KR20190089000A - 마이크로파 화학 프로세싱 - Google Patents

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Abstract

방법 및 시스템은 펄스 마이크로파 방사선을 도파관을 통해 공급하되, 상기 마이크로파 방사선은 상기 도파관을 따른 방향으로 전파하는 것을 포함한다. 상기 도파관 내의 압력은 적어도 0.1 atm이다. 공급 가스는 상기 도파관의 길이부를 따른 제1 위치에 제공되고, 상기 공급 가스의 대부분은 상기 마이크로파 방사선 전파의 방향으로 흐른다. 플라즈마는 상기 공급 가스에서 발생되고, 프로세스 가스는 상기 제1 위치의 다운스트림에 있는 제2 위치에서 상기 도파관에 추가된다. 상기 프로세스 가스의 대부분은 5 slm 보다 큰 속도로 마이크로파 전파 방향으로 흐른다. 상기 플라즈마의 평균 에너지는 상기 펄스 마이크로파 방사선의 펄스 주파수 및 상기 펄스 마이크로파 방사선의 듀티 사이클 중 적어도 하나를 제어함으로써 상기 프로세스 가스를 분리된 구성성분으로 전환시키도록 제어된다.

Description

마이크로파 화학 프로세싱
본 출원은 2016년 11월 15일자로 출원된 "마이크로파 화학 프로세싱(Microwave Chemical Processing)" 제하의 미국 비-임시 특허출원 제15/351,858호의 우선권을 주장하며, 이는 본원에서 전체적으로 참고로 인용된다.
마이크로파 플라즈마는 가스의 공업적 화학 프로세싱에서 사용된다. 일반적으로, 이는 반응할 가스를 가늘고 긴 용기를 통해 흐르게 하면서, 플라즈마를 발생시키는 용기 내로 마이크로파 방사선이 결합되도록 함으로써 수행된다. 상기 플라즈마는 가스 분자를 구성성분 화합물종으로 분해(crack)시킨다. 마이크로파 플라즈마가 낮은 이온 에너지에서 비교적 고 전력 결합(coupling) 효율로 작동하고, 메탄의 수소 및 탄소 미립자로의 전환, 이산화탄소의 산소 및 탄소로의 전환과 같은 다양한 가스 반응을 뒷받침할 수 있고, 작용화 및 복합 층상 물질 및 집성 프로세싱(aggregates processing)을 위해 미립자 및 다른 씨드 물질을 다른 층으로 코팅시킬 수 있기 때문에 마이크로파 화학 프로세싱 시스템이 효과적이다.
화학 가스 프로세싱을 위한 일반적인 시스템은 프로세스 가스가 흘러서 통과하는 석영 반응 챔버를 함유하고, 도파관을 통해 상기 반응 챔버에 결합된 마이크로파 마그네트론 소스를 함유한다. 투입된 마이크로파 방사선은 연속 파 또는 펄스일 수 있다. 시스템은 상기 반응 챔버 내로 상기 마이크로파 방사선의 유효 결합 및 상기 반응 챔버 내의 가스 흐름을 제어하도록 설계되어, 상기 흐르는 가스에 의해 에너지 흡수를 향상시킨다. 종종, 상기 시스템은 상기 마이크로파 도파관이 상기 석영 반응 챔버와 교차하는 곳에 위치한 웨지(wedge)를 함유하여, 전기장을 작은 영역 내에 집중시키고, 상기 도파관 도전성 벽은 프로세싱될 가스에 노출되지 않는다.
화학 프로세싱의 일 예는 메탄을 마이크로파 프로세싱하여 수소를 생성시키는 것이다. 메탄은 플라즈마에 의해 CHx 라디칼과 H- 원자로 분해될 수 있다. 이러한 시스템이 연속 모드로 작동될 때, 상기 H- 원자 밀도는 마이크로파 전력 밀도와 직접적인 관련이 있는 가스 온도에 의해 주로 제어되고, 일부 경우에는 확산 프로세스에 의해 제어된다. 마찬가지로, 상기 CHx 라디칼 밀도는 가스 온도 및 H- 원자 농도에 의해 제어된다. 대안적으로, 이러한 시스템이 펄스 모드로 작동될 때, H- 원자 및 CHx 라디칼 생성은 인-펄스 전력 밀도 및 이와 관련된 보다 높은 플라즈마 운동 에너지에 의해 제어되며, 이는 가스 온도 및 열 해리(thermal dissociation)를 제어한다. 일반적으로, 상기 플라즈마가 오프(off) 상태인 동안, 상기 H- 원자가 재결합되어 소모된다. 일정한 시간-평균적인 전력에 대한 인-펄스 전력을 증가시키기 위해 짧은 듀티 사이클이 사용되며, 짧은 오프-플라즈마 시간은 H-원자 재결합을 제한하기 위해 사용된다. 그러므로, 펄스 시스템은 연속 파 시스템보다 더 효율적으로(즉, 보다 적은 시간-평균적인 투입 전력을 사용하여) 상기 메탄을 수소 및 다른 탄화수소 라디칼로 분해한다.
본 실시양태의 방법에서, 펄스 마이크로파 방사선은 길이부를 갖는 도파관을 통해 공급되고, 상기 마이크로파 방사선은 상기 도파관을 따른 방향으로 전파된다. 상기 도파관 내의 압력은 적어도 0.1 atm 이다. 공급 가스는 상기 도파관의 길이부를 따른 제1 위치에서 상기 도파관에 제공되고 상기 공급 가스의 대부분이 상기 마이크로파 방사선 전파 방향으로 흐른다. 플라즈마는 상기 도파관 길이부의 적어도 일부에서 상기 공급 가스에서 발생되고, 프로세스 가스는 상기 제1 위치의 다운스트림에 있는 제2 위치에서 상기 도파관 내로 추가된다. 상기 프로세스 가스의 대부분은 5 slm 보다 큰 속도로 상기 마이크로파 전파의 방향으로 흐른다. 상기 플라즈마의 평균 에너지는, i) 상기 펄스 마이크로파 방사선의 펄스 주파수가 500 Hz보다 큰 펄스 주파수; 및 ii) 상기 펄스 마이크로파 방사선의 듀티 사이클이 90 % 미만인 듀티 사이클 중 적어도 하나를 제어함으로써 상기 프로세스 가스를 분리된 구성성분으로 전환시키도록 제어된다.
본 실시양태의 가스 프로세싱 시스템에서, 상기 시스템은 제1 가스 유입구, 상기 제1 가스 유입구의 다운스트림에 있는 제2 가스 유입구, 및 길이부를 갖는 도파관을 함유한다. 상기 제1 유입구는 공급 가스를 수용하도록 구성되고, 상기 제2 유입구는 프로세스 가스를 수용하도록 구성된다. 펄스 마이크로파 방사선 소스는 상기 공급 가스 내에서 플라즈마를 발생시키도록 상기 도파관에 결합되고, 상기 마이크로파 방사선은 상기 프로세스 가스와 반응하도록 상기 도파관의 길이부를 따른 방향으로 전파된다. 상기 마이크로파 방사선 소스는 500 Hz 내지 1000 kHz의 주파수 및 90 % 미만의 듀티 사이클에서 마이크로파 방사선을 온 및 오프 펄스되도록 구성되며, 상기 공급 가스의 흐름의 대부분 및 상기 프로세스 가스의 흐름의 대부분은 상기 마이크로파 전파 방향에 평행하다. 상기 프로세스 가스의 흐름은 5 slm보다 크며, 상기 도파관은 적어도 0.1 atm의 압력에 순응하도록 구성된다.
도 1은 종래의 마이크로파 화학 프로세싱 시스템의 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시양태에 따른 마이크로파 가스 프로세싱 시스템의 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명의 추가적인 실시양태에 따른 마이크로파 가스 프로세싱 시스템의 수직 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시양태에 따른 반응 챔버 내의 플라즈마 온도의 시간 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 반응 챔버 내의 플라즈마 온도의 시간 변화를 나타낸 그래프로서, 펄스 주기는 도 4의 펄스 주기보다 짧은 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시양태에 따른, 전구체 가스가 투입되는 마이크로파 가스 프로세싱 시스템의 수직 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시양태에 따른, 필라멘트를 갖는 마이크로파 가스 프로세싱 시스템의 수직 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시양태에 따른, 전자 소스 및 전극이 도시된 마이크로파 가스 프로세싱 시스템의 수직 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시양태에 따른 가스의 마이크로파 프로세싱을 위한 방법의 예시적인 흐름도이다.
이하에는 개시 발명의 실시양태가 기재되고, 이 중 하나 이상의 예가 첨부 도면에 예시된다. 각각의 예는 본 기술의 설명으로서 제공되는 것이며, 본 기술의 제한으로 제공되는 것은 아니다. 실제로, 본 기술의 범위를 벗어나지 않으면서 본 기술에서 변형 및 변화가 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 일 실시양태의 일부로서 예시되거나 기재된 특징이 또 다른 실시양태와 함께 사용되어, 추가적인 실시양태를 제공할 수 있다. 따라서, 본 청구대상은 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에서 모든 변형 및 변화를 망라하는 것으로 의도된다.
본 발명은 탄화수소 가스의 마이크로파 플라즈마 화학 프로세싱에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 플라즈마의 에너지를 제어하기 위해 상기 마이크로파 방사선의 펄스화를 비롯한 다양한 기술을 이용하는, 탄화수소 가스의 마이크로파 플라즈마 화학 프로세싱에 관한 것이다. 상기 플라즈마의 에너지를 제어하는 능력은 상기 탄화수소 가스를 특정의 분리된 구성성분으로 전환시키는데 있어서 하나 이상의 반응 경로의 선택을 가능하게한다. 플라즈마가 점화될 때 형성되는 짧은 수명의 고-에너지 화합물종이 각각의 새로운 펄스의 시작시에 재-발생될 수 있기 때문에 상기 플라즈마의 에너지를 제어하기 위해 펄스 마이크로파 방사선이 사용될 수 있다. 상기 플라즈마 에너지는 종래의 기술보다 낮은 평균 이온 에너지를 갖도록 제어되지만, 높은 가스 흐름 및 높은 압력에서 목표한 화학 반응이 발생하도록 하기에 충분히 높은 수준으로 제어된다.
