CN117464801A - 在高温下利用选择性激光熔化/烧结技术进行无裂纹硅的3d打印 - Google Patents

Abstract

在完全致密打印方法中，首先在钢基板上打印硅的多个缓冲层，接着使用双重打印方法在缓冲层的顶部上打印用于实际部件的硅层。在完全致密且无裂纹打印方法中，使用一或更多个加热器和热绝缘体，以在Si打印、原位退火和冷却期间将温度梯度降至最低。

Description

在高温下利用选择性激光熔化/烧结技术进行无裂纹硅的3D 打印

本申请是申请号为202080073003.1、申请日为2020年8月19日、发明名称为“利用在高温下选择性激光熔融/烧结的完全致密且无裂纹硅的3D打印”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年8月23日申请的美国临时申请No.62/890，769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

本公开总体上是关于制造硅部件，尤其是利用在高温下选择性激光熔融/烧结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。

基板处理系统通常包括多个处理室(也称为处理模块)，以执行基板(例如半导体晶片)的沉积、蚀刻以及其他处理。可以在基板上执行的处理的示例包括，但不限于，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)处理、化学增强等离子体气相沉积(CEPVD)处理以及溅射物理气相沉积(PVD)处理。可以在基板上执行的处理的额外示例包括，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)以及清洁处理。

在处理期间，将基板布置在基板处理系统的处理室中的基板支撑件上，例如是基座、静电卡盘(ESC)等。在沉积期间，将包括一或更多种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。计算机控制机械手通常以将要处理基板的顺序将基板从一处理室转移至另一处理室。

发明内容

一种用于打印非金属材料的完全致密部件的系统，所述系统包括室，其填充有惰性气体。第一竖直可移动板被布置在所述室中以支撑基板。第二竖直可移动板被布置成邻近于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向所述基板投配所述粉末。激光产生器被配置成供应激光束。控制器被配置成使用所述激光束来在所述基板上打印多层所述非金属材料，并且通过以下方式在所述多层上打印一层所述非金属材料以在所述多层上建立所述部件：使用具有第一功率和第一速度的所述激光束，打印所述一层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激光束，在所述第一子层上打印所述一层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0.5μm-100μm范围内的颗粒。

在其他特征中，所述控制器还被配置成：使用具有第一方位的所述激光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激光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：一或更多个网格，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或更多个网格。通过使原料穿过所述一或更多网格而从所述原料选出所述粉末。所选定的所述粉末包括直径在0.5μm-100μm范围内的颗粒。

在另一特征中，所述系统还包括气体源，其被配置成通过布置在靠近所述基板的入口和出口使所述惰性气体朝与所述打印的方向相反的方向流过所述室。

在另一特征中，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，一种用于在基板上打印非金属材料的完全致密部件的方法包括：使用激光束来在所述基板上打印多层所述非金属材料。所述方法还包括通过以下方式在所述多层上打印一层所述非金属材料以在所述多层上建立所述部件：使用具有第一功率和第一速度的所述激光束，打印所述一层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激光束，在所述第一子层上打印所述一层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0.5μm-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激光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激光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。

在另一特征中，所述方法还包括在打印每一层前供应一定剂量的所述非金属材料的粉末。所述粉末包括具有直径在0.5μm-100μm范围内的颗粒。

在另一特征中，所述方法还包括通过以下方式从原料选出所述粉末：使所述原料穿过具有不同直径的孔的一或更多个网格并且振动所述一或更多个网格。

在另一特征中，所述方法还包括使惰性气体在所述基板附近朝与所述打印的方向相反的方向流动。

在另一特征中，所述方法还包括在填充有惰性气体的室中打印所述部件。

在还有的其他特征中，一种在基板上打印非金属材料的部件的方法包括：使用激光束在所述基板上打印多层所述非金属材料。所述多层形成基底以在其上建立所述部件。所述方法还包括通过使用所述激光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建立所述部件。

在另一特征中，所述非金属材料包括直径在0.5μm-100μm范围内的颗粒。

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激光束，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激光束，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：使用具有第一方位的所述激光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激光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，所述方法还包括在打印每一层前供应一定剂量的所述非金属材料的粉末。所述粉末包括直径在0.5μm-100μm范围内的颗粒。

在另一特征中，所述方法还包括通过以下方式从原料选出所述粉末：使所述原料穿过具有不同直径的孔的一或更多个网格并且振动所述一或更多个网格。

在另一特征中，所述方法还包括使惰性气体在所述基板附近朝与打印的方向相反的方向流动。

在还有的其他特征中，一种用于在基板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所述激光束，在所述基板上打印一层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激光束，在所述第一子层上打印所述一层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0.5μm-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激光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激光束打印所述第二子层。

在另一特征中，所述方法还包括在打印所述一层之前使用所述激光束在所述基板上打印多层所述非金属材料。

在另一特征中，所述多层形成基底，所述部件通过打印所述一层而建立于所述基底上。

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。

在另一特征中，所述方法还包括在打印每一层前供应一定剂量的所述非金属材料的粉末。所述粉末包括具有直径在0.5μm-100μm范围内的颗粒。

在另一特征中，所述方法还包括通过以下方式从原料选出所述粉末：使所述原料穿过具有不同直径的孔的一或更多个网格并且振动所述一或更多个网格。

在另一特征中，所述方法还包括使惰性气体在所述基板附近朝与所述打印的方向相反的方向流动。

在另一特征中，一种用于在所述非金属材料所制成的基板上打印非金属材料的完全致密且无裂纹部件的系统包括室，所述室用于打印所述完全致密且无裂纹部件，其是热绝缘的。所述室还包括第一竖直可移动板，其布置在所述室中以支撑所述基板；以及热绝缘材料，其布置在所述第一竖直可移动板的顶表面上以及所述基板下方。所述系统还包括加热器，其配置成在所述基板上打印所述部件之前加热所述基板和所述室的在所述基板周围的区域。所述系统还包括粉末进料器，其配置成供应所述非金属材料的粉末；以及激光产生器，其配置成供应激光束以在所述基板上打印一层所述非金属材料，同时在所述打印期间所述加热器持续加热所述基板和所述室的在所述基板周围的所述区域。

在另一特征中，所述粉末包括直径在0.5μm-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，将所述基板和所述室的在所述基板周围的所述区域加热至大于所述非金属材料的延性脆性转变温度的温度。

