具有納米結構材料的超高真空低溫泵裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及半導體技術領域，更具體地，涉及低溫泵系統(tǒng)及其真空實現方法。
【背景技術】
[0002]真空系統(tǒng)廣泛地應用于科學研究和工業(yè)中。半導體制造領域在需要高真空系統(tǒng)的許多重要技術領域之中。通常，器件的性能高度依賴于真空系統(tǒng)中存在的壓強和雜質。生長環(huán)境中的殘余氣體和/或者其它雜質可能是產品污染的重要來源。
[0003]超高真空狀態(tài)(regime)是以壓強低于10_9托為特征的真空狀態(tài)且不易實現。雖然泵可以不斷地從真空室中去除粒子以試圖減小真空室中的壓強，但是氣體通過表面解吸從腔室的壁進入真空室或者滲透穿過壁進入真空室。特別地，當壓強較低時，腔室內部和真空室外部的周圍環(huán)境之間的壓強差使?jié)B透更加嚴重。
[0004]低溫泵是可以用于通過在低溫下去除封閉真空室中的氣體來試圖實現超高真空條件的一種類型的真空器件。低溫泵通過將粒子冷凝在冷表面上來捕獲粒子。

【發(fā)明內容】

[0005]為了解決現有技術中所存在的缺陷，根據本發(fā)明的一方面，提供了一種低溫泵系統(tǒng)，包括:罐，具有連接至真空室的法蘭；低溫葉片陣列，布置在所述罐內；固定粘合層，位于所述低溫葉片陣列的葉片上；以及吸附材料，位于所述固定粘合層上，所述吸附材料和所述固定粘合層中的至少一個包括碳納米管材料。
[0006]在該低溫泵系統(tǒng)中，所述吸附材料包括活性炭材料，所述碳納米管材料混合在所述活性炭材料中的孔內。
[0007]在該低溫泵系統(tǒng)中，所述固定粘合層包括所述碳納米管材料。
[0008]在該低溫泵系統(tǒng)中，所述碳納米管材料與所述固定粘合層混合。
[0009]在該低溫泵系統(tǒng)中，所述吸附材料包括活性炭材料。
[0010]在該低溫泵系統(tǒng)中，所述固定粘合層的熱導率大于沒有與納米結構材料混合的第二固定粘合層的熱導率。
[0011]在該低溫泵系統(tǒng)中，所述低溫葉片陣列的工作溫度為約8開爾文。
[0012]在該低溫泵系統(tǒng)中，所述碳納米管材料包括單壁碳納米管。
[0013]在該低溫泵系統(tǒng)中，所述碳納米管材料包括多壁碳納米管。
[0014]在該低溫泵系統(tǒng)中，所述碳納米管材料具有結晶缺陷。
[0015]在該低溫泵系統(tǒng)中，納米結構材料的所述結晶缺陷是用于要被所述碳納米管材料吸附的粒子的結合位點。
[0016]在該低溫栗系統(tǒng)中，所述粒子包括H20、O2> CO2> H2> N2或者He。
[0017]在該低溫泵系統(tǒng)中，所述真空室用于物理汽相沉積(PVD)、分子束外延(MBE)或者注入室。
[0018]根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法，包括:將固定粘合層施加在低溫葉片陣列的葉片上；以及將吸附材料施加在所述固定粘合層上，其中，所述吸附材料包括位于活性炭材料的孔內的納米結構材料。
[0019]在該方法中，通過球磨法將所述納米結構材料混合在所述活性炭材料的孔內。
[0020]在該方法中，所述納米結構材料在所述活性炭材料開始吸附粒子之前飽和。
[0021 ] 在該方法中，所述納米結構材料具有結晶缺陷。
[0022]在該方法中，所述納米結構材料的所述結晶缺陷通過化學吸附形成與分子的化學鍵。
[0023]在該方法中，所述納米結構材料的所述結晶缺陷通過物理吸附形成與原子種類的化學鍵。
[0024]根據本發(fā)明的又一方面，提供了一種多段低溫泵系統(tǒng)，包括:罐，具有連接至真空室的法蘭；第一段，位于所述罐內，所述第一段與所述真空室流體連通并且包括入口陣列以凝結具有第一溫度范圍內的沸點的氣體；以及第二段，位于所述罐內，所述第二段與所述真空室流體連通，但是所述第二段相對于所述真空室位于所述第一段的流體下游，所述第二段包括冷鐓機以冷卻所述第二段中的低溫葉片陣列，所述低溫葉片陣列上包括碳納米管材料以捕獲具有第二溫度范圍內的沸點的氣體，所述第二溫度范圍小于所述第一溫度范圍。
【附圖說明】
[0025]圖1示出了具有位于低溫葉片陣列上的示例性吸附層的低溫泵的剖視圖。
[0026]圖2示出了根據一些實施例的低溫泵結構的部分的截面圖。
[0027]圖3示出了活性炭材料和納米結構材料的示例性結構的示圖。
[0028]圖4示出了根據一些可選實施例的低溫泵結構的部分的截面圖。
