TWI732093B - 微波化學處理反應器 - Google Patents

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布萊斯 H. 安吉爾莫
湯瑪斯 里索
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Abstract

一種處理反應器包括微波能量源及場增強波導。該場增強波導具有位於該波導之第一橫截面積與第二橫截面積之間的場增強區，且亦具有電漿區及反應區。該第二橫截面積小於該第一橫截面積，較該第一橫截面積更遠離該微波能量源，且沿該場增強波導之反應長度延伸。供應氣體入口位於該反應區上游。在該反應區中，大部分供應氣體流平行於微波能量傳播之方向。供應氣體用來在該電漿區中產生電漿以在至少0.1個大氣壓之壓力下在該反應區中將製程輸入材料轉化成分離組分。

Description

微波化學處理反應器
本申請案主張2017年8月14日申請之美國專利申請案第15/676,649號之優先權，該美國專利申請案為2017年2月9日申請且發佈為美國專利第9,767,992號之美國專利申請案第15/428,474號之延續；所有以上申請案特此以引用方式整體併入本文中。
本發明係關於微波化學處理反應器。
在氣體之工業化學處理中使用微波電漿。這通常係藉由在將微波能量耦合至細長容器的同時使待反應之氣體流過該容器以產生電漿來完成。電漿使氣體分子裂解成組成物質。微波化學處理系統係有效的，因為微波電漿在相對高的功率耦合效率下以低離子能量操作，且能夠支援各種氣體反應，諸如甲烷向氫及碳微粒之轉化、二氧化碳向氧及碳之轉化，及利用其他層來塗佈微粒及其他種子材料以用於官能化及複合分層材料及聚集體處理。
用於化學氣體處理之典型系統包括製程材料流過之石英反應腔室，及經由波導耦合至反應腔室之微波磁控管源。輸入微波能量可為連續波或脈衝式的。系統經設計以控制微波能量至反應腔室中之有效耦合及反應腔室內之氣流，以改良流動氣體之能量吸收。系統常常包括位於微波導波與石英反應腔室相交之處的楔形物，用以將電場集中在小的區域內，且波導導電壁並不暴露於待處理之氣體。
一種處理反應器包括：微波能量源，其提供微波能量；及場增強波導，其耦合至該微波能量源。該場增強波導具有第一橫截面積及第二橫截面積。該場增強波導包括位於該第一橫截面積與該第二橫截面積之間的場增強區。該場增強波導亦包括電漿區及反應區。該第二橫截面積小於該第一橫截面積，較該第一橫截面積更遠離該微波能量源，且沿形成該場增強波導之反應區的反應長度延伸。該微波能量在沿該反應長度的方向上傳播。該處理反應器亦包括：供應氣體入口，供應氣體流動至該供應氣體入口中；及製程入口，製程輸入材料流動至該製程入口中、進入該反應區中。該供應氣體入口位於該反應區上游。在該反應區中，大部分供應氣體流平行於微波能量傳播之方向。該供應氣體用來在該電漿區中產生電漿，以在該反應區中將該製程輸入材料轉化成分離組分，其中該製程輸入材料之該轉化在至少0.1個大氣壓之壓力下發生。
現將參考所揭示發明之實施例，在隨附圖式中示出該等實施例之一或多個實例。以解釋本發明之技術而非限制本發明之技術的方式提供每一實例。實際上，熟習此項技術者將明白，可在不脫離本發明之技術之範疇的情況下對本發明之技術做出修改及變化。例如，作為一個實施例之部分所示出或描述的特徵可與另一實施例一起使用，以產生更進一步的實施例。因此，意欲本發明標的涵蓋所附申請專利範圍及其等效物之範疇內的所有此類修改及變化。
本發明之系統及方法之實施例用於輸入材料之微波電漿化學處理。在一些實施例中，輸入材料可為氣體、液體或膠體分散液。在各種實施例之微波電漿化學處理反應器中，將輸入材料處理成分離組分係在波導之反應區中發生。在本揭示內容中，可使用一種類型之輸入材料(諸如氣體)作為示例性材料來描述實施例，但該等實施例可同等適用於其他類型之材料，諸如液體和/或膠體分散液。本揭示內容之微波化學處理反應器之波導係場增強波導，該等場增強波導實現待處理之輸入材料之高生產量，其中波導自身充當反應腔室而非如同在習知系統中一樣在與微波能量波導分離之石英腔室中具有經處理之材料。反應器系統之設計提供用於發生化學反應之大體積且降低微粒堆積及微粒量對反應腔室之壁之影響。習知系統中在石英壁上之微粒堆積降低化學處理之效率，因為微波能量必須穿透其內含有經處理之氣體之石英壁。在本發明之系統中，微波能量係在充當用於經處理之材料之反應腔室之波導中傳播，且因此微波能量將不受到可能沈積至腔室(亦即，波導)之壁上的微粒阻礙。
如本文所用，術語「場增強波導(FEWG)」係指具有第一橫截面積及第二橫截面積之波導，其中第二橫截面積小於第一橫截面積且較第一橫截面積更遠離微波能量。橫截面積之減小藉由集中該微波能量而增強場，且波導之尺寸經設定以維持所使用之特定微波頻率之傳播。FEWG之第二橫截面積沿形成FEWG之反應區之反應長度延伸。在FEWG之第一橫截面積與第二橫截面積之間存在場增強區。在一些實施例中，場增強區可以連續方式(例如，線性地或非線性地)或突然方式(例如，經由一或多個離散步階)改變橫截面積。在一些實施例中，FEWG內之壓力為0.1 atm至10 atm、或0.5 atm至10 atm、或0.9 atm至10 atm、或大於0.1 atm、或大於0.5 atm、或大於0.9 atm。
在一些實施例中，本揭示內容之微波電漿化學處理反應器具有供應氣體流動至其中的一或多個供應氣體入口及輸入材料流動至其中的一或多個製程入口。供應氣體入口及製程入口位於反應區中或上游，且供應氣體用來在反應區中產生電漿。在一些實施例中，供應氣體流量為1 slm (標準公升/分鐘)至1000 slm、或2 slm至1000 slm、或5 slm至1000 slm、或大於1 slm、或大於2 slm、或大於5 slm。在一些實施例中，製程材料為氣體，且流率為1 slm (標準公升/分鐘)至1000 slm、或2 slm至1000 slm、或5 slm至1000 slm、或大於1 slm、或大於2 slm、或大於5 slm。在一些實施例中，製程材料為液體或膠體分散液，且流率為小於供應氣體流量之1%至大於100%。
在一些實施例中，本揭示內容之微波電漿化學處理反應器具有單一微波能量發生器，該單一微波能量發生器為耦合至一個或多於一個FEWG之微波能量源。在一些實施例中，本揭示內容之微波電漿化學處理反應器具有耦合至多於一個FEWG之多於一個微波能量發生器。在一些實施例中，微波能量係連續波或脈衝式的。在一些實施例中，微波能量發生器功率為1 kW至100 kW。
在一些實施例中，本揭示內容之微波電漿化學處理反應器具有多於一個反應區，該多於一個反應區連接在一起且具有一個或多於一個出口，分離組分係自該一個或多於一個出口收集。
在一些實施例中，本揭示內容之微波電漿化學處理反應器含有具有不同幾何結構之多個FEWG，該等不同幾何結構包括歧管配置及網狀配置。本文將更充分地描述此等幾何結構。
在一些實施例中，本揭示內容之微波電漿化學處理反應器具有帶有壁之反應區，且供應氣體入口及製程入口經由該等壁將供應氣體(用於產生微波電漿)及輸入材料提供至反應區。在一些實施例中，存在複數個供應氣體入口及製程入口，該等複數個供應氣體入口及製程入口經由該等壁以受控之質量分數將供應氣體及輸入材料提供至反應區。經由該等壁以受控之質量分數將供應氣體及輸入材料提供至反應區可減輕分離組分在反應區壁上之沈積。
一些實施例涉及使用各種技術對烴氣體進行之微波電漿化學處理，該等技術包括使微波能量脈衝化以控制電漿之能量。控制電漿之能量的能力使得能夠選擇在烴氣體向特定分離組分之轉化中的一或多個反應路徑。脈衝式微波能量可用來控制電漿之能量，因為當電漿點火時產生之短壽命高能物質可在每一新脈衝開始時重新產生。電漿能量經控制以具有比習知技術低的平均離子能量，但處於足夠高的位準以使得目標化學反應能夠在高氣體流量及高壓力下發生。
