CN115867422A

CN115867422A - 硅部件的增材制造

Info

Publication number: CN115867422A
Application number: CN202180048413.5A
Authority: CN
Inventors: 塞耶达利雷萨·托尔巴蒂萨拉夫; 阿比纳夫·谢卡尔·拉奥; 陈继红; 宋屹; 杰罗姆·胡巴塞克; 维杰·尼西亚纳森
Original assignee: Lam Research Corp; Silfex Inc
Current assignee: Lam Research Corp; Silfex Inc
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2023-03-28
Also published as: US20230348311A1; WO2021225809A1; TW202206261A; KR20230008804A

Abstract

进行硅部件的3D打印的方法包括将粉状硅加至3D打印工具中。对于3D打印的每一层，该工艺包括形成粉状硅的粉末床、形成成层的粉末床至预定厚度、以预定模式将高功率束引至粉末床中以熔融粉状硅。在不需要更多层之后，硅部件以预定温度渐降速率冷却。在完全致密打印方法中，首先将硅缓冲层打印在钢衬底上，接着使用双重打印方法将实际部件的硅层打印在缓冲层上。在完全致密且无裂纹打印方法中，使用一个或更多加热器和热绝缘体以在Si打印、原位退火及冷却期间将温度梯度降至最小。

Description

硅部件的增材制造

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年5月7日申请的美国临时申请No.63/021,528以及于2020年12月22日申请的美国临时申请No.63/128,925的权益。上述引用的申请其全部公开内容都通过引用合并于此。

技术领域

本公开内容总体上是关于制造硅部件，更具体地讲使用电子束熔融的完全致密且无裂纹硅的3D打印。

背景技术

这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作在其在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的说明书的各方面中描述的范围内既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。

衬底处理系统通常包括多个处理室(也称为处理模块)，以执行衬底(例如半导体晶片)的沉积、蚀刻及其他处理。可在衬底上执行的工艺的示例包括，但不限于，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺、化学增强等离子体气相沉积(CEPVD)工艺以及溅射物理气相沉积(PVD)工艺。可在衬底上执行的工艺的额外示例包括，但不限于，蚀刻(例如化学蚀刻、等离子体蚀刻、反应性离子蚀刻等)及清洁工艺。

在处理期间，将衬底布置于衬底处理系统的处理室中的衬底支撑件上，例如基座、静电卡盘(ESC)等。在沉积期间，将包括一种或更多前体的气体混合物引入处理室，并激励等离子体以活化化学反应。在蚀刻期间，将包括蚀刻气体的气体混合物引入处理室，并激励等离子体以活化化学反应。受计算机控制的机械手通常以将要处理衬底的顺序将衬底从一处理室传送至另一处理室。

多种类型的部件(例如用于半导体处理室应用的部件)目前是使用减材加工方法以从较大硅块中去除硅来制作部件。然而，使用减材加工方法时所遇到的一项问题是难以或不可能制作具有复杂特征的部件，例如充气室、弯曲气孔或整个单体式硅处理室(这种室通常形成为三个或更多部件，接着再组装成整个室)。目前所使用的减材加工方法的另一问题在于材料利用率低，因为用于制作部件的较大硅块有极大部分经常必须被去除(而经常被浪费)以制作加工部件。

最近尝试的其他技术集中于使用硅的增材制造技术。然而，这些尝试产生具有残余应力以及引起裂纹的硅部件。硅中的裂纹使制造部件的结构变弱。

本节中所述的信息旨在为技术人员提供以下公开主题的背景，不应被视为被承认的现有技术。

发明内容

在一示例性实施方案中，所公开的主题描述了一种进行硅部件的三维(3D)打印的方法，所述方法包括：将粉状硅加至3D打印工具。对于逐层工艺中所述3D打印的每一层：在所述3D打印工具中形成所述粉状硅的粉末床；在10^-5托(Torr)至10^-7托范围内的高真空条件下于650℃至750℃温度范围内烘烤所述粉状硅以分解并去除所述粉状硅的表面氧化物；形成成层的所述粉末床至预定厚度；在所述高真空条件下以预定模式将高功率束引导至所述形成的粉末床中，所述高功率束具有足够能量以熔融所述粉状硅；以及确定所述3D打印中是否需额外层。基于确定不需要额外层，以预定温度渐降速率将所述硅部件冷却至大约所述3D打印工具所在环境的环境温度。

在另一示例性实施方案中，所公开的主题描述了一种进行硅部件的三维(3D)打印的方法，所述方法包括：将设计文件加载到3D打印工具中，其中所述设计文件包含所述硅部件的几何形状，包括用于打印所述硅部件的多层中每一层的坐标。对于所述硅部件的所述3D打印的每一层：在所述3D打印工具中形成粉状硅的粉末床；在10^-5托至10^-7托范围内的高真空条件下于650℃至750℃的温度范围内烘烤所述粉状硅以分解并去除所述粉状硅的表面氧化物；将成层的所述粉末床耙平至预定厚度；在所述高真空条件下以预定模式将电子束引导至所耙平的所述粉末床中，所述预定模式基于所述设计文件，所述电子束具有足够能量以熔融所述粉状硅；以及确定所述3D打印中是否需额外层。基于确定不需要额外层，将预定温度下的所述硅部件冷却至大约所述3D打印工具所在的环境温度。

本文详细描述了用于进行示例性方法以及其他方法的多种系统及装置。

一种用于打印非金属材料的完全致密部件的系统，所述系统包括在真空下的室。第一竖直可移动板被布置于所述室中以支撑衬底。第二竖直可移动板布置成邻近所述第一竖直可移动板。所述第二竖直可移动板被配置成储存所述非金属材料的粉末并在打印所述非金属材料的每一层之前以所述粉末注入所述衬底。电子束产生器被配置成供应电子束。控制器被配置成使用所述电子束在所述衬底上打印所述非金属材料的多层并在所述多层上打印成层的所述非金属材料以通过以下方式在所述多层上构建所述部件：使用具有第一功率和第一速度的所述电子束，打印所述成层的所述非金属材料的第一子层；以及使用具有第二功率和第二速度的所述电子束，在所述第一子层上打印所述成层的所述非金属材料的第二子层。所述第一速度大于所述第二速度。所述第一功率小于所述第二功率。

在另一特征中，所述非金属材料包括直径在40-100μm范围内的球形颗粒。

在其他特征中，所述控制器进一步配置成：使用具有第一方位的所述电子束打印所述第一子层；以及使用具有不同于所述第一方位的第二方位的所述电子束打印所述第二子层。

在另一特征中，所述非金属材料选自由硅、碳化硅、氧化铝和陶瓷所组成的群组。

在其他特征中，所述系统还包括：一个或更多网状物，其具有不同直径的孔；以及振动系统，其被配置成振动所述一个或更多网状物。所述粉末通过使原料穿过所述一个或更多网状物而从所述原料选出。所选出的所述粉末包括直径在40-100μm范围内的颗粒。

在其他特征中，所述系统还包括板移动组件，其被配置成在打印每一层后使所述第一竖直可移动板朝向下方向移动，并在打印每一层后使所述第二竖直可移动板朝向上方向移动。

在还有的其他特征中，一种用于在衬底上打印非金属材料的完全致密部件的方法包括：使用电子束在所述衬底上打印所述非金属材料的多层。所述方法还包括在所述多层上打印成层的所述非金属材料以通过以下方式在所述多层上构建所述部件：使用具有第一功率和第一速度的所述电子束，打印所述成层的所述非金属材料的第一子层；以及使用具有第二功率和第二速度的所述电子束，在所述第一子层上打印所述成层的所述非金属材料的第二子层。所述第一速度大于所述第二速度。所述第一功率小于所述第二功率。

在另一特征中，所述非金属材料包括直径在40-100μm范围内的颗粒。

在其他特征中，所述方法还包括：使用具有第一方位的所述电子束打印所述第一子层；以及使用具有不同于所述第一方位的第二方位的所述电子束打印所述第二子层。

在另一特征中，所述非金属材料选自于由硅、碳化硅、氧化铝和陶瓷所组成的群组。

在另一特征中，所述方法还包括在打印每一层之前供应所述非金属材料的粉末剂量。所述粉末包括直径在40-100μm范围内的颗粒。

在另一特征中，所述方法还包括通过使原料穿过具有不同直径的孔的一个或更多网状物并且振动所述一个或更多网状物，从所述原料选出所述粉末。

在另一特征中，所述方法还包括在真空下的室中打印所述部件。

在还有的其他特征中，一种在衬底上打印非金属材料的部件的方法包括：使用电子束在所述衬底上打印所述非金属材料的多层。所述多层形成基底以在其上构建所述部件。所述方法还包括：通过使用所述电子束在所述多层上打印一或更多层所述非金属材料而在所述多层上构建所述部件。

在其他特征中，打印所述一或更多层中的每一层包括：使用具有第一功率和第一速度的所述电子束，打印所述非金属材料的第一子层；以及使用具有第二功率和第二速度的所述电子束，在所述第一子层上打印所述非金属材料的第二子层。所述第一速度大于所述第二速度。所述第一功率小于所述第二功率。

在其他特征中，所述方法还包括在打印每一层之前供应所述非金属材料的粉末剂量。所述粉末包括直径在40-100μm范围内的颗粒。

在还有的其他特征中，一种在衬底上打印非金属材料的完全致密部件的方法包括：使用具有第一功率和第一速度的电子束，在所述衬底上打印成层的所述非金属材料的第一子层。所述方法还包括：使用具有第二功率和第二速度的所述电子束，在所述第一子层上打印所述成层的所述非金属材料的第二子层。所述第一速度大于所述第二速度。所述第一功率小于所述第二功率。

在另一特征中，所述方法还包括在打印所述层之前使用所述电子束在所述衬底上打印所述非金属材料的多层。

在另一特征中，所述多层形成基底，所述部件通过打印所述层而构建于所述基底上。

在还有的其他特征中，一种用于在由非金属材料所制成的衬底上打印所述非金属材料的完全致密且无裂纹部件的系统包括：室，其用于打印所述完全致密且无裂纹部件，所述室为热绝缘。所述系统还包括：第一竖直可移动板，其布置于所述室中以支撑所述衬底；以及热绝缘材料，其布置于所述第一竖直可移动板的顶表面上以及所述衬底下方。所述系统还包括：加热器，其被配置成在所述衬底上打印所述部件之前加热所述衬底及所述室的在所述衬底周围的区域。所述系统还包括：粉末进料器，其被配置成供应所述非金属材料的粉末；以及电子产生器，其被配置成供应电子束以在所述衬底上打印成层的所述非金属材料，同时在所述打印期间所述加热器持续加热所述衬底及所述室的在所述衬底周围的所述区域。

在另一特征中，所述粉末包括直径在40-100μm范围内的颗粒。

在另一特征中，所述加热器配置成在所述部件的所述打印期间，将所述衬底和所述室的在所述衬底周围的所述区域加热至大于所述非金属材料的延性转脆性温度的温度。

在另一特征中，在所述打印后，所述加热器被配置成持续加热所述衬底和所述室的在所述衬底周围的所述区域，并在所述室中对所述部件进行退火。

在另一特征中，在所述打印后，所述部件保持被所述粉末包围，同时所述部件以受控速率缓慢冷却。

在另一特征中，所述室利用一或更多层的一种或更多绝缘材料进行热绝缘。

在另一特征中，所述非金属材料选自于由硅、碳化硅、氧化铝及陶瓷所组成的群组。

在另一特征中，所述加热器被布置于所述衬底下方或所述衬底周围以及所述室的在所述衬底上方的所述区域。

在其他特征中，所述粉末进料器包括第二竖直可移动板，其被布置成邻近于所述第一竖直可移动板；以及所述第二竖直可移动板被配置成储存所述粉末并在打印所述非金属材料的每一层之前以所述粉末注入所述衬底。

在另一特征中，所述系统还包括板移动组件，该板移动组件被配置成在打印每一层后使所述第一竖直可移动板朝向下方向移动，并在打印每一层后使所述第二竖直可移动板朝向上方向移动。

在另一特征中，所述系统还包括一个或更多额外加热器，其被配置成在所述部件的所述打印期间加热所述室在所述衬底上方的区域。

在另一特征中，所述室处于真空。

在还有的特征中，一种在室中在由非金属材料所制成的衬底上打印所述非金属材料的完全致密且无裂纹部件的方法包括：在所述衬底上打印成层的所述非金属材料之前加热所述衬底和所述室的在所述衬底周围的区域。所述方法还包括：使用电子束在所述衬底上打印所述成层的所述非金属材料，同时在所述打印期间持续加热所述衬底和所述室的在所述衬底周围的所述区域。

在另一特征中，所述方法还包括在所述部件的所述打印期间，将所述衬底和所述室的在所述衬底周围的所述区域加热至大于所述非金属材料的延性转脆性温度的温度。

在另一特征中，所述方法还包括在所述打印后，在所述室中对所述部件进行退火及缓慢冷却，同时持续加热所述衬底和所述室的在所述衬底周围的所述区域。

在另一特征中，所述方法还包括在所述打印后，通过用所述非金属材料的粉末包围所述部件来冷却所述部件。

在另一特征中，所述方法还包括使用一或更多层的一或更多绝缘材料对所述室进行热绝缘。

在其他特征中，所述方法还包括：在打印所述成层的所述非金属材料的每一层之前以所述非金属材料注入所述衬底；以及在所述注入之后供应所述电子束以打印所述非金属材料的每一层。

在另一特征中，所述方法还包括在所述部件的所述打印期间加热所述室的在所述衬底上方的区域。

在另一特征中，所述方法还包括保持所述室中的真空。

在其他特征中，所述方法还包括：通过使原料穿过具有不同直径的孔的一个或更多网状物并且振动所述一个或更多网状物，从所述原料选出所述非金属材料的粉末。所选出的所述粉末包括直径在40-100μm范围内的颗粒。

在还有的其他特征中，一种系统包括室，其包括：上部，其具有接收硅粉、载气和掺杂物的入口；中间部，其连接至所述上部；以及第三部，其连接至所述中间部并具有出口。所述系统包括：线圈，其布置在所述上部周围；以及功率供应源，其被配置成供应功率至所述线圈。所述系统包括控制器，其被配置成：控制所述硅粉、所述载气和所述掺杂物向所述入口的供应；以及控制供应至所述线圈的所述功率以产生等离子体。所述出口输出球形、致密且掺杂型的硅粉。

在其他特征中，所述中间部具有大于所述上部的横截面积。所述第三部具有小于所述上部的横截面积。

在其他特征中，所述上部包括：内管；中管，其同轴围绕所述内管；以及外管，其由所述中管的外壁与所述上部的内壁定义。所述内管、所述中管和所述外管从所述上部的顶端向下竖直延伸至所述上部的中点。所述线圈布置于所述上部的所述中点与所述上部的底端之间的所述上部周围。

在其他特征中，所述硅粉被供应至所述内管，并且所述系统还包括：第一气体源，其用于供应所述载气以与所述硅粉混合；第二气体源，其用于供应所述掺杂物至所述中管；以及第三气体源，其用于供应鞘流气体至所述外管。

在还有的其他特征中，一种构建用于衬底处理系统的部件的方法包括：将所述部件的第一和第二子部件布置于真空下的室中的隔热区中；以及加热所述隔热区中的所述第一与第二子部件至预定温度。所述方法还包括将所述第一子部件的第一端接合至所述第二子部件的第二端，其通过使用电子束部分地熔融所述第一端与所述第二端处的材料并随后固化所述熔融材料来实现。所述方法还包括：对所述接合的第一与第二子部件进行退火以形成所述部件；以第一速率将所形成的所述部件冷却至第一温度；以及以第二速率将所形成的所述部件冷却至第二温度。所述第二温度小于所述第一温度。所述第一速率比所述第二速率慢。

在另一特征中，所述部件由选自于由硅、碳化硅、氧化铝和陶瓷所组成的群组的非金属材料制成。

在另一特征中，所述方法还包括在不使用任何额外材料下接合所述第一子部件与所述第二子部件。

在另一特征中，所述方法还包括在所述熔融之前清洁所述第一端与所述第二端的配合表面。

在另一特征中，所述方法还包括从所述部件磨掉多余材料并清洁所述部件。

在还有的特征中，一种修复用于衬底处理系统中的部件的方法包括：将所述部件布置于真空下的室中的隔热区中；将粉状材料添加至所述部件的缺陷区域；加热所述隔热区中的所述部件至预定温度；以及使用电子束熔融所述粉状材料和所述部件的所述缺陷区域的一部分以形成熔池。所述方法包括：降低所述电子束的功率以使所述熔池固化；对所述部件进行退火；以第一速率将所述部件冷却至第一温度；以及以第二速率将所述部件冷却至第二温度。所述第二温度小于所述第一温度。所述第一速率比所述第二速率慢。

在其他特征中，所述部件由选自于由硅、碳化硅、氧化铝和陶瓷所组成的群组的非金属材料制成。所述粉状材料与制成所述部件的所述非金属材料相同。

在另一特征中，所述方法还包括磨掉所述部件的所述缺陷区域周围的多余材料并清洁所述部件。

在还有的其他特征中，一种用于构建衬底处理系统的部件的系统包括：室，其处于真空下；以及基座，其布置于所述室中以将所述部件的第一与第二子部件支撑于其上。所述系统包括：加热器，其布置于所述室中且靠近所述基座；以及热绝缘体，其布置于所述室中以在所述基座与所述加热器周围形成隔热区。所述系统包括：电子束产生器，其布置于所述室中以通过所述隔热区中的开口将电子束引导至所述第一与第二子部件的端部上以将所述端部接合在一起以形成所述部件。

在其他特征中，所述系统还包括：第一致动器，其被配置成使所述基座绕第一轴旋转；以及第二致动器，其被配置成使所述电子束产生器沿着垂直于所述第一轴的第二轴移动。

在另一特征中，所述系统还包括控制器，所述控制器被配置成：控制所述加热器以将所述第一与第二子部件加热至预定温度；以及控制所述电子束产生器，以将所述电子束引导至加热后的所述第一与第二子部件的端部上。

在另一特征中，所述系统还包括控制器，所述控制器被配置成控制所述加热器以对接合的所述第一与第二子部件进行退火以形成退火部件。

在另一特征中，所述控制器被配置成控制所述加热器以：以第一速率将所述退火部件冷却至第一温度；以及以第二速率将所述退火部件冷却至第二温度。所述第二温度小于所述第一温度。所述第一速率比所述第二速率慢。

在还有的其他特征中，一种用于修复衬底处理系统的部件的系统包括：室，其处于真空下；以及转台，其布置于所述室中以将所述部件支撑于其上。所述部件具有粉状材料设置于其中的缺陷部分。所述系统包括臂，其布置于所述室中且平行于所述转台。所述臂具有耦合至所述转台的第一端以及延伸于所述室外的第二端。所述系统包括加热器，其布置于所述室中且靠近所述转台及所述臂；和热绝缘体，其布置于所述室中以在所述加热器、所述转台和所述臂周围形成隔热区。所述系统包括电子束产生器，其布置于所述室中以通过所述隔热区中的开口将电子束引导至所述粉状材料上以熔融所述粉状材料并修复所述部件的所述缺陷部分。

