Επικάλυψη στερεής επιφάνειας με υμένα ρευστού: επίδραση της ρεολογίας του ρευστού και της μορφολογίας του υποστρώματος και πρόβλεψη δημιουργίας εγκλεισμάτων αέρα

Abstract

Surface coating is widely used in microelectronic industry to produce thin films over surfaces with uneven topography. Such processes are used in fabricating integrated circuits, storage devices, such as magnetic disks, memory devices and optical disks as well as for manufacturing adhesives, magnetic tapes, magazines which can produce thicker films over patterns of similar depth and width at higher speeds. Other applications of film flow over uneven surfaces come from specific designs of surfaces of heat-exchangers and the surfaces of various structured packings used to improve heat and mass transfer operations. The one-dimensional, gravity-driven film-flow of a linear or exponential PTT liquid, flowing either on the outer or on the inner surface of a vertical cylinder or over a planar wall is analyzed. Numerical solution of the governing equations is generally possible. Analytical solutions are derived only for: (i) linear PTT model in cylindrical and planar geometries in the absence of solvent and the affinity parameter set at zero; (ii) linear or exponential PTT model in a planar geometry in the absence of solvent and the affinity parameter the affinity parameter obtains nonzero values; (iii) exponential PTT model in planar geometry in the absence of solvent and the affinity parameter set at zero. Then, the two-dimensional, steady flow of a viscoelastic film over a periodic topography under the action of a body force is studied. It is examined the interplay of elastic, viscous, inertia and capillary forces on the film thickness and planarization efficiency over steep topographical changes of the substrate. The code is validated by verifying that in isolated topographies the periodicity conditions result in fully developed viscoelastic film flow at the inflow/outflow boundaries and that its predictions for Newtonian fluids over 2D topography under creeping flow conditions coincide with those of previous works. Finally, the steady film-flow of a Newtonian fluid has been studied over a trench examining the various types of inclusions that can be formed. It can be distinguished three possible flow configurations when (a) the triple contact points are ‘pinned’ at the lips of the cavity, (b) the triple contact points are at the left side and the bottom of the cavity so that the cavity is not filled with liquid only around its left concave corner and (c) the two triple contact points are at the two sides of the cavity so that its bottom remains empty.

Η μελέτη ρευστών υμένων κατέχει σημαντική θέση στη σύγχρονη επιστήμη και τεχνολογία και συναντάται ευρύτατα σε βιομηχανικές διεργασίες (π.χ. κατασκευή ηλεκτρονικών εξαρτημάτων όπως είναι μικροεπεξεργαστές, ολοκληρωμένα κυκλώματα και συσκευές μνήμης, κατασκευή ψηφιακών αποθηκευτικών μέσων όπως μαγνητικοί δίσκοι, δισκέτες, κασέτες και οπτικοί δίσκοι, διεργασίες φωτολιθογραφικής επικάλυψης και εκτύπωσης όπως επικαλυπτικές ουσίες, μαγνητικές ταινίες και περιοδικά κ.α.). Επιπλέον, οι ρευστοί υμένες χρησιμοποιούνται για την βελτιστοποίηση διεργασιών μεταφοράς θερμότητας και μάζας (εναλλάκτες θερμότητας). Πρώτα αναλύεται η μονοδιάστατη ροή λόγω βαρύτητας ενός υμένα ιξωδοελαστικού ρευστού που ακολουθεί το καταστατικό μοντέλο Phan-Thien and Tanner (PTT) σε γραμμική ή εκθετική μορφή. Το ρευστό ρέει είτε στην εξωτερική είτε στην εσωτερική επιφάνεια ενός κατακόρυφου κυλίνδρου ή σε επίπεδο τοίχωμα. Η αριθμητική επίλυση των διεπουσών εξισώσεων είναι πάντοτε δυνατή. Αναλυτικές εκφράσεις εξάγονται μόνο για (i) γραμμικό μοντέλο PTT σε κυλινδρικές και επίπεδες γεωμετρίες απουσία διαλύτη και η παράμετρος συγγένειας είναι μηδενική, (ii) γραμμικό ή εκθετικό μοντέλο PTT σε επίπεδη γεωμετρία απουσία διαλύτη με μη μηδενική παράμετρο συγγένειας και (iii) εκθετικό μοντέλο PTT σε επίπεδη γεωμετρία απουσία διαλύτη και με μηδενική παράμετρο συγγένειας. Στη συνέχεια μελετάται η δισδιάστατη μόνιμη ροή ενός ιξωδοελαστικού υμένα κατά μήκος περιοδικής τοπογραφίας υπό την επίδραση είτε της βαρύτητας είτε της φυγοκέντρου δύναμης. Εξετάζεται τόσο η επίδραση των ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων υπό συνθήκες έρπουσας ροής όσο και των τριχοειδών και αδρανειακών δυνάμεων καθώς και της γεωμετρίας του υποστρώματος στο πάχος του υμένα και στη δυνατότητα εξομάλυνσής του παρά τις απότομες αλλαγές του υποστρώματος. Ο κώδικας ελέγχθηκε μέσω της σύγκρισης των προβλέψεών του με προηγούμενες εργασίες που αφορούν σε Νευτωνικά και σε ιξωδοελαστικά ρευστά. Τέλος, εξετάζεται η δισδιάστατη μόνιμη ροή ενός Νευτωνικού υμένα πάνω από παρόμοια μεταβαλλόμενο υπόστρωμα, ενώ επιτρέπεται να σχηματίζονται εγκλείσματα αέρα μεταξύ του υμένα και του υποστρώματος. Διακρίνονται οι εξής δυνατότητες σχηματισμού εγκλεισμάτων αέρα ανάλογα με τη θέση της κάτω επιφάνειας του υμένα: (α) εμφανίζονται σταθερά σημεία επαφής στις άνω (κυρτές) γωνίες του υποστρώματος, (β) σχηματίζεται έγκλεισμα γύρω από την πρώτη κοίλη γωνία του υποστρώματος και (γ) εμφανίζονται δύο τριπλά σημεία επαφής με τις παράπλευρες επιφάνειες του υποστρώματος.