TW202206261A - 矽組件的積層製造 - Google Patents

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阿比納福 謝克爾 拉奧
繼紅 陳
宋屹
杰羅姆 Ｓ 胡巴切克
維傑 尼西亞那杉
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美商蘭姆研究公司
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Abstract

進行矽組件之3D列印的方法包括將粉狀矽加至3D列印工具中。對於3D列印之每一層，該製程包括形成粉狀矽之粉末床、形成一層粉末床至預定厚度、以預定模式將高功率束引至粉末床中以熔融粉狀矽。在不需要更多層之後，矽組件以預定降溫速率冷卻。在完全緻密列印方法中，首先將矽緩衝層列印在鋼基板上，接著使用雙重列印方法將實際組件之矽層列印在緩衝層上。在完全緻密且無裂紋列印方法中，使用一或更多加熱器及熱絕緣體以在Si列印、原位退火及冷卻期間將溫度梯度降至最小。

Description

矽組件的積層製造
本發明總體上是關於製造矽組件，尤其是使用電子束熔融之完全緻密且無裂紋矽的3D列印。 [相關申請案之交互參照]
本申請案主張2020年5月7日申請之美國臨時專利申請案第63/021,528號以及2020年12月22日申請之美國臨時專利申請案第63/128,925號的優先權。以上所提之申請案整體內容皆以引用方式併於此。
本文所提供的背景係為了概述本發明脈絡之目的。本案發明人的成果(在此先前技術段落中所述之範圍內)、以及在申請時可能未以其他方式認定為先前技術之描述態樣，並未明示或默示地被承認為相對於本發明的先前技術。
基板處理系統通常包括複數處理腔室(亦稱為製程模組)，以執行基板(例如半導體晶圓)之沉積、蝕刻及其他處理。可在基板上執行之製程的示例包括，但不限於，電漿增強化學氣相沉積(PECVD)製程、化學增強電漿氣相沉積(CEPVD)製程及濺射物理氣相沉積(PVD)製程 。可在基板上執行之製程的額外示例包括，但不限於，蝕刻(例如化學蝕刻、電漿蝕刻、反應性離子蝕刻等)及清潔製程。
在處理期間，將基板佈設於基板處理系統之處理腔室中的基板支撐件上，例如是基座、靜電吸盤(ESC)等。在沉積期間，將包括一或更多前驅物之氣體混合物引入處理腔室，並撞擊電漿以活化化學反應。在蝕刻期間，將包括蝕刻氣體之氣體混合物引入處理腔室，並撞擊電漿以活化化學反應。受電腦控制之機器人通常以將要處理基板之順序將基板從一處理腔室轉移至另一處理腔室。
諸多類型的組件(例如用於半導體處理腔室應用的組件)目前是使用減法加工方法以從較大矽塊中去除矽來製作組件。然而，使用減法加工方法時所遇到的一項問題是難以或不可能製作具有複雜特徵部之部件，例如氣室、彎曲氣孔或整個單體式矽製程腔室(此等腔室通常形成為三個或更多部件，接著再組裝成整個腔室)。目前所使用之減法加工方法的另一問題在於材料利用率低，因為用以製作組件之較大矽塊有極大部分經常必須被去除(而經常被浪費)以製作加工組件。
最近嘗試的其他技術集中於使用矽之積層製造技術。然而，此些嘗試產生具有殘餘應力及引起裂紋之矽組件。矽中的裂紋使製造組件之結構變弱。
本節中所述之資訊旨在為技術人員提供以下揭示標的之背景，不應被視為所承認的先前技術。
在一示例性實施例中，所揭示標的描述進行矽組件之三維(3D)列印的方法，該方法包括將粉狀矽加至3D列印工具中。對於逐層製程中3D列印之每一層：在3D列印工具中形成粉狀矽之粉末床；在10-5 托耳(Torr)至10-7 Torr範圍內之高真空條件下於650℃至750℃溫度範圍內烘烤粉狀矽以分解並去除粉狀矽之表面氧化物；形成一層粉末床達預定厚度；在高真空條件下以預定模式將高功率束引至所形成之粉末床中，該高功率束具有足夠能量以熔融粉狀矽；以及確定3D列印中是否需額外層。基於確定不需要額外層，以預定降溫速率將矽組件冷卻至大約3D列印工具所在環境之環境溫度。
在另一示例性實施例中，所揭示標的描述進行矽組件之三維 (3D) 列印的方法，該方法包括將設計檔載入3D列印工具中，其中該設計檔包含矽的幾何形狀組件，包括用於列印矽組件之多層中每一層的座標。對矽組件之3D列印的每一層：在3D列印工具中形成粉狀矽之粉末床；在10-5 Torr至10-7 Torr範圍內之高真空條件下於650°C至750°C溫度範圍內烘烤粉狀矽以分解並去除粉狀矽之表面氧化物；將一層粉末床耙平至一預定厚度；在高真空條件下以預定模式將電子束引至耙平之粉末床中，該預定模式係基於設計檔，該電子束具有足夠能量以熔融粉狀矽；以及確定3D列印中是否需額外層。基於確定不需要額外層，將預定溫度下之矽組件冷卻至大約該3D列印工具所在之環境溫度。
本文詳細描述用於進行示例性方法以及其他方法之諸多系統及設備。
用於列印非金屬材料之完全緻密組件的系統，該系統包括一真空下腔室。第一垂直可移動板佈設於該腔室中以支撐基板。第二垂直可移動板佈設成鄰近第一垂直可移動板。該第二垂直可移動板配置成儲存非金屬材料之粉末並在列印每一層非金屬材料前以該粉末注入基板。電子束產生器配置成供應電子束。控制器配置成使用該電子束在基板上列印複數層非金屬材料並在該複數層上列印一層非金屬材料以在該複數層上構建該組件，其透過：使用具有第一功率及第一速度之電子束，列印該層非金屬材料之第一子層；以及透過使用具有第二功率及第二速度之電子束，列印該層非金屬材料之第二子層於該第一子層上。第一速度大於第二速度。第一功率小於第二功率。
在另一特徵中，非金屬材料包括直徑於40-100 µm範圍內之顆粒。
在其他特徵中，控制器進一步配置成使用具有第一位向之電子束列印第一子層，以及使用具有不同於第一位向之第二位向的電子束列印第二子層。
在另一特徵中，非金屬材料選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組。
在其他特徵中，該系統進一步包括：一或更多網目，其具有不同直徑的孔；以及一振動系統，其配置成振動該一或更多網目。該粉末係從一原料選出，其透過使該原料通過該一或更多網目。選定之粉末包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒。
在另一特徵中，該系統進一步包括板移動組體，其配置成在列印每一層後使第一垂直可移動板朝向下方向移動，並在列印每一層後使第二垂直可移動板朝向上方向移動。
在另其他特徵中，在基板上印刷非金屬材料之完全緻密組件的方法包括使用電子束在基板上列印複數層非金屬材料。該方法進一步包括在該複數層上列印一層非金屬材料以在該複數層上構建組件，其透過：使用具有第一功率及第一速度的電子束列印該層非金屬材料的第一子層，以及透過使用具有第二功率及第二速度的電子束列印該層非金屬材料之第二子層於第一子層上。第一速度大於第二速度。第一功率小於第二功率。
在另一特徵中，非金屬材料包括具有直徑於40-10040-100 µm範圍內的顆粒。
在其他特徵中，該方法進一步包括使用具有第一位向之電子束列印第一子層，以及使用具有不同於第一位向之第二位向的電子束列印第二子層。
在另一特徵中，非金屬材料選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組。
在另一特徵中，該方法進一步包括在列印每一層前供應該非金屬材料之一劑量粉末。該粉末包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒。
在另一特徵中，該方法進一步包括從一原料選出該粉末，其透過使該原料通過具有不同直徑之孔的一或更多網目，並透過振動該一或更多網目。
在另一特徵中，該方法進一步包括在真空下腔室中列印組件。
在另其他特徵中，在基板上列印非金屬材料之組件的方法包括使用電子束在基板上列印複數層非金屬材料。該複數層形成一基底以在其上構建該組件。該方法進一步包括透過使用電子束在該複數層上列印一或更多層非金屬材料而在該複數層上構建該組件。
在另一特徵中，非金屬材料包括直徑於40-100 µm範圍內之顆粒。
在其他特徵中，列印該一或更多層之每一層包括：使用具有第一功率及第一速度之電子束，列印該非金屬材料之第一子層；以及使用具有第二功率及第二速度之電子束，列印該非金屬材料之第二子層於第一子層上。第一速度大於第二速度。第一功率小於第二功率。
在其他特徵中，該方法進一步包括使用具有第一位向之電子束列印第一子層，以及使用具有不同於第一位向之第二位向的電子束列印第二子層。
在另一特徵中，非金屬材料選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組。
在其他特徵中，該方法進一步包括在列印每一層前供應該非金屬材料之一劑量粉末。該粉末包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒。
在另一特徵中，該方法進一步包括從一原料選出該粉末，其透過使該原料通過具有不同直徑之孔的一或更多網目，並透過振動該一或更多網目。
在另其他特徵中， 在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法包括使用具有第一功率及第一速度之電子束，在該基板上列印一層非金屬材料之第一子層。該方法進一步包括使用具有第二功率及第二速度之電子束，列印該層非金屬材料之第二子層於第一子層上。第一速度大於第二速度。第一功率小於該第二功率。
在另一特徵中，非金屬材料包括直徑於40-100 µm範圍內之顆粒。
在其他特徵中，該方法進一步包括使用具有第一位向之電子束列印第一子層，以及使用具有不同於第一位向之第二位向的電子束列印第二子層。
在另一特徵中，該方法進一步包括在列印該層前使用電子束在基板上列印複數層非金屬材料。
在另一特徵中，該複數層形成一基底，該組件透過列印該層構建於該基底上。
在另一特徵中，非金屬材料選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組。
在另一特徵中，該方法進一步包括在列印每一層前供應該非金屬材料之一劑量粉末。該粉末包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒。
在另一特徵中，該方法進一步包括從一原料選出該粉末，其透過使該原料通過具有不同直徑之孔的一或更多網目，並透過振動該一或更多網目。
在另其他特徵中，用於列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的系統包括用於列印該完全緻密且無裂紋組件之腔室，該腔室為熱絕緣。該系統進一步包括佈設於該腔室中以支撐該基板之第一垂直可移動板以及佈設於第一垂直可移動板之頂表面上以及該基板下方之熱絕緣材料。該系統進一步包括加熱器，其配置成在該基板上列印該組件之前加熱該基板及該腔室在該基板周圍之一區域。系統 進一步包括粉末進料器，其配置成供應該非金屬材料之粉末；以及電子束產生器，其配置成供應電子束以在基板上列印一層非金屬材料，且在該列印期間該加熱器持續加熱基板及腔室在該基板周圍之該區域。
在另一特徵中，粉末包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒。
在另一特徵中，加熱器配置成在該組件之列印期間，將基板及該腔室在該基板周圍之該區域加熱至大於該非金屬材料之延性轉脆溫度的溫度。
在另一特徵中，在列印之後，加熱器配置成持續加熱該基板及該腔室在該基板周圍之該區域，並在該腔室中對該組件進行退火。
在另一特徵中，在列印之後，該組件保持被該粉末所包圍，且該組件以受控速率緩慢冷卻。
在另一特徵中，腔室利用一或更多層之一或更多絕緣材料進行熱絕緣。
在另一特徵中，非金屬材料選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組。
在另一特徵中，加熱器佈設於該基板下方或該基板周圍以及該腔室在該基板上方之該區域。
在其他特徵中，粉末進料器包括第二垂直可移動板，其佈設成鄰近於第一垂直可移動板，且第二垂直可移動板配置成儲存該粉末並在列印每一層非金屬材料前以該粉末注入該基板。
在另一特徵中，該系統進一步包括板移動組體，其配置成在列印每一層後使第一垂直可移動板朝向下方向移動，並在列印每一層後使第二垂直可移動板朝向上方向移動。
在另一特徵中，該系統進一步包括一或更多額外加熱器，其配置成在該組件之列印期間加熱該腔室在該基板上方之一區域。
在另一特徵中，腔室處於真空下。
在其他特徵中，該系統進一步包括一或更多網目，其具有不同直徑的孔；以及一振動系統，其配置成振動該一或更多網目。該粉末係從一原料選出，其透過使該原料通過該一或更多網目。選定之粉末包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒。
在另其他特徵中，在腔室中列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的方法包括在列印一層非金屬材料於該基板上前加熱該基板及該腔室在該基板周圍之一區域。該方法進一步包括使用電子束在該基板上列印該層非金屬材料，且在列印期間持續加熱該基板及該腔室在該基板周圍之該區域。
在另一特徵中，非金屬材料包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒。
在另一特徵中，該方法進一步包括在組件之列印期間，將該基板及該腔室在該基板周圍之該區域加熱至大於該非金屬材料之延性轉脆溫度的溫度。
在另一特徵中，該方法進一步包括在列印之後，在腔室中對該組件進行退火及緩慢冷卻，並持續加熱該基板及該腔室在該基板周圍之該區域。
在另一特徵中，該方法進一步包括在列印之後，透過用該非金屬材料之粉末包圍該組件來冷卻該組件。
在另一特徵中，該方法進一步包括使用一或更多層之一或更多絕緣材料對該腔室進行熱絕緣。
在另一特徵中，非金屬材料選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組。
在其他特徵中，該方法進一步包括在列印該層非金屬材料之每一層前以該非金屬材料注入該基板，以及在注入之後供應電子束以列印非金屬材料之每一層。
在另一特徵中，該方法進一步包括在該組件之列印期間加熱腔室在該基板上方之區域。
在另一特徵中，該方法進一步包括保持該腔室中的真空。
在另一特徵中，該方法進一步包括保持該腔室中的真空。
在其他特徵中，該方法進一步包括從一原料選出該非金屬材料之粉末，其透過使該原料通過具有不同直徑之孔的一或更多網目，並透過振動該一或更多網目。選定之粉末包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒。
在另其他特徵中，系統包括一腔室，該腔室包括一上部，其具有接收矽粉、一載氣及一摻雜物之一入口；一中間部，其連接至該上部；一第三部，其連接至該中間部並具有一出口。該系統包括佈設於該上部周圍之線圈以及配置成供應功率至該線圈之功率供應源。該系統包括一控制器，該控制器配置成控制矽粉、載氣及摻雜物至該入口之供應，並控制供應至線圈之功率以產生電漿。該出口輸出球形、緻密且摻雜型的矽粉。
在其他特徵中，中間部具有大於上部之橫截面積。第三部具有小於上部之橫截面積。
在其他特徵中，該上部包括內管、同軸圍繞內管之中管及由中管之外壁與上部之內壁所定義的外管。內管、中管及外管從上部之頂端向下垂直延伸至上部的中點。線圈佈設於上部之中點與上部之底端之間的該上部周圍。
在其他特徵中，矽粉係供應至內管，且該系統進一步包括供應載氣以與矽粉混合之第一氣體源、供應摻雜物至中管之第二氣體源以及供應鞘流氣體至外管之第三氣體源。
在另其他特徵中，一種構建用於基板處理系統之組件的方法包括將該組件之第一及第二子組件佈設於一真空下腔室中之隔熱區中，以及加熱隔熱區中之第一與第二子部件至預定溫度。該方法包括將第一子組件之第一端接合至第二子組件之第二端，其透過使用電子束部分地熔融該第一與第二端處之材料並隨後固化該熔融材料。該方法包括對接合之第一與第二子組件進行退火以形成該組件；以第一速率將所形成之組件冷卻至第一溫度；以及以第二速率將所形成之組件冷卻至第二溫度。第二溫度小於第一溫度。第一速率比第二速率慢。
在另一特徵中，該組件係由選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組的非金屬材料製成。
在另一特徵中，該方法進一步包括在不使用任何額外材料下接合第一與第二子組件。
在另一特徵中，該方法進一步包括在熔融之前清潔第一與第二端之配合表面。
在另一特徵中，該方法進一步包括從該組件磨掉多餘材料並清潔該組件。
在另其他特徵中，修復用於基板處理系統中之組件的方法包括將該組件佈設於一真空下腔室中之隔熱區中；將粉末材料加至該組件之缺陷區域；加熱隔熱區中之該組件至預定溫度；以及使用電子束熔融粉狀材料及該組件之缺陷區域的一部份以形成熔池。該方法包括降低電子束之功率以使熔池固化；對該組件進行退火；以第一速率將該組件冷卻至第一溫度；以及以第二速率將該組件冷卻至第二溫度。第二溫度小於第一溫度。第一速率比第二速率慢。
在其他特徵中，該組件係由選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組的非金屬材料製成。該粉狀材料係與製成該組件之該非金屬材料相同。
在另一特徵中，該方法進一步包括磨掉該組件之缺陷區域周圍的多餘材料並清潔該組件。
在另其他特徵中，用於構建基板處理系統之組件的系統包括一真空下腔室以及佈設於該腔室中以將該組件之第一與第二子組件支撐於其上的基座。該系統包括佈設於該腔室中且靠近該基座之加熱器，以及佈設於該腔室中以在基座與加熱器周圍形成隔熱區之熱絕緣體。該系統包括電子束產生器，其佈設於該腔室中以透過隔熱區中之開口將電子束引至第一與第二子組件之端部上以將端部接合在一起以形成該組件。
在其他特徵中， 該系統進一步包括配置成使基座繞第一軸旋轉的第一致動器，以及配置成使電子束產生器沿著垂直於第一軸之第二軸移動的第二致動器。
在另一個特徵中， 該系統進一步包括控制器，其配置成控制加熱器以將第一與第二子組件加熱至預定溫度，以及控制電子束產生器以將電子束引至加熱後之第一與第二子組件的端部上。
在另一特徵中，該系統進一步包括控制器，其配置成控制加熱器以對接合之第一與第二子組件進行退火以形成退火組件。
在另一特徵中，控制器配置成控制加熱器以第一速率將退火組件冷卻至第一溫度，並以第二速率將退火組件冷卻至第二溫度。第二溫度小於第一溫度。第一速率比第二速率慢。
在另一特徵中，該組件係由選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組的非金屬材料製成。
在另其他特徵中，用於修復基板處理系統之組件的系統包括真空下腔室以及佈設於該腔室中以將該組件支撐於其上的轉台。該組件具有粉狀材料設置於其中之缺陷部分。該系統包括佈設於該腔室中且平行於轉台的臂。該臂具有耦接至轉台之第一端以及延伸於腔室外之第二端。該系統包括佈設於該腔室中且靠近該轉台及該臂的加熱器，以及佈設於該腔室中以在加熱器、轉台及臂周圍形成一隔熱區之熱絕緣體。該系統包括電子束產生器，其佈設於該腔室中以透過該隔熱區中之開口將電子束引至該粉狀材料上以熔融該粉狀材料並修復該組件之該缺陷部分。
在其他特徵中，該系統進一步包括配置成使轉台繞第一軸旋轉的第一致動器、配置成使該臂及轉台繞垂直於第一軸之第二軸旋轉的第二致動器、以及配置成使電子束產生器沿著相互垂直之第三與第四軸以平行於該轉台移動的第三致動器。
在另一特徵中， 該系統進一步包括控制器，其配置成控制加熱器以將組件加熱至預定溫度，並控制電子束產生器以將電子束引至加熱後組件之缺陷部分中的粉末材料上。
在另一特徵中，該系統進一步包括控制器，其配置成控制加熱器以對修復組件進行退火。
在另一特徵中，控制器配置成控制加熱器以第一速率將退火組件冷卻至第一溫度，並以第二速率將退火組件冷卻至第二溫度。第二溫度小於第一溫度。第一速率比第二速率慢。
在其他特徵中，該組件係由選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組的非金屬材料製成。粉狀材料係與製成該組件之該非金屬材料相同。
