JP2013030613A - 基板処理装置および基板処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板に形成した液膜を冷却し凝固させる基板処理装置および基板処理方法において、より短時間で効率よく液膜の温度を低下させることのできる技術を提供する。
【解決手段】冷却ガスノズル３のノズル筐体３１１の外周下部を外側に延伸させて、平板状のフランジ３１２を形成する。フランジ３１２の下面３１２ａが基板表面Ｗｆに近接対向配置される。ノズル筐体３１１の中央下部に設けたガス吐出口３０から低温の冷却ガスが吐出されると、冷却ガスは基板表面Ｗｆとフランジ３１２の下面３１２ａとの間隙空間を基板表面Ｗｆに沿って流れる。基板上の液膜が冷却ガスに触れる時間が長く、またガスの流速が増大するとともに周囲雰囲気の巻き込みに起因するガス温度の上昇が抑えられるので、液膜を効率よく短時間で冷却することができる。
【選択図】図３

Description

この発明は、基板に形成した液膜を冷却し凝固させるプロセスを含む処理を実行する基板処理装置および基板処理方法に関するものである。

従来より、例えば基板表面に付着したパーティクル等の汚染物質を除去する目的で、基板表面に液膜を形成しこれを冷却して凝固させる技術がある。例えば本願出願人が先に開示した特許文献１に記載の技術においては、基板表面に形成した液膜に対し、低温の冷却ガスを吐出するノズル（冷却ガス吐出手段）を走査移動させることで該液膜を凍結させ、これをリンス液で洗い流すことによって、凍結膜とともに基板に付着したパーティクル等の汚染物質を除去している。また、本願出願人が先に開示した特許文献２では、このような技術に好適に適用可能なノズルの構造が開示されている。

特開２００８−０７１８７５号公報（例えば、図７） 特開２００８−１５９７２８号公報（例えば、図４）

本願発明者らの研究により、このような技術においては、除去効率の向上および処理時間の短縮のために液膜の冷却速度をより高めることが重要であることがわかってきた。しかしながら、上記した従来技術は以下の点において改善の余地が残されていた。すなわち、上記特許文献に記載された構造のノズルでは、吐出された冷却ガスが基板に到達した後すぐに、基板の表面に沿って、あるいは上方に向かって散逸しまうとともに、周囲雰囲気と混合されてガス温度が上がってしまう。このことから、ノズル直下以外では冷却ガスが液膜の温度低下に十分に寄与しているとは言えない。このため、液膜の温度をこれまで以上に下げるためには冷却ガスの使用量を増やしたり、ノズルの走査速度を遅くするなどの対策が必要となり、これらは処理の効率を低下させるという新たな問題を招く。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、基板に形成した液膜を冷却し凝固させる基板処理装置および基板処理方法において、より短時間で効率よく液膜の温度を低下させることのできる技術を提供することを目的とする。

この発明にかかる基板処理装置は、上記目的を達成するため、表面に液膜が形成された基板を略水平に保持する基板保持手段と、前記液膜を構成する液体の凝固点よりも低温にした冷却ガスをガス吐出口から前記基板の表面に向けて吐出する冷却ガス吐出手段と、前記基板に対する前記ガス吐出口の相対位置を変更して、前記基板表面における前記冷却ガスの供給位置を変更する位置変更手段と、前記液膜が凝固してなる前記液膜の凝固体を前記基板表面から除去する除去手段とを備え、前記冷却ガス吐出手段は、下面が前記基板の表面に対して略平行に近接対向する基板対向面となった基板対向部を有し、前記ガス吐出口が前記基板対向面に配置されて、前記冷却ガスが前記基板表面と前記基板対向面との間隙空間に供給されることを特徴としている。

また、この発明にかかる基板処理方法は、上記目的を達成するため、基板の表面に液膜を形成する液膜形成工程と、冷却ガス吐出手段から前記液膜を構成する液体の凝固点よりも低温にした冷却ガスを供給して前記液膜を凝固させる凝固工程と、凝固した前記液膜の凝固体を融解して除去する除去工程とを備え、前記凝固工程では、前記基板の表面に対して略平行な基板対向面を有する基板対向部を近接対向させ、前記基板対向面に配したガス吐出口から前記基板表面と前記基板対向面との間隙空間に前記冷却ガスを供給しながら、前記基板表面に対する前記ガス吐出口の相対位置を変化させることを特徴としている。

このように構成された発明では、ガス吐出口から吐出された冷却ガスは、基板表面と基板対向部の基板対向面との間の間隙空間を基板表面に沿って広がる。このため、冷却ガスが基板表面の液膜に触れる時間が長くなるとともに、基板表面に沿って流れる冷却ガスの流速が増大する。また、間隙空間が冷却ガスで満たされることにより周囲雰囲気が入り込み難くなり、間隙空間でのガスの温度上昇を抑制することができる。これらの作用により、この発明では、冷却ガスによる基板表面の液膜の冷却をより効率よく行うことができ、液膜を短時間でより低温にまで冷却することが可能である。

この発明にかかる基板処理装置は、例えば、基板保持手段は基板を略鉛直軸周りに回転可能に構成され、位置変更手段は、基板対向面を基板表面に対向させつつガス吐出口を基板表面に沿って相対的に走査移動させるように構成されてもよい。このようにすることで、基板の全面に効率よく冷却ガスを行き渡らせて、液膜全体を凝固させることができる。