已發展出使用脈衝式微波能量之微波電漿化學處理系統，該等微波電漿化學處理系統控制電漿之能量且具有超過90%之極高裂解效率。然而，此等習知系統使用低於1標準公升/分鐘(slm)之低流率，及電漿內之小氣體體積，而結果為生產速率低且生產成本高。此等習知系統無法在使用高頻率微波脈衝(例如，高於大致100 Hz)的同時增加氣體流率及電漿內之氣體體積，因為在使用大體積及高流量氣體時電漿無法足夠快的點火以跟上脈衝。 微波化學處理系統
在本揭示內容中，微波電漿可在供應氣體及/或製程材料中產生，且電漿中之能量足以自製程材料分子形成分離組分。在一些實施例中，微波能量源耦合至FEWG，電漿係沿FEWG之電漿區產生，且製程材料係沿FEWG中之反應長度藉由電漿分離成組分。在一些實施例中，微波能量直接耦合至電漿中且不像習知方法中那樣經由介電壁耦合至電漿中。
圖1A示出習知微波化學處理系統。如圖1A中所示，微波化學處理系統100大體上包括反應腔室101；一或多個氣體入口102，其經組配以接收流動至反應腔室中之製程材料108；一或多個出口103，其經組配以收集離開反應腔室101的分離產物；及微波能量源104，其經由波導105耦合至反應腔室；以及為簡單起見未示出之其他元件。微波能量109在反應腔室101中產生微波電漿106，且提供用於發生反應之能量。微波發射器電路107可將自微波能量源104發射之微波能量109控制為連續波或脈衝式的。在給定適當條件的情況下，電漿中之能量將足以自製程材料分子形成分離組分。 具有場增強波導(FEWG)之微波化學處理反應器
本揭示內容之FEWG有效地傳遞微波頻率電磁能量。本揭示內容之FEWG由導電材料構成且橫截面可為矩形、圓形或橢圓形的。如圖1B中所示，波導之最寬尺寸稱為「a」尺寸且決定操作頻率之範圍。最窄尺寸決定波導之功率處置能力且稱為「b」尺寸。圖1C展示FEWG之場增強區域之實例，其中最寬尺寸「a」保持恆定以便有效地傳遞選定之微波能量頻率，且較窄尺寸「b」沿FEWG之長度減小以便集中微波能量密度。圖1C描繪尺寸「b」之線性減小；然而，尺寸「b」之減小可為非線性的(諸如抛物線形、雙曲線形等)，沿長度具有不同的減小速率(諸如線性減小之不同斜率、在一個區段中之線性斜率及另一區段中之非線性斜率)，或含有突然步階以減小尺寸「b」之長度。
本文所描述之實施例適用於定波系統(其中峰值保持在同一位置)及行波系統(其中峰值可移動)兩者。
圖2及圖3展示本揭示內容之微波化學處理系統之實施例，其中FEWG耦合至微波能量發生器(亦即，微波能量源)，電漿係在FEWG之電漿區中自供應氣體產生，且FEWG之反應長度充當反應區以將製程材料分離成單獨的組分。如圖2及圖3所演示之本發明之反應器沒有位於場增強波導之場增強區與反應區之間的介電障壁。相比之下，習知系統之反應區係封閉在介電障壁(諸如先前闡述之石英腔室)內。微波能量之傳播方向平行於大部分供應氣體流及/或製程材料流，且微波能量在FEWG的產生分離組分之部分上游進入波導。
如圖2中所示，根據一些實施例之微波化學處理反應器200大體上包括FEWG 205；一或多個入口202，其經組配以接收流動至FEWG 205中之供應氣體及/或製程材料208a；微波能量源204，其耦合至FEWG 205；以及為簡單起見未示出之其他元件。
在一些實施例中，微波電路207控制使來自微波能量源204之微波能量209脈衝化之脈衝頻率。在一些實施例中，來自微波能量源204之微波能量209係連續波。
FEWG 205具有長度L。FEWG 205之具有長度LA (圖2及圖3中所示)之部分係較FEWG之具有長度LB (圖2及圖3中所示)之部分更靠近微波能量發生器。貫穿本揭示內容，FEWG之不同部分將由大寫字母L加上表示FEWG之某一部分之下標來描述(例如，LA 、L0 、LB 、L1 、L2 )，且同義地，FEWG之不同部分之長度亦將由大寫字母L加上表示FEWG之某一部分之長度之下標來描述(例如，LA 、L0 、LB 、L1 、L2 )。
FEWG在長度LB 中之橫截面積小於FEWG在長度LA 中之橫截面積。FEWG之長度L0 位於FEWG之長度LA 與LB 之間，且沿微波能量傳播之路徑具有遞減的橫截面積。在一些實施例中，FEWG沿長度L0 之橫截面積以連續方式減小。在一些實施例中，FEWG沿長度L0 之橫截面積在長度LA 與LB 之間線性地減小。在一些實施例中，FEWG沿長度L0 之橫截面積在LA 與LB 之間非線性地減小，諸如抛物線地、雙曲線地、指數地或對數地減小。在一些實施例中，FEWG沿長度L0 之橫截面積在長度LA 與LB 之間以突然方式減小，諸如經由一或多個離散步階減小。橫截面積之減小用來集中電場，由此增大微波能量密度，而同時仍提供相較於習知系統而言可在其中形成電漿之較大量之面積。當使用2.45 GHz之微波能量頻率時，FEWG之具有長度LB (圖2及圖3中所示)之部分可具有尺寸為0.75吋乘3.4吋之矩形橫截面。此橫截面積遠大於電漿產生面積通常小於一平方吋之習知系統。FEWG 205之不同部分之尺寸係根據微波頻率設定，以便適當地發揮波導之作用。例如，對於橢圓形波導，橫截面尺寸針對2.1GHz-2.7 GHz可為5.02吋乘2.83吋。
在習知氣體處理系統中，其中可形成電漿之有限區域(諸如上文所描述的小於一平方吋)限制了其中可發生氣體反應之體積。此外，在習知系統中，微波能量經由窗口(通常為石英)進入反應腔室。在此等系統中，介電材料(例如，微粒碳)在處理期間被塗佈在窗口上，從而導致功率遞送隨時間減少。若此等分離組分吸收微波能量，則這可能很成問題，因為該等分離組分阻止微波能量耦合至反應腔室中以產生電漿。因此，副產物(諸如由氣體反應產生之碳粒子)的快速堆積會發生，且限制處理設備之運行時間。在本發明之實施例中，系統200及下文描述之其他實施例經設計成不使用反應區中之窗口；亦即，使用平行的傳播/氣體流動系統，其中能量自反應之上游進入。因而，更多能量及功率可自微波能量源耦合至電漿中。窗口之缺失及波導205內與習知系統中之有限反應腔室體積相比更大之體積極大地減少了造成有限運行時間之粒子堆積從問題，由此改良微波處理系統之生產效率。
圖2中之微波能量209在具有FEWG 205之長度的長度L1 (圖2及圖3中所示)之電漿區內於供應氣體及/或製程材料中產生微波電漿206。具有長度L1 之電漿區位於FEWG之部分LB 內，與在長度LA 中相比，在部分LB 中橫截面積更小且微波能量密度更高。在一些實施例中，不同於製程材料的供應氣體用來產生微波電漿206。供應氣體可例如為氫氣、氦氣、諸如氬氣之惰性氣體、或一種以上類型之氣體之混合物。在其他實施例中，供應氣體與製程材料相同，其中製程材料係自其產生分離組分之材料。
在一些實施例中，供應氣體及/或製程材料入口202位於FEWG之部分LB 上游，或位於FEWG之部分L0 內，或位於FEWG之部分LA 內，或位於FEWG之部分LA 上游。在一些實施例中，FEWG 之部分L1 自沿FEWG位於供應氣體及/或製程材料208a進入FEWG之位置下游的位置延伸至FEWG之末端或延伸至在供應氣體及/或製程材料之進口與FEWG 205之末端之間的位置。在一些實施例中，FEWG之部分L1 自供應氣體及/或製程材料208a進入FEWG之處延伸至FEWG之末端或延伸至在供應氣體及/或製程材料之進口與FEWG之末端之間的位置。
