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，这本书作为国际上最全面和最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（英文第一版和第二版前言，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
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, 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年我们在原著第一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年前人们发明了晶体管，50年前发明了集成电路，微处理器的发明至今也有30年了。随着技术的不断创新，目前“微电子”变成了“纳电子”，这使得相关工艺对等离子体技术提出了更苛刻的要求。这些相关工艺包括在制造现代微处理器和记忆存储器件过程中的对薄膜的沉积、图形制造和刻蚀。所以，随着技术的不断发展，相关等离子体工艺也需要不断地技术革新。在这个快速发展、不断创新的领域中，本书所强调的相关基础知识会显得格外必要。
    我们非常感谢北京清华大学的蒲以康教授和他的合作者们，为本书中文版的诞生做出了贡献。在他们翻译本书的过程中，发现并改正了原著中的一些笔误和其他错误，所以本书的中文版会比原著更完善。我们衷心希望中国的同行们能在等离子体材料处理领域的发展中，取得巨大的成绩。

迈克尔?A. 力伯曼
艾伦?J. 里登伯格
2006年11月8日


序
	我非常高兴为本书写序。
	一年前，当蒲以康教授和我提及翻译这本书的计划时，我就觉得这是一个非常好的想法。主要原因在于目前我国缺乏关于低温等离子体物理和应用的教材，而国家近年来在各工业领域（特别是微电子领域）的发展向我们提出了极为迫切的人才需求。本书的原著是力伯曼和里登伯格教授在原书第一版（1994年出版）的基础上，花了三年时间修改、增补而成的。它既包括基本概念和基本原理，又包括和当代实际应用密切相关的一些实例，并详细阐述了如何应用书中介绍的基本理论对具体等离子体放电装置进行分析。另外，本书还对1994年至2005年的新研究结果进行了综述。所以，它既是一本很好的研究生教材，也是一本应用价值很高的科研用书。
	力伯曼教授是我们的老朋友。他出色的研究工作使其近年来频频获奖。本书所包含的内容，反映了作者广博的知识和对这个领域的深入而独到的见解。力伯曼教授提出的整体模型（见第10章）既简单又实用，而且功能强大，因此许多科研工作者都用它来解释各种实验现象。
	翻译小组为这本书的中文版付出了辛勤的劳动，我也非常感谢为本书的翻译出版做出贡献的专家、学者及学生。
	我坚信本书的出版发行对我国低温等离子体领域的教学和科研的发展会有很大的推动作用。同时，正如力伯曼和里登伯格教授在他们的中文版序中所提到的，本书出版得非常及时，因为中国正在成为一个世界的高科技制造中心。
我衷心希望读者能喜欢本书。