在其他特征中，所述系统还包括：第一致动器，其被配置成使所述转台围绕第一轴旋转；第二致动器，其被配置成使所述臂和所述转台围绕垂直于所述第一轴的第二轴旋转；以及第三致动器，其被配置成使所述电子束产生器沿着相互垂直的第三与第四轴且平行于所述转台移动。

在另一特征中，所述系统还包括控制器，所述控制器被配置成：控制所述加热器以将所述部件加热至预定温度；以及控制所述电子束产生器，以将所述电子束引导至加热后的所述部件的所述缺陷部分中的所述粉状材料上。

在另一特征中，所述系统还包括控制器，所述控制器被配置成控制所述加热器以对修复的所述部件进行退火。

在另一特征中，所述控制器被配置成控制所述加热器以便：以第一速率将退火后的所述部件冷却至第一温度；以及以第二速率将退火后的所述部件冷却至第二温度。所述第二温度小于所述第一温度。所述第一速率比所述第二速率慢。

在还有的其他特征中，一种用于构建并修复衬底处理系统的部件的系统包括：室，其处于真空下；以及转台，其被布置于所述室中。所述系统包括臂，其被布置于所述室中且平行于所述转台。所述臂具有耦合至所述转台的第一端以及延伸于所述室外的第二端。所述系统包括加热器，其被布置于所述室中且靠近所述转台和所述臂；以及热绝缘体，其被布置于所述室中以在所述加热器、所述转台和所述臂周围形成隔热区。所述系统包括第一电子束产生器，其被布置于所述室中以通过所述隔热区中的第一开口将第一电子束引向所述转台。所述系统包括第二电子束产生器，其被布置于所述室中以通过所述隔热区中的第二开口将第二电子束引向所述转台。

在另一特征中，所述第一与第二电子束相互垂直。

在其他特征中，所述的系统还包括：第一致动器，其被配置成使所述转台围绕第一轴旋转；第二致动器，其被配置成使所述臂及所述转台围绕垂直于所述第一轴的第二轴旋转；第三致动器，其被配置成使所述第一电子束产生器沿着相互垂直的第三与第四轴且平行于所述转台移动；以及第四致动器，其被配置成使所述第二电子束产生器沿着所述第一轴移动。

在另一特征中，所述系统还包括控制器，所述控制器被配置成：控制所述加热器以将布置于所述转台上的部件加热至预定温度；以及控制所述第一与第二电子束产生器中的至少一者，以将所述第一与第二电子束中的至少一者引导至加热后的所述部件上。

在其他特征中，所述部件包括两个零件。所述第一与第二电子束中的至少一者熔融所述两个零件的端部并将所述两个零件接合在一起。

在其他特征中，所述部件包括粉状材料设置于其中的缺陷部分。所述第一与第二电子束中的至少一者熔融所述粉状材料以修复所述部件的所述缺陷部分。

在另一特征中，所述部件由选自于由硅、碳化硅、氧化铝及陶瓷所组成的群组的非金属材料制成。

在另一特征中，所述控制器被配置成控制所述加热器以对加热后的所述部件进行退火以形成退火部件。

在另一特征中，所述控制器被配置成控制所述加热器以便：以第一速率将所述退火部件冷却至第一温度；以及以第二速率将所述退火部件冷却至第二温度。所述第二温度小于所述第一温度。所述第一速率比所述第二速率慢。

在还有的其他特征中，一种部件包括第一子部件和第二子部件。该第一子部件和第二子部件由具有结晶结构的材料制成。所述第二子部件被接合至所述第一子部件。所述第一与第二子部件之间的接点包括晶界。

在另一特征中，所述材料包括单晶结构。

在另一特征中，所述材料包括多晶结构。

在另一特征中，在所述第二子部件接合至所述第一子部件之前所述接点包括所述材料的粉末，且在所述第二子部件接合至所述第一子部件之后所述接点包括多个所述晶界。

在另一特征中，在所述第二子部件接合至所述第一子部件之前所述接点并未包括所述材料的粉末，且在所述第二子部件接合至所述第一子部件之后所述接点包括多个所述晶界。

根据详细描述、权利要求和附图，本公开内容的适用性的进一步的范围将变得显而易见。详细描述和具体示例仅用于说明的目的，并非意在限制本公开的范围。

附图说明

图1A示出了多种材料的萃取动力学曲线图的示例，其表明对于常见于硅中的各种元素中的每一种，材料去除率随温度变化的关系；

图1B示出多种材料的萃取动力学曲线图的另一示例，其表明对于常见于硅中的各种元素中的每一种，材料去除率随熔融时间变化的关系；

图2示出了用于通过加热硅晶棒来产生硅蒸气的电子束系统的示例；

图3示出图2的硅晶棒顶表面所算得的最大温度随电子束功率变化的关系的曲线图的示例；

图4示出了执行硅的连续熔融操作的电子束系统的示例；

图5A至5C示出了用于通过电子束熔融以直接熔融硅粉及硅块的系统的示例性实施方案；

图6示出了使用高纯度硅粉以通过基于电子束的增材制造来生产3D部件的系统的示例；

图7示出了根据所公开的主题的多种实施方案示出硅温度随时间变化的关系的曲线图的示例，其用于确定硅的适当构建温度；

图8A示出了根据多种实施方案制备高纯度硅粉的流程图的示例性实施方案；以及

图8B示出了根据多种实施方案在逐层工艺中由硅形成三维(3D)部件的流程图的示例性实施方案。

经由详细描述和附图，将变得更加全面地理解本发明，其中：

图9A示出了包括处理室的衬底处理系统的示例；

图9B示出了对真空室提供电子束以利用电子束熔融(EBM)构建部件的电子束产生器的示例；

图10A-10C示出了根据本公开在衬底上打印完全致密硅材料的基于粉末床的系统；

图10D示出了使用本公开的系统和方法选择用于打印部件的非金属材料的粉末的系统；

图10E示出了使用等离子体旋转电极处理(PREP)制造例如硅之类的材料的球形、致密且掺杂型粉末的系统；

图10F示出了使用大气压感应耦合式热等离子体(ICTP)制造例如硅之类的材料的球形、致密且掺杂型粉末的系统；

图10G示出了图10F的系统所进行的工艺的温度曲线图；

图11A及11B示出了根据本公开在衬底上打印完全致密的非金属材料的基于粉末床的方法；

图12A及图12B示出了根据本公开的高温粉末床方法在非金属衬底上打印完全致密且无裂纹非金属材料的基于粉末床的系统；

图12C示出了根据本公开的高温粉末床方法在非金属衬底上打印完全致密且无裂纹非金属材料的基于粉末床的方法；

图13A-15B示出了根据本公开的利用电子束熔融(EBM)以接合并修复硅部件的多种系统和方法；以及

图16A-16C示出了使用图13A-13C、15A及15B的系统和方法接合两个硅部件，其因不匹配的结晶方向而在两部件之间导致晶界。

在附图中，可以重复使用附图标记来标识相似和/或相同的元件。

具体实施方式

以下描述包括具体实施所公开的主题的多个方面的说明性示例、设备和装置。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对本公开的主题的多种实施方案的理解。然而，对于本领域普通技术人员将显而易见的是，可在没有这些具体细节的情况下实践所公开的主题的多种实施方案。另外，不再详细示出公知的结构、材料及技术，以免模糊多种所示性实施方案。如本文所用的，术语“大约”或“接近”可指例如与给定值或值范围相差在±10％内的值。

在本文所述的多种实施方案中，由硅形成3D部件(例如，零件)的解决方案是使用增材制造方法及增材制造工具来逐层打印部件。这种方法及工具提供高度精确且准确的最终部件。在实施方案中，所公开的主题使用例如电子束(电子光束产生器(枪))或激光所发射的高功率束，将硅粉熔融，并以上述逐层方式将硅部件制成接近净型(near-net shape)。在采用电子束产生器的多种实施方案中，所公开的主题包括帮助形成打印部件的粉末床装置。该粉末床装置于下文详细描述。

如下更详细描述，由于硅材料的脆性本质，3D基于硅的打印的环境温度一般在大于约1000℃下进行，以防止应力积累与裂纹。在一些实施方案中，3D基于硅的打印一般在大于约1200℃下进行。3D打印材料也可缓慢冷却，以防止残余应力及裂纹。

在多种实施方案中，温度可选择高于硅的延性转脆性温度的温度，如本领域技术人员所知悉的。本领域技术人员将进一步知悉，硅在低温下为脆性材料，在该温度下硅会破裂。脆性材料会因高温到低温的快速转换期间所产生的应力而破裂。然而，在高温下，硅的行为发生变化。达到转换温度后，硅突然变得具延展性，如同许多金属材料一般。也如下更详细解释的，如果打印的硅部件以受控且预定速率从硅部件的打印温度缓慢冷却，则打印的硅部件保留较少的残余应力且很少或没有裂纹问题发生。

由于硅与大气环境(例如氧(O₂)、氮(N₂)、二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)及其他反应性气体)具高反应性(特别是当硅熔融时)，因此所公开的主题是在真空或惰性气体(例如，氩(Ar)或氦(He))中进行硅打印操作。也如以下更详细描述的，其上打印有硅部件的衬底也可以包含硅，打印硅上硅(silicon-on-silicon)减少或避免材料之间的热膨胀系数(CTE)不匹配。另外，采用硅衬底而非包括其他材料(例如金属)的衬底也有助于最小化或避免杂质从非硅材料扩散至打印的硅部件中所造成的污染。在打印及退火期间所使用的高温下，杂质扩散效应会提高。

在多种实施方案中，3D打印工艺中所使用的硅粉利用例如流体化床化学气相沉积(CVD)工艺。此工艺中所使用的硅颗粒具有大致粒状形状，中值粒径(median size)接近50μm，分布范围介于约10μm至约100μm之间。在一实施方案中，CVD硅粉的纯度总体上大于约99.99％。在一些实施方案中，CVD硅粉的纯度总体上大于约99.9999％。在一实施方案中，于使用硅粉之前，在高真空下(例如，约10^-6托或在10^-5托至10^-7托范围内)于约700℃(例如，在650℃至750℃范围内)范围内烘烤硅粉，以分解并去除表面氧化物(例如，原生氧化物)。所使用的硅粉可通过本文所述的多种技术处理为具有大于约99.99％的纯度。

在多种实施方案中，且如下更详细描述的，所公开的主题的一项3D打印技术是基于粉末床，其使用电子束以熔融硅粉。在衬底上逐层执行硅打印，如上所述。然而，与基于金属的材料的3D打印相比，所公开的主题的多种实施方案的系统和方法在使用硅时即考虑影响打印质量的其他因素。另外，所公开的主题包括，例如，涉及硅粉的颗粒形态(例如，实质上球形的颗粒与其他几何形式，例如多边形体积的变化)，以及粒度与粒度范围和粒度范围分布的考虑因素的讨论。

因此，所公开的主题的多种实施方案可高度概括为三步骤工艺：(1)形成高纯度硅；(2)从高纯度硅制备硅粉；以及(3)使用采用硅粉的3D打印工艺。以下以示例性实施方案形式更详细地解释这些步骤中的每一者。

图1A示出了多种材料的萃取动力学曲线图100的示例，其表明了对于常见于硅中的多种元素中的每一种，材料去除率随温度变化的关系。该曲线图是基于理论去除通量，其假设完全真空且杂质浓度遵循亨利定律。如本领域技术人员所公知的，亨利定律指出，在恒定温度下，溶解在给定类型及体积的液体中的给定气体量与其在气相中的分压成正比。因此，亨利定律可因此确定给定时间t下的气体的摩尔分率对比给定温度下的初始摩尔分率。

因此，图1A的曲线图100显示了在给定温度下从例如冶金级硅(MG-Si)中萃取多种元素的去除率。例如MG-Si中的高蒸气压杂质是在电子束熔融期间通过真空去除。杂质一般需要比硅具有更高的蒸气压(在1500℃下约1.6×10^-3托(接近0.21Pa))。这些元素中的许多常见于Si中。在本领域中可容易找出这些元素中的每一者在给定温度下的蒸气压。

曲线图中所示的元素包括磷(P)、钙(Ca)、铝(Al)、镁(Mg)、铁(Fe)及硼(B)。因此，例如，Ca在约1750K下逐渐接近100％去除率，而Mg在约2100K下逐渐接近100％去除率。对于由本文所述工艺所形成的3D打印部件，通常使用高纯度Si。然而，将如下参考图5A至5C更详细描述的，使用更具有导电性形式的Si具有优势(相较于本征Si)。因此，仅通过升高温度不能有效去除的一些硼实际上可能是有利的，因为其使得硅能比本征硅更具导电性，因而减少或防止硅粉末上的电荷积累。

可采用于下文参考图2、4及5A至5C所述的电子束(e-beam)产生器以提供足够的能量将MG-Si或EG-Si样品的温度升高至处于或高于所示的温度。如本技术领域中所公知的，本征Si在约1414℃(接近1687K)下熔融并具有约3265℃(接近3538K)的沸点，两种温度均在大气压强(约760托或约101.3kPa)下给出。

图1B示出了多种材料的萃取动力学曲线图130的另一示例，其表明对于如上所述常见于硅中的多种元素中的每一种，材料去除率随熔融时间(以千秒ks计)变化的关系。如图所示，Ca在约0.75ks(750秒)后逐渐接近100％去除率，而Mg在7ks后仅有约95％去除。

图2示出了电子束系统200的示例，其可用于通过加热硅晶棒235来产生硅蒸气。如上文参考图1A及1B所述的，来自轴向安装的电子束产生器251的热效应可用于去除硅晶棒235(例如，MG-Si晶棒)的大部分或所有杂质。图2被显示为包括衬底装载部分210、预处理部分220及硅沉积部分230。

衬底装载部分210可包括惰性气体(例如，氩(Ar)或氦(He))环境，其中装载锁室211对衬底222提供进入电子束系统200的进入点。在一具体示例性实施方案中，衬底222包括硅(例如，硅晶片)。在装载衬底222之后，整个电子束系统200可被抽真空至预定真空度(例如，10^-6托或一些其他真空度以提供用于操作电子束产生器251及沉积Si颗粒至衬底222上的所期望的真空度，如下所述)。

当衬底222沿着电子束系统200内的路径继续时，衬底222可被例如背侧辐射加热器221或本领域已知的其他类型的辐射加热器加热。衬底222可被加热至例如50℃至200℃或更高。

如图所示，当衬底穿过本实施方案中的空心阴极电弧放电等离子体产生器225所产生的等离子体体积227时，对衬底222施加负偏压。惰性超纯气体(例如，Ar)被输送223至等离子体产生器225以产生气态离子(在此例中，Ar离子)。等离子体体积227中的气态离子在预处理部分220中通过施加至衬底222的偏压被加速至衬底222。

如本领域中所公知的，气态离子通过溅射效应提供衬底222的清洁，因而从靠近等离子体产生器225的衬底222的表面上清除表面污染物。衬底接着继续进入电子束系统200的硅沉积部分230。

电子束产生器251所产生的电子束被强磁场偏转至硅晶棒235的表面。硅晶棒235安装在石英辐射屏蔽233内。调节电子束，以对硅晶棒235提供缓慢加热水平直到硅的脆性转延性温度或更高温度，以减少或防止裂纹。在具体的示例性实施方案中，可使用每分钟约50K的升降温速率来减少或防止裂纹。在此升降温速率下，可在接近15.5分钟内达到接近800℃(约1073K)的温度。在多种实施方案中，升降速率通过例如有限元分析来确定，其比较热通量与引起的机械应力。硅晶棒235的最上表面开始熔融，产生Si蒸气团231，一旦衬底222移至硅晶棒235上方位置，Si蒸气团231即沉积在衬底222上。Si颗粒通过物理气相沉积工艺沉积至衬底222上。沉积在衬底上的Si的厚度取决于衬底保持于硅晶棒235上方且于Si蒸气团231内的预定时间。

在整个硅晶棒235达到脆性转延性温度之后，快速加热至硅的熔融温度。脆性转延性温度可通过沿硅晶棒235的几个位置处测得的温度并结合有限元模拟来估计。

一旦从电子束系统200移开，即可将沉积在衬底222上的硅涂层(其可形成为衬底222上方的结晶层)从衬底222上移除。接着衬底222可在电子束系统200内再次使用。

现参考图3，其示出了图2的硅晶棒235顶表面所算得的最大温度随电子束功率变化的关系的曲线图300。在本示例中，利用输入至硅的约3kW功率，达到约1000℃(接近1273K)的稳态下的所期望的热平衡温度。回顾所公开的主题的多种实施方案是利用硅的约1000℃的脆性转延性温度的温度来减少或防止裂纹。如图3所示，最高温度随着增加的电子束功率几乎呈线性提高至高达约5kW。在图2所绘出的实施方案高于5kW时，源自辐射及蒸发的热损失变得显著，而温度随电子束功率变化的曲线的斜率发生变化。

图4示出了执行硅的连续熔融操作的电子束系统400的示例。电子束系统400显示为包括真空室406、硅粉进料斗403、监测离开进料斗403的硅粉405质量的传感器401、冷却坩埚409(例如，具体示例性实施方案中的水冷却铜坩埚)、输入冷却管线411I及输出冷却管线411O、观察端口404、对真空室406抽真空的泵417(例如，低至接近10^-6托或一些预定真空度)、产生电子束407的电子束产生器413、以及电子束控制器415。电子束产生器413可与图2的电子束产生器251相同或相似。在具体示例性实施方案中，电子束产生器413可供应高达300kW的功率。然而，如上所述，电子束产生器413是由电子束控制器415控制，以缓慢加热硅粉405以减少或防止硅裂纹。

当将硅粉405馈送至冷却的坩埚409中时，电子束407将硅粉405熔融。在多种实施方案中，一旦硅粉405熔融并将所期望的质量或体积的熔融硅收集在坩埚409中，就可以通过传送冷却流体(例如，水)通过输入冷却管线411I并流出输出冷却管线411O以如上所述地缓慢冷却坩埚409。伴随着坩埚409对熔融硅提供冷却，电子束产生器413所发射的电子束407的功率也可按如上所述的预定下降速率缓慢降低。为了防止铜污染硅粉405，硅在坩埚409中并未完全熔融。硅粉405靠近坩埚409内侧壁的部分将处于与坩埚409温度相近的温度，因而防止硅粉405潜在的铜污染。

图5A至5C示出了用于通过电子束熔融以直接熔融硅粉以及硅块的系统的示例性实施方案。虽然未明确示出，但图5A至5C的实施方案是在真空下进行，如上所述。另外，图5A至5C的系统的多种部件可以与以上参考图4所述的多种部件中的相关者相同或相似。例如，电子束产生器531可以与图4的电子束产生器413相同或相似。此外，坩埚511可以与图4的坩埚409相同或相似。

