WO2019044129A1 - 基板処理装置および基板処理方法 - Google Patents

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WO2019044129A1
WO2019044129A1 PCT/JP2018/023470 JP2018023470W WO2019044129A1 WO 2019044129 A1 WO2019044129 A1 WO 2019044129A1 JP 2018023470 W JP2018023470 W JP 2018023470W WO 2019044129 A1 WO2019044129 A1 WO 2019044129A1
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substrate
cooling gas
cooling
discharge port
substrate processing
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PCT/JP2018/023470
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English (en)
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上田　大
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株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B3/00—Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
    • B08B3/04—Cleaning involving contact with liquid
    • B08B3/10—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B5/00—Cleaning by methods involving the use of air flow or gas flow
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/304—Mechanical treatment, e.g. grinding, polishing, cutting

Definitions

  • the present invention relates to a substrate processing apparatus and a substrate processing method in which a cooling gas having a temperature lower than a freezing point of a liquid forming the liquid film is discharged onto the liquid film formed on the surface of a substrate to freeze the liquid film.
  • a liquid film is formed on the surface of a substrate such as a semiconductor wafer, and the liquid film is cooled and frozen to remove contaminants such as particles on the surface of the substrate, which is called freeze cleaning (or solidification cleaning).
  • freeze cleaning or solidification cleaning
  • a liquid film of pure water DIW: deionized water
  • DIW deionized water
  • a nozzle that discharges a low-temperature cooling gas is scanned and moved with respect to the liquid film to It is disclosed that the film is frozen, and the frozen liquid film is thawed with a rinse solution and washed away to remove contaminants such as particles adhering to the substrate together with the frozen film.
  • a processing solution chemical solution and pure water
  • a processing solution chemical solution and pure water
  • the nozzle discharges.
  • Moisture in the chamber condenses near the outlet and frost adheres.
  • the frost adhering to the vicinity of the discharge port of the nozzle may fall on the substrate and contaminate the substrate.
  • Patent Document 1 proposes a technique for recovering a small amount of cooling gas discharged during standby and reducing the cooling gas flowing out from the discharge port.
  • Patent Document 2 proposes a technique in which a rectifying member is disposed in the vicinity of the discharge port of the nozzle so as to prevent the high humidity atmosphere in the chamber from intruding into the nozzle.
  • the cooling gas flows from the discharge port of the nozzle even slightly, and the atmosphere in the chamber also infiltrates, so that the frost adheres to the vicinity of the discharge port completely.
  • frost adheres to the vicinity of the discharge port completely.
  • frost is extremely difficult to remove once it adheres to the nozzle.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a substrate processing apparatus and a substrate processing method capable of preventing adhesion of frost to the discharge port of a cooling nozzle.
  • a cooling gas having a temperature lower than the freezing point of the liquid constituting the liquid film is discharged onto the liquid film formed on the surface of the substrate to freeze the liquid film
  • the substrate processing apparatus includes a chamber for containing the substrate, a holding unit for holding the substrate in the chamber, and a cooling nozzle for discharging the cooling gas, wherein the cooling nozzle is connected to the holding unit. The operation state when discharging the cooling gas toward the held substrate and the standby state when waiting at the retracted position are switched, and the cooling nozzle is operated in the operating state.
  • the substrate processing apparatus further includes a temperature control unit that heats the discharge port at a temperature higher than at least the cooling gas in the standby state.
  • the third aspect is the substrate processing apparatus according to the second aspect, wherein the temperature control unit heats the discharge port to a temperature higher than a condensation point of the vapor present in the chamber in the standby state. Adjust.
  • the substrate processing apparatus further includes a recovery unit that recovers the cooling gas discharged from the leak opening in the standby state.
  • the fifth aspect is the substrate processing apparatus according to any one of the first to fourth aspects, wherein the flow rate of the cooling gas discharged from the discharge port in the operating state is the leak in the standby state. It is higher than the flow rate of the cooling gas discharged from the opening.
  • the sixth aspect is the substrate processing apparatus according to any one of the first to fifth aspects, wherein the flow path switching unit opens the discharge port in the operating state and the discharge in the standby state.
  • the flow path switching unit discharges the flow path through which the cooling gas is fed, in the operation state.
  • a solenoid valve is provided which is in communication with the outlet and in the standby state is in communication with the leak opening.
  • the eighth aspect is a substrate processing method in which a cooling gas having a temperature lower than a freezing point of a liquid constituting the liquid film is discharged onto the liquid film formed on the surface of the substrate to freeze the liquid film.
  • the cooling nozzle is switched between an operation state when discharging the cooling gas toward the substrate in the freezing step and a standby state when waiting at the retracted position.
  • the cooling gas supplied to the cooling nozzle is discharged from the discharge port provided in the cooling nozzle in the operating state, and discharged from the leak opening provided in the cooling nozzle in the standby state.
  • the discharge port in the standby state, is temperature-controlled to a temperature higher than at least the cooling gas.
  • the discharge port in the standby state, is temperature-controlled to a temperature higher than a condensation point of the vapor present in the chamber.
  • the cooling gas discharged from the leak opening is recovered in the standby state.
  • a twelfth aspect is the substrate processing method according to any one of the eighth to eleventh aspects, wherein the flow rate of the cooling gas discharged from the discharge port in the operating state is the leak in the standby state. It is higher than the flow rate of the cooling gas discharged from the opening.
  • the cooling gas supplied to the cooling nozzle is discharged from the discharge port in the operating state and released from the leak opening in the standby state. At times, the cooling gas is discharged from the leak opening different from the discharge port, and the adhesion of frost to the discharge port of the cooling nozzle can be prevented.
  • the substrate processing apparatus since the temperature of the discharge port is controlled at least higher than that of the cooling gas in the standby state, frost adheres to the discharge port of the cooling nozzle more reliably. It can be prevented.
  • the substrate processing apparatus since the cooling gas released from the leak opening is recovered in the standby state, diffusion of the released cooling gas into the chamber is suppressed, and the inside of the chamber is reduced. It is possible to prevent the condensation of mist and the generation of fine ice particles due to the cooling.
  • the cooling gas supplied to the cooling nozzle is discharged from the discharge port provided in the cooling nozzle in the operating state, and provided in the cooling nozzle in the standby state.
  • the cooling gas is discharged from the leak opening different from the discharge opening in the standby state, and it is possible to prevent the frost from adhering to the discharge opening of the cooling nozzle.
  • the temperature of the discharge port is controlled to at least a temperature higher than that of the cooling gas in the standby state, frost adheres to the discharge port of the cooling nozzle more reliably. It can be prevented.
  • the substrate processing method of the eleventh aspect in the standby state, since the cooling gas released from the leak opening is recovered, diffusion of the released cooling gas into the chamber is suppressed. It is possible to prevent the condensation of mist and the generation of fine ice particles due to the cooling.
  • FIG. 6 is a view showing a state in which a cooling nozzle for discharging a cooling gas moves for scanning from above the center of the substrate to above the edge.
  • FIG. 1 is a view showing the overall essential configuration of a substrate processing apparatus according to the present invention.
  • the substrate processing apparatus 1 performs various liquid processing on the surface of a disk-shaped substrate W such as a semiconductor wafer and the like, as well as freeze cleaning processing for removing contaminants such as particles adhering to the surface of the substrate W Device that
  • the size of the substrate W to be processed is not particularly limited, but is, for example, ⁇ 300 mm or ⁇ 450 mm (in this embodiment, ⁇ 300 mm).
  • the dimensions and the numbers of the respective parts are exaggerated or simplified as necessary for easy understanding.
  • the substrate processing apparatus 1 includes a chamber 10 having therein a processing space for containing a substrate W and performing a cleaning process.
  • the substrate processing apparatus 1 has a spin chuck 20 that holds and rotates the substrate W in a substantially horizontal posture as a main element inside the chamber 10, a cooling nozzle 30 that discharges a cooling gas toward the surface of the substrate W, and a substrate A chemical solution nozzle 60 for discharging a chemical solution toward the surface of W, and an atmosphere blocking plate 70 disposed opposite to the surface of the substrate W held by the spin chuck 20 are provided.
  • the substrate processing apparatus 1 further includes a control unit 90 that controls each operation mechanism provided in the apparatus to execute processing of the substrate W.
  • the spin chuck 20 includes a spin base 23, a rotation support shaft 21, a spin motor 22, and a plurality of chuck pins 24.
  • a disc-like spin base 23 is connected to an upper end portion of the rotation support shaft 21 by a fastening part such as a screw.
  • the rotation support shaft 21 is connected to the rotation shaft of the spin motor 22, and the drive of the spin motor 22 is transmitted to the spin base 23 via the rotation support shaft 21. Therefore, when the spin motor 22 is driven according to the operation command from the control unit 90, the spin base 23 holding the substrate W rotates in the horizontal plane at a predetermined rotation number.
  • a plurality of chuck pins 24 for gripping the edge of the substrate W are provided upright on the upper surface peripheral portion of the spin base 23.
  • the plurality of chuck pins 24 may be provided three or more in order to reliably hold the disk-shaped substrate W, and are arranged at equal angular intervals along the peripheral portion of the spin base 23.
  • Each of the plurality of chuck pins 24 supports a substrate supporting portion supporting the edge of the substrate W from below, and a substrate holding portion pressing the outer peripheral end surface of the substrate W supported by the substrate supporting portion to hold the substrate W (Not shown).
  • Each chuck pin 24 is configured to be switchable between a pressed state in which the substrate holding unit presses the outer peripheral end surface of the substrate W and a released state in which the substrate holding unit is separated from the outer peripheral end surface of the substrate W.
  • the rotation support shaft 21 of the spin chuck 20 is a hollow shaft.
  • a lower processing liquid supply pipe 25 for supplying the processing liquid to the back surface of the substrate W is inserted into the inner side of the rotation support shaft 21.
  • a double pipe structure is realized by the rotary support shaft 21 and the lower processing solution supply pipe 25.
  • the gap between the inner wall surface of the rotary support shaft 21 and the outer wall surface of the lower processing solution supply pipe 25 is cylindrical.
  • Lower gas supply passage 29 The lower processing liquid supply pipe 25 and the lower gas supply path 29 extend to a position close to the lower surface (rear surface) of the substrate W held by the spin chuck 20, and their tips are at the center of the lower surface of the substrate W.
  • a discharge port for discharging the processing liquid and the processing gas is formed.
  • a splash guard 28 is provided to surround the spin chuck 20.
  • the splash guard 28 receives and recovers the processing liquid splashed from the rotating spin base 23 and the substrate W.
  • the splash guard 28 may be configured in multiple stages so as to be received at different opening portions depending on the type of treatment liquid (for example, chemical solution and pure water) and be collected by another route.
  • the chemical solution nozzle 60 is attached to the tip of a nozzle arm 61 provided so as to extend in the horizontal direction.