所產生之電漿206提供用於在FEWG 205之反應區201內於製程材料208b中發生反應之能量，該反應區201具有反應長度L2 。在一些實施例中，反應區L2 自製程材料208a進入FEWG 205之處延伸至FEWG 205之末端或延伸至在製程材料之進口與FEWG 205之末端之間的位置。在給定適當條件的情況下，電漿206中之能量將足以自製程材料分子形成分離組分。一或多個出口203經組配以在FEWG之反應區部分201下游收集離開FEWG 205之分離產物，在該反應區部分201中於製程材料208b中發生反應。在圖2中所示之實例中，微波能量209之傳播方向與大部分供應氣體及/或製程材料流208b平行，且微波能量209在FEWG的產生分離組分之反應區201上游進入FEWG 205。
在一些實施例中，微波能量可穿透的壓力障壁210可位於微波能量源204內、位於微波能量源之出口附近、或位於在微波能量源204與FEWG中所產生之電漿206之間的其他位置處。此壓力障壁210可充當安全措施以防止電漿可能回流至微波能量源204中。電漿在壓力障壁自身處不會形成；而實際上，壓力障壁僅為機械障壁。可製成壓力障壁之材料之一些實例為石英、乙烯四氟乙烯(ETFE)、其他塑膠、或陶瓷。在一些實施例中，可存在兩個壓力障壁210及211，其中一個或兩個壓力障壁210及211位於微波能量源204內、位於微波能量源之出口附近、或位於在微波能量源204與FEWG中所產生之電漿206之間的其他位置處。在一些實施例中，壓力障壁211係較壓力障壁210更靠近FEWG中之電漿206，且在壓力障壁210與211之間存在壓力噴氣口212以防壓力障壁211失效。
在一些實施例中，系統中包括電漿障擋物(未示出)以防止電漿傳播至微波能量源204或供應氣體及/或製程材料入口202。在一些實施例中，電漿障擋物為具有孔之陶瓷或金屬過濾器，用以允許微波能量通過電漿障擋物，但阻止大部分電漿物質通過。在一些實施例中，大部分電漿物質將不能通過電漿障擋物，因為孔將具有高縱橫比，且電漿物質將在其撞擊孔之側壁時重組。在一些實施例中，電漿障擋物位於部分L0 與L1 之間，或位於在部分L1 上游且在入口202 (在入口202處於部分L0 內之實施例中)及微波能量源204下游的部分L0 中。
圖3展示微波化學處理系統300之另一實施例，其中供應氣體及製程材料係於不同位置處注入。根據一些實施例，微波化學處理系統300大體上包括FEWG 305；一或多個供應氣體入口302，其經組配以接收流動至FEWG 305中之供應氣體308a；一或多個製程材料入口310，其經組配以接收製程材料311a；及微波能量源304，其耦合至FEWG 305；以及為簡單起見未示出之其他元件。製程材料入口310之位置在供應氣體入口302之位置下游，其中下游係定義於微波能量傳播之方向上。
在一些實施例中，微波電路307控制使來自微波能量源304之微波能量309脈衝化之脈衝頻率。在一些實施例中，來自微波能量源304之微波能量係連續波。
類似於圖2中所示之實施例，圖3中之FEWG 305具有部分LA 、L0 、LB 、L1 、及L2 ，其中部分LB 具有小於LA 之橫截面積的橫截面積，部分L0 在部分LA 與LB 之間具有遞減的橫截面積，L1 係產生電漿的部分，且L2 係為反應區的部分。
微波能量309在FEWG 305之長度L之電漿區L1 內於供應氣體308b中產生微波電漿306。在一些實施例中，部分L1 自沿FEWG 305位於供應氣體308a進入FEWG 305之位置下游的位置延伸至FEWG 305之末端或延伸至在供應氣體之進口與 FEWG 305之末端之間的位置。在一些實施例中，部分L1 自供應氣體308a進入FEWG 305之處延伸至FEWG 305之末端或延伸至在供應氣體之進口與 FEWG 305之末端之間的位置。一或多個額外製程材料入口310經組配以接收在位於供應氣體入口302下游的第二組位置處流動至FEWG中之製程材料。所產生之電漿306提供用於在FEWG 305之反應區301內發生反應之能量，該反應區301具有反應長度L2 。在一些實施例中，部分L2 自製程材料311a進入FEWG 305之處延伸至FEWG 305之末端或延伸至在製程材料之進口與FEWG 305之末端之間的位置。在給定適當條件的情況下，電漿中之能量將足以自製程材料分子形成分離組分。一或多個出口303經組配以在發生反應的部分301下游收集離開FEWG 305之分離產物。在圖3中所示之示例性系統300中，微波能量309之傳播方向與大部分供應氣體流308b及製程材料流311b平行，且微波能量309在FEWG的產生分離組分之反應部分301上游進入FEWG 305。
在一些實施例中，微波能量可穿透的一或多個壓力障壁可位於微波能量源304內、位於微波能量源之出口附近、或位於在微波能量源304與FEWG中所產生之電漿306之間的其他位置處(類似於上文所描述且在圖2中所描繪的情況)。在一些實施例中，存在兩個壓力障壁及位於壓力障壁之間的壓力噴氣口以防更靠近FEWG中之電漿306的障壁失效。
在一些實施例中，反應區L2 之壁經組配以使得供應氣體入口及製程材料入口經由FEWG之壁將供應氣體及製程材料提供至反應區。例如，該等壁可具有充當二次供應氣體入口之一系列孔，供應氣體及/或製程材料可經由該等二次供應氣體入口插入至FEWG中，或該等壁可為供應材料及/或製程材料可滲透的，或該等壁可為多孔的。經由該等壁將供應氣體及輸入材料提供至反應區可藉由形成靠近壁的將所沈積材料蝕刻掉之反應性電漿來減輕分離組分在反應區壁上之沈積。
在一些實施例中，存在複數個供應氣體入口及製程入口，該等複數個供應氣體入口及製程入口經由FEWG之壁將供應氣體及輸入材料提供至反應區L2 。在一些實施例中，存在複數個供應氣體入口及製程入口，該等複數個供應氣體入口及製程入口經組配以經由FEWG壁將受控之質量分數的供應氣體及輸入材料提供至反應區L2 。使供應氣體及製程材料以受控之質量分數引入至FEWG中可更有效地將在反應區中沈積於FEWG之壁上的任何材料蝕刻掉。如上文所描述，FEWG (例如，圖2中之205及圖3中之305)具有總長度L；總長度之部分LA 及部分LB ，其中LB 之橫截面積小於LA 之橫截面積；部分L1 ，電漿沿該部分L1 產生；及總長度之部分L2 ，製程材料沿該部分L2 轉化成分離組分。在一些實施例中，波導之總長度L係1 cm至1000 cm。在一些實施例中，波導之長度L0 係1 cm至100 cm。在一些實施例中，波導之長度L1 係1 cm至100 cm。在一些實施例中，波導之長度L2 係1 cm至1000 cm。在一些實施例中，波導之總長度L係30 cm至60 cm。在一些實施例中，波導之長度L0 係10 cm至40 cm。在一些實施例中，波導之長度L1 係10 cm至30 cm。在一些實施例中，波導之長度L2 係5 cm至20 cm。在一些實施例中，FEWG長度之部分LA 針對2.45 GHz之微波頻率係例如0-10吋，但該長度可根據所使用之微波頻率而變化。在一些實施例中，FEWG長度之部分LB 係例如10-20吋，此將取決於諸如氣流速度及微波功率之因素。例如，更高的氣流速度將擴大反應區長度。在一些實施例中，長度L1 為波導長度L之大於10%、或大於20%、或大於30%或大於40%或大於50%、或大於60%、或大於70%、或大於80%、或10%至90%、或20%至80%、或30%至70%。在一些實施例中，長度L2 為波導長度L之大於5%、或大於10%、或大於15%或大於20%、或大於25%或大於30%、或大於35%、或大於40%、或大於45%、或大於50%、或大於55%、或大於60%、或1%至90%、或1%至70%、或1%至50%、或10%至50%、或10%至40%、或20%至40%。
在一些實施例中，FEWG(例如，圖2中之205及圖3中之305)經組配以維持壓力為0.1 atm至10 atm、或0.5 atm至10 atm、或0.9 atm至10 atm、或大於0.1 atm、或大於0.5 atm、或大於0.9 atm。在許多習知系統中，微波化學處理係在真空下操作。然而，在電漿係在FEWG內產生之本發明之實施例中，在正壓環境中操作有助於防止所產生之電漿反饋至微波能量源(例如，圖2中之204及圖3中之304)中。