より具体的には、例えば、基板対向部はガス吐出口が基板対向面に穿設されたものであり、位置変更手段は該基板対向部を基板表面に沿って走査移動させるようにしてもよい。このような構成によれば、基板対向部を走査移動させると、ガス吐出口とその周囲の基板対向面とが一体的に基板表面に沿って移動する。これにより、基板表面と基板対向面との間に間隙空間を形成しつつ、冷却ガスをその供給位置を順次変えながら基板表面全体に供給することができる。

この場合において、例えば、冷却ガス吐出手段はガス吐出口を有するノズルを備え、該ノズル下端の外周部が外側に延伸されて基板対向部を構成するようにしてもよい。このような構成では、ノズル下面がガス吐出口から外向きに広がって基板対向面となっている。このような構成を有するノズルを単に基板に対して走査移動させることで、本発明の効果を得ることができる。

また、他の具体的構成として、例えば、冷却ガス吐出手段はガス吐出口を有するノズルを備え、位置変更手段はノズルを基板表面に対して走査移動させるとともに、記基板対向部は、基板表面のほぼ全面を覆うように構成された板状部材であり、該板状部材にノズルの通過経路に対応する切り欠き部が設けられたものであってもよい。このような構成では、基板のほぼ全面を板状部材で覆うことにより、該板状部材の下面が基板対向面として機能する。これにより、基板表面全体が間隙空間に臨むこととなり、ガス吐出口から吐出されて間隙空間に供給された冷却ガスを長く液膜に触れさせて、効率よく液膜の冷却に寄与させることができる。

また、さらに他の具体的構成として、例えば、基板対向部は、基板表面のほぼ全面を覆うように構成されて、ガス吐出口となる開口が基板対向面に複数穿設された板状部材であり、位置変更手段は、複数の開口のうちの一部から選択的に冷却ガスを吐出させることで当該開口をガス吐出口として機能させるとともに、ガス吐出口として機能させる開口を順番に切り換えるようにしてもよい。すなわち、この構成では、ガス吐出口を有するノズルの基板に対する位置を移動させるのではなく、複数設けた開口から順番に冷却ガスを吐出させることで、等価的にガス吐出口を移動させる。こうすることによっても、基板表面と基板対向面との間に間隙空間を形成しつつ、冷却ガスをその供給位置を順次変えながら基板表面全体に供給することが可能である。

この発明によれば、ガス吐出口からの冷却ガスは、基板表面と基板対向部の基板対向面との間の間隙空間に吐出される。このため、冷却ガスは基板表面に沿って間隙空間を流れることとなり、冷却ガスによる基板表面の液膜の冷却をより効率よく行うことができ、液膜を短時間でより低温にまで冷却することが可能となる。

この発明にかかる基板処理装置の第１実施形態を示す図である。 図１の基板処理装置の制御構成を示すブロック図である。 冷却ガスノズルの詳細構造を示す図である。 第１実施形態における凍結洗浄処理の態様を示すフローチャートである。 図４の処理における動作を模式的に示す図である。 本実施形態の冷却ガスノズルの作用を説明するための図である。 この発明にかかる基板処理装置の第２実施形態の要部を示す図である。 この発明にかかる基板処理装置の第３実施形態の要部を示す図である。

＜第１実施形態＞
図１はこの発明にかかる基板処理装置の第１実施形態を示す図である。また、図２は図１の基板処理装置の制御構成を示すブロック図である。この基板処理装置は半導体ウエハ等の基板Ｗの表面Ｗｆに付着しているパーティクル等の汚染物質を除去するための基板洗浄処理を実行可能な枚葉式の基板洗浄装置としての基板処理装置である。

この基板処理装置は、基板Ｗに対して洗浄処理を施す処理空間をその内部に有する処理チャンバー１を備え、処理チャンバー１内の処理空間ＳＰに、基板表面Ｗｆを上方に向けた状態で基板Ｗを略水平姿勢に保持して回転させるスピンチャック２と、スピンチャック２に保持された基板Ｗの表面Ｗｆに向けて液膜を冷却し凍結させるための冷却ガスを吐出する冷却ガスノズル３と、基板表面Ｗｆに処理液の液滴を供給する二流体ノズル５と、スピンチャック２に保持された基板Ｗの表面Ｗｆに向けて薬液を吐出する薬液吐出ノズル６と、スピンチャック２に保持された基板Ｗの表面Ｗｆに対向配置された遮断部材９とが設けられている。処理液としては、薬液または純水やＤＩＷ（deionized water；脱イオン水）等の洗浄液などが用いられる。

スピンチャック２は、回転支軸２１がモータを含むチャック回転機構２２の回転軸に連結されており、チャック回転機構２２の駆動により回転中心Ａ０を中心に回転可能となっている。回転支軸２１の上端部には、円盤状のスピンベース２３が一体的にネジなどの締結部品によって連結されている。したがって、装置全体を制御する制御ユニット４（図２）からの動作指令に応じてチャック回転機構２２を駆動させることによりスピンベース２３が回転中心Ａ０を中心に回転する。

スピンベース２３の周縁部付近には、基板Ｗの周縁部を把持するための複数個のチャックピン２４が立設されている。チャックピン２４は、円形の基板Ｗを確実に保持するために３個以上設けてあればよく、スピンベース２３の周縁部に沿って等角度間隔で配置されている。チャックピン２４のそれぞれは、基板Ｗの周縁部を下方から支持する基板支持部と、基板支持部に支持された基板Ｗの外周端面を押圧して基板Ｗを保持する基板保持部とを備えている。各チャックピン２４は、基板保持部が基板Ｗの外周端面を押圧する押圧状態と、基板保持部が基板Ｗの外周端面から離れる解放状態との間を切り替え可能に構成されている。

