JP5315189B2 - 基板処理装置および基板処理方法 - Google Patents

Description

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の各種基板（以下、単に「基板」という）に薄い液膜を形成するとともに当該薄い液膜を凍結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。

半導体装置や液晶表示装置などの電子部品の製造工程では、基板の表面に成膜やエッチングなどの処理を繰り返し施して微細パターンを形成していく工程が含まれる。ここで、微細加工を良好に行うためには基板表面を清浄な状態に保つ必要があり、必要に応じて基板表面に対して洗浄処理が行われる。そして、洗浄処理後に、基板表面に付着しているＤＩＷ（deionized Water：脱イオン水）などの液体を除去して基板を乾燥させる必要がある。この乾燥時における重要な課題のひとつが基板表面に形成されているパターンを倒壊させずに基板乾燥を行うことである。この課題を解消する方法として昇華乾燥技術が近年注目されている。この昇華乾燥技術は、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているように、基板表面に付着するＤＩＷなどの液体を処理室内で凍結させた後に、その処理室内を減圧して凍結膜を昇華させるものである。

特開平４−２４２９３０号公報（図２） 特開平４−３３１９５６号公報（図１）

ところで、昇華乾燥では昇華させる凍結膜の量、つまり氷膜の厚さが乾燥に要する時間（タクトタイム）を決める重要なファクターのひとつとなっている。すなわち、氷膜を薄くすることで乾燥に要する時間を短縮することができる。したがって、凍結処理を実行する前に基板表面に付着する液膜を薄膜化することが考えられる。例えば液膜が形成された基板表面を上方に向けた姿勢、つまり略水平姿勢で基板を保持するとともに当該基板を高回転スピンさせることで液膜を薄膜化することができる。しかしながら、液膜が薄くなるにしたがって液膜が蒸発乾燥しやすくなるため、単に基板を回転させることのみによって達成し得る薄膜化にも一定の限界があり、基板処理に要するタクトタイムの短縮化にとって大きな障害のひとつとなっている。

この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、基板表面上の液膜を蒸発乾燥させることなく当該液膜を薄膜化することができる基板処理装置および基板処理方法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の第１態様は、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保持する基板保持手段と、基板保持手段に保持された基板を回転させて基板の表面上に形成された液膜を薄膜化する基板回転手段と、液膜が形成された基板の表面に接する雰囲気の露点と、液膜および基板の温度との少なくとも一方を調整する調整手段と、基板の表面上の液膜を凍結させて凍結膜を形成する凍結手段とを備え、調整手段は、雰囲気の露点以下の液体を基板の表面に供給することによって、液膜を形成するとともに液膜の薄膜化前に液膜および基板の温度を雰囲気の露点以下に低下させて、基板回転手段により液膜を薄膜化する間、液膜および基板の温度が雰囲気の露点以下となるように調整し、凍結手段は、液体の凝固点よりも低い温度を有し、しかも液体に対して不溶性の液状冷媒を基板の表面に供給する表面冷媒供給部を備え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装置の第２態様は、表面に液膜が形成された基板を保持する基板保持手段と、基板保持手段に保持された基板を回転させて基板の表面上に形成された液膜を薄膜化する基板回転手段と、液膜が形成された基板の表面に接する雰囲気の露点と、液膜および基板の温度との少なくとも一方を調整する調整手段と、基板の表面上の液膜を凍結させて凍結膜を形成する凍結手段とを備え、調整手段は、雰囲気に液膜を構成する液体の蒸気を飽和状態に含有する第１気体を供給して雰囲気の露点を上昇させて、基板回転手段により液膜を薄膜化する間、液膜および基板の温度が雰囲気の露点以下となるように調整し、凍結手段は、液体の凝固点よりも低い温度を有し、しかも液体に対して不溶性の液状冷媒を基板の表面に供給する表面冷媒供給部を備えることを特徴としている。

この発明にかかる基板処理方法の第１態様は、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回転させて基板の表面上に形成された液膜を薄膜化する第１工程と、第１工程により薄膜化された液膜を凍結させる第２工程とを備え、基板の表面に接する雰囲気の露点以下の液体を基板の表面に供給することによって、液膜を形成するとともに液膜の薄膜化前に液膜および基板の温度を雰囲気の露点以下に低下させて、第１工程を実行する間、液膜および基板の温度が雰囲気の露点以下となるように調整し、第２工程は、液体の凝固点よりも低い温度を有し、しかも液体に対して不溶性の液状冷媒を基板の表面に供給す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の第２態様は、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回転させて基板の表面上に形成された液膜を薄膜化する第１工程と、第１工程により薄膜化された液膜を凍結させる第２工程とを備え、基板の表面に接する雰囲気に液膜を構成する液体の蒸気を飽和状態に含有する第１気体を供給して雰囲気の露点を上昇させて、第１工程を実行する間、液膜および基板の温度が雰囲気の露点以下となるように調整し、第２工程は、液体の凝固点よりも低い温度を有し、しかも液体に対して不溶性の液状冷媒を基板の表面に供給することを特徴としている。

このように構成された発明（基板処理装置および基板処理方法）では、液膜が形成された基板の表面に接する雰囲気の露点と、液膜および基板の温度との少なくとも一方が調整可能となっている。そして、上記調整により、基板を回転させて基板の表面上に形成された液膜を薄膜化する間、液膜および基板の温度が雰囲気の露点以下となっている。このため、液膜を構成する液体が雰囲気中に蒸発するのが防止される。

液膜および基板の温度を雰囲気の露点以下に調整するために、例えば雰囲気の露点以下の液体を供給することによって、基板の表面に供給して液膜を形成するとともに液膜の薄膜化前に液膜および基板の温度を雰囲気の露点以下に低下させてもよい。また、液膜の薄膜化を行っている間、雰囲気に液膜を構成する液体の蒸気を飽和状態に含有する第１気体を供給して雰囲気の露点を上昇させてもよい。さらに、これらを組み合わせてもよい。

また、液膜の凍結中においては液膜と凍結膜が混在する状態が存在するが、液体の凝固点よりも低い温度を有し、しかも液体の蒸気を飽和状態に含有する気体冷媒や第２気体（以下「気体冷媒等」という）を基板の表面に供給して凍結処理を行うと、雰囲気露点の低下が抑制されて液膜および基板の温度を下回るのが防止される。特に、液膜の薄膜化から凍結手段による凍結膜形成に切り替わる際、気体冷媒等の供給流量をゼロから連続的または段階的に増大させるのが好適である。というのも、このように構成することで、雰囲気の露点が急激に低下するのが防止されて基板および液膜の温度が液膜を構成する液体の凝固点以下となる前に雰囲気の露点が基板および液膜の温度を下回り、蒸発乾燥が発生するのを防止することができるからである。

また、気体冷媒等の代わりに、液体の凝固点よりも低い温度を有し、しかも液体に対して不溶性の液状冷媒を基板の表面に供給してもよい。この場合、液状冷媒が液膜全体を覆うため、凍結中の液膜の蒸発乾燥が効果的に防止される。

また、液体の凝固点よりも低い温度を有する冷媒を基板の裏面に供給して液膜を凍結してもよい。もちろん、基板裏面への冷媒の供給と、基板表面への気体冷媒等や液状冷媒の供給を併用してもよい。

さらに、基板保持手段に保持された基板の表面と対して対向手段を対向させて雰囲気を形成してもよい。この場合、雰囲気が対向手段により規定されて周辺雰囲気が基板と対向手段とに挟まれた雰囲気に流れ込むのが防止され、雰囲気の露点を正確に調整することができる。

以上のように、本発明によれば、基板の表面上に形成された液膜を薄膜化する間、液膜および基板の温度が雰囲気の露点以下となるように、雰囲気の露点と液膜および基板の温度との少なくとも一方が調整されるため、基板表面上の液膜が蒸発乾燥することなく当該液膜を薄膜化することができる。

