本書反映了等離子體物理相關領域*的研究進展，深入闡述了等離子體物理和化學的基本原理。書中應用基本理論來分析各種常見等離子體源的放電狀態，包括計算等離子體參數及分析等離子體參數與控制參數的相關關系。本書還討論了半導體材料的刻蝕，薄膜沉積，離子注入等低溫等離子體在材料處理方面的應用，具有實際參考價值。全書共18章，內容包括等離子體的基礎知識、等離子體放電過程中的粒子平衡和能量平衡、容性和感性放電、波加熱的氣體放電、直流放電、刻蝕、沉積與注入、塵埃等離子體，以及氣體放電的動理論等。
近20年來，本書一直是加利福尼亞大學的授課教材。這本經典教材廣泛、深入地描述了關于等離子體的基本概念和基本原理，闡述了各種放電條件下的低氣壓、低溫等離子體中的主要物理和化學過程，分析了各種源的放電狀態。本書還詳細討論了低溫等離子體在半導體材料的刻蝕、薄膜沉積、離子注入等材料處理工藝方面的應用，介紹了不同應用中計算各種放電參數的方法，分析了這些參數與工藝效果之間的關系。
近20年來，本書一直是加利福尼亞大學的授課教材。這本經典教材廣泛、深入地描述了關于等離子體的基本概念和基本原理，闡述了各種放電條件下的低氣壓、低溫等離子體中的主要物理和化學過程，分析了各種源的放電狀態。本書還詳細討論了低溫等離子體在半導體材料的刻蝕、薄膜沉積、離子注入等材料處理工藝方面的應用，介紹了不同應用中計算各種放電參數的方法，分析了這些參數與工藝效果之間的關系。
全書共18章，內容包括等離子體的基礎知識、等離子體放電過程中的粒子平衡和能量平衡、等離子體與表面的相互作用、等離子體診斷、電負性等離子體、脈沖等離子體、容性和感性放電、高頻及雙頻放電、波加熱的氣體放電、直流放電、刻蝕、沉積與注入、塵埃等離子體，以及氣體放電的動理論等。因此，除了作為課程教材以外，本書對于從事微（納）電子設備和材料處理工藝參數設計的科研人員也有很高的參考價值。
譯者序
我非常高興這本經典教材的中譯本能夠再次與讀者見面。科學出版社曾于2007年出版過我們翻譯的一個版本，書名為《等離子體放電原理與材料處理》。幾年中兩次印刷合計5000冊均已售罄。
近年來，我國大規模集成電路產業發展很快，產業需求對集成電路生產設備的開發和工藝的原始創新提出了更高的要求。低溫等離子體技術是該產業不可缺少的核心技術之一，這本書作為國際上最全面和最受歡迎的低溫等離子體教材，我們有必要將其中譯本進行全面修訂和再次出版發行。這次修訂工作主要由清華大學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還發現了英文原著（第10印次版本）中的多處錯誤，得到了原作者Lieberman和Lichtenberg教授的肯定。另外，張烜博士、鄭金華、顧勐智、雷志鋮、陳文聰、劉飛翔、程志文、黃邦斗、郭曉覓、向小雨和王藝璇等各位同學也對修訂工作做出了不同程度的貢獻。
在這次修訂中， 對原中譯本的不準確或者錯誤的句子所做的修改甚至徹底重譯，多達幾千處；更正了英文原著（第10印次版本）中的一些錯誤；另外也改正了原中譯本的大量印刷錯誤（主要在公式中）及圖表中的一些錯誤； 統一并規范了英文術語的翻譯，并增加了中英文術語對照表。中譯本的書名也做了改動，以求與英文原書名更相近。我們相信，兩年多的努力換來的是一本內容更精準、更易讀，制作細節更精良的教材。
初譯這本經典著作的人員包括：蒲以康（英文第一版和第二版前言，第1章、第7章、第18章，以及附錄A至附錄C，清華大學）、朱悉銘（第2章和第8章，哈爾濱工業大學）、郭志剛（第3章和第15章）、王久麗（第4章和第16章）、毛志國（第4章）、馮陽（第5章，美國加州大學伯克利分校）、王旭（第6章和第14章，美國科羅拉多大學）、宋旭波（第9章）、馬杰（第10章至第13章，中山大學）、張谷令（第16章）、馬錦秀（第17章，中國科學技術大學）、陳宇（符號與下標縮寫含義，物理常數與轉換系數，實用公式）。蒲以康當時對全書稿進行了統一整理。