在另其他特徵中，一種用於構建並修復基板處理系統之組件的系統包括真空下腔室以及佈設於該腔室中之轉台。該系統包括佈設於該腔室中且平行於該轉台的臂。該臂具有耦接至轉台之第一端以及延伸於腔室外之第二端。該系統包括佈設於該腔室中且靠近該轉台及該臂的加熱器，以及佈設於該腔室中以在加熱器、轉台及臂周圍形成隔熱區的熱絕緣體。該系統包括第一電子束產生器，其佈設於該腔室中以透過隔熱區中之第一開口將第一電子束引向該轉台。該系統包括第二電子束產生器，其佈設於該腔室中以透過隔熱區中之第二開口將第二電子束引向該轉台。
在另一特徵中，第一與第二電子束相互垂直。
在其他特徵中，該系統進一步包括配置成使轉台繞第一軸旋轉的第一致動器、配置成使該臂及轉台繞垂直於第一軸之第二軸旋轉的第二致動器、配置成使第一電子束產生器沿著相互垂直之第三與第四軸以平行於該轉台移動之第三致動器、以及配置成使第二電子束產生器沿著第一軸移動之第四致動器。
在另一特徵中，該系統進一步包括控制器，其配置成控制加熱器以將佈設於轉台上之組件加熱至預定溫度，並控制第一與第二電子束產生器之至少一者，以將第一與第二電子束之至少一者引至加熱後組件上。
在其他特徵中，該組件包括兩部件。第一與第二電子束之至少一者熔融該兩部件之端部並將兩部件接合在一起。
在其他特徵中，該組件包括粉狀材料設置於其中之缺陷部分。第一與第二電子束之至少一者熔融該粉狀材料以修復該組件之缺陷部分。
在另一特徵中，該組件係由選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組的非金屬材料製成。
在其他特徵中，該組件係由選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組的非金屬材料製成。粉狀材料係與製成該組件之該非金屬材料相同。
在另一特徵中，控制器配置成控制加熱器以對加熱後組件進行退火以形成退火組件。
在另一特徵中，控制器配置成控制加熱器以第一速率將退火組件冷卻至第一溫度，並以第二速率將退火組件冷卻至第二溫度。第二溫度小於第一溫度。第一速率比第二速率慢。
在其他特徵中，組件包括第一子組件及第二子組件。第一與第二子組件係由具有結晶結構之材料製成。第二子組件接合至第一子組件。第一與第二子組件之間的接點包括晶界。
在另一特徵中，該材料包括單晶結構。
在另一特徵中，該材料包括多晶結構。
在另一特徵中，在第二子組件接合至第一子組件之前，該接點包括材料之粉末，並在第二子組件接合至第一子組件之後，該接點包括複數晶界。
在另一特徵中，在第二子組件接合至第一子組件之前，該接點並未包括該材料之粉末，且在第二子組件接合至第一子組件之後，該接點包括複數晶界。
經由詳細敘述、申請專利範圍及圖式，本發明之進一步應用領域將變得顯而易見。詳細敘述及特定示例僅用於說明目的，而非用於限制本發明之範圍。
以下敘述包括具體實施所揭示標的之諸多態樣的說明性示例、裝置及設備。在以下敘述中，出於解釋目的，闡述許多具體細節以提供對本發明標的之諸多實施例的理解。然而，本領域中具有通常知識者將顯而易見，可在沒有此些具體細節下實行所揭示標的之諸多實施例。進一步地，不再詳細示出眾所周知之結構、材料及技術，以免模糊諸多所示實施例。如本文所用，術語「大約」或「接近」可指例如在給定值或值範圍之±10%內的值。
在本文所述之諸多實施例中，從矽形成3D組件(例如，部件)的解決方案是使用積層製造方法及積層製造工具來逐層列印組件。此等方法及工具提供高度精準且準確的最終組件。在實施例中， 所揭示之標的使用例如電子束(電子光束產生器(槍))或雷射所發射的高功率束，將矽粉熔融，並以上述逐層方式將矽組件製成接近淨型(near-net shape)。在採用電子束產生器之諸多實施例中，所揭示之標的包括幫助形成列印組件之粉末床設備。該粉末床設備於下詳細描述。
如下更詳細敘述，由於矽材料的脆性本質，3D基於矽之列印的環境溫度一般在大於約1000°C下進行，以防止應力積累與裂紋。在一些實施例中，3D基於矽之列印一般在大於約1200℃下進行。3D列印材料亦可緩慢冷卻，以防止殘餘應力及裂紋。
在諸多實施例中，溫度可選擇高於矽之延性轉脆溫度的溫度，如本領域中具有通常知識者所知悉。本領域技術人員將進一步知悉，矽在低溫下為脆性材料，在該溫度下矽會破裂。脆性材料會因高溫到低溫之快速轉換期間所產生的應力而破裂。然而，在高溫下，矽的行為發生變化。達到轉換溫度後，矽突然變得具延展性，如同許多金屬材料一般。亦如下更詳細解釋， 若列印之矽組件以受控且預定速率從矽組件之列印溫度緩慢冷卻，則列印的矽組件保留較少的殘餘應力且很少或沒有裂紋問題發生。
由於矽與大氣環境(例如氧(O2 )、氮(N2 )、二氧化碳(CO2 )、一氧化碳(CO)及其他反應性氣體)具高反應性(特別是當矽熔融時)，因此所揭示之標的係在真空或惰性氣體(例如，氬(Ar)或氦(He))中進行矽列印操作。亦如以下更詳細敘述，其上列印有矽組件之基板亦可包括矽，列印矽上矽(silicon-on-silicon)減少或避免材料之間的熱膨脹係數(CTE)不匹配。進一步地，採用矽基板而非包括其他材料(例如金屬)之基板亦有助於最小化或避免雜質從非矽材料擴散至列印之矽組件中所造成的污染。在列印及退火期間所使用之高溫下，雜質擴散效應會提高。
在諸多實施例中，3D列印製程中所使用之矽粉係利用例如流體化床化學氣相沉積(CVD)製程。此製程中所使用之矽顆粒具有大致粒狀形狀，中值粒徑(median size)接近50 µm，分佈範圍介於約10 µm至約100 µm之間。在實施例中，CVD矽粉的純度總體上大於約99.99%。在一些實施例中，CVD矽粉的純度總體上大於約99.9999%。在實施例中，於使用矽粉之前，在高真空下(例如，約 10-6 Torr 或在 10-5 Torr 至 10-7 Torr 範圍內)於約700°C(例如，在650°C至750°C 範圍內)範圍內烘烤矽粉，以分解並去除表面氧化物(例如，原生氧化物)。所使用的矽粉可透過本文所述之諸多技術處理為具有大於約99.99%的純度。
在諸多實施例中，且如下更詳細敘述，所揭示標的之一項3D列印技術係基於粉末床，其使用電子束以熔融矽粉。在基板上逐層執行矽列印，如上所述。然而，與基於金屬之材料的3D列印相比，所揭示標的之諸多實施例的系統及方法在使用矽時即考量影響列印品質之其他因素。進一步地，所揭示標的包括，例如，涉及矽粉之顆粒形態(例如，實質上球形之顆粒與其他幾何形式，例如多邊形體積的變化)， 以及粒徑與尺寸範圍和尺寸範圍分佈之考量事項的討論。
因此，所揭示標的之諸多實施例可高度概括為三步驟製程：(1)形成高純度矽； (2)從高純度矽製備矽粉；以及(3)使用採用矽粉之3D列印製程。以下以示例性實施例形式更詳細地解釋每一此些步驟。
圖1A示出諸多材料之萃除動力學曲線圖100的示例，其呈現常見於矽中之各個諸多元素呈溫度函數的材料去除率。該曲線圖係基於理論去除通量，其假設完全真空且雜質濃度遵循亨利定律。如技術人員所知，亨利定律指出，在恆定溫度下，溶解在給定類型及體積之液體中的給定氣體量與其在氣相中的分壓成正比。因此，亨利定律可因此確定給定時間t 下之氣體的莫耳分率對比給定溫度下之初始莫耳分率。
因此，圖1A之曲線圖100顯示給定溫度下從例如冶金級矽(MG-Si)中萃除諸多元素的去除率。例如MG-Si中之高蒸氣壓雜質係在電子束熔融期間透過真空去除。雜質一般需要比矽具有更高的蒸氣壓(在1500°C下約1.6 x 10-3 Torr(接近0.21 Pa))。許多此些元素常見於Si中。在本領域中可容易找出每一此些元素在給定溫度下的蒸氣壓。
曲線圖中所示之元素包括磷(P)、鈣(Ca)、鋁(Al)、鎂(Mg)、鐵(Fe)及硼(B)。因此，例如，Ca在約1750 K下逐漸接近100%去除率，而Mg在約2100 K下逐漸接近100%去除率。對於由本文所述製程所形成的3D列印組件，通常使用高純度Si。然而，將如下參考圖5A至5C更詳細所述，使用更具導電性形式之Si具有優勢(相較於本質Si)。因此，僅透過升高溫度不能有效去除之一些硼實際上可能是有利的，因為其使得矽得以比本質矽更具導電性，因而減少或防止矽粉末上之電荷積累。
可採用以下參考圖 2、4及5A至5C所述之電子束(e-beam)產生器以提供足夠的能量將MG-Si或EG-Si樣品之溫度升高至處於或高於所示溫度。如本領域中所知，本質Si在約1414℃(接近1687K)下熔融並具有約3265℃(接近3538K)的沸點，兩溫度均在大氣壓力(約760 Torr或約101.3 kPa)下給出。
圖1B示出諸多材料之萃除動力學曲線圖130的另一示例，其呈現如上所述常見於矽中之各個諸多元素呈熔融時間(以千秒ks計)函數的材料去除率。如圖所示，Ca在約0.75 ks(750 秒)後逐漸接近100%去除率，而Mg在7 ks後僅有約95%去除。
圖2示出電子束系統200的示例，其可用於透過加熱矽晶棒235來產生矽蒸氣。如上參考圖1A及1B所述，自軸向安裝之電子束產生器251的熱效應可用於去除矽晶棒235(例如，MG-Si 晶棒)之大部分或所有雜質。圖2示為包括基板裝載部分210、預處理部分220及矽沉積部分230。
基板裝載部分210可包括惰性氣體(例如，氬(Ar)或氦(He))環境，其中裝載腔室211對基板222提供進入電子束系統200之進入點。在一具體示例性實施例中，基板222包括矽(例如，矽晶圓)。在裝載基板222之後，整個電子束系統200可被抽真空至預定真空度(例如，10-6 Torr或一些其他真空度以提供用於操作電子束產生器251及沉積Si顆粒至基板222上之所欲真空度，如下所述)。
當基板222沿著電子束系統200內之路徑繼續時，基板222可被例如背側輻射加熱器221或本領域已知之其他類型的輻射加熱器加熱。基板222可被加熱至例如50℃至200℃或更高。
如所示，當基板穿過本實施例中空心陰極電弧放電電漿產生器225所產生之電漿體積227時，對基板222施加負偏壓。惰性超純氣體(例如，Ar)被輸送223至電漿產生器225以產生氣態離子(在此例中，Ar離子)。電漿體積227中之氣態離子在預處理部分220中透過施加至基板222之偏壓被加速至基板222。
如本領域中所知，氣態離子透過濺射效應提供基板222的清潔，因而從靠近電漿產生器225之基板222的表面上清除表面污染物。基板接著繼續進入電子束系統200之矽沉積部分230。
電子束產生器251所產生的電子束被強磁場偏轉至矽晶棒235的表面。矽晶棒235安裝在石英輻射屏蔽233內。調節電子束，以對矽晶棒235提供緩慢加熱水平直到矽的脆轉延性溫度或更高溫度，以減少或防止裂紋。在具體示例性實施例中，可使用每分鐘約50K的升降溫速率來減少或防止裂紋。在此升降溫速率下，可在接近15.5 分鐘內達到接近800 °C(約1073 K)的溫度。在諸多實施例中，升降速率係透過例如有限元素分析來確定，其比較熱通量與引起之機械應力。矽晶棒235 之最上表面開始熔融，產生Si蒸氣團231，一旦基板 222 移至矽晶棒235上方位置，Si蒸氣團231即沉積在基板 222 上。Si顆粒透過物理氣相沉積製程沉積至基板222上。沉積在基板上之Si的厚度取決於基板保持於矽晶棒235上方且於Si 蒸氣團231內的預定時間。
在整個矽晶棒235達到脆轉延性溫度之後，快速加熱至矽的熔融溫度。脆轉延性溫度可透過沿矽晶棒235之幾個位置處測得的溫度並結合有限元素模擬來估得。
一旦從電子束系統200移開，即可將沉積在基板222上之矽塗層(其可形成為基板222上方之結晶層)從基板222上移除。接著基板222可在電子束系統200內再次使用。
現參考圖3，示出呈電子束功率之函數的曲線圖300示例，其繪出圖2之矽晶棒235頂表面所算得之最大溫度。在本示例中，利用輸入至矽之約3 kW功率，達到約1000°C(接近1273 K)之穩態下的所欲熱平衡溫度。回顧所揭示標的之諸多實施例係利用矽之約1000℃脆轉延性溫度的溫度來減少或防止裂紋。如圖3所示，最高溫度隨著增加的電子束功率幾乎呈線性提高至高達約5 kW。在圖2所繪實施例高於5 kW時，源自輻射及蒸發的熱損失變得顯著，而呈電子束功率函數之溫度曲線的斜率發生變化。
圖4示出執行矽之連續熔融操作的電子束系統400示例。電子束系統400示為包括真空腔室406、矽粉進料斗403、監測離開進料斗403之矽粉405質量的感測器401、冷卻坩堝409(例如，具體示例性實施例中之水冷卻銅坩堝)、輸入冷卻管線 411I及輸出冷卻管線411O、觀察埠 404、對真空腔室406抽真空之泵417(例如，低至接近10-6 Torr或一些預定真空度)、產生電子束407之電子束產生器413、以及電子束控制器415。電子束產生器413可與圖2之電子束產生器251相同或相似。在具體示例性實施例中，電子束產生器413可供應高達300 kW的功率。然而，如上所述，電子束產生器413係由電子束控制器415控制，以緩慢加熱矽粉405以減少或防止矽裂紋。
當將矽粉405送至冷卻的坩堝409中時，電子束407將矽粉405熔融。在諸多實施例中，一旦矽粉405熔融並將所欲質量或體積之熔融矽收集在坩堝409中，即可透過傳送冷卻流體(例如，水)通過輸入冷卻管線411I並流出輸出冷卻管線411O以如上所述地緩慢冷卻坩堝409。伴隨著坩堝409對熔融矽提供冷卻，電子束產生器413所發射之電子束407的功率亦可按如上所述之預定下降速率緩慢降低。為了防止銅污染矽粉405，矽在坩堝409中並未完全熔融。矽粉405靠近坩堝409內側壁的部分將處於與坩堝409溫度相近的溫度，因而防止矽粉405潛在的銅污染。
圖5A至5C示出用於透過電子束熔融以直接熔融矽粉及矽塊之系統的示例性實施例。雖然未明確示出，但圖5A至5C之實施例是在真空下進行，如上所述。進一步地，圖5A至5C之系統的諸多組件可與以上參考圖4所述之諸多組件中的相關者相同或相似。例如，電子束產生器531可與圖4之電子束產生器413相同或相似。此外，坩堝511可與圖4之坩堝409相同或相似。
在本實施例中，圖5A之操作510的矽塊513A係透過操作530所示之直接熔融製程而加至矽粉515A中，其中矽塊513A在暴露於電子束產生器531時則形成目前部分熔融的矽塊513B。在操作550，部分熔融的矽塊513B能夠使矽連續熔融並滲入目前部分熔融的矽粉515B中，從而產生矽錠551。如同上述圖2及4之系統，控制溫度之諸多上升速率及下降速率以減少或防止矽錠551裂紋。
一旦從上述諸多方法獲得高純度矽，則透過諸多方法將矽變成粉末形式以用於列印操作。例如，矽粉可透過使用矽烷(SiH4 )-氣體霧化處理之流體化床化學氣相沉積(FB-CVD)系統來產生。矽粉亦可透過電漿旋轉電極處理 (PREP)產生。在FB-CVD中，將矽烷沉積在小的矽顆粒上。在氣體霧化製程中，矽在惰性氣體圍包或真空下熔融。熔融矽被迫通過噴嘴，其中高速氦(He)或氬(Ar)氣體將矽分解成細小的矽顆粒。氣體霧化製程與FB-CVD產生伴隨的矽顆粒(例如，粉狀矽)，其影響粉末的流動性，因而影響列印品質。在電漿旋轉電極處理中，矽棒係用作原料並在腔室內快速旋轉。電漿炬在高速旋轉時將矽棒的端部熔融。離心力將熔融矽從矽棒中噴射出來，於此其固化成細小且實質上球形的顆粒。由於熔融及固化是在惰性氣體環境中發生，故此製程產生高純度且實質上均勻的矽粉末顆粒。可透過調整矽棒的旋轉速度來調控矽顆粒的形態。
圖6示出使用高純度矽粉以透過基於電子束之積層製造來生產3D組件的系統600示例。可與本文所述之新型矽粉生成技術一起使用的此等系統600可獲自例如Arcam AB, Krokslätts Fabriker 27A, SE 431 37 Mölndal, Sweden。
繼續參考圖6，系統600示為包括電子束(e-beam)柱610及3D列印腔室630。電子束柱610之燈絲611產生電子束647，其穿過散光透鏡613、聚焦透鏡615及偏轉透鏡617。散光透鏡613及聚焦透鏡615調製準直形式的電子束647，其可被驅動至位於構建平台643上方之基板641上的諸多x-y座標，如下更詳細敘述。由於待列印之3D組件係由矽粉形成，因此基板641亦可由矽形成以減少或消除來自CTE不匹配的任何應力，如上所述。在諸多實施例中，可選擇矽基板641以具有所欲磊晶結構，其可用於在列印組件中產生匹配的磊晶。在其他實施例中，基板641可由鋼、塗層或未塗層、或具有與矽相似之CTE及更高熔點之另一未污染材料來形成。然而，取決於應用，應考量其他材料是否會擴散至塊材矽中。在其他實施例中，基板641亦可包括其上添有額外材料之現有矽部件或矽組件。
將 x、y與z座標加至例如電腦輔助設計(CAD)程式，從預定CAD檔載入電腦(未示出)，例如個人電腦、微處理器、控制器或能夠運行CAD程式並驅動偏轉透鏡617之其他類型的裝置。本領域中具有通常知識者在閱讀並理解本文所提供之揭示標的後將能夠知悉此等裝置。進一步地，技術人員將知悉，CAD檔之z座標指示待形成3D組件的高度。系統600內之可執行程式有效地將z座標「切片」成與待列印矽層之厚度相對應的厚度。透過移動基板以在不同z高度處形成每一z切片，如下所述。
繼續參考圖6，3D列印腔室630包括真空腔室631。在諸多實施例中，可將真空腔室631抽真空至小於例如約75(10-6 ) Torr的程度。在諸多實施例中，可將真空腔室631抽真空至小於例如約10-5 Torr的程度。在真空腔室631內，一或更多料斗633容納預裝載且預定義尺寸的矽粉。矽粉在基板641及構建平台643上方形成一定體積。耙件635接著在已從一或更多料斗633落下之矽粉上方沿水平方向637機械移動，以在基板641上方產生預定厚度的矽粉。當電子束 647被供予能量並基於預定模式(來自CAD檔，如上所述)在xy座標中被驅動時，來自電子束647的能量將矽粉熔融，以在逐層列印之3D組件的矽中形成圖案。在諸多實施例中，層之厚度可在約30μm至約60μm範圍內。
在列印一層之後，基板641透過構建平台643而沿方向645升高，使得列印在基板641上之3D組件的後續層可在列印每一層之後從粉末床的最上位置639下降。耙件635將從一或更多料斗633沉積的後續矽粉末床推平並繼續該製程直到製得3D組件。一旦完成3D組件，施加至電子束647之功率可以預定升降速率緩降，如上所述，以減少或防止任何應力導致組件裂紋。
在諸多實施例中，電子束647的功率位準可選擇為從約50 W至約300 W。電子束647於構建平台643處的半高寬(FWHM)直徑可選擇為從約200 μm至約10 mm。電子束647可透過偏轉透鏡617以高達約每秒8000米(m/s)的速度驅動。取決於若干因素，包括例如列印部件之構建材料及構建複雜性，系統600可具有約每小時55至約80立方厘米 (cm3 /h)之構建速率。雖然圖6之系統600僅示出單個電子束，但在諸多實施例中，可產生多達約100個電子束。
在具體示例性實施例中，構建平台643表面處之電子束647的能量密度約每立方毫米28焦耳 (J/mm3 )，電子束647之直徑(例如，光斑尺寸)約100 µm，其以約2.9 m/s的速度驅動。在其他實施例中，電子束光斑尺寸可從約350μm至約2000 μm。 對於矽粉之初始加熱，射束電流可約30 mA，而對最終加熱，射束電流可約5 mA至約10 mA。又，基板641可被加熱至比矽的熔融溫度低約150 K至約250 K範圍內的溫度(例如，基板641可加熱至約1130°C)。
在諸多實施例中，最初可將若干矽「緩衝層」列印至基板641上，隨後是用於實際組件之列印矽層。緩衝層可以較快的速度列印，其快於在緩衝層上列印後續矽層的速度。若非矽基板641不是由矽或CTE與矽相似之材料形成，使用矽緩衝層則得以降低非矽基板641與列印在緩衝層上之矽層之間的任何CTE-膨脹不匹配。在無緩衝層下，基板641與直接列印在基板641上以列印組件之矽層之間可能存在大的CTE不匹配。CTE不匹配可能在列印組件中導致潛在的裂損。使用緩衝層之列印通常僅應用在使用非矽基板641時。緩衝層係由例如約50至約100層組成，其以比隨後一般矽列印更快的速度列印。緩衝層列印完成後，即以一般列印速度開始矽列印。若使用矽基板，則可略過緩衝層列印。
現參考圖 7，根據所揭示標的之諸多實施例示出呈時間函數之矽溫度711的曲線圖700示例，用於確定矽粉之適當構建溫度TB 。曲線圖700呈現如上參考圖6所述之列印組件逐層構建中之每一層中電子束(例如，圖6之電子束647)數次穿過列印組件中固定點的溫度變化。曲線圖700示出固化溫度線719、相變溫度線717、構建溫度線715及環境溫度線713。
