1.本发明涉及半导体设备技术领域，特别涉及一种预热环及衬底处理设备。
背景技术：
2.在半导体制造业，化学气相沉积(cvd)是一种在硅衬底(如硅晶片)上形成的薄膜材料的公知工艺。在cvd过程，待沉积的材料的气态分子被提供给晶片，以通过化学反应在晶片上形成该材料的薄膜。这种形成的薄膜可以为多晶的，非晶的或外延的。通常，cvd工艺在高温下进行，以加速化学反应并产生高质量的薄膜。一些工艺，例如外延硅沉积，在非常高的温度(＞500℃,＜1220℃)下进行。
3.在进行外延工艺期间，将硅衬底(如晶片)放置在反应腔内的旋转的石墨承载盘上，衬底和承载盘都被加热到所需的温度，反应气体在加热的衬底上通过，从而在衬底上外延生长出所需材料的薄层。通过随后的工艺，这些沉积的薄层被制成集成电路，根据衬底的尺寸和电路的复杂性，产生数万至数千甚至百万个集成电路器件。
4.减压外延是指在低于一个大气压的环境下进行化学气相外延的方法，其对成膜厚度均匀性要求非常高。必须精确控制各种工艺参数，以确保在减压外延中产生的高质量沉积层。一个关键参数是每个处理步骤中的衬底温度。在减压外延过程中，因为沉积气体在特定温度下反应并沉积在衬底上，衬底温度决定了衬底上材料沉积的速率。如果衬底表面上的温度变化，则发生薄膜的不均匀沉积，并且衬底上的物理性质将不均匀。在减压外延沉积中，甚至轻微的温度分布不均匀性也会导致晶面滑移。如何精确控制通过晶片表面的反应气体的速度及温度，是提高晶圆成品率的关键。
5.现有技术中，为了将进入反应室的工艺气体尽快加热到工艺温度，会在承载盘的周围设置预热环，从而通过预热环将工艺气体提前加热，但是在预热环对应反应室的气体注入口的区段处，由于对工艺气体预热距离不够，还是存在工艺气体没有被加热到预设温度的问题，从而导致此区段处的工艺气体温度低于其他区段处的温度，造成薄膜沉积在此区段处的不均匀。
技术实现要素：
6.本发明的目的是提供一种预热环及衬底处理设备，能够增加工艺气体进入反应室内的预热距离，防止工艺气体在刚进入反应室时未来得及充分加热，有效保证衬底表面工艺气体的温度达到工艺要求。
7.为了达到上述目的，本发明提供一种预热环，用于衬底处理设备，所述衬底处理设备包括：反应室、承载盘、预热环及气体注入口；所述承载盘设置于所述反应室内，用于支撑衬底；所述预热环围绕所述承载盘设置；所述反应室内的侧壁上设置支撑件，用于支撑所述预热环；所述气体注入口设置于反应室一侧，用于通入工艺气体；
8.所述预热环包括环体；
9.所述环体包括内周及外周；
10.所述内周及外周均包括第一区段及第二区段，所述第一区段为与所述气体注入口对应的区段，所述第二区段为与所述气体注入口不对应的其他区段；所述外周的第一区段包括沿预热环的径向方向，在所述第一区段的至少部分区域向气体注入口侧延伸形成的延伸部。
11.可选的，所述预热环的底面设有与支撑件接触的支撑座，所述支撑座为设置在预热环的底面的与支撑件位置对应的向下的凸起。
12.可选的，所述预热环的材质为碳化硅、图覆碳化硅的石墨中的任一种。
13.可选的，所述延伸部在所述外周的轮廓为连续的弧形、连续的波浪形、连续的折线形中的任一种或多种。
14.可选的，在环体的所述第二区段的外周和内周之间具有第一宽度，所述第一宽度恒定。
15.可选的，所述内周为圆形，所述外周在所述第二区段的区域为圆弧形。
16.可选的，所述延伸部连续分布在所述外周的第一区段的全部区域上，且在环体的所述第二区段的外周和内周之间具有第一宽度，所述第一宽度恒定，在环体的所述第一区段的外周和内周之间具有第二宽度，所述第二宽度恒定，所述第二宽度大于所述第一宽度。
17.可选的，所述延伸部仅分布在所述外周的第一区段对应气体注入口的两侧或一侧的区域。
18.可选的，所述延伸部在所述两侧或一侧的区域的轮廓为梯形。