플라즈마의 에너지를 제어하고 90% 초과의 매우 높은 분해 효율을 갖는, 펄스 마이크로파 방사선을 이용하는 마이크로파 플라즈마 화학 프로세싱 시스템이 개발되었다. 그러나, 이들 종래의 시스템은 1 분당 표준 리터(standard liter per minute: slm) 미만의 낮은 흐름 속도 및 상기 플라즈마 내의 적은 가스 체적을 사용하여, 그 결과, 생산 속도가 낮고 생산 비용이 높다. 가스의 큰 체적 및 높은 흐름이 사용될 때 상기 플라즈마가 상기 펄스를 따라갈만큼 충분히 빠르게 점화될 수 없기 때문에 이들 종래의 시스템은 고 주파수 마이크로파 펄스 (예를 들어, 약 100 Hz 이상)를 사용하면서 상기 플라즈마 내의 가스 흐름 속도 및 가스 체적을 증가시킬 수 없다.
마이크로파 가스 프로세싱 시스템
본 발명에서, 마이크로파 플라즈마는 공급 및/또는 프로세스 가스에서 발생될 수 있고, 상기 플라즈마 내의 에너지는 프로세스 가스 분자로부터, 분리된 구성성분을 형성하기에 충분하다. 일부 실시양태에서, 마이크로파 방사선의 소스는 반응 챔버에 결합되고, 상기 플라즈마는 상기 반응 챔버의 길이부의 제1 부분을 따라 발생되고, 상기 프로세스 가스는 상기 반응 챔버의 길이부의 제2 부분을 따라 구성성분으로 분리된다. 일부 실시양태에서, 상기 마이크로파 방사선은 종래의 방법에서와 같이 상기 플라즈마에 직접 결합되고 유전체 벽(dielectric wall)을 통해 결합되지 않는다.
도 1은 종래의 마이크로파 화학 프로세싱 시스템을 예시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로파 화학 프로세싱 시스템 (100)은, 단순화를 위해 도시되지 않은 다른 구성요소 중에서, 일반적으로 반응 챔버 (101), 상기 반응 챔버 내로 흐르는 프로세스 가스를 수용하도록 구성된 1개 이상의 가스 유입구 (102), 상기 반응 챔버 (101) 외부로 나오는 분리된 생성물을 수거하도록 구성된 1개 이상의 배출구 (103), 및 도파관 (105)을 통해 상기 반응 챔버에 결합된 마이크로파 방사선의 소스(104)를 함유한다. 상기 마이크로파 방사선 (109)은 상기 반응 챔버 (101) 내에서 마이크로파 플라즈마 (106)를 형성하고, 반응이 발생되도록 하는 에너지를 제공한다. 마이크로파 방사기 회로(microwave emitter circuit) (107)는, 마이크로파 방사선 소스 (104)로부터 방사된 마이크로파 방사선 (109)이 연속 파 또는 펄스가 되도록 제어할 수 있다. 적절한 조건이 주어지면, 상기 플라즈마 내의 에너지는 상기 프로세스 가스 분자로부터 분리된 구성성분을 형성하기에 충분할 것이다.
평행 전파 마이크로파 가스 프로세싱 시스템
도 2 및 도 3은 본 발명의 마이크로파 가스 프로세싱 시스템의 실시양태를 보여주고, 마이크로파 소스에 결합된 도파관이 반응 챔버로서 작용한다. 상기 마이크로파 방사선의 전파 방향은 상기 공급 가스 및/또는 프로세스 가스의 흐름의 대부분에 평행하며, 상기 마이크로파 방사선은 상기 분리된 구성성분이 발생되는 도파관 부분의 업스트림에 있는 도파관에 유입된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일부 실시양태에 따른 마이크로파 화학 프로세싱 시스템 (200)은, 간략화를 위해 도시되지 않은 다른 구성요소 중, 일반적으로 도파관 (205), 도파관 (205) 내로 흐르는 공급 가스 및/또는 프로세스 가스 (208a)를 수용하도록 구성된 1개 이상의 가스 유입구 (202), 및 상기 도파관 (205)에 결합된 마이크로파 방사선 소스 (204)를 함유한다.
일부 실시양태에서, 마이크로파 회로 (207)는, 마이크로파 방사선 소스 (204)로부터의 마이크로파 방사선 (209)이 펄스화되는 펄스 주파수를 제어한다. 일부 실시양태에서, 마이크로파 방사선 소스 (204)로부터의 마이크로파 방사선 (209)은 연속 파이다.
상기 도파관 (205)은 길이부 (L)를 갖는다. 상기 플라즈마가 발생되기 이전의 부분 L0에서, 상기 도파관 (205)의 단면적은 상기 마이크로파 전파의 경로를 따라 감소한다. 이러한 면적 감소는 전기장을 집중시키는 역할을 하며, 이에 의해 마이크로파 에너지 밀도를 증가시키면서 종래 시스템에 비해 플라즈마가 형성될 수 있는 상당한 양의 영역을 여전히 제공한다. 예를 들어, 상기 가스 유입구 (202)가 위치하는 부분 L0의 감소된 단면적은 2.45 GHz의 마이크로파 방사선 주파수를 사용할 때 0.75 인치 x 3.4 인치의 직사각형 단면 치수를 가질 수 있다. 이러한 단면적은 상기 플라즈마 발생 영역이 일반적으로 1 평방 인치 미만인 종래 시스템보다 훨씬 더 크다. 상기 도파관 (205)의 치수는 도파관으로서 적절하게 기능하기 위해 상기 마이크로파 주파수에 따라 설정된다.
종래의 가스 프로세싱 시스템에서, 플라즈마가 형성될 수 있는 한정된 영역, 예를 들어, 전술한 바와 같이 1 평방 인치 미만의 영역은 가스 반응이 일어날 수 있는 체적을 제한한다. 또한, 종래 시스템에서, 상기 마이크로파 방사선은 윈도우 (일반적으로는 석영)를 통해 상기 반응 챔버로 유입된다. 이러한 시스템에서, 유전체 물질 (예: 미립자 탄소)이 프로세싱 동안 윈도우 상에 코팅되어, 시간이 지남에 따라 전력 전달을 감소시킨다. 이들 분리된 구성성분이 마이크로파 방사선을 흡수한다면 매우 문제가 될 수 있는데, 이들이 마이크로파 방사선이 상기 반응 챔버 내로 결합되어 플라즈마를 발생시키는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 결과적으로, 가스 반응으로부터 생성되는 탄소 입자와 같은 부산물이 빠르게 축적되어, 프로세싱 장비의 작동-시간을 제한한다. 본 실시양태에서, 시스템 (200) 및 후술하는 다른 실시양태는 윈도우를 사용하지 않는 것으로 설계된다; 즉, 상기 방사선이 반응의 업스트림에 유입되는 평행 전파/가스 흐름 시스템을 이용한다. 그 결과, 보다 많은 에너지 및 전력이 상기 마이크로파 방사선 소스로부터의 플라즈마에 결합될 수 있다. 종래 시스템에서의 제한된 반응 챔버 체적과 비교할 때 상기 도파관 (205) 내의 보다 큰 체적은 제한된 작동-시간을 야기하는 입자 축적의 문제를 크게 감소시키고, 이에 의해 상기 마이크로파 프로세싱 시스템의 생산 효율을 향상시킨다.
도 2의 마이크로파 방사선 (209)은 상기 도파관 (205)의 길이부의 제1 부분 L1 내에 있는 공급 가스 및/또는 프로세스 가스에서 마이크로파 플라즈마 (206)를 형성한다. 일부 실시양태에서, 상기 프로세스 가스와는 상이한 공급 가스가 사용되어, 상기 마이크로파 플라즈마 (206)를 발생시킨다. 상기 공급 가스는 예를 들어 수소, 헬륨, 아르곤과 같은 희가스, 또는 1 유형보다 많은 가스의 혼합물일 수 있다. 다른 실시양태에서, 상기 공급 가스는 상기 프로세스 가스와 동일하며, 상기 프로세스 가스는 분리된 구성성분을 형성시키는 가스이다. 일부 실시양태에서, L1은 상기 공급 및/또는 프로세스 가스 (208a)가 상기 도파관 (205)에 유입되는 위치의 다운스트림에 있는 도파관을 따른 위치로부터, 상기 도파관 (205)의 단부(end)까지 또는 상기 공급 및/또는 프로세스 가스의 유입부와 상기 도파관 (205)의 단부 사이에 있는 소정 위치까지 연장된다. 일부 실시양태에서, L1는 상기 공급 및/또는 프로세스 가스 (208a)가 상기 도파관 (205)에 유입되는 곳으로부터, 상기 도파관 (205)의 단부까지 또는 상기 공급 및/또는 프로세스 가스의 유입구와 상기 도파관 (205)의 단부의 사이에 있는 소정 위치까지 연장된다. 발생된 플라즈마 (206)는 상기 도파관 (205)의 제2 부분 (201) 내에 있는 프로세스 가스 (208b)에서 반응이 일어나도록 에너지를 제공하며, 상기 제2 부분 (201)은 길이부 L2를 갖는다. 일부 실시양태에서, L2는 상기 프로세스 가스 (208a)가 상기 도파관 (205)에 유입되는 곳으로부터, 상기 도파관 (205)의 단부까지 또는 상기 프로세스 가스의 유입구와 상기 도파관 (205)의 단부 사이에 있는 소정 위치까지 연장된다. 적절한 조건이 주어지면, 상기 플라즈마 (206) 내의 에너지는 상기 프로세스 가스 분자로부터 분리된 구성성분을 형성하기에 충분할 것이다. 1개 이상의 배출구 (203)는 상기 프로세스 가스 (208b)에서 반응이 발생하는 도파관의 부분 (201)의 다운스트림에 있는 도파관 (205) 외부로 나오는 분리된 생성물을 수거하도록 구성된다. 도 2에 도시된 예에서, 상기 마이크로파 방사선 (209)의 전파 방향은 상기 공급 및/또는 프로세스 가스 흐름 (208b)의 대부분에 평행하고, 상기 마이크로파 방사선 (209)은 상기 분리된 구성성분이 발생되는 도파관의 부분 (201)의 업스트림에 있는 도파관 (205)에 유입된다.
