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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ω119

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H2462

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