括相同数量的谐振器。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，步骤(a)是针对多个参考晶片并且优选地针对10至30个参考晶片执行的。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括测量各个参考晶片上的谐振器的样本的刚度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，针对各个参考晶片，所述样本包括所述参考晶片上的谐振器中的至少5％并且优选地至少10％的谐振器。
8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述图的平均刚度对应于在各个参考晶片的中心处测量的刚度的均值。
9.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，步骤(d)中对用于所述光刻步骤的所述参考规格进行修改还使得所述制造晶片上的所述谐振器的刚度的分布能够朝着标称刚度值移动。
10.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述方法再次执行步骤(a)至步骤(e)，其中，将步骤(e)中制造的至少一个制造晶片作为新的步骤(a)中的所述至少一个参考晶片。
11.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，步骤(d)中对用于所述光刻步骤的所述参考规格进行修改包括：调整所述至少一个区块的辐照量。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，用于形成所述谐振器的图案的光刻步骤使用光刻机和分划板系统(300)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤(d)中对用于所述光刻步骤的所述参考规格进行修改包括以下步骤：针对所述至少一个区块，调整所述光刻机和分划板系统(300)的标称在线辐照量，以使所述制造晶片上的谐振器的刚度的分布朝着标称刚度值移动。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，步骤(d)中对用于所述光刻步骤的所述参考规格进行修改包括：针对所述至少一个区块，调整所述光刻机和分划板系统(300)的临界尺寸。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，调整所述光刻机和分划板系统(300)的所述临界尺寸包括：确定被应用至所述至少一个区块的标称辐照量的偏置。
16.根据权利要求1至10中的一项所述的方法，其特征在于，所述光刻步骤使用可编程掩模，并且，步骤(d)中对用于所述光刻步骤的所述参考规格进行修改包括：针对所述至少一个区块，修改对所述可编程掩模进行控制的程序中的所述尺寸。
17.根据权利要求1至10中的一项所述的方法，其特征在于，所述光刻步骤使用包括照明滤光器和曝光掩模的掩模，并且，步骤(d)中对用于所述光刻步骤的所述参考规格进行修改包括：针对所述至少一个区块，按照所述照明滤光器的校正的尺寸来选择所述谐振器的轮廓并将所述轮廓与所述曝光掩模对准。
18.根据权利要求1至10中的一项所述的方法，其特征在于，所述谐振器的图案是由金属或金属合金制成的，并且，步骤(d)中对用于所述光刻步骤的所述参考规格进行修改包括以下步骤：针对所述至少一个区块，通过电镀来进行局部生长。
19.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述参考规格对于各个参考晶片而言是相同的。
20.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述谐振器包括游丝，各个游丝旨在装备机械钟表机芯的摆轮。
21.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述谐振器是由硅制成的，优选地由单晶硅制成。
22.根据权利要求1至20中的一项所述的方法，其特征在于，所述谐振器是在由以下材料中的一种材料制成的晶片中制造的：除硅以外的半导体材料、玻璃、陶瓷、碳或者复合材料。
23.一种在制造晶片(10)中制造多个机械谐振器(100)的方法，所述谐振器旨在装备钟表的调节构件，并且所述制造包括在所述晶片上或上方形成所述谐振器的图案的至少一个光刻步骤以及穿过所述图案进入所述晶片进行机加工的步骤，所述方法包括以下步骤：
(a)针对根据参考规格制造的谐振器，建立表明相对于平均刚度值的刚度分散的图；
(b)将所述图划分成多个区块，并且针对所述区块中的至少一个区块确定为了减少所述分散而要对所述谐振器的尺寸进行的校正；
(c)对用于所述光刻步骤的所述参考规格进行修改，以在所述光刻步骤期间针对所述至少一个区块实现对所述尺寸的校正；以及
(d)使用修改的规格在制造晶片上制造谐振器。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，步骤(c)中对用于所述光刻步骤的所述参考规格进行修改包括：调整所述至少一个区块的辐照量。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，用于形成所述谐振器的图案的光刻步骤使用光刻机和分划板系统(300)。
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