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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w109

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H2421

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