本发明涉及微波等离子反应器。发现该设备尤其在等离子消除(plasma abatement)系统中有用，但本发明并不局限于这种系统。

CF4、C2F6、NF3及SF6一般地用于半导体制造工业中，比如用于电介质层蚀刻及腔室清洁中。伴随着制造或清洁过程，从处理工具中泵抽出来的废气流内典型地具有残余PFC(全氟化碳)。全氟化碳难以从废流中除去，并且它们释放到环境中是不合需要的，因为众所周知，它们具有相对较高的温室活性。

等离子消除已被证明是一种用于降解全氟化碳以便减少破坏性核素的有效方法。在等离子消除过程中，包含待破坏核素的废气导致流动到高密度等离子中，并且在等离子内的强化条件下，全氟化碳遭受高能电子的撞击，从而导致离解成反应性核素，反应性核素可与氧或氢结合以便产生相对稳定且分子重量低的副产品，比如CO、CO2及HF，其然后可在进一步的处理步骤中被除去。

在过去已知的一种等离子消除形式，等离子是微波等离子。微波等离子反应器的一个例子描述于英国专利GB2,273,027中。在该装置中，微波等离子产生在位于腔室内且互相面对并靠近的两个电极之间，电极中的其中一个具有轴孔，激化气态介质经该轴孔而从腔室中排出去。

在这种反应器中，微波辐射借助波导管而从微波发生器传导于腔室内。为了减少被波导管反射回微波发生器内的微波辐射的量，波导管上设置有一个或多个大致正交地延伸进入其内的调整螺钉。通过调节螺钉中的每一个延伸到波导管内的量，微波辐射被波导管反射回微波发生器的量得以最小化。然而，调整螺钉的存在导致吸收到等离子内的能量减小。

本发明提供一种微波等离子反应器，其包括反应器腔室；位于该反应器腔室内的微波共振腔；用于将微波辐射传导于共振腔的波导管，波导管具有会聚渐缩部；在共振腔内从微波辐射形成电磁驻波的装置，微波辐射用于维持共振腔内的等离子，共振腔具有气体入口与气体出口；及从气体出口延伸的管路装置，用于容纳随着从气体入口流到气体出口的气体而从共振腔传导的等离子。

波导管渐缩部的存在用于调整波导，以便抑制微波辐射在波导管内的反射，而不减小在共振腔内产生的等离子所吸收的能量。

波导管的渐缩部优选地靠近腔室而定位，并且优选地具有微波辐射在其内传播的方向内的长度，该长度大约等于微波辐射波长的一半。

波导管的渐缩部优选地具有第一，优选地大致为矩形的端面，用于接收微波辐射，并且该端面具有大致平行于微波辐射的电场TE01的第一高度；及第二，优选地大致为矩形且与第一端面相对的端面，该端面具有小于第一端面的第二高度。第二端面的高度优选地大致等于共振腔的高度。通过将波导管高度从第一高度减小至第二高度，电场强度得以增加。波导管的渐缩部优选地包括两个会聚侧面，每个会聚侧面在第一端面之间延伸，并且相对于第一端面而倾斜成锐角。

对于具有与电场正交且大约相同的宽度的矩形波导管而言，电场强度的增加与波导管高度的减小直接地成正比例。电场强度的增加可以足够，从而使等离子可仅仅借助微波辐射而产生于共振腔内。

由于等离子包含于管路装置内，优选地提供用于冷却管路装置的装置。比如，可以提供用于将冷却剂比如水或其它水溶液喷射到管路装置外表面上的装置，以便冷却管路装置。

用于在共振腔内形成电磁驻波的装置优选地包括安装在与波导管相对的反应器腔室内，用于接收来自共振腔的微波辐射，并且具有大致垂直于微波穿过腔室的传播方向的端面，用于将微波辐射反射回共振腔内。为了优化进入维持于共振腔内的等离子的能量吸收，第二腔室内优选地容纳有与第二腔室的端面隔开的调整装置。调整装置可包括导电且优选地为圆柱形的调整器，该圆柱形调整器垂直于微波辐射经过第二腔室的传播方向而延伸，并且该调整器优选地可相对于第二腔室而移动以便调整第二腔室。

