CN101971293B - 用于薄膜的闪光灯退火 - Google Patents

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Abstract

一种制造结晶膜的方法，其包括在衬底上提供包括具有选定结晶表面取向的种晶粒的膜；使用脉冲光源辐射膜以在提供混合的液相/固相的条件下提供膜的脉冲熔融以及在提供具有选定表面取向的织构多晶层的条件下允许混合的固相/液相固化。可以采用一种或多种辐射处理。该膜适于使用在太阳能电池中。

Description

用于薄膜的闪光灯退火
相关申请
本申请涉及一起在审的、共同拥有的2008年11月5日提交的申请序列号61/111,518号和2008年2月29日提交的申请序列号61/032,781，这两个申请在此以引用方式全文并入。
技术领域
所公开的主题通常涉及薄膜的结晶且尤其涉及在这种结晶中使用脉冲泛光源。
背景技术
一些太阳能电池使用结晶硅膜来充当载体。太阳能电池使用较小的载体，且为了具有合理的效率，它们要求具有低缺陷密度的膜。结晶硅膜内的缺陷包括晶界以及晶粒内缺陷，晶界即结晶晶粒之间的边界，晶粒内缺陷即结晶晶粒内的缺陷，诸如孪晶界和堆垛层错。为了提高太阳能电池的效率，期望降低晶界的密度以及降低晶粒内缺陷的密度，降低晶界的密度即增大这些晶粒的尺寸。
目前制造太阳能电池最常用的方法是采用单晶硅(c-Si)衬底。这些晶片提供了高质量的衬底，但由于有限的硅原料可利用度，所以它们价格高昂。可以使用如来自晶锭的多晶硅(poly-Si)衬底，但它们具有仅略微低的成本。目前的趋势是降低基于c-Si和poly-Si晶片的太阳能电池的厚度(如，低于200μm)；然而，产生了与这种晶片的机械性能有关的挑战，如在加工过程中的处置。
薄膜无定形硅和/或纳米晶硅太阳能电池使用了少得多的硅，这具有潜在的成本优势。而且，它们可以被沉积到大面积衬底上，诸如玻璃、金属箔或甚至塑料。然而，无定形硅仍存在稳定性差和效率比晶体硅低的不足。通过有限地使用硅而产生低的成本，同时通过使用晶体硅而产生高的稳定性和效率，薄膜多晶太阳能电池潜在地可以成为有吸引力的折衷办法。
为了形成薄膜多晶膜，可以处理无定形硅(a-Si)层以引起结晶，如使用热退火技术。然而，已知这种固相结晶法产生了具有高的晶粒内缺陷密度的膜，而且此外它们要求长的时间段和高温，这使得它们较不适于诸如玻璃的热敏衬底。
已经使用种子层法来制备poly-Si膜。此方法以低成本的大衬底开始并在衬底上产生薄的种晶层。获得结晶种子层的常规方法包括铝诱导结晶。该方法产生大的晶粒生长，但引入了许多晶粒内缺陷，以致于使得在某一晶粒大小之上(如，数μm)，膜的性能主要受晶粒内缺陷控制。因而，该层表现得像小晶粒的材料。此外，本工艺中得到的织构相对较差，如仅有75％的表面积在{100}极的20度内。在随后的步骤中，采用诸如等离子增强的化学气相沉积的外延生长法，由种子层生长厚的结晶层。诸如热线化学气相沉积(CVD)的低温化学气相沉积法是有吸引力的，因为它们提供了可能的玻璃相容性；然而，在低温下，这些方法要求高质量的{100}取向的表面以便用于定性外延生长。
Si膜的区熔再结晶(ZMR)可以导致形成具有优先的{100}表面取向的晶体的大晶粒多晶Si膜。该膜可用作种子层，因为它们具有低的缺陷密度，即大晶粒尺寸以及低量的晶粒内缺陷。而且，可以制备具有(100)表面织构(surface texture)的硅膜。对在低温下进行的大多数外延生长工艺来说，这种织构是优选的。然而，通常仅能以非常低的扫描速率才能观察到这些长的(100)织构晶粒的稳定生长，这些晶粒与优选的诸如玻璃的低成本衬底不相容。
闪光灯退火(FLA)已经用于使非晶形硅膜结晶。这些灯具有低的成本和高的功率。在FLA中，闪光放电灯产生短时脉冲的强光，其可以用于熔融并再结晶硅层。目前为止，使用的FLA技术已经产生具有高缺陷密度的结晶硅膜。因此，这些膜并不能最佳地用在太阳能电池中。因而，仍缺少使用FLA方法来生长高质量的结晶膜的实用技术。
发明内容
本申请描述了用于利用闪光灯退火(FLA)和其他低成本发散光源来结晶具有大的晶粒和低的晶粒内缺陷密度的膜。
在一个实施方案中，制造结晶膜的方法包括在衬底上提供包含具有基本上均匀的结晶表面取向的种晶粒(seed grain)的膜。使用脉冲光源辐射膜以在提供延伸遍布膜的厚度的多个固体部分和液体部分的条件下提供膜的脉冲熔融，这产生了包括一个或多个种晶粒的混合的液相/固相，并允许混合的固相/液相由种晶粒固化以提供具有结晶表面取向的种晶粒的织构多晶层(textured polycrystalline layer)。该方法还可以包括提供膜，其包括提供非晶形膜且在产生混合的液相/固相之前使非晶形膜经受辐射诱导的到多晶硅的转变，以提供包括基本上均匀的结晶表面取向的种晶粒的膜。
在一个或多个实施方案中，混合的液-固相的周期性具有接近临界固-液共存长度(λls)的周期性。
在一个或多个实施方案中，选定的表面取向是{100}面。
在一个或多个实施方案中，所得到的织构多晶层构成了在{100}极的约15°内具有{100}表面取向的膜的表面积的约90％，或者所得到的织构多晶层构成了在{100}极的约10°内具有{100}表面取向的膜的表面积的约90％，或者所得到的织构多晶层构成了在{100}极的约5°内具有{100}表面取向的膜的表面积的约90％。
在一个或多个实施方案中，辐射条件被选择为提供入射光的强度以提供接近λls的液-固相的周期性。
在一个或多个实施方案中，脉冲的发散光源包括闪光灯或激光二极管。
在一个或多个实施方案中，膜包括硅。
在一个或多个实施方案中，混合的固相/液相中的液体含量是在约50vol％到约99vol％或约80vol％到约99vol％的范围内。
在一个或多个实施方案中，辐射条件被选择成使得当种子之间的距离超过λls时具有大于混合的固相/液相的80vol％的液体含量，或发散的光源脉冲的强度被选择成提供混合的固相/液相。
在一个或多个实施方案中，膜厚度是在约50nm到约1μm的范围内，或在约150nm到约500nm的范围内。
在一个或多个实施方案中，该方法还包括在织构层上外延生长厚的硅层。
在一个或多个实施方案中，层被暴露于单个闪光灯脉冲，且光源脉冲提供了具有至少约90vol％液体的液体/固体混合物。
在一个或多个实施方案中，层被暴露于多个光脉冲，诸如2-10个光脉冲或2-4个光脉冲。
在一个或多个实施方案中，光源脉冲提供了具有至少约50vo1％液体的液体/固体混合物。
在一个或多个实施方案中，入射光的能量密度是约2J/em2-约150J/cm2。
在一个或多个实施方案中，混合的液相/固相是通过选择入射到膜的光的能量密度、脉冲形状、驻留时间和波长来获得的。
在一个或多个实施方案中，该方法还包括在闪光灯辐射之前预热衬底。
在一个或多个实施方案中，光源是在400nm-900nm范围内的波长，或光源包括白光，或光源包括被选择成由膜吸收的波长的光，或光源包括被选择成由下面的吸热层中的一种或多种吸收的波长的光。
在一个或多个实施方案中，该方法还包括为膜提供的金属底层，其中光源的热至少部分由金属层吸收。
