低温等离子体技术在半导体制造工艺中发挥着重要的作用。由于容性耦合等离子体源(Capacitively Coupled Plasmas, CCP)具有结构简单,可以在低气压放电下产生大面积均匀等离子体等优点,已被广泛地应用到材料刻蚀和薄膜沉积等半导体制造工艺中。在过去几十年里,微电子工业迅速发展,半导体器件的尺寸连续缩减,这对CCP源提出了更加严格的要求。为满足这些要求,CCP源也在不断发展,并衍生出许多独具特点的新型CCP源,如目前最为广泛使用的,并能在一定程度上独立控制等离子体密度和离子能量的双频CCP源,可以抑制表面充电效应的直流/射频CCP源,以及能够灵活调节离子能量的电非对称CCP源等。在这些CCP源的发展过程中,数值模拟作为研究CCP放电过程的主要辅助手段,发挥了重要的作用。利用数值模拟,不仅能够给出等离子体的状态参数随放电参数的变化规律,还能够解释CCP放电中包含的各种物理机制,为优化CCP源的设计提供有价值的参考。最常用的数值模拟方法为等离子体流体力学模拟和PIC/MCC (Particle-in-cell/Monte Carlo collision)模拟。尽管流体模拟具有计算量小,稳定性好等优点,但是流体模型无法研究等离子体中电子的动理学行为,并且无法获得各粒子的能量分布。而PIC/MCC模型是建立在第一性原理基础之上的完全动理学方法,能够克服上述流体模型的缺点。但是PIC/MCC模拟的主要问题是空间和时间步长过小,模拟粒子数太多,导致计算量非常大。随着计算机技术的快速发展,计算机的运算能力越来越强,因此,近些年来PIC/MCC模型方法开始得到越来越多的应用。本文研究的主要目的是：利用PIC/MCC模拟方法,研究射频放电中含有直流偏压的两种新型CCP源,即直流/射频CCP源和电非对称CCP源。前者是在基片对面的电极上施加负直流电压,进而产生高能定向电子束流向基片,以抑制基片上的正离子充电效应；后者是通过调节两个驱动电源之间的相位角,利用电非对称效应在功率电极上自洽地生成直流电压,进而灵活地调节轰击到基片上的离子能量。这两种新型CCP源在实验上都已经证实可以获得很好的结果,但是对等离子体内部发生的物理过程,加热机制的变化等都还不是很清晰。因此,本论文将利用PIC/MCC模拟方法从动理学角度详细地研究不同放电参数对等离子体密度、电势、加热率等的影响,并分析对应的物理机制,为相关等离子体工艺腔室的设计与优化提供理论参考和指导。第一章为绪论部分,介绍了等离子体源在微电子工业中的应用,以及几种常用的等离子体源,然后重点介绍了等离子体刻蚀工艺中的关键问题,以及针对这些问题而产生的两种新型CCP源,即直流／射频CCP源和电非对称CCP源的研究进展和不足。在第二章中,介绍了本文所使用的PIC/MCC数值模拟方法和外电路模型。根据PIC模拟的流程,分别介绍了粒子电荷累积,静电场求解和粒子推动过程。在MCC模型部分,重点介绍了广为使用的伪碰撞方法和处理不同类型碰撞的方法,如弹性、激发、电离、复合和吸热反应等碰撞过程。相比于直接处理所有粒子之间的碰撞过程,利用伪碰撞方法,几乎可以节省一百倍的计算量。由于在实际放电过程中,电源都是通过匹配电路耦合到放电极板上,因此本章节还介绍了几种典型的外电路模型,包含电介质等效电路模型,简单有效的物理电路模型和一般的二维电路模型。在第三章中,首先利用一维PIC/MCC模拟方法,并耦合电介质等效电路模型,研究了直流／单频CCP中的表面充电效应。研究发现在基片的对面电极上施加负直流电压以后,会有大量高能电子被排斥到基片表面,并形成一定的自偏电压。