일부 실시양태에서, 상기 플라즈마가 상기 마이크로파 방사선 소스 (204) 또는 가스 유입구(들) (202)로 전파하는 것을 방지하기 위해 플라즈마 백스톱 (plasma backstop) (도시되지 않음)이 상기 시스템에 함유된다. 일부 실시양태에서, 상기 플라즈마 백스톱은, 상기 마이크로파 방사선이 상기 플라즈마 백스톱을 통과하도록 하지만 상기 플라즈마 화합물종의 대부분이 통과하지 못하도록 하는 구멍을 갖는 세라믹 또는 금속 필터이다. 일부 실시양태에서, 상기 구멍이 높은 종횡비를 갖기 때문에 상기 플라즈마 화합물종의 대부분은 상기 플라즈마 백스톱을 통과할 수 없고, 상기 플라즈마 화합물종은 상기 구멍의 측벽에 충돌할 때 재결합할 것이다. 일부 실시양태에서, 상기 플라즈마 백스톱은 L0 및 L1 부분의 사이에 위치하거나, 또는 L1 부분의 업스트림이면서 가스 유입구(들) (202)(가스 유입구 (202)가 L0 부분 내에 있는 실시양태)와 상기 마이크로파 방사선 소스 (204)의 다운스트림에 있는 L0 부분에 위치한다.
도 3은 공급 가스 및 프로세스 가스가 상이한 위치에 주입되는 마이크로파 화학 프로세싱 시스템 (300)의 또 다른 실시양태를 보여준다. 일부 실시양태에 따르면, 상기 마이크로파 화학 프로세싱 시스템 (300)은, 단순화를 위해 도시되지 않은 다른 구성요소 중에서, 일반적으로 도파관 (305), 상기 도파관 (305) 내로 흐르는 공급 가스 (308a)를 수용하도록 구성된 1개 이상의 공급 가스 유입구 (302), 프로세스 가스 (311a)를 수용하도록 구성된 1개 이상의 프로세스 가스 유입구 (310), 및 상기 도파관 (305)에 결합된 마이크로파 방사선의 소스 (304)를 함유한다. 프로세스 가스 유입구 (310)의 위치는 공급 가스 유입구 (302)의 위치의 다운스트림에 있으며, 다운스트림은 마이크로파 전파 방향으로 정의된다.
일부 실시양태에서, 마이크로파 회로 (307)는 마이크로파 방사선 소스 (304)로부터 마이크로파 방사선 (309)이 펄스화되는 펄스 주파수를 제어한다. 일부 실시양태에서, 상기 방사선 소스 (304)로부터의 마이크로파 방사선은 연속 파이다.
상기 도파관 (305)은 길이부 L를 갖는다. 마이크로파 방사선 (309)이 유입되는 도파관의 길이부 L0는, 도 2와 관련하여 전술된 바와 같이, 상기 마이크로파 전파 방향을 따라 감소하는 단면적을 갖는다. 상기 마이크로파 방사선 (309)은 상기 도파관 (305)의 길이부 L의 제1 부분 L1 내에 있는 공급 가스 (308b)에서 마이크로파 플라즈마 (306)를 형성한다. 일부 실시양태에서, L1은 상기 공급 가스 (308a)가 상기 도파관 (305)에 유입되는 위치로부터 다운스트림에 있는 도파관 (305)을 따른 위치로부터, 상기 도파관 (305)의 단부까지 또는 상기 공급 가스의 유입구와 상기 도파관 (305)의 단부 사이에 있는 소정 위치까지 연장된다. 일부 실시양태에서, L1은 상기 공급 가스 (308a)가 상기 도파관 (305)에 유입되는 위치로부터, 상기 도파관 (305)의 단부까지 또는 상기 공급 가스의 유입구와 상기 도파관 (305)의 단부 사이에 있는 소정 위치까지 연장된다. 1개 이상의 추가적인 프로세스 가스 유입구 (310)는 공급 가스 유입구(들) (302)의 다운스트림에 있는 제2 세트 위치에서 상기 도파관으로 흐르는 프로세스 가스를 수용하도록 구성된다. 상기 발생된 플라즈마 (306)는 상기 도파관 (305)의 제2 부분 (301) 내에서 반응이 발생하도록 에너지를 제공하며, 상기 제2 부분 (301)은 길이부 L2를 갖는다. 일부 실시양태에서, L2는 상기 프로세스 가스 (311a)가 상기 도파관 (305)에 유입되는 곳으로부터, 상기 도파관 (305)의 단부까지 또는 상기 프로세스 가스의 유입구와 상기 도파관 (305)의 단부 사이에 있는 소정 위치까지 연장된다. 적절한 조건이 주어지면, 상기 플라즈마 내의 에너지는 상기 프로세스 가스 분자로부터 분리된 구성성분을 형성하기에 충분할 것이다. 1개 이상의 배출구 (303)는 반응이 일어나는 부분 (301)의 다운스트림에 있는 상기 도파관 (305) 외부로 나오는 분리된 생성물을 수거하도록 구성된다. 도 3에 도시된 예시적인 시스템 (300)에서, 상기 마이크로파 방사선 (309)의 전파 방향은 상기 공급 가스 흐름 (308b) 및 상기 프로세스 가스 흐름 (311b)의 대부분에 평행하고, 상기 마이크로파 방사선 (309)은 상기 분리된 구성성분이 발생되는 도파관 부분 (301)의 업스트림에 있는 도파관 (305)으로 유입된다.
전술한 바와 같이, 상기 도파관 (예: 도 2의 205 및 도 3의 305)은 전체 길이부 L, 상기 플라즈마가 발생되는 곳을 따른 전체 길이부의 일부 L1, 및 상기 프로세스 가스가 상기 분리된 구성성분으로 전환되는 곳을 따른 전체 길이부의 일부 L2를 갖는다. 일부 실시양태에서, 상기 도파관의 전체 길이부 L는 1 cm 내지 1000 cm이다. 일부 실시양태에서, 상기 도파관 길이부 L0는 1 cm 내지 100 cm이다. 일부 실시양태에서, 상기 도파관 길이부 L1는 1 cm 내지 100 cm이다. 일부 실시양태에서, 상기 도파관 길이부 L2는 1 cm 내지 1000 cm이다. 일부 실시양태에서, 상기 도파관의 전체 길이부 L는 30 cm 내지 60 cm이다. 일부 실시양태에서, 상기 도파관 길이부 L0는 10 cm 내지 40 cm이다. 일부 실시양태에서, 상기 도파관 길이부 L1는 10 cm 내지 30 cm이다. 일부 실시양태에서, 상기 도파관 길이부 L2는 5 cm 내지 20 cm이다. 일부 실시양태에서, 길이부 L1는 상기 도파관 길이부 L의 10 % 초과, 또는 20 % 초과, 또는 30 % 초과, 또는 40 % 초과 또는 50 % 초과, 또는 60 % 초과, 또는 70 % 초과, 또는 80 %초과, 또는 10 % 내지 90 %, 또는 20 % 내지 80 %, 또는 30 % 내지 70 % 이다. 일부 실시양태에서, 길이부 L2는 상기 도파관 길이부 L의 5 % 초과, 또는 10 % 초과, 또는 15 % 초과, 또는 20 % 초과, 또는 25 % 초과 또는 30 % 초과, 또는 35 % 초과, 또는 40 % 초과, 또는 45 % 초과, 또는 50 % 초과, 또는 55 % 초과, 또는 60 % 초과, 또는 1 % 내지 90 %, 또는 1 % 내지 70 %, 또는 1 % 내지 50 %, 또는 10 % 내지 50 %, 또는 10 % 내지 40 %, 또는 20 % 내지 40 % 이다.
일부 실시양태에서, 상기 도파관 (예: 도 2의 205 및 도 3의 305)은 0.1 atm 내지 10 atm, 또는 0.5 atm 내지 10 atm, 또는 0.9 atm 내지 10 atm, 또는 0.1 atm 초과, 또는 0.5 atm 초과, 또는 0.9 atm 초과의 압력을 유지하도록 구성된다. 많은 종래의 시스템에서, 상기 마이크로파 화학 프로세싱은 진공에서 작동된다. 그러나, 상기 플라즈마가 상기 도파관 내에서 발생되는 본 실시양태에서, 양의 압력 분위기에서의 작동은 상기 발생된 플라즈마가 상기 마이크로파 방사기 소스 (204, 304)로 재공급되지 않도록 돕는다.
