石本 淳

半導体製造工程においては電子基板のフォト製版工程で不要になったレジストを除去する必要があり、現在はコストが高く人体に極めて有害な薬液が大量に使用されている．半導体洗浄に関しては，アンモニア過酸化水素水を用いたWet洗浄プロセスが一般的であるが，最近の高集積デバイスに対してこのようなエッチングによるリフトオフを用いた洗浄法は適用限界に近づきつつある．これに対し，ドライ洗浄法の一例として低温エアロゾル洗浄がケミカルフリーな洗浄法として提案されているが，これは液体窒素の断熱膨張のみを利用した固体窒素粒子形成法を用いており，基本的なアッシングプロセスが終了した後の不要微小固体粒子を窒素粒子で吹き飛ばすのみで，生成固体窒素粒子の除去性能は弱く，レジストをはく離するまでの力学的性能を有せず，粒径や数密度の制御が不安定という難点を有する．そこで，これら従来型の化学反応プロセスに依存した洗浄法の有する欠点を解決しうる，新しい発想から成る新型アッシングレス・ドライ洗浄システムの開発が強く望まれている． このような現状に対し，本研究により開発を目指しているマイクロ・ナノソリッドジェット利用型アッシングレスレジストはく離・除去システムは，マイクロ・ナノソリッド粒子の運動力学的高速衝突と極低温粒子流の有する超高熱流束特性を利用し，従来のケミカルWet洗浄の有する適用限界を打破しうる完全ケミカルフリー，純水フリータイプ，ドライ型レジストはく離・洗浄システムを開発しようとしている点に新規性・優位性を有する．

マイクロ・ナノ固体粒子噴霧流を用いた半導体スーパー洗浄

過冷却液体窒素と極低温ヘリウムガス（寒剤）の高速衝突により連続生成される微細固体窒素粒子から成るマイクロ・ナノスラッシュ噴霧流の有する超高熱流束冷却特性とそれに伴うレジスト熱収縮効果を有効活用した新型半導体洗浄法に関する検討を行う．マイクロスラッシュ噴霧を高温加熱ウエハー面上のレジストに高速衝突させ，粒子の慣性力と噴霧の熱流体力学的効果，超高熱流束急冷によるレジスト熱収縮効果の相互作用により，アッシングプロセスを経ずにレジストをウエハー面上からはく離・除去，洗浄するという，レジスト除去・洗浄同時プロセス機構から成るドライ型アッシングレス洗浄システムを開発する．その結果，マイクロ・ナノスラッシュジェットの衝突による物理的レジストはく離と超高熱流束急冷による熱収縮の相乗効果を利用し，フォトレジストの一部をはく離することに成功した．加熱無しの場合，レジストはく離には至らないことから，レジストはく離に及ぼす熱収縮効果の影響はかなり大きいことを明らかにした．

マイクロ・ナノスラッシュ噴霧による新型半導体洗浄方式の開発

スラッシュ超高熱流束プロセッサの研究

半導体ウェハー製造プロセスにおける，完全ケミカルフリー，純水フリータイプ，ドライ型極低温マイクロスラッシュの高速二流体ジェット流を用いた新型レジストはく離・除去システムを開発する．従来型の極低温エアロゾル洗浄法とは異なり，過冷却液体窒素と極低温ヘリウムガス（寒剤）の高速衝突により連続生成される微細固体窒素粒子から成るマイクロスラッシュ噴霧流をウェハー面上のレジストに衝突させ，粒子の慣性力と噴霧の熱流体力学的効果の相互作用によりレジストをウェハー面上からはく離・除去，洗浄するシステムの開発である．本システムは，液体窒素と極低温ヘリウムガスの流量制御によるスラッシュ粒径制御が可能である。