在低於固化溫度線719處，矽開始固化。在高於固化溫度線719處，矽熔融(熔融溫度，TM )。第一時間段701發生在持續幾秒至幾分鐘或更長時間的時間上，並至少部分取決於選定之冷卻下降速率、矽顆粒被加熱到的溫度以及電子束通過列印組件中給定空間點的速度。第二時間段705發生於接近矽溫度711已低於相變溫度線717之後直到達到構建溫度線715(構建溫度，TB )。第二時間段705可持續幾分鐘。如曲線圖700所示，矽溫度711曲線在波動時間段703內波動。溫度波動是由於列印組件內相鄰區域或相鄰層的加熱。維持構建溫度TB 之第三時間段707為可選擇的，其取決於如上所述被選擇執行操作以形成列印組件 之諸多因素，以及構建之複雜性及物理尺寸。因此，第三時間段707可能持續幾個小時。在完全列印組件之後，矽溫度711下降(其取決於所選之冷卻下降速率)直到達到環境溫度線 713。在許多實施例中，環境溫度線 713被視為在室溫下，TR (例如，約20°C至約25°C)。組件冷卻之第四時間段709可延長幾個小時。在具體示例性實施例中，下降速率之下降溫度從構建溫度以每分鐘小於約5°C下降至約400°C或更低。接著可將惰性氣體(例如，Ar或He)泵入處理腔室。
現參考圖8A，示出根據諸多實施例製備高純度矽粉之流程圖800的示例性實施例。以下參考上述諸多實施例來描述許多或所有操作。例如，圖8A之流程圖800及圖8B之流程圖830的操作提及諸多升溫速率、降溫速率、生產高純度矽之手段及列印諸多組件。此些技術、程序及相關設備與系統中之每一者敘述於上。進一步地，如下更詳細所述，可以不同於圖中明確示出的順序來形成諸多製程及操作中的一或更多者。因此，除非另指明，否則無須依所示順序來執行操作。
繼續參考圖8A，在操作801，將矽放置或以其他方式形成在設備內(例如在圖4之電子束系統400的坩堝409中)。以預定上升速率提升矽的溫度。在操作803，根據上述諸多示例性實施例製備或以其他方式形成高純度矽(例如，參考圖2、4及5A至5C中之一或更多者)。一旦製備或以其他方式形成高純度矽，便在操作805中以預定升降溫速率將矽的溫度下降至例如環境溫度(例如，如參考圖7所述之室溫TR )。在操作807，由高純度矽製備或以其他方式形成粉狀矽。粉狀矽接著在操作809中按尺寸及/或形態進行過濾及/或篩分。例如，粉狀矽可透過使用本領域已知之機械篩來進行篩分。然而，在諸多實施例中，篩分及過濾製程係在惰性氣體環境(例如，Ar或He)內執行，以防止在矽表面上形成原生氧化物。
圖8B示出根據諸多實施例以逐層製程由矽形成三維(3D)組件之流程圖830的示例性實施例。例如，本領域中具有通常知識者可發現，同時參考圖6及隨附文本可增加對以下參考圖8B所述之至少一些操作的理解。
在操作831，將CAD檔載入列印工具(例如，圖6之系統600)中。在操作833，將經過濾及/或篩分的粉狀矽加至列印工具中(例如，進入一或更多料斗633)。如上所述，在具體示例性實施例中，將粉狀矽保持在惰性氣體環境中，以避免在矽顆粒上生長原生氧化物(SiO2 或Six Oy )。在某些應用中，原生氧化物可視為由矽列印某些類型之3D組件的污染物。
在操作835，將粉狀矽加至粉末床中並將該粉末床耙平以形成預定厚度之實質上均勻的矽層。根據上述諸多實施例，以預定上升速率在操作 837中增加矽的溫度(例如，透過系統600之電子束647)。
若需要緩衝層(例如，當使用構建平台時，例如基板 641，當基板係由CTE與上述矽實質上不匹配的材料形成時)，在操作839中可視情況在開始列印實際3D 組件之前列印一或更多緩衝層。此等緩衝層可列印至基板上以例如模擬待列印之3D組件的下部或可替代地列印在基板之整個或幾乎整個最上表面上。
在操作841，將3D組件之第一層直接列印至基板上或列印至一或更多緩衝層上。在操作843中確定(例如，在CAD程式內)是否已列印矽組件的所有層。若已列印所有層，則在操作 845中以預定降溫速率將組件冷卻至例如環境溫度。在操作847，將矽組件從列印工具移開，進而與基板分離。
若在操作843已確定不是所有層都已被列印，則流程圖830繼續在操作841列印組件層。
以下編號的示例為所揭示標的之具體實施例。
示例1 : 進行矽組件之三維(3D)列印的方法，該方法包括將矽粉加至3D列印工具中。對於逐層製程中3D列印之每一層：在3D列印工具中形成粉狀矽之粉末床；在10-5 Torr至10-7 Torr範圍內之高真空條件下，於650°C至750°C溫度範圍內烘烤粉狀矽，以分解並去除粉狀矽之表面氧化物；形成一層粉末床達預定厚度；在高真空條件下以預定模式將高功率束引至所形成之粉末床中，高功率束具有足夠能量以熔融粉狀矽；以及確定3D列印中是否需額外層。基於確定不需要額外層，以預定降溫速率將矽組件冷卻至大約3D列印工具所在環境之環境溫度。
示例2 : 示例的方法，其中高功率束包括電子束。
示例3 : 前述示例中任一者的方法，其中該方法係在惰性氣體環境中進行。
示例4 : 示例3的方法，其中惰性氣體環境包括選自包括氬(Ar)及氦(He)之氣體的至少一氣體。
示例5 : 前述示例中任一者的方法，其中矽粉末中的矽顆粒具有約45 μm至約55 μm範圍內之中值粒徑及介於約10 μm至約100 μm之間的尺寸分佈範圍。
示例6 : 前述示例中任一者的方法，其中粉狀矽的純度總體上大於約99.99%。
示例7 : 前述示例中任一者的方法，其中粉狀矽的純度總體上大於約99.9999%。
示例8 : 前述示例中任一者的方法， 其中粉狀矽係在約10-6 Torr範圍內之高真空條件下於約700°C溫度範圍內進行烘烤以分解並去除粉狀矽之表面氧化物。
示例9 : 前述示例中任一者的方法，其中粉狀矽包含實質上球形的顆粒。
示例10 : 前述示例中任一者的方法，其中粉狀矽係透過使用矽烷(SiH4 )-氣體霧化之流體化床化學氣相沉積(FB-CVD)系統來形成。
示施例11 : 示例10的方法，進一步包括製備熔融矽，迫使熔融矽通過噴嘴，將高速氣流引至熔融矽，該高速氣流包括選自包括氦(He)及氬(Ar)之氣體的至少一氣體，以將熔融矽分解成矽顆粒以形成粉狀矽，並在矽顆粒上沉積矽烷。
示例12 : 前述示例中任一者的方法，其中粉狀矽係透過電漿旋轉電極處理(PREP)形成。
示例13 : 示例12的方法， 進一步包括在矽棒旋轉時熔融矽棒的端部，矽棒的轉速足以產生離心力以使熔融矽從矽棒噴出，並將噴出的熔融矽固化成矽顆粒以形成粉狀矽。
示例14 : 示例13的方法，進一步包括透過調整矽棒的轉速來調控矽顆粒的形貌。
示例15 : 前述示例中任一者的方法，其中預定降溫速率小於約每分鐘5℃。
示例16 : 前述示例中任一者的方法，進一步包括透過以下操作製備高純度矽，包括：將矽放入坩堝中；以預定升溫速率增加矽的溫度；用高功率束至少部分地熔融矽，高功率束具有足以熔融矽的功率；以及以第二預定降溫速率下降矽的溫度。
示例17 : 示例16的方法，其中預定升溫速率係透過有限元素分析確定，包括比較熱通量與在矽中引起的機械應力。
示例18 : 示例16的方法，其中升降溫速率約每分鐘50K。
示例19 : 前述示例中任一者的方法，其中逐層製程中每一層的預定厚度在約30 μm至約50 μm範圍內。
示例20 : 進行矽組件之三維(3D)列印的方法，該方法包括將設計檔載入3D列印工具中，其中設計檔包含矽組件的幾何形狀，包括用於列印矽組件之多層中每一層的座標。對於矽組件之3D列印的每一層：在3D列印工具中形成粉狀矽的粉末床；在10-5 Torr至10-7 Torr範圍內之高真空條件下於650°C至750℃溫度範圍內烘烤粉狀矽以分解並去除粉狀矽之表面氧化物；將一層粉末床耙平至預定厚度；在高真空條件下以預定模式將電子束引至耙平之粉末床中，該預定模式係基於設計檔，電子束具有足夠能量以熔融粉狀矽；以及確定3D列印中是否需額外層。基於確定不需要額外層，將預定溫度下之矽組件冷卻至大約3D列印工具所在之環境溫度。
示例21 : 示例20的方法，其中設計為電腦輔助設計檔。
示例22 : 前述示例20及其下之任一者的方法，其中矽粉末中的矽顆粒具有接近50μm的中值粒徑及介於約10 μm至約100μm之間的尺寸分佈範圍。
示例23 : 前述示例20及其下之任一者的方法，其中粉狀矽的純度總體上大於約99.99%。
示例24 : 前述示例20及其下之任一者的方法，其中粉狀矽的純度總體上大於約99.9999%。
示例25 : 前述示例20及以下之任一者的方法，其中在約10-6 Torr之高真空條件下於約700℃下烘烤粉狀矽以分解並去除粉狀矽之表面氧化物。
示例26 : 前述示例20及其下之任一者的方法，其中粉狀矽包含實質上球形的顆粒。
示例27 : 前述示例20及其下之任一者的方法，其中電子束的功率位準於約50 W至約300 W範圍內。
示例28 : 前述示例20及其下之任一者的方法，其中電子束在其上正在形成矽組件之構建平台處的半高寬(FWHM)直徑係在約200 μm至約 10 mm範圍內。
示例29 : 前述示例20及其下之任一者的方法，其中電子束在構建平台之表面處的能量密度約每立方毫米28焦耳 (J/mm3 )。
基板處理系統及處理腔室中所使用之諸多組件係以高精度製造。 此些組件中的一些係由金屬製成，而其他則由例如矽及陶瓷之材料製成。以下參考圖9A示出並描述基板處理系統及處理腔室的示例，以提供此些組件及此些組件在其中操作之惡劣電、化學及熱環境的示例。本發明係關於使用電子束熔融(EBM)來列印此些組件的系統及方法。
本發明之其餘部分編排如下。首先，參考圖9A示出並描述包括處理腔室之基板處理系統的示例。參考圖9B示出並描述電子束產生器的示例。隨後，提供根據完全緻密列印方法及無裂紋列印方法進行矽組件之3D列印的系統及方法的概述。此後，參考圖10A-11B描述根據完全緻密列印方法進行完全緻密矽組件之3D列印的系統及方法。進一步地，參考圖12A-12C描述根據完全緻密及無裂紋方法進行完全緻密且無裂紋矽組件之3D列印的系統及方法。最後，參考圖13A-15B描述使用電子槍接合並修復矽組件之系統及方法。最終，參考圖16A-16C示出並描述使用圖13A-13C、15A及15B之系統及方法接合兩個矽組件，其因不匹配之結晶方向而導致兩組件之間的晶界。
圖9A示出包括處理腔室1102之基板處理系統1100的示例。儘管在電漿增強化學氣相沉積 (PECVD) 的背景下描述示例，但本發明之教示可應用於其他類型之基板處理，例如原子層沉積(ALD)、電漿增強ALD(PEALD)、CVD 、或其他製程，包括蝕刻製程。系統1100包括處理腔室1102，其包圍系統1100的其他組件並含有RF電漿(若使用的話)。處理腔室1102包括上電極1104及靜電吸盤(ESC)1106或其他基板支撐件。在操作期間，基板1108佈設於ESC 1106上。
例如，上電極1104可包括氣體分佈裝置1110，例如噴淋頭，其引入並分佈製程氣體。氣體分佈裝置1110可包括桿部，其包含有連接至處理腔室1102之頂表面的一端。噴淋頭之基部為大致圓柱形，且在與處理腔室1102之頂表面隔開之位置處從桿部之相對端朝外徑向延伸。噴淋頭之基部的面向基板表面或面板包括複數孔，汽化的前驅物、製程氣體或沖洗氣體流過該等孔。可替代地，上電極1104可包括導電板，且製程氣體可用另一方式引入。
ESC 1106包括用作下電極之底板1112。底板1112支撐加熱板1114，其可對應於陶瓷多區域加熱板。熱阻層1116可佈設於加熱板1114與底板1112之間。底板1112可包括一或更多通道1118，用於使冷卻劑流過底板1112。
若使用電漿，則RF產生系統1120產生RF電壓並將其輸出至上電極1104與下電極(例如，ESC 1106之底板1112)中之一者。上電極1104與底板1112中之另一者可為DC接地、AC接地或浮動。僅作為示例，RF產生系統1120可包括RF產生器1122，其產生由匹配且分佈網路1124送至上電極1104或底板1112之RF功率。在其他示例中，電漿可感應地或遠端地產生。
氣體輸送系統1130包括一或更多氣體源1132-1、1132-2、…及1132-N(統稱為氣體源1132)，其中N為大於零之整數。氣體源1132透過閥1134-1、1134-2、…及1134-N(統稱為閥1134)及質量流量控制器1136-1、1136-2、…及1136-N(統稱為質量流量控制器1136)連接至歧管1140。蒸汽輸送系統1142供應汽化前驅物至歧管1140或連接至處理腔室1102之另一個歧管(未示出)。歧管1140的輸出被送至處理腔室1102。
溫度控制器1150可連接至佈設於加熱板1114中之複數熱控制元件(TCE)1152。溫度控制器1150可用於控制該複數TCE 1152，以控制ESC 1106及基板1108之溫度。溫度控制器1150可與冷卻劑組體1154連通，以控制冷卻劑流過通道1118。例如，冷卻劑組體1154可包括冷卻劑泵、貯存器及/或一或更多溫度感測器(未示出)。溫度控制器1150操作冷卻劑組體1154，以使冷卻劑選擇性地流過通道1118，以冷卻ESC 1106。閥1156及泵1158可用於從處理腔室1102中排出反應物。系統控制器1160控制系統1100之組件。
可知悉，用於基板處理系統及處理腔室中之組件(例如，噴淋頭)需以高精度製造。此些組件中之一些係由金屬製成，而其他則由例如矽及陶瓷之材料製成。如下所解釋，由例如矽及陶瓷之材料製成之組件的3D列印非常具挑戰性，因為使用習知3D列印系統下其脆性會導致裂紋，而本發明則提供方案以解決該等挑戰並用於由例如矽及陶瓷之材料所構成的完全緻密且無裂紋組件之3D列印。
在解釋本發明之完全緻密列印方法及無裂紋列印方法之前，為了完整性，提供此些列印方法中所使用之電子束熔融(EBM)的簡要概述。EBM 是一種積層製造或3D列印製程。將粉末狀原料置於真空下，並使用電子束作為熱源將其一起熔成固體物質。組件可透過在高真空下之腔室中利用電子束對粉末逐層熔融來製造。由於列印係在高真空環境下進行，因此提供無污染的工作區域。此外，使用真空使該製程亦適用於列印反應材料之組件(例如，對氧具有高親和性之材料；例如鈦)。為了使電子相互作用，粉末需具導電性。在溫度 ＞ 450°C 時，矽成為良導體。熔融矽亦為良導體。因此，EBM可用於使用以下所述之本發明方法來列印矽組件。
圖9B示意性地示出連接至真空腔室1172之電子束產生器(亦稱為電子槍)1170的示例。參考圖10A-12C示出並描述用於本發明列印方法之真空腔室及其他元件的詳細示例。圖9B集中在電子槍上。電子槍1170包括在真空中加熱以產生電子的鎢絲1174。使用聚焦線圈1176及偏轉線圈1178，電子被加速並成電子束1179被射至沉積在構建板1182上之一層粉末1180上。電子束1179中的電子對該層粉末1180加熱並熔融以逐層構建組件。隨著組件的層被構建，板移動組體1184降低構建板1182。真空泵1186維持真空腔室1172中之高真空。例如，真空腔室1172中之壓力可為＜1E-5 Torr，其與＜0.01mTorr或＜1.33 mPa相同。功率供應源1188供應功率至燈絲1174及聚焦與偏轉線圈1176、1178。控制器1190控制功率供應源1188、真空泵1186及板移動組體1184。
簡言之，在全緻密列印方法中，本發明描述使用3D列印技術(即積層製造)來列印全緻密矽組件之系統及方法。本發明之3D列印技術係基於粉末床的電子束熔融(EBM)，其使用電子束來熔融真空腔室中構建板(即，構建平台或基板)上的矽粉。不同於基於金屬之材料的3D列印，本發明之系統及方法解決在列印完全緻密矽組件時影響列印品質之因素。本發明描述矽粉之顆粒形態、尺寸及分佈，且亦描述列印策略、適當的電子束功率與列印速度、以及粉末床預熱策略。所有此些技術皆有助於使用3D列印來列印完全緻密矽組件。本發明之系統及方法可列印具有複雜內部特徵部之大型矽組件，其無法使用傳統減法加工方法來完成。
另外，在無裂紋列印方法中，本發明描述具有低溫度梯度之3D列印設備的設計。該設計在真空腔室中使用一或多個加熱器並伴有良好熱絕緣體，以在矽組件之列印、原位退火(in-situ annealing)及冷卻期間將溫度梯度降至最小。使用加熱器及絕緣體，可在整個設備及整個列印製程中保持具有低熱梯度之均勻高溫。加熱器可為電阻加熱器或感應加熱器、IR燈輻射加熱器或藍光加熱器(例如，使用藍色LED)。絕緣材料可為剛性碳纖維絕緣材料、軟石墨氈或兩者之組合。由於在高溫下碳及熔融矽與氧具高反應性，因此該設備需真空密封。矽較佳是在高真空下之真空腔室中列印。
根據無裂紋列印方法之低熱梯度方法可用於基於粉末床之列印方法。由於矽材料之脆性本質，矽組件之列印及退火期間用於3D列印之基板溫度較佳高於矽之延性轉脆溫度(DBTT)(例如，＞ 1000°C)，以防止熱應力積累。如此一來，列印期間矽具延性。列印組件亦較佳以受控速率緩慢冷卻。
在根據無裂紋列印方法之低熱梯度方法中，矽為用於矽組件之3D列印的較佳基板，以避免若使用非矽基板可能發生且可能導致組件裂紋之熱膨脹係數(CTE)不匹配。比起其他材料(例如金屬)之基板，矽因額外因素為較佳基板：為了防止因雜質從非矽材料擴散至矽中而造成之污染，其可能在列印及退火期間於高溫下發生。據此，使用本發明之無裂紋方法，可列印具高純度及低熱應力(例如，無裂紋)之矽組件。本發明之無裂紋列印方法可應用於其他脆性材料，例如氧化鋁、碳化矽、陶瓷等。
更具體地，完全緻密列印方法解決矽3D列印之以下問題。現今矽積層製造技術係基於定向能量沉積(DED)。在現今基於雷射之列印製程中，因不足的雷射能量密度或強濆濺 (spatter ejection)而導致列印矽樣品中存有空隙或孔。
據此，本發明之完全緻密列印方法描述使用鋼基板，其原因是矽基板會因列印期間施加至基板上之熱衝擊而破裂及碎裂。裂紋會在Z方向上傳播，其可能使列印樣品裂損。使用鋼基板以避免損壞列印矽樣品。由於鋼之熔點高於矽之熔點，因此鋼在矽列印期間不會熔融。
另外，在完全緻密列印方法中，首先將矽之複數緩衝層列印在鋼基板上，接著將用於實際組件之矽層列印在緩衝層上。緩衝層係以較快的速率列印，其快於在緩衝層上列印隨後矽層以列印組件之速率。此降低鋼基板與列印在緩衝層上之矽層之間的熱膨脹係數(CTE)不匹配。無緩衝層下，鋼基板與直接列印在鋼基板上以製造組件之矽層之間可能存有大的CTE不匹配，其可能導致列印組件裂損。緩衝層可降低CTE不匹配，若該等層直接列印在鋼基板上而無中間緩衝層，鋼基板與列印以構建組件之矽層之間可能發生CTE不匹配。
進一步地，在完全緻密列印方法中，使用如下雙重列印方法將矽層列印在緩衝層上。列印在緩衝層上之每一矽層被列印兩次(即，使用兩回次)。在第一列印或回次中，比起第二列印或回次中所使用之速度及功率，該層係使用較低功率電子束並以較快速度(即，以電子束之較短曝射時間)來列印。在第一次列印期間，較低功率不會完全熔融矽，但將矽顆粒黏結在一起。隨後，在第二次列印期間，電子束(以較長曝射時間掃描來自第一回次之材料)之較慢速度及較高功率完全熔融來自第一回次之已黏結的矽顆粒，因而形成矽之完全緻密層。因此，第一列印回次可被稱為燒結回次，而第二列印回次可被稱為熔融回次。
此外，在每一層中，第一回次中之電子束的位向可與第二回次中之電子束的位向不同，以均勻化每一層中之熱應力。例如，假設要列印三層A、B及C，且每一層使用兩回次P1及P2來列印。令m及n分別表示電子束在回次P1及P2期間沿基板在X-Y平面上之角度或位向，以度為單位。對於層A，(m, n) = (0, 90)；對於層B，(m, n) = (45, -45)；對於層C，(m, n) = (90, 0)。對後續層重複該模式。此有效地降低跨層之熱應力，並防止列印組件中的裂紋。
第一方案之雙重列印方法亦降低噴濺，噴濺通常涉及光亮(熔融空載)的矽顆粒因惰性氣體在列印腔室之底部流動而被吹離熔池。此些顆粒在飛行中冷卻並降落在順風列印樣品上。此些顆粒在下一層之列印期間可能不會完全熔融，其會導致使用傳統列印方法列印之組件出現空隙或孔隙。相反地，在本發明之雙重列印方法中，由於在列印期間使用真空，故大幅降低飛濺。然而，若發生任何飛濺，第一列印回次使此些噴射顆粒相互黏結並與矽顆粒黏結，其接著在第二列印回次期間完全熔融。進一步地，由於第一回次期間使用較低功率電子束，因而降低噴濺量，且在第一回次期間發生之任何噴濺皆在第二回次期間完全熔融。
此外，由於使用慢速高功率電子束，第二回次期間發生之任何噴濺亦完全熔融。具體地說，最近列印之區域仍夠熱，足以熔融掉落在該區域中之任何噴射顆粒。另外，若有任何噴射顆粒落在將要列印的區域，則此些顆粒隨著列印繼續進行並到達該區域而被高功率電子束完全熔融。因此，無孔隙之完全緻密組件係利用雙重列印方法製得。