在本实施方案中，图5A的操作510的硅块513A通过操作530所示的直接熔融工艺而添加至硅粉515A中，其中硅块513A在暴露于电子束产生器531时则形成目前部分熔融的硅块513B。在操作550，部分熔融的硅块513B能够使硅连续熔融并且渗入目前部分熔融的硅粉551B中，从而产生硅锭551。如同上述图2和4的系统，控制温度的多种上升速率以及下降速率以减少或防止硅锭551裂纹。

一旦从上述多种方法获得高纯度硅，则通过多种方法将硅变成粉末形式以用于打印操作。例如，硅粉可通过使用硅烷(SiH₄)-气体雾化处理的流体化床化学气相沉积(FB-CVD)系统来产生。硅粉也可以通过等离子体旋转电极处理(PREP)产生。在FB-CVD中，将硅烷沉积在小的硅颗粒上。在气体雾化工艺中，硅在惰性气体围包或真空下熔融。熔融硅被迫通过喷嘴，其中高速氦(He)或氩(Ar)气体将硅分解成细小的硅颗粒。气体雾化工艺与FB-CVD产生伴随的硅颗粒(例如，粉状硅)，其影响粉末的流动性，因而影响打印质量。在等离子体旋转电极处理中，硅棒被用作原料并且在室内快速旋转。等离子体炬在高速旋转时将硅棒的端部熔融。离心力将熔融硅从硅棒中喷射出来，于此其固化成细小且基本上球形的颗粒。由于熔融及固化是在惰性气体环境中发生，故此工艺产生高纯度且基本上均匀的硅粉末颗粒。可通过调整硅棒的旋转速度来调控硅颗粒的形态。

图6示出了使用高纯度硅粉以通过基于电子束的增材制造来生产3D部件的系统600的示例。可以与本文所述的新型硅粉生成技术一起使用的这种系统600可获自例如Arcam AB,

Fabriker 27A,SE 431 37/>

Sweden。

继续参考图6，系统600被显示为包括电子束(e-beam)柱610及3D打印室630。电子束柱610的灯丝611产生电子束647，其穿过散光透镜613、聚焦透镜615以及偏转透镜617。散光透镜613以及聚焦透镜615调制准直形式的电子束647，其可被驱动至位于构建平台643上方的衬底641上的多种x-y坐标，如下文更详细描述的。由于待打印的3D部件是由硅粉形成，因此衬底641也可以由硅形成以减少或消除来自CTE不匹配的任何应力，如上所述。在多种实施方案中，可选择硅衬底641以具有所期望的磊晶结构，其可用于在打印部件中产生匹配的磊晶。在其他实施方案中，衬底641可以由钢、涂层或未涂层、或具有与硅相似的CTE但熔点更高的另一未污染材料来形成。然而，取决于应用，应考虑其他材料是否会扩散至块材硅中。在其他实施方案中，衬底641也可以包括其上添有额外材料的现有硅部件或硅部件。

将x、y与z坐标添加至例如计算机辅助设计(CAD)程序，从预定CAD文件加载到计算机(未示出)，例如个人计算机、微处理器、控制器或能够运行CAD程序并驱动偏转透镜617的其他类型的设备。本领域普通技术人员在阅读并理解本文所提供的公开的主题后将能够知悉这种设备。另外，本领域技术人员将知悉，CAD文件的z坐标指示待形成3D部件的高度。系统600内的可执行程序有效地将z坐标“切片”成与待打印硅层的厚度相对应的厚度。通过移动衬底以在不同z高度处形成每一z切片，如下所述。

继续参考图6，3D打印室630包括真空室631。在多种实施方案中，可将真空室631抽真空至小于例如约75(10^-6)托的程度。在多种实施方案中，可将真空室631抽真空至小于例如约10^-5托的程度。在真空室631内，一个或更多料斗633容纳预装载且预定义尺寸的硅粉。硅粉在衬底641和构建平台643上方形成一定体积。耙件635接着在已从一个或更多料斗633落下的硅粉上方沿水平方向637机械移动，以在衬底641上方产生预定厚度的硅粉。当电子束647被供给能量并基于预定模式(来自CAD文件，如上所述)在xy坐标中被驱动时，来自电子束647的能量将硅粉熔融，以在逐层打印的3D部件的硅中形成图案。在多种实施方案中，层的厚度可以在约30μm至约60μm范围内。

在打印一层之后，衬底641通过构建平台643而沿方向645升高，使得打印在衬底641上的3D部件的后续层可在打印每一层之后从粉末床的最上位置639下降。耙件635将从一个或更多料斗633沉积的后续硅粉末床推平并继续该工艺直到制得3D部件。一旦完成3D部件，施加至电子束647的功率可以预定升降速率缓降，如上所述，以减少或防止任何应力导致部件裂纹。

在多种实施方案中，电子束647的功率电平可选择为从约50W至约300W。电子束647于构建平台643处的半高宽(FWHM)直径可选择为从约200μm至约10mm。电子束647可通过偏转透镜617以高达约每秒8000米(m/s)的速度驱动。取决于若干因素(其包括例如打印部件的构建材料及构建复杂性)，系统600可具有约每小时55至约80立方厘米(cm³/h)的构建速率。虽然图6的系统600仅示出单个电子束，但在多种实施方案中，可产生多达约100个电子束。

在具体示例性实施方案中，构建平台643表面处的电子束647的能量密度为约每立方毫米28焦耳(J/mm³)，电子束647的直径(例如，光斑尺寸)为约100μm，其以约2.9m/s的速度驱动。在其他实施方案中，电子束光斑尺寸可为约350μm至约2000μm。对于硅粉的初始加热，射束电流可为约30mA，而对最终加热，射束电流可为约5mA至约10mA。此外，衬底641可被加热至比硅的熔融温度低约150K至约250K范围内的温度(例如，衬底641可加热至约1130℃)。

在多种实施方案中，最初可将若干硅“缓冲层”打印至衬底641上，随后是用于实际部件的打印硅层。缓冲层可以较快的速度打印，其快于在缓冲层上打印后续硅层的速度。如果非硅衬底641不是由硅或CTE与硅相似的材料形成，则使用硅缓冲层能降低非硅衬底641与打印在缓冲层上的硅层之间的任何CTE-膨胀不匹配。在无缓冲层下，衬底641与直接打印在衬底641上以打印部件的硅层之间可能存在大的CTE不匹配。CTE不匹配可能在打印部件中导致潜在的裂纹。使用缓冲层的打印通常仅应用在使用非硅衬底641时。缓冲层由例如约50至约100层组成，其以比随后一般硅打印更快的速度打印。缓冲层打印完成后，即以一般打印速度开始硅打印。如果使用硅衬底，则可省略缓冲层打印。

现在参考图7，根据所公开的主题的多种实施方案示出了硅温度711随时间变化的关系的曲线图700的示例，其用于确定硅粉的适当构建温度T_B。曲线图700呈现如上参考图6所述的打印部件逐层构建中的每一层中的电子束(例如，图6的电子束647)数次穿过打印部件中固定点的温度变化。曲线图700示出了固化温度线719、相变温度线717、构建温度线715及环境温度线713。

在低于固化温度线719处，硅开始固化。在高于固化温度线719处，硅熔融(熔融温度，T_M)。第一时间段701发生在持续几秒至几分钟或更长时间的时间范围内，并至少部分地取决于选定的冷却下降速率、硅颗粒被加热到的温度以及电子束通过打印部件中给定空间点的速度。第二时间段705发生于接近硅温度711已低于相变温度线717之后直到达到构建温度线715(构建温度，T_B)。第二时间段705可持续几分钟的时间段。如曲线图700所示，硅温度711曲线在波动时间段703内波动。温度波动是由于打印部件内相邻区域或相邻层的加热。维持构建温度T_B的第三时间段707是可选择的，其取决于如上所述被选择执行操作以形成打印部件的各种因素，以及构建的复杂性及物理尺寸。因此，第三时间段707可能持续几个小时。在完全打印部件之后，硅温度711渐降(其取决于所选的冷却渐降速率)直到达到环境温度线713。在许多实施方案中，环境温度线713被视为在室温下，T_R(例如，约20℃至约25℃)。部件冷却的第四时间段709可延长几个小时。在具体示例性实施方案中，渐降速率的下降温度从构建温度以每分钟小于约5℃下降至约400℃或更低。接着可将惰性气体(例如，Ar或He)泵入处理室。

现在参考图8A，示出了根据多种实施方案制备高纯度硅粉的流程图800的示例性实施方案。以下参考上文已经描述的多种实施方案来描述许多或所有操作。例如，图8A的流程图800及图8B的流程图830的操作涉及多种温度渐升速率、温度渐降速率、生产高纯度硅的手段及打印多种部件。这些技术、程序及相关装置与系统中的每一者描述于上。另外，如下更详细描述的，可以不同于图中明确示出的顺序来形成多种工艺及操作中的一或更多者。因此，除非另外指明，否则无须按所示顺序来执行操作。

继续参考图8A，在操作801，将硅放置或以其他方式形成在装置内(例如在图4的电子束系统400的坩埚409中)。以预定渐升速率提高硅的温度。在操作803，根据上述多种示例性实施方案制备或以其他方式形成高纯度硅(例如，参考图2、4及5A至5C中的一或更多者)。一旦制备或以其他方式形成高纯度硅，就在操作805中以预定温度渐降速率将硅的温度下降至例如环境温度(例如，如参考图7所述的室温T_R)。在操作807，由高纯度硅制备或以其他方式形成粉状硅。粉状硅接着在操作809中按尺寸和/或形态进行过滤和/或筛分。例如，粉状硅可通过使用本领域已知的机械筛来进行筛分。然而，在多种实施方案中，筛分及过滤工艺是在惰性气体环境(例如，Ar或He)内执行，以防止在硅表面上形成原生氧化物。

图8B示出了根据多种实施方案以逐层工艺由硅形成三维(3D)部件的流程图830的示例性实施方案。例如，本领域普通技术人员可发现，同时参考图6及随附文本可增加对以下参考图8B所述的至少一些操作的理解。

在操作831，将CAD文件加载到打印工具(例如，图6的系统600)中。在操作833，将经过滤和/或筛分的粉状硅添加至打印工具中(例如，进入一个或更多料斗633)。如上所述，在具体示例性实施方案中，将粉状硅保持在惰性气体环境中，以避免在硅颗粒上生长原生氧化物(SiO₂或Si_xO_y)。在某些应用中，原生氧化物可视为由硅打印某些类型的3D部件的污染物。

在操作835，将粉状硅添加至粉末床中并将该粉末床耙平以形成预定厚度的基本上均匀的硅层。根据上述多种实施方案，以预定渐升速率在操作837中增加硅的温度(例如，通过系统600的电子束647)。

如果需要缓冲层(例如，当使用构建平台时，例如衬底641，当衬底是由CTE与上述硅基本上不匹配的材料形成时)，在操作839中可任选地在开始打印实际3D部件之前打印一个或更多缓冲层。这些缓冲层可打印至衬底上以例如模拟待打印的3D部件的下部或可替代地打印在衬底的整个或几乎整个最上表面上。

在操作841，将3D部件的第一层直接打印至衬底上或打印至一或更多缓冲层上。在操作843中确定(例如，在CAD程序内)是否已打印硅部件的所有层。如果已打印所有层，则在操作845中以预定温度渐降速率将部件冷却至例如环境温度。在操作847，将硅部件从打印工具移开，进而与衬底分离。

如果在操作843已确定不是所有层都已被打印，则流程图830继续在操作841打印部件层。

以下编号的示例为所公开的主题的具体实施方案。

示例1：一种进行硅部件的三维(3D)打印的方法，所述方法包括：将粉状硅加至3D打印工具。对于逐层工艺中所述3D打印的每一层：在所述3D打印工具中形成所述粉状硅的粉末床；在10^-5托(托)至10^-7托范围内的高真空条件下于650℃至750℃温度范围内烘烤所述粉状硅以分解并去除所述粉状硅的表面氧化物；形成成层的所述粉末床至预定厚度；在所述高真空条件下以预定模式将高功率束引导至所述形成的粉末床中，所述高功率束具有足够能量以熔融所述粉状硅；以及确定所述3D打印中是否需额外层。基于确定不需要额外层，以预定温度渐降速率将所述硅部件冷却至大约所述3D打印工具所在环境的环境温度。

示例2：根据示例所述的方法，其中所述高功率束包括电子束。

示例3：根据前述示例中任一项所述的方法，其中所述方法是在惰性气体环境中进行。

示例4：根据示例3所述的方法，其中所述惰性气体环境包括选自包括氩(Ar)和氦(He)的气体中的至少一种气体。

示例5：根据前述示例中任一项所述的方法，其中所述硅粉末中的硅颗粒具有约45μm至约55μm范围内的中值粒度及介于约10μm至约100μm之间的粒度分布范围。

示例6：根据前述示例中任一项所述的方法，其中所述粉状硅的纯度总体上大于99.99％。

示例7：根据前述示例中任一项所述的方法，其中所述粉状硅的纯度总体上大于99.9999％。

示例8：根据前述示例中任一项所述的方法，其中所述粉状硅是在10^-6托范围内的高真空条件下于700℃温度范围内进行烘烤以分解并去除所述粉状硅的表面氧化物。

示例9：根据前述示例中任一项所述的方法，其中所述粉状硅包含基本上球形的颗粒。

示例10：根据前述示例中任一项所述的方法，其中所述粉状硅通过使用硅烷(SiH₄)-气体雾化的流体化床化学气相沉积(FB-CVD)系统形成。

示例11：根据示例10所述的方法，其还包括：制备熔融硅；迫使所述熔融硅通过喷嘴；将高速气流引导至所述熔融硅，所述高速气流包括选自包括氦(He)和氩(Ar)的气体的至少一种气体，以将所述熔融硅分解成硅颗粒以形成所述粉状硅；以及在所述硅颗粒上沉积硅烷。

示例12：根据前述示例中任一项所述的方法，其中所述粉状硅通过等离子体旋转电极处理(PREP)形成。

示例13：根据示例12所述的方法，其还包括：在硅棒旋转时熔融所述硅棒的一端，所述硅棒的转速足以产生离心力以使熔融硅从所述硅棒喷出；以及将所喷出的所述熔融硅固化成硅颗粒以形成所述粉状硅。

示例14：根据示例13所述的方法，其还包括通过调整所述硅棒的所述转速来调控所述硅颗粒的形貌。

示例15：根据前述示例中任一项所述的方法，其中所述预定温度渐降速率小于每分钟5℃。

示例16：根据前述示例中任一项所述的方法，其还包括：通过操作制备高纯度硅，所述操作包括：将硅放入坩埚中；以预定渐升速率提高所述硅的温度；用高功率束至少部分地熔融所述硅，所述高功率束具有足以熔融所述硅的功率；以及以第二预定下降速率降低所述硅的温度。

示例17：根据示例16所述的方法，其中所述预定温度渐升速率通过有限元分析确定，所述有限元分析包括比较热通量与在所述硅中引起的机械应力。

示例18：根据示例16所述的方法，其中所述温度渐变速率为约每分钟50K。

示例19：根据前述示例中任一项所述的方法，其中所述逐层工艺中每一层的所述预定厚度是在约30μm至约50μm的范围内。

示例20.一种进行硅部件的三维(3D)打印的方法，所述方法包括：将设计文件加载到3D打印工具中，其中所述设计文件包含所述硅部件的几何形状，包括用于打印所述硅部件的多层中每一层的坐标。对于所述硅部件的所述3D打印的每一层：在所述3D打印工具中形成粉状硅的粉末床；在10^-5托至10^-7托范围内的高真空条件下于650℃至750℃的温度范围内烘烤所述粉状硅以分解并去除所述粉状硅的表面氧化物；将成层的所述粉末床耙平至预定厚度；在所述高真空条件下以预定模式将电子束引导至所耙平的所述粉末床中，所述预定模式基于所述设计文件，所述电子束具有足够能量以熔融所述粉状硅；以及确定所述3D打印中是否需额外层。基于确定不需要额外层，将预定温度下的所述硅部件冷却至大约所述3D打印工具所在的环境温度。

示例21：根据示例20所述的方法，其中所述设计文件为计算机辅助设计文件。

示例22：根据前述示例20及其后的示例中任一项所述的方法，其中所述硅粉末中的硅颗粒具有接近50μm的中值尺寸及介于约10μm至约100μm之间的尺寸分布范围。

示例23：根据前述示例20及其后的示例中任一项所述的方法，其中所述粉状硅的纯度总体上大于约99.99％。

示例24：根据前述示例20及其后的示例中任一项所述的方法，其中所述粉状硅的纯度总体上大于约99.9999％。

示例25：根据前述示例20及其后的示例中任一项所述的方法，其中所述粉状硅是在约10^-6托的高真空条件下于约700℃下进行烘烤以分解并去除所述粉状硅的表面氧化物。

示例26：根据前述示例20及其后的示例中任一项所述的方法，其中所述粉状硅包含基本上球形的颗粒。

示例27：根据前述示例20及其后的示例中任一项所述的方法，其中所述电子束的功率电平是在约50W至约300W范围内。

示例28：根据前述示例20及其后的示例中任一项所述的方法，其中所述电子束在其上正在形成所述硅部件的构建平台处的半高宽(FWHM)直径是在约200μm至约10mm的范围内。

示例29：根据前述示例20及其后的示例中任一项所述的方法，其中所述电子束在所述构建平台的表面处的能量密度为约每立方毫米28焦耳(J/mm³)。

衬底处理系统及处理室中所使用的多种部件以高精度制造。这些部件中的一些是由金属制成，而其他则由例如硅及陶瓷之类的材料制成。以下参考图9A示出并描述衬底处理系统及处理室的示例，以提供这些部件及这些部件在其中操作的苛刻电、化学及热环境的示例。本公开涉及使用电子束熔融(EBM)来打印这些部件的系统和方法。

本公开的其余部分组织如下。首先，参考图9A示出并描述包括处理室的衬底处理系统的示例。参考图9B示出并描述电子束产生器的示例。随后，提供根据完全致密打印方法和无裂纹打印方法进行硅部件的3D打印的系统和方法的概述。此后，参考图10A-11B描述根据完全致密打印方法进行完全致密硅部件的3D打印的系统和方法。另外，参考图12A-12C描述根据完全致密且无裂纹方法进行完全致密且无裂纹硅部件的3D打印的系统和方法。最后，参考图13A-15B描述使用电子枪接合并修复硅部件的系统和方法。最终，参考图16A-16C示出并描述使用图13A-13C、15A和15B的系统和方法接合两个硅部件，其因不匹配的结晶方向而导致两部件之间的晶界。

图9A示出了包括处理室1102的衬底处理系统1100的示例。尽管在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的背景下描述示例，但本公开的教导可应用于其他类型的衬底处理，例如原子层沉积(ALD)、等离子体增强ALD(PEALD)、CVD、或其他处理，包括蚀刻工艺。系统1100包括处理室1102，其包围系统1100的其他部件并含有RF等离子体(如果使用的话)。处理室1102包括上电极1104及静电卡盘(ESC)1106或其他衬底支撑件。在操作期间，衬底1108被布置于ESC 1106上。

