JP6612632B2 - 基板処理装置および基板処理方法 - Google Patents

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Description

この発明は、半導体基板、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」と記載する）の表面に付着する凝固対象液を凝固する凝固技術、ならびに当該凝固技術を用いて基板の表面を洗浄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等の製造工程では、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の表面を清浄な状態に保つ必要があり、必要に応じて基板の表面に対して洗浄処理が行われる。例えば特許文献１に記載された装置においては、基板の表面に脱イオン水（Ｄｅ Ｉｏｎｉｚｅｄ Ｗａｔｅｒ：以下「ＤＩＷ」と記載する）などの液体を供給し、それを凍結させた後、リンス液で解凍除去することで基板の表面の洗浄が実行される。
すなわち、特許文献１に記載の装置では、以下の工程が実行される。まず、表面を上方に向けた状態で基板を水平姿勢で配置し、当該基板の表面（上面）にＤＩＷを供給することで基板の表面全体にＤＩＷの液膜を形成する。続いて、ＤＩＷの供給を停止し、液体冷媒を基板裏面の中央部に向けて吐出させながら基板を回転させて、基板の裏面全体に液体冷媒を均一に行き渡らせる。これによって、基板全体がその裏面に接液する液体冷媒によって直接的に冷却され、基板の表面に形成された液膜が凍結される。このとき、パーティクル等の汚染物質と基板の表面との間に侵入したＤＩＷが氷となり、膨張することでパーティクル等の汚染物質が微小距離だけ基板から離れる。また、基板の表面と平行な方向にも膨張することで、基板に固着しているパーティクル等を剥離する。その結果、基板の表面とパーティクル等の汚染物質との間の付着力が低減され、さらにはパーティクル等の汚染物質が基板の表面から脱離することとなる。その後、基板の表面に存在する氷をリンス液としてのＤＩＷで解凍除去することで、基板の表面からパーティクル等の汚染物質を効率良く除去することができる。
特開２００８−２８００８号公報
しかしながら、上記従来技術では、基板の裏面に液体冷媒を供給する際に、表面への液体冷媒の回り込みを防止ができるような回転数にて基板を回転させている。このため、液体冷媒が基板の周縁部に行き渡らず、基板の表面において基板の周縁部に位置する液膜を短時間で凝固できず、このことが基板処理のスループット低下の主要因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、短時間で効率よく基板の表面に凝固体を形成する技術を提供することを目的とする。
この発明の一態様は、基板処理装置であって、凝固対象液が付着した表面を上方に向けた水平姿勢の基板を保持する基板保持部と、基板保持部に保持された基板を鉛直軸回りに回転させる回転部と、第１位置で凝固対象液の凝固点より低い温度を有する液体冷媒を基板の裏面に供給して凝固対象液を凝固させる第１凝固部と、基板の回転中心から第１位置よりも径方向に離れた第２位置で凝固対象液の凝固点より低い温度を有する処理面を凝固対象液に接液して冷却する固体冷媒を用いた冷却機構によって凝固対象液を凝固させる第２凝固部と、を備え、回転部による基板の回転と並行して第１凝固部と第２凝固部により凝固対象液を凝固させることを特徴としている。
また、この発明の他の態様は、基板処理方法であって、凝固対象液が付着した表面を上方に向けた水平姿勢の基板を鉛直軸回りに回転させる回転工程と、基板の裏面の第１位置に、凝固対象液の凝固点より低い温度を有する液体冷媒を供給して凝固対象液を凝固させる第１凝固工程と、基板の回転中心から第１位置よりも径方向に離れた第２位置で凝固対象液の凝固点より低い温度を有する処理面を凝固対象液に接液させることで、凝固対象液を凝固させる第２凝固工程と、を備え、回転工程中に、第１凝固工程および第２凝固工程を実行することを特徴としている。
以上のように、本発明によれば、基板の回転中心からの距離が互いに異なる２つの位置、つまり第１位置および第２位置で凝固対象液の凝固が当該基板の回転と並行して行われる。より詳しくは、基板の回転中心に近い第１位置の周囲では基板の裏面への液体冷媒の供給によって凝固対象液の凝固が進行し、基板の回転中心から遠い第２位置の周囲では気体冷媒の供給や低温の処理面の接液によって凝固対象液の凝固が進行する。このように互いに異なる２つの位置で凝固対象液の凝固が行われるため、短時間で効率よく基板の表面に凝固体を形成することができる。
