射频等离子体探针诊断及尘埃晶格观测虚拟仿真实验设计

董其毅， 王华中， 张莹莹， 刘永新， 宋远红， 于长水

（大连理工大学物理学院三束材料改性教育部重点实验室，辽宁 大连 116023）

0 引 言

虚拟仿真实验能够实现传统实验教学难以完成的教学功能［1-3］。教育部《关于2017—2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》［4］和《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》［5］明确指出，国家虚拟仿真实验教学项目的教学理念要注重以学生为中心，注重对学生社会责任感、创新精神、实践能力的综合培养，调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣和潜能，增强学生创新创造能力。近年来，遵循国家“金课”的“高阶性、创新性、挑战度”，即“两性一度”标准，各个高校大力建设虚拟仿真实验教学项目［6］。然而长期以来，虚拟仿真实验面临研究性、探索性学习内容不足，线上教学和线下教学相脱节的问题。如何将前沿科研成果深度融入本科教学当中，引导学生积极开展研究性、探索性学习，拓展虚拟仿真实验教学内容的广度和深度，是提升实验教学质量和教学水平的关键问题之一［7-8］。

目前，我国企业外购芯片面临诸多困境，生产具有自主知识产权的高端刻蚀机成为物理学、微电子等学科关注的焦点。面向国家重大战略需求，依托大连理工大学等离子体物理国家重点学科和三束材料改性教育部重点实验室的科研优势，结合国家大科学工程项目的前沿科学成果，将多年从事射频等离子体实验研究成果转化为本科教学资源，建设了射频等离子体探针诊断及尘埃晶格观测虚拟仿真实验项目。该虚拟仿真实验解决了实际实验中等离子体系统购置成本高、激光与射频辐射危害大、仪器精密昂贵、实验现象难以捕捉等实际教学难题。设计的实验内容环环相扣、循序渐进、层层拔高，不仅使学生可以巩固电磁学、电动力学、固体物理等核心理论课程知识，还可以将学生的知识面拓展到高端刻蚀机制造、空间物理等领域，极大延伸了探索研究型实验教学的广度和深度。通过在本校的两轮实践教学证明，该虚拟仿真实验项目有效提升了学生的融会贯通能力，培养了学生的实践创新能力和科学探索能力，使学生深入了解国家重大战略需求的同时，激发学生“夯实基础、面向需求、勇于攻关”的担当精神，切实筑牢为国解忧、服务人民的道德信仰，有效推动我国一流应用物理学精英人才培养。

1 虚拟仿真实验设计

1.1 实验原理

等离子体是由电子、离子及中性粒子构成的宏观呈电中性的系统，被称为物质的“第四态”。低温等离子体在材料处理方面具有广泛的应用，特别是在半导体芯片制造过程中，约有1／3 道工序用到射频等离子体［9］，其反应器如图1 所示。

图1 射频等离子体源结构及驻波形成示意

它由1 个真空腔室构成，内部包含1 对平行板金属电极。其中1 个极板由射频电源驱动，另1 个接地。通入工作气体（1 ～100 Pa），在电极之间施加射频（MHz）电压，就会产生等离子体。目前射频电源的频率一般较高（≥60 MHz），放电腔室（晶圆）的尺寸较大，当等离子体中电磁波波长与腔室尺寸相当时，电磁波从腔室边缘向中心相向传播时会发生相长干涉，形成驻波。驻波效应［10］将导致等离子体密度在中心处出现峰值（见图1）。在较高密度的等离子体中，放电会出现径向电流，并感应出平行于极板的电场，使得等离子体密度在径向边缘处达到最大值，即趋肤效应［10］起主导作用。可见，驻波效应与趋肤效应是影响等离子体分布的两个重要因素。图2 所示为虚拟仿真实验中的放电腔室。

