特表 2022-545494 高温での選択的レーザー溶融／焼結による完全緻密でクラックフリーのシリコンの３Ｄ印刷

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-10-27

(54)【発明の名称】高温での選択的レーザー溶融／焼結による完全緻密でクラックフリーのシリコンの３Ｄ印刷

(51)【国際特許分類】

   B28B 1/30 20060101AFI20221020BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20221020BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20221020BHJP

   H01L 21/3065 20060101ALI20221020BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20221020BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20221020BHJP

   B33Y 40/00 20200101ALI20221020BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20221020BHJP

   C23C 16/455 20060101ALI20221020BHJP

【ＦＩ】

B28B1/30

H01L21/205

H01L21/31 C

H01L21/302 101G

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y40/00

B33Y80/00

C23C16/455

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022512300

(86)(22)【出願日】2020-08-19

(85)【翻訳文提出日】2022-04-20

(86)【国際出願番号】 US2020046967

(87)【国際公開番号】W WO2021041110

(87)【国際公開日】2021-03-04

(31)【優先権主張番号】62/890,769

(32)【優先日】2019-08-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521341514

【氏名又は名称】シルフェックス・インコーポレーテッド

【氏名又は名称原語表記】ＳＩＬＦＥＸ，ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】チェン・ジホン

(72)【発明者】

【氏名】ソン・イー

(72)【発明者】

【氏名】ニシャナンサン・ヴィジェイ

【テーマコード（参考）】

4G052

4K030

5F004

5F045

【Ｆターム（参考）】

4G052DA02

4G052DB12

4G052DC06

4K030AA16

4K030BA29

4K030BA37

4K030BA43

4K030CA02

4K030CA04

4K030CA12

4K030CA17

4K030DA08

4K030EA04

4K030FA01

4K030FA07

4K030FA10

4K030GA02

4K030HA01

4K030JA12

4K030JA16

4K030KA17

4K030KA41

4K030KA46

5F004BA03

5F004BA04

5F004BA20

5F004BB13

5F004BB18

5F004BB22

5F004BB25

5F004BB26

5F004BB29

5F004BC03

5F004BD04

5F004BD05

5F004BD06

5F004CA04

5F045AA08

5F045AA15

5F045EB03

5F045EM05

(57)【要約】

【解決手段】完全緻密印刷法では、最初にシリコンの複数のバッファ層が鋼基板上に印刷され、次いで、二重印刷法を使用して、実際の構成要素用のシリコンの層がバッファ層の上に印刷される。完全緻密でクラックフリーの印刷法では、１つ以上のヒーター及び断熱材を使用して、Ｓｉ印刷中、インサイチュアニーリング中、及び冷却中の温度勾配を最小限に抑える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

非金属材料の完全緻密な構成要素を印刷するためのシステムであって、前記システムは、
不活性ガスで満たされたチャンバと、
前記チャンバ内に配置されて基板を支持する第１の垂直可動プレートと、
前記第１の垂直可動プレートに隣接して配置された第２の垂直可動プレートであって、
前記非金属材料の粉末を貯蔵し、前記非金属材料の各層を印刷する前に前記基板に前記粉末を投入するように構成されている、第２の垂直可動プレートと、
レーザービームを供給するように構成されたレーザー発生器と、
コントローラであって、
第１の出力及び第１の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の前記層の第１の副層を印刷することと、
第２の出力及び第２の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の前記層の第２の副層を前記第１の副層上に印刷することと、により、
前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の複数の層を前記基板上に印刷し、前記複数の層の上に前記非金属材料の層を印刷して、前記複数の層の上に前記構成要素を構築するように構成され、
前記第１の速度は前記第２の速度よりも大きく、
前記第１の出力は前記第２の出力よりも小さい、コントローラと、
を備えるシステム。

【請求項2】

請求項１に記載のシステムであって、前記非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を有し、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、システム。

【請求項3】

請求項１に記載のシステムであって、前記コントローラは、
第１の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第１の副層を印刷し、
前記第１の方向とは異なる第２の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第２の副層を印刷するように更に構成されている、システム。

【請求項4】

請求項１に記載のシステムであって、前記非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される、システム。

【請求項5】

請求項１に記載のシステムであって、前記システムは、
異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュと、
前記１つ以上のメッシュを振動させるように構成された振動システムと、を更に備え、
前記粉末は、前記１つ以上のメッシュにストックを通すことにより、前記ストックから選択され、
選択された前記粉末は、ふるい分析を使用して測定される０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む、システム。

【請求項6】

請求項１に記載のシステムであって、前記基板に近接して配置された入口及び出口を介して、前記不活性ガスを、前記チャンバを通して前記印刷の方向とは反対の方向に流すように構成された、ガス源を更に備える、システム。

【請求項7】

請求項１に記載のシステムであって、各層を印刷した後に前記第１の垂直可動プレートを下向き方向に移動し、各層を印刷した後に前記第２の垂直可動プレートを上向き方向に移動するように構成された、プレート移動アセンブリを更に備える、システム。

【請求項8】

非金属材料の完全緻密な構成要素を基板上に印刷するための方法であって、前記方法は、
第１の出力及び第１の速度を有するレーザービームを使用して、前記非金属材料の前記層の第１の副層を印刷することと、
第２の出力及び第２の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の前記層の第２の副層を前記第１の副層上に印刷することと、により、
前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の複数の層を前記基板上に印刷することと、
前記非金属材料の層を前記複数の層上に印刷して、前記複数の層上に前記構成要素を構築することと、を含み、
前記第１の速度は前記第２の速度よりも大きく、
前記第１の出力は前記第２の出力よりも小さい、方法。

【請求項9】

請求項８に記載の方法であって、前記非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。

【請求項10】

請求項８に記載の方法であって、
第１の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第１の副層を印刷することと、
前記第１の方向とは異なる第２の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第２の副層を印刷することと、を更に含む方法。

【請求項11】

請求項８に記載の方法であって、前記非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される、方法。

【請求項12】

請求項８に記載の方法であって、各層を印刷する前に、前記非金属材料の粉末の用量を供給することを更に含み、
前記粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の方法であって、前記方法は、異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュにストックを通過させること、及び前記１つ以上のメッシュを振動させることにより、前記ストックから前記粉末を選択することを更に含む、方法。

【請求項14】

請求項８に記載の方法であって、前記印刷の方向とは反対の方向に、前記基板に近接して不活性ガスを流すことを更に含む、方法。

【請求項15】

請求項８に記載の方法であって、不活性ガスで満たされたチャンバ内で前記構成要素を印刷することを更に含む、方法。

【請求項16】

請求項８に記載の方法を使用して印刷された、非金属材料の構成要素であって、完全緻密であり多孔性を欠いている、構成要素。

【請求項17】

非金属材料の構成要素を基板上に印刷するための方法であって、前記方法は、
レーザービームを使用して、前記非金属材料の複数の層を前記基板上に印刷することであって、
前記複数の層は前記構成要素を構築するためのベースを形成する、ことと、
前記レーザービームを使用して、前記複数の層上に前記非金属材料の１つ以上の層を印刷することにより、前記複数の層上に前記構成要素を構築することと、を含む方法。

【請求項18】

請求項１７に記載の方法であって、前記非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。

【請求項19】

請求項１７に記載の方法であって、前記１つ以上の層の各層を印刷することは、
第１の出力及び第１の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の第１の副層を印刷することと、
第２の出力及び第２の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の第２の副層を前記第１の副層上に印刷することと、を含み、
前記第１の速度は前記第２の速度よりも大きく、
前記第１の出力は前記第２の出力よりも小さい、方法。

【請求項20】

請求項１９に記載の方法であって、
第１の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第１の副層を印刷することと、
前記第１の方向とは異なる第２の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第２の副層を印刷することと、を更に含む方法。

【請求項21】

請求項１７に記載の方法であって、前記非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される、方法。

【請求項22】

請求項１７に記載の方法であって、各層を印刷する前に前記非金属材料の粉末の用量を供給することを更に含み、
前記粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。

【請求項23】

請求項２２に記載の方法であって、前記方法は、異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュにストックを通過させること、及び前記１つ以上のメッシュを振動させることにより、前記ストックから前記粉末を選択することを更に含む、方法。

【請求項24】

請求項１７に記載の方法であって、印刷の方向とは反対の方向に、前記基板に近接して不活性ガスを流すことを更に含む、方法。

【請求項25】

請求項１７に記載の方法を使用して印刷された、非金属材料の構成要素であって、完全緻密であり多孔性を欠いている、構成要素。

【請求項26】

非金属材料の完全緻密な構成要素を基板上に印刷するための方法であって、前記方法は、
第１の出力及び第１の速度を有するレーザービームを使用して、前記基板上の前記非金属材料の層の第１の副層を印刷することと、
第２の出力及び第２の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の前記層の第２の副層を前記第１の副層上に印刷することと、を含み、
前記第１の速度は前記第２の速度よりも大きく、
前記第１の出力は前記第２の出力よりも小さい、方法。

【請求項27】

請求項２６に記載の方法であって、前記非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。

【請求項28】

請求項２６に記載の方法であって、
第１の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第１の副層を印刷することと、
前記第１の方向とは異なる第２の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第２の副層を印刷することと、を更に含む方法。

【請求項29】

請求項２６に記載の方法であって、前記層を印刷する前に、前記レーザービームを使用して前記基板上に前記非金属材料の複数の層を印刷することを更に含む、方法。

【請求項30】

請求項２９に記載の方法であって、前記複数の層がベースを形成し、前記ベース上に前記層を印刷することにより前記構成要素が構築される、方法。

【請求項31】

請求項２６に記載の方法であって、前記非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される、方法。

【請求項32】

請求項２６に記載の方法であって、各層を印刷する前に、前記非金属材料の粉末の用量を供給することを更に含み、
前記粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。

【請求項33】

請求項３２に記載の方法であって、前記方法は、異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュにストックを通過させること、及び前記１つ以上のメッシュを振動させることにより、前記ストックから前記粉末を選択することを更に含む、方法。

【請求項34】

請求項２６に記載の方法であって、前記印刷の方向とは反対の方向に、前記基板に近接して不活性ガスを流すことを更に含む、方法。

【請求項35】

請求項２６に記載の方法を使用して印刷された、非金属材料の構成要素であって、完全緻密であり多孔性を欠いている、構成要素。

【請求項36】

非金属材料の完全緻密でクラックフリーの構成要素を、前記非金属材料で作られた基板上に印刷するためのシステムであって、前記システムは、
完全緻密でクラックフリーの前記構成要素を印刷するためのチャンバであって、断熱されている、チャンバと、
前記チャンバ内に配置されて前記基板を支持する第１の垂直可動プレートと、
前記第１の垂直可動プレートの上部表面上で前記基板の下方に配置された断熱材料と、
前記基板上に前記構成要素を印刷する前に、前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの領域を加熱するように構成されたヒーターと、
前記非金属材料の粉末を供給するように構成された粉末フィーダと、
前記印刷中に、前記ヒーターが前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの前記領域を加熱し続けている間に、レーザービームを供給して前記非金属材料の層を前記基板上に印刷するように構成されたレーザー発生器と、を更に備える、システム。

【請求項37】

請求項３６に記載のシステムであって、前記粉末が、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、システム。

【請求項38】

請求項３６に記載のシステムであって、前記ヒーターは、前記構成要素の前記印刷及びアニーリング中に、前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの前記領域を、前記非金属材料の延性から脆性への転移温度よりも高い温度に加熱するように構成されている、システム。

