等离子体放电与材料工艺原理（第二版）

近20年来，本书一直是加利福尼亚大学的授课教材。这本经典教材广泛、深入地描述了关于等离子体的基本概念和基本原理，阐述了各种放电条件下的低气压、低温等离子体中的主要物理和化学过程，分析了各种源的放电状态。本书还详细讨论了低温等离子体在半导体材料的刻蚀、薄膜沉积、离子注入等材料处理工艺方面的应用，介绍了不同应用中计算各种放电参数的方法，分析了这些参数与工艺效果之间的关系。 

本书反映了等离子体物理相关领域*的研究进展，深入阐述了等离子体物理和化学的基本原理。书中应用基本理论来分析各种常见等离子体源的放电状态，包括计算等离子体参数及分析等离子体参数与控制参数的相关关系。本书还讨论了半导体材料的刻蚀，薄膜沉积，离子注入等低温等离子体在材料处理方面的应用，具有实际参考价值。全书共18章，内容包括等离子体的基础知识、等离子体放电过程中的粒子平衡和能量平衡、容性和感性放电、波加热的气体放电、直流放电、刻蚀、沉积与注入、尘埃等离子体，以及气体放电的动理论等。

Michael Lieberman教授分别于1962年和1966年从麻省理工学院获得学士和博士学位。1966年起执教于加州大学伯克利分校电机系，从事等离子体方面的教学和科研。1971年获得伯克利分校的杰出教学奖。Lieberman教授是APS，AAAS，IEEE，AVS和IOP会士，并曾于1999年获得IEEE plasma science and application奖，于2005年获得von Engel奖，于2006年获得APS的Will ALLIS奖。他是国际上公认的低温等离子体领域权威之一，与Alan Lichtenberg合著的本书也成为低温等离子体领域广泛使用的教材和科研用书。Allan Lichtenberg教授于1952年从哈佛大学获得学士学位，1957年从麻省理工学院获得硕士学位，1961年从牛津大学获得博士学位。1957年起执教于加州大学伯克利分校电机系。Lichtenberg教授是国际著名的高温等离子体、等离子体放电和非线性动力学领域的先驱，在相关领域发表了约150篇文章并撰写多本著作，其中包括Phase-Space Dynamics of Particles，该书已有俄文译本。
Michael Lieberman教授分别于1962年和1966年从麻省理工学院获得学士和博士学位。1966年起执教于加州大学伯克利分校电机系，从事等离子体方面的教学和科研。1971年获得伯克利分校的杰出教学奖。Lieberman教授是APS，AAAS，IEEE，AVS和IOP会士，并曾于1999年获得IEEE plasma science and application奖，于2005年获得von Engel奖，于2006年获得APS的Will ALLIS奖。他是国际上公认的低温等离子体领域权威之一，与Alan Lichtenberg合著的本书也成为低温等离子体领域广泛使用的教材和科研用书。Allan Lichtenberg教授于1952年从哈佛大学获得学士学位，1957年从麻省理工学院获得硕士学位，1961年从牛津大学获得博士学位。1957年起执教于加州大学伯克利分校电机系。Lichtenberg教授是国际著名的高温等离子体、等离子体放电和非线性动力学领域的先驱，在相关领域发表了约150篇文章并撰写多本著作，其中包括Phase-Space Dynamics of Particles，该书已有俄文译本。

第1章概述
1.1材料处理
1.2等离子体和鞘层
1.2.1等离子体
1.2.2鞘层
1.3放电
1.3.1射频二极放电系统
1.3.2高密度等离子体源
1.4符号和单位

第2章等离子体的基本方程和平衡态性质
2.1引言
2.2场方程、电流和电压
2.2.1麦克斯韦方程组
2.3守恒方程
2.3.1玻尔兹曼方程
2.3.2宏观量
2.3.3粒子数守恒方程
2.3.4动量守恒方程
2.3.5能量守恒方程
2.3.6小结
2.4平衡态性质
2.4.1玻尔兹曼关系式
2.4.2德拜长度
2.4.3准电中性
2.5习题

第3章原子碰撞
3.1基本概念
3.1.1弹性和非弹性碰撞
3.1.2碰撞参数
3.1.3微分散射截面
3.2碰撞动力学
3.2.1质心坐标系
3.2.2能量转移
3.2.3小角度散射
3.3弹性散射
3.3.1库仑碰撞
3.3.2极化散射
3.4非弹性碰撞
3.4.1原子能级
3.4.2电偶极辐射和亚稳态原子
3.4.3电子碰撞电离截面
3.4.4电子碰撞激发截面
3.4.5离子-原子电荷转移
3.4.6离子-原子碰撞电离
3.5分布函数下的平均值和表面效应
3.5.1麦克斯韦分布下的平均值
3.5.2每产生一个电子-离子对所造成的能量损失
3.5.3表面效应
3.6习题