共振腔优选地包括至少一个位于其内的电介质插入件，电介质插入件限定了大致为圆柱形的气室，用于接收来自气体入口的气体并且将气体传导至气体出口，其中该气体出口与气室大致同轴。气室可具有圆形或椭圆形截面。该至少一个电介质插入件可方便地包括两个电介质板部件，每个电介质板部件具有弯曲侧壁部。

为了增加共振腔内的电场，反应器优选地包括导电部件，该导电部件突出到共振腔内的电磁场中，并且优选地突出于电场强度为峰值的位置处，并且优选地延伸到电磁场内，该电磁场大致垂直于微波经过反应器腔室的传播方向。发明人已经发现：突出到共振腔内的单个导电部件的存在可将电场强化到一定程度，从而使等离子可借助具有相对较低功率，比如2到6kW功率的微波辐射而被点燃并维持。

由于导电部件在反应器使用过程中可能的腐蚀，导电部件优选地包括突出到共振腔内的可替换末端。末端优选地由耐腐蚀及耐热材料比如钨、铜或钨合金形成。为了提供对末端的冷却，从而在反应器使用过程中延长其寿命，末端可选地为空心状并且包括多个围绕该末端延伸的开口。在共振腔的气体入口与气体出口之间流动的气体可穿过开口，从而将末端冷却。开口中的每一个具有一定直径，该直径的尺寸使得微波辐射能够穿过开口。

导电部件优选地包括与末端接合的导电体部。可提供环状冷却剂沟道，环状沟道围绕导电体部而延伸，并提供有用于将冷却剂传导至环状沟道与将冷却剂自环状沟道传走的装置。

导电体部优选地包括用于接收反应剂的气体入口端口，该反应剂用于与经由共振腔而传导的气体反应，导电体部优选地包括用于将反应剂传导至共振腔内的通道。当反应器作为等离子消除系统的一部分而提供的时候，根据待消除且经由腔室传导的气体的成份，将反应剂引入到共振腔内以便与待消除气体进行反应是有利的。比如，当待消除气体为全氟化或氢氟烃化合物的时候，比如为CF4、C2H6、CHF3、C3F8、C4F8、NF3及SF6的时候，反应剂比如H2或H2O可经由导电部件的开孔而传导至共振腔内，从而在等离子内形成用于与待消除气体反应的H或OH基。

导电部件优选地相对于气体出口而定位。气体入口优选地延伸穿过该至少一个电介质插入件，并且优选地设置成大致切向地将气体引入气室中。从而促进气体在腔室内打转，并获得末端下方均匀的气体压降，进而优化了等离子。反应器腔室优选地包括位于其侧壁内的透明检测窗口，该至少一个电介质插入件具有形成于其内的开孔，该开孔在气室与窗口之间延伸。

导电部件在电场内的存在可能妨害波导管与共振腔之间的阻抗匹配，并且这可能导致微波辐射经由波导管并朝着微波发生器而反射回去，因此减小了由等离子吸收的能量。如果反射能量太高的话，微波发生器将被破坏。因此，可提供与导电部件同轴的调整器，从而使导电部件平面内的阻抗在微波辐射频率处与波导管的阻抗匹配。

导电部件优选地固持在安装于腔室上的固持器内。腔室优选地包括靠近共振腔而定位的圆柱孔，且固持器延伸到该孔内。固持器与腔室均优选地由导电材料形成，且固持器与腔室电性地接触。固持器优选地包括安装在腔室上且向外延伸的边缘，用于在腔室与固持器之间形成气密性密封。边缘可与腔室电性地接触。此外，自边缘向下悬垂的环状圆环也可以与腔室电性地接触。边缘的基部与导电部件的端部之间的距离优选地选择成将共振腔内的电磁场最大化。固持器优选地包括具有圆锥突出部的细长体部，用于将导电部件的末端保持于其内。

导电部件内可容纳有将等离子在共振腔内点燃的装置。等离子点燃装置优选地包括产生辉光放电的装置，该装置优选地包括位于导电部件内的细长电极。辉光放电气体优选地传导至电极，用于形成辉光放电，导电部件提供有通道，该通道使辉光放电气体能够将辉光放电传导至共振腔，以便将等离子在共振腔内点燃。辉光放电气体可以为氮气或惰性气体或任何其它大致地惰性及可电离的气体。当要求反应剂与传导经过共振腔的气体反应的时候，反应剂可包含于辉光放电气体内。