例如，上电极1104可包括气体分配设备1110，例如喷头，其引入并分配工艺气体。气体分配设备1110可包括杆部，其包含有连接至处理室1102的顶表面的一端。喷头的基部为大致圆筒形，且在与处理室1102的顶表面隔开的位置处从杆部的相对端朝外径向延伸。喷头的基部的面向衬底表面或面板包括多个孔，汽化的前体、工艺气体或清扫气体流过这些孔。替代地，上电极1104可包括导电板，且工艺气体可用另一方式引入。

ESC 1106包括用作下电极的基板1112。基板1112支撑加热板1114，其可对应于陶瓷多区域加热板。热阻层1116可布置于加热板1114与基板1112之间。基板1112可包括一个或更多通道1118，其用于使冷却剂流过基板1112。

如果使用等离子体，则RF产生系统1120产生RF电压并将其输出至上电极1104与下电极(例如，ESC 1106的基板1112)中的一者。上电极1104与基板1112中的另一者可为DC接地、AC接地或浮动。仅作为示例，RF产生系统1120可包括RF产生器1122，其产生由匹配和分配网络1124馈送至上电极1104或基板1112的RF功率。在其他示例中，等离子体可感应地或远程地产生。

气体输送系统1130包括一个或更多气体源1132-1、1132-2、…及1132-N(统称为气体源1132)，其中N为大于零的整数。气体源1132通过阀1134-1、1134-2、…及1134-N(统称为阀1134)及质量流量控制器1136-1、1136-2、…及1136-N(统称为质量流量控制器1136)连接至歧管1140。蒸气输送系统1142供应汽化前体至歧管1140或连接至处理室1102的另一个歧管(未示出)。歧管1140的输出被送至处理室1102。

温度控制器1150可连接至布置于加热板1114中的多个热控制元件(TCE)1152。温度控制器1150可用于控制该多个TCE 1152，以控制ESC1106及衬底1108的温度。温度控制器1150可与冷却剂组件1154连通，以控制流过通道1118的冷却剂。例如，冷却剂组件1154可包括冷却剂泵、贮存器和/或一或更多温度传感器(未示出)。温度控制器1150操作冷却剂组件1154，以使冷却剂选择性地流过通道1118，以冷却ESC 1106。阀1156及泵1158可用于从处理室1102中排出反应物。系统控制器1160控制系统1100的部件。

如能理解的，用于衬底处理系统及处理室中的部件(例如，喷头)需以高精度制造。这些部件中的一些由金属制成，而其他则由例如硅和陶瓷之类的材料制成。如下文所解释的，由例如硅和陶瓷之类的材料制成的部件的3D打印非常具有挑战性，因为使用常规3D打印系统下其脆性会导致裂纹，而本公开的则提供方案以解决这些挑战并用于由例如硅和陶瓷之类的材料所构成的完全致密且无裂纹部件的3D打印。

在解释本公开的完全致密打印方法和无裂纹打印方法之前，为了完整性，提供这些打印方法中所使用的电子束熔融(EBM)的简要概述。EBM是一种增材制造或3D打印工艺。将粉末状原料置于真空下，并使用电子束作为热源将其一起熔成固体物质。部件可通过在高真空下的室中利用电子束对粉末逐层熔融来制造。由于打印是在高真空环境下进行，因此提供无污染的工作区域。此外，使用真空使该工艺也适用于打印反应材料的部件(例如，对氧具有高亲和性的材料；例如钛)。为了使电子相互作用，粉末需具有导电性。在温度＞450℃时，硅成为良导体。熔融硅也是良导体。因此，EBM可用于使用于下所述的本公开的方法来打印硅部件。

图9B示意性地示出了连接至真空室1172的电子束产生器(也称为电子枪)1170的示例。参考图10A-12C示出并描述了用于本公开的打印方法的真空室及其他部件的详细示例。图9B集中在电子枪上。电子枪1170包括在真空中加热以产生电子的钨丝1174。使用聚焦线圈1176及偏转线圈1178，电子被加速并成电子束1179被射至沉积在构建板1182上的粉末层1180上。电子束1179中的电子对该层粉末1180加热并熔融以逐层构建部件。随着部件的层被构建，板移动组件1184降低构建板1182。真空泵1186维持真空室1172中的高真空。例如，真空室1172中的压强可为＜1E-5托，其与＜0.01m托或＜1.33mPa相同。功率供应源1188供应功率至灯丝1174及聚焦与偏转线圈1176、1178。控制器1190控制功率供应源1188、真空泵1186及板移动组件1184。

简言之，在全致密打印方法中，本公开描述了使用3D打印技术(即增材制造)来打印全致密硅部件的系统和方法。本公开的3D打印技术是基于粉末床的电子束熔融(EBM)，其使用电子束来熔融真空室中构建板(即，构建平台或衬底)上的硅粉。不同于基于金属的材料的3D打印，本公开的系统和方法解决在打印完全致密硅部件时影响打印质量的因素。本公开描述了硅粉的颗粒形态、尺寸及分配，且也描述打印策略、适当的电子束功率与打印速度、以及粉末床预热策略。所有这些技术都有助于使用3D打印来打印完全致密硅部件。本公开的系统和方法可以打印具有复杂内部特征的大型硅部件，其无法使用传统减材加工方法来完成。

另外，在无裂纹打印方法中，本公开描述了具有低温度梯度的3D打印设备的设计。该设计在真空室中使用一或多个加热器并伴有良好热绝缘体，以在硅部件的打印、原位退火(in-situ annealing)及冷却期间将温度梯度降至最小。使用加热器及绝缘体，可在整个装置及整个打印工艺中保持具有低热梯度的均匀高温。加热器可为电阻加热器或感应加热器、IR灯辐射加热器或蓝光加热器(例如，使用蓝色LED)。绝缘材料可为刚性碳纤维绝缘材料、软石墨毡或两者的组合。由于在高温下碳及熔融硅与氧具高反应性，因此该装置需真空密封。硅优选是在高真空下的真空室中打印。

根据无裂纹打印方法的低热梯度方法可用于基于粉末床的打印方法。由于硅材料的脆性本质，硅部件的打印及退火期间用于3D打印的衬底温度优选高于硅的延性转脆性温度(DBTT)(例如，＞1000℃)，以防止热应力积累。如此一来，打印期间硅具延性。打印部件也优选以受控速率缓慢冷却。

在根据无裂纹打印方法的低热梯度方法中，硅为用于硅部件的3D打印的优选衬底，以避免如果使用非硅衬底可能发生且可能导致部件裂纹的热膨胀系数(CTE)不匹配。比起其他材料(例如金属)衬底，硅因额外因素为优选衬底：为了防止因杂质从非硅材料扩散至硅中而造成的污染，其可能在打印及退火期间于高温下发生。因此，使用本公开的无裂纹方法，可打印具有高纯度和低热应力(例如，无裂纹)的硅部件。本公开的无裂纹打印方法可应用于其他脆性材料，例如氧化铝、碳化硅、陶瓷等。

更具体地，完全致密打印方法解决硅3D打印的以下问题。现今硅增材制造技术是基于定向能量沉积(DED)。在现今基于激光的打印工艺中，因不足的激光能量密度或强喷溅(spatter ejection)而导致打印硅样品中存有空隙或孔。

因此，本公开的完全致密打印方法描述了使用钢衬底，其原因是硅衬底会因打印期间施加至衬底上的热冲击而破裂及碎裂。裂纹会在Z方向上传播，其可能使打印样品破损。使用钢衬底以避免损坏打印硅样品。由于钢的熔点高于硅的熔点，因此钢在硅打印期间不会熔融。

另外，在完全致密打印方法中，首先将硅的多个缓冲层打印在钢衬底上，接着将用于实际部件的硅层打印在缓冲层上。缓冲层以较快的速率打印，其快于在缓冲层上打印随后硅层以打印部件的速率。这降低了钢衬底与打印在缓冲层上的硅层之间的热膨胀系数(CTE)不匹配。在不具有缓冲层的情况下，钢衬底与直接打印在钢衬底上以制造部件的硅层之间可能存在大的CTE不匹配，这可能导致打印部件破裂。缓冲层可降低CTE不匹配，如果这些层直接打印在钢衬底上而无中间缓冲层，则钢衬底与打印以构建部件的硅层之间可能发生CTE不匹配。

另外，在完全致密打印方法中，使用如下双重打印方法将硅层打印在缓冲层上。打印在缓冲层上的每一硅层被打印两次(即，使用两轮次)。在第一打印或轮次中，比起第二打印或轮次中所使用的速度及功率，该层使用较低功率电子束并以较快速度(即，以电子束的较短暴露时间)来打印。在第一次打印期间，较低功率不会完全熔融硅，但将硅颗粒粘结在一起。随后，在第二次打印期间，电子束(以较长暴露时间扫描来自第一轮次的材料)的较慢速度及较高功率完全熔融来自第一轮次的已粘结的硅颗粒，因而形成硅的完全致密层。因此，第一打印轮次可被称为烧结轮次，而第二打印轮次可被称为熔融轮次。

此外，在每一层中，第一轮次中的电子束的方位可与第二轮次中的电子束的方位不同，以均匀化每一层中的热应力。例如，假设要打印三层A、B及C，且每一层使用两轮次P1及P2来打印。令m及n分别表示电子束在轮次P1及P2期间沿衬底在X-Y平面上的角度或方位，以度为单位。对于层A，(m,n)＝(0,90)；对于层B，(m,n)＝(45,-45)；对于层C，(m,n)＝(90,0)。对后续层重复该模式。这有效地降低跨层的热应力，并防止打印部件中的裂纹。

第一方案的双重打印方法也降低喷溅，喷溅通常涉及光亮(熔融空载)的硅颗粒因惰性气体在打印室的底部流动而被吹离熔池。这些颗粒在飞行中冷却并降落在顺风打印样品上。这些颗粒在下一层的打印期间可能不会完全熔融，其会导致使用传统打印方法打印的部件出现空隙或孔隙。相反，在本公开的双重打印方法中，由于在打印期间使用真空(即，不使用惰性气体)，所以大幅降低飞溅。然而，如果发生任何飞溅，则第一打印轮次使这些喷射颗粒相互粘结并且与硅颗粒粘结，这接着在第二打印轮次期间完全熔融。另外，由于第一轮次期间使用较低功率电子束，所以降低喷溅量，且在第一轮次期间发生的任何喷溅都在第二轮次期间完全熔融。

此外，由于使用慢速高功率电子束，所以第二轮次期间发生的任何喷溅也完全熔融。具体地说，最近打印的区域仍够热，足以熔融掉落在该区域中的任何喷射颗粒。另外，如果有任何喷射颗粒落在将要打印的区域，则这些颗粒随着打印继续进行并到达该区域而被高功率电子束完全熔融。因此，无孔隙的完全致密部件利用双重打印方法制得。

在完全致密打印方法中，在打印之前，硅粉优选使用网状物过滤(即，分选)，以获得具有相对窄范围内的尺寸的颗粒。仅作为示例，该范围可为10-400μm。作为另一示例，该范围可为50-90μm。这确保颗粒具有球形形状及光滑表面，且无颗粒聚集。即，与未过滤粉末相比，过滤后的粉末在衬底上的粉末床中流动并扩散得更好。当将气体雾化的未过滤粉末倒入网状物中进行过滤时，选择网状物的滤器尺寸，并机械式地振动网状物。例如，网状物可被机械式地或使用超声波振动。

在打印之后，部件通过例如切穿缓冲层而与钢衬底分离。缓冲层相对容易切穿，其为使用缓冲层的额外有益效果。可对分离的钢衬底进行修整，并准备接受新的缓冲层以制造下一部件。

在完全致密打印方法中，由于使用缓冲层及双重打印方法，因而降低钢衬底与打印硅间大的CTE不匹配，并消除打印硅中的空隙。例如，当在缓冲层上打印少量初始层时，缓冲层降低钢衬底与打印层之间的CTE不匹配，其防止打印硅破裂。然而，每当在不具有高温热区的常规金属3D打印机中使用完全致密打印方法时，打印的硅样本中仍存在大的热应力。常规金属3D打印机中所有打印的硅样本毫无例外地都有微裂纹。

为了消除打印硅中的微裂纹，本公开中描述了具有低温度梯度的新3D打印设备设计。该设计使用具有一或多个加热器的真空室并伴有良好热绝缘体，以在Si部件打印、原位退火以及冷却期间，将温度梯度降至最低。加热器可为电阻加热器或感应加热器、IR灯辐射加热器或蓝光加热器(例如，使用蓝色LED)。绝缘材料可为刚性碳纤维绝缘材料或软石墨毡或两者的组合。由于高温下碳及Si熔体与氧具有高反应性，因此该系统密封于真空环境中。例如，在真空室中进行打印。低热梯度法可用于基于粉末床的打印方法。

由于硅材料的脆性本质，在硅部件的打印及退火期间，用于3D打印的衬底温度优选地高于硅的DBTT(例如，＞1000℃)，以防止热应力积累。打印部件也缓慢冷却。硅衬底优选地用于打印硅部件以避免CTE不匹配。该方法可应用于其他脆性材料，例如碳化硅(SiC)、陶瓷、氧化铝等。

新型3D打印设备被设计用于打印脆性材料，例如硅、碳化硅、氧化铝及其他陶瓷。目前，常规3D打印设备被设计用于打印金属，金属为延性材料且更能承受热应力。因此，可使用非原位退火(ex-situ annealing)来降低热应力。然而，现今3D打印设备无法均匀加热并维持高衬底温度(例如，＞600℃)，且在打印硅部件时出现大的温度梯度，其中熔池温度＞1414℃，其为硅的熔点。此外，现今使用的3D打印工艺中的冷却速度快且不受控制。使用常规金属3D打印机(粉末床或粉末进料打印，其具有或不具有缓冲层)下，硅部件的打印及冷却期间的大的温度梯度在所有3D打印的硅样品中导致微裂纹。使用3D金属打印机下未观察到无裂纹的打印硅样品。微裂纹无法在非原位退火中修复。

因此，本公开的无裂纹打印方法描述了使用一或多个加热器并伴有良好热绝缘体，以在Si打印、原位退火及冷却期间，将温度梯度降至最小。加热器可为电阻加热器或感应加热器、IR灯辐射加热器或蓝光加热器(例如，使用蓝色LED)。绝缘材料可为刚性碳纤维绝缘材料或软石墨毡或两者的组合。由于高温下碳及Si熔体与氧具高反应性，故该系统使用真空密闭室。例如，硅部件是于真空室中打印。

如下参考图12A-12C所述，根据无裂纹打印方法，室可以是矩形的，具有覆盖顶侧和底侧、左侧和右侧、正面和背面处内部的刚性绝缘板。可替代地，该室可为圆筒形，具有覆盖顶侧及底侧处内部的刚性绝缘板以及屏蔽周围圆筒形壁的刚性绝缘圆筒体。绝缘板及圆筒体也可由多层制成，例如刚性绝缘体/刚性绝缘体、石墨/刚性绝缘体、刚性绝缘体/毡、石墨/毡、碳纤维复合物(CFC)/毡。毡基本上是由多层碳纤维所制成的类似布的柔软材料。毡防止热逸出，并有助于在整个打印工艺中保持高温均匀性(即，毡有助于在整个打印工艺中保持低的热梯度)。

在无裂纹硅打印方法中，石墨电阻加热器是优选的，且示意性地布置成如下所述的图12A-12C中所示的。一个或更多石墨基座(即护罩)可放置于侧加热器内部以保护加热器。在完成每层打印后，用粉末擦拭器注入硅粉。当完成所有层的打印时，将打印样品嵌入硅粉中。硅粉具有低导热率，并降低打印部件间的传热。

由于硅材料的脆性本质，硅部件的打印期间(以使硅在打印期间具延性)以及退火期间衬底温度优选地高于硅的DBTT点(例如，＞1000℃)，以防止热应力积累。退火温度优选地介于1100-1200℃之间。冷却优选地以速率＜5℃/分钟从退火温度降至400℃，然后回填惰性气体(例如，Ar)。用于3D打印Si的衬底优选由Si材料制成，以避免CTE不匹配及污染。该方法可用于打印其他脆性材料的构件，例如陶瓷、碳化硅、氧化铝等。

因此，通过使用加热器及绝缘体，本公开的无裂纹打印方法在打印及原位退火期间维持低温度梯度，并以受控速率提供缓慢冷却，其显著降低热应力并消除打印Si部件中的微裂纹。相反，常规金属3D打印设备无法保持600℃以上的温度及受控的冷却，其引起高热应力，并在打印Si部件中造成微裂纹而使其不能用。另外，不同于常规金属3D打印设备，本公开的打印方法使用高真空室及基于石墨的加热器和基于碳纤维的热绝缘体，以将打印、退火及冷却期间的温度梯度降至最小。

本公开的这些及其他特征现在下文详细描述。图10A-11B示出了根据本公开的完全致密打印方法的系统和方法。图12A-12C示出了根据本公开的无裂纹打印方法的系统和方法。

图10A示出了根据本公开的完全致密打印方法在金属衬底上3D打印非金属材料(例如硅)的部件1201的系统1200。系统1200包括真空室1202。真空室1202包括第一板1204和第二板1206。第一板1204支撑在其上打印部件的衬底1208。因此，第一板1204也称为构建板、构建平台、打印板或其他合适名称。

第二板1206储存非金属材料1210(例如，硅粉)。在打印每一层之前，注入杆或粉末擦拭器1212供应非金属材料1210至衬底1208。因此，第二板1206也称为进料板、注入板或其他合适名称。

真空室1202包括观察窗1214。观察窗1214涂有膜以减少散热。系统1200还包括电子束产生器1220，其在打印期间将电子束1226投射至衬底1208上。例如，电子束产生器1220类似于图9B中所示的电子束产生器1170。因此，为简洁起见，不再详细描述电子束产生器1220。

图10B示出了系统1200的额外部件。系统1200还包括惰性气体供应源1230，以在完成打印之后且打开真空室1202之前供应惰性气体以回填真空室1202。系统1200还包括板移动组件1232，以在打印期间将第一板1204向下移动并将第二板1206向上移动。系统1200还包括真空泵1218，其通过阀1216连接至真空室1202以保持真空室1202中的高真空。例如，室1202中的压强可为＜1E-5托，其与＜0.01m托或＜1.33mPa相同。系统1200还包括控制器1234，其控制系统1200的所有部件，如下文所解释的。

例如，系统1200使用基于电子束熔融(EBM)打印技术的打印机以及通过等离子体旋转电极处理(PREP，参考以下图10D和10E描述)或可替代地通过感应耦合式热等离子体(ICTP，参考图10F及10G描述)所制得的硅粉，以逐层方式打印硅。例如，电子束1426的焦点的直径可为70μm。电子束能量通过逐点暴露方式传递至焦平面(即，构建板1204的顶表面的水平面)。