在另一特征中，在所述打印后，所述加热器配置成持续加热所述基板和所述室的在所述基板周围的所述区域，同时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所包围，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或更多种绝缘材料热绝缘。

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。

在另一特征中，所述加热器布置在所述基板下方或在所述基板周围以及所述室的在所述基板上方的所述区域。

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配置成储存所述粉末并在打印每一层所述非金属材料之前向所述基板投配所述粉末。

在另一特征中，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。

在另一特征中，所述系统还包括一或更多个额外加热器，其配置成在所述部件的所述打印期间加热所述室的在所述基板上方的区域。

在另一特征中，所述粉末进料器配置成将所述粉末与所述激光束一起供应以打印所述部件的所述层。

在另一特征中，所述系统还包括机架系统，其配置成在所述部件的每一层的打印期间移动所述第一竖直可移动板，同时所述粉末进料器和所述激光产生器保持固定。

在另一特征中，所述室处于真空下。

在另一特征中，所述室填充有惰性气体。

在另一特征中，所述系统还包括气体源，其配置成通过布置在靠近所述基板的入口和出口使惰性气体朝与所述打印的方向相反的方向流过所述室。

在其他特征中，所述系统还包括：一或更多个网格，其具有不同直径的孔；以及振动系统，其配置成振动所述一或更多个网格。通过使原料通过所述一或更多个网格从所述原料选出所述粉末。所选定的所述粉末包括直径在0.5μm-100μm范围内的颗粒。

在还有的其他特征中，一种在室中在由非金属材料所制成的基板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：在所述基板上打印一层所述非金属材料之前，加热所述基板和所述室的在所述基板周围的区域。所述方法还包括：在所述打印期间使用激光束在所述基板上打印所述一层所述非金属材料，同时持续加热所述基板和所述室的在所述基板周围的所述区域。

在另一特征中，所述非金属材料包括直径在0.5μm-100μm范围内的颗粒。

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，将所述基板和所述室的在所述基板周围的所述区域加热至大于所述非金属材料的延性脆性转变温度的温度。

在另一特征中，所述方法还包括在所述打印之后，在所述室中对所述部件进行退火和缓慢冷却，同时持续加热所述基板和所述室的在所述基板周围的所述区域。

在另一特征中，所述方法还包括在所述打印之后，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种绝缘材料使所述室热绝缘。

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，所述方法还包括：在打印所述一层所述非金属材料的每一层之前向所述基板投配所述非金属材料；以及在所述投配之后供应所述激光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基板上方的一区域。

在另一特征中，所述方法还包括将所述非金属材料的粉末与所述激光束一起供应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室中保持真空。

在另一特征中，所述方法还包括用惰性气体填充所述室。

在另一特征中，所述方法还包括使惰性气体在所述基板附近朝与所述打印的方向相反的方向流动。

在其他特征中，所述方法还包括：通过下述方式从原料选出所述非金属材料的粉末：使所述原料穿过具有不同直径的孔的一或更多个网格、并振动所述一或更多个网格。所选定的所述粉末包括直径在0.5μm-100μm范围内的颗粒。

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

根据详细描述和附图将更充分地理解本公开，其中：

图1示出了包括处理室的基板处理系统的示例；

图2A-2C根据本公开示出了在基板上打印完全致密的硅材料的基于粉末床的系统；

图2D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2E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粉末的系统；

图3A和3B示出了根据本公开在基板上打印完全致密的非金属材料的基于粉末床的方法；

图4A和图4B示出了根据本公开的高温粉末床方法在非金属基板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4C根据本公开的高温粉末床方法示出了在非金属基板上打印完全致密且无裂纹的非金属材料的基于粉末床的方法；

图5A-5C根据本公开的高温粉末进料方法示出了在非金属基板上打印非金属材料的完全致密且无裂纹部件的基于粉末进料的系统；以及

图5D根据本公开的高温粉末进料方法示出了在非金属基板上打印非金属材料的部件的基于粉末进料的方法。

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

用于基板处理系统和处理室中的各种部件以高精度制造。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。以下参考图1示出并描述了基板处理系统和处理室的示例，以提供这些部件和这些部件在其中操作的劣化电、化学和热环境的示例。

本公开组织如下。首先，参考图1示出并描述了包括处理室的基板处理系统的示例。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2A-3B描述了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。最后，参考图4A-5D描述了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。

图1示出了包括处理室102的基板处理系统100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基板处理，例如原子层沉积(ALD)、等离子体增强ALD(PEALD)、CVD、或其他处理，包括蚀刻处理。系统100包括处理室102，其包围系统100的其他部件并含有RF等离子体(如果使用的话)。处理室102包括上电极104和静电卡盘(ESC)106或其他基板支撑件。在操作期间，基板108布置在ESC106上。

例如，上电极104可以包括气体分布装置110，例如喷头，其引入并分布处理气体。气体分布装置110可包括杆部，其包含有连接至处理室102的顶表面的一端。喷头的基部为大致圆筒形，且在与处理室102的顶表面隔开的位置处从杆部的相对端朝外径向延伸。喷头的基部的面向基板的表面或面板包括多个孔，汽化的前体、处理气体或清扫气体流过这些孔。可替代地，上电极104可以包括导电板，且处理气体可用另一方式引入。

ESC106包括用作下电极的底板112。底板112支撑加热板114，其可对应于陶瓷多区域加热板。热阻层116可布置在加热板114与底板112之间。底板112可包括一或更多个通道118，其用于使冷却剂流过底板112。

如果使用等离子体，则RF产生系统120产生RF电压并将其输出至上电极104与下电极(例如，ESC106的底板112)中的一者。上电极104与底板112中的另一者可以是DC接地、AC接地或浮动的。仅作为示例，RF产生系统120可以包括RF产生器122，其产生由匹配且分布网络124馈送至上电极104或底板112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130包括一或更多个气体源132-1、132-2、…和132-N(统称为气体源132)，其中N为大于零的整数。气体源132通过阀134-1、134-2、…和134-N(统称为阀134)和质量流量控制器136-1、136-2、…和136-N(统称为质量流量控制器136)连接至歧管140。蒸汽输送系统142供应汽化前体至歧管140或连接至处理室102的另一个歧管(未示出)。歧管140的输出被馈送至处理室102。