【請求項39】

請求項３６に記載のシステムであって、前記印刷後、前記チャンバ内の前記構成要素をアニーリングしている間、前記ヒーターは、前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの前記領域を加熱し続けるように構成されている、システム。

【請求項40】

請求項３６に記載のシステムであって、前記印刷後、前記構成要素が制御された速度で徐冷されている間、前記構成要素は前記粉末で取り囲まれたままである、システム。

【請求項41】

請求項３６に記載のシステムであって、前記チャンバは１つ以上の絶縁材料の１つ以上の層で断熱されている、システム。

【請求項42】

請求項３６に記載のシステムであって、前記非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される、システム。

【請求項43】

請求項３６に記載のシステムであって、前記ヒーターは、前記基板の下方に配置されている、又は前記基板と前記基板の上方の前記チャンバの前記領域とを取り囲むように配置されている、システム。

【請求項44】

請求項３６に記載のシステムであって、
前記粉末フィーダは、前記第１の垂直可動プレートに隣接して配置された第２の垂直可動プレートを備え、
前記第２の垂直可動プレートは、前記粉末を貯蔵し、前記非金属材料の各層を印刷する前に、前記基板に前記粉末を投入するように構成されている、システム。

【請求項45】

請求項４４に記載のシステムであって、各層を印刷した後に前記第１の垂直可動プレートを下向き方向に移動し、各層を印刷した後に前記第２の垂直可動プレートを上向き方向に移動するように構成された、プレート移動アセンブリを更に備える、システム。

【請求項46】

請求項３６に記載のシステムであって、前記構成要素の前記印刷中に、前記基板の上方の前記チャンバの領域を加熱するように構成された１つ以上の追加のヒーターを更に備える、システム。

【請求項47】

請求項３６に記載のシステムであって、前記粉末フィーダは、前記レーザービームと共に前記粉末を供給して、前記構成要素の前記層を印刷するように構成されている、システム。

【請求項48】

請求項３６に記載のシステムであって、前記構成要素の各層の印刷中に前記粉末フィーダ及び前記レーザー発生器が静止したままである間、前記第１の垂直可動プレートを移動させるように構成されたガントリーシステムを更に備える、システム。

【請求項49】

請求項３６に記載のシステムであって、前記チャンバは真空下にある、システム。

【請求項50】

請求項３６に記載のシステムであって、前記チャンバは不活性ガスで満たされている、システム。

【請求項51】

請求項３６に記載のシステムであって、不活性ガスを、前記基板に近接して配置された入口及び出口を介して、前記チャンバを通して、前記印刷の方向とは反対の方向に流すように構成された、ガス源を更に備える、システム。

【請求項52】

請求項３６に記載のシステムであって、前記システムは、
異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュと、
前記１つ以上のメッシュを振動させるように構成された振動システムと、を更に備え、
前記粉末は、前記１つ以上のメッシュにストックを通すことにより、前記ストックから選択され、
前記１つ以上のメッシュの前記直径は、ふるい分析を使用して測定される０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む前記選択された粉末を生成するように選択される、システム。

【請求項53】

チャンバ内において、非金属材料の完全緻密でクラックフリーの構成要素を、前記非金属材料で作られた基板上に印刷するための方法であって、前記方法は、
前記基板上に前記非金属材料の層を印刷する前に、前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの領域を加熱することと、
前記印刷中に、前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの前記領域を加熱し続けながら、レーザービームを使用して前記非金属材料の前記層を前記基板上に印刷することと、を含む方法。

【請求項54】

請求項５３に記載の方法であって、前記非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。

【請求項55】

請求項５３に記載の方法であって、前記構成要素の前記印刷及びアニーリング中に、前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの前記領域を、前記非金属材料の延性から脆性への転移温度よりも高い温度に加熱するように構成されている、方法。

【請求項56】

請求項５３に記載の方法であって、前記印刷後、前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの前記領域を加熱し続けながら、前記チャンバ内の前記構成要素をアニーリング及び徐冷することを更に含む、方法。

【請求項57】

請求項５３に記載の方法であって、前記印刷後に、前記構成要素を前記非金属材料の粉末で取り囲むことにより前記構成要素を冷却する、方法。

【請求項58】

請求項５３に記載の方法であって、１つ以上の絶縁材料の１つ以上の層を使用して前記チャンバを断熱することを更に含む、方法。

【請求項59】

請求項５３に記載の方法であって、前記非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される、方法。

【請求項60】

請求項５３に記載の方法であって、
前記非金属材料の前記層のうちの各層を印刷する前に、前記基板に前記非金属材料を投入することと、
前記投入の後に、前記レーザービームを供給して、前記非金属材料の各層を印刷することと、を更に含む方法。

【請求項61】

請求項５３に記載の方法であって、前記構成要素の前記印刷中に前記基板の上方の前記チャンバの領域を加熱することを更に含む、方法。

【請求項62】

請求項５３に記載の方法であって、前記レーザービームと共に前記非金属材料の粉末を供給して、前記非金属材料の各層を印刷することを更に含む、方法。

【請求項63】

請求項５３に記載の方法であって、前記チャンバ内の真空を維持することを更に含む、方法。

【請求項64】

請求項５３に記載の方法であって、前記チャンバを不活性ガスで満たすことを更に含む、方法。

【請求項65】

請求項５３に記載の方法であって、前記印刷の方向とは反対の方向に、前記基板に近接して不活性ガスを流すことを更に含む、方法。

【請求項66】

請求項５３に記載の方法であって、
異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュにストックを通過させること、及び前記１つ以上のメッシュを振動させることにより、前記ストックから前記非金属材料の粉末を選択すること、を更に含み、
選択された前記粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を備え、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。

【請求項67】

請求項５３に記載の方法を使用して印刷された、非金属材料の構成要素であって、完全緻密であり多孔性及びクラックを欠いている、構成要素。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年８月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／８９０，７６９号の利益を主張する。上記で参照された出願の開示の全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本開示は、全般的には、シリコン構成要素の製造に関し、より具体的には、高温での選択的レーザー溶融／焼結による完全緻密でクラックフリーのシリコンの３Ｄ印刷に関する。

【背景技術】

【0003】

本明細書で提供される「背景技術」の記載は、本開示の文脈を概略的に提示することを目的としている。本明細書の「背景技術」に記載されている範囲における、本明細書にて名前を挙げた発明者の業績、並びに、出願時点で先行技術と見なされないかも知れない本明細書の態様は、明示的にも暗黙的にも本開示に対する先行技術として認められていない。

【0004】

基板処理システムは、典型的には、半導体ウェハーなどの基板の堆積、エッチング、及び他の処理を実施するための複数の処理チャンバ（プロセスモジュールとも称される）を含む。基板に対して実施されてもよいプロセスの例には、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）プロセス、化学強化プラズマ蒸着（ＣＥＰＶＤ）プロセス、及びスパッタリング物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスが含まれるが、これらに限定されない。基板に対して実施されてもよいプロセスの追加の例には、エッチング（例えば、化学エッチング、プラズマエッチング、反応性イオンエッチングなど）、及びクリーニングプロセスが含まれるが、これらに限定されない。

【0005】

処理中、基板処理システムの処理チャンバ内において、ペデスタル、静電チャック（ＥＳＣ）などの基板支持体上に基板が配置される。堆積中に、１つ以上の前駆体を含むガス混合物が処理チャンバ内に導入され、プラズマが発生されて化学反応が活性化される。エッチング中、エッチングガスを含むガス混合物が処理チャンバ内に導入され、プラズマが発生されて化学反応が活性化される。典型的には、コンピュータ制御ロボットが、基板が処理される順序で、ある処理チャンバから別の処理チャンバに基板を移送する。

【発明の概要】

【0006】

非金属材料の完全緻密な構成要素を印刷するためのシステムであって、本システムは、不活性ガスで満たされたチャンバを備える。第１の垂直可動プレートがチャンバ内に配置されて基板を支持する。第２の垂直可動プレートが、第１の垂直可動プレートに隣接して配置される。第２の垂直可動プレートは、非金属材料の粉末を貯蔵し、非金属材料の各層を印刷する前に基板に粉末を投入するように構成されている。レーザー発生器が、レーザービームを供給するように構成されている。コントローラは、第１の出力及び第１の速度を有するレーザービームを使用して、非金属材料の層の第１の副層を印刷することと、第２の出力及び第２の速度を有するレーザービームを使用して、非金属材料の層の第２の副層を第１の副層上に印刷することと、により、レーザービームを使用して、非金属材料の複数の層を基板上に印刷し、非金属材料の層を複数の層上に印刷して、複数の層上に構成要素を構築するように構成されている。第１の速度は第２の速度よりも大きい。第１の出力は第２の出力よりも小さい。

【0007】

別の特徴では、非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む。

【0008】

他の特徴では、コントローラは、第１の方向を有するレーザービームを使用して第１の副層を印刷し、第１の方向とは異なる第２の方向を有するレーザービームを使用して第２の副層を印刷するように更に構成されている。

【0009】

別の特徴では、非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される。

【0010】

他の特徴では、システムは、異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュと、１つ以上のメッシュを振動させるように構成された振動システムと、を更に備える。粉末は、ストックを１つ以上のメッシュに通すことにより、ストックから選択される。選択された粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む。

【0011】

別の特徴では、システムは、基板に近接して配置された入口及び出口を介して、不活性ガスを、チャンバを通して印刷の方向とは反対の方向に流すように構成されたガス源を更に備える。

【0012】

別の特徴では、システムは、各層を印刷した後に第１の垂直可動プレートを下向き方向に移動し、各層を印刷した後に第２の垂直可動プレートを上向き方向に移動するように構成された、プレート移動アセンブリを更に備える。

【0013】

更に他の特徴では、非金属材料の完全緻密な構成要素を基板上に印刷する方法は、レーザービームを使用して非金属材料の複数の層を基板上に印刷することを含む。本方法は、第１の出力及び第１の速度を有するレーザービームを使用して、非金属材料の層の第１の副層を印刷することと、第２の出力及び第２の速度を有するレーザービームを使用して、非金属材料の層の第２の副層を第１の副層上に印刷することと、により、非金属材料の層を複数の層上に印刷して、複数の層上に構成要素を構築することを更に含む。第１の速度は第２の速度よりも大きい。第１の出力は第２の出力よりも小さい。

【0014】

別の特徴では、非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む。

【0015】

他の特徴では、本方法は、第１の方向を有するレーザービームを使用して第１の副層を印刷することと、第１の方向とは異なる第２の方向を有するレーザービームを使用して第２の副層を印刷することと、を更に含む。

【0016】

別の特徴では、非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される。

【0017】

別の特徴では、本方法は、各層を印刷する前に、非金属材料の粉末の用量を供給することを更に含む。粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む。

【0018】

別の特徴では、本方法は、異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュにストックを通過させること、及び１つ以上のメッシュを振動させることにより、ストックから粉末を選択することを更に含む。

【0019】

別の特徴では、本方法は、印刷の方向とは反対の方向に、基板に近接して不活性ガスを流すことを更に含む。

【0020】

別の特徴では、本方法は、不活性ガスで満たされたチャンバ内で構成要素を印刷することを更に含む。

【0021】

更に他の特徴では、非金属材料の構成要素を基板上に印刷する方法は、レーザービームを使用して非金属材料の複数の層を基板上に印刷することを含む。複数の層は、構成要素を構築するためのベースを形成する。この方法は、レーザービームを使用して、複数の層上に非金属材料の１つ以上の層を印刷することにより、複数の層上に構成要素を構築することを更に含む。

