具有纳米结构材料的超高真空低温泵装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及半导体技术领域，更具体地，涉及低温泵系统及其真空实现方法。
【背景技术】
[0002]真空系统广泛地应用于科学研究和工业中。半导体制造领域在需要高真空系统的许多重要技术领域之中。通常，器件的性能高度依赖于真空系统中存在的压强和杂质。生长环境中的残余气体和/或者其它杂质可能是产品污染的重要来源。
[0003]超高真空状态(regime)是以压强低于10_9托为特征的真空状态且不易实现。虽然泵可以不断地从真空室中去除粒子以试图减小真空室中的压强，但是气体通过表面解吸从腔室的壁进入真空室或者渗透穿过壁进入真空室。特别地，当压强较低时，腔室内部和真空室外部的周围环境之间的压强差使渗透更加严重。
[0004]低温泵是可以用于通过在低温下去除封闭真空室中的气体来试图实现超高真空条件的一种类型的真空器件。低温泵通过将粒子冷凝在冷表面上来捕获粒子。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种低温泵系统，包括:罐，具有连接至真空室的法兰；低温叶片阵列，布置在所述罐内；固定粘合层，位于所述低温叶片阵列的叶片上；以及吸附材料，位于所述固定粘合层上，所述吸附材料和所述固定粘合层中的至少一个包括碳纳米管材料。
[0006]在该低温泵系统中，所述吸附材料包括活性炭材料，所述碳纳米管材料混合在所述活性炭材料中的孔内。
[0007]在该低温泵系统中，所述固定粘合层包括所述碳纳米管材料。
[0008]在该低温泵系统中，所述碳纳米管材料与所述固定粘合层混合。
[0009]在该低温泵系统中，所述吸附材料包括活性炭材料。
[0010]在该低温泵系统中，所述固定粘合层的热导率大于没有与纳米结构材料混合的第二固定粘合层的热导率。
[0011]在该低温泵系统中，所述低温叶片阵列的工作温度为约8开尔文。
[0012]在该低温泵系统中，所述碳纳米管材料包括单壁碳纳米管。
[0013]在该低温泵系统中，所述碳纳米管材料包括多壁碳纳米管。
[0014]在该低温泵系统中，所述碳纳米管材料具有结晶缺陷。
[0015]在该低温泵系统中，纳米结构材料的所述结晶缺陷是用于要被所述碳纳米管材料吸附的粒子的结合位点。
[0016]在该低温栗系统中，所述粒子包括H20、O2> CO2> H2> N2或者He。
[0017]在该低温泵系统中，所述真空室用于物理汽相沉积(PVD)、分子束外延(MBE)或者注入室。
[0018]根据本发明的另一方面，提供了一种方法，包括:将固定粘合层施加在低温叶片阵列的叶片上；以及将吸附材料施加在所述固定粘合层上，其中，所述吸附材料包括位于活性炭材料的孔内的纳米结构材料。
[0019]在该方法中，通过球磨法将所述纳米结构材料混合在所述活性炭材料的孔内。
[0020]在该方法中，所述纳米结构材料在所述活性炭材料开始吸附粒子之前饱和。
[0021 ] 在该方法中，所述纳米结构材料具有结晶缺陷。
[0022]在该方法中，所述纳米结构材料的所述结晶缺陷通过化学吸附形成与分子的化学键。
[0023]在该方法中，所述纳米结构材料的所述结晶缺陷通过物理吸附形成与原子种类的化学键。
[0024]根据本发明的又一方面，提供了一种多段低温泵系统，包括:罐，具有连接至真空室的法兰；第一段，位于所述罐内，所述第一段与所述真空室流体连通并且包括入口阵列以凝结具有第一温度范围内的沸点的气体；以及第二段，位于所述罐内，所述第二段与所述真空室流体连通，但是所述第二段相对于所述真空室位于所述第一段的流体下游，所述第二段包括冷镦机以冷却所述第二段中的低温叶片阵列，所述低温叶片阵列上包括碳纳米管材料以捕获具有第二温度范围内的沸点的气体，所述第二温度范围小于所述第一温度范围。
【附图说明】
[0025]图1示出了具有位于低温叶片阵列上的示例性吸附层的低温泵的剖视图。
[0026]图2示出了根据一些实施例的低温泵结构的部分的截面图。
[0027]图3示出了活性炭材料和纳米结构材料的示例性结构的示图。
[0028]图4示出了根据一些可选实施例的低温泵结构的部分的截面图。
[0029]图5示出了实现用于低温泵的超高真空度的一些实施例的流程图。
