由于等离子体密度高、离子轰击能量低等特点,甚高频(Very-high-frequency,VHF)容性耦合等离子体(Capacitively Coupled Plasmas,CCPs)被广泛应用于集成电路产业的材料刻蚀和薄膜沉积等工艺过程。在工业生产和科学研究中,氩气是最常用的原料气体之一,经常与碳氟气体、氧气、氮气等混合使用,由此了解氩气放电中的亚稳态原子密度、中性粒子温度和等离子体密度等重要参量的演化规律,对于了解其中的物理机理,更好地发挥其在工业生产中的应用具有重要意义。本论文针对甚高频驱动的容性耦合氩气放电,利用多种实验诊断方法对氩的亚稳态原子、中性气体加热效应和驻波效应等几个热点物理问题开展研究。在第一章中,介绍了低温等离子体的发展概况和一些常用的实验诊断方法,并详细介绍了一种新型的诊断方法—光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器,最后综述了 CCP中氩的亚稳态原子、中性气体加热效应和电磁效应等几个热点物理问题的研究进展。在第二章中,首先介绍了小面积和大面积两套甚高频CCP放电装置,随后对实验中用到的可调谐二极管激光吸收光谱法、微波共振探针、FBG传感器和悬浮双探针等几种实验诊断系统进行介绍。在第三章中,针对甚高频双频CCP中氩的两种亚稳态原子(1s5和1s3),利用可调谐二极管激光吸收光谱法系统地考察了高频功率、低频功率、放电气压和氧气含量等参数对其密度的影响,并结合简化的理论模型讨论分析了亚稳态原子的主要产生和损失机制。结果表明,由于简并度的差异,氩的1s5态原子密度比1s3态高一个数量级,但因为处于相近的能级,两者随不同放电参数的变化趋势却非常相似。随着高频功率的增大,纯氩放电中的亚稳态原子密度先快速增大,后趋于饱和,而在含5%或者10%氧气的混合气体放电中,亚稳态原子密度在更高的高频功率下达到饱和值。在双频驱动的等离子体中,低频功率的大小对亚稳态原子密度的影响较弱。随着放电气压的增大,亚稳态原子密度先快速升高,并在某一气压条件下达到峰值后缓慢降低,而随着气体组分中氧气含量的增大,亚稳态原子密度将在更低的放电气压下达到最大值。实验还发现,少量氧气的加入会导致亚稳态原子密度大幅度降低,这是因为在混合气体放电中,由于氧气分子碰撞而导致的亚稳态原子淬灭损失过程起主导作用,而这种效应在更高的放电气压下更为显著。结合简化的理论模型得知,氩亚稳态原子主要产生于高能电子碰撞激发基态氩原子,并通过扩散、低能电子碰撞淬灭和中性分子碰撞淬灭等过程损失,而在与氧气混合的气体放电中,氧气分子对氩的亚稳态原子的淬灭作用非常显著。在第四章中,首次将FBG传感器应用于CCP中,对氩气放电的中性气体温度进行测量,并分析了中性气体的加热效应。FBG传感器对温度的测量是基于传感器和中性气体分子之间的热平衡,相对于光谱诊断手段,此技术具有成本低、测温结果准确、不受等离子体中电磁场干扰等优点。实验发现,随着放电气压的增加,FBG传感器与中性气体之间的热传导增强,热平衡特征时间减小。随着高频功率的增加,中性气体温度增加。与之前一些研究默认的“室温”和“均匀分布”不同的是,发现在某些实验条件下,中性气体温度比室温高10到100℃,并在空间上呈现极大的不均匀分布。此外,在不同的放电气压下,中性气体温度与离子密度的空间分布类似,验证了之前的模拟结果。这表明中性气体的加热主要源于高能离子在鞘层区的弹性碰撞和随后的热传导过程。此外,实验结果也证实了 FBG传感器可用于精确诊断CCP中的气体温度。在第五章中,针对甚高频驱动的大面积CCP,分别利用微波共振探针和FBG传感器两种方法对氩放电中的驻波效应和等离子体径向均匀性开展研究。(1)利用微波共振探针测量了等离子体密度的径向分布。实验发现,在低放电气压甚高频放电时,存在非常明显的驻波效应,等离子体密度呈现“中心高”的径向分布。随着射频功率的增加,驻波效应增强,由于高次谐波影响,在空间上呈现“多波节”分布;随着放电气压增加,驻波效应减弱,并出现了电磁波传播的“截止带”现象,验证了之前的理论模拟结果。此外,为了提高等离子体均匀性,在甚高频驱动放电时引入了一个低频源,发现在合适的实验条件下可利用低频源产生的边缘效应来中和驻波效应,并获得较为均匀的等离子体。(2)利用FBG温度传感器测量了中性气体温度的径向分布,系统研究了不同放电气压和射频功率下驻波效应对中性气体加热的影响。研究表明,在低气压甚高频(100 MHz)放电时,中性气体温度呈现“中心高”的径向分布,这表明较强的驻波效应存在。随着射频功率的增加,这种“中心高”的分布更加明显,表明驻波效应在增强。随着放电气压的增加,这个“中心峰”不断减弱,并出现“截止带”效应。作为对比,在低频放电时(27MHz),中性气体温度在所有放电气压下均呈现“边缘高”的径向分布,表明此时存在较强的边缘效应(而非驻波效应)。此外结果表明,中性气体温度的径向分布和相同实验条件下的等离子体密度分布定性吻合较好。在电正性氩气放电中,中性气体温度的分布在一定程度上可以反映出此时的等离子体密度分布,并表征甚高频CCP中的驻波效应等物理现象。在第六章中,给出了本论文的主要结论、创新点和未来的研究计划。