JP6467260B2 - 基板処理方法および基板処理装置 - Google Patents

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）の上面に形成された液膜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上面を洗浄する基板処理方法および基板処理装置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。例えば特許文献１に記載された装置においては、基板表面に脱イオン水（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、低温の窒素ガスを基板の表面に向けて吹き付けてＤＩＷの液膜を凍結させる。これにより、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２００８−７１８７５号公報（第３図）

しかしながら、上記従来技術では、低温の窒素ガスを生成するために、高価な液体窒素を用いる必要があり、これが基板の表面に凝固体を形成するための処理コストを増大させる主要因のひとつとなっている。しかも、冷却媒体として低温気体を用いているため、冷却効率の面でも必ずしも良好とは言えず、基板の表面に形成された液膜を低コストで効率よく凝固させる技術の改良が望まれている。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、低コストで効率よく基板の上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、水平姿勢の基板の表面に形成された凝固対象液の液膜を冷却部材を用いて凝固させて凝固体を形成する凝固体形成工程を備え、凝固体形成工程は、冷却部材のうち凝固対象液の凝固点よりも低温の処理面を液膜に着液させて表面と処理面とに挟まれる領域に位置する凝固対象液を凝固させる第１工程と、第１工程により凝固された凝固領域から処理面を剥離する第２工程とを有し、凝固領域と処理面との付着力は、凝固領域と表面との付着力よりも小さいことを特徴としている。

また、この発明の他の態様は、表面に凝固対象液の液膜が形成された基板を水平姿勢で保持する基板保持部と、凝固対象液の凝固点よりも低温の処理面を有する冷却部材と、基板保持部に保持される基板の表面に対して冷却部材を相対移動させる移動部とを備え、処理面が液膜に着液するように冷却部材を移動させて表面と処理面とに挟まれる領域に位置する凝固対象液を凝固して凝固領域を形成した後で冷却部材を移動することで凝固領域から処理面を剥離させる動作を行って液膜を凝固させて凝固体を形成し、処理面は、凝固領域との付着力が凝固領域と表面との付着力よりも小さい材料で構成されることを特徴としている。

以上のように、本発明によれば、凝固対象液の凝固点よりも低温の処理面が液膜に着液して基板の表面と処理面とに挟まれる領域に位置する凝固対象液が上記処理面により効率よく凝固されて凝固領域が形成される。ただし、冷却部材の処理面を直接液膜に当接させているため、当該凝固領域は基板の表面に付着するだけでなく、冷却部材の処理面にも付着してしまう。したがって、基板の表面に凝固体を形成するためには、上記凝固動作に続けて冷却部材を凝固領域から剥離する必要がある。そこで、本発明では、冷却部材の処理面と凝固領域との付着力が、基板の表面と凝固領域との付着力よりも小さくなるように構成している。そのため、冷却部材が移動すると、基板の表面に凝固領域を残存させたまま凝固領域から処理面のみが剥離され、低コスト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。

冷却部材の剥離性を検証するための検証実験の手順を模式的に示す図である。 冷却部材による凝固可能性を検証するための検証実験の手順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１実施形態を示す図である。 図３の基板処理装置の部分平面図である。 図３に示す基板処理装置の動作を示すフローチャートである。 基板処理装置の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実施形態を示す図である。 図７の基板処理装置の動作を示す図である。 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他の実施形態を示す図である。

Ａ．冷却部材による液膜の直接凝固
特許文献１に記載の装置では、冷却ガス吐出ノズルが基板の表面（上面）に形成されたＤＩＷの液膜の上方に離間して配置され、ＤＩＷの凝固点より低い温度を有する冷却ガス（例えば窒素ガス）が冷却ガス吐出ノズルから液膜に吹き付けられる。したがって、冷媒として気体成分を用いているために冷却効率の低下は避けられない。そこで、冷却部材（固体）の少なくとも一部の面（以下「処理面」という）を液膜の凝固点より低い温度に冷却し、当該処理面を液膜に直接当接させて凝固させることで冷却効率を向上させるという着想が本願発明者らに生まれた。しかしながら、このような着想を具現化するためには、以下の２つの技術事項について検討する必要がある。

Ａ−１．冷却部材の剥離性
まず第１点目の技術事項は、冷却部材の剥離性である。冷却部材の処理面を液膜に着液して液膜を凝固させると、基板の表面と処理部材の処理面とで挟まれた領域が凝固して基板の表面に付着するが、こうして凝固した領域は冷却部材の処理面にも付着してしまう。したがって、基板の表面に凝固体を良好に形成するためには、上記凝固動作に続けて冷却部材の処理面を凝固領域から確実に剥離する必要がある。

材料表面に凍結した氷の付着力、つまり着氷力について種々の研究がなされている。例えば「着雪氷防止技術に関する研究（第１報）」（北海道立工業試験場報告Ｎｏ．２９２，１９９３年，ｐ．１３−２２）では、各種材料の着氷力が測定されている。この研究で報告されているように、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン：polytetrafluoroethylene）やフッ素樹脂塗装鋼板などで用いられるフッ素系材料、シリコン系材料、ＰＥ（ポリエチレン：polyethylene）などは、シリコン基板の着氷力（３．３［ｋｇｆ／ｃｍ^２］）よりも低く、これらを冷却部材の処理面を構成する材料として用いることで凝固領域（氷領域）から処理面を優先的に剥離することができると考えられる。そこで、本願発明者らは、図１に示す検証実験を行って冷却部材の剥離性を検証した。

