射频感性耦合等离子体(Inductively coupled plasma,即射频ICP)具有放电气压低、密度高、装置简单以及空间均匀性易于控制等优点,因此在工业上广泛应用于微电子芯片和大尺寸平面显示器的刻蚀工艺、半导体与光电子功能薄膜沉积、宽束强流离子源、全方位离子注入、化学合成以及晶体生长等领域。在射频ICP研究中,反常趋肤层、E-H模式转化以及脉冲调制放电一直是学者们关注的重要问题。在相关实验研究所采用的诊断方法中,射频磁探针以及Langmuir探针等诊断工具的改进也具有重要的意义。在上述研究方面,本文开展了以下工作：一、调谐射频磁探针的升级研究以及Langmuir探针的改进1.对已有的旋片电容型调谐射频磁探针进行了改进,采用补偿电容对旋片电容的共模不对称性进行了补偿。用升级后的磁探针进行了台面实验,研究了补偿电容对共模信号的抑制作用,建立了共模信号传输模型,分析了共模信号对磁探针信噪比的影响,比较了改造后的旋片电容型调谐射频磁探针和传统磁探针的信噪比。研究结果表明,与传统的射频磁探针相比,改进后的磁探针大幅度提高了差模信号输出电压,同时抑制了共模信号输出,由此有效地提高了射频磁探针的信噪比。2.在旋片电容型调谐射频磁探针用于射频感性耦合等离子体磁场测量时发现,补偿电容的共模抑制作用与射频共模信号(等离子体射频空间电位)的大小密切相关,在射频共模幅值不定的实际测量条件下,补偿电容不能完全抑制旋片电容型调谐射频磁探针的共模干扰。为此,我们提出了并制作了电气对称的调谐磁探针,通过改变串联同轴线的长度进行调谐,同时采用双绞线方法提高中心抽头变压器初级线圈的电气对称性,进一步提高磁探针的共模信号抑制能力。对串联同轴线型调谐射频磁探针进行了幅值和相位标定,研究了探头线圈温升对磁探针测量的影响。测量结果表明,在不同的共模射频干扰信号下,串联同轴线型调谐射频磁探针表现出优异的共模抑制效果,可以用于射频感性耦合等离子体中的射频磁场测量。3.在采用简单的探针理论由Langmuir探针Ⅰ-Ⅴ特性曲线获得射频等离子体参数时,一种简单有效的方法是采用被动补偿降低射频电压的干扰,射频高阻器件通常靠近探针头,该结构需要冷却,且易于因温升损坏,限制了射频放电的功率范围。我们采用外置宽频高阻滤波器解决了温升问题,通过大电容补偿电极进一步降低了射频干扰的影响。文中详细描述了射频补偿探针的制作过程,并比较了内置、外置高阻Langmuir探针优、缺点。改进后的Langmuir探针可以用于不同放电频率、高射频放电功率下的等离子体测量。二、柱面天线射频ICP中的反常趋肤效应研究用串联同轴线型调谐射频磁探测量了柱面天线射频(13.56MHz)ICP源的磁场径向分布,通过磁场的测量数据计算出射频电流密度的径向分布,研究了等离子体吸收功率、气压以及天线耦合等因素对反常趋肤效应的影响。研究发现,反常趋肤效应出现在低气压、高放电功率区。同其他已报道的ICP反常趋肤效应相比,柱面天线射频(13.56MHz)ICP源的反常趋肤层位置与射频天线之间的距离更小。随射频功率的增加,趋肤效应由正常趋肤效应转变为反常趋肤效应：磁场幅值径向分布中出现局部最小值和反常上升区,等离子体中的射频电流层(射频电流相位相同的空间区域)由一个转化为两个(外层等离子体射频电流与天线射频电流反相,内层等离子体射频电流与天线射频电流同相),两射频电流层的相位差和磁场幅值反常上升的幅度都随射频功率的增加而增大。在高功率放电时,随着放电气压的增加,磁场和电流密度的反常程度先增强、后减少直至消失。在一定的放电气压下,反常趋肤层呈现极端行为,即磁场幅值的局部径向最小磁场值可以减小为零。通过改变天线的局部耦合强度,研究了局部等离子体密度对磁场反常趋肤效应的影响,结果表明反常趋肤效应与局部等离子体密度密切相关,只有局部密度超过一定值时,才会在对应位置产生反常趋肤效应。当天线位置改变时,反常趋肤层的位置并不随之明显改变。根据ICP反常趋肤效应物理,结合柱面天线ICP源的位形特点,讨论、解释了柱面天线射频(13.56MHz)ICP源的反常趋肤效应特性。三、射频ICP脉冲放电的脉冲波形演化研究1.采用独立电流探头测量天线射频电流时发现,在不同放电反馈区中的相同射频天线电压(放电功率)下,射频天线电流的测量值不同。通过分析得到,不同反馈区内电流探头测量值的差别由流经匹配网络中的电流磁场干扰产生。将匹配网络进行电磁屏蔽,有效地降低了对电流探头测量的干扰。2.为了揭示脉冲射频ICP中电压、电流波形的复杂演变行为,在连续放电中研究分析了E-H模式转化、正(负)反馈区、不同射频天线(单匝铜带和两匝铜管)对射频天线电流、电压、放电功率的影响,同时对比分析了Smith相图的演变特性。采用放电系统的简化电路模型,分析了不同天线的正(负)反馈区、对应Smith相图的差异以及产生差异的原因。3.在不同的放电条件下(放电反馈区、射频天线、不同放电功率、不同脉冲关断时间)测量了脉冲射频ICP中的电压、电流波形,计算了对应的脉冲放电功率。基于连续放电的研究结果,分析了正、负放电反馈区、不同天线、放电功率、等离子体密度暂态响应、气体温升对电压、电流波形演化的影响。分析结果表明,脉冲放电波形的复杂演变与正、负反馈区的E-H模式转换、等离子体密度暂态响应、气体温升密切相关。相对而言,负反馈区中的脉冲波形演变比正反馈区中的脉冲波形演变平缓。当放电功率较小时,脉冲放电整体处于E模式时,放电波形的演化相对简单,仅在开始阶段受击穿过程的影响。随着放电功率的增加,在等离子体密度暂态响应和气体温升的共同作用下,在脉冲放电的末尾最先出现E-H模式转换,模式转换出现的位置随放电功率的增加而提前,在电压、电流的波形中产生起伏变化。在高功率脉冲放电下,E-H模式转化出现在击穿阶段,E-H模式转化、击穿过程共同影响起始段的脉冲放电波形演化。在正反馈区中,由于E-H模式转换对脉冲放电气体温度的影响,脉冲波形随放电功率的演化存在跳变和回滞现象。