等离子体放电与材料工艺原理 第2版PDF电子书下载

第1章 概述 1

1.1材料处理 1

1.2等离子体和鞘层 5

1.2.1等离子体 5

1.2.2鞘层 9

1.3放电 11

1.3.1射频二极放电系统 11

1.3.2高密度等离子体源 14

1.4符号和单位 16

第2章 等离子体的基本方程和平衡态性质 18

2.1引言 18

2.2场方程、电流和电压 18

2.2.1麦克斯韦方程组 18

2.3守恒方程 21

2.3.1玻尔兹曼方程 21

2.3.2宏观量 22

2.3.3粒子数守恒方程 23

2.3.4动量守恒方程 23

2.3.5能量守恒方程 25

2.3.6小结 25

2.4平衡态性质 26

2.4.1玻尔兹曼关系式 27

2.4.2德拜长度 28

2.4.3准电中性 29

2.5习题 30

第3章 原子碰撞 32

3.1基本概念 32

3.1.1弹性和非弹性碰撞 32

3.1.2碰撞参数 32

3.1.3微分散射截面 33

3.2碰撞动力学 35

3.2.1质心坐标系 35

3.2.2能量转移 37

3.2.3小角度散射 38

3.3弹性散射 39

3.3.1库仑碰撞 39

3.3.2极化散射 41

3.4非弹性碰撞 44

3.4.1原子能级 44

3.4.2电偶极辐射和亚稳态原子 46

3.4.3电子碰撞电离截面 49

3.4.4电子碰撞激发截面 50

3.4.5离子-原子电荷转移 51

3.4.6离子-原子碰撞电离 54

3.5分布函数下的平均值和表面效应 54

3.5.1麦克斯韦分布下的平均值 54

3.5.2每产生一个电子-离子对所造成的能量损失 56

3.5.3表面效应 57

3.6习题 57

第4章 等离子体动力学 60

4.1基本运动 60

4.1.1在均匀稳定场中的运动 60

4.1.2 E×B漂移 62

4.1.3能量守恒 63

4.2非磁化等离子体动力学 64

4.2.1等离子体振荡 64

4.2.2介电常数和电导率 65

4.2.3欧姆加热 67

4.2.4电磁波 68

4.2.5静电波 69

4.3导向中心运动 70

4.3.1平行力 71

4.3.2磁矩的绝热不变性 71

4.3.3沿磁力线运动产生的漂移（曲率漂移） 72

4.3.4由回旋运动产生的漂移（梯度漂移） 73

4.3.5极化漂移 73

4.4磁化等离子体动力学 75

4.4.1介电张量 75

4.4.2波的色散关系 77

4.5磁化等离子体中的波 77

4.5.1基本电子波 79

4.5.2包含离子运动的基本波 81

4.5.3 CMA图 82

4.6波诊断 84

4.6.1干涉仪 84

4.6.2谐振腔微扰法 86

4.6.3波传播法 88

4.7习题 89

第5章 扩散和输运 92

5.1基本关系式 92

5.1.1扩散和迁移率 92

5.1.2自由扩散 92

5.1.3双极性扩散 93

5.2扩散方程的解 94

5.2.1边界条件 94

5.2.2随时间变化的解 95

5.2.3稳态平行板解 96

5.2.4稳态圆柱形解 98

5.3低气压解 99

5.3.1变迁移率模型 99

5.3.2朗缪尔解 101

5.3.3经验归纳解 102

5.4在磁场中的扩散过程 103

5.4.1双极性扩散 104

5.5磁多极约束 106

5.5.1磁场结构分析 107

5.5.2等离子体约束 108

5.5.3泄漏宽度w 109

5.6习题 110

第6章 直流鞘层 113

6.1基本概念和方程 113

6.1.1无碰撞鞘层 114

6.2玻姆鞘层判据 115

6.2.1对等离子体的要求 115

6.2.2预鞘层 116

6.2.3悬浮器壁的鞘层电位 117

6.2.4碰撞鞘层 118

6.2.5模拟结果 118

6.3高电压鞘层 119

6.3.1板形鞘层（Matrix Sheath） 119

6.3.2满足蔡尔德定律的鞘层 120

6.4鞘层形成的广义判据 122

6.4.1电负性气体 122

6.4.2具有多种正离子的等离子体 124

6.5高电压碰撞鞘层 125

6.6静电探针诊断 126

6.6.1无碰撞鞘层中的平面探针 128

6.6.2具有非麦克斯韦分布电子时的情况 129

6.6.3无碰撞鞘层中的圆柱形探针 131

6.6.4双探针和发射探针 133

6.6.5碰撞和直流磁场效应 135

6.6.6探针制作和探针电路 136

6.6.7随时间变化电场中的探针 137

6.7习题 139

第7章 化学反应和平衡 141

7.1引言 141

7.2能量和焓 142

7.3熵和吉布斯自由能 147

7.3.1吉布斯自由能 149

7.4化学平衡 151

7.4.1气压和温度的影响 153

7.5异相平衡 154

7.5.1不同相之间的平衡 154

7.5.2在表面上的平衡 157

7.6习题 158

第8章 分子碰撞 161

8.1引言 161

8.2分子结构 161

8.2.1分子的振动和转动能级 162

8.2.2光学辐射 163

8.2.3负离子 166

8.3电子-分子碰撞反应 166

8.3.1分解 166