中国科学院院士吴承康
中国科学院力学研究所
2006年12月

第二版前言
	本书第一版问世以来的10年间，与等离子体相关的半导体技术有了突飞猛进的发展，但该技术的基础知识框架并未有明显的改变。本书的前九章是关于基础理论的内容：第2章至第6章介绍低气压部分电离等离子体的基础知识；第7章至第9章阐述在气相和表面发生的物理化学过程。根据近年来的教学经验和对该领域知识的深入了解，作者对这几章的内容进行了修订，使得这部分内容表述得更加清晰。
	第二版具体对以下章节进行了重大改动和增补：5.2节和5.3节（讨论扩散和扩散方程的解）；6.2节（介绍玻姆判据）；6.4节（阐述存在多种离子的鞘层）；6.6节（阐明在时变电磁场中朗缪尔探针的工作原理）；我们还修订了描述气相和表面物理化学过程的9.2节和9.3节 （关于溅射物理、由中性粒子扩散造成的损失率和表面损失几率）；在第3章和第8章中对氩气和氧气反应速率的数据也进行了更新。
	我们在第10章至第14章中对放电物理进行了修订和扩充。在过去的10年里，通过认真研究含氟、氯和氧气的等离子体放电特性，人们对电负性气体稳态放电机理有了更深入的了解，这些新内容充实了10.3节至10.5节。脉冲放电作为等离子体材料处理的一个新的重要生长点，被安排在10.6节。介绍容性放电的第11章中也增加了许多新内容，包括无碰撞鞘层、双频反应器、高频反应器和电负性气体放电。在新增的11.5节和11.6节中，阐述了高密度等离子体射频鞘层和离子能量分布，这些内容对理解存在射频偏压时的高密度等离子体的工作原理十分重要。在第12章中增加的内容包括考虑到电子惯性电感electron inertia inductance，其物理含义将在第12章中详细描述。——译者注的新放电模型和对滞回现象及不稳定现象的讨论，这两种现象会影响等离子体材料处理的效果。13.2节增加了对螺旋波电场能量吸收和中性气体浓度亏损的内容。这些内容包含了新的科研成果，对建立放电模型将发挥重要作用。另外还增加了关于空心阴极放电和电离化物理气相沉积的内容（见14.4节和14.6节）。空心阴极放电在材料处理和气体激光器中都有重要的应用，对于分析低压直流辉光放电也是一个很好的例子。电离化物理气相沉积，作为一个直流和射频放电共存的典型例子，在薄膜沉积方面有重要的应用。
	在第15章和第16章中增加了刻蚀、沉积和离子注入方面的最新进展。15.4节阐述铜的刻蚀，新增的15.5节介绍电荷积累效应（charging effect），人们已对在基片不同区域上形成的累积电荷量的不同及其对氧化物薄膜的损伤有了较多了解。
	在过去的10年中，人们对放电中颗粒形成的研究主要集中在以下两个方面：一方面是降低它们的生成速度以减少在工艺过程中由它们产生的缺陷；另一方面是用它们来产生粉体和纳米尺度的晶体颗粒材料。新增的第17章介绍尘埃等离子体这一重要领域中的物理原理和相关技术，其中包括颗粒荷电量的计算、稳态放电模型、颗粒数平衡方程、颗粒形成和生长、颗粒的诊断，以及消除或生长颗粒的技术。
	同样，在过去的10年中，以动理论为基础的放电分析有了长足的发展，人们越来越多地使用动理学方法分析等离子体。在新增的第18章中讨论动理论的一些基本概念，局域和非局域动理论、准线性扩散、随机加热和一些用动理论建立的放电模型的例子。
	我们订正了第一版第一次和第二次印刷中出现的错误。对书中讨论的内容进行了更新，并介绍了科研上的最新进展和最新的参考文献。这使得参考文献部分的篇幅增加了很多。
	因为我们强调的是在学生头脑中打好物理化学的基础，所以这几年来，课程的内容并没有太多的改变。电气工程系、化学系、化学工程系、核工程系、材料科学系和物理系的研究生要在一学期里学完这本书中的主要内容。在第一版前言中描述的30次课、每次90分钟的课程安排仍然适用。当然，讲授者可根据情况增加一些对电负性等离子体平衡态和脉冲等离子体的讨论（本书对有些章节的顺序进行了一些调整）。
    我的同事C.K.Birdsall和J.P.Verboncoeur以及加州大学伯克利分校的等离子体理论和模拟课题组（PTSG）仍在不断改进和提供一套可在个人计算机和工作站上运行的辅助教学和示范软件。在其网站（http://ptsg.eecs.berkeley.edu）可下载这些软件及使用手册。
	在第一版的修订过程中，我们得到了很多朋友和同事的鼓励，并从和他们的讨论中受益良多。感谢I.D.Kaganovich对第18章“动理论”的认真细致的审阅；感谢J.T.Gudmundsson对更新氩和氧的反应速率数据方面提供的帮助（更完全的数据可在其网站http://www.raunvis.hi.is/tumi/获得）；感谢Z.Petrovic′和D.Maric′对更新第14章中出现的场致增强电离系数和击穿电压数据方面提供的帮助；感谢B.Cluggish，R.N.Franklin，V.A.Godyak和M.Kilgore，他们的建议使书中的分析和计算过程变得更加清晰。我们从以下同事对等离子体的理解和建议中受益很大，他们是C.K.Birdsall，J.P.Booth，R.W.Boswell，P.Chabert，C.Charles，S.Cho，T.H.Chung，J.W.Coburn，R.H.Cohen，D.J.Economou，D.Fraser，D.A.Graves，D.A.Hammer，Y.T.Lee，L.D.Tsendin，M.Tuszewski，J.P.Verboncoeur，A.E.Wendt和H.F.Winters。近年来加入我们组的博士后S.Ashida，J.Kim，T.Kimura，K.Takechi和H.B.Smith，以及研究生J.T.Gundmundsson，E.Kawamura，S.J.Kim，I.G.Kouznetsov，A.M.Marakhtanov，K.Patel，Z.Wang，A.Wu和Y.Wu也让我们学到了很多知识，而且他们的一些工作成果也编入了本书。非常感谢澳大利亚国立大学的R.W.Boswell和伦敦的M.G.Haines的热情接待。本书中的很多内容都是在这两个地方修订完成的。