そして、スピンベース２３に対して基板Ｗが受渡しされる際には、複数個のチャックピン２４を解放状態とし、基板Ｗに対して洗浄処理を行う際には、複数個のチャックピン２４を押圧状態とする。押圧状態とすることによって、複数個のチャックピン２４は基板Ｗの周縁部を把持してその基板Ｗをスピンベース２３から所定間隔を隔てて略水平姿勢に保持することができる。これにより、基板Ｗはその表面（パターン形成面）Ｗｆを上方に向け、裏面Ｗｂを下方に向けた状態で保持される。

スピンチャック２の外方には、第１の回動モータ３１が設けられている。第１の回動モータ３１には、第１の回動軸３３が接続されている。また、第１の回動軸３３には、第１のアーム３５が水平方向に延びるように連結され、第１のアーム３５の先端に冷却ガスノズル３が取り付けられている。そして、制御ユニット４からの動作指令に応じて第１の回動モータ３１が駆動されることで、第１のアーム３５を第１の回動軸３３回りに揺動させることができる。冷却ガスノズル３の構造については後に詳述する。

冷却ガスノズル３はガス供給部６４（図２）と接続されており、制御ユニット４からの動作指令に応じてガス供給部６４から冷却ガスが冷却ガスノズル３に供給される。より具体的には、ガス供給部６４に設けられた窒素ガス貯留部６４１から供給される窒素ガスが熱交換器６４２によりＤＩＷの凝固点よりも低い温度まで冷やされる。こうして冷やされた窒素ガスが冷却ガスとして、熱交換器６４２から第１のアーム３５内を経て冷却ガスノズル３まで配設された供給経路６４３に沿って冷却ガスノズル３に供給される。冷却ガスノズル３が基板表面Ｗｆに対向配置されると、冷却ガスノズル３下面に設けられた吐出口３０から基板表面Ｗｆに向けて局部的に冷却ガスが吐出される。冷却ガスノズル３から冷却ガスを吐出させた状態で、制御ユニット４が基板Ｗを回転させながら該冷却ガスノズル３を基板の回転中心から外周部に向けて移動させることで、冷却ガスを基板表面Ｗｆの全面にわたって供給できる。このとき、後述するように基板表面ＷｆにＤＩＷによる液膜が予め形成されていると、該液膜の全体を凍結させて基板表面Ｗｆの全面にＤＩＷの凍結膜を生成可能となっている。

また、スピンチャック２の外方に第２の回動モータ５１が設けられている。第２の回動モータ５１には、第２の回動軸５３が接続され、第２の回動軸５３には、第２のアーム５５が連結されている。また、第２のアーム５５の先端に二流体ノズル５が取り付けられている。そして、制御ユニット４からの動作指令に応じて第２の回動モータ５１が駆動されることで、二流体ノズル５を第２の回動軸５３回りに揺動させることができる。この二流体ノズルは、処理液としてのＤＩＷと窒素ガスとを空中（ノズル外部）で衝突させてＤＩＷの液滴を生成する、いわゆる外部混合型の二流体ノズルである。

また、スピンチャック２の外方には、第３の回動モータ６７が設けられている。第３の回動モータ６７には、第３の回動軸６８が接続されている。また、第３の回動軸６８には、第３のアーム６９が水平方向に延びるように連結され、第３のアーム６９の先端に薬液吐出ノズル６が取り付けられている。そして、制御ユニット４からの動作指令に応じて第３の回動モータ６７が駆動されることで、薬液吐出ノズル６を基板Ｗの回転中心Ａ０の上方の吐出位置と吐出位置から側方に退避した待機位置との間で往復移動させることができる。薬液吐出ノズル６は薬液供給部６１と接続されており、制御ユニット４からの動作指令に応じてＳＣ１溶液（アンモニア水と過酸化水素水との混合水溶液）等の薬液が薬液吐出ノズル６に圧送される。

なお、冷却ガスノズル３、二流体ノズル５および薬液吐出ノズル６ならびにこれらに付随するアームやその回動機構としては、例えば前記した特許文献１（特開２００８−０７１８７５号公報）に記載されたものと同一構造のものを用いることができる。そこで、本明細書ではこれらの構成についてのより詳しい説明は省略する。

スピンチャック２の上方には、中心部に開口を有する円盤状の遮断部材９が設けられている。遮断部材９は、その下面（底面）が基板表面Ｗｆと略平行に対向する基板対向面となっており、その平面サイズは基板Ｗの直径と同等以上の大きさに形成されている。遮断部材９は略円筒形状を有する支持軸９１の下端部に略水平に取り付けられ、支持軸９１は水平方向に延びるアーム９２により基板Ｗの中心を通る鉛直軸回りに回転可能に保持されている。また、アーム９２には、遮断部材回転機構９３と遮断部材昇降機構９４が接続されている。

遮断部材回転機構９３は、制御ユニット４からの動作指令に応じて支持軸９１を基板Ｗの中心を通る鉛直軸回りに回転させる。また、遮断部材回転機構９３は、スピンチャック２に保持された基板Ｗの回転に応じて基板Ｗと同じ回転方向でかつ略同じ回転速度で遮断部材９を回転させるように構成されている。