温度控制器150可以连接至布置在加热板114中的多个热控制组件(TCE)的温度。温度控制器150可用于控制多个TCE152以控制ESC106和基板108的温度。温度控制器150可以与冷却剂组件154连通，以控制流过通道118的冷却剂。例如，冷却剂组件154可以包括冷却剂泵、贮存器和/或一或更多个温度传感器(未示出)。温度控制器150操作冷却剂组件154，以使冷却剂选择性地流过通道118，以冷却ESC106。阀156和泵158可用于从处理室102中排出反应物。系统控制器160控制系统100的部件。

如能理解的，用于基板处理系统和处理室中的部件(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，而本公开则提供方案以解决这些挑战并且用于由例如硅和陶瓷的材料所制成的完全致密且无裂纹部件的3D打印。

简言之，在完全致密的打印方法中，本公开描述了使用3D打印技术(增材制造)来打印完全致密硅部件的系统和方法。本公开的3D打印技术基于粉末床的选择性激光熔融(SLM)，其使用单个激光束来熔融构建板(即，构建平台或基板)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了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、尺寸和分布，且还描述打印策略、适当的激光功率与打印速度、以及床预热策略。所有这些技术都有助于使用3D打印来打印完全致密的硅部件。本公开的系统和方法可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更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)和冷却期间将温度梯度降至最小。使用加热器和绝缘体，可以在整个设备和整个打印处理中保持具有低热梯度的均匀高温。加热器可以是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)。绝缘材料可以是刚性碳纤维绝缘材料、软石墨毡或两者的组合。由于在高温下碳和熔融硅与氧具有高反应性，因此该设备需要真空密封。硅优选是在真空室或填有惰性气体(例如，Ar或He)的室中打印。

根据无裂纹打印方法的低热梯度方法可用于粉末进料或粉末床激光打印方法。由于硅材料的脆性，硅部件的打印和退火期间用于3D打印的基板温度优选高于硅的延性脆性转变温度(DBTT)(例如，＞1000℃)，以防止热应力累积。如此一来，打印期间硅具延性。打印部件还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打印的优选基板，以避免如果使用非硅基板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)的基板，硅因额外因素是优选的基板：为了防止因杂质从非硅材料扩散至硅中而造成的污染，其可能在打印和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基于直接能量沉积(DED)。在现今打印处理中，因不足的激光能量密度或强喷溅(spatterejection)而导致打印的硅样品中存在空洞或孔。

因此，本公开的完全致密打印方法描述使用钢基板，因为硅基板会因打印期间施加至基板上的热冲击而破裂和碎裂。裂纹会在Z方向上传播，其可能使打印样品破损。使用钢基板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化。

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基板上，接着将用于实际部件的硅层打印在缓冲层顶部上。缓冲层以较快的速率打印，其快于在缓冲层上打印随后的硅层以打印部件的速率。这降低钢基板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，钢基板与直接打印在钢基板上以制造部件的硅层之间可能存有大的CTE不匹配，其可能导致打印部件破损。缓冲层降低CTE不匹配，如果这些层直接打印在钢基板上而无中间缓冲层，则钢基板与打印以建立部件的硅层之间可能发生CTE不匹配。

此外，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，使用两遍)。在第一打印或遍中，比起第二打印或遍中所使用的速度和功率，该层使用较低功率激光束并以较快速度(即，以激光束的较短暴露时间)来打印。在第一次打印期间，较低功率不会完全熔融硅，但将硅颗粒粘合在一起。随后，在第二次打印期间，激光束(以较长暴露时间扫描来自第一遍的材料)的较慢速度和较高功率完全熔融来自第一遍的已粘合的硅颗粒，因而形成硅的完全致密层。因此，第一打印遍可被称为烧结遍，而第二打印遍可被称为熔融遍。

此外，在每一层中，第一遍中的激光束的方位可以与第二遍中的激光束的方位不同，以均匀化每一层中的热应力。例如，假设要打印三层A、B和C，且每一层使用两遍P1和P2来打印。令m和n分别表示激光束在遍P1和P2期间沿基板在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)；而对于层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还降低喷溅，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，其会导致在使用传统打印方法打印的部件中出现空洞或孔隙。相反，在双重打印方法中，第一打印遍使这些喷射颗粒相互粘合并与硅颗粒粘合，其接着在第二打印遍中完全熔融。此外，由于第一遍期间使用较低功率激光束，因而降低喷溅量，且在第一遍期间发生的任何喷溅都在第二遍期间完全熔融。

此外，由于使用慢速高功率激光束，因此第二遍期间发生的任何喷溅也完全熔融。具体而言，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激光束完全熔融。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，硅粉优选使用网格过滤(即，分选)，以获得具有相对窄范围内尺寸的颗粒。仅作为示例，该范围可为0.5-100μm。作为另一示例，该范围可以是15-45μm。这确保颗粒具有球形形状和光滑表面，且无颗粒聚集。即，与未过滤粉末相比，过滤后的粉末在基板上的粉末床中流动并且扩散得更好。当将气体雾化的未过滤粉末倒入网格中进行过滤时，选择网格的滤器尺寸，并机械式地振动网格。例如，网格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基板分离。缓冲层相对容易切穿，其为使用缓冲层的额外优点。可对分离的钢基板进行修整，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，由于使用缓冲层和双重打印方法，因而降低钢基板与打印硅之间的大的CTE不匹配，并消除打印硅中的空洞。例如，当在缓冲层上打印几个初始层时，缓冲层降低钢基板与打印层之间的CTE不匹配，其防止打印硅破损。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有大的热应力。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更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、原位退火和冷却期间，使温度梯度最小化。加热器可以是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)。绝缘材料可以是刚性碳纤维绝缘材料或软石墨毡或两者的组合。由于高温下碳和Si熔体与氧具有高反应性，故该系统密封于真空环境中。例如，在真空室或在填充有惰性气体(例如，Ar或He)的室中进行打印。低热梯度法可用于粉末进料或粉末床激光打印方法。

由于硅材料的脆性性质，在硅部件的打印和退火期间，用于3D打印的基板温度优选高于硅的DBTT(例如，＞1000℃)，以防止热应力累积。打印部件也缓慢冷却。硅基板优选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打印设备被设计成用于打印脆性材料，例如硅、碳化硅、氧化铝和其他陶瓷。目前，常规3D打印设备被设计成用于打印金属，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基板温度(例如，＞600℃)，且在打印硅部件的同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打印处理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，硅部件的打印和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更多个加热器与良好热绝缘体，以在Si打印、原位退火和冷却期间，使温度梯度最小化。加热器可以是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)。绝缘材料可以是刚性碳纤维绝缘材料或软石墨毡或两者的组合。由于高温下碳和Si熔体与氧具高反应性，故该系统使用真空密闭室。例如，硅部件是在真空室或填充有惰性气体(例如，Ar或He)的室中打印。