在一个或多个实施方案中，阻挡层被设置在膜与金属层之间以减少膜与金属层的相互作用。
在一个或多个实施方案中，金属层被图案化以在选定区域内提供吸热。
在一个或多个实施方案中，膜被预热以提供选定取向的种晶粒，且种晶粒由选自由固相退火、脉冲激光结晶和熔融介导爆发生长(melt-mediated explosive growth)组成的组的方法提供。
在一个或多个实施方案中，脉冲光源是发散光源。
在一个或多个实施方案中，混合的液相/固相是用脉冲光源辐射的。
在一个或多个实施方案中，膜被分成一个或多个隔离部分且可以包括接近隔离部分中的一个或多个的一个或多个槽(trench)。
在一个或多个实施方案中，制备结晶膜的方法包括在衬底上提供包括具有基本上均匀的结晶表面取向的种晶粒的膜，使用脉冲光源辐射膜以在提供延伸遍布所述膜的厚度的多个固体部分和液体部分的条件下提供膜的脉冲熔融，产生了具有小于固-液共存长度(λls)的周期性且包括种晶粒中的一个或多个的混合的液相/固相，在提供具有选定表面取向的织构多晶层的条件下允许所述混合的固相/液相由种晶粒固化，以及使用第二脉冲光源辐射膜以在提供延伸遍布膜的厚度的多个固体部分和液体部分的条件下提供膜的脉冲熔融，产生了具有大于在第一脉冲中形成的周期性的混合的固相/液相，以及在提供具有选定表面取向的织构多晶层的条件下允许所述混合的固相/液相固化，其中表面织构、晶粒大小和缺陷率中的至少一个在第二脉冲辐射中得以改善。
在一个或多个实施方案中，不同于选定表面取向的至少一个晶粒在第一脉冲辐射之后保留在膜内，且其中膜内的不同晶粒的数目在第二次辐射脉冲之后减少了。
在一个或多个实施方案中，第一脉冲光源和第二脉冲光源是发散光源。
在本发明的另一个方面，提供了一种形成太阳能电池的方法，该方法包括(a)通过在衬底上提供包括具有{100}表面取向的种晶粒硅膜来提供织构种子层；使用脉冲发散光源辐射膜以在提供延伸遍布膜的厚度的多个固体部分和液体部分的条件下提供膜的脉冲熔融，产生了具有临界固-液共存长度(λls)的混合的液相/固相；以及在提供具有选定表面取向的织构多晶层的条件下允许混合的固相/液相固化；以及(b)在织构种子层上外延生长多晶硅层以形成织构膜。
在本发明的另一个方面，提供了织构多晶膜，使得该膜的表面积的至少90％被定向成在{100}极的约15°内。
例如，所公开的技术可以控制膜内的任何位置所经受的加热循环。所述方法和系统可以用于在制造太阳能电池的外延生长工艺中产生种子层。这些方法和系统可以使得能够将FLA和其他低成本的发散光源如二极管激光器用于大规模生产太阳能电池用的晶体膜。该工艺还可以用于产生在3D-IC中使用的(100)织构膜(textured film)。
附图说明
参考下面的附图描述了所公开的主题，附图是仅出于阐释的目的而提供的，而不是预期限制本文所公开的内容。
图1是根据所公开主题的一些实施方案的可以被使用的闪光灯装置的示意图。
图2是根据所公开主题的一些实施方案的(A)具有均匀晶体形态的膜的熔融曲线和相应的温度曲线的横截面图和(B)所得到的固化的膜的横截面图。
图2C是根据所公开主题的一些实施方案的混合的固相/液相膜的临界固-液共存长度(λls)的图示。
图3是根据所公开主题的一些实施方案的(A)具有非均匀晶体形态的膜的横截面图；和(B)非均匀膜的熔融曲线和相应的温度曲线的横截面图。
图4是根据所公开主题的一些实施方案的(A)具有非均匀晶体形态的膜的横截面图；(B)熔融曲线和相应的温度曲线的横截面图，其中与λls相当的周期性小于(100)晶粒之间的间距，使得一些(hkl)晶粒存留；以及(c)所的固化的膜的横截面图。
图5是根据所公开主题的一些实施方案的晶粒大小对曝光次数的曲线，其阐释了多次曝光对晶粒大小的影响。
图6是根据所公开主题的一些实施方案的％(100)织构对曝光次数的曲线，其阐释了多次曝光对织构大小的影响。
图7A和7B是根据所公开主题的一些实施方案的分别使用部分熔融处理和连续波完全熔融而已经被结晶的Si薄膜的显微照相。
图8A和8B是根据所公开主题的一些实施方案的实施热流隔离的薄膜结晶系统的示意图。
具体实施方式
本申请提供了高效且低成本地生产适于在太阳能电池中使用的硅薄膜的方法和系统。本申请使用闪光灯技术或诸如二极管激光器的其他低成本脉冲泛光源，以在提供混合的液相/固相的条件下提供硅膜的脉冲熔融。固相提供了由液相进行硅的结晶生长的晶种位置。在合适的条件下，获得了高度织构poly-Si层。在一个或多个实施方案中，提供了具有强(100)织构的poly-Si层。本申请还使用闪光灯退火以便在用于制造太阳能电池的外延生长工艺中产生种子层。从下面的描述中将会明显看出，方法并不限于硅薄膜结晶且可以用于熔融时显示出反射率增大的任何薄膜。出于下面的讨论的目的，除非具体指出，否则方法可以用于任何这样的材料。从下面的描述中还将明显看出，可以使用其他脉冲光源，只要它们也提供脉冲发散光源或脉冲泛光源和混合相部分熔融工艺的期望控制。除非明确说明，否则闪光灯退火或“FLA”还意指包括二极管激光器或用作“闪光灯，，的其他发散脉冲光源。对FLA来说，玻璃相容性可能是非常有挑战性的，因而也考虑将其他衬底用于此工艺中。
部分熔融的区熔再结晶可以用于在有利的条件下提供具有(100)织构的结晶膜。在常规的ZMR工艺中，长(100)织构晶粒的生长从膜的未熔融区与完全熔融区之间的“过渡区，，中形成的晶粒开始。这是部分熔融的区域，该区域内共存多个区，这些区是遍布膜的厚度的呈固体或液体，且由于在熔融(半导体-金属过渡)时的Si反射率显著增大，所以这些区仅存在于相对加热的Si膜中。在此部分熔融的区域中，已经观察到{100}表面取向的晶粒占多数，这是一种有时候与SiO2内的结晶各向异性有关的现象-Si界面能。到膜的热耦合因熔融增强而减少，这产生了负反馈，由于这一负反馈，部分熔融的区域是自稳定的且可以在整个膜中通过以低于完全熔融所要求的束强的束强的辐射而诱导。这在使用连续波激光扫描的部分熔融的ZNR工艺中已得到证明。参见，如van der Wilt等人的“Mixed-Phase Zone-MeltingRecrystallization of Thin Si Film Via CW-laser Scanning(经由CW激光扫描的薄Si膜的混合相区熔再结晶)”，Materials Science andEngineering，Columbia University，March2008，该文献以引用方式并入。
基于激光器的ZMR工艺的一个局限之处在于来自激光器的光具有相干性，这使得产生良好均匀的光束面临挑战。功率的变化将会导致混合相中固液比的变化和工艺效率的变化。使用衍射光学元件(DOE)产生的线束的非均匀性可高达±15％。熔融区通常非常窄，使得热横向扩散通过膜，于是这要求更高的光强度来补偿热损失。然而，这也产生较小的晶粒。该技术的另一个局限之处在于与激光器技术有关的成本。对大部分实际应用来说，单个激光头的功率不够强(高达如18W)，且需要合并多个头以产生足够大且功率足够强的光束。这将会进一步增加系统的复杂度和成本。最后，还已知大部分激光器是低效的光源，这些激光器中许多功率用于产生通常是单色光的光源。
