مواد شیمیایی مرطوب برای تشکیل الگوهای روی سطوح، با کاربردهایی از جمله تولید مدارهای مجتمع، دستگاه های MEMS و سنسورهای فشار استفاده می شود. این فرآیند صدها سال است که وجود داشته است و روش مورد علاقه استاد قدیمی رامبراند ون راین بود.(محیط مرطوب در کامسول)
محیط شیمیایی مرطوب چگونه کار می کند؟
برخی از سطوح زمانی که در معرض محلول های حاوی مواد شیمیایی خورنده خاص (اچانت ها) مانند اسیدها قرار می گیرند، اچ می شوند. هنگامی که در معرض قرار می گیرند، این سطوح شروع به حل شدن می کنند. با این حال، اگر سطح با ماده ای رنگ شود که در معرض محلول خوردگی نکند، می توان الگوهایی روی سطح ایجاد کرد. سپس نواحی رنگ‌شده به صورت برجسته می‌ایستند و اجازه می‌دهند تا بدون نیاز به عملیات مکانیکی مانند حکاکی با ابزارهایی سخت‌تر از مواد، الگوهای پیچیده ایجاد شوند.
از نظر تاریخی، این روش به ویژه در چاپ اهمیت زیادی داشت. یک هنرمند به سادگی یک صفحه مسی را با موم می پوشاند (“ماسک”)، قسمت های خاصی از موم را برای ایجاد یک الگو برداشته و سپس صفحه را در معرض محلول اسیدی قرار می دهد. سپس قطعات در معرض خوردگی یا “اچ” می شوند که باعث ایجاد شیارهایی در سطح می شود. پس از برداشتن موم، جوهر روی صفحه پخش شد و پاک شد تا فقط شیارها حاوی جوهر باشند. سپس می توان از این صفحه برای چاپ کپی هایی از موتیف اصلی روی کاغذ استفاده کرد. این روشی است که رامبراند اغلب در ترکیب با حکاکی برای خلق آثاری مانند برخی از سلف پرتره های معروف خود استفاده می کند.
در حالی که نتایج نهایی حکاکی شیمیایی مرطوب صنعتی بیشتر از کارهای استادان قدیمی است، اصل اساسی یکسان است.
اجرای مدلی برای اچینگ شیمیایی مرطوب در کامسول
با استفاده از COMSOL Multiphysics، فرآیندهای فیزیکی درگیر در حکاکی شیمیایی مرطوب را می توان به صورت کمی توصیف کرد:
انتقال انبوه بارهای الکتریکی به سطح
هیدرودینامیک محلول
واکنش های سطحی که منجر به رشد شیارها می شود
تغییر در هندسه به دلیل فرآیند اچ
مدل آموزشی Chemical Etching به ویژه بر انتقال جرم معادلات کوپل شده دارد و واکنش سطح را به عنوان یک شار اچانت به سطح توصیف می کند، جایی که در واکنش اچینگ مصرف می شود. مدل دو بعدی حکاکی یک شیار را در سطح مسی که در معرض محلول CuCl2 قرار دارد شبیه‌سازی می‌کند. حلال با استفاده از داده‌های ویسکوزیته و چگالی دینامیکی از کتابخانه مواد داخلی در COMSOL Multiphysics، آب مایع فرض می‌شود. انتقال جرم CuCl2 با جفت کردن یک رابط جریان آرام با یک محلول رقیق شده توصیف می شود. با انجام این کار، انتقال همرفتی و انتشاری اچانت CuCl2 شبیه سازی می شود. این با حل معادلات زیر به دست می آید:
جایی که u با حل معادلات ناویر-استوکس برای جریان آرام به دست می آید:
همراه با معادله تداوم:
سرعت واکنش سطحی با یک رابط هندسه تغییر شکل داده می شود به طوری که واکنش باعث تغییر در هندسه می شود. اتصال با تبدیل سرعت واکنش به سرعت مش نرمال با استفاده از معادله زیر انجام می شود:
که در آن نسبت جرم مولی مس به چگالی آن، سرعت واکنش مولی را به سرعت کاهش سطح حکاکی شده در حین حل شدن تبدیل می کند. سرعت واکنش سطحی Nsurface مرتبه اول است:
بنابراین شرایط مرزی شار برای غلظت اچانت در سطح است
این مدل غلظت ثابتی از اچانت را در لبه سمت چپ و بالای هندسه، به ترتیب مربوط به محلول ورودی و حجمی فرض می‌کند. فرآیند اچ، اچانت را در شیار منحنی مصرف می کند، که نشان دهنده بخشی از هندسه است که از اچ محافظت نمی شود. با توجه به گرادیان غلظت، شار انتشاری اچانت از توده به سطح اچ شده وجود دارد که اچ بیشتری را به سطح ارائه می دهد تا فرآیند اچینگ ادامه یابد.
هندسه و شرایط مرزی سیستم در شکل زیر توضیح داده شده است. فقط شرایط مرزی برای رابط انتقال گونه های رقیق نشان داده شده است. شرایط مرزی متناظر برای رابط جریان آرام، شرایط دیواره لغزشی در همه مرزها به جز مرز چپ (غلظت ثابت) و راست (جریان خروجی) است. جریان عمده محلول اچانت با تنظیم سرعت حرکت دیواره انتقالی 1 میلی متر بر ثانیه در مرز بالایی ایجاد می شود.
با ترکیب این رابط ها، تغییر شکل سطحی که در حال حکاکی است را می توان در طول زمان شبیه سازی کرد. (تمام پارامترهای مورد نیاز در فایل مدل آموزشی قرار دارند.) نتیجه کلیدی واضح است که شکل شیار است. تکامل شکل و غلظت مایع CuCl2 در شکل زیر نشان داده شده است. تکامل برای کل زمان اچینگ 104 ثانیه نشان داده شده است: فقط کمتر از 3 ساعت.
از آنجایی که فرآیند اچ توسط انتقال جرم CuCl2 محدود می‌شود، پروفیل جریان، اچ‌کننده را از چپ به راست جابجا می‌کند و باعث می‌شود که سرعت اچینگ بیشتر به سمت لبه سمت راست شیار نسبت به سمت چپ باشد. پس اگر سیال کاملا راکد بود چه اتفاقی می افتاد؟ فرض اینکه سیال راکد است به این معنی است که از همرفت طبیعی چشم پوشی می کنیم که معمولاً باعث حرکت سیال در شرایط محیطی می شود. از آنجایی که ما روی فرآیندهایی که در مقیاس زیر میلی‌متری در لایه مرزی چسبناک نزدیک به سطح مس رخ می‌دهند، تمرکز می‌کنیم. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، انتقال CuCl2 در لایه راکد تنها از طریق انتشار انجام می‌شود، که منجر به سرعت کمتر حکاکی می‌شود، اما شکل شیار یکنواخت‌تری دارد.