  • the proximal end of the nozzle arm 61 is connected to the rotating shaft 62.
  • the rotation shaft 62 is connected to a rotation motor 63 provided on the side of the spin chuck 20. Therefore, the chemical solution nozzle 60 is rotated between the discharge position above the center of the substrate W and the retracted position outside the splash guard 28 by driving the rotation motor 63 according to the operation command from the control unit 90. It can be done.
  • a chemical solution such as SC1 (mixed solution of ammonia water, hydrogen peroxide solution and pure water) and SC2 (mixed solution of hydrochloric acid, hydrogen peroxide solution and pure water) etc. It is possible to feed.
  • SC1 mixed solution of ammonia water, hydrogen peroxide solution and pure water
  • SC2 mixed solution of hydrochloric acid, hydrogen peroxide solution and pure water
  • An atmosphere blocking plate 70 is provided above the spin chuck 20.
  • the atmosphere blocking plate 70 is a disk-shaped member having an opening at the center.
  • the atmosphere blocking plate 70 is provided so that the lower surface thereof faces the upper surface (surface) of the substrate W held by the spin chuck 20.
  • the diameter of the disk-shaped atmosphere blocking plate 70 is larger than the diameter of the substrate W. That is, the atmosphere blocking plate 70 has a planar size larger than that of the substrate W.
  • the atmosphere blocking plate 70 is attached to the lower end portion of the support shaft 71 having a substantially cylindrical shape in a substantially horizontal posture.
  • the support shaft 71 is rotatably held about a vertical axis passing through the center of the substrate W by a horizontally extending arm 72.
  • the arm 72 can be raised and lowered along the vertical direction by a lifting mechanism (not shown).
  • the atmosphere blocking plate 70 is lifted and separated from the spin base 23.
  • the atmosphere blocking plate 70 descends and approaches the substrate W held by the spin chuck 20.
  • the support shaft 71 is rotatable about a vertical axis passing the center of the substrate W by a rotation mechanism (not shown). As the support shaft 71 rotates, the atmosphere blocking plate 70 also rotates in the horizontal plane.
  • the atmosphere blocking plate 70 is configured to rotate at the same rotational direction and substantially the same rotational speed as the substrate W rotated by the spin chuck 20.
  • a hollow upper gas supply passage 79 is formed in the vicinity of the central axis of rotation of the support shaft 71.
  • An upper processing liquid supply pipe 75 for supplying the processing liquid to the surface of the substrate W is inserted inside the hollow upper gas supply path 79.
  • a double pipe structure is realized by the upper gas supply passage 79 and the upper treatment liquid supply pipe 75. Strictly speaking, the gap between the inner wall surface of the upper gas supply passage 79 and the outer wall surface of the upper treatment liquid supply pipe 75 is It becomes a cylindrical gas channel.
  • the upper processing liquid supply pipe 75 and the upper gas supply path 79 are in communication with the central opening of the atmosphere blocking plate 70, and their tips are directed toward the upper center of the substrate W held by the spin chuck 20 and processing liquid and processing A discharge port for discharging gas is formed.
  • the upper gas supply passage 79 and the lower gas supply passage 29 are connected in communication with a gas supply mechanism (not shown).
  • the gas supply mechanism supplies a predetermined process gas (in the present embodiment, nitrogen gas (N 2 )) to the upper gas supply passage 79 and the lower gas supply passage 29.
  • the nitrogen gas supplied to the upper gas supply passage 79 is supplied from the discharge port provided at the opening of the atmosphere blocking plate 70 to the space formed between the atmosphere blocking plate 70 and the surface of the substrate W.
  • the nitrogen gas supplied to the lower gas supply path 29 is supplied from the discharge port at the tip of the lower gas supply path 29 to the space formed between the upper surface of the spin base 23 and the back surface of the substrate W. Ru.
  • the nitrogen gas supplied from the upper gas supply passage 79 and the lower gas supply passage 29 is normal temperature (about 23 ° C.).
  • the upper processing liquid supply pipe 75 and the lower processing liquid supply pipe 25 are connected in communication with a processing liquid supply mechanism (not shown).
  • the treatment liquid supply mechanism supplies a predetermined treatment liquid to the upper treatment liquid supply pipe 75 and the lower treatment liquid supply pipe 25.
  • the treatment liquid is a concept including both a chemical solution and deionized water (DIW).
  • DIW deionized water
  • pure water is supplied to the upper processing liquid supply pipe 75 as the processing liquid.
  • the pure water supplied to the upper processing liquid supply pipe 75 is discharged onto the surface of the substrate W from the discharge port provided at the opening of the atmosphere blocking plate 70.
  • the pure water supplied to the upper processing liquid supply pipe 75 may be cooled to near the freezing point by a cooling mechanism such as a heat exchanger.
  • a chemical solution or pure water is supplied to the lower treatment liquid supply pipe 25 as a treatment liquid.
  • the processing liquid supplied to the lower processing liquid supply pipe 25 is discharged from the discharge port at the tip of the lower processing liquid supply pipe 25 to the back surface of the substrate W.
  • the cooling nozzle 30 for discharging the cooling gas is attached to the tip of a nozzle arm 31 provided so as to extend in the horizontal direction.
  • the proximal end of the nozzle arm 31 is connected to the rotating shaft 32.
  • the rotation shaft 32 is connected to a rotation motor 33 provided on the side of the spin chuck 20. Therefore, the cooling nozzle 30 is rotated between the processing position above the substrate W and the retracted position outside the splash guard 28 by driving the rotation motor 33 according to the operation command from the control unit 90. be able to.
  • the “processing position” is a position including the upper side of all portions between the center and the edge of the substrate W held by the spin chuck 20.
  • the “retracted position” is a fixed position on the outer side than the splash guard 28 (the position of the cooling nozzle 30 shown by a dashed dotted line in FIG. 1). Further, the cooling nozzle 30 can be swung within the range of the processing position above the substrate W by driving the rotation motor 33 according to the operation command from the control unit 90.
  • FIGS. 2 and 3 are views showing the configuration of the cooling nozzle 30.
  • FIG. FIG. 2 shows the cooling nozzle 30 in the operating state
  • FIG. 3 shows the cooling nozzle 30 in the standby state.
  • the “operation state” is a state when the cooling nozzle 30 discharges the cooling gas toward the substrate W held by the spin chuck 20 at the processing position, and a state where the cooling gas is discharged from the discharge port 37 described later. It is.
  • the standby state is a state in which the cooling nozzle 30 stands by at the retracted position, and is a state in which the discharge of the cooling gas from the discharge port 37 is stopped.
  • the cooling nozzle 30 may be in an operating state at the retracted position.
  • the insides of the cooling nozzle 30 and the nozzle arm 31 are hollow, and the hollow portion functions as a flow path 301 for feeding the cooling gas.
  • the proximal end side of the flow path 301 is connected to the gas supply pipe 302.
  • the gas supply pipe 302 is connected in communication with the gas supply source 303. Further, a heat exchanger 304 and a flow control valve 305 are interposed in the middle of the path of the gas supply pipe 302.
  • the gas supply source 303 supplies nitrogen gas to the gas supply pipe 302 in accordance with an operation command from the control unit 90.
  • the nitrogen gas supplied from the gas supply source 303 is cooled by the heat exchanger 304.
  • the heat exchanger 304 performs heat exchange between, for example, liquid nitrogen and nitrogen gas supplied from the gas supply source 303 to bring the nitrogen gas to a temperature (eg, -150 ° C.) at least lower than the freezing point of pure water. It cools and produces a cooling gas.
  • the flow rate adjustment valve 305 adjusts the flow rate of the cooling gas flowing in the gas supply pipe 302 to the instructed value based on the operation command from the control unit 90.
  • the tip end side of the flow path 301 is expanded in diameter at the lower portion of the cooling nozzle 30 to form a buffer space 306.
  • the buffer space 306 reduces the flow rate of the cooling gas fed through the flow path 301.
  • the lower side of the buffer space 306 is open at the lower end of the cooling nozzle 30, and the opening portion functions as the discharge port 37 of the cooling nozzle 30.
  • the cooling nozzle 30 at the processing position discharges the cooling gas from the discharge port 37 toward the substrate W held by the spin chuck 20 in the operating state.
  • the discharge port 37 can be opened and closed by the first shutter 35.
  • the first shutter 35 is movable between a position (the position shown in FIG. 2) for opening the discharge port 37 and a position (the position shown in FIG. 3) for closing the discharge port 37 by a drive mechanism not shown. There is.
  • the first shutter 35 opens the discharge port 37 in the operating state, and closes the discharge port 37 in the standby state.
  • the flow path 301 also opens outside the nozzle in the middle of the path also in the upper part of the cooling nozzle 30.
  • the opening in the middle of the flow path 301 functions as a leak opening 38 for releasing the cooling gas in the standby state.
  • the cooling nozzle 30 discharges the cooling gas from the leak opening 38 to the outside of the nozzle in the standby state.
  • the leak opening 38 can be opened and closed by the second shutter 36.
  • the second shutter 36 is movable between a position where the leak opening 38 is opened (the position shown in FIG. 3) and a position where the leak opening 38 is closed (the position shown in FIG. 2) by a drive mechanism not shown. There is.
  • the second shutter 36 closes the leak opening 38 in the operating state, and opens the leak opening 38 in the standby state.
  • the details of the operation of the cooling nozzle 30 will be described in detail later.
  • the cooling gas supplied to the cooling nozzle 30 is discharged from the discharge port 37 in the operating state and released from the leak opening 38 in the standby state. Thereby, the adhesion of the frost to the discharge port 37 can be prevented while the cooling nozzle 30 is waiting.
  • the gas recovery unit 50 includes a receiving unit 51 and an exhaust pump 52.
  • the receiving portion 51 has an opening opposed to the leak opening 38 of the cooling nozzle 30 positioned at the retracted position.
  • the internal space of the receiving unit 51 is connected to the exhaust pump 52.
  • the temperature control unit 80 includes a temperature control gas nozzle 81.
  • the temperature control gas nozzle 81 is installed at a position facing the first shutter 35 which closes the discharge port 37 of the cooling nozzle 30 in the standby state positioned at the retracted position.
  • the temperature control gas nozzle 81 has a double pipe structure, and a cylindrical air supply passage 82 is formed around a circular tubular discharge passage 83.
  • Nitrogen gas whose temperature is controlled to normal temperature (about 23 ° C.) is supplied to the air supply passage 82 of the temperature control gas nozzle 81 from a temperature control gas supply mechanism (not shown).
  • the normal temperature nitrogen gas supplied to the air supply passage 82 is supplied toward the first shutter 35 which closes the discharge port 37 of the cooling nozzle 30 positioned at the retracted position.