また、遮断部材昇降機構９４は、制御ユニット４からの動作指令に応じて、遮断部材９をスピンベース２３に近接して対向させたり、逆に離間させることが可能となっている。具体的には、制御ユニット４は遮断部材昇降機構９４を作動させることで、基板処理装置に対して基板Ｗを搬入出させる際には、スピンチャック２の上方の離間位置（図１に示す位置）に遮断部材９を上昇させる。その一方で、基板Ｗに対して所定の処理を施す際には、スピンチャック２に保持された基板Ｗの表面Ｗｆのごく近傍に設定された対向位置まで遮断部材９を下降させる。

支持軸９１は中空に仕上げられ、その内部に遮断部材９の開口に連通したガス供給路９５が挿通されている。ガス供給路９５は、ガス供給部６４と接続されており、窒素ガス貯留部６４１から熱交換器を通さずに供給される窒素ガスが乾燥ガスとして供給される。この実施形態では、基板Ｗに対する洗浄処理後の乾燥処理時に、ガス供給路９５から遮断部材９と基板表面Ｗｆとの間に形成される空間に窒素ガスを供給する。また、ガス供給路９５の内部には、遮断部材９の開口に連通した液供給管９６が挿通されており、液供給管９６の下端にノズル９７が結合されている。液供給管９６には適宜の処理液が通送されて、基板Ｗの表面Ｗｆに処理液を供給する。

ＤＩＷ供給部６２はＤＩＷ貯留部６２１を有しており、熱交換器６２２はＤＩＷ貯留部６２１から供給されるＤＩＷをその凝固点近傍温度まで冷却する。すなわち、ＤＩＷ供給部６２はＤＩＷ貯留部６２１から供給される常温のＤＩＷ、または熱交換器６２２により凝固点近傍温度まで冷却された低温のＤＩＷを供給可能となっている。

スピンチャック２の回転支軸２１は中空軸からなる。回転支軸２１の内部には、基板Ｗの裏面Ｗｂに処理液を供給するための処理液供給管２５が挿通されている。そして、回転支軸２１の内壁面と処理液供給管２５の外壁面の隙間は、円筒状のガス供給路２９を形成している。処理液供給管２５およびガス供給路２９は、スピンチャック２に保持された基板Ｗの下面（裏面Ｗｂ）に近接する位置まで延びており、その先端には基板Ｗの下面中央部に向けて処理液およびガスを吐出する下面ノズル２７が設けられている。

処理液供給管２５は薬液供給部６１およびＤＩＷ供給部６２と接続されており、薬液供給部６１から供給されるＳＣ１溶液等の薬液またはＤＩＷ供給部６２から供給されるＤＩＷなどの各種の液体が選択的に供給される。一方、ガス供給路２９はガス供給部６４と接続されており、スピンベース２３と基板裏面Ｗｂとの間に形成される空間にガス供給部６４からの窒素ガスを供給することができる。

また、スピンチャック２の周囲を取り囲むようにスプラッシュガード２０が設けられており、スピンベース２３の回転により回転する基板から飛散する処理液を受け止めて図示しない排液回収部へ案内する。

図３は冷却ガスノズルの詳細構造を示す図である。より具体的には、図３（ａ）は冷却ガスノズル３の外観を示す図であり、図３（ｂ）はその内部構造を示す縦断面図である。また、図３（ｃ）は冷却ガスノズル３の底面図である。これらの図に示すように、冷却ガスノズル３のノズル筐体３１１の外周部はその下端部が外方向に大きく延伸されて、基板対向部として機能する平板状のフランジ３１２となっている。そして、このフランジ３１２の下面３１２ａが、スピンチャック２に保持された基板表面Ｗｆと対向する基板対向面となっている。

ノズル筐体３１１および第１のアーム３５の内部は中空となっており、筒状の中空部分が冷却ガスを通送させるガス供給経路６４３として機能している。ノズル筐体３１１の下部においてガス供給経路６４３は拡径され、通送されてきた冷却ガスの流速を低下させるバッファ空間３１４がノズル筐体３１１内に形成されている。フランジ３１２の基板対向面３１２ａの略中央にはガス吐出口３０が開口しており、バッファ空間３１４と連通している。第１のアーム３５から冷却ガスノズル３に通送されてきた冷却ガスは、ノズル筐体３１１下端のガス吐出口３０から吐出され、フランジ３１２の基板対向面３１２ａと対向配置された基板表面Ｗｆに供給される。このとき、冷却ガスがいったんバッファ空間３１４に案内されることにより、冷却ガスが勢いよく噴射されて基板表面Ｗｆに形成された液膜を吹き飛ばすという問題が回避される。

フランジ３１２のサイズについて、後述する冷却効率の点からは大きい方がよいが、これに伴い処理チャンバー１や装置全体のサイズも大きくなってしまうので、例えば基板の表面積の１／２程度の面積とすることが好ましい。例えば直径３００ｍｍの基板Ｗを処理する系においては、フランジ３１２の１辺を１５０ｍｍないし２００ｍｍ程度とすることができる。なお、この実施形態では、ガス供給経路６４３の断面形状およびガス吐出口３０の開口形状が矩形であり、これに伴ってフランジ３１２の形状も矩形であるが、これらの形状は矩形のものに限定されず、例えば円形、長円形や他の多角形であってもよい。また、これらの形状が互いに異なっていても何ら問題ない。

上記のように構成された基板処理装置では、処理チャンバー１内の処理空間ＳＰに搬入された基板Ｗがスピンチャック２によって保持され、必要に応じて所定の薬液処理が実行される。また、基板Ｗに対して、その表面Ｗｆに液膜を形成してこれを凍結させた後、凍結膜とともに付着物を除去する凍結洗浄処理が行われる。上記構成の装置における凍結洗浄処理の基本的な原理については特許文献１（特開２００８−０７１８７５号公報）に記載されているので詳しい説明は省略する。