本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。 第１実施形態にかかる基板処理装置の動作を模式的に示す図である。 第１実施形態にかかる基板処理装置の動作を示すタイミングチャートである。 水、氷の蒸気圧曲線である。 本発明にかかる基板処理装置の第２実施形態を示す図である。 本発明にかかる基板処理装置の第３実施形態を示す図である。 本発明にかかる基板処理装置の第４実施形態を示す図である。 本発明にかかる基板処理装置の第５実施形態を示す図である。 本発明にかかる基板処理装置の第６実施形態を示す図である。 図１０の基板処理装置の制御構成を示すブロック図である。 第６実施形態にかかる基板処理装置の動作を模式的に示す図である。 第６実施形態にかかる基板処理装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明にかかる基板処理装置の第７実施形態を示す図である。 本発明にかかる基板処理装置の第８実施形態を示す図である。 本発明にかかる基板処理装置の第９実施形態を示す図である。 本発明にかかる基板処理装置の第１０実施形態を示す図である。 本発明にかかる基板処理装置の第１１実施形態を示す図である。 本発明にかかる基板処理装置の第１２実施形態を示す図である。 本発明にかかる基板処理装置の第１３実施形態を示す図である。 本発明にかかる基板処理装置の第１４実施形態を示す図である。 本発明にかかる基板処理装置の第１５実施形態を示す図である。

図１は本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り、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をリンス処理する枚葉式の基板処理装置であり、当該リンス処理後にリンス液膜を薄膜化するとともに、当該液膜を凍結した後で昇華乾燥により基板Ｗを乾燥させる。

この基板処理装置は、基板Ｗに対して基板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と、装置全体を制御する制御ユニット５とを備えている。この処理チャンバー１内には、スピンチャック２と、２種類の吐出ノズル３、４とが設けられている。スピンチャック２は、基板Ｗの表面Ｗｆを上方に向けて略水平姿勢に保持した状態で、基板Ｗを回転させるものであり、本発明の「基板保持手段」として機能する。また、２種類の吐出ノズルとして、スピンチャック２に保持された基板Ｗの表面Ｗｆに向けて低温、例えば１゜Ｃ冷却されたＤＩＷをリンス液として吐出するＤＩＷ吐出ノズル３と、同基板表面Ｗｆに向けて凍結用窒素ガス、昇華乾燥用窒素ガスおよび常温窒素ガスを吐出するガス吐出ノズル４とが設けられている。

上記スピンチャック２の中心軸２１の上端部には、円板状のスピンベース２３がネジなどの締結部品によって固定されている。この中心軸２１は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いる。そして、制御ユニット５からの動作指令に応じてチャック回転機構２２が駆動されると、中心軸２１に固定されたスピンベース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。各チャックピン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、各チャックピン２４を解放状態とし、基板Ｗに対してリンス処理を行う際には、各チャックピン２４を押圧状態とする。各チャックピン２４を押圧状態とすると、各チャックピン２４は基板Ｗの周縁部を把持して、基板Ｗがスピンベース２３から所定間隔を隔てて略水平姿勢に保持されることとなる。これにより、基板Ｗは、その表面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。なお、この実施形態では、基板Ｗの表面Ｗｆに微細パターンが形成されており、表面Ｗｆがパターン形成面となっている。

ＤＩＷ吐出ノズル３をスキャン駆動するための駆動源として、スピンチャック２の周方向外側にノズル駆動用回転モータ３１が設けられている。この回転モータ３１には回転軸３３が接続され、この回転軸３３には第１アーム３５が水平方向に延びるように接続されており、この第１アーム３５の先端に上記ＤＩＷ吐出ノズル３が取り付けられている。そして、制御ユニット５からの動作指令に応じて第１アーム駆動機構６１が作動して回転モータ３１を駆動させる。これにより第１アーム３５が回転軸３３回りに揺動することとなる。

このＤＩＷ吐出ノズル３にはＤＩＷ供給部７１が接続されている。このＤＩＷ供給部７１はＤＩＷ貯留部７１１および熱交換器７１２を有しており、熱交換器７１２はＤＩＷ貯留部７１１から供給される常温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７１は凝固点近傍温度（本実施形態では、約１゜Ｃ）まで冷却された低温ＤＩＷ（図中の「Cool DIW」）を供給可能となっている。

また、吐出ノズル４をスキャン駆動するための駆動源として、スピンチャック２の周方向外側にノズル駆動用回転モータ４１が設けられている。この回転モータ４１には回転軸４３が接続され、この回転軸４３には第２アーム４５が水平方向に延びるように接続されており、この第２アーム４５の先端に上記吐出ノズル４が取り付けられている。そして、制御ユニット５からの動作指令に応じて第２アーム駆動機構６２が作動して回転モータ４１を駆動させる。これにより第２アーム４５が回転軸４３回りに揺動することとなる。

この吐出ノズル４では、ガス供給管４Ａにガス供給管４Ｂが挿通された、いわゆる二重管構造を有している。そして、ガス供給管４Ａに対して窒素ガス供給部７２の窒素ガス貯留部７２１が直接接続されており、常温（ＲＴ）の窒素ガス（図中の「常温Ｎ２ガス」）がそのままガス供給管４Ａを介してノズル４から基板表面Ｗｆに向けて吐出される。また、ガス供給管４Ｂに対して窒素ガス供給部７２の熱交換器７２２、７２３が接続されている。これらのうち一方の熱交換器７２２は窒素ガス貯留部７２１から供給される常温窒素ガスを冷却し、これによって水蒸気を飽和した高湿度状態で、しかもＤＩＷの凝固点よりも低い温度まで冷やされた冷却高湿度窒素ガス（図中の「Cold wet N2ガス」）が生成され、凍結用冷媒としてガス供給管４Ｂに供給されてノズル４から基板表面Ｗｆに向けて吐出される。なお、この実施形態では、冷却高湿度窒素ガスの露点を冷却高湿度窒素ガスにより凍結する凍結膜（氷膜）の温度とほぼ同一の−２０゜Ｃに調整している。なお、凍結膜の温度（−２０゜Ｃ）は本願発明者の実測結果である。

また、他方の熱交換器７２３は窒素ガス貯留部７２１から供給される常温窒素ガスを冷却し、これによって凍結膜（氷膜）の温度（本実施形態では−２０゜Ｃ）よりも低い露点を有する昇華乾燥用窒素ガス、例えば露点が−７０゜Ｃの冷却乾燥窒素ガス（図中の「Cold dry N2ガス」）が生成され、昇華乾燥用ガスとしてガス供給管４Ｂに供給されてノズル４から基板表面Ｗｆに向けて吐出される。このようにガス吐出ノズル４に対し、冷却高湿度窒素ガス（Cold wet N2ガス）および冷却乾燥窒素ガス（Cold dry N2ガス）をそれぞれ供給可能となっており、それぞれを独立して供給したり、両者を混合して供給可能となっている。

次に上記のように構成された基板処理装置の動作について図３ないし図５を参照しながら説明する。図３は第１実施形態にかかる基板処理装置の動作を模式的に示す図である。また、図４は第１実施形態にかかる基板処理装置の動作を示すタイミングチャートである。さらに、図５は水、氷の蒸気圧曲線である。この装置では、基板搬入時には、全ノズル３、４はスピンチャック２の上方空間から側方に退避されており、基板Ｗとの干渉が防止されている。そして、基板表面Ｗｆを上方に向けた状態で表面Ｗｆがフッ酸等の薬液処理が施された基板Ｗが装置内に搬入され、スピンチャック２に保持される。なお、処理チャンバー１内には、例えば半導体製造工場などにおいて一般的に使用されているダウンフロー（湿度４０％〜５０％の室温のダウンフロー）が常時供給されているため、基板Ｗの表面Ｗｆに接する雰囲気ＳＰの露点は約１０゜Ｃとなっている。

基板搬入が完了すると、制御ユニット５がメモリ（図示省略）に記憶されているプログラムにしたがって装置各部を制御して、リンス工程、薄膜形成工程、凍結工程、昇華乾燥工程および結露防止工程をこの順序で実行する。これらの工程のうちリンス工程では、ＤＩＷ吐出ノズル３を基板Ｗの回転中心ＡＯ上方の回転中心位置へ移動させるとともに、チャック回転機構２２を駆動させてスピンチャック２と基板Ｗとを例えば３００ｒｐｍで一体的に回転させる。そして、ＤＩＷ吐出ノズル３から低温ＤＩＷ（Cool DIW）を例えば１０秒間だけ基板表面Ｗｆに供給する。基板表面に供給された低温ＤＩＷには、基板Ｗの回転に伴う遠心力が作用し、低温ＤＩＷが基板Ｗの径方向外向きに均一に広げられて基板表面Ｗｆに対するリンス処理が実行される。リンス処理を実行している間に、図４に示すように、基板Ｗの温度は常温（ＲＴ）から徐々に低温ＤＩＷと同一温度に達する。このように、本実施形態では、雰囲気ＳＰの露点（１０゜Ｃ）より低い低温ＤＩＷ（１゜Ｃ）を基板表面Ｗｆに供給することで、リンス工程が完了した時点、つまり薄膜形成工程の直前時点で基板表面Ｗｆ上の液膜１１および基板Ｗの温度は雰囲気ＳＰの露点以下となっている。また、このように低温ＤＩＷを用いることで液膜１１の温度を凝固点に近づけることができ、後述する凍結処理に要する時間を短縮することも可能となる。

