本期推送分享介绍一些近期所接触学习的有关等离子体电非对称特性（EAE）与离子通量/能量控制方面的实验与模拟思路与结果。
对离子能量和通量的选择性控制，是等离子体与表面相互作用研究领域长期研究追求的目标之一。本期推送分享介绍一些近期所接触学习的有关等离子体电非对称特性（EAE）与离子通量/能量控制方面的实验与模拟思路与结果。 自偏压 下图为低压射频放电腔中时间平均的电势分布。A、B区域为鞘层，粉色区域为等离子体。等离子体区域的电势高于电极，在等离子体区和电极电势差的驱动下，离子将受到加速并轰击电极。此处“自偏压”可定义为：η=-Vdc。
可见，自偏压η是控制离子能量的关键参数。如何控制自偏压是下一个需要回答的问题。 自偏压控制与电非对称特性 传统上，控制自偏压依靠四个参数：驱动和接地极的面积比，气压，馈入功率和气体组分。调节电极尺寸形成不对称放电，是控制自偏压提高表面处理效率的最重要途径。但是反应腔一旦建成，电极形状就固定了，难以灵活利用这种几何非对称特性。 针对这一问题，研究人员发现，即使放电腔几何完全对称，也可以通过调节电压波形来控制自偏压[1]：
上式中，φm1和φm1分别是两个电极上施加的最大电压，ε是不对称性因子，在完全对称几何下ε=1。这一特性被称为电非对称特性。由此引入利用该特性实现离子通量和能量的分离控制。 离子通量与能量的控制 工业上常用的离子通量、能量分离控制方法是双频电源驱动放电。根据经典理论：
上式说明，通量/等离子密度和频率的二次方成正比，但只和电压的一次方成正比。所以一般利用高频（低电压振幅）来控制离子通量，利用低频（高电压）来控制离子能量，如下图所示。
但是离子通量和能量均与电压有关，高频高压电源同样会对离子能量产生影响。同时，高频-低频的耦合效应也限制了该方法的灵活应用。 为此，研究人员提出利用电非对称特性实现通量和能量的分离控制，实现方式就是使用调制波形，如锯齿波形：
实际上这是两个波形，即基频+偶倍频波形的叠加，特点是两个频率之间的相位角可调。叠加后的波形如下图左侧所示：
实验和模拟均发现，通过改变相位调整波形，可以改变自偏压，如上图右侧所示。前面提到，自偏压决定着离子的能量。因此，改变锯齿波相位，就可以改变离子能量。 电非对称特性计算vs实验 针对氩气和氧气在不同锯齿波作用下的自偏压、离子通量和离子能量进行PIC/MCC计算预测，结果如下图所示[2]。
结果表明，自偏压几乎与锯齿波电压相位角呈线性关系，而离子通量的改变几乎可以忽略不计——这为离子能量和通量的分离控制解锁了新路径。在75mTorr和750mTorr下，实验测量自偏压和电子功率并与模拟对比验证，得到如下图所示结果[3]：
计算结论得到了实验结果的强有力验证，在确认自偏压与相位线性关系的同时，还发现相位的变化几乎不改变馈入功率，为电源系统设计提供了极大的方便。 针对电非对称特性与离子通量/能量控制的研究，体现了模拟与实验的完美结合，其研究思路和结论，对其他等离子体相关应用研究都有很好的参考价值。 感谢安特卫普大学张权治博士和勃兰登堡工业大学刘岳博士对本期推送提供的素材与指导。 [1] B. G. Heil, U. Czarnetzki, R. P. Brinkmann, and T. Mussenbrock, On the possibility of making a geometrically symmetric RF-CCP discharge electrically asymmetric, J. Phys. Appl. Phys., vol. 41, no. 16, p. 165202, 2008. [2] Quan-Zhi Zhang, Wei Jiang, Lu-Jing Hou, and You-Nian Wang. “Numerical simulations of electrical asymmetry effect on electronegative plasmas in capacitively coupled rf discharge”, J. Appl. Phys. 109, 013308 2011 [3] Quan-Zhi Zhang, Shu-Xia Zhao, Wei Jiang, and You-Nian Wang. “Separate control between geometrical and electrical asymmetry effects in capacitively coupled plasma”, J. Phys. D: Appl. Phys. 45, 305203 2012
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