本発明にかかる基板処理装置の一実施形態を示す図である。 図１におけるＡ−Ａ線矢視平面図である。 図１に示す基板処理装置の部分拡大斜視図である。 図１に示す基板処理装置の中央凝固部、周縁凝固部および制御構成を示すブロック図である。 図１に示す基板処理装置による洗浄処理動作を示すフローチャートである。 図１に示す基板処理装置による洗浄処理動作を模式的に示す図である。 本発明にかかる基板処理装置の第２実施形態の一部構成を示す図である。 図７に示す基板処理装置の中央凝固部、周縁凝固部および制御構成を示すブロック図である。 図７に示す基板処理装置による洗浄処理動作の一部を示す図である。
図１は本発明にかかる基板処理装置の一実施形態を示す図である。また、図２は図１におけるＡ−Ａ線矢視平面図である。また、図３は図１に示す基板処理装置の部分拡大斜視図である。さらに、図４は図１に示す基板処理装置の中央凝固部、周縁凝固部および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１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（図示省略）を備え、当該処理チャンバー内に基板保持部１０が設けられている。この基板保持部１０は、図１に示すように、基板Ｗの表面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ものである。この基板保持部１０は、基板Ｗよりも若干大きな外径を有する円盤状のスピンベース１１１と、略鉛直方向に延びる回転支軸１１２とが一体的に結合されたスピンチャック１１を有している。回転支軸１１２はモータを含むチャック回転機構１１３の回転軸に連結されており、スピンチャック１１が回転軸（鉛直軸）ＡＸ１回りに回転可能となっている。これら回転支軸１１２およびチャック回転機構１１３は、円筒状のケーシング１２内に収容されている。また、回転支軸１１２の上端部には、スピンベース１１１が一体的にネジなどの締結部品によって連結され、スピンベース１１１は回転支軸１１２により略水平姿勢に支持されている。したがって、チャック回転機構１１３が装置全体を制御する制御ユニット９０からの回転指令に応じて作動することで、スピンベース１１１が鉛直軸ＡＸ１回りに回転する。なお、制御ユニット９０はチャック回転機構１１３を制御して、スピンベース１１１の回転速度を調整することが可能となっている。
スピンベース１１１の周縁部付近には、基板Ｗの周端部を把持するための複数個のチャックピン１１４が立設されている。チャックピン１１４は、円形の基板Ｗを確実に保持するために３つ以上設けてあればよく（この例では６つ）、図２に示すように、スピンベース１１１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１１４のそれぞれは、基板Ｗの外周端面を押圧する押圧状態と、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。スピンベース１１１に対して基板Ｗが受け渡しされる際には、複数のチャックピン１１４のそれぞれを解放状態とする一方、基板Ｗを回転させて所定の処理を行う際には、複数のチャックピン１１４のそれぞれを押圧状態とする。このように押圧状態とすることによって、チャックピン１１４は基板Ｗの周端部を把持してその基板Ｗをスピンベース１１１から上方に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Ｗｆを上方に向け、裏面Ｗｂを下方に向けた状態で支持される。なお、チャックピン１１４としては、公知の構成、例えば特開２０１３−２０６９８３号公報に記載されたものを用いることができる。
スピンチャック１１の上方には、中心部に開口を有する円盤状の遮断部材２０が設けられている。遮断部材２０は、その下面（底面）がチャックピン１１４に保持された基板Ｗの表面Ｗｆと略平行に対向する基板対向面２１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２０は略円筒形状を有する支持軸２２の下端部に略水平に取り付けられ、支持軸２２は水平方向に延びるアーム２３により基板Ｗの回転中心軸ＡＸ１回りに回転可能に保持されている。また、アーム２３には、遮断部材回転機構２４と遮断部材昇降機構２５が接続されている。