【0022】

別の特徴では、非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む。

【0023】

他の特徴では、１つ以上の層の各層を印刷することは、第１の出力及び第１の速度を有するレーザービームを使用して、非金属材料の第１の副層を印刷することと、第２の出力及び第２の速度を有するレーザービームを使用して、非金属材料の第２の副層を第１の副層上に印刷することと、を含む。第１の速度は第２の速度よりも大きい。第１の出力は第２の出力よりも小さい。

【0024】

他の特徴では、本方法は、第１の方向を有するレーザービームを使用して第１の副層を印刷することと、第１の方向とは異なる第２の方向を有するレーザービームを使用して第２の副層を印刷することと、を更に含む。

【0025】

別の特徴では、非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される。

【0026】

他の特徴では、本方法は、各層を印刷する前に、非金属材料の粉末の用量を供給することを更に含む。粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む。

【0027】

別の特徴では、本方法は、異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュにストックを通過させること、及び１つ以上のメッシュを振動させることにより、ストックから粉末を選択することを更に含む。

【0028】

別の特徴では、本方法は、印刷の方向とは反対の方向に、基板に近接して不活性ガスを流すことを更に含む。

【0029】

更に他の特徴では、非金属材料の完全緻密な構成要素を基板上に印刷する方法は、第１の出力及び第１の速度を有するレーザービームを使用して、非金属材料の層の第１の副層を基板上に印刷することを含む。本方法は、第２の出力及び第２の速度を有するレーザービームを使用して、非金属材料の層の第２の副層を第１の副層上に印刷することを更に含む。第１の速度は第２の速度よりも大きい。第１の出力は第２の出力よりも小さい。

【0030】

別の特徴では、非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む。

【0031】

他の特徴では、本方法は、第１の方向を有するレーザービームを使用して第１の副層を印刷することと、第１の方向とは異なる第２の方向を有するレーザービームを使用して第２の副層を印刷することと、を更に含む。

【0032】

別の特徴では、本方法は、層を印刷する前に、レーザービームを使用して基板上に非金属材料の複数の層を印刷することを更に含む。

【0033】

別の特徴では、複数の層がベースを形成し、ベース上に層を印刷することにより構成要素が構築される。

【0034】

別の特徴では、非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される。

【0035】

別の特徴では、本方法は、各層を印刷する前に、非金属材料の粉末の用量を供給することを更に含む。粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む。

【0036】

別の特徴では、本方法は、異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュにストックを通過させること、及び１つ以上のメッシュを振動させることにより、ストックから粉末を選択することを更に含む。

【0037】

別の特徴では、本方法は、印刷の方向とは反対の方向に、基板に近接して不活性ガスを流すことを更に含む。

【0038】

更に他の特徴では、非金属材料の完全緻密でクラックフリーの構成要素を、非金属材料で作られた基板上に印刷するためのシステムは、完全緻密でクラックフリーの構成要素を印刷するためのチャンバを含み、チャンバは断熱されている。本システムは、チャンバ内に配置されて基板を支持する第１の垂直可動プレートと、第１の垂直可動プレートの上部表面上で基板の下方に配置された断熱材料と、を更に備える。このシステムは、基板上に構成要素を印刷する前に、基板及び基板を取り囲むチャンバの領域を加熱するように構成されたヒーターを更に備える。このシステムは、非金属材料の粉末を供給するように構成された粉末フィーダと、印刷中に、ヒーターが基板及び基板を取り囲むチャンバの領域を加熱し続けている間に、レーザービームを供給して非金属材料の層を基板上に印刷するように構成されたレーザー発生器と、を更に備える。

【0039】

別の特徴では、粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む。

【0040】

別の特徴では、ヒーターは、構成要素の印刷中に、基板及び基板を取り囲むチャンバの領域を、非金属材料の延性から脆性への転移温度よりも高い温度に加熱するように構成されている。

【0041】

別の特徴では、印刷後、チャンバ内の構成要素をアニーリングしている間、ヒーターは、基板及び基板を取り囲むチャンバの領域を加熱し続けるように構成されている。

【0042】

別の特徴では、印刷後、構成要素が制御された速度で徐冷されている間、構成要素は粉末で取り囲まれたままである。

【0043】

別の特徴では、チャンバは、１つ以上の絶縁材料の１つ以上の層により断熱されている。

【0044】

別の特徴では、非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される。

【0045】

別の特徴では、ヒーターは、基板の下に配置されている、又は基板と基板の上方のチャンバの領域とを取り囲むように配置されている。

【0046】

他の特徴では、粉末フィーダは、第１の垂直可動プレートに隣接して配置された第２の垂直可動プレートを備え、第２の垂直可動プレートは、粉末を貯蔵し、非金属材料の各層を印刷する前に、基板に粉末を投入するように構成されている。

【0047】

別の特徴では、システムは、各層を印刷した後に第１の垂直可動プレートを下向き方向に移動し、各層を印刷した後に第２の垂直可動プレートを上向き方向に移動するように構成された、プレート移動アセンブリを更に備える。

【0048】

別の特徴では、システムは、構成要素の印刷中に、基板の上方のチャンバの領域を加熱するように構成された１つ以上の追加のヒーターを更に備える。

【0049】

別の特徴では、粉末フィーダは、レーザービームと共に粉末を供給して構成要素の層を印刷するように構成されている。

【0050】

別の特徴では、システムは、構成要素の各層の印刷中に粉末フィーダ及びレーザー発生器が静止したままである間、第１の垂直可動プレートを移動させるように構成されたガントリーシステムを更に備える。

【0051】

別の特徴では、チャンバは真空下にある。

【0052】

別の特徴では、チャンバは不活性ガスで満たされている。

【0053】

別の特徴では、システムは、不活性ガスを、基板に近接して配置された入口及び出口を介して、チャンバを通して、印刷の方向とは反対の方向に流すように構成されたガス源を更に備える。

【0054】

他の特徴では、システムは、異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュと、１つ以上のメッシュを振動させるように構成された振動システムと、を更に備える。粉末は、ストックを１つ以上のメッシュに通すことにより、ストックから選択される。選択された粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む。

【0055】

更に他の特徴では、チャンバ内において、非金属材料の完全緻密でクラックフリーの構成要素を、非金属材料で作られた基板上に印刷する方法は、非金属材料の層を基板上に印刷する前に、基板と基板を取り囲むチャンバの領域とを加熱することを含む。本方法は、印刷中に、基板及び基板を取り囲むチャンバの領域を加熱し続けながら、レーザービームを使用して非金属材料の層を基板上に印刷することを更に含む。

【0056】

別の特徴では、非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む。

【0057】

別の特徴では、本方法は、構成要素の印刷中に、基板及び基板を取り囲むチャンバの領域を、非金属材料の延性から脆性への転移温度よりも高い温度に加熱することを更に含む。

【0058】

別の特徴では、本方法は、印刷後、基板及び基板を取り囲むチャンバの領域を加熱し続けながら、チャンバ内の構成要素をアニーリング及び徐冷することを更に含む。

【0059】

別の特徴では、本方法は、印刷後に、構成要素を非金属材料の粉末で取り囲むことにより構成要素を冷却することを更に含む。

【0060】

別の特徴では、本方法は、１つ以上の絶縁材料の１つ以上の層を使用してチャンバを断熱することを更に含む。

【0061】

別の特徴では、非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される。

【0062】

他の特徴では、この方法は、非金属材料の層の各層を印刷する前に、基板に非金属材料を投入することと、投入後にレーザービームを供給して、非金属材料の各層を印刷することと、を更に含む。

【0063】

別の特徴では、本方法は、構成要素の印刷中に基板の上方のチャンバの領域を加熱することを更に含む。

【0064】

別の特徴では、本方法は、前記レーザービームと共に前記非金属材料の粉末を供給して、前記非金属材料の各層を印刷することを更に含む。

【0065】

別の特徴では、本方法は、チャンバ内の真空を維持することを更に含む。

【0066】

別の特徴では、本方法は、チャンバを不活性ガスで満たすことを更に含む。

【0067】

別の特徴では、本方法は、印刷の方向とは反対の方向に、基板に近接して不活性ガスを流すことを更に含む。

【0068】

他の特徴では、本方法は、異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュにストックを通過させること、及び１つ以上のメッシュを振動させることにより、ストックから非金属材料の粉末を選択することを更に含む。選択された粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む。

【0069】

本開示の適用可能な更なる領域が、「発明を実施するための形態」、「特許請求の範囲」、及び図面から明らかとなるであろう。「発明を実施するための形態」及び具体例は、例示のみを目的としており、開示の範囲を限定することを意図していない。

【0070】

本開示は、詳細な説明及び添付の図面からより完全に理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0071】

【図1】図１は、処理チャンバを備える基板処理システムの一例を示す。

【0072】

【図2A】図２Ａは、本開示による、完全緻密シリコン材料を基板上に印刷するための粉末床ベースのシステムを示す。

【図2B】図２Ｂは、本開示による、完全緻密シリコン材料を基板上に印刷するための粉末床ベースのシステムを示す。

【図2C】図２Ｃは、本開示による、完全緻密シリコン材料を基板上に印刷するための粉末床ベースのシステムを示す。

【0073】

【図2D】図２Ｄは、本開示のシステム及び方法を使用して構成要素を印刷するための非金属材料の粉末を選択するためのシステムを示す。

【0074】

【図2E】図２Ｅは、プラズマ回転電極処理（ＰＲＥＰ）を使用して、シリコンなどの材料の粉末を製造するためのシステムを示す。

【0075】

【図3A】図３Ａは、本開示による、完全緻密非金属材料を基板上に印刷するための粉末床ベースの方法を示す。

【図3B】図３Ｂは、本開示による、完全緻密非金属材料を基板上に印刷するための粉末床ベースの方法を示す。

【0076】

【図4A】図４Ａは、本開示の高温粉末床法による、完全緻密でクラックフリーの非金属材料を非金属基板上に印刷するための粉末床ベースのシステムを示す。

【図4B】図４Ｂは、本開示の高温粉末床法による、完全緻密でクラックフリーの非金属材料を非金属基板上に印刷するための粉末床ベースのシステムを示す。

【0077】

【図4C】図４Ｃは、本開示の高温粉末床法による、完全緻密でクラックフリーの非金属材料を非金属基板上に印刷するための粉末床ベースの方法を示す。

【0078】

【図5A】図５Ａは、本開示の高温粉末床法による、完全緻密でクラックフリーの非金属材料の構成要素を非金属基板上に印刷するための粉末供給ベースのシステムを示す。

【図5B】図５Ｂは、本開示の高温粉末床法による、完全緻密でクラックフリーの非金属材料の構成要素を非金属基板上に印刷するための粉末供給ベースのシステムを示す。

【図5C】図５Ｃは、本開示の高温粉末床法による、完全緻密でクラックフリーの非金属材料の構成要素を非金属基板上に印刷するための粉末供給ベースのシステムを示す。

【0079】

【図5D】図５Ｄは、本開示の高温粉末供給法による、非金属材料の構成要素を非金属基板上に印刷するための粉末供給ベースの方法を示す。

【発明を実施するための形態】

【0080】

図面において、参照番号は、類似の及び／又は同一の要素を識別するために再利用されてよい。

【0081】

基板処理システム及び処理チャンバ内で使用される様々な構成要素が高精度で製造される。これら構成要素は、金属で作られているものもあるが、シリコン及びセラミックなどの材料で作られているものもある。基板処理システム及び処理チャンバの一例が、図１を参照して以下に示され説明され、これら構成要素の例、並びにこれら構成要素が動作する過酷な電気的、化学的、及び熱的環境の例が提供される。