FEWG(例如，圖2中之205及圖3中之305)可具有在長度LB 內的尺寸為0.75吋乘3.4吋之矩形橫截面，以對應於2.45 GHz之微波能量頻率。LB 之其他尺寸針對其他微波頻率係可能的，且取決於波導模態，此等橫截面尺寸可為3-6吋。FEWG(例如，圖2中之205及圖3中之305)可具有在長度LA 內的尺寸為例如1.7吋乘3.4吋之矩形橫截面，以對應於2.45 GHz之微波能量頻率。LA 之其他尺寸針對其他微波頻率係可能的。FEWG可由任何先天導電材料或具有足夠的導電塗層以傳播大於90%之傳入功率之材料製成。FEWG材料之一些實例為金屬材料、具有導電塗層之金屬材料、陶瓷材料、具有導電塗層之陶瓷材料、不銹鋼、塗有導電層(例如，Al、Ni、Au或Ni/Au合金)之不銹鋼、具有鋁襯裡之不銹鋼、或塗有導電層之陶瓷材料。應注意，FEWG充當在其中產生電漿且發生製程材料反應之腔室，而非如同習知系統中一樣具有單獨的波導及石英反應腔室。使FEWG充當反應器腔室提供可在其中發生氣體反應之大得多的體積(例如，至多1000 L)。這實現了待處理之製程材料之高流率，而不受如在習知系統中發生的碳微粒堆積的限制。例如，經由入口(例如，圖2中之202及圖3中之310)進入波導(例如，圖2中之205及圖3中之305)之製程材料流率可為1 slm (標準公升/分鐘)至1000 slm、或2 slm至1000 slm、或5 slm至1000 slm、或大於1 slm、或大於2 slm、或大於5 slm。經由入口(例如，圖2中之202及圖3中之302)進入波導(例如，圖2中之205及圖3中之305)之供應氣體流率可為例如1 slm至1000 slm、或2 slm至1000 slm、或5 slm至1000 slm、或大於1 slm、或大於2 slm、或大於5 slm。取決於產生足夠的電漿密度之氣體電漿性質(例如，二次電子發射係數)，流量可為1 slm至1000 slm且壓力為至多14 atm。
在一些實施例中，製程材料係經由製程材料入口提供至FEWG中之液體。可用作製程材料之液體之一些實例為水、烷烴、烯烴、炔烴、芳族烴、飽和及不飽和烴(例如，烷烴、烯烴、炔烴、或芳族烴之飽和及不飽和烴)、乙醇、甲醇、異丙基醇(亦即，異丙醇)、或其混合物(例如，乙醇/甲醇之50/50混合物)。在一些實施例中，以上列出之液體製程材料將產生碳及氫氣分離組分。在一些實施例中，液體之流率可為進入反應器之供應氣體流之百分比，諸如0.001%至1000%、或0.001%至100%、或0.001%至10%、或0.001%至1%、或0.001%至0.1%、或0.01%至1000%、或0.01%至100%、或0.01%至10%、或0.01%至1%、或0.01%至0.1%。
在一些實施例中，製程材料係經由製程材料入口提供至FEWG中之膠體分散液(亦即，懸浮於液體或氣體中的固體粒子之混合物)。舉例而言，膠體分散液可包括碳質粒子。可用作製程材料之膠體分散液之一些實例為與液體或氣體混合之來自第16族、第14族、第10族、第9族、第5族、第2族、第1族之固體粒子、其合金及其混合物。在一些實施例中，以上列出之固體粒子可與液體混合，該等液體諸如水、烷烴、烯烴、炔烴、芳族烴、飽和及不飽和烴(例如，烷烴、烯烴、炔烴、或芳族烴之飽和及不飽和烴)、乙醇、甲醇、異丙基醇、或其混合物(例如，乙醇/甲醇之50/50混合物)。氣體之實例為第1族及第15-18族，以及無機化合物(例如，第14族之氫化物)。可自以上列出之膠體分散液製程材料產生之分離組分之一些實例為塗在有機材料中之固體無機材料(例如，塗有石墨烯之矽)，及具有有機/無機材料夾層之複合材料(例如，具有囊封住矽之碳層之矽核心，該碳層塗有額外無機層)。在一些實施例中，膠體分散液之流率可為進入反應器之供應氣體流之百分比，諸如0.001%至1000%、或0.001%至100%、或0.001%至10%、或0.001%至1%、或0.001%至0.1%、或0.01%至1000%、或0.01%至100%、或0.01%至10%、或0.01%至1%、或0.01%至0.1%。
在一些實施例中，製程材料為氣體。在一些實施例中，製程材料為烴氣體，諸如C2 H2 、C2 H4 、C2 H6 。在一些實施例中，製程材料為甲烷，且分離組分為氫及奈米微粒碳。在一些實施例中，製程材料為帶水之二氧化碳，且分離組分為氧、碳及水。在一些實施例中，製程材料為H2 S，且分離組分為氫氣及硫。在一些實施例中，製程材料不含二氧化碳。在一些實施例中，製程材料為基於複雜氣體之材料，例如SiH4 、三甲鋁(trimethylaluminum，TMA)、三甲鎵(trimethylgallium，TMG)、縮水甘油甲基丙烯酸酯(glycidyl methacrylate，GMA)、SF6 、或半導體工業中用於金屬及介電質之沈積與蝕刻之其他材料。
在一些實施例中，分離組分中之一者為奈米微粒碳，諸如但不限於碳黑、碳奈米洋蔥(CNO)、頸狀CNO、碳奈米球、石墨、熱解石墨、石墨烯、石墨烯奈米粒子、石墨烯小片、富勒烯、混合富勒烯、單壁奈米管及多壁奈米管。此等奈米微粒碳中之一或多者可在特定製程運行期間產生。在一些實施例中，分離組分包含黏聚物中之奈米微粒碳——該奈米微粒碳亦可描述為聚集體粒子。在一些狀況下，黏聚物或聚集體粒子包含許多奈米微粒碳粒子。在一些實施例中，黏聚物或聚集體粒子包含奈米微粒碳粒子且具有大於50微米、或大於100微米、或大於200微米、或大於300微米、或大於500微米、或大於1000微米、或1微米至1000微米、或10微米至1000微米、或100微米至1000微米、或100微米至500微米之平均直徑。 在微波化學處理系統中調諧微波能量
不同的製程材料需要不同量之能量來反應成不同的分離組分。在本揭示內容中，可藉由改變電漿之平均能量來選擇可利用的反應路徑。在一些實施例中，使耦合至電漿之微波能量脈衝化，且藉由控制微波能量脈衝持續時間及頻率、工作循環、形狀、及時間平均輸出功率位準來選擇電漿之平均能量且因此選擇反應路徑。在微波化學處理系統中調諧微波能量之額外細節揭示於標題為「Microwave Chemical Processing」且在2016年11月15日申請之美國專利申請案第15/351,858號中，該美國專利申請案係本申請案之受讓人所擁有且特此以引用方式整體併入本文中。
在一些實施例中，藉由改變脈衝週期、藉由選擇脈衝頻率來控制電漿中之平均能量，以達成所需電漿能量。另外，在一些實施例中，藉由控制工作循環來控制電漿之平均能量。此可藉由考慮時間平均輸入功率及脈衝週期兩者皆保持恆定且工作循環有所變化的情形來理解。更短的工作循環將增加在微波能量開啟時耦合至腔室中之功率之量值。此係有利的，因為相對低的功率量(亦即，時間平均功率)可用於自反應路徑產生反應產物，該等反應路徑係在相同功率下以連續波所不可能促成的。
在一些實施例中，可藉由控制向電漿中之時間平均功率輸入來選擇反應路徑。例如，若工作循環及脈衝頻率保持恆定，且向微波發生器中之功率輸入有所增加，則電漿之能量將增加。舉另一實例，若工作循環及脈衝頻率保持恆定，且功率更有效地耦合至反應腔室中，則電漿之能量將增加。
在一些實施例中，可藉由控制微波能量脈衝之形狀來選擇反應路徑。在一些實施例中，微波脈衝為矩形波，其中功率在微波開啟時的脈衝週期之持續時間期間為恆定的。在一些實施例中，脈衝功率在微波功率開啟時的脈衝週期之持續時間期間不是恆定的。在一些實施例中，微波脈衝為三角波、或梯形波、或不同的波型態。在高能物質以更高的分數存在時的時間段期間(亦即，在脈衝開始時，在電漿達到平衡之前)，電漿可被稱為擴散性的。在一些實施例中，微波能量在電漿為擴散性的時間段內增加，從而增加電漿中高能物質之時間平均分數。