19.可选的，所述延伸部在所述两侧或一侧的区域的轮廓为鱼鳍形，所述鱼鳍形包括顶部、及位于顶部两侧的内过渡曲线和外过渡线，所述外过渡线位于第一区段和第二区段之间的过渡区域，所述外过渡线沿着气流方向延伸；所述内过渡曲线的曲率向着远离所述顶部的区域逐渐减小。
20.可选的，所述环体的第一区段的厚度小于第二区段的厚度。
21.可选的，预热环底面设有多个凹陷部。
22.可选的，所述多个凹陷部沿预热环的径向方向分布。
23.可选的，所述多个凹陷部沿工艺气体的气流方向分布。
24.可选的，所述凹陷部为长条状凹槽或点状凹槽。
25.可选的，所述支撑件设置在反应室侧壁的下衬套上。
26.可选的，所述第一区段占据预热环的1/4至1/3。
27.本发明还提供一种衬底处理设备，所述衬底处理设备包括：
28.反应室、承载盘、预热环及气体注入口；
29.所述承载盘设置于所述反应室内，用于支撑衬底；
30.所述预热环为如本发明所述的预热环，且围绕所述承载盘设置；
31.所述反应室内的侧壁上设置支撑件，用于支撑所述预热环；
32.所述气体注入口设置于反应室一侧，用于通入工艺气体。
33.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
34.1)本发明通过在预热环与气体注入口对应的区段上形成延伸部，增加了工艺气体进入反应室内的预热距离，防止工艺气体在刚进入反应室时未来得及充分加热；通过本发明的预热环有效保证衬底表面工艺气体的温度达到工艺要求；
35.2)本发明通过在预热环底部设置凹陷部，由于凹陷部具有更薄的厚度，因此降低了凹陷部的热阻；通过控制凹陷部的分布，实现有效控制预热环的局部温度；
36.3)本发明的预热环具有更小的热阻，热传导性更高，因此在满足反应室内工艺气体的温度达到工艺要求的前提下，本发明预热环所述区段之外的区域能够具有更小的宽度，进一步可以减小反应室的体积；由于工艺气体在反应室内通过的距离变短，工艺气体流经反应室的时间也缩短，因而大大提高了晶片的生产效率，节省了气体用量；
37.4)本发明能够在保证预热环强度的情况下，进一步减轻预热环的重量，实现反应设备的轻量化设计。
38.5)本发明的预热环不会改变引入的工艺气体的流速及流向，反应室内工艺制程可控。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
40.图1为衬底处理设备的剖面示意图；
41.图2为本发明实施例中预热环、衬底、承载盘表面流场示意图；
42.图3、图4、图5为本发明实施例一中，预热环的多种异形结构示意图；
43.图6为本发明实施例一中，预热环的支撑座示意图；
44.图7、图8为本发明实施例二中，预热环的多种异形结构示意图；
45.图9为本发明实施例三中，预热环的仰视图；
46.图10本发明实施例三中，预热环的径向剖面示意图；
47.图11为本发明实施例四中，预热环的仰视图。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
或“包含
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。
50.需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
51.实施例一
52.图1是本发明的衬底处理设备10的横截面示意图。
53.所述衬底处理设备10包含反应室120、预热环115、承载盘105、气体注入口113、气体排出口106。
54.所述反应室120用于使薄膜沉积及/或生长于衬底104(例如硅半导体晶片或绝缘体上硅(soi)半导体晶片)上。反应室120由侧壁、上石英穹顶116和下石英穹顶108围封而成。上石英穹顶116、下石英穹顶108可以是平坦的或者具有大致为圆顶的形状。所述气体注入口113设置在反应室120的一端，所述气体排出口106设置在反应室120的与气体注入口113相对的另一端。反应室120的侧壁还包括设置在内侧的上衬套100及下衬套112，用于防止工艺气体114与反应室的侧壁外侧(其通常由例如不锈钢的金属材料制造)之间的反应。上衬套100及下衬套112可由例如石英等的非反应性材料制造。