8.3.2分解电离 168

8.3.3分解复合 168

8.3.4氢分子的例子 169

8.3.5分解电子吸附 169

8.3.6极化分解 171

8.3.7亚稳态负离子 171

8.3.8电子碰撞解离 172

8.3.9振动和转动激发 172

8.3.10弹性散射 173

8.4重粒子之间的碰撞 173

8.4.1共振电荷转移和非共振电荷转移 174

8.4.2正负离子复合 175

8.4.3复合解离 177

8.4.4激发转移 178

8.4.5化学键重排 179

8.4.6离子-中性粒子弹性散射 180

8.4.7三体过程 180

8.5反应速率和细致平衡 181

8.5.1温度的影响 181

8.5.2细致平衡原理 182

8.5.3氧的一组数据 184

8.6发射光谱法和光学借标测定 189

8.6.1发射光谱法 189

8.6.2光学借标测定 190

8.6.3氧原子的光学借标测定 191

8.7习题 192

第9章 化学动力学与表面过程 196

9.1基元反应 196

9.1.1平衡常数之间的关系 197

9.2气相动力学 198

9.2.1一级连串反应 199

9.2.2可逆反应 201

9.2.3有光子发射的双分子化合反应 201

9.2.4三体化合反应 202

9.2.5三体正负离子复合反应 204

9.2.6三体电子-离子复合反应 205

9.3表面过程 205

9.3.1正离子中和反应和二次电子发射 205

9.3.2吸附和解吸附 208

9.3.3裂解 211

9.3.4溅射过程 212

9.4表面动力学 214

9.4.1中性粒子的扩散 214

9.4.2扩散损失率 215

9.4.3吸附和解吸附 216

9.4.4分解吸附和复合解吸附 217

9.4.5物理吸附 217

9.4.6与表面的反应 218

9.4.7在表面上的反应 218

9.4.8表面动力学和损失概率 219

9.5习题 220

第10章 放电过程中的粒子平衡和能量平衡 224

10.1引言 224

10.2电正性等离子体平衡态分析 226

10.2.1基本性质 226

10.2.2均匀密度的放电模型 228

10.2.3非均匀放电模型 230

10.2.4中性自由基的产生和损失 232

10.3电负性等离子体平衡态分析 233

10.3.1微分方程 234

10.3.2负离子的玻尔兹曼平衡 236

10.3.3守恒方程 238

10.3.4简化方程的有效性 239

10.4电负性等离子体的近似平衡分析 240

10.4.1整体模型 240

10.4.2低气压下的抛物线分布近似 243

10.4.3高气压下的平顶模型 246

10.5电负性等离子体放电实验和数值模拟 247

10.5.1氧气放电 247

10.5.2氯气放电 252

10.6脉冲放电 255

10.6.1电正性气体的脉冲放电 255

10.6.2电负性气体的脉冲放电 259

10.6.3中性基团动力学过程 262

10.7习题 264

第11章 容性放电 268

11.1均匀放电模型 269

11.1.1主等离子体区导纳 270

11.1.2鞘层导纳 270

11.1.3粒子平衡与能量平衡 274

11.1.4放电参数 275

11.2非均匀放电模型 276

11.2.1无碰撞鞘层动力学 277

11.2.2蔡尔德定律 278

11.2.3鞘层电容 279

11.2.4欧姆加热 280

11.2.5随机加热 280

11.2.6自洽模型方程 281

11.2.7标度关系 284

11.2.8碰撞鞘层 285

11.2.9低电压和中等电压鞘层情况 286

11.2.10鞘层中的欧姆加热 286

11.2.11自洽的无碰撞加热模型 287

11.2.12双频和高频放电 289

11.2.13电负性等离子体 290

11.3实验与数值模拟 290

11.3.1实验结果 291

11.3.2 PIC数值模拟 294

11.3.3二次电子的作用 298

11.3.4模型的意义 299

11.4非对称放电 299

11.4.1电容分压器模型 299

11.4.2球壳模型 301

11.5低频时的射频鞘层 303

11.6电极处的离子轰击能量 307

11.7磁增强的气体放电 311

11.8匹配网络和功率测量 316

11.8.1匹配网络 316

11.8.2功率测量 318

11.9习题 319

第12章 感性放电 322

12.1高密度、低气压等离子体 322

12.1.1感性等离子体源的结构 323

12.1.2功率吸收与工作参数状态 324

12.1.3放电工作状态与耦合 325

12.1.4匹配网络 328

12.2其他工作状态 328

12.2.1低密度下的工作状态 328

12.2.2容性耦合 329

12.2.3滞回现象和不稳定性 330

12.2.4功率转移效率 333

12.2.5精确解 333

12.3盘香形线圈等离子体源 334

12.4螺旋共振器放电 338

12.5习题 342

第13章 波加热的气体放电 344

13.1电子回旋共振等离子体 344

13.1.1特性和结构 344