상기 도파관 (예: 도 2의 205 및 도 3의 305)은 2.45 GHz의 마이크로파 방사선 주파수에 상응하도록 0.75 인치 x 3.4 인치 치수의, 길이부 L1 내에서의 직사각형 단면을 가질 수 있다. 다른 마이크로파 주파수를 위해 다른 치수가 가능하며, 도파관 모드에 따라 3 내지 6 인치일 수 있다. 상기 도파관은 임의의 본래 도전성인 물질 또는 투입 전력의 90 % 초과를 전파시키기에 충분한 도전성 코팅층을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 도파관 물질의 일부 예는 스테인레스 강, 도전 층 (예: Al, Ni, Au 또는 Ni/Au 합금)으로 코팅된 스테인레스 강, 알루미늄 라이너를 갖는 스테인레스 강, 또는 도전층으로 코팅된 세라믹 물질이다. 특히, 상기 도파관은, 종래의 시스템에서와 같이 별도의 도파관 및 석영 반응 챔버를 갖기보다는, 상기 플라즈마가 발생되고 상기 프로세스 가스 반응이 일어나는 챔버로서 작용한다. 반응기 챔버로서 작용하는 상기 도파관의 구비는 가스 반응이 일어날 수 있는 훨씬 더 큰 체적(예: 최대 1000L)을 제공한다. 이는 종래의 시스템에서 일어나는 것과 같은 탄소 미립자 축적에 의해 제한되지 않으면서 프로세싱될 프로세스 가스의 높은 흐름 속도를 가능하게 한다. 예를 들어, 상기 도파관 (예: 도 2의 205 및 도 3의 305) 내로 유입구 (예: 도 2의 202 및 도 3의 310)를 통한 프로세스 가스 흐름 속도는 1 slm (분당 표준 리터) 내지 1000 slm, 또는 2 slm 내지 1000 slm, 또는 5 slm 내지 1000 slm, 또는 1 slm 초과, 또는 2 slm 초과, 또는 5 slm 초과일 수 있다. 상기 도파관 (예: 도 2의 205 및 도 3의 305) 내로 유입구 (예: 도 2의 202 및 도 3의 302)를 통한 공급 가스 흐름 속도는 예를 들어 1 slm 내지 1000 slm, 또는 2 slm 내지 1000 slm, 또는 5 slm 내지 1000 slm, 또는 1 slm 초과, 또는 2 slm 초과, 또는 5 slm 초과일 수 있다. 충분한 플라즈마 밀도 (예: 2차 전자 방출 계수)를 발생시키는 가스 플라즈마 특성에 따라, 상기 흐름은 최대 14 atm의 압력에서 1 slm 내지 1000 slm 일 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 프로세스 가스는 C2H2, C2H4, C2H6과 같은 탄화수소이다. 일부 실시양태에서, 상기 프로세스 가스는 메탄이고, 상기 분리된 구성성분은 수소 및 나노입자 탄소이다. 일부 실시양태에서, 상기 프로세스 가스는 물과 함께 이산화탄소이고, 상기 분리된 구성성분은 산소, 탄소 및 물이다. 일부 실시양태에서, 상기 프로세스 가스는 H2S이고, 상기 분리된 구성성분은 수소 가스 및 황이다. 일부 실시양태에서, 상기 프로세스 가스는 이산화탄소를 함유하지 않는다. 일부 실시양태에서, 상기 프로세스 가스는 복합 가스-기반의 물질, 예를 들어, SiH4, 트리메틸알루미늄 (TMA), 트리메틸갈륨 (TMG), 글리시딜 메타크릴레이트 (GMA), SF6, 및 금속 및 유전체의 침착 및 에칭을 위해 반도체 산업에서 사용되는 기타 물질이다.
일부 실시양태에서, 상기 분리된 구성성분 중 하나는 비제한적으로 카본 블랙, 카본 나노-오니언(CNO), 네크드 CNO (necked CNO), 카본 나노스피어, 그래파이트, 열분해 그래파이트, 그래핀, 그래핀 나노입자, 그래핀 판(graphene platelet), 풀러렌, 하이브리드 풀러렌, 단일-벽 나노튜브 및 다중-벽 나노튜브와 같은 나노입자 탄소이다. 이들 나노입자 탄소 중 1종 이상이 특정 프로세스 실행 중에 생성될 수 있다.
마이크로파 가스 프로세싱 시스템에서 마이크로파 에너지의 조정
상이한 프로세스 가스는 상이한 분리된 구성성분으로 반응하기 위해 상이한 양의 에너지를 필요로한다. 본 발명에서, 이용가능한 반응 경로는 상기 플라즈마의 평균 에너지를 변화시킴으로써 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 플라즈마에 결합된 마이크로파 방사선이 펄스화되고, 상기 플라즈마의 평균 에너지, 및 이에 따른 반응 경로가 마이크로파 방사선 펄스 기간 및 주파수, 듀티 사이클, 형상, 및 시간-평균적인 배출 전력 수준을 제어함으로써 선택된다. 도 4 및 도 5는 상기 마이크로파 방사선의 펄스로 인해 발생하는 본 발명의 시스템 및 방법에서 가스 온도의 시간 변화를 예시한다.
도 4는 반응 챔버 내로 결합된 마이크로파 방사선이 펄스화될 때 반응 챔버 내의 플라즈마 온도의 전형적인 시간 변화를 예시한다. 도 4에서, 시간 t1은 제1 펄스 주기의 시작을 나타내고, 시간 t4는 제1 펄스 주기의 마지막 및 제2 펄스 주기의 시작을 나타낸다. 상기 제1 펄스 주기 내에서, 시간 t1 내지 t3은 상기 마이크로파 방사선이 온 상태(on)인 펄스 주기의 제1 기간을 나타내고, 시간 t3 내지 t4는 상기 마이크로파 방사선이 오프 상태(off)이거나 또는 상기 마이크로파 전력이 온 상태(on)일 때의 기간동안보다 낮은 전력으로 있는 펄스 기간의 제2 기간을 나타낸다. 이 예에서 듀티 사이클은 (t3-t1)/(t4-t1) × 100이며 백분율로 표시된다. 예를 들어, 30 %의 듀티 사이클은 상기 마이크로파 방사선이 각 펄스 주기의 30 % 동안 온 상태로 있음을 나타낸다. 상기 제1 펄스의 개시때, 상기 플라즈마 온도는 상기 플라즈마에 있는 고 에너지 화합물종의 여기(excitation)로 인해 빠르게 상승한다. 그러나, 상기 펄스의 시작시에 형성된 고 에너지 화합물종은 비교적 수명이 짧으며, 상기 플라즈마 내에서 정상 상태(steady state)에 도달할 때까지 플라즈마 온도가 감소한다. 시간 t2는 상기 반응 챔버에 있는 플라즈마 내에서 평형에 도달하는 시간을 나타낸다.
상기 플라즈마에 있는 에너지는 플라즈마 온도 (eV 단위)로 표현될 수 있으며, 상기 플라즈마에 있는 라디칼 종의 에너지를 나타낸다. 상기 플라즈마로부터의 에너지가 상기 가스로 전달되기 때문에 상기 반응 챔버 또는 도파관 내의 가스 온도는 또한 플라즈마의 에너지와 관련된다. 플라즈마 효율은 플라즈마 에너지와 이들 온도간의 관계에 영향을 주는 하나의 특성이며, 2차 전자 방출 계수와 같은 자연(innate) 가스 플라즈마 특성 및 전자쌍 생성(pair production)에 의해 가스 혼합물 및 유형에 의해 지배된다. 그러므로, 시간 t1과 t2 사이에서 플라즈마에 있는 평균 에너지는 평형 (시간 t2와 t3 사이)에서 플라즈마에 있는 평균 에너지보다 더 높다. 전체 펄스 주기가 짧아짐에 따라, 고 에너지 화합물종이 각 펄스 주기 내에 존재하는 시간 분율이 커진다.
본 실시양태에 따르면, 도 5는 도 4에 도시된 예시적인 펄스보다 더 짧은 주기를 갖는 펄스의 예시적인 그래프를 보여준다. 상기 펄스는, 예를 들어, 500 ㎐ 초과, 예컨대 100 ㎑ 초과 및 최대 1000 ㎑일 수 있다. 전체 펄스 주기가 보다 짧지만 고 에너지 화합물종이 존재하는 펄스 주기 내의 시간 기간이 동일하기 때문에, 고 에너지 화합물종이 존재하는 시간 분율, (t2-t1)/(t4-t1)은 도 4에 도시된 예에서보다 도 5에 도시된 예에서 더 크다. 상기 마이크로파 방사선의 고 주파수 펄스로부터 발생한 보다 높은 에너지 수준은, 동적 메커니즘에 부가하여, 증가된 열분해를 이용함으로써 상기 프로세스 가스 분자의 보다 효율적인 분해를 가능하게 한다. 열 분해의 증가는 필요한 투입 전력을 감소시키는 결과를 초래하며, 결과적으로, 상기 프로세스 가스의 보다 높은 흐름 속도가 사용될 수 있게 한다. 일부 실시양태에서, 상기 펄스의 상승 시간 및 하강 시간은 5 nS 내지 1000 mS, 또는 5 nS 내지 10 mS이다.
일부 실시양태에서, 상기 플라즈마에 있는 평균 에너지는 원하는 플라즈마 에너지를 달성하는 펄스 주파수를 선택함으로써 상기 펄스 주기를 변화시킴으로써 제어된다. 부가적으로, 일부 실시양태에서, 상기 플라즈마의 평균 에너지는 상기 듀티 사이클을 제어함으로써 제어된다. 이것은 상기 시간-평균적인 투입 전력과 펄스 주기가 둘다 일정하게 유지되고 상기 듀티 사이클이 변화되는 상황을 고려함으로써 이해될 수 있다. 보다 짧은 듀티 사이클은 상기 마이크로파 방사선이 온 상태일 때 상기 챔버에 결합된 전력의 크기를 증가시킨다. 이는 상기 시간-평균적인 전력이 일정하게 유지되고 전력이 온 상태인 기간 (즉, 듀티 사이클)이 보다 짧기 때문이다. 일부 실시양태에서, 상기 펄스 주기의 제1 기간동안 상기 반응 챔버에 결합된 보다 높은 전력이 상기 플라즈마의 평균 온도 및 평균 에너지를 증가시킬 것이다. 전술한 바와 같이, 프로세스 가스로부터 분리된 구성성분을 형성하기 위해 주어진 반응 경로를 선택하도록 상기 플라즈마의 에너지를 제어하는 것이 이용될 수 있다. 따라서, 일부 실시양태에서, 상기 반응 경로는 상기 반응 챔버에 결합된 마이크로파 방사선의 듀티 사이클을 제어함으로써 선택될 수 있다. 동일한 전력으로 연속 파에서 촉진하는 것이 불가능할 수 있는 반응 경로로부터 반응 생성물을 발생시키기 위해 상대적으로 적은 양의 전력 (즉, 시간-평균적인 전력)이 사용될 수 있기 때문에 유리하다.