图10C示意性地示出了电子束1226如何在焦平面(构建板1204)上传递能量。所示的每一圆为电子束1226在焦平面上的示意性投影，且可具有例如70μm的直径。电子束1226短时间地停留在每一圆上，称为暴露时间，接着移动至行中水平相邻的圆(下一列)。移动距离称为点距离(例如80μm)，如图10C所示。

在完成该行之后，电子束1226移动到下一行。此移动距离称为扫描间距(hatchdistance)(例如60μm)，如图10C所示。当电子束1226停留在圆上时(在暴露时间内)，每一圆中的硅粉发生熔融。在此工艺中，取决于电子束功率及暴露时间，电子束1226产生硅的熔池，其尺寸接近圆形尺寸的1.5～2倍，且约2至3层深。因此，硅粉颗粒被熔池完好地覆盖，使得其可在电子束1226于X-Y平面上扫描时熔融。电子束功率、暴露时间、点距离及扫描间距的组合决定3D打印的能量密度。随着此工艺继续进行，此层中所有选定的硅粉皆熔融。该工艺持续到所有层皆完成为止。

在本公开中，硅的3D打印是从如下硅粉、打印策略及热应力的方面来控制。硅粉通过等离子体旋转电极处理(PREP)或感应耦合式热等离子体(ICTP)方法制得，其产生具有高度球形、致密、掺杂型硅颗粒的硅粉，于下参考图10D-10G进行描述。每一单个的硅颗粒均具有光滑表面，且无颗粒聚集。例如，粒径范围介于40-100μm之间。作为另一示例，粒径范围可介于50-90μm之间。

图10D示出了从使用PREP制得的硅粉原料中选择硅粉的系统1250的示例。系统1250包括进料器1252，其供给使用PREP(其于下参考图10E进行描述)制得的硅粉原料。系统1250包括第一网状物1254，其竖直地布置于第二网状物1256上方。如第一及第二网状物1254、1256的截面A-A及B-B所示，第一网状物1254的孔的直径d1大于第二网状物1256的孔的直径d2。

进料器1252将使用PREP制得的硅粉原料供给至第一网状物1254中。振动系统1258振动第一及第二网状物1254、1256。例如，振动系统1258可机械式地或使用超声波振动第一及第二网状物1254、1256。在通过振动进行的筛分过程结束时，具有直径介于d1与d2间的颗粒的硅粉保留在第二网状物1256中，其用作用于打印部件1201的非金属材料1210。

例如，第一网状物1254的孔可为88μm尺寸，第二网状物1256的孔可为53μm尺寸。第一网状物1254筛除太大的颗粒(例如，尺寸＞88μm)。第二网状物1256筛除太小的颗粒(例如，尺寸＜53μm)。收集留在第二网状物1256中的粉末用于打印。收集到的粉末中的颗粒平稳流动，而不会阻塞粉末供应软管(未示出)。

一般而言，应理解的是，可根据所期望的粒径选择网状物尺寸。例如，如果期望粒径介于x与yμm之间，其中y＞x，则第一网状物1254的直径d1应为y或更大(即，d1≥y)，且第一网状物1254的直径d1应为y或更大(即，d1≤x)。

因此，可使用两网状物方案而不对粉末原料如何制造作限制(即，原料无需使用PREP来制得)。当任何小于网孔直径的粒径皆可接受时，单个网状物方案可与雾化的粉末进料原料一起使用。一般而言，使用任一方案，可选择尺寸于相对窄范围(例如40-100μm)内的硅粉进行打印。作为另一示例，使用任一方案，可选择尺寸于50-90μm范围内的硅粉进行打印。

图10E示出了使用等离子体旋转电极处理(PREP)方法制造例如硅之类的材料粉末的系统1280。系统1280包括室1282。惰性气体循环通过室1282。由将要制成粉末的材料(例如，硅)所制成的电极1284耦合至电动机1286的轴。当电动机1286旋转时，等离子体炬1288加热电极1284的远端以激励等离子体1290。因此，电极1284的远端熔化为熔融液体。熔融液体碎分成液滴1292，液滴1292通过旋转电极1284的离心力喷射。液滴1292固化成粉末。使用PREP方法而因此制得的粉末被用作本公开的系统和方法中的原料。

图10F示意性地示出系统1300，其使用大气压感应耦合式热等离子体将不规则形状和/或多孔未掺杂的硅粉(下称原料硅粉)转换成球形、致密且掺杂型硅粉(下称细硅粉)。系统1300包括配置成接收并处理多种气体及原料硅粉的室1302，并且包括布置于室1302底部以收集室1302所产生的细硅粉的容器1304。系统1300还包括供应原料硅粉的源(下称为粉末源)1306、供应多种气体的多个气体源1308、功率供应源1310及控制器1312。控制器1312控制原料硅粉从粉末源1306供应至室1302、气体从气体源1308供应至室1302、以及功率供应源1310供应至线圈1320的功率。

室包括具有第一横截面积(例如，第一直径)的上部1314、具有第二横截面积(例如，第二直径)的中间部1316、以及具有第三横截面积(例如，第三直径)的底部1318。第三横截面积小于第一横截面积，且第一横截面积小于第二横截面积。上部1314包括用于从粉末源1306及气体源1308接收原料硅粉及多种气体的入口，如下所述。线圈1320布置于上部1314周围。线圈1320连接至功率供应源1310。底部1318为漏斗形并连接至容器1304。

上部1314包括三个同心管所形成的三个同心入口：内管1326、同轴围绕内管1326的中管1324、以及由中管1324的外壁及上部1314的内壁定义的外管1322。管1322、1324、1326从上部1314的顶端向下垂直延伸至接近上部1314的中点。线圈1320布置于上部1314的大约中点与上部1314的底端之间的上部1314周围。

来自粉末源1306的原料硅粉与由气体源1308中的一者所供应的载气(例如，H₂)混合，且该混合物通过内管1326供应至室1302。气体源1308中的一者所供应的掺杂物气体(例如，p型的B₂H₆；以及n型的PH₃、AsH₃)通过中管1324供应至室1302。气体源1308中的一者所供应的鞘流气体(例如，惰性气体，例如Ar)通过外管1322供应至室1302。功率通过功率供应源1310供应至线圈1320，以产生感应耦合式热等离子体(ICTP)。线圈1320所围绕的上部1314的下部区域称为热区(标为1328)。等离子体在热区加热并熔融原料硅粉。

含有中性分子、自由基及离子的掺杂物吸附熔融Si颗粒表面并与其反应，使得掺杂物原子扩散至熔融Si颗粒中，且H₂气体从该表面脱附。小的熔融硅颗粒变成球形，颗粒中的任何内部空隙皆成泡冒出以将表面能降至最小。在球形熔融Si颗粒从热区1328中的等离子体落下后，球形熔融Si颗粒在室1302的中间部1316中固化且冷却(标为冷却区1330)并收集在容器1304中。

图10G示出了在室1302中执行的工艺的温度曲线，其中d为从室1302的顶部开始测量的距离。Si颗粒的最终粒径分布是通过起始粒径分布来控制，起始粒径分布可通过如上所述的网状物尺寸控制。掺杂物浓度可通过控制载气中掺杂物的百分比以及Si颗粒暴露于感应耦合式等离子体所产生的高温下的持续时间来控制。持续时间为线圈1320长度、载气流速及重力的函数。

等离子体主要在(即，存在于)线圈1320(即，热区1328)所围绕的上部1314的下部区域中。等离子体在冷却区1330(即，中间部1316)关闭(即，不存在)。在热区1328中，各个硅颗粒落入等离子体中，在此处其于落下穿过等离子体时熔融、球形化、致密化并与掺杂物混合。在冷却区1330中，由于等离子体关闭(即，不存在)，故温度下降，且颗粒固化并冷却。对颗粒进行掺杂的持续时间为颗粒在等离子体中停留的时间，其大致等于热区1328的长度(即，被线圈1320包围的上部1314的下部区域的高度)与颗粒穿过等离子体的速度。速度为载气流速、热区1328温度及重力的函数。

ICTP方法在许多方面优于PREP方法。ICTP方法中所使用的多孔和/或不规则形状(即原料)硅粉通常在无掺杂物下大量生产，相较于PREP方法中所使用的固体硅电极，其可以非常低的价格购买。将原料硅粉转化成上述精细球形粉末的ICTP方法比将硅电极转化成球形粉末的PREP方法更具成本效益。

粉末或粒状材料(例如使用上述PREP或ICTP方法制造的粉末)的粒径分布(PSD)是值列表或数学函数，其定义根据尺寸存在的颗粒的相对量，通常以质量计。测定PSD的最常见方法为筛分析，其中粉末在不同尺寸的筛上(例如，如上参考图10D所述)分离。因此，PSD以离散尺寸范围来定义：例如，当使用这些尺寸的筛时，“介于45μm与53μm之间的样品百分比(％)”。PSD通常是通过涵盖存在于样品中几乎所有尺寸的尺寸范围列表来测定。一些测定方法使得能定义比使用筛所能获得的粒径范围窄得多的粒径范围，并可应用至筛中可用范围以外的粒径。然而，保留大于特定尺寸颗粒并通过小于该尺寸颗粒的筛的概念经常用于提供PSD数据。

PSD可表示为范围分析，其中依次列出每一尺寸范围内的量。PSD也可用累积形式表示，其中对于一定尺寸范围给出通过单一概念筛所保留或通过的所有尺寸的总和。范围分析适用于要寻找特定理想的中段粒径时，而累积分析用于控制尺寸过小或尺寸过大的量。

在可测定PSD之前，获得代表性样品。在待分析的材料正流动的情况下，将样品从料流中取出，以使样品具有与料流相同的粒径比例。优选地，在一段时间内采集整个料流的许多样品，而不是整个时间都取一部分料流。采样后，通常需要减少样品量。将待分析的材料混合，并使用避免尺寸分离的技术(例如，使用旋转分样器)取出样品。

多种PSD测量技术可用于测量本公开的系统和方法中所使用的硅粉的粒径。PSD测量技术的一些示例如下所述。例如，筛分析是简单且廉价的技术。筛分析方法可包括样品在筛中简单摇动，直到保留的量变得大致恒定。此技术非常适合大批材料。

可替代地，材料可通过光分析程序来分析。不同于可能耗时且有时不准确的筛分析，对待测材料的样品拍照并使用软件以分析照片可实现快速、准确的测量。另一优点是无需处理即可分析材料。

在其他示例中，PSD可通过基于格子线(graticule)的粒度法(sizing)及计数而在显微镜下测量。为了统计上有效分析，测量数百万个颗粒。电子显微照片的自动分析用于测定0.2μm至100μm范围内的粒径。

库尔特计数法(Coulter counter)是电阻计数方法的示例，其可测量各个非导电颗粒通过时所发生的通过孔的液体的导电率瞬时变化。通过计数脉冲获得颗粒计数。此脉冲与被感测颗粒的体积成比例。非常小的样品等分试样可使用此方法来检测。

其他示例包括沉降技术。这些技术是基于对悬浮在粘性液体中的颗粒所得的终端速度的研究。这些技术测定粒径为沉降速度的函数。对于最细颗粒，沉降时间最长。因此，该技术对于小于10μm尺寸有用。由于布朗运动的影响，无法可靠地测量次微米颗粒。典型的测量仪器将样品分散于液体中，接着以定时间隔测量柱的密度。其他技术则使用可见光或X光测定连续层的光密度。

激光衍射方法取决于对激光束穿过空气或液体中颗粒分散体时所产生的衍射光的光晕分析。衍射的角度随粒径减小而增加。因此，此方法对测量介于0.1μm至3,000μm之间的尺寸是特别好的。由于数据处理及自动化的进步，这是产业PSD测定中所使用的主要方法。该技术相对快，且可在非常小的样品上进行。该技术可产生用于分析工艺流的连续测量。激光衍射通过测量激光束穿过分散微粒样品时所散射的光强度的角度变化来测量粒径分布。大颗粒以相对于激光束的小角度散射光，而小颗粒则以大角度散射光。角散射强度数据接着使用光散射的米氏理论(Mie theory)或费近似(Fraunhofer approximation)进行分析，以计算导致产生散射图样的粒径。将粒径纪录为等体积球直径(volume equivalentsphere diameter)。

在激光遮蔽时间(LOT)或过渡时间(TOT)方法中，聚焦激光束以恒定频率旋转并与样品介质内的颗粒相互作用。每一随机扫描的颗粒遮蔽通往专用光电二极管(其测量遮蔽时间)的激光束。遮蔽时间t与颗粒直径D直接相关，公式为D＝V*t，其中V为射束旋转速度。

在声谱法或超声波衰减谱法中，使用超声波来代替光，以收集分散于流体中的颗粒的信息。分散颗粒吸收并散射超声波。代替像光一样测量散射能量与角度，在超声波的情况下，测量传递能量与频率是较佳选择。所得的超声波衰减频谱是用于计算粒径分布的原始数据。无需稀释或其他样品前处理即可测量任何流体系统。粒径分布的计算是基于理论模型，该理论模型已针对多达50％(体积计)的分散颗粒进行充分验证。随着浓度增加且粒径接近纳米级，常规建模需包括剪切波再转换效应，以准确反映真实衰减谱。

在使用图10D中所示的系统筛分图10E及10F中所示的PREP或ICTP系统所生产的硅粉之后，使用上述一种或更多PSD测量技术来确定硅颗粒的PSD。选择用于本公开的系统和方法的粉末更致密且更呈球形。例如，90重量％的粉末具有40-100μm范围内(或者，在另一示例中，在50-90μm范围内)的粒径，定义为基于体积的粒径D＝2*[3*V/(4*π)]^(1/3))。尽管使用术语球体或球形来描述颗粒的形状，但至少90％的颗粒具有基于体积的粒径不超过小于测得最长直径的5％(使用显微镜测量)。

硅衬底可能因打印期间的热冲击而破裂及碎裂。裂纹可在z方向上传播，其可能会损坏打印部件1201。因此，钢衬底1208用于避免当硅衬底用于打印硅部件时可能对打印部件造成的损坏。钢的熔点高于硅的熔点，因此在硅打印期间不会熔融。钢仅是衬底材料的一示例；可使用许多其他金属、合金以及非脆性材料代替衬底1208，只要用于衬底的材料的熔点大于硅的熔点(或用于打印部件1201的非金属材料1210的熔点)即可。

计算电子束的能量密度以定义电子束能量的强度。具体而言，能量密度等于(电子束功率×暴露时间)/(点距离×扫描间距)。此方程式未考虑粉末的层厚而给出2D能量密度，并定义X-Y平面中电子束能量的强度。

在本公开中，将层厚度设定为仅需2D能量密度来计算电子束能量强度的这种值(例如30μm)。能量密度太低会造成小尺寸熔池，其无法将层中的所有粉末颗粒熔融。未熔融硅粉在冷却期间形成不连续熔池，其增加表面粗糙度及目前层中的孔。这发生于能量密度小于例如5μJ/μm2时。

随着能量密度增加，熔池的尺寸增加，且熔融液滴具有较佳流动性。打印部件具有较少孔，且打印部件的相对密度增加。这对应于例如介于5μJ/μm²至14μJ/μm²之间的能量密度水平。然而，如果进一步提高能量密度，则硅粉可能过度燃烧，且打印部件可能会失去其几何准确度。

在本公开中，对于打印硅，控制器1234可将能量密度设在例如介于10μJ/μm²至14μJ/μm²之间的范围内。当能量密度设置在该范围内时，硅粉完全熔融且打印硅部件是完全致密的。

多个硅层(例如，约五十层)，称为缓冲层1228，先被打印在钢衬底1208上。缓冲层1228的每一层是一次打印且快速打印(即，利用快速电子束扫描)。例如，电子束功率可设为200W，而暴露时间可设为50μs。在此示例中，对应能量密度仅为2.1μJ/μm²。由于低能量密度，一些硅粉可能无法完全熔融。然而，缓冲层1228的目的不是为了完全熔融硅粉。而是如上已详细解释的，缓冲层1228可避免在钢衬底1208与随后打印在缓冲层1228上的打印硅部件1201下层之间的热膨胀不一致。

在打印缓冲层1228之后，部件1201的打印开始。对部件1201的每一层使用双重打印以将部件1201打印在缓冲层1228上。例如，层的第一次打印(也称为打印第一子层)中的电子束功率可设为240W(高于用于打印缓冲层1228的电子束功率)，且暴露时间可设为50μs(即，第一子层也被快速打印；大致类似于缓冲层1228)。

层的第二次打印(也称为打印第二子层)重复第一次打印的路径。电子束功率及暴露时间在第二次打印期间增加(例如，至350W及150μs)。由此，用于打印第二子层的能量密度大于用于打印第一子层的能量密度。例如，使用上述电子束功率及暴露时间的示例，用于打印每层的两子层的能量密度可分别为2.5μJ/μm²及11.0μJ/μm²。

第一打印(即，第一子层的打印)熔融该层中的一些硅粉，且也定义出部件1201的几何形状。接着第二打印完全熔融第一打印中未熔融的所有硅粉。第二打印中的较高能量密度也将打印硅部件1201的温度升高至较高水平，以在打印中的快速加热-冷却循环中缓慢冷却。当前打印层的缓慢冷却对后续打印层提供类似于缓冲层1228对当前打印层的热目的。

控制器1234选择第二打印的能量密度，使得硅粉完全熔融且还避免硅粉的过度燃烧。该双重打印方法也保护打印部件免受颗粒喷溅所导致的污染，因而避免喷溅所引起的孔，其于下文描述。

喷溅发生于光亮(热)的硅颗粒(或非金属材料1201)在打印每一层期间因回弹压力而喷离熔池时。这些颗粒在飞行中冷却，并可能落在打印部件上。落下的喷溅颗粒一般大于硅粉的尺寸，且在下一层打印期间可能不会完全熔融。这会导致孔隙率问题并降低打印部件的强度。

喷溅可以由高能量密度和/或低打印速度所导致。根据本公开，打印层的双重打印方法用低能量密度电子束打印该层的第一子层，以在第一打印中定义几何形状。打印期间在真空室1202中使用真空以取代惰性气流大幅降低飞溅。低能量密度(例如2.5μJ/μm²)以及高打印速度(例如1300mm/s)进一步降低喷溅的强度。大部分硅粉在该步骤中熔融且在电子束1226停止后于未熔融硅粉周围固化。这防止未熔融粉末因回弹压强而飞溅。接着，利用高能量密度电子束且打印速度比第一打印慢的第二次打印(即在第一子层上打印第二子层)将所有未熔融硅粉完全熔融，且喷溅的强度显著下降。双重打印策略有效降低喷溅的强度，其显著地将喷溅所引起的孔隙率问题降至最低或消除。

图11A示出了根据本公开的使用缓冲层及双重打印在金属衬底上打印非金属材料的部件的方法1300。图11B更详细地示出了双重打印方法1350。例如，方法1335和1350由控制器1234执行。

在图11A中，在1336，方法1335通过使用一个或更多网状物及振动系统(例如，如图10D所示)过滤或筛分使用PREP制得的硅粉原料。在1338，方法1335于打印部件层之前在金属衬底上打印非金属材料的多个缓冲层。在1340，方法1335使用图11B中详细示出的双重打印方法1350，在缓冲层上打印每一部件层。

