董其毅， 王華中， 張瑩瑩， 劉永新， 宋遠(yuǎn)紅， 于長水
（大連理工大學(xué)物理學(xué)院三束材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023）
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以完成的教學(xué)功能［1-3］。教育部《關(guān)于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》［4］和《關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》［5］明確指出，國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的教學(xué)理念要注重以學(xué)生為中心，注重對學(xué)生社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力的綜合培養(yǎng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性和主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力。近年來，遵循國家“金課”的“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”，即“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)高校大力建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目［6］。然而長期以來，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)面臨研究性、探索性學(xué)習(xí)內(nèi)容不足，線上教學(xué)和線下教學(xué)相脫節(jié)的問題。如何將前沿科研成果深度融入本科教學(xué)當(dāng)中，引導(dǎo)學(xué)生積極開展研究性、探索性學(xué)習(xí)，拓展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，是提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平的關(guān)鍵問題之一［7-8］。
目前，我國企業(yè)外購芯片面臨諸多困境，生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端刻蝕機(jī)成為物理學(xué)、微電子等學(xué)科關(guān)注的焦點(diǎn)。面向國家重大戰(zhàn)略需求，依托大連理工大學(xué)等離子體物理國家重點(diǎn)學(xué)科和三束材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研優(yōu)勢，結(jié)合國家大科學(xué)工程項(xiàng)目的前沿科學(xué)成果，將多年從事射頻等離子體實(shí)驗(yàn)研究成果轉(zhuǎn)化為本科教學(xué)資源，建設(shè)了射頻等離子體探針診斷及塵埃晶格觀測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)解決了實(shí)際實(shí)驗(yàn)中等離子體系統(tǒng)購置成本高、激光與射頻輻射危害大、儀器精密昂貴、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以捕捉等實(shí)際教學(xué)難題。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣、循序漸進(jìn)、層層拔高，不僅使學(xué)生可以鞏固電磁學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、固體物理等核心理論課程知識，還可以將學(xué)生的知識面拓展到高端刻蝕機(jī)制造、空間物理等領(lǐng)域，極大延伸了探索研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度。通過在本校的兩輪實(shí)踐教學(xué)證明，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有效提升了學(xué)生的融會(huì)貫通能力，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和科學(xué)探索能力，使學(xué)生深入了解國家重大戰(zhàn)略需求的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生“夯實(shí)基礎(chǔ)、面向需求、勇于攻關(guān)”的擔(dān)當(dāng)精神，切實(shí)筑牢為國解憂、服務(wù)人民的道德信仰，有效推動(dòng)我國一流應(yīng)用物理學(xué)精英人才培養(yǎng)。
1.1 實(shí)驗(yàn)原理
等離子體是由電子、離子及中性粒子構(gòu)成的宏觀呈電中性的系統(tǒng)，被稱為物質(zhì)的“第四態(tài)”。低溫等離子體在材料處理方面具有廣泛的應(yīng)用，特別是在半導(dǎo)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(yīng)器如圖1 所示。
圖1 射頻等離子體源結(jié)構(gòu)及駐波形成示意
它由1 個(gè)真空腔室構(gòu)成，內(nèi)部包含1 對平行板金屬電極。其中1 個(gè)極板由射頻電源驅(qū)動(dòng)，另1 個(gè)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(huì)產(chǎn)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(dāng)?shù)入x子體中電磁波波長與腔室尺寸相當(dāng)時(shí)，電磁波從腔室邊緣向中心相向傳播時(shí)會(huì)發(fā)生相長干涉，形成駐波。駐波效應(yīng)［10］將導(dǎo)致等離子體密度在中心處出現(xiàn)峰值（見圖1）。在較高密度的等離子體中，放電會(huì)出現(xiàn)徑向電流，并感應(yīng)出平行于極板的電場，使得等離子體密度在徑向邊緣處達(dá)到最大值，即趨膚效應(yīng)［10］起主導(dǎo)作用。可見，駐波效應(yīng)與趨膚效應(yīng)是影響等離子體分布的兩個(gè)重要因素。圖2 所示為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的放電腔室。
圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的放電腔室
微波共振探針［11-12］結(jié)構(gòu)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(gòu)成。U形結(jié)構(gòu)可看作是一端短路，另一端開路的諧振單元。根據(jù)傳輸線理論，當(dāng)U形結(jié)構(gòu)長度L 與電磁波波長λ滿足關(guān)系L ＝（2n－1）λ／4 時(shí)，反射波與入射波會(huì)發(fā)生相長干涉，形成駐波：左側(cè)短路端電壓為零（電壓波節(jié)），而電流為最大值（電流波腹）；