在完全緻密列印方法中，在列印之前，矽粉較佳係使用網目過濾(即，分選)，以獲得具有相對窄範圍內尺寸之顆粒。僅作為示例，該範圍可為10-400 µm。作為另一示例，該範圍可為50-90 µm。此確保顆粒具有球形形狀及光滑表面，且無顆粒聚集。亦即，與未過濾粉末相比，過濾後之粉末在基板上之粉末床中流動並擴散得更好。當將氣體霧化之未過濾粉末倒入網目中進行過濾時，選擇網目之濾器尺寸，並機械式地振動網目。例如，網目可被機械式地或使用超音波振動。
在列印之後，組件透過例如切穿緩衝層而與鋼基板分離。緩衝層相對容易切穿，其為使用緩衝層之額外優點。可對分離的鋼基板進行修整，並準備接受新的緩衝層以製造下一組件。
在完全緻密列印方法中，由於使用緩衝層及雙重列印方法，因而降低鋼基板與列印矽間大的CTE不匹配，並消除列印矽中之空隙。例如，當在緩衝層上列印些許初始層時，緩衝層降低鋼基板與列印層之間的CTE不匹配，其防止列印矽裂損。然而，每當在不具有高溫熱區之習知金屬3D列印機中使用完全緻密列印方法時，列印之矽樣本中仍存有大的熱應力。習知金屬3D列印機中所有列印的矽樣本毫無例外地皆有微裂紋。
為了消除列印矽中之微裂紋，本發明中描述了具有低溫度梯度之新3D列印設備設計。該設計使用具有一或多個加熱器之真空腔室並伴有良好熱絕緣體，以在Si部件列印、原位退火及冷卻期間，將溫度梯度降至最低。加熱器可為電阻加熱器或感應加熱器、IR燈輻射加熱器或藍光加熱器(例如，使用藍色LED)。絕緣材料可為剛性碳纖維絕緣材料或軟石墨氈或兩者的組合。由於高溫下碳及Si熔體與氧具高反應性，故該系統密封於真空環境中。例如，在真空腔室中進行列印。低熱梯度法可用於基於粉末床之列印方法。
由於矽材料之脆性本質，在矽組件之列印及退火期間，用於3D列印之基板溫度較佳係高於矽之DBTT(例如，＞ 1000°C)，以防止熱應力積累。列印組件亦緩慢冷卻。矽基板較佳係用於列印矽組件以避免CTE不匹配。該方法可應用於其他脆性材料，例如碳化矽(SiC)、陶瓷、氧化鋁等。
新型3D列印設備係設計用以列印脆性材料，例如矽、碳化矽、氧化鋁及其他陶瓷。目前，習知3D列印設備係設計用以列印金屬，金屬為延性材料且更能承受熱應力。因此，可使用非原位退火(ex-situ annealing)來降低熱應力。然而，現今3D列印設備無法均勻加熱並維持高基板溫度(例如，＞ 600°C)，且在列印矽組件時出現大的溫度梯度，其中熔池溫度＞ 1414°C，其為矽的熔點。此外，現今使用之3D列印製程中的冷卻速度快且不受控制。使用習知金屬3D列印機(粉末床或粉末進料列印，其具有或不具有緩衝層)下，矽組件之列印及冷卻期間之大的溫度梯度在所有3D列印的矽樣品中導致微裂紋。使用3D金屬列印機下未觀察到無裂紋之列印矽樣品。微裂紋無法在非原位退火中修復。
據此，本發明之無裂紋列印方法描述使用一或多個加熱器並伴有良好熱絕緣體，以在Si列印、原位退火及冷卻期間，將溫度梯度降至最小。加熱器可為電阻加熱器或感應加熱器、IR燈輻射加熱器或藍光加熱器(例如，使用藍色LED)。絕緣材料可為剛性碳纖維絕緣材料或軟石墨氈或兩者的組合。由於高溫下碳及Si熔體與氧具高反應性，故該系統使用真空密閉腔室。例如，矽組件係於真空腔室中列印。
如下參考圖12A-12C所述，根據無裂紋列印方法，腔室可為矩形，具有覆蓋頂側及底側、左側及右側、正面及背面處內部之剛性絕緣板。可替代地，該腔室可為圓柱形，具有覆蓋頂側及底側處內部之剛性絕緣板以及屏蔽周圍圓柱形壁之剛性絕緣圓柱體。絕緣板及圓柱體亦可由多層製成，例如剛性絕緣體/剛性絕緣體、石墨/剛性絕緣體、剛性絕緣體/氈、石墨/氈、碳纖維複合物(CFC)/氈。氈基本上是由多層碳纖維所製成之類似布的柔軟材料。氈防止熱散逸，並有助於在整個列印製程中保持高溫均勻性(即，氈有助於在整個列印製程中保持低的熱梯度)。
在無裂紋矽列印方法中，石墨電阻加熱器為較佳，且示意性地佈設如下所述之圖12A-12C中所示。一或更多石墨基座(即護罩)可放置於側加熱器內部以保護加熱器。在完成每層列印後，用粉末擦拭器注入矽粉。當完成所有層之列印時，將列印樣品嵌入矽粉中。矽粉具有低導熱率，並降低列印組件間之熱傳。
由於矽材料之脆性本質，矽組件之列印期間(以使矽在列印期間具延性)及退火期間基板溫度較佳係高於矽之DBTT點(例如，＞ 1000°C)，以防止熱應力積累。退火溫度較佳介於1100-1200℃之間。冷卻較佳係以速率＜5℃/ 分鐘從退火溫度降至400℃，而後回填惰性氣體(例如，Ar)。用於3D列印Si之基板較佳係由Si材料製成，以避免CTE不匹配及污染。該方法可用於列印其他脆性材料之構件，例如陶瓷、碳化矽、氧化鋁等。
據此，透過使用加熱器及絕緣體，本發明之無裂紋列印方法在列印及原位退火期間維持低溫度梯度，並以受控速率提供緩慢冷卻，其顯著降低熱應力並消除列印Si組件中之微裂紋。相反地，習知金屬3D列印設備無法保持600°C以上之溫度及受控的冷卻，其引起高熱應力，並在列印Si部件中造成微裂紋而使其不能用。進一步地，不同於習知金屬3D列印設備，本發明之列印方法使用高真空腔室及基於石墨之加熱器及基於碳纖維之熱絕緣體，以將列印、退火及冷卻期間之溫度梯度降至最小。
本發明之此些及其他特徵現於下詳細描述。圖10A-11B示出根據本發明之完全緻密列印方法的系統及方法。圖12A-12C示出根據本發明之無裂紋列印方法的系統及方法。
圖10A示出根據本發明完全緻密列印方法在金屬基板上3D列印非金屬材料(例如矽)之組件1201的系統1200。系統1200包括真空腔室1202。真空腔室1202包括第一板1204及第二板1206。第一板1204支撐在其上列印組件之基板1208。據此，第一板1204亦稱為構建板、構建平台、列印板或其他合適名稱。
第二板1206儲存非金屬材料1210(例如，矽粉)。在列印每一層之前，注入桿或粉末擦拭器1212供應非金屬材料1210至基板1208。據此，第二板1206亦稱為進料板、注入板或其他合適名稱。
真空腔室1202包括觀察窗1214。觀察窗1214塗有膜以降低熱散逸。系統1200進一步包括電子束產生器1220，其在列印期間將電子束1226射至基板1208上。例如，電子束產生器1220類似於圖9B中所示之電子束產生器1170。據此，不再詳細描述電子束產生器1220以達簡潔。
圖10B示出系統1200之額外元件。系統1200進一步包括惰性氣體供應源1230，以在完成列印之後且打開真空腔室1202之前供應惰性氣體以回填真空腔室1202。系統1200進一步包括板移動組體1232，以在列印期間將第一板1204向下移動並將第二板1206向上移動。系統1200進一步包括真空泵1218，其透過閥1216連接至真空腔室1202以保持真空腔室1202中的高真空。例如，腔室1202中的壓力可為＜1E-5Torr，其與＜0.01 mTorr或＜1.33 mPa相同。系統1200進一步包括控制器1234，其控制系統1200之所有元件，如下所解釋。
例如，系統1200使用基於電子束熔融(EBM)列印技術之列印機以及透過電漿旋轉電極處理(PREP，參考以下圖10D及10E描述)或可替代地透過感應耦合式熱電漿(ICTP，參考圖10F及10G描述)所製得之矽粉，以逐層方式列印矽。例如，電子束1426之焦點的直徑可為70 µm。電子束能量透過逐點曝射方式傳遞至焦平面(即，構建板1204之頂表面的水平面)。
圖10C示意性地示出電子束1226如何在焦平面(構建板1204)上傳遞能量。所示之每一圓為電子束1226在焦平面上之示意性投影，且可具有例如70 µm的直徑。電子束1226短時間地停留在每一圓上，稱為曝射時間，接著移動至列中水平相鄰的圓(下一行)。移動距離稱為點距離(例如80 µm)，如圖10C所示。
在完成該列之後，電子束1226移動到下一列。此移動距離稱為掃描間距(hatch distance)(例如60 µm)，如圖10C所示。當電子束1226停留在圓上時(在曝射時間內)，每一圓中之矽粉發生熔融。在此製程中，取決於電子束功率及曝射時間，電子束1226產生矽的熔池，其尺寸接近圓形尺寸之1.5~2倍，且約2至3層深。因此，矽粉顆粒被熔池完好地覆蓋，使得其可在電子束1226於X-Y平面上掃描時熔融。電子束功率、曝射時間、點距離及掃描間距之組合決定3D列印之能量密度。隨著此製程繼續進行，此層中所有選定的矽粉皆熔融。該製程持續到所有層皆完成為止。
在本發明中，矽之3D列印係從如下矽粉、列印策略及熱應力之方面來控制。矽粉透過電漿旋轉電極處理(PREP)或感應耦合式熱電漿(ICTP)方法製得，其產生具有高度球形、緻密、摻雜型矽顆粒的矽粉，於下參考圖10D-10G進行描述。每一各別矽顆粒均具有光滑表面，且無顆粒聚集。例如，粒徑介於40-100 µm之間。作為另一示例，粒徑範圍可介於50-90 µm之間。
圖10D示出從使用PREP製得之矽粉原料中選擇矽粉之系統1250的示例。系統1250包括進料器1252，其供給使用PREP(其於下參考圖10E進行描述)製得之矽粉原料。系統1250包括第一網目1254，其垂直佈設於第二網目1256上方。如第一及第二網目1254、1256之截面A-A及B-B所示，第一網目1254之孔的直徑d1大於第二網目1256之孔的直徑d2。
進料器1252將使用PREP製得之矽粉原料供給至第一網目1254中。振動系統1258振動第一及第二網目1254、1256。例如，振動系統1258可機械式地或使用超音波振動第一及第二網目1254、1256。在透過振動進行之篩分過程結束時，具有直徑介於d1與d2間之顆粒的矽粉保留在第二網目1256中，其用作用於列印組件1201之非金屬材料1210。
例如，第一網目1254之孔可為88 µm尺寸，第二網目1256之孔可為53 µm尺寸。第一網目1254篩除太大的顆粒(例如，尺寸＞88 µm)。第二網目1256篩除太小的顆粒(例如，尺寸＜53µm)。收集留在第二網目1256中之粉末用於列印。收集到之粉末中的顆粒平穩流動，而不會阻塞粉末供應軟管(未示出)。
一般而言，當理解的是，可根據所欲之粒徑選擇網目尺寸。例如，若期望粒徑介於x與y µm之間，其中y＞ x，則第一網目1254之直徑d1應為y或更大(即，d1≥y)，且第一網目1254之直徑d1應為x或更小(即，d1≤x)。
據此，可使用兩網目方案而不對粉末原料如何製造作限制(即，原料無需使用PREP來製得)。當任何小於網孔直徑之粒徑皆可接受時，單個網目方案可與霧化之粉末進料原料一起使用。一般而言，使用任一方案下，可選擇尺寸於相對窄範圍(例如40-100µm)內之矽粉進行列印。作為另一示例，使用任一方案，可選擇尺寸於50-90 µm範圍內之矽粉進行列印。
圖10E示出使用電漿旋轉電極處理(PREP)方法製造例如矽之材料粉末的系統1280。系統1280包括腔室1282。惰性氣體循環通過腔室1282。由將要製成粉末之材料(例如，矽)所製成之電極1284耦接至電動機1286的軸。當電動機1286旋轉時，電漿炬1288加熱電極1284之遠端以撞擊電漿1290。因此，電極1284之遠端熔為熔融液體。熔融液體碎分成液滴1292，液滴1292透過旋轉電極1284之離心力噴射。液滴1292固化成粉末。使用PREP方法而因此製得之粉末被用作本發明之系統及方法中的原料。
圖10F示意性地示出系統1300，其使用大氣壓感應耦合式熱電漿將不規則形狀及/或多孔未摻雜之矽粉(下稱原料矽粉)轉換成球形、緻密且摻雜型矽粉(下稱細矽粉)。系統1300包括配置成接收並處理諸多氣體及原料矽粉之腔室1302，並且包括佈設於腔室1302底部以收集腔室1302所產生之細矽粉的容器1304。系統1300進一步包括供應原料矽粉之料源(下稱為粉末源)1306、供應複數氣體之複數氣體源1308、功率供應源1310及控制器1312。控制器1312控制原料矽粉從粉末源1306供應至腔室1302、氣體從氣體源1308供應至腔室1302、以及功率供應源1310供應至線圈1320之功率。
腔室包括具有第一橫截面積(例如，第一直徑)之上部1314、具有第二橫截面積(例如，第二直徑)之中間部1316、以及具有第三橫截面積(例如，第三直徑)之底部1318。第三橫截面積小於第一橫截面積，且第一橫截面積小於第二橫截面積。上部1314包括用於從粉末源1306及氣體源1308接收原料矽粉及諸多氣體的入口，如下所述。線圈1320佈設於上部1314周圍。線圈1320連接至功率供應源1310。底部1318為漏斗形並連接至容器1304。
上部1314包括三個同心管所形成之三個同心入口：內管1326、同軸圍繞內管1326之中管1324、以及由中管1324之外壁及上部1314之內壁定義的外管1322。管1322、1324、1326從上部1314之頂端向下垂直延伸至接近上部1314之中點。線圈1320佈設於上部1314之大約中點與上部1314之底端之間的上部1314周圍。
來自粉末源1306之原料矽粉與氣體源1308中之一者所供應的載氣(例如，H2 )混合，且該混合物透過內管1326供應至腔室1302。氣體源1308中之一者所供應的摻雜物氣體(例如，p型之B2 H6 ；以及n型之PH3 、AsH3 )透過中管1324供應至腔室1302。氣體源1308中之一者所供應的鞘流氣體(例如，惰性氣體，例如Ar)透過外管1322供應至腔室1302。功率係透過功率供應源1310供應至線圈1320，以產生感應耦合式熱電漿(ICTP)。線圈1320所圍繞之上部1314的下部區域稱為熱區(標為1328)。電漿在熱區加熱並熔融原料矽粉。
含有中性分子、自由基及離子的摻雜物吸附熔融Si顆粒表面並與其反應，使得摻雜物原子擴散至熔融Si顆粒中，且H2 氣體從該表面脫附。小的熔融矽顆粒變成球形，顆粒中的任何內部空隙皆成泡冒出以將表面能降至最小。在球形熔融矽顆粒從熱區1328中的電漿落下後，球形熔融矽顆粒在腔室1302的中間部1316中固化且冷卻 (標為冷卻區1330)並收集在容器1304中。
圖10G示出在腔室1302中執行之製程的溫度曲線，其中d為從腔室1302之頂部測量的距離。Si顆粒之最終粒徑分佈係透過起始粒徑分佈來控制，起始粒徑分佈可透過如上所述之網目尺寸控制。摻雜物濃度可透過控制載氣中摻雜物之百分比及Si顆粒暴露於感應耦合式電漿所產生之高溫下的持續時間來控制。持續時間為線圈1320長度、載氣流速及重力的函數。
電漿主要在(即，存在於)線圈1320(即，熱區1328)所圍繞之上部1314的下部區域中。電漿在冷卻區1330(即，中間部1316)關閉 (即，不存在)。在熱區1328中，各個矽顆粒落入電漿中，在此處其於落下穿過電漿時熔融、球形化、緻密化並與摻雜物混合。在冷卻區1330中，由於電漿關閉(即，不存在)，故溫度下降，且顆粒固化並冷卻。對顆粒進行摻雜的持續時間為顆粒在電漿中停留的時間，其大致等於熱區1328的長度(即，被線圈1320包圍之上部1314的下部區域的高度) 與顆粒穿過電漿的速度。速度為載氣流速、熱區1328溫度及重力的函數。
ICTP方法在許多方面優於PREP方法。ICTP方法中所使用之多孔及/或不規則形狀(即原料)矽粉通常在無摻雜物下大量生產，相較於 PREP方法中所使用之固體矽電極，其可以非常低的價格購買。將原料矽粉轉化成上述精細球形粉末的ICTP方法比將矽電極轉化成球形粉末的PREP方法更具成本效益。
粉末或粒狀材料(例如使用上述PREP或ICTP方法製造之粉末)的粒徑分佈(PSD)為值列表或數學函數，其定義依尺寸所存在之顆粒的相對量，通常以質量計。測定PSD之最常見方法為篩分析，其中粉末分離在不同尺寸之篩上(例如，如上參考圖10D所述)。因此，PSD係以離散尺寸範圍來定義：例如，當使用此些尺寸之篩時，「介於45 µm與53 µm之間的樣品百分比(%)」。PSD通常是透過涵蓋存在於樣品中幾乎所有尺寸之尺寸範圍列表來測定。一些測定方法得以定義比使用篩所能獲得之粒徑範圍窄得多的粒徑範圍，並可應用至篩中可用範圍以外的粒徑。然而，保留大於特定尺寸顆粒並通過小於該尺寸顆粒之篩的概念經常用於呈現PSD數據。
PSD可表示為範圍分析，其中依次列出每一尺寸範圍內的量。PSD亦可用累積形式表示，其中對一尺寸範圍給出單一概念篩所保留或通過之所有尺寸的總和。範圍分析適用於要尋找特定理想之中段粒徑時，而累積分析用於控制尺寸過小或尺寸過大的量。
在可測定PSD之前，獲得代表性樣品。在待分析之材料正流動之例子中，將樣品從料流中取出，以使樣品具有與料流相同的粒徑比例。較佳為，在一段時間內採集整個料流之許多樣品，而不是整個時間都取一部分料流。採樣後，通常需減少樣品量。將待分析之材料混合，並使用避免尺寸分離之技術(例如，使用旋轉分樣器)取出樣品。
諸多PSD測量技術可用於測量本發明之系統及方法中所使用之矽粉的粒徑。PSD測量技術的一些示例如下所述。例如，篩分析是簡單且廉價的技術。篩分析方法可包括樣品在篩中簡單搖動，直到保留的量變得大致恆定。此技術非常適合大批材料。
可替代地，材料可透過光分析程序來分析。不同於可能耗時且有時不準確之篩分析，對待測材料之樣品拍照並使用軟體以分析照片可實現快速、準確的測量。另一優點是無需處理即可分析材料。
在其他示例中，PSD可透過基於格子線(graticule)之粒度法(sizing)及計數而在顯微鏡下測量。為了統計上有效分析，測量數百萬個顆粒。電子顯微照片之自動分析用於測定0.2至100 µm範圍內之粒徑。
庫爾特計數法(Coulter counter)是電阻計數方法之示例，其可測量各個非導電顆粒通過時所發生之通過孔之液體的導電率瞬時變化。透過計數脈衝獲得顆粒計數。此脈衝與被感測顆粒之體積成比例。非常小之樣品等分試樣可使用此方法來檢測。
其他示例包括沉降技術。此些技術係基於對懸浮在黏性液體中之顆粒所得之終端速度的研究。此些技術測定粒徑為沉降速度之函數。對於最細顆粒，沉降時間最長。據此，此技術對於小於10 µm尺寸有用。由於布朗運動的影響，無法可靠地測量次微米顆粒。典型之測量儀器將樣品分散於液體中，接著以定時間隔測量柱的密度。其他技術則使用可見光或X光測定連續層之光密度。
雷射繞射方法取決於對雷射束穿過空氣或液體中顆粒分散體時所產生之繞射光的光暈分析。繞射之角度隨粒徑減小而增加。據此，此方法對測量介於0.1至3,000 µm之間的尺寸尤佳。由於數據處理及自動化的進步，此為產業PSD測定中所使用之主要方法。此技術相對快，且可在非常小的樣品上進行。此技術可產生用於分析製程流之連續測量。雷射繞射透過測量雷射束穿過分散微粒樣品時所散射之光強度的角度變化來測量粒徑分佈。大顆粒以相對於雷射束之小角度散射光，而小顆粒則以大角度散射光。角散射強度數據接著使用光散射之米氏理論(Mie theory)或費近似(Fraunhofer approximation)進行分析，以計算導致產生散射圖樣之粒徑。將粒徑紀錄為等體積球直徑(volume equivalent sphere diameter)。
在雷射遮蔽時間(LOT)或過渡時間(TOT)方法中，聚焦雷射束以恆定頻率旋轉並與樣品介質內的顆粒相互作用。每一隨機掃描之顆粒遮蔽往專用光電二極體(其測量遮蔽時間)之雷射束。遮蔽時間t與顆粒直徑D直接相關，公式為D = V * t，其中V為射束旋轉速度。
在聲譜法或超音波衰減譜法中，使用超音波來代替光，以收集分散於流體中之顆粒的資訊。分散顆粒吸收並散射超音波。代替於如光一般地測量散射能量對上角度，在超音波例子中，測量傳遞能量對上頻率是較佳選擇。所得之超音波衰減頻譜是用於計算粒徑分佈之原始數據。無需稀釋或其他樣品前處理即可測量任何流體系統。粒徑分佈之計算係基於理論模型，該理論模型已針對多達50%(體積計)之分散顆粒進行充分驗證。隨著濃度增加且粒徑接近奈米級，習知建模需包括剪切波再轉換效應，以準確反映真實衰減譜。
在使用圖10D中所示之系統篩分圖10E及10F中所示之PREP或ICTP系統所生產的矽粉之後，使用上述一或更多PSD測量技術來確定矽顆粒的PSD。選擇用於本發明之系統及方法的粉末更緻密且更球形。例如，90 wt.% 的粉末具有40-100 µm 範圍內(或者，在另一示例中，在 50-90 μm範圍內)的粒徑， 定義為基於體積的粒徑D=2*[3*V/(4*π)]^(1/3))。儘管使用術語球體或球形來描述顆粒的形狀，但至少90%的顆粒具有基於體積的粒徑不超過小於測得最長直徑的 5%(使用顯微鏡測量)。