迈克尔?A.力伯曼
艾伦?J.里登伯格

第一版前言
	本书介绍部分电离的等离子体的基本原理及其在薄膜处理工艺方面的应用。这种等离子体有较强的化学活性，而且能在纯化学方法不可能达到的工艺参数条件下对材料进行处理，这促成了等离子体材料处理这门学科的诞生。作为高科技领域的一门交叉学科，它涉及等离子体物理、表面科学、气相化学及原子和分子物理等诸多内容。各种等离子体工艺的共同点是产生等离子体并利用它在基片表面上引发一系列化学反应。本书只讨论小于1Torr1Torr=1 mmHg=1.33322×102Pa。——编者注的低气压放电过程，这种等离子体能在不对表面进行加热的条件下，为表面提供（化学反应所需的）活化能。在集成电路制造工艺中，等离子体表面处理技术起着不可替代的作用，因而我们以其中的材料处理工艺为例进行分析。此外，等离子体在航空航天、汽车制造、钢铁冶炼、生物医学和有害废弃物处理等其他领域，也有重要的应用。
	我们在本书内容的选取方面进行了一些考虑。希望读者通过阅读本书能够建立较强的理论基础，并了解一些基本的物理和化学原理。这些原理对了解放电物理、在气相和表面发生的物理化学过程很有帮助。本书不侧重于描述等离子体技术和薄膜处理工艺的最新进展。尽管这些工艺技术不断变化，然而它们的理论基础始终不变。我们在对相关物理化学过程进行定量描述的同时，侧重帮助读者建立物理思想，培养简单估算（backoftheenvelope）和粗略分析（first-cut analysis）的能力，并使读者学会设计放电参数和薄膜处理工艺。为此，书中给出了一些对放电分析有实用价值的图表，并在各章节中列举了很多实例。
	本书既可作为研究生教材（书中附有一定量的习题），又可作为工程师和科研人员的参考书。阅读本书的读者应具有一般本科毕业生的数理化基础，包括两年的数学、一年半的物理和半年或一年的化学课程的学习。另外，读者还需具备电磁学或流体力学中涉及的求解偏微分方程的基本知识。
	本书的第1章为概述，其余内容分成四部分：第2章至第6章介绍低气压部分电离放电过程；第7章至第9章阐述发生在气相中和表面上的物理和化学动力学过程；第10章至第14章阐述各种等离子体放电过程； 第15章和第16章介绍等离子体工艺过程。第3章和第8章在内容上相对独立，分别讨论原子和分子碰撞过程。它们分别出现在介绍相应动力学过程的章节之前，读者可以根据实际需要略读或精读。有关等离子体诊断的内容放在相关章节的最后（如4.6节、6.6节、8.8节和11.6节）。我们往往将诊断技术作为理论分析的应用实例。
	在过去的五年中，我们一直在讲授一门以本书内容为基础的研究生课程。选修该课程的研究生大多来自电机工程系、化学工程系、核工程系、材料科学系与物理系。这门课程每学期讲授30课时，每课时90分钟。课程进度安排如下：
章    讲课次数和内容
1     1
2     2
3     2（略讲）
4     1（只讲4.1节和4.2节，不包括波）
5     2(只讲5.1节至5.3节)
6     3（省略6.4节）
7     2
8     2（略讲，省略8.6节）
9     3
10    1（省略10.3节）
11    2（只讲11.1节和11.2节）
12    1（只讲12.1节）
13    1（只讲13.1节）
14    2
15    3
16    2（省略16.4节）