  • the nitrogen gas supplied to the first shutter 35 is collected in the discharge path 83 and discharged.
  • an exhaust pump may be connected to the discharge passage 83.
  • the control unit 90 controls the above-described various operation mechanisms provided in the substrate processing apparatus 1.
  • the configuration of the control unit 90 as hardware is the same as that of a general computer. That is, the control unit 90 is a CPU that is a circuit that performs various arithmetic processing, a ROM that is a read only memory that stores basic programs, a RAM that is a read / write memory that stores various information, control software, data, and the like. It has a magnetic disk to be stored.
  • the CPU of the control unit 90 executes a predetermined processing program to advance the processing in the substrate processing apparatus 1.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the processing procedure in the substrate processing apparatus 1.
  • 5 to 8 are diagrams schematically showing the operation in the process of FIG.
  • FIG. 9 is a timing chart showing the operation of each part of the apparatus along the processing procedure of FIG.
  • the processing procedure of the substrate processing apparatus 1 described below proceeds by the control unit 90 controlling each operation mechanism of the substrate processing apparatus 1.
  • an unprocessed substrate W is carried into the chamber 10 and held by the spin chuck 20 in a substantially horizontal posture, and various cleaning processes are performed on the substrate W.
  • the chemical solution nozzle 60 moves to a discharge position above the center of the substrate W, and a chemical solution such as SC1 is supplied from the chemical solution nozzle 60 to the center of the surface of the substrate W rotated by the spin chuck 20 to perform surface cleaning processing.
  • the chemical solution nozzle 60 retracts to the retraction position, and the atmosphere blocking plate 70 descends, and the substrate W rotates from the upper process liquid supply pipe 75 and the lower process liquid supply pipe 25. Pure water is supplied to the front and back sides to perform pure water rinse processing.
  • the cooling nozzle 30 performs idling of the cooling gas (step S1).
  • the inside of the clean room in which the substrate processing apparatus 1 is installed is temperature-controlled to about 23 ° C., which is the normal temperature in the semiconductor manufacturing field. Therefore, the flow path 301 inside the cooling nozzle 30 and the nozzle arm 31 which do not discharge the cooling gas also becomes substantially normal temperature.
  • the cooling gas is discharged from the cooling nozzle 30 toward the substrate W, the cooling gas cooled to a temperature lower than the freezing point of pure water when the flow passage 301 is at normal temperature is heated by the flow passage 301 As a result, it becomes difficult to discharge the cooling gas until the temperature of the flow passage 301 itself decreases.
  • the cooling gas is supplied to the cooling nozzle 30 at a relatively small flow rate so that the cooling gas can be discharged immediately when necessary.
  • the idling is performed to keep the road 301 at a low temperature.
  • the cooling nozzle 30 is positioned at the retracted position outside the splash guard 28. Then, the cooling gas is supplied from the gas supply source 303 and the heat exchanger 304 to the cooling nozzle 30 in the standby state. The flow rate of the cooling gas supplied to the cooling nozzle 30 is adjusted to a small flow rate by the flow rate adjustment valve 305. Further, the first shutter 35 closes the discharge port 37 and the second shutter 36 opens the leak opening 38. As a result, the supplied small flow rate of cooling gas flows along the flow path 301 of the nozzle arm 31 and the cooling nozzle 30 and is released from the leak opening 38, and the flow path 301 is maintained at a low temperature. As a result, the cooling nozzle 30 can discharge the cooling gas immediately when necessary.
  • the small flow rate of the cooling gas supplied to the cooling nozzle 30 along the flow path 301 is discharged only from the leak opening 38 and is not discharged from the discharge port 37 at all (see FIG. 3).
  • the inside of the chamber 10 for performing the liquid processing using the processing liquid is in a high humidity environment, and even when the flow rate is small, if the cooling gas is discharged from the discharge port 37 of the cooling nozzle 30, Moisture in the chamber 10 condenses near the outlet 37 and frost adheres.
  • the cooling gas since the cooling gas is discharged only from the leak opening 38 different from the discharge port 37 and is not discharged from the discharge port 37 at all, it is possible to prevent frost from adhering in the vicinity of the discharge port 37. it can. As a result, when the cooling nozzle 30 moves to the processing position above the substrate W, there is no risk that the frost adhering to the discharge port 37 falls onto the substrate W and contaminates the substrate W.
  • the cooling gas discharged from the leak opening 38 of the cooling nozzle 30 is sucked by the gas recovery unit 50 and recovered. Therefore, it is suppressed that the cooling gas discharged from the leak opening 38 in the standby state diffuses into the chamber 10, and prevents the condensation of the mist and the generation of fine ice particles caused by the inside of the chamber 10 being cooled. can do.
  • the cooling gas recovered by the gas recovery unit 50 can be again supplied to the cooling nozzle 30 for reuse.
  • the temperature control unit 80 controls the temperature of the first shutter 35 for closing the discharge port 37 of the cooling nozzle 30 to approximately room temperature. Accordingly, the discharge port 37 of the cooling nozzle 30 is also indirectly temperature-controlled to a normal temperature by the temperature control unit 80, and frost can be more reliably prevented from adhering to the vicinity of the discharge port 37.
  • pure water is supplied from the upper processing liquid supply pipe 75 to the rotation center of the surface of the substrate W while the spin chuck 20 rotates the substrate W.
  • pure water cooled to around the freezing point (0 ° C.) may be supplied to the substrate W.
  • the deionized water supplied to the surface of the substrate W uniformly spreads radially outward on the surface of the substrate W by the centrifugal force accompanying the rotation of the substrate W.
  • a part of the supplied pure water is shaken off to the outside of the substrate W by the centrifugal force.
  • a liquid film (water film) of pure water having a uniform predetermined thickness is formed over the entire surface of the substrate W (step S2).
  • the liquid film 5 is a view showing a state in which pure water is supplied from the upper processing liquid supply pipe 75 to form the liquid film 5 on the surface of the substrate W.
  • the liquid film may be formed by supplying pure water to the surface of the substrate W in a state in which the rotation of the substrate W is stopped.
  • the atmosphere blocking plate 70 is lifted and separated from the surface of the substrate W.
  • the cooling nozzle 30 is in a standby state at the retracted position, and discharges a small flow rate of the cooling gas supplied from the leak opening 38 in order to maintain the flow passage 301 at a low temperature.
  • the cooling nozzle 30 switches from the standby state to the operating state under the control of the control unit 90.
  • the cooling nozzle 30 is switched to the operating state while staying at the retracted position outside the splash guard 28.
  • the first shutter 35 opens the discharge port 37 at time t1, and the second shutter 36 closes the leak opening 38.
  • the flow rate adjustment valve 305 increases the flow rate of the cooling gas supplied to the cooling nozzle 30 from a small flow rate to a large flow rate.
  • the cooling gas supplied to the cooling nozzle 30 is cooled by the heat exchanger 304 to a temperature (eg, -150 ° C.) lower than the freezing point (0 ° C.) of at least the pure water constituting the liquid film 5.
  • the supplied large flow rate of cooling gas flows along the flow path 301 of the nozzle arm 31 and the cooling nozzle 30, flows into the buffer space 306, and is discharged downward from the discharge port 37 (see FIG. 2). .
  • the cooling gas Since the flow path 301 is maintained at a low temperature by flowing a small flow rate of the cooling gas during the above-described standby state, the cooling gas is discharged from the discharge port 37 at the same time as switching from the standby state to the operating state at time t1. be able to.
  • the cooling gas fed to the cooling nozzle 30 is discharged only from the discharge port 37 and is not discharged from the leak opening 38 at all. Further, the flow rate of the cooling gas discharged from the discharge port 37 of the cooling nozzle 30 in the operating state is larger than the flow rate of the cooling gas discharged from the leak opening 38 in the standby state.
  • FIG. 6 is a view showing a state in which the cooling nozzle 30 has reached above the central portion of the substrate W on which the liquid film 5 is formed.
  • the cooling nozzle 30 has already been switched to the operating state at time t1, and discharges the cooling gas from the discharge port 37 while moving from the retracted position to the processing position. At this time, since the cooling nozzle 30 moves to a position above the center of the substrate W at a relatively high speed, the liquid film 5 is not frozen by the cooling gas.
  • FIG. 7 is a view showing a state in which the cooling nozzle 30 for discharging the cooling gas scans and moves from above the center of the substrate W to above the edge.
  • the temperature of the cooling gas discharged from the cooling nozzle 30 is lower than the freezing point of the pure water constituting the liquid film 5.
  • the portion of the liquid film 5 on the substrate W to which the cooling gas is sprayed is locally cooled and frozen. .
  • the cooling nozzle 30 that discharges the cooling gas gradually moves from above the center of the rotating substrate W to above the edge to move the liquid film 5 from the center to the edge of the substrate W. Will freeze (step S4). Thereby, the frozen film 7 of pure water is formed on the substrate W, and the formation region of the frozen film 7 is gradually expanded along with the scanning movement of the cooling nozzle 30.
  • FIG. 8 is a view showing a state in which the entire liquid film 5 on the substrate W is frozen.
  • the cooling nozzle 30 switches from the operating state to the standby state. Specifically, at time t4, the first shutter 35 closes the discharge port 37, and the second shutter 36 opens the leak opening 38. Further, the flow rate adjustment valve 305 reduces the flow rate of the cooling gas supplied to the cooling nozzle 30 from the large flow rate to the small flow rate. The supplied small flow rate of cooling gas flows along the flow path 301 of the nozzle arm 31 and the cooling nozzle 30 and is discharged from the leak opening 38.
  • the cooling nozzle 30 starts to move back from above the edge of the substrate W toward the retracted position.
  • the cooling nozzle 30 separated from above the edge of the substrate W passes the splash guard 28 and reaches the retracted position at time t5.
  • the cooling nozzle 30 in the standby state returned to the retracted position performs idling of the cooling gas again (step S5). That is, a small flow rate of cooling gas supplied to the cooling nozzle 30 flows along the flow path 301 of the nozzle arm 31 and the cooling nozzle 30, and the flow path 301 is maintained at a low temperature.
  • the small flow rate of cooling gas delivered along the flow path 301 is released only from the leak opening 38.
  • the cooling gas released from the leak opening 38 is recovered by the gas recovery unit 50.
  • the atmosphere blocking plate 70 descends and approaches the surface of the substrate W. Then, pure water at normal temperature is supplied from the upper processing liquid supply pipe 75 toward the frozen film 7 on the substrate W to perform rinse processing (step S6). The frozen film 7 is melted by supplying pure water at normal temperature.
  • nitrogen gas is supplied from the upper gas supply passage 79 and the lower gas supply passage 29 to make the space sandwiched between the atmosphere blocking plate 70 and the spin base 23 have a nitrogen atmosphere. It is good.