上記リンス工程に続く薄膜形成工程では、低温ＤＩＷの供給が停止されて基板Ｗおよび液膜１１の温度は数度程度高くなるものの、液膜１１および基板Ｗの温度は雰囲気ＳＰの露点以下のままであり、液膜１１の蒸発乾燥は生じず、液膜１１を所望厚みに薄膜化することができる。より具体的には、リンス工程が完了すると、液膜１１および基板Ｗの温度が雰囲気ＳＰの露点以下の状態で基板Ｗを３００ｒｐｍ〜１２００ｒｐｍで回転させたままＤＩＷ吐出ノズル３からのＤＩＷ供給を停止するとともにＤＩＷ吐出ノズル３をスピンチャック２の上方空間から側方に退避移動させる。基板表面Ｗｆ上のＤＩＷの一部は基板Ｗ外に振り切られ、基板表面Ｗｆの全体に所定の厚みを有する液膜（水膜）１１が形成される（図３（ｂ））。なお、液膜１１の厚みについては、基板Ｗの回転数を制御することで任意の値に調整することができ、しかも液膜１１および基板Ｗの温度が雰囲気ＳＰの露点以下となっているため、薄膜形成工程を行っている間に液膜１１が蒸発乾燥することを確実に防止することができる。

こうして液膜１１の薄膜化が完了する直前より、第２アーム４５を回動させてガス吐出ノズル４を基板Ｗの回転中心ＡＯ上方の回転中心位置へ移動させて凍結工程を実行する。すなわち、熱交換器７２２により常温窒素ガスを冷却して水蒸気を飽和した高湿度状態で、しかもＤＩＷの凝固点よりも低い温度まで冷やされた冷却高湿度窒素ガス（Cold wet N2ガス）を生成し、ノズル４から基板表面Ｗｆに供給する。これにより、基板表面Ｗｆ全面に冷却高湿度窒素ガスを供給して液膜１１を凍結させて凍結膜１２を形成する（図３（ｃ））。この第１実施形態では、図４に示すように、薄膜形成工程の後半より冷却高湿度窒素ガスを供給しているが、その流量はゼロから連続的に増加させており、雰囲気ＳＰの露点が急激に低下するのを防止している。これは、基板Ｗおよび液膜１１の温度が液膜１１を構成するＤＩＷの凝固点以下となる前に雰囲気ＳＰの露点が基板Ｗおよび液膜１１の温度を下回り、蒸発乾燥が発生するのを防止するためである。つまり、液膜１１および基板Ｗの温度が雰囲気ＳＰの露点以下となっている状態で液膜１１の凍結が開始されるように冷却高湿度窒素ガス（Cold wet N2ガス）の流量調整が行われている。また、第１実施形態では、冷却高湿度窒素ガスを用いているため、凍結膜１２の形成途中、つまり液膜１１と凍結膜１２が混在する状態においても、雰囲気ＳＰの露点は基板Ｗおよび凍結膜１２の温度とほぼ同一となり、凍結工程中にＤＩＷの蒸発乾燥が確実に防止されて所望厚みの凍結膜１２が基板表面Ｗｆ全体に均一に形成される。

基板表面Ｗｆ全体に凍結膜１２が形成されて凍結工程が完了すると、熱交換器７２２からのノズル４への冷却高湿度窒素ガスの供給流量を減少させつつ、熱交換器７２３からノズル４への冷却乾燥窒素ガス（Cold dry N2ガス）の供給を開始する。このように第１実施形態では、冷却高湿度窒素ガスと冷却乾燥窒素ガスとを同時供給するタイミングが存在しているが、そのタイミングでは冷却高湿度窒素ガスの供給流量を連続的に減少させる一方、冷却乾燥窒素ガスの供給流量を連続的に増大させており、雰囲気ＳＰの露点及び温度が急激に変化するのを防止しつつ昇華乾燥を効果的に行う露点まで低下させている。

このように冷却乾燥窒素ガスの供給により雰囲気ＳＰの露点が低下してくると、凍結膜１２は時間経過とともに昇華していく。これは、冷凍庫内の氷がどんどん小さくなっていく現象と同一である。すなわち、第１実施形態では雰囲気ＳＰの露点を−７０゜Ｃ程度としており、雰囲気ＳＰ中の水蒸気の分圧は図５に示すように約０．７Ｐａ（５．２５×１０^−３Ｔｏｒｒ）程度にまで低下している。これに対し、凍結膜１２および基板Ｗの温度は冷却乾燥窒素ガスの温度よりも高く、本願発明者が実測したところ−２０゜Ｃ程度となっている。これは、基板Ｗの裏面が常温雰囲気に面しており、基板裏面から基板表面Ｗｆへの熱移動により凍結膜１２の温度低下が抑制されていることに起因すると考えられる。ただし、基板表面Ｗｆには冷却乾燥窒素ガスが継続して供給されているため、凍結膜１２が液相に変わることはなく、昇華乾燥用の冷却乾燥窒素ガスの温度Ｔg（本実施形態では−７０゜Ｃ）とＤＩＷの凝固点との間の温度Ｔs（本実施形態では−２０゜Ｃ）となる。したがって、温度Ｔsでの凍結膜１２の蒸気圧（昇華圧）、例えば−２０゜Ｃで約１００Ｐａに対し、凍結乾燥用窒素ガス中の水蒸気の分圧は上記したように０．７Ｐａ程度と非常に低く、この蒸気圧差を埋めるように昇華蒸発が生じる。しかも本実施形態では、冷却乾燥窒素ガスは継続して供給されるため、雰囲気ＳＰでの冷却乾燥窒素ガス中の水蒸気の分圧が凍結膜１２の蒸気圧よりも低いという状況が維持されて昇華乾燥が進行していく。しかも、昇華により発生した水蒸気成分は冷却乾燥窒素ガスの気流に乗って基板表面Ｗｆから取り除かれるため、凍結膜１２から昇華して発生した水蒸気成分が液相や固相に戻り基板表面Ｗｆに再付着するのを確実に防止することができる。このように、本実施形態では、処理チャンバー１内を大気圧に維持したまま凍結膜１２が液相を経由することなく気相に昇華されるとともに冷却乾燥窒素ガスと一緒に基板表面Ｗｆから除去されて基板Ｗが乾燥される（図３（ｄ））。

基板表面Ｗｆから凍結膜１２が完全に除去されて昇華乾燥工程が完了した時点では基板Ｗの温度はＤＩＷの凝固点以下となっており、低温状態のまま基板Ｗを搬出すると、基板全面に結露が発生してしまう。そこで、本実施形態では昇華乾燥工程の完了後に結露防止工程を実行している。この結露防止工程では、ノズル４からの冷却乾燥窒素ガス（Cold dry N2ガス）の吐出が停止されるのと入れ替えに窒素ガス貯留部７２１からノズル４に常温窒素ガスの供給が開始される（図３（ｅ））。このように常温窒素ガスが基板表面Ｗｆに供給されることで基板Ｗの温度が常温付近まで戻される。このため、基板Ｗに結露が発生するのを確実に防止することができる。なお、結露防止工程は後で説明する実施形態においても同様に実行される。

最後に、基板回転を停止するとともに、第２アーム４５を回動させてノズル４、４Ｂをスピンチャック２の上方空間から側方に退避移動させた後に、処理チャンバー１から処理済の基板Ｗが搬出される。

以上のように、この実施形態では、薄膜形成工程を実行する前のリンス工程においてＤＩＷ供給部７１から低温ＤＩＷを基板表面Ｗｆに供給して基板Ｗおよび液膜１１の温度が雰囲気ＳＰの露点以下に調整され、基板表面Ｗｆ上に形成された液膜１１を薄膜化する間（薄膜形成工程）、液膜１１および基板Ｗの温度が雰囲気ＳＰの露点以下となっている。したがって、基板表面Ｗｆ上の液膜１１が蒸発乾燥することなく当該液膜１１を所望の厚さに薄膜化することができる。

