(57)【要約】【課題】基板表面に付着したパーティクル等の汚染物質を除去するための基板処理方法および基板処理装置において、高いスループットを得られ、しかもパーティクル等を効果的に除去することのできる技術を提供する。【解決手段】基板Ｗの裏面Ｗｂに、凝固点近傍まで冷却したＤＩＷ（冷水）を下面ノズル２７から供給する。このとき、ＤＩＷの凝固点よりも低温の窒素ガス（冷却ガス）と、ＤＩＷの蒸気または微小な液滴を含む高湿度の窒素ガス（高湿度ガス）との混合気体をＤＩＷに吹き付ける。高湿度ガス中のＤＩＷ蒸気または液滴が凍結してなる氷の粒がＤＩＷ中に混入され、これが核となってＤＩＷ注の氷の生成が促進される。氷の粒を含むＤＩＷが基板裏面Ｗｂに沿って流れることで基板に付着したパーティクル等の除去を効率よく行うことができる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１処理液の蒸気または微小な液滴を生成して前記第１処理液の凝固点よりも低温の冷却ガスに混合し、前記第１処理液が凝固してなる微小な凝固体を含む混合気体を生成する混合気体生成工程と、
第２処理液を基板に供給するとともに、前記基板に供給される前記第２処理液に対して前記混合気体を供給する処理液供給工程と
を備えることを特徴とする基板処理方法。
【請求項２】
第１処理液の蒸気または微小な液滴を生成して前記第１処理液の凝固点よりも低温に冷却し、前記第１処理液が凝固してなる微小な凝固体を生成する凝固体生成工程と、
前記第１処理液の凝固体を混合させた第２処理液を基板に供給する処理液供給工程と
を備えることを特徴とする基板処理方法。
【請求項３】
前記凝固体生成工程では、前記第２処理液の凝固点よりも低温の冷却ガスに前記第１処理液の蒸気または液滴を混合する請求項２に記載の基板処理方法。
【請求項４】
前記処理液供給工程よりも前に、前記第２処理液を前記第２処理液の凝固点近傍まで予冷する予冷工程を備える請求項１ないし３のいずれかに記載の基板処理方法。
【請求項５】
前記第１処理液と前記第２処理液とが同じである請求項１ないし４のいずれかに記載の基板処理方法。
【請求項６】
前記処理液供給工程では、前記基板をその主面に直交または略直交する回転軸回りに回転させるとともに、前記基板の回転中心に前記第２処理液を供給する請求項１ないし５のいずれかに記載の基板処理方法。
【請求項７】
基板を保持する基板保持手段と、
第１処理液の蒸気または微小な液滴を生成して前記第１処理液の凝固点よりも低温の冷却ガスに混合し、前記第１処理液が凝固してなる微小な凝固体を含む混合気体を生成して前記基板に向けて供給する混合気体供給手段と、
第２処理液を前記基板に向けて供給する処理液供給手段と
を備えることを特徴とする基板処理装置。
【請求項８】
前記混合気体供給手段は、前記基板に供給される前記第２処理液に向けて前記混合気体を吹き付ける請求項７に記載の基板処理装置。
【請求項９】
前記混合気体供給手段は、前記第１処理液の蒸気または微小な液滴と前記冷却ガスとを混合する混合部と、前記混合部で生成された前記混合気体を前記基板に向けて吐出する吐出部とを備える請求項７または８に記載の基板処理装置。
【請求項１０】
前記混合気体供給手段は、前記第１処理液の蒸気または微小な液滴を前記基板に向けて吐出する第１吐出部と、前記冷却ガスを前記基板に向けて吐出する第２吐出部とを備える請求項７または８に記載の基板処理装置。
【請求項１１】
前記基板保持手段は、前記基板の主面に直交または略直交する回転軸回りに前記基板を回転させ、
前記処理液供給手段は、前記基板の回転中心に向けて前記第２処理液を供給する請求項７ないし１０のいずれかに記載の基板処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体ウエハ、フォトマスク用ガラス基板、液晶表示用ガラス基板、プラズマ表示用ガラス基板、光ディスク用基板などの各種基板表面に付着したパーティクル等の汚染物質を除去するための基板処理方法および基板処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、基板表面に付着したパーティクル等の汚染物質を除去するための処理の１つとして凍結洗浄技術が知られている。この技術では、基板表面に形成した液膜を凍結させ、この凍結膜を除去することにより基板表面からパーティクル等を凍結膜とともに除去している。例えば、特許文献１に記載の技術においては、洗浄液としてのＤＩＷ（脱イオン水）を基板表面に供給して液膜を形成した後、冷却ガスを吐出するノズルを基板表面近傍でスキャンさせることにより液膜を凍結させ、再度ＤＩＷを供給して凍結膜を除去することによって、基板表面からのパーティクルの除去を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０７１８７５号公報（図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した従来の洗浄技術においては、（１）液膜の形成、（２）液膜の凍結、（３）凍結膜の除去、という３段階の工程を順番に実行する必要があるため、処理に時間がかかってしまい、さらなるスループットの向上という点で改良の余地が残されている。特に、パーティクル等の除去能力を向上させようとすると、上記従来技術では形成する液膜の厚さを増大させたり、冷却ガスを供給する時間を長くすることが必要である。しかしながら、そのことがさらに処理時間を増大させてしまい、パーティクル等の除去能力と処理のスループットとを両立させることが難しい。
【０００５】