如下文参考图4A-5D所述，根据无裂纹打印方法，室可以是矩形，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。替代地，该室可为圆筒形，具有覆盖顶侧和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。绝缘板和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。毡防止热散逸，并有助于在整个打印处理中保持高温均匀性(即，毡有助于在整个打印处理中保持低的热梯度)。

在无裂纹硅打印方法中，石墨电阻加热器是优选的，且示意性地布置如下所述的图4A-5D中所示。一或更多个石墨基座(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，用粉末擦拭器投配硅粉。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，并且降低打印部件之间的热传递。

由于硅材料的脆性性质，硅部件的打印期间(以使硅在打印期间具有延性)和退火期间基板温度优选高于硅的DBTT点(例如，＞1000℃)，以防止热应力累积。退火温度优选介于1100-1200℃之间。冷却优选以速率＜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的基板优选由Si材料制成，以避免CTE不匹配和污染。该方法可以用于打印其他脆性材料(例如陶瓷、碳化硅、氧化铝等)的部件。

因此，通过使用加热器和绝缘体，本公开的无裂纹打印方法在打印和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且消除打印Si部件中的微裂纹。相反，常规金属3D打印设备无法保持600℃以上的温度和受控的冷却，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。此外，不同于常规金属3D打印设备，本公开的打印方法使用真空密闭室以防止Si熔体的氧化，并且使用基于石墨的加热器和基于碳纤维的热绝缘体。

本公开的这些和其他特征现于下文详细描述。图2A-3B示出了根据本公开的完全致密打印方法的系统和方法。图4A-5D示出了根据本公开的无裂纹打印方法的系统和方法。

图2A示出了根据本公开的完全致密打印方法在金属基板上3D打印非金属材料(例如硅)的部件201的系统200。系统200包括室202。室202包括第一板204和第二板206。第一板204支撑在其上打印部件的基板208。因此，第一板204也称为构建板、构建平台、打印板或其他合适名称。

第二板206储存非金属材料210(例如，硅粉)。在打印每一层之前，配料杆或粉末擦拭器212供应非金属材料210至基板208。因此，第二板206也称为进料板、配料板或其他合适名称。

室202包括观察窗214。观察窗214涂有膜以降低散热。室202也包括入口216和出口218，用于打印期间在基板208附近供应惰性气体。惰性气体的流动方向与打印方向相反。

系统200还包括激光产生器220、透镜222和反射镜224，以在打印期间将激光束226引导至基板208上。在所示的示例中，惰性气体从右流到左，打印方向则从左到右。当然，这些方向可颠倒，只要打印方向与气流方向相反即可。

图2B示出了系统200的额外元件。系统200还包括惰性气体供应源230，以供应惰性气体至室202。系统200还包括板移动组件232，以在打印期间将第一板204向下移动并将第二板206向上移动。系统200还包括控制器234，其控制系统200的所有元件，如下文所解释的。

例如，系统200使用基于选择性激光熔融(SLM)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2D和2E描述)而制得的硅粉，以逐层方式打印硅。例如，可使用400W镱光纤激光器(ytterbium fiber laser)。例如，激光束426的焦点的直径可以是70μm。激光能量通过逐点暴露方式传递至焦平面(即，构建板204的顶表面的水平面)。

图2C示意性地示出了激光束226如何在焦平面(构建板204)上传递能量。所示的每一圆为激光束226在焦平面上的示意性投影，且可具有例如70μm的直径。激光束226短时间(称为暴露时间)地停留在每一圆上，接着移动至一列中的水平相邻的圆(下一列)。移动距离称为点距离(例如80μm)，如图2C所示。

在完成一行之后，激光束移动到下一行。该移动距离称为扫描间距(hatchdistance)(例如60μm)，如图2C所示。当激光束226停留在圆上时(在暴露时间内)，每一圆中的硅粉发生熔融。在该处理中，取决于激光功率和暴露时间，激光束226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，使得其可在激光束226于X-Y平面上扫描时熔融。激光束功率、暴露时间、点距离和扫描间距的组合决定3D打印的能量密度。随着该处理继续进行，该层中所有选定的硅粉都熔融。该处理持续到所有层都完成为止。

在本公开中，硅的3D打印是从如下硅粉、打印策略和热应力的方面来控制。硅粉通过等离子体旋转电极处理(PREP)方法制得，其产生具有高度球形硅颗粒的硅粉，在下文参考图2D和2E进行描述。每一单个硅颗粒均具有光滑表面，且无颗粒聚集。例如，粒径的范围介于0.5-100μm之间。作为另一示例，粒径的范围可介于15-45μm之间。

图2D示出了从使用PREP制得的硅粉原料中选择硅粉的系统250的示例。系统250包括进料器252，其供给使用PREP(其于下参考图2E进行描述)制得的硅粉原料。系统250包括第一网格254，其竖直布置在第二网格256上方。如第一和第二网格254、256的截面A-A和B-B所示，第一网格254的孔的直径d1大于第二网格256的孔的直径d2。

进料器252将使用PREP制得的硅粉原料供给至第一网格254中。振动系统258振动第一和第二网格254、256。例如，振动系统258可机械式地或使用超声波振动第一和第二网格254、256。在通过振动进行的筛选过程结束时，具有直径介于d1与d2之间的颗粒的硅粉保留在第二网格256中，其用作用于打印部件201的非金属材料210。

例如，第一网格254的孔可以是88μm的尺寸，第二网格256的孔可以是53μm的尺寸。第一网格254筛除太大的颗粒(例如，尺寸＞88μm)。第二网格256筛除太小的颗粒(例如，尺寸＜53μm)。收集留在第二网格256中的粉末用于打印。收集到的粉末中的颗粒平稳流动，而不会阻塞粉末进料打印机的粉末供应软管(未不出)。

