第1章 概述 1
1.1 材料处理 1
1.2 等离子体和鞘层 6
1.2.1 等离子体 6
1.2.2 鞘层 9
1.3 放电 12
1.3.1 射频二极放电系统 12
1.3.2 高密度等离子体源 14
1.4 符号和单位 18
第2章 等离子体的基本方程和平衡态性质 20
2.1 引言 20
2.2 场方程、电流和电压 21
2.2.1 麦克斯韦方程组 21
2.3 守恒方程 24
2.3.1 玻尔兹曼方程 24
2.3.2 宏观量 25
2.3.3 粒子数守恒方程 25
2.3.4 动量守恒方程 26
2.3.5 能量守恒方程 28
2.3.6 小结 28
2.4 平衡态性质 29
2.4.1 玻尔兹曼关系式 30
2.4.2 德拜长度 31
2.4.3 准电中性 32
习题 33
第3章 原子碰撞 35
3.1 基本概念 35
3.1.1 弹性和非弹性碰撞 35
3.1.2 碰撞参数 35
3.1.3 微分散射截面 37
3.2 碰撞动力学 39
3.2.1 质心坐标系 39
3.2.2 能量转移 40
3.2.3 小角度散射 41
3.3 弹性散射 43
3.3.1 库仑碰撞 43
3.3.2 极化散射 45
3.4 非弹性碰撞 49
3.4.1 原子能级 49
3.4.2 电偶极辐射和亚稳态原子 52
3.4.3 电子碰撞电离截面 54
3.4.4 电子碰撞激发截面 55
3.4.5 离子-原子电荷转移 56
3.4.6 离子-原子碰撞电离 59
3.5 求分布函数下的平均值和表面效应 60
3.5.1 麦克斯韦分布下的平均值 60
3.5.2 每产生一个电子-离子对所造成的能量损失 62
3.5.3 表面效应 63
习题 63
第4章 等离子体动力学 66
4.1 基本运动 66
4.1.1 在均匀常场中的运动 66
4.1.2 E×B漂移 68
4.1.3 能量守恒 69
4.2 非磁化等离子体动力学 70
4.2.1 等离子体振荡 70
4.2.2 介电常数和电导率 72
4.2.3 欧姆加热 74
4.2.4 电磁波 74
4.2.5 静电波 76
4.3 导向中心运动 77
4.3.1 平行力 78
4.3.2 磁矩的绝热不变性 79
4.3.3 沿磁力线运动产生的漂移（曲率漂移） 79
4.3.4 由回旋运动产生的漂移（梯度漂移） 80
4.3.5 极化漂移 81
4.4 磁化等离子体动力学 82
4.4.1 介电张量 83
4.4.2 波的色散关系 84
4.5 磁化等离子体中的波 85
4.5.1 基本电子波 86
4.5.2 包含离子运动的基本波 89
4.5.3 CMA图 91
4.6 波诊断 92
4.6.1 干涉仪 92
4.6.2 谐振腔微扰法 95
4.6.3 波传播法 96
习题 97
第5章 扩散和输运 100
5.1 基本关系式 100
5.1.1 扩散和迁移率 100
5.1.2 自由扩散 101
5.1.3 双极性扩散 101
5.2 扩散方程的解 102
5.2.1 边界条件 102
5.2.2 随时间变化的解 103
5.2.3 稳态平行板解 104
5.2.4 稳态圆柱形解 106
5.3 低气压解 108
5.3.1 变迁移率模型 108
5.3.2 朗缪尔解 110
5.3.3 经验归纳解 111
5.4 在磁场中的扩散过程 112
5.4.1 双极性扩散 114
5.5 磁多极约束 116
5.5.1 磁场结构分析 116
5.5.2 等离子体约束 118
5.5.3 泄漏宽度ω 119
习题 120
第6章 直流鞘层 123
6.1 基本概念和方程 123
6.1.1 无碰撞鞘层 124
6.2 玻姆鞘层判据 125
6.2.1 对等离子体的要求 125
6.2.2 预鞘层 126
6.2.3 悬浮器壁的鞘层电位 127
6.2.4 碰撞鞘层 128
6.2.5 模拟结果 129
6.3 高电压鞘层 130
6.3.1 板形鞘层（Matrix Sheath） 130