矽基板可能因列印期間之熱衝擊而裂損及碎裂。裂紋可在z方向上傳播，其可能會損壞列印組件201。因此，鋼基板1208係用於避免當矽基板用於列印矽組件時可能對列印組件造成之損壞。鋼的熔點高於矽的熔點，因此在矽列印期間不會熔融。鋼僅是基板材料之一示例；可使用許多其他金屬、合金及非脆性材料代替基板1208，只要用於基板之材料的熔點大於矽的熔點(或用於列印組件1201之非金屬材料1210的熔點)即可。
計算電子束的能量密度以定義電子束能量的強度。具體而言，能量密度等於(電子束功率×曝射時間)/(點距離×掃描間距)。此方程式未考慮粉末之層厚而給出2D能量密度，並定義X-Y平面中電子束能量的強度。
在本發明中，將層厚度設定為僅需2D能量密度來計算電子束能量強度之此等值(例如30 µm)。能量密度太低會造成小尺寸熔池，其無法將層中之所有粉末顆粒熔融。未熔融矽粉在冷卻期間形成不連續熔池，其增加表面粗糙度及目前層中的孔。此發生於能量密度小於例如5 μJ/μm2 時。
隨著能量密度增加，熔池之尺寸增加，且熔融液滴具有較佳流動性。列印組件具有較少孔，且列印組件之相對密度增加。此對應於例如介於5〜14 μJ/µm2 之間的能量密度位準。然而，若進一步提高能量密度，則矽粉可能過度燃燒，且列印組件可能會失去其幾何準確度。
在本發明中，對於列印矽，控制器1234可將能量密度設在例如介於10〜14 μJ /µm2 之間的範圍內。當能量密度設在此範圍內時，矽粉完全熔融且列印矽組件呈完全緻密。
複數矽層(例如，約五十層)，稱為緩衝層1228，先被列印在鋼基板1208上。緩衝層1228之每一層係一次列印且快速列印(即，利用快速電子束掃描)。例如，電子束功率可設為200 W，而曝射時間可設為50 μs。在此示例中，對應能量密度僅為2.1 μJ/µm2 。由於低能量密度，一些矽粉可能無法完全熔融。然而，緩衝層1228之目的不是為了完全熔融矽粉。而是如上已詳細解釋，緩衝層1228可避免在鋼基板1208與隨後列印在緩衝層1228上之列印矽組件1201下層之間的熱膨脹不一致。
在列印緩衝層1228之後，組件1201之列印開始。對組件1201之每一層使用雙重列印以將組件1201列印在緩衝層1228上。例如，層之第一次列印(亦稱為列印第一子層)中的電子束功率可設為240 W(高於用以列印緩衝層1228之電子束功率)，且曝射時間可設為50 μs(即，第一子層亦被快速列印；大致類似於緩衝層1228)。
層之第二次列印(亦稱為列印第二子層)重複第一次列印的路徑。電子束功率及曝射時間在第二次列印期間增加(例如，至350 W及150 μs)。據此，用於列印第二子層之能量密度大於用於列印第一子層之能量密度。例如，使用以上電子束功率及曝射時間之示例下，用於列印每層之兩子層的能量密度可分別為2.5 μJ/µm2 及11.0 μJ/µm2 。
第一列印(即，第一子層之列印)熔融此層中之一些矽粉，且亦定義出組件1201之幾何形狀。接著第二列印完全熔融第一列印中未熔融之所有矽粉。第二列印中之較高能量密度亦將列印矽組件201之溫度升高至較高位準，以在列印中之快速加熱-冷卻循環中緩慢冷卻。當前列印層之緩慢冷卻對後續列印層提供類似於緩衝層1228對當前列印層之熱目的。
控制器1234選擇第二列印之能量密度，使得矽粉完全熔融且亦避免矽粉之過度燃燒。此雙重列印方法亦保護列印組件免受顆粒噴濺所致之污染，因而避免噴濺所引起之孔，其於下描述。
噴濺係發生於光亮(熱)之矽顆粒(或非金屬材料1201)在列印每一層期間因回彈壓力而噴離熔池時。此些顆粒在飛行中冷卻，並可能落在列印組件上。落下的噴濺顆粒一般大於矽粉之尺寸，且在下一層列印期間可能不會完全熔融。此會導致孔隙率問題並降低列印組件之強度。
噴濺可由高能量密度及/或低列印速度所導致。根據本發明，列印層之雙重列印方法用低能量密度電子束列印該層之第一子層，以在第一列印中定義幾何形狀。列印期間在真空腔室1202中使用真空以取代惰性氣流大幅降低飛濺。低能量密度(例如2.5μJ/μm2 )及高列印速度(例如1300 mm/s)進一步降低噴濺的強度。大部分矽粉在此步驟中熔融且在電子束1226停止後於未熔融矽粉周圍固化。此防止未熔融粉末因回彈壓力而飛濺。接著，利用高能量密度電子束且列印速度比第一列印慢之第二次列印(即在第一子層上列印第二子層)將所有未熔融矽粉完全熔融，且噴濺之強度實質上下降。 雙重列印策略有效降低噴濺的強度，其顯著地將噴濺所引起之孔隙率問題降至最低或消除。
圖11A示出根據本發明使用緩衝層及雙重列印在金屬基板上列印非金屬材料之組件的方法1335。圖11B更詳細地示出雙重列印方法1350。例如，方法1335及1350係由控制器1234執行。
在圖11A中，於1336，方法1335透過使用一或更多網目及振動系統(例如，如圖10D所示)過濾或篩分使用PREP製得之矽粉原料。於1338，方法1335於列印組件層之前在金屬基板上列印非金屬材料之複數緩衝層。於1340，方法1335使用圖11B中詳細示出之雙重列印方法1350，在緩衝層上列印每一組件層。
於1342，方法1335確定是否列印組件之所有層。於1344，若尚未列印組件之所有層 (即，若尚未完成組件之列印)，則方法1335將非金屬材料之經過濾或篩分粉末供給至粉末床以列印組件的下一層；且方法1335返回1340。於1346，若列印組件之所有層 (即，若完成組件之列印)，則方法1335將非金屬材料之列印組件與金屬基板分離；且方法1335結束。
圖11B更詳細地示出雙重列印方法1350。於1352，方法1350選擇第一及第二角度以列印一層組件之第一及第二子層。於1354，方法1352在第一回次中使用定向於選定第一角度之快速掃描低功率電子束來列印該層組件的第一子層。於1356，方法1352在第二回次中使用定向於選定第二角度之低速掃描高功率電子束來列印該層構件之第二子層。
於1358，方法1350確定是否列印組件之所有層。於1360，若尚未列印組件之所有層(即，若尚未完成組件之列印)，則方法1350改變第一及第二角度中之至少一者，以用於列印組件之下一層；且方法1350返回1354。若列印組件之所有層 (即，完成組件之列印)，則方法1350結束。
因此，根據本發明第一方案之系統1200及方法1335的優點包括下述者。相較於傳統用氣體霧化製得之粉末，使用PREP或ICTP所製得之非金屬材料粉末具有高得多的品質。使用PREP或ICTP所製得之粉末顆粒亦呈高度球形且具有光滑表面。據此，使用PREP或ICTP所製得之粉末的流動性及延展性比使用氣體霧化或化學氣相沉積或矽固體粉碎所製得之粉末好得多。進一步地，顆粒之直徑係使用一或更多網目及振動來控制並選擇，如上所述。
金屬(例如，鋼)基板保護列印矽組件免於裂損。理想地，矽基板是作為基板材料之唯一或較佳選項。然而，矽基板在列印期間受到高熱負荷(或高溫度梯度)時會裂損，且裂紋會傳播穿過列印矽組件，從而導致裂損。為延性材料之鋼可承受高溫度梯度，且不會裂損。
緩衝層降低鋼基板與列印矽之間(即，金屬基板與列印於金屬基板上之組件的非金屬層之間)的CTE不匹配。進一步地，第一列印(即列印組件之每一層的第一子層)定義組件幾何形狀。大部分矽粉在第一列印中熔融。熔池之耗散限制被熔融矽所包圍之未熔融矽粉。因此，在第一列印中伴隨著快速列印速度而大幅降低噴濺。此避免噴濺可能引起之列印組件中的孔或空隙。接著第二列印完全熔融所有未熔融矽粉，並在下一層列印開始之前將組件溫度升高至高位準。
圖12A-12C示出根據本發明無裂紋列印方法將非金屬脆性材料之組件3D列印於相同非金屬材料基板上之基於粉末床的系統及方法。電子束產生器配置成供應電子束以在基板上列印一層非金屬材料，且加熱器於列印期間持續加熱基板及腔室之圍繞基板的區域。
圖12A示出基於粉末床之系統1400，其用於3D列印非金屬材料之組件1401於相同非金屬材料之基板上。系統1400包括真空腔室1402。真空腔室1402包括第一板1404及第二板1406。第一板1404支撐在其上列印組件1401之基板1408。據此，第一板1404亦稱為構建板、構建平台、列印板或其他合適名稱。
第二板1406儲存非金屬材料1410。在列印每一層之前，注入桿或粉末擦拭器1412供應非金屬材料1410至基板1408。據此，第二板1406亦稱為進料板、注入板或其他合適名稱。
真空腔室1402包括觀察窗1414。觀察窗1414塗有膜以降低熱散逸。腔室1402進一步包括電子束產生器1420，其在列印期間將電子束1426射至基板1408上。例如，電子束產生器1420類似於圖9B中所示之電子束產生器1170。據此，不再詳細描述電子束產生器1420以達簡潔。
真空腔室1402用絕緣材料1428進行熱絕緣。絕緣材料1428於下進一步詳細描述。在組件1401列印之前及期間，加熱器1430用於加熱基板1408。一層絕緣材料1428佈設於第一板1404頂部與加熱器1430底部之間。在列印期間，一或更多加熱器1432用於加熱基板1408周圍之區域。溫度感測器1434用於感測基板1408周圍之區域的溫度。基於感測到的溫度來控制加熱器1430、1432。
圖12B示出系統1400之額外元件。系統1400進一步包括真空泵1418，其透過閥1416連接至真空腔室1402以保持真空腔室1402中的高真空。例如，真空腔室1402中的壓力可為＜1E-5Torr，其與＜0.01 mTorr或＜1.33 mPa相同。系統1400進一步包括板移動組體1452，以在列印期間將第一板1404向下移動並將第二板1406向上移動。系統1400進一步包括功率供應源及溫度控制器(示為溫度/加熱器功率控制器1456)，以維持熱區內之所欲溫度。系統1400進一步包括控制器1454，其控制系統1400之所有元件，如下所解釋。
現今3D列印設備係設計用於列印金屬，金屬為延性材料且更能承受熱應力。因此，可使用非原位退火來降低熱應力。然而，現今習知3D列印設備無法均勻加熱並維持基板溫度大於約600℃。 據此，由於熔池溫度高於矽的熔點(1414°C)，故此些機器中所列印之矽組件中會出現大的溫度梯度，且相鄰的矽(即與熔池相鄰的矽)可能在＜700℃的溫度下。此外，在現今3D列印設備中，冷卻速度快且不受控制。使用習知3D列印機下之列印期間大的溫度梯度及快速冷卻在3D列印矽組件中導致微裂紋。微裂紋無法在非原位退火中修復。
因此，系統1400提供具低溫度梯度之3D列印設備。系統1400使用一或多個加熱器1430、1432並伴有熱絕緣體(即絕緣材料1428)，以在列印、原位退火及冷卻期間將溫度梯度降至最小。加熱器1430、1432可為電阻或感應加熱器、紅外(IR)燈輻射加熱器或藍光加熱器(例如，使用藍色LED)。絕緣材料1428可為剛性碳纖維絕緣材料或軟石墨氈或兩者的組合。由於列印期間高溫下碳及熔融矽與氧具高反應性，因此系統1400需真空密封。
在一實施例中，真空腔室1402為矩形，其具有覆蓋頂側及底側、左側及右側、正面及背面處內部之剛性絕緣板(即絕緣材料1428之剛性板)。在另一實施例中，真空腔室1402為圓柱形，其具有覆蓋頂側及底側處內部之剛性絕緣板以及屏蔽周圍圓柱形壁之剛性絕緣圓柱體。可考慮其他形狀。
絕緣板及圓柱體可由多層製成，例如剛性絕緣體/剛性絕緣體、石墨/剛性絕緣體、剛性絕緣體/氈、石墨/氈、碳纖維複合物(CFC)/氈。氈基本上是由多層碳纖維所製成之類似布的柔軟材料。絕緣體防止熱散逸，並有助於在整個列印製程中均勻地保持高溫 (即，絕緣體及加熱器有助於在整個列印製程中保持低熱梯度)。
對於矽之3D列印，石墨電阻加熱器為較佳。石墨基座(即護罩，未示出)可放置於側加熱器1432內部以保護加熱器1432。矽粉係如完全緻密列印方法中所述進行選擇，因此為達簡潔不重複選擇過程。完成每一層之列印後，透過粉末擦拭器1412注入矽粉。當完成所有層之列印時，將列印組件1401嵌入矽粉中。矽粉亦可防止熱在水平方向上散逸。矽粉具有低導熱率，並稍微減緩列印組件之冷卻。
由於矽之脆性本質，用於3D列印之基板溫度在列印組件1401之列印及退火期間較佳係大於矽之延性轉脆溫度或DBTT(即，大於1000°C) ，以防止熱應力積累。例如，退火溫度較佳介於1100-1200℃之間。亦較佳為以受控速率緩慢地冷卻列印組件1401。例如，冷卻較佳係以小於5℃/分鐘之速率從退火溫度降至400℃，而後回填惰性氣體(例如，Ar)。用於3D列印矽組件1401之基板1408較佳係由矽製成，以避免基板1408與組件1401之間的CTE不匹配以及來自其他材料之基板的污染。該概念可應用至其他脆性材料，例如氧化鋁、碳化矽、陶瓷等。
圖12C示出根據本發明第二方案3D列印非金屬材料之組件(例如組件1401)於相同非金屬材料之基板(例如元件1408)上之基於粉末床的方法1480。例如，方法1480係由控制器1454執行。
於1482，方法1480在熱絕緣腔室中建立真空。於1484，在開始組件1401之列印前，方法1480使用一或更多加熱器(例如，加熱器1430、1432)加熱基板1408及靠近列印區之區域(即，基板1408周圍)。
於1486，方法1480供給經過濾或篩分的矽粉，以在基板1408上形成粉末床。方法1480供應電子束1426以列印一層矽粉，並維持一或更多加熱器1430、1432所提供的熱。方法1480感測真空腔室1402中(例如，基板周圍之區域的)溫度，並將基板1408及周圍區域的溫度維持在大於矽(或用於列印組件之非金屬材料)之DBTT。
於1488，方法1480確定是否列印組件1401之所有層(即，是否完成組件之列印)。若尚未列印組件401之所有層 (即，若尚未完成組件之列印)，則方法1480返回1486。
於1490，方法1480在控制器1454控制下對列印組件1401進行退火並維持加熱器1430、1432所供應的熱。於1492，在控制器1454之控制下，方法1480使用加熱器1430、1432、絕緣體1428以及使用列印組件周圍之矽粉來控制列印組件1401之退火及冷卻，且方法1480結束。
因此，根據無裂紋列印方法之系統1400及方法1480包括添置加熱器及熱絕緣體至金屬3D列印設備，其能夠在列印及原位退火期間維持較低溫度梯度並以受控冷卻速率進行較慢冷卻，顯著降低列印矽組件中之熱應力並消除微裂紋。
習知金屬3D列印設備無法保持600°C以上的溫度及受控的冷卻，其引起高熱應力並在列印矽組件中造成微裂紋，使其不能用。該方案亦使用真空密閉室，以防止熔融矽、基於石墨之加熱器及基於碳纖維之熱絕緣體氧化。習知金屬3D列印設備並未要求真空密封。
圖13A-15B示出用於接合並修復處理腔室及半導體處理工具中所使用之矽組件的系統及方法。在整個以下敘述中，矽組件僅用作示例。以下教示可用於選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組群組之任何非金屬材料所製成的組件。
例如，處理腔室中所使用之組件(例如C形護罩)通常可製造為單體式組件。然而，單體式組件難以製造。相反地，可更容易地製造組件之複數子組件，接著將其接合以形成如下所述之單個組件。
此外，基板處理系統中所使用之矽組件可能在製造期間或其在處理腔室中使用期間碎裂。因微小碎裂而丟棄並更換組件是昂貴的。相反地，可如下所述修復碎裂組件，從而可使用修復後的組件而不是丟棄並更換碎裂組件。修復可延長組件的使用壽命或降低製造組件之報廢率。
圖13A-13C示出用於接合矽組件之系統及方法。圖14A-14C示出用於修復矽組件之系統及方法。圖15A及15B示出用於在單個腔室中接合並修復矽組件之組合系統。同樣，矽組件僅用作示例，且系統及方法可用於任何非金屬材料(例如矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷)所製成之組件。
圖13A示出用於接合矽組件之系統1500的真空腔室1502。完整的系統1500詳細示於圖13B中。在圖13A中，詳細示出系統1500之真空腔室1502。真空腔室1502的壁係由不銹鋼製成。儘管未示出，但真空腔室1502的壁係透過使冷卻劑(例如水)循環通過壁來進行冷卻。
真空腔室1502包圍基座1504。基座1504支撐晶座1506。基座1504及晶座1506可繞Z軸旋轉。加熱器1508佈設於基座1504周圍。加熱器1508可如所示設置於晶座1506下方。可替代地，儘管未示出，但加熱器1508可佈設於晶座1506及基座1504的側面(即，周圍)。基座1504、晶座1506及加熱器1508係由石墨製成。
熱絕緣體1510設置於真空腔室1502中之基座1504、晶座1506及加熱器1508周圍。熱絕緣體1510係由剛性碳纖維製成。可替代地，熱絕緣體1510可包括用氈包覆之石墨。熱絕緣體1510在真空腔室1502中之基座1504、晶座1506及加熱器1508周圍形成隔熱區。
使用固定件1522將電子槍1520安裝至真空腔室1502的側壁。電子槍1520可沿Z軸移動。包括複數元件(即子組件或部件)之組件1516佈設於晶座1506上。僅作為示例，組件1516可包括三個元件1516-1、1516-2及1516-3。熱絕緣體1510包括狹槽1512，來自電子槍1520之電子束1514可通過狹槽1512照射組件1516之元件。透過移動電子槍1520並旋轉基座1504，可照射組件1516之元件的不同部分。在一些示例中，基座1504亦可沿Z軸垂直移動。
電子束1514利用以下參考圖13C所述之方法來接合元件1516-1、1516-2及1516-3以形成組件1516。例如，電子束1514在1517將元件1516-1接合至元件1516-2，而電子束1514在1518利用以下參考圖13C所述之方法將元件1516-2接合至元件1516-3。在描述該方法之前，以下參考圖13B以描述系統1500之其餘部分。
在圖13B中，系統1500包括真空泵1550，其透過閥1552連接至真空腔室1502以保持真空腔室1502中的高真空。例如，真空腔室1502中的壓力可為＜1E-5Torr，其與＜0.01mTorr或＜1.33mPa相同。系統1500進一步包括基座移動組體1554以旋轉基座1504。系統1500進一步包括電子槍電子束產生器及移動組體1555以移動電子槍1520。
系統1500進一步包括功率供應源及溫度控制器(統稱為溫度/加熱器功率控制器1556)，以保持熱區內所欲溫度(於下參考圖13C描述)。系統1500進一步包括惰性氣體供應源1558，以供應惰性氣體例如氬(Ar)以回填真空腔室1502。系統1500進一步包括控制系統1500之所有元件的控制器1560，如下參考圖13C所解釋。
圖13C示出用於接合矽組件之方法1600。例如，控制器1560透過如下控制系統1500之諸多元件來執行方法1600。在1602，方法1600包括清潔將被接合以形成組件之元件的配合表面(例如，在1517及1518清潔用以形成組件1516之元件1516-1、1516-2及1516-3的配合表面)。在1604，方法1600包括將組件之元件(例如，在真空腔室1502中之晶座1506上)佈設於3D電子束列印機或焊機中。在要接合在一起之元件的配合面之間不添加矽粉(例如，在1517及1518不添加矽粉)。
在1606，方法1600包括操作泵1550以在真空腔室1502中建立真空，如上參考圖13A及13B所述。此外，方法1600包括使用溫度/加熱器功率控制器1556操作加熱器1508，以將隔熱區中之組件的元件加熱至高於矽的脆轉延轉換點(＞800℃)，隔熱區係使用如上參考圖13A及13B所述之熱絕緣體1510建立於真空腔室1502。
在1608，方法1600包括將電子槍1520之電子束1514聚焦至兩元件(例如，1516-1與516-2)之間的第一接點區(例如，1517)直到第一區的矽(即，兩元件末端部分的矽)熔融並固化。方法1600可包括緩慢降低電子束1514之功率以使熔池在接點之最後部分固化。
在1610，方法1600包括確定所有接點區(即整個1517)是否熔融且固化。若並未熔融且固化所有接點區，則方法1600進行到1612。在1612，方法1600包括緩慢旋轉組件(透過使用基座移動組體1554旋轉基座1502)，以選擇下一個所選接點區以進行熔融並固化，而後方法1600返回至1608。方法1600亦可包括使用電子槍移動組體1555移動電子槍1520以照射不同接點區。若所有接點區皆熔融並固化，則方法1600進行到1614。
在1614，方法1600包括確定組件之所有接點(例如，1517及1518)是否熔融並固化(即，是否組件之所有元件連接或熔接在一起以形成組件)。若組件之所有接點並未熔融且固化，則方法1600進行至1616。在1616，方法1600包括選擇下一個接點(例如，1518)進行熔融且固化，而後方法1600返回至1608。例如，方法1600包括透過使用基座移動組體1554旋轉基座1504來選擇下一個接點。若所有接點皆熔融並固化，則完成元件之接合以形成組件(以下為接合組件)，且方法1600進行至1618。