在1342，方法1335确定是否打印部件的所有层。在1344，如果尚未打印部件的所有层(即，若尚未完成部件的打印)，则方法1335将非金属材料的经过滤或筛分粉末供给至粉末床以打印部件的下一层；且方法1335返回1340。在1346，如果打印部件的所有层(即，如果完成部件的打印)，则方法1335将非金属材料的打印部件与金属衬底分离；且方法1335结束。

图11B更详细地示出了双重打印方法1350。在1352，方法1350选择第一及第二角度以打印部件层的第一及第二子层。在1354，方法1352在第一轮次中使用定向在选定的第一角度的快速扫描低功率电子束来打印该部件层的第一子层。在1356，方法1352在第二轮次中使用定向在选定的第二角度的低速扫描高功率电子束来打印该部件层的第二子层。

在1358，方法1350确定是否打印部件的所有层。在1360，如果尚未打印部件的所有层(即，如果尚未完成部件的打印)，则方法1350改变第一及第二角度中的至少一者，以用于打印部件的下一层；且方法1350返回1354。如果打印部件的所有层(即，完成部件的打印)，则方法1350结束。

因此，根据本公开的第一方案的系统1200及方法1335的优点包括如下所述的。相较于传统用气体雾化制得的粉末，使用PREP或ICTP所制得的非金属材料粉末具有高得多的质量。使用PREP或ICTP所制得的粉末颗粒也呈高度球形且具有光滑表面。因此，使用PREP或ICTP所制得的粉末的流动性及延展性比使用气体雾化或化学气相沉积或硅固体粉碎所制得的粉末好得多。进一步地，颗粒的直径使用一个或更多网状物及振动来控制并选择，如上所述。

金属(例如，钢)衬底保护打印硅部件免于破裂。理想地，硅衬底是作为衬底材料的唯一或优选候选者。然而，硅衬底在打印期间受到高热负荷(或高温度梯度)时会破裂，且裂纹会传播穿过打印的硅部件，从而导致破裂。为延性材料的钢可承受高温度梯度，且不会破裂。

缓冲层降低钢衬底与打印硅之间(即，金属衬底与打印于金属衬底上的部件的非金属层之间)的CTE不匹配。另外，第一打印(即打印部件的每一层的第一子层)定义部件几何形状。大部分硅粉在第一打印中熔融。熔池的耗散限制了被熔融硅所包围的未熔融硅粉。因此，在第一打印中伴随着快速打印速度而大幅降低喷溅。这避免喷溅可能引起的打印部件中的孔或空隙。接着第二打印完全熔融所有未熔融硅粉，并在下一层打印开始之前将部件温度升高至高水平。

图12A-12C示出了根据本公开的无裂纹打印方法将非金属脆性材料的部件3D打印于相同非金属材料衬底上的基于粉末床的系统和方法。电子束产生器被配置成供应电子束以在衬底上打印非金属材料层，且加热器于打印期间持续加热衬底及室的围绕衬底的区域。

图12A示出了基于粉末床的系统1400，其用于在相同非金属材料的衬底上3D打印非金属材料的部件1401。系统1400包括真空室1402。真空室1402包括第一板1404和第二板1406。第一板1404支撑在其上打印部件1401的衬底1408。因此，第一板1404也称为构建板、构建平台、打印板或其他合适名称。

第二板1406储存非金属材料1410。在打印每一层之前，注入杆或粉末擦拭器1412供应非金属材料1410至衬底1408。因此，第二板1406也称为进料板、注入板或其他合适名称。

真空室1402包括观察窗1414。观察窗1414涂有膜以降低散热。系统1400还包括电子束产生器1420，其在打印期间将电子束1426投射至衬底1408上。例如，电子束产生器1420类似于图9B中所示的电子束产生器1170。因此，为简洁起见，不再详细描述电子束产生器1420。

真空室1402用绝缘材料1428进行热绝缘。绝缘材料1428在下文进一步详细描述。在部件1401打印之前及期间，加热器1430用于加热衬底1408。绝缘材料层1428布置于第一板1404顶部与加热器1430底部之间。在打印期间，一个或更多加热器1432用于加热衬底1408周围的区域。温度传感器1434用于感测衬底1408周围的区域的温度。基于感测到的温度来控制加热器1430、1432。

图12B示出了系统1400的额外部件。系统1400还包括真空泵1418，其通过阀1416连接至真空室1402以保持真空室1402中的高真空。例如，真空室1402中的压强可为＜1E-5托，其与＜0.01m托或＜1.33mPa相同。系统1400还包括板移动组件1452，以在打印期间将第一板1404向下移动并将第二板1406向上移动。系统1400还包括功率供应源及温度控制器(显示为温度/加热器功率控制器1456)，以维持热区内的所期望的温度。系统1400还包括控制器1454，其控制系统1400的所有元件，如下文所解释的。

现今3D打印设备被设计用于打印金属，金属为延性材料且更能承受热应力。因此，可使用非原位退火来降低热应力。然而，现今常规的3D打印设备无法均匀加热并维持衬底温度大于约600℃。因此，由于熔池温度高于硅的熔点(1414℃)，因此这些机器中所打印的硅部件中会出现大的温度梯度，且相邻的硅(即与熔池相邻的硅)可能在＜700℃的温度下。此外，在现今3D打印设备中，冷却速度快且不受控制。使用常规3D打印机下的打印期间大的温度梯度及快速冷却在3D打印硅部件中导致微裂纹。微裂纹无法在非原位退火中修复。

因此，系统1400提供具有低温度梯度的3D打印设备。系统1400使用一或多个加热器1430、1432并伴有热绝缘体(即绝缘材料1428)，以在打印、原位退火和冷却期间将温度梯度降至最小。加热器1430、1432可为电阻或感应加热器、红外(IR)灯辐射加热器或蓝光加热器(例如，使用蓝色LED)。绝缘材料1428可以是刚性碳纤维绝缘材料或软石墨毡或两者的组合。由于打印期间高温下碳及熔融硅与氧具高反应性，因此系统1400需真空密封。

在一实施方案中，真空室1402为矩形，其具有覆盖顶侧和底侧、左侧和右侧、正面和背面处内部的刚性绝缘板(即绝缘材料1428的刚性板)。在另一实施方案中，真空室1402为圆筒形，其具有覆盖顶侧及底侧处内部的刚性绝缘板以及屏蔽周围圆筒形壁的刚性绝缘圆筒体。可考虑其他形状。

绝缘板及圆筒体可由多层制成，例如刚性绝缘体/刚性绝缘体、石墨/刚性绝缘体、刚性绝缘体/毡、石墨/毡、碳纤维复合物(CFC)/毡。毡基本上是由多层碳纤维所制成的类似布的柔软材料。绝缘体防止散热，并有助于在整个打印工艺中均匀地保持高温(即，绝缘体及加热器有助于在整个打印工艺中保持低热梯度)。

对于硅的3D打印，石墨电阻加热器是优选的。石墨基座(即护罩，未示出)可放置于侧加热器1432内部以保护加热器1432。硅粉如完全致密打印方法中所述进行选择，因此为简洁起见，不重复选择过程。完成每一层的打印后，通过粉末擦拭器1412注入硅粉。当完成所有层的打印时，将打印部件1401嵌入硅粉中。硅粉也可防止热在水平方向上散发。硅粉具有低导热率，并稍微减缓打印部件的冷却。

由于硅的脆性本质，用于3D打印的衬底温度在打印部件1401的打印及退火期间优选大于硅的延性转脆温度或DBTT(即，大于1000℃)，以防止热应力积累。例如，退火温度优选介于1100-1200℃之间。还优选为以受控速率缓慢地冷却打印部件1401。例如，冷却优选以小于5℃/分钟的速率从退火温度降至400℃，然后回填惰性气体(例如，Ar)。用于3D打印硅部件1401的衬底1408优选由硅制成，以避免衬底1408与部件1401之间的CTE不匹配以及来自其他材料的衬底的污染。该概念可应用于其他脆性材料，例如氧化铝、碳化硅、陶瓷等。

图12C示出了根据本公开的第二方案在相同非金属材料的衬底(例如元件1408)上3D打印非金属材料的部件(例如元件1401)的基于粉末床的方法1480。例如，方法1480由控制器1454执行。

在1482，方法1480在热绝缘室中建立真空。在1484，在开始打印部件1401前，方法1480使用一或更多加热器(例如，加热器1430、1432)加热衬底1408及靠近打印区的区域(即，衬底1408周围)。

在1486，方法1480供给经过滤或筛分的硅粉，以在衬底1408上形成粉末床。方法1480供应电子束1426以打印硅粉层，并维持一个或更多加热器1430、1432所提供的热。方法1480感测真空室1402中(例如，衬底周围的区域的)温度，并且将衬底1408和周围区域的温度维持在大于硅(或用于打印部件的非金属材料)的DBTT。

在1488，方法1480确定是否打印部件1401的所有层(即，是否完成部件的打印)。如果尚未打印部件1401的所有层(即，如果尚未完成部件的打印)，则方法1480返回1486。

在1490，方法1480在控制器1454控制下对打印部件1401进行退火并维持加热器1430、1432所供应的热。在1492，在控制器1454的控制下，方法1480使用加热器1430、1432、绝缘体1428以及使用打印部件周围的硅粉来控制打印部件1401的退火及冷却，且方法1480结束。

因此，根据无裂纹打印方法的系统1400和方法1480包括添置加热器和热绝缘体至金属3D打印设备，其能够在打印和原位退火期间维持较低温度梯度并以受控冷却速率进行较慢冷却，从而显著降低打印硅部件中的热应力并消除微裂纹。

常规金属3D打印设备无法保持600℃以上的温度及受控的冷却，其引起高热应力并在打印硅部件中造成微裂纹，使其不能用。该方案也使用真空密闭室，以防止熔融硅、基于石墨的加热器及基于碳纤维的热绝缘体氧化。常规金属3D打印设备并未要求真空密封。

图13A-15B示出了用于接合并修复处理室和半导体处理工具中所使用的硅部件的系统和方法。在整个以下描述中，硅部件仅用作示例。以下教导可用于选自由硅、碳化硅、氧化铝及陶瓷所组成的群组的任何非金属材料所制成的部件。

例如，处理室中所使用的部件(例如C形护罩)通常可制造为单体式部件。然而，单体式部件难以制造。相反，可更容易地制造部件的多个子部件，接着将其接合以形成如下所述的单个部件。

此外，衬底处理系统中所使用的硅部件可能在制造期间或其在处理室中使用期间碎裂。因微小碎裂而丢弃并更换部件是昂贵的。相反，可如下所述修复碎裂部件，从而可使用修复后的部件而不是丢弃并且更换碎裂部件。修复可延长部件的使用寿命或降低制造部件的报废率。

图13A-13C示出了用于接合硅部件的系统和方法。图14A-14C示出了用于修复硅部件的系统和方法。图15A及图15B示出了用于在单个室中接合并修复硅部件的组合系统。同样，硅部件仅用作示例，且系统和方法可用于任何非金属材料(例如硅、碳化硅、氧化铝及陶瓷)所制成的部件。

图13A示出了用于接合硅部件的系统1500的真空室1502。完整的系统1500详细示于图13B中。在图13A中，详细示出了系统1500的真空室1502。真空室1502的壁由不锈钢制成。尽管未示出，但真空室1502的壁通过使冷却剂(例如水)循环通过壁来进行冷却。

真空室1502包围基座1504。基座1504支撑台座1506。基座1504和台座1506可绕Z轴旋转。加热器1508布置于基座1504周围。加热器1508可如图所示设置于台座1506下方。可替代地，尽管未示出，但加热器1508可布置于台座1506及基座1504的侧面(即，周围)。基座1504、台座1506及加热器1508由石墨制成。

热绝缘体1510设置于真空室1502中的基座1504、台座1506及加热器1508周围。热绝缘体1510由刚性碳纤维制成。替代地，热绝缘体1510可包括用毡包覆的石墨。热绝缘体1510在真空室1502中的基座1504、台座1506及加热器1508周围形成隔热区。

使用固定件1522将电子枪1520安装至真空室1502的侧壁。电子枪1520可沿Z轴移动。包括多个元件(即子部件或零件)的部件1516布置于台座1506上。仅作为示例，部件1516可包括三个元件1516-1、1516-2及1516-3。热绝缘体1510包括狭槽1512，来自电子枪1520的电子束1514可通过狭槽1512照射部件1516的元件。通过移动电子枪1520并旋转基座1504，可照射部件1516的元件的不同部分。在一些示例中，基座1504也可沿Z轴竖直移动。

电子束1514利用于下文参考图13C所述的方法来接合元件1516-1、1516-2及1516-3以形成部件1516。例如，电子束1514在1517将元件1516-1接合至元件1516-2，而电子束1514在1518利用于下文参考图13C所述的方法将元件1516-2接合至元件1516-3。在描述该方法之前，以下参考图13B以描述系统1500的其余部分。

在图13B中，系统1500包括真空泵1550，其通过阀1552连接至真空室1502以保持真空室1502中的高真空。例如，真空室1502中的压强可为＜1E-5托，其与＜0.01毫托或＜1.33mPa相同。系统1500还包括基座移动组件1554以旋转基座1504。系统1500还包括电子枪电子束产生器及移动组件1555以移动电子枪1520。

系统1500还包括功率供应源及温度控制器(统称为温度/加热器功率控制器1556)，以保持热区内所期望的温度(于下文参考图13C描述的)。系统1500还包括惰性气体供应源1558，以供应惰性气体例如氩(Ar)以回填真空室1502。系统1500还包括控制系统1500的所有元件的控制器1560，如下文参考图13C所解释的。

图13C示出了用于接合硅部件的方法1600。例如，控制器1560通过如下控制系统1500的多种元件来执行方法1600。在1602，方法1600包括清洁将被接合以形成部件的元件的配合表面(例如，在1517及1518清洁用于形成部件1516的元件1516-1、1516-2及1516-3的配合表面)。在1604，方法1600包括将部件的元件(例如，在真空室1502中的台座1506上)布置于3D电子束打印机或焊机中。在要接合在一起的元件的配合面之间不添加硅粉(例如，在1517和1518不添加硅粉)。

在1606，方法1600包括操作泵1550以在真空室1502中建立真空，如上参考图13A及图13B所述的。此外，方法1600包括使用温度/加热器功率控制器1556操作加热器1508，以将隔热区中的部件的元件加热至高于硅的脆性转延性转换点(＞800℃)，隔热区使用如上参考图13A及图13B所述的热绝缘体1510在真空室1502内建立。

在1608，方法1600包括将电子枪1520的电子束1514聚焦至两元件(例如，1516-1与1516-2)之间的第一接点区(例如，1517)直到第一区的硅(即，两部件末端部分的硅)熔融并固化。方法1600可以包括缓慢降低电子束1514的功率以使熔池在接点的最后部分固化。

在1610，方法1600包括确定所有接点区(即整个1517)是否熔融且固化。如果并未熔融且固化所有接点区，则方法1600进行到1612。在1612，方法1600包括缓慢旋转部件(通过使用基座移动组件1554旋转基座1502)，以选择下一个所选接点区以进行熔融并固化，然后方法1600返回至1608。方法1600还可包括使用电子枪移动组件1555移动电子枪1520以照射不同接点区。如果所有接点区都熔融并固化，则方法1600进行到1614。

在1614，方法1600包括确定部件的所有接点(例如，1517及1518)是否熔融并固化(即，部件的所有元件是否连接或焊接在一起以形成部件)。如果部件的所有接点并未熔融且固化，则方法1600进行至1616。在1616，方法1600包括选择下一个接点(例如，1518)进行熔融且固化，然后方法1600返回至1608。例如，方法1600包括通过使用基座移动组件1554旋转基座1504来选择下一个接点。如果所有接点都熔融并固化，则完成元件的接合以形成部件(以下为接合部件)，且方法1600进行至1618。

在1618，方法1600包括对接合部件的接点进行退火。例如，方法1600包括使用温度/加热器功率控制器1556控制加热器1508，以加热接合部件并将温度保持在高于1000℃达约一小时。接着方法1600包括以约＜2℃/分钟的速率将接合部件缓慢冷却至约700℃，其随后通过关闭加热器1508以将接合部件更快冷却至约400℃。

在1620，方法1600包括用惰性气体供应源1558所供应的惰性气体例如氩(Ar)回填真空室1502。方法1600接着包括打开真空室1502并从真空室1502卸下接合部件。在1622，方法1600包括从接合部件磨掉任何多余的硅并再次清洁接合部件以用于处理室或例如图9A所示的衬底处理系统。

图14A示出了用于修复硅部件的系统1700的真空室1702。完整的系统1700详细示于图14B中。在图14A中，详细示出了系统1700的真空室1702。真空室1702的壁由不锈钢制成。尽管未示出，但真空室1702的壁通过使冷却剂(例如水)通过壁循环来冷却。

真空室1702包围转台1704。待修复的部件1716被布置于转台1704上。例如，部件1716可包括需修复的碎裂区域1717。转台1704可绕Z轴旋转。使用固定件1707将转台1704安装至臂1706上。臂1706可绕X轴旋转。因此，转台1704可绕Z轴及X轴旋转。在一些示例中，臂1706连同转台1704也可沿X轴移动。转台1704及臂1706由石墨制成。如果部件1716和/或转台1704相对较重，则臂1706的远端可延伸并由支撑结构(未示出)支撑。

加热器1708被布置于转台1704和臂1706下方。替代地，尽管未示出，但加热器1708可沿着真空室1702的侧壁布置于转台1704和臂1706周围。热绝缘体1710设置在真空室1702中的转台1704、臂1706和加热器1708周围。热绝缘体1710由刚性碳纤维制成。替代地，热绝缘体1710可包括用毡包覆的石墨。热绝缘体1710在真空室1702中的转台1704、臂1706和加热器1708周围形成隔热区。

使用固定件1722将电子枪1720安装至真空室1702的顶壁。电子枪1720可沿X轴及Y轴移动。热绝缘体1710包括狭槽1712，来自电子枪1720的电子束1714可通过狭槽1712照射部件1716的碎裂区域1717。通过移动电子枪1720并旋转转台1704及臂1706，可照射部件1716的不同部分。

具体地，转台1704不仅可绕垂直于其平面的其自身轴(Z轴)旋转，且也可通过旋转臂1706绕平行于其平面的轴(X轴)旋转。这两种旋转使得能将碎裂区域1717移动至顶部以面向电子枪1720。通过沿X轴和Y轴移动电子枪1720，电子束1714可被引导至碎裂区域1717。为了修复，碎裂区域1717填有硅粉，电子束1714利用于下文参考图14C所述的方法将其熔融。在描述该方法之前，以下参考图14B描述系统1500的其余部分。

