热丝化学气相沉积技术的发展历史和产业化现状

自工业革命以来，电子器件已融入到生产生活的方方面面，给人们的生活带来了诸多便利，并创造了无限可能。各行各业众多电子器件需要在低温条件下制备高质量的无机非金属薄膜，能实现此项要求的技术手段并不多，其中应用面最广的是1965年发明的PECVD(等离子增强化学气相沉积)技术[1]，而另一项在十多年后首次提出的HWCVD(热丝化学气相沉积，也称HFCVD)技术[2]，经过技术不断的进步，也获得了越来越多的应用。

HWCVD的工作原理是利用分子在加热的金属丝上发生催化分解反应，并在基底表面发生沉积、聚合，从而形成薄膜。因此HWCVD又被称为催化化学气相沉积(Cat-CVD)。如下图所示。

HWCVD技术自1979年由Wiesmann[2]发明后并未引起人们的关注，直至20世纪80年代后期Doyle和Matsumura等人[3-5]才开始对HWCVD制备氢化非晶硅(a-Si:H)进行研究，在1991年，Mahan等人[6,7]首次证明了HWCVD技术可生产器件级质量的a-Si:H材料。在1993年Kaiserslautern大学和NREL首次用HWCVD技术成功制备了薄膜硅太阳能电池，而到1995年，乌得勒支大学和日本北陆先端科学技术大学首次用HWCVD技术制造了TFTs器件[8]。进入21世纪之后，随着人们对HWCVD技术理解的不断加深，HWCVD获得了越来越多不同工业领域的应用，其中部分应用列表如下[9]：

HWCVD技术比PECVD技术发展起步晚了约20年，它与其他技术相比最大的优势是成膜速度快和可实现无损镀膜。随着HWCVD技术的不断成熟与发展，它在设备造价和运行成本上的优势也越来越明显，因此受到了越来越多行业的青睐，相信在不久的将来HWCVD会如PECVD技术一样获得极其广泛的应用。

参考文献

[1] H.F.Sterling , R.C.G. Swann. Chemical Vapour Deposition Promoted by R.F.Discharge, Solid State Electronics, 8 (1965) 653-654.

[2] H.J. Wiesmann, A.K. Ghosh, T. McMahon, M. Strongin, a-Si:H produced by high temperature thermal decomposition of silane, J. Appl. Phys. 50 (1979) 3752–3754.

[3] J. Doyle, R. Robertson, G.H. Lin, M.Z. He, A. Gallagher, Production of high-quality amorphous silicon films by evaporative silane surface decomposition, J. Appl. Phys. 64 (1988) 3215–3223.

[4] H. Matsumura, Catalytic chemical vapor deposition (CTL-CVD) method to obtain high quality amorphous silicon alloys, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 118 (1988) 43–48.

[5] H. Matsumura, Study on catalytic chemical vapor deposition method to prepare hydrogenated amorphous silicon, J. Appl. Phys. 65 (1989) 4396–4402.

[6] A.H. Mahan, J. Carapella, B.P. Nelson, R.S. Crandall, I. Balberg, Deposition of device quality, low-H content amorphous-silicon, J. Appl. Phys. 69 (1991) 6728–6730.

[7] A.H. Mahan, B.P. Nelson, S. Salamon, R.S. Crandall, Deposition of device quality, low H content a-Si:H by the hot-wire technique, J. Non-Cryst. Solids 137 & 138 (1991) 657–660.

[8] R.E.I. Schropp, Industrialization of Hot Wire Chemical Vapor Deposition for thin film applications, Thin Solid Films 595 (2015) 272-283.

[9] H. Matsumura, Current Status of Catalytic Chemical Vapor Deposition Technology -History of Research and Current Status of Industrial Implementation, Thin Solid Films, 679 (2019) 42-48.

沈鸿烈博士，南京航空航天大学教授，江西汉可泛半导体技术有限公司特聘研究员。热丝CVD技术和太阳电池技术专家，亚太材料科学院院士、国家“863”项目主持专家， 1998年获中国国务院特殊津贴、 1992 年入选上海市第一届青年科技启明星、 1991年获中国国务院学位委员会和教育部联合颁发的 “做出突出贡献的中国博士学位获得者”称号。其团队2006年开始进行热丝CVD镀膜技术在硅基太阳电池应用的研究，在用其制备硅基薄膜电池、异质结电池、特种碳基薄膜等领域取得了系列高水平研究成果。