55.在操作中，工艺气体114通过气体注入口113而流入到反应室120中。然后，工艺气体114在衬底表面上方流动，实现将膜沉积在衬底104表面上，最后，工艺气体114通过气体排出口106从反应室120流出。
56.衬底104由反应室120内的承载盘105支撑。承载盘105连接到旋转支撑轴109，通过外部的电机(图中未示出)驱动所述旋转支撑轴109旋转及上下移动，进而带动承载盘105、衬底104一体化的绕旋转支撑轴109的中心轴旋转或带动承载盘105上下移动，以防止过量材料沉积在衬底前缘且提供更均匀的外延层。支撑管支架110用于支撑销轴111，销轴111可以在传输衬底104时支撑所述衬底104。
57.预热环115环绕设置在承载盘105的外围与反应室侧壁内侧的衬套100、112之间，用于在流入反应腔120内的工艺气体114与衬底104接触之前，加热所述工艺气体114。反应室120的下衬套112上设有支撑件117，用于支撑所述预热环115。如图1所示，本发明的实施例中，所述支撑件117可以是沿下衬套112的周向方向，设置在下衬套112的内侧壁上的环形台阶或多个凸起(例如3个凸起，此仅作为示例，不应作为限制)。
58.图2为本实施例中预热环115、衬底104、承载盘105表面流场示意图。图2中的箭头表示反应室内工艺气体114的流场。预热环115围绕承载盘105设置，预热环115与承载盘105之间还存在一个间隙，以允许承载盘105旋转。衬底104放置在承载盘105上，且衬底104的直径小于承载盘105的直径，以允许承载盘105在引入的工艺气体114接触衬底104之前加热引入工艺气体114。在引入的工艺气体114通过预热环115及承载盘105时，通过热传递使预热环115及承载盘105的热量传递到引入的工艺气体114。因此，引入的工艺气体114可在接触衬底104之前被预热环115、承载盘105预热。
59.预热环115及承载盘105通常都不透明，以吸收由位于反应室120上方及反应室120下方的红外加热灯组101产生的辐射加热光。本发明实施例中，预热环115及承载盘105的材质可以为碳化硅、图覆碳化硅的石墨中的任一种。所述红外加热灯组101可用于将热提供到反应室120，使预热环115及承载盘105维持高于环境的温度，通过一控制器(图中未示出)基于红外测温仪102获取的温度对红外加热灯组101的功率进行控制。图1中红外加热灯组101的形状、布置方式仅作为示例，不应作为本发明的限制。为了保证反应室内的温度均匀，或为了实现对反应室内局部区域的温控，本发明还可以使用长度不同的直线形加热灯、或者非直线形的异形加热灯，多个加热灯还可以分组布置成灯阵列。
60.如图3、图4所示，本发明的预热环115包括环体1150，所述环体1150包括内周及外周。所述内周及外周均包括第一区段及第二区段，所述第一区段为与所述气体注入口对应
的区段，所述第二区段为与所述气体注入口不对应的其他区段。易于理解的，环体1150也被对应划分为环体第一区段(与气体注入口对应)和环体第二区段(与气体注入口不对应)。在本发明的优选实施例中，环体第一区段占据环体1150的1/4至1/3。
61.如图4所示，所述内周为圆形，外周的第二区段为圆弧形，所述内周的中心与衬底104的中心或承载盘105的中心重合，因此环体1150内周与衬底104外缘之间的间隙是恒定的，有利于衬底104外援温度的均匀分布。在环体第二区段的外周和内周之间(也即内周的第二区段与外周的第二区段之间)具有第一宽度w1，所述第一宽度w1在第二区段上是恒定的数值，恒定的第一宽度有利于在第二区段的温度是均匀分布的。环体第一区段包括沿环体1150的径向方向，在环体第一区段外周的至少部分区域向气体注入口侧延伸形成的延伸部1151。