而且，使用线束状脉冲激光源和脉冲泛光源(即，使用FLA)进行辐射在薄膜中产生不同的表面形态。通常当横向生长(如，利用SLS)时，横向的生长前沿(growth front)碰撞且形成突起。对至少某些应用来说，这种突起被认为会产生问题。这种突起还可以用FLA形成。如下文所讨论，借助于扫描混合相固化(MPS)，那些突起通常并未形成。相反，所得到的膜具有在所得到的膜的顶部的一个或多个液滴。这些液滴可以是膜厚度的许多倍(如，四倍或更高的倍数)，而突起通常是较低的倍数(如，四倍或更低的倍数)。形成液滴是因为由扫描形成的过多液体并未被留置在两个生长前沿之间内，而是与扫描束一起被输送通过存在于生长晶体之间内的液体通道。虽然脉冲MPS膜并不是完全平滑的，但是脉冲MPS并没有扫描的MPS膜的液滴形成。
闪光激光退火使用闪光灯来产生超过宽的波长范围例如400nm-800nm的白光。闪光灯是填充气体的放电灯，该灯产生非常短持续时间的、强的、非相干的全光谱白光。闪光灯退火装置使用白光能来进行表面辐射，其中使用例如椭圆反射器将光能引导到衬底上来聚焦光，诸如图1所显示的。图1是简化的侧视图，其表示根据本发明的一个实施方案的带反射设备110的闪光灯反应器100。闪光灯反应器可以包括位于支撑体130之上的一排闪光灯120，且靶区域位于支撑体130与闪光灯120之间。反射设备110可以位于闪光灯之上，以将来自闪光灯的变化量的辐射160反射回到朝向靶区域的正面的不同位置。靶区域可以适于接纳衬底(晶片)。
灯的电力由一系列电容器和电感器(未显示)供给，这允许形成以微秒到微米级规模的明确界定的闪光脉冲。在典型的闪光灯中，可以获得在高达3J/m2-5J/m2(对50μs的放电来说)范围内或对1ms-20ms的放电来说在50J/m2-60J/m2范围内的光能密度。在示例性的实施方案中，光能密度可以是约2J/m2-150J/m2。闪光灯退火允许以数十微秒到数千毫秒之间如10μs-100ms的单次闪光来快速加热固体表面。影响薄膜结晶的质量的闪光灯变量包括入射光的能量密度，以及脉冲持续时间和光的形状(这导致某一驻留时间，即熔融持续时间)。
由于闪光灯辐射是泛辐射工艺，所以闪光灯可以以单个脉冲辐射大面积的衬底表面。可能能够同时处理衬底例如玻璃板上的整个膜。因而，不要求例如在基于激光的再结晶中使用的以扫描方式覆盖大衬底面积的多脉冲操作。然而，闪光灯辐射并不限于全衬底辐射，且闪光灯还可以被成形在有限的区域内，如被成形为线束以辐射膜的选定区域。在一个或多个实施方案中，可以任选地设置衬底和闪光灯装置，使得膜的表面被扫描且按顺序地暴露于来自闪光灯装置的光能。曝光可以重叠，以确保膜的完全结晶。扫描时，曝光可以进一步大程度地重叠，以产生每单位面积多次辐射。
在某些辐射条件下，液相和固相可以共存在硅膜中，且基于熔融区的固化工艺被称为“混合相固化”或“MPS”。在一个或多个实施方案中，在提供混合的固相和液相的条件下使用闪光灯、发散模式的二极管激光器或其他脉冲泛光源或发散光源来进行辐射。这些区是遍及膜的厚度的固体或液体，尽管总辐射表面包括固体区和液体区。液相可以占据比固相大的体积分数。固相起到用于在固化过程中形成结晶域的晶种位置的作用，且观察到大<100>织构晶粒的普遍生长。在MPS工艺中，在动态共存的固相与液相之间建立近平衡。固相与液相之间的平衡用于控制固化后产生的结晶晶粒的不同特征。这些特征包括晶粒大小和晶粒取向，特别是在{100}表面方向，还包括缺陷密度。
在MPS中，膜以被认为有利于{100}表面取向的晶粒生长的方式被部分熔融，这以其他取向为代价，其他取向在熔融过程中可能消失，或当在混合相熔融过程中未被消除时，其他取向可以在冷却和固化过程中经历比<100>晶粒少的生长。熔融和生长中的这种取向相关的各向异性发生在接近平衡的条件下。对于大致在可见光谱内的波长，作为固体Si与液体Si之间的反射率R的差异的结果，建立了混合相熔融。液体Si具有比固体Si高的反射率且倾向于反射入射光。只要未反射的光被充分吸收，那么反射的差异就导致固体区被加热得比液体区更多。此负△Q(Q是膜内产生的热，△Q＝Q(液体)-Q(固体))产生了液体和固体处于动态平衡的材料，其中液体过冷，而固体过热。
在一个或多个实施方案中，控制闪光灯退火条件以提供混合相材料中大于约50vol％液体的液体含量。此液相可以接近100vol％，但应该避免整个膜完全熔融。在一个或多个实施方案中，在闪光灯辐射过程中，液相是混合的液相/固相的约50vol％到小于约100vol％，或约80vol％到约小于100vol％。
通过MPS获得了<100>织构膜，条件是在建立膜的混合相熔融之前，存在{100}表面取向的种子。如本文中使用的，“{100}表面取向的晶粒或{100}种子”意指例如在{100}极的5度、10度、15度或20度内具有基本上{100}表面取向的晶粒/种子。因而，在一个或多个实施方案中，预热膜以提供{100}表面取向的晶粒或{100}种子。如果前体膜是多晶的；或如果前体是无定形的，在沉积后处理(如，脉冲激光结晶或固相结晶)过程中或在诱导MPS的结晶工艺初期阶段(即，前述的建立混合相)，如经由固相结晶或经由熔融介导爆发结晶，那么可以在沉积过程中产生种子。前体膜内的{100}种子含量影响获得强<100>织构膜所要求的熔融程度以及驻留时间。对无规的织构膜来说，为获得强织构要求大的熔融程度和/或较长的驻留时间。对{100}表面织构前体膜来说(如，经由某些CVD工艺可获得的)，较低程度的熔融可以是足够的。参见U.S.S.N.10/994205，题目为“Systems and Methodsfor Creating Crystallographic-Orientation Controlled Poly-SiliconFilms(用于产生结晶-取向的受控多硅膜的系统和方法)”，其在此以引用方式全文并入。
为了实现晶粒大小和晶粒织构的改善，应该发生膜的至少一些熔融。如果闪光灯辐射的能量密度太低，那么将不会发生熔融(以某一驻留时间)且所得到的膜将具有小的晶粒尺寸并显示出织构方面的微乎其微的改善。如果获得了小于50vol％的液相，那么混合相富集在固相晶种位置内，但是熔融不足以去除所有非{100}表面取向的晶粒或不足以提供晶体生长的显著增强。随着液相的体积百分数增大，较多数目的晶粒将完全熔融，使得再结晶晶粒的晶粒大小将相应增大。然而，如果辐射区域内的熔融是完全的，如100％，那么当晶粒从位于辐射区域的边缘处或其附近的未熔融固体横向生长时，将形成大的poly-Si晶粒。此外，当允许液体变得明显过冷(即，不存在横向生长的晶粒)以致于其经由固体的成核而固化时，可以形成高度缺陷的晶粒。虽然大的多晶晶粒可以由完全熔融形成，但是横向生长区通常是高度缺陷的且呈现出微乎其微的优选晶粒取向。虽然并不是所有情况下都存在，但通常的情形是由包含多晶晶粒的混合的液相/固相形成再结晶膜，这些多晶晶粒的尺寸比由完全熔融再结晶形成的那些晶粒的尺寸小，缺陷密度比其低以及织构比其大。在一个或多个实施方案中，所得到的膜包括在{100}极的约15°内具有{100}表面取向的膜的表面积的大于约90％。在其他实施方案中，表面取向在{100}极的约10°或约5°内。
