在超大规模集成电路制造工艺中,有近三分之一的工序用到低温等离子体技术,如材料刻蚀、薄膜沉积等。在实际工艺中,一般采用复杂的反应性气体及多种气体混合放电产生等离子体,这类等离子体的状态极为复杂,包含了多物理场和复杂化学反应的非线性强耦合过程。了解此类等离子体的放电特性,特别是其内部微观物理过程及化学反应机理,对半导体设备的优化设计以及生产工艺的提高具有重要意义。针对实际工艺气体放电,建立包含等离子体、电磁场以及化学反应的多场耦合数值理论模型,可以实现对上述复杂等离子体特性的研究。同时,采用实验诊断方法测量等离子体参数,通过对比分析实验与模拟结果,对数值模型和结果进行实验评价,可以保证模拟结果的可靠性。本文通过建立等离子体的流体力学模型,并耦合电磁场及化学反应,系统地研究了在等离子体工艺中常用的容性耦合氮及氮/氩等离子体的放电特性,并采用了多种测量诊断技术开展相关实验验证。本文研究内容安排如下:第一章,详细介绍了容性耦合等离子体源及其在实际工艺中的应用,并对容性耦合等离子体的研究现状以及面临的挑战进行了阐述,提出本文主要研究目的。第二章,基于流体力学的基本思想,建立了带电粒子及中性粒子的二维流体力学模型。该模型耦合电磁场模块及化学反应模块,可以自洽的描述容性耦合等离子体的放电特性。对于模型中考虑的粒子、化学反应及反应系数的选择和优化也进行了详细的介绍和讨论。第三章,模拟了射频源功率以及极板间距对容性耦合氮等离子体放电特性及径向均匀性的影响。结果表明,随着功率的增加或极板间距的减小,静电边缘效应增强,等离子体密度升高,径向均匀性变差。为验证模拟结果,在实验上采用双探针测量了等离子体密度径向分布,模拟结果与实验结果随放电参数具有相同的变化趋势。第四章,系统地研究了容性耦合氮/氩等离子体中氮气与氩气混合比例以及射频源功率对粒子密度及其化学反应机制的影响。结果表明,气体混合比例对粒子密度及其化学反应机制有着较大的影响。通过调节氮气与氩气的比例,可以实现对等离子体中粒子浓度的调节与控制。此外,随着功率的增加,粒子密度显著提高,但各粒子的主要产生机制几乎不受影响。在实验上采用双探针及发射光谱分别测量了正离子密度以及Ar(4p)跃迁辐射强度,并与模拟结果进行对比,二者随放电参数的变化规律基本一致。在第五章,针对实际工艺中的大面积容性耦合氮/氩放电,研究了绝缘环对等离子体径向均匀性的影响。结果表明,通过采用相对介电常数较小或较厚的绝缘环,可以在一定程度上抑制静电边缘效应,获得较均匀的等离子体密度。此外,为避免由绝缘材料属性不同导致的物理量在不同绝缘材料交界处出现突变的问题,应尽量减小绝缘环的宽度或采用全绝缘环结构。在第六章,对本文研究工作进行总结,提出下一步工作计划。