遮断部材回転機構２４は、制御ユニット９０からの動作指令に応じて支持軸２２を基板Ｗの回転中心軸ＡＸ１回りに回転させる。また、遮断部材回転機構２４は、スピンチャック１１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２０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２５は、制御ユニット９０からの動作指令に応じて、遮断部材２０をスピンベース１１１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９０は遮断部材昇降機構２５を作動させることで、基板処理装置１に対して基板Ｗを搬入出させる際や液膜を凝固させる際には、スピンチャック１１の上方の離間位置（図１に示す位置）に遮断部材２０を上昇させる。その一方で、基板Ｗに対して所定の処理（液膜形成処理、融解・リンス処理、スピン乾燥処理）を施す際には、スピンチャック１１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２０を下降させる。
支持軸２２は中空に仕上げられ、その内部にガス供給管２６が挿通され、さらにガス供給管２６の内部に液供給管２７が挿通されている。ガス供給管２６および液供給管２７の一方端は遮断部材２０の開口まで延びて当該開口に連通されている。また、液供給管２７の一方端にノズル２８が設けられている。このようにガス供給管２６および液供給管２７で二重管構造が形成されており、ガス供給管２６の内壁面と液供給管２７の外壁面の隙間が上記開口につながるガス供給路として機能するとともに、液供給管２７の内部がノズル２８につながる液供給路として機能する。そして、上記ガス供給路に対してガス供給ユニット８０（図４）が接続され、当該ガス供給ユニット８０から供給される窒素ガスが乾燥ガスとして供給される。より詳しくは、図４に示すように、窒素ガス貯留部８１から圧送される窒素ガスが乾燥ガス用圧力調整部８２によりスピン乾燥処理に適した圧力に減圧され、制御ユニット９０からの供給指令に応じたタイミングで乾燥ガス用圧力調整部８２により上記乾燥ガスとして供給される。また、液供給管２７の他方端はＤＩＷ供給ユニット７０と接続されている。このため、遮断部材２０が対向位置に下降した状態（図６の（ａ）欄参照）で、制御ユニット９０からのＤＩＷ供給指令に応じてＤＩＷ供給ユニット７０がＤＩＷを圧送すると、液供給管２７およびノズル２８に介してＤＩＷが基板Ｗの表面Ｗｆに供給されて液膜ＬＦ（図３）を形成する。
こうして基板Ｗに供給されたＤＩＷを回収するために、スプラッシュガード３０がケーシング１２の周囲に設けられている。このスプラッシュガード３０はスピンチャック１１に水平姿勢で保持されている基板Ｗの周囲を包囲するように配置されている。また、スプラッシュガード３０はスピンチャック１１の回転軸ＡＸ１に沿って昇降自在に設けられている。このスプラッシュガード３０は回転軸ＡＸ１に対して略回転対称な形状を有しており、それぞれスピンチャック１１と同心円状に配置されて基板Ｗから飛散するＤＩＷを受け止める複数段の（この例では２段の）ガード３１と、ガード３１から流下するＤＩＷを受け止める液受け部３２とを備えている。そして、制御ユニット９０からの昇降指令に応じてガード昇降機構３３がガード３１を段階的に昇降させることで、回転する基板Ｗから飛散する液体成分（ＤＩＷや後述する液体冷媒）を分別して回収することが可能となっている。
スプラッシュガード３０の周囲には、気体冷媒を基板Ｗの表面Ｗｆの周縁部に向けて供給して当該表面Ｗｆに付着するＤＩＷで形成される液膜ＬＦを凝固させる周縁凝固部４０が設けられている。この周縁凝固部４０は、図２および図３に示すように、鉛直軸ＡＸ２回りに回動可能に構成された回動軸４１と、該回動軸４１によって略水平姿勢に保持されるボルテックスチューブ４２と、ボルテックスチューブ４２の冷気吹出部から吹き出される冷気を気体冷媒として基板Ｗの表面Ｗｆに向けて吐出する冷気吐出ノズル４３と、制御ユニット９０からの回動指令に応じて回動軸４１を回動させるノズル回動機構４４（図４）とを備えている。この実施形態では、制御ユニット９０からの回動指令に応じてノズル回動機構４４が回動軸４１を回動駆動することで、ボルテックスチューブ４２が鉛直軸ＡＸ２回りに揺動し、これにより冷気吐出ノズル４３は、図２において一点鎖線で示すように、スプラッシュガード３０よりも外側の退避位置（図２に実線で示す位置）と基板Ｗの周縁部に対向する位置（本発明の「第２位置」に相当）Ｐ２（図３）との間を往復移動する。
