La produzione di semiconduttori e molte altre operazioni industriali comportano processi di pulizia, e dal punto di vista ambientale e sanitario, è diventato altamente desiderabile utilizzare tecniche di pulizia fisica come getti di liquidi o ultrasuoni subacquei invece di sostanze chimiche tossiche.
Sorprendentemente, i ricercatori specializzati in ingegneria meccanica non hanno prestato molta attenzione ai problemi di pulizia fisica. Ma ora, ingegneri meccanici specializzati nel meccanismo del moto dei fluidi presso la Keio University, in Giappone, hanno svelato la fisica alla base di ciò che accade quando le collisioni di getti di liquido colpiscono le superfici da pulire.
Per fare questo, gli ingegneri hanno utilizzato una simulazione fluidodinamica per studiare l'impatto delle gocce d'acqua contro una parete rigida asciutta/umida come esempio canonico. Riportano il loro lavoro sul giornale Fisica dei fluidi .
"Nella produzione di semiconduttori, le particelle contaminanti di dimensioni più piccole devono essere rimosse dai wafer di silicio man mano che i dispositivi vengono ulteriormente miniaturizzati, "ha detto Keita Ando, un assistente professore di ingegneria meccanica presso la Keio University. "L'impatto delle gocce ad alta velocità è favorito quando si tratta di rimuovere particelle di dimensioni molto piccole, dell'ordine di 10 nanometri, ma può causare erosione superficiale".
Quindi è necessario considerare gli effetti sia della viscosità che della compressibilità del fluido sulla dinamica dell'impatto. "Il fluido è viscoso, quindi produce un attrito meccanico che svolge un ruolo essenziale nella rimozione delle particelle, " ha detto. "Inoltre, il fluido è comprimibile, il che significa che produce un colpo d'ariete all'impatto che potrebbe finire per causare danni alla superficie."
La fluidodinamica computazionale (CFD) che tiene conto sia della viscosità che della compressibilità è una grande sfida, così gli ingegneri hanno eseguito la prima simulazione di flusso viscoso e comprimibile noto per esaminare attentamente la dinamica dell'impatto delle gocce ad alta velocità. "I fenomeni sono di piccole dimensioni e molto veloci; è molto difficile risolverli con le attuali tecniche sperimentali, " disse Ando.
Perché questo approccio alla simulazione è così significativo? Consente di identificare una relazione di compromesso tra prestazioni di pulizia efficienti, ovvero efficienza di rimozione delle particelle, e pulizia senza danni.
"Il nostro approccio può essere utilizzato per quantificare la forza di attrito e la pressione di impatto del colpo d'ariete, " ha detto Ando. "Questi sono utili per esplorare i valori ottimali della velocità di impatto, Per esempio, date le proprietà delle particelle contaminanti inclusa la dimensione. L'impatto diretto delle gocce d'acqua contro le superfici asciutte produce un elevato attrito e pressione d'urto, il che implica una pulizia efficiente ma erosiva."
Nella loro simulazione, gli ingegneri hanno esplorato il caso di introdurre inizialmente un velo d'acqua che ricopre la superficie di pulizia. I loro risultati mostrano che questo film può attutire l'impatto delle goccioline, fondamentale per una pulizia meno erosiva.
"Le tecniche di pulizia rispettose dell'ambiente, tra cui getto d'acqua e ultrasuoni subacquei, svolgeranno un ruolo più importante in futuro. Il loro progresso tecnologico è sempre stato ostacolato dalla mancanza di comprensione della fisica sottostante, che ora si può capire, " disse Ando. "Inoltre, al di là della ricerca sperimentale, l'approccio CFD è uno strumento essenziale quando si tratta di quantificare il flusso di fluidi."