また、凍結工程を実行する際に冷却高湿度窒素ガス（Cold wet N2ガス）を凍結用冷媒として用いているが、単にＤＩＷの凝固点よりも低い温度まで冷やされた冷却ガスを用いるのではなく、水蒸気を飽和した高湿度状態のものを用いることで冷却高湿度窒素ガスの露点を凍結膜（氷膜）１２の温度とほぼ同一温度に調整している。したがって、液膜１１の凍結が進行している途中、つまり液膜１１の薄膜化から凍結膜１２の形成に切り替わる際、凍結前の液膜１１が蒸発乾燥するのを防止することができる。

さらに、ＤＩＷの凝固点に近い低温ＤＩＷを用いて液膜１１を形成しているので、凍結工程を実行する際、既に液膜１１の温度が凝固点に近づいているため、凍結処理に要する時間を短縮することが可能となり、常温ＤＩＷをリンス液として用いる場合に比べてタクトタイムをさらに短縮することができる。

このように第１実施形態では、チャック回転機構２２がスピンチャック２に保持された基板Ｗを回転させて液膜１１の薄膜化を実行しており、本発明の「基板回転手段」として機能している。また、ＤＩＷ供給部７１が凝固点近傍温度（本実施形態では、約１゜Ｃ）まで冷却された低温ＤＩＷ（Cool DIW）を供給して基板Ｗおよび液膜１１の温度を雰囲気ＳＰの露点以下に低下させており、本発明の「調整手段」として機能している。また、窒素ガス供給部７２は、水蒸気を飽和した高湿度状態で、しかもＤＩＷの凝固点よりも低い温度まで冷やした冷却高湿度窒素ガス（Cold wet N2ガス）を基板表面Ｗｆに供給して凍結処理を実行しており、本発明の「凍結手段」および「表面冷媒供給部」として機能している。また、冷却高湿度窒素ガス（Cold wet N2ガス）が本発明の「気体冷媒」に相当している。

図６は本発明にかかる基板処理装置の第２実施形態を示す図である。この第２実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は、凍結用冷媒の種類である。すなわち、第２実施形態では、凍結用冷媒としてＤＩＷの凝固点よりも低い温度を有し、しかもＤＩＷに対して不溶性の液状冷媒、例えばＨＦＥ（Hydrofluoroether：ハイドロフルオロエーテル）液を主成分とするＨＦＥ液、より具体的には住友スリーエム株式会社製の商品名ノベック（登録商標）７１００（凝固点：−１３５゜Ｃ）を凍結用冷媒として用いている。なお、ＨＦＥ液としては、同製の商品名ノベック（登録商標）シリーズのＨＦＥ、つまりノベック７２００、ノベック７３００などを用いることができる。

この第２実施形態では、図６に示すように、ＨＦＥ液供給部７３が設けられている。このＨＦＥ液供給部７３は、ＨＦＥ液貯留部と熱交換器とを有している。そして、ＨＦＥ液供給部７３では、熱交換器がＨＦＥ液貯留部から供給されるＨＦＥ液をＤＩＷの凝固点よりも低い温度、本実施形態では−２０゜Ｃまで冷却し、その冷却ＨＦＥ液（図中の「Cold HFE液」）が生成されて図示を省略するノズルから基板表面Ｗｆに向けて供給される。これにより液膜１１が凍結されて凍結膜１２が形成される。このように、第２実施形態では、ＨＦＥ液供給部７３が本発明の「凍結手段」および「表面冷媒供給部」として機能している。なお、その他の構成は基本的に第１実施形態と同一である。

このように構成された基板処理装置においても、第１実施形態と同様に、基板表面Ｗｆを上方に向けた状態で表面Ｗｆがフッ酸等の薬液処理が施された基板Ｗが装置内に搬入され、スピンチャック２に保持される。このとき、基板Ｗの表面Ｗｆに接する雰囲気ＳＰの露点は約１０゜Ｃとなっている。そして、基板搬入が完了すると、制御ユニット５がメモリ（図示省略）に記憶されているプログラムにしたがって装置各部を制御して、リンス工程、薄膜形成工程、凍結工程、昇華乾燥工程および結露防止工程をこの順序で実行する。すなわち、リンス工程でＤＩＷ吐出ノズル３から低温ＤＩＷ（Cool DIW）を基板表面Ｗｆに供給してリンス処理を行った後、薄膜形成工程を実行して液膜１１を所望厚みに薄膜化する。

液膜１１の薄膜化が完了する直前より冷却ＨＦＥ液（Cold HFE液）を基板表面Ｗｆに供給して凍結工程を開始する。この第２実施形態では、冷却ＨＦＥ液の供給により液膜１１および基板Ｗは急速に冷却されて液膜１１の凍結が直ちに開始される。また、ＨＦＥ液はＤＩＷに対して不溶であるため、冷却ＨＦＥ液の供給により雰囲気ＳＰの露点が変化することなく、一定であり、液膜１１の凍結が進行している途中、つまり液膜１１の薄膜化から凍結膜１２の形成に切り替わる際、基板Ｗおよび液膜１１の温度は雰囲気ＳＰの露点以下となっている。しかも、基板表面Ｗｆに供給された冷却ＨＦＥ液は基板Ｗの回転に伴う遠心力により基板表面Ｗｆ全体に行き渡り、液膜１１および凍結膜１２を全面的に覆って雰囲気ＳＰから遮断する。したがって、液膜１１の薄膜化から凍結膜１２の形成に切り替わる際に凍結前の液膜１１が蒸発乾燥するのを効果的に防止することができる。

基板表面Ｗｆ全体に凍結膜１２が形成されると、ＨＦＥ液供給部７３からの冷却ＨＦＥ液の供給流量をゼロまで減少させつつ、窒素ガス供給部７２からの冷却乾燥窒素ガス（Cold dry N2ガス）の供給を開始して昇華乾燥を行う。この昇華乾燥工程では、基板表面Ｗｆに供給されたＨＦＥ液が基板Ｗの回転に伴って振り切られた後で第１実施形態と同様に昇華乾燥される。

以上のように、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、薄膜形成工程を実行する前のリンス工程においてＤＩＷ供給部７１から低温ＤＩＷを基板表面Ｗｆに供給して基板Ｗおよび液膜１１の温度が雰囲気ＳＰの露点以下に調整しているので、基板表面Ｗｆ上の液膜１１が蒸発乾燥することなく当該液膜１１を所望の厚さに薄膜化することができる。また、第２実施形態では、凍結用冷媒として液状冷媒を用いているため、凍結処理に要する時間を短縮することができるとともに、凍結前の液膜１１が蒸発乾燥するのを効果的に防止することができる。さらに、凍結工程中に雰囲気ＳＰに含まれる水蒸気が冷却ＨＦＥ液に接触して結露が発生することがあるが、当該結露は冷却ＨＦＥ液とともに基板Ｗから排出されて基板Ｗへの付着は確実に防止される。なお、この点に関しては、冷却ＨＦＥ液を用いる他の実施形態においても全く同様である。

図７は本発明にかかる基板処理装置の第３実施形態を示す図である。この第３実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は凍結用冷媒の供給位置である。すなわち、第３実施形態では、基板表面Ｗｆに凍結用冷媒を供給する代わりに、凍結用冷媒として冷却窒素ガス（図中の「Cold N2ガス」）を裏面冷媒供給部７４からガス供給管２５およびノズル２７（図１参照）を介して基板Ｗの裏面Ｗｂに供給している。すなわち、裏面冷媒供給部７４では、熱交換器（図示省略）により常温窒素ガスを冷却してＤＩＷの凝固点よりも低い温度まで冷やされた冷却窒素ガス（Cold N2ガス）を生成し、ノズル２７から基板裏面Ｗｂに供給する。これにより、基板裏面Ｗｂ全面に冷却窒素ガスを供給して基板Ｗを介して液膜１１を凍結させて凍結膜１２を形成する。このように第３実施形態では、裏面冷媒供給部７４が本発明の「凍結手段」として機能している。

このように構成された基板処理装置においても、第１実施形態と同様に、基板表面Ｗｆを上方に向けた状態で表面Ｗｆがフッ酸等の薬液処理が施された基板Ｗが装置内に搬入され、スピンチャック２に保持される。このとき、基板Ｗの表面Ｗｆに接する雰囲気ＳＰの露点は約１０゜Ｃとなっている。そして、基板搬入が完了すると、制御ユニット５がメモリ（図示省略）に記憶されているプログラムにしたがって装置各部を制御して、リンス工程、薄膜形成工程、凍結工程、昇華乾燥工程および結露防止工程をこの順序で実行する。すなわち、リンス工程でＤＩＷ吐出ノズル３から低温ＤＩＷ（Cool DIW）を基板表面Ｗｆに供給してリンス処理を行った後、薄膜形成工程を実行して液膜１１を所望厚みに薄膜化する。