ボルテックスチューブ４２は、従来より周知のように、ボルテックス効果を利用して、冷気と暖気とを発生させるための装置である。ボルテックスチューブ４２は、図３に示すように、略チューブ状のハウジング４２１を備えており、両端部に、冷気吹出部４２２と暖気吹出部４２３とが設けられている。また、ハウジング４２１の側面には、圧縮ガス供給部４２４が形成されている。この圧縮ガス供給部４２４に対してガス供給ユニット８０（図４）が接続され、当該ガス供給ユニット８０から供給される窒素ガスが供給される。より詳しくは、図４に示すように、窒素ガス貯留部８１から圧送される窒素ガスが冷気生成用圧力調整部８３により冷気生成に適した圧力に減圧され、制御ユニット９０からの供給指令に応じたタイミングで冷気生成用圧力調整部８３により圧縮ガスとしてハウジング４２１内に供給される。すると、供給された圧縮ガスはハウジング４２１の内壁面に沿って旋回流となって、暖気吹出部４２３に向かって流れる。
暖気吹出部４２３にはバルブ（図示省略）が設けられており、バルブの開閉量に応じて暖気が暖気吹出部４２３の開口（図示省略）から吹き出されるが、残りのガスはハウジング４２１内に戻される。この戻されたガスはハウジング４２１の内壁面に沿って渦状に流れるガスの内側、つまりハウジング４２１の径方向における中心部を介して冷気吹出部４２２に流れる。当該ガスは冷気吹出部４２２に至るまでにハウジング４２１の内壁面に沿って旋回流となって流れるガスへの熱エネルギーの移動によって冷やされ、冷気吹出部４２２を介して冷気吐出ノズル４３に送られる。その結果、ＤＩＷの凝固点より低い温度（例えば、−２０〜−３０℃程度）に低下した冷気が冷気吐出ノズル４３から気体冷媒として基板Ｗの表面Ｗｆの周縁部に供給され、位置Ｐ２で液膜ＬＦは冷やされて凝固する。
また、本実施形態では、液膜ＬＦを凝固させる手段として、上記周縁凝固部４０以外に、中央凝固部５０が設けられている。中央凝固部５０は液体冷媒を基板Ｗの裏面Ｗｂの中央部に供給して液膜ＬＦを凝固させる。より詳しくは、中央凝固部５０は、図１および図４に示すように、液体冷媒供給管５１と、液体冷媒を生成する液体冷媒生成ユニット５２と、液体冷媒生成ユニット５２で生成された液体冷媒を液体冷媒供給管５１に圧送して基板Ｗの裏面Ｗｂに液体冷媒を供給する液体冷媒供給部５３とを備えている。この液体冷媒供給管５１は、先端のノズル部位５１１を基板Ｗの裏面Ｗｂに向けた状態で回転支軸１１２の内部に配置されている。そして、液体冷媒供給管５１の後端部に対して液体冷媒生成ユニット５２が液体冷媒供給部５３を介して接続されている。
液体冷媒生成ユニット５２は、液体冷媒に適した液体を内部で貯留する恒温槽本体５２１と、恒温槽本体５２１に設けられて恒温槽本体５２１に貯留された液体を冷却する冷却機構５２２と、制御ユニット９０からの温度指令に応じて冷却機構５２２への通電を制御することで恒温槽本体５２１の内部に貯留されている液体をＤＩＷの凝固点より低い温度（例えば、−５０℃）に保つ恒温制御部５２３とを備えている。
そして、液体冷媒供給部５３が制御ユニット９０からの液体冷媒の供給指令に応じて液体冷媒生成ユニット５２の恒温槽本体５２１から液体冷媒供給管５１に圧送すると、液体冷媒が基板Ｗの裏面Ｗｂの中央部である位置Ｐ１に供給され、基板Ｗの表面Ｗｆの液膜ＬＦは基板Ｗを介して液体冷媒により冷やされて凝固する。なお、「液体冷媒」としては、エチレングリコール水溶液、アルコール類またはＨＦＥ液を用いることができる。アルコール類としては、取扱性、価格等の観点からエチルアルコール、メチルアルコールまたはイソプロピルアルコールを用いることができるが、特にエチルアルコールが好適である。また、「ＨＦＥ液」とはハイドロフルオロエーテル（Ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｏｅｔｈｅｒ）を主たる成分とする液をいい、例えば住友スリーエム株式会社製の商品名ノベック（登録商標）シリーズのＨＦＥを用いることができる。
このように本実施形態では、２種類の凝固部、つまり周縁凝固部４０と中央凝固部５０とを備えており、以下に説明するように、基板Ｗを回転させながら周縁凝固部４０および中央凝固部５０により液膜ＬＦを凝固させる。以下、図５および図６を参照しつつ図１に示す基板処理装置１による基板処理について詳述する。
図５は図１に示す基板処理装置による洗浄処理動作を示すフローチャートであり、図６は洗浄処理動作を模式的に示す図である。本実施形態にかかる基板処理装置１では、未処理の基板Ｗが装置内に搬入されると、制御ユニット９０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。ここで、基板Ｗがその表面Ｗｆに微細パターンを形成されたものである場合、該基板Ｗの表面Ｗｆを上方に向けた状態で基板Ｗが処理チャンバー内に搬入され、スピンチャック１１に保持される（ステップＳ１０１）。なお、このとき遮断部材２０は離間位置にあり、基板Ｗとの干渉を防止している。
