感性耦合等离子体(Inductively coupled plasma,即ICP)源具有等离子体密度高(1011～1012cm-3)、工作气压低(1～100 mTorr)以及装置结构简单等优点,已经在等离子体辅助加工领域中得到广泛应用,尤其是应用于半导体芯片刻蚀工艺,其可以得到很高的刻蚀速率和很好的各向异性刻蚀。ICP放电具有容性耦合(E模式)和感性耦合(H模式)两种放电模式：其中E模式的典型放电特征是低密度、弱发光强度、不均匀的等离子体空间分布；而H模式的放电特征是高密度、强发光强度、均匀的等离子体空间分布。当往返调节输入功率时,等离子体参数(如电子密度、温度)以及放电回路的参数(如输入电流、电压)会在E模式和H模式之间发生跳变,并且往往伴随着产生回滞现象。这种放电模式跳变以及不同放电模式下的等离子体参数的分布对于控制和优化等离子体微细加工工艺具有重要的意义。因此,本论文目的是：针对感性耦合平面线圈等离子体源,联合使用Z-Scan、Langmuir探针和ICCD等不同的实验诊断系统,对不同放电模式以及模式跳变过程中的等离子体参数进行观测,进而分析放电模式跳变和回滞现象产生的物理机制。此外还研究了不同模式下基片偏压对主等离子参数的影响。论文第一章首先综述了低温等离子体源的分类及特征,其次详细描述了ICP放电的激发原理,尤其是E-H模式的跳变过程。同时系统地阐述前人对ICP放电模式跳变和回滞现象的实验研究和理论分析,并提出模式跳变和回滞现象研究过程中存在的问题。最后是本文的结构和研究规划。第二章,详细介绍了平面线圈ICP源和使用的测量诊断装置,并且分别介绍了Z-Scan、Langmuir探针和ICCD测量方法的原理。第三章,利用Langmuir探针对H模式下等离子体状态参数的空间分布进行了诊断,同时使用流体/蒙特卡罗混合模型对Ar放电进行仿真模拟,以验证实验测量结果。此外还研究了放电参数和CF4的含量对等离子体密度、电子温度、等离子体电势以及电子能量分布函数的影响。研究结果表明电子密度、温度和等离子体电势随着放电功率的增加而增加；电子密度随着气压的增加而增加,但是电子温度和等离子体电势随着气压的增加而降低。混合气体放电中,电子密度随着CF4的含量增加先迅速下降后缓慢下降,电子温度和等离子体电势随着CF4的含量增加先迅速增加后缓慢增加。产生该现象的原因是电负性气体CF。电离之后形成的CF3基团、F原子吸附电子形成负离子,从而导致电子密度的下降；另外由于CF4加入之后,增加了非弹性碰撞频率,尤其增加了分子的转动温度以及振动温度的耗能,由能量守恒关系得出电子获得的电离能降低,从而降低了电子密度。由于电子密度降低,增加了电子自由程,因而电子温度增加。第四章,研究了不同气压下射频感性耦合Ar放电模式跳变过程中的放电参数、电子密度和等离子体发光强度的变化规律。实验结果显示低气压放电时(≤5 mTorr),电子密度和等离子体发光强度以及放电回路参数在E-H模式跳变时是连续变化的。然而在高气压放电时(≥20 mTorr),电子密度等参数伴随着E-H放电模式跳变而跳变。第五章,研究了匹配网络、气压和混合气体比例对ICP放电中回滞现象的影响。实验结果显示：往返调节串联在平面线圈前端的电容,30 mTorr放电时电子密度在较小电容区域出现E-H和H-E两次跳变,在较大电容区域出现两次跳变的同时还出现明显的回滞环；100 mTorr放电时电子密度在较小电容区域出现新的回滞环,而较大电容区域的回滞宽度增加。另外固定工作气压100 mTorr放电时,发现回滞环随着串联电容的增加而扩展；固定匹配网络,发现回滞环随着气压的增加而扩展,并且在气压为1mTorr时没有回滞产生。这表明匹配网络和气压是ICP出现回滞现象的重要因素。此外在混合气体放电中发现：回滞环随着分子气体含量的增加而减小,并且发生模式跳变的闽值随着分子气体含量的增加而增加。第六章,研究不同模式放电时的基片偏压效应,研究结果表明：在E模式下,偏压诱导等离子体密度、发光强度增加。这是因为基片台施加偏压之后相当于CCP放电,偏压加热主等离子体,即基片台偏压源和平面线圈功率源共同维持放电——协同放电。然而在H模式放电时,偏压诱导等离子体密度、发光强度下降。这是因为偏压在基片台上方形成了高压鞘层,其对主等离子体的调制作用,降低了等离子体密度及光强度。最后,简要概括了本论文主要结论和提出来下一步开展的工作。