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、基板表面に付着したパーティクル等の汚染物質を除去するための基板処理方法および基板処理装置において、高いスループットを得られ、しかもパーティクル等を効果的に除去することのできる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明者らの実験によれば、基板に処理液を供給する際に該処理液にその凝固点よりも低温の冷却ガスを触れさせて処理液を冷却すると、基板表面の液膜の全面が凍結していなくても従来の凍結洗浄技術と同等もしくはそれ以上のパーティクル除去効果を得ることが可能であることがわかった（特願２００８−２４５５６４）。これは、冷却ガスとの接触によって処理液中に該処理液が凍結凝固してなる微小な凝固体が多数生成され、この凝固体が基板から汚染物質を引き剥がす作用をするためと考えられる。ただし、流動する処理液中に凝固体を効率よく発生させるためには、冷却ガスの温度を処理液の凝固点よりも相当程度低下させる必要があり、このことが処理コストを増大させる可能性がある。
【０００７】
上記に鑑み、この発明にかかる基板処理方法の一の態様は、上記目的を達成するため、第１処理液の蒸気または微小な液滴を生成して前記第１処理液の凝固点よりも低温の冷却ガスに混合し、前記第１処理液が凝固してなる微小な凝固体を含む混合気体を生成する混合気体生成工程と、第２処理液を基板に供給するとともに、前記基板に供給される前記第２処理液に対して前記混合気体を供給する処理液供給工程とを備えることを特徴としている。
【０００８】
また、この発明にかかる基板処理方法の他の態様は、上記目的を達成するため、前記第１処理液の蒸気または微小な液滴を生成して前記第１処理液の凝固点よりも低温に冷却し、前記第１処理液が凝固してなる微小な凝固体を生成する凝固体生成工程と、前記第１処理液の凝固体を混合させた第２処理液を基板に供給する処理液供給工程とを備えることを特徴としている。この場合において、前記凝固体生成工程では、前記第１処理液の凝固点よりも低温の冷却ガスに前記第１処理液の蒸気または液滴を混合するようにしてもよい。
【０００９】
これらの発明では、基板に供給される第２処理液中に、別途生成された第１処理液の凝固体を混合させる。この凝固体を含む第２処理液を基板に供給することで、基板に付着したパーティクル等の汚染物質を効率よく除去することができる。そして、第１処理液の凝固体については、第１処理液の蒸気または微小な液滴を冷却することによって生成する。このため、流動する処理液を冷却することで処理液の凝固体を生成する場合に比べて、より短時間で、しかも低コストで凝固体を含む処理液を得ることができる。このように、この発明によれば、高いスループットを得られ、しかも低い処理コストでパーティクル等を効果的に除去することができる。
【００１０】
これらの発明では、第２処理液を基板に供給する処理液供給工程よりも前に、第２処理液を第２処理液の凝固点近傍まで予冷する予冷工程を備えてもよい。第２処理液を冷却することで、第２処理液中における第１処理液の凝固体の融解を抑制することができる。また、第１処理液の凝固体を核として第２処理液の凝固体が生成されやすくなるため、パーティクル等に対する除去効果をより高めることができる。
【００１１】
また、第１処理液と第２処理液とは同じであってもよい。第２処理液に混入させる凝固体が第２処理液と同じ物質であれば、混入された凝固体が第２処理液中で核となって第２処理液の凝固を促進させるため、パーティクル等に対する除去効果をより高めることができる。また、凝固体が融解しても第２処理液の成分が変化しないので、安定した処理を行うことができる。
【００１２】
また、処理液供給工程では、基板をその主面に直交または略直交する回転軸回りに回転させるとともに、基板の回転中心に第２処理液を供給するようにしてもよい。このようにすると、基板の回転に起因して生じる遠心力によって第２処理液が基板の中心から端部へ向かって流れるため、第２処理液を基板全面に行き渡らせることができ、基板の全面をムラなく処理することができる。また基板の回転数とパーティクル除去効果との間に相関性があることも本願発明者らの実験によって確かめられており、基板を回転させることでパーティクル除去効果を高めることが可能である。
【００１３】
また、この発明にかかる基板処理装置は、上記目的を達成するため、基板を保持する基板保持手段と、第１処理液の蒸気または微小な液滴を生成して前記第１処理液の凝固点よりも低温の冷却ガスに混合し、前記第１処理液が凝固してなる微小な凝固体を含む混合気体を生成して前記基板に向けて供給する混合気体供給手段と、第２処理液を前記基板に向けて供給する処理液供給手段とを備えることを特徴としている。
【００１４】
このように構成された発明では、第１処理液の凝固体を含む冷却ガスと第２処理液とが基板に供給されるので、上記した基板処理方法の発明と同様に、高いスループットで、しかも低い処理コストでパーティクル等を効果的に除去することができる。第１処理液と第２処理液とが同一の物質であってもよい。
【００１５】
ここで、混合気体供給手段は、例えば、基板に供給される第２処理液に向けて混合気体を吹き付けるようにしてもよい。こうすることで、混合気体に含まれる第１処理液の凝固体が第２処理液に混入され、こうして第１処理液の凝固体を含んだ第２処理液が基板に供給されることで、パーティクル等が効率よく除去される。
【００１６】
また、混合気体供給手段は、例えば、第１処理液の蒸気または微小な液滴と冷却ガスとを混合する混合部と、混合部で生成された混合気体を基板に向けて吐出する吐出部とを備えるようにしてもよい。このような構成では、第１処理液の蒸気または微小な液滴と冷却ガスとが予め混合されて基板に供給されるので、混合気体中に第１処理液の凝固体を確実に含ませた状態で基板に供給することができる。
【００１７】
一方、混合気体供給手段は、例えば、第１処理液の蒸気または微小な液滴を基板に向けて吐出する第１吐出部と、冷却ガスを基板に向けて吐出する第２吐出部とを備えるようにしてもよい。このような構成では、第１吐出部から吐出される第１処理液の蒸気または微小な液滴と第２吐出部から吐出される冷却ガスが基板の近傍で混合されて第１処理液の凝固体が形成されるため、第１処理液の凝固体の寿命が短くても十分なパーティクル等の除去効率を得ることができる。また混合気体の供給経路上で第１処理液の凝固体が凝集して混合気体の流通を阻害することがない。