可提供电路，用于提供足够高以便启动辉光放电并用于维持辉光放电，优选地维持至少0.1秒的电压。当等离子在共振腔内点燃之后，可停止产生辉光放电，因此辉光放电可产生多达10秒，比如多达5秒，又比如从1-5秒。

反应器优选地包括用于产生微波辐射的微波发生器。作为提供等离子点燃装置的另一种选择，发生器可配置成在足以将等离子点燃于共振腔内的功率下，比如在2-6kW的功率下产生微波辐射。发生器可配置成在预定时段之后，比如在1-5秒之后，将功率(在此功率下已产生微波辐射)减小到比如2-3kW之间。

本发明也提供一种设备，用于处理从处理工具中排出的气体，该设备包括前述微波等离子反应器。

现在将结合附图并仅以举例的形式而描述本发明的优选特征，图中：

图1为微波等离子反应器的外部透视图；

图2为图1中的反应器的侧视图；

图3为沿着图2中的线A-A穿过反应器的截面图；

图4为沿着图2中的线B-B穿过反应器的截面图；及

图5为标示于图3中的区域C的放大图。

参考图1到图4，微波等离子反应器10包括导电壳体12。壳体12优选地由导电材料比如不锈钢形成，或者可具有内部导电表面。如图所示，壳体12可具有矩形截面。槽口14通过比如机械加工而形成于壳体12内，并且延伸穿过壳体12的宽度，从而提供了反应器10的共振腔。共振腔14的一端连接到波导管16，用于将微波辐射从微波发生器(图未示)传导至共振腔14内。共振腔14的另一端连接到短路装置18。

波导管16包括第一大致为矩形的体部20，体部20具有大致平行于微波辐射的电场TE01的高度h1，该微波辐射经由波导管16而传导至共振腔14；以及与微波辐射的电场正交的宽度w。波导管16也包括第二大致为矩形且面对共振腔14的体部22，第二体部22具有高度h2及宽度w，并且h2＜h1。在所示例子中，第二体部22具有大约为第一体部20的高度三分之一的高度。

波导管16进一步包括宽度为w且位于第一与第二体部20、22之间的渐缩会聚部24。渐缩部24包括靠近高度为h1且宽度为w的第一体部20的第一端面25a，及靠近高度为h2且宽度为w的第二体部22的第二端面25b。渐缩部24进一步包括第一与第二侧面25c、25d，其延伸于端面25a与25b之间，并且相对于第二侧面25b而倾斜成锐角，从而使第一与第二体部20、22共轴。渐缩部24具有在微波辐射穿过波导管16的传播方向内的长度1，其中1大约等于微波辐射波长的一半。

短路装置18在共振腔14的相对侧边上延长了波导管16。短路装置18包括局部地由端板26所限定的腔室27，该端板26与波导管16的第二部22的端部隔开一定距离，从而使入射的微波辐射被端板26所反射，进而在共振腔14内形成电磁驻波。端板26相对于波导管16的第二部22的端部的位置可调节。

短路装置18包括与端板26隔开且用于调整短路装置18的调整器29。在所示的例子中，调整器包括螺旋进入短路装置18上表面的螺钉29，从而使螺钉主体大致垂直于微波辐射经过腔室27的传播方向而延伸到腔室27内。通过调整螺钉29的头部29a，螺钉29的端部可在腔室27内上升或下降，以便调整短路装置18。

共振腔14容纳有两个优选地由PTFE或其它适当材料形成的电介质板部件28、30，用于保持足够的抗腐蚀性，并且相对于传导经过共振腔14的微波辐射而大致透明。每个板部件28、30具有与微波辐射经过共振腔14的传播方向正交地延伸的平坦侧壁部32；及局部地在共振腔14内限定了大致为圆柱形的气室36的弯曲侧壁部34。气室36可具有圆形或椭圆形截面。

每个板部件30、32具有形成于其内的第一开孔38，用于提供进入共振腔14的气室36内的气体入口。在所示的反应器10中，开孔38中的其中一个与形成于壳体20侧壁内的气体入口端口40对齐，用于接收来自安装于壳体12上的第一气体管路42的气体。第二气体端口可选地形成于壳体12的相对侧壁内，用于接收来自第二气体管路的气体，该气体可以与从第一气体管路42进入气室36的气体相同或不相似。每个气体入口优选地配置成使得气体大致切向地从第一气体管路40进入气室36，从而使气体朝着气体36的中心而在气室36内向内打转。气体出口端口44形成于壳体12的基部内，用于将气体从气室36传导至第二气体管路46。气体出口端口44沿着气室36的横截方向而延伸，并且优选地与气室36同轴。