第4章等离子体动力学
4.1基本运动
4.1.1在均匀稳定场中的运动
4.1.2E×B漂移
4.1.3能量守恒
4.2非磁化等离子体动力学
4.2.1等离子体振荡
4.2.2介电常数和电导率
4.2.3欧姆加热
4.2.4电磁波
4.2.5静电波
4.3导向中心运动
4.3.1平行力
4.3.2磁矩的绝热不变性
4.3.3沿磁力线运动产生的漂移（曲率漂移）
4.3.4由回旋运动产生的漂移（梯度漂移）
4.3.5极化漂移
4.4磁化等离子体动力学
4.4.1介电张量
4.4.2波的色散关系
4.5磁化等离子体中的波
4.5.1基本电子波
4.5.2包含离子运动的基本波
4.5.3CMA图
4.6波诊断
4.6.1干涉仪
4.6.2谐振腔微扰法
4.6.3波传播法
4.7习题

第5章扩散和输运
5.1基本关系式
5.1.1扩散和迁移率
5.1.2自由扩散
5.1.3双极性扩散
5.2扩散方程的解
5.2.1边界条件
5.2.2随时间变化的解
5.2.3稳态平行板解
5.2.4稳态圆柱形解
5.3低气压解
5.3.1变迁移率模型
5.3.2朗缪尔解
5.3.3经验归纳解
5.4在磁场中的扩散过程
5.4.1双极性扩散
5.5磁多极约束
5.5.1磁场结构分析
5.5.2等离子体约束
5.5.3泄漏宽度w
5.6习题

第6章直流鞘层
6.1基本概念和方程
6.1.1无碰撞鞘层
6.2玻姆鞘层判据
6.2.1对等离子体的要求
6.2.2预鞘层
6.2.3悬浮器壁的鞘层电位
6.2.4碰撞鞘层
6.2.5模拟结果
6.3高电压鞘层
6.3.1板形鞘层（Matrix Sheath）
6.3.2满足蔡尔德定律的鞘层
6.4鞘层形成的广义判据
6.4.1电负性气体
6.4.2具有多种正离子的等离子体
6.5高电压碰撞鞘层
6.6静电探针诊断
6.6.1无碰撞鞘层中的平面探针
6.6.2具有非麦克斯韦分布电子时的情况
6.6.3无碰撞鞘层中的圆柱形探针
6.6.4双探针和发射探针
6.6.5碰撞和直流磁场效应
6.6.6探针制作和探针电路
6.6.7随时间变化电场中的探针
6.7习题

第7章化学反应和平衡
7.1引言
7.2能量和焓
7.3熵和吉布斯自由能
7.3.1吉布斯自由能
7.4化学平衡
7.4.1气压和温度的影响
7.5异相平衡
7.5.1不同相之间的平衡
7.5.2在表面上的平衡
7.6习题

第8章分子碰撞
8.1引言
8.2分子结构
8.2.1分子的振动和转动能级
8.2.2光学辐射
8.2.3负离子
8.3电子-分子碰撞反应
8.3.1分解
8.3.2分解电离
8.3.3分解复合
8.3.4氢分子的例子
8.3.5分解电子吸附
8.3.6极化分解
8.3.7亚稳态负离子
8.3.8电子碰撞解离
8.3.9振动和转动激发
8.3.10弹性散射
8.4重粒子之间的碰撞
8.4.1共振电荷转移和非共振电荷转移
8.4.2正负离子复合
8.4.3复合解离
8.4.4激发转移
8.4.5化学键重排
8.4.6离子-中性粒子弹性散射
8.4.7三体过程
8.5反应速率和细致平衡
8.5.1温度的影响
8.5.2细致平衡原理
8.5.3氧的一组数据
8.6发射光谱法和光学借标测定
8.6.1发射光谱法
8.6.2光学借标测定
8.6.3氧原子的光学借标测定
8.7习题