図４はこの実施形態における凍結洗浄処理の態様を示すフローチャートである。また、図５は図４の処理における動作を模式的に示す図である。この装置では、未処理の基板Ｗが装置内に搬入され、制御ユニット４が装置各部を制御して該基板Ｗに対して一連の洗浄処理が実行される。まず、基板Ｗが表面Ｗｆを上方に向けた状態で処理チャンバー１内に搬入されてスピンチャック２に保持され（ステップＳ１０１）、遮断部材９がその下面を基板上面に近接対向配置される。

続いて、制御ユニット４がチャック回転機構２２を駆動させてスピンチャック２を回転させるとともに、ノズル９７から常温のＤＩＷを基板表面Ｗｆに供給する。基板表面に供給されたＤＩＷには、基板Ｗの回転に伴う遠心力が作用し、基板Ｗの径方向外向きに均一に広げられ、その一部が基板外に振り切られる。これによって、基板表面Ｗｆの全面にわたって液膜の厚みを均一にコントロールして、基板表面Ｗｆの全体に所定の厚みを有する液膜（水膜）が形成される（ステップＳ１０２）。なお、液膜形成に際して、上記のように基板表面Ｗｆに供給されたＤＩＷの一部を振り切ることは必須の要件ではない。例えば、基板Ｗの回転を停止させた状態あるいは基板Ｗを比較的低速で回転させた状態で基板ＷからＤＩＷを振り切ることなく基板表面Ｗｆに液膜を形成してもよい。

液膜形成が終了すると、制御ユニット４は遮断部材９を離間位置に退避させる。この状態では、図５（ａ）に示すように、基板Ｗの表面Ｗｆに所定厚さのパドル状液膜ＬＰが形成されている。ここで、パドル状の液膜ＬＰは、例えば薬液吐出ノズル６から供給されるＳＣ１液によって形成されてもよい。このとき冷却ガスノズル３は基板上方から側方へ離間した待機位置にある。

続いて、冷却ガスノズル３を待機位置から基板の回転中心ＡＯの上方に移動させる（ステップＳ１０３）。そして、図５（ｂ）に示すように、回転する基板Ｗの表面Ｗｆに向けて冷却ガスノズル３から冷却ガスを吐出させることで動作状態としながら、冷却ガスノズル３を徐々に基板Ｗの端縁位置に向けてスキャン移動させていく（ステップＳ１０４）。

これにより、基板表面Ｗｆの表面領域に形成された液膜ＬＰが冷やされて部分的に凍結し、図５（ｃ）に示すように、凍結した領域（凍結領域ＦＲ）が基板表面Ｗｆの中央部に形成される。そして、方向Ｄn1へのノズル３のスキャンによって凍結領域ＦＲは基板表面Ｗｆの中央部から周縁部へと広げられ、図５（ｄ）に示すように、最終的には基板表面Ｗｆの液膜全面が凍結する。液膜全体が凍結すると、冷却ガスの吐出を停止し冷却ガスノズル３を待機位置まで退避させる。

ここで、冷却ガスとしては、例えば−１５０℃、５０Ｌ／ｍｉｎの窒素ガスを用いることができる。また、凍結後の液膜の目標到達温度としては、例えば−３０℃とすることができる。冷却ガスのスキャンが終了すると、遮断部材９を再び基板表面Ｗｆに近接配置し（ステップＳ１０５）、さらに遮断部材９に設けられたノズル９７から基板表面Ｗｆの凍結した液膜に向けて常温のＤＩＷを供給してリンス処理を行う（ステップＳ１０６）。

ここまでの処理が実行された時点では、基板Ｗが遮断部材９とスピンベース２３との間に挟まれながら回転する状態で、基板Ｗの表面にＤＩＷが供給されている。ここで、基板表面Ｗｆに常温のＤＩＷを供給するのに代えて、二流体ノズル５からＤＩＷの液滴を供給するようにしてもよい。続いて基板へのＤＩＷの供給を停止し、基板を高速回転により乾燥させるスピン乾燥処理を行う（ステップＳ１０７）。すなわち、遮断部材９に設けられたノズル９７およびスピンベース２３に設けられた下面ノズル２７から窒素ガスを吐出させながら基板Ｗを高速度で回転させることにより、基板Ｗに残留するＤＩＷを振り切り基板Ｗを乾燥させる。このときに供給される窒素ガスは乾燥ガスとしての作用をするものであり、熱交換器を通さない常温のガスである。こうして乾燥処理が終了すると、処理済みの基板Ｗを搬出することによって（ステップＳ１０８）、１枚の基板に対する処理が完了する。

上記処理によって得られる洗浄効果について説明する。上記のようにして液膜を凍結させると、基板表面Ｗｆとパーティクルの間に入り込んだ液膜の体積が増加（摂氏０℃の水が摂氏０℃の氷になると、その体積はおよそ１．１倍に増加する）し、パーティクルが微小距離だけ基板表面Ｗｆから離れる。その結果、基板表面Ｗｆとパーティクルとの間の付着力が低減され、さらにはパーティクルが基板表面Ｗｆから脱離することとなる。このとき、基板表面Ｗｆに微細パターンが形成されている場合であっても、液膜の体積膨張によってパターンに加わる圧力はあらゆる方向に等しく、つまりパターンに加えられる力が相殺される。そのため、パターンの剥離や倒壊を防止しながら、パーティクルのみを基板表面Ｗｆから剥離させることができる。そして、新たに供給するＤＩＷによって凍結した液膜を除去することにより、パーティクル等についても基板表面Ｗｆから取り除くことができる。