图2 虚拟仿真实验中的放电腔室

微波共振探针［11-12］结构如图3（a）所示，该探针是由U形探针尖和信号传输线（同轴线制成）构成。U形结构可看作是一端短路，另一端开路的谐振单元。根据传输线理论，当U形结构长度L 与电磁波波长λ满足关系L ＝（2n－1）λ／4 时，反射波与入射波会发生相长干涉，形成驻波：左侧短路端电压为零（电压波节），而电流为最大值（电流波腹）；右侧开路端电流为零（电流波节），而电压为最大值（电压波腹）。图3（b）给出了U 形结构上前三阶驻波状态下，电压与电流振幅分布示意图。通过微波源（扫频模式）来驱动U形结构，当扫描频率满足谐振条件时，U形结构发生共振，会吸收微波能量，导致反射能量出现极小值。根据等离子体理论，可以建立共振频率f0与等离子体密度np之间的关系，进而计算密度的大小［10］。基于上述微波共振原理，对等离子体密度的测量可以分析等离子体分布形态及物理原因。

图3 微波共振探针结构与工作性能曲线

如果在等离子体中撒入尘埃颗粒，颗粒会吸附电子而带负电。尘埃颗粒在等离子体中会受多种力的作用，比如向下的重力、向上的电场力、颗粒间的斥力等。在这些力的共同作用下，颗粒会悬浮在等离子体中，产生许多奇特的现象，比如“尘埃晶格”［13-14］（见图4）。激励尘埃颗粒运动，可以模拟很多微观体系的行为，比如“结晶与融化”、尘埃声波等［15］。

图4 虚拟仿真实验中观察到的“尘埃晶格”

综上，该实验涉及的知识点共4 个：①射频等离子体源的硬件构成及放电特性；②驻波效应和趋肤效应影响等离子体密度分布不均匀性的原理；③等离子体密度诊断的微波共振原理；④尘埃颗粒“结晶”及“融化”的特点及理论基础。

1.2 实验步骤设计

基于上述实验原理，虚拟仿真实验将步骤分为4个关卡：等离子体腔室结构的动画拆分与组合、等离子体的产生、探针诊断与数据记录、尘埃颗粒的散入及观测。关卡之间环环相扣、循序渐进、层层拔高。第1、2关卡属于基础性知识学习，目的使学生掌握产生等离子体的流程及各个仪器的操作技巧。第3 关卡增加了操作的挑战度，实验设有多处关键步骤操作，若操作错误，会引起警告，并扣掉相应操作分值，学生须重新操作，直至正确方能继续。第4 关卡满足高阶性要求。尘埃颗粒的撒入、“结晶”与“融化”过程均建立在大量科研数据基础上，满足客观规律，且能够引导学生积极思考，具有探索性和创新性。此外，虚拟仿真实验努力还原真实实验，设计的实验结果多样，参数设置灵活可变，不同条件下可得到不同结果。对于同一参数，不同学生得到的结果也不相同，满足误差统计规律。若学生得到错误的结果，允许其多次尝试，直至正确。以上设计增加了虚拟仿真实验的真实性和趣味性，下面举例说明。

例如，在第2 关卡中，打开宽带射频电源，并增加放电功率时，注意观察“反向功率”值，当超过7 W时，停止增加功率。若旋转“功率调节”旋钮太快，“反向功率”值达到10 W时，出现警告，并提示：“反向功率”值太大，容易烧坏电源！请调节匹配、重新增加功率！扣掉操作值5 分（见图5）。

图5 错误操作举例

2 教学过程设计

教学过程设计以“学生发展、学生学习、学习成效”为中心，引导学生积极开展研究性、探索性学习。采用“理论-实践-探讨-再实践”的实验教学过程，具体分为4 个阶段：

（1）实验前预习及考核（分数占比10%）。学生根据教学指导书、教学视频、教学课件等丰富的线上资源，对实验原理、实验内容和实验要求进行线上学习。预习结束后，学生需进行预习考核，并记录成绩。学生提前对自身具有的认知、技能进行自我诊断和评价，并允许学生根据预习结果自我反省、纠错和改进。

（2）在线虚拟实践操作（分数占比50%）。学生在掌握基本理论知识的基础上，进行虚拟实验操作，完成4 个关卡的实验。在操作过程中，给学生充分的自由度，但每一个操作节点设置关卡，若出现操作错误，根据情况进行扣分。学生可以多次尝试、犯错、纠错。在这个过程中慢慢熟悉实验仪器与操作步骤，领悟背后的深刻道理。