当优化所得到的种子层时，考虑了多个因素。可以通过控制灯和束的性能和/或辐射条件来维持闪光灯辐射过程中的液体与固体的动态平衡。可以控制光强度(能量密度)、曝光量的时间曲线(脉冲形状和驻留时间)和光的波长范围。在闪光灯辐射过程中，可以控制诸如灯的布置(焦距等)的处理条件、设备和辐射实施条件、扫描条件、扫描次数、曝光次数、衬底加热、膜预热、共辐射和可变强度的曝光以获得期望的熔融条件和固化条件。
图2A是可以在具有均匀结晶度的膜200内或在稳态辐射条件下产生的液相210和固相220的横截面图。均匀结晶度意指由液体区域和固体区域产生的晶体在膜200内具有均匀的取向(如(100))且包含很少的缺陷或没有缺陷。液体区域210和固体区域220被相当有规律地分隔且固体区域220的尺寸是相当均匀的(就像液体区域210一样)。如在图2B中所显示的，当液体区域结晶时，膜200包含较高比例的具有{100}表面取向的晶粒250。液相的尺寸可以接近临界固-液共存长度(λls)，临界固-液共存长度是在混合相变得不稳定之前两相可以存在的程度。
然而，临界固-液共存长度(λls)并不是固定的长度。相反，该长度取决于辐射和样品构型(即，膜厚度、膜和衬底的导热率，这影响散热)的细节以及膜内的液体分数。λls260的图示显示在图2C中。图2C的x-轴是液体分数，即膜内有多少液体。y-轴是固-液共存长度(λls)。曲线260上的面积是不稳定的区域270。即，以那些共存长度和液体分数值不可能存在混合的固液相。曲线260之下的面积是稳定的液固共存区280。稳定的液固共存区280内的共存长度和液体分数的值产生稳定的混合的固相/液相。因此，共存长度和液体分数的值可以接近和等于临界固-液共存长度(λls)，但不应该超过它，混合的固相/液相也不会变得不稳定。优选地，混合的固相/液相应该在临界固-液共存长度(λls)处或其附近。
而且，固-液共存长度的值可以根据薄膜的晶粒大小来改变。例如，如图2A所示，具有大晶粒的膜通常具有大的固-液共存长度。然而，如图3A所示，具有小晶粒的膜通常具有小的固-液共存长度。
在某些实施方案中，前体膜的微结构允许液体/固体周期性达到与此临界尺寸相当的值。超出该临界尺寸是不可能的，但可以选择接近或达到λls的过程。对超过～50％液体的混合相系统来说，混合相系统的液体分数的进一步增大导致更长的λls，正如在下面更详细讨论的。当混合相变得不稳定(即，固体内不可持续程度的过热和/或液体内不可持续程度的过冷)，这种情况通常将会通过熔融或生长来调整以分别在那些不可持续过热或过冷的区域内产生液体或固体区域，且再次接近平衡条件。在此情形中，固体的生长并不会通过成核发生，因为过冷的程度是不足够的。这种布置还可以产生处于稳态辐射的材料，即液体和固体处于动态平衡的材料，其中液体是过冷的，而固体是过热的。
图3A是包含多个晶界330和不同取向的晶粒310、320的非均匀膜300的横截面图。晶粒还可以具有不同水平的缺陷率。这种非均匀膜的熔融受到晶界的优先熔融以及晶粒的取决于它们的结晶取向和它们的缺陷率的熔融行为的差异的影响。膜将形成液体区域340和固体区域350，液体区域340和固体区域350彼此之间具有变化的间距且它们具有变化的尺寸，正如图3B中所阐释的。此外，一旦建立混合相，特定晶粒的完全熔融条件或温度受到该晶粒的热扩散长度内的固体的总分数的影响，以及导致更高熔融温度的曲率效应(吉布斯-汤姆森效应)。因而，非均匀膜内的不同晶粒将会具有不同的局部熔融温度(Tm)，该局部熔融温度是缺陷率密度(defectivity density)和取向的函数。在均匀辐射下，膜将具有Tm(Tmas-Tmin)的范围，且液体区域和固体区域的温度将存在略微但意义重大的变化，正如图3B中所阐释的。发现{100}表面取向的晶粒是最耐熔融的，但其他取向，尤其在附近不存在{100}晶粒时，也可以留存下来。当先加热并熔融非均匀膜时，液体区域和固体区域的周期性以及尺寸均匀性可能受到损害，且尺寸将会是较小的以及将会与前体膜的性质有关。因而，易于形成大区域液体的能力部分取决于膜的质量。该固-液周期性可能(至少最初时)小于均匀膜的固-液周期性。非均匀膜可能要求更长的驻留时间和/或多次曝光以达到具有与λls相关的尺寸的混合相。
图4A阐释了具有低水平的稳定的{100}表面取向的晶粒410和由此高水平的不同取向的晶粒如表面取向{hkl}的晶粒420的非均匀膜400对形成混合相区域的影响。图4A是包含多个晶界430和不同取向的晶粒410、420的非均匀膜的横截面图。在此情形中，(100)取向的晶粒之间的间距大于临界固-液共存长度(λls)。当辐射时，膜将会形成液体区域440和固体区域450、460，它们彼此之间具有变化的间距且它们具有变化的尺寸，如在图4B中所阐释的。此外，固体区域450和460可以具有不同的结晶取向。临界固-液共存长度不足以形成桥接(100)种子的液体区域，且这就是{hkl}晶粒能够留存下来的原因，如图4C中所显示的。
当λls是短的时，具有不期望取向的种晶420可能非常难以去除。因而，当使用非均匀膜时，甚至当能够获得与临界固-液共存长度相当的固液周期性时，这可能不能保证获得高度织构膜，这是因为{100}取向的晶粒之间的间距可能大于临界固-液共存长度(或以不同方式表述，临界固-液共存长度太短了)。
在一个或多个实施方案中，膜经受多次FLA曝光。在一些实施方案中，膜表面可以被暴露两次或多次，高达约1百次或更多次或数十次，且更通常被暴露约2-10次，或2-4次。当经过多次曝光后获得结晶织构时，退火条件可以被选择成产生具有较低液体含量的混合相组合物。因而，可以用较低的强度和/或用较短的驻留时间来操作闪光灯。这种条件能够与热敏玻璃衬底相容。多次曝光可以具有产生较大晶粒和更强织构的膜的优势。图4C和图5用图阐释了增加扫描次数改善了平均晶粒大小。类似地，图6显示了(100)织构(以％{100}描绘)的水平的预期增大。因而，多次曝光过程往往产生较高质量的膜。
在第一次曝光中，固液周期性可能仍未达到由λls表示的值。这可能是由于前体膜的非均匀性，其中包括晶界的缺陷晶粒或缺陷区域或甚至具有某些取向的晶粒可能相比低缺陷密度的晶粒或区域和/或{100}表面取向的晶粒优先熔融。参见，图4A-4C。因而，虽然在单辐射工艺中观察到了晶粒取向和缺陷率的一些改善，但是初始膜的固有的非均匀性不能产生大周期性的液体区域和固体区域。轻微改善的样品的随后的辐射将会提供增强的{100}表面取向和降低的缺陷率的膜。如果前体膜的初始微结构在远小于λls的尺度，那么固/液周期性可能还仍未达到由λls表示的值。在这样的情形中，产生了具有与微结构相同尺度的周期性的混合相，因为这通常需要时间来形成混合相。这将特别是在优选短驻留时间(如，用于衬底相容性)的情形中和在多个脉冲工艺可以用于按顺序增大膜的晶粒尺寸和织构的那些情形中的情况。所得到的膜具有高水平的(100)晶粒，且晶粒大小通常大于用单次曝光获得的晶粒大小。