  • Step S7 the pure water supply from the upper processing liquid supply pipe 75 is stopped, and the spin chuck 20 spins the substrate W at high speed to spin off the droplets on the substrate W.
  • Step S7 it is preferable to rotate the substrate W at high speed while blowing nitrogen gas at normal temperature as a drying gas from the upper gas supply passage 79 and the lower gas supply passage 29 onto the front and back surfaces of the substrate W.
  • the pressure applied to the pattern by the volume expansion of the liquid film 5 is equal in all directions, and the force applied to the pattern is offset. For this reason, it is possible to detach only the particles from the surface of the substrate W while preventing peeling and collapse of the pattern. Then, by supplying pure water at normal temperature to the frozen film 7 to melt the frozen film 7 and washing it out by rinsing, contaminants such as particles can be removed from the surface of the substrate W.
  • the first shutter 35 when the cooling nozzle 30 is in the operating state, the first shutter 35 opens the discharge port 37 and the second shutter 36 closes the leak opening 38, whereby the cooling nozzle 30 is fed.
  • the cooling gas is discharged from the discharge port 37.
  • the first shutter 35 closes the discharge port 37 and the second shutter 36 opens the leak opening 38 so that the cooling gas fed to the cooling nozzle 30 leaks. It is discharged from the opening 38. That is, in the first embodiment, the first shutter 35 and the second shutter 36 discharge the cooling gas supplied to the cooling nozzle 30 from the discharge port 37 in the operating state, and release the cooling gas from the leak opening 38 in the standby state.
  • the flow paths in the cooling nozzle 30 are switched.
  • the cooling gas is discharged only from the leak opening 38 different from the discharge port 37 which discharges the cooling gas in the operating state, and the cooling gas is not discharged from the discharge port 37 at all.
  • the adhesion of frost to the outlet 37 can be effectively prevented.
  • the overall configuration of the substrate processing apparatus of the second embodiment is substantially the same as that of the first embodiment.
  • the processing contents of the substrate W in the second embodiment are also substantially the same as in the first embodiment.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in the mechanism for switching the flow path in the cooling nozzle 30.
  • FIG. 10 and 11 are diagrams showing the configuration of the cooling nozzle 130 according to the second embodiment.
  • FIG. 10 shows the cooling nozzle 130 in the operating state
  • FIG. 11 shows the cooling nozzle 130 in the standby state.
  • the cooling nozzle 130 of the second embodiment has a mechanism of a so-called solenoid valve (electromagnetic valve).
  • a movable core (movable iron core) 131 is provided inside the cooling nozzle 130, and the movable core 131 is driven by the current flowing through the coil 132.
  • the flow path 301 connected to the gas supply pipe 302 and supplied with the cooling gas is communicated with the discharge port 37, that is, the flow path leading to the leak opening 38 is closed.
  • the movable core 131 is positioned by the coil 132 (FIG. 10).
  • the cooling gas supplied to the cooling nozzle 130 is discharged from the discharge port 37.
  • the movable core 131 has a coil so that the flow passage 301 to which the cooling gas is supplied communicates with the leak opening 38, that is, the flow passage leading to the discharge port 37 is closed. Positioned by 132 (FIG. 11). Thus, the cooling gas supplied to the cooling nozzle 130 is released from the leak opening 38.
  • the discharge port 37 in the operating state is the cooling gas fed to the cooling nozzle 30 by the solenoid valve in the second embodiment.
  • the flow path in the cooling nozzle 130 is switched so as to discharge from the leak opening 38.
  • the cooling gas is discharged only from the leak opening 38 different from the discharge port 37 which discharges the cooling gas in the operating state, and no cooling gas is discharged from the discharge port 37 at all. Therefore, the adhesion of frost to the discharge port 37 of the cooling nozzle 130 can be effectively prevented.
  • the remaining configuration and operation contents of the second embodiment excluding the mechanism for switching the flow path are the same as those of the first embodiment.
  • the liquid film is formed on the surface of the substrate W by pure water, but the liquid constituting the liquid film is not limited to pure water.
  • a liquid film is formed on the surface of the substrate W by carbon dioxide water, hydrogen water, ammonia water of dilute concentration (for example, about 1 ppm), hydrochloric acid of dilute concentration, or liquid obtained by adding a small amount of surfactant to pure water. It is good.
  • a cooling gas is not limited to nitrogen gas.
  • a rare gas such as argon gas or another inert gas, or dry air may be used as the cooling gas.
  • the atmosphere blocking plate 70 provided in the chamber 10 is not an essential element, and the technology according to the present invention can be applied to an apparatus provided with no atmosphere blocking plate. Further, even if a two-fluid nozzle is provided in the chamber 10 to mix the processing liquid and the pressurized gas to generate a droplet and eject the mixed fluid of the droplet and the gas to the substrate W. good.
  • the temperature of the discharge port 37 of the cooling nozzle 30 is controlled to a substantially normal temperature by the temperature control unit 80 in the standby state, but the controlled temperature by the temperature control unit 80 is limited to the normal temperature It is not a thing.