但是随着直流电压的升高,主等离子体区被压缩,等离子体密度单调下降。当增加基片厚度,基片自身电阻增加,导致自偏电压升高,从而使得两个电极之间的净直流电压减小,直流电源的作用被抑制。其次,采用基于Ar的PIC/MCC模型,研究了直流/单频和直流/双频CCP中的电子加热机制。在单频放电中,等离子体的主体区会被直流电压压缩,以至于电离率和等离子体密度随着直流电压的增加而单调减小；在双频放电中,由于直流电压和双频电源的耦合,在低频源的前后两个半周期内,出现了两种竞争的加热机制：在前半个低频周期内,低频电压与直流电压叠加,导致主体区被极大压缩,使得整体加热率变得很小；在后半个低频周期内,直流电压会在一定程度上被低频电压所抵消,以至于整体的加热率得到极大的增强。最后,采用基于CF4气体放电的一维PIC/MCC模拟,研究了混合直流／双频CCP中的电子加热模式的转变。当持续增加负直流电压,等离子体密度会先增加,后减小,再增加。这一变化趋势与实验结果在定性上符合地很好。在这一过程中发生了四种主要加热模式的转变：无直流电压时,放电主要由双频耦合效应维持；当直流电压较小时,直流电源和双频源的耦合会成为主要的加热机制,致使等离子体密度上升；当直流电压略高于低频源振幅,直流电源将主导放电机制,主体区被压缩,等离子密度下降；当直流电压变得很大,高能二次电子将贡献大部分电离,以致于等离子体密度再次升高。在第四章中,首先采用一维PIC/MCC模型耦合外电路模型,研究对比了电非对称效应在电正性等离子体和电负性等离子体中的作用。当从00到900调节相位角,两种气体放电中的自偏电压都随相位角而线性变化,离子的最大能量都在3倍范围内可调。然而,电正性等离子体中,离子通量的变化范围为30mTorr:±5%,103mTorr:±12%,电负性等离子体中,离子的通量变化范围为30mTorr:±12%,103mTorr:±15%。这说明,电非对称效应在电正性等离子体中,可以很好地独立控制离子的通量和能量(尤其是在较低气压),而在电负性等离子体中,这种独立控制会在一定程度上受限。进一步采用一维PIC/MCC模拟方法,研究了电非对称效应对电负性O2放电中等离子体属性的调控作用,并与德国波鸿鲁尔大学的Czarnetzki课题组合作,开展相应的实验研究。通过调节两个电源频率之间的相位角,自偏电压线性变化,但是当气压升高,自偏电压会变小。在自偏压的作用下,等离子体的密度分布和电势分布等皆发生明显变化,但是电子的吸收功率却变化很小,导致等离子体密度最大值仅在±10%范围内波动。此外,在较低的气压时,等离子体串联共振(plasma series resonance, PSR)能够自激发,并在传导电流中出现高频的振荡。只是这一振荡的振幅非常小,不足以对等离子体密度产生很大的影响。模拟得到结果与实验结果在定性上都符合的很好。最后,采用二维PIC/MCC模拟方法,研究了CCP中电非对称效应和几何非对称效应的耦合作用,证实了这两种非对称效应几乎可以独立地调节等离子体状态参数,包括自偏电压,功率沉积等。在固定的几何结构下,几何非对称效应可在一定程度上被电非对称效应所减弱。同时,利用电非对称效应,即调节两个电源之间的相位角和电压振幅比,可以在很大程度上实现对等离子体密度的径向和轴向分布的调节。电非对称效应对密度径向均匀性的调节在本文中是首次发现的。本论文研究了在CCP中直流偏压对电正性和电负性等离子体状态参数以及内部物理机制的影响。由于实际工艺中多使用混合气体进行放电处理,并且径向密度分布的均匀性对工艺影响很大,因此在以后的工作中,应采用二维模型对基于混合气体放电的直流／射频CCP源进行更为准确的数值模拟。