右側(cè)開路端電流為零（電流波節(jié)），而電壓為最大值（電壓波腹）。圖3（b）給出了U 形結(jié)構(gòu)上前三階駐波狀態(tài)下，電壓與電流振幅分布示意圖。通過微波源（掃頻模式）來驅(qū)動(dòng)U形結(jié)構(gòu)，當(dāng)掃描頻率滿足諧振條件時(shí)，U形結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，會(huì)吸收微波能量，導(dǎo)致反射能量出現(xiàn)極小值。根據(jù)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(guān)系，進(jìn)而計(jì)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(tài)及物理原因。
圖3 微波共振探針結(jié)構(gòu)與工作性能曲線
如果在等離子體中撒入塵埃顆粒，顆粒會(huì)吸附電子而帶負(fù)電。塵埃顆粒在等離子體中會(huì)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(huì)懸浮在等離子體中，產(chǎn)生許多奇特的現(xiàn)象，比如“塵埃晶格”［13-14］（見圖4）。激勵(lì)塵埃顆粒運(yùn)動(dòng)，可以模擬很多微觀體系的行為，比如“結(jié)晶與融化”、塵埃聲波等［15］。
圖4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中觀察到的“塵埃晶格”
綜上，該實(shí)驗(yàn)涉及的知識點(diǎn)共4 個(gè)：①射頻等離子體源的硬件構(gòu)成及放電特性；
②駐波效應(yīng)和趨膚效應(yīng)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(jié)晶”及“融化”的特點(diǎn)及理論基礎(chǔ)。
1.2 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)
基于上述實(shí)驗(yàn)原理，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將步驟分為4個(gè)關(guān)卡：等離子體腔室結(jié)構(gòu)的動(dòng)畫拆分與組合、等離子體的產(chǎn)生、探針診斷與數(shù)據(jù)記錄、塵埃顆粒的散入及觀測。關(guān)卡之間環(huán)環(huán)相扣、循序漸進(jìn)、層層拔高。第1、2關(guān)卡屬于基礎(chǔ)性知識學(xué)習(xí)，目的使學(xué)生掌握產(chǎn)生等離子體的流程及各個(gè)儀器的操作技巧。第3 關(guān)卡增加了操作的挑戰(zhàn)度，實(shí)驗(yàn)設(shè)有多處關(guān)鍵步驟操作，若操作錯(cuò)誤，會(huì)引起警告，并扣掉相應(yīng)操作分值，學(xué)生須重新操作，直至正確方能繼續(xù)。第4 關(guān)卡滿足高階性要求。塵埃顆粒的撒入、“結(jié)晶”與“融化”過程均建立在大量科研數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，滿足客觀規(guī)律，且能夠引導(dǎo)學(xué)生積極思考，具有探索性和創(chuàng)新性。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)努力還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果多樣，參數(shù)設(shè)置靈活可變，不同條件下可得到不同結(jié)果。對于同一參數(shù)，不同學(xué)生得到的結(jié)果也不相同，滿足誤差統(tǒng)計(jì)規(guī)律。若學(xué)生得到錯(cuò)誤的結(jié)果，允許其多次嘗試，直至正確。以上設(shè)計(jì)增加了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和趣味性，下面舉例說明。
例如，在第2 關(guān)卡中，打開寬帶射頻電源，并增加放電功率時(shí)，注意觀察“反向功率”值，當(dāng)超過7 W時(shí)，停止增加功率。若旋轉(zhuǎn)“功率調(diào)節(jié)”旋鈕太快，“反向功率”值達(dá)到10 W時(shí)，出現(xiàn)警告，并提示：“反向功率”值太大，容易燒壞電源！請調(diào)節(jié)匹配、重新增加功率！扣掉操作值5 分（見圖5）。
圖5 錯(cuò)誤操作舉例
教學(xué)過程設(shè)計(jì)以“學(xué)生發(fā)展、學(xué)生學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)成效”為中心，引導(dǎo)學(xué)生積極開展研究性、探索性學(xué)習(xí)。采用“理論-實(shí)踐-探討-再實(shí)踐”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，具體分為4 個(gè)階段：
（1）實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)及考核（分?jǐn)?shù)占比10%）。學(xué)生根據(jù)教學(xué)指導(dǎo)書、教學(xué)視頻、教學(xué)課件等豐富的線上資源，對實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行線上學(xué)習(xí)。預(yù)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生需進(jìn)行預(yù)習(xí)考核，并記錄成績。學(xué)生提前對自身具有的認(rèn)知、技能進(jìn)行自我診斷和評價(jià)，并允許學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)結(jié)果自我反省、糾錯(cuò)和改進(jìn)。
（2）在線虛擬實(shí)踐操作（分?jǐn)?shù)占比50%）。學(xué)生在掌握基本理論知識的基礎(chǔ)上，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，完成4 個(gè)關(guān)卡的實(shí)驗(yàn)。在操作過程中，給學(xué)生充分的自由度，但每一個(gè)操作節(jié)點(diǎn)設(shè)置關(guān)卡，若出現(xiàn)操作錯(cuò)誤，根據(jù)情況進(jìn)行扣分。學(xué)生可以多次嘗試、犯錯(cuò)、糾錯(cuò)。在這個(gè)過程中慢慢熟悉實(shí)驗(yàn)儀器與操作步驟，領(lǐng)悟背后的深刻道理。