【0082】

本開示は以下のように構成されている。最初に、処理チャンバを含む基板処理システムの一例が、図１を参照して示され説明される。続いて、完全緻密印刷法及びクラックフリー印刷法によるシリコン構成要素の３Ｄ印刷のためのシステム及び方法の概要が提供される。続いて、完全緻密印刷法による、完全緻密シリコン構成要素の３Ｄ印刷のためのシステム及び方法が、図２Ａ～図３Ｂを参照して説明される。最後に、完全緻密でクラックフリーの方法による、完全緻密でクラックフリーのシリコン構成要素の３Ｄ印刷のためのシステム及び方法が、図４Ａ～図５Ｄを参照して説明される。

【0083】

図１は、処理チャンバ１０２を備える基板処理システム１００の一例を示す。この例はプラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）との関連で説明されているが、本開示の教示は、原子層堆積（ＡＬＤ）、プラズマ強化ＡＬＤ（ＰＥＡＬＤ）、ＣＶＤ、又はエッチングプロセスを含む他の処理などの、他の種類の基板処理に適用できる。システム１００は、システム１００の他の構成要素を取り囲み、（使用される場合は）ＲＦプラズマを含有する、処理チャンバ１０２を備える。処理チャンバ１０２は、上部電極１０４と、静電チャック（ＥＳＣ）１０６又は他の基板支持体とを備える。動作中、基板１０８はＥＳＣ１０６上に配置される。

【0084】

例えば、上部電極１０４は、プロセスガスを導入及び分配するガス分配装置１１０、例えばシャワーヘッド、を含んでよい。ガス分配装置１１０は、処理チャンバ１０２の上部表面に接続されている一端を含むステム部分を含んでよい。シャワーヘッドのベース部分は、略円筒形であり、処理チャンバ１０２の上部表面から間隔を空けて配置された場所において、ステム部分の反対側の端部から半径方向外向きに延びている。シャワーヘッドのベース部分の基板に面する表面又はフェースプレートは、気化した前駆体、プロセスガス、又はパージガスが流れる複数の穴を含む。代わりに、上部電極１０４は導電性プレートを含んでよく、プロセスガスは別の方法で導入されてよい。

【0085】

ＥＳＣ１０６は、下部電極として機能するベースプレート１１２を備える。ベースプレート１１２は、セラミックマルチゾーン加熱プレートに対応してよい加熱プレート１１４を支持している。加熱プレート１１４とベースプレート１１２との間に熱抵抗層１１６が配置されてよい。ベースプレート１１２は、ベースプレート１１２を通して冷却剤を流すための１つ以上のチャネル１１８を含んでよい。

【0086】

プラズマが使用される場合、ＲＦ生成システム１２０は、ＲＦ電圧を生成し、上部電極１０４及び下部電極（例えば、ＥＳＣ１０６のベースプレート１１２）のうちの一方に出力する。上部電極１０４及びベースプレート１１２のうちの他方は、ＤＣ接地、ＡＣ接地、又はフローティングであってよい。例としてのみ、ＲＦ生成システム１２０はＲＦ電力を生成するＲＦ発生器１２２を含んでよく、ＲＦ電力は、マッチング及び分配ネットワーク１２４により上部電極１０４又はベースプレート１１２に供給される。他の例では、プラズマは、誘導的に又はリモートで生成されてよい。

【0087】

ガス送達システム１３０は、１つ以上のガス源１３２－１、１３２－２、…、及び１３２－Ｎ（総称してガス源１３２）を含み、Ｎはゼロより大きい整数である。ガス源１３２は、バルブ１３４－１、１３４－２、…、及び１３４－Ｎ（総称してバルブ１３４）と、マスフローコントローラ１３６－１、１３６－２、…、及び１３６－Ｎ（総称してマスフローコントローラ１３６）とによってマニホールド１４０に接続されている。蒸気送達システム１４２が、気化した前駆体を、処理チャンバ１０２に接続されたマニホールド１４０又は別のマニホールド（図示せず）に供給する。マニホールド１４０の出力は、処理チャンバ１０２に供給される。

【0088】

温度コントローラ１５０が、加熱プレート１１４内に配置された複数の熱制御要素（ＴＣＥ）１５２に接続されてよい。温度コントローラ１５０を使用して、複数のＴＣＥ１５２を制御して、ＥＳＣ１０６及び基板１０８の温度を制御してよい。温度コントローラ１５０は、冷却剤アセンブリ１５４と通信して、チャネル１１８を流れる冷却剤の流れを制御してよい。例えば、冷却剤アセンブリ１５４は、冷却剤ポンプ、リザーバ、及び１つ以上の温度センサ（図示せず）を含んでよい。温度コントローラ１５０は、冷却剤アセンブリ１５４を操作して、冷却剤をチャネル１１８を通して選択的に流してＥＳＣ１０６を冷却する。バルブ１５６及びポンプ１５８を使用して、反応物質を処理チャンバ１０２から排気してよい。システムコントローラ１６０は、システム１００の構成要素を制御する。

【0089】

理解され得るように、基板処理システム及び処理チャンバ（例えば、シャワーヘッド）で使用される構成要素は、高精度で製造される必要がある。これら構成要素は、金属で作られているものもあるが、シリコン及びセラミックなどの材料で作られているものもある。以下に説明するように、シリコン及びセラミックなどの材料で作られた構成要素の３Ｄ印刷は、従来の３Ｄ印刷システムを使用するとクラックを生じるという、それら材料の脆性的性質に起因して、非常に困難であり、本開示は、この課題に対処するための、及びシリコン及びセラミックなどの材料で作られた完全緻密でクラックフリーの構成要素を３Ｄ印刷するためのソリューションを提供する。

【0090】

簡潔に言うと、完全緻密印刷法において、本開示は、３Ｄ印刷技術（付加造形）を使用して完全緻密シリコン構成要素を印刷するためのシステム及び方法について説明する。本開示の３Ｄ印刷技術は、単一のレーザービームを使用してビルドプレート（すなわち、ビルディングプラットフォーム又は基板）上のシリコン粉末を溶融する、粉末床ベースの選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）である。金属ベース材料の３Ｄ印刷とは異なり、本開示のシステム及び方法は、完全緻密シリコン構成要素を印刷する場合に印刷品質に影響を及ぼす要因に対処する。本開示は、シリコン粉末の粒子モルホロジー、サイズ、及び分布について説明し、印刷戦略、適切なレーザー出力及び印刷速度、及び床予備加熱戦略についても説明する。これらの技術は全て、３Ｄ印刷を使用して完全緻密シリコン構成要素を印刷することに役立つ。本開示のシステム及び方法は、従来のサブトラクティブ機械加工方法を使用して実現できない複雑な内部形体を備える、大きなシリコン構成要素を印刷することができる。

【0091】

加えて、クラックフリー印刷法において、本開示は、低温度勾配を有する３Ｄ印刷装置の設計について説明する。この設計では、シリコン構成要素の印刷中、インサイチュアニーリング中、及び冷却中における温度勾配を最小限に抑えるために、真空チャンバ内の優れた断熱性と共に１つ又は複数のヒーターを使用する。ヒーター及び絶縁材を使用することにより、装置全体にわたって、及び印刷プロセス全体にわたって、均一な高温が、低熱勾配を伴って維持される。ヒーターは、抵抗性又は誘導性ヒーター、ＩＲランプ放射ヒーター、又は（例えば、青色ＬＥＤを使用する）青色光ヒーターのいずれかであり得る。絶縁材料は、硬質炭素繊維絶縁材、又は軟質黒鉛フェルト、又はこれら両方の組み合わせであり得る。高温における炭素及び溶融シリコンと酸素との高い反応性に起因して、装置は真空気密である必要がある。シリコンは、好ましくは、真空チャンバ内で又は不活性ガス（例えば、Ａｒ又はＨｅ）で満たされたチャンバ内で印刷される。

【0092】

クラックフリー印刷法による低熱勾配法は、粉末供給又は粉末床レーザー印刷法のために使用できる。シリコン材料の脆性性質に起因して、熱応力の蓄積を防止するために、シリコン構成要素の印刷及びアニーリング中は、３Ｄ印刷用の基板温度は、シリコンの延性から脆性への転移温度（ＤＢＴＴ）よりも高い（例えば、１０００℃を超える）ことが好ましい。このように、シリコンは印刷中には延性を有する。印刷された構成要素はまた、好ましくは、制御された速度で徐冷される。

【0093】

クラックフリー印刷法による低熱勾配法では、シリコン構成要素の３Ｄ印刷にとってシリコンが好ましい基板であり、シリコンを使用することで、非シリコンの基板を使用した場合に発生する可能性があり、構成要素のクラックにつながる可能性がある、熱膨張係数（ＣＴＥ）の不整合が回避される。シリコンは、金属などの他の材料の基板よりも好ましい基板であり、それは、印刷及びアニーリング中に使用される高温で発生する可能性がある、非シリコン材料からシリコンへの不純物の拡散に起因する汚染が防止されるという追加の理由による。したがって、本開示のクラックフリーの方法を使用することにより、高純度で低熱応力（例えば、クラックフリーの）のシリコン構成要素を印刷することができる。本開示のクラックフリーの印刷法は、アルミナ、炭化ケイ素、セラミックなどの他の脆性材料に適用できる。

【0094】

より具体的には、完全緻密印刷法は、シリコンの３Ｄ印刷に関する以下の懸念に対処する。シリコン用の現在の付加造形技術は、指向性エネルギー堆積法（ＤＥＤ）に基づいている。現在の印刷プロセスでは、レーザーエネルギー密度が不十分であるか又はスパッタ放出が強いことに起因して、印刷されたシリコンサンプルにボイド又は細孔が存在する。

【0095】

したがって、本開示の完全緻密印刷法は、鋼基板を使用することについて説明している。これは、印刷中に基板に加えられる熱衝撃に起因してシリコン基板にクラックが生じて欠ける可能性があるからである。クラックはＺ方向に伝播する可能性があり、それにより、印刷されたサンプルが破壊する場合がある。印刷されたシリコンサンプルへの損傷を回避するために、鋼基板が使用される。鋼の融点はシリコンの融点よりも高いので、シリコン印刷中に鋼が溶融することはない。

【0096】

加えて、完全緻密印刷法では、最初にシリコンの複数のバッファ層が鋼基板上に印刷され、次いで、実際の構成要素用のシリコンの層がバッファ層の上に印刷される。バッファ層が印刷される速度は、構成要素を印刷するためにその後のシリコン層がバッファ層上に印刷される速度よりも速い。これにより、鋼基板とバッファ層上に印刷されたシリコン層との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の不整合が低減される。バッファ層がないと、鋼基板と、構成要素を製造するために鋼基板上に直接印刷されたシリコン層との間に大きなＣＴＥの不整合が存在する可能性があり、これにより、印刷された構成要素の破損につながる可能性がある。構成要素を構築するために印刷されるシリコン層が、介在するバッファ層なしで鋼基板上に直接印刷される場合に鋼基板とシリコン層との間に発生する可能性のあるＣＴＥ不整合を、バッファ層が低減する。

【0097】

更に、完全緻密印刷法では、シリコン層は、以下のような二重印刷法を使用して、バッファ層上に印刷される。バッファ層上に印刷される各シリコン層は２回印刷される（すなわち、２回のパスを使用して）。第１の印刷又はパスでは、層は、第２の印刷又はパスで使用される速度及び出力よりも低い出力のレーザービームを使用して、より速い速度で（すなわち、より短い照射時間のレーザービームで）印刷される。第１の印刷中、低出力は、シリコンを完全に溶融させることはないが、シリコン粒子を結合させる。続いて、第２の印刷中に、低速で高出力のレーザービームが、第１のパスからの材料を、より長い照射時間でスキャンすることにより、第１のパスからの既に結合されたシリコン粒子を完全に溶融し、したがって完全緻密なシリコン層が形成される。したがって、第１の印刷パスは焼結パスと呼ぶことができ、第２の印刷パスは溶融パスと呼ぶことができる。