62.在本实施例中，所述延伸部1151连续分布在环体第一区段外周的全部区域上。如图3、图4所示，延伸部1151在外周的轮廓为连续的弧形，即外周的第一区段为圆弧形。环体第一区段的外周和内周之间具有第二宽度w2，所述第二宽度w2在第一区段上是恒定的数值，且第二宽度w2大于第一宽度w1(增加了工艺气体114进入反应室内的预热距离)。
63.易于理解的，本发明通过在预热环115与气体注入口对应的区段上形成延伸部1151，增加了工艺气体114进入反应室内的预热距离，防止工艺气体114在刚进入反应室120时未来得及充分加热。通过本发明的预热环115可以有效保证衬底表面的周向边缘处的工艺气体114的温度达到工艺要求。
64.如图5所示，本发明的一个实施例中，延伸部1151连续分布在环体第一区段外周的全部区域上，且延伸部1151在外周的轮廓为连续的波浪形。在又一个实施例中，延伸部1151在外周的轮廓也可以是连续的折线形。或者在另一个实施例中，延伸部1151在外周的轮廓由连续的弧形、波浪形、折线形中的多种组合而成。
65.本实施例中，为提高环体第一区段的导热效率，实现环体第一区段的热阻小于环体第二区段的热阻，可以使环体第一区段的厚度小于环体第二区段的厚度。通过减小环体第一区段的厚度增加环体第一区段的导热能力，使得在红外加热灯组101的热辐射下，环体第一区段比环体第二区段升温更快且温度更高，可以进一步为引入的工艺气体114提供更多的预热的热能。作为另一种可选的实施方式，第一区段的材料和第二区段的材料不同，第一区段材料的比热容小于第二区段材料的比热容，这样第一区段的温度比第二区段的温度更高。
66.本实施例中，如图6所示，预热环115还设有与所述支撑件117接触的支撑座1152，所述支撑座1152为设置在环体1150的底面的与支撑件117位置对应的向下的凸起，可选的，所述凸起可以是凸点状，例如在周向上均匀分布在预热环115底面的多个凸点，可选的，所述凸起是沿着预热环115的周向在底面延伸的环形凸起。通过支撑座1152的设计，减少了环体1150其他位置的厚度，厚度的减小有利于增加红外加热灯组101的热辐射向预热环115热传导的效率；同时，凸起的设计还减小了环体1150与支撑件117之间的接触面积，有效减少了预热环115的热量经过支撑件117传递到反应室侧壁而造成的热损失，保障了预热环115的温度达到设定要求。
67.图2中的虚线表示本发明预热环115与现有技术的预热环相比，所减少的宽度。由于本发明预热环115的环体第一区段具有更小的热阻，热传导性更高，因此在满足反应室内
工艺气体114的温度达到工艺要求的前提下，环体第二区段能够具有更小的宽度，进一步可以减小反应室120的体积。由于工艺气体114在反应室内通过的距离变短，工艺气体114流经反应室120的时间也缩短，因而大大提高了晶片的生产效率。同时，本发明的预热环115能够在保证强度的情况下，进一步减轻预热环115的重量，实现衬底处理设备10的轻量化设计。
68.需要进一步强调的是，本发明无需改变预热环115的上表面特征以增加引入的工艺气体114在预热环115的预热面积。例如，所述上表面特征可以是设置在环体第一区段上表面的多个点状、直线状、弧线状、鱼鳍状突出部，工艺气体114经过所述突出部之间时，难以避免的会改变原有的流速和流向，造成反应室内的工艺不可控。因此，本发明的预热环115的上表面是平坦的，不会对引入的工艺气体114造成干扰，更不会在反应室内形成紊流。本发明的预热环115不会干扰工艺气体114的流速、流向，有效保证衬底的处理工艺符合规范。
69.实施例二