[0030]图6示出了实现用于低温泵的超高真空度的一些可选实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0031]现在，本文中参考附图进行描述，其中在通篇描述中，相同的参考符号通常用于指相同的元件，并且其中各种结构不必按比例绘制。在下面的描述中，为了说明的目的，阐述多个具体细节以有助于进行理解。应该理解，附图的具体细节不旨在限制本发明，而是非限制性实施例。然而，对本领域普通技术人员显而易见的是，例如，在没有这些特定的具体细节的情况下，也可以实施本文所描述的一个或多个方面。在其他实例中，为有助于理解，在框图中示出了已知结构和器件。
[0032]通常，本发明涉及为了实现超高真空度和较长再生周期的优化低温泵。更具体地，本发明关于引入具有较好的吸附特征的纳米结构材料以实现对多种粒子的更多的吸附。进一步地，在一些实施例中，纳米结构材料可以是吸附剂的一部分，在一些可选实施例中，纳米结构材料可以和固定粘合层混合，使得其较大的热导率可以帮助降低工作温度并进一步提闻冷凝。
[0033]图1示出了根据一些实施例的示例性低温泵100的剖视图。低温泵100包括罐102，罐102具有一个封闭端104以及以法兰106终止的另一端。法兰106密封至真空室(未示出)的端口。热屏蔽件108有助于防止封闭真空室和外部较高温度环境之间的热传导。冷缴机(cold header) 110冷却与冷缴机热连接的低温叶片阵列112。
[0034]一些低温泵在不同低温条件下具有多段(stage)。例如，图1示出了具有第一(例如，外部)段118、第二(例如，中间)段119和第三(例如，内部)段120的泵。包括入口阵列122的外部段118凝结来自真空室的具有高沸点的气体，诸如水(H20)、油和二氧化碳(CO2),并且例如可以在介于50K和100K之间的温度条件下运行。第二段119包括低温叶片阵列112的第一部分，该第二段凝结具有相对较低沸点的气体，诸如氮气(N2)、氧气(O2)和任何剩余的CO2，并且可以在介于约1K至约40K的范围内的温度下使用该第二段。内部段120包括低温叶片阵列112的第二部分(具有吸附层116)，该内部段捕获具有较低沸点及小分子量的气体，诸如氦气(He)、氖气(Ne)和氢气(H2)，并且可以在介于约4K至约20K的范围内的温度下使用该内部段。
[0035]低温泵100可以应用于需要高真空度的领域。例如,在半导体工业中，低温泵100可以用于诸如物理汽相沉积(PVD)、分子束外延(MBE)或者注入室的系统中。低温泵100也可以与机械泵联合使用，在一些实例中，机械泵可以被称为粗抽泵。粗抽泵和低温泵可以共同建立用于半导体处理工具的高真空或者超高真空。
[0036]在操作中，第一段118、第二段119和第三段120通过压缩氦气、液氮或者内置的低温冷却器进行冷却。具有较高沸点的水分子和其它分子凝结在入口阵列120上，而当温度足够低时，在密封真空室内的具有较低沸点的气体分子凝结在低温叶片阵列112和吸附层116的表面上。如果表面上的冷凝物变得饱和，则极少的附加粒子能够凝结在表面上。为了再生低温泵的冷凝能力，通过将叶片阵列116加热至泵的材料所允许的温度来应用再生，从而除去凝结粒子的气体(outgas)并且允许冷凝重新开始。用于这样的再生循环的所需时间被称为低温寿命。
[0037]为了提供更好的冷凝和再生能力，本发明的一些实施例在叶片阵列112的表面上使用纳米结构。例如，在一些实施例中，在叶片阵列的表面上形成单壁碳纳米管或者多壁碳纳米管，以改善冷凝和再生能力。这些碳纳米管提供用于吸附和解吸的高活化能和高热导率，其促进高效冷凝和再生。在一些实施例中，纳米结构可以仅形成在第三段120的叶片上，以帮助实现超低真空，但是在其他实施例中，纳米结构也可以形成在第一段118和/或第二段119的叶片上。
[0038]为了将这些纳米结构结合到叶片阵列112的表面，在低温叶片阵列上施加固定粘合层以固定吸附气体分子的吸附层116。然后，纳米结构材料与固定粘合层或者吸附层混合以改善吸附能力并延长低温寿命。在一些实施例中，吸附层包括多孔活性炭。用于利用纳米结构材料吸附和解吸气体的活化能低于单独利用活性炭材料的活化能。在活性炭材料开始吸附粒子之前，纳米结构材料首先饱和。此外，纳米结构材料可以在比活性炭材料更低的温度下提供解吸