在1618，方法1600包括對接合組件之接點進行退火。例如，方法1600包括使用溫度/加熱器功率控制器1556控制加熱器1508，以加熱接合組件並將溫度保持在高於1000℃達約一小時。 接著方法1600包括以約＜2℃/分鐘的速率將接合組件緩慢冷卻至約700°C，其隨後透過關閉加熱器1508以將接合組件更快冷卻至約400°C。
在1620，方法1600包括用惰性氣體供應源1558所供應之惰性氣體例如氬(Ar)回填真空腔室1502。方法1600接著包括打開真空腔室1502並從真空腔室1502卸下接合組件。在1622，方法1600包括從接合組件磨掉任何多餘的矽並再次清潔接合組件以用於處理腔室或例如圖9A所示之基板處理系統。
圖14A示出用於修復矽組件之系統1700的真空腔室1702。完整的系統1700詳細示於圖14B中。在圖14A中，詳細示出系統1700之真空腔室1702。真空腔室1702的壁係由不銹鋼製成。儘管未示出，但真空腔室1702的壁透過使冷卻劑(例如水)通過壁來冷卻。
真空腔室1702包圍轉台1704。待修復之組件1716佈設於轉台1704上。例如，組件1716可包括需修復之碎裂區域1717。轉台1704可繞Z軸旋轉。使用固定件1707將轉台1704安裝至臂1706。臂1706可繞X軸旋轉。因此，轉台1704可繞Z軸及X軸旋轉。在一些示例中，臂1706連同轉台1704亦可沿X軸移動。轉台1704及臂1706係由石墨製成。若組件1716及/或轉台1704相對較重，則臂1706的遠端可延伸並由支撐結構(未示出)支撐。
加熱器1708佈設於轉台1704及臂1706下方。可替代地，儘管未示出，但加熱器1708可沿著真空腔室1702的側壁佈設於轉台1704及臂1706周圍。熱絕緣體1710設置在真空腔室1702中之轉台1704、臂1706及加熱器1708周圍。熱絕緣體1710係由剛性碳纖維製成。可替代地，熱絕緣體1710可包括用氈包覆的石墨。熱絕緣體1710在真空腔室1702中之轉台1704、臂1706及加熱器1708周圍形成隔熱區。
使用固定件1722將電子槍1720安裝至真空腔室1702之頂壁。電子槍1720可沿X軸及Y軸移動。熱絕緣體1710包括狹槽1712，來自電子槍1720之電子束1714可通過狹槽1712照射組件1716之碎裂區域1717。透過移動電子槍1720並旋轉轉台1704及臂1706，可照射組件1716之不同部分。
具體地，轉台1704不僅可繞其垂直於其平面之自身軸(Z軸)旋轉，且亦可透過旋轉臂1706繞平行於其平面的軸(X軸)旋轉。此兩個旋轉允許將碎裂區域1717移動至頂部以面向電子槍1720。透過沿X軸及Y軸移動電子槍 1720，電子束1714可被引至碎裂區域1717。為了修復，碎裂區域1717填有矽粉，電子束1714利用以下參考圖14C所述之方法將其熔融。在描述該方法之前，以下參考圖14B描述系統1500之其餘部分。
在圖14B中，系統1700包括真空泵1750，其透過閥1752連接至真空腔室1702以保持真空腔室1702中的高真空。例如，真空腔室1702中的壓力可為＜1E-5 Torr，其與＜0.01 mTorr或＜1.33 mPa相同。系統1700進一步包括用於旋轉轉台1704及臂1706之移動組體，其統稱為臂與轉台移動組體1754。系統1700進一步包括電子槍電子束產生器及移動組體1755以移動電子槍1720。
系統1700進一步包括功率供應源及溫度控制器(統稱為溫度/加熱器功率控制器1756)，以保持熱區內所欲溫度(以下參考圖14C描述)。系統1700進一步包括惰性氣體供應源1758，以供應惰性氣體例如氬(Ar)以回填真空腔室1702。系統1700進一步包括控制系統1700之所有元件的控制器1760，如下參考圖14C所解釋。
圖14C示出用於修復矽組件之方法1800。例如，控制器1760透過如下控制系統1700之諸多元件來執行方法1800。在1802，方法1800包括將碎裂組件(例如，具有碎裂區域1717之組件1715)佈設於EBM腔室(例如，真空腔室1702)中。方法1800包括使用臂與轉台移動組體1754旋轉轉台1704及臂1706，使得碎裂區域1717面向電子槍1720。
在1804，方法1800包括用矽粉(例如，包括直徑在100 um-3 mm範圍內且電阻率與組件1715 相同的顆粒)填充碎裂區域1717。在1806，方法1800包括操作泵1750以在真空腔室1702中建立真空，如上參考圖14A及14B所述。此外，方法1800包括使用溫度/加熱器功率控制器1756操作加熱器1708，以將隔熱區中之組件的元件加熱至高於矽的延轉脆轉換點(＞800℃)，隔熱區係使用如上參考圖14A及14B所述之熱絕緣體1710建立於真空腔室1702。
在1808，方法1800包括將電子槍1720之電子束1714聚焦至組件之碎裂區域1717中的矽粉上，以完全熔融矽粉及碎裂區域1717的一部分。方法1800亦可包括使用電子槍移動組體1755移動電子槍1720。在1810，方法1800包括緩慢降低電子束功率以使碎裂區域1717中的熔池固化。
在1812，方法1800包括對修復組件進行退火。例如，方法1800包括使用溫度/加熱器功率控制器1756控制加熱器1708，以加熱修復組件並將溫度保持在高於1000℃達約一小時。 接著方法1800包括以約＜2℃/分鐘的速率將修復組件緩慢冷卻至約700°C，其隨後透過關閉加熱器1708以將修復組件更快地冷卻至約400°C。
在1814，方法1800包括用惰性氣體供應源1758所供應之惰性氣體例如氬(Ar)回填真空腔室1702。方法1800接著包括打開真空腔室1702並從真空腔室1702卸下修復組件。在1816，方法1800包括從修復區域磨掉任何多餘的矽並再次清潔修復組件以用於處理腔室或例如圖9A所示之基板處理系統。
圖15A示出用於在單個真空腔室1902中接合並修復矽組件之系統1900。基本上，系統1900是系統1500與1700的組合，因為接合與修復兩者皆可在單個真空腔室1902中進行。真空腔室1902包括真空腔室1702之所有元件並進一步包括真空腔室1502之以下元件：將狹槽1512加至熱絕緣體1710，並使用固定件1522將電子槍1520安裝至真空腔室1902的側壁。除此之外，真空腔室1902與真空腔室1702相同，因此為達簡潔而不再贅述。
在真空腔室1902中，組件1516之元件1516-1、1516-2、1516-3可佈設於旋轉台1704上並可如上參考圖13A-13C所述使用電子槍1520進行接合。進一步地，可使用電子槍1720來修復組件1716上之碎裂區域1717，如上參考圖14A-14C所述。
圖15B示出系統1900之額外元件。系統1900包括圖14B所示之系統1700的所有元件並進一步包括系統1500之電子槍移動組體1555。控制器1954包括控制器1554及1754的功能。控制器1954可執行上述方法1600及1800，為達簡潔不再描述。
在一些示例中，系統1700亦可用於(再次利用)接合組件的部件，如參考圖13A-13C所述。在其他示例中，可在系統1400中提供兩個機械臂，其接著可用於接合以及修復組件。例如，在接合應用中，兩個機械臂可用於固持組件之兩個部件。兩個機械臂可以適當的自由度移動，使得電子槍可接合兩部件以形成組件。在修復應用中，可使用一或兩個機械臂以固持待修復之組件。該一或兩個機械臂可具有適當的自由度，使得電子槍可熔融組件之缺陷區域中的粉末以修復組件。在另其他示例中，在系統1900中，兩個電子槍皆可用於接合組件的元件，且兩個電子槍均可用於修復缺陷組件上之多個碎裂處。預期本文所述之諸多系統及方法的許多其他變化及用途。
圖16A-16C示出使用圖13A-13C、15A及15B之系統及方法接合兩個矽組件，其因不匹配的結晶方向而在兩組件之間導致晶界。 例如，矽組件2000係透過接合兩個矽子組件2002及2004(分別示為子組件1及子組件2)而形成。圖16A示出接合前的子組件2002、2004。圖16B示出接合期間之子組件2002、2004。圖16C示出接合子組件2002、2004後的矽組件2000。
在圖16A中，第一與第二子組件2002、2004中的每一者具有單晶結構。第一與第二子組件2002、2004分別具有兩子組件2002、2004要接合的邊緣2006、2008。邊緣2006、2008亦稱為熔接表面。在單晶或多晶材料中(例如第一與第二子組件2002及2004)，整個各個子組件之晶格呈連續且到邊緣不間斷而且無晶界。晶界是多晶材料中兩晶粒或微晶之間的界面。兩個子組件2002與2004之邊緣2006、2008包括具有兩個不同結晶方向的晶體。當接合兩個子組件2002與2004 時，不可能在原子尺度上精確對齊它們的結晶方向。兩個子組件2002與2004透過在邊緣2006、2008處施加電子束1514而在邊緣2006、2008處接合，如參考圖13A-13C、15A及15B所述。
在圖16B中，當電子束1514照射於邊緣2006、2008處時，在子組件2002與2004之邊緣2006、2008處形成熔融區2010。允許熔融區2010固化、退火並允許冷卻，如參考圖13A-13C、15A及15B所述。
在圖16C中，接合的子組件2002與2004形成組件2000。在子組件2002與2004之間的接合處(即在接合區域或接點處)形成晶界2012，原因在於其無法避免之結晶方向不匹配。晶界 2012 是來自子組件2002與2004之間接點處之子組件2002及2004熔融材料的固化接縫。晶界2012亦可稱為子組件2002與2004 的固化接縫。
若子組件2002及2004係由多晶矽製成，由於多晶矽中之每一晶粒為小的單晶，故亦形成晶界2012。在多晶矽製成之子組件2002與2004之間的接點處，每對相互面對之兩晶粒之間將於固化期間形成複數晶界2012。若使用雷射束熔融邊緣 2006、2008來接合子組件2002、2004以形成組件 2000，則亦將形成晶界2012。若邊緣2006、2008之間的接點處填有矽粉並被電子束或雷射束熔融以形成組件2000，則亦將形成複數晶界2012。
晶界2012是接合組件2000可檢測到之特徵。例如，若組件2000為單體式(即，製為單件，而非透過接合兩個子組件來製造)，組件2000將不包括晶界2012。進一步地，若利用不同於參考圖13A-13C、15A及15B所述製程之製程來連接子組件2002與2004以形成組件2000，則組件2000將不包括子組件2002與2004之間接點處的晶界2012。
以上所述在本質上僅用以說明且絕非意欲限制本發明、其應用、或使用。本發明之廣泛教示可以多種方式加以執行。因此，雖然本發明包含特定示例，但本發明之真實範圍應不被如此限制，因為其他的變化將在研讀圖式、說明書及以下申請專利範圍後變得顯而易見。應理解方法中之一或更多步驟可以不同順序(或同時)加以執行而不改變本發明之原理。
進一步地，雖然各個實施例係如上所述為具有某些特徵，但關於本發明之任何實施例描述的此等特徵中之任何一或更多者可結合任何其他實施例的特徵加以執行，即使並未明確描述該結合。換言之，描述的實施例並非互斥，且一或更多實施例彼此的置換仍在本發明的範圍內。
元件之間(例如：模組、電路元件、半導體層等之間)的空間及功能關係使用諸多術語加以描述，包含：「連接」、「相接」、「耦接」、「鄰近」、「旁邊」、「在上方」、「上方」、「下方」、及「設置」。當於上述揭示內容中描述第一與第二元件之間的關係時，除非明確描述為「直接」，否則該關係可為沒有其他中介元件存在於該第一與第二元件之間的直接關係，但亦可為有一或更多中介元件(空間地或功能地)存在於該第一與第二元件之間的間接關係。如本文中所使用，片語「A、B、及C之至少一者」應被理解為意指使用非排他邏輯「或」之邏輯(A或B或C)，且不應理解為意指「A之至少一者、B之至少一者、及C之至少一者」。
在一些實施方式中，控制器為系統之一部分，其可為上述示例之一部分。此等系統可包括半導體處理設備，而半導體處理設備包含一處理工具或複數工具、一腔室或複數腔室、一處理平台或複數平台、及/或特定處理構件(晶圓基座、氣流系統等)。此些系統可與電子設備結合，以控制半導體晶圓或基板處理前、處理期間及處理後之操作。
該等電子設備可指「控制器」，且可控制該系統或複數系統之諸多組件或次部件。決定於處理需求及/或系統類型之控制器可程式化，以控制本文所揭示之任何製程，包括處理氣體之輸送、溫度設定(如加熱及/或冷卻)、壓力設定、真空設定、功率設定、射頻(RF)產生器設定、射頻匹配電路設定、頻率設定、流速設定、流體傳送設定、位置及操作設定、晶圓轉移(進出與特定系統相連接或相接合之工具及其他轉移工具、及/或裝載室)。
廣泛地講，控制器可定義為具有用以接收指令、發佈指令、控制操作、啟動清洗操作、啟動終點量測以及類似者之諸多積體電路、邏輯、記憶體、及/或軟體的電子設備。積體電路可包含：儲存程式指令之韌體形式的晶片、數位訊號處理器(DSP，digital signal processor)、定義為特殊應用積體電路(ASIC，application specific integrated circuit)的晶片、及/或一或更多微處理器、或執行程式指令(例如，軟體)的微控制器。
程式指令可為以諸多各別設定(或程式檔案)之形式而傳送至控制器的指令，該各別設定(或程式檔案)為實行(半導體晶圓上，或針對半導體晶圓，或對系統之)特定的製程而定義操作參數。在一些實施例中，操作參數可為由製程工程師為了在一或更多以下者的製造期間實現一或更多處理步驟而定義之配方的一部分：層、材料、金屬、氧化物、矽、二氧化矽、表面、電路、及/或晶圓的晶粒。
控制器在一些實施方式中可為電腦的一部分，或耦接至電腦，該電腦係與系統整合、耦接至系統、以其他網路的方式接至系統、或其組合。舉例而言，控制器可在能容許遠端存取晶圓處理之「雲端」或廠房主機電腦系統的全部、或部分中。電腦可使系統能夠遠端存取，以監控製造操作的目前進度、檢查過去製造操作的歷史、自複數的製造操作而檢查其趨勢或效能度量，以改變目前處理的參數、設定目前處理之後的處理步驟、或開始新的製程。
在一些示例中，遠端電腦(例如，伺服器)可通過網路而提供製程配方至系統，該網路可包含局域網路或網際網路。遠端電腦可包含能夠進行參數及/或設定輸入或程式設計之使用者介面，接著該參數及/或設定可自遠端電腦傳送至系統。在一些示例中，控制器接收數據形式指令，該指令為即將於一或更多操作期間進行之每一處理步驟指定參數。應當理解，參數可特定針對待執行之製程類型、及控制器與之接合或加以控制之工具類型。
因此，如上所述，控制器可為分散式，例如藉由包含以網路方式接在一起、且朝向共同目的(例如，本文所描述之製程及控制)運作之一或更多分離的控制器。用於此目的之分散式控制器舉例為，腔室上與位於遠端的一或更多積體電路(例如，於平臺水平處、或作為遠端電腦的一部分)進行通訊的一或更多積體電路，兩者相結合以控制腔室上的製程。
示例性系統可包含，但不限於，電漿蝕刻腔室或模組、沉積腔室或模組、旋轉清洗腔室或模組、金屬鍍覆腔室或模組、清潔腔室或模組、斜角緣部蝕刻腔室或模組、物理氣相沉積(PVD)腔室或模組、化學氣相沉積(CVD)腔室或模組、原子層沉積(ALD)腔室或模組、原子層蝕刻(ALE)腔室或模組、離子植入腔室或模組、顯影機(track)腔室或模組、及可在半導體晶圓的製造及/或加工中相關聯的、或使用的任何其他半導體處理系統。
如上所述，取決於待藉由工具而執行之製程步驟或複數步驟，控制器可與半導體製造工廠中的一或更多以下者進行通訊：其他工具電路或模組、其他工具組成件、叢集工具、其他工具介面、鄰近的工具、相鄰的工具、遍及工廠而分布的工具、主電腦、另一控制器、或材料輸送中使用之工具，該材料輸送中使用之工具攜帶晶圓容器往返工具位置及/或裝載埠。
100:曲線圖 130:曲線圖 200:電子束系統 210:基板裝載部分 211:裝載腔室 220:預處理部分 221:背側輻射加熱器 222:基板 223:輸送 225:電漿產生器 227:電漿體積 230:矽沉積部分 231:Si蒸氣團 233:石英輻射屏蔽 235:矽晶棒 251:電子束產生器 300:曲線圖 400:電子束系統 401:感測器 403:進料斗 404:觀察埠 405:矽粉 406:真空腔室 407:電子束 409:坩堝 411I:輸入冷卻管線 411O:輸出冷卻管線 413:電子束產生器 415:電子束控制器 417:泵 510:操作 511:坩堝 513A:矽塊 513B:矽塊 515A:矽粉 515B:矽粉 530:操作 531:電子束產生器 550:操作 551:矽錠 600:系統 610:電子束柱 611:燈絲 613:散光透鏡 615:聚焦透鏡 617:偏轉透鏡 630:3D列印腔室 631:真空腔室 633:料斗 635:耙件 637:水平方向 639:位置 641:基板 643:構建平台 645:方向 647:電子束 700:曲線圖 701:第一時間段 703:波動時間段 705:第二時間段 707:第三時間段 709:第四時間段 711:矽溫度 713:環境溫度線 715:構建溫度線 717:相變溫度線 719:固化溫度線 800:流程圖 801:操作 803:操作 805:操作 807:操作 809:操作 830:流程圖 831:操作 833:操作 835:操作 837:操作 839:操作 841:操作 843:操作 845:操作 847:操作 849:操作 1100:系統 1102:處理腔室 1104:上電極 1106:靜電吸盤 1108:基板 1110:氣體分佈裝置 1112:底板 1114:加熱板 1116:熱阻層 1118:通道 1120:射頻產生系統 1122:射頻產生器 1124:匹配且分佈網路 1130:氣體輸送系統 1132-1:氣體源 1132-2:氣體源 1132-N:氣體源 1134-1:閥 1134-2:閥 1134-N:閥 1136-1:質量流量控制器 1136-2:質量流量控制器 1136-N:質量流量控制器 1140:歧管 1142:蒸汽輸送系統 1150:溫度控制器 1152:熱控制元件 1154:冷卻劑組體 1156:閥 1158:泵 1160:系統控制器 1170:電子束產生器、電子槍 1172:真空腔室 1174:鎢絲、燈絲 1176:聚焦線圈 1178:偏轉線圈 1179:電子束 1180:粉末 1182:構建板 1184:板移動組體 1186:真空泵 1188:功率供應源 1190:控制器 1200:系統 1201:組件 1202:真空腔室 1203:電子束產生器 1204:第一板 1206:第二板 1208:基板 1210:非金屬材料 1212:注入桿或粉末擦拭器 1214:觀察窗 1216:閥 1218:真空泵 1220:電子束產生器 1226:電子束 1228:緩衝層 1230:惰性氣體供應源 1232:板移動組體 1234:控制器 1250:系統 1252:進料器 1254:第一網目 1256:第二網目 1258:振動系統 1280:系統 1282:腔室 1284:電極 1286:電動機 1288:電漿炬 1290:電漿 1292:液滴 1300:系統 1302:腔室 1304:容器 1306:料源 1308:氣體源 1310:功率供應源 1312:控制器 1314:上部 1316:中間部 1318:底部 1320:線圈 1322:外管 1324:中管 1326:內管 1328:熱區 1330:冷卻區 1335:方法 1336:步驟 1338:步驟 1340:步驟 1342:步驟 1344:步驟 1346:步驟 1350:步驟 1352:步驟 1354:步驟 1356:步驟 1358:步驟 1360:步驟 1400:系統 1401:組件 1402:真空腔室 1404:第一板 1406:第二板 1408:基板 1410:非金屬材料 1412:注入桿或粉末擦拭器 1414:觀察窗 1416:閥 1418:真空泵 1420:電子束產生器 1426:電子束 1428:絕緣材料 1430:加熱器 1432:加熱器 1434:溫度感測器 1452:板移動組體 1454:控制器 1456:溫度/加熱器功率控制器 1480:方法 1482:步驟 1484:步驟 1486:步驟 1488:步驟 1490:步驟 1492:步驟 1500:系統 1502:真空腔室 1504:基座 1506:晶座 1508:加熱器 1510:絕熱體 1512:狹槽 1514:電子束 1516:組件 1516-1:元件 1516-2:元件 1516-3:元件 1517:位置 1518:位置 1520:電子槍 1522:固定件 1550:真空泵 1552:閥 1554:基座移動組體 1555:移動組體 1556:溫度/加熱器功率控制器 1558:惰性氣體供應源 1560:控制器 1600:方法 1602:步驟 1604:步驟 1606:步驟 1608:步驟 1610:步驟 1612:步驟 1614:步驟 1616:步驟 1618:步驟 1620:步驟 1622:步驟 1700:系統 1702:真空腔室 1704:轉台 1706:臂 1707:固定件 1708:加熱器 1710:絕熱體 1712:狹槽 1714:電子束 1716:組件 1717:碎裂區域 1720:電子槍 1722:固定件 1750:真空泵 1752:閥 1754:臂與轉台移動組體 1755:移動組體 1756:溫度/加熱器功率控制器 1758:惰性氣體供應源 1760:控制器 1800:方法 1802:步驟 1804:步驟 1806:步驟 1808:步驟 1810:步驟 1812:步驟 1814:步驟 1816:步驟 1900:系統 1902:真空腔室 1954:控制器 2000:矽組件 2002:子組件 2004:子組件 2006:邊緣 2008:邊緣 2010:熔融區 2012:晶界