70.本实施例中，所述延伸部1151仅分布在外周第一区段对应气体注入口的两侧或任意一侧的区域。如图7所示，延伸部1151在所述两侧的区域的轮廓为梯形。具体的，气体注入口一般会通过插入件分成不同的区，从而可以分区控制气体的流量，以图7为例，气体注入口分为了三个区：a区、b区和c区，其中，b区位于气体注入口的中间区域，a区和c区分别位于b区的两侧区域，由于衬底在工艺时会旋转，图7以圆弧形箭头示例性的示出了衬底的旋转方向，假设衬底以顺时针的方向旋转，那么由于衬底旋转对气体分布的影响，导致气体趋向于在衬底的右侧(以图7所在纸张的平面方向为准)堆积，这样不均匀的气体分布最终导致沉积在衬底上的薄膜在不同区域之间的不均匀，因此，所述延伸部1151仅分布在外周第一区段对应气体注入口的两侧或任意一侧的区域，即延伸部1151仅设置在对应a区或c区的位置，有利于弥补衬底旋转带来的气体分布不均匀的影响。优选的，延伸部1151仅设置在对应a区的位置处，从而增加了衬底左侧(以图7所在纸张的平面方向为准)进入的气体的温度，一定程度上弥补了由于衬底旋转导致的气体堆积在右侧导致的问题。优选的，延伸部1151仅分布在外周第一区段对应气体注入口的两侧，所述分别位于两侧的两个延伸部1151延伸的远近不同，一侧的延伸部1151较另一侧的延伸部1151延伸的远，延伸远的所述延伸部1151可以提供预热的时间更长。
71.优选的，如图8所示，图8所示的延伸部1151与图7的延伸部1151的区别仅在于形状不同。延伸部1151在所述两侧的区域的轮廓为鱼鳍形，所述鱼鳍形包括顶部1153、及位于顶部两侧的内过渡曲线1154和外过渡线1155，所述外过渡线1155位于外周的第一区段和第二区段之间的过渡区域，外过渡线1155沿着气流方向304(如图7所示)延伸。所述内过渡曲线1154的曲率向着远离所述顶部1153的区域逐渐减小。外过渡线1155沿着气流方向304延伸有利于防止气体在气体注入口以外的位置被加热，提高了加热效率，内过渡曲线1154有利于防止气体温度在周向上的跃变。此仅作为示例，延伸部1151的数量、延伸部1151在环体第一区段的位置可以根据实际需要设置。
72.实施例三
73.为了进一步提高环体第一区段的导热效率，所述环体的第一区段的厚度小于第二区段的厚度。可选的，如图9、图10所示，本发明还可以在环体底面设置多个凹陷部1156。由于凹陷部1156具有更薄的厚度，降低了预热环115在凹陷部1156对应位置的热阻，提高了环
体第一区段接收热辐射的升温效率。图10所示，凹陷部1156可以是点状凹槽，其具有圆弧形的顶面以增加凹陷部1156接收热辐射的面积。通过凹陷部1156还进一步实现了预热环115的轻量化设计。如图10所示，本实施例中，所述多个凹陷部1156沿预热环115的径向方向分布。
74.本发明中，还可以在环体第二区段底部的全部区域或局部区域也设置多个凹陷部1156(可以均匀或非均匀分布)，多个凹陷部1156也可以分组分布。通过控制凹陷部1156的分布位置，实现有效控制预热环115的局部温度。
75.实施例四
76.如图11所示，本实施例中，多个凹陷部1156沿工艺气体114的气流方向分布。在本发明的其他实施例中，所述凹陷部1156也可以是长条状凹槽，只要能实现提高预热环115的热传导效率即可。
77.本发明还提供一种衬底处理设备，所述衬底处理设备包括：
78.反应室120、承载盘105、预热环115及气体注入口；
79.所述承载盘105设置于所述反应室内，用于支撑衬底；
80.所述预热环115为如本发明所述的预热环115，且围绕所述承载盘105设置；
81.所述反应室内的侧壁上设置支撑件，用于支撑所述预热环115；
82.所述气体注入口设置于反应室一侧，用于通入工艺气体114。
83.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。