如上文所描述，調諧脈衝頻率、工作循環及脈衝形狀可使得能夠在電漿內產生更高分數之更高能量物質以獲得給定之時間平均輸入功率。更高能量物質可實現在其他情況下在能量方面並不有利的額外反應路徑。
上文之技術可進一步藉由使用待分離成氫及奈米微粒碳之甲烷(CH4 )作為示例性製程材料來理解。通常，需要4-6 eV來解離甲烷(CH4 )；然而，電漿能量通常在初始點火能量尖峰之後停留在大致1.5 eV。藉由使微波脈衝化，將平均電漿能量(亦即，時間平均電漿能量)維持在更高位準，其中脈衝之頻率及持續時間控制平均電漿能量。具體而言，可控制諸如頻率及工作循環之脈衝參數來提供4-6 eV之平均電漿能量以選擇甲烷之特定解離反應。使微波能量脈衝化之另一優點在於，能量更多地分佈遍及正在其中輸入微波之腔室。在習知系統中，在平衡狀態下，電漿在腔室中形成朝向微波輸入之位置之緻密的電離物質層，該緻密的電離物質層吸收傳入之微波能量且因此防止進一步的微波能量穿透至腔室中更深處。本揭示內容之高頻率脈衝維持電漿處於不平衡狀態達更大的時間分數，且緻密的電離物質層存在達更小的時間分數，從而允許微波能量穿透至腔室更深處且電漿在腔室內之更大體積中產生。
更一般而言，在本揭示內容之各種實施例中，電漿在脈衝週期之整個持續時間內之平均能量可為0.9 eV至20 eV、或0.9 eV至10 eV、或1.5 eV至20 eV、或1.5 eV至10 eV、或大於0.9 eV、或大於1.5 eV。電漿能量被調諧至之特定值將取決於所利用的製程材料之類型。
在上文所描述的微波處理系統中，微波能量源由微波發射器電路(例如，圖2中之207及圖3中之307)控制，該微波發射器電路可將自該源發射之微波能量控制為連續波或脈衝式的。在一些實施例中，微波發射器電路經由使用磁控管產生例如915 MHz、2.45 GHz、或5.8 GHz之微波能量。為控制微波能量之輸出功率，微波發射器電路可在各種頻率及工作循環下使磁控管脈衝化。每一微波發射器電路係針對特定範圍之脈衝頻率、工作循環、形狀及輸出功率位準來設計，其中此等參數之特定值之選擇係用於調諧製程材料中之化學反應路徑。
在一些實施例中，微波控制電路實現500 Hz至1000 kHz、或1 kHz至1000 kHz、或10 kHz至1000 kHz、或40 kHz至80 kHz、或60 kHz至70 kHz、或大於10 kHz、或大於50 kHz、或大於100 kHz之脈衝頻率。在一些實施例中，微波源發射具有1 kW至100 kW、或1 kW至500 kW、或1 kW至1 MW、或10 kW至5 MW、或大於10 kW、或大於100 kW、或大於500 kW、或大於1 MW、或大於2 MW之時間平均功率之連續波或脈衝式微波能量。脈衝週期具有其中微波功率開啟之第一持續時間，及其中微波能量關閉或與第一持續時間期間相比處於更低功率之第二持續時間。在一些實施例中，第二持續時間比第一持續時間長。針對給定系統之最佳工作循環取決於許多因素，包括微波功率、脈衝頻率及脈衝形狀。在一些實施例中，工作循環(亦即，其中微波能量開啟的脈衝週期之分數，表示為百分比)為1%至99%、或1%至95%、或10%至95%、或20%至80%、或50%至95%、或1%至50%、或1%至40%、或1%至30%、或1%至20%、或1%至10%、或小於99%、或小於95%、或小於80%、或小於60%、或小於50%、或小於40%、或小於30%、或小於20%、或小於10%。 具有多個場增強波導之微波化學處理反應器
圖4A至圖4D展示表示本揭示內容之微波化學處理系統之實施例的方塊圖，其中多個FEWG耦合至一或多個微波能量發生器(亦即，微波能量源)。此等實施例中之FEWG可共享上文所描述之系統之一些或全部特徵。此等實施例中之供應氣體及製程材料輸入亦可共享上文所描述之一些或全部特徵。在一些實施例中，每一FEWG具有一反應區。在一些實施例中，在該等FEWG中之每一者中於電漿區中自供應氣體產生電漿，且該等FEWG中之每一者之反應長度充當反應區以將製程材料分離成單獨組分。在一些實施例中，反應區連接在一起且微波化學處理系統具有用於分離組分之一個出口。在一些實施例中，反應區連接在一起且微波化學處理系統具有用於分離組分之多於一個出口。在一些實施例中，每一反應區具有其自己的用於分離組分之出口。
圖4A展示一實施例，其中存在耦合至多個FEWG 402之一個微波能量發生器401，且FEWG之反應區全部連接在一起以使得存在用於收集分離組分的單一出口403。
圖4B展示一實施例，其中存在耦合至多個FEWG 402之一個微波能量發生器401，且一些FEWG之反應區連接在一起以使得存在用於收集分離組分的多於一個出口403。
圖4C展示一實施例，其中存在耦合至多個FEWG 402之多於一個微波能量發生器401，且FEWG之反應區全部連接在一起以使得存在用於收集分離組分的單一出口403。
圖4D展示一實施例，其中存在耦合至多個FEWG 402之多於一個微波能量發生器401，且一些FEWG之反應區連接在一起以使得存在用於收集分離組分的多於一個出口403。
圖4A至圖4D出於說明性目的描繪了6個FEWG，但在其他實施例中，存在少於或多於6個FEWG。例如，在一些實施例中，存在耦合至每一微波能量發生器之1至10個FEWG。在一些實施例中，可使用功率組合器組合來自多於一個微波發生器之微波能量，且接著可將組合之微波能量耦合至多於一個FEWG中。自此種功率組合器發射之微波能量可能非常大，且可耦合至許多FEWG(例如，多於10個)中。在一些實施例中，使用多工將微波能量自單一微波能量源耦合至多個FEWG中。在一個實例中，多工係分時多工，其意謂在一個時刻將能量自微波能量源耦合至一組FEWG中，且在一隨後時刻使用開關將能量導向至不同的一組FEWG中。開關可用於使能量隨時間自單一微波能量源在許多組FEWG(例如，多於2組、或多於5組、或多於10組)之間循環，其中每組FEWG可含有多個FEWG(例如，多於2個、或多於5個、或1至10個)。圖4B及4D描繪兩個出口，但可存在多於兩個出口，且每一FEWG可具有其自己的用於收集分離組分的出口。在一些實施例中，存在用於收集分離組分的1至10個出口。圖4B及4D描繪連接至每一出口中之3個FEWG，但可存在連接至每一出口中的少於或多於3個FEWG，且每一FEWG可具有其自己的用於收集分離組分的出口。圖4C及4D描繪兩個微波能量發生器，但在一些實施例中，存在多於2個微波能量發生器。在一些實施例中，存在一起連接至每一出口中以用於收集分離組分的1至10個FEWG。
圖5A至圖5B展示本揭示內容之微波化學處理系統之實施例，其中多個FEWG使用不同的幾何結構耦合至一個微波能量發生器(亦即，微波能量源)。此等實施例中之FEWG可共享上文所描述之系統之一些或全部特徵。此等實施例中之供應氣體及製程材料輸入亦可共享上文所描述之一些或全部特徵。在一些實施例中，每一FEWG具有一反應區。在一些實施例中，在FEWG中之每一者中於電漿區中自供應氣體產生電漿，且該等FEWG中之每一者之反應長度充當反應區以將製程材料分離成單獨組分。在一些實施例中，反應區連接在一起且微波化學處理系統具有用於分離組分之一個出口。在一些實施例中，反應區連接在一起且微波化學處理系統具有用於分離組分之多於一個出口。在一些實施例中，每一反應區具有其自己的用於分離組分之出口。
圖5A展示具有歧管幾何結構之實施例，其中存在耦合至多個FEWG的一個微波能量發生器。微波能量501耦合至歧管波導502，且然後耦合至多個FEWG中。微波能量進入每一FEWG之大橫截面積區段，然後進入FEWG 503之場增強區，且然後耦合至FEWG 504之更小橫截面積反應區中。在圖5A所描繪之實施例中，所有FEWG全部連接在一起以使得存在用於收集分離組分的單一出口505。