由于本書涉及的物理與化學內容廣泛，在本書初譯過程中，我們邀請了相關領域的一些專家協助審校書稿。他們是：俞昌旋院士（第5章、第6章及名詞和術語，中國科學技術大學）、文克玲教授（第3章和第8章，清華大學）、朱祖凱先生（第10章中的部分內容，美國普林斯頓大學）、李亞棟院士（第7章，清華大學）、倪圖強博士［第15章，中微半導體設備（上海）有限公司］和高喆教授（第18章，清華大學）。另外，本書的作者之一Lieberman教授不厭其煩地為我們解答了很多問題，在此對他表示深深的感謝。清華大學的曾實、張小章和李麗教授，美國休斯敦大學的Vincent Donnelly教授，復旦大學的徐學基教授，美國的嚴永欣博士，當時在清華大學工程物理系在讀的一些研究生、本科生及其他單位的研究生：李晶、蒲昱東、阿芒（Aman-ur-Rehman，巴基斯坦籍）、胡大為、薛會、黃夢琦、王英，李靜等人，以及中國科學院力學研究所吳承康院士和物理研究所楊思澤研究員等人，都為本書的初譯版本做出了貢獻，在此向他們表示感謝。
本書的翻譯和修訂工作給我們提供了一個學習和提高自己能力的很好的機會。由于本書涉及的領域非常廣泛，加之我們在物理與中英文方面知識的欠缺，翻譯不當之處在所難免，敬請讀者批評指正。
蒲以康2017年12月于清華大學
puyikang@tsinghua.edu.cn
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, plasmabased 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 hightech manufacturing in China make this edition especially timely, for where manufacturing is established, research and development inevitably follow. This is especially true for the hightech 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 譯 本 序
非常高興為這本教學和科研用書等離子體放電與材料工藝原理的中文版寫一個序。正如1994年我們在原著第一版的前言中寫到的那樣，在電子、 航空航天、汽車及生物醫療等工業領域，等離子體工藝技術是不可缺少的。在21世紀，等離子體材料處理技術將發揮更重要的作用。目前中國正在成為一個世界的高科技制造業中心，所以現在是本書出版發行的一個大好時機。這是因為制造業的發展，必然會帶動研發工作。對于電子工業中基于等離子體的高新技術尤為如此。本書也列舉了許多這方面的應用實例。大約在60年前人們
Michael Lieberman教授分別于1962年和1966年從麻省理工學院獲得學士和博士學位。1966年起執教于加州大學伯克利分校電機系，從事等離子體方面的教學和科研。1971年獲得伯克利分校的杰出教學獎。Lieberman教授是APS，AAAS，IEEE，AVS和IOP會士，并曾于1999年獲得IEEE plasma science and application獎，于2005年獲得von Engel獎，于2006年獲得APS的Will ALLIS獎。他是國際上公認的低溫等離子體領域權威之一，與Alan Lichtenberg合著的本書也成為低溫等離子體領域最廣泛使用的教材和科研用書。Allan Lichtenberg教授于1952年從哈佛大學獲得學士學位，1957年從麻省理工學院獲得碩士學位，1961年從牛津大學獲得博士學位。1957年起執教于加州大學伯克利分校電機系。Lichtenberg教授是國際著名的高溫等離子體、等離子體放電和非線性動力學領域的先驅，在相關領域發表了約150篇文章并撰寫多本著作，其中包括Phase-Space Dynamics of Particles，該書已有俄文譯本。