【００１８】
また、例えば、基板保持手段は、基板の主面に直交または略直交する回転軸回りに基板を回転させ、処理液供給手段は、基板の回転中心に向けて第２処理液を供給するようにしてもよい。前記したように、基板を回転させ、基板の回転中心に第２処理液を供給することで、基板の全面に第２処理液を行き渡らせてムラなく処理を行うことができる。この場合、基板の回転中心に供給される第２処理液の周囲に混合気体供給手段から混合気体を吹き付けるようにすれば、基板の中心に供給される第２処理液に第１処理液の凝固体を含ませることができ、該凝固体が基板の中心から端部に向かって流れることで基板全面から汚染物質を効率よく除去することができる。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、基板に供給する第２処理液に第１処理液の凝固体を含有させているので、基板に付着するパーティクル等の汚染物質を効率よく除去することができ、しかも、冷却ガスによって処理液内に凝固体を発生させる場合に比べてより短時間で、しかも低コストで凝固体を含有した処理液を生成し基板に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明にかかる基板処理装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】図１の基板処理装置の制御構成を示すブロック図である。
【図３】スピンベースの構造を示す図である。
【図４】混合器の内部構造を示す図である。
【図５】図１の基板処理装置の洗浄処理動作を示すフローチャートである。
【図６】第１実施形態の洗浄処理動作を模式的に示す第１の図である。
【図７】第１実施形態の洗浄処理動作を模式的に示す第２の図である。
【図８】この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９】第２実施形態の洗浄処理動作を模式的に示す図である。
【図１０】この発明にかかる基板処理装置の第３実施形態の要部を示す図である。
【図１１】この発明にかかる基板処理装置のさらなる変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１はこの発明にかかる基板処理装置の第１実施形態を示す図である。また、図２は図１の基板処理装置の制御構成を示すブロック図である。この基板処理装置は半導体ウエハ等の基板Ｗの表面Ｗｆおよび裏面Ｗｂ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。より具体的には、微細パターンが形成された基板表面Ｗｆについては公知の凍結洗浄技術によってパーティクル等の除去を行うのと同時に、基板表面Ｗｆとは反対側の基板裏面Ｗｂについては本発明にかかる洗浄技術によってパーティクル等の除去を行う基板処理装置である。
【００２２】
この基板処理装置は、基板Ｗに対して洗浄処理を施す処理空間をその内部に有する処理チャンバー１を備え、処理チャンバー１内に基板表面Ｗｆを上方に向けた状態で基板Ｗを略水平姿勢に保持して回転させるスピンチャック２と、スピンチャック２に保持された基板Ｗの表面Ｗｆに向けて液膜を凍結させるための冷却ガスを吐出する冷却ガス吐出ノズル３と、基板表面Ｗｆに処理液の液滴を供給する二流体ノズル５と、スピンチャック２に保持された基板Ｗの表面Ｗｆに向けて薬液を吐出する薬液吐出ノズル６と、スピンチャック２に保持された基板Ｗの表面Ｗｆに対向配置された遮断部材９が設けられている。処理液としては、薬液または純水やＤＩＷ（deionized water；脱イオン水）等の洗浄液などが用いられる。
【００２３】
スピンチャック２は、回転支軸２１がモータを含むチャック回転機構２２の回転軸に連結されており、チャック回転機構２２の駆動により回転中心Ａ０を中心に回転可能となっている。回転支軸２１の上端部には、円盤状のスピンベース２３が一体的にネジなどの締結部品によって連結されている。したがって、装置全体を制御する制御ユニット４（図２）からの動作指令に応じてチャック回転機構２２を駆動させることによりスピンベース２３が回転中心Ａ０を中心に回転する。
【００２４】
スピンベース２３の周縁部付近には、基板Ｗの周縁部を把持するための複数個のチャックピン２４が立設されている。チャックピン２４は、円形の基板Ｗを確実に保持するために３個以上設けてあればよく、スピンベース２３の周縁部に沿って等角度間隔で配置されている。チャックピン２４のそれぞれは、基板Ｗの周縁部を下方から支持する基板支持部と、基板支持部に支持された基板Ｗの外周端面を押圧して基板Ｗを保持する基板保持部とを備えている。各チャックピン２４は、基板保持部が基板Ｗの外周端面を押圧する押圧状態と、基板保持部が基板Ｗの外周端面から離れる解放状態との間を切り替え可能に構成されている。
【００２５】
そして、スピンベース２３に対して基板Ｗが受渡しされる際には、複数個のチャックピン２４を解放状態とし、基板Ｗに対して洗浄処理を行う際には、複数個のチャックピン２４を押圧状態とする。押圧状態とすることによって、複数個のチャックピン２４は基板Ｗの周縁部を把持してその基板Ｗをスピンベース２３から所定間隔を隔てて略水平姿勢に保持することができる。これにより、基板Ｗはその表面（パターン形成面）Ｗｆを上方に向け、裏面Ｗｂを下方に向けた状態で保持される。
【００２６】
スピンチャック２の外方には、第１の回動モータ３１が設けられている。第１の回動モータ３１には、第１の回動軸３３が接続されている。また、第１の回動軸３３には、第１のアーム３５が水平方向に延びるように連結され、第１のアーム３５の先端に冷却ガス吐出ノズル３が取り付けられている。そして、制御ユニット４からの動作指令に応じて第１の回動モータ３１が駆動されることで、第１のアーム３５を第１の回動軸３３回りに揺動させることができる。