6.3.2 满足蔡尔德定律的鞘层 131
6.4 鞘层形成的广义判据 133
6.4.1 电负性气体 133
6.4.2 具有多种正离子的等离子体 135
6.5 高电压碰撞鞘层 137
6.6 静电探针诊断 138
6.6.1 无碰撞鞘层中的平面探针 140
6.6.2 具有非麦克斯韦分布电子时的情况 141
6.6.3 无碰撞鞘层中的圆柱形探针 143
6.6.4 双探针和发射探针 146
6.6.5 碰撞和直流磁场效应 148
6.6.6 探针制作和探针电路 149
6.6.7 随时间变化电场中的探针 150
习题 152
第7章 化学反应和平衡 154
7.1 引 言 154
7.2 能量和焓 155
7.3 熵和吉布斯自由能 162
7.3.1 吉布斯自由能 164
7.4 化学平衡 166
7.4.1 气压和温度的影响 168
7.5 异相平衡 169
7.5.1 不同相之间的平衡 169
7.5.2 在表面上的平衡 172
习题 173
第8章 分子碰撞 176
8.1 引言 176
8.2 分子结构 176
8.2.1 分子的振动和转动能级 177
8.2.2 光学辐射 178
8.2.3 负离子 180
8.3 电子-分子碰撞反应 182
8.3.1 分解 182
8.3.2 分解电离 184
8.3.3 分解复合 184
8.3.4 氢分子的例子 184
8.3.5 分解吸附 185
8.3.6 极化分解 187
8.3.7 亚稳态负离子 187
8.3.8 电子碰撞解吸附 188
8.3.9 振动和转动激发 188
8.3.10 弹性散射 189
8.4 重粒子间的碰撞 189
8.4.1 共振电荷转移和非共振电荷转移 190
8.4.2 正-负离子复合 192
8.4.3 复合解吸附 193
8.4.4 激发转移 194
8.4.5 化学键重排 196
8.4.6 离子-中性粒子弹性散射 197
8.4.7 三体过程 197
8.5 反应速率和细致平衡 198
8.5.1 温度的影响 198
8.5.2 细致平衡原理 199
8.5.3 氧的一组数据 201
8.6 发射光谱法和光化线强度测定 206
8.6.1 发射光谱法 207
8.6.2 光化线强度测定 208
8.6.3 氧原子的光化线强度测定 208
习题 210
第9章 化学动力学与表面过程 213
9.1 基元反应 213
9.1.1 平衡常数之间的关系 215
9.2 气相动力学 216
9.2.1 一级连续反应 216
9.2.2 可逆反应 218
9.2.3 有光子发射的双分子化合反应 219
9.2.4 三体化合反应 220
9.2.5 三体正负离子复合反应 221
9.2.6 三体电子-离子复合反应 222
9.3 表面过程 223
9.3.1 正离子中和反应和二次电子发射 223
9.3.2 吸附和解吸附 226
9.3.3 裂解 230
9.3.4 溅射过程 230
9.4 表面动力学 232
9.4.1 中性粒子的扩散 233
9.4.2 扩散损失率 233
9.4.3 吸附和解吸附 235
9.4.4 分解吸附和化合解吸附 236
9.4.5 物理吸附 236
9.4.6 与表面的反应 237
9.4.7 在表面上的反应 237
9.4.8 表面动力学和损失几率 238
习题 239
第10章 放电过程中的粒子平衡和能量平衡 243
10.1 引言 243
10.2 电正性等离子体平衡态分析 245
10.2.1 基本性质 245
10.2.2 均匀密度的放电模型 248
10.2.3 非均匀放电模型 250
10.2.4 中性自由基的产生和损失 252
10.3 电负性等离子体平衡态分析 253
10.3.1 微分方程 254
10.3.2 负离子的玻尔兹曼平衡 257
10.3.3 守恒方程 259
10.3.4 简化方程的有效性 260
10.4 电负性等离子体的近似平衡分析 261
10.4.1 整体模型 262