在图14B中，系统1700包括真空泵1750，其通过阀1752连接至真空室1702以保持真空室1702中的高真空。例如，真空室1702中的压强可以是＜1E-5托，其与＜0.01毫托或＜1.33mPa相同。系统1700还包括用于旋转转台1704和臂1706的移动组件，其统称为臂与转台移动组件1754。系统1700还包括电子枪电子束产生器及移动组件1755以移动电子枪1720。

系统1700还包括功率供应源及温度控制器(统称为温度/加热器功率控制器1756)，以保持热区内所期望的温度(以下参考图14C描述)。系统1700还包括惰性气体供应源1758，以供应惰性气体例如氩(Ar)以回填真空室1702。系统1700还包括控制系统1700的所有部件的控制器1760，如下参考图14C所解释的。

图14C示出了用于修复硅部件的方法1800。例如，控制器1760通过如下控制系统1700的多种元件来执行方法1800。在1802，方法1800包括将碎裂部件(例如，具有碎裂区域1717的部件1715)布置于EBM室(例如，真空室1702)中。方法1800包括使用臂与转台移动组件1754旋转转台1704及臂1706，使得碎裂区域1717面向上朝向电子枪1720。

在1804，方法1800包括用硅粉(例如，包括直径在100um-3mm范围内且电阻率与部件1715相同的颗粒)填充碎裂区域1717。在1806，方法1800包括操作泵1750以在真空室1702中建立真空，如上文参考图14A和图14B所述的。此外，方法1800包括使用温度/加热器功率控制器1756操作加热器1708，以将隔热区中的部件加热至高于硅的延性转脆性转换点(＞800℃)，隔热区使用如上参考图14A及图14B所述的热绝缘体1710在真空室1702内建立。

在1808，方法1800包括将电子枪1720的电子束1714聚焦至部件的碎裂区域1717中的硅粉上，以完全熔融硅粉及碎裂区域1717的一部分。方法1800还可以包括使用电子枪移动组件1755来移动电子枪1720。在1810，方法1800包括缓慢降低电子束功率以使碎裂区域1717中的熔池固化。

在1812，方法1800包括对修复部件进行退火。例如，方法1800包括使用温度/加热器功率控制器1756控制加热器1708，以加热修复部件并将温度保持在高于1000℃持续约一小时。接着方法1800包括以约＜2℃/分钟的速率将修复部件缓慢冷却至约700℃，其随后通过关闭加热器1708以将修复部件更快地冷却至约400℃。

在1814，方法1800包括用惰性气体供应源1758所供应的惰性气体例如氩(Ar)回填真空室1702。方法1800接着包括打开真空室1702并从真空室1702卸下修复部件。在1816，方法1800包括从修复区域磨掉任何多余的硅并再次清洁修复部件以用于处理室或例如图9A所示的衬底处理系统。

图15A示出了用于在单个真空室1902中接合并修复硅部件的系统1900。基本上，系统1900是系统1500与1700的组合，因为接合与修复两者都可以在单个真空室1902中进行。真空室1902包括真空室1702的所有元件并且还包括真空室1502的以下部件：将狭槽1512添加至热绝缘体1710，并使用固定件1522将电子枪1520安装至真空室1902的侧壁。除此之外，真空室1902与真空室1702相同，因此为简洁起见而不再赘述。

在真空室1902中，部件1516的元件1516-1、1516-2、1516-3可布置于旋转台1704上并可如上参考图13A-13C所述使用电子枪1520进行接合。另外，可使用电子枪1720来修复部件1716上的碎裂区域1717，如上文参考图14A-14C所述的。

图15B示出了系统1900的额外元件。系统1900包括图14B所示的系统1700的所有元件并且还包括系统1500的电子枪移动组件1555。控制器1954包括控制器1554和1754的功能。控制器1954可执行上述方法1600和1800，为简洁起见不再描述。

在一些示例中，系统1700也可用于(再次利用)接合部件的零件，如参考图13A-13C所述的。在其他示例中，可在系统1400中提供两个机械手臂，其接着可用于接合以及修复部件。例如，在接合应用中，两个机械手臂可用于保持部件的两个零件。两个机械手臂可以适当的自由度移动，使得电子枪可接合两零件以形成部件。在修复应用中，可使用一或两个机械手臂以保持待修复的部件。该一或两个机械手臂可具有适当的自由度，使得电子枪可熔融部件的缺陷区域中的粉末以修复部件。在还有的其他示例中，在系统1900中，两个电子枪都可用于接合部件的元件，且两个电子枪均可用于修复缺陷部件上的多个碎裂处。预期本文所述的多种系统和方法的许多其他变化及用途。

图16A-16C示出使用图13A-13C、15A及15B的系统和方法接合两个硅部件，其因不匹配的结晶方向而在两部件之间导致晶界。例如，硅部件2000通过接合两个硅子部件2002及2004(分别示为子部件1及子部件2)而形成。图16A示出了接合前的子部件2002、2004。图16B示出接合期间的子部件2002、2004。图16C示出接合子部件2002、2004后的硅部件2000。

在图16A中，第一与第二子部件2002、2004中的每一者具有单晶结构。第一与第二子部件2002、2004分别具有两子部件2002、2004要接合的边缘2006、2008。边缘2006、2008也称为焊接表面。在单晶或多晶材料中(例如第一与第二子部件2002和2004)，整个各个子部件的晶格呈连续且到边缘不间断而且无晶界。晶界是多晶材料中两晶粒或微晶之间的界面。两个子部件2002与2004的边缘2006、2008包括具有两个不同结晶方向的晶体。当接合两个子部件2002与2004时，不可能在原子尺度上精确对齐它们的结晶方向。两个子部件2002与2004通过在边缘2006、2008处施加电子束1514而在边缘2006、2008处接合，如参考图13A-13C、15A和15B所述。

在图16B中，当电子束1514照射于边缘2006、2008处时，在子部件2002与2004的边缘2006、2008处形成熔融区2010。允许熔融区2010固化、退火并允许冷却，如参考图13A-13C、15A及15B所述的。

在图16C中，接合的子部件2002与2004形成部件2000。在子部件2002与2004之间的接合处(即在接合区域或接点处)形成晶界2012，原因在于其无法避免的结晶方向不匹配。晶界2012是来自子部件2002与2004之间的接点处的子部件2002及2004熔融材料的固化接缝。晶界2012也可称为子部件2002与2004的固化接缝。

如果子部件2002和2004是由多晶硅制成，由于多晶硅中的每一晶粒为小的单晶，因而也形成晶界2012。在多晶硅制成的子部件2002与2004之间的接点处，每对相互面对的两晶粒之间将于固化期间形成多个晶界2012。如果使用激光束熔融边缘2006、2008来接合子部件2002、2004以形成部件2000，则也将形成晶界2012。如果边缘2006、2008之间的接点处填有硅粉并被电子束或激光束熔融以形成部件2000，则也将形成多个晶界2012。

晶界2012是接合部件2000可检测到的特征。例如，如果部件2000是单体式的(即，制造为单件，而非通过接合两个子部件来制造)，部件2000将不包括晶界2012。另外，如果利用不同于参考图13A-13C、15A及15B所述工艺的工艺来连接子部件2002与2004以形成部件2000，则部件2000将不包括子部件2002与2004之间的接点处的晶界2012。

前面的描述本质上仅仅是说明性的，并且绝不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实现。因此，虽然本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应当被如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时，其他修改将变得显而易见。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时地)执行。

此外，虽然每个实施方案在上面被描述为具有某些特征，但是相对于本公开的任何实施方案描述的那些特征中的任何一个或多个，可以在任何其它实施方案的特征中实现和/或与任何其它实施方案的特征组合，即使该组合没有明确描述。换句话说，所描述的实施方案不是相互排斥的，并且一个或多个实施方案彼此的置换保持在本公开的范围内。

使用各种术语来描述元件之间(例如，模块之间、电路元件之间、半导体层之间等)的空间和功能关系，各种术语包括“连接”、“接合”、“耦合”、“相邻”、“紧挨”、“在...顶部”、“在...上面”、“在...下面”和“设置”。除非将第一和第二元件之间的关系明确地描述为“直接”，否则在上述公开中描述这种关系时，该关系可以是直接关系，其中在第一和第二元件之间不存在其它中间元件，但是也可以是间接关系，其中在第一和第二元件之间(在空间上或功能上)存在一个或多个中间元件。如本文所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当被解释为意味着使用非排他性逻辑或(OR)的逻辑(A或B或C)，并且不应被解释为表示“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个”。

在一些实现方案中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述示例的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定处理部件(晶片基座、气体流系统等)。这些系统可以与用于在半导体晶片或衬底的处理之前、期间和之后控制它们的操作的电子器件集成。

电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种部件或子部件。根据处理要求和/或系统类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何工艺，包括处理气体的输送、温度设置(例如加热和/或冷却)、压力设置、真空设置、功率设置、射频(RF)产生器设置、RF匹配电路设置、频率设置、流率设置、流体输送设置、位置和操作设置、晶片转移进出工具和其他转移工具和/或与具体系统连接或通过接口连接的装载锁。

从广义上讲，控制器可以定义为电子器件，电子器件具有接收指令、发出指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片、和/或执行程序指令(例如，软件)的一个或多个微处理器或微控制器。

程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式发送到控制器的指令，单独设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定工艺的操作参数。在一些实施方案中，操作参数可以是由工艺工程师定义的配方的一部分，以在一或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或晶片的管芯的制造期间完成一个或多个处理步骤。

在一些实现方案中，控制器可以是与系统集成、耦合到系统、以其它方式联网到系统或其组合的计算机的一部分或耦合到该计算机。例如，控制器可以在“云”中或是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，其可以允许对晶片处理的远程访问。计算机可以实现对系统的远程访问以监视制造操作的当前进展、检查过去制造操作的历史、检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数、设置处理步骤以跟随当前的处理、或者开始新的工艺。

在一些示例中，远程计算机(例如服务器)可以通过网络(其可以包括本地网络或因特网)向系统提供工艺配方。远程计算机可以包括使得能够输入或编程参数和/或设置的用户界面，然后将该参数和/或设置从远程计算机发送到系统。在一些示例中，控制器接收数据形式的指令，其指定在一个或多个操作期间要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以特定于要执行的工艺的类型和工具的类型，控制器被配置为与该工具接口或控制该工具。

因此，如上所述，控制器可以是例如通过包括联网在一起并朝着共同目的(例如本文所述的工艺和控制)工作的一个或多个分立的控制器而呈分布式。用于这种目的的分布式控制器的示例是在与远程(例如在平台级或作为远程计算机的一部分)的一个或多个集成电路通信的室上的一个或多个集成电路，其组合以控制在室上的工艺。

示例系统可以包括但不限于等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转漂洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及可以与半导体晶片的制造和/或制备相关联或用于半导体晶片的制造和/或制备的任何其它半导体处理系统。

如上所述，根据将由工具执行的一个或多个处理步骤，控制器可以与一个或多个其他工具电路或模块、其它工具部件、群集工具、其他工具接口、相邻工具、邻近工具、位于整个工厂中的工具、主计算机、另一控制器、或在将晶片容器往返半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口运输的材料运输中使用的工具通信。

Claims

1.一种进行硅部件的三维(3D)打印的方法，所述方法包括：

将粉状硅加至3D打印工具；

对于逐层工艺中所述3D打印的每一层：

在所述3D打印工具中形成所述粉状硅的粉末床；

在10^-5托至10^-7托范围内的高真空条件下于650℃至750℃温度范围内烘烤所述粉状硅以分解并去除所述粉状硅的表面氧化物；

形成成层的所述粉末床至预定厚度；

在所述高真空条件下以预定模式将高功率束引导至所述形成的粉末床中，所述高功率束具有足够能量以熔融所述粉状硅；以及

确定所述3D打印中是否需额外层；以及

基于确定不需要额外层，以预定温度渐降速率将所述硅部件冷却至所述3D打印工具所在环境的环境温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述高功率束包括电子束。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法是在惰性气体环境中进行。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述惰性气体环境包括选自包括氩(Ar)和氦(He)的气体中的至少一种气体。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述硅粉末中的硅颗粒具有45μm至55μm范围内的中值尺寸及介于10μm至100μm之间的尺寸分布范围。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述粉状硅的纯度总体上大于99.99％。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述粉状硅的纯度总体上大于99.9999％。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述粉状硅是在10^-6托范围内的高真空条件下于700℃温度范围内进行烘烤以分解并去除所述粉状硅的表面氧化物。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述粉状硅包含基本上球形的颗粒。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述粉状硅通过使用硅烷(SiH₄)-气体雾化的流体化床化学气相沉积(FB-CVD)系统形成。

11.根据权利要求10所述的方法，其还包括：

制备熔融硅；

迫使所述熔融硅通过喷嘴；

将高速气流引导至所述熔融硅，所述高速气流包括选自包括氦(He)和氩(Ar)的气体的至少一种气体，以将所述熔融硅分解成硅颗粒以形成所述粉状硅；以及

在所述硅颗粒上沉积硅烷。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述粉状硅通过等离子体旋转电极处理(PREP)形成。

13.根据权利要求12所述的方法，其还包括：

在硅棒旋转时熔融所述硅棒的一端，所述硅棒的转速足以产生离心力以使熔融硅从所述硅棒喷出；以及

将所喷出的所述熔融硅固化成硅颗粒以形成所述粉状硅。

14.根据权利要求13所述的方法，其还包括通过调整所述硅棒的所述转速来调控所述硅颗粒的形貌。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定温度渐降速率小于每分钟5℃。

16.根据权利要求1所述的方法，其还包括：

通过操作制备高纯度硅，所述操作包括：

将硅放入坩埚中；

以预定渐升速率提高所述硅的温度；

用高功率束至少部分地熔融所述硅，所述高功率束具有足以熔融所述硅的功率；以及

以第二预定下降速率降低所述硅的温度。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述预定温度渐升速率通过有限元分析确定，所述有限元分析包括比较热通量与在所述硅中引起的机械应力。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述温度渐变速率为每分钟50K。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述逐层工艺中每一层的所述预定厚度是在30μm至50μm的范围内。

20.一种进行硅部件的三维(3D)打印的方法，所述方法包括：

将设计文件加载到3D打印工具中，其中所述设计文件包含所述硅部件的几何形状，包括用于打印所述硅部件的多层中每一层的坐标；

对于所述硅部件的所述3D打印的每一层：

在所述3D打印工具中形成粉状硅的粉末床；

在10^-5托至10^-7托范围内的高真空条件下于650℃至750℃的温度范围内烘烤所述粉状硅以分解并去除所述粉状硅的表面氧化物；

将成层的所述粉末床耙平至预定厚度；

在所述高真空条件下以预定模式将电子束引导至所耙平的所述粉末床中，所述预定模式基于所述设计文件，所述电子束具有足够能量以熔融所述粉状硅；以及

确定所述3D打印中是否需额外层；以及

基于确定不需要额外层，将预定温度下的所述硅部件冷却至所述3D打印工具所在的环境温度。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述设计文件为计算机辅助设计文件。

22.根据权利要求20所述的方法，其中所述硅粉末中的硅颗粒具有大约50μm的中值粒度及介于10μm至100μm之间的粒度分布范围。

23.根据权利要求20所述的方法，其中所述粉状硅的纯度总体上大于99.99％。

24.根据权利要求20所述的方法，其中所述粉状硅的纯度总体上大于99.9999％。

25.根据权利要求20所述的方法，其中所述粉状硅是在10^-6托的高真空条件下于700℃下进行烘烤以分解并去除所述粉状硅的表面氧化物。

26.根据权利要求20所述的方法，其中所述粉状硅包含基本上球形的颗粒。

27.根据权利要求20所述的方法，其中所述电子束的功率电平是在50W至300W范围内。

28.根据权利要求20所述的方法，其中所述电子束在其上正在形成所述硅部件的构建平台处的半高宽(FWHM)直径是在200μm至10mm的范围内。

29.根据权利要求20所述的方法，其中所述电子束在所述构建平台的表面处的能量密度为每立方毫米28焦耳(J/mm³)。

30.一种用于打印非金属材料的完全致密部件的系统，所述系统包括：

真空下的室；

第一竖直可移动板，其布置于所述室中以支撑衬底；

第二竖直可移动板，其布置成邻近所述第一竖直可移动板，其中所述第二竖直可移动板被配置成储存所述非金属材料的粉末并在打印所述非金属材料的每一层之前以所述粉末注入所述衬底；

电子束产生器，其被配置成供应电子束；以及

控制器，其被配置成使用所述电子束在所述衬底上打印所述非金属材料的多层并在所述多层上打印成层的所述非金属材料以通过以下方式在所述多层上构建所述部件：

使用具有第一功率和第一速度的所述电子束，打印所述成层的所述非金属材料的第一子层；以及

使用具有第二功率和第二速度的所述电子束，在所述第一子层上打印所述成层的所述非金属材料的第二子层；

其中所述第一速度大于所述第二速度；以及

其中所述第一功率小于所述第二功率。

31.根据权利要求30所述的系统，其中所述非金属材料包括直径在40-100μm范围内的球形颗粒，且其中所述直径使用筛分析测得。

32.根据权利要求30所述的系统，其中所述控制器进一步配置成：

使用具有第一方位的所述电子束打印所述第一子层；以及

使用具有不同于所述第一方位的第二方位的所述电子束打印所述第二子层。

33.根据权利要求30所述的系统，其中所述非金属材料选自由硅、碳化硅、氧化铝和陶瓷所组成的群组。

34.根据权利要求30所述的系统，其还包括：

一个或更多网状物，其具有不同直径的孔；以及

振动系统，其被配置成振动所述一个或更多网状物；

其中所述粉末通过使原料穿过所述一个或更多网状物而从所述原料选出；以及

其中所选出的所述粉末包括直径在40-100μm范围内的颗粒，所述直径使用筛分析测得。

35.根据权利要求30所述的系统，其还包括板移动组件，其被配置成在打印每一层后使所述第一竖直可移动板朝向下方向移动，并在打印每一层后使所述第二竖直可移动板朝向上方向移动。

36.一种用于在衬底上打印非金属材料的完全致密部件的方法，所述方法包括：

使用电子束在所述衬底上打印所述非金属材料的多层；并且

在所述多层上打印成层的所述非金属材料以通过以下方式在所述多层上构建所述部件：

其中所述第一速度大于所述第二速度；以及

其中所述第一功率小于所述第二功率。

37.根据权利要求36所述的方法，其中所述非金属材料包括直径在40-100μm范围内的颗粒，且其中所述直径使用筛分析测得。

38.根据权利要求36所述的方法，其还包括：

使用具有第一方位的所述电子束打印所述第一子层；以及

39.根据权利要求36所述的方法，其中所述非金属材料选自于由硅、碳化硅、氧化铝和陶瓷所组成的群组。

40.根据权利要求36所述的方法，其还包括在打印每一层之前供应所述非金属材料的粉末剂量，其中所述粉末包括直径在40-100μm范围内的颗粒，且其中所述直径使用筛分析测得。