【００２７】
冷却ガス吐出ノズル３はガス供給部６４（図２）と接続されており、制御ユニット４からの動作指令に応じてガス供給部６４から冷却ガスが冷却ガス吐出ノズル３に供給される。より具体的には、ガス供給部６４に設けられた窒素ガス貯留部６４１から供給される窒素ガスが熱交換器６４２によりＤＩＷの凝固点よりも低い温度まで冷やされ、こうして冷やされた窒素ガスが冷却ガスとして冷却ガス吐出ノズル３に供給される。冷却ガス吐出ノズル３が基板表面Ｗｆに対向配置されると、冷却ガス吐出ノズル３から基板表面Ｗｆに向けて局部的に冷却ガスが吐出される。冷却ガス吐出ノズル３から冷却ガスを吐出させた状態で、制御ユニット４が基板Ｗを回転させながら冷却ガス吐出ノズル３を基板の回転中心から外周部に向けて移動させることで、冷却ガスを基板表面Ｗｆの全面にわたって供給できる。このとき、後述するように基板表面ＷｆにＤＩＷによる液膜が予め形成されていると、該液膜の全体を凍結させて基板表面Ｗｆの全面にＤＩＷの凍結膜を生成可能となっている。
【００２８】
また、スピンチャック２の外方に第２の回動モータ５１が設けられている。第２の回動モータ５１には、第２の回動軸５３が接続され、第２の回動軸５３には、第２のアーム５５が連結されている。また、第２のアーム５５の先端に二流体ノズル５が取り付けられている。そして、制御ユニット４からの動作指令に応じて第２の回動モータ５１が駆動されることで、二流体ノズル５を第２の回動軸５３回りに揺動させることができる。この二流体ノズルは、処理液としてのＤＩＷと窒素ガスとを空中（ノズル外部）で衝突させてＤＩＷの液滴を生成する、いわゆる外部混合型の二流体ノズルである。
【００２９】
また、スピンチャック２の外方には、第３の回動モータ６７が設けられている。第３の回動モータ６７には、第３の回動軸６８が接続されている。また、第３の回動軸６８には、第３のアーム６９が水平方向に延びるように連結され、第３のアーム６９の先端に薬液吐出ノズル６が取り付けられている。そして、制御ユニット４からの動作指令に応じて第３の回動モータ６７が駆動されることで、薬液吐出ノズル６を基板Ｗの回転中心Ａ０の上方の吐出位置と吐出位置から側方に退避した待機位置との間で往復移動させることができる。薬液吐出ノズル６は薬液供給部６１と接続されており、制御ユニット４からの動作指令に応じてＳＣ１溶液（アンモニア水と過酸化水素水との混合水溶液）等の薬液が薬液吐出ノズル６に圧送される。
【００３０】
なお、冷却ガス吐出ノズル３、二流体ノズル５および薬液吐出ノズル６ならびにこれらに付随するアームやその回動機構としては、例えば前記した特許文献１（特開２００８−０７１８７５号公報）に記載されたものと同一構造のものを用いることができる。そこで、本明細書ではこれらの構成についてのより詳しい説明は省略する。
【００３１】
スピンチャック２の上方には、中心部に開口を有する円盤状の遮断部材９が設けられている。遮断部材９は、その下面（底面）が基板表面Ｗｆと略平行に対向する基板対向面となっており、その平面サイズは基板Ｗの直径と同等以上の大きさに形成されている。遮断部材９は略円筒形状を有する支持軸９１の下端部に略水平に取り付けられ、支持軸９１は水平方向に延びるアーム９２により基板Ｗの中心を通る鉛直軸回りに回転可能に保持されている。また、アーム９２には、遮断部材回転機構９３と遮断部材昇降機構９４が接続されている。
【００３２】
遮断部材回転機構９３は、制御ユニット４からの動作指令に応じて支持軸９１を基板Ｗの中心を通る鉛直軸回りに回転させる。また、遮断部材回転機構９３は、スピンチャック２に保持された基板Ｗの回転に応じて基板Ｗと同じ回転方向でかつ略同じ回転速度で遮断部材９を回転させるように構成されている。
【００３３】
また、遮断部材昇降機構９４は、制御ユニット４からの動作指令に応じて、遮断部材９をスピンベース２３に近接して対向させたり、逆に離間させることが可能となっている。具体的には、制御ユニット４は遮断部材昇降機構９４を作動させることで、基板処理装置に対して基板Ｗを搬入出させる際には、スピンチャック２の上方の離間位置（図１に示す位置）に遮断部材９を上昇させる。その一方で、基板Ｗに対して所定の処理を施す際には、スピンチャック２に保持された基板Ｗの表面Ｗｆのごく近傍に設定された対向位置まで遮断部材９を下降させる。
【００３４】
支持軸９１は中空に仕上げられ、その内部に遮断部材９の開口に連通したガス供給路９５が挿通されている。ガス供給路９５は、ガス供給部６４と接続されており、窒素ガス貯留部６４１から熱交換器６４２を通さずに供給される窒素ガスが乾燥ガスとして供給される。この実施形態では、基板Ｗに対する洗浄処理後の乾燥処理時に、ガス供給路９５から遮断部材９と基板表面Ｗｆとの間に形成される空間に窒素ガスを供給する。また、ガス供給路９５の内部には、遮断部材９の開口に連通した液供給管９６が挿通されており、液供給管９６の下端にノズル９７が結合されている。液供給管９６はＤＩＷ供給部６２に接続されており、ＤＩＷ供給部６２よりＤＩＷが供給され、ノズル９７からＤＩＷをリンス液として基板表面Ｗｆに向けて吐出可能となっている。
【００３５】
ＤＩＷ供給部６２はＤＩＷ貯留部６２１および熱交換器６２２を有しており、熱交換器６２２はＤＩＷ貯留部６２１から供給されるＤＩＷをその凝固点近傍温度まで冷却する。すなわち、ＤＩＷ供給部６２はＤＩＷ貯留部６２１から供給される常温のＤＩＷ、または熱交換器６２２により凝固点近傍温度まで冷却されたＤＩＷ（以下、単に「冷水」ということがある）を供給可能となっている。
【００３６】
スピンチャック２の回転支軸２１は中空軸からなる。回転支軸２１の内部には、基板Ｗの裏面Ｗｂに処理液を供給するための処理液供給管２５が挿通されている。そして、回転支軸２１の内壁面と処理液供給管２５の外壁面の隙間は、円筒状のガス供給路２９を形成している。処理液供給管２５およびガス供給路２９は、スピンチャック２に保持された基板Ｗの下面（裏面Ｗｂ）に近接する位置まで延びており、その先端には基板Ｗの下面中央部に向けて処理液およびガスを吐出する下面ノズル２７が設けられている。
