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:13342243591;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:15140543282;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