図６は本実施形態の冷却ガスノズルの作用を説明するための図である。本実施形態の冷却ガスノズル３は、ガス吐出口３０の周囲を取り囲むフランジ３１２の下面が基板対向面３１２ａとなっており、該基板対向面３１２ａが基板表面Ｗｆと近接対向している。このため、図６（ａ）に点線矢印で示すように、ガス吐出口３０から吐出された冷却ガスは基板対向面３１２ａと基板表面Ｗｆ（より厳密には、基板表面Ｗｆに形成された液膜ＬＰの表面）とで挟まれた間隙空間Ｇを基板表面Ｗｆに沿って流通する。このため、吐出された冷却ガスは比較的長い時間にわたって基板上の液膜ＬＰと触れることになる。また、基板対向面３１２ａと基板表面Ｗｆとが近接対向しているため、基板表面Ｗｆに沿って流れる冷却ガスの流速Ｖ1が比較的高くなる。さらに、間隙空間Ｇに冷却ガスよりも高温の外部雰囲気が入り込んでくることが抑制され、冷却ガスと周囲雰囲気との混合に起因するガス温度の上昇が抑えられている。

これに対して、比較例として図６（ｂ）に示す従来の構成では、冷却ガスノズル３００の下面に開口するガス吐出口３０３の周縁部が肉薄であり、基板表面Ｗｆと対向する面積が極めて小さい。このため、図６（ｂ）に点線矢印で示すように、基板表面Ｗｆに向かって吐出された冷却ガスの大部分がすぐに基板表面Ｗｆから離れてしまい、基板上の液膜と接する時間が短い。また、基板表面Ｗｆに沿って流れる冷却ガスの流速Ｖ2が小さい。さらに、吐出された冷却ガスがすぐに周囲雰囲気と混ざってガス温度が上昇してしまうため、十分に低温のガスを基板および液膜に触れさせることが難しい。

これらのことから、本実施形態の構成では、比較例の構成と比べて、冷却ガスから基板表面Ｗｆに形成された液膜ＬＰへの熱伝達率がより高く、基板Ｗおよび液膜ＬＰをより短時間で効率よく冷却することができる。すなわち、冷却ガスの流量や処理時間が同じであれば基板Ｗおよび液膜ＬＰをより低温まで冷却することができ、基板Ｗおよび液膜ＬＰの到達温度が同じであれば冷却ガスの流量や処理時間をより少なくすることが可能である。

本願発明者らの知見によれば、凍結洗浄処理におけるパーティクル除去効率は、凍結させた液膜ＬＰの温度が低いほど向上することがわかっている。上記したように、本実施形態の構成では、基板Ｗおよび液膜ＬＰの温度を短時間で効率よく低下させることができるため、凍結洗浄処理におけるパーティクル除去効率を向上させることが可能となる。

以上のように、この実施形態では、冷却ガスノズル３、より詳しくは、下面にガス吐出口３０が設けられたノズル筐体３１１の外周下部を外方向に拡大させて、基板対向部として機能する平板状のフランジ３１２を形成している。フランジ３１２の下面が基板対向面３１２ａとして基板上の液膜ＬＰに近接対向し、この状態で基板対向面３１２ａに開口するガス吐出口３０から冷却ガスを吐出させることにより、この実施形態では、冷却ガスから基板Ｗおよび基板上の液膜ＬＰへの熱伝達率を高め、単に液膜ＬＰを凍結させるのみでなく、短時間で効率よくさらに低温まで冷却することが可能である。このため、この実施形態の凍結洗浄処理では、高いパーティクル除去効率を得ることができる。

以上説明したように、この実施形態においては、スピンチャック２が本発明の「基板保持手段」として機能する一方、冷却ガスノズル３が本発明の「冷却ガス吐出手段」として機能している。そして、フランジ３１２が本発明の「基板対向部」として機能するとともに、その下面３１２ａが本発明の「基板対向面」に相当している。また、冷却ガスノズル３を走査移動させる第１の回動モータ３１が本発明の「位置変更手段」として機能しており、基板Ｗに向けてＤＩＷを供給するノズル９７が本発明の「除去手段」として機能している。

＜第２実施形態＞
図７はこの発明にかかる基板処理装置の第２実施形態の要部を示す図である。この実施形態にかかる基板処理装置の基本的な構成は第１実施形態と同様であるので、ここでは相違する部分について主に説明する。この実施形態では、スピンチャック２に保持された基板Ｗの表面Ｗｆのほぼ全面を覆うように、本発明の「基板対向部」として機能する板状部材３２９を、その下面（基板対向面）３２９ａを基板表面Ｗｆに対向させて近接配置する。この板状部材３２９は遮断部材９とは別体に形成されて支持軸３２８によって略水平状態に保持され、基板表面に向けて冷却ガスを供給するプロセス（図４のステップＳ１０３〜Ｓ１０４）の間のみ基板上方に配置されるものである。また、遮断部材９とは異なり、板状部材３２９は回転しない。