図１は冷却部材の剥離性を検証するための検証実験の手順を模式的に示す図である。冷却部材の剥離性を検証するために、水平姿勢のシリコン基板Ｗ（以下、単に「基板Ｗ」という）の表面Ｗｆに対して紫外線光ＵＶを約２０分間照射して表面Ｗｆに付着する有機物汚染を除去する（図１の（ａ）参照）。一方、アルミニウム基材１１ａの下方部にＰＴＦＥテープ１１ｂを貼り付けた第１試料片１１と、ＰＴＦＥをブロック状に成形した第２試料片１２とを予め準備している。そして、第１試料片１１の下面１１ｃ（ＰＴＦＥテープ１ｂのＰＴＦＥ面）および第２試料片１２の下面１２ａを本発明の「処理面」として見立て、基板Ｗの表面Ｗｆに対向させながら両試料片１１、１２がスペーサ１３を介して基板Ｗの表面Ｗｆに載置される。これによって、図１の（ｂ）に示すように、第１試料片１１の下面１１ｃおよび第２試料片１２の下面１２ａがスペーサ１３の厚み分だけ基板Ｗの表面Ｗｆから上方に離間して位置してギャップ部１４を形成する。なお、本検証実験では、スペーサ１３の厚みを２［ｍｍ］に設定している。

次に、第１試料片１１の下面１１ｃおよび第２試料片１２の下面１２ａと基板Ｗの表面Ｗｆとのギャップ部１４にシリンジ１５からＤＩＷを注入し、各ギャップ部１４をＤＩＷで満たす（図１の（ｃ）参照）。これによって、後述する実施形態で示すように基板Ｗの表面Ｗｆに形成されたＤＩＷの液膜に冷却部材の処理面を着液したと等価な着液状況を構築している。そして、このような着液状況のまま基板Ｗを冷凍庫に収納してＤＩＷを凝固させて凝固領域１６ａ、１６ｂを形成する（図１の（ｄ）参照）。なお、凝固領域１６ａは第１試料片１１の下面１１ｃおよび基板Ｗの表面Ｗｆで挟まれた領域のＤＩＷを凍結させてなる領域であり、凝固領域１６ｂは第２試料片１２の下面１２ａおよび基板Ｗの表面Ｗｆで挟まれた領域のＤＩＷを凍結させてなる領域である。また、凝固時にＤＩＷは体積膨張するが、その体積増加分だけ凝固領域１６ａ、１６ｂはギャップ部１４から水平方向に逃げ、ギャップ部１４に存在するＤＩＷは基板Ｗの表面Ｗｆと試料片１１の下面１１ｃ（処理面）および試料片１２の下面１２ａ（処理面）との密着を保ったまま凝固して凝固領域を形成する。

こうして凝固した場合の各界面で発生する付着力
Ｆ１１：第１試料片１１の下面１１ｃに対する凝固領域１６ａの着氷力、
Ｆ１２：基板Ｗの表面Ｗｆに対する凝固領域１６ａの着氷力、
Ｆ２１：第２試料片１２の下面１２ａに対する凝固領域１６ｂの着氷力、
Ｆ２２：基板Ｗの表面Ｗｆに対する凝固領域１６ｂの着氷力、
は、以下の関係、
Ｆ１１＜Ｆ１２ …（１）式
Ｆ２１＜Ｆ２２ …（２）式
を示すと上記研究報告から推測される。

そこで、図１の（ｅ）に示すように、冷凍庫内で断熱手袋を装着した手の指で押すことによって試料片１１、１２の側面を水平方向の力Ｆａ、Ｆｂを加えたところ、第１試料片１１および第２試料片１２のいずれにおいても、基板Ｗの表面Ｗｆと凝固領域１６ａ、１６ｂとはしっかりと付着したまま、第１試料片１１の下面１１ｃと凝固領域１６ａとの界面で凝固領域１６ａからの第１試料片１１の剥離が発生し、第２試料片１２の下面１２ａと凝固領域１６ｂとの界面で凝固領域１６ｂからの第２試料片１２の剥離が発生した。これによって、図１の（ｆ）に示すように、基板Ｗの表面Ｗｆに所望形状の凝固領域１６ａ、１６ｂを形成しつつ試料片１１、１２はそれぞれ良好に凝固領域１６ａ、１６ｂから剥離される。

よって、図１に示す検証実験から明らかなように、冷却部材によって液膜を凝固させた際に、冷却部材の処理面が凝固領域と付着したとしても、冷却部材の処理面を構成する材料が下記の関係、
（処理面に対する凝固領域の着氷力）＜（表面Ｗｆに対する凝固領域の着氷力）
を満足することで冷却部材を凝固領域から優先的に剥離させ、凝固領域を所望形状のまま確実に基板Ｗの表面Ｗｆに残存させることができる。なお、ここでは本発明の「凝固対象液」としてＤＩＷを用いる場合について説明したが、その他の液体を本発明の「凝固対象液」として用いる場合も同様である。

Ａ−２．冷却部材による液膜の凝固可能性
上記検証実験では、冷凍庫に基板Ｗを収納することで液膜を凝固させているが、冷却部材の液膜への着液によって液膜を凝固させることが合理的に可能であるか否かを検証する必要がある。そこで、本願発明者らは、図２に示す検証実験を行って冷却部材による凝固可能性を検証した。

