这次，“万能”的“voltage waveform tailoring”又来了——本期速读近期发表的一篇open access论文。
从事低温低气压容性耦合放电研究的小伙伴们对Voltage Waveform Tailoring（TVW）应该不陌生——往期推送讨论了应用锯齿波产生电非对称效应（《实验vs模拟：电非对称特性与离子通量/能量控制》），以TVW为核心的研究主要涉及表面离子通量与能量的独立控制，电子能量分布函数和电子动力学行为的控制等。 这次，“万能”的“voltage waveform tailoring”又来了——本期速读近期发表的一篇open access论文： Krüger, F., Wilczek, S., Mussenbrock, T., & Schulze, J. (2019). Voltage waveform tailoring in radio frequency plasmas for surface charge neutralization inside etch trenches. Plasma Sources Science and Technology. 目的背景 这篇论文同样以TVW为主题，但是其研究目的是解决等离子体刻蚀过程中表面电荷分布不均匀的问题。在等离子刻蚀介质的过程中，正离子达到刻蚀槽会在表面积累正电荷，这一正电荷会产生局域电场降低刻蚀速率，如果电荷积累分布不均匀，又会对刻蚀槽的形状产生影响，进而影响槽的纵宽比、形状和方向等（如下图）。
该问题的一种解决办法，是引入一些负电荷来中和沉积的正电荷。这又和Voltage Waveform Tailoring有什么关系呢？这需要我们再了解另一个概念——鞘层电场反转。 鞘层电场反转 我们都知道，在射频放电过程中，电子被鞘层电场限制在主体区，只有在鞘层收缩的时候才能到达极板，且此时电场往往较小，电子运动角度不定。那么怎样使电子快速且垂直的到达极板以中和表面的正电荷呢？ 从一个射频周期平均看来，考虑电正性等离子体放电，一个极板上的电子通量与正离子通量是相等的（没有净电流）。那么如果使鞘层收缩的时间特别短，或者离子的通量特别大，在鞘层收缩时电子就会被电场加速到达极板以保持通量平衡，这一个过程中，鞘层区域必然产生加速电子的反向电场。这一过程就叫做鞘层电场反转。 怎样实现鞘层电场反转？通过控制电压波形（谐波数），或者大小——这正是Voltage Waveform Tailoring可以做的。利用TVW实现电场反转并加速电子，使其以更高的能量，更小的角度（垂直于极板）达到极板，进而有效的中和沉积的正电荷。 锯齿波与反转电场 产生TVW的方法在往期推送(《实验vs模拟：电非对称特性与离子通量/能量控制》)已有介绍。本文采用了多种谐波数的电压波形，如下图所示。
采用PIC/MCC方法(见往期推送《模拟tips：浅谈Particle-in-cell/Monte Carlo Collision (PIC/MCC) 方法》)计算了TVW波形驱动的Ar在1Pa条件下放电时的电场反转过程，如下图所示：
计算结果显示，从电压周期一半时刻开始，鞘层电场坍缩并发生了显著的方向反转，验证了TVW在控制鞘层电场反转（进而控制表面电荷沉积）的可能性。 一些问题 需要注意的是，据工坊君了解，这篇文章所采用的参数与实际应用相差比较大，存在构造参数（电压，谐波数）来凑电场反转之嫌： 首先，在实际应用中，文中使用的上千伏的电压对极板的均匀性要求会很高，随着刻蚀的进行与离子对极板的轰击，是否会导致局域增强的放电还有待研究。 第二，存在众多频率的谐波时，如何处理匹配电路与波形失真也是很大的挑战。尽管目前一些工作提出了比较有效的匹配方法，但对于文中采用的高达15次谐波匹配的实际应用，还有待考证。 第三，随着谐波数的增加，等离子体鞘层的非线性会显著增强，这又会等离子本身产生什么影响，也有待研究。 小感 近20年来对于低温低气压等离子研究课题的发展，很大程度上是工业需求的驱动。比如要求离子能量和离子通量的独立控制，引入了双频电源和TVW；再比如要求大规模快速的刻蚀与薄膜沉积，引入了大腔室和甚高频电源，进而引发了对电磁效应和等离子均匀性的研究。 新事物研究的初始阶段，研究条件往往与实际应用有不小的差别，从了解原理到具体应用再到批量生产需要很长的路，也需要从事不同方向的人共同努力来实现。所以有些时候，恪守条件与跳出条件来解决问题也是矛盾的。但就写论文本身来说，靠近实际应用来提出解决问题的方法，论文总归是更容易被接收的。
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