替代地，在简化的粉末筛选过程中，可仅使用一个具有选定尺寸(例如63μm)的孔的网格并伴有振动系统258，以筛除大颗粒(例如尺寸＞63μm)。以此方式，可获得尺寸小于选定尺寸(例如63μm)的硅粉，并将其用于打印。尺寸小于选定尺寸(例如40μm至60μm)的一些颗粒可能无法通过筛(即网格)。在该示例中，最终，大多数粉末颗粒为小于40μm的尺寸，而用于打印的最佳粒径可为约32μm。

一般而言，应当理解的是，可根据所期望的粒径选择网格尺寸。例如，如果期望粒径介于xμm与yμm之间，其中y＞x，则第一网格254的直径d1应为y或更大(即，d1≥y)，且第一网格254的直径d1应为y或更大(即，d1≤x)。

因此，可使用两种网格方案而不对粉末原料如何制造进行限制(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，单个网格方案可与雾化的粉末进料原料一起使用。一般而言，在使用任一方案下，可选择尺寸在相对窄范围(例如0.5-100μm)内的硅粉进行打印。作为另一示例，使用任一方案，可选择尺寸在15-45μm范围内的硅粉进行打印。

图2E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280。系统280包括室282。惰性气体循环通过室282。由将要制成粉末的材料(例如，硅)所制成的电极284耦合至马达286的轴。当马达286旋转时，等离子体炬288加热电极284的远端以激励等离子体290。因此，电极284的远端熔化为熔融液体。熔融液体破碎成液滴292，液滴292通过旋转电极284的离心力喷射。液滴292固化成粉末。因此使用PREP方法制得的粉末被用作本公开的系统和方法中的原料。

粉末或粒状材料(例如使用上述PREP方法所制得的粉末)的粒径分布(PSD)为值列表或数学函数，其定义根据尺寸所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分析，其中粉末在不同尺寸的筛上分离(例如，如上参考图2D所述)。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，保留大于特定尺寸的颗粒并通过小于该尺寸颗粒的筛的概念经常用于呈现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，其中对一定尺寸范围给出单一概念筛所保留或通过的所有尺寸的总数。范围分析在要寻找特定理想的中等粒径时适用，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，通常需减少样品量。将待分析的材料共混，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，筛分分析是简单且廉价的技术。筛分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。该技术非常适合大批材料。

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)调整尺寸和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0.2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的瞬时变化。通过计数脉冲获得颗粒计数。该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该方法来检测。

其他示例包括沉降技术。这些技术基于对悬浮在粘性液体中的颗粒所得的终端速度的研究。这些技术确定粒径与沉降速度的函数关系。对于最细颗粒，沉降时间最长。因此，该技术对于小于10μm的尺寸有用。由于布朗运动的影响，无法可靠地测量亚微米颗粒。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的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大。因此，该方法对测量介于0.1至3,000μm之间的尺寸特别好。由于数据处理和自动化的进步，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处理流的连续测量。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案的粒径。将粒径记录为等体积球直径。

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为光束旋转速度。

在声谱法或超声波衰减谱法中，代替光，该超声波用于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。代替如同光一样测量散射能量与角度的关系，在超声波的情况下，测量传递能量与频率的关系是优选选择。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)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2D所示的系统筛选图2E所示的PREP系统所生产的硅粉后，使用上述一或更多种PSD测量技术来测定硅颗粒的PSD。选择用于本公开的系统和方法中的粉末更致密且更呈球形。例如，90重量％的粉末具有在0.5-100μm范围内的粒径(或在另一示例中在15-45μm范围内)，其定义为基于体积的粒径D＝2*[3*V/(4*π)]^(1/3))。尽管使用球体或球形来描述颗粒的形状，但至少90％的颗粒具有的基于体积的粒径比所测得的最长直径(使用显微镜测量)小不大于5％。

如下执行打印。控制器234在用于打印硅的室202中建立惰性打印气氛。具体而言，硅打印处理开始于控制器234抽真空以去除室202中的空气和湿气。接着，控制器234以来自惰性气体供应源230的惰性气体(例如，氩)填充室202，以避免打印期间硅氧化。控制器234在室202底部使惰性气体从一端(例如216)循环至另一端(例如218)。惰性气体的流动将喷溅颗粒吹离打印样品，如下文所述。

硅基板可能因打印期间的热冲击而破损和破裂。裂纹可在z方向上传播，其可能会损坏打印部件201。因此，钢基板208用于避免当硅基板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。钢仅是基板材料的一示例；可使用许多其他金属、合金和非脆性材料代替基板208，只要用于基板的材料的熔点大于硅的熔点(或用于打印部件201的非金属材料210的熔点)即可。

计算激光的能量密度以定义激光能量的强度。具体而言，能量密度等于(激光功率×暴露时间)/(点距离×扫描间距)。该等式未考虑粉末的层厚而给出2D能量密度，并定义X-Y平面中激光能量的强度。

在本公开中，将层厚度设定为仅需2D能量密度来计算激光能量强度的此等值(例如30μm)。能量密度太低会造成小尺寸熔池，其无法熔化层中的所有粉末颗粒。未熔融硅粉在冷却期间形成不连续熔池，其增加表面粗糙度和目前层中的孔。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，且熔融液滴具有优选流动性。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234可以将能量密度设置在例如介于之间的范围内。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228，先被打印在钢基板208上。缓冲层228的每一层是一次打印且快速打印的(即，利用快速激光扫描)。例如，激光功率可设置为200W，而暴露时间可设置为50μs。在该示例中，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228的目的不是为了完全熔化硅粉。而是如上已详细解释的，缓冲层228可避免在钢基板208与随后打印在缓冲层228顶部上的打印硅部件201下层之间的热膨胀不一致。

在打印缓冲层228之后，部件201的打印开始。对部件201的每一层使用双重打印以将部件201打印在缓冲层228的顶部上。例如，层的第一次打印(也称为打印第一子层)中的激光功率可设置为240W(高于用于打印缓冲层228的激光功率)，且暴露时间可设置为50μs(即，第一子层也被快速打印；大致类似于缓冲层228)。

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。激光功率和暴露时间在第二次打印期间增加(例如，至350W和150μs)。因此，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，使用以上激光功率和暴露时间的示例，用于打印每层的两子层的能量密度可分别为2.5μJ/μm²和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，且还定义出部件201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201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与由缓冲层228对当前打印层提供的类似的热目的。