【００３７】
処理液供給管２５は薬液供給部６１およびＤＩＷ供給部６２と接続されており、薬液供給部６１から供給されるＳＣ１溶液等の薬液またはＤＩＷ供給部６２から供給されるＤＩＷ（常温もしくは冷水）が選択的に供給される。一方、ガス供給路２９はガス供給部６４と接続されており、スピンベース２３と基板裏面Ｗｂとの間に形成される空間にガス供給部６４からの窒素ガスを供給することができる。より具体的には、ガス供給部６４から供給される常温で水分を含まない窒素ガス（乾燥ガス）と冷却ガスとがそれぞれバルブを介してガス供給路２９に供給される。
【００３８】
また、この実施形態では、ＤＩＷ貯留部６２１から供給される常温のＤＩＷと窒素ガス貯留部６４１から供給される常温の窒素ガスとを混合させて、ＤＩＷの蒸気または微小な液滴を含む高湿度の窒素ガス（高湿度ガス）を生成する混合器６５が設けられている。混合器６５から送出される高湿度ガスも、バルブを介してガス供給路２９に供給されている。したがって、ガス供給路２９には、３種類のガス、すなわち常温で水分を含まない窒素ガス（乾燥ガス）、低温の冷却ガスおよび高湿度ガスが、選択的にまたは適宜に混合されて通送され、このガスは下面ノズル２７から基板Ｗｂに向けて吐出される。
【００３９】
図３はスピンベースの構造を示す図である。より具体的には、図３（ａ）はスピンベース２３の上面の構造を示す図であり、図３（ｂ）はその断面図である。図３（ａ）に示すように、スピンベース２３の上面２３ａの外周端部には複数のチャックピン２４が立設されており、これらのチャックピン２４によって処理対象となる基板Ｗを略水平に保持することができる。
【００４０】
また、スピンベース上面２３ａの中心には下面ノズル２７が設けられている。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、下面ノズル２７は、基板の回転中心ＡＯに向けて開口する処理液吐出口２７１と、処理液吐出口２７１と同軸にこれを取り巻くように開口するガス吐出口２７２とを備えている。処理液吐出口２７１は処理液供給管２５と連通しており、薬液供給部６１から供給されるＳＣ１溶液等の薬液またはＤＩＷ供給部６２から供給されるＤＩＷを基板下面（この実施形態ではパターンを形成されていない基板裏面Ｗｂ）に向けて吐出する。一方、ガス吐出口２７２はガス供給路２９と連通しており、ガス供給部６４からの窒素ガスおよび混合器６５からの高湿度ガスを吐出する。したがって、吐出された窒素ガスや高湿度ガスは、基板下面のＤＩＷを供給される位置、もしくはその位置を取り囲む周辺位置に向けて供給される。
【００４１】
図４は混合器の内部構造を示す図である。混合器６５は、内部が貯留空間ＳＰとなった筐体部６５１を有しており、貯留空間ＳＰに窒素ガスおよびＤＩＷをそれぞれ導入するための窒素ガス導入管６５２およびＤＩＷ導入管６５３が筐体部６５１の上面を貫通して設けられている。このうち窒素ガス導入管６５２は、ＤＩＷ導入管６５３を経て貯留空間ＳＰに貯留されたＤＩＷの液面ＬＬよりも下方まで延び、その端部は液中で開口している。ガス供給部６４から窒素ガス導入管６５２を介して送り込まれる乾燥した窒素ガスは、筐体部６５１に貯留されたＤＩＷの中に送り込まれる。これにより、筐体部６５１内のＤＩＷに対して窒素ガスによるバブリングが行われる。その結果、貯留空間ＳＰのうち液面ＬＬよりも上部の空間は、ＤＩＷの蒸気および／または微小な液滴を大量に含む高湿度の窒素ガス（高湿度ガス）で満たされる。この高湿度ガスは、液面ＬＬよりも上部で開口する高湿度ガス出力管６５４を経て外部に取り出される。高湿度ガスの取り出しによって液面ＬＬが低下すると随時ＤＩＷ導入管６５３からＤＩＷが補充され、液面ＬＬの位置（高さ）は概ね一定に保たれる。
【００４２】
次に、上記のように構成された基板処理装置における洗浄処理動作について図５ないし図７を参照しつつ説明する。図５は図１の基板処理装置の洗浄処理動作を示すフローチャートである。また、図６および図７は第１実施形態の洗浄処理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４が装置各部を制御して該基板Ｗに対して一連の洗浄処理が実行される。ここで、基板がその表面Ｗｆに微細パターンを形成されたものである場合、該基板表面Ｗｆを上方に向けた状態で基板Ｗが処理チャンバー１内に搬入され、スピンチャック２に保持される（ステップＳ１０１）。なお、遮断部材９は離間位置にあり、基板Ｗとの干渉を防止している。
【００４３】
スピンチャック２に未処理の基板Ｗが保持されると、遮断部材９が対向位置まで降下され、基板表面Ｗｆに近接配置される（ステップＳ１０２）。これにより、基板表面Ｗｆが遮断部材９の基板対向面に近接した状態で覆われ、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４はチャック回転機構２２を駆動させてスピンチャック２を回転させるとともに、ノズル９７から常温のＤＩＷを基板表面Ｗｆに供給する。基板表面に供給されたＤＩＷには、基板Ｗの回転に伴う遠心力が作用し、基板Ｗの径方向外向きに均一に広げられ、その一部が基板外に振り切られる。これによって、基板表面Ｗｆの全面にわたって液膜の厚みを均一にコントロールして、基板表面Ｗｆの全体に所定の厚みを有する液膜（水膜）が形成される（ステップＳ１０３）。なお、液膜形成に際して、上記のように基板表面Ｗｆに供給されたＤＩＷの一部を振り切ることは必須の要件ではない。例えば、基板Ｗの回転を停止させた状態あるいは基板Ｗを比較的低速で回転させた状態で基板ＷからＤＩＷを振り切ることなく基板表面Ｗｆに液膜を形成してもよい。
【００４４】