圖5B展示具有網狀幾何結構之實施例，其中存在耦合至多個FEWG的一個微波能量發生器。微波能量501耦合至網狀波導502，且然後耦合至多個FEWG中。特定網狀波導尺寸取決於所使用之微波頻率。微波能量進入每一FEWG之大橫截面積區段，然後進入FEWG 503之場增強區，且然後耦合至FEWG 504之更小橫截面積反應區中。在圖5B所描繪之實施例中，所有FEWG全部連接在一起以使得存在用於收集分離組分的單一出口505。
圖5A至圖5B描繪耦合至呈歧管或網狀幾何結構之5個FEWG的一個微波能量發生器，但在其他實施例中，存在耦合至呈歧管或網狀幾何結構之少於或多於5個FEWG的一個微波能量發生器。在一些實施例中，可使用功率組合器組合來自多於一個微波發生器之微波能量，且接著可將組合之微波能量耦合至呈歧管或網狀幾何結構之多於一個FEWG中。自此種功率組合器發射之微波能量可能非常大，且可耦合至呈歧管或網狀幾何結構之許多FEWG(例如，大於10個)中。在一些實施例中，存在以歧管或網狀幾何結構耦合至每一微波能量發生器的1至10個FEWG。圖5A至圖5B描繪一個出口，但自以歧管或網狀幾何結構耦合至微波能量發生器之FEWG可存在多於一個出口。在一些實施例中，存在用於自以歧管或網狀幾何結構耦合至微波能量發生器之FEWG收集分離組分的1至10個出口。圖5A至圖5B描繪耦合至多個FEWG的一個微波能量發生器，但在一些實施例中，存在耦合至呈歧管或網狀幾何結構之1至10個FEWG的1至10個微波能量發生器。在一些實施例中，存在一起連接至每一出口中以用於自以歧管或網狀幾何結構耦合至微波能量發生器之FEWG收集分離組分的1至10個FEWG。
在一些實施例中，在歧管或網狀幾何結構波導502與FEWG 503之場增強區之間存在孔隙。此等孔隙之尺寸經定製以將來自歧管或網狀幾何結構波導502之微波能量有效地耦合至FEWG 503之場增強區。在一些實施例中，此等孔隙之尺寸係不同大小以平衡來自歧管或網狀幾何結構波導502之微波能量在FEWG 503的所有經耦合之場增強區之間的傳輸。
在一些實施例中，歧管或網狀幾何結構波導502之尺寸經定製以使得其形成共振腔且在歧管或網狀幾何結構波導502內存在微波能量駐波。在一些實施例中，微波能量駐波經調諧以有效地將微波能量耦合至FEWG 503的經耦合之場增強區中之每一者中。
在一些實施例中，存在自歧管或網狀幾何結構波導502至FEWG 503之場增強區之受控洩漏以有效地分配耦合至FEWG 504之反應區中之每一者中的微波能量之量。用於控制自歧管或網狀幾何結構波導502至FEWG 503之場增強區之洩漏且有效地分配耦合至FEWG 504之反應區中之每一者中的微波能量之量的一些設計實例為：改變波導之橫截面及/或長度；使用歧管或網狀幾何結構波導502與FEWG 503之場增強區之間的孔隙；改變歧管或網狀幾何結構波導502與FEWG 503之場增強區之間的定向角；使用位於歧管或網狀幾何結構波導內或位於FEWG內之長絲、點源、電極、及/或磁體(如下文將更詳細討論)；及此等設計特徵中之兩者或兩者以上之組合。 具有場增強波導之微波化學處理反應器中之額外特徵
除具有FEWG之微波處理系統之以上特徵之外，現將論述可在上文所描述之系統中使用之進一步的特徵。
圖6示出具有FEWG之微波製程系統，其中電漿係在一或多種前驅氣體中產生，其中前驅氣體係在製程材料流動至FEWG之反應區中的位置上游插入。前驅氣體藉由添加具有各種電離電位之物質來改良裂解效率。亦即，不同的氣體具有不同的電離能量，該電離能量係自原子或分子移除電子所需的能量之量。另外，各種氣體具有不同的成對產生(每離子可產生多少個電子)及二次電子發射性質(當帶電粒子撞擊表面時的電子發射)。因此，在本揭示內容中，可利用前驅氣體之使用來影響電漿之能量。
在圖6中，類似於先前實施例，微波氣體處理系統600包括微波能量發生器(亦即，微波能量源)604、FEWG 605、及微波發射器電路607。為了清晰起見，圖6之圖與先前圖式相比係簡化圖。供應氣體入口602接收前驅氣體620，該前驅氣體620補充供應氣體(未示出)以在波導中產生電漿。在各種實施例中，前驅氣體620可包括氫氣、氬氣、氦氣、或各種惰性氣體中之一或多者。類似於先前實施例，製程材料入口610經組配以接收待反應之製程材料。
在一些實施例中，製程材料之分離組分中之一或多者再循環回到進入FEWG 605之供應氣體及/或製程材料中。對於並非系統之所需輸出產物之前驅氣體(例如，在甲烷處理中的氬前驅氣體)，在後處理步驟中自分離組分630及632移除前驅氣體，該等分離組分630及632係自出口603輸出的。如圖6中所示，FEWG 605中之氣體反應產生分離組分630及632。例如，對於作為製程材料之甲烷，第一分離組分630可為碳且第二分離組分632可為H2 氣體(其係自原子氫H+ 重組，然後在出口603處被收集)。替代地，第一分離組分630可為CH2 且第二分離組分632可為氫氣H2 。分離組分632經由導管640再循環回到FEWG 605中，回到供應氣體入口602。再循環之分離組分632因此用作前驅氣體620。雖然使所產生之分離組分返回到反應系統中係違反直覺的，但組分之再循環向電漿添加能量，且在一些實施例中，亦可有助於製程材料之熱裂解，因為再循環之組分已在氣體處理期間加熱。在一些實施例中，例如，針對其中產生總共150-200 slm之H2 的製程，分離組分632可為再循環回到FEWG 605中的2-10 slm之H2 。如多個因素(諸如製程材料之流率及/或希望添加至製程以起始目標化學路徑之能量之量)所決定，可使分離組分632之其他量或部分再循環。
在一些實施例中，一些或全部供應氣體含有製程材料之一或多種再循環之分離組分。例如，供應氣體可為氫氣，且製程材料可為甲烷，使甲烷反應以形成氫氣及碳，且由甲烷產生之氫氣之至少一部分可再循環且用作供應氣體。使所產生之氫氣再循環有益地改良總體氣體處理之效率，因為由氫氣形成之電漿在裂解製程材料分子中之烴鍵方面係高效的。另外，在一些實施例中，再循環之H2 已處於高溫，且因此需要更少的能量輸入來達成熱裂解能量。在一些實施例中，供應氣體為藉由外部源提供之H2 ，再循環之H2 被添加至該外部源。在此等實施例中，所產生之電漿為氫電漿。
圖7示出具有FEWG及長絲之微波製程系統。在圖7之實施例中，類似於先前實施例，微波處理系統700包括微波能量發生器(亦即，微波能量源)704、FEWG 705、及微波發射器電路707。微波能量709由微波能量源704供應，以在沿著FEWG 705之長度L之方向上傳播。在此實施例中，供應氣體入口702置放於部分L0 之進口附近，而非如先前實施例中所示出那樣置放於部分L1 (亦即，電漿區)之進口處。一或多根金屬長絲720置放於FEWG 705內以輔助電漿之點火及/或電漿內更高能量物質之激發。在此實施例中，金屬長絲720位於第一氣體入口702下游，位於FEWG之電漿區部分L1 (與更靠近微波能量發生器之FEWG相比具有更小的橫截面積)之進口附近。在其他實施例中，長絲720可位於FEWG 705之總長度L之部分L1 內之其他位置處，其中L1 為波導中形成電漿之區域，如關於先前實施例所描述。在一些實施例中，長絲720位於FEWG之部分L1 內且位於製程材料入口710上游，因此其將位於部分L2 (亦即，圖3所示之長度L2 )外部，在該部分L2 中反應正在發生且其可用經反應之物質塗佈該長絲。長絲720之存在可藉由提供點火位點、藉由集中微波能量709之電場來降低電漿點火電壓。另外，長絲720可受到加熱且經由熱離子發射來發射電子，從而進一步有助於降低電漿點火電壓。雖然在此實施例中將長絲720示出為單一線材，但長絲720可採取其他組態，諸如線圈或多個長絲。在一些實施例中，長絲720為鎢。在一些實施例中，長絲可被主動供能(供電)或可為被動的。在一些實施例中，長絲720為鄰近於加熱器線圈之鋨長絲(例如，組配為板、或線圈、或其他形狀)。在一些實施例中，長絲720為處於感應線圈之場內的鐵質材料。在一些實施例中，長絲720被主動加熱，其中主動組件(例如，加熱源組件)位於波導705外部且被加熱之長絲材料處於波導705內部。
