射頻等離子體探針診斷及塵埃晶格觀測虛擬仿真實驗設計

董其毅， 王華中， 張瑩瑩， 劉永新， 宋遠紅， 于長水

（大連理工大學物理學院三束材料改性教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023）

0 引 言

虛擬仿真實驗能夠實現傳統實驗教學難以完成的教學功能［1-3］。教育部《關于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》［4］和《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》［5］明確指出，國家虛擬仿真實驗教學項目的教學理念要注重以學生為中心，注重對學生社會責任感、創新精神、實踐能力的綜合培養，調動學生參與實驗教學的積極性和主動性，激發學生的學習興趣和潛能，增強學生創新創造能力。近年來，遵循國家“金課”的“高階性、創新性、挑戰度”，即“兩性一度”標準，各個高校大力建設虛擬仿真實驗教學項目［6］。然而長期以來，虛擬仿真實驗面臨研究性、探索性學習內容不足，線上教學和線下教學相脫節的問題。如何將前沿科研成果深度融入本科教學當中，引導學生積極開展研究性、探索性學習，拓展虛擬仿真實驗教學內容的廣度和深度，是提升實驗教學質量和教學水平的關鍵問題之一［7-8］。

目前，我國企業外購芯片面臨諸多困境，生產具有自主知識產權的高端刻蝕機成為物理學、微電子等學科關注的焦點。面向國家重大戰略需求，依托大連理工大學等離子體物理國家重點學科和三束材料改性教育部重點實驗室的科研優勢，結合國家大科學工程項目的前沿科學成果，將多年從事射頻等離子體實驗研究成果轉化為本科教學資源，建設了射頻等離子體探針診斷及塵埃晶格觀測虛擬仿真實驗項目。該虛擬仿真實驗解決了實際實驗中等離子體系統購置成本高、激光與射頻輻射危害大、儀器精密昂貴、實驗現象難以捕捉等實際教學難題。設計的實驗內容環環相扣、循序漸進、層層拔高，不僅使學生可以鞏固電磁學、電動力學、固體物理等核心理論課程知識，還可以將學生的知識面拓展到高端刻蝕機制造、空間物理等領域，極大延伸了探索研究型實驗教學的廣度和深度。通過在本校的兩輪實踐教學證明，該虛擬仿真實驗項目有效提升了學生的融會貫通能力，培養了學生的實踐創新能力和科學探索能力，使學生深入了解國家重大戰略需求的同時，激發學生“夯實基礎、面向需求、勇于攻關”的擔當精神，切實筑牢為國解憂、服務人民的道德信仰，有效推動我國一流應用物理學精英人才培養。

1 虛擬仿真實驗設計

1.1 實驗原理

等離子體是由電子、離子及中性粒子構成的宏觀呈電中性的系統，被稱為物質的“第四態”。低溫等離子體在材料處理方面具有廣泛的應用，特別是在半導體芯片制造過程中，約有1／3 道工序用到射頻等離子體［9］，其反應器如圖1 所示。

圖1 射頻等離子體源結構及駐波形成示意

它由1 個真空腔室構成，內部包含1 對平行板金屬電極。其中1 個極板由射頻電源驅動，另1 個接地。通入工作氣體（1 ～100 Pa），在電極之間施加射頻（MHz）電壓，就會產生等離子體。目前射頻電源的頻率一般較高（≥60 MHz），放電腔室（晶圓）的尺寸較大，當等離子體中電磁波波長與腔室尺寸相當時，電磁波從腔室邊緣向中心相向傳播時會發生相長干涉，形成駐波。駐波效應［10］將導致等離子體密度在中心處出現峰值（見圖1）。在較高密度的等離子體中，放電會出現徑向電流，并感應出平行于極板的電場，使得等離子體密度在徑向邊緣處達到最大值，即趨膚效應［10］起主導作用。可見，駐波效應與趨膚效應是影響等離子體分布的兩個重要因素。圖2 所示為虛擬仿真實驗中的放電腔室。