Michael Lieberman教授分別于1962年和1966年從麻省理工學院獲得學士和博士學位。1966年起執教于加州大學伯克利分校電機系，從事等離子體方面的教學和科研。1971年獲得伯克利分校的杰出教學獎。Lieberman教授是APS，AAAS，IEEE，AVS和IOP會士，并曾于1999年獲得IEEE plasma science and application獎，于2005年獲得von Engel獎，于2006年獲得APS的Will ALLIS獎。他是國際上公認的低溫等離子體領域權威之一，與Alan Lichtenberg合著的本書也成為低溫等離子體領域最廣泛使用的教材和科研用書。Allan Lichtenberg教授于1952年從哈佛大學獲得學士學位，1957年從麻省理工學院獲得碩士學位，1961年從牛津大學獲得博士學位。1957年起執教于加州大學伯克利分校電機系。Lichtenberg教授是國際著名的高溫等離子體、等離子體放電和非線性動力學領域的先驅，在相關領域發表了約150篇文章并撰寫多本著作，其中包括Phase-Space Dynamics of Particles，該書已有俄文譯本。
第1章概述
1.1材料處理
1.2等離子體和鞘層
1.2.1等離子體
1.2.2鞘層
1.3放電
1.3.1射頻二極放電系統
1.3.2高密度等離子體源
1.4符號和單位
第2章等離子體的基本方程和平衡態性質
2.1引言
2.2場方程、電流和電壓
2.2.1麥克斯韋方程組
2.3守恒方程
2.3.1玻爾茲曼方程
2.3.2宏觀量
2.3.3粒子數守恒方程
2.3.4動量守恒方程
2.3.5能量守恒方程
2.3.6小結
2.4平衡態性質
2.4.1玻爾茲曼關系式
2.4.2德拜長度
2.4.3準電中性
2.5習題
第3章原子碰撞
3.1基本概念
3.1.1彈性和非彈性碰撞
3.1.2碰撞參數
3.1.3微分散射截面
3.2碰撞動力學
3.2.1質心坐標系
3.2.2能量轉移
3.2.3小角度散射
3.3彈性散射
3.3.1庫侖碰撞
3.3.2極化散射
3.4非彈性碰撞
3.4.1原子能級
3.4.2電偶極輻射和亞穩態原子
3.4.3電子碰撞電離截面
3.4.4電子碰撞激發截面
3.4.5離子-原子電荷轉移
3.4.6離子-原子碰撞電離
3.5分布函數下的平均值和表面效應
3.5.1麥克斯韋分布下的平均值
3.5.2每產生一個電子-離子對所造成的能量損失
3.5.3表面效應
3.6習題
第4章等離子體動力學
4.1基本運動
4.1.1在均勻穩定場中的運動
4.1.2EB漂移
4.1.3能量守恒
4.2非磁化等離子體動力學
4.2.1等離子體振蕩
4.2.2介電常數和電導率
4.2.3歐姆加熱
4.2.4電磁波
4.2.5靜電波
4.3導向中心運動
4.3.1平行力
4.3.2磁矩的絕熱不變性
4.3.3沿磁力線運動產生的漂移（曲率漂移）
4.3.4由回旋運動產生的漂移（梯度漂移）
4.3.5極化漂移
4.4磁化等離子體動力學
4.4.1介電張量
4.4.2波的色散關系
4.5磁化等離子體中的波
4.5.1基本電子波
4.5.2包含離子運動的基本波
4.5.3CMA圖
4.6波診斷
4.6.1干涉儀
4.6.2諧振腔微擾法
4.6.3波傳播法
4.7習題
第5章擴散和輸運
5.1基本關系式
5.1.1擴散和遷移率
5.1.2自由擴散
5.1.3雙極性擴散
5.2擴散方程的解
5.2.1邊界條件
5.2.2隨時間變化的解
5.2.3穩態平行板解
5.2.4穩態圓柱形解
5.3低氣壓解
5.3.1變遷移率模型
5.3.2朗繆爾解
5.3.3經驗歸納解
5.4在磁場中的擴散過程
5.4.1雙極性擴散
5.5磁多極約束
5.5.1磁場結構分析
5.5.2等離子體約束
5.5.3泄漏寬度w
5.6習題
第6章直流鞘層
6.1基本概念和方程
6.1.1無碰撞鞘層
6.2玻姆鞘層判據
6.2.1對等離子體的要求
6.2.2預鞘層
6.2.3懸浮器壁的鞘層電位
