催化化学气相沉积(Cat-CVD)又名热丝化学气相沉积，可以在衬底温度低于300℃条件下获得器件级的高质量薄膜。本书系统介绍了Cat-CVD技术，包括其基本原理、设备设计及应用。具体包括Cat-CVD的物理基础及其与等离子增强化学气相沉积的区别、Cat-CVD 中化学反应的分析方法及基本原理、Cat-CVD 的物理化学基础、Cat-CVD制备的无机薄膜性能、引发化学气相沉积(iCVD)合成有机聚合物、Cat-CVD设备运行中的物理基础与技术、Cat-CVD 在太阳电池和各种半导体器件中的应用、Cat-CVD系统中的活性基团及其应用，最后介绍了利用Cat-CVD 腔室中产生的活性基团，在低温下进行半导体掺杂。
本书可供薄膜制备相关研发和技术人员参考使用，主要涉及半导体及薄膜太阳电池等领域。
松村英树（Hideki Matsumura），博士，日本北陆先端科学技术大学院大学（JAIST）材料科学学院荣誉教授。
梅本弘宣（Hironobu Umemoto），博士，日本静冈大学工程学院化学与生物工程专业教授。
卡伦·格利森（Karen K.Gleason），博士，美国麻省理工学院Alexander和I. Michael Kasser化学工程教授，副教务长。
吕德·施罗普（Ruud E.I.Schropp），博士，荷兰埃因霍芬理工大学Solliance太阳能研究所高级研究员。
黄海宾，江西汉可泛半导体技术有限公司董事长，国内知名异质结太阳电池专家，主要研究方向为太阳电池器件结构设计、模拟分析及产业化制备技术与装备，半导体薄膜制备技术与装备。
沈鸿烈，南京航空航天大学教授，亚太材料科学院院士。主要从事光伏及半导体功能材料方面的研究。
Hironobu Umemoto，博士，日本北陆先端科学技术大学院大学材料学院名誉教授。
Hironobu Umemot， 博士，静冈大学工程学院化学与生物工程系教授博士，静冈大学工程学院化学与生物工程系教授。
Karen K. Gleason ，博士，美国麻省理工学院副教务长。
Ruud E. I. Schropp ，博士，荷兰埃因霍温 Solliance 太阳能研究公司研究员。
黄海宾，江西汉可泛半导体技术有限公司，董事长。南昌大学，教授
沈鸿烈，南京航空航天大学，教授。
第1章 引言 001
1.1 薄膜技术 001
1.2 Ca-t CVD 的诞生 003
1.3 Ca-t CVD 及相关技术的研究历史 003
1.4 本书的结构 006
参考文献 006
第2章 Cat-CVD的物理基础及其与PECVD的区别 009
2.1 沉积腔室中的物理基础 009
2.1.1 分子密度及其热速率 009
2.1.2 平均自由程 011
2.1.3 固体表面的碰撞 014
2.1.4 腔室中基团的停留时间 016
2.2 Ca-t CVD 和PECVD 设备的差异 017
2.3 PECVD 的基本特征 018
2.3.1 PECVD 的诞生 018
2.3.2 等离子体的产生 018
2.3.3 直流等离子体与射频等离子 018
2.3.4 鞘层电压 020
2.3.5 PECVD 中分解的基团浓度 021
2.4 PECVD 技术的缺点及改善方法 023
2.4.1 等离子体损伤 023
2.4.2 提高PECVD 激发频率 026
2.4.3 功率传输系统 026
2.4.4 大面积薄膜沉积的均匀性 027
2.5 Ca-t CVD 的技术特点 028
附录2.A Si、H 原子低能量注入引起的Si、H 原子分布〈R〉和缺陷分布〈Rdefect〉的粗略计算 030
参考文献 032
第3章 Cat-CVD中化学反应的分析方法及基本原理 034
3.1 CVD 过程中活性基团的重要性 034
3.2 活性基团检测技术 035
3.3 单光子激光诱导荧光（LIF） 036
3.3.1 基本方法 036
3.3.2 两态系统假设的有效性 037
3.3.3 荧光的各向异性 039
3.3.4 非辐射衰退过程的校正 039
3.3.5 光谱展宽 040
3.3.6 单光子LIF 的典型装置和实验结果 041
3.3.7 分子基团的转动和振动态的分布 045
3.3.8 单光子LIF 中绝对浓度的估算 045
3.4 双光子激光诱导荧光 046
3.5 单通道真空紫外（VUV）激光吸收 048
3.6 其他激光光谱技术 050
3.6.1 共振增强多光子离化 050
3.6.2 光腔衰荡光谱 051
3.6.3 可调谐二极管激光吸收谱 c2054
3.7 质谱测量技术 055
3.7.1 光致电离质谱法 055
3.7.2 阈值电离质谱法 056
3.7.3 离子附着式质谱分析法 056
3.8 稳定分子的气相组成测定 056
附录3.A 原子和分子光谱学中使用的术语符号 058
参考文献 058