第9章化学动力学与表面过程
9.1基元反应
9.1.1平衡常数之间的关系
9.2气相动力学
9.2.1一级连串反应
9.2.2可逆反应
9.2.3有光子发射的双分子化合反应
9.2.4三体化合反应
9.2.5三体正负离子复合反应
9.2.6三体电子-离子复合反应
9.3表面过程
9.3.1正离子中和反应和二次电子发射
9.3.2吸附和解吸附
9.3.3裂解
9.3.4溅射过程
9.4表面动力学
9.4.1中性粒子的扩散
9.4.2扩散损失率
9.4.3吸附和解吸附
9.4.4分解吸附和复合解吸附
9.4.5物理吸附
9.4.6与表面的反应
9.4.7在表面上的反应
9.4.8表面动力学和损失概率
9.5习题

第10章放电过程中的粒子平衡和能量平衡
10.1引言
10.2电正性等离子体平衡态分析
10.2.1基本性质
10.2.2均匀密度的放电模型
10.2.3非均匀放电模型
10.2.4中性自由基的产生和损失
10.3电负性等离子体平衡态分析
10.3.1微分方程
10.3.2负离子的玻尔兹曼平衡
10.3.3守恒方程
10.3.4简化方程的有效性
10.4电负性等离子体的近似平衡分析
10.4.1整体模型
10.4.2低气压下的抛物线分布近似
10.4.3高气压下的平顶模型
10.5电负性等离子体放电实验和数值模拟
10.5.1氧气放电
10.5.2氯气放电
10.6脉冲放电
10.6.1电正性气体的脉冲放电
10.6.2电负性气体的脉冲放电
10.6.3中性基团动力学过程
10.7习题

第11章容性放电
11.1均匀放电模型
11.1.1主等离子体区导纳
11.1.2鞘层导纳
11.1.3粒子平衡与能量平衡
11.1.4放电参数
11.2非均匀放电模型
11.2.1无碰撞鞘层动力学
11.2.2蔡尔德定律
11.2.3鞘层电容
11.2.4欧姆加热
11.2.5随机加热
11.2.6自洽模型方程
11.2.7标度关系
11.2.8碰撞鞘层
11.2.9低电压和中等电压鞘层情况
11.2.10鞘层中的欧姆加热
11.2.11自洽的无碰撞加热模型
11.2.12双频和高频放电
11.2.13电负性等离子体
11.3实验与数值模拟
11.3.1实验结果
11.3.2PIC数值模拟
11.3.3二次电子的作用
11.3.4模型的意义
11.4非对称放电
11.4.1电容分压器模型
11.4.2球壳模型
11.5低频时的射频鞘层
11.6电极处的离子轰击能量
11.7磁增强的气体放电
11.8匹配网络和功率测量
11.8.1匹配网络
11.8.2功率测量
11.9习题

第12章感性放电
12.1高密度、低气压等离子体
12.1.1感性等离子体源的结构
12.1.2功率吸收与工作参数状态
12.1.3放电工作状态与耦合
12.1.4匹配网络
12.2其他工作状态
12.2.1低密度下的工作状态
12.2.2容性耦合
12.2.3滞回现象和不稳定性
12.2.4功率转移效率
12.2.5精确解
12.3盘香形线圈等离子体源
12.4螺旋共振器放电
12.5习题

第13章波加热的气体放电
13.1电子回旋共振等离子体
13.1.1特性和结构
13.1.2电子加热
13.1.3波的共振吸收
13.1.4模型和数值模拟
13.1.5等离子体膨胀
13.1.6测量
13.2螺旋波放电
13.2.1螺旋波模式
13.2.2天线耦合
13.2.3螺旋波吸收模式
13.2.4中性气体贫化
13.3表面波放电
13.3.1平面型表面波
13.3.2圆柱形表面波
13.3.3功率平衡
13.4习题

第14章直流放电
14.1辉光放电的定性描述
14.1.1正柱区
14.1.2阴极鞘层
14.1.3负辉光区和法拉第暗区
14.1.4阳极位降
14.1.5其他的放电特征
14.1.6溅射和其他放电构形
14.2正柱区分析
14.2.1电子温度Te的计算
14.2.2E和n0的计算
14.2.3动理学效应
14.3阴极鞘层分析
14.3.1真空击穿
14.3.2阴极鞘层
14.3.3负辉区和法拉第暗区
14.4中空阴极管放电
14.4.1简单放电模型
14.4.2在中空阴极管放电中的金属气化产物
14.5平面磁控放电
14.5.1辉光放电溅射源的缺陷
14.5.2磁控放电结构
14.5.3放电模型
14.6电离物理气相沉积
14.7习题