スピンチャック１１に未処理の基板Ｗが保持されると、遮断部材２０が対向位置まで降下され、基板Ｗの表面Ｗｆに近接配置される（ステップＳ１０２）。これにより、基板Ｗの表面Ｗｆが遮断部材２０の基板対向面２１に近接した状態で覆われ、基板Ｗの周辺雰囲気から遮断される。そして、制御ユニット９０はチャック回転機構１１３を駆動させてスピンチャック１１を回転させるとともに、ＤＩＷ供給ユニット７０からＤＩＷを供給する。
このとき、図６中の（ａ）欄に示すように、基板Ｗの表面Ｗｆ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、ＤＩＷは基板Ｗの径方向外向きに均一に広げられてその一部が基板外に振り切られる。これによって、基板Ｗの表面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Ｗの表面Ｗｆの全体に所定の厚みを有するＤＩＷの液膜ＬＦが形成される（ステップＳ１０３）。このときの基板Ｗの回転数はＤＩＷの一部が適切に振り切られるように決めればよく、例えば１５０ｒｐｍとすることができる。なお、液膜形成に際して、上記のように基板Ｗの表面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から液を振り切ることなく基板Ｗの表面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９０はＤＩＷ供給ユニット７０からのＤＩＷの供給を停止するとともに、遮断部材２０を離間位置に退避させる（ステップＳ１０４）。その後、冷気吐出ノズル４３を退避位置（図２の実線位置）から位置Ｐ２に移動させる（ステップＳ１０５）。これによって、周縁凝固部４０による液膜ＬＦの凝固準備を完了する。
次のステップＳ１０６では、図６中の（ｂ）欄に示すに示すように、制御ユニット９０は液体冷媒供給部５３により恒温槽本体５２１から液体冷媒を基板Ｗの裏面Ｗｂの中央部である位置Ｐ１に供給する（ステップＳ１０６）。こうして供給されて基板Ｗの裏面Ｗｂに接液する液体冷媒には遠心力が作用し、当該液体冷媒が流動して基板Ｗの径方向に広がる。これによって、基板Ｗの中央部がその裏面Ｗｂに接液する液体冷媒によって直接的に冷却され、基板Ｗの表面Ｗｆに形成された液膜ＬＦの中央部が比較的短時間で凝固して凝固部位ＦＲ１が形成される。なお、本実施形態では、特許文献１に記載の発明と同様に、このときの基板Ｗの回転数は、基板Ｗの表面Ｗｆの周縁部に液体冷媒が回り込まない程度の回転数に設定されている。より具体的には、制御ユニット９０はチャック回転機構１１３の駆動を制御することで、上記液体冷媒が径方向に広がり位置Ｐ２に達する前に基板Ｗの裏面Ｗｂから下方に離脱するように基板Ｗの回転数を調整している。これによって、液体冷媒が基板Ｗの表面Ｗｆ側に回り込むのを防止し、液体冷媒による基板Ｗの表面Ｗｆの汚染を確実に防止している。
また、液体冷媒による液膜ＬＦの凝固開始から若干遅れて制御ユニット９０は冷気生成用圧力調整部８３により圧縮ガスをボルテックスチューブ４２に供給し、図６中の（ｃ）欄に示すように、冷気吐出ノズル４３から冷気（同図中の点線）を基板Ｗの表面Ｗｆの周縁部に向けて供給する（ステップＳ１０７）。これによって、液膜ＬＦの周縁部に対して気体冷媒が直接供給されて液膜ＬＦの周縁部が比較的短時間で凝固して凝固部位ＦＲ２が形成される。このように本実施形態では、基板Ｗを回転させながら液膜ＬＦの中央部と周縁部とを並行して凝固させることで液膜ＬＦ全体を凝固させて凍結膜ＦＬ（＝ＦＲ１＋ＦＲ２）を形成している。
そして、凍結膜ＦＬが形成される（ステップＳ１０８で「ＹＥＳ」）と、制御ユニット９０は液体冷媒供給部５３および冷気生成用圧力調整部８３を制御して液体冷媒および冷気の供給を停止した後で、ノズル回動機構４４によって冷気吐出ノズル４３を位置Ｐ２から退避位置（図２の実線位置）に戻す（ステップＳ１０９）。それに続いて、制御ユニット９０は遮断部材昇降機構２５によって遮断部材２０を基板Ｗの表面Ｗｆに近接配置させる（ステップＳ１１０）。
次に、制御ユニット９０はＤＩＷ供給ユニット７０からのＤＩＷの供給を開始する。これによって、図６中の（ｄ）欄に示すように、ＤＩＷがノズル２８から吐出され、凍結膜ＦＬの融解処理およびリンス処理が行われる（ステップＳ１１１）。ここで、基板Ｗの裏面ＷｂにもＤＩＷを供給して裏面リンスを同時に行ってもよい。そして、両処理が完了すると、制御ユニット９０はＤＩＷ供給ユニット７０からのＤＩＷの供給を停止し、乾燥ガスを供給しながら基板Ｗをスピン乾燥させる（ステップＳ１１２）。ここで、基板Ｗの裏面Ｗｂへの乾燥ガスの供給を同時に行ってもよい。こうしてスピン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１枚の基板に対する処理が完了する（ステップＳ１１３）。