圖2 虛擬仿真實驗中的放電腔室

微波共振探針［11-12］結構如圖3（a）所示，該探針是由U形探針尖和信號傳輸線（同軸線制成）構成。U形結構可看作是一端短路，另一端開路的諧振單元。根據傳輸線理論，當U形結構長度L 與電磁波波長λ滿足關系L ＝（2n－1）λ／4 時，反射波與入射波會發生相長干涉，形成駐波：左側短路端電壓為零（電壓波節），而電流為最大值（電流波腹）；右側開路端電流為零（電流波節），而電壓為最大值（電壓波腹）。圖3（b）給出了U 形結構上前三階駐波狀態下，電壓與電流振幅分布示意圖。通過微波源（掃頻模式）來驅動U形結構，當掃描頻率滿足諧振條件時，U形結構發生共振，會吸收微波能量，導致反射能量出現極小值。根據等離子體理論，可以建立共振頻率f0與等離子體密度np之間的關系，進而計算密度的大小［10］。基于上述微波共振原理，對等離子體密度的測量可以分析等離子體分布形態及物理原因。

圖3 微波共振探針結構與工作性能曲線

如果在等離子體中撒入塵埃顆粒，顆粒會吸附電子而帶負電。塵埃顆粒在等離子體中會受多種力的作用，比如向下的重力、向上的電場力、顆粒間的斥力等。在這些力的共同作用下，顆粒會懸浮在等離子體中，產生許多奇特的現象，比如“塵埃晶格”［13-14］（見圖4）。激勵塵埃顆粒運動，可以模擬很多微觀體系的行為，比如“結晶與融化”、塵埃聲波等［15］。

圖4 虛擬仿真實驗中觀察到的“塵埃晶格”

綜上，該實驗涉及的知識點共4 個：①射頻等離子體源的硬件構成及放電特性；②駐波效應和趨膚效應影響等離子體密度分布不均勻性的原理；③等離子體密度診斷的微波共振原理；④塵埃顆粒“結晶”及“融化”的特點及理論基礎。

1.2 實驗步驟設計

基于上述實驗原理，虛擬仿真實驗將步驟分為4個關卡：等離子體腔室結構的動畫拆分與組合、等離子體的產生、探針診斷與數據記錄、塵埃顆粒的散入及觀測。關卡之間環環相扣、循序漸進、層層拔高。第1、2關卡屬于基礎性知識學習，目的使學生掌握產生等離子體的流程及各個儀器的操作技巧。第3 關卡增加了操作的挑戰度，實驗設有多處關鍵步驟操作，若操作錯誤，會引起警告，并扣掉相應操作分值，學生須重新操作，直至正確方能繼續。第4 關卡滿足高階性要求。塵埃顆粒的撒入、“結晶”與“融化”過程均建立在大量科研數據基礎上，滿足客觀規律，且能夠引導學生積極思考，具有探索性和創新性。此外，虛擬仿真實驗努力還原真實實驗，設計的實驗結果多樣，參數設置靈活可變，不同條件下可得到不同結果。對于同一參數，不同學生得到的結果也不相同，滿足誤差統計規律。若學生得到錯誤的結果，允許其多次嘗試，直至正確。以上設計增加了虛擬仿真實驗的真實性和趣味性，下面舉例說明。

例如，在第2 關卡中，打開寬帶射頻電源，并增加放電功率時，注意觀察“反向功率”值，當超過7 W時，停止增加功率。若旋轉“功率調節”旋鈕太快，“反向功率”值達到10 W時，出現警告，并提示：“反向功率”值太大，容易燒壞電源！請調節匹配、重新增加功率！扣掉操作值5 分（見圖5）。

圖5 錯誤操作舉例

2 教學過程設計

教學過程設計以“學生發展、學生學習、學習成效”為中心，引導學生積極開展研究性、探索性學習。采用“理論-實踐-探討-再實踐”的實驗教學過程，具體分為4 個階段：

（1）實驗前預習及考核（分數占比10%）。學生根據教學指導書、教學視頻、教學課件等豐富的線上資源，對實驗原理、實驗內容和實驗要求進行線上學習。預習結束后，學生需進行預習考核，并記錄成績。學生提前對自身具有的認知、技能進行自我診斷和評價，并允許學生根據預習結果自我反省、糾錯和改進。

（2）在線虛擬實踐操作（分數占比50%）。學生在掌握基本理論知識的基礎上，進行虛擬實驗操作，完成4 個關卡的實驗。在操作過程中，給學生充分的自由度，但每一個操作節點設置關卡，若出現操作錯誤，根據情況進行扣分。學生可以多次嘗試、犯錯、糾錯。在這個過程中慢慢熟悉實驗儀器與操作步驟，領悟背后的深刻道理。