第15章刻蚀
15.1刻蚀的工艺指标和工艺过程
15.1.1等离子体刻蚀的工艺指标
15.1.2刻蚀工艺过程
15.2刻蚀反应动力学
15.2.1表面动力学过程
15.2.2放电动力学和负载效应
15.2.3化学反应框架
15.3用卤素原子刻蚀硅
15.3.1氟原子产生的纯化学刻蚀
15.3.2离子能量驱动的氟原子刻蚀
15.3.3CF4放电
15.3.4在原料气体中添加O2和H2
15.3.5氯原子刻蚀
15.4其他刻蚀系统
15.4.1用F和CFx刻蚀二氧化硅
15.4.2Si3N4的刻蚀
15.4.3铝的刻蚀
15.4.4铜的刻蚀
15.4.5光刻胶的刻蚀
15.5基片上的电荷积累
15.5.1门氧化层的损坏
15.5.2接地的基片
15.5.3不均匀的等离子体
15.5.4刻蚀中的瞬时损伤
15.5.5电子阴影效应
15.5.6射频偏压
15.5.7刻蚀轮廓的畸变
15.6习题

第16章沉积与注入
16.1引言
16.2等离子体增强化学气相沉积
16.2.1非晶硅的沉积
16.2.2二氧化硅的沉积
16.2.3氮化硅的沉积
16.3溅射沉积
16.3.1物理溅射沉积
16.3.2反应溅射沉积
16.4等离子体浸没离子注入(PIII)
16.4.1无碰撞鞘层模型
16.4.2碰撞鞘层模型
16.4.3PIII方法在材料工艺中的应用
16.5习题

第17章尘埃等离子体
17.1物理现象的定性描述
17.2颗粒充电和放电平衡
17.2.1平衡电位和电荷
17.2.2放电平衡
17.3颗粒平衡
17.4尘埃颗粒的形成和生长
17.5物理现象及其诊断
17.5.1强耦合等离子体
17.5.2尘埃声波

近20年来，本书一直是加利福尼亚大学的授课教材。这本经典教材广泛、深入地描述了关于等离子体的基本概念和基本原理，阐述了各种放电条件下的低气压、低温等离子体中的主要物理和化学过程，分析了各种源的放电状态。本书还详细讨论了低温等离子体在半导体材料的刻蚀、薄膜沉积、离子注入等材料处理工艺方面的应用，介绍了不同应用中计算各种放电参数的方法，分析了这些参数与工艺效果之间的关系。
全书共18章，内容包括等离子体的基础知识、等离子体放电过程中的粒子平衡和能量平衡、等离子体与表面的相互作用、等离子体诊断、电负性等离子体、脉冲等离子体、容性和感性放电、高频及双频放电、波加热的气体放电、直流放电、刻蚀、沉积与注入、尘埃等离子体，以及气体放电的动理论等。因此，除了作为课程教材以外，本书对于从事微（纳）电子设备和材料处理工艺参数设计的科研人员也有很高的参考价值。

