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.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 039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)摘要:针对射频等离子体探针诊断及尘埃晶格观测真实实验中激光和射频辐射的潜在危险大、设备成本高、仪器精密易损等实际教学问题，将虚拟仿真技术、前沿科研成果深度融入本科教学当中，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，目的是引导学生开展研究性、探索性学习，拓展应用物理专业实验教学内容的广度和深度。实践教学效果表明，坚持循序渐进、步步提高的“理论-实践-探讨-再实践”的实践教学方法，不仅可以拉近国家重大战略需求和科学前沿与本科生所学基础理论知识的距离，还可以增强学生的爱国精神，激发学生奉献祖国科研事业的决心和信心。关键词:射频等离子体;尘埃晶格;虚拟仿真技术;应用物理专业实验中图分类号:G 642.42;O 461.2文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022)12 0202 05Design of Virtual Experiment on Probe Diagnostic of adio-FrequencyPlasma and Observation of Dust LatticeDONG Qiyi，WANG Huazhong，ZHANG Yingying，LIU Yongxin，SONG Yuanhong，YU Changshui(School of Physics，Key Laboratory of Materials Modification by Laser，Ion and ElectronBeams of Ministry of Education，Dalian University of Technology，Dalian 116023，Liaoning，China)Abstract:For the practical teaching problems of laser and F radiation，high cost and precision of equipment in realexperiments，a virtual experiment of probe diagnostic of radio-frequency plasma and observation of dust lattice isdesigned，which is deeply integrated with virtual simulation technology and scientific research achievements in theundergraduate teachingThe purpose of the experimental project is to guide students to carry out research andexploratory learning，and expanding the breadth and depth of experimental teaching content in applied physics majorsThe practical teaching effect shows that the step by step improvement practical teaching method of“theory-practice-discussion-repractice”can shorten the distance between the major national strategic needs and the scientific frontier withthe basic theoretical knowledge learned by undergraduates，can also enhance studentspatriotic spirit，stimulatestudentsdetermination and confidence to contribute to the scientific research of our motherlandKey words:F plasma;dust lattice;virtual simulation technology;applied physics specialty experiment收稿日期:2021-12-18基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(11705017);国家本科教学工程项目(ZL2020115);辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目(2021-10141-37);辽 宁 省 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 项 目(20211014111010)作者简介:董其毅(2001 )，男，山西忻州人，本科生，辽宁省大学生创新创业训练计划项目负责人。Tel:[phone];E-mail:1244970804 mail dlut edu cn通信作者:张莹莹(1984 )，女，河南新乡人，博士，高级工程师，从事应用物理专业实验教学工作。Tel:[phone];E-mail:yyzhang1231 dlut edu cn第 12 期董其毅，等: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 20172020 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 满足关系 L=(2n 1)/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302第 41 卷(a)微波共振探针结构(b)出现前三阶驻波模式时 U 型线圈上电压和电流分布12 图 3微波共振探针结构与工作性能曲线述微波共振原理，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。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:射频等离子体源的硬件构成及放电特性;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;等离子体密度诊断的微波共振原理;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)。