【0098】

更には、各層における熱応力を均一にするために、各層において、第１のパスにおけるレーザービームの方向は第２のパスにおける方向とは異なり得る。例えば、３つの層Ａ、Ｂ、及びＣが印刷されることになり、各層が２つのパスＰ１及びＰ２を使用して印刷されると想定する。ｍ及びｎがそれぞれ、パスＰ１及びＰ２の間の、基板に沿ったＸ－Ｙ平面内でのレーザービームの角度又は向きを度で示すとする。層Ａの場合、（ｍ，ｎ）＝（０，９０）；層Ｂの場合、（ｍ，ｎ）＝（４５，－４５）；層Ｃの場合、（ｍ，ｎ）＝（９０，０）である。このパターンは、後続の層に対して繰り返される。これにより、層間の熱応力が効果的に低減され、印刷された構成要素においてクラックが防止される。

【0099】

第１のソリューションの二重印刷法はまた、スパッタ放出を低減させる。スパッタ放出は典型的には、印刷チャンバの底を流れる不活性ガスに起因して溶融プールから吹き飛ばされたシリコンの明るい（溶融して空中に浮遊した）粒子を含む。これらの粒子は飛行中に冷却され、風下の印刷されたサンプル上に着地する。これらの粒子は、次の層の印刷中に完全には溶融しない可能性があり、従来の印刷法を使用して印刷された構成要素にボイド又は多孔性を生じさせる可能性がある。対照的に、二重印刷法では、第１の印刷パスにより、これらの放出された粒子は互いに結合され、そしてシリコン粒子に結合され、これらは次いで第２の印刷パス中に完全に溶融する。更に、第１のパスでは低出力のレーザービームが使用されるのでスパッタ放出の量は低減され、第１のパスの間に発生したスパッタ放出はいずれも、第２のパスの間に完全に溶融する。

【0100】

更には、低速で高出力のレーザービームの使用に起因して、第２のパスの間に発生する何らかのスパッタ放出も完全に溶融する。具体的には、最近印刷された領域は、その領域に着地した放出された粒子を溶融させるには、依然として十分に高温である。加えて、放出されたいずれかの粒子が、印刷される領域に着地した場合、これらの粒子は、印刷が続行されてその領域に至った際に、高出力レーザービームにより完全に溶融される。このように、二重印刷法を使用して、多孔性のない完全緻密な構成要素が製造される。

【0101】

完全緻密印刷法では、印刷前に、メッシュを使用してシリコン粉末を濾過（すなわち、選別）して、比較的狭い範囲のサイズを有する粒子を得ることが好ましい。例としてのみ、この範囲は０．５～１００μｍであり得る。別の例として、この範囲は１５～４５μｍであり得る。これにより、粒子が球形で平滑な表面を有すること、及び粒子の凝集がないことが確実になる。すなわち、濾過された粉末は濾過されていない粉末よりも、基板上の粉末床における流れ及び広がりが良好である。ガス噴霧された濾過されていない粉末が濾過のためにメッシュに注がれるとき、メッシュのフィルターサイズが選択され、メッシュは機械的に振動する。例えば、メッシュは機械的に又は超音波を使用して振動させることができる。

【0102】

印刷後、構成要素は、例えばバッファ層を貫通して切断することにより、鋼基板から分離される。バッファ層を貫通して切断することは比較的容易であり、これは、バッファ層を使用することの追加の利点である。分離された鋼基板は、次の構成要素を製造するための新しいバッファ層を受け入れるために、再仕上げ及び準備され得る。

【0103】

完全緻密印刷法では、バッファ層及び二重印刷法の使用に起因して、鋼基板と印刷されたシリコンとの間の大きなＣＴＥ不整合が低減され、印刷されたシリコンにおけるボイドが排除される。例えば、いくつかの初期層がバッファ層上に印刷されている間、バッファ層は、鋼基板と印刷されている層との間のＣＴＥの不整合を低減させて、印刷されたシリコンの破損を防止する。しかしながら、高温ホットゾーンが存在しない従来の金属３Ｄプリンタにおいて完全緻密印刷法を使用する場合は常に、印刷されたシリコンサンプルに大きな熱応力が依然として存在する。従来の金属３Ｄプリンタにおいて印刷された全てのシリコンサンプルには、例外なくマイクロクラックが存在する。

【0104】

印刷されたシリコンにおけるマイクロクラックを排除するために、低温度勾配を有する新しい３Ｄ印刷装置の設計が本開示で説明される。この設計では、１つ又は複数のヒーターを有する真空チャンバを、優れた断熱性と共に使用して、Ｓｉ部品の印刷中、インサイチュアニーリング中、冷却中の温度勾配を最小限に抑える。ヒーターは、抵抗性又は誘導性ヒーター、ＩＲランプ放射ヒーター、又は（例えば、青色ＬＥＤを使用する）青色光ヒーターのいずれかであり得る。絶縁材料は、硬質炭素繊維絶縁材若しくは軟質黒鉛フェルトのいずれか、又はこれら両方の組み合わせであり得る。高温では炭素及びＳｉ溶融物と酸素との反応性が高いので、システムは真空気密環境内に閉じ込められている。例えば、印刷は、真空チャンバ内で又は不活性ガス（例えば、Ａｒ又はＨｅ）で満たされたチャンバ内で行われる。低熱勾配法は、粉末供給又は粉末床レーザー印刷法のために使用できる。

【0105】

シリコン材料の脆性性質に起因して、熱応力の蓄積を防止するために、シリコン構成要素の印刷及びアニーリング中は、３Ｄ印刷用の基板温度は、シリコンのＤＢＴＴよりも高い（例えば、１０００℃を超える）ことが好ましい。印刷された構成要素もまた、徐冷される。ＣＴＥ不整合を回避するために、シリコン構成要素の印刷にはシリコン基板が好ましい。本方法は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、セラミック、アルミナなどの他の脆性材料に適用できる。

【0106】

新規な３Ｄ印刷装置は、シリコン、炭化ケイ素、アルミナ、その他のセラミックなどの脆性材料を印刷するために設計されている。現在、従来の３Ｄ印刷装置は、延性材料であって熱応力に対してより耐性のある金属を印刷するために設計されている。したがって、エクスサイチュアニーリングを使用して熱応力を低減させることができる。しかしながら、現在の３Ｄ印刷装置は、均一に加熱すること、及び基板温度を高く（例えば、＞６００℃に）維持することが不可能であり、溶融プールの温度がシリコンの融点である１４１４℃を超えるような、シリコン構成要素を印刷している間に、大きな温度勾配が生じる。加えて、現在使用されている３Ｄ印刷プロセスの冷却は高速であり制御されていない。シリコン構成要素の印刷及び冷却中の大きな温度勾配により、従来の金属３Ｄ印刷（バッファ層有り又は無しの粉末床印刷又は粉末供給印刷のいずれか）を使用する全ての３Ｄ印刷されたシリコンサンプルにマイクロクラックが発生する。３Ｄ金属プリンタを使用したとき、クラックフリーの印刷されたシリコンサンプルは観察されていない。マイクロクラックは、エクスサイチュアニーリングでは修復できない。

【0107】

したがって、本開示のクラックフリーの印刷法は、１つ又は複数のヒーターを、優れた断熱性と共に使用して、Ｓｉの印刷中、インサイチュアニーリング中、及び、冷却中の温度勾配を最小限に抑えることについて説明している。ヒーターは、抵抗性又は誘導性ヒーター、ＩＲランプ放射ヒーター、又は（例えば、青色ＬＥＤを使用する）青色光ヒーターのいずれかであり得る。絶縁材料は、硬質炭素繊維絶縁材若しくは軟質黒鉛フェルトのいずれか、又はこれら両方の組み合わせであり得る。高温では炭素及びＳｉ溶融物と酸素との反応性が高いので、このシステムは真空気密チャンバを使用する。例えば、シリコン構成要素は、真空チャンバ内で又は不活性ガス（例えば、Ａｒ又はＨｅ）で満たされたチャンバ内で印刷される。

【0108】

図４Ａ～図５Ｄを参照して後述するように、クラックフリーの印刷法によれば、チャンバは矩形にすることができ、その内部を硬質断熱プレートが上側と下側、左側と右側、前側と後ろ側で覆っている。代わりに、チャンバを円筒形にすることができ、その内部を硬質絶縁プレートが上側と下側で覆い、周囲の円筒形の壁を硬質絶縁円筒が遮蔽している。絶縁プレート及び円筒はまた、硬質絶縁材／硬質絶縁材、グラファイト／硬質絶縁材、硬質絶縁材／フェルト、グラファイト／フェルト、炭素繊維複合材料（ＣＦＣ）／フェルトなどの複数の層で作製され得る。フェルトは基本的に、炭素繊維の多数の層で作られた布のような柔らかい材料である。フェルトは、熱が逃げることを防止し、印刷プロセス全体にわたって高温を均一に維持することに役立つ（すなわち、フェルトは、印刷プロセス全体にわたって低熱勾配を維持することに役立つ）。

【0109】

クラックフリーのシリコン印刷法では、後述するように、グラファイト抵抗性ヒーターが好ましく、図４Ａ～図５Ｄに示されるように概略的に配置される。ヒーターを保護するために、１つ以上のグラファイトサセプタ（すなわち、シールド）がサイドヒーターの内側に配置され得る。シリコン粉末は、印刷の各層の完了後に粉末ワイパーにより投入される。全ての層の印刷が完了したとき、印刷されたサンプルはシリコン粉末中に埋め込まれている。シリコン粉末は熱伝導率が低く、印刷された構成要素間の熱伝達を低減させる。

【0110】

シリコン材料の脆性性質に起因して、シリコン構成要素の印刷中に（印刷中にシリコンが延性になるように）、及び熱応力の蓄積を防止するためにアニーリング中に、基板温度がシリコンのＤＢＴＴポイント（例えば、＞１０００℃）よりも大きいことが好ましい。アニーリング温度は、好ましくは１１００～１２００℃である。冷却は、好ましくは、アニーリング温度から４００℃まで５℃／分未満の速度で行われ、その後、不活性ガス（例えば、Ａｒ）の充填が続く。Ｓｉを３Ｄ印刷するための基板は、ＣＴＥ不整合及び汚染を回避するために、Ｓｉ材料でできていることが好ましい。本方法は、セラミック、炭化ケイ素、アルミナなどの他の脆性材料の構成要素を印刷するために使用できる。

【0111】

したがって、ヒーター及び断熱材を使用することにより、本開示のクラックフリーの印刷法は、印刷中及びインサイチュアニーリング中に低温度勾配を維持し、加えて制御された速度での徐冷をもたらし、それにより、熱応力が低減され、印刷されたＳｉ構成要素におけるマイクロクラックが排除される。対照的に、従来の金属３Ｄ印刷装置は、６００℃を超えるように温度を維持すること及び制御された冷却を実施することができず、これにより高い熱応力が発生し、印刷されたＳｉ部品にマイクロクラックが発生し、役立たなくなる。更に、従来の金属３Ｄ印刷装置とは異なり、本開示の印刷法は、Ｓｉ溶融物の酸化を防止するために真空気密チャンバを使用し、グラファイトベースのヒーター及び炭素繊維ベースの断熱材を使用する。