일부 실시양태에서, 상기 반응 경로는 상기 플라즈마 내로 투입되는 시간-평균적인 전력을 제어함으로써 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 듀티 사이클 및 펄스 주파수가 일정하게 유지되고 상기 마이크로파 발생기로 투입되는 전력이 증가되면, 상기 플라즈마의 에너지가 증가할 것이다. 또 다른 예로서, 상기 듀티 사이클 및 펄스 주파수가 일정하게 유지되고 상기 전력이 상기 반응 챔버에 보다 효과적으로 결합된다면, 상기 플라즈마의 에너지가 증가할 것이다.
일부 실시양태에서, 상기 반응 경로는 상기 마이크로파 방사선 펄스의 형상을 제어함으로써 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 마이크로파 펄스는 직사각형 파이며, 마이크로파가 온 상태로 있을 때 펄스 주기의 기간동안 상기 전력이 일정하다. 일부 실시양태에서, 상기 펄스 전력은 상기 마이크로파 전력이 온 상태로 있을 때 펄스 주기의 기간동안 일정하지 않다. 일부 실시양태에서, 상기 마이크로파 펄스는 삼각파 (triangular wave) 또는 사다리꼴 파 (trapezoidal wave)이다. 일부 실시양태에서, 상기 펄스는 E1 값까지(예: 도 5의 t1 시간에서) 빠르게 상승하고, 이어서 일정 기간에 걸쳐 최대 E2 값까지(예: 도 5의 t1에서 t2까지의 시간에서) 증가한다. 일부 실시양태에서, 상기 펄스는 E1 값까지 (예: 도 5의 t1 시간에서) 빠르게 상승하고, 이어서 일정 기간에 걸쳐 최대 E2 값까지 (예: 도 5의 t1에서 t2까지의 시간에서) 증가한다. 일부 실시양태에서, 상기 펄스는 E1 값까지 (예: 도 5의 t1 시간에서) 빠르게 상승하고, 이어서 일정 기간에 걸쳐 E2 값까지 (예: 도 5의 t1에서 t2까지의 시간에서) 증가하고, 이어서, 상기 E1보다 적고 상기 마이크로파 전력이 오프 상태일 때의 에너지 값보다 큰 E0 낮은 값까지 (예: 도 5의 t2에서 t3까지의 시간에서) 빠르게 감소한다. 고 에너지 화합물종이 보다 높은 분율로 존재할 때(즉, 상기 플라즈마가 평형에 도달하기 전에 상기 펄스의 개시부에서)의 기간동안 상기 플라즈마가 확산하는 것으로 이해될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 마이크로파 에너지는 상기 플라즈마가 확산되는 기간에 걸쳐 증가하며, 이는 상기 플라즈마에 있는 고 에너지 화합물종의 시간 평균 분율을 증가시킨다.
전술한 바와 같이, 상기 펄스 주파수, 듀티 사이클 및 펄스 형상의 조정은 주어진 시간-평균적인 투입 전력의 경우에 플라즈마 내의 고 에너지 화합물종의 보다 높은 분율을 형성할 수 있게 한다. 보다 높은 에너지 화합물종은 그렇지 않으면 에너지적으로 유리하지 않을 수 있는 추가적인 반응 경로를 가능하게 할 수 있다.
상기 기술은 수소 및 나노입자 탄소로 분리될 예시적인 프로세스 가스로서 메탄 (CH4)을 사용함으로써 더욱 이해될 수 있다. 일반적으로, 메탄 (CH4)을 해리하기 위해 4-6 eV가 필요하다; 그러나, 상기 플라즈마 에너지는 일반적으로 초기 점화 에너지 스파이크 이후에 약 1.5 eV에서 안정화된다. 상기 마이크로파를 펄스화함으로써, 상기 평균 플라즈마 에너지 (즉, 시간-평균적인 플라즈마 에너지)가 보다 높은 수준으로 유지되며, 이 때 펄스의 주파수 및 기간이 평균 플라즈마 에너지를 제어한다. 구체적으로, 메탄의 특정 해리 반응을 선택하는 4-6 eV의 평균 플라즈마 에너지를 제공하도록 주파수 및 듀티 사이클과 같은 펄스 파라미터가 제어될 수 있다. 상기 마이크로파 에너지를 펄스화하는 또 다른 이점은 마이크로파가 투입되는 챔버 전체에 상기 에너지가 더 분포된다는 것이다. 종래 시스템에서, 평형에서 상기 플라즈마는 상기 마이크로파 투입 위치쪽으로 상기 챔버 내의 이온화된 화합물종의 조밀층을 형성하며, 이는 유입되는 마이크로파 방사선을 흡수하고, 결과적으로 추가적인 마이크로파 방사선이 상기 챔버 내로 더 깊게 침투하는 것을 방지한다. 본 발명의 고 주파수 펄스는 보다 큰 시간 분율동안 상기 플라즈마를 비-평형 상태로 유지시키고, 이온화된 화합물종의 조밀층은 보다 적은 시간 분율동안 존재하여, 상기 마이크로파 방사선이 상기 챔버 내로 더 깊게 침투할 수 있게 하고 상기 플라즈마가 상기 챔버 내에서 보다 큰 체적으로 발생될 수 있게 한다.
예로서 메탄을 들어 계속 설명하면, 상기 프로세스 가스에 적용되는 최저 에너지에서, 단 1종의 수소 원자만이 제거되어 CH3 라디칼과 자유 H 원자를 생성한다. 보다 많은 에너지가 적용될 때, 메탄을 포함한 프로세스 가스는 CH3 라디칼과 자유 H 원자로 또한 CH2와 H2로 반응될 수 있다. 보다 높은 에너지에서, 메탄을 포함한 프로세스 가스는 CH3 라디칼과 자유 H 원자로 또한 CH2와 H2로 또한 CH 라디칼과 H2로 반응될 수 있다. 보다 더 높은 에너지에서, 메탄을 포함한 프로세스 가스는 CH3 라디칼과 자유 H 원자로 또한 CH2와 H2로 또한 CH 라디칼과 H2로 또한 C와 H2로 반응될 수 있다. 상기 플라즈마에 추가되는 에너지의 양을 제어함으로써 상이한 반응 경로가 선택될 수 있고, 상이한 생성물이 수거될 수 있다.
보다 일반적으로, 본 발명의 다양한 실시양태에서, 상기 펄스 주기의 전체 기간에 걸친 플라즈마의 평균 에너지는 0.9 eV 내지 20 eV, 또는 0.9 eV 내지 10 eV, 또는 1.5 eV 내지 20 eV, 또는 1.5 eV 내지 10 eV, 또는 0.9 eV 초과, 또는 1.5 eV 초과일 수 있다. 상기 플라즈마 에너지가 조정되는 특정 값은 이용되는 프로세스 가스의 유형에 따라 좌우될 것이다.
전술한 마이크로파 프로세싱 시스템에서, 상기 마이크로파 방사선 소스는 마이크로파 방사기 회로 (예: 도 2의 207 및 도 3의 307)에 의해 제어되며, 이는 상기 소스로부터 방사된 마이크로파 방사선이 연속 파 또는 펄스이도록 제어할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 마이크로파 방사기 회로는 예를 들어, 915 MHz, 2.45 GHz 또는 5.8 GHz에서 마그네트론을 사용하여 마이크로파 방사선을 생성한다. 마이크로파 방사선의 출력 전력을 제어하기 위해, 상기 마이크로파 방사기 회로는 다양한 주파수 및 듀티 사이클에서 상기 마그네트론을 펄스화할 수 있다. 각 마이크로파 방사기 회로는 특정 범위의 펄스 주파수, 듀티 사이클, 형상 및 출력 전력 수준에 대해 설계되며, 이 파라미터의 특정 값의 선택은 상기 프로세스 가스에서 화학 반응 경로를 조정하기 위해 사용된다.
일부 실시양태에서, 상기 마이크로파 제어 회로는 500 Hz 내지 1000 kHz, 또는 1 kHz 내지 1000 kHz, 또는 10 kHz 내지 1000 kHz, 또는 40 kHz 내지 80 kHz, 또는 60 내지 70 kHz, 또는 10 kHz 초과, 50 kHz 초과, 또는 100 kHz 초과의 펄스 주파수를 가능하게 한다. 일부 실시양태에서, 상기 마이크로파 소스는 1 내지 100 kW의 시간-평균 전력으로 연속 파 또는 펄스 마이크로파 방사선을 방출한다. 상기 펄스 주기는 상기 마이크로파 전력이 온 상태로 있는 제1 기간, 및 상기 마이크로파 방사선이 오프 상태로 있거나 또는 상기 제1 기간동안보다 낮은 전력에 있는 제2 기간을 갖는다. 일부 실시양태에서, 상기 제2 기간은 제1 기간보다 더 길다. 주어진 시스템에 대한 최적의 듀티 사이클은 상기 마이크로파 전력, 펄스 주파수 및 펄스 형상을 비롯한 많은 요인에 따라 좌우된다. 일부 실시양태에서, 상기 듀티 사이클 (즉, 마이크로파 방사선이 온 상태로 있는 펄스 주기의 분율, 백분율로 표시됨)은 1 % 내지 99 %, 또는 1 % 내지 95 %, 또는 10 % 내지 95 %, 또는 20 % 내지 80 %, 또는 50 % 내지 95 %, 또는 1 % 내지 50 %, 또는 1 % 내지 40 %, 또는 1 % 내지 30 %, 또는 1 % 내지 20 %, 또는 1 % 내지 10 %, 또는 99 % 미만, 또는 95 % 미만, 또는 80 % 미만, 또는 60 % 미만, 또는 50 % 미만, 또는 40 % 미만, 또는 30 % 미만, 또는 20 % 미만, 또는 10 % 미만이다.