原子力発電所において最も多くトラブルが頻発し大事故に直結する事象となりうるのが，配管系における減肉現象である．減肉とは高速流動・腐食（エロージョン・コロージョン）その他の要因により配管内部の材料組織が浸食され，配管に穴が開き，ついには破断に至る現象である．これは原子炉内配管が非常に複雑な形状を有し，なおかつ高温・高速という非常にシビアな条件で配管内流動が行われているからであり，現在のところ減肉現象を事前に予測あるいは未然に防止することは非常に困難である． 本研究は，原子力発電所の配管系と高速熱流動をスーパーコンピュータ上に再現し，トラブルの発生箇所・原因を事前に予測するシステムを確立することを目的とする．本システムの実用化により，原子炉保守・点検に要する時間的・人的コストは大幅に軽減化し，極めて安全性の高い原子力発電の運用が可能になると言える． 本年度実施した数値計算結果より，オリフィス絞り部直下において過冷却度が急激に上昇することを明らかにするとともに凝縮液滴発生位置を特定した．また，蒸気流の湿り度が上昇した場合，オリフィス下流は超音速流れになり，テーパー型 オリフィスでは流速の急激な上昇が起こる可能性があることが明らかとなった．

【研究目的】 半導体ウエハー洗浄プロセスにおける，完全ケミカルフリー・純水フリータイプ・極低温マイクロ・ナノスラッシュの超高速ジェット流を用いた，ドライ型アッシングレス洗浄システムを開発する． 【オリジナリティ】 従来型の極低温エアロゾル洗浄とは異なり，過冷却液体窒素と極低温ヘリウムガス（寒剤）の高速衝突により連続生成される微細固体窒素粒子から成るマイクロ・ナノスラッシュジェット噴霧流をウエハー面上のレジストに衝突させ，粒子の慣性力と噴霧の熱流体力学的効果，超高熱流束急冷によるレジスト熱収縮効果の相互作用により，アッシングプロセスを経ずにレジストをウエハー面上からはく離・除去，洗浄するという，レジスト除去・洗浄同時プロセス機構から成るドライ型アッシングレス洗浄システムを開発しようとしている点に独創性を有する．また，従来型のブラスト洗浄に用いられているCO2よりも分子量の小さいN2の固体粒子を用いることにより，微細パターン特に次世代型3次元ゲート構造の配線パターンに及ぼす粒子衝撃ダメージを極力軽減させ，洗浄時における歩留まりを向上させることが可能になる点にも独創性を有する．さらに，N2は不活性ガスであるので，チャージダメージがほとんど生ぜず，新Low-k材料へのダメージが少ないと言うメリットを有している．

ガソリンインジェクターノズル内における高速現象を伴う微粒化現象に対し，新型バロトロピックLES-VOF法を用いることにより統一的に数値シミュレーションすることが可能な専用ソルバーを開発し，超並列融合計算手法によりインジェクター噴霧マイクロ微粒化機構に及ぼすキャビテーション等の高速現象の影響を明らかにする．実施に当たっては，対象とする計算内容が複雑・高難度であるため，専用の「超並列流体融合計算システム」と，流体研スーパーコンピュータを用いる．

女川２号機高圧給水加熱器ベント系配管の減肉事例をもとに，液滴衝撃エロージョンによる配管これらの減肉予測コードを開発し，これに基づく本事象事象発生のメカニズムを解明および今後の確実かつ合理的な液滴衝撃エロージョン管理に資することを目的とする。

次世代高性能CPUは従来のCPUに比べて消費電力が高く，熱流束が レベルの放熱性能を有しなければ所定の性能を発揮出来ず，現在の液冷法ならびに強制対流沸騰熱伝達を用いてももはや追従できないレベルにまで達するものと予測される．以上の困難を打破しうる10^6 W/m^2レベルの超高熱流束の冷却性能を有する新型電子冷却システムを開発することを主目的とする．

