射频感性耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma, ICP)源具有放电气压低,等离子体密度高,均匀性易于控制,装置简单,无需外加直流磁场等优点,因此它在半导体工艺和材料处理等领域得到了广泛应用。众所周知,ICP源中存在两种放电模式：容性放电模式(E模式)和感性放电模式(H模式)。当调节外界放电参数(如线圈电流、输入功率、匹配网络中串联电容、放电频率及气压等)时,等离子体放电模式会发生转换,等离子体参数(如等离子体密度、电子温度等)以及放电回路电学参数(如线圈电流、电压以及等效回路阻抗等)会发生突变,往返调节放电参数时,等离子体参数及放电回路电学参数还会出现回滞现象。这种放电模式转换及回滞行为会引起放电的不稳定,对工业过程产生很大影响,因此研究ICP源的模式转换及回滞行为,对控制和优化等离子体工艺具有重要意义。因此,本论文的研究目的是：针对平面线圈型ICP源装置,将二维流体力学模型、等效回路模型、电磁场模型及电子的Monte-Carlo (MC)模型进行耦合,研究射频感性耦合氢等离子体源的模式转换及回滞过程中各等离子体参数以及等效回路电学参数的演化规律,分析放电模式转换及回滞现象的特点及内在机制。在论文第一章中,首先概述了等离子体微细加工工艺,综述了几种典型的低温等离子体源及其放电特点,详细描述了ICP源的装置结构特点、激发原理以及存在的两种放电模式。同时,系统地阐述了ICP源模式转换及回滞的理论和实验研究进展以及依然存在的一些问题。最后给出了本文的研究内容和规划。在第二章中,详细介绍了含有外电路回路的流体模型。该模型是由等离子体的等效回路模块、电磁场模块及流体力学模块耦合而成。等效回路模块包括四部分：射频电流源、匹配网络、容性支路和感性支路,用来计算等效回路的电学参数,如线圈电流、电压和各电路元件阻抗等。电磁场模块是通过求解麦克斯韦方程组来计算ICP源放电腔室内射频电磁场的空间分布。流体力学模块是通过求解流体力学方程组来得到等离子体各宏观状态参数,如粒子密度、电子温度等。此外,本章最后还介绍了模拟中所使用的数值方法。在第三章中,用上述含有外电路回路的流体模型,采用数值模拟的方法系统地研究了射频感性耦合氢等离子体放电模式转换以及回滞行为。首先通过调节匹配网络中的串联电容C1,分析了氢等离子体模式转换过程中电子密度、温度等状态参数以及电磁场空间分布的演化规律。结果表明,随着C1的增加,放电由容性模式主导转换为感性模式主导,等离子体密度突然升高,电子密度最大值由腔室中心处移动到r=6 cm处。同时,电子温度突然降低,并且电子温度分布变化很大；电磁场空间分布随模式转换变化不大,但是幅值发生很大变化,容性电场显著降低,感性电场显著升高。此外,通过往返调节C1,研究了不同气压下外界回路对回滞过程的影响。研究结果表明,气压为100 mTorr时,当增大C1时,放电模式由E模式转换为H模式,当减小C1时,放电模式由H模式转换为E模式,并且E模式转换到H模式时的C1值与H模式转换到E模式时的C1值不同,有明显的回滞环产生。等离子体电学参数,如线圈电流和电压、等离子体电阻和电感等,随着C1的改变也出现明显跳变及回滞现象。当气压为20 mTorr时,往返调节C1,等离子体状态参数和电学参数出现明显的跳变,但是没有回滞产生。最后,固定C1,通过调节输入电流的大小,研究了不同气压下输入电流对模式转换及回滞过程的影响。当输入电流达到一定值时,放电由E模式转换到H模式。减小输入电流时,放电由H模式转换到E模式。与调节C1时相似,当气压比较高时,有明显的回滞现象产生。气压低时,往返调节输入电流没有回滞产生。在第四章中,为了考察ICP源中电子的非局域动力学行为对模式转换及回滞现象的影响,将含有外电路回路的流体模型扩展为流体／电子MC混合模型。在该混合模型中,等离子体的宏观行为由流体力学模型确定,电子与中性粒子的碰撞则由MC方法给出。首先应用该混合模型,研究了不同气压下,电子能量分布函数(Electron Energy Distribution Function, EEDF)随着模式转换的变化。较高气压下,当放电处于E模式时,低能电子较少。H模式下,低能电子增加,高能电子损耗严重。然而在较低气压时,E模式下并没有出现较强的低能电子峰,这是由于氢气是非Ramsauer效应气体,低能电子可以通过碰撞来得到有效加热。并且高气压下,模式转换前后EEDF变化比较明显,而低气压下,EEDF变化较小：其次通过将混合模型与纯流体模型计算结果进行对比,分析了电子的动力学效应对模式转换和回滞的影响。最后通过改变放电气压,研究了气压对模式转换及回滞的影响。结果表明：放电由E模式转换到H模式的临界串联电容值随着气压的升高先减小后增大,在气压为50 mTorr时达到最小值。气压比较低时,没有回滞产生,随着气压的逐渐升高,回滞开始出现,并且回滞环逐渐增大。在第五章中,给出了本文的主要结论、创新点以及对未来工作的展望。