双频容性耦合等离子体(Dual-frequency capacitively coupled plasma, DF-CCP)源是半导体工业中重要的刻蚀设备。双频容性耦合等离子体源由两个不同频率的射频源共同驱动,其中高频源主要用于产生高密度的等离子体,低频源用来控制离子在鞘层中的运动特性,从而实现对等离子体密度和离子能量的单独控制。这样双频容性耦合等离子体源就克服了单频容性耦合等离子体源的不足,能获得很好的刻蚀速率和均匀性。由于它具有可以产生大面积均匀的等离子体、操作容易、结构简单和成本较低的优点,所以它符合工业生产上的要求,DF-CCP源在新一代的半导体刻蚀机中被广泛应用。双频容性耦合等离子体源的各物理参量以及物理过程对等离子体刻蚀工艺有直接的影响,有必要对其进行深入细致的研究。本论文采用发射光谱法和吸收光谱法对双频容性耦合等离子体在各种条件下的放电特性进行了实验研究,其中包括电子温度、气体温度、等离子体空间均匀性和粒子密度等对于等离子体应用具有重要意义的参数。应用发射光谱法对双频容性耦合等离子体的光谱进行研究,就得到电子温度和气体温度。采用改进的波尔兹曼图形法对氩等离子体的电子温度(Te)进行了研究。在本文实验条件下的电子温度在2.3～6.9 eV范围内,气压、放电功率和气体流率等实验条件对电子温度具有很显著的影响。通过应用LIFBASE软件拟合CF B2△-X2Π的(0,0),(1,1)和(2,2)谱带的发射光谱,然后与实验光谱互相对照,就得到振动和转动温度。对于实验条件(P=50 mTorr,fH=60 MHz,fL=2.0 MHz, PL=50 W and PH=300 W)下模拟得到的CF激发态B2△对应的振动温度和转动温度分别为Tvib-2150 K和Trot≈620 K。另外,应用发射光谱内标法对氟原子进行了数密度测定,工作气体为Ar/CF4(5/95),谱线选择为氟原子(703.7 nm)和氩原子(750.4 nm),同时还对该等离子体的电子温度进行了测定。鉴于等离子体空间均匀性对于刻蚀工艺的重要性,应用发射光谱法对双频容性耦合等离子体径向和轴向空间均匀性进行了研究。应用自制的光探针对电极间不同径向位置的发射光谱进行测量,就可以获得等离子体的径向密度分布。实验结果表明气压和低频功率等参数对等离子体的径向密度均匀性具有很大的影响。另外,通过调节光纤头高度可以对等离子体的轴向密度分布进行测定,在测定时对光纤头进行了改装来控制被测光束的直径的大小。在两个电极间的等离子体轴向密度分布呈现弧形,弧的中心靠近上电极(双频源都加在上电极上)。气压和高频功率对于等离子体的轴向密度分布具有很显著的影响,增加气压和高频功率均会明显增加等离子体的谱线强度,而且上电极附近的谱线强度的增加速度要高于下电极。增加低频功率对于等离子体的径向密度分布影响不大,会使等离子体的谱线强度缓慢减小,这是因为改变低频电压对于等离子体密度的影响不像高频功率那样明显。应用吸收光谱法对双频容性耦合四氟化碳等离子体中的CF2数密度进行了实验研究。通过对CF4等离子体中CF2自由基的透射光谱进行测定研究,可获得CF2的数密度。本文应用CF2A(O,v’,0)→C(0,0,0)(v’=4-7)谱带进行数密度计算。研究发现CF2自由基数密度在1.4×1013～5.4×1013cm-3范围内变化。增加气压和高频功率都会使CF2自由基数密度增加,尤其是高频功率的影响更加明显。