(a)错误操作过程(b)错误操作结果图 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402第 12 期董其毅，等: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:等离子体的概念、性质是什么?有哪些分类?实验室等离子体产生的方式有哪些?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?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?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 ilab-x 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502第 41 卷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。参考文献(eferences):1周爱东，王庆，杨红晓 仿真技术应用于化工原理实验教学的创新实践J 实验技术与管理，2007，24(3):84-862李晓东，曲本全，陈晖，等 虚拟仿真软硬件技术在实践教学的应用与探索J 实验技术与管理，2017，34(3):130-1333杜一宁 虚拟实验的研究现状以及在教学中的意义J 浙江海洋学院学报(自然科学版)，2010，29(4):390-3934教育部 关于20172020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知Z(教高厅 20174 号)，20175教育部 关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知Z(教高函 20185 号)，20186熊宏齐 国家虚拟仿真实验教学项目的新时代教学特征J 实验技术与管理，2019，36(9):1-47董桂伟，赵国群，郑超，等 基于雨课堂的虚拟仿真实验教学模式设计与实践J 实 验 室 研 究 与 探 索，2021，40(10):215-2188常雅宁，彭钰珂，魏东芝，等 虚拟仿真技术在酶工程实验教学上的应用J 实验室研究与探索，2019，38(2):237-2449迈克尔 A 力伯曼，阿伦 J 里登伯格 等离子体放电原理与材料处理M 蒲以康，译 北京:科学出版社，2007 10赵凯 甚高频容性放电中电磁效应与等离子体均匀性研究D 大连:大连理工大学，2019 11Stenzel LMicrowave resonator probe for localized densitymeasurements inweaklymagnetizedplasmas JeviewofScientific Instruments，1976，47(5):603-607 12Piejak B，Godyak V A，Garner，et al The hairpin resonator:A plasma density measuring technique revisitedJJournal ofApplied Physics，2004，95(7):3785-3791 13Chu J H，Lin I Direct observation of Coulomb crystals and liquidsin strongly coupled rf dusty plasmasJ Physical eview Letters，1994，72(25):4009-4012 14Thomas H，Morfill G E，Demmel V，et al Plasma crystal:Coulombcrystallization in a dusty plasmaJ Physical eview Letters，1994，73(5):652-655 15ao N N，Shukla P K，Yu M Y Dust-acoustic waves in dustyplasmasJ Planetary and Space Science，1990，38(4):543-546(上接第 192 页)并在此基础上进一步创新教学方法和教学手段，提出以学生为主体的三层次实践教学体系，促进了学生创新能力和实践能力的提升，取得了显著的教学效果。为本科实践教学起到了积极的示范作用，具有较好的推广应用价值。参考文献(eferences):1国务院关于印发 中国制造 2025 的通知Z 国发 201528号，2015-05-082林健，郑丽娜 从大国迈向强国:改革开放 40 年中国工程教育J 清华大学教育研究，2018(2):6-223顾秉林 秉承实践教育传统 加强创新能力培养 提高学生全面素质J 清华大学教育研究，2006(1):1-74周玉容，张安富，李志峰 中国高等工程教育改革现状，矛盾与转型 基于公立本科院校工科教师的调查分析J 高教发展与评估，2020(3):14-235杨宏，李国辉 走自制实验设备之路促进实验教学改革J 实验技术与管理，2013，30(1):225-2276刘亚丰，杨祥良，赵元弟，等 走自制实验设备之路 凸显学科专业特色J 实验室研究与探索，2021，40(2):201-2037林海旦，林先茂，樊冰，等 自制实验装置 强化实验队伍建设J 实验室研究与探索，2020，39(10):239-2428王革思，高敬鹏，赵宇宁，等 以创新创业能力培养为导向 全方位自制实验教学设备J 实验技术与管理，2018，35(6):23-269李忠新，孔鑫，宫琳，等 依托自制仪器对公差实验进行 OBE改造的探索J 实验技术与管理，2021，38(1):213-216 10葛永成，朱永伟，宋爱平 基于高素质人才培养的实验教学改革与创新J 实验室研究与探索，2020，39(2):157-161 11朱获 国外电解加工的研究进展J 电加工与模具，2000(1):11-16 12Ge Y C，Zhu Z W，Wang D Y Electrochemical dissolution behaviorof the nickel-based cast superalloy K423A in NaNO3solutionJElectrochimica Acta，2017，253:379-389 13徐明玉 超声-电解复合微细加工应用基础研究D 扬州:扬州大学，2007 14孙继欣 难加工零件精密超声及复合电解加工工艺设计与应用研究D 扬州:扬州大学，2018 15纪能健 旋转超声辅助电加工系统设计与试验D 扬州:扬州大学，2020 16赵青青，邓正泉，朱永伟 超声复合电加工在线参数测控及优化试验J 机械工程学报，2018，54(17):255-263名人名言我平生从来没有做过一次偶然的发明。我的一切发明都是经过深思熟虑，严格试验的结果。爱迪生602