圖8示出具有FEWG及電子源之微波製程系統之實施例。如同先前實施例中一樣，微波處理系統800包括供應氣體入口802、FEWG 805、及供應微波能量809之微波能量發生器(亦即，微波能量源)804。微波處理系統800亦包括一或多個電子源820以輔助電漿之點火及/或電漿內更高能量物質之激發。電子源820經組配以將電子注入至FEWG 805中，進而減小將電漿點火所需要的初始能量之量。可因此藉由控制存在的電子之量來控制電漿之點火位準。在一些實施例中，將電子注入至FEWG 805之總長度L之部分L1 中，其中L1 為FEWG中形成電漿之區域，如上文所描述。例如，在此實施例中，電子源820經組配以在第一氣體入口802下游將電子供應至FEWG 805中。在一些實施例中，電子源820為場發射源。在一些實施例中，電子源820含有鄰近於加熱器線圈之鋨元件。在一些實施例中，電子源820含有處於感應線圈之場內的鐵質材料。在一些實施例中，電子源820含有如上文所描述的長絲，且使用高壓電場將所產生之電子注入至部分L1 中。在一些實施例中，電子源820替代地為離子源。
在FEWG內使用長絲720及/或電子源820之優點在於，其使得電漿能夠足夠快速地形成以跟上快速的微波脈衝頻率(例如，處於大於500 Hz、或大於1 kHz之頻率)，即使在高的氣體流量(例如，大於5 slm)及大的氣體體積(例如，至多1000 L)的情況下亦如此。在高壓力(例如，大於0.9 atm、或大於1 atm、或大於2 atm)下，此係尤其重要的，因為高能物質在高壓力大氣壓中將快速熄滅，且若電漿無法足夠快速的點火，則在高壓力下，脈衝化電漿中將存在低分數之高能物質(亦即，隨時間整合的)。
圖8亦示出具有FEWG之本發明之微波製程系統中的電極830之實施例。電極830可獨立於圖6之前驅氣體620、圖7之長絲720或圖8之電子源820使用或與前述各項組合使用。在一些實施例中，系統800含有一或多組電極830以將能量添加至電漿。電極經組配以在FEWG 805之總長度L之部分L1 內產生電場，其中L1 為FEWG中形成電漿之區域，如上文所描述。電極830在圖8中體現為具有相反電荷之一對共面電極，該對共面電極處於FEWG 805的其中產生電漿806之部分外部且處於該部分之相反側上。電極可被供能至特定電壓以將電漿內之帶電物質加速至所需程度，因此控制電漿能量。此實施例之電極可與連續波微波能量一起使用，但與脈衝式微波輸入組合為尤其有效的。在具有電極及連續微波能量之習知系統中，電極之間的電漿將在平衡狀態下局部化(例如，在電極附近)，且屏蔽電場與電極，從而限制電極將能量添加至電漿之能力。然而，當使微波脈衝化時，電漿將在不平衡狀態下存在達更大的時間分數，且將屏蔽電極之電場達更小的時間分數。
在一些實施例中，本揭示內容之微波處理系統將包括磁體(未示出)以將電漿限制在反應區中且降低用於產生電漿之點火電壓。在一些實施例中，磁體為永磁體或為電磁體。磁體可經定位以便電漿密度分佈可得以控制。在一些實施例中，磁體將增加部分L1 中之電漿密度，從而將改良藉由電漿來分離製程材料之效率。
在一些實施例中，使用長絲、點源、電極、及/或磁體來定製FEWG內之局部阻抗。在一些實施例中，使用長絲、點源、電極、及/或磁體來增加FEWG之反應區內之電漿密度。
如先前所描述，耦合至含有具有以下各項的組合之反應區之FEWG的微波能量發生器可實現具有低能量輸入需求之成本有效的高生產力化學氣體處理系統：脈衝式微波能量、高的氣體流量(例如，大於5 slm)、大的電漿體積(例如，至多1000 L)、高壓力(例如，大於0.1 atm或大於0.9 atm、或大於2 atm)、用於在每一脈衝開始時輔助電漿點火之長絲或電子源、及/或用於進一步將能量添加至電漿之電極。
具有以上特徵之氣體處理系統係以此方式組配以使得電漿得以產生且製程材料在FEWG自身內分離成組分，諸如圖2、圖3、圖4A至圖4D、圖5A至圖5B、圖6、圖7及圖8中所描繪之實例。在此等系統中，微波能量在產生分離組分之反應上游進入系統，且因此分離組分積累在反應器之微波進入窗口上且在微波能量可產生電漿之前吸收該微波能量的問題得以減輕。在本文所描述之實施例中，FEWG的其中產生分離組分之部分充當反應腔室，且穿過反應腔室之供應氣體流及/或製程材料流平行於微波能量在FEWG中之傳播方向。微波能量在FEWG的充當反應腔室之部分上游進入FEWG，在該反應腔室中產生分離組分。
在一些實施例中，在具有利用連續波(CW)微波能量之FEWG之微波氣體處理系統中可使用氣體再循環、長絲、及電子源。在利用CW微波能量之實施例中，氣體再循環、長絲、及電子源將仍然有利於改良系統之氣體處理效率，降低電漿之點火電壓，且控制電漿之密度分佈。
在一些實施例中，分離組分可在產生分離組分之反應下游黏附於FEWG之壁，儘管FEWG中有大體積之反應區。雖然此不會阻止電漿產生，但其仍然表示系統中之生產損失及污染源。因此，在一些實施例中，供應氣體之氣流及製程材料可經設計以在沈積區域附近產生電漿，以移除沈積於波導壁(或，反應腔室壁)上之分離產物。在一些實施例中，供應氣體及/或製程材料之額外入口可經組配以將氣體導向至沈積區域，從而移除沈積在波導壁(或，反應腔室壁)上之分離產物。 微波氣體處理方法
圖9為表示用於氣體之微波處理之方法的示例性流程圖900，該等方法在利用FEWG之高效率氣體反應中使用化學控制。在步驟910中，經由具有一長度之FEWG供應微波能量，其中該微波能量在沿該FEWG之方向上傳播。微波能量可為脈衝式的或連續波。在一些實施例中，將具有小於100 kW、或1 kW至100 kW、或1 kW至500 kW、或1 kW至1 MW、或10 kW至5 MW、或大於10 kW、或大於100 kW、或大於500 kW、或大於1 MW、或大於2 MW之時間平均功率的微波能量供應至FEWG中。在一些實施例中，FEWG內之壓力為至少0.1個大氣壓，諸如0.9 atm至10 atm。在步驟920中，在沿FEWG之長度的第一位置處將供應氣體提供至該FEWG中，其中大部分供應氣體在微波能量傳播之方向上流動。在步驟930中，在FEWG之長度之至少一部分中於供應氣體中產生電漿。在步驟940處，在位於第一位置下游的第二位置處將製程材料添加至FEWG中。在一些實施例中，大部分製程材料在微波傳播之方向上以大於5 slm之流率流動。
可選地，在步驟950中，控制電漿之平均能量以將製程材料轉化成分離組分。平均能量可例如為0.8 eV至20 eV。在一些實施例中，脈衝頻率受控制，其中脈衝頻率大於500 Hz。例如，微波能量之脈衝頻率可為500 Hz至1000 kHz。在一些實施例中，除脈衝頻率之外或代替脈衝頻率，控制脈衝式微波能量之工作循環，其中工作循環小於50%。
請注意，圖9中之步驟可以不同於所示順序的順序執行。例如，製程氣體940可在與製程920相同的點添加；亦即，在於步驟930中產生電漿之步驟之前。在另一實例中，步驟950中之電漿能量控制可結合步驟930中之電漿產生來執行。
在一些實施例中，製程材料為甲烷，且分離組分包含氫及奈米微粒碳。例如，奈米微粒碳可包括一或多種形式之石墨烯、石墨、碳奈米洋蔥、富勒烯或奈米管。