圖1A示出諸多材料之萃除動力學曲線圖的示例，其呈現常見於矽中之各個諸多元素呈溫度函數的材料去除率；
圖1B示出諸多材料之萃除動力學曲線圖的另一示例，其呈現常見於矽中之各個諸多元素呈熔融時間函數的材料去除率；
圖2示出用於透過加熱矽晶棒來產生矽蒸氣之電子束系統的示例；
圖3示出呈電子束功率之函數的曲線圖示例，其繪出圖2之矽晶棒頂表面所算得之最大溫度；
圖4示出了執行矽之連續熔融操作的電子束系統示例；
圖5A至5C示出用於透過電子束熔融以直接熔融矽粉及矽塊之系統的示例性實施例；
圖6示出使用高純度矽粉以透過基於電子束之積層製造來生產3D組件的系統示例；
圖7示出根據所揭示標的之諸多實施例示出呈時間函數之矽溫度的曲線圖示例，用於確定矽粉之適當構建溫度；
圖8A示出根據諸多實施例製備高純度矽粉之流程圖的示例性實施例；以及
圖8B示出根據諸多實施例在逐層製程中由矽形成三維(3D)組件之流程圖的示例性實施例。
經由詳細敘述及隨附圖式，將變得更加全面地理解本發明，其中：
圖9A示出包括處理腔室之基板處理系統的示例；
圖9B示出對真空腔室提供電子束以利用電子束熔融(EBM)構建組件之電子束產生器的示例；
圖10A-10C示出根據本發明在基板上列印完全緻密矽材料之基於粉末床的系統；
圖10D示出使用本發明系統及方法選擇用於列印構件之非金屬材料之粉末的系統；
圖10E示出使用電漿旋轉電極處理(PREP)製造例如矽之材料之球形、緻密且摻雜型粉末的系統；
圖10F示出使用大氣壓感應耦合式熱電漿(ICTP)製造例如矽之材料之球形、緻密且摻雜型粉末的系統；
圖10G示出圖10F之系統所進行之製程的溫度曲線圖；
圖11A及11B示出根據本發明在基板上列印完全緻密非金屬材料之基於粉末床的方法；
圖12A及圖12B示出根據本發明高溫粉末床方法在非金屬基板上列印完全緻密且無裂紋非金屬材料之基於粉末床的系統；
圖12C示出根據本發明高溫粉末床方法在非金屬基板上列印完全緻密且無裂紋非金屬材料之基於粉末床的方法；
圖13A-15B示出根據本發明利用電子束熔融(EBM)以接合並修復矽組件的諸多系統及方法；以及
圖16A-16C示出使用圖13A-13C、15A及15B之系統及方法接合兩個矽組件，其因不匹配的結晶方向而在兩組件之間導致晶界。
在圖式中，可重複使用參考符號以標示相似及/或相同的元件。
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Claims (125)

  1. 一種進行矽組件之三維(3D)列印的方法，該方法包括： 將粉狀矽加至一3D列印工具； 對於逐層製程中該3D列印之每一層： 在該3D列印工具中形成該粉狀矽之一粉末床； 在10-5 托耳(Torr)至10-7 Torr範圍內之高真空條件下於650℃至750℃溫度範圍內烘烤該粉狀矽以分解並去除該粉狀矽之表面氧化物； 形成一層該粉末床達一預定厚度； 在該高真空條件下以預定模式將一高功率束引至該形成之粉末床中，該高功率束具有足夠能量以熔融該粉狀矽；以及 確定該3D列印中是否需額外層；以及 基於確定不需要額外層，以預定降溫速率將該矽組件冷卻至該3D列印工具所在環境之環境溫度。
  2. 如請求項1所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該高功率束包括一電子束。
  3. 如請求項1所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該方法係在惰性氣體環境中進行。
  4. 如請求項3所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該惰性氣體環境包括選自包括氬(Ar)及氦(He)之氣體的至少一氣體。
  5. 如請求項1所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該矽粉末中的矽顆粒具有45 μm至55 μm範圍內之中值尺寸及介於10 μm至100 μm之間的尺寸分佈範圍。
  6. 如請求項1所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該粉狀矽之純度總體上大於99.99%。
  7. 如請求項1所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該粉狀矽之純度總體上大於99.9999%。
  8. 如請求項1所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該粉狀矽係在10-6 Torr範圍內之高真空條件下於700°C溫度範圍內進行烘烤以分解並去除該粉狀矽之表面氧化物。
  9. 如請求項1所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該粉狀矽包含實質上球形的顆粒。
  10. 如請求項1所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該粉狀矽係透過使用矽烷(SiH4 )-氣體霧化之流體化床化學氣相沉積(FB-CVD)系統形成。
  11. 如請求項10所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，進一步包括： 製備熔融矽； 迫使該熔融矽通過一噴嘴； 將高速氣流引至該熔融矽，該高速氣流包括選自包括氦(He)及氬(Ar)之氣體的至少一氣體，以將該熔融矽分解成複數矽顆粒以形成該粉狀矽；以及 在該等矽顆粒上沉積矽烷。
  12. 如請求項1所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該粉狀矽係透過電漿旋轉電極處理(PREP)形成。
  13. 如請求項12所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，進一步包括： 在一矽棒旋轉時熔融該矽棒之一端，該矽棒之轉速足以產生離心力以使熔融矽從該矽棒噴出；以及 將該噴出之熔融矽固化成複數矽顆粒以形成該粉狀矽。
  14. 如請求項13所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，進一步包括透過調整該矽棒的轉速來調控該等矽顆粒的形貌。
  15. 如請求項1所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該預定降溫速率小於每分鐘5℃。
  16. 如請求項1所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，進一步包括： 透過包括以下之操作製備高純度矽： 將矽放入一坩堝中； 以預定上升速率增加該矽的溫度； 用高功率束至少部分地熔融該矽，該高功率束具有足以熔融該矽之功率；以及 以第二預定下降速率降低該矽的溫度。
  17. 如請求項16所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該預定升溫速率係透過有限元素分析確定，包括比較熱通量與在該矽中引起的機械應力。
  18. 如請求項16所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該升降溫速率為每分鐘50 K。
  19. 如請求項16所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該逐層製程中每一層之該預定厚度係在30 μm至50 μm範圍內。
  20. 一種進行矽組件之三維(3D)列印的方法，該方法包括： 將設計檔載入一3D列印工具中，其中該設計檔包含該矽組件之幾何形狀，包括用於列印該矽組件之多層中每一層的座標； 對於該矽組件之該3D列印的每一層： 在該3D列印工具中形成粉狀矽之一粉末床； 在10-5 Torr至10-7 Torr範圍內之高真空條件下於650°C至750°C溫度範圍內烘烤該粉狀矽以分解並去除該粉狀矽之表面氧化物； 將一層該粉末床耙平至一預定厚度； 在該高真空條件下以預定模式將一電子束引至該耙平之粉末床中，該預定模式係基於該設計檔，該電子束具有足夠能量以熔融該粉狀矽；以及 確定該3D列印中是否需額外層；以及 基於確定不需要額外層，將預定溫度下之該矽組件冷卻至該3D列印工具所在之環境溫度。
  21. 如請求項20所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該設計檔為電腦輔助設計檔。
  22. 如請求項20所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該矽粉末中的矽顆粒具有接近50 μm的中值尺寸及介於10 μm至100 μm之間的尺寸分佈範圍。
  23. 如請求項20所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該粉狀矽之純度總體上大於99.99%。
  24. 如請求項20所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該粉狀矽之純度總體上大於99.9999%。
  25. 如請求項20所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該粉狀矽係在10-6 Torr之高真空條件下於700℃下進行烘烤以分解並去除該粉狀矽之表面氧化物。
  26. 如請求項20所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該粉狀矽包含實質上球形的顆粒。
  27. 如請求項20所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該電子束的功率位準係於50 W至300 W範圍內。
  28. 如請求項20所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該電子束在其上正在形成該矽組件之一構建平台處的半高寬(FWHM)直徑係於200 μm至10 mm範圍內。
  29. 如請求項20所述之進行矽組件之三維(3D)列印的方法，其中該電子束在該構建平台之表面處的能量密度為每立方毫米28焦耳 (J/mm3 )。
  30. 一種用於列印非金屬材料之完全緻密組件的系統，該系統包括： 一真空下腔室； 一第一垂直可移動板，其佈設於該腔室中以支撐一基板； 一第二垂直可移動板，佈設成鄰近該第一垂直可移動板，其中該第二垂直可移動板配置成儲存該非金屬材料之粉末並在列印每一層該非金屬材料前以該粉末注入該基板； 一電子束產生器，配置成供應一電子束；以及 一控制器，配置成使用該電子束在該基板上列印複數層該非金屬材料並在該複數層上列印一層該非金屬材料以在該複數層上構建該組件，其透過： 使用具有第一功率及第一速度之該電子束，列印該層該非金屬材料之一第一子層；以及 使用具有第二功率及第二速度之該電子束，列印該層該非金屬材料之一第二子層於該第一子層上； 其中該第一速度大於該第二速度；以及 其中該第一功率小於該第二功率。
  31. 如請求項30所述之用於列印非金屬材料之完全緻密組件的系統，其中該非金屬材料包括具有直徑於40-100 µm範圍內之球形顆粒，且其中該直徑係使用篩分析測得。
  32. 如請求項30所述之用於列印非金屬材料之完全緻密組件的系統，其中該控制器進一步配置成： 使用具有第一位向之該電子束列印該第一子層；以及 使用具有不同於該第一位向之第二位向的該電子束列印該第二子層。
  33. 如請求項30所述之用於列印非金屬材料之完全緻密組件的系統，其中該非金屬材料係選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組。
  34. 如請求項30所述之用於列印非金屬材料之完全緻密組件的系統，進一步包括： 一或更多網目，具有不同直徑的孔；以及 一振動系統，配置成振動該一或更多網目； 其中該粉末係透過使一原料通過該一或更多網目而從該原料選出；以及 其中該選定粉末包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒，該直徑係使用篩分析測得。
  35. 如請求項30所述之用於列印非金屬材料之完全緻密組件的系統，進一步包括一板移動組體，配置成在列印每一層後使該第一垂直可移動板朝向下方向移動，並在列印每一層後使該第二垂直可移動板朝向上方向移動。
  36. 一種用於在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，該方法包括： 使用一電子束在該基板上列印複數層該非金屬材料； 在該複數層上列印一層該非金屬材料以在該複數層上構建該組件，其透過： 使用具有第一功率及第一速度之該電子束，列印該層該非金屬材料之一第一子層；以及 使用具有第二功率及第二速度之該電子束，列印該層該非金屬材料之一第二子層於該第一子層上； 其中該第一速度大於該第二速度；以及 其中該第一功率小於該第二功率。
  37. 如請求項36所述之用於在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，其中該非金屬材料包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒，且其中該直徑係使用篩分析測得。
  38. 如請求項36所述之用於在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，進一步包括： 使用具有第一位向之該電子束列印該第一子層；以及 使用具有不同於該第一位向之第二位向的該電子束列印該第二子層。
  39. 如請求項36所述之用於在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，其中該非金屬材料係選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組。
  40. 如請求項36所述之用於在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，進一步包括在列印每一層前供應該非金屬材料之一劑量粉末，其中該粉末包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒，且其中該直徑係使用篩分析測得。
  41. 如請求項40所述之用於在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，進一步包括透過使一原料通過具有不同直徑之孔的一或更多網目並且振動該一或更多網目，從該原料選出該粉末。
  42. 如請求項36所述之用於在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，進一步包括在一真空下腔室中列印該組件。
  43. 一種使用請求項36所述之該方法列印成之非金屬材料的組件，其中該組件為完全緻密且無孔隙。
  44. 一種在基板上列印非金屬材料之組件的方法，該方法包括： 使用一電子束在該基板上列印複數層該非金屬材料，其中該複數層形成一基底以在其上構建該組件；以及 透過使用該電子束在該複數層上列印一或更多層該非金屬材料而在該複數層上構建該組件。
  45. 如請求項44所述之在基板上列印非金屬材料之組件的方法，其中該非金屬材料包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒，且其中該直徑係使用篩分析測得。
  46. 如請求項44所述之在基板上列印非金屬材料之組件的方法，其中列印該一或更多層之每一層包括： 使用具有第一功率及第一速度之該電子束，列印該非金屬材料之一第一子層；以及 使用具有第二功率及第二速度之該電子束，列印該非金屬材料之一第二子層於該第一子層上； 其中該第一速度大於該第二速度；以及 其中該第一功率小於該第二功率。
  47. 如請求項46所述之在基板上列印非金屬材料之組件的方法，進一步包括： 使用具有第一位向之該電子束列印該第一子層；以及 使用具有不同於該第一位向之第二位向的該電子束列印該第二子層。
  48. 如請求項44所述之在基板上列印非金屬材料之組件的方法，其中該非金屬材料係選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組。
  49. 如請求項44所述之在基板上列印非金屬材料之組件的方法，進一步包括在列印每一層前供應該非金屬材料之一劑量粉末，其中該粉末包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒，且其中該直徑係使用篩分析測得。
  50. 如請求項49所述之在基板上列印非金屬材料之組件的方法，進一步包括透過使一原料通過具有不同直徑之孔的一或更多網目並且振動該一或更多網目，從該原料選出該粉末。
  51. 一種使用請求項44所述之該方法列印成之非金屬材料的組件，其中該組件為完全緻密且無孔隙。
  52. 一種在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，該方法包括： 使用具有第一功率及第一速度之一電子束，在該基板上列印一層該非金屬材料之一第一子層；以及 使用具有第二功率及第二速度之該電子束，列印該層該非金屬材料之一第二子層於該第一子層上； 其中該第一速度大於該第二速度；以及 其中該第一功率小於該第二功率。
  53. 如請求項52所述之在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，其中該非金屬材料包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒，且其中該直徑係使用篩分析測得。
  54. 如請求項52所述之在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，進一步包括： 使用具有第一位向之該電子束列印該第一子層；以及 使用具有不同於該第一位向之第二位向的該電子束列印該第二子層。
  55. 如請求項52所述之在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，進一步包括在列印該層前使用該電子束在該基板上列印複數層該非金屬材料。
  56. 如請求項55所述之在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，其中該複數層形成一基底，該組件係透過列印該層而構建於該基底上。