以上のように、この実施形態によれば、基板Ｗを回転させる回転工程を実行しながら、基板Ｗの回転中心（回転軸ＡＸ１）と同じ位置Ｐ１で基板Ｗの裏面Ｗｂに液体冷媒を供給することで液膜ＬＦの中央部を凝固させる第１凝固工程（ステップＳ１０６）と、位置Ｐ１よりも基板Ｗの径方向に離れた位置Ｐ２で冷気を基板Ｗの表面Ｗｆに向けて供給して液膜ＬＦの周縁部を凝固させる第２凝固工程（ステップＳ１０７）とを並行して行っている。このため、短時間で効率よく液膜ＬＦを凝固して凍結膜（凝固体）ＦＬを形成することができる。
また、上記実施形態では、液体冷媒を供給しているときの基板Ｗを適切な回転数、つまり回転している基板Ｗの裏面Ｗｂに供給された液体冷媒が径方向に広がるものの位置Ｐ２に達する前に基板Ｗの裏面Ｗｂから下方に離脱する程度の回転数で回転させている。このため、液体冷媒が基板Ｗの表面Ｗｆに接液することはなく、基板Ｗの裏面Ｗｂに付着していたパーティクルが液体冷媒によって表面Ｗｆに回り込んで汚染するのを確実に防止することができる。また、このような回転数で基板Ｗを回転させながら基板Ｗの裏面Ｗｂへの液体冷媒の供給のみによって液膜ＬＦの周縁部まで凝固させるには時間が掛かってしまう。しかしながら、本実施形態では、冷気を用いた周縁部の凝固を併用することで基板Ｗの表面Ｗｆを汚染することなく、上記したように短時間で液膜ＬＦ全体を凝固させて凍結膜（凝固体）ＦＬを形成することができる。
また、上記実施形態では、液膜ＬＦを凝固させるための冷媒として、通電制御によって作動する冷却機構５２２を本発明の「第３冷却機構」として用いて生成される液体冷媒と、ボルテックス効果を利用して生成される冷気とを用いている。したがって、例えば特許文献１に記載されているように液体窒素を用いて液体冷媒を生成している従来技術に比べ、コスト面や装置サイズの面で有利である。すなわち、従来技術では液体窒素を取り扱うために特殊な配管構造や結露対策が必要となり、コストの増大や装置の大型化などの問題が発生していたのに対し、上記実施形態では液体窒素を用いる必要がなく、上記問題を有しない。
図７は本発明にかかる基板処理装置の第２実施形態の一部構成を示す図である。また、図８は図７に示す基板処理装置の中央凝固部、周縁凝固部および制御構成を示すブロック図である。さらに図９は、図７に示す基板処理装置による洗浄処理動作の一部を示す図である。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、周縁凝固部４０の構成であり、その他の構成は基本的に第１実施形態と同一である。したがって、以下においては相違点を中心に説明し、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。
第２実施形態で採用している周縁凝固部４０は、図７に示すように、鉛直軸ＡＸ２回りに回動可能に構成された回動軸４１と、該回動軸４１から水平方向に延設されたアーム４５と、アーム４５の先端に下向きに取り付けられた当接部材４６と、当接部材４６に取り付けられたペルチェ素子４７（図８）と、アーム４５を回動させる回動昇降機構４８（図８）とを備えている。この実施形態では、制御ユニット９０からの回動指令に応じて回動昇降機構４８が回動軸４１を回動駆動することで、アーム４５が鉛直軸ＡＸ２回りに揺動し、これにより当接部材４６はスプラッシュガード３０よりも外側の退避位置と基板Ｗの周縁部に対向する位置（本発明の「第２位置」に相当）Ｐ２（図７）との間を往復移動する。また、制御ユニット９０からの昇降指令に応じて回動昇降機構４８が回動軸４１を鉛直方向に昇降駆動することで、当接部材４６の下面（処理面）４６１が基板Ｗの表面Ｗｆの周縁部に位置する液膜ＬＦに接液する接液位置（図７の点線で示す位置）と液膜ＬＦから上方に離間した離間位置（図７の実線で示す位置）との間を昇降移動する。
ペルチェ素子４７は制御ユニット９０からの冷却指令に応じて当接部材４６の下面（本発明の「処理面」の一例に相当）４６１をＤＩＷの凝固点より低い温度に冷却する。したがって、ペルチェ素子４７により冷却された当接部材４６の下面４６１を回動昇降機構４８によって液膜ＬＦに接液させると、液膜ＬＦのうち当接部材４６と接液した部位およびその周辺部位が凝固されて凝固部位が形成される。また、当接部材４６の下面４６１を液膜ＬＦに接液させたまま基板Ｗが回転することによって、上記凝固部位が回転方向に広がっていく。ただし、凝固部位は基板Ｗの表面Ｗｆに付着するだけでなく、当接部材４６の下面４６１にも付着してしまう。したがって、基板Ｗの表面Ｗｆ全体に凍結膜ＦＬを形成するためには、上記凝固動作に続けて当接部材４６を凝固部位から剥離する必要がある。そのためには、当接部材４６の下面４６１と凝固部位との付着力が、基板Ｗの表面Ｗｆと凝固部位との付着力よりも小さくなるように構成するのが望ましい。