고 흐름 마이크로파 가스 프로세싱에서 이온 에너지 제어
상기 프로세스 가스에서 일어나는 화학 반응 경로를 제어하기 위해 상기 마이크로파 방사선 펄스의 다양한 파라미터를 조정하는 것 이외에, 상기 플라즈마 에너지에 영향을 줄 수 있고 따라서 상기 화학 반응을 조정할 수 있는 다른 기술이 하기에서 논의된다.
도 6은 1종 이상의 전구체 가스의 추가를 통해 상기 플라즈마의 이온 에너지를 제어하는 것을 예시하며, 상기 전구체 가스는 상기 프로세스 가스가 상기 도파관 챔버 내로 흐르는 곳의 업스트림에서 삽입된다. 전구체 가스는 다양한 이온화 가능한 화합물종을 추가함으로써 분해 효율을 향상시킨다. 즉, 상이한 가스는 상이한 이온화 에너지를 가지며, 이 이온화 에너지는 원자 또는 분자로부터 전자를 제거하는데 필요한 에너지의 양이다. 또한, 다양한 가스는 상이한 전자쌍 생성 (생성될 수 있는 이온당 전자의 갯수)와 2차 전자 방출 특성 (하전된 입자가 표면에 충돌할 때 전자의 방출)을 갖는다. 따라서, 본 발명에서 전구체 가스의 사용은 상기 플라즈마의 에너지에 영향을 주기 위해 이용된다.
도 6에서, 마이크로파 가스 프로세싱 시스템 (600)은 이전 실시양태와 유사한 마이크로파 방사선 소스 (604), 도파관 (605) 및 마이크로파 방사기 회로 (607)를 함유한다. 도 6의 도면은 명확성을 위해 이전 도면에 비해 단순화시킨 도면이다. 공급 가스 유입구 (602)는 상기 도파관에서 플라즈마를 형성시키기 위해 상기 공급 가스 (도시되지 않음)를 보충하는 전구체 가스 (620)를 수용한다. 다양한 실시양태에서, 상기 전구체 가스 (620)는 수소, 아르곤, 헬륨 또는 다양한 희가스 중 1종 이상을 함유할 수 있다. 프로세스 가스 유입구 (610)는, 이전 실시양태와 유사하게, 반응할 프로세스 가스를 수용하도록 구성된다. 상기 시스템의 원하는 배출 생성물이 아닌 전구체 가스(예: 메탄의 프로세싱에서 아르곤 전구체 가스)의 경우, 상기 전구체 가스는 프로세스 단계 후에 배출구 (603)로부터 배출되는 분리된 구성성분 (630 및 632)으로부터 제거된다.
일부 실시양태에서, 상기 프로세스 가스의 분리된 구성성분 중 1종 이상은 도파관 (605)으로 유입되는 공급 가스 및/또는 프로세스 가스로 재순환된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 도파관 (605) 내의 가스 반응은 분리된 구성성분 (630 및 632)을 생성한다. 예를 들어, 프로세스 가스로서 메탄의 경우, 제1 분리된 구성성분 (630)은 CH3일 수 있고, 제2 분리된 구성성분 (632)은 배출구 (603)에서 수거되기 전에 재결합하여 H2 가스를 형성하는 원자 수소 H+일 수 있다. 대안적으로, 제1 분리된 구성성분 (630)은 CH2일 수 있고, 제2 분리된 구성성분 (632)은 수소 가스 H2일 수 있다. 상기 분리된 구성성분 (632)은 도관 (640)을 통해 도파관 (605)으로 재순환되고, 공급 가스 유입구 (602)로 다시 재순환된다. 따라서, 상기 재순환된 분리된 구성성분 (632)은 전구체 가스 (620)로서 사용된다. 생성된 분리된 구성성분을 상기 반응 시스템으로 복귀시키는 것이 직관에 반대되는 것은 아니지만, 상기 구성성분의 재순환은 상기 플라즈마에 에너지를 추가하고, 일부 실시양태에서는 상기 재순환된 구성성분이 상기 가스 프로세싱 동안에 이미 가열될 수 있으므로 상기 프로세스 가스의 열분해에 기여할 수 있다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 분리된 구성성분 (632)은 전체 150 내지 200 slm의 H2가 생성되는 프로세스의 경우에 상기 도파관 (605)으로 재순환되는 2 내지 10 slm의 H2일 수 있다. 상기 프로세스 가스의 흐름 속도 및/또는 목표하는 화학 경로를 개시하기 위해 상기 프로세스에 추가되는 것이 바람직한 에너지 양과 같은 인자에 의해 결정될 때 분리된 구성성분 (632)의 다른 양 또는 분율이 재순환될 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 공급 가스의 일부 또는 전부는 상기 프로세스 가스의 재순환된 분리된 구성성분 1종 이상을 함유한다. 예를 들어, 상기 공급 가스는 수소일 수 있고, 상기 프로세스 가스는 메탄일 수 있으며, 이는 반응에 의해 수소 및 탄소를 형성하고, 상기 메탄으로부터 생성된 수소의 적어도 일부는 재순환되어 공급 가스로서 사용될 수 있다. 수소로부터 형성된 플라즈마는 프로세스 가스 분자에서 탄화수소 결합을 분해하는데 매우 효율적이기 때문에, 생성된 수소의 재순환이 전체적인 가스 프로세싱의 효율을 유리하게 향상시킨다. 추가적으로, 일부 실시양태에서, 재순환된 H2는 이미 고온으로 있고, 따라서, 열분해 에너지를 얻기 위해 보다 적은 에너지 투입이 필요하다. 일부 실시양태에서, 상기 공급 가스는 외부 소스에 의해 제공되는 H2이고, 여기에, 재순환된 H2가 추가된다. 이러한 실시양태에서, 상기 발생된 플라즈마는 수소 플라즈마이다.
도 7은 필라멘트의 사용을 통해 화학 경로를 제어하기 위한 또 다른 기술을 예시한다. 도 7의 실시양태에서, 상기 마이크로파 프로세싱 시스템 (700)은, 이전 실시양태와 유사하게, 마이크로파 방사선 소스 (704), 도파관 (705) 및 마이크로파 방사기 회로 (707)를 함유한다. 마이크로파 방사선 (709)은 마이크로파 방사선 소스 (704)에 의해 공급되어, 상기 도파관 (705)의 길이부 L의 아래 방향으로 전파된다. 이 실시양태에서, 공급 가스 유입구 (702)는 이전 실시양태에서 예시된 바와 같이 L1 부분에 대한 유입구보다는 L0 부분의 유입구에 인접하게 배치된다. 1개 이상의 금속 필라멘트 (720)가 상기 플라즈마의 점화 및/또는 상기 플라즈마 내의 고 에너지 화합물종의 여기를 돕기 위해 도파관 (705) 내에 배치된다. 이 실시양태에서, 금속 필라멘트 (720)는 일정한 단면적을 갖는 L1 부분에 대한 유입구에 인접하게, 제1 가스 유입구 (702)의 다운스트림에 있다. 다른 실시양태에서, 상기 필라멘트 (720)는 상기 도파관 (705)의 전체 길이부 L의 L1 부분 내의 다른 위치에 위치할 수 있으며, 여기서 L1은 상기 플라즈마가 이전 실시양태에 관해 기재된 바와 같이 형성되는 도파관 내의 영역이다. 일부 실시양태에서, 상기 필라멘트 (720)는 상기 프로세스 가스 유입구 (710)의 업스트림에 L1 부분 내에 위치하여, 반응이 일어나고 반응한 화합물종으로 상기 필라멘트를 코팅할 수 있는 L2 부분 (도 2 및 도 3에 도시됨)의 외부에 위치한다. 필라멘트 (720)의 존재는 마이크로파 방사선 (709)의 전기장을 집중시킴으로써 점화 부위를 제공함으로써 플라즈마 점화 전압을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 필라멘트 (720)는 가열될 수 있고 열이온(thermionic) 방출을 통해 전자를 방출할 수 있으며, 이는 플라즈마 점화 전압을 감소시키는 데 더 기여한다. 상기 필라멘트 (720)는 본 실시양태에서 단일 와이어로 예시되지만, 필라멘트 (720)는 코일 또는 다중 필라멘트와 같은 다른 형태를 취할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 필라멘트 (720)는 텅스텐이다. 일부 실시양태에서, 상기 필라멘트는 능동적으로 에너지 공급(전력 공급)되거나 수동적일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 필라멘트 (720)는 히터 코일에 근접한 오스뮴 필라멘트 (예: 평판(plate), 코일 또는 다른 형상으로 구성됨)이다. 일부 실시양태에서, 상기 필라멘트 (720)는 유도성 코일의 계자(field)에 있는 철 물질이다. 일부 실시양태에서, 상기 활성 구성성분 (예를 들어, 가열 소스 구성요소)이 도파관 (705)의 외부에 위치한 곳에서 필라멘트(720)이 능동적으로 가열되고, 가열되는 필라멘트 물질이 상기 도파관 (705)의 내부에 있다.