【0112】

本開示のこれら特徴及び他の特徴が、以下に詳細に説明される。図２Ａ～図３Ｂは、本開示の完全緻密印刷法によるシステム及び方法を示す。図４Ａ～図５Ｄは、本開示のクラックフリー印刷法によるシステム及び方法を示す。

【0113】

図２Ａは、本開示の完全緻密印刷法による、シリコンなどの非金属材料の構成要素２０１を金属基板上に３Ｄ印刷するためのシステム２００を示す。システム２００は、チャンバ２０２を備える。チャンバ２０２は、第１のプレート２０４及び第２のプレート２０６を備える。第１のプレート２０４は、構成要素が印刷される基板２０８を支持している。したがって、第１のプレート２０４はまた、ビルディングプレート、ビルディングプラットフォーム、印刷プレート、又は別の適切な名前で呼ばれる。

【0114】

第２のプレート２０６は、非金属材料２１０（例えば、シリコン粉末）を格納する。各層を印刷する前に、投入バー又は粉末ワイパー２１２が非金属材料２１０を基板２０８に供給する。したがって、第２のプレート２０６は、供給プレート、投入プレート、又は別の適切な名称で呼ばれる。

【0115】

チャンバ２０２は、観察窓２１４を備える。観察窓２１４は、熱放散を低減するためにフィルムでコーティングされている。チャンバ２０２はまた、印刷中に基板２０８に近接して不活性ガスを供給するための入口２１６及び出口２１８を備える。不活性ガスの流れの方向は、印刷方向とは反対である。

【0116】

システム２００は、レーザー発生器２２０、レンズ２２２、及び印刷中にレーザービーム２２６を基板２０８に向けるためミラー２２４を更に備える。示されている例では、不活性ガスは右から左に流れ、印刷方向は左から右である。もちろん、印刷とガスの流れの方向とが反対である限り、これらの方向を逆にすることができる。

【0117】

図２Ｂは、システム２００の追加の要素を示す。システム２００は、不活性ガスをチャンバ２０２に供給するための不活性ガス供給部２３０を更に備える。システム２００は、印刷中に第１のプレート２０４を下向きに移動させ、第２のプレート２０６を上向きに移動させるための、プレート移動アセンブリ２３２を更に備える。システム２００は、以下で説明するように、システム２００の全ての要素を制御するコントローラ２３４を更に備える。

【0118】

例えば、システム２００は、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）印刷技術に基づくプリンタと、プラズマ回転電極処理（ＰＲＥＰ、以下の図２Ｄ及び２Ｅを参照して説明される）により製造されたシリコン粉末と、を使用して、シリコンを層ごとに印刷する。例えば、４００Ｗのイッテルビウムファイバーレーザーが使用されてよい。例えば、レーザービーム４２６の焦点スポットの直径は、７０μｍであってよい。レーザーエネルギーは、ポイントバイポイント照射方法により、焦点面（すなわち、ビルドプレート２０４の上面の水平面）に送達される。

【0119】

図２Ｃは、レーザービーム２２６がどのように焦点面（ビルドプレート２０４）にエネルギーを送達するかを概略的に示す。示される各円は、焦点面上のレーザービーム２２６の概略的な投影であり、例えば、７０μｍの直径を有してよい。レーザービーム２２６は、各円の上に、照射時間と呼ばれる短時間にわたって留まり、次いで、ある行において水平方向に隣接する円（次の列）に移動する。移動距離は、図２Ｃに示すように、点距離（例えば、８０μｍ）と呼ばれる。

【0120】

その行が完了すると、レーザービームは次の行に移動する。この移動距離は、図２Ｃに示すように、ハッチ距離（例えば、６０μｍ）と呼ばれる。各円におけるシリコン粉末の溶融は、レーザービーム２２６が（照射時間内に）円の上に留まっているときに起こる。このプロセスでは、レーザー出力及び照射時間に応じて、レーザービーム２２６はシリコンの溶融プールを生成し、そのサイズは円のサイズの約１．５～２倍であり、約２～３層の深さである。したがって、レーザービーム２２６がＸ－Ｙ平面内を走査する際にシリコン粉末粒子が溶融され得るように、シリコン粉末粒子は溶融プールにより十分に覆われている。レーザービーム出力、照射時間、ポイント距離、及びハッチ距離の組み合わせが、３Ｄ印刷のエネルギー密度を決定する。このプロセスを継続するにつれて、この層における選択された全てのシリコン粉末が溶融する。このプロセスは、全ての層が完了するまで続く。

【0121】

本開示では、シリコンの３Ｄ印刷は、以下のように、シリコン粉末、印刷戦略、及び熱応力の側面から制御される。シリコン粉末は、プラズマ回転電極処理（ＰＲＥＰ）法により製造され、この方法は、高度に球形のシリコン粒子を有するシリコン粉末を生成し、図２Ｄ及び図２Ｅを参照して説明される。個々のシリコン粒子は滑らかな表面を有し、粒子凝集はない。例えば、粒子サイズは０．５～１００μｍの範囲にある。別の例として、粒子サイズは１５～４５μｍの範囲にあり得る。

【0122】

図２Ｄは、ＰＲＥＰを使用して製造されたシリコン粉末のストックからシリコン粉末を選択するためのシステム２５０の例を示す。システム２５０は、以下で図２Ｅを参照して説明されるＰＲＥＰを使用して製造されたシリコン粉末のストックを供給するフィーダ２５２を備える。システム２５０は、第２のメッシュ２５６の垂直上方に配置された第１のメッシュ２５４を備える。第１のメッシュ２５４及び第２のメッシュ２５６の断面Ａ－Ａ及びＢ－Ｂに示すように、第１のメッシュ２５４の穴は、第２のメッシュ２５６の穴の直径ｄ２よりも大きい直径ｄ１を有する。

【0123】

フィーダ２５２は、ＰＲＥＰを使用して製造されたシリコン粉末のストックを第１のメッシュ２５４に供給する。振動システム２５８が、第１のメッシュ２５４及び第２のメッシュ２５６を振動させる。例えば、振動システム２５８は、第１のメッシュ２５４及び第２のメッシュ２５６を機械的に又は超音波を使用して振動させてもよい。振動によって行われるふるい分けプロセスの終了時点で、直径がｄ１からｄ２の間である粒子を有するシリコン粉末が、第２のメッシュ２５６に残り、これが、構成要素２０１を印刷するための非金属材料２１０として使用される。

【0124】

例えば、第１のメッシュ２５４の穴は、サイズが８８μｍであってもよく、第２のメッシュ２５６の穴は、サイズが５３μｍであってもよい。第１のメッシュ２５４は、大きすぎる（例えば、サイズが８８μｍを超える）粒子をふるい分けする。第２のメッシュ２５６は、小さすぎる（例えば、サイズが５３μｍ未満の）粒子をふるい分けする。第２のメッシュ２５６に残された粉末が、印刷のために収集される。収集された粉末中の粒子は、粉末供給プリンタの粉末供給ホース（図示せず）を詰まらせることなくスムーズに流れる。

【0125】

代わりに、単純化された粉末ふるい分けプロセスでは、選択されたサイズ（例えば、６３μｍ）の穴を有する１つのメッシュのみが振動システム２５８と共に使用されて、大きな粒子（例えば、サイズが、＞６３μｍ）がふるい分けされてもよい。このようにして、選択されたサイズ（例えば、６３μｍ）よりも小さいサイズのシリコン粉末を取得して、印刷に使用することができる。選択されたサイズよりも小さいサイズの一部の粒子（例えば、４０μｍ～６０μｍ）が、ふるい（すなわち、メッシュ）を通過できない場合がある。この例では、最終的に、粉末粒子の大部分は４０μｍ未満のサイズであるが、印刷に最適な粒子サイズは約３２μｍである場合がある。

【0126】

一般に、メッシュサイズは、所望の粒子サイズに応じて選択され得ることが理解される。例えば、粒子サイズがｘμｍとｙμｍの間であることが望まれ、ｙ＞ｘである場合、第１のメッシュ２５４の直径ｄ１は、ｙ以上（すなわち、ｄ１≧ｙ）であり、第１のメッシュ２５４の直径ｄ１は、ｙ以上（すなわち、ｄ１≦ｘ）でなければならない。

【0127】

したがって、２メッシュソリューションは、粉末ストックがどのように製造されたかに制約されることなく使用されてよい（すなわち、ストックは、ＰＲＥＰを使用して製造される必要はない）。シングルメッシュソリューションは、メッシュ穴の直径よりも小さい粒子サイズが許容可能な場合に、噴霧粉供給ストックと共に使用されてよい。一般に、いずれかのソリューションを使用して、比較的狭い範囲（例えば、０．５～１００μｍ）のサイズを有するシリコン粉末が印刷用に選択されてよい。別の例として、いずれかのソリューションを使用して、１５～４５μｍの範囲のサイズを有するシリコン粉末が印刷用に選択されてよい。

【0128】

図２Ｅは、プラズマ回転電極処理（ＰＲＥＰ）法を使用して、シリコンなどの材料の粉末を製造するためのシステム２８０を示す。システム２８０は、チャンバ２８２を備える。チャンバ２８２を通して不活性ガスが循環される。粉末製造用の材料（例えば、シリコン）で作られた電極２８４が、モータ２８６のシャフトに結合されている。プラズマトーチ２８８が電極２８４の遠位端を加熱して、モータ２８６が回転されながら、プラズマ２９０が発生される。その結果、電極２８４の遠位端が溶融して溶融液体になる。溶融液体は、回転電極２８４の遠心力により射出されて液滴２９２に粉砕される。液滴２９２は固化して粉末になる。ＰＲＥＰ法を使用してこのように製造された粉末は、本開示のシステム及び方法における供給ストックとして使用される。

【0129】

上記のＰＲＥＰ法を使用して製造された粉末などの、粉末又は粒状材料の粒子サイズ分布（ＰＳＤ）は、値のリストであるか、又はサイズに応じて存在する粒子の相対的な量、典型的には質量、を定義する数学的関数である。ＰＳＤを決定する最も一般的な方法はふるい分析であり、この方法では、異なるサイズのふるいで粉末が分離される（例えば、上記の図２Ｄを参照して説明したように）。したがって、ＰＳＤは、離散的なサイズ範囲で定義され、例えば、「４５μｍ～５３μｍのサンプルの％」は、このようなサイズのふるいが使用される場合に定義される。ＰＳＤは通常、サンプル中に存在するほぼ全てのサイズをカバーするサイズ範囲のリストを包含して決定される。いくつかの決定方法では、ふるいを使用して得られるよりも遥かに狭いサイズ範囲を定義することが可能であり、ふるいで利用可能な範囲外の粒子サイズに適用可能である。しかしながら、特定のサイズを超える粒子を保持し、そのサイズを下回る粒子を通過させるふるいの概念は、ＰＳＤデータを提示する際に一般的に使用される。

【0130】

ＰＳＤは、各サイズ範囲における量が順番にリストされた範囲分析として表現されてよい。ＰＳＤはまた、単一の概念的なふるいにより保持された又はそれを通過した全てのサイズの合計がサイズ範囲に与えられる累積形式で示されてもよい。範囲分析は、特定の理想的な中程度の粒子サイズが求められている場合に好適であり、累積分析は、アンダーサイズ又はオーバーサイズの量を制御する必要がある場合に使用される。

【0131】

ＰＳＤが決定され得る前に、代表サンプルが取得される。分析される材料が流れている場合、サンプルは、サンプルがストリームと同じ粒子サイズの比率を有するようにストリームから取り出される。好ましくは、全ての時間に対してストリームの一部分が採取されるのではなく、ストリーム全体の多数のサンプルが、一定期間にわたって採取される。サンプリング後、典型的にはサンプル量は低減される必要がある。分析対象の材料はブレンドされ、サンプルは粒度偏析を回避する手法を使用して（例えば、回転分割器を使用して）取り出される。