インジェクタ噴孔上流流れを含めた数値解析を行い，インジェクタ内部流やキャビテーションなどの諸因子が微粒化へ及ぼす影響に関して検討を加える．

本研究では，氷状フレーク窒素二相流を用いた長距離超伝導ケーブルの極低温冷却システム開発を目的とし，スラッシュ窒素－過冷却窒素二相流の熱・流動特性ならびに冷却効果に関して，最新の多流体モデルに基づく混相流数値解析とスラッシュ窒素生成・流動試験装置を用いた基礎実験による総合的研究を行うことを計画している．本研究により，超伝導体ケーブルの新型冷却法としてスラッシュ窒素の融解潜熱を利用し，過冷却液体窒素を利用する場合よりも高効率の冷却効果が期待できるシステムを実現させる．さらには冷却流路内部形状を変化させ，圧力こう配の変化に基づくスラッシュの加速流動を促進させることにより熱伝達性能を向上させることを目的としている．また，極低温スラッシュ製造技術は窒素はもとより水素に対しても転用可能であるので，スラッシュ水素の利用による燃料電池用バッテリーの小型化や液体燃料ロケット用推進剤ストレージ系の軽減化に寄与するものと考えられる．

先細―末広ノズル内における磁性流体キャビテーション流れに関する数値解析

超流動ヘリウムキャビテーション流れの活用による新型冷却システムの開発

液体ヘリウムの管内キャビテーション流れを利用することにより，液体ヘリウム単相流冷媒を用いるよりも高性能の超流動冷却効果が得られる新型極低温混相流高速冷却システムの開発を目的としている．この方式による冷却法は，冷媒自身のキャビテーション初生に基づく蒸発潜熱の移流効果を利用しヘリウムIIの相転移を生成させ，超流体対向流による極低温冷却を可能なものにする． 本冷却方式により，究極の寒剤である超流動ヘリウム混相流の特異な性質を混相流応用機器の高速冷却システムとして有効に利用できれば，その工学的有用性は非常に高いといえる．

スラッシュ窒素を用いた長距離超電導ケーブル冷却に関する研究

スラッシュ窒素二相流を用いた超伝導冷却システムを利用することにより，1) 固相粒径をミリオーダからマイクロオーダまで最適制御することにより，混相冷媒流体の二相見かけ粘度を低下させ冷媒流路内における圧力損失の軽減化が可能，2) マイクロオーダの粒径を有効活用することによるマイクロチャネル内のMEMS冷却が可能，3) Slush Phaseのポンピング効果（Liquid-Slush運動量交換）による流体加速と伝熱促進が可能であることを明らかにした．

(2) 冬季季節風を利用した風力発電による融雪システムの実用化に関する研究 （弘前大学理工学部） 青森県は北海道に並んで風力資源に恵まれており，現在，県内数ヶ所で規模の大きな風力発電が実施ないし計画されている。しかし風力エネルギーは広く分散しているため，まだ十分には利用されていないのが実状である。この潜在的な自然エネルギーの有効利用を図るために，本研究では，季節風の強い市街地（あるいは市街地に隣接する地域）で風力発電を行い，その電力を利用してコミュニティ規模の融雪を行うシステムを構築するために，基礎的なフィールド実験を行う。実用化のためには，低騒音であることと低コストであることに加えて，小型（回転翼の直径が３ｍ以下）であることからくる発電効率の低下，また発電装置への積雪・雪氷の問題を解決する必要がある。 本研究では，小型発電装置を実際に設置して，年間を通じた風況や発電能力を調べるフィールド実験を行うとともに，既設の風洞を利用して発電装置周りの風の流れを調べ，発電効率の向上を探る。また，ウッドセラミックスヒータを用いた融雪システムについて，融雪のメカニズムを調べ，融雪効率の向上を図る。さらに，風力発電システムと融雪システムと組み合わせて，システム全体の効率化を図り，小型風力発電による融雪システムの技術開発を目指す。

積雪寒冷地における自然エネルギー利用技術の開発研究