控制器234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。该双重打印方法还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201)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，并可能在顺风方向(在惰性气体的流动方向上)落在打印部件上。例如，如图2A所示，氩可以从室202的右底部(216)流至左底部(218)，激光束226可以从左向右扫描，使得喷溅颗粒被吹至打印层的左侧(顺风方向)。因此，当激光束226从左向右移动时，一些喷射颗粒可能落在打印层的左侧。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被激光束完全熔融。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/或低打印速度导致。根据本公开，打印层的双重打印方法用低能量密度激光束打印该层的第一子层，以在第一打印中定义几何形状。低能量密度(例如2.5μJ/μm²)和高打印速度(例如1300mm/s)降低喷溅的强度。大部分硅粉在该步骤中熔融且在激光束226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力而飞溅。接着，利用高能量密度激光束和比第一打印慢的打印速度的第二次打印(即在第一子层顶部上打印第二子层)完全熔化所有未熔融硅粉，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3A示出了根据本公开使用缓冲层和双重打印在金属基板上打印非金属材料的部件的方法300。图3B更详细地示出了双重打印方法350。例如，方法300和350由控制器234执行。

在图3A中，在302，方法300通过使用一或更多个网格和振动系统(例如，如图2D所示)过滤或筛选使用PREP制得的硅粉原料。在304，方法300在打印部件层之前在金属基板上打印多个非金属材料缓冲层。在306，方法300使用图3B中详细示出的双重打印方法350，在缓冲层的顶部上打印每一部件层。

在308，方法300确定是否打印部件的所有层。在310，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300将非金属材料的经过滤或筛选的粉末供给至粉末床以打印部件的下一层；且方法300返回306。在312，如果打印部件的所有层(即，如果完成部件的打印)，则方法300将非金属材料的打印部件与金属基板分离；且方法300结束。

图3B更详细地示出了双重打印方法350。在352，方法350选择第一和第二角度以打印部件层的第一和第二子层。在354，方法352在第一遍中使用定位于选定第一角度的快速扫描低功率激光束来打印该层部件的第一子层。在356，方法352在第二遍中使用定位于选定第二角度的低速扫描高功率激光束来打印该部件层的第二子层。

在358，方法350确定是否打印部件的所有层。在360，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350改变第一和第二角度中的至少一者，以用于打印部件的下一层；且方法350返回354。如果打印部件的所有层(即，完成部件的打印)，则方法350结束。

因此，根据本公开第一方案的系统200和方法300的优点包括下述的优点。相比于传统用气体雾化制得的粉末，使用PREP所制得的非金属材料粉末具有高得多的质量。使用PREP所制得的粉末颗粒还呈高度球形且具有光滑表面。因此，使用PREP所制得的粉末的流动性和延展性比使用气体雾化所制得的那些粉末好得多。此外，颗粒的直径使用一或更多种网格和振动来控制并选择，如上文所述。

金属(例如，钢)基板保护打印硅部件免于破损。理想地，硅基板是作为基板材料的唯一或优选选项。然而，硅基板在打印期间受到高热负荷(或高温度梯度)时会破损，且裂纹会传播穿过打印硅部件，从而导致破损。作为延性材料的钢可承受高温度梯度，且不会破损。

缓冲层降低钢基板与打印硅之间(即，金属基板与打印于金属基板上的部件的非金属层之间)的CTE不匹配。此外，第一打印(即打印部件的每一层的第一子层)定义部件的几何形状。大部分硅粉在第一打印中熔融。熔池的耗散限制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洞。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4A-4C根据本公开的无裂纹打印方法示出了将非金属脆性材料的部件3D打印于相同非金属材料基板上的基于粉末床的系统和方法。图4A示出了基于粉末床的系统400，其用于3D在相同非金属材料的基板上打印非金属材料的部件401。系统400包括室402。室402包括第一板404和第二板406。第一板404支撑在其上打印部件401的基板408。因此，第一板404也称为构建板、构建平台、打印板或其他合适名称。

第二板406储存非金属材料410。在打印每一层之前，配料杆或粉末擦拭器412供应非金属材料410至基板408。因此，第二板406也称为进料板、配料板或其他合适名称。

室402包括观察窗414。观察窗414涂有膜以减少散热。室402还包括入口416和出口418，其用于打印期间在基板408附近供应惰性气体。惰性气体的流动方向与打印方向相反。在所示的示例中，惰性气体从右流到左，打印方向则从左到右。当然，这些方向可颠倒，只要打印与气流的方向相反即可。系统400还包括激光产生器420、透镜422和反射镜424，以在打印期间将激光束426引导至基板408上。

室402用绝缘材料428进行热绝缘。绝缘材料428在下文进一步详细描述。在部件401打印之前和期间，加热器430用于加热基板408。一层绝缘材料428布置在第一板404顶部与加热器430底部之间。在打印期间，一或更多加热器432用于加热基板408周围的区域。温度传感器434用于感测基板408周围的区域的温度。加热器430、432基于感测到的温度而被控制。

图4B示出了系统400的额外元件。系统400还包括惰性气体供应源450，以供应惰性气体至室402。系统400还包括板移动组件452，以在打印期间将第一板404向下移动并将第二板406向上移动。系统400还包括功率供应源和温度控制器(显示为温度/加热器功率控制器456)，以维持热区内的期望温度。系统400还包括控制器454，其控制系统400的所有元件，如下文所解释的。

目前的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，目前常规3D打印设备无法均匀加热并维持基板温度大于约600℃。因此，由于熔池温度高于硅的熔点(1414℃)，因而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，在目前的3D打印设备中，冷却速度快且不受控制。使用常规3D打印机的打印期间大的温度梯度和快速冷却在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400提供了具有低温度梯度的3D打印设备。系统400使用一或更多个加热器430、432并伴有热绝缘体(即绝缘材料428)，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430、432可以是电阻或感应加热器、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428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和熔融硅与氧具有高反应性，因此系统400需要真空密封。优选在真空或室402填充有惰性气体(例如，Ar、He)的惰性环境中进行打印。

在一实施方案中，室402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428的刚性板)。在另一实施方案中，室402为圆筒形，其具有覆盖顶侧和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。

绝缘板和圆筒体可由多层制成，例如由刚性绝缘体/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)/毡制成。毡基本上是由多层碳纤维所制成的类似布的柔软材料。绝缘体防止热外逸，并有助于在整个打印处理中均匀地保持高温(即，绝缘体和加热器有助于在整个打印处理中保持低热梯度)。