液膜１１の薄膜化が完了する直前より冷却窒素ガス（Cold N2ガス）を基板裏面Ｗｂに供給して凍結工程を開始する。この第３実施形態では、基板表面Ｗｆへの凍結用冷媒（冷却高湿度窒素ガス）の供給を行っていないため、凍結工程中も雰囲気ＳＰの露点が変化することなく、一定であり、液膜１１の凍結が進行している途中、つまり液膜１１の薄膜化から凍結膜１２の形成に切り替わる際、基板Ｗおよび液膜１１の温度は雰囲気ＳＰの露点以下となっている。したがって、液膜１１の薄膜化から凍結膜１２の形成に切り替わる際に凍結前の液膜１１が蒸発乾燥するのを効果的に防止することができる。

なお、基板表面Ｗｆ全体に凍結膜１２が形成されると、裏面冷媒供給部７４からの冷却窒素ガスの供給流量を減少させつつ、窒素ガス供給部７２からの冷却乾燥窒素ガス（Cold dry N2ガス）の供給を開始して昇華乾燥を行う。

以上のように、第３実施形態においても、第１実施形態と同様に、薄膜形成工程を実行する前のリンス工程においてＤＩＷ供給部７１から低温ＤＩＷを基板表面Ｗｆに供給して基板Ｗおよび液膜１１の温度が雰囲気ＳＰの露点以下に調整しているので、基板表面Ｗｆ上の液膜１１が蒸発乾燥することなく当該液膜１１を所望の厚さに薄膜化したり、凍結処理に要する時間を短縮することができる。また、第３実施形態では、凍結用冷媒を基板裏面Ｗｂに供給しているため、上記したように凍結前の液膜１１が蒸発乾燥するのを効果的に防止することができる。なお、第３実施形態では、凍結用冷媒として冷却窒素ガスを用いているが、冷却ＨＦＥ液などの液体冷媒を用いてもよい。

上記第１ないし第３実施形態では、基板表面Ｗｆまたは基板裏面Ｗｂに凍結用冷媒を供給して凍結処理を実行しているが、凍結用冷媒の供給態様はこれらに限定されるものではなく、次のような供給態様を採用してもよい。例えば図８に示すように基板表面Ｗｆに冷却高湿度窒素ガス（Cold wet N2ガス）を供給するとともに、基板裏面Ｗｂに冷却窒素ガス（Cold N2ガス）または冷却ＨＦＥ液（Cold HFE液）を供給してもよい（第４実施形態）。また、図９に示すように基板表面Ｗｆに冷却ＨＦＥ液（Cold HFE液）を供給するとともに、基板裏面Ｗｂに冷却窒素ガス（Cold N2ガス）または冷却ＨＦＥ液（Cold HFE液）を供給してもよい（第５実施形態）。

また、上記第１ないし第５実施形態では、ノズル４から基板表面Ｗｆに凍結用冷媒や昇華乾燥用ガスを供給しているが、次に説明する実施形態のように遮断部材を基板表面Ｗｆに対向配置させて雰囲気ＳＰを規定してもよく。これにより、周辺雰囲気の巻込みを防止することができる。

また、上記第１実施形態では、二重管構造のノズル４を採用しているが、ノズル構成はこれに限定されるものではなく、従来より多用されている種々のノズルを用いたり、ノズル本数を追加配置してもよい。

図１０は本発明にかかる基板処理装置の第６実施形態を示す図であり、図１１は図１０の基板処理装置の制御構成を示すブロック図である。この第６実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は、遮断部材９を設けている点、当該遮断部材９を用いて雰囲気ＳＰを規定しながら薄膜形成工程、凍結工程、昇華乾燥工程および結露防止工程を実行している点、ならびに常温高湿度窒素ガスを用いて薄膜形成工程を実行している点である。なお、その他の構成は第１実施形態と基本的に同一であるため、同一構成については同一符号を付して構成説明を省略する。

この第６実施形態では、スピンチャック２の上方に、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５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５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５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１０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は窒素ガス供給部７２に接続されており、常温窒素ガス（図中の「常温N2ガス」）および常温高湿度窒素ガス（図中の「常温 wet N2ガス」）が供給される。この窒素ガス供給部７２は、第１実施形態と同様に、熱交換器７２２、７２３を有しており、冷却高湿度窒素ガス（Cold wet N2ガス）および冷却乾燥窒素ガス（Cold dry N2ガス）を供給可能となっている。また、窒素ガス貯留部７２１から熱交換器７２２、７２３を通さずに常温窒素ガスが結露防止用ガスとしてガス供給路９５に供給可能となっている。さらに、窒素ガス供給部７２では加湿器７２４が設けられて加湿器７２４を介してガス供給路９５と接続されている。このため、窒素ガス貯留部７２１から供給される常温窒素ガスに水蒸気が飽和水蒸気圧に達するまで加えられて常温高湿度窒素ガスが作成され、ガス供給路９５に供給される。

また、ガス供給路９５の内部には、遮断部材９の開口に連通したガス供給管９６が挿通されており、ガス供給管９６の下端にノズル９７が結合されている。ガス供給管９６は熱交換器７２２、７２３に接続されており、冷却高湿度窒素ガス（Cold wet N2ガス）および冷却乾燥窒素ガス（Cold dry N2ガス）が供給される。このように温度および湿度が互いに異なる４種類の窒素ガス、つまり常温窒素ガス、冷却高湿度窒素ガス、冷却乾燥窒素ガスおよび常温高湿度窒素ガスを窒素ガス供給部７２から遮断部材９を介して基板表面Ｗｆに供給可能となっている。

次に、上記のように構成された基板処理装置の動作について図１２および図１３を参照しつつ説明する。図１２は第６実施形態にかかる基板処理装置の動作を模式的に示す図である。また、図１３は第６実施形態にかかる基板処理装置の動作を示すタイミングチャートである。この装置では、図１２（ａ）に示すように、基板搬入時には、遮断部材９はスピンチャック２の上方の離間位置に退避して基板Ｗとの干渉を防止しており、基板表面Ｗｆを上方に向けた状態で表面Ｗｆがフッ酸等の薬液処理が施された基板Ｗが装置内に搬入され、スピンチャック２に保持される。

基板搬入が完了すると、制御ユニット５がメモリ（図示省略）に記憶されているプログラムにしたがって装置各部を制御して、リンス工程、薄膜形成工程、凍結工程、昇華乾燥工程および結露防止工程をこの順序で実行する。これらの工程のうちリンス工程では、ＤＩＷ吐出ノズル３を基板Ｗの回転中心ＡＯ上方の回転中心位置へ移動させるとともに、チャック回転機構２２を駆動させてスピンチャック２とともに基板Ｗを例えば３００ｒｐｍで回転させる。この第６実施形態では、図１１に示すようにＤＩＷ供給部７１ＡのＤＩＷ貯留部７１１から供給される常温（ＲＴ）のＤＩＷをそのままリンス液としてノズル３に供給可能となっている。そして、リンス工程では、制御ユニット５はチャック回転機構２２を駆動させてスピンチャック２とともに基板Ｗを例えば３００ｒｐｍで回転させるとともに、ＤＩＷ吐出ノズル３から常温ＤＩＷを例えば１０秒間だけ基板表面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、当該常温ＤＩＷが基板Ｗの径方向外向きに均一に広げられて基板表面Ｗｆに対するリンス処理が実行される。このリンス処理を実行している間に、図１３に示すように、基板Ｗの温度は常温（ＲＴ）となっており、雰囲気ＳＰの露点（１０゜Ｃ）より高くなっている。

リンス工程が完了すると、基板Ｗを３００ｒｐｍで回転させたままＤＩＷ吐出ノズル３からのＤＩＷ供給を停止するとともにＤＩＷ吐出ノズル３を基板Ｗから離間した退避位置に移動させる。これと入替えに、遮断部材９が対向位置まで降下され、基板表面Ｗｆに近接配置される。これにより、基板表面Ｗｆが遮断部材９の基板対向面に近接した状態で覆われ、雰囲気ＳＰが規定されるとともに基板Ｗの周辺雰囲気から遮断される。そして、この状態（遮断部材９を基板Ｗに近接した状態）のまま、薄膜形成工程、凍結工程、昇華乾燥工程および結露防止工程がこの順序で実行される。