  • the temperature control unit 80 may adjust the temperature of the discharge port 37 of the cooling nozzle 30 to a temperature at least higher than that of the cooling gas, and from the viewpoint of preventing the adhesion of frost to the discharge port 37, the steam existing in the chamber 10 It is preferable to control the temperature of the discharge port 37 to a temperature higher than the condensation point.
  • the temperature control unit 80 may be a mechanism which heats the first shutter 35 and the discharge port 37 by a lamp or a heater.
  • the substrate to be treated by the technology according to the present invention is not limited to a semiconductor wafer, and may be a glass substrate used for a flat panel display such as a liquid crystal display device or a substrate for a solar cell.
  • the technique according to the present invention is suitably applied to a substrate processing apparatus and a substrate processing method for discharging a cooling gas to a liquid film formed on the surface of a substrate such as a semiconductor wafer to freeze the film and cleaning the substrate. be able to.
  • Reference Signs List 1 substrate processing apparatus 5 liquid film 7 frozen film 10 chamber 20 spin chuck 30, 130 cooling nozzle 31 nozzle arm 33 rotating motor 35 first shutter 36 second shutter 37 discharge port 38 leak opening 50 gas recovery unit 70 atmosphere shielding plate 75 Upper processing liquid supply pipe 80 temperature control unit 90 control unit 301 flow path 302 gas supply piping 303 gas supply source 304 heat exchanger 305 flow control valve 306 buffer space W substrate

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Abstract

冷却ノズルが基板に冷却ガスを吐出する動作状態のときには、第１シャッターが吐出口を開放するとともに、第２シャッターがリーク開口を閉塞することにより、冷却ノズルに送給された冷却ガスは吐出口から吐出される。一方、冷却ノズルが待機状態のときには、第１シャッターが吐出口を閉塞するとともに、第２シャッターがリーク開口を開放することにより、冷却ノズルに送給された冷却ガスはリーク開口から放出される。待機状態のときには、吐出口とは異なるリーク開口のみから冷却ガスを放出しているため、冷却ノズルの吐出口への霜の付着を防止することができる。

Description

基板処理装置および基板処理方法
　本発明は、基板の表面に形成された液膜に当該液膜を構成する液体の凝固点よりも低温の冷却ガスを吐出して当該液膜を凍結させる基板処理装置および基板処理方法に関する。
　従来より、半導体ウェハー等の基板の表面に液膜を形成し、その液膜を冷却して凍結させることによって基板表面のパーティクル等の汚染物質を除去する凍結洗浄（または固化洗浄）と称される技術がある。例えば、特許文献１，２には、基板の表面に純水（ＤＩＷ：deionized water）の液膜を形成し、その液膜に対して低温の冷却ガスを吐出するノズルを走査移動させて当該液膜を凍結させ、その凍結した液膜をリンス液で融解して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することが開示されている。
特開２０１２－２０４５５９号公報 特開２０１３－０３０６１２号公報
　凍結洗浄技術においては、必要なときに直ちに冷却ガスを吐出することができるように、冷却ガスを吐出するノズルを予め低温に維持しておくことが望まれる。この目的のため、冷却ガスを基板に供給するタイミング以外の待機中においても比較的少量の冷却ガスをノズルから吐出し続けておくことが行われている（スローリーク）。
　しかしながら、処理液（薬液および純水）を用いて基板処理を行うチャンバー内は一般的には高湿度環境であり、少量とはいえ低温の冷却ガスをノズルから吐出し続けているとノズルの吐出口近傍にチャンバー内の水分が凝結して霜が付着する。そうすると、液膜の凍結処理を実行する際に、ノズルの吐出口近傍に付着した霜が基板上に落下して当該基板を汚染するおそれがあった。
　このため、特許文献１には、待機中に吐出される少量の冷却ガスを回収して吐出口から流れ出る冷却ガスを低減する技術が提案されている。また、特許文献２には、ノズルの吐出口の近傍に整流部材を近接配置し、チャンバー内の高湿度の雰囲気がノズル内に侵入するのを抑制する技術が提案されている。しかし、特許文献１，２に開示される技術においても、わずかにでもノズルの吐出口から冷却ガスが流れ出るとともにチャンバー内の雰囲気も侵入してくるため、吐出口近傍に霜が付着するのを完全に防ぐことはできず、処理を重ねるごとに徐々に多量の霜が付着してしまうという問題があった。このような霜は一度ノズルに付着すると除去することが極めて困難である。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、冷却ノズルの吐出口への霜の付着を防止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。
　上記課題を解決するため、この発明の第１の態様は、基板の表面に形成された液膜に前記液膜を構成する液体の凝固点よりも低温の冷却ガスを吐出して前記液膜を凍結させる基板処理装置において、前記基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて前記基板を保持する保持部と、前記冷却ガスを吐出する冷却ノズルと、を備え、前記冷却ノズルは、前記保持部に保持された前記基板に向けて前記冷却ガスを吐出するときの動作状態と、退避位置にて待機しているときの待機状態との間で切り換えられ、前記冷却ノズルは、前記動作状態にて前記冷却ガスを吐出する吐出口と、前記待機状態にて前記冷却ガスを放出するリーク開口と、前記冷却ノズルに送給された前記冷却ガスを、前記動作状態では前記吐出口から吐出させるとともに、前記待機状態では前記リーク開口から放出させるように流路を切り換える流路切換部と、を備える。
　また、第２の態様は、第１の態様に係る基板処理装置において、前記待機状態にて前記吐出口を少なくとも前記冷却ガスよりも高い温度に温調する温調部をさらに備える。
　また、第３の態様は、第２の態様に係る基板処理装置において、前記温調部は、前記待機状態にて前記吐出口を前記チャンバー内に存在する蒸気の凝結点よりも高い温度に温調する。
　また、第４の態様は、第１から第３のいずれかの態様に係る基板処理装置において、前記待機状態にて前記リーク開口から放出された前記冷却ガスを回収する回収部をさらに備える。
　また、第５の態様は、第１から第４のいずれかの態様に係る基板処理装置において、前記動作状態にて前記吐出口から吐出される前記冷却ガスの流量は前記待機状態にて前記リーク開口から放出される前記冷却ガスの流量よりも多い。
　また、第６の態様は、第１から第５のいずれかの態様に係る基板処理装置において、前記流路切換部は、前記動作状態では前記吐出口を開放するとともに、前記待機状態では前記吐出口を閉塞する第１シャッターと、前記動作状態では前記リーク開口を閉塞するとともに、前記待機状態では前記リーク開口を開放する第２シャッターと、を備える。
　また、第７の態様は、第１から第５のいずれかの態様に係る基板処理装置において、前記流路切換部は、前記冷却ガスが送給される流路を、前記動作状態では前記吐出口に連通させるとともに、前記待機状態では前記リーク開口に連通させるソレノイドバルブを備える。
　また、第８の態様は、基板の表面に形成された液膜に前記液膜を構成する液体の凝固点よりも低温の冷却ガスを吐出して前記液膜を凍結させる基板処理方法において、前記基板の上面に前記液膜を形成する液膜形成工程と、冷却ノズルから前記基板に前記冷却ガスを吐出して前記液膜を凍結させる凍結工程と、凍結した前記液膜を融解して除去する融解工程と、を備え、前記冷却ノズルは、前記凍結工程にて前記基板に向けて前記冷却ガスを吐出するときの動作状態と、退避位置にて待機しているときの待機状態との間で切り換えられ、前記冷却ノズルに送給された前記冷却ガスを、前記動作状態では前記冷却ノズルに設けられた吐出口から吐出させるとともに、前記待機状態では前記冷却ノズルに設けられたリーク開口から放出させる。
　また、第９の態様は、第８の態様に係る基板処理方法において、前記待機状態では、前記吐出口を少なくとも前記冷却ガスよりも高い温度に温調する。
　また、第１０の態様は、第９の態様に係る基板処理方法において、前記待機状態では、前記吐出口を前記チャンバー内に存在する蒸気の凝結点よりも高い温度に温調する。
　また、第１１の態様は、第８から第１０のいずれかの態様に係る基板処理方法において、前記待機状態では、前記リーク開口から放出された前記冷却ガスを回収する。
　また、第１２の態様は、第８から第１１のいずれかの態様に係る基板処理方法において、前記動作状態にて前記吐出口から吐出される前記冷却ガスの流量は前記待機状態にて前記リーク開口から放出される前記冷却ガスの流量よりも多い。
　第１から第７の態様に係る基板処理装置によれば、冷却ノズルに送給された冷却ガスを、動作状態では吐出口から吐出させるとともに、待機状態ではリーク開口から放出させるため、待機状態のときには吐出口とは異なるリーク開口から冷却ガスを放出することとなり、冷却ノズルの吐出口への霜の付着を防止することができる。
　特に、第２の態様に係る基板処理装置によれば、待機状態にて吐出口を少なくとも冷却ガスよりも高い温度に温調するため、冷却ノズルの吐出口に霜が付着するのをより確実に防止することができる。
　特に、第４の態様に係る基板処理装置によれば、待機状態にてリーク開口から放出された冷却ガスを回収するため、放出された冷却ガスがチャンバー内に拡散することが抑制され、チャンバー内が冷却されることに起因したミストの凝結や微小な氷粒の発生を防止することができる。
　第８から第１２の態様に係る基板処理方法によれば、冷却ノズルに送給された冷却ガスを、動作状態では冷却ノズルに設けられた吐出口から吐出させるとともに、待機状態では冷却ノズルに設けられたリーク開口から放出させるため、待機状態のときには吐出口とは異なるリーク開口から冷却ガスを放出することとなり、冷却ノズルの吐出口への霜の付着を防止することができる。
　特に、第９の態様に係る基板処理方法によれば、待機状態では、吐出口を少なくとも冷却ガスよりも高い温度に温調するため、冷却ノズルの吐出口に霜が付着するのをより確実に防止することができる。
　特に、第１１の態様に係る基板処理方法によれば、待機状態では、リーク開口から放出された冷却ガスを回収するため、放出された冷却ガスがチャンバー内に拡散することが抑制され、チャンバー内が冷却されることに起因したミストの凝結や微小な氷粒の発生を防止することができる。