この実施形態における冷却ガス吐出ノズル３２０は、揺動軸３２６周りに揺動するアーム３２５の先端に取り付けられており、図示を省略しているがその下端には冷却ガスを吐出するガス吐出口が設けられている。また、冷却ガス吐出ノズル３２０の外形は概ね円筒形状である。冷却ガス吐出ノズル３２０は、アーム３２５の揺動に伴って、スピンチャック２に保持された基板Ｗの中心近傍位置（図７（ｂ）に点線で示す位置）と、該基板Ｗの上方から退避した位置（図７（ｂ）に実線で示す位置）との間を移動可能となっている。

板状部材３２９のうち、冷却ガス吐出ノズル３２０の軌跡に相当する部分３２９ｂは切り欠かれており、アーム３２５の揺動に伴う冷却ガス吐出ノズル３２０の基板上の移動の際には冷却ガス吐出ノズル３２０がこの切り欠き部３２９ｂに係合するようにして移動する。これにより、冷却ガス吐出ノズル３２０が板状部材３２９に衝突することが回避されている。

このような構成によっても、冷却ガス吐出ノズル３２０から吐出された冷却ガスを基板表面Ｗｆと板状部材３２９とにより挟まれた間隙空間に供給することができる。これにより、冷却ガスを長い時間基板表面の液膜に触れさせることができ、また基板表面に沿った冷却ガスの流速を高め、さらに冷却ガスが周囲雰囲気と混合されることによるガス温度の上昇が抑えられるので、第１実施形態と同様に、基板および液膜を効率よく冷却して、優れたパーティクル除去効率を得ることができる。また、基板のほぼ全面が板状部材３２９により覆われるので、冷却ガスにより凍結した液膜の温度が周囲雰囲気に触れることで再び上昇することが防止され、ノズルが移動した後も凍結膜の温度を低く維持することが可能となる。

＜第３実施形態＞
上記した第１、第２実施形態では、ガス吐出口を有する冷却ガス吐出ノズルを基板表面に沿って相対的に走査移動させることにより、基板に対するガス吐出口の位置を順次変化させている。これに対して、以下に説明するこの発明にかかる第３実施形態の基板処理装置では、基板対向部に複数設けられた開口のうち１つを選択的に開放して当該開口から冷却ガスを吐出させることでガス吐出口として機能させるとともに、開放する開口を順次切り換えることにより、基板に対するガス吐出口の位置を変化させるようにしている。

図８はこの発明にかかる基板処理装置の第３実施形態の要部を示す図である。より具体的には、図８（ａ）はこの実施形態における冷却ガス吐出手段の外観を示す図であり、図８（ｂ）はその内部構造を示す断面図である。この実施形態にかかる基板処理装置の基本的な構成は第１および第２実施形態と同様であるので、ここでは相違する部分について主に説明する。

この実施形態では、第２実施形態と同様に、スピンチャック２に保持された基板Ｗの表面Ｗｆのほぼ全面を覆うように、本発明の「基板対向部」として機能する板状部材３３９を、その下面（基板対向面）３３９ａを基板表面Ｗｆに対向させて近接配置する。この板状部材３３９は遮断部材９とは別体に形成されて支持軸３３８によって略水平状態に保持され、基板表面に向けて冷却ガスを供給するプロセス（図４のステップＳ１０３〜Ｓ１０４）の間のみ基板上方に配置されるものである。また、第２実施形態の板状部材３２９と同様、板状部材３３９は回転しない。

板状部材３３９には、支持軸３３８に近い位置、すなわち板状部材３３９の中央寄りから外側に向かって順番に、複数の開口３３９１，３３９２，３３９３，３３９４が設けられている。冷却ガス吐出ノズル３３０は板状部材３３９の開口数に対応する複数の出力ポートを有するミキシングバルブ３３１を有し、各出力ポートが板状部材３３９の各開口３３９１，３３９２，３３９３，３３９４に連通している。各ポートには制御ユニット４からの制御指令に応じて互いに独立して開閉可能な開閉バルブ３３１１，３３１２，３３１３，３３１４が設けられている。

例えば開閉バルブ３３１１が開放されると、ガス供給部６４から冷却ガス吐出ノズル３３１へ通送されてくる冷却ガスが該バルブ３３１１を経て板状部材３３９の対応する開口３３９１から基板表面Ｗｆへ向けて吐出される。すなわち、このとき開口３３９１が「ガス吐出口」として機能する。他の各開口についても、対応するバルブの開閉により、必要に応じてガス吐出口として機能させることができる。

この実施形態では、基板上の液膜を凍結させる際、板状部材３３９および冷却ガス吐出ノズル３３０を一体的に基板Ｗの上方に位置決めし、この状態でまず最初にバルブ３３９１のみを開き、基板表面Ｗｆの中央（回転中心）に近い位置に冷却ガスを供給する。これにより基板中央部の液膜を凍結させる。次いで、隣接するバルブ３３９２を開くとともにバルブ３３９１を閉じ、基板上における冷却ガスの供給位置を外側に移動させる。その後、開放するバルブを順次外側のものに切り換えてゆく。

こうすることにより、ガス吐出口を有するノズルを移動させる第１および第２実施形態と同様に、冷却ガスの供給位置を外側に向けて移動させてゆくことができる。これによって、最初基板の中心部に形成された凍結膜を順次外側へ拡大させて、最終的には基板に形成された液膜の全体を凍結させることができる。

この場合において、基板表面Ｗｆのほぼ全体が板状部材３３９により覆われているため、上記した第２実施形態と同様に、基板および液膜を効率よく冷却して、優れたパーティクル除去効率を得ることができる。また、基板のほぼ全面が板状部材３３９により覆われるので、冷却ガスにより凍結した液膜の温度が周囲雰囲気に触れることで再び上昇することが防止され、ノズルが移動した後も凍結膜の温度を低く維持することが可能となる。