図２は冷却部材による凝固可能性を検証するための検証実験の手順を模式的に示す図である。冷却部材による凝固可能性を検証するために、図１に示す検証実験で使用した第１試料片と同様の構成を有する試料片１１を冷却部材として準備し、図２の（ａ）に示すように、タンク１８に貯留された液体窒素に浸漬して試料片１１を冷却する。そして、タンク１８から冷却された試料片１１を室温雰囲気に取り出し、試料片１１を構成するアルミニウム基材１１ａの温度が−３０℃に達するまで温める（図２の（ｂ）参照）。なお、−３０℃に調整された試料片１１の処理面１１ｃの温度（ＰＴＦＥテープ１１ｂの表面温度）は−１０℃であった。

一方、試料片１１の冷却および温度調整と並行してＤＩＷの液膜を有する基板Ｗを準備しておく。この検証実験においても、基板Ｗの表面Ｗｆに対して紫外線光照射による有機物汚染の除去が行われており、当該表面Ｗｆに形成されたＤＩＷの液膜１９は室温（２１℃）であった。そして、この液膜１９に対して上記のように温度調整された試料片１１の処理面１１ｃが着液するように試料片１１を基板Ｗの表面Ｗｆに載置する（図２の（ｃ）参照）。さらに、図２の（ｄ）に示すように１０秒間待機することで試料片１１の下面１１ｃおよび基板Ｗの表面Ｗｆで挟まれた領域のＤＩＷが凍結されて凝固領域１６ａが形成される。その後で、断熱手袋を装着した手の指で押すことによって試料片１１の側面に水平方向の力Ｆａを加えたところ、試料片１１は凝固領域１６ａから円滑に剥離して水平方向に移動するとともに、液膜１９のうち試料片１１が通過した領域が凍結して凝固領域１６ａが水平方向に拡幅されることを確認した（図２の（ｅ）参照）。

図２に示す検証実験から明らかなように、ＤＩＷの凝固点よりも低い温度に調整された冷却部材の処理面を液膜に着液することで処理面と基板Ｗの表面Ｗｆとに挟まれた領域を凝固させることが可能である。しかも、冷却部材の温度は−３０℃程度で凝固可能であり、冷却部材を液膜に直接接触させて凝固させることが合理的に可能であることが確認された。さらに、図２の検証実験においても、冷却部材を凝固領域から優先的に剥離させ、凝固領域を所望形状のまま確実に基板Ｗの表面Ｗｆに残存させることが可能なことも併せて確認された。

Ａ−３．まとめ
上記した２つの検証実験に基づき、液膜の凝固点より低温の冷却部材の処理面を液膜に直接当接させることで凝固領域を形成することが可能であり、しかも人の指で押す程度の小さな力によって冷却部材を移動させることで凝固領域を基板Ｗの表面Ｗｆに残存させたまま冷却部材を凝固領域から剥離することが可能であることが明らかとなった。そこで、本願発明者らは上記した着想を具現化した実施形態を創作した。以下、図３ないし図６を参照しつつ本発明にかかる基板処理装置および基板処理方法の第１実施形態について詳述する。

Ｂ．第１実施形態
図３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る。また、図４は図３の基板処理装置の部分平面図である。この基板処理装置は、半導体ウエハ等の基板Ｗの表面Ｗｆに付着したパーティクルなどの汚染物質を除去するための洗浄処理に用いられる枚葉式の基板処理装置である。なお、図３および図４では、各図の方向関係を明確にするために、ＸＹＺ直角座標軸が示される。

この基板処理装置は、基板Ｗよりも若干大きな平面サイズを有するスピンベース２１を有している。また、スピンベース２１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２２が立設されている。チャックピン２２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２１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２２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。また、各チャックピン２２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で切り替え可能となっており、装置全体を制御する制御ユニット（図示省略）からの動作指令に応じて状態切替が実行される。

より詳しくは、スピンベース２１に対して基板Ｗが受渡しされる際には、各チャックピン２２を解放状態とし、基板Ｗに対して洗浄処理を行う際には、各チャックピン２２を押圧状態とする。各チャックピン２２を押圧状態とすると、各チャックピン２２は基板Ｗの周縁部を把持して、基板Ｗがスピンベース２１から所定間隔を隔てて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を上方に向けた状態で保持される。このように本実施形態では、スピンベース２１とチャックピン２２とで基板Ｗを保持しているが、基板保持方式はこれに限定されるものではなく、例えば基板Ｗをスピンチャックなどの吸着方式により保持するようにしてもよい。

スピンベース２１には、図３に示すように、回転軸３１が連結されている。この回転軸３１はベルト３２を介してモータ３３の出力回転軸３４と連結されている。そして、制御ユニットからの制御信号に基づきモータ３３が作動すると、そのモータ駆動に伴って回転軸３１が回転する。これによって、スピンベース２１の上方でチャックピン２２により保持されている基板Ｗはスピンベース２１とともに回転軸心Ｐａ回りに回転する。

こうして回転駆動される基板Ｗの表面Ｗｆに対してＤＩＷを供給するためのＤＩＷ吐出ノズル４１がスピンベース２１の上方位置に配置されている。このＤＩＷ吐出ノズル４１に対してＤＩＷ供給部４２が開閉バルブ４３を介して接続されている。この開閉バルブ４３は常時閉成されており、後述するように基板ＷへのＤＩＷの液膜形成時および基板Ｗのリンス処理時には制御ユニットからの開指令に応じて開閉バルブ４３が開成する。また、このＤＩＷ吐出ノズル４１は水平に延設された第１アーム４４の先端部に取り付けられている。この第１アーム４４の後端部が、鉛直方向Ｚに延設された回転軸４５により回転中心軸Ｊ１周りに回転自在に支持されている。そして、回転軸４５に対してノズル駆動機構４６が連結されており、制御ユニットからの動作指令に応じて回転軸４５が回転中心軸Ｊ１周りに回転駆動されて第１アーム４４の先端部に取り付けられたＤＩＷ吐出ノズル４１が図４の点線に示すように基板Ｗの表面Ｗｆの上方側で移動し、また同図の実線に示すように基板Ｗから離れた待機位置に移動する。