【0132】

本開示のシステム及び方法で使用されるシリコン粉末の粒子サイズを測定するために、様々なＰＳＤ測定技術が使用されてよい。ＰＳＤ測定技術のいくつかの例を以下に説明する。例えば、ふるい分析は単純で安価な手法である。ふるい分析法は、保持された量がほぼ一定になるまで、ふるいでサンプルを単に震盪することを含んでよい。この手法は、バルク材料に適している。

【0133】

代わりに、写真分析手順により材料が分析されてよい。時間を要し、時には不正確であり得るふるい分析とは異なり、測定対象の材料のサンプルの写真を撮り、ソフトウェアを使用して写真を分析することにより、迅速で正確な測定が可能になる。別の利点は、材料を取り扱うことなく、材料を分析できることである。

【0134】

他の例では、ＰＳＤは、計数線に対して寸法出しを行い計数することにより、顕微鏡で測定できる。統計的に有効な分析では、数百万個の粒子が測定される。電子顕微鏡写真の自動分析を使用して、０．２～１００μｍの範囲内の粒子サイズが決定される。

【0135】

コールターカウンタは、個々の非導電性粒子が通過するときに発生する、オリフィスを通過する液体の導電率の瞬間的な変化を測定できる電気抵抗カウント法の一例である。粒子数は、パルスをカウントすることにより得られる。このパルスは、感知された粒子の体積に比例する。この方法を使用して、非常に少量のサンプルアリコートを検査することができる。

【0136】

他の例には、沈殿手法が含まれる。これらの手法は、粘稠液体中に浮遊する粒子が得る終端速度の研究に基づいている。これらの手法は、沈降速度の関数として粒子サイズを決定する。沈殿時間は、最も細かい粒子の場合に最長となる。したがって、この手法は１０μｍ未満のサイズに役立つ。ブラウン運動の影響に起因して、サブマイクロメートルの粒子を確実に測定することはできない。典型的な測定装置は、サンプルを液体中に分散させ、次いで、一定間隔でカラムの密度を測定する。他の技術は、可視光又はＸ線を使用して、連続する層の光学密度を決定する。

【0137】

レーザー回折法は、レーザービームが空気中又は液体中の粒子の分散を通過するときに生成される回折光のハローの分析に依存する。粒子サイズが小さくなるのにつれて、回折角は大きくなる。したがって、本方法は、０．１～３，０００μｍのサイズの測定に特に適している。データ処理及び自動化の進歩に起因して、本方法は産業用のＰＳＤ決定において使用される主要な方法である。この手法は比較的高速であり、非常に小さなサンプルで実施できる。この手法は、プロセスストリームを分析するための連続的な測定値を生成できる。レーザー回折は、分散した粒子サンプルをレーザービームが通過する際に、散乱光の強度の角度変化を測定することにより、粒子サイズ分布を測定する。大きな粒子はレーザービームに対して小さな角度で光を散乱し、小さな粒子は大きな角度で光を散乱する。次いで、光散乱のミー理論又はフラウンホーファー近似を使用して、角度散乱強度データが分析されて、散乱パターンの形成に関与した粒子のサイズが計算される。粒子サイズは、体積が等価な球体の直径として報告される。

【0138】

レーザー遮蔽時間（ＬＯＴ）法、又は遷移時間（ＴＯＴ）法では、集束されたレーザービームが一定の周波数で回転し、サンプル媒体中の粒子と相互作用する。ランダムにスキャンされた粒子の各々が、専用のフォトダイオードへのレーザービームを遮蔽し、このフォトダイオードが遮蔽時間を測定する。遮蔽時間ｔは、方程式Ｄ＝Ｖ×ｔ（式中、Ｖはビームの回転速度）により粒子の直径Ｄに直接関係する。

【0139】

音響分光法又は超音波減衰分光法では、光の代わりに、この超音波を使用して、流体中に分散された粒子に関する情報を収集する。分散された粒子は超音波を吸収及び散乱する。光のように散乱エネルギー対角度を測定する代わりに、超音波の場合は、伝送エネルギー対周波数を測定する方が良い選択である。結果として得られる超音波減衰周波数スペクトルは、粒子サイズ分布を計算するための生データである。このスペクトルは、希釈及び他のサンプル前処理を行うことなく、あらゆる流体システムについて測定できる。粒子サイズ分布の計算は、分散された粒子の最大５０体積％について十分に検証された理論モデルに基づいている。濃度が増加し、粒子サイズがナノスケールに接近するにつれて、従来のモデリングは、実際の減衰スペクトルを正確に反映させるために、剪断波再変換効果を含む必要がある。

【0140】

図２Ｅに示されるＰＲＥＰシステムにより生成されたシリコン粉末が、図２Ｄに示されるシステムを使用してふるい分けされた後、シリコン粒子のＰＳＤが、上述したＰＳＤ測定技術のうちの１つ以上を使用して決定される。本開示のシステム及び方法において使用するために選択された粉末は、より高密度でより球形である。例えば、粉末の９０重量％は、体積ベースの粒子サイズをＤ＝２×［３×Ｖ／（４×π）］＾（１／３）と定義すると、０．５～１００μｍの範囲（又は、別の例では、１５～４５μｍの範囲）の粒子サイズを有する。球体又は球状という用語は、粒子の形状を表すために使用されるが、少なくとも９０％の粒子が、測定された（顕微鏡を使用して測定された）最長直径より最大でも５％だけ小さい体積ベースの粒子サイズを有する。

【0141】

印刷は次のように実施される。コントローラ２３４は、シリコンを印刷するためのチャンバ２０２内に不活性な印刷雰囲気を作り出す。具体的には、シリコン印刷プロセスは、コントローラ２３４が、チャンバ２０２内の空気及び水分を除去するために真空を引くことから始まる。次いで、コントローラ２３４は、不活性ガス供給部２３０からの不活性ガス（例えば、アルゴン）でチャンバ２０２を満たして、印刷中のシリコンの酸化を回避する。コントローラ２３４は、チャンバ２０２の底部において、不活性ガスを一方の端部（例えば、２１６）から別の端部（例えば、２１８）に循環させる。不活性ガスの流れは、後述するように、スパッタ放出された粒子を、印刷されたサンプルから吹き飛ばす。

【0142】

シリコン基板は、印刷中の熱衝撃に起因して破損して欠ける可能性がある。クラックはｚ方向に伝播する可能性があり、それにより、印刷された構成要素２０１が破壊する場合がある。したがって、シリコン構成要素を印刷するためにシリコン基板が使用される場合に、印刷された構成要素に起こり得る損傷を回避するために、鋼基板２０８が使用される。鋼の融点はシリコンの融点よりも高く、したがってシリコン印刷中に溶融することはない。鋼は基板材料の一例にすぎない。基板に使用される材料の融点が、シリコン（又は構成要素２０１に印刷するために使用される非金属材料２１０の融点）よりも大きい限り、他の多数の金属、合金、及び非脆性材料が代わりに基板２０８として使用され得る。

【0143】

レーザーエネルギーの強度を規定するためにレーザーのエネルギー密度が計算される。具体的には、エネルギー密度は（レーザーパワー×照射時間）／（ポイント距離×ハッチ距離）に等しい。この方程式は、粉末の層の厚さを考慮せずに２Ｄエネルギー密度を与え、Ｘ－Ｙ平面におけるレーザーエネルギーの強度を規定する。

【0144】

本開示では、層の厚さは、レーザーエネルギーの強度を計算するために２Ｄエネルギー密度のみが必要とされるような値（例えば、３０μｍ）に設定される。エネルギー密度が低すぎると、溶融プールのサイズが小さくなり、層内の全ての粉末粒子を溶融することができない可能性がある。溶融していないシリコン粉末は、冷却中に不連続な溶融プールを形成し、これにより、現在の層において表面粗さ及び細孔が増加する。これは、例えば、エネルギー密度が５μＪ／μｍ²未満の場合に生じる。

【0145】

エネルギー密度が増加するにつれて、溶融プールのサイズは増加し、溶融した液滴の流動性が向上する。印刷された構成要素は細孔より少なくなり、印刷された構成要素の相対密度は増加する。これは、例えば、５～１４μＪ／μｍ²のエネルギー密度レベルに対応する。しかしながら、エネルギー密度が更に増加すると、シリコン粉末は過燃焼し、印刷された構成要素の形状の精度が損なわれる可能性がある。

【0146】

本開示では、シリコンを印刷するために、コントローラ２３４は、例えば、エネルギー密度を、１０～１４μＪ／μｍ²の範囲で設定してよい。エネルギー密度がこの範囲に設定されると、シリコン粉末は完全に溶融し、印刷されたシリコン構成要素は完全緻密になる。

【0147】

バッファ層２２８と呼ばれる、シリコンの複数の層（例えば、約５０層）が、最初に鋼基板２０８上に印刷される。バッファ層２２８の各層は１回印刷され、迅速に印刷される（すなわち、高速レーザー走査により）。例えば、レーザーは２００Ｗに設定されてよく、照射時間は５０μｓに設定されてよい。この例では、対応するエネルギー密度は２．１μＪ／μｍ²にすぎない。エネルギー密度が低いことに起因して、一部のシリコン粉末が完全に溶融しない場合がある。しかしながら、バッファ層２２８の目的は、シリコン粉末を完全に溶融することではない。むしろ、既に上で詳細に説明したように、バッファ層２２８は、鋼基板２０８と、続いてバッファ層２２８の上に印刷される印刷されたシリコン構成要素２０１の下層との間の熱膨張の不一致を回避することができる。

【0148】

バッファ層２２８を印刷した後、構成要素２０１の印刷が開始される。構成要素２０１は、構成要素２０１の各層に対して二重印刷を使用して、バッファ層２２８の上に印刷される。例えば、層の第１の印刷（第１の副層の印刷とも呼ばれる）におけるレーザー出力は、２４０Ｗ（バッファ層２２８を印刷するのに使用された出力よりも高い）に設定されてもよく、照射時間は５０μｓに設定されてもよい（すなわち、第１の副層も迅速に印刷される；バッファ層２２８とほぼ同様である）。

【0149】

層の第２の印刷（第２の副層の印刷とも呼ばれる）は、第１の印刷のパスを繰り返す。レーザー出力及び照射時間は、第２の印刷中に増加される（例えば、３５０Ｗ、１５０μｓ）。したがって、第２の副層を印刷するためのエネルギー密度は、第１の副層を印刷するためのエネルギー密度よりも大きい。例えば、レーザー出力及び照射時間の上記の例を使用すると、各層の２つの副層の印刷のためのエネルギー密度は、それぞれ、２．５μＪ／μｍ²及び１１．０μＪ／μｍ²であってよい。

【0150】

第１の印刷（すなわち、第１の副層の印刷）は、この層中のシリコン粉末の一部を溶融し、更に、構成要素２０１の形状を画定する。次いで、第２の印刷が、第１の印刷で溶融しなかったシリコン粉末を完全に溶融させる。第２の印刷におけるより高いエネルギー密度はまた、印刷されたシリコン構成要素２０１の温度を高いレベルに上昇させて、印刷における高速加熱－冷却サイクルにおいて冷却を遅くする。現在印刷されている層の徐冷は、現在印刷されている層のバッファ層２２８により提供されるものと同様の熱的な目的を、その後に印刷される層に対して提供する。