	本书的核心内容在第2章、第4章至第7章、第9章和第10章的部分节中加以阐述。我们在讲解原子和分子碰撞过程（第3章和第8章）时可以有所侧重，但应当对这两章的内容做一些基本介绍。上述各章中的部分小节的内容以及第11章至第16章的内容则相对独立，教师可根据需要选择讲授。部分内容专业性较强，如导向中心运动（见4.3节）、动力学（见4.4节）、波（见4.5节）和磁化等离子体的扩散（见5.4节和5.5节）等，可在讲授完核心内容之后再进行介绍。
	我们的同事C.K.Birdsall和V.Vahedi以及伯克利等离子理论和模拟课题组的其他成员共同开发了可在个人计算机和工作站上运行的软件。这些软件可用于计算机辅助教学和课堂演示。它给出的模拟计算结果可用来阐明放电物理中的很多概念（见图1.11、图2.2和图6.3）。我们通常在课堂上利用这些软件进行4到5次、每次20分钟的模拟演示。
	在撰写本书的3年间，我们得到了很多朋友和同事的鼓励与支持，也从和他们的讨论中受益匪浅。在此，我们向那些对此做出重要贡献的人致谢。感谢D.L.Flamm，他在1988年至1989年间作为伯克利的MacKay访问讲师，和Allan J.Lichtenberg一起讲授了等离子体材料处理中的化学原理部分；Michael A.Lieberman和同事C.K.Birdsall，D.B.Graves及V.Vahedi一起，多次开办了短期培训班，为半导体工艺工程师讲授本书中精简后的基础内容。这些同事对本书内容的理解、领悟和提出的一些建议使我们获益颇多。我们也从N.Cheung，D.Graves，D.Hess和S.Savas，博士后C.Pico和R.Stewart，研究生D.Carl, K.Kalpakjian，C.Lee，R.Lynch，G.Misium，R.Moroney，K.Niazi，A.Sato，P.Wainman，A.Wendt，M.Williamson和B.Wood等那里学到了很多知识。书中内容也包括了他们的一些工作成果。第10章、第12章和第13章的一些内容来自R.A.Gottscho和本书作者之一Michael A.Lieberman合写的一篇综述文章，该文章发表在Physics of Thin Films，第18卷(1994)。该书的主编为M.Francombe和J.L.Vossen，出版商为Academic Press，New York。我们感谢V.A.Godyak，M.B.Lieberman和S.Brown，他们审阅了书中部分章节并提出了一些建议，使文字表述更为清晰；W.D.Getty曾使用本书初稿作为教材，讲授一门类似的课程。在本书终稿的修订过程中，他的评论和建议也给我们带来不少帮助。本书中很多成果也是在科研工作中获得的。这些科研工作得到了美国国家自然科学基金会、能源部、劳伦斯?利弗莫尔国家实验室、加州MICRO项目、加州有竞争力技术项目、SEMATECH和半导体研究公司（Semiconductor Research Corporation）、IBM、应用材料公司和摩托罗拉公司的赞助和支持。非常感谢伦敦帝国学院M.G.Haines和澳大利亚国立大学的R.Boswell的热情款待。本书很多内容是在这两处写就的。E.Lichtenberg和P.Park录入了本书的部分内容，在此也向她们表示感谢。
迈克尔?A.力伯曼艾伦?J.里登伯格