（3）面对面讨论与答疑（分数占比10%）。在第2阶段的虚拟操作后，学生对实验装置及操作有了一定的认识。老师带领学生分批进入实验室实地观摩。在这个过程中教师对学生提问，例如：①等离子体的概念、性质是什么？有哪些分类？②实验室等离子体产生的方式有哪些？③容性耦合放电和感性耦合放电在装置上有哪些不同？对于芯片加工过程中，哪种方式有利于刻蚀的均匀性？④影响刻蚀均匀性的主要原因是等离子体中的驻波效应和趋肤效应，驻波效应和趋肤效应分别与哪些外界参数密切相关？⑤在谐振腔中，微波共振的条件是什么？如果出现共振，会有什么现象？基于这些问题，通过与学生面对面的交流，考察学生对本实验相关基础知识的理解和对实验装置的熟悉程度，给出分数。随后，学生可以自由提问，教师引导答疑。通过这个阶段，加深了学生对实验相关原理的认识和对仪器设备及操作要点的理解。

（4）学生重新进行虚拟实验操作，并根据老师的答疑情况最终完成实验报告，撰写实验心得（分数占比30%）。根据学生实验报告中的数据记录与处理、实验结果与讨论等部分的表现，给出实验报告分数。

综上，根据学生在上述4 个阶段的综合表现，给出最终成绩。实验教学过程见图6。

图6 教学过程设计

3 教学应用效果

虚拟仿真系统采用先进的3D建模、动画、人机交互等现代化技术手段，创建了虚拟环境下的射频等离子体探针诊断及尘埃晶格观测实验，真实还原了射频等离子体的产生、尘埃颗粒的“结晶”与“融化”等动力学过程。通过真实场景的再现，让学生如同亲临实景（见图7）。

图7 虚拟仿真实验场景

教学设计以“学生发展、学生学习、学习成效”为中心，采用“理论-实践-探讨-再实践”的实验教学过程，引导学生积极开展研究性、探索性学习。实验设计的4 个关卡采用循序渐进的方式，环环相扣、层层递进，从基础性学习开始，逐步增加操作难度，最后达到高阶性和探索性的学习要求。实验过程中允许学生操作错误和实验失败，引导学生主动发现问题，解决问题。实验条件可灵活设置，不同条件下的实验结果是建立在大量的、系统性的真实实验的大数据基础上，且同一参数条件下学生得到的结果并不相同，提高了虚拟实验的真实性和趣味性。设计的评价体系贯穿教学全过程，以学生学习成效为中心，形成了“预习在前、实践为主、讨论促学”的综合考核评价体系。

该虚拟仿真实验项目自建设以来，在国家本科教学质量工程项目的支持下，已成功应用于我校应用物理专业实验教学过程当中。基于该项目授权国家相关专利及软件著作权，并且承担了省级大学生创新创业训练计划项目。此外，该项目被推荐参评“第二批国家级虚拟仿真实验教学一流课程”，关于该虚拟仿真实验的具体操作见网站说明（http：／ ／www.ilabx.com／）。

4 结 语

射频等离子体探针诊断及尘埃晶格观测虚拟仿真实验结合尘埃等离子体物理国际最前沿科研成果，将低气压反应腔室中等离子体的产生步骤、等离子体探针诊断过程、尘埃颗粒的“结晶”和“融化”过程有机融合到教学当中，不仅使学生巩固了相关基础知识，拓展了前沿探索性视野，还可以把此实验的研究延伸到高端刻蚀机制造、空间物理等领域，提高了学生运用所学知识解决实际问题的能力，使学生了解到我国芯片领域目前面临的困境和不足，培养学生勇于攻关“卡脖子”问题的担当精神和家国情怀。

教学过程构建了以学生为中心，自主实践、主动探索的新型实践教学方法，改变了传统实践教学中“模仿式、机械式”实验教学模式。通过采用“理论-实践-探讨-再实践”的教学方法，鼓励学生开展自主、合作和探索性学习，有效提升了学生的融会贯通能力和科研探索能力。