この状態では、図６（ａ）に示すように、基板Ｗの表面Ｗｆに所定厚さのパドル状液膜ＬＰが形成されている。こうして、液膜形成が終了すると、制御ユニット４は遮断部材９を離間位置に退避させる（ステップＳ１０４）。その後、基板Ｗの表面Ｗｆおよび裏面Ｗｂのそれぞれに対する以下の処理が併行して行われる。ここで、パドル状の液膜ＬＰは、薬液吐出ノズル６から供給されるＳＣ１液によって形成されてもよい。
【００４５】
基板表面側では、冷却ガス吐出ノズル３を待機位置から基板の回転中心の上方に移動させる。そして、図６（ｂ）に示すように、回転する基板Ｗの表面Ｗｆに向けて冷却ガス吐出ノズル３から冷却ガスを吐出させながら、冷却ガス吐出ノズル３を徐々に基板Ｗの端縁位置に向けて移動させていく（ステップＳ１１１）。これにより、基板表面Ｗｆの表面領域に形成された液膜ＬＰが冷やされて部分的に凍結し、図６（ｃ）に示すように、凍結した領域（凍結領域ＦＲ）が基板表面Ｗｆの中央部に形成される。そして、方向Ｄｎへのノズル３のスキャンによって凍結領域ＦＲは基板表面Ｗｆの中央部から周縁部へと広げられ、図６（ｄ）に示すように、最終的には基板表面Ｗｆの液膜全面が凍結する。液膜全体が凍結すると、冷却ガス吐出ノズル３を退避させるとともに遮断部材９を基板表面Ｗｆに近接配置する（ステップＳ１１２）。
【００４６】
一方、基板裏面側では、図６（ｂ）に示すように、スピンベース２３に設けられた下面ノズル２７の処理液吐出口２７１から冷却されたＤＩＷを吐出して裏面洗浄液として基板裏面Ｗｂに供給する（ステップＳ１２１）。次いで、ガス供給部６４から供給される冷却ガスと、混合器６５から供給される高湿度ガスとを共にガス供給路２９に送り込むことで、ガス供給路２９内においてこれらを所定の混合比で混合させ、図６（ｃ）に示すように、こうして得られた混合気体を下面ノズル２７のガス吐出口２７２から吐出させる（ステップＳ１２２）。冷却ガスと高湿度ガスとの混合比は、混合気体の温度がＤＩＷの凝固点よりも低い温度となるように設定される。また、ガス供給路２９やＤＩＷの温度を上昇させないように、まず冷却ガスをガス供給路２９に送り込んでから、続いて高湿度ガスを送り込むのが望ましい。
【００４７】
高湿度ガス中に含まれるＤＩＷの蒸気または液滴は、ＤＩＷの凝固点よりも低温の冷却ガスに触れることで凍結凝固し、微小な氷の粒となる。したがって、下面ノズル２７のガス吐出口２７２からは、微小な氷の粒を含んだ窒素ガスが、基板裏面Ｗｂに供給されるＤＩＷに対して吹き付けられることになる。ＤＩＷ自体が凝固点近くまで冷やされた冷水であり、さらに凝固点よりも低温の冷却ガスが吹き付けられているため、冷水に混入した氷の粒はすぐに溶けることはなく、また氷の粒が核となることで、周囲のＤＩＷの凍結がより促進される。こうして基板裏面Ｗｂの中心部でＤＩＷ中に生成された氷の粒が基板裏面Ｗｂに付着するパーティクル等の汚染物質に衝突して基板から浮遊させ、中心部から周縁部に向かって流れるＤＩＷが浮遊した汚染物質を押し流す。これにより、基板裏面Ｗｂに付着した汚染物質が除去される。基板裏面Ｗｂへの冷水、冷却ガスおよび高湿度ガスの供給を所定時間継続した後、これらの供給を停止する（ステップＳ１２３）。
【００４８】
続いて、基板Ｗの両面に対しＤＩＷによるリンス処理を行う（ステップＳ１３１）。すなわち、図７（ａ）に示すように、基板表面Ｗｆに近接配置した遮断部材９のノズル９７と、下面ノズル２７とからそれぞれ常温のＤＩＷを吐出し、基板Ｗの両面をＤＩＷによりリンス処理する。
【００４９】
その後、基板両面へのＤＩＷの供給をともに停止し、基板を乾燥させる乾燥処理を行う（ステップＳ１３２）。すなわち、図７（ｂ）に示すように、遮断部材９に設けられたノズル９７およびスピンベース２３に設けられた下面ノズル２７から常温で水分を含まない窒素ガス（乾燥ガス）を吐出させながら基板Ｗを高速度で回転させることにより、基板Ｗに残留するＤＩＷを振り切り基板Ｗを乾燥させる。このときに供給される窒素ガスは乾燥ガスとしての作用をするものであり、熱交換器６４２を通さない常温のガスである。こうして乾燥処理が終了すると、処理済みの基板Ｗを搬出することによって１枚の基板に対する処理が完了する（ステップＳ１３３）。
【００５０】
上記処理によって得られる洗浄効果について説明する。まず、基板表面Ｗｆに対する処理は、公知の凍結洗浄処理である。上記のようにして液膜を凍結させると、基板表面Ｗｆとパーティクルの間に入り込んだ液膜の体積が増加（摂氏０℃の水が摂氏０℃の氷になると、その体積はおよそ１．１倍に増加する）し、パーティクルが微小距離だけ基板表面Ｗｆから離れる。その結果、基板表面Ｗｆとパーティクルとの間の付着力が低減され、さらにはパーティクルが基板表面Ｗｆから脱離することとなる。このとき、基板表面Ｗｆに微細パターンが形成されている場合であっても、液膜の体積膨張によってパターンに加わる圧力はあらゆる方向に等しく、つまりパターンに加えられる力が相殺される。そのため、パターンの剥離や倒壊を防止しながら、パーティクルのみを基板表面Ｗｆから剥離させることができる。そして、新たに供給するＤＩＷによって凍結した液膜を除去することにより、パーティクル等についても基板表面Ｗｆから取り除くことができる。
【００５１】
一方、基板裏面側では、ＤＩＷの供給を連続的に行っているので、液膜は凍結せず基板中心から端部に向けて流動した状態を保っている。この点において、基板裏面Ｗｂにおける洗浄作用は、凍結洗浄処理とは全く異なる原理によるものであるということができる。すなわち、基板裏面Ｗｂ側では、液温度を凝固点近くまで冷却したＤＩＷを基板裏面Ｗｂに供給し、さらにＤＩＷの凝固点よりも低温で微小な氷の粒を含んだ窒素ガスをＤＩＷに触れさせることで基板裏面Ｗｂに沿って流れるＤＩＷ中に微小な氷の粒を生じさせ、この氷の粒によるパーティクル除去効果を得ている。
【００５２】