13.1.2电子加热 349

13.1.3波的共振吸收 352

13.1.4模型和数值模拟 356

13.1.5等离子体膨胀 358

13.1.6测量 359

13.2螺旋波放电 360

13.2.1螺旋波模式 361

13.2.2天线耦合 363

13.2.3螺旋波吸收模式 365

13.2.4中性气体贫化 369

13.3表面波放电 370

13.3.1平面型表面波 371

13.3.2圆柱形表面波 372

13.3.3功率平衡 373

13.4习题 374

第14章 直流放电 376

14.1辉光放电的定性描述 376

14.1.1正柱区 377

14.1.2阴极鞘层 377

14.1.3负辉光区和法拉第暗区 377

14.1.4阳极位降 377

14.1.5其他的放电特征 378

14.1.6溅射和其他放电构形 378

14.2正柱区分析 379

14.2.1电子温度Te的计算 379

14.2.2 E和n0的计算 380

14.2.3动理学效应 381

14.3阴极鞘层分析 381

14.3.1真空击穿 382

14.3.2阴极鞘层 384

14.3.3负辉区和法拉第暗区 386

14.4中空阴极管放电 387

14.4.1简单放电模型 388

14.4.2在中空阴极管放电中的金属气化产物 390

14.5平面磁控放电 393

14.5.1辉光放电溅射源的缺陷 393

14.5.2磁控放电结构 394

14.5.3放电模型 395

14.6电离物理气相沉积 397

14.7习题 400

第15章 刻蚀 402

15.1刻蚀的工艺指标和工艺过程 402

15.1.1等离子体刻蚀的工艺指标 402

15.1.2刻蚀工艺过程 405

15.2刻蚀反应动力学 408

15.2.1表面动力学过程 408

15.2.2放电动力学和负载效应 411

15.2.3化学反应框架 412

15.3用卤素原子刻蚀硅 413

15.3.1氟原子产生的纯化学刻蚀 414

15.3.2离子能量驱动的氟原子刻蚀 416

15.3.3 CF4放电 417

15.3.4在原料气体中添加O2和H2 421

15.3.5氯原子刻蚀 422

15.4其他刻蚀系统 423

15.4.1用F和CFx刻蚀二氧化硅 423

15.4.2 Si3N4的刻蚀 425

15.4.3铝的刻蚀 425

15.4.4铜的刻蚀 426

15.4.5光刻胶的刻蚀 427

15.5基片上的电荷积累 428

15.5.1门氧化层的损坏 428

15.5.2接地的基片 429

15.5.3不均匀的等离子体 430

15.5.4刻蚀中的瞬时损伤 432

15.5.5电子阴影效应 432

15.5.6射频偏压 433

15.5.7刻蚀轮廓的畸变 434

15.6习题 435

第16章 沉积与注入 437

16.1引言 437

16.2等离子体增强化学气相沉积 438

16.2.1非晶硅的沉积 439

16.2.2二氧化硅的沉积 441

16.2.3氮化硅的沉积 444

16.3溅射沉积 444

16.3.1物理溅射沉积 444

16.3.2反应溅射沉积 446

16.4等离子体浸没离子注入（PIII） 448

16.4.1无碰撞鞘层模型 449

16.4.2碰撞鞘层模型 453

16.4.3 PIII方法在材料工艺中的应用 455

16.5习题 457

第17章 尘埃等离子体 459

17.1物理现象的定性描述 459

17.2颗粒充电和放电平衡 460

17.2.1平衡电位和电荷 460

17.2.2放电平衡 464

17.3颗粒平衡 465

17.4尘埃颗粒的形成和生长 468

17.5物理现象及其诊断 472

17.5.1强耦合等离子体 472

17.5.2尘埃声波 473

17.5.3颗粒的受迫振动 474

17.5.4激光散射 474

17.6颗粒的清除或产生 475

17.7习题 477

第18章 气体放电的动理论 479

18.1基本概念 479

18.1.1两项近似法 479

18.1.2克鲁克碰撞算符 480

18.1.3有碰撞时的两项动理论方程 480

18.1.4扩散和迁移率 482

18.1.5 Druyvesteyn分布 483

18.1.6射频电场中的电子分布函数 484

18.1.7等效电导率 485

18.2局域动理论 486

18.3非局域动理论 490

18.4准线性扩散和随机加热 494

18.4.1准线性扩散系数 495

18.4.2随机加热 497

18.4.3扩散张量与速度场随机扩散模型的关系 498

18.4.4两项动理论方程 498

18.5在趋肤层中的能量扩散 500

18.5.1随机加热 500

18.5.2等效碰撞频率 502

18.5.3能量分布 502

18.6放电的动理论模型 503

18.6.1非麦克斯韦分布时的整体模型 503

18.6.2感性耦合等离子体 505

18.6.3容性耦合等离子体 507

18.7习题 510

附录A 碰撞动力学 512

附录B 碰撞积分 515

附录C 变迁移率模型中的扩散方程的解 517

参考文献 520

中英文术语对照表 532