도 8은 전자 소스의 사용을 통해 상기 플라즈마 에너지를 제어하기위한 또 다른 기술을 예시한다. 마이크로파 프로세싱 시스템 (800)은 공급 가스 유입구 (802), 도파관 (805), 및 마이크로파 방사선 (809)을 공급하는 마이크로파 방사선 소스 (804)를 이전 실시양태에서와 같이 함유한다. 마이크로파 프로세싱 시스템 (800)은 또한 상기 플라즈마의 점화 및/또는 상기 플라즈마 내의 고 에너지 화합물종의 여기를 돕기위해 1종 이상의 전자 소스 (820)를 함유한다. 상기 전자 소스 (820)는 전자를 상기 도파관 (805) 내에 주입하도록 구성되어, 상기 플라즈마의 점화에 필요한 초기 에너지의 양을 감소시킨다. 따라서, 상기 플라즈마의 점화 수준은 존재하는 전자의 양을 제어함으로써 제어될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 전자는 상기 도파관 (805)의 전체 길이부 L의 L1 부분으로 주입되며, 여기서, L1은 상기 플라즈마가 전술한 바와 같이 형성되는 도파관 내의 영역이다. 예를 들어, 이 실시양태에서, 상기 전자 소스 (820)는 상기 제1 가스 유입구 (802)의 다운스트림에 있는 도파관 (805) 내로 전자를 공급하도록 구성된다. 일부 실시양태에서, 상기 전자 소스 (820)는 전계 방출 소스이다. 일부 실시양태에서, 상기 전자 소스 (820)는 히터 코일에 근접한 오스뮴 원소를 함유한다. 일부 실시양태에서, 상기 전자 소스 (820)는 유도성 코일의 전계에 철 물질을 함유한다. 일부 실시양태에서, 상기 전자 소스 (820)는 전술한 바와 같이 필라멘트를 함유하고, 발생된 전자는 고전압 전기장을 사용하여 L1 부분으로 주입된다. 일부 실시양태에서, 상기 전자 소스 (820)는 대안적으로 이온 소스이다.
상기 도파관 내에서 필라멘트 (720) 및/또는 전자 소스 (820)를 사용하는 이점은, 이들이 빠른 마이크로파 펄스 주파수 (예: 500 Hz 초과 또는 1 kHz 초과의 주파수), 심지어는 높은 가스 흐름 (예: 5 slm 초과) 및 큰 가스 체적 (예: 최대 1000 L)에 맞춰가기에 충분할 정도로 신속하게 플라즈마가 형성되게 할 수 있다는 것이다. 이는 고 에너지 화합물종이 고압 대기에서 신속하게 소멸되기 때문에 고압 (예: 0.9 atm 초과, 또는 1 atm 초과, 또는 2 atm 초과)에서 특히 중요하고, 상기 플라즈마가 충분히 빠르게 점화할 수 없다면 고압에서 펄스 플라즈마에서 고-에너지 화합물종의 낮은 분율(예: 시간에 따라 적분됨)이 있을 것이다.
도 8은 또한 화학 경로를 제어하기 위한 또 다른 기술로서 본 시스템에서 전극 (830)의 일 실시양태를 예시한다. 상기 전극 (830)은 도 6의 전구체 가스 (620), 도 7의 필라멘트 (720) 또는 도 8의 전자 소스 (820)와는 독립적으로 또는 이들과 함께 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 시스템 (800)은 상기 플라즈마에 에너지를 추가하기 위해 한 세트 이상의 전극 (830)을 함유한다. 상기 전극은 상기 도파관 (805)의 전체 길이부 L의 L1 부분 내에 전기장을 발생시키도록 구성되며, 여기서 L1은 상기 플라즈마가 전술한 바와 같이 형성되는 도파관 내의 영역이다. 전극 (830)은 반대 전하를 갖는 동일 평면상의 전극 한 쌍으로 도 8에 구현되어 있고, 이들은 플라즈마 (806)가 발생되는 도파관 (805) 부분의 외측에 및 반대측에 있다. 상기 전극은 특정 전압으로 에너지 공급되어, 상기 플라즈마 내의 하전된 화합물종을 원하는 정도로 가속시킬 수 있으며, 이에 의해 상기 플라즈마 에너지를 제어할 수 있다. 상기 전극은 투입된 펄스 마이크로파와 조합되어 특히 효과적이다. 전극 및 연속적인 마이크로파 방사선을 갖는 종래 시스템에서, 전극 사이의 플라즈마는 평형에서 국소화되고 (예를 들어, 전극에 인접하게), 상기 전극으로부터의 전기장을 스크리닝(screen)할 것이며, 이는 상기 플라즈마에 에너지를 추가하는 전극의 능력을 제한한다. 그러나, 상기 마이크로파가 펄스화될 때, 상기 플라즈마는 보다 큰 시간 분율 동안 비-평형 상태로 존재할 것이고, 보다 적은 시간 분율 동안 상기 전극의 전기장을 스크리닝할 것이다.
일부 실시양태에서, 본 발명의 가스 프로세싱 시스템은 상기 플라즈마를 가두어 점화 전압을 감소시키는 자석 (도시되지 않음)을 함유할 것이다. 일부 실시양태에서, 상기 자석은 영구적이거나 또는 전자석이다. 상기 자석은 플라즈마 밀도 분포가 제어될 수 있도록 위치할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 자석은 L1 부분에서 플라즈마 밀도를 증가시킬 것이고, 이는 상기 프로세스 가스가 상기 플라즈마에 의해 분리되는 효율을 향상시킬 것이다.
전술한 바와 같이, 펄스 마이크로파 방사선, 높은 가스 흐름 (예: 5 slm 초과), 큰 체적의 플라즈마 (예: 최대 1000 L), 고압 (예: 0.1 atm 초과 또는 0.9 atm 초과 또는 2 atm 초과), 각 펄스의 시작시에 플라즈마 점화를 돕기 위한 필라멘트 또는 전자 소스, 및/또는 상기 플라즈마에 에너지를 더 추가하기위한 전극의 조합은 낮은 에너지 투입 요건에서 비용-효과적인 고-생산성 화학 가스 프로세싱 시스템을 가능하게 할 수 있다.
상기 특징을 갖는 가스 프로세싱 시스템은, 도 2, 도 3, 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 예와 같이, 상기 플라즈마가 발생되고 상기 프로세스 가스가 상기 도파관 그 자체 내에서 구성성분으로 분리되는 방식으로 구성된다. 이러한 시스템에서, 마이크로파 방사선은 상기 분리된 구성성분을 발생시키는 반응의 업스트림에 있는 시스템에 유입되고, 따라서 플라즈마를 발생시킬 수 있기 이전에 상기 분리된 구성성분이 반응기의 마이크로파 유입 윈도우 상에 축적되고 상기 마이크로파 방사선을 흡수하는 문제점이 경감된다. 상기 분리된 구성성분이 발생되는 도파관 부분이 반응 챔버로 작용하고, 상기 반응 챔버를 통한 공급 가스 흐름 및/또는 프로세스 가스 흐름이 상기 마이크로파 방사선의 전파 방향에 평행한다. 상기 마이크로파 방사선은 상기 분리된 구성성분이 발생되는 반응 챔버 부분의 업스트림에 있는 반응 챔버에 유입된다.
일부 실시양태에서, 가스 재순환, 필라멘트 및 전자 소스는 연속 파 (CW) 마이크로파 방사선을 이용하는 마이크로파 가스 프로세싱 시스템에서 사용될 수 있다. CW 마이크로파 방사선을 갖는 실시양태에서, 가스 재순환, 필라멘트 및 전자 소스는 상기 시스템의 가스 프로세싱 효율을 향상시키고 상기 플라즈마의 점화 전압을 감소시키며 상기 플라즈마의 밀도 분포를 제어하는데 여전히 유리할 것이다.
일부 실시양태에서, 상기 분리된 구성성분은 상기 도파관에서 반응 체적의 큰 체적에도 불구하고 상기 분리된 구성성분을 발생시키는 반응의 다운스트림에 있는 도파관의 벽에 부착될 수 있다. 이것이 상기 플라즈마가 발생되지 않도록 하지는 않지만, 여전히 상기 시스템에서의 생산 손실 및 오염원을 대표한다. 따라서, 일부 실시양태에서, 상기 공급 가스 및 상기 프로세스 가스의 가스 흐름은 상기 도파관 벽 (또는 반응 챔버 벽) 상에 침착된 분리된 생성물을 제거하기 위해 침착 영역에 인접하여 플라즈마를 발생시키도록 설계될 수 있다. 일부 실시양태에서, 공급 가스 및/또는 프로세스 가스의 추가적인 유입구는 상기 도파관 벽 (또는 반응 챔버 벽) 상에 침착된 분리된 생성물을 제거하기 위해 상기 침착 영역에 상기 가스를 보내도록 구성될 수 있다.
마이크로파 가스 프로세싱의 방법
도 9는 고효율 가스 반응에서 화학 제어를 이용하여 가스의 마이크로파 프로세싱을 위한 방법을 나타내는 예시적인 흐름도 (900)이다. 단계 (910)에서, 마이크로파 방사선이 상기 도파관을 따른 방향으로 전파하는 길이부를 갖는 도파관을 통해 마이크로파 방사선이 공급된다. 상기 마이크로파 방사선은 펄스 또는 연속 파일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 마이크로파 방사선은 100 kV 미만의 전력에서 상기 도파관에 공급된다. 상기 도파관 내의 압력은 적어도 0.1 atm, 예를 들면 0.9 atm 내지 10 atm이다. 단계 (920)에서, 공급 가스는 상기 도파관의 길이부를 따른 제1 위치에서 상기 도파관 내로 제공되고, 여기서 상기 공급 가스의 대부분이 상기 마이크로파 방사선 전파 방향으로 흐른다. 단계 (930)에서, 플라즈마는 상기 도파관의 길이부의 적어도 일부에서 상기 공급 가스에서 발생된다. 프로세스 가스는 상기 제1 위치로부터 다운스트림에 있는 제2 위치에서 단계 (940)에서 상기 도파관에 추가된다. 상기 프로세스 가스의 대부분은 5 slm보다 큰 흐름 속도로 마이크로파 전파 방향으로 흐른다.