以上のように、この実施形態では、基板裏面Ｗｂに供給する処理液（ＤＩＷ）中に微小な氷の粒を含ませることによって、基板裏面Ｗｂに付着した汚染物質を効率よく剥離させ除去することができる。このとき、ＤＩＷの蒸気または微小な液滴を含む高湿度ガスと、ＤＩＷの凝固点よりも低温の冷却ガスとを混合して微小な氷の粒を含む混合気体を生成し、これを基板裏面Ｗｂに供給されるＤＩＷに吹き付けることにより、ＤＩＷ中に氷の粒を生じさせるようにしている。このため、単に冷水に冷却ガスを吹き付けてＤＩＷ中に氷の粒を発生させる場合に比べて、冷却ガスの温度を高くすることができる。また、冷却ガスの温度を同じとしても、より短時間で確実にＤＩＷ中に氷の粒を発生させることができる。このため、処理時間および処理コストを大きく低減することができる。
【００５３】
また、上記のような基板裏面Ｗｂに対する処理を、基板表面Ｗｆに対する凍結洗浄と併行して行う。これにより、単なる同時処理による処理時間の短縮に加えて、一方面への冷却が他方面にも影響を及ぼすことに起因する相乗効果によって大幅に処理時間を短縮しガスや処理液等の使用量を低減することができる。したがって低い処理コストで高いスループットを得ることができる。
【００５４】
また、水平状態に保持され鉛直軸回りに回転する基板裏面Ｗｂの中心部に向けて、冷水および混合気体を供給することにより、氷の粒を含むＤＩＷが遠心力により基板全面に広がるので、冷水および混合気体を供給するのにノズルをスキャンさせる必要がない。
【００５５】
基板に供給する処理液と、該処理液に混入される氷（凝固体）の粒とが同一の物質であることは必須ではないが、これらを同一物質としておけば、氷が溶解しても処理液の成分を変化させることがない。また、混入された氷の粒を核として処理液の凍結が促進されるので、パーティクル除去効果を効果的に高めることが可能となる。
【００５６】
なお、冷却ガスと高湿度ガスとの混合気体を基板裏面Ｗｂに対して供給する間、これらのガスの合流点から下面ノズル２７までのガス供給路２９の管路内壁に霜が付着することが考えられる。この霜を除去するために、基板Ｗに対する処理を行っていないときには乾燥ガスをガス供給路２９内に通送しておくことが望ましい。
【００５７】
次に、この発明にかかる基板処理装置の第２実施形態について説明する。図８はこの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。第１実施形態の装置では、ＤＩＷの蒸気または液滴を含む高湿度ガスはガス供給路２９において冷却ガスと混合されて基板裏面Ｗｂに供給されていた。これに対し、この実施形態では、高湿度ガスを吐出するノズル７がスピンベース２３の側方に設けられており、高湿度ガスはこのノズル７から基板裏面Ｗｂとスピンベース２３上面との間のギャップ空間Ｇに送り込まれる。この点を除く各部の構成は第１実施形態のものと同一であるため、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して詳しい説明を省略する。
【００５８】
図９は第２実施形態の洗浄処理動作を模式的に示す図である。この実施形態では、図９（ａ）に示すように、第１実施形態と同様にして基板表面Ｗｆに液膜ＬＰが形成されるのと併行して、基板裏面Ｗｂにも下面ノズル２７から冷水を供給開始する。そして、図９（ｂ）に示すように、ノズル７から高湿度ガスを吐出して、基板裏面Ｗｂとスピンベース２３の上面２３ａとの間のギャップ空間Ｇに高湿度ガスを充満させる。
【００５９】
そして、ノズル７からの高湿度ガス吐出を停止させ（ノズル７を退避させることが望ましい）、こうして高湿度ガスで満たされたギャップ空間Ｇに対して、図９（ｃ）に示すように、下面ノズル２７から冷却ガスを供給する。高湿度ガスに含まれるＤＩＷの蒸気または液滴が冷却ガスに触れることで凍結凝固し、ＤＩＷ中に混入される。これにより、第１実施形態と同様に、基板裏面Ｗｂに付着する汚染物質を除去することができる。基板表面Ｗｆ側については、図９（ｃ）および（ｄ）に示すように、第１実施形態と同様に冷却ガス吐出ノズル３を液膜ＬＰに対してスキャンさせることで凍結洗浄を行うことができる。
【００６０】
以上のように、この実施形態では、基板裏面Ｗｂに供給される冷水の近傍に高湿度ガスを充満させ、ここに冷却ガスを供給することにより高湿度ガス中のＤＩＷを凍結させて氷の粒を発生させる。このようにしても、第１実施形態と同様に、基板に付着する汚染物質の除去を、高いスループットで、しかも低い処理コストで行うことができる。
【００６１】
図１０はこの発明にかかる基板処理装置の第３実施形態の要部を示す図である。この実施形態では、下面ノズルの構造が第１実施形態のものとは異なっている。すなわち、図１０（ａ）に示すように、この実施形態の下面ノズル２８は、ＤＩＷを吐出する処理液吐出口２８１と、冷却ガスを吐出する冷却ガス吐出口２８２と、高湿度ガスを吐出する高湿度ガス吐出口２８３とを備えている。つまり、この実施形態では、冷却ガスと高湿度ガスとが下面ノズル２８から個別に吐出され、基板裏面Ｗｂ近傍でこれらが接触し混合されることによって、高湿度ガス中のＤＩＷ蒸気または液滴が凍結し氷の粒として処理液吐出口２８１から吐出されるＤＩＷに混入する。この点を除く各部の構成は第１実施形態のものと同一であるため、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して詳しい説明を省略する。
【００６２】
この実施形態では、図１０（ｂ）に示すように、基板裏面Ｗｂに対して冷水、冷却ガスがそれぞれ処理液吐出口２８１、ガス吐出口２８３から順次供給される。この状態で、図１０（ｃ）に示すように、高湿度ガスが高湿度ガス吐出口２８３から吐出されると、高湿度ガス中の水分が冷却ガスに触れて凍結し、氷の粒としてＤＩＷ内に混入される。こうして氷の粒を含んだＤＩＷが基板裏面Ｗｂに沿って流れることで、基板裏面Ｗｂに付着した汚染物質が効果的に除去される。この実施形態では、より基板の中心部に近い位置に高湿度ガスを供給して氷の粒を発生させることができるので、基板Ｗの中心部でのパーティクル除去効率を向上させることができる。
【００６３】