また本実施形態では、第１アーム４４の他に、第２アーム５２が水平に延設されており、その先端部には冷却部材５３が取り付けられる一方、後端部にはヘッド駆動機構５１が連結されている。このヘッド駆動機構５１は図３に示すように回転モータ５１１を有している。そして、回転モータ５１１の回転軸５１２が第２アーム５２の後端部に連結されており、制御ユニットからの制御信号に応じて回転モータ５１１が作動すると、回転中心Ｊ２の周りに第２アーム５２が揺動して冷却部材５３を基板Ｗの表面中央部の上方位置と退避位置との間で往復移動させる。なお、本明細書では、冷却部材５３が退避位置から基板Ｗの表面中央部の上方位置に移動する動作および方向をそれぞれ「往路動作」および「往路方向」と称する一方、逆に基板Ｗの表面中央部の上方位置から退避位置に移動する動作および方向をそれぞれ「復路動作」および「復路方向」と称する。

回転モータ５１１を搭載している昇降ベース５１４は、立設されたガイド５１５に摺動自在に嵌め付けられているとともに、ガイド５１５に並設されているボールネジ５１６に螺合されている。このボールネジ５１６は、昇降モータ５１７の回転軸に連動連結されている。また、この昇降モータ５１７は制御ユニットからの制御信号に応じて作動してボールネジ５１６を回転させて冷却部材５３を上下方向に昇降させる。このように、ヘッド駆動機構５１は冷却部材５３を昇降および往復移動させる機構である。

この冷却部材５３は試料片１１と同様の構成を有している。つまり、冷却部材５３は、基板Ｗの表面Ｗｆに比べて小さな基台５３１と、基台５３１の下方部に貼り付けられたＰＴＦＥテープ５３２とを有しており、ＰＴＦＥテープ５３２のうちスピンベース２１を向いた下面５３３（図６の（ａ）参照）が本発明の「処理面」に相当している。そして、上記復路動作により冷却部材５３が退避位置に移動すると、当該退避位置に設けられた温度調整部５４（図２参照）により凍結洗浄に適した温度（本実施形態では、−３０℃）に調整される。一方、上記往路動作により冷却部材５３が基板Ｗの表面中央部の上方に位置決めされ、さらに下降されると、冷却部材５３の処理面が基板Ｗの表面Ｗｆに形成されるＤＩＷの液膜に着液して冷却部材５３の処理面と基板Ｗの表面Ｗｆとで挟まれた領域を凝固する。このように冷却部材５３は凍結ヘッドとしての機能を有している。

また、液膜形成処理、凍結・剥離処理およびリンス処理などの基板処理装置による各種処理を行っている間に、ＤＩＷが基板Ｗおよびスピンベース２１の周辺に飛散するのを防止すべく、飛散防止カップ６１がスピンベース２１を取り囲むように設けられている。すなわち、制御ユニットからの制御信号に応じてカップ昇降駆動機構６２がカップ６１を所定位置に位置決めすることで、図３に示すようにカップ６１はスピンベース２１およびチャックピン２２で保持された基板Ｗを側方位置から取り囲み、スピンベース２１および基板Ｗから飛散するＤＩＷを捕集可能となっている。

図５は図３に示す基板処理装置の動作を示すフローチャートである。また、図６は基板処理装置の動作を模式的に示す図である。この装置では、未処理の基板Ｗが装置内に搬入されると、制御ユニットが装置各部を制御して該基板Ｗに対して一連の処理が実行される。ここでは、予め表面Ｗｆを上方に向けた状態で基板Ｗが基板処理装置にローディングされ、チャックピン２２によって保持される。

基板Ｗの搬入後、制御ユニットはモータ３３を駆動させてスピンベース２１を回転させるとともに、ノズル駆動機構４６によって第１アーム４４を回動させてＤＩＷ吐出ノズル４１を基板Ｗの回転軸心Ｐａ近傍に移動し、ＤＩＷ吐出ノズル４１の吐出口（図示省略）を基板Ｗの表面Ｗｆの回転中心部に向けて位置決めする。そして、制御ユニットはＤＩＷ供給部４２および開閉バルブ４３を制御してＤＩＷ供給部４２からＤＩＷを供給し、ＤＩＷ吐出ノズル４１から吐出させる。基板Ｗの表面Ｗｆの中央部に供給されたＤＩＷは基板Ｗの回転に伴う遠心力によって基板Ｗの径方向外向きに均一に広げられ、その一部が基板Ｗ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ＤＩＷの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液膜１９（図６）が形成される（液膜形成処理：ステップＳ１）。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を振り切ることは必須の要件ではない。例えば、基板Ｗの回転を停止させた状態あるいは基板Ｗを比較的低速で回転させた状態で基板ＷからＤＩＷを振り切ることなく基板Ｗの表面Ｗｆに液膜１９を形成してもよい。なお、本実施形態では、ＤＩＷ吐出ノズル４１を基板Ｗの表面Ｗｆに向けたまま次のステップＳ２に進むが、液膜形成完了後、第１アーム４２を逆方向に回動させてＤＩＷ吐出ノズル４１を基板Ｗの上方位置から退避位置（図４の実線位置）に移動させておき、後述するようにリンス処理を行う際に、再びＤＩＷ吐出ノズル４１を移動させて位置決めしてもよい。