10.4.2 低气压下的抛物线分布近似 264
10.4.3 高气压下的平顶模型 267
10.5 电负性等离子体放电实验和数值模拟 269
10.5.1 氧气放电 269
10.5.2 氯气放电 275
10.6 脉冲放电 277
10.6.1 脉冲电正性放电 278
10.6.2 电负性气体的脉冲放电 283
10.6.3 中性基团动力学过程 286
习题 288
第11章 容性放电 291
11.1 均匀放电模型 292
11.1.1 主等离子体区导纳 293
11.1.2 鞘层导纳 294
11.1.3 粒子平衡与能量平衡 297
11.1.4 放电参数 299
11.2 非均匀放电模型 300
11.2.1 无碰撞鞘层动力学 301
11.2.2 蔡尔德定律 303
11.2.3 鞘层电容 303
11.2.4 欧姆加热 304
11.2.5 随机加热 305
11.2.6 自洽模型方程 306
11.2.7 标度关系 309
11.2.8 碰撞鞘层 310
11.2.9 低电压和中等电压鞘层情况 311
11.2.10 鞘层中的欧姆加热 312
11.2.11 自洽的无碰撞加热模型 312
11.2.12 双频和高频放电 314
11.2.13 电负性等离子体 315
11.3 实验与数值模拟 316
11.3.1 实验结果 316
11.3.2 PIC数值模拟 320
11.3.3 二次电子的作用 325
11.3.4 模型的意义 326
11.4 非对称放电 326
11.4.1 电容分压器 326
11.4.2 球壳模型 328
11.5 低频时的射频鞘层 330
11.6 电极处的离子轰击能量 335
11.7 磁增强的气体放电 339
11.8 匹配网络和功率测量 344
11.8.1 匹配网络 344
11.8.2 功率测量 346
习题 348
第12章 感性放电 350
12.1 高密度、低气压等离子体 350
12.1.1 感性等离子体源的结构 351
12.1.2 功率吸收与工作参数状态 352
12.1.3 放电工作状态与耦合 353
12.1.4 匹配网络 356
12.2 其他工作状态 357
12.2.1 低密度下的工作状态 357
12.2.2 容性耦合 358
12.2.3 滞回现象和不稳定性 359
12.2.4 功率转移效率 362
12.2.5 精确解 362
12.3 盘香形线圈等离子体源 363
12.4 螺旋共振器放电 368
习题 372
第13章 波加热的气体放电 374
13.1 电子回旋共振等离子体 374
13.1.1 特性和结构 374
13.1.2 电子加热 379
13.1.3 波的共振吸收 383
13.1.4 模型和数值模拟 388
13.1.5 等离子体膨胀 389
13.1.6 测量 391
13.2 螺旋波放电 392
13.2.1 螺旋波模式 393
13.2.2 天线耦合 396
13.2.3 螺旋波吸收模式 399
13.2.4 中性气体贫化 403
13.3 表面波放电 405
13.3.1 平面型表面波 405
13.3.2 圆柱形表面波 407
13.3.3 功率平衡 407
习题 409
第14章 直流放电 411
14.1 辉光放电的定性描述 411
14.1.1 正柱区 412
14.1.2 阴极鞘层 412
14.1.3 负辉区和法拉第暗区 412
14.1.4 阳极位降 412
14.1.5 其他的放电特征 413
14.1.6 溅射和其他放电构形 414
14.2 正柱区分析 414
14.2.1 电子温度Te的计算 414
14.2.2 E和n0的计算 415
14.2.3 动理学效应 416
14.3 阴极鞘层分析 417
14.3.1 真空击穿 418
14.3.2 阴极鞘层 420
14.3.3 负辉区和法拉第暗区 423
14.4 中空阴极管放电 424
14.4.1 简单放电模型 425
14.4.2 在中空阴极管放电中的金属气化产物 427