（3）面對面討論與答疑（分?jǐn)?shù)占比10%）。在第2階段的虛擬操作后，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)裝置及操作有了一定的認(rèn)識。老師帶領(lǐng)學(xué)生分批進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室實(shí)地觀摩。在這個(gè)過程中教師對學(xué)生提問，例如：①等離子體的概念、性質(zhì)是什么？有哪些分類？②實(shí)驗(yàn)室等離子體產(chǎn)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(yīng)和趨膚效應(yīng)，駐波效應(yīng)和趨膚效應(yīng)分別與哪些外界參數(shù)密切相關(guān)？⑤在諧振腔中，微波共振的條件是什么？如果出現(xiàn)共振，會(huì)有什么現(xiàn)象？基于這些問題，通過與學(xué)生面對面的交流，考察學(xué)生對本實(shí)驗(yàn)相關(guān)基礎(chǔ)知識的理解和對實(shí)驗(yàn)裝置的熟悉程度，給出分?jǐn)?shù)。隨后，學(xué)生可以自由提問，教師引導(dǎo)答疑。通過這個(gè)階段，加深了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)相關(guān)原理的認(rèn)識和對儀器設(shè)備及操作要點(diǎn)的理解。
（4）學(xué)生重新進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，并根據(jù)老師的答疑情況最終完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，撰寫實(shí)驗(yàn)心得（分?jǐn)?shù)占比30%）。根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的數(shù)據(jù)記錄與處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論等部分的表現(xiàn)，給出實(shí)驗(yàn)報(bào)告分?jǐn)?shù)。
綜上，根據(jù)學(xué)生在上述4 個(gè)階段的綜合表現(xiàn)，給出最終成績。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程見圖6。
圖6 教學(xué)過程設(shè)計(jì)
虛擬仿真系統(tǒng)采用先進(jìn)的3D建模、動(dòng)畫、人機(jī)交互等現(xiàn)代化技術(shù)手段，創(chuàng)建了虛擬環(huán)境下的射頻等離子體探針診斷及塵埃晶格觀測實(shí)驗(yàn)，真實(shí)還原了射頻等離子體的產(chǎn)生、塵埃顆粒的“結(jié)晶”與“融化”等動(dòng)力學(xué)過程。通過真實(shí)場景的再現(xiàn)，讓學(xué)生如同親臨實(shí)景（見圖7）。
圖7 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場景
教學(xué)設(shè)計(jì)以“學(xué)生發(fā)展、學(xué)生學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)成效”為中心，采用“理論-實(shí)踐-探討-再實(shí)踐”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，引導(dǎo)學(xué)生積極開展研究性、探索性學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的4 個(gè)關(guān)卡采用循序漸進(jìn)的方式，環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)，從基礎(chǔ)性學(xué)習(xí)開始，逐步增加操作難度，最后達(dá)到高階性和探索性的學(xué)習(xí)要求。實(shí)驗(yàn)過程中允許學(xué)生操作錯(cuò)誤和實(shí)驗(yàn)失敗，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。實(shí)驗(yàn)條件可靈活設(shè)置，不同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是建立在大量的、系統(tǒng)性的真實(shí)實(shí)驗(yàn)的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，且同一參數(shù)條件下學(xué)生得到的結(jié)果并不相同，提高了虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和趣味性。設(shè)計(jì)的評價(jià)體系貫穿教學(xué)全過程，以學(xué)生學(xué)習(xí)成效為中心，形成了“預(yù)習(xí)在前、實(shí)踐為主、討論促學(xué)”的綜合考核評價(jià)體系。
該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目自建設(shè)以來，在國家本科教學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目的支持下，已成功應(yīng)用于我校應(yīng)用物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程當(dāng)中。基于該項(xiàng)目授權(quán)國家相關(guān)專利及軟件著作權(quán)，并且承擔(dān)了省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。此外，該項(xiàng)目被推薦參評“第二批國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程”，關(guān)于該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的具體操作見網(wǎng)站說明（http：／ ／www.ilabx.com／）。
射頻等離子體探針診斷及塵埃晶格觀測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合塵埃等離子體物理國際最前沿科研成果，將低氣壓反應(yīng)腔室中等離子體的產(chǎn)生步驟、等離子體探針診斷過程、塵埃顆粒的“結(jié)晶”和“融化”過程有機(jī)融合到教學(xué)當(dāng)中，不僅使學(xué)生鞏固了相關(guān)基礎(chǔ)知識，拓展了前沿探索性視野，還可以把此實(shí)驗(yàn)的研究延伸到高端刻蝕機(jī)制造、空間物理等領(lǐng)域，提高了學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生了解到我國芯片領(lǐng)域目前面臨的困境和不足，培養(yǎng)學(xué)生勇于攻關(guān)“卡脖子”問題的擔(dān)當(dāng)精神和家國情懷。
教學(xué)過程構(gòu)建了以學(xué)生為中心，自主實(shí)踐、主動(dòng)探索的新型實(shí)踐教學(xué)方法，改變了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中“模仿式、機(jī)械式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。通過采用“理論-實(shí)踐-探討-再實(shí)踐”的教學(xué)方法，鼓勵(lì)學(xué)生開展自主、合作和探索性學(xué)習(xí)，有效提升了學(xué)生的融會(huì)貫通能力和科研探索能力。
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