41.根据权利要求40所述的方法，其还包括通过使原料穿过具有不同直径的孔的一个或更多网状物并且振动所述一个或更多网状物，从所述原料选出所述粉末。

42.根据权利要求36所述的方法，其还包括在真空下的室中打印所述部件。

43.一种使用根据权利要求36所述的方法打印的非金属材料的部件，其中所述部件是完全致密且无孔隙的。

44.一种在衬底上打印非金属材料的部件的方法，所述方法包括：

使用电子束在所述衬底上打印所述非金属材料的多层，其中所述多层形成基底以在其上构建所述部件；以及

通过使用所述电子束在所述多层上打印一或更多层所述非金属材料而在所述多层上构建所述部件。

45.根据权利要求44所述的方法，其中所述非金属材料包括直径在40-100μm范围内的颗粒，且其中所述直径使用筛分析测得。

46.根据权利要求44所述的方法，其中打印所述一或更多层中的每一层包括：

使用具有第一功率和第一速度的所述电子束，打印所述非金属材料的第一子层；以及

使用具有第二功率和第二速度的所述电子束，在所述第一子层上打印所述非金属材料的第二子层；

其中所述第一速度大于所述第二速度；以及

其中所述第一功率小于所述第二功率。

47.根据权利要求46所述的方法，其还包括：

使用具有第一方位的所述电子束打印所述第一子层；以及

48.根据权利要求44所述的方法，其中所述非金属材料选自于由硅、碳化硅、氧化铝和陶瓷所组成的群组。

49.根据权利要求44所述的方法，其还包括在打印每一层之前供应所述非金属材料的粉末剂量，其中所述粉末包括直径在40-100μm范围内的颗粒，且其中所述直径使用筛分析测得。

50.根据权利要求49所述的方法，其还包括通过使原料穿过具有不同直径的孔的一个或更多网状物并且振动所述一个或更多网状物，从所述原料选出所述粉末。

51.一种使用根据权利要求44所述的方法打印的非金属材料的部件，其中所述部件为完全致密且无孔隙的。

52.一种在衬底上打印非金属材料的完全致密部件的方法，所述方法包括：

使用具有第一功率和第一速度的电子束，在所述衬底上打印成层的所述非金属材料的第一子层；以及

其中所述第一速度大于所述第二速度；以及

其中所述第一功率小于所述第二功率。

53.根据权利要求52所述的方法，其中所述非金属材料包括直径在40-100μm范围内的颗粒，且其中所述直径使用筛分析测得。

54.根据权利要求52所述的方法，其还包括：

使用具有第一方位的所述电子束打印所述第一子层；以及

55.根据权利要求52所述的方法，其还包括在打印所述层前使用所述电子束在所述衬底上打印所述非金属材料的多层。

56.根据权利要求55所述的方法，其中所述多层形成基底，所述部件通过打印所述层而构建于所述基底上。

57.根据权利要求52所述的方法，其中所述非金属材料选自于由硅、碳化硅、氧化铝和陶瓷所组成的群组。

58.根据权利要求52所述的方法，其还包括在打印每一层之前供应所述非金属材料的粉末剂量，其中所述粉末包括直径在40-100μm范围内的颗粒，且其中所述直径使用筛分析测得。

59.根据权利要求58所述的方法，其还包括通过使原料穿过具有不同直径的孔的一个或更多网状物并且振动所述一个或更多网状物，从所述原料选出所述粉末。

60.一种使用根据权利要求52所述的方法打印的非金属材料的部件，其中所述部件为完全致密且无孔隙的。

61.一种用于在由非金属材料所制成的衬底上打印所述非金属材料的完全致密且无裂纹部件的系统，所述系统包括：

室，其用于打印所述完全致密且无裂纹部件，所述室为热绝缘的；

第一竖直可移动板，其布置于所述室中以支撑所述衬底；

热绝缘材料，其布置于所述第一竖直可移动板的顶表面上以及所述衬底下方；

加热器，其被配置成在所述衬底上打印所述部件之前加热所述衬底及所述室的在所述衬底周围的区域；

粉末进料器，其被配置成供应所述非金属材料的粉末；以及

电子束产生器，其被配置成供应电子束以在所述衬底上打印成层的所述非金属材料，同时在所述打印期间所述加热器持续加热所述衬底及所述室的在所述衬底周围的所述区域。

62.根据权利要求61所述的系统，其中所述粉末包括直径在40-100μm范围内的颗粒，且其中所述直径使用筛分析测得。

63.根据权利要求61所述的系统，其中所述加热器配置成在所述部件的所述打印和退火期间，将所述衬底和所述室的在所述衬底周围的所述区域加热至大于所述非金属材料的延性转脆性温度的温度。

64.根据权利要求61所述的系统，其中在所述打印后，所述加热器被配置成持续加热所述衬底和所述室的在所述衬底周围的所述区域，并在所述室中对所述部件进行退火。

65.根据权利要求61所述的系统，其中在所述打印后，所述部件保持被所述粉末包围，同时所述部件以受控速率缓慢冷却。

66.根据权利要求61所述的系统，其中所述室利用一或更多层的一种或更多绝缘材料进行热绝缘。

67.根据权利要求61所述的系统，其中所述非金属材料选自于由硅、碳化硅、氧化铝及陶瓷所组成的群组。

68.根据权利要求61所述的系统，其中所述加热器被布置于所述衬底下方或所述衬底周围以及所述室的在所述衬底上方的所述区域。

69.根据权利要求61所述的系统，其中：

所述粉末进料器包括第二竖直可移动板，其被布置成邻近于所述第一竖直可移动板；以及

所述第二竖直可移动板被配置成储存所述粉末并在打印所述非金属材料的每一层之前以所述粉末注入所述衬底。

70.根据权利要求69所述的系统，其还包括板移动组件，该板移动组件被配置成在打印每一层后使所述第一竖直可移动板朝向下方向移动，并在打印每一层后使所述第二竖直可移动板朝向上方向移动。

71.根据权利要求61所述的系统，其还包括一或更多额外加热器，其被配置成在所述部件的所述打印期间加热所述室在所述衬底上方的区域。

72.根据权利要求61所述的系统，其中所述室是在真空下。

73.根据权利要求61所述的系统，其还包括：

一个或更多网状物，其具有不同直径的孔；以及

振动系统，其被配置成振动所述一个或更多网状物；

其中所述一个或更多网状物的所述直径被选定为产生包括直径在40-100μm范围内的颗粒的所选出的所述粉末，所述直径使用筛分析测得。

74.一种在室中在由非金属材料所制成的衬底上打印所述非金属材料的完全致密且无裂纹部件的方法，所述方法包括：

在所述衬底上打印成层的所述非金属材料之前加热所述衬底和所述室的在所述衬底周围的区域；以及

使用电子束在所述衬底上打印所述成层的所述非金属材料，同时在所述打印期间持续加热所述衬底和所述室的在所述衬底周围的所述区域。

75.根据权利要求74所述的方法，其中所述非金属材料包括直径在40-100μm范围内的颗粒，且其中所述直径使用筛分析测得。

76.根据权利要求74所述的方法，其还包括在所述部件的所述打印和退火期间，将所述衬底和所述室的在所述衬底周围的所述区域加热至大于所述非金属材料的延性转脆性温度的温度。

77.根据权利要求74所述的方法，其还包括在所述打印后，在所述室中对所述部件进行退火及缓慢冷却，同时持续加热所述衬底和所述室的在所述衬底周围的所述区域。

78.根据权利要求74所述的方法，其还包括在所述打印后，通过用所述非金属材料的粉末包围所述部件来冷却所述部件。

79.根据权利要求74所述的方法，其还包括使用一或更多层的一或更多绝缘材料对所述室进行热绝缘。

80.根据权利要求74所述的方法，其中所述非金属材料选自于由硅、碳化硅、氧化铝和陶瓷所组成的群组。

81.根据权利要求74所述的方法，其还包括：

在打印所述成层的所述非金属材料的每一层之前以所述非金属材料注入所述衬底；以及

在所述注入之后供应所述电子束以打印所述非金属材料的每一层。

82.根据权利要求74所述的方法，其还包括在所述部件的所述打印期间加热所述室的在所述衬底上方的区域。

83.根据权利要求74所述的方法，其还包括保持所述室中的真空。

84.根据权利要求74所述的方法，其还包括保持所述室中的真空。

85.根据权利要求74所述的方法，其还包括：通过使原料穿过具有不同直径的孔的一个或更多网状物并且振动所述一个或更多网状物，从所述原料选出所述非金属材料的粉末，

其中所选出的所述粉末包括直径在40-100μm范围内的颗粒，且其中所述直径使用筛分析测得。

86.一种使用根据权利要求74所述的方法打印的非金属材料的部件，其中所述部件为完全致密且无孔隙及裂纹的。

87.一种系统，其包括：

室，其包括：

上部，其具有接收硅粉、载气和掺杂物的入口；

中间部，其连接至所述上部；以及

第三部，其连接至所述中间部并具有出口；

线圈，其布置在所述上部周围；

功率供应源，其被配置成供应功率至所述线圈；以及

控制器，其被配置成：

控制所述硅粉、所述载气和所述掺杂物向所述入口的供应；以及

控制供应至所述线圈的所述功率以产生等离子体，

其中所述出口输出球形、致密且掺杂型的硅粉。

88.根据权利要求87所述的系统，其中所述中间部具有大于所述上部的横截面积，且其中所述第三部具有小于所述上部的横截面积。

89.根据权利要求87所述的系统，其中所述上部包括：

内管；

中管，其同轴围绕所述内管；以及

外管，其由所述中管的外壁与所述上部的内壁定义；

其中所述内管、所述中管和所述外管从所述上部的顶端向下竖直延伸至所述上部的中点；以及

其中所述线圈布置于所述上部的所述中点与所述上部的底端之间的所述上部周围。

90.根据权利要求89所述的系统，其中所述硅粉被供应至所述内管，所述系统还包括：

第一气体源，其用于供应所述载气以与所述硅粉混合；

第二气体源，其用于供应所述掺杂物至所述中管；以及

第三气体源，其用于供应鞘流气体至所述外管。

91.一种构建用于衬底处理系统的部件的方法，所述方法包括：

将所述部件的第一和第二子部件布置于真空下的室中的隔热区中；

加热所述隔热区中的所述第一与第二子部件至预定温度；

将所述第一子部件的第一端接合至所述第二子部件的第二端，其通过使用电子束部分地熔融所述第一端与所述第二端处的材料并随后固化所述熔融材料来实现；

对所述接合的第一与第二子部件进行退火以形成所述部件；

以第一速率将所形成的所述部件冷却至第一温度；以及

以第二速率将所形成的所述部件冷却至第二温度，

其中所述第二温度小于所述第一温度；且

其中所述第一速率比所述第二速率慢。

92.根据权利要求91所述的方法，其中所述部件由选自于由硅、碳化硅、氧化铝和陶瓷所组成的群组的非金属材料制成。

93.根据权利要求91所述的方法，其还包括在不使用任何额外材料下接合所述第一子部件与所述第二子部件。

94.根据权利要求91所述的方法，其还包括在所述熔融之前清洁所述第一端与所述第二端的配合表面。

95.根据权利要求91所述的方法，其还包括从所述部件磨掉多余材料并清洁所述部件。

96.一种修复用于衬底处理系统中的部件的方法，所述方法包括：

将所述部件布置于真空下的室中的隔热区中；

将粉状材料添加至所述部件的缺陷区域；

加热所述隔热区中的所述部件至预定温度；

使用电子束熔融所述粉状材料和所述部件的所述缺陷区域的一部分以形成熔池；

降低所述电子束的功率以使所述熔池固化；

对所述部件进行退火；

以第一速率将所述部件冷却至第一温度；以及

以第二速率将所述部件冷却至第二温度，其中

所述第二温度小于所述第一温度；且

其中所述第一速率比所述第二速率慢。

97.根据权利要求96所述的方法，其中所述部件由选自于由硅、碳化硅、氧化铝和陶瓷所组成的群组的非金属材料制成，且其中所述粉状材料与制成所述部件的所述非金属材料相同。

98.根据权利要求96所述的方法，其还包括磨掉所述部件的所述缺陷区域周围的多余材料并清洁所述部件。

99.一种用于构建衬底处理系统的部件的系统，所述系统包括：

室，其处于真空下；

基座，其布置于所述室中以将所述部件的第一与第二子部件支撑于其上；

加热器，其布置于所述室中且靠近所述基座；

热绝缘体，其布置于所述室中以在所述基座与所述加热器周围形成隔热区；以及

电子束产生器，其布置于所述室中以通过所述隔热区中的开口将电子束引导至所述第一与第二子部件的端部上以将所述端部接合在一起以形成所述部件。

100.根据权利要求99所述的系统，其还包括：

第一致动器，其被配置成使所述基座绕第一轴旋转；以及

第二致动器，其被配置成使所述电子束产生器沿着垂直于所述第一轴的第二轴移动。

101.根据权利要求99所述的系统，其还包括控制器，所述控制器被配置成：

控制所述加热器以将所述第一与第二子部件加热至预定温度；以及

控制所述电子束产生器，以将所述电子束引导至加热后的所述第一与第二子部件的端部上。

102.根据权利要求99所述的系统，其还包括控制器，所述控制器被配置成控制所述加热器以对接合的所述第一与第二子部件进行退火以形成退火部件。

103.根据权利要求102所述的系统，其中所述控制器被配置成控制所述加热器以：

以第一速率将所述退火部件冷却至第一温度；以及

以第二速率将所述退火部件冷却至第二温度，

其中所述第二温度小于所述第一温度；且

其中所述第一速率比所述第二速率慢。

104.根据权利要求99所述的系统，其中所述部件由选自于由硅、碳化硅、氧化铝和陶瓷所组成的群组的非金属材料制成。

105.一种用于修复衬底处理系统的部件的系统，所述系统包括：

室，其处于真空下；

转台，其布置于所述室中以将所述部件支撑于其上，其中所述部件具有粉状材料设置于其中的缺陷部分；

臂，其布置于所述室中且平行于所述转台，所述臂具有耦合至所述转台的第一端以及延伸于所述室外的第二端；

加热器，其布置于所述室中且靠近所述转台及所述臂；

热绝缘体，其布置于所述室中以在所述加热器、所述转台和所述臂周围形成隔热区；以及

电子束产生器，其布置于所述室中以通过所述隔热区中的开口将电子束引导至所述粉状材料上以熔融所述粉状材料并修复所述部件的所述缺陷部分。

106.根据权利要求105所述的系统，其还包括：

第一致动器，其被配置成使所述转台围绕第一轴旋转；

第二致动器，其被配置成使所述臂和所述转台围绕垂直于所述第一轴的第二轴旋转；以及

第三致动器，其被配置成使所述电子束产生器沿着相互垂直的第三与第四轴且平行于所述转台移动。

107.根据权利要求105所述的系统，其还包括控制器，所述控制器被配置成：

控制所述加热器以将所述部件加热至预定温度；以及

控制所述电子束产生器，以将所述电子束引导至加热后的所述部件的所述缺陷部分中的所述粉状材料上。

108.根据权利要求105所述的系统，其还包括控制器，所述控制器被配置成控制所述加热器以对修复的所述部件进行退火。

109.根据权利要求108所述的系统，其中所述控制器被配置成控制所述加热器以便：

以第一速率将退火后的所述部件冷却至第一温度；以及

以第二速率将退火后的所述部件冷却至第二温度，

其中所述第二温度小于所述第一温度；且

其中所述第一速率比所述第二速率慢。

110.根据权利要求106所述的系统，其中所述部件由选自于由硅、碳化硅、氧化铝和陶瓷所组成的群组的非金属材料制成，且其中所述粉状材料与制成所述部件的所述非金属材料相同。

111.一种用于构建并修复衬底处理系统的部件的系统，所述系统包括：

室，其处于真空下；

转台，其被布置于所述室中；

臂，其被布置于所述室中且平行于所述转台，所述臂具有耦合至所述转台的第一端以及延伸于所述室外的第二端；

加热器，其被布置于所述室中且靠近所述转台和所述臂；

热绝缘体，其被布置于所述室中以在所述加热器、所述转台和所述臂周围形成隔热区；

第一电子束产生器，其被布置于所述室中以通过所述隔热区中的第一开口将第一电子束引向所述转台；以及

第二电子束产生器，其被布置于所述室中以通过所述隔热区中的第二开口将第二电子束引向所述转台。

112.根据权利要求111所述的系统，其中所述第一与第二电子束相互垂直。

113.根据权利要求111所述的系统，其还包括：

第一致动器，其被配置成使所述转台围绕第一轴旋转；

第二致动器，其被配置成使所述臂及所述转台围绕垂直于所述第一轴的第二轴旋转；

第三致动器，其被配置成使所述第一电子束产生器沿着相互垂直的第三与第四轴且平行于所述转台移动；以及

第四致动器，其被配置成使所述第二电子束产生器沿着所述第一轴移动。

114.根据权利要求111所述的系统，其还包括控制器，所述控制器被配置成：

控制所述加热器以将布置于所述转台上的部件加热至预定温度；以及

控制所述第一与第二电子束产生器中的至少一者，以将所述第一与第二电子束中的至少一者引导至加热后的所述部件上。

115.根据权利要求114所述的系统，其中所述部件包括两个零件，且其中所述第一与第二电子束中的至少一者熔融所述两个零件的端部并将所述两个零件接合在一起。

116.根据权利要求114所述的系统，其中所述部件包括粉状材料设置于其中的缺陷部分，且其中所述第一与第二电子束中的至少一者熔融所述粉状材料以修复所述部件的所述缺陷部分。

117.根据权利要求114所述的系统，其中所述部件由选自于由硅、碳化硅、氧化铝及陶瓷所组成的群组的非金属材料制成。

118.根据权利要求116所述的系统，其中所述部件由选自于由硅、碳化硅、氧化铝和陶瓷所组成的群组的非金属材料制成，且其中所述粉状材料与制成所述部件的所述非金属材料相同。

119.根据权利要求115所述的系统，其中所述控制器被配置成控制所述加热器以对加热后的所述部件进行退火以形成退火部件。

120.根据权利要求119所述的系统，其中所述控制器被配置成控制所述加热器以便：

以第一速率将所述退火部件冷却至第一温度；以及

以第二速率将所述退火部件冷却至第二温度，

其中所述第二温度小于所述第一温度；且

其中所述第一速率比所述第二速率慢。

121.一种部件，其包括：

第一子部件，其由具有结晶结构的材料制成；以及

第二子部件，其由具有所述结晶结构的所述材料制成并接合至所述第一子部件，

其中所述第一与第二子部件之间的接点包括晶界。

122.根据权利要求121所述的部件，其中所述材料包括单晶结构。

123.根据权利要求121所述的部件，其中所述材料包括多晶结构。

124.根据权利要求121所述的部件，其中在所述第二子部件接合至所述第一子部件之前所述接点包括所述材料的粉末，且其中在所述第二子部件接合至所述第一子部件之后所述接点包括多个所述晶界。

125.根据权利要求121所述的部件，其中在所述第二子部件接合至所述第一子部件之前所述接点不包括所述材料的粉末，且其中在所述第二子部件接合至所述第一子部件之后所述接点包括多个所述晶界。