このように構成された第２実施形態では、冷気の代わりに当接部材４６（固体冷媒）を用いて液膜ＬＦの周縁部を凝固させている。すなわち、図９に示すように、制御ユニット９０は、基板Ｗを回転させながら液体冷媒の供給および当接部材４６の接液により凍結膜ＦＬ（＝ＦＲ１＋ＦＲ２）を形成する。すなわち、液体冷媒供給部５３により恒温槽本体５２１から液体冷媒を基板Ｗの裏面Ｗｂの中央部に供給して液膜ＬＦの中央部を凝固して凝固部位ＦＲ１を形成し、またペルチェ素子４７によってＤＩＷの凝固点より低い温度に冷却された当接部材４６の下面４６１を位置Ｐ２で液膜ＬＦに接液することで凝固して凝固部位ＦＲ２を形成している。
以上のように、上記相違点を除き、第２実施形態は第１実施形態と同様にして液膜ＬＦ全体を凝固させて凍結膜（凝固体）ＦＬを形成している。したがって、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。また、ＤＩＷの凝固点よりも低い温度を有する当接部材４６の下面４６１を液膜ＬＦに接液して直接冷却しているため、気体冷媒を用いる第１実施形態よりも効率的に基板Ｗの表面Ｗｆの周縁部に位置する液膜ＬＦを凝固させることができる。
上記した第１実施形態および第２実施形態では、ＤＩＷが本発明の「凝固対象液」の一例に相当している。また、チャック回転機構１１３が本発明の「回転部」の一例に相当している。また、位置Ｐ２は基板Ｗの回転中心（回転軸ＡＸ１）から位置Ｐ１よりも径方向に離れており、位置Ｐ１、Ｐ２はそれぞれ本発明の「第１位置」および「第２位置」に相当している。また、中央凝固部５０および周縁凝固部４０がそれぞれ本発明の「第１凝固部」および「第２凝固部」の一例に相当している。また、第１実施形態では、冷気を生成するボルテックスチューブ４２と冷気吐出ノズル４３とで位置Ｐ２で液膜ＬＦを凝固しており、ボルテックスチューブ４２と冷気吐出ノズル４３とで本発明の「第１冷却機構」の一例が構成されている。一方、第２実施形態では、当接部材４６とペルチェ素子４７とで本発明の「第２冷却機構」の一例が構成されている。
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、上記実施形態では、
工程（Ａ１）液体冷媒による液膜ＬＦの中央部の凝固開始、
工程（Ａ２）凝固部位ＦＲ１の形成、
工程（Ｂ１）冷気や当接部材４６の接液による液膜ＬＦの周縁部の凝固開始、
工程（Ｂ２）凝固部位ＦＲ２の形成
をこの順序で行っているが、これらの順序を一部重複させたり、前後させてもよい。例えば、工程（Ａ２）の途中、つまり凝固部位ＦＲ１が部分的に形成された段階で工程（Ｂ１）を実行してもよい。また、工程（Ａ１）と工程（Ｂ１）とを同時に実行してもよい。また、工程（Ｂ１）→工程（Ｂ２）→工程（Ａ１）→工程（Ａ２）の順序で行ってもよい。また、上記実施形態では、液体冷媒の供給および冷気の供給を同時終了しているが、これらの終了タイミングについても任意である。
また、上記第１実施形態では、基板Ｗの表面Ｗｆの鉛直上方よりに冷気を供給しているが、位置Ｐ２に位置する液膜ＬＦに対して冷気を供給するように構成する限り、冷気の供給方向はこれに限定されるものではない。例えば位置Ｐ２で基板Ｗの裏面Ｗｂに冷気を供給して液膜ＬＦの周縁部を凝固させるように構成してもよい。また、斜め上方や斜め下方から冷気を供給するように構成してもよい。また、上記実施形態では、位置Ｐ１を回転軸ＡＸ１と一致させているが、回転軸ＡＸ１から基板Ｗの径方向にずれた位置を位置Ｐ１としてもよい。
また、基板Ｗの表面Ｗｆの周縁部に位置する液膜ＬＦを凝固させるために、上記第１実施形態では冷気供給を、また第２実施形態では当接部材４６の下面４６１の接液を行っているが、これらを一緒に実行するように構成してもよい。例えば第２実施形態に対し、位置Ｐ２で基板Ｗの裏面Ｗｂに冷気を供給する第１冷却機構をさらに追加して基板Ｗの表面Ｗｆの周縁部に位置する液膜ＬＦを凝固させてもよい。
また、上記実施形態では、遮断部材２０を備えた基板処理装置１に対して本発明を適用しているが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、遮断部材を用いない基板処理装置にも適用することができる。