図１１はこの発明にかかる基板処理装置のさらなる変形例を示す図である。これらの変形例では下面ノズルの形状が上記した各実施形態のものとは異なっているが、この点を除く構成は上記実施形態のものと共通している。図１１（ａ）に示す下面ノズル２７ａは、処理液吐出口２７１ａの上部端面がフランジ状に径方向に広がっている。このような形状の下面ノズル２７ａでは、基板裏面に供給されるＤＩＷや他の処理液がガス吐出口２７２ａに流入することが防止される。これにより、ガス吐出口２７２ａに流入した処理液が冷却ガスによって凍結して供給路が詰まることがない。
【００６４】
さらに、図１１（ｂ）に示す下面ノズル２８ａは、処理液吐出口２８１ａの内側に冷却ガスおよび高湿度ガスの混合気体を吐出する高湿度ガス吐出口２８３ａを有している。このような構成によれば、上記した第３実施形態と同様に、基板の中心部に氷の粒を確実に発生させることができ、基板中心部でのパーティクル除去効率を向上させることができる。
【００６５】
以上説明したように、これらの実施形態においては、スピンチャック２が本発明の「基板保持手段」として機能している。また、第１実施形態においてはガス供給路２９および下面ノズル２７等が一体として本発明の「混合気体供給手段」として機能している。このうち、特にガス供給路２９は本発明の「混合部」として、また下面ノズル２７は本発明の「吐出部」としてそれぞれ機能している。また、処理液供給路２５および下面ノズル２７等が一体として本発明の「処理液供給手段」として機能している。また、第３実施形態では、高湿度ガス吐出口２８３が本発明の「第１吐出口」として、また冷却ガス吐出口２８２が本発明の「第２吐出口」として機能している。
【００６６】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記各実施形態では、ＤＩＷを本発明の「第１および第２処理液」としているが、第１および第２処理液はこれに限定されない。例えば、炭酸水、水素水、希薄濃度（例えば１ｐｐｍ程度）のアンモニア水、希薄濃度の塩酸などを用いたり、ＤＩＷに少量の界面活性剤を加えたものを第１および第２処理液としてもよい。また第１処理液と第２処理液とが必ずしも同一でなくてもよい点については先に説明したとおりである。
【００６７】
また、上記各実施形態では、冷却ガスおよび乾燥ガスとして同一の窒素ガス貯留部から供給されて互いに温度を異ならせた窒素ガスを用いているが、乾燥ガスおよび冷却ガスとしては窒素ガスに限定されない。例えば、乾燥ガスおよび冷却ガスのいずれか一方または両方を乾燥空気や他の不活性ガスとしてもよい。特に、冷却ガスは洗浄液を冷却するものであって基板に直接触れるものではないので、冷却ガスとして乾燥空気を好適に使用することができる。
【００６８】
また、上記各実施形態ではＤＩＷを吐出する処理液吐出口と冷却ガスを吐出するガス吐出口とを同軸構造としているが、このような構造に限定されるものではなく、例えば、基板の回転軸上に洗浄液を吐出する処理液吐出口を設ける一方、冷却ガスを吐出するガス吐出口を処理液吐出口の横に並べて配置してもよい。このような構造では冷却ガスが基板回転軸に対し非対称に吐出されることになるが、基板を回転させているので実質的には等方的に処理が行われる。
【００６９】
また、上記各実施形態では、洗浄液としてのＤＩＷと冷却ガスとしての窒素ガスが同じ方向へ、つまりいずれも基板に向けて吐出されるようにしているが、冷却ガスについては基板に向けて吐出する必要は必ずしもなく、基板に向けて吐出される洗浄液の液柱に向けて吐出されるようにしてもよい。
【００７０】
また、上記各実施形態の基板処理装置は、ＤＩＷ貯留部６２１および窒素ガス貯留部６４１をいずれも装置内部に内蔵しているが、洗浄液およびガスの供給源については装置の外部に設けられてもよく、例えば工場内に既設の洗浄液やガスの供給源を利用するようにしてもよい。また、これらを冷却するための既設設備がある場合には、該設備によって冷却された洗浄液やガスを利用するようにしてもよい。
【００７１】
また、上記各実施形態の基板処理装置は、基板Ｗの上方に近接配置される遮断部材９を有するものであるが、本発明は遮断部材を有しない装置にも適用可能である。また、これらの実施形態の装置は基板Ｗをその周縁部に当接するチャックピン２４によって保持するものであるが、基板の保持方法はこれに限定されるものではなく、他の方法で基板を保持する装置にも、本発明を適用することが可能である。
【００７２】
また、上記各実施形態は基板表面を公知の凍結洗浄技術で、基板裏面を本発明にかかる洗浄技術によって洗浄するものである。しかしながら、本発明の実施の態様はこれに限定されず、基板の片面のみを洗浄する場合にも本発明を適用することが可能である。また、基板の両面の洗浄に本発明を適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
この発明は、半導体ウエハ、フォトマスク用ガラス基板、液晶表示用ガラス基板、プラズマ表示用ガラス基板、ＦＥＤ（Field Emission Display）用基板、光ディスク用基板、磁気ディスク用基板、光磁気ディスク用基板などを含む基板全般を処理する基板処理装置および基板処理方法に適用することができる。
【符号の説明】
【００７４】
２  スピンチャック（基板保持手段）
３  冷却ガス吐出ノズル
９  遮断部材
２５  処理液供給路（処理液供給手段）
２７  下面ノズル（混合気体供給手段、処理液供給手段、吐出部）
２９  ガス供給路（混合気体供給手段、混合部）
６２  ＤＩＷ供給部
６４  ガス供給部
６５  混合器
２８２  冷却ガス吐出口（第２吐出口）
２８３  高湿度ガス吐出口（第１吐出口）
６２２  熱交換器
Ｗ  基板
Ｗｆ  基板表面
Ｗｂ  基板裏面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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