14.5 平面磁控放电 430
14.5.1 辉光放电溅射源的缺限 431
14.5.2 磁控放电结构 432
14.5.3 放电模型 432
14.6 电离物理气相沉积 435
习题 438
第15章 刻蚀 440
15.1 刻蚀的要求和工艺过程 440
15.1.1 对等离子体刻蚀的要求 440
15.1.2 刻蚀工艺过程 444
15.2 刻蚀反应动力学 447
15.2.1 表面动力学过程 447
15.2.2 放电动力学和负载效应 451
15.2.3 化学反应框架 452
15.3 用卤素原子刻蚀硅 453
15.3.1 氟原子产生的纯化学刻蚀 453
15.3.2 离子能量驱动的氟原子刻蚀 456
15.3.3 CF4放电 458
15.3.4 在原料气体中添加O2和H2 462
15.3.5 氯原子刻蚀 463
15.4 其他刻蚀系统 465
15.4.1 用F和CFx刻蚀二氧化硅 465
15.4.2 Si3N4的刻蚀 467
15.4.3 铝的刻蚀 467
15.4.4 铜的刻蚀 468
15.4.5 光刻胶的刻蚀 469
15.5 衬底上的电荷积累 471
15.5.1 门氧化层的损坏 471
15.5.2 接地的衬底 472
15.5.3 不均匀的等离子体 472
15.5.4 刻蚀中的瞬时损伤 475
15.5.5 电子阴影效应 476
15.5.6 射频偏压 477
15.5.7 刻蚀轮廓的畸变 478
习题 479
第16章 沉积与注入 481
16.1 引言 481
16.2 等离子体增强化学气相沉积 483
16.2.1 非晶硅的沉积 483
16.2.2 二氧化硅的沉积 486
16.2.3 氮化硅的沉积 489
16.3 溅射沉积 489
16.3.1 物理溅射沉积 489
16.3.2 反应溅射沉积 491
16.4 等离子体浸没离子注入（PIII） 493
16.4.1 无碰撞鞘层模型 494
16.4.2 碰撞鞘层模型 499
16.4.3 PIII方法在材料处理中的应用 501
习题 503
第17章 尘埃等离子体 505
17.1 物理现象的定性描述 505
17.2 颗粒充电和放电平衡 506
17.2.1 平衡电位和电荷 506
17.2.2 放电平衡 511
17.3 颗粒平衡 512
17.4 尘埃颗粒的形成和生长 515
17.5 物理现象及其诊断 520
17.5.1 强耦合等离子体 520
17.5.2 尘埃声波 521
17.5.3 颗粒的受迫振动 522
17.5.4 激光散射 522
17.6 颗粒的清除或产生 524
习题 525
第18章 气体放电的动理论 528
18.1 基本概念 528
18.1.1 两项近似法 528
18.1.2 克鲁克碰撞算符 529
18.1.3 有碰撞时的两项动理论方程 530
18.1.4 扩散和迁移率 532
18.1.5 Druyvesteyn分布 533
18.1.6 射频电场中的电子分布函数 533
18.1.7 等效电导率 534
18.2 局域动理论 535
18.3 非局域动理论 539
18.4 准线性扩散和随机加热 543
18.4.1 准线性扩散系数 545
18.4.2 随机加热 547
18.4.3 扩散张量和速度场随机扩散模型的关系 548
18.4.4 两项动理论方程 548
18.5 在趋肤层中的能量扩散 550
18.5.1 随机加热 550
18.5.2 等效碰撞频率 552
18.5.3 能量分布 552
18.6 放电的动理论模型 554
18.6.1 非麦克斯韦分布时的整体模型 554
18.6.2 感应耦合等离子体 555
18.6.3 电容耦合等离子体 557
习题 561
附录A 碰撞动力学 563
A.1 库仑碰撞截面 564
附录B 碰撞积分 566
B.1 玻尔兹曼碰撞积分 566
B.2 平衡态下的麦克斯韦分布 567
附录C 变迁移率模型中的扩散方程的解 568
参考文献 571