本発明に係る基板処理装置の全体要部構成を示す図である。 動作状態の冷却ノズルの構成を示す図である。 待機状態の冷却ノズルの構成を示す図である。 基板処理装置における処理手順を示すフローチャートである。 基板の表面に液膜を形成した状態を示す図である。 液膜が形成された基板の中心部上方に冷却ノズルが到達した状態を示す図である。 冷却ガスを吐出する冷却ノズルが基板の中心部上方から端縁部上方に向けて走査移動する状態を示す図である。 基板上の液膜の全体が凍結した状態を示す図である。 図４の処理手順に沿った装置各部の動作を示すタイミングチャートである。 第２実施形態の動作状態の冷却ノズルの構成を示す図である。 第２実施形態の待機状態の冷却ノズルの構成を示す図である。
　以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
　　＜第１実施形態＞
　図１は、本発明に係る基板処理装置の全体要部構成を示す図である。この基板処理装置１は、半導体ウェハー等の円板形状の基板Ｗの表面に対して種々の液処理を行うとともに、基板Ｗの表面に付着しているパーティクル等の汚染物質を除去する凍結洗浄処理を行う装置である。処理対象となる基板Ｗのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍである（本実施形態ではφ３００ｍｍ）。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
　基板処理装置１は、基板Ｗを収容して洗浄処理を施す処理空間を内部に有するチャンバー１０を備える。基板処理装置１は、チャンバー１０の内部に主たる要素として、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２０と、基板Ｗの表面に向けて冷却ガスを吐出する冷却ノズル３０と、基板Ｗの表面に向けて薬液を吐出する薬液ノズル６０と、スピンチャック２０に保持された基板Ｗの表面に対向配置された雰囲気遮断板７０と、を備える。また、基板処理装置１は、装置に設けられた各動作機構を制御して基板Ｗの処理を実行させる制御部９０を備える。
　スピンチャック２０は、スピンベース２３、回転支軸２１、スピンモータ２２および複数のチャックピン２４を備える。回転支軸２１の上端部には、円盤状のスピンベース２３がネジ等の締結部品によって連結されている。回転支軸２１はスピンモータ２２の回転軸に連結されており、スピンモータ２２の駆動は回転支軸２１を介してスピンベース２３に伝達される。従って、制御部９０からの動作指令に応じてスピンモータ２２が駆動することにより、基板Ｗを保持するスピンベース２３が所定の回転数にて水平面内で回転する。
　スピンベース２３の上面周縁部には、基板Ｗの端縁部を把持するための複数のチャックピン２４が立設されている。複数のチャックピン２４は、円板形状の基板Ｗを確実に把持するために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。複数のチャックピン２４のそれぞれは、基板Ｗの端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を把持する基板保持部とを備えている（いずれも図示省略）。各チャックピン２４は、当該基板保持部が基板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の外周端面から離間した解放状態との間で切り換え可能に構成されている。
　スピンベース２３に対して基板Ｗの受け渡しを行う際には、複数のチャックピン２４の全てが解放状態とされ、基板Ｗに対して処理を行う際には、複数のチャックピン２４の全てが押圧状態とされる。複数のチャックピン２４を押圧状態とすることによって、それら複数のチャックピン２４は基板Ｗの端縁部を把持してその基板Ｗをスピンベース２３の上面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。
　また、スピンチャック２０の回転支軸２１は中空軸である。回転支軸２１の内側には、基板Ｗの裏面に処理液を供給するための下側処理液供給管２５が挿通されている。これら回転支軸２１と下側処理液供給管２５とによって二重管構造が実現されており、回転支軸２１の内壁面と下側処理液供給管２５の外壁面との隙間は、円筒状の下側ガス供給路２９となる。下側処理液供給管２５および下側ガス供給路２９は、スピンチャック２０に保持された基板Ｗの下面（裏面）に近接する位置まで延びており、それらの先端は当該基板Ｗの下面中央に向けて処理液および処理ガスを吐出する吐出口を形成する。
　また、スピンチャック２０の周囲を取り囲むようにスプラッシュガード２８が設けられている。スプラッシュガード２８は、回転するスピンベース２３および基板Ｗから飛散する処理液を受け止めて回収する。スプラッシュガード２８は、処理液の種類（例えば、薬液と純水）に応じて異なる開口部分で受け止めて別経路で回収するような多段に構成されていても良い。
　薬液ノズル６０は水平方向に沿って延びるように設けられたノズルアーム６１の先端に取り付けられている。ノズルアーム６１の基端は回転軸６２に連結されている。その回転軸６２はスピンチャック２０の側方に設けられた回動モータ６３に接続されている。従って、制御部９０からの動作指令に応じて回動モータ６３を駆動させることにより、薬液ノズル６０を基板Ｗの中心上方の吐出位置とスプラッシュガード２８よりも外側の退避位置との間で回動させることができる。薬液ノズル６０には図示省略の薬液供給機構からＳＣ１（アンモニア水と過酸化水素水と純水との混合溶液）、ＳＣ２（塩酸と過酸化水素水と純水との混合溶液）等の薬液が送給可能とされている。上記の吐出位置に位置している薬液ノズル６０に薬液が送給されると、薬液ノズル６０から基板Ｗの中心近傍に薬液が吐出される。
　スピンチャック２０の上方には雰囲気遮断板７０が設けられている。雰囲気遮断板７０は、中央に開口を有する円板形状の部材である。雰囲気遮断板７０は、その下面がスピンチャック２０に保持された基板Ｗの上面（表面）と対向するように設けられている。円板形状の雰囲気遮断板７０の直径は基板Ｗの直径よりも大きい。すなわち、雰囲気遮断板７０は、基板Ｗよりも大きな平面サイズを有する。
　雰囲気遮断板７０は略円筒形状を有する支持軸７１の下端部に略水平姿勢にて取り付けられている。支持軸７１は、水平方向に延びるアーム７２により基板Ｗの中心を通る鉛直軸周りに回転可能に保持されている。アーム７２は、図示省略の昇降機構によって鉛直方向に沿って昇降可能とされている。スピンチャック２０に対して基板Ｗの受け渡しを行う際には、雰囲気遮断板７０が上昇してスピンベース２３から離間する。一方、基板Ｗに対して雰囲気遮断板７０を用いた所定の処理を行う際には、雰囲気遮断板７０が下降してスピンチャック２０に保持された基板Ｗに近接する。
　また、支持軸７１は、図示省略の回転機構によって基板Ｗの中心を通る鉛直軸周りで回転可能とされている。支持軸７１が回転することによって、雰囲気遮断板７０も水平面内で回転する。雰囲気遮断板７０は、スピンチャック２０によって回転される基板Ｗと同じ回転方向および略同じ回転速度にて回転するように構成されている。
　支持軸７１の回転中心軸近傍には中空の上側ガス供給路７９が形成されている。中空の上側ガス供給路７９の内側には、基板Ｗの表面に処理液を供給するための上側処理液供給管７５が挿通されている。これら上側ガス供給路７９と上側処理液供給管７５とによって二重管構造が実現されており、厳密には上側ガス供給路７９の内壁面と上側処理液供給管７５の外壁面との隙間が円筒状のガス流路となる。上側処理液供給管７５および上側ガス供給路７９は、雰囲気遮断板７０の中心開口に連通しており、それらの先端はスピンチャック２０に保持された基板Ｗの上面中央に向けて処理液および処理ガスを吐出する吐出口を形成する。
　上側ガス供給路７９および下側ガス供給路２９は、図示省略のガス供給機構と連通接続されている。当該ガス供給機構は、上側ガス供給路７９および下側ガス供給路２９に所定の処理ガス（本実施形態では窒素ガス（Ｎ２））を送給する。上側ガス供給路７９に送給された窒素ガスは、雰囲気遮断板７０の開口部分に設けられた吐出口から雰囲気遮断板７０と基板Ｗの表面との間に形成される空間に供給される。また、下側ガス供給路２９に送給された窒素ガスは、下側ガス供給路２９の先端の吐出口からスピンベース２３の上面と基板Ｗの裏面との間に形成される空間に供給される。なお、上側ガス供給路７９および下側ガス供給路２９から供給される窒素ガスは常温（約２３℃）である。
　上側処理液供給管７５および下側処理液供給管２５は、図示省略の処理液供給機構と連通接続されている。当該処理液供給機構は、上側処理液供給管７５および下側処理液供給管２５に所定の処理液を送給する。本明細書において、処理液とは薬液および純水（ＤＩＷ：deionized water）の双方を含む概念である。本実施形態では上側処理液供給管７５には処理液として純水が送給される。上側処理液供給管７５に送給された純水は、雰囲気遮断板７０の開口部分に設けられた吐出口から基板Ｗの表面に吐出される。上側処理液供給管７５に送給される純水は、熱交換器等の冷却機構によってその凝固点近傍にまで冷却されたものであっても良い。一方、下側処理液供給管２５には処理液として薬液または純水が送給される。下側処理液供給管２５に送給された処理液は、下側処理液供給管２５の先端の吐出口から基板Ｗの裏面に吐出される。
　また、冷却ガスを吐出する冷却ノズル３０は水平方向に沿って延びるように設けられたノズルアーム３１の先端に取り付けられている。ノズルアーム３１の基端は回転軸３２に連結されている。その回転軸３２はスピンチャック２０の側方に設けられた回動モータ３３に接続されている。従って、制御部９０からの動作指令に応じて回動モータ３３を駆動させることにより、冷却ノズル３０を基板Ｗの上方の処理位置とスプラッシュガード２８よりも外側の退避位置との間で回動させることができる。ここで「処理位置」とは、スピンチャック２０に保持された基板Ｗの中心と端縁部との間の全ての部位の上方を含む位置である。一方、「退避位置」とは、スプラッシュガード２８よりも外方の固定位置である（図１の一点鎖線で示す冷却ノズル３０の位置）。また、制御部９０からの動作指令に応じて回動モータ３３を駆動させることにより、冷却ノズル３０を基板Ｗの上方の処理位置の範囲内にて揺動させることができる。
　図２および図３は、冷却ノズル３０の構成を示す図である。図２には動作状態の冷却ノズル３０を示し、図３には待機状態の冷却ノズル３０を示す。「動作状態」とは、冷却ノズル３０が処理位置にてスピンチャック２０に保持された基板Ｗに向けて冷却ガスを吐出するときの状態であり、後述する吐出口３７から冷却ガスを吐出する状態である。一方、待機状態とは、冷却ノズル３０が退避位置にて待機しているときの状態であり、吐出口３７からの冷却ガスの吐出を停止している状態である。なお、冷却ノズル３０が退避位置にて動作状態となることもある。
　図２および図３に示すように、冷却ノズル３０およびノズルアーム３１の内部は中空となっており、その中空部分が冷却ガスを送給するための流路３０１として機能する。図２に示すように、流路３０１の基端側はガス供給配管３０２と接続されている。そのガス供給配管３０２はガス供給源３０３と連通接続されている。また、ガス供給配管３０２の経路途中には熱交換器３０４と流量調整バルブ３０５とが介挿されている。ガス供給源３０３は、制御部９０からの動作指令に応じてガス供給配管３０２に窒素ガスを供給する。ガス供給源３０３から供給された窒素ガスは熱交換器３０４によって冷却される。熱交換器３０４は、例えば液体窒素とガス供給源３０３から供給された窒素ガスとの熱交換を行わせることによって、窒素ガスを少なくとも純水の凝固点よりも低い温度（例えば、－１５０℃）に冷却して冷却ガスを生成する。流量調整バルブ３０５は、制御部９０からの動作指令に基づいて、ガス供給配管３０２中を流れる冷却ガスの流量を指示された値に調整する。
　流路３０１の先端側は冷却ノズル３０の下部において拡径されてバッファ空間３０６を形成する。バッファ空間３０６は、流路３０１を送給されてきた冷却ガスの流速を低下させる。冷却ノズル３０の下端においてバッファ空間３０６の下側が開口しており、その開口部分が冷却ノズル３０の吐出口３７として機能する。処理位置の冷却ノズル３０は、動作状態にて吐出口３７からスピンチャック２０に保持された基板Ｗに向けて冷却ガスを吐出する。
　吐出口３７は、第１シャッター３５によって開閉可能とされている。第１シャッター３５は、図示省略の駆動機構によって吐出口３７を開放する位置（図２に示す位置）と吐出口３７を閉塞する位置（図３に示す位置）との間で移動可能とされている。第１シャッター３５は、動作状態では吐出口３７を開放するとともに、待機状態では吐出口３７を閉塞する。
　また、流路３０１は、冷却ノズル３０の上部においても、その経路途中にてノズル外に開口している。流路３０１の経路途中の開口部分は、待機状態にて冷却ガスを放出するリーク開口３８として機能する。冷却ノズル３０は、待機状態にてリーク開口３８からノズル外に冷却ガスを放出する。
