电容耦合等离子体广泛应用于对材料表面进行刻蚀和沉积,特别是在大规模集成电路制造中。材料表面的离子能量分布是影响工艺结果的关键参数。离子能量分布主要受鞘层中的碰撞过程(如电荷交换和碰撞诱导分解等)和射频电场的影响。已报道的研究结果表明鞘层电场的射频调制作用和电荷交换碰撞导致了离子能量分布中出现一系列低能多峰结构。然而,鞘层内不同区域内的电荷交换对离子能量分布有不同的影响,相关机制尚未研究清楚。对于CF4放电,已报道的实验测量发现离子能量分布中存在连续结构,然而其产生的机制并不清楚。为了解决以上问题,本论文开展了Ar和CF4电容耦合等离子体中离子能量分布的实验测量和模型研究,揭示了影响离子能量分布的主要机制,并建立了相应的描述离子能量分布的解析模型。本论文的创新性主要体现在:一、建立了碰撞射频鞘层(离子平均自由程小于鞘层厚度)中离子能量分布的解析模型,发现鞘层空间电荷区内的电荷交换是影响离子能量分布中低能多峰结构的主要过程。而之前已报道的研究工作忽略了空间电荷区内电荷交换的影响,导致相应的解析模型只能用于弱碰撞鞘层内(离子平均自由程远大于鞘层厚度)。二、利用本论文提出的离子能量分布的解析模型,提出了一种通过测量离子能量分布估计电子密度的新方法。该方法适用于以电荷交换为鞘层内主要碰撞过程的等离子体(如惰性气体放电)。三、发现CF3+离子的碰撞诱导分解反应是CF4放电中影响离子能量分布的主要过程。结合解析模型说明了分解过程的动能释放机制是导致CF2+、CF+和C+离子能量分布中出现连续结构的主要机制。四、建立了可以描述双频放电中离子能量分布的解析模型,模型结果与报道的模拟结果相符合。五、发现在脉冲放电的功率开启阶段初期的瞬态阶段是影响离子能量分布的重要因素,获得了脉冲重复频率、射频功率和气压对离子能量分布的影响规律。