第4章 催化化学气相沉积的物理化学基础 065
4.1 Ca-t CVD 过程中的分子动力学 065
4.1.1 Ca-t CVD 腔室中的分子 065
4.1.2 Ca-t CVD 与PECVD 气体利用率对比 068
4.1.3 热丝表面积的影响 068
4.2 热丝表面发生了什么——催化反应 069
4.3 表面分解气体过程中的热丝中毒问题 071
4.4 Ca-t CVD 腔室内气体温度分布 072
4.5 热丝表面分解机理及气相动力学 073
4.5.1 双原子分子的催化分解：H2、N2、O2 073
4.5.2 H2O 的催化分解 075
4.5.3 SiH4 和SiH4 /H2 的催化分解及后续气相反应 075
4.5.4 NH3 的催化分解及后续气相反应 076
4.5.5 CH4 和CH4 /H2 的催化分解及后续气相反应 078
4.5.6 PH3 和PH3 /H2 的催化分解及后续气相反应 078
4.5.7 B2H6 和B2H6 /H2 的催化分解及后续气相反应 079
4.5.8 H3NBH3 的催化分解和从硼化热丝中释放B 原子 080
4.5.9 甲基硅烷和六甲基二硅氮烷（HMDS）的催化分解 081
4.5.10 金属丝上各种分子催化分解总结 083
4.6 Ca-t CVD 中Si 膜的形成机理 083
参考文献 084
第5章 Cat-CVD制备的无机薄膜性能 089
5.1 Ca-t CVD 制备非晶硅（a-Si）的性能 089
5.1.1 a-Si 基础 089
5.1.2 Ca-t CVD 制备a-Si 基础 097
5.1.3 Ca-t CVD 制备a-Si 的一般特性 100
5.1.4 Ca-t CVD 制备a-Si 机理——生长模型 106
5.2 Ca-t CVD 制备多晶硅（poly-Si）和微晶硅（μc-Si）的性能 111
5.2.1 晶态硅薄膜的生长 111
5.2.2 Ca-t CVD 制备poly-Si 薄膜的结构 114
5.2.3 Ca-t CVD 制备poly-Si 薄膜的性能 117
5.2.4 在c-Si 衬底上生长晶硅薄膜 121
5.3 Ca-t CVD 制备SiNx 的性能 121
5.3.1 SiNx 薄膜的应用 121
5.3.2 SiNx 的制备基础 121
5.3.3 采用NH3 和SiH4 混合气制备SiNx 122
5.3.4 采用NH3、SiH4 和大量H2 的混合气制备SiNx 128
5.3.5 采用NH3、SiH4 和大量H2 制备SiNx 薄膜的保形台阶覆盖特性 130
5.3.6 采用HMDS 制备Cat-CVD SiNx 131
5.4 Ca-t CVD 制备氮氧化硅（SiOx Ny）的性能 134
5.4.1 采用SiH4、NH3、H2、N2 和O2 混合气制备SiOx Ny 薄膜 134
5.4.2 采用HMDS、NH3、H2 和O2 混合气制备SiOx Ny 薄膜 137
5.5 Ca-t CVD 制备SiO2 薄膜的性能 139
5.6 Ca-t CVD 制备氧化铝（Al2O3）薄膜的性能 141
5.7 Ca-t CVD 制备AlN 薄膜的性能 143
5.8 Ca-t CVD 制备无机薄膜总结 145
参考文献 146
第6章 引发化学气相沉积（iCVD）合成有机聚合物 151
6.1 引言 151
6.2 iCVD 法合成聚四氟乙烯 152
6.2.1 CVD PTFE 薄膜的特性选择及应用 154
6.2.2 催化热丝材料对PTFE 沉积的影响 156
6.3 iCVD 的机理 158
6.3.1 引发剂和抑制剂 158
6.3.2 单体的吸附 159
6.3.3 沉积速率和分子量 160
6.3.4 共聚反应 162
6.3.5 保形性 162
6.4 iCVD 制备具有功能性、表面活性和响应性有机薄膜 164
6.4.1 聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PGMA）：性能和应用 170
6.4.2 含全氟烃基官能团的iCVD 薄膜：性质和应用 171
6.4.3 聚甲基丙烯酸羟乙酯（PHEMA） 及其共聚物：性质和应用 174
6.4.4 有机硅烷和有机硅氮烷：性质和应用 177
6.4.5 苯乙烯、4-氨基苯乙烯和二乙烯基苯的iCVD 聚合物：性质和应用 181
6.4.6 二丙烯酸乙二醇酯（EGDA） 和二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）的iCVD 聚合物：性质和应用 183
6.4.7 两性离子型聚合物和多离子型聚合物iCVD 薄膜：性质和应用 184
6.4.8 iCVD“智慧表面”：性质和应用 185
6.5 iCVD 界面工程：黏附与接枝 190