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432内部以保护加热器432。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412投配硅粉。当完成所有层的打印时，将打印部件401嵌入硅粉中。硅粉也可防止热在水平方向上外逸。硅粉具有低导热率，并稍微减缓打印部件的冷却。

由于硅的脆性性质，用于3D打印的基板温度在打印部件401的打印和退火期间优选大于硅的延性脆性转变温度或DBTT(即，大于1000℃)，以防止热应力累积。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401。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401的基板408优选由硅制成，以避免基板408与部件401之间的CTE不匹配以及来自由其他材料制成的基板的污染。该构思可应用于其他脆性材料，例如氧化铝、碳化硅、陶瓷等。

图4C示出了根据本公开的第二方案，在相同非金属材料的基板(例如组件408)上3D打印非金属材料的部件(例如部件401)的基于粉末床的方法480。例如，方法480由控制器454执行。

在482，方法480在热绝缘室中建立真空或用惰性气体(例如，氩)填充热绝热室(例如，室402)。在484，在开始部件401的打印前，方法480使用一或更多个加热器(例如，加热器430、432)加热基板408和靠近打印区的区域(即，基板408周围)。

在486，方法480供给经过滤或筛选的硅粉，以在基板408上形成粉末床。方法480供应激光束426以打印一层硅粉，并维持一或更多个加热器430、432所提供的热。方法480感测室402中(例如，基板周围的区域的)温度，并将基板408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488，方法480确定是否打印部件401的所有层(即，是否完成部件的打印)。如果尚未打印部件401的所有层(即，如果尚未完成部件的打印)，则方法480返回486。

在490，方法480在控制器454控制下对打印部件401进行退火并维持加热器430、432所供应的热。在492，在控制器454的控制下，方法480使用加热器430、432、绝缘体428以及使用打印部件周围的硅粉来控制打印部件401的退火和冷却，且方法480结束。

图5A-5D示出了根据本公开无裂纹打印方法，在相同非金属材料基板上3D打印非金属材料的部件的基于粉末进料的系统和方法。图5A示出了基于粉末进料的系统500，其用于在相同非金属材料的基板上3D打印非金属材料的部件501。

系统500包括室502。室502具有壁503。室502用绝缘材料508进行热绝缘。室502包括平台504。非金属材料(例如硅)的基板506布置在平台上。刚性石墨绝缘材料508布置在基板506底表面与平台504顶表面之间。加热器510布置在绝缘材料508上方。加热器510放置于基板506下方，并在部件501的打印之前和期间加热基板506。

为了打印或修复大型部件，需要具有均匀温度场的大型热区。基板506底部处仅有一个加热器510可能不足以在打印区域中提供大的均匀温度场。因此，额外加热器511布置在基板506上方，以在部件501的打印期间加热基板506和室502的基板506上方的区域。因此，一或更多个加热器可布置在基板506的底部处、或基板506周围和其上方区域、或两者。

激光头(也称为打印头)512具有圆锥形尖端514，激光头512通过该圆锥形尖端供应激光束516。激光头512还通过圆锥形尖端514供应非金属材料的粉末518，使得粉末518包围激光束516。激光束516和粉末518在打印期间被引导(即，入射)至基板506上。

室502包括观察窗520。观察窗520涂有膜以减少散热。室502还包括入口522和出口524，其用于打印期间在基板506附近供应惰性气体。惰性气体的流动方向与打印方向相反。在所示的示例中，惰性气体从右流到左，打印方向则从左到右。当然，这些方向可颠倒，只要打印与气流的方向相反即可。室502还包括温度传感器526，其在整个打印处理中感测基板506附近的温度。加热器510基于感测到的温度而被控制。

平台504(且因此基板506)可使用z轴导螺杆530沿激光头512的轴竖直地上升或下降。平台504(且因此基板506)可分别使用x和y轴机架532、534沿着x和y轴移动。图5B示出了室502的截面A-A。

图5C示出了系统500的额外元件。系统500还包括惰性气体供应装置540，以供应惰性气体至室502。系统500还包括平台移动组件542，以竖直向上和向下移动平台504(且因此移动基板506)。系统500还包括机架系统544，以沿x和y轴移动平台504(且因此移动基板506)。系统500还包括功率供应源和温度控制器(显示为温度/加热器功率控制器548)，以维持热区内的期望温度。系统500还包括控制器546，其控制系统500的所有元件，如下文所解释的。

系统500提供了具有低温度梯度的3D打印设备。系统500使用加热器510与热绝热体(即绝热材料508)，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510可以是电阻或感应加热器、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508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和熔融硅与氧具有高反应性，因此系统500需要真空密封。优选在真空或室502填充有惰性气体(例如，Ar、He)的惰性环境中进行打印。

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。硅粉518在每一层的打印期间与激光束516一起被投配。

由于硅的脆性性质，用于3D打印的基板温度在打印部件501的打印和退火期间优选大于DBTT(即，大于1000℃)，以防止热应力累积。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501。例如，冷却优选以小于5℃/分钟的速率从退火温度降至约400℃，而后回填惰性气体(例如，Ar)。用于硅部件501的3D打印的基板506优选由硅制成，以避免基板506与部件501之间的CTE不匹配以及来自其他材料制成的基板的潜在污染。该构思可应用于其他脆性材料，例如氧化铝、碳化硅、陶瓷等。

图5D根据本公开无裂纹打印方法示出了在相同非金属材料的基板506上3D打印非金属材料的部件501的基于粉末进料的方法570。例如，方法570由控制器546执行。

在572，方法570在热绝缘室中建立真空或用惰性气体(例如，氩)填充热绝热室(例如，室502)。在574，在开始部件501的打印前，方法570使用一或更多个加热器(例如，加热器510)加热基板506和靠近打印区的区域(即，基板506周围)。

在576，方法570供给经过滤或筛选的硅粉518并伴有激光束516以在基板506上打印硅粉层，同时维持一或更多个加热器510所提供的热。方法570感测室502中(例如，基板周围的区域的)温度，并将基板506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578，方法570确定是否打印部件501的所有层(即，是否完成部件的打印)。如果尚未打印部件501的所有层(即，如果尚未完成部件的打印)，则方法570返回576。

在580，方法570在控制器546的控制下对打印部件501进行退火并维持加热器510所供应的热。在582，在控制器546的控制下，方法570使用加热器510、绝缘体508以及使用打印部件501周围的硅粉518来控制打印部件501的冷却，且方法570结束。