＜その他＞
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記実施形態では、ＤＩＷによって本発明の「液膜」を形成しているが、液膜を構成する液体はこれに限定されない。例えば、炭酸水、水素水、希薄濃度（例えば１ｐｐｍ程度）のアンモニア水、希薄濃度の塩酸などを用いたり、ＤＩＷに少量の界面活性剤を加えたものを用いてもよい。

また、上記実施形態では、冷却ガスとして液膜を構成する液体（ＤＩＷ）の凝固点よりも低温にした窒素ガスを用いているが、冷却ガスは窒素ガスに限定されない。例えば、アルゴンガスのような希ガスや他の不活性ガス、乾燥空気等を用いてもよい。

また、上記実施形態の基板処理装置は、ＤＩＷ貯留部６２１および窒素ガス貯留部６４１をいずれも装置内部に内蔵しているが、処理液およびガスの供給源については装置の外部に設けられてもよく、例えば工場内に既設の処理液やガスの供給源を利用するようにしてもよい。また、これらを冷却するための既設設備がある場合には、該設備によって冷却された液体やガスを利用するようにしてもよい。

また、上記実施形態の基板処理装置は、基板Ｗの上方に近接配置される遮断部材９を有するものであるが、本発明は遮断部材を有しない装置にも適用可能である。また、この実施形態の装置は基板Ｗをその周縁部に当接するチャックピン２４によって保持するものであるが、基板の保持方法はこれに限定されるものではなく、他の方法で基板を保持する装置にも、本発明を適用することが可能である。

この発明は、半導体ウエハ、フォトマスク用ガラス基板、液晶表示用ガラス基板、プラズマ表示用ガラス基板、ＦＥＤ（Field Emission Display）用基板、光ディスク用基板、磁気ディスク用基板、光磁気ディスク用基板などを含む基板全般の表面に形成された液膜を凍結させる基板処理装置および基板処理方法に適用することができる。

２ スピンチャック（基板保持手段）
３，３２０，３３０ 冷却ガスノズル（冷却ガス吐出手段）
３０ 吐出口（ガス吐出口）
３１ 第１の回動モータ（位置変更手段）
３１２ フランジ（基板対向部）
９７ ノズル（除去手段）
３２９，３３９ 板状部材（基板対向部）
Ｗ 基板

Claims (7)

1. 表面に液膜が形成された基板を略水平に保持する基板保持手段と、
   前記液膜を構成する液体の凝固点よりも低温にした冷却ガスをガス吐出口から前記基板の表面に向けて吐出する冷却ガス吐出手段と、
   前記基板に対する前記ガス吐出口の相対位置を変更して、前記基板表面における前記冷却ガスの供給位置を変更する位置変更手段と、
   前記液膜が凝固してなる前記液膜の凝固体を前記基板表面から除去する除去手段と
   を備え、
   前記冷却ガス吐出手段は、下面が前記基板の表面に対して略平行に近接対向する基板対向面となった基板対向部を有し、前記ガス吐出口が前記基板対向面に配置されて、前記冷却ガスが前記基板表面と前記基板対向面との間隙空間に供給される
   ことを特徴とする基板処理装置。
2. 前記基板保持手段は前記基板を略鉛直軸周りに回転可能に構成され、
   前記位置変更手段は、前記基板対向面を前記基板表面に対向させつつ前記ガス吐出口を前記基板表面に沿って相対的に走査移動させる請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記位置変更手段は、前記ガス吐出口が前記基板対向面に穿設された前記基板対向部を前記基板表面に沿って走査移動させる請求項２に記載の基板処理装置。
4. 前記冷却ガス吐出手段は前記ガス吐出口を有するノズルを備え、該ノズル下端の外周部が外側に延伸されて前記基板対向部を構成する請求項３に記載の基板処理装置。
5. 前記冷却ガス吐出手段は前記ガス吐出口を有するノズルを備え、前記位置変更手段は前記ノズルを前記基板表面に沿って走査移動させ、
   前記基板対向部は、前記基板表面のほぼ全面を覆うように構成された板状部材であり、前記ノズルの通過経路に対応する切り欠き部が前記板状部材に設けられた請求項２に記載の基板処理装置。
6. 前記基板対向部は、前記基板表面のほぼ全面を覆うように構成されて、前記ガス吐出口となる開口が前記基板対向面に複数穿設された板状部材であり、
   前記位置変更手段は、前記複数の開口のうちの一部から選択的に前記冷却ガスを吐出させることで当該開口を前記ガス吐出口として機能させるとともに、前記ガス吐出口として機能させる前記開口を順番に切り換える請求項２に記載の基板処理装置。
7. 基板の表面に液膜を形成する液膜形成工程と、
   冷却ガス吐出手段から前記液膜を構成する液体の凝固点よりも低温にした冷却ガスを供給して前記液膜を凝固させる凝固工程と、
   凝固した前記液膜の凝固体を融解して除去する除去工程と
   を備え、
   前記凝固工程では、前記基板の表面に対して略平行な基板対向面を有する基板対向部を近接対向させ、前記基板対向面に配したガス吐出口から前記基板表面と前記基板対向面との間隙空間に前記冷却ガスを供給しながら、前記基板表面に対する前記ガス吐出口の相対位置を変化させる
   ことを特徴とする基板処理方法。

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