6.6 iCVD 合成有机薄膜的反应装置 192
6.7 iCVD 总结和未来展望 194
参考文献 196
第7章 Cat-CVD设备运行中的物理基础与技术 207
7.1 Ca-t CVD 设备中气体流量的影响 207
7.1.1 长圆柱形腔室准层流实验 207
7.1.2 圆柱形腔室中SiH4 的裂解概率 209
7.2 决定薄膜均匀性的因素 210
7.2.1 催化热丝与衬底之间几何关系的表达式 210
7.2.2 薄膜厚度均匀性估算举例 211
7.3 催化热丝的安装密度极限 212
7.4 催化热丝的热辐射 213
7.4.1 热辐射基础 213
7.4.2 热辐射条件下衬底温度的控制 214
7.4.3 CVD 系统的热辐射 216
7.5 催化热丝的污染 217
7.5.1 催化热丝材料的污染 217
7.5.2 其他杂质污染 218
7.5.3 催化热丝释放杂质的流密度 221
7.6 催化热丝的寿命及其延长方法 221
7.6.1 引言 221
7.6.2 钨催化热丝硅化物的形成 222
7.6.3 钽催化热丝硅化物的形成 227
7.6.4 钨表面渗碳抑制硅化物的形成 229
7.6.5 钽催化热丝及延长其寿命的方法 230
7.6.6 使用TaC 延长寿命 230
7.6.7 使用其他钽合金延长寿命 231
7.6.8 钨催化热丝在含碳气氛中的寿命 232
7.6.9 iCVD 中使用的长寿命催化热丝 234
7.7 腔室的清洁 235
7.8 产业化生产设备现状 237
7.8.1 用于化合物半导体的Ca-t CVD 量产设备 237
7.8.2 用于大面积沉积的量产型Ca-t CVD 设备 238
7.8.3 PET 瓶涂膜用的Ca-t CVD 设备 241
7.8.4 其他产业化生产设备的原型机 242
参考文献 242
第8章 Cat-CVD技术的应用 245
8.1 Ca-t CVD 的历史概述：研究与应用 245
8.2 在太阳电池中的应用 246
8.2.1 硅和硅合金薄膜太阳电池 246
8.2.2 c-Si 太阳电池 256
8.2.3 a-Si/c-Si 异质结太阳电池 259
8.3 在薄膜晶体管（TFT）中的应用 262
8.3.1 a-Si TFT 262
8.3.2 poly-Si TFT 266
8.4 在钝化化合物半导体器件表面中的应用 268
8.4.1 GaAs 高电子迁移率晶体管（HEMT）的钝化 268
8.4.2 甚高频晶体管的钝化 269
8.4.3 半导体激光器的钝化 270
8.5 在超大规模集成电路（ULSI）工业中的应用 270
8.6 在其他器件（如有机器件）中作为阻气膜的应用 271
8.6.1 OLED 用无机阻气膜SiNx /SiOx Ny 271
8.6.2 无机/有机叠层阻气膜 274
8.6.3 用于食品包装的阻气膜 278
8.7 其他应用和目前Ca-t CVD 应用总结
第9章 Cat-CVD系统中的活性基团及其应用 286
9.1 高浓度H 原子的产生和输运 286
9.1.1 高浓度H 原子的产生 286
9.1.2 H 原子的输运 288
9.2 Ca-t CVD 设备中H 原子的清洁和刻蚀应用 291
9.2.1 刻蚀c-Si 291
9.2.2 碳污染表面的清洁 292
9.3 H 原子对光刻胶的去除作用 294
9.4 H 原子对金属氧化物的还原作用 298
9.4.1 不同金属氧化物的还原 298
9.4.2 H 原子对金属氧化物半导体性能的调控 299
9.5 H 原子在液态浆料低温形成高电导金属线中的应用 300
9.6 低温表面氧化——“催化氧化” 301
9.7 低温表面氮化——c-Si 和GaAs 的“催化氮化” 306
9.8 “催化化学溅射”：一种基于活性基团的新型薄膜沉积方法 313
参考文献 314
第10章 催化掺杂：一种新型低温掺杂技术 316
10.1 引言 316
10.2 催化掺杂现象的发现过程 317
10.3 c-Si 的低温和近表面磷掺杂 318
10.3.1 近表面掺杂层的电性能测量 318
10.3.2 催化掺杂杂质浓度分布的SIMS 表征 322
10.3.3 扩散系数的估算 326
10.3.4 催化掺杂P 原子的特性 327
10.3.5 催化掺杂的机理 330
10.4 c-Si 的低温硼掺杂 335
10.5 a-Si 的催化掺杂 338
10.6 催化掺杂技术的应用及可行性 340
10.6.1 催化掺杂调控表面电势实现高质量钝化 340
10.6.2 a-Si 的催化掺杂及其在异质结太阳电池中的应用 342
参考文献 344
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