次のステップＳ２では、制御ユニットは基板Ｗの回転を停止させるとともにヘッド駆動機構５１によって第２アーム５２を往路方向に回動させて冷却部材５３を基板表面Ｗの回転中心部の直上位置に移動させて処理面５３３を基板Ｗの表面中央部と対向させる（図６の（ａ））。

そして、制御ユニットはさらにヘッド駆動機構５１を制御して第２アーム５２全体を下降させて、冷却部材５３の処理面５３３を液膜１９に着液させる。すると、図６の（ｂ）に示すように、液膜１９のうち処理面５３３と基板Ｗの表面Ｗｆとで挟まれた領域のＤＩＷが凝固して凝固領域１６を形成する（ステップＳ３）。これにより、当該凝固領域１６において基板Ｗの表面Ｗｆに付着していたパーティクルＰＴは元の付着位置から離間して基板Ｗの表面Ｗｆから除去される。なお、このときの冷却部材５３の位置（図６の（ｂ）で示される冷却部材５３の位置）が本発明の「初期位置」に相当している。

それに続いて、制御ユニットは基板Ｗの回転を再開させるとともにヘッド駆動機構５１によって第２アーム５２を復路方向に回動させて冷却部材５３を上記初期位置から復路方向に離れるように移動させる。これによって、図６の（ｃ）に示すように、ステップＳ３で形成された凝固領域１６から処理面５３３が剥離される（ステップＳ４）。なお、本実施形態では、基板Ｗが回転軸心Ｐａ回りに回転するとともに冷却部材５３が径方向に移動するため、鉛直上方からの平面視で処理面５３３は渦巻き状で、しかも回転軸心Ｐａから径方向に離れるように移動する。そして、処理面５３３が基板Ｗの表面Ｗｆに対向して移動している間、つまりステップＳ５で「ＹＥＳ」と判定されるまで、冷却部材５３の移動先での処理面５３３と基板Ｗの表面Ｗｆとで挟まれた領域のＤＩＷの凝固処理（ステップＳ３）および剥離処理（ステップＳ４）を繰り返して凝固領域１６を径方向に拡幅させる。

一方、ステップＳ５で「ＹＥＳ」と判定される、つまり図６の（ｄ）に示すように、基板Ｗの表面Ｗｆ全体に対して液膜１９の凝固が完了して表面Ｗｆに凝固体２０が形成される（凝固・剥離処理の完了）と、制御ユニットはヘッド駆動機構５１によって第２アーム５２を復路方向にさらに回動させて冷却部材５３を退避位置に移動させる（ステップＳ６）。そして、次の凝固処理に備えて温度調整部５４による冷却部材５３の温度調整を行う。

こうして、凝固・剥離処理が完了すると、制御ユニットは開閉バルブ４３を開成してＤＩＷを基板Ｗの表面Ｗｆに供給する。ＤＩＷ吐出ノズル４１から供給されたＤＩＷは遠心力によって流水となって基板Ｗの表面Ｗｆに広がり、その流水の一部は凝固体２０を解凍する（解凍処理：ステップＳ７）。さらに、ＤＩＷ吐出ノズル４１からのＤＩＷ供給を継続させて基板Ｗの表面Ｗｆに対してリンス処理を施し、凝固・剥離処理によって基板Ｗの表面Ｗｆから除去されたパーティクルをＤＩＷとともに基板Ｗの表面Ｗｆから除去する（リンス処理（除去工程）：ステップＳ８）。このリンス処理が完了すると、制御ユニットは開閉バルブ４３を閉成してＤＩＷ供給を停止するとともに、ノズル駆動機構４６によってＤＩＷ吐出ノズル４１を基板Ｗから離れた退避位置に移動させた後、基板Ｗをスピン乾燥させる（スピン乾燥処理：ステップＳ９）。

以上のように、本実施形態では、冷却部材５３の処理面５３３を、液膜１９の凝固点よりも低温に調整した上で、当該処理面５３３を液膜１９に着液させて凝固させているため、冷却ガスを用いていた従来技術よりも効率よく凝固領域１６を形成することができる。また、低温の処理面５３３を液膜１９に直接接触させるために冷却部材５３が凝固領域１６に付着するが、処理面５３３をＰＴＦＥで構成することで、冷却部材５３の処理面５３３と凝固領域１６との付着力が、基板Ｗの表面Ｗｆと凝固領域１６との付着力よりも小さくなっている。その結果、冷却部材５３を径方向に移動させることで、基板Ｗの表面Ｗｆに凝固領域１６を残存させたまま凝固領域１６から処理面５３３を剥離させることができる。このように、本実施形態によれば、低コストで効率よく基板Ｗの表面Ｗｆに所望形状の凝固体２０を形成することができる。

そして、当該凝固技術をいわゆる凍結洗浄技術に適用することで１枚の基板Ｗを凍結洗浄するのに要する時間、いわゆるタクトタイムを大幅に短縮し、しかも凍結洗浄のコストを抑制することができる。

Ｃ．第２実施形態
図７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。また、図８は図７の基板処理装置の動作を示す図である。第２実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は冷却部材５３の構成であり、冷却部材５３が第２アーム５２と平行な方向に延設されている点である。そして、制御ユニットがヘッド駆動機構５１によって第２アーム５２を往路方向に回動させて、図７中の点線および図８の（ａ）に示すように、冷却部材５３の先端部を基板表面Ｗの回転中心部の直上位置に移動させると、冷却部材５３の処理面５３３は基板Ｗの表面中央部から表面周縁部までの表面領域に対向する。すなわち、処理面５３３は基板Ｗの回転中心部から端縁部までの距離と同じあるいはそれ以上の長さに延設された矩形形状を有している。また、冷却部材５３の形状変更に伴い、図７に示すように、温度調整部５４は退避位置に位置決めされる第２アーム５２と平行な方向に延設されている。なお、その他の構成は第１実施形態と同一であるため、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。