薄膜形成工程では、基板Ｗを高速回転させることで基板表面Ｗｆ上の常温ＤＩＷの一部は基板Ｗ外に振り切られ、基板表面Ｗｆの全体に所定の厚みを有する液膜（水膜）１１が形成される（図１２（ｂ））。なお、液膜１１の厚みについては、基板Ｗの回転数を制御することで任意の値に調整することができる。また、この第６実施形態では、薄膜形成工程を実行している間、常温高湿度窒素ガス（常温 wet N2ガス）が窒素ガス供給部７２から遮断部材９を介して基板表面Ｗｆに供給される。これによって、基板表面Ｗｆと遮断部材９とに挟まれた雰囲気ＳＰの露点が常温（ＲＴ）まで引き上げられて基板Ｗおよび液膜１１の温度とほぼ同一となる。その結果、薄膜形成工程を行っている間に液膜１１が蒸発乾燥することを確実に防止することができる。

こうして液膜１１の薄膜化が完了する直前より、常温高湿度窒素ガスの供給流量をゼロまで減少させながら冷却高湿度窒素ガス（Cold wet N2ガス）の供給を開始する。この冷却高湿度窒素ガスの供給により基板Ｗおよび液膜１１の温度が低下するとともに雰囲気ＳＰの露点も低下する。ここで、冷却高湿度窒素ガスの供給流量を急激に高めることで凍結工程の短縮化を図ることも考えられるが、この場合、雰囲気ＳＰの露点低下が基板Ｗおよび液膜１１の温度低下よりも大きくなり、雰囲気ＳＰの露点が基板Ｗおよび液膜１１の温度よりも低下してしまい液膜１１の蒸発乾燥が発生する可能性がある。そこで、第６実施形態では、冷却高湿度窒素ガスの供給流量を連続的に所定値まで増加させることで、雰囲気ＳＰの露点低下速度と基板Ｗおよび液膜１１の温度低下速度とをほぼ一致させ、これによって液膜１１の蒸発乾燥を防止している（図１２（ｃ））。これは第１実施形態での冷却高湿度窒素ガスの流量制御と同様の趣旨である。

基板表面Ｗｆ全体に凍結膜１２が形成されて凍結工程が完了すると、熱交換器７２２からのガス供給管９６への冷却高湿度窒素ガスの供給流量を減少させつつ、熱交換器７２３からガス供給管９６への冷却乾燥窒素ガス（Cold dry N2ガス）の供給を開始する。このように第６実施形態では、冷却高湿度窒素ガスと冷却乾燥窒素ガスとを同時供給するタイミングが存在しているが、これも第１実施形態での流量制御と同様の趣旨である。

このように冷却乾燥窒素ガスの供給により雰囲気ＳＰの露点が低下してくると、凍結膜１２は時間経過とともに昇華して基板表面Ｗｆに対する昇華乾燥処理が進行していく。しかも、昇華により発生した水蒸気成分は冷却乾燥窒素ガスの気流に乗って基板表面Ｗｆから取り除かれるため、凍結膜１２から昇華して発生した水蒸気成分が液相や固相に戻り基板表面Ｗｆに再付着するのを確実に防止することができる。このように、本実施形態では、処理チャンバー１内を大気圧に維持したまま凍結膜１２が液相を経由することなく気相に昇華されるとともに冷却乾燥窒素ガスと一緒に基板表面Ｗｆから除去されて基板Ｗが乾燥される（図１２（ｄ））。

基板表面Ｗｆから凍結膜１２が完全に除去されて昇華乾燥工程が完了した時点では基板Ｗの温度はＤＩＷの凝固点以下となっており、低温状態のまま基板Ｗを搬出すると、基板全面に結露が発生してしまう。そこで、第１実施形態と同様に、昇華乾燥工程の完了後に結露防止工程を実行している（図１２（ｅ））。そして、最後に、基板Ｗおよび遮断部材９の回転を停止するとともに、遮断部材９がスピンチャック２の上方の離間位置に退避した後に、処理チャンバー１から処理済の基板Ｗが搬出される。

以上のように、第６実施形態では、薄膜形成工程を実行する際、雰囲気ＳＰに常温高湿度窒素ガス（常温 wet N2ガス）を供給して雰囲気ＳＰの露点を引き上げて基板Ｗおよび液膜１１の温度が雰囲気ＳＰの露点以下となるように調整しているので、基板表面Ｗｆ上の液膜１１が蒸発乾燥することなく当該液膜１１を所望の厚さに薄膜化することができる。また、第６実施形態では、遮断部材９の基板対向面を基板表面Ｗｆに近接させて雰囲気ＳＰを規定しており、周辺雰囲気が雰囲気ＳＰに流れ込むのを防止することができ、雰囲気ＳＰの露点を正確に調整することができる。

なお、第６実施形態では、遮断部材９を基板表面Ｗｆに対向して配置して雰囲気ＳＰを規定しており、本発明の「対向手段」に相当している。また、窒素ガス供給部７２により常温窒素ガスに水蒸気を含有させて常温高湿度窒素ガスを生成し、当該常温高湿度窒素ガスを雰囲気ＳＰに供給して雰囲気ＳＰの露点を上昇させており、常温高湿度窒素ガスが本発明の「第１気体」に相当している。また、窒素ガス供給部７２により冷却高湿度窒素ガス（Cold wet N2ガス）を生成し、当該冷却高湿度窒素ガスを雰囲気ＳＰに供給して凍結処理を行っており、冷却高湿度窒素ガスが本発明の「第２気体」に相当している。さらに、窒素ガス供給部７２が本発明の「調整手段」、「凍結手段」および「表面冷媒供給部」として機能している。

図１４は本発明にかかる基板処理装置の第７実施形態を示す図である。この第７実施形態が第６実施形態と大きく相違する点は、凍結用冷媒の種類である。すなわち、第７実施形態では、第２実施形態と同様に、凍結用冷媒としてＤＩＷの凝固点よりも低い温度を有し、しかもＤＩＷに対して不溶性の液状冷媒、例えばＨＦＥ（Hydrofluoroether：ハイドロフルオロエーテル）液を主成分とするＨＦＥ液を凍結用冷媒として用いている。

この第７実施形態では、図１４に示すように、ＨＦＥ液供給部７３が設けられている。このＨＦＥ液供給部７３は、ＨＦＥ液貯留部と熱交換器とを有している。そして、ＨＦＥ液供給部７３では、熱交換器がＨＦＥ液貯留部から供給されるＨＦＥ液をＤＩＷの凝固点よりも低い温度、本実施形態では−２０゜Ｃまで冷却し、その冷却ＨＦＥ液（図中の「Cold HFE液」）が生成されて遮断部材９を介して基板表面Ｗｆに向けて供給される。これにより液膜１１が凍結されて凍結膜１２が形成される。このように、第７実施形態では、ＨＦＥ液供給部７３が本発明の「凍結手段」および「表面冷媒供給部」として機能している。なお、その他の構成は基本的に第６実施形態と同一である。

このように構成された基板処理装置においても、第６実施形態と同様に、基板表面Ｗｆを上方に向けた状態で表面Ｗｆがフッ酸等の薬液処理が施された基板Ｗが装置内に搬入され、スピンチャック２に保持される。そして、基板搬入が完了すると、制御ユニット５がメモリ（図示省略）に記憶されているプログラムにしたがって装置各部を制御して、リンス工程、薄膜形成工程、凍結工程、昇華乾燥工程および結露防止工程をこの順序で実行する。すなわち、リンス工程でＤＩＷ吐出ノズル３から常温ＤＩＷを基板表面Ｗｆに供給してリンス処理を行った後、薄膜形成工程を実行して液膜１１を所望厚みに薄膜化する。

