射频容性耦合等离子体(Radio-Frequency Capacitively Coupled Plasmas,即RF-CCP)放电技术已广泛地应用于半导体芯片刻蚀和薄膜工艺中,是国际上半导体工业发展规划中的关键性技术。在实际工艺中,芯片刻蚀和薄膜沉积的效率及质量在很大程度上依赖于等离子体工艺腔室的性能及等离子体的状态。工艺腔室中等离子体状态的变化要受到多个外界参数(电源参数、工艺腔室和工艺气体的参数)的控制,而且这种状态的变化呈现出多物理、多化学过程的非线性耦合行为,同时在时间上和空间上呈现出多尺度的变化行为。这种等离子体状态变化的复杂行为给等离子体工艺腔室的物理设计及等离子体状态的实验诊断都带来了极大的挑战和困难。借助于物理建模和仿真,不仅可以为新一代等离子体工艺腔室的物理设计提供科学依据,缩短研发周期以及降低经济成本,同时对从深层次上理解工艺腔室中等离子体状态的复杂行为也具有重要的科学价值。本文的主要目的就是针对RF-CCP工艺腔室,建立多物理、多化学过程的非线性耦合模型,研制一套基于等离子体流体力学／蒙特卡罗(Monte-Carlo, MC)方法的混合模拟求解器,并针对具体的放电过程模拟外界参数对等离子体状态及入射到基片上离子行为的影响。在第一章,本文首先阐述了CCP应用背景及发展趋势,以及当前研究现状与面临的问题,提出本文研究目的。第二章至第七章结构内容安排如下：在第二章,系统地介绍了多模块耦合的仿真模型框架结构,其中包括等离子体流体力学模块、静电场模块、带电粒子与中性粒子碰撞的MC模块、化学反应模块等。由于等离子体的特殊电学性质,流体力学模块与静电场模块是双向紧耦合的,而与化学反应模块通过流体方程源项单向耦合。在执行流体力学模块后,将得到的等离子体的密度、活性基团密度、电子温度做为输入条件,与MC模块单向耦合,模拟运动到基片上的离子能量分布(Ion Energy Distribution, IED)和离子角度分布(Ion Angular Distribution,IAD)。同时,采用独立的输入输出模块可以方便用户自定义腔室形状结构和电源参数以及模型函数控制,可以较大程度满足用户应用需要。在第三章与第四章,基于上面建立的多模块耦合的仿真模型及数值求解器,对Ar等离子体的放电特性进行测试,分别研究放电气压和电源参数,以及腔室结构材料和电源的施加方式等对放电均匀性的的影响。研究表明：在一定的参数范围内,提高放电气压、增大高频电源的频率和减小高频电源的功率都会改善等离子体的径向均匀性。同时,对腔室结构的研究表明：电极外侧的绝缘可以抑制边缘效应,同时对侧壁绝缘可以得到最好的均匀效果；放电间隙增大,等离子体密度增加并逐渐趋于稳定,同时径向分布趋于均匀。通过比较射频电源的不同耦合方式,发现等离子体密度的分布主要取决于高频电源的施加位置。在第五章,针对混合气体CF4/Ar的双频CCP放电,重点模拟电负性气体放电的特性,包括正、负带电粒子的种类及空间分布。结果表明：在主等离子体区内,负离子(主要是F-离子)的密度远大于电子的密度；而在鞘层附近,由于负离子严格受到鞘层电场的约束,会出现电场反转的区域,电子密度分布则出现局域最大值。混合气体中CF4所占比例越大,等离子体整体上表现的电负性越强,电子密度在鞘层的峰值越明显。同时,不同正离子(主要是Ar+和CF3+)密度的空间分布形状类似。在第六章,针对Ar气双频CCP放电,进行模拟与实验诊断结果的比较,以验证仿真模型及模拟结果的可靠性。其中在实验诊断手段方面,采用全悬浮双探针诊断系统测量等离子体密度和电子温度的空间分布。结果表明：在整体上,模拟结果与诊断结果在电子密度变化趋势上比较一致,并验证了轴向上不对称分布是由放电产生的自偏压所导致,以及接地电极区域以外等离子体密度下降是扩散现象所致。电子温度在主等离子体区内分布较为平缓,而在电极外侧区域电子温度逐渐下降。在第七章,针对混合气体CF4/Ar的双频CCP放电,采用混合模型对轰击到基片表面上的IED和IAD进行模拟,并同样采用了带质量分辨的质谱仪对离子的IED进行测量,以验证模拟结果的可靠性。研究结果表明：在双频电源驱动放电下,IED呈多峰分布,两个主能峰之间有多个次级峰存在,次级能峰的个数等于高低频频率的比；两个主能峰的宽度主要取决与低频电源的频率及功率。同时,相对于CF3+离子,Ar+与中性粒子的电荷交换碰撞几率较高,会有更多的低能离r分布。实验诊断结果与模拟结果在峰值形状与位置等方面比较一致,但由于实验中不满足高低频频率的比值为整数(半整数),相当于高低频周期一直存在不同的相位差,因此测量结果不会出现次能峰分布。