译者序
我非常高兴这本经典教材的中译本能够再次与读者见面。科学出版社曾于2007年出版过我们翻译的一个版本，书名为《等离子体放电原理与材料处理》。几年中两次印刷合计5000册均已售罄。
近年来，我国大规模集成电路产业发展很快，产业需求对集成电路生产设备的开发和工艺的原始创新提出了更高的要求。低温等离子体技术是该产业不可缺少的核心技术之一，这本书作为国际上全面和受欢迎的低温等离子体教材，我们有必要将其中译本进行全面修订和再次出版发行。这次修订工作主要由清华大学工程物理系的蒲以康教授和邱捷博士完成。邱捷博士和蒲以康教授还发现了英文原著（第10印次版本）中的多处错误，得到了原作者Lieberman和Lichtenberg教授的肯定。另外，张烜博士、郑金华、顾勐智、雷志铖、陈文聪、刘飞翔、程志文、黄邦斗、郭晓觅、向小雨和王艺璇等各位同学也对修订工作做出了不同程度的贡献。
在这次修订中， 对原中译本的不准确或者错误的句子所做的修改甚至彻底重译，多达几千处；更正了英文原著（第10印次版本）中的一些错误；另外也改正了原中译本的大量印刷错误（主要在公式中）及图表中的一些错误； 统一并规范了英文术语的翻译，并增加了中英文术语对照表。中译本的书名也做了改动，以求与英文原书名更相近。我们相信，两年多的努力换来的是一本内容更精准、更易读，制作细节更精良的教材。
初译这本经典著作的人员包括：蒲以康（英文版和第二版前言，第1章、第7章、第18章，以及附录A至附录C，清华大学）、朱悉铭（第2章和第8章，哈尔滨工业大学）、郭志刚（第3章和第15章）、王久丽（第4章和第16章）、毛志国（第4章）、冯阳（第5章，美国加州大学伯克利分校）、王旭（第6章和第14章，美国科罗拉多大学）、宋旭波（第9章）、马杰（第10章至第13章，中山大学）、张谷令（第16章）、马锦秀（第17章，中国科学技术大学）、陈宇（符号与下标缩写含义，物理常数与转换系数，实用公式）。蒲以康当时对全书稿进行了统一整理。
由于本书涉及的物理与化学内容广泛，在本书初译过程中，我们邀请了相关领域的一些专家协助审校书稿。他们是：俞昌旋院士（第5章、第6章及名词和术语，中国科学技术大学）、文克玲教授（第3章和第8章，清华大学）、朱祖凯先生（第10章中的部分内容，美国普林斯顿大学）、李亚栋院士（第7章，清华大学）、倪图强博士［第15章，中微半导体设备（上海）有限公司］和高喆教授（第18章，清华大学）。另外，本书的作者之一Lieberman教授不厌其烦地为我们解答了很多问题，在此对他表示深深的感谢。清华大学的曾实、张小章和李丽教授，美国休斯敦大学的Vincent Donnelly教授，复旦大学的徐学基教授，美国的严永欣博士，当时在清华大学工程物理系在读的一些研究生、本科生及其他单位的研究生：李晶、蒲昱东、阿芒（Aman-ur-Rehman，巴基斯坦籍）、胡大为、薛会、黄梦琦、王英，李静等人，以及中国科学院力学研究所吴承康院士和物理研究所杨思泽研究员等人，都为本书的初译版本做出了贡献，在此向他们表示感谢。
本书的翻译和修订工作给我们提供了一个学习和提高自己能力的很好的机会。由于本书涉及的领域非常广泛，加之我们在物理与中英文方面知识的欠缺，翻译不当之处在所难免，敬请读者批评指正。
蒲以康2017年12月于清华大学
[email protected]

Foreword to the Chinese Language Edition
It is a great pleasure to write a foreword to this Chinese language edition of our research monograph and textbook, “Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. ” As noted in our first Preface written in 1994, plasmabased processes are indispensable for manufacturing in the electronics, aerospace, automotive，and biomedical industries. Plasma processing of materials will be even more important in the 21st century. The rise of a new world center of hightech manufacturing in China make this edition especially timely, for where manufacturing is established, research and development inevitably follow. This is especially true for the hightech plasma processing used in the electronics industry, from which we draw many of our examples. It is almost 60 years since the invention of the transistor, 50 years since the invention of the integrated circuit, and 30 years since the invention of the microprocessor. As innovation continues，“microelectronics” becomes “nanoelectronics”, placing incredible demands on the plasma technology used to deposit, pattern, and etch the films in modern microprocessors and memory technology. Hence there is a need for continued innovation in plasma processing to meet the requirements of the changing technology. The emphasis that we place on the fundamentals of these processes will be necessary to continuing progress in this rapidly changing field.
  We are greatly indebted to Prof. YiKang Pu at Tsinghua University in Beijing, and to his collaborators，for their dedication to realizing the Chinese language edition of our book. They have been diligent in carefully reading and translating the text,  and in correcting typographical and other errors that appear in the English language edition, so that the Chinese edition is even more “correct” than the English edition. We wish that our colleagues in China have a great success in advancing the technology of the plasma processing of materials.

Michael A. Lieberman
Allan J. Lichtenberg
November 8, 2006

中 译 本 序
    非常高兴为这本教学和科研用书“等离子体放电与材料工艺原理”的中文版写一个序。正如1994年我们在原著版的前言中写到的那样，在电子、 航空航天、汽车及生物医疗等工业领域，等离子体工艺技术是不可缺少的。在21世纪，等离子体材料处理技术将发挥更重要的作用。目前中国正在成为一个世界的高科技制造业中心，所以现在是本书出版发行的一个大好时机。这是因为制造业的发展，必然会带动研发工作。对于电子工业中基于等离子体的高新技术尤为如此。本书也列举了许多这方面的应用实例。大约在60年前人们