每个板部件30、32也具有形成于其内较小的第二开孔48。第二开孔48中的其中一个与形成于壳体侧壁内的开口50对齐，并且由透明盖板52所封闭以便提供检测窗口，该检测窗口能让使用者在反应器10的使用过程中观察产生于共振腔14的气室36内的等离子。

壳体12内也形成有圆柱开孔54，开孔54沿着共振腔14的横截方向延伸，并且在共振腔内限定了反应器10的反应器腔室。开孔54优选地与气室36及气体出口端口34大致地同轴。开孔54内容纳有导电组件56。组件56包括导电部件58及用于固持导电部件58的固持器60。

导电部件58包括细长管体62，其可以由铜或其它导电材料形成，并且其与管状末端64接合，如图5详示。末端64优选地由耐腐蚀与耐热的材料比如钨或钨合金，例如钨与镧的合金形成。末端64上可设置有多个围绕该末端延伸的开口65，从而使在气体入口38与气体出口44之间流动的气体能够径向地穿过末端64，进而增强了末端64的冷却。开口65的尺寸优选地定制成使得微波辐射穿过开口65。

固持器60优选地由导电材料比如不锈钢或阳极氧化铝形成。导电部件58及固持器60在反应器10的使用过程中优选地电性接地。固持器60具有空心内部，导电部件58的管体62及末端64优选地在空心内部内滑动配合。固持器60包括具有向外延伸的边缘68的第一体部66，该边缘68位于壳体12的开孔54的法兰状开口70上。O形环72设置在边缘68与法兰状开口70之间，用于形成气密性密封，边缘68通过沿其围绕的夹紧链条74而夹紧到法兰状开口70。如图3所示，O形环72优选地位于反应器腔室的外部，因此位于产生于反应器腔室内的电磁场的外部，并且O形环72可围绕从边缘68向下悬垂的环状图76而延伸，环状圈具有大致等于开孔54直径的内径，并且该环状图与壳体12电性接触。备选地，边缘68的基部也可以与壳体12电性接触。

固持器60进一步包括延伸到开孔54内的第二细长体部78。固持器60的第二体部78终止于锥形突出部80，锥形突出部80优选地没有突出到气室36内。第二体部78的内径在锥形突出部80处减小，以便提供与末端64的边缘84接合的肩部82，用于将末端64保持于固持器60内。固持器60的第二体部78优选地同时与第一体部66及边缘68集成在一起。

如图5所示，末端64优选地突出到气室36内。末端64的长度，及/或固持器60的第二体部78的长度优选地选择成使得：根据供应给共振腔室14的微波辐射的频率，末端64向产生于共振腔室14内的驻波延伸预定的距离。

管体62优选地与固持器60保持电性接触。如图所示，金属弹簧86或其它导电体可位于固持器60内，从而使弹簧86的一端与形成于管体62上的第一环状突出部88接合，而弹簧86的另一端则与螺旋进入固持器60的金属锁固螺母90接合。

管体62具有与第一环状突出部88隔开的第二环状突出部92，用于在固持器60与管体62之间限定环状沟道94。冷却水流供应到环状沟道94，水经由冷却剂入口端口96而供应到环状沟道94，该冷却剂入口端口96穿过固持器60，并且水经由冷却剂出口端口98而从环状沟道94排出，该冷却剂出口端口98穿过固持器60并且大致相对于冷却剂入口端口96而定位。

根据传导给共振腔的电磁辐射功率，产生于共振腔14内的电场强度可能不足以在气室36内点燃等离子。因此，辉光放电电极组件100可容纳于导电部件58内。电极组件100包括等离子点燃与辉光放电电极102，其为细长高压电极，并且同心地位于导电部件的管体62内，并且与导电部件的管体62隔开。连接器104将电极102与电源连接起来。电极102可螺旋进入与锁固螺母90同心地定位且其上相匹配地形成有螺纹的开口内。气体入口106形成于管体62内，用于接收来自气体入口端口108的辉光放电气体流，比如氮气、惰性气体或任何其它大致地惰性并且可电离的气体，该气体入口端口108径向地延伸穿过固持器60的第一体部66。气体入口端口108接收来自连接器110的辉光放电气体，该连接器110附接到固持器，用于将气体入口端口108连接到辉光放电气源。气体入口106优选地相对于导电部件58的管体62的开孔而切向地设置，用于促进大体上向下地朝着导电部件58的末端部件64而形成围绕电极102的螺旋流动路径。