단계 (950)에서, 상기 프로세스 가스를 분리된 구성성분으로 전환시키기 위해 상기 플라즈마의 평균 에너지가 제어된다. 상기 평균 에너지는 예를 들어, 0.8 eV 내지 20 eV일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 펄스 주파수가 제어되고, 여기서 펄스 주파수는 500 Hz보다 크다. 예를 들어, 상기 마이크로파 방사선의 펄스 주파수는 500 Hz 내지 1000 kHz일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 펄스 마이크로파 방사선의 듀티 사이클은 상기 펄스 주파수에 추가하여 또는 상기 펄스 주파수 대신에 제어되며, 여기서 상기 듀티 사이클은 50 % 미만이다.
일부 실시양태에서, 상기 프로세스 가스는 메탄이고, 상기 분리된 구성성분은 수소 및 나노입자 탄소를 포함한다. 예를 들어, 상기 나노입자 탄소는 그래핀, 그래파이트, 카본 나노-오니언, 풀러렌 또는 나노-튜브의 1종 이상의 형태를 함유할 수 있다.
일부 실시양태에서, 전구체 가스는 제1 위치에서 상기 공급 가스에 추가되고, 상기 전구체 가스는 수소 또는 희가스를 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 분리된 구성성분은 H2를 포함하고, 상기 분리된 구성성분 H2의 적어도 일부는 상기 제1 위치로 재순환된다. 이러한 실시양태에서, 상기 공급 가스는 H2를 포함하고, 상기 플라즈마는 수소 플라즈마를 포함한다.
다양한 실시양태에서, 상기 방법은 상기 도파관 내에 금속 필라멘트를 제공하는 단계를 함유하고, 상기 금속 필라멘트는 상기 플라즈마를 발생시키기 위한 점화 전압을 감소시키는 역할을 한다. 다양한 실시양태에서, 상기 방법은 상기 도파관에 결합된 한 쌍의 전극을 제공하는 단계를 함유하며, 상기 전극은 상기 발생된 플라즈마에 에너지를 추가하도록 구성된다.
본 명세서가 본 발명의 특정 실시양태와 관련하여 상세히 기재되었지만, 당업자는 전술한 내용을 이해할 때 이들 실시양태에 대한 변형, 변화 및 등가물을 용이하게 이해할 수 있음을 알 것이다. 본 발명에 대한 이들 및 다른 변형 및 변화는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 당업자에 의해 실시될 수 있다. 또한, 당업자라면 전술한 설명은 단지 예시이고, 본 발명을 제한하고자하는 것이 아님을 이해할 것이다.

Claims (21)

  1. 방법으로서,
    길이부를 갖는 도파관(waveguide)을 통해 펄스 마이크로파 방사선을 공급하는 단계로, 상기 마이크로파 방사선이 상기 도파관을 따른 방향으로 전파하는 것인 단계;
    상기 도파관의 길이부를 따른 제1 위치에서 상기 도파관 내로 공급 가스를 제공하는 단계로, 상기 공급 가스의 대부분이 상기 마이크로파 방사선 전파의 방향으로 흐르는 것인 단계;
    상기 도파관의 길이부의 적어도 일부에서 상기 공급 가스에서 플라즈마를 발생시키는 단계;
    상기 제1 위치의 다운스트림(downstream)에 있는 제2 위치에서 상기 도파관내로 프로세스 가스(process gas)를 추가하는 단계로, 상기 프로세스 가스의 대부분이 5 slm보다 큰 흐름 속도로 상기 마이크로파 전파 방향으로 흐르는 것인 단계; 및
    상기 프로세스 가스를 분리된 구성성분으로 전환시키기 위해, 상기 펄스 마이크로파 방사선의 펄스 주파수가 500 Hz보다 큰 펄스 주파수; 및 상기 펄스 마이크로파 방사선의 듀티 사이클(duty cycle)이 90 % 미만인 듀티 사이클로 이루어진 군 중 적어도 하나를 제어함으로써 플라즈마의 평균 에너지를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 도파관 내의 압력이 적어도 0.1 atm인 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프로세스 가스가 메탄이고, 상기 분리된 구성성분은 수소 및 나노입자 탄소를 포함하는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 나노입자 탄소가 그래핀, 그래파이트, 카본 나노-오니언(carbon nano-onion), 풀러렌(fullerene) 또는 나노-튜브(nano-tube) 중 하나 이상의 형태를 포함하는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파 방사선의 펄스 주파수가 500 Hz 내지 1000 kHz인 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마의 평균 에너지가 0.8 eV 내지 20 eV인 것인방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 도파관 내의 압력이 0.9 atm 내지 10 atm인 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파 방사선이 100 kW 미만의 전력으로 상기 도파관 내로 공급되는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 전구체 가스가 상기 제1 위치에서 상기 공급 가스에 추가되고, 상기 전구체 가스가 수소 또는 희가스(noble gas)를 포함하는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 분리된 구성성분이 H2를 포함하고; 상기 방법이 상기 분리된 구성성분의 H2의 적어도 일부를 상기 제1 위치로 재순환시키는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 공급 가스가 H2를 포함하고, 상기 플라즈마는 수소 플라즈마를 포함하는 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 도파관 내에 금속 필라멘트를 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 금속 필라멘트는 상기 플라즈마를 발생시키기 위한 점화 전압(ignition voltage)을 감소시키는 역할을 하는 것인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 도파관 내로 전자를 공급하도록 구성된 전자 소스(electron source)를 제공하는 단계를 더 포함하고, 이에 의해 상기 플라즈마를 발생시키기 위한 점화 전압을 감소시키는 것인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 도파관에 결합된 한 쌍의 전극을 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 전극이 상기 발생된 플라즈마에 에너지를 추가하도록 구성된 것인 방법.
  14. 가스 프로세싱 시스템으로서,
    제1 가스 유입구, 상기 제1 가스 유입구의 다운스트림에 있는 제2 가스 유입구, 및 길이부를 갖는 도파관으로, 상기 제1 유입구는 공급 가스의 흐름을 수용하도록 구성되고, 상기 제2 유입구는 프로세스 가스의 흐름을 수용하도록 구성된 것인 도파관; 및
    마이크로파 방사선을 제공하고 상기 공급 가스에서 플라즈마를 발생시키도록 상기 도파관에 결합된 펄스 마이크로파 방사선으로, 상기 마이크로판 방사선은 상기 프로세스 가스와 반응하도록 상기 도파관의 길이부를 따른 방향으로 전파하는 것인 펄스 마이크로파 방사선을 포함하고,
    상기 마이크로파 방사선 소스는 500 Hz 내지 1000 kHz의 주파수 및 90 % 미만의 듀티 사이클에서 상기 마이크로파 방사선을 펄스 온(on) 및 오프(off)하도록 구성되고;
    상기 공급 가스의 흐름의 대부분 및 상기 프로세스 가스의 흐름의 대부분은 상기 마이크로파 방사선 전파의 방향에 평행하고;
    상기 프로세스 가스의 흐름은 5 slm보다 크며;
    상기 도파관은 적어도 0.1 atm의 압력에 순응(accommodate)하도록 구성된 것인
    가스 프로세싱 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 도파관은 제2 가스 유입구가 위치한 곳에서 0.75 인치 x 3.4 인치의 단면 치수를 가지며, 상기 마이크로파 방사선은 2.45 GHz의 마이크로파 주파수를 갖는 것인 가스 프로세싱 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제1 가스 유입구의 다운스트림에 있는 도파관 내에 금속 필라멘트를 더 포함하고, 상기 금속 필라멘트는 상기 플라즈마를 발생시키기 위한 점화 전압을 감소시키는 역할을 하는 것인 가스 프로세싱 시스템.
  17. 제14항에 있어서, 상기 제1 가스 유입구의 다운스트림에 있는 도파관 내로 전자를 공급하도록 구성된 전자 소스를 더 포함하고, 이에 의해 상기 플라즈마를 발생시키기 위한 점화 전압을 감소시키는 것인 가스 프로세싱 시스템.
  18. 제14항에 있어서, 상기 플라즈마가 발생되는 위치에서 상기 도파관에 결합된 한 쌍의 전극을 더 포함하고, 상기 전극은 상기 발생된 플라즈마에 에너지를 추가하도록 구성된 것인 가스 프로세싱 시스템.
  19. 제14항에 있어서, 상기 제1 가스 유입구는 상기 도파관 내로 전구체 가스를 수용하도록 구성되고, 상기 전구체 가스는 수소 또는 희가스를 포함하는 것인 가스 프로세싱 시스템.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 도파관에 결합된 배출구로, 상기 플라즈마와 반응한 후에 상기 프로세스 가스의 분리된 구성성분을 배출하도록 구성된 배출구; 및
    상기 도파관의 배출구로부터 상기 제1 가스 유입구로 상기 분리된 구성성분의 적어도 일부를 재순환시키도록 구성된 도관(conduit)
    을 더 포함하는 것인 가스 프로세싱 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 분리된 구성성분은 H2를 포함하고, 상기 분리된 구성성분의 H2의 적어도 일부가 상기 도관을 통해 재순환되는 것인 가스 프로세싱 시스템.
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