取决于应用，单次曝光技术可能是不足的。由于单次曝光技术要求接近完全熔融条件，所以多次曝光技术赋予了更大的自由度且多个因素可以在较宽的操作窗口内被调节。实际上，单脉冲或多个脉冲工艺中期望的熔融程度的差异可能并不是那么大。虽然在多次曝光方法中，较低程度的熔融可能是可以的(如，90％到95％，而不是99％或接近100％)，但是由多次曝光实际获得的是逐渐排除了非(100)晶粒，同时还增大了液体/固体周期性。而且，随后的辐射并不需要是以相同的能量密度，例如，能量密度可以是不同的，以适应膜的光学性能的变化(如，因为相变或缺陷密度的变化)，或优化晶粒大小和织构的顺序增加。
例如，实验观察已经显示出在以无定形或高度缺陷的前体开始的多个脉冲工艺中，第二脉冲和随后的脉冲实际上可以具有多达两倍于第一辐射脉冲的能量密度的能量密度。这与使用较长波长的光有关，在此波长的光时，无定形和晶体之间的透明度偏移(transparencyshift)大得多。因此，第二脉冲和/或随后的脉冲可能需要明显更高的能量，如是第一脉冲的两倍或至少超过第一脉冲的20％的能量。此差异比先前在按照扫描模式MPS工作的过程中所观察到的大得多，在扫描模式MPS中，使用数个百分数但不超过20％数量级的偏移。
在一个或多个实施方案中，薄种子层薄膜被暴露于脉冲泛辐射或发散辐射工艺中的多次曝光，以便不仅达到与λls相当的晶粒大小，而且还净化材料并去除非(100)晶粒。正如在本文中描述的，单次曝光可能产生位于晶界处或其附近的小的非(100)晶粒。参见，图4A-4C。虽然对一些应用/情形来说，这可能是可接受的，但是这并不是最佳的。这些晶粒在不求助于多次曝光的情况下是非常难以去除的。这可能是因为使用了非均匀前体，其中固-液比可以基于小的晶粒大小和(100)种子与非(100)种子之间的大间距来建立，非(100)种子可以存留下来仅仅是因为(100)种子之间的距离超过λls，甚至允许建立与λls相当的周期性的时间，甚至当有时间建立与λls相当的周期性的时间(长的驻留时间)。
在另一个实施方案中，第二FLA脉冲可以在时间方面与第一FLA脉冲间隔得足够近，使得膜仍处于不同于第一次辐射的高温下，尽管当用第二次辐射冲击膜时，其能够基本上被固化。因而，由于残余温度可能导致较大的λls，所以第二脉冲要求较低的能量。在此实施方案中，可能需要两个(两排)闪光灯以允许脉冲彼此靠近。
在FLA的过程中，放电灯可以提供作为放电电流脉冲的光能，其中脉冲半峰全宽(FWHM)可以从小于数十微妙到超过数十毫秒的范围内。对多次辐射来说，脉冲的频率还可以被控制且通常可以在数百赫兹的范围内变化。驻留时间是从开始熔融到完全固化的时间。在连续波形(CW)技术中，驻留时间主要受激光束的空间曲线的影响，且可能进一步受到离开扫描激光器的热扩散的影响。在FLA技术或其他泛辐射或发散辐射技术中，驻留时间主要受到闪光灯的时间曲线的影响。而且，驻留时间可能受到不同预热方式的影响。
当驻留时间增加时，织构工艺可能是更显著的，但衬底也暴露于光能达更长的持续时间。热扩散系数将热输送通过膜厚度。较长的驻留时间虽然改善了晶粒大小的质量和种子层的织构，但可能造成热不期望地输送至衬底中，这对热敏衬底来说是成问题的。
闪光灯的另一个特征是入射光的光能密度，该光能密度取决于闪光灯的输入能量，该光能密度可以通过改变闪光灯的电压和电容来控制。光能密度将随着所使用的特定的闪光灯装置(如，脉冲持续时间和预热)而变化，但通常可以在小于约2J/cm2到150J/em2或更大的范围内变化。能量密度期望在高于阈值水平I1之上，以便发生熔融和混合相再结晶。在能量阈值I1之下，即使以长的驻留时间，膜并不形成任何液相，且晶粒大小和织构的改善是差的。光强度也期望在上部强度I2之下，在此上部强度I2时，膜完全熔融。在高能量密度I2时，暴露的区域将完全熔融且并未观察到混合相再结晶的益处。
控制束质量的另一个因素与入射的白光的波长范围有关。如上所述，对大约在可见光谱内的波长来说，由于固体和液体之间的反射差，所以建立了混合相熔融。液相呈现出较高的反射率。只要未反射的光被充分吸收，那么反射差就导致固体区域比液体区域被加热更多，这对发生混合相熔融和固化来说是必要的条件。
不同的光源将具有它们各自独特的将被膜吸收的波长范围。Si膜结晶中通常使用的光源以短波长辐射，如，来自准分子激光器的UV光(如XeCl的308nm)或中波长，如倍频二极管泵浦固体激光器(如，Nd：YVO4，以532nm)。这些波长在Si内完全吸收(对UV来说)或足够好地吸收(对532nm的绿光来说)。更长的波长可能吸收得不够好且不能有效地使薄Si膜结晶(关于Si吸收的光学数据，参见，如CRCHandbook of Chemistry and Physics(化学和物理的CRC手册)第88版(2007-2008)，12节，第12-138页，其在此以引用方式并入)。来自闪光灯的光还包含长得多的波长(Xe气体放电灯产生400nm-800nm范围内的白光)，且二极管激光器的光可以排他性地由长波长(如，～808nm)组成。例如，可以使用532nm的光获得合适的混合相。即使这样，在此波长时，Si膜已经可以是部分透明的(取决于膜厚度和干扰效应)，且一些厚度比用于引起MPS的其他厚度更适合。
由于这些发射损失(预期对于半导体固体Si比对于金属液体Si更高)，对较长的波长来说，得到引起MPS的足够负的ΔQ将会变得逐渐更困难，即使反射率的变化ΔR仍是正的(ΔR＝R(液体)-R(固体))。在一个或多个实施方案中，金属层被使用在Si层之下作为吸热层。入射光的没有被Si层吸收的热而是被下面的金属层吸收并热扩散回到Si层内。金属层可以是具有合适的热吸收的任何金属。举个例子，金属层可以包括在Si沉积之前被沉积的钼膜(两者之间具有合适的屏障)，或者金属层可以是金属衬底(如，用于制备柔性的大面积的电子设备诸如太阳能电池或AM-OLED的柔性的不锈钢衬底)。在一个或多个实施方案中，金属并不会与Si层不利地相互作用，如通过毒化Si层。在其他实施方案中，阻挡层可以被设置在金属层与Si衬底之间。在一个或多个实施方案中，金属膜仅被设置在选定区域内(如，使用光刻工艺)，使得只有当在其他区域内较少的光被吸收而产生较少的热时才可以在那些选定区域内引起MPS。
在一个或多个实施方案中，其他有效的脉冲光源可以用于MPS工艺。一个这样的示例是二极管激光器，其能够在如～800nm脉冲产生激光且先前已经被用于在被称为二极管激光器热退火的工艺中引起熔融。如，参见Arai等人，“41.2：Micro Silicon Technology for ActiveMatrix OLED Display(用于有源矩阵OLED显示器的微型硅技术)，”SID07Digest，第1370-1373页(2007)和Morosawa等人，“Stacked Source and Drain Structure for Micro Silicon TFT forLarge Size OLED Display(用于大尺寸OLED显示器的微型硅TFT的堆叠的源结构和漏结构)”，IDW，第71-74页(2007)，它们在此以引用方式全文并入。高功率二极管激光器可以是功率有效的且可以具有高发散性(divergence)，这使得它们更像灯而不是更像其他激光器。它们的发散性使得它们比其他激光器更适于被成排放置以建立膜的均匀的2-D加热。二极管激光器还可以被脉冲，且能够获得的短脉冲持续时间可以有益于达到与诸如玻璃的低成本衬底的相容性。可以需要硅膜下面的金属层，以便由于较长波长的光而充分地吸收二极管激光器的光，并成功建立混合相熔融和固化。在一个或多个实施方案中，金属层可以被使用，即使与吸收良好的波长的光一起使用，以便获得期望的加热效应。金属层还可以用于抹去来自二极管激光器的辐射中的不均匀性，其例如可以产生于光的相干性。金属层是非常导电的，且可以按照比建立混合相所要求的时间短的或与其相比拟的时间标度将来自热场的热重新分配至附近的较冷区域。金属层还可以被图案化以仅在期望的区域内引起MPS。