[0029]圖5示出了實現用于低溫泵的超高真空度的一些實施例的流程圖。
[0030]圖6示出了實現用于低溫泵的超高真空度的一些可選實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0031]現在，本文中參考附圖進行描述，其中在通篇描述中，相同的參考符號通常用于指相同的元件，并且其中各種結構不必按比例繪制。在下面的描述中，為了說明的目的，闡述多個具體細節(jié)以有助于進行理解。應該理解，附圖的具體細節(jié)不旨在限制本發(fā)明，而是非限制性實施例。然而，對本領域普通技術人員顯而易見的是，例如，在沒有這些特定的具體細節(jié)的情況下，也可以實施本文所描述的一個或多個方面。在其他實例中，為有助于理解，在框圖中示出了已知結構和器件。
[0032]通常，本發(fā)明涉及為了實現超高真空度和較長再生周期的優(yōu)化低溫泵。更具體地，本發(fā)明關于引入具有較好的吸附特征的納米結構材料以實現對多種粒子的更多的吸附。進一步地，在一些實施例中，納米結構材料可以是吸附劑的一部分，在一些可選實施例中，納米結構材料可以和固定粘合層混合，使得其較大的熱導率可以幫助降低工作溫度并進一步提聞冷凝。
[0033]圖1示出了根據一些實施例的示例性低溫泵100的剖視圖。低溫泵100包括罐102，罐102具有一個封閉端104以及以法蘭106終止的另一端。法蘭106密封至真空室(未示出)的端口。熱屏蔽件108有助于防止封閉真空室和外部較高溫度環(huán)境之間的熱傳導。冷繳機(cold header) 110冷卻與冷繳機熱連接的低溫葉片陣列112。
[0034]一些低溫泵在不同低溫條件下具有多段(stage)。例如，圖1示出了具有第一(例如，外部)段118、第二(例如，中間)段119和第三(例如，內部)段120的泵。包括入口陣列122的外部段118凝結來自真空室的具有高沸點的氣體，諸如水(H20)、油和二氧化碳(CO2),并且例如可以在介于50K和100K之間的溫度條件下運行。第二段119包括低溫葉片陣列112的第一部分，該第二段凝結具有相對較低沸點的氣體，諸如氮氣(N2)、氧氣(O2)和任何剩余的CO2，并且可以在介于約1K至約40K的范圍內的溫度下使用該第二段。內部段120包括低溫葉片陣列112的第二部分(具有吸附層116)，該內部段捕獲具有較低沸點及小分子量的氣體，諸如氦氣(He)、氖氣(Ne)和氫氣(H2)，并且可以在介于約4K至約20K的范圍內的溫度下使用該內部段。
[0035]低溫泵100可以應用于需要高真空度的領域。例如,在半導體工業(yè)中，低溫泵100可以用于諸如物理汽相沉積(PVD)、分子束外延(MBE)或者注入室的系統(tǒng)中。低溫泵100也可以與機械泵聯合使用，在一些實例中，機械泵可以被稱為粗抽泵。粗抽泵和低溫泵可以共同建立用于半導體處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通過壓縮氦氣、液氮或者內置的低溫冷卻器進行冷卻。具有較高沸點的水分子和其它分子凝結在入口陣列120上，而當溫度足夠低時，在密封真空室內的具有較低沸點的氣體分子凝結在低溫葉片陣列112和吸附層116的表面上。如果表面上的冷凝物變得飽和，則極少的附加粒子能夠凝結在表面上。為了再生低溫泵的冷凝能力，通過將葉片陣列116加熱至泵的材料所允許的溫度來應用再生，從而除去凝結粒子的氣體(outgas)并且允許冷凝重新開始。用于這樣的再生循環(huán)的所需時間被稱為低溫壽命。
[0037]為了提供更好的冷凝和再生能力，本發(fā)明的一些實施例在葉片陣列112的表面上使用納米結構。例如，在一些實施例中，在葉片陣列的表面上形成單壁碳納米管或者多壁碳納米管，以改善冷凝和再生能力。這些碳納米管提供用于吸附和解吸的高活化能和高熱導率，其促進高效冷凝和再生。在一些實施例中，納米結構可以僅形成在第三段120的葉片上，以幫助實現超低真空，但是在其他實施例中，納米結構也可以形成在第一段118和/或第二段119的葉片上。
[0038]為了將這些納米結構結合到葉片陣列112的表面，在低溫葉片陣列上施加固定粘合層以固定吸附氣體分子的吸附層116。然后，納米結構材料與固定粘合層或者吸附層混合以改善吸附能力并延長低溫壽命。在一些實施例中，吸附層包括多孔活性炭。用于利用納米結構材料吸附和解吸氣體的活化能低于單獨利用活性炭材料的活化能。在活性炭材料開始吸附粒子之前，納米結構材料首先飽和。此外，納米結構材料可以在比活性炭材料更低的溫度下提供解吸