作为提供辉光放电电极组件的另一种选择，微波发生器可配置成使得电磁场的功率初始地相对较高，比如在1-5秒之间大约为6kW，用于在气室36内点燃等离子。微波发生器可配置成然后减小微波辐射的功率，比如减小到2-3kW或减小到任何其它足以维持气室36内的等离子的功率。

如图2所示，当固持器60安装到壳体12上时，导电部件58大致地垂直于微波经过气室36的传播方向而延伸到开孔54内，并且导电部件58大致地同时与气室36及气体出口端口44同轴。导电部件58的末端64优选地位于在反应器10的使用过程中形成于共振腔14内的电磁场的最大强度处。

可以提供装置，用于在反应器10的使用过程中将气室36维持于上升温度，优选地维持于20-150℃的温度。比如，气室36可被加热、绝缘或提供有限的冷却，以便将气室36维持于所需要的上升温度处或其左右。

在反应器10的正常使用中，冷却水流供应给环状沟道94。气体经由气体入口端口40而泵抽到气室36内，并且气体在经由气体出口端口44而离开气室36并进入第二气体管路46之前，而在气室36内螺旋地流动并且在导电部件58的末端64下方通过。

微波辐射馈入到共振腔14内，并且因此而馈入到气室36内，通过波导管16用于磁控管(magnetron)。短路装置18的端板26对微波进行反射，以便在共振腔14内形成驻波，且导电部件58的末端64强化了气室36内的电场。波导管16的渐缩部24用于抑制微波辐射自波导管16的第一与第二体部20、22之间的接触面的传输与反射，并且将等离子的能量吸收最大化。固持器60的边缘68的下表面112相对于导电部件58的末端64的几何形状与位置选择成使得：边缘68的下表面112与壳体12的开孔54的内表面及固持器60的第二体部的外表面提供了同轴调整器，用于在微波辐射的频率中将导电部件58所在平面内的阻抗与波导管16的阻抗匹配起来。

当辉光放电电极组件100用于在气室36内点燃等离子的时候，辉光放电气体流经管体62的气体入口端口106并流入管体62的开孔内。低电压高电流源连接到电极102，且高电压临时地作用于电极102。高电压导致经过辉光放电气体且从电极102的末端朝着管体62近端部的电晕放电。电晕放电提供了路径，来自低压源的大电流可经由路径而流到大地。大电流的流动导致辉光放电气体内形成辉光放电。如此形成的辉光放电通过辉光放电气体在管体62内的流动，而导致从导电部件68的末端64移动到气室36内。气室36内的微波辐射能够有效地与辉光放电耦合，并且等离子典型地在不到一秒的时间内点燃，从而导致稳定的微波等离子，当用于电极102的电源关闭(典型地在二或三秒钟内)之后，微波等离子可仅仅利用供应给气室36的微波辐射而被维持。

在气室36内开始的等离子随着气体经由气室36的流动而自气室36并经由气体出口端口44而输送出去，并且等离子包含于第二气体管路46内。因此等离子类似于火焰，该火焰产生于末端64的下方并且经由气体出口端口44而向外延伸到第二气体管路46内。由于在反应器10的使用过程中，第二气体管路46内产生高温，冷却剂，比如水可喷射到第二气体管路46的外表面上，从而冷却第二气体管路46。

产生于气室36内的微波等离子可用于多种目的。比如，等离子可用于破坏卤化核素，比如未被使用的全氟及/或氢氟烃腔室清洁与蚀刻气体，包含于穿过腔室的气流中的硅烷或氨。用于与这些气体反应的反应剂比如H2或H2O可随着辉光放电气体而供应给气室36，用于与产生于导电部件58的末端64下方的等离子内的气体反应。在待破坏气体在化学上不兼容的场合，如上所述，气室36上可设置有多个气体入口，从而使不兼容气体可单独地传导至气室36。