　リーク開口３８は、第２シャッター３６によって開閉可能とされている。第２シャッター３６は、図示省略の駆動機構によってリーク開口３８を開放する位置（図３に示す位置）とリーク開口３８を閉塞する位置（図２に示す位置）との間で移動可能とされている。第２シャッター３６は、動作状態ではリーク開口３８を閉塞するとともに、待機状態ではリーク開口３８を開放する。
　冷却ノズル３０の動作内容については後に詳述するが、冷却ノズル３０に送給された冷却ガスを、動作状態では吐出口３７から吐出させるとともに、待機状態ではリーク開口３８から放出させる。これにより、冷却ノズル３０の待機中における吐出口３７への霜の付着を防止することができる。
　また、図３に示すように、冷却ノズル３０の退避位置の近傍には、ガス回収部５０と温調部８０とが設けられている。ガス回収部５０は、受入部５１および排気ポンプ５２を備える。受入部５１は、退避位置に位置決めされた冷却ノズル３０のリーク開口３８に対向する開口を有している。受入部５１の内部空間は排気ポンプ５２に接続されている。排気ポンプ５２が作動すると、受入部５１の開口に負圧が作用し、冷却ノズル３０のリーク開口３８から放出された冷却ガスは受入部５１の開口から吸引されて排気ポンプ５２によってチャンバー１０の外部に排出される。
　温調部８０は温調ガスノズル８１を備える。温調ガスノズル８１は、退避位置に位置決めされた待機状態の冷却ノズル３０の吐出口３７を閉塞する第１シャッター３５に対向する位置に設置されている。温調ガスノズル８１は二重管構造を有しており、円管状の排出路８３の周囲に円筒状の給気路８２が形成されている。温調ガスノズル８１の給気路８２には、図外の温調ガス供給機構から常温（約２３℃）に温調された窒素ガスが送給される。給気路８２に送給された常温の窒素ガスは、退避位置に位置決めされた冷却ノズル３０の吐出口３７を閉塞する第１シャッター３５に向けて供給される。第１シャッター３５に向けて供給された窒素ガスは、排出路８３に回収されて排出される。排出路８３による窒素ガスの排出を円滑に行うために、排出路８３に排気ポンプを接続するようにしても良い。
　制御部９０は、基板処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。制御部９０のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部９０は、各種演算処理を行う回路であるＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えている。制御部９０のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって基板処理装置１における処理が進行する。
　次に、上記構成を有する基板処理装置１における処理動作について説明する。図４は、基板処理装置１における処理手順を示すフローチャートである。また、図５から図８は、図４の処理における動作を模式的に示す図である。さらに、図９は、図４の処理手順に沿った装置各部の動作を示すタイミングチャートである。以下に説明する基板処理装置１の処理手順は、制御部９０が基板処理装置１の各動作機構を制御することにより進行する。
　上記の基板処理装置１においては、未処理の基板Ｗがチャンバー１０内に搬入されてスピンチャック２０に略水平姿勢で保持され、その基板Ｗに対して種々の洗浄処理が実行される。例えば、薬液ノズル６０が基板Ｗの中心上方の吐出位置に移動し、スピンチャック２０によって回転される基板Ｗの表面の中心に薬液ノズル６０からＳＣ１等の薬液を供給して表面洗浄処理を行う。また、薬液による洗浄処理が終了した後、薬液ノズル６０が退避位置に退避するとともに、雰囲気遮断板７０が下降し、上側処理液供給管７５および下側処理液供給管２５から回転する基板Ｗの表裏両面に純水を供給して純水リンス処理を行う。
　このような処理液を用いた基板Ｗの洗浄処理を行っている間、冷却ノズル３０は冷却ガスのアイドリングを行っている（ステップＳ１）。典型的には、基板処理装置１が設置されるクリーンルーム内は半導体製造分野における常温である約２３℃に温調されている。よって、冷却ガスを吐出していない冷却ノズル３０およびノズルアーム３１の内部の流路３０１も概ね常温となる。冷却ノズル３０から基板Ｗに向けて冷却ガスの吐出処理を行う際に、流路３０１が常温であると純水の凝固点よりも低い温度に冷却された冷却ガスが流路３０１によって加温されることとなり、流路３０１自体の温度が低下するまで冷却ガスを吐出することが困難となる。このため、必要なときに直ちに冷却ガスを吐出することができるように、図９に示す時刻ｔ０から時刻ｔ１の待機状態では比較的小さな流量にて冷却ガスを冷却ノズル３０に送給して流路３０１を低温に維持するアイドリングを行っているのである。
　具体的には、時刻ｔ０～時刻ｔ１の待機状態では冷却ノズル３０はスプラッシュガード２８よりも外方の退避位置に位置決めされている。そして、待機状態の冷却ノズル３０にガス供給源３０３および熱交換器３０４から冷却ガスが送給される。冷却ノズル３０に送給される冷却ガスの流量は流量調整バルブ３０５によって小流量に調整されている。また、第１シャッター３５が吐出口３７を閉塞するとともに、第２シャッター３６がリーク開口３８を開放する。これにより、送給された小流量の冷却ガスがノズルアーム３１および冷却ノズル３０の流路３０１に沿って流れてリーク開口３８から放出され、流路３０１が低温に維持されることとなる。その結果、冷却ノズル３０は必要なときに直ちに冷却ガスを吐出することができる。
　また、流路３０１に沿って冷却ノズル３０に送給された小流量の冷却ガスはリーク開口３８のみから放出され、吐出口３７からは全く放出されない（図３参照）。処理液を用いた液処理を行うチャンバー１０の内部は一般的には高湿度環境となっており、小流量であっても冷却ガスを冷却ノズル３０の吐出口３７から吐出していると、吐出口３７の近傍にチャンバー１０内の水分が凝結して霜が付着する。第１実施形態においては、冷却ガスが吐出口３７とは異なるリーク開口３８のみから放出され、吐出口３７からは全く放出されないため、吐出口３７の近傍に霜が付着するのを防止することができる。その結果、冷却ノズル３０が基板Ｗの上方の処理位置に移動したときに吐出口３７に付着した霜が基板Ｗ上に落下して当該基板Ｗを汚染するおそれもなくなる。
　また、冷却ノズル３０のリーク開口３８から放出された冷却ガスはガス回収部５０によって吸引されて回収される。従って、待機状態にてリーク開口３８から放出された冷却ガスがチャンバー１０内に拡散することが抑制され、チャンバー１０内が冷却されることに起因したミストの凝結や微小な氷粒の発生を防止することができる。ガス回収部５０によって回収された冷却ガスは、再度冷却ノズル３０に送給して再利用することも可能である。
　さらに、待機状態では冷却ノズル３０の吐出口３７を閉塞する第１シャッター３５が温調部８０によって概ね常温に温調されている。従って、冷却ノズル３０の吐出口３７も温調部８０によって間接的に概ね常温に温調されることとなり、吐出口３７の近傍に霜が付着するのをより確実に防止することができる。
　次に、スピンチャック２０が基板Ｗを回転させつつ、上側処理液供給管７５から基板Ｗの表面の回転中心に純水を供給する。このとき、凝固点（０℃）近傍にまで冷却した純水を基板Ｗに供給するようにしても良い。基板Ｗの表面に供給された純水は、基板Ｗの回転に伴う遠心力によって基板Ｗの表面上を径方向外向きに均一に拡がる。供給された純水の一部は遠心力によって基板Ｗの外方に振り切られる。これにより、基板Ｗの表面の全面にわたって均一な所定の厚さを有する純水の液膜（水膜）が形成される（ステップＳ２）。図５は、上側処理液供給管７５から純水を供給して基板Ｗの表面に液膜５を形成した状態を示す図である。なお、基板Ｗの回転を停止させた状態で基板Ｗの表面に純水を供給して液膜を形成するようにしても良い。
　液膜形成が終了すると、雰囲気遮断板７０が上昇して基板Ｗの表面から離間する。このとき、冷却ノズル３０は退避位置にて待機状態であり、流路３０１を低温に維持するために送給された小流量の冷却ガスをリーク開口３８から放出している。そして、時刻ｔ１に制御部９０の制御下にて冷却ノズル３０は待機状態から動作状態に切り換わる。但し、時刻ｔ１の時点では、冷却ノズル３０はスプラッシュガード２８よりも外方の退避位置に停留したまま動作状態に切り換わる。
　具体的には、時刻ｔ１に第１シャッター３５が吐出口３７を開放するとともに、第２シャッター３６がリーク開口３８を閉塞する。また、流量調整バルブ３０５は、冷却ノズル３０に送給する冷却ガスの流量を小流量から大流量に増大する。冷却ノズル３０に送給される冷却ガスは熱交換器３０４によって少なくとも液膜５を構成する純水の凝固点（０℃）よりも低い温度（例えば、－１５０℃）に冷却されている。送給された大流量の冷却ガスは、ノズルアーム３１および冷却ノズル３０の流路３０１に沿って流れてバッファ空間３０６に流入し、吐出口３７から下方に向けて吐出される（図２参照）。上述の待機状態の間、小流量の冷却ガスを流すことによって流路３０１が低温に維持されているため、時刻ｔ１に待機状態から動作状態に切り換わると同時に冷却ガスを吐出口３７から吐出することができる。
　時刻ｔ１に動作状態に切り換えられた後は、冷却ノズル３０に送給された冷却ガスは吐出口３７のみから吐出され、リーク開口３８からは全く放出されない。また、動作状態にて冷却ノズル３０の吐出口３７から吐出される冷却ガスの流量は、待機状態にてリーク開口３８から放出される冷却ガスの流量よりも多い。
　冷却ノズル３０が動作状態に切り換えられた後、時刻ｔ２に冷却ノズル３０が退避位置から基板Ｗの上方の処理位置に向けて移動を開始する（ステップＳ３）。冷却ノズル３０は回動モータ３３によって回動されることによって処理位置に向けて移動する。退避位置から離れた冷却ノズル３０はスプラッシュガード２８を越えて基板Ｗの端縁部上方を通過し、時刻ｔ３に基板Ｗの中心部上方に到達する。図６は、液膜５が形成された基板Ｗの中心部上方に冷却ノズル３０が到達した状態を示す図である。冷却ノズル３０は既に時刻ｔ１に動作状態に切り換えられており、退避位置から処理位置に向けて移動中も吐出口３７から冷却ガスを吐出し続けている。なお、このときには比較的高速で冷却ノズル３０が基板Ｗの中心部上方にまで移動するため、冷却ガスによって液膜５が凍結されることはない。
　続いて、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて冷却ノズル３０が大流量にて送給された冷却ガスを吐出口３７から回転する基板Ｗに向けて吐出しつつ、基板Ｗの中心部上方から端縁部上方に向けて徐々に走査移動していく。図７は、冷却ガスを吐出する冷却ノズル３０が基板Ｗの中心部上方から端縁部上方に向けて走査移動する状態を示す図である。
　冷却ノズル３０から吐出される冷却ガスの温度は、液膜５を構成する純水の凝固点よりも低温である。そのような低温の冷却ガスを冷却ノズル３０から大流量にて液膜５に吹き付けることによって、基板Ｗ上の液膜５のうちの冷却ガスが吹き付けられた部分が局所的に冷却されて凍結する。そして、冷却ガスを吐出する冷却ノズル３０が回転する基板Ｗの中心部上方から端縁部上方に向けて徐々に走査移動することにより、基板Ｗの中心部から端縁部に向けて液膜５が凍結していくこととなる（ステップＳ４）。これにより、基板Ｗ上には純水の凍結膜７が形成され、その凍結膜７の形成領域は冷却ノズル３０の走査移動にともなって徐々に拡大する。
　やがて時刻ｔ４に冷却ノズル３０が基板Ｗの端縁部上方に到達したときには、基板Ｗ上の液膜５の全体が凍結する。図８は、基板Ｗ上の液膜５の全体が凍結した状態を示す図である。時刻ｔ４に冷却ノズル３０が基板Ｗの端縁部上方に到達した時点で基板Ｗ上の液膜５の全体が凍結して凍結膜７に相転移している。
　また、冷却ノズル３０が基板Ｗの端縁部上方に到達した時刻ｔ４に冷却ノズル３０は動作状態から待機状態に切り換わる。具体的には、時刻ｔ４に第１シャッター３５が吐出口３７を閉塞するとともに、第２シャッター３６がリーク開口３８を開放する。また、流量調整バルブ３０５は、冷却ノズル３０に送給する冷却ガスの流量を大流量から小流量に減少する。送給された小流量の冷却ガスは、ノズルアーム３１および冷却ノズル３０の流路３０１に沿って流れてリーク開口３８から放出される。
　また、時刻ｔ４には、冷却ノズル３０が基板Ｗの端縁部上方から退避位置に向けて戻る移動を開始する。基板Ｗの端縁部上方から離れた冷却ノズル３０はスプラッシュガード２８を越えて時刻ｔ５に退避位置に到達する。そして、退避位置に戻った待機状態の冷却ノズル３０は再び冷却ガスのアイドリングを行う（ステップＳ５）。すなわち、冷却ノズル３０に送給された小流量の冷却ガスがノズルアーム３１および冷却ノズル３０の流路３０１に沿って流れ、流路３０１が低温に維持される。流路３０１に沿って送給された小流量の冷却ガスはリーク開口３８のみから放出される。そのリーク開口３８から放出された冷却ガスはガス回収部５０によって回収される。