  57. 如請求項52所述之在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，其中該非金屬材料係選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組。
  58. 如請求項52所述之在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，進一步包括在列印每一層前供應該非金屬材料之一劑量粉末，其中該粉末包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒，且其中該直徑係使用篩分析測得。
  59. 如請求項58所述之在基板上列印非金屬材料之完全緻密組件的方法，進一步包括透過使一原料通過具有不同直徑之孔的一或更多網目並且振動該一或更多網目，從該原料選出該粉末。
  60. 一種使用請求項52所述之該方法列印成之非金屬材料的組件，其中該組件為完全緻密且無孔隙。
  61. 一種用於列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的系統，該系統包括： 一腔室，用於列印該完全緻密且無裂紋組件，該腔室為熱絕緣； 一第一垂直可移動板，佈設於該腔室中以支撐該基板； 一熱絕緣材料，佈設於該第一垂直可移動板之一頂表面上以及該基板下方； 一加熱器，配置成在該基板上列印該組件之前加熱該基板及該腔室在該基板周圍之一區域； 一粉末進料器，配置成供應該非金屬材料之粉末；以及 一電子束產生器，配置成供應一電子束以在該基板上列印一層該非金屬材料，且在該列印期間該加熱器持續加熱該基板及該腔室在該基板周圍之該區域。
  62. 如請求項61所述之用於列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的系統，其中該粉末包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒，且其中該直徑係使用篩分析測得。
  63. 如請求項61所述之用於列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的系統，其中該加熱器配置成在該組件之該列印及退火期間，將該基板及該腔室在該基板周圍之該區域加熱至大於該非金屬材料之延性轉脆溫度的溫度。
  64. 如請求項61所述之用於列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的系統，其中在該列印後，該加熱器配置成持續加熱該基板及該腔室在該基板周圍之該區域，並在該腔室中對該組件進行退火。
  65. 如請求項61所述之用於列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的系統，其中在該列印後，該組件保持被該粉末所包圍，且該組件以一受控速率緩慢冷卻。
  66. 如請求項61所述之用於列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的系統，其中該腔室利用一或更多層之一或更多絕緣材料進行熱絕緣。
  67. 如請求項61所述之用於列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的系統，其中該非金屬材料係選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組。
  68. 如請求項61所述之用於列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的系統，其中該加熱器佈設於該基板下方或該基板周圍以及該腔室在該基板上方之該區域。
  69. 如請求項61所述之用於列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的系統，其中： 該粉末進料器包括一第二垂直可移動板，佈設成鄰近於該第一垂直可移動板；以及 該第二垂直可移動板配置成儲存該粉末並在列印每一層該非金屬材料前以該粉末注入該基板。
  70. 如請求項69所述之用於列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的系統，進一步包括一板移動組體，配置成在列印每一層後使該第一垂直可移動板朝向下方向移動，並在列印每一層後使該第二垂直可移動板朝向上方向移動。
  71. 如請求項61所述之用於列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的系統，進一步包括一或更多額外加熱器，配置成在該組件之該列印期間加熱該腔室在該基板上方之一區域。
  72. 如請求項61所述之用於列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的系統，其中該腔室係於真空下。
  73. 如請求項61所述之用於列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的系統，進一步包括： 一或更多網目，具有不同直徑的孔；以及 一振動系統，配置成振動該一或更多網目； 其中該粉末係透過使一原料通過該一或更多網目而從該原料選出；以及 其中該一或更多網目之該等直徑係選定為產生包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒的該選定粉末，該直徑係使用篩分析測得。
  74. 一種在腔室中列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的方法，該方法包括： 在列印一層該非金屬材料於該基板上前加熱該基板及該腔室在該基板周圍之一區域；以及 使用一電子束在該基板上列印該層該非金屬材料，且在該列印期間持續加熱該基板及該腔室在該基板周圍之該區域。
  75. 如請求項74所述之在腔室中列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的方法，其中該非金屬材料包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒，且其中該直徑係使用篩分析測得。
  76. 如請求項74所述之在腔室中列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的方法，進一步包括在該組件之該列印及退火期間，將該基板及該腔室在該基板周圍之該區域加熱至大於該非金屬材料之延性轉脆溫度的溫度。
  77. 如請求項74所述之在腔室中列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的方法，進一步包括在該列印後，在該腔室中對該組件進行退火及緩慢冷卻，並持續加熱該基板及該腔室在該基板周圍之該區域。
  78. 如請求項74所述之在腔室中列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的方法，進一步包括在該列印後，透過用該非金屬材料之粉末包圍該組件來冷卻該組件。
  79. 如請求項74所述之在腔室中列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的方法，進一步包括使用一或更多層之一或更多絕緣材料對該腔室進行熱絕緣。
  80. 如請求項74所述之在腔室中列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的方法，其中該非金屬材料係選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組。
  81. 如請求項74所述之在腔室中列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的方法，進一步包括： 在列印該層該非金屬材料之每一層前以該非金屬材料注入該基板；以及 在該注入之後供應該電子束以列印該非金屬材料之每一層。
  82. 如請求項74所述之在腔室中列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的方法，進一步包括在該組件之該列印期間加熱該腔室在該基板上方之一區域。
  83. 如請求項74所述之在腔室中列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的方法，進一步包括保持該腔室中的真空。
  84. 如請求項74所述之在腔室中列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的方法，進一步包括保持該腔室中的真空。
  85. 如請求項74所述之在腔室中列印非金屬材料之完全緻密且無裂紋組件於該非金屬材料所製成之基板上的方法，進一步包括： 透過使一原料通過具有不同直徑之孔的一或更多網目並且振動該一或更多網目，從該原料選出該非金屬材料之粉末， 其中該選定粉末包括具有直徑於40-100 µm範圍內之顆粒，且其中該直徑係使用篩分析測得。
  86. 一種使用請求項74所述之該方法列印成之非金屬材料的組件，其中該組件為完全緻密且無孔隙及裂紋。
  87. 一種系統，包括： 一腔室，包括： 一上部，具有接收矽粉、一載氣及一摻雜物之一入口； 一中間部，連接至該上部；以及 一第三部，連接至該中間部並具有一出口； 一線圈，佈設於該上部周圍； 一功率供應源，配置成供應功率至該線圈；以及 一控制器，配置成： 控制該矽粉、該載氣及該摻雜物至該入口之供應；以及 控制供應至該線圈之該功率以產生電漿， 其中該出口輸出一球形、緻密且摻雜型的矽粉。
  88. 如請求項87所述之系統，其中該中間部具有大於該上部之橫截面積，且其中該第三部具有小於該上部之橫截面積。
  89. 如請求項87所述之系統，其中該上部包括： 一內管； 一中管，同軸圍繞該內管；以及 一外管，由該中管之一外壁與該上部之一內壁定義； 其中該內管、該中管及該外管從該上部之一頂端向下垂直延伸至該上部之一中點；以及 其中該線圈佈設於該上部之該中點與該上部之一底端之間的該上部周圍。
  90. 如請求項89所述之系統，其中該矽粉係供應至該內管，該系統進一步包括： 一第一氣體源，以供應該載氣與該矽粉混合； 一第二氣體源，以供應該摻雜物至該中管；以及 一第三氣體源，供應一鞘流氣體至該外管。
  91. 一種構建用於基板處理系統之組件的方法，該方法包括： 將該組件之第一及第二子組件佈設於一真空下腔室中之一隔熱區中； 加熱該隔熱區中之該第一與第二子組件至一預定溫度； 將該第一子組件之一第一端接合至該第二子組件之一第二端，其透過使用一電子束部分地熔融該第一與第二端處之材料並隨後固化該熔融材料； 對該接合之第一與第二子組件進行退火以形成該組件； 以一第一速率將該形成之組件冷卻至一第一溫度；以及 以一第二速率將該形成之組件冷卻至一第二溫度， 其中該第二溫度小於該第一溫度；且 其中該第一速率比該第二速率慢。
  92. 如請求項91所述之構建用於基板處理系統之組件的方法，其中該組件係由選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組的非金屬材料製成。
  93. 如請求項91所述之構建用於基板處理系統之組件的方法，進一步包括在不使用任何額外材料下接合該第一與第二子組件。
  94. 如請求項91所述之構建用於基板處理系統之組件的方法，進一步包括在該熔融之前清潔該第一與第二端之配合表面。
  95. 如請求項91所述之構建用於基板處理系統之組件的方法，進一步包括從該組件磨掉多餘材料並清潔該組件。
  96. 一種修復用於基板處理系統中之組件的方法，該方法包括： 將該組件佈設於一真空下腔室中之一隔熱區中； 將一粉狀材料加至該組件之一缺陷區域； 加熱該隔熱區中之該組件至一預定溫度； 使用一電子束熔融該粉狀材料及該組件之該缺陷區域的一部份以形成一熔池； 降低該電子束之功率以使該熔池固化； 對該組件進行退火； 以第一速率將該組件冷卻至一第一溫度；以及 以第二速率將該組件冷卻至一第二溫度， 其中該第二溫度小於該第一溫度；且 其中該第一速率比該第二速率慢。
  97. 如請求項96所述之修復用於基板處理系統中之組件的方法，其中該組件係由選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組的非金屬材料製成，且其中該粉狀材料係與製成該組件之該非金屬材料相同。
  98. 如請求項96所述之修復用於基板處理系統中之組件的方法，進一步包括磨掉該組件之該缺陷區域周圍的多餘材料並清潔該組件。
  99. 一種用於構建基板處理系統之組件的系統，該系統包括： 一腔室，處於真空下； 一基座，佈設於該腔室中以將該組件之第一與第二子組件支撐於其上； 一加熱器，佈設於該腔室中且靠近該基座； 一熱絕緣體，佈設於該腔室中以在該基座與該加熱器周圍形成一隔熱區；以及 一電子束產生器，佈設於該腔室中以透過該隔熱區中之一開口將一電子束引至該第一與第二子組件之端部上以將該等端部接合在一起以形成該組件。
  100. 如請求項99所述之用於構建基板處理系統之組件的系統，進一步包括： 一第一致動器，配置成使該基座繞一第一軸旋轉；以及 一第二致動器，配置成使該電子束產生器沿著垂直於該第一軸之一第二軸移動。
  101. 如請求項99所述之用於構建基板處理系統之組件的系統，進一步包括一控制器，配置成： 控制該加熱器以將該第一與第二子組件加熱至一預定溫度；以及 控制該電子束產生器，以將該電子束引至該加熱後之第一與第二子組件的該等端部上。
  102. 如請求項99所述之用於構建基板處理系統之組件的系統，進一步包括一控制器，配置成控制該加熱器以對該接合之第一與第二子組件進行退火以形成一退火組件。
  103. 如請求項102所述之用於構建基板處理系統之組件的系統，其中該控制器配置成控制該加熱器以進行： 以一第一速率將該退火組件冷卻至一第一溫度；以及 以一第二速率將該退火組件冷卻至一第二溫度， 其中該第二溫度小於該第一溫度；且 其中該第一速率比該第二速率慢。
  104. 如請求項99所述之用於構建基板處理系統之組件的系統，其中該組件係由選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組的非金屬材料製成。
  105. 一種用於修復基板處理系統之組件的系統，該系統包括： 一腔室，處於真空下； 一轉台，佈設於該腔室中以將該組件支撐於其上，其中該組件具有一粉狀材料設置於其中之一缺陷部分； 一臂，佈設於該腔室中且平行於該轉台，該臂具有耦接至該轉台之一第一端以及延伸於該腔室外之一第二端； 一加熱器，佈設於該腔室中且靠近該轉台及該臂； 一熱絕緣體，佈設於該腔室中以在該加熱器、該轉台及該臂周圍形成一隔熱區；以及 一電子束產生器，佈設於該腔室中以透過該隔熱區中之一開口將一電子束引至該粉狀材料上以熔融該粉狀材料並修復該組件之該缺陷部分。
  106. 如請求項105所述之用於修復基板處理系統之組件的系統，進一步包括： 一第一致動器，配置成使該轉台繞一第一軸旋轉； 一第二致動器，配置成使該臂及該轉台繞垂直於該第一軸之一第二軸旋轉；以及 一第三致動器，配置成使該電子束產生器沿著相互垂直之第三與第四軸以平行於該轉台移動。
  107. 如請求項105所述之用於修復基板處理系統之組件的系統，進一步包括一控制器，配置成： 控制該加熱器以將該組件加熱至一預定溫度；以及 控制該電子束產生器，以將該電子束引至該加熱後組件之該缺陷部分中的該粉狀材料上。
  108. 如請求項105所述之用於修復基板處理系統之組件的系統，進一步包括一控制器，配置成控制該加熱器以對該修復組件進行退火。
  109. 如請求項108所述之用於修復基板處理系統之組件的系統，其中該控制器配置成控制該加熱器以進行： 以一第一速率將該退火組件冷卻至一第一溫度；以及 以一第二速率將該退火組件冷卻至一第二溫度， 其中該第二溫度小於該第一溫度；且 其中該第一速率比該第二速率慢。
  110. 如請求項106所述之用於修復基板處理系統之組件的系統，其中該組件係由選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組的非金屬材料製成，且其中該粉狀材料係與製成該組件之該非金屬材料相同。
  111. 一種用於構建並修復基板處理系統之組件的系統，該系統包括： 一腔室，處於真空下； 一轉台，佈設於該腔室中； 一臂，佈設於該腔室中且平行於該轉台，該臂具有耦接至該轉台之一第一端以及延伸於該腔室外之一第二端； 一加熱器，佈設於該腔室中且靠近該轉台及該臂； 一熱絕緣體，佈設於該腔室中以在該加熱器、該轉台及該臂周圍形成一隔熱區； 一第一電子束產生器，佈設於該腔室中以透過該隔熱區中之一第一開口將一第一電子束引向該轉台；以及 一第二電子束產生器，佈設於該腔室中以透過該隔熱區中之一第二開口將一第二電子束引向該轉台。
  112. 如請求項111所述之用於構建並修復基板處理系統之組件的系統，其中該第一與第二電子束相互垂直。
  113. 如請求項111所述之用於構建並修復基板處理系統之組件的系統，進一步包括： 一第一致動器，配置成使該轉台繞一第一軸旋轉； 一第二致動器，配置成使該臂及該轉台繞垂直於該第一軸之一第二軸旋轉； 一第三致動器，配置成使該第一電子束產生器沿著相互垂直之第三與第四軸以平行於該轉台移動；以及 一第四致動器，配置成使該第二電子束產生器沿著該第一軸移動。
  114. 如請求項111所述之用於構建並修復基板處理系統之組件的系統，進一步包括一控制器，配置成： 控制該加熱器以將佈設於該轉台上之一組件加熱至一預定溫度；以及 控制該第一與第二電子束產生器之至少一者，以將該第一與第二電子束之至少一者引至該加熱後組件上。
  115. 如請求項114所述之用於構建並修復基板處理系統之組件的系統，其中該組件包括兩部件，且其中該第一與第二電子束之至少一者熔融該兩部件之端部並將該兩部件接合在一起。
  116. 如請求項114所述之用於構建並修復基板處理系統之組件的系統，其中該組件包括一粉狀材料設置於其中之一缺陷部分，且其中該第一與第二電子束之至少一者熔融該粉狀材料以修復該組件之該缺陷部分。
  117. 如請求項114所述之用於構建並修復基板處理系統之組件的系統，其中該組件係由選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組的非金屬材料製成。
  118. 如請求項116所述之用於構建並修復基板處理系統之組件的系統，其中該組件係由選自由矽、碳化矽、氧化鋁及陶瓷所組成之群組的非金屬材料製成，且其中該粉狀材料係與製成該組件之該非金屬材料相同。
  119. 如請求項115所述之用於構建並修復基板處理系統之組件的系統，其中該控制器係配置成控制該加熱器以對該加熱後組件進行退火以形成一退火組件。
  120. 如請求項119所述之用於構建並修復基板處理系統之組件的系統，其中該控制器係配置成控制該加熱器以進行： 以一第一速率將該退火組件冷卻至一第一溫度；以及 以一第二速率將該退火組件冷卻至一第二溫度， 其中該第二溫度小於該第一溫度；且 其中該第一速率比該第二速率慢。
  121. 一種組件，包括： 一第一子組件，由具有一結晶結構之材料製成；以及 一第二子組件，由具有該結晶結構之該材料製成並接合至該第一子組件， 其中該第一與第二子組件之間的接點包括一晶界。
  122. 如請求項121所述之組件，其中該材料包括一單晶結構。
  123. 如請求項121所述之組件，其中該材料包括一多晶結構。
  124. 如請求項121所述之組件，其中在該第二子組件接合至該第一子組件之前該接點包括該材料之粉末，且其中在該第二子組件接合至該第一子組件之後該接點包括複數該晶界。
  125. 如請求項121所述之組件，其中在該第二子組件接合至該第一子組件之前該接點並未包括該材料之粉末，且其中在該第二子組件接合至該第一子組件之後該接點包括複數該晶界。
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