因此，根据无裂纹打印方法的系统400、500和方法480、570包括添加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，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℃以上的温度和受控的冷却，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。该方案还使用真空密闭室，以防止熔融硅、基于石墨的加热器和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或惰性环境。

在粉末进料系统500中，打印头512是固定的，且基板506和平台504在控制器546的控制下于打印期间使用x、y和z轴机架系统544来移动。打印头512被石墨毡(在圆锥形尖端514周围显示为黑色)保护免受热损害。在打印每一层之后，基板506和平台504在z方向上向下移动一层，直到打印完成。观察窗520涂有膜以减少散热。室502内部的温度在控制器546的控制下被控制以进行高温打印、退火和缓慢冷却，从而避免微裂纹。

前面的描述本质上仅仅是说明性的，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，其他修改方案将变得显而易见。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处理，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、晶片转移进出与具体系统连接或通过接口连接的工具和其他转移工具和/或装载锁。

概括地说，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/或一个或多个微处理器、或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。

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处理的操作参数。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，以改变当前处理的参数、设置处理步骤以跟随当前的处理、或者开始新的处理。

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)向系统提供处理配方。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处理的类型和工具的类型，控制器被配置为与该工具对接或控制该工具。

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(例如本文所述的处理和控制)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处理。

示例性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 (32)

1.一种在非金属材料所制成的基板上打印非金属材料的无裂纹部件的系统，所述系统包括：

室，其用于打印所述无裂纹部件，所述室是热绝缘的；

第一竖直可移动板，其布置在所述室中以支撑所述基板；

热绝缘材料，其布置在所述第一竖直可移动板的顶表面上以及所述基板下方；

加热器，其配置成在所述基板上打印所述部件之前加热所述基板和所述室的在所述基板周围的区域；

粉末进料器，其配置成供应所述非金属材料的粉末；以及

激光产生器，其配置成供应激光束以在所述基板上打印一层所述非金属材料，同时在所述打印期间所述加热器持续加热所述基板和所述室的在所述基板周围的所述区域。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述粉末包括直径在0.5μm-100μm范围内的颗粒，且其中所述直径使用筛分分析测得。

3.根据权利要求1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，将所述基板和所述室的在所述基板周围的所述区域加热至大于所述非金属材料的延性脆性转变温度的温度。

4.根据权利要求1所述的系统，其中在所述打印后，所述加热器配置成持续加热所述基板和所述室的在所述基板周围的所述区域，同时在所述室中对所述部件进行退火。

5.根据权利要求1所述的系统，其中在所述打印后，所述部件保持被所述粉末所包围，同时所述部件以受控速率缓慢冷却。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述室利用一或更多层的一或更多种绝缘材料热绝缘。

7.根据权利要求1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。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述加热器布置在所述基板下方或在所述基板周围以及所述室的在所述基板上方的所述区域。

9.根据权利要求1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配置成储存所述粉末并在打印每一层所述非金属材料之前向所述基板投配所述粉末。

10.根据权利要求9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。

11.根据权利要求1所述的系统，其还包括一或更多个额外加热器，其配置成在所述部件的所述打印期间加热所述室的在所述基板上方的区域。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述粉末进料器配置成将所述粉末与所述激光束一起供应以打印所述部件的所述层。

13.根据权利要求1所述的系统，其还包括机架系统，其配置成在所述部件的每一层的打印期间移动所述第一竖直可移动板，同时所述粉末进料器和所述激光产生器保持固定。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述室处于真空下。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述室填充有惰性气体。

16.根据权利要求1所述的系统，其还包括气体源，其配置成通过布置在靠近所述基板的入口和出口使惰性气体朝与所述打印的方向相反的方向流过所述室。

17.根据权利要求1所述的系统，其还包括：

一或更多个网格，其具有不同直径的孔；以及

振动系统，其配置成振动所述一或更多个网格；

其中通过使原料通过所述一或更多个网格从所述原料选出所述粉末；以及

其中所述一或更多个网格的所述直径被选定以产生包括直径在0.5μm-100μm范围内的颗粒的所选定的所述粉末，所述直径使用筛分分析测得。

18.一种在室中在由非金属材料所制成的基板上打印所述非金属材料的无裂纹部件的方法，所述方法包括：

在所述基板上打印一层所述非金属材料之前，加热所述基板和所述室的在所述基板周围的区域；以及

在所述打印期间使用激光束在所述基板上打印所述一层所述非金属材料，同时持续加热所述基板和所述室的在所述基板周围的所述区域。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述非金属材料包括直径在0.5μm-100μm范围内的颗粒，且其中所述直径使用筛分分析测得。

20.根据权利要求18所述的方法，其还包括在所述部件的所述打印和退火期间，将所述基板和所述室的在所述基板周围的所述区域加热至大于所述非金属材料的延性脆性转变温度的温度。

21.根据权利要求18所述的方法，其还包括在所述打印之后，在所述室中对所述部件进行退火和缓慢冷却，并持续加热所述基板和所述室的在所述基板周围的所述区域。

22.根据权利要求18所述的方法，其还包括在所述打印之后，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。

23.根据权利要求18所述的方法，其还包括使用一或更多层的一或更多种绝缘材料使所述室热绝缘。

24.根据权利要求18所述的方法，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。

25.根据权利要求18所述的方法，其还包括：

在打印所述一层所述非金属材料的每一层之前向所述基板投配所述非金属材料；以及

在所述投配之后供应所述激光束以打印所述非金属材料的每一层。

26.根据权利要求18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基板上方的区域。

27.根据权利要求18所述的方法，其还包括将所述非金属材料的粉末与所述激光束一起供应以打印所述非金属材料的每一层。

28.根据权利要求18所述的方法，其还包括在所述室中保持真空。

29.根据权利要求18所述的方法，其还包括用惰性气体填充所述室。

30.根据权利要求18所述的方法，其还包括使惰性气体在所述基板附近朝与所述打印的方向相反的方向流动。

31.根据权利要求18所述的方法，其还包括：

通过下述方式从原料选出所述非金属材料的粉末：使所述原料穿过具有不同直径的孔的一或更多个网格、并振动所述一或更多个网格，

其中所选定的所述粉末包括直径在0.5μm-100μm范围内的颗粒，且其中所述直径使用筛分分析测得。

32.一种使用权利要求18所述的所述方法而打印的非金属材料的部件，其中所述部件无孔隙和裂纹。