（3）面對面討論與答疑（分數占比10%）。在第2階段的虛擬操作后，學生對實驗裝置及操作有了一定的認識。老師帶領學生分批進入實驗室實地觀摩。在這個過程中教師對學生提問，例如：①等離子體的概念、性質是什么？有哪些分類？②實驗室等離子體產生的方式有哪些？③容性耦合放電和感性耦合放電在裝置上有哪些不同？對于芯片加工過程中，哪種方式有利于刻蝕的均勻性？④影響刻蝕均勻性的主要原因是等離子體中的駐波效應和趨膚效應，駐波效應和趨膚效應分別與哪些外界參數密切相關？⑤在諧振腔中，微波共振的條件是什么？如果出現共振，會有什么現象？基于這些問題，通過與學生面對面的交流，考察學生對本實驗相關基礎知識的理解和對實驗裝置的熟悉程度，給出分數。隨后，學生可以自由提問，教師引導答疑。通過這個階段，加深了學生對實驗相關原理的認識和對儀器設備及操作要點的理解。

（4）學生重新進行虛擬實驗操作，并根據老師的答疑情況最終完成實驗報告，撰寫實驗心得（分數占比30%）。根據學生實驗報告中的數據記錄與處理、實驗結果與討論等部分的表現，給出實驗報告分數。

綜上，根據學生在上述4 個階段的綜合表現，給出最終成績。實驗教學過程見圖6。

圖6 教學過程設計

3 教學應用效果

虛擬仿真系統采用先進的3D建模、動畫、人機交互等現代化技術手段，創建了虛擬環境下的射頻等離子體探針診斷及塵埃晶格觀測實驗，真實還原了射頻等離子體的產生、塵埃顆粒的“結晶”與“融化”等動力學過程。通過真實場景的再現，讓學生如同親臨實景（見圖7）。

圖7 虛擬仿真實驗場景

教學設計以“學生發展、學生學習、學習成效”為中心，采用“理論-實踐-探討-再實踐”的實驗教學過程，引導學生積極開展研究性、探索性學習。實驗設計的4 個關卡采用循序漸進的方式，環環相扣、層層遞進，從基礎性學習開始，逐步增加操作難度，最后達到高階性和探索性的學習要求。實驗過程中允許學生操作錯誤和實驗失敗，引導學生主動發現問題，解決問題。實驗條件可靈活設置，不同條件下的實驗結果是建立在大量的、系統性的真實實驗的大數據基礎上，且同一參數條件下學生得到的結果并不相同，提高了虛擬實驗的真實性和趣味性。設計的評價體系貫穿教學全過程，以學生學習成效為中心，形成了“預習在前、實踐為主、討論促學”的綜合考核評價體系。

該虛擬仿真實驗項目自建設以來，在國家本科教學質量工程項目的支持下，已成功應用于我校應用物理專業實驗教學過程當中。基于該項目授權國家相關專利及軟件著作權，并且承擔了省級大學生創新創業訓練計劃項目。此外，該項目被推薦參評“第二批國家級虛擬仿真實驗教學一流課程”，關于該虛擬仿真實驗的具體操作見網站說明（http：／ ／www.ilabx.com／）。

4 結 語

射頻等離子體探針診斷及塵埃晶格觀測虛擬仿真實驗結合塵埃等離子體物理國際最前沿科研成果，將低氣壓反應腔室中等離子體的產生步驟、等離子體探針診斷過程、塵埃顆粒的“結晶”和“融化”過程有機融合到教學當中，不僅使學生鞏固了相關基礎知識，拓展了前沿探索性視野，還可以把此實驗的研究延伸到高端刻蝕機制造、空間物理等領域，提高了學生運用所學知識解決實際問題的能力，使學生了解到我國芯片領域目前面臨的困境和不足，培養學生勇于攻關“卡脖子”問題的擔當精神和家國情懷。

教學過程構建了以學生為中心，自主實踐、主動探索的新型實踐教學方法，改變了傳統實踐教學中“模仿式、機械式”實驗教學模式。通過采用“理論-實踐-探討-再實踐”的教學方法，鼓勵學生開展自主、合作和探索性學習，有效提升了學生的融會貫通能力和科研探索能力。