在一些實施例中，在第一位置處將前驅氣體添加至供應氣體，該前驅氣體包含氫氣或惰性氣體。在一些實施例中，分離組分包含H2 ，且分離組分H2 之至少一部分再循環回到第一位置。在此等實施例中，供應氣體包含H2 ，且電漿包含氫電漿。
在各種實施例中，方法包括在FEWG中提供金屬長絲，該金屬長絲用來降低用於產生電漿之點火電壓。在各種實施例中，方法包括向系統提供一對電極，其中該等電極經組配以將能量添加至FEWG中之所產生之電漿。 實例
在圖10A之簡化等角圖及10B之照片中所示之測試系統上演示了在波導內產生電漿及反應區之概念。圖10A及10B之系統包括進入波導1002的微波能量1001，且電漿係在耦合至波導1002的波導1004之反應腔室部分中產生。所演示系統中之波導之場增強部分包含橫截面積之突然改變1003，而非如先前實施例中所描述之錐形改變。此實例中之波導之反應區部分具有如圖10B之內部平面圖中所示的圓形橫截面。如圖10B中所示，波導1004之反應區亦含有長絲1006，用以進一步增強反應區中之場。此實例中之長絲由鉭、鈦或鎢製成，且用來集中微波能量之電場，從而增加反應區中之電漿密度且輔助進行反應以將製程材料分離成分離組分。
在此實例中，進入波導1002的微波功率為1 kW至1.5 kW。此實例中之供應氣體為以0.1 slm至1 slm之流率引入至波導1002中的具有各種百分比之氬氣的氫氣，且製程氣體為以0.1 slm至2 slm之流率引入至波導1002中的甲烷。此實例中之分離組分為碳同素異形體之微粒，及氫氣，且在出口1005處被收集。
雖然已關於本發明之特定實施例詳細描述了本說明書，但應瞭解，熟習此項技術者在獲得對前述內容之理解後，可容易想到此等實施例之替代方案、變化及等效物。在不脫離本發明之範疇的情況下，一般技藝人士可實踐本發明之此等及其他修改及變化。此外，一般技藝人士將瞭解，前述描述僅為舉例說明，且不意欲限制本發明。
100、300‧‧‧微波化學處理系統101‧‧‧反應腔室102、202、302、310、602、610、702、710、802‧‧‧入口103、203、303、403、505、603、1005‧‧‧出口104、204、304‧‧‧微波能量源105、1002、1004‧‧‧波導106‧‧‧微波電漿107、607、707‧‧‧微波發射器電路108‧‧‧製程材料109、209、309、501、709、809、1001‧‧‧微波能量200‧‧‧微波化學處理反應器201、301‧‧‧反應區/反應區部分205、305、402、503、504、605、705、805‧‧‧FEWG206‧‧‧微波電漿/電漿207、307‧‧‧微波電路208a‧‧‧供應氣體及/或製程材料208b‧‧‧供應氣體及/或製程材料流210、211‧‧‧壓力障壁212‧‧‧壓力噴氣口306‧‧‧微波電漿308a‧‧‧供應氣體308b‧‧‧供應氣體流311a‧‧‧製程材料311b‧‧‧製程材料流401‧‧‧微波能量發生器502‧‧‧歧管或網狀幾何結構波導600‧‧‧微波氣體處理系統604、704、804‧‧‧微波能量發生器(亦即，微波能量源)620‧‧‧前驅氣體630、632‧‧‧分離組分640‧‧‧導管700、800‧‧‧微波處理系統720、1006‧‧‧長絲806‧‧‧電漿820‧‧‧電子源830‧‧‧電極900‧‧‧示例性流程圖910、920、930、940、950‧‧‧步驟1003‧‧‧橫截面積之突然改變L、LA、LB、L0、L1、L2‧‧‧長度
圖1A為習知微波化學處理系統之垂直橫截面。
圖1B至圖1C展示本揭示內容之波導之示例性幾何結構及尺寸。
圖2為根據本揭示內容之一些實施例的微波氣體處理系統之簡化垂直橫截面。
圖3為根據本揭示內容之進一步實施例的微波氣體處理系統之簡化垂直橫截面。
圖4A至圖4D為根據本揭示內容之實施例的具有多個場增強波導及多個微波能量源之微波化學處理系統的方塊圖。
圖5A至圖5B為根據本揭示內容之實施例的其中多個場增強波導耦合至一個微波能量發生器之微波化學處理系統的簡圖。
圖6為根據本揭示內容之實施例的具有前驅氣體輸入之微波氣體處理系統的簡化垂直橫截面。
圖7為根據本揭示內容之實施例的具有長絲之微波氣體處理系統的簡化垂直橫截面。
圖8為根據本揭示內容之實施例的微波氣體處理系統之簡化垂直橫截面，其中描繪了電子源及電極。
圖9為根據本揭示內容之實施例的用於氣體之微波處理之方法的示例性流程圖。
圖10A至圖10B展示用於演示在波導內產生電漿及反應區之概念的測試系統。
200‧‧‧微波化學處理反應器
201‧‧‧反應區/反應區部分
202‧‧‧供應氣體及/或製程材料入口
203‧‧‧出口
204‧‧‧微波能量源
205‧‧‧FEWG
206‧‧‧微波電漿/電漿
207‧‧‧微波電路
208a‧‧‧供應氣體及/或製程材料
208b‧‧‧供應氣體及/或製程材料流
209‧‧‧微波能量
210、211‧‧‧壓力障壁
212‧‧‧壓力噴氣口
L、LA、LB、L0、L1、L2‧‧‧長度

Claims (16)

  1. 一種反應器系統，其包含：一微波能量源，其經組配以產生一微波能量；一場增強波導(FEWG)，其用以作為一反應腔室並且耦合至該微波能量源，該FEWG包含：一第一橫截面積及一第二橫截面積，該第二橫截面積比該第一橫截面積更遠離該微波能量源；一場增強區，其設置在該第一橫截面積與該第二橫截面積之間並且具有沿該FEWG之長度遞減的一橫截面積，該FEWG進一步包含：一供應氣體入口，其經組配以接收一供應氣體；一反應區，其沿著該FEWG之長度設置在該供應氣體入口的下游並且經組配以響應該供應氣體被該微波能量源激發來產生一電漿；及一製程入口，其位在自該供應氣體入口的下游並且經組配以將一原材料注入該反應區內；一對電極，其位在該FEWG之靠近該反應區的相對立側之外部，該對電極經組配以產生一電場，該電漿與該原材料通過該電場而結合；及一出口，其經組配以輸出由該電漿與該原材料之結合所產生的一碳結構物。
  2. 如請求項1之反應器系統，其中該製程入口位在靠近該電漿處。
  3. 如請求項1之反應器系統，其中該反應區具有至少約0.1大氣壓的一壓力。
  4. 如請求項1之反應器系統，其中該供應氣體包含氫、氦或一惰性氣體。
  5. 如請求項1之反應器系統，其中該FEWG的形狀由一個或多個壁所界定。
  6. 如請求項1之反應器系統，其中該製程入口經組配以使該原材料以大於約5標準公升/分鐘(slm)的流率流入該反應區。
  7. 如請求項1之反應器系統，其中該原材料更包含一氣體、一液體或一膠體分散液。
  8. 如請求項1之反應器系統，其中該對電極經組配以在該FEWG內產生一電場。
  9. 如請求項1之反應器系統，其中該對電極至少部分地環繞該FEWG。
  10. 如請求項1之反應器系統，其中該供應氣體至少被部分地消耗以產生該電漿。
  11. 如請求項1之反應器系統，其中該微波能量源經組配以調整該微波能量的一脈衝頻率、一脈衝工作循環、一脈衝形狀或一輸出功率位準中的一或多者。
  12. 如請求項1之反應器系統，其中該原材料更包含碳質粒子、膠體分散液或複數固體粒子中的任一或多者。
  13. 如請求項12之反應器系統，其中該等複數固體粒子經組配以與液體形式的水、烷烴、烯烴、快烴、芳族烴、飽和烴或不飽和烴中的任一或多者混合。
  14. 如請求項1之反應器系統，其中該原材料更包含塗在有機材料中之固體無機材料、塗有石墨烯之矽、具有有機或無機材料夾層之複合材料或具有囊封住矽核心之碳層之矽核心中之任一或多者。
  15. 如請求項1之反應器系統，其中該原材料更包含硫、SiH4、三甲鋁、三甲鎵或縮水甘油甲基丙烯酸酯中之任一或多者。
  16. 如請求項1之反應器系統，其中該電漿經組配以使該原材料在該反應區中轉化成分離組分。
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