6.2.4碰撞鞘層
6.2.5模擬結果
6.3高電壓鞘層
6.3.1板形鞘層（Matrix Sheath）
6.3.2滿足蔡爾德定律的鞘層
6.4鞘層形成的廣義判據
6.4.1電負性氣體
6.4.2具有多種正離子的等離子體
6.5高電壓碰撞鞘層
6.6靜電探針診斷
6.6.1無碰撞鞘層中的平面探針
6.6.2具有非麥克斯韋分布電子時的情況
6.6.3無碰撞鞘層中的圓柱形探針
6.6.4雙探針和發射探針
6.6.5碰撞和直流磁場效應
6.6.6探針制作和探針電路
6.6.7隨時間變化電場中的探針
6.7習題
第7章化學反應和平衡
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化學平衡
7.4.1氣壓和溫度的影響
7.5異相平衡
7.5.1不同相之間的平衡
7.5.2在表面上的平衡
7.6習題
第8章分子碰撞
8.1引言
8.2分子結構
8.2.1分子的振動和轉動能級
8.2.2光學輻射
8.2.3負離子
8.3電子-分子碰撞反應
8.3.1分解
8.3.2分解電離
8.3.3分解復合
8.3.4氫分子的例子
8.3.5分解電子吸附
8.3.6極化分解
8.3.7亞穩態負離子
8.3.8電子碰撞解離
8.3.9振動和轉動激發
8.3.10彈性散射
8.4重粒子之間的碰撞
8.4.1共振電荷轉移和非共振電荷轉移
8.4.2正負離子復合
8.4.3復合解離
8.4.4激發轉移
8.4.5化學鍵重排
8.4.6離子-中性粒子彈性散射
8.4.7三體過程
8.5反應速率和細致平衡
8.5.1溫度的影響
8.5.2細致平衡原理
8.5.3氧的一組數據
8.6發射光譜法和光學借標測定
8.6.1發射光譜法
8.6.2光學借標測定
8.6.3氧原子的光學借標測定
8.7習題
第9章化學動力學與表面過程
9.1基元反應
9.1.1平衡常數之間的關系
9.2氣相動力學
9.2.1一級連串反應
9.2.2可逆反應
9.2.3有光子發射的雙分子化合反應
9.2.4三體化合反應
9.2.5三體正負離子復合反應
9.2.6三體電子-離子復合反應
9.3表面過程
9.3.1正離子中和反應和二次電子發射
9.3.2吸附和解吸附
9.3.3裂解
9.3.4濺射過程
9.4表面動力學
9.4.1中性粒子的擴散
9.4.2擴散損失率
9.4.3吸附和解吸附
9.4.4分解吸附和復合解吸附
9.4.5物理吸附
9.4.6與表面的反應
9.4.7在表面上的反應
9.4.8表面動力學和損失概率
9.5習題
第10章放電過程中的粒子平衡和能量平衡
10.1引言
10.2電正性等離子體平衡態分析
10.2.1基本性質
10.2.2均勻密度的放電模型
10.2.3非均勻放電模型
10.2.4中性自由基的產生和損失
10.3電負性等離子體平衡態分析
10.3.1微分方程
10.3.2負離子的玻爾茲曼平衡
10.3.3守恒方程
10.3.4簡化方程的有效性
10.4電負性等離子體的近似平衡分析
10.4.1整體模型
10.4.2低氣壓下的拋物線分布近似
10.4.3高氣壓下的平頂模型
10.5電負性等離子體放電實驗和數值模擬
10.5.1氧氣放電
10.5.2氯氣放電
10.6脈沖放電
10.6.1電正性氣體的脈沖放電
10.6.2電負性氣體的脈沖放電
10.6.3中性基團動力學過程
10.7習題
第11章容性放電
11.1均勻放電模型
11.1.1主等離子體區導納
11.1.2鞘層導納
11.1.3粒子平衡與能量平衡
11.1.4放電參數
11.2非均勻放電模型
11.2.1無碰撞鞘層動力學
11.2.2蔡爾德定律
11.2.3鞘層電容
11.2.4歐姆加熱
11.2.5隨機加熱
11.2.6自洽模型方程
11.2.7標度關系
11.2.8碰撞鞘層
11.2.9低電壓和中等電壓鞘層情況
11.2.10鞘層中的歐姆加熱
11.2.11自洽的無碰撞加熱模型
11.2.12雙頻和高頻放電
11.2.13電負性等離子體