在混合相熔融和固化区域内，可以确认临界固-液共存长度(λls)，超出该长度，混合相就因固体和液体的过热和过冷的程度分别达到不可持续的高值而变得不稳定。因此，混合相将发展成由过热的固体区域与过冷的液体区域交替组成的大致周期性的结构。参见图4。周期性与λls有关，λls又将基于辐射、预热和膜内的热流的细节以及所建立的熔融的程度来确定；以下文献中先前已经提供了简单的分析：Jackson等人，“Instability in Radiatively Melted Silicon Films(辐射熔融的硅膜的不稳定性)，”Journal of Crystal Growth71，1985，第385-390页，其内容以引用方式全文并入。由于生长由固体区域行进到液体区域内，由此可见，晶粒大小将通常倾向于在λls附近的值饱和。由于λls依赖于液体分数，通过以接近完全熔融的条件如在大液体含量的条件下进行辐射，可以获得较大的晶粒。
在种子层的结晶度是不均匀的情况时，如晶粒的取向和缺陷率存在变化时，液体和固体的混合相周期性可能不是均匀的。此外，液体区域可以小于λls，这是因为存在干扰液相的最佳形成的优先熔融的晶界。在一个或多个实施方案中，闪光灯辐射工艺被选择成增大λls、增大晶粒并降低缺陷率。
多种技术可以用于增大共存长度，以便接近λlS。一种技术涉及降低入射光的强度。辐射强度可以通过降低朝向衬底或周围环境的热的损失率而被降低。在一个实施方案中，通过使用泛脉冲退火大部分的膜，不存在明显的横向温度梯度，并且存在足以建立MPS的较低强度的辐射。在另一个实施方案中，通过样品预热例如经由来自前沿侧或后侧的共辐射或经由热板加热，或通过增加脉冲持续时间，可以建立较低强度的辐射。而且，与线扫描的MPS相反的脉冲MPS的使用降低了横向热损失且由此增大了λls。
可以控制光束的时间曲线以改善(100)织构的程度。即使当光辐射技术实现了固相和液相的共存，其仍然可能不会产生期望质量的结晶生长。生长可以发生在逐渐地进一步离开平衡的条件下且生长可能是缺陷率更高的，这是因为缺陷形成且取向脱离(orientation rolloff)。因而，增加膜内的{100}表面取向的晶粒的质量的一个因素是控制使脉冲下降的速度。在“光束关闭(beam off)”晶体生长中，例如伴随着光束关闭，能量密度突然变化(降低)且在黑暗中发生冷却和结晶。光束关闭晶体生长可以具有强的呈平面的性质，但还可能通过孪晶、缺陷生长，和/或取向脱离而迅速导致取向损失。因此，即使在辐射过程中形成的混合相可以使具有{100}表面取向的材料占大多数，一旦冷却，该取向可能不会被留存下来。
在一个或多个实施方案中，使用“光束开启(beam on)”时间能量曲线获得了{100}表面取向。在“光束开启”晶体生长中，在形成混合相之后，持续进行膜的辐射(尽管以递减的强度)。在固化过程中维持更长的近平衡条件且膜的质量更高，并且相比其他取向，具有{100}表面取向的种子的更强的优先生长。在光束开启固化中，固体种子的生长本身可能变得以导致形成混合相的机理为依据，且因此，生长前沿可能不是平面的，而可能变成蜂窝状的或甚至是树突状的性质以维持与λls相当的固液周期性。蜂窝状生长前沿的周期性将进一步受到λls减小的影响，因为液体含量降低了。这种生长模式不需要产生缺陷材料，但最终是通常具有至少低角度晶界的材料的特征。考虑到光束开启和光束关闭固化方案，得到所设计的时间光束曲线，该时间光束曲线可以建立在任一个方案中所经历的极端方案以及所诱导的最大程度的熔融之间的折衷。
示例性的合适的光束开启条件可以由经验确定或通过使用结晶模式确定。在一个实施方案中，以峰值功率辐射Si薄膜以产生大体积分数的液体，即接近完全熔融。此后，对光束开启辐射来说，光功率逐渐降低，直到已经发生完全固化。完全固化时间取决于生长速度。硅内的生长速度可以是高达超过10m/s，如在使用具有10s或100s的纳秒脉冲持续时间的准分子激光器的脉冲激光诱导的横向生长中所遇到的。对本方法来说，设想较长的脉冲持续时间且速度可能是在1cm/s到1m/s的数量级。那么，假设1μm或高达5μm或10μm的生长距离(取决于固-液周期性)，这将意味着1μs到1ms的逐渐下降。一般而言，在发生实质固化之前，功率被降低到闪光灯的峰值功率的40％到90％之间或60％到80％之间。Hawkins和Biegeleson(Appl.Phys.Lett.，42(4)，1982年2月，第358-360页)，其以引用方式全文并入，显示了硅温度与激光功率之间的关系并指出了液/固混合相共存的平台。
并不受到任何特定理论或操作模式的束缚，按光束开启结晶进行生长被认为具有低缺陷密度的一个原因与膜内的温度梯度有关。在脉冲激光结晶中，如定向顺序横向固化中，在生长界面后的区域内通常存在非常强的温度梯度。这些导致温度梯度诱导的应力，该应力被认为是通过塑性变形形成缺陷的来源；对在快速转变成较高角度晶界的低角度晶界来说尤其如此(Crowder等人，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.第685E卷，2001Materials Research Society，其以引用方式全文并入)。在固体快速冷却在横向生长前沿后的区域内产生强的温度梯度方面，光束关闭结晶类似于此。另一方面，在光束开启结晶中，固体被恒定地加热，因此存在较小的横向温度梯度，在界面处，该温度梯度进而被反转，因为固体比液体吸收得更多。并不受到任何特定理论或操作模式的束缚，这可能是在生长前沿处或其附近没有缺陷形成的原因。
预热可以用于升高膜的基底温度，使得需要较少的能量或较短的脉冲时间来获得期望水平的液体/固体混合物。预热机构包括使用加热的衬底，诸如热板和共辐射，其中一次辐射用于加热，且第二辐射用于预热。作为例子，具有低强度的长脉冲持续时间的曝光用于加热，然后具有高强度的短脉冲持续时间的曝光用于MPS处理。共辐射可以来自相同侧或相对侧。在其他实施方案中，通过来自膜的相对侧的辐射来预热膜。
另一个控制因素是膜暴露于光的次数。一些应用使用单次曝光(每单位面积)，而其他应用使用多次光束辐射以结晶膜。对太阳能电池来说，单次辐射和多次辐射都可以被使用。