液膜１１の薄膜化が完了する直前より冷却ＨＦＥ液（Cold HFE液）を基板表面Ｗｆに供給して凍結工程を開始する。この第７実施形態では、冷却ＨＦＥ液の供給により液膜１１および基板Ｗは急速に冷却されて液膜１１の凍結が直ちに開始される。また、ＨＦＥ液はＤＩＷに対して不溶であるため、冷却ＨＦＥ液の供給により雰囲気ＳＰの露点への影響はなく、更に常温高湿度窒素ガスの供給も継続されているため、液膜１１の凍結が進行している途中、つまり液膜１１の薄膜化から凍結膜１２の形成に切り替わる際、基板Ｗ及び液膜１１の温度は雰囲気ＳＰの露点以下となっている。しかも、基板表面Ｗｆに供給された冷却ＨＦＥ液は基板Ｗの回転に伴う遠心力により基板表面Ｗｆ全体に行き渡り、液膜１１および凍結膜１２を全面的に覆って雰囲気ＳＰから遮断する。したがって、液膜１１の薄膜化から凍結膜１２の形成に切り替わる際に凍結前の液膜１１が蒸発乾燥するのを効果的に防止することができる。なお第７実施形態では、図１４に示すように、冷却ＨＦＥ液の供給期間中に常温高湿度窒素ガス（常温 wet N2ガス）を基板表面Ｗｆに向けて供給して雰囲気ＳＰの露点が低下するのを抑制しているが、同供給期間中において常温高湿度窒素ガスに代えて冷却高湿度窒素ガス（Cold wet N2ガス）を供給するように構成してもよい。また、このように冷却ＨＦＥ液の供給期間中に常温高湿度窒素ガスや冷却高湿度窒素ガスを基板表面Ｗｆに供給する点に関しては、後で説明する第１０実施形態（図１７）、第１２実施形態（図１９）および第１５実施形態（図２２）においても同様である。

基板表面Ｗｆ全体に凍結膜１２が形成されると、ＨＦＥ液供給部７３からの冷却ＨＦＥ液及び常温高湿度窒素ガスの供給流量をゼロまで減少させつつ、窒素ガス供給部７２からの冷却乾燥窒素ガス（Cold dry N2ガス）の供給を開始して昇華乾燥を行う。この昇華乾燥工程では、基板表面Ｗｆに供給されたＨＦＥ液が基板Ｗの回転に伴って振り切られた後で第６実施形態と同様に昇華乾燥される。

以上のように、第７実施形態においても、第６実施形態と同様に、常温高湿度窒素ガス（常温 wet N2ガス）の供給により雰囲気ＳＰの露点を引き上げて基板Ｗおよび液膜１１の温度が雰囲気ＳＰの露点以下となるように調整しているので、基板表面Ｗｆ上の液膜１１が蒸発乾燥することなく当該液膜１１を所望の厚さに薄膜化することができる。また、遮断部材９を利用することで周辺雰囲気が雰囲気ＳＰに流れ込むのを防止することができ、雰囲気ＳＰの露点を正確に調整することができる。さらに、凍結用冷媒として液状冷媒を用いているため、凍結処理に要する時間を短縮することができるとともに、凍結前の液膜１１が蒸発乾燥するのを効果的に防止することができる。

図１５は本発明にかかる基板処理装置の第８実施形態を示す図である。この第８実施形態が第６実施形態と大きく相違する点は、凍結用冷媒の供給位置である。すなわち、第８実施形態では、基板表面Ｗｆに凍結用冷媒を供給する代わりに、凍結用冷媒として冷却窒素ガス（図中の「Cold N2ガス」）を裏面冷媒供給部７４からノズル２７（図１０参照）を介して基板Ｗの裏面Ｗｂに供給している。すなわち、裏面冷媒供給部７４では、熱交換器（図示省略）により常温窒素ガスを冷却してＤＩＷの凝固点よりも低い温度まで冷やされた冷却窒素ガス（Cold N2ガス）を生成し、ガス供給管２５およびノズル２７（図１０参照）を介して基板裏面Ｗｂに供給する。これにより、基板裏面Ｗｂ全面に冷却窒素ガスを供給して基板Ｗを介して液膜１１を凍結させて凍結膜１２を形成する。このように第８実施形態では、裏面冷媒供給部７４が本発明の「凍結手段」として機能している。

このように構成された基板処理装置においても、第６実施形態と同様に、基板表面Ｗｆを上方に向けた状態で表面Ｗｆがフッ酸等の薬液処理が施された基板Ｗが装置内に搬入され、スピンチャック２に保持される。そして、基板搬入が完了すると、制御ユニット５がメモリ（図示省略）に記憶されているプログラムにしたがって装置各部を制御して、リンス工程、薄膜形成工程、凍結工程、昇華乾燥工程および結露防止工程をこの順序で実行する。すなわち、リンス工程でＤＩＷ吐出ノズル３から常温ＤＩＷを基板表面Ｗｆに供給してリンス処理を行った後、常温高湿度窒素ガス（常温 wet N2ガス）の供給により雰囲気ＳＰの露点を引き上げた状態で薄膜形成工程を実行して液膜１１を所望厚みに薄膜化する。

液膜１１の薄膜化が完了する直前より冷却窒素ガス（Cold N2ガス）を基板裏面Ｗｂに供給して凍結工程を開始する。この第８実施形態では、常温高湿度窒素ガスの供給が継続され、しかも基板表面Ｗｆへの凍結用冷媒（冷却高湿度窒素ガス）の供給を行っていないため、冷却窒素ガスの供給により基板Wおよび液膜１１の温度が急激に低下し、液膜１１の凍結が進行している途中、つまり液膜１１の薄膜化から凍結膜１２の形成に切り替わる際、基板Ｗおよび液膜１１の温度は雰囲気ＳＰの露点以下となっている。したがって、液膜１１の薄膜化から凍結膜１２の形成に切り替わる際に凍結前の液膜１１が蒸発乾燥するのを効果的に防止することができる。このように第８実施形態では、基板裏面Wｂに冷却窒素ガスを供給して凍結工程を行っている間、遮断部材９を介して常温高湿度窒素ガスを基板表面Ｗｆに供給しているが、この点については後で説明する第１３実施形態（図２０）においても同様である。

なお、基板表面Ｗｆ全体に凍結膜１２が形成されると、裏面冷媒供給部７４からの冷却窒素ガスの供給流量及び基板表面Ｗｆへの常温高湿度窒素ガスの供給流量をゼロまで減少させつつ、窒素ガス供給部７２からの冷却乾燥窒素ガス（Cold dry N2ガス）の供給を開始して昇華乾燥を行う。

以上のように、第８実施形態においても、第６実施形態と同様に、常温高湿度窒素ガス（常温 wet N2ガス）の供給により雰囲気ＳＰの露点を引き上げて基板Ｗおよび液膜１１の温度が雰囲気ＳＰの露点以下となるように調整しているので、基板表面Ｗｆ上の液膜１１が蒸発乾燥することなく当該液膜１１を所望の厚さに薄膜化することができる。また、遮断部材９を利用することで周辺雰囲気が雰囲気ＳＰに流れ込むのを防止することができ、雰囲気ＳＰの露点を正確に調整することができる。さらに、第８実施形態では、凍結用冷媒を基板裏面Ｗｂに供給しているため、上記したように凍結前の液膜１１が蒸発乾燥するのを効果的に防止することができる。なお、第８実施形態では、凍結用冷媒として冷却窒素ガスを用いているが、冷却ＨＦＥ液などの液体冷媒を用いてもよい。

上記第６ないし第８実施形態では、基板表面Ｗｆまたは基板裏面Ｗｂに凍結用冷媒を供給して凍結処理を実行しているが、凍結用冷媒の供給態様はこれらに限定されるものではなく、次のような供給態様を採用してもよい。例えば図１６に示すように基板表面Ｗｆに冷却高湿度窒素ガス（Cold wet N2ガス）を供給するとともに、基板裏面Ｗｂに冷却窒素ガス（Cold N2ガス）または冷却ＨＦＥ液（Cold HFE液）を供給してもよい（第９実施形態）。また、図１７に示すように基板表面Ｗｆに冷却ＨＦＥ液（Cold HFE液）を供給するとともに、基板裏面Ｗｂに冷却窒素ガス（Cold N2ガス）または冷却ＨＦＥ液（Cold HFE液）を供給してもよい（第１０実施形態）。

上記第６ないし第１０実施形態では、ＤＩＷ供給部７１Ａから常温ＤＩＷをリンス液として基板表面Ｗｆに供給しているが、第１ないし第５実施形態と同様に、ＤＩＷ供給部７１Ａに代えてＤＩＷ貯留部７１１および熱交換器７１２を有するＤＩＷ供給部７１を設け、低温ＤＩＷ（図中の「Cool DIW」）をリンス液として供給するように構成してもよい。例えば図１８（第１１実施形態）、図１９（第１２実施形態）、図２０（第１３実施形態）、図２１（第１４実施形態）および図２２（第１５実施形態）に示すように、約１゜Ｃまで冷却された低温ＤＩＷを用いてリンス処理を行うことによって、リンス工程が完了した時点での基板表面Ｗｆ上の液膜１１および基板Ｗの温度は雰囲気ＳＰの露点以下となっている。そして、上記リンス工程に続く薄膜形成工程では、低温ＤＩＷの供給が停止されるとともに常温高湿度窒素ガス（常温 wet N2ガス）が基板表面Ｗｆに供給されて基板Ｗおよび液膜１１の温度は数度程度高くなるものの、液膜１１および基板Ｗの温度は雰囲気ＳＰの露点以下のままであり、しかも常温高湿度窒素ガスの供給により雰囲気ＳＰは飽和状態となっているため、液膜１１の蒸発乾燥は生じず、液膜１１を所望厚みに薄膜化することができる。これらの第１１ないし第１５実施形態では、ＤＩＷ供給部７１および窒素ガス供給部７２が本発明の「調整手段」として機能している。