11.3實驗與數值模擬
11.3.1實驗結果
11.3.2PIC數值模擬
11.3.3二次電子的作用
11.3.4模型的意義
11.4非對稱放電
11.4.1電容分壓器模型
11.4.2球殼模型
11.5低頻時的射頻鞘層
11.6電極處的離子轟擊能量
11.7磁增強的氣體放電
11.8匹配網絡和功率測量
11.8.1匹配網絡
11.8.2功率測量
11.9習題
第12章感性放電
12.1高密度、低氣壓等離子體
12.1.1感性等離子體源的結構
12.1.2功率吸收與工作參數狀態
12.1.3放電工作狀態與耦合
12.1.4匹配網絡
12.2其他工作狀態
12.2.1低密度下的工作狀態
12.2.2容性耦合
12.2.3滯回現象和不穩定性
12.2.4功率轉移效率
12.2.5精確解
12.3盤香形線圈等離子體源
12.4螺旋共振器放電
12.5習題
第13章波加熱的氣體放電
13.1電子回旋共振等離子體
13.1.1特性和結構
13.1.2電子加熱
13.1.3波的共振吸收
13.1.4模型和數值模擬
13.1.5等離子體膨脹
13.1.6測量
13.2螺旋波放電
13.2.1螺旋波模式
13.2.2天線耦合
13.2.3螺旋波吸收模式
13.2.4中性氣體貧化
13.3表面波放電
13.3.1平面型表面波
13.3.2圓柱形表面波
13.3.3功率平衡
13.4習題
第14章直流放電
14.1輝光放電的定性描述
14.1.1正柱區
14.1.2陰極鞘層
14.1.3負輝光區和法拉第暗區
14.1.4陽極位降
14.1.5其他的放電特征
14.1.6濺射和其他放電構形
14.2正柱區分析
14.2.1電子溫度Te的計算
14.2.2E和n0的計算
14.2.3動理學效應
14.3陰極鞘層分析
14.3.1真空擊穿
14.3.2陰極鞘層
14.3.3負輝區和法拉第暗區
14.4中空陰極管放電
14.4.1簡單放電模型
14.4.2在中空陰極管放電中的金屬氣化產物
14.5平面磁控放電
14.5.1輝光放電濺射源的缺陷
14.5.2磁控放電結構
14.5.3放電模型
14.6電離物理氣相沉積
14.7習題
第15章刻蝕
15.1刻蝕的工藝指標和工藝過程
15.1.1等離子體刻蝕的工藝指標
15.1.2刻蝕工藝過程
15.2刻蝕反應動力學
15.2.1表面動力學過程
15.2.2放電動力學和負載效應
15.2.3化學反應框架
15.3用鹵素原子刻蝕硅
15.3.1氟原子產生的純化學刻蝕
15.3.2離子能量驅動的氟原子刻蝕
15.3.3CF4放電
15.3.4在原料氣體中添加O2和H2
15.3.5氯原子刻蝕
15.4其他刻蝕系統
15.4.1用F和CFx刻蝕二氧化硅
15.4.2Si3N4的刻蝕
15.4.3鋁的刻蝕
15.4.4銅的刻蝕
15.4.5光刻膠的刻蝕
15.5基片上的電荷積累
15.5.1門氧化層的損壞
15.5.2接地的基片
15.5.3不均勻的等離子體
15.5.4刻蝕中的瞬時損傷
15.5.5電子陰影效應
15.5.6射頻偏壓
15.5.7刻蝕輪廓的畸變
15.6習題
第16章沉積與注入
16.1引言
16.2等離子體增強化學氣相沉積
16.2.1非晶硅的沉積
16.2.2二氧化硅的沉積
16.2.3氮化硅的沉積
16.3濺射沉積
16.3.1物理濺射沉積
16.3.2反應濺射沉積
16.4等離子體浸沒離子注入(PIII)
16.4.1無碰撞鞘層模型
16.4.2碰撞鞘層模型
16.4.3PIII方法在材料工藝中的應用
16.5習題
第17章塵埃等離子體
17.1物理現象的定性描述
17.2顆粒充電和放電平衡
17.2.1平衡電位和電荷
17.2.2放電平衡
17.3顆粒平衡
17.4塵埃顆粒的形成和生長
17.5物理現象及其診斷
17.5.1強耦合等離子體
17.5.2塵埃聲波
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