在一个或多个实施方案中，硅膜经受单次FLA曝光。为了在单次曝光中获得强结晶织构，选择退火条件以产生接近完全熔融如大于80vol％的液体或大于90vol％的液体的混合相组成。示例性的工艺条件包括将衬底预热到高衬底温度(在硅膜的情形中，例如预热到约400℃到1200℃，或600℃到900℃)且使用光束时间曲线，包括缓慢加热和冷却，这使得晶体接近全熔融并产生主要具有{100}表面取向的大晶体。为了获得较高水平的液体和较大的共存长度，如接近λls，以低功率操作闪光灯，即，向膜表面提供较低强度的光能，使得系统可以被缓慢地加热和冷却，如以较低脉冲强度的较长脉冲驻留时间。认识到不同的材料和条件将提供不同的具体结果，通常观察到所得到的poly-Si膜具有高水平的(100)晶粒织构，但也存在其他晶粒取向。其他取向可以在混合相熔融的峰值下，以来自位于远离{100}表面取向的种子的种子的小晶粒存在，通过这，它们可以保留在第一位置的混合相熔融，但已经在固化过程中经历微乎其微的生长，这是因为在近平衡条件下生长的各向异性。通常在晶界处或其附近(即，远离产生大{100}晶粒的种子)观察到这些小的且可能缺陷率更高的晶粒，且认为它们对太阳能电池(其中晶界区域已经是具有较短载体寿命的区域)具有较少的害处。
由于较长的驻留时间，可以存在显著的衬底加热，且这种方法适于热稳定的衬底，诸如某些金属和陶瓷衬底。虽然这种衬底可能不是适用于所有应用，诸如，如在期望衬底透明度的显示TFT中，但是对太阳能电池应用来说不要求这样的限制。在一个或多个实施方案中，采取一些步骤以避免过热的衬底，如通过限制加热区域(如，使用通过图案化金属吸收层或通过在顶部图案化反射金属层的局部加热)或通过使用可以进一步具有非常低的热传导的厚缓冲层(如，多孔层)，过热的衬底可能是通过较长的脉冲驻留时间的热扩散引起的。
在使用带有泛光曝光的闪光灯的技术中，重复曝光仅要求使灯闪光超过1次。伴随着每一次新的闪光，晶体晶粒的一部分被破坏并从临近的种子再固化。所涉及的热力学因素包括缺陷较多的而取向度较低的晶粒与缺陷较少的而取向度较高的晶粒之间的相互作用。
图7A和7B是分别使用部分熔融处理和CW完全熔融而被结晶的Si薄膜的现场显微照片。以非常低的扫描速率的CW扫描，将膜暴露于CW，这与部分熔融处理的相关性较低；然而，这阐释了当液体分数降低时发生的情况。图7B的图像显示了完全熔融。在由箭头700指代的左侧，存在清楚的蜂窝状定向生长。靠近完全熔融区域，在箭头710，固液间距翻倍，这更靠近固化区域。与在图7A中阐释的经受部分熔融的膜类似的一些情况发生了。正如可以在箭头720处看到的，晶体以层状形状生长以满足与λls相当的周期性，该周期性随着减小的液体含量而减小。
常规的铝诱导结晶技术导致具有大量晶粒内缺陷的大晶粒。因而，所得到的结晶光吸收层作用就像具有小得多的晶粒大小的材料那样。所得到的晶粒可以比由常规方法生产的那些晶粒小，但晶粒还有利地具有较低密度的缺陷且因而更适合于太阳能电池。种子层包括具有约50nm到1μm(或甚至更厚)或150nm到500nm厚度的硅层，该硅层具有低缺陷密度和高程度的(100)织构晶粒。作为例子，适于在太阳能电池中使用的种子层将具有超过具有在{100}极的15°内的取向的样品表面的90％或95％或甚至98％。按照上述内容来制备种子层。
随后的步骤即较厚的硅层的外延生长通常发生在高于600℃的高温下。近来，低温技术使用热丝CVD沉积的层且可以在约600℃下进行。这些低温技术相对于高温技术是优选的，因为与较低成本的衬底相匹配。同时，低温技术比高温版本更多地要求(100)织构的种子材料引起合适的外延生长。外延沉积层的示例性厚度在1.5μm到20μm之间或2Jm到6μm之间。
种子层法在生长太阳能电池的p-n结或掺杂剂梯度方面也是有优势的。吸收极层可以与不同的掺杂剂物质和/或其不同的浓度从种子层来生长，且进一步可以通过改变沉积气体混合物中的其相对浓度被提供为具有掺杂浓度的梯度。这样，可以引入太阳能电池的p-n结。外延生长层还可以在整个外延生长层内具有相同的掺杂物质，因为在随后的沉积步骤中稍后形成种子层和p-n结以产生发射极层，该发射极层可能是无定形相。吸收极层可以具有不同水平的掺杂剂浓度或甚至不同水平的其梯度，以产生背面场以便降低后触点处的少数载流子复合。种子层可以是高度掺杂的，以便同时用作太阳能电池的后触点。
在一个或多个实施方案中，可以使用外延爆炸结晶来制备外延生长相。外延爆炸生长利用了无定形硅和晶体硅的相对的热力学稳定性来引发外延结晶相并使其传播通过硅层的厚度。该方法的进一步的细节见共同在审的申请号61/012,229，题目为“Methods and Systems forBackside Laser Induced Epitaxial Growth of Thick Film(用于后侧激光诱导的薄膜外延生长的方法和系统)”，其在此以引用方式全文并入。所提议的技术的一个优势是种子材料在(100)取向是几乎完全织构的，这在外延爆炸生长技术的使用中是有优势的。
太阳能电池可以使用玻璃衬底以及非玻璃衬底。虽然MPS法可以用于非玻璃衬底，但是它们必须被优化以满足玻璃衬底的限制。另一方面，这些方法适合于不锈钢衬底或陶瓷衬底。FLA技术可以用于玻璃衬底或非玻璃衬底，如不锈钢衬底或陶瓷衬底。
本申请并不要求使用SLS技术。尽管这样，可以设想结合了所提到的技术与SLS法的混合机理。MPS可能产生均匀晶粒大小的材料。这对最佳太阳能电池是期望的。SLS可以进一步用于产生更均匀的晶粒大小的膜，以及进一步增大晶粒大小。即使已知远离平衡的横向生长通常导致缺陷生长(通过孪晶、堆垛层错或甚至外延生长完全断裂成高度缺陷的材料)，但对(100)表面织构的材料来说，已知至少在显著的横向生长长度上可以获得基本上无缺陷的材料。
而且，该技术可以进一步用于产生在3D-IC中使用的(100)织构膜，如使用混合SLS工艺或先前公开的工艺(或任何衍生工艺)以产生局部受控的单晶岛，如在以下文献中描述的：Song等人，“Single-crystal Si islands on SiO2obtained via excimer-laserirradiation of a patterned Si film(经由图案化的Si膜的准分子激光辐射获得的SiO2上的单晶Si岛)，”Appl.Phys.Lett.68(22)，1996年5月，第3165-3167页，其在此通过引用全文并入。
另外，FLA可以造成薄膜内不期望的横向结晶。在横向生长或爆炸结晶延伸超过受到辐射的区域之外时会发生这一情况。因此，当用FLA辐射膜时，膜可以具有对应于受辐射区域的优质的结晶部分和对应于不期望的横向生长的劣质的部分。而且，这些不期望的横向生长区域还具有不同于适当地结晶的区域的光学性能，这会使稍后的辐射工艺复杂。因此，在一些实施方案中，例如，在在图8A和8B中显示的实施方案中，通过在衬底805上的薄膜800的受辐射区域的边缘处为提供横向热流的屏障，可以减轻不期望的横向结晶。通过蚀刻薄膜800或通过还蚀刻下面的层，如缓冲层810(如图8A所显示)，可以提供膜的屏障或隔离。薄膜的蚀刻减少了第一部分801、第二部分802和第三部分803之间的辐射传热。然而，可以通过衬底传递一些热。因此，如图8B所显示的，衬底805可以具有一个或多个槽815。这些槽815可以进一步减少第一部分801、第二部分802和第三部分803之间的热流，由此进一步限制不期望的横向结晶。这种槽815可以使用常规的蚀刻技术或甚至激光刻划技术来制备。