このように構成された第２実施形態においても、未処理の基板Ｗが装置内に搬入されると、表面Ｗｆを上方に向けた状態で基板Ｗがチャックピン２２によって保持された後、基板Ｗの表面Ｗｆの全体に所定の厚みを有する液膜１９が形成される（液膜形成処理）。それに続いて、制御ユニットが基板Ｗの回転を停止させるとともにヘッド駆動機構５１によって第２アーム５２を往路方向に回動させ、基板Ｗの表面Ｗｆの回転中心部の直上位置から基板Ｗの表面Ｗｆの（−Ｘ）側端縁部の直上位置まで延びた状態に冷却部材５３を位置決めする（図８の（ａ））。

そして、制御ユニットはさらにヘッド駆動機構５１を制御して第２アーム５２全体を下降させて冷却部材５３の処理面５３３を液膜１９に着液させる。すると、図８の（ｂ）に示すように、液膜１９のうち処理面５３３と基板Ｗの表面Ｗｆとで挟まれた領域のＤＩＷが凝固して第１実施形態よりも径方向に長い矩形形状の凝固領域１６が一度に形成される。なお、この第２実施形態では、このときの冷却部材５３の位置（図８の（ｂ）で示される冷却部材５３の位置）が本発明の「初期位置」に相当している。

それに続いて、制御ユニットは冷却部材５３を静止したまま基板Ｗの回転を再開させて基板Ｗを少なくとも１周以上回転させる。これによって、図８の（ｃ）に示すように、基板Ｗの表面Ｗｆ全体に凝固体２０が形成される。その後で、制御ユニットはヘッド駆動機構５１によって第２アーム５２の移動を制御して凝固体２０から冷却部材５３を完全に剥離させ、さらに冷却部材５３を退避位置に移動させる。そして、次の凝固処理に備えて温度調整部５４による冷却部材５３の温度調整を行う。こうして、凝固・剥離処理が完了すると、制御ユニットは第１実施形態と同様にして凝固体２０の解凍処理、リンス処理およびスピン乾燥処理を行う。

以上のように、第２実施形態においても、液膜１９の凝固点よりも低温の処理面５３３を液膜１９に着液させて凝固させ、しかも処理面５３３をＰＴＦＥで構成しているため、低コストで効率よく基板Ｗの表面Ｗｆに所望形状の凝固体２０を形成することができる。また、第２実施形態では、一度に形成される凝固領域１６の面積が第１実施形態に比べて広いため、１枚の基板Ｗを凍結洗浄するのに要する時間、いわゆるタクトタイムを短縮してスループットのさらなる向上を図ることができる。なお、上記第２実施形態では、処理面５３３を第２アーム５２と平行な方向（長さ方向）に延設させた矩形に仕上げているが、その他の形状、例えば長円形や角丸長方形などに仕上げてもよい。

Ｄ．第３実施形態
上記第２実施形態では、冷却部材５３を直方体形状に仕上げているが、冷却部材５３を図９に示すように直円錐形状に仕上げてもよい。以下、図９を参照しつつ第３実施形態について説明する。

図９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。第３実施形態では、基板Ｗの半径以上の母線５３４を有する直円錐状冷却部材５３が用いられている。冷却部材５３は、直円錐形状の基台５３１の頂部および側面をＰＴＦＥで被覆したものであり、円錐面が処理面５３３として機能する。図示を省略するヘッド駆動機構により、直円錐状冷却部材５３は基板Ｗの表面Ｗｆに対して近接および離間駆動可能となっている。また、直円錐状冷却部材５３は頂点５３５から底面中央部に延びる回転軸心５３６を回転中心として回転自在に構成されている。なお、その他の構成は第１実施形態と同一であるため、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。

このように構成された第３実施形態においても、未処理の基板Ｗが装置内に搬入されると、表面Ｗｆを上方に向けた状態で基板Ｗがチャックピン２２によって保持された後、基板Ｗの表面Ｗｆの全体に所定の厚みを有する液膜１９が形成される（液膜形成処理）。それに続いて、制御ユニットが基板Ｗの回転を停止させるとともにヘッド駆動機構によって頂点５３５が基板Ｗの表面Ｗｆの回転中心部の直上位置に位置するとともに母線５３４が基板Ｗの表面Ｗｆの端縁部の直上位置まで表面Ｗｆと平行に延びた状態に冷却部材５３を位置決めする（図９の（ａ））。

そして、制御ユニットはさらにヘッド駆動機構を制御して冷却部材５３を鉛直下方に下降させて冷却部材５３の処理面５３３を液膜１９に着液させる。すると、図９の（ｂ）に示すように、液膜１９のうち処理面５３３と基板Ｗの表面Ｗｆとで挟まれた領域のＤＩＷが凝固して径方向に長い線状の凝固領域１６が一度に形成される。なお、この第３実施形態では、このときの冷却部材５３の位置（図９の（ｂ）で示される冷却部材５３の位置）が本発明の「初期位置」に相当している。