なお、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。例えば上記各実施形態では、リンス液としてＤＩＷを用いているが、他の液体を用いてもよい。また、リンス液の供給態様もノズル供給に限定されるものではなく、例えば遮断部材９から供給するように構成してもよい。また、各種ガスや液状冷媒（冷却ＨＦＥ液）の供給態様も上記実施形態に限定されるものではなく、例えば第６ないし第１５実施形態において、遮断部材９を用いることなく、第１ないし第５実施形態と同様に、ノズルから基板表面Ｗｆに常温高湿度窒素ガス、冷却高湿度窒素ガスなどを供給するように構成してもよい。

また、上記各実施形態では、常温高湿度窒素ガス、冷却高湿度窒素ガス、冷却乾燥窒素ガスなどを同一の窒素ガス貯留部から供給されて互いに温度や湿度を異ならせた窒素ガスを用いているが、各種ガスとしては窒素ガスに限定されず、空気や他の不活性ガスを用いることも可能である。

また、上記各実施形態の基板処理装置は、ＤＩＷ貯留部７１１および窒素ガス貯留部７２１をいずれも装置内部に内蔵しているが、リンス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リンス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リンス液やガスを利用するようにしてもよい。

また、上記第１、第６、第９、第１１、第１４実施形態では、冷却高湿度窒素ガス（Cold wet N2ガス）の供給流量をゼロから連続的に増大させて雰囲気ＳＰの露点が急激に低下するのを防止しているが、供給流量を段階的に増大させても同様の作用効果が得られる。

また、上記各実施形態の基板処理装置は、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。

さらに、上記実施形態では、基板処理装置に昇華乾燥手段を装備してリンス処理後の基板を乾燥させているが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、基板表面に付着する液膜を薄膜化した後で凍結させる基板処理装置に適用することができる。また、基板処理装置内で前処理工程の薬液処理手段を組み込み、薬液処理から凍結処理（あるいは乾燥処理）までの一連の処理を装置内で続けて行うように構成する装置にも適用することができる。

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凍結膜を形成す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）
９…遮断部材（対向手段）
１１…液膜
１２…凍結膜
２２…チャック回転機構（基板回転手段）
７１…ＤＩＷ供給部（調整手段）
７２…窒素ガス供給部（調整手段、凍結手段、表面冷媒供給部）
７３…ＨＦＥ液供給部（凍結手段、表面冷媒供給部）
７４…裏面冷媒供給部（凍結手段）
ＳＰ…雰囲気
Ｗ…基板
Ｗｂ…基板裏面
Ｗｆ…基板表面

Claims (11)

1. 表面に液膜が形成された基板を保持する基板保持手段と、
   前記基板保持手段に保持された前記基板を回転させて前記基板の表面上に形成された前記液膜を薄膜化する基板回転手段と、
   前記液膜が形成された前記基板の表面に接する雰囲気の露点と、前記液膜および前記基板の温度との少なくとも一方を調整する調整手段と、
   前記基板の表面上の液膜を凍結させて凍結膜を形成する凍結手段とを備え、
   前記調整手段は、前記雰囲気の露点以下の液体を前記基板の表面に供給することによって、前記液膜を形成するとともに前記液膜の薄膜化前に前記液膜および前記基板の温度を前記雰囲気の露点以下に低下させて、前記基板回転手段により前記液膜を薄膜化する間、前記液膜および前記基板の温度が前記雰囲気の露点以下となるように調整し、
   前記凍結手段は、前記液体の凝固点よりも低い温度を有し、しかも前記液体に対して不溶性の液状冷媒を前記基板の表面に供給する表面冷媒供給部を備えることを特徴とする基板処理装置。
2. 前記凍結手段は、前記液体の凝固点よりも低い温度を有し、しかも前記液体の蒸気を飽和状態に含有する気体冷媒を前記基板の表面に供給する表面冷媒供給部を備える請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記基板回転手段による前記液膜の薄膜化から前記凍結手段による凍結膜形成に切り替わる際、前記表面冷媒供給部は前記気体冷媒の供給流量をゼロから連続的または段階的に増大させる請求項２に記載の基板処理装置。
4. 前記凍結手段は、前記液体の凝固点よりも低い温度を有する冷媒を前記基板の裏面に供給する裏面冷媒供給部を備える請求項１ないし３のいずれか一項に記載の基板処理装置。
5. 表面に液膜が形成された基板を保持する基板保持手段と、
   前記基板保持手段に保持された前記基板を回転させて前記基板の表面上に形成された前記液膜を薄膜化する基板回転手段と、
   前記液膜が形成された前記基板の表面に接する雰囲気の露点と、前記液膜および前記基板の温度との少なくとも一方を調整する調整手段と、
   前記基板の表面上の液膜を凍結させて凍結膜を形成する凍結手段とを備え、
   前記調整手段は、前記雰囲気に前記液膜を構成する液体の蒸気を飽和状態に含有する第１気体を供給して前記雰囲気の露点を上昇させて、前記基板回転手段により前記液膜を薄膜化する間、前記液膜および前記基板の温度が前記雰囲気の露点以下となるように調整し、
   前記凍結手段は、前記液体の凝固点よりも低い温度を有し、しかも前記液体に対して不溶性の液状冷媒を前記基板の表面に供給する表面冷媒供給部を備えることを特徴とする基板処理装置。
6. 前記凍結手段は、前記液体の凝固点よりも低い温度を有し、しかも前記液体の蒸気を飽和状態に含有する第２気体を前記基板の表面に供給する表面冷媒供給部を備える請求項５に記載の基板処理装置。
7. 前記基板回転手段による前記液膜の薄膜化から前記凍結手段による凍結膜形成に切り替わる際、前記調整手段は前記第１気体の供給流量を連続的または段階的に減少させる一方、前記表面冷媒供給部は前記第２気体の供給流量をゼロから連続的または段階的に増大させる請求項６に記載の基板処理装置。
8. 前記凍結手段は、前記液体の凝固点よりも低い温度を有する冷媒を前記基板の裏面に供給する裏面冷媒供給部を備える請求項５ないし７のいずれか一項に記載の基板処理装置。
9. 前記基板保持手段に保持された前記基板の表面と対向して前記雰囲気を形成する対向手段をさらに備える請求項１ないし８のいずれか一項に記載の基板処理装置。
10. 表面に液膜が形成された基板を回転させて前記基板の表面上に形成された前記液膜を薄膜化する第１工程と、
    前記第１工程により薄膜化された前記液膜を凍結させる第２工程とを備え、
    前記基板の表面に接する雰囲気の露点以下の液体を前記基板の表面に供給することによって、前記液膜を形成するとともに前記液膜の薄膜化前に前記液膜および前記基板の温度を前記雰囲気の露点以下に低下させて、前記第１工程を実行する間、前記液膜および前記基板の温度が前記雰囲気の露点以下となるように調整し、
    前記第２工程は、前記液体の凝固点よりも低い温度を有し、しかも前記液体に対して不溶性の液状冷媒を前記基板の表面に供給することを特徴とする基板処理方法。
11. 表面に液膜が形成された基板を回転させて前記基板の表面上に形成された前記液膜を薄膜化する第１工程と、
    前記第１工程により薄膜化された前記液膜を凍結させる第２工程とを備え、
    前記基板の表面に接する雰囲気に前記液膜を構成する液体の蒸気を飽和状態に含有する第１気体を供給して前記雰囲気の露点を上昇させて、前記第１工程を実行する間、前記液膜および前記基板の温度が前記雰囲気の露点以下となるように調整し、
    前記第２工程は、前記液体の凝固点よりも低い温度を有し、しかも前記液体に対して不溶性の液状冷媒を前記基板の表面に供給することを特徴とする基板処理方法。

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