此实施方案可以防止不清晰/模糊不清的结晶区域。在其他实施方案中，由于长的热扩散长度，可以形成非均匀结晶的宽边缘，这可以防止邻近堆叠。例如，当一个区域经由爆炸结晶被结晶时，引起混合相固化的最佳能量已经变化，且下次辐射因而可能不会在那些爆炸结晶区域内导致MPS。此工艺允许更倾斜界定的结晶区域。
当浏览本发明的说明书和实施方案时，本领域的技术人员将理解，在实施本发明时可以进行修改和等效替换而并不偏离本发明的要旨。因而，本发明并不意味着被上面明确描述的实施方案所限制，而仅仅由下面的权利要求进行限制。

Claims (33)

1.一种制备结晶膜的方法，所述方法包括：
在衬底上提供膜，所述膜包括具有均匀的结晶表面取向的种晶粒；
使用脉冲光源辐射所述膜以在提供延伸遍布所述膜的厚度的多个固体部分和液体部分的条件下提供所述膜的脉冲熔融，产生了混合的液相/固相，其中所述固体部分包括所述种晶粒，其中所述固体部分和所述液体部分有规律地分隔且尺寸均匀；以及
允许所述混合的固相/液相固化成由所述种晶粒横向生长的晶体以提供具有所述种晶粒的结晶表面取向的织构多晶层。
2.如权利要求1所述的方法，其中提供膜包括：
提供非晶形膜；以及
在产生混合的液相/固相之前，使所述非晶形膜经受辐射引起的至多晶硅的转变，以提供包括具有所述均匀的结晶表面取向的种晶粒的膜。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述混合的固相/液相具有达到临界固-液共存长度(λIs)的周期性。
4.如权利要求1所述的方法，其中选定的表面取向是{100}面。
5.如权利要求1所述的方法，其中所得到的织构多晶层构成了在{100}极的15°、{100}极的10°和{100}极的5°中的至少一个内具有{100}表面取向的膜的表面积的90％。
6.如权利要求1所述的方法，其中辐射条件被选择为提供入射光的强度以提供达到λIs的液-固相的周期性。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述脉冲光源是发散光源。
8.如权利要求7所述的方法，其中脉冲的发散光源包括闪光灯和激光二极管中的至少一个。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述膜包括硅。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述混合的固相/液相的液体含量是在50vol％到小于100vol％和80vol％到99vol％中的至少一个的范围内。
11.如权利要求1所述的方法，其中发散光源脉冲的强度被选择为提供混合的固相/液相。
12.如权利要求1所述的方法，其中膜厚度是在50nm到1μm和150nm到500nm中的至少一个的范围内。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述膜被暴露于单个闪光灯脉冲和多个光脉冲中的至少一种。
14.如权利要求13所述的方法，其中第二脉冲和随后的脉冲具有比第一光脉冲高的能量密度。
15.如权利要求13所述的方法，其中第二脉冲和随后的脉冲的能量密度比所述第一光脉冲的高20％。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述膜被暴露于2-10个光脉冲和2-4个光脉冲中的至少一种。
17.如权利要求1所述的方法，其中光源脉冲提供了具有至少50vol％液体的混合的固相/液相。
18.如权利要求1所述的方法，其中入射光的能量密度是2J/cm2到150J/cm2。
19.如权利要求1所述的方法，其中所述混合的液相/固相是通过选择入射到膜的光的能量密度、脉冲形状、驻留时间和波长来获得的。
20.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括在使用脉冲光源辐射所述膜之前预热所述衬底。
21.如权利要求1所述的方法，其中所述光源包括在400nm-900nm范围内的至少一种波长。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述光源包括被选择成由所述膜下面的吸热层和所述膜中的一个或多个吸收的波长的光。
23.如权利要求1所述的方法，其中所述光源包括白光。
24.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括提供位于所述膜下面的金属层，其中所述光源的热至少部分由金属层吸收。
25.如权利要求24所述的方法，其中阻挡层被设置在所述膜与所述金属层之间以减少所述膜与所述金属层的相互作用。
26.如权利要求24所述的方法，其中所述金属层被图案化以在选定区域内提供吸热。
27.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
用所述脉冲光源辐射所述混合的液相/固相。
28.如权利要求1所述的方法，其中所述膜被分成一个或多个隔离部分。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述衬底包括接近所述隔离部分中的一个或多个的一个或多个槽。
30.一种制备结晶膜的方法，所述方法包括：
在衬底上提供膜，所述膜包括具有均匀的结晶表面取向的种晶粒；
使用第一脉冲光源辐射所述膜以在提供延伸遍布所述膜的厚度的多个液体部分和固体部分的条件下提供所述膜的脉冲熔融，产生了具有小于固-液共存长度(λIs)的周期性且包括种晶粒中的一个或多个的混合的液相/固相，其中所述固体部分和所述液体部分有规律地分隔且尺寸均匀；
在提供具有选定表面取向的织构多晶层的条件下允许所述混合的固相/液相固化成由所述种晶粒横向生长的晶体；和
使用第二脉冲光源辐射所述膜以在提供延伸遍布所述膜的厚度的多个固体部分和液体部分的条件下提供所述膜的脉冲熔融，产生了具有大于在第一脉冲光源辐射中形成的周期性的混合的液相/固相；以及
在提供具有选定表面取向的织构多晶层的条件下允许所述混合的固相/液相固化，其中表面织构、晶粒大小和缺陷率中的至少一个在第二脉冲光源辐射中得以改善。
31.如权利要求30所述的方法，其中不同于所述选定表面取向的至少一个晶粒在第一脉冲光源辐射之后保留在所述膜内，且其中所述膜内的所述不同晶粒的数目在所述第二脉冲光源辐射之后减少了。
32.如权利要求30所述的方法，其中第一脉冲光源和所述第二脉冲光源中的每一种包括发散光源。
33.一种形成太阳能电池的方法，所述方法包括：
(a)通过以下步骤提供织构种子层：
在衬底上提供硅膜，所述硅膜包括具有{100}表面取向的种晶粒；
使用脉冲发散光源辐射所述膜以在提供延伸遍布所述膜的厚度的多个固体部分和液体部分的条件下提供所述膜的脉冲熔融，产生了具有临界固-液共存长度(λIs)的周期性的混合的液相/固相，其中所述固体部分和所述液体部分有规律地分隔且尺寸均匀；以及
在提供具有所述{100}表面取向的织构多晶层的条件下允许混合的固相/液相固化成由所述种晶粒横向生长的晶体；以及
(b)在织构种子层上外延生长多晶硅层以形成织构膜。
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