　基板Ｗ上の液膜５の全体が凍結し、冷却ノズル３０が基板Ｗの端縁部上方から離れた後、雰囲気遮断板７０が下降して基板Ｗの表面に近接する。そして、上側処理液供給管７５から基板Ｗ上の凍結膜７に向けて常温の純水を供給してリンス処理を行う（ステップＳ６）。常温の純水が供給されることによって、凍結膜７が融解する。リンス処理を行う際には、上側ガス供給路７９および下側ガス供給路２９から窒素ガスを供給して雰囲気遮断板７０とスピンベース２３との間に挟まれた空間を窒素雰囲気とするようにしても良い。
　凍結膜７の全体が完全に融解した後、上側処理液供給管７５からの純水供給を停止し、スピンチャック２０が基板Ｗを高速回転させることによって基板Ｗ上の液滴を振り切るスピン乾燥処理を行う（ステップＳ７）。スピン乾燥処理を行う際には、上側ガス供給路７９および下側ガス供給路２９から基板Ｗの表裏面に乾燥ガスとしての常温の窒素ガスを吹き付けつつ基板Ｗを高速回転させるのが好ましい。このようにして乾燥処理が終了すると、処理済みの基板Ｗがチャンバー１０から搬出されて１枚の基板Ｗに対する洗浄処理が完了する。
　上述のような液膜５を凍結させることによって基板Ｗの表面を洗浄する原理について簡単に説明する。上記の如く冷却ガスを吹き付けて純水の液膜５を凍結させると、基板Ｗの表面とその表面に付着したパーティクルとの間に入り込んだ純水の体積が増加（０℃の水が０℃の氷に相転移すると、その体積は概ね１．１倍に増加する）し、当該パーティクルが微小距離だけ基板Ｗの表面から離される。その結果、基板Ｗの表面とパーティクルとの間の付着力が低減され、パーティクルが基板Ｗの表面から脱離することとなる。このとき、基板Ｗの表面に微細なパターンが形成されている場合であっても、液膜５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ついて等しく、パターンに加えられる力が相殺される。このため、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Ｗの表面から脱離させることができる。そして、凍結膜７に常温の純水を供給して凍結膜７を融解し、リンス処理によって洗い流すことにより、基板Ｗの表面からパーティクル等の汚染物質を除去することができるのである。
　第１実施形態においては、冷却ノズル３０が動作状態のときには、第１シャッター３５が吐出口３７を開放するとともに、第２シャッター３６がリーク開口３８を閉塞することにより、冷却ノズル３０に送給された冷却ガスは吐出口３７から吐出される。一方、冷却ノズル３０が待機状態のときには、第１シャッター３５が吐出口３７を閉塞するとともに、第２シャッター３６がリーク開口３８を開放することにより、冷却ノズル３０に送給された冷却ガスはリーク開口３８から放出される。すなわち、第１実施形態では、第１シャッター３５および第２シャッター３６によって、冷却ノズル３０に送給された冷却ガスを動作状態では吐出口３７から吐出させるとともに、待機状態ではリーク開口３８から放出させるように冷却ノズル３０内の流路を切り換えているのである。待機状態のときには、動作状態で冷却ガスを吐出する吐出口３７とは異なるリーク開口３８のみから冷却ガスを放出しており、吐出口３７からは冷却ガスが全く放出されないため、冷却ノズル３０の吐出口３７への霜の付着を効果的に防止することができる。
　　＜第２実施形態＞
　次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の基板処理装置の全体構成は第１実施形態と概ね同様である。また、第２実施形態における基板Ｗの処理内容についても第１実施形態と概ね同じである。第２実施形態が第１実施形態と相違するのは、冷却ノズル３０内の流路を切り換える機構である。
　図１０および図１１は、第２実施形態の冷却ノズル１３０の構成を示す図である。図１０には動作状態の冷却ノズル１３０を示し、図１１には待機状態の冷却ノズル１３０を示す。第２実施形態の冷却ノズル１３０は、いわゆるソレノイドバルブ（電磁弁）の機構を有する。冷却ノズル１３０の内部には可動コア（可動鉄心）１３１が設けられており、その可動コア１３１はコイル１３２に電流が流れることによって駆動される。
　冷却ノズル１３０が動作状態のときには、ガス供給配管３０２に接続されて冷却ガスが送給される流路３０１が吐出口３７に連通するように、つまりリーク開口３８に至る流路が閉塞されるように可動コア１３１がコイル１３２によって位置決めされている（図１０）。これにより、冷却ノズル１３０に送給された冷却ガスは吐出口３７から吐出される。
　一方、冷却ノズル３０が待機状態のときには、冷却ガスが送給される流路３０１がリーク開口３８に連通するように、つまり吐出口３７に至る流路が閉塞されるように可動コア１３１がコイル１３２によって位置決めされている（図１１）。これにより、冷却ノズル１３０に送給された冷却ガスはリーク開口３８から放出される。
　このように、第１実施形態ではシャッター機構によって流路を切り換えていたのに代えて、第２実施形態においてはソレノイドバルブによって、冷却ノズル３０に送給された冷却ガスを動作状態では吐出口３７から吐出させるとともに、待機状態ではリーク開口３８から放出させるように冷却ノズル１３０内の流路を切り換えているのである。第２実施形態においても、待機状態のときには、動作状態で冷却ガスを吐出する吐出口３７とは異なるリーク開口３８のみから冷却ガスを放出しており、吐出口３７からは冷却ガスが全く放出されないため、冷却ノズル１３０の吐出口３７への霜の付着を効果的に防止することができる。なお、流路を切り換える機構を除く残余の第２実施形態の構成および動作内容については第１実施形態と同様である。
　　＜変形例＞
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明は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、上記実施形態においては、純水によって基板Ｗの表面に液膜を形成していたが、液膜を構成する液体は純水に限定されるものではない。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、または純水に少量の界面活性剤を加えた液体によって基板Ｗの表面に液膜を形成するようにしても良い。
　また、上記実施形態においては、冷却ガスとして液膜を構成する純水の凝固点よりも低い温度に冷却された窒素ガスを用いていたが、冷却ガスは窒素ガスに限定されるものではない。例えば、アルゴンガスのような希ガスや他の不活性ガス、或いは乾燥空気等を冷却ガスとして用いるようにしても良い。
　また、チャンバー１０内に設けられていた雰囲気遮断板７０は必須の要素ではなく、本発明に係る技術は雰囲気遮断板を設けていない装置にも適用可能である。また、チャンバー１０内には、処理液と加圧した気体とを混合して液滴を生成し、その液滴と気体との混合流体を基板Ｗに噴射する二流体ノズルが設けられていても良い。
　また、上記実施形態においては、待機状態のときに冷却ノズル３０の吐出口３７を温調部８０によって概ね常温に温調していたが、温調部８０による温調温度は常温に限定されるものではない。温調部８０は、冷却ノズル３０の吐出口３７を少なくとも冷却ガスよりも高い温度に温調すれば良く、吐出口３７への霜の付着を防止する観点からはチャンバー１０内に存在する蒸気の凝結点よりも高い温度に吐出口３７を温調するのが好ましい。
　また、温調部８０は、ランプまたはヒータによって第１シャッター３５および吐出口３７を加温する機構であっても良い。
　また、本発明に係る技術によって処理対象となる基板は半導体ウェハーに限定されるものではなく、液晶表示装置などのフラットパネルディスプレイに用いるガラス基板や太陽電池用の基板であっても良い。
　本発明に係る技術は、半導体ウェハー等の基板の表面に形成された液膜に冷却ガスを吐出して当該を凍結させて基板の洗浄処理を行う基板処理装置および基板処理方法に好適に適用することができる。
　１　基板処理装置
　５　液膜
　７　凍結膜
　１０　チャンバー
　２０　スピンチャック
　３０，１３０　冷却ノズル
　３１　ノズルアーム
　３３　回動モータ
　３５　第１シャッター
　３６　第２シャッター
　３７　吐出口
　３８　リーク開口
　５０　ガス回収部
　７０　雰囲気遮断板
　７５　上側処理液供給管
　８０　温調部
　９０　制御部
　３０１　流路
　３０２　ガス供給配管
　３０３　ガス供給源
　３０４　熱交換器
　３０５　流量調整バルブ
　３０６　バッファ空間
　Ｗ　基板

Claims (12)

  1. 　基板の表面に形成された液膜に前記液膜を構成する液体の凝固点よりも低温の冷却ガスを吐出して前記液膜を凍結させる基板処理装置であって、
    　前記基板を収容するチャンバーと、
    　前記チャンバー内にて前記基板を保持する保持部と、
    　前記冷却ガスを吐出する冷却ノズルと、
    を備え、
    　前記冷却ノズルは、前記保持部に保持された前記基板に向けて前記冷却ガスを吐出するときの動作状態と、退避位置にて待機しているときの待機状態との間で切り換えられ、
    　前記冷却ノズルは、
    　前記動作状態にて前記冷却ガスを吐出する吐出口と、
    　前記待機状態にて前記冷却ガスを放出するリーク開口と、
    　前記冷却ノズルに送給された前記冷却ガスを、前記動作状態では前記吐出口から吐出させるとともに、前記待機状態では前記リーク開口から放出させるように流路を切り換える流路切換部と、
    を備える基板処理装置。
  2. 　請求項１記載の基板処理装置において、
    　前記待機状態にて前記吐出口を少なくとも前記冷却ガスよりも高い温度に温調する温調部をさらに備える基板処理装置。
  3. 　請求項２記載の基板処理装置において、
    　前記温調部は、前記待機状態にて前記吐出口を前記チャンバー内に存在する蒸気の凝結点よりも高い温度に温調する基板処理装置。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれかに記載の基板処理装置において、
    　前記待機状態にて前記リーク開口から放出された前記冷却ガスを回収する回収部をさらに備える基板処理装置。
  5. 　請求項１から請求項４のいずれかに記載の基板処理装置において、
    　前記動作状態にて前記吐出口から吐出される前記冷却ガスの流量は前記待機状態にて前記リーク開口から放出される前記冷却ガスの流量よりも多い基板処理装置。
  6. 　請求項１から請求項５のいずれかに記載の基板処理装置において、
    　前記流路切換部は、
    　前記動作状態では前記吐出口を開放するとともに、前記待機状態では前記吐出口を閉塞する第１シャッターと、
    　前記動作状態では前記リーク開口を閉塞するとともに、前記待機状態では前記リーク開口を開放する第２シャッターと、
    を備える基板処理装置。
  7. 　請求項１から請求項５のいずれかに記載の基板処理装置において、
    　前記流路切換部は、前記冷却ガスが送給される流路を、前記動作状態では前記吐出口に連通させるとともに、前記待機状態では前記リーク開口に連通させるソレノイドバルブを備える基板処理装置。
  8. 　基板の表面に形成された液膜に前記液膜を構成する液体の凝固点よりも低温の冷却ガスを吐出して前記液膜を凍結させる基板処理方法であって、
    　前記基板の上面に前記液膜を形成する液膜形成工程と、
    　冷却ノズルから前記基板に前記冷却ガスを吐出して前記液膜を凍結させる凍結工程と、
    　凍結した前記液膜を融解して除去する融解工程と、
    を備え、
    　前記冷却ノズルは、前記凍結工程にて前記基板に向けて前記冷却ガスを吐出するときの動作状態と、退避位置にて待機しているときの待機状態との間で切り換えられ、
    　前記冷却ノズルに送給された前記冷却ガスを、前記動作状態では前記冷却ノズルに設けられた吐出口から吐出させるとともに、前記待機状態では前記冷却ノズルに設けられたリーク開口から放出させる基板処理方法。
  9. 　請求項８記載の基板処理方法において、
    　前記待機状態では、前記吐出口を少なくとも前記冷却ガスよりも高い温度に温調する基板処理方法。
  10. 　請求項９記載の基板処理方法において、
    　前記待機状態では、前記吐出口を前記チャンバー内に存在する蒸気の凝結点よりも高い温度に温調する基板処理方法。
  11. 　請求項８から請求項１０のいずれかに記載の基板処理方法において、
    　前記待機状態では、前記リーク開口から放出された前記冷却ガスを回収する基板処理方法。
  12. 　請求項８から請求項１１のいずれかに記載の基板処理方法において、
    　前記動作状態にて前記吐出口から吐出される前記冷却ガスの流量は前記待機状態にて前記リーク開口から放出される前記冷却ガスの流量よりも多い基板処理方法。
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