それに続いて、制御ユニットは基板Ｗを回転軸心Ｐａ回りに少なくとも１回転以上回転駆動するとともに当該基板回転に同期して冷却部材５３を回転軸心５３６回りに回転駆動させる。これによって、図９の（ｃ）に示すように、基板Ｗの表面Ｗｆ全体に凝固体２０が形成される。その後で、制御ユニットはヘッド駆動機構によって冷却部材５３を鉛直上方に上昇させた後で冷却部材５３の回転を停止させる。もちろん、回転停止後あるいは同時に冷却部材５３を鉛直上方に上昇させてもよい。そして、次の凝固処理に備えて温度調整部（図示省略）による冷却部材５３の温度調整を行う。こうして、凝固・剥離処理が完了すると、制御ユニットは第１実施形態と同様にして凝固体２０の解凍処理、リンス処理およびスピン乾燥処理を行う。

以上のように、第３実施形態においても、液膜１９の凝固点よりも低温の処理面５３３を液膜１９に着液させて凝固させ、しかも処理面５３３をＰＴＦＥで構成しているため、低コストで効率よく基板Ｗの表面Ｗｆに所望形状の凝固体２０を形成することができる。

Ｅ．第４実施形態
上記実施形態では、基板Ｗの表面Ｗｆに液膜１９を形成した（液膜形成処理）後に冷却部材５３を液膜１９に着液させているが、図１０に示すように冷却部材５３からＤＩＷを供給して凝固体２０を形成するように構成してもよい。

図１０は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。この第４実施形態が第２実施形態と大きく相違する点は、冷却部材５３に複数の貫通孔５３７が設けられ、ＤＩＷ供給部４２（図３参照）から送られてくるＤＩＷが各貫通孔５３７を介して処理面５３３と基板Ｗの表面Ｗｆとの間に供給可能となっている点である。このような構成を有する冷却部材５３を用いることで液膜形成処理を省略することができる。

Ｆ．第５実施形態
上記実施形態では、冷却部材５３の処理面５３３はいずれも基板Ｗの表面Ｗｆよりも狭く、液膜１９の一部を凝固して凝固領域１６を形成しながら基板Ｗの表面Ｗｆに対して冷却部材５３を相対移動させて凝固体２０を形成しているが、図１１に示すように、冷却部材５３によって液膜１９を一度に凝固した後で冷却部材５３を剥離して凝固体２０を形成するように構成してもよい。

図１１は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。この第５実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は、冷却部材５３が基板Ｗの表面Ｗｆと同一形状の処理面５３３を有している点、ならびに図示を省略するヘッド駆動機構によって基板Ｗの直上位置と、冷却部材５３の処理面５３３を液膜１９に着液させる着液位置と、直上位置および着液位置から離れた退避位置との間で冷却部材５３を移動可能となっている点である。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。

このように構成された第５実施形態においても、未処理の基板Ｗが装置内に搬入されると、表面Ｗｆを上方に向けた状態で基板Ｗがチャックピン２２によって保持された後、基板Ｗの表面Ｗｆの全体に所定の厚みを有する液膜１９が形成される（液膜形成処理）。それに続いて、制御ユニットが基板Ｗの回転を停止させるとともにヘッド駆動機構によって基板Ｗの表面Ｗの直上位置に冷却部材５３を位置決めする（図１１の（ａ））。これによって、液膜１９全体が冷却部材５３の処理面５３３で鉛直上方より覆われる。

そして、制御ユニットはさらにヘッド駆動機構を制御して冷却部材５３を下降させて冷却部材５３の処理面５３３を液膜１９に着液させる。すると、図１１の（ｂ）に示すように、液膜１９全体が凝固して凝固体２０が一度に形成される。それに続いて、制御ユニットはヘッド駆動機構を制御して冷却部材５３を退避位置に移動させ（図１１の（ｃ））、次の凝固処理に備えて温度調整部（図示省略）による冷却部材５３の温度調整を行う。こうして、凝固・剥離処理が完了すると、制御ユニットは第１実施形態と同様にして凝固体２０の解凍処理、リンス処理およびスピン乾燥処理を行う。

以上のように、第５実施形態においても、液膜１９の凝固点よりも低温の処理面５３３を液膜１９に着液させて凝固させ、しかも処理面５３３をＰＴＦＥで構成しているため、低コストで効率よく基板Ｗの表面Ｗｆに所望形状の凝固体２０を形成することができる。また、第５実施形態では、一度に凝固体２０を形成しているため、タクトタイムをさらに短縮してスループットをさらに向上させることができる。

なお、第５実施形態では、冷却部材５３が基板Ｗの表面Ｗｆと同一形状の処理面５３３を有するように構成しているが、基板Ｗの表面Ｗｆよりも広い処理面５３３を有する冷却部材５３を用いてもよく、液膜１９の各部を冷却部材５３の処理面５３３で同時に冷却して凝固させるように構成してもよい。

Ｇ．その他
上記した実施形態では、基板Ｗは表面Ｗｆを上方に向けた水平姿勢でスピンベース２１に保持されており、基板Ｗの表面Ｗｆが本発明の「基板の上面」の一例に相当し、スピンベース２１およびチャックピン２２が本発明の「基板保持部」の一例に相当している。また、基板Ｗの表面中央部が本発明の「上面中央部」に相当している。また、ステップＳ３、Ｓ４がそれぞれ本発明の「第１工程」および「第２工程」に相当し、これらを含む工程が本発明の「凝固体形成工程」の一例に相当している。また、ステップＳ８が本発明の「除去工程」の一例に相当している。さらに、ヘッド駆動機構５１およびＤＩＷ吐出ノズル４１がそれぞれ本発明の「移動部」および「除去部」の一例に相当している。