また、上記実施形態では、基板Ｗに凝固対象液としてＤＩＷを供給しているが、凝固対象液としてはＤＩＷに限定されるものではなく、純水、超純水や水素水、炭酸水等、更にはＳＣ１等の液体であっても使用することができる。
また、上記各実施形態では、凍結膜（凝固体）ＦＬを解凍（融解）して除去するために基板ＷにＤＩＷを供給しているが、解凍液あるいは融解液としてはＤＩＷに限定されるものではなく、純水、超純水や水素水、炭酸水等、更にはＳＣ１等の液体であっても使用することができる。
また、上記各実施形態では、凝固対象液と解凍液（融解液）を同じＤＩＷとしているが、それぞれ別の液とすることも可能である。
本発明は、基板の表面に付着する凝固対象液を凝固する凝固技術、ならびに当該凝固技術を用いて基板の表面を洗浄する基板処理技術全般に適用することができる。
１…基板処理装置
１０…基板保持部
４０…周縁凝固部（第２凝固部）
４２…ボルテックスチューブ
４６…当接部材
４７…ペルチェ素子
５０…中央凝固部（第１凝固部）
５１…液体冷媒供給管
５２…液体冷媒生成ユニット
１１１…スピンベース
１１３…チャック回転機構（回転部）
１１４…チャックピン
５２１…恒温槽本体
５２２…冷却機構
ＡＸ１…回転軸
ＦＬ…凍結膜（凝固体）
ＬＦ…液膜
Ｐ１…（第１）位置
Ｐ２…（第２）位置
Ｗ…基板
Ｗｂ…（基板の）裏面
Ｗｆ…（基板の）表面

Claims (6)

  1. 凝固対象液が付着した表面を上方に向けた水平姿勢の基板を保持する基板保持部と、
    前記基板保持部に保持された前記基板を鉛直軸回りに回転させる回転部と、
    第１位置で前記凝固対象液の凝固点より低い温度を有する液体冷媒を前記基板の裏面に供給して前記凝固対象液を凝固させる第１凝固部と、
    前記基板の回転中心から前記第１位置よりも径方向に離れた第２位置で前記凝固対象液の凝固点より低い温度を有する処理面を前記凝固対象液に接液して冷却する固体冷媒を用いた冷却機構によって前記凝固対象液を凝固させる第２凝固部と、を備え、
    前記回転部による前記基板の回転と並行して前記第１凝固部と前記第２凝固部により前記凝固対象液を凝固させることを特徴とする基板処理装置。
  2. 請求項１に記載の基板処理装置であって、
    前記第２凝固部は、前記固体冷媒を用いた冷却機構とともに、前記第２位置で前記凝固対象液の凝固点より低い温度を有する気体冷媒を前記基板に向けて供給して冷却する気体冷媒を用いた冷却機構によって前記凝固対象液を凝固させ、
    前記気体冷媒を用いた冷却機構は、圧縮ガスによって発生する旋回流を冷気と暖気に分離して前記冷気を前記気体冷媒として前記基板に向けて供給するボルテックスチューブを有する基板処理装置。
  3. 請求項１または２に記載の基板処理装置であって、
    前記固体冷媒を用いた冷却機構は、前記処理面を有する当接部材と、前記処理面を前記凝固対象液の凝固点より低い温度に冷却するペルチェ素子とを有する基板処理装置。
  4. 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であって、
    前記回転部は、前記第１凝固部から前記基板の裏面に供給された前記液体冷媒が径方向に広がり前記第２位置に達する前に前記基板の裏面から離脱するように前記基板を回転させる基板処理装置。
  5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の基板処理装置であって、
    前記第１凝固部は、恒温槽本体に設けられる第３冷却機構への通電を制御することで前記恒温槽本体の内部に貯留する液体を前記凝固対象液の凝固点より低い温度に保つ恒温槽と、前記恒温槽本体に貯留された前記液体を前記液体冷媒として前記基板の裏面に供給する液体冷媒供給管とを有する基板処理装置。
  6. 凝固対象液が付着した表面を上方に向けた水平姿勢の基板を鉛直軸回りに回転させる回転工程と、
    前記基板の裏面の第１位置に、前記凝固対象液の凝固点より低い温度を有する液体冷媒を供給して前記凝固対象液を凝固させる第１凝固工程と、
    前記基板の回転中心から前記第１位置よりも径方向に離れた第２位置で前記凝固対象液の凝固点より低い温度を有する処理面を備える当接部材を前記凝固対象液に接液させることで、前記凝固対象液を凝固させる第２凝固工程と、を備え、
    前記回転工程中に、前記第１凝固工程および前記第２凝固工程を実行することを特徴とする基板処理方法。
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