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、上記実施形態では、基台５３１の下方部にＰＴＦＥテープ５３２を貼り付けたものを冷却部材５３として用いているが、図１の第２試料片１２と同様に、所望形状に成形したＰＴＦＥブロックを冷却部材５３として用いてもよく、この場合、ＰＴＦＥブロックの下面が処理面として機能する。

また、上記実施形態では、ＰＴＦＥにより処理面５３３を構成しているが、凝固領域１６との付着力が凝固領域１６と基板Ｗの表面（上面）Ｗｆとの付着力よりも小さい材料、例えばＰＴＦＥ以外のフッ素系材料、シリコン系材料、ＰＥなどで処理面５３３を構成してもよい。

また、上記実施形態では、冷却部材５３を退避位置に移動させ、当該退避位置で温度調整部５４により次の凝固・剥離処理に備えて冷却部材５３の温度調整を行っているが、例えば図１２に示すように構成してもよい。この実施形態では、冷却部材５３に対して温度調整機構５５が取り付けられるとともに温度制御部５６から電気信号や冷媒などを受けて冷却部材５３の処理部５３３の温度をリアルタイムに調整するように構成してもよい。これにより、冷却部材５３による凝固処理を高い面内均一性で行うことができ、好適である。

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、凝固体２０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。

この発明は、基板の上面に形成された液膜を凝固する凝固技術全般、ならびに当該凝固技術を用いて基板にいわゆる凍結洗浄処理を施す基板処理方法および基板処理装置に適用することができる。

１１…第１試料片（冷却部材）
１２…第２試料片（冷却部材）
１１ｃ、１２ａ、５３３…処理面
１６、１６ａ、１６ｂ…凝固領域
１９…液膜
２０…凝固体
２１…スピンベース（基板保持部）
２２…チャックピン（基板保持部）
４１…ＤＩＷ吐出ノズル（除去部）
５１…ヘッド駆動機構（移動部）
５３…冷却部材，直円錐状冷却部材
Ｗ…基板
Ｗｆ…（基板Ｗの）表面

Claims (8)

1. 水平姿勢の基板の上面に形成された凝固対象液の液膜を冷却部材を用いて凝固させて凝固体を形成する凝固体形成工程を備え、
   前記凝固体形成工程は、前記冷却部材のうち前記凝固対象液の凝固点よりも低温の処理面を前記液膜に着液させて前記上面と前記処理面とに挟まれる領域に位置する前記凝固対象液を凝固させる第１工程と、前記第１工程により凝固された凝固領域から前記処理面を剥離する第２工程とを有し、
   前記凝固領域と前記処理面との付着力は、前記凝固領域と前記上面との付着力よりも小さい
   ことを特徴とする、基板処理方法。
2. 請求項１に記載の基板処理方法であって、
   前記処理面は前記上面よりも狭く、
   前記凝固体形成工程は、前記上面の一部に前記処理面を対向するように前記冷却部材を初期位置に配置して前記第１工程を実行した後で、前記初期位置から前記冷却部材を水平方向に相対移動させながら前記第２工程と前記第１工程とを行って前記凝固体を形成する、基板処理方法。
3. 請求項２に記載の基板処理方法であって、
   前記初期位置は前記基板の上面中央部の上方位置であり、
   前記凝固体形成工程は、前記冷却部材を前記初期位置から離れる方向に相対移動させて前記凝固領域を径方向に拡幅して前記凝固体を形成する基板処理方法。
4. 請求項２に記載の基板処理方法であって、
   前記処理面は、前記基板の回転中心部から前記基板の端縁部までの距離以上の長さに延設された長尺形状を有し、
   前記初期位置では、前記処理面の長さ方向における一方端部が前記基板の回転中心部の上方に位置するとともに前記処理面の前記長さ方向における他方端部が前記基板の端縁部の上方に位置するように前記冷却部材を配置し、
   前記凝固体形成工程は、前記冷却部材を前記初期位置に位置決めしながら、前記回転中心部を回転中心として前記基板を回転させて前記凝固領域を回転方向に拡幅して前記凝固体を形成する基板処理方法。
5. 請求項１に記載の基板処理方法であって、
   前記処理面は前記上面と同一形状または前記上面よりも広く、
   前記凝固体形成工程は、前記処理面で前記上面を鉛直上方から覆うように前記冷却部材を配置して前記第１工程を実行した後で、前記冷却部材を前記基板に対して相対移動させて前記第２工程を行う、基板処理方法。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の基板処理方法であって、
   前記上面から前記凝固体を除去する除去工程をさらに備える、基板処理方法。
7. 上面に凝固対象液の液膜が形成された基板を水平姿勢で保持する基板保持部と、
   前記凝固対象液の凝固点よりも低温の処理面を有する冷却部材と、
   前記基板保持部に保持される基板の上面に対して前記冷却部材を相対移動させる移動部とを備え、
   前記処理面が前記液膜に着液するように前記冷却部材を移動させて前記上面と前記処理面とに挟まれる領域に位置する前記凝固対象液を凝固して凝固領域を形成した後で前記冷却部材を移動することで前記凝固領域から前記処理面を剥離させる動作を行って前記液膜を凝固させて凝固体を形成し、
   前記処理面は、前記凝固領域との付着力が前記凝固領域と前記上面との付着力よりも小さい材料で構成される
   ことを特徴とする、基板処理装置。
8. 請求項７に記載の基板処理装置であって、
   前記凝固体を前記基板から除去する除去部をさらに備える、基板処理装置。

Images