【0151】

コントローラ２３４は、シリコン粉末が完全に溶融し、シリコン粉末の過燃焼も回避されるように、第２の印刷のエネルギー密度を選択する。この二重印刷法はまた、印刷された構成要素を粒子のスパッタ放出に起因する汚染から保護し、したがって、以下に説明する、スパッタ放出により誘起される細孔を回避する。

【0152】

スパッタ放出は、各層の印刷中の反跳圧に起因して、シリコン（又は非金属材料２１０）の明るい（高温の）粒子が溶融プールから放出されるときに発生する。これらの粒子は飛行中に冷却され、風下方向（不活性ガスの流れ方向）にある印刷された構成要素上に着地してよい。例えば、図２Ａに示されるように、アルゴンは、チャンバ２０２の右下（２１６）から左下（２１８）に流れてよく、レーザービーム２２６は、左から右に走査してよく、その結果、スパッタ放出粒子は、印刷される層の左側に（風下方向に）吹き付けられる。したがって、レーザービーム２２６が左から右に移動すると、放出された粒子の一部は、印刷されている層の左側に着地してよい。着地したスパッタ放出粒子は、一般にシリコン粉末のサイズよりも大きく、次の層の印刷中に、レーザービームによって完全に溶融されることがない可能性がある。これにより、多孔性の問題が生じ、印刷された構成要素の強度が低下する可能性がある。

【0153】

スパッタ放出は、高いエネルギー密度及び／又は低い印刷速度により引き起こされる可能性がある。本開示によれば、層を印刷する二重印刷法は、層の第１の副層を低エネルギー密度のレーザービームで印刷して、第１の印刷における形状を画定する。低いエネルギー密度（例：２．５μＪ／μｍ²）及び速い印刷速度（例：１３００ｍｍ／ｓ）は、スパッタ放出の強度を低下させる。シリコン粉末の大部分が、このステップで溶融され、レーザービーム２２６が停止した後、溶融されていないシリコン粉末の周りで固化する。これにより、未溶融の粉末が反跳圧力によりスパッタされることが防止される。次いで、第１の印刷よりも高いエネルギー密度のレーザービームと遅い印刷速度とを用いた第２の印刷（すなわち、第１の副層上への第２の副層の印刷）が、全ての未溶融のシリコン粉末を完全に溶融させ、スパッタ放出の強度が大幅に低減される。二重印刷戦略は、スパッタ放出の強度を効果的に低減し、スパッタ放出により引き起こされる多孔性の問題を大幅に最小限に抑える又は排除する。

【0154】

図３Ａは、本開示による、バッファ層及び二重印刷を使用して、非金属材料の構成要素を金属基板上に印刷するための方法３００を示す。図３Ｂは、二重印刷法３５０を更に詳細に示す。例えば、方法３００及び３５０は、コントローラ２３４により実施される。

【0155】

図３Ａでは、３０２において、方法３００は、ＰＲＥＰを使用して製造されたシリコン粉末のストックを、（例えば、図２Ｄに示される）１つ以上のメッシュ及び振動システムを使用することにより濾過又はふるい分けする。３０４において、方法３００は、構成要素の層を印刷する前に、非金属材料の複数のバッファ層を金属基板上に印刷する。３０６において、方法３００は、図３Ｂに詳細に示される二重印刷法３５０を使用して、各構成要素の層をバッファ層上に印刷する。

【0156】

３０８において、方法３００は、構成要素の全ての層が印刷されたかどうかを判定する。３１０において、構成要素の全ての層がまだ印刷されていない場合（すなわち、構成要素の印刷がまだ完了していない場合）、方法３００は、非金属材料の濾過又はふるい分けされた粉末を粉末床に供給して、構成要素の次の層を印刷し、方法３００は３０６に戻る。３１２において、構成要素の全ての層が印刷された場合（すなわち、構成要素の印刷が完了した場合）、方法３００は、非金属材料の印刷された構成要素を金属基板から分離し、方法３００は終了する。

【0157】

図３Ｂは、二重印刷法３５０を更に詳細に示す。３５２において、方法３５０は、構成要素の層の第１及び第２の副層を印刷するための第１及び第２の角度を選択する。３５４において、方法３５２は、第１のパスにおいて、選択された第１の角度に向けられた高速走査する低出力レーザービームを使用して、構成要素の層の第１の副層を印刷する。３５６において、方法３５２は、第２のパスにおいて、選択された第２の角度に向けられた低速走査する高出力レーザービームを使用して、構成要素の層の第２の副層を印刷する。

【0158】

３５８において、方法３５０は、構成要素の全ての層が印刷されたかどうかを判定する。３６０において、構成要素の全ての層がまだ印刷されていない場合（すなわち、構成要素の印刷がまだ完了していない場合）、方法３５０は、構成要素３５４の次の層を印刷するために使用される第１及び第２の角度のうちの少なくとも１つを変更し、方法３５０は３５４に戻る。方法３５０は、構成要素の全ての層が印刷された場合（すなわち、構成要素の印刷が完了した場合）、終了する。

【0159】

したがって、本開示の第１のソリューションによるシステム２００及び方法３００の利点は以下を含む。ＰＲＥＰを使用して製造された非金属材料の粉末は、ガス噴霧で製造された従来の粉末と比較して遥かに高い品質を有する。ＰＲＥＰを使用して製造された粉末の粒子もまた、非常に球形であり、表面は平滑である。したがって、ＰＲＥＰを使用して製造された粉末の流動性及び展延性は、ガス噴霧を使用して製造された粉末のものよりも遥かに良好である。更に、粒子の直径は、上述したような１つ以上のメッシュ及び振動を使用して制御及び選択される。

【0160】

金属（例えば、鋼）基板は、印刷されたシリコン構成要素を破損から保護する。理想的には、シリコン基板が基板材料として唯一の又は好ましい候補である。しかしながら、シリコン基板は、印刷中に高い熱負荷（又は高温度勾配）を受けると破損する可能性があり、印刷されたシリコン構成要素を通ってクラックが伝播し、破損を引き起こす可能性がある。延性材料である鋼は、高温度勾配に耐えることができ、破損することがない。

【0161】

バッファ層は、鋼基板と印刷されたシリコンとの間（すなわち、金属基板と、金属基板上に印刷されている、構成要素の非金属層との間）のＣＴＥ不整合を低減する。更に、第１の印刷（すなわち、構成要素の各層の第１の副層の印刷）は、構成要素の形状を規定する。大部分のシリコン粉末は第１の印刷で溶融する。溶融プールの散逸は、溶融シリコンに取り囲まれた未溶融シリコン粉末を抑制する。したがって、第１の印刷では、スパッタ放出が大幅に低減されると共に、印刷速度が速くなる。これにより、スパッタ放出により引き起こされる可能性のある、印刷構成要素における細孔やボイドが回避される。次いで、第２の印刷が、未溶融のシリコン粉末を全て完全に溶融させ、次の層の印刷が開始される前に構成要素の温度を高いレベルに上昇させる。

【0162】

図４Ａ～図４Ｃは、本開示のクラックフリーの印刷法に従う、非金属脆性材料の構成要素を同じ非金属材料の基板上に３Ｄ印刷するための、粉末床ベースのシステム及び方法を示す。図４Ａは、非金属材料の構成要素４０１を同じ非金属材料の基板上に３Ｄ印刷するための粉末床ベースのシステム４００を示す。システム４００は、チャンバ４０２を備える。チャンバ４０２は、第１のプレート４０４及び第２のプレート４０６を備える。第１のプレート４０４は、構成要素４０１が印刷される基板４０８を支持している。したがって、第１のプレート４０４はまた、ビルディングプレート、ビルディングプラットフォーム、印刷プレート、又は別の適切な名前で呼ばれる。

【0163】

第２のプレート４０６は、非金属材料４１０を格納する。各層を印刷する前に、投入バー又は粉末ワイパー４１２が、非金属材料４１０を基板４０８に供給する。したがって、第２のプレート４０６は、供給プレート、投入プレート、又は別の適切な名称で呼ばれる。

【0164】

チャンバ４０２は、観察窓４１４を備える。観察窓４１４は、熱放散を低減するためにフィルムでコーティングされている。チャンバ４０２はまた、印刷中に基板４０８に近接して不活性ガスを供給するための入口４１６及び出口４１８を備える。不活性ガスの流れの方向は、印刷方向とは反対である。示されている例では、不活性ガスは右から左に流れ、印刷方向は左から右である。もちろん、印刷とガスの流れの方向とが反対である限り、これらの方向を逆にすることができる。システム４００は、レーザー発生器４２０、レンズ４２２、及び印刷中にレーザービーム４２６を基板４０８に向けるためミラー４２４を更に備える。

【0165】

チャンバ４０２は、絶縁材料４２８で断熱されている。絶縁材料４２８については、以下で更に詳細に説明する。構成要素４０１の印刷前及び印刷中に基板４０８を加熱するために、ヒーター４３０が使用される。第１のプレート４０４の上部とヒーター４３０の下部との間に絶縁材料４２８の層が配置される。印刷中に基板４０８を取り囲む領域を加熱するために、１つ以上のヒーター４３２が使用される。基板４０８を取り囲む領域の温度を感知するために、温度センサ４３４が使用される。ヒーター４３０、４３２は、感知された温度に基づいて制御される。

【0166】

図４Ｂは、システム４００の追加の要素を示す。システム４００は、不活性ガスをチャンバ４０２に供給するための不活性ガス供給部４５０を更に備える。システム４００は、印刷中に第１のプレート４０４を下向きに移動させ、第２のプレート４０６を上向きに移動させるための、プレート移動アセンブリ４５２を更に備える。システム４００は、ホットゾーン内で所望の温度を維持するための、（温度／ヒーター電力コントローラ４５６として示される）電源及び温度コントローラを更に備える。システム４００は、以下で説明するように、システム４００の全ての要素を制御するコントローラ４５４を更に備える。

【0167】

現在の３Ｄ印刷装置は、延性材料であって熱応力に対してより耐性のある金属を印刷するために設計されている。したがって、エクスサイチュアニーリングを使用して熱応力を低減させることができる。しかしながら、現在の従来の３Ｄ印刷装置は、均一な加熱ができず、約６００℃を超える基板温度を維持することができない。したがって、溶融池の温度がシリコンの融点（１４１４℃）よりも高く、隣接するシリコン（すなわち、溶融池に隣接するシリコン）の温度が７００℃未満である可能性があるので、これらの機械で印刷されるシリコン構成要素に大きな温度勾配が生じる可能性がある。加えて、現在の３Ｄ印刷装置では、冷却は急速であり制御されていない。印刷中の大きな温度勾配と急速なクールダウンとにより、従来の３Ｄプリンタを使用した３Ｄ印刷されたシリコン構成要素にマイクロクラックが発生する。マイクロクラックは、エクスサイチュアニーリングでは修復できない。

【0168】

したがって、システム４００は、３Ｄ印刷装置に低温度勾配を提供する。システム４００は、１つ又は複数のヒーター４３０、４３２を断熱材（すなわち、絶縁材料４２８）と共に使用して、印刷中、インサイチュアニーリング中、及び冷却中の温度勾配を最小限に抑える。ヒーター４３０、４３２は、抵抗性又は誘導性ヒーター、赤外線（ＩＲ）ランプ放射ヒーター、又は（例えば、青色ＬＥＤを使用する）青色光ヒーターのいずれかであり得る。絶縁材料４２８は、硬質炭素繊維絶縁材若しくは軟質黒鉛フェルトのいずれか、又はこれら両方の組み合わせであり得る。印刷中の高温における炭素及び溶融シリコンと酸素との高い反応性に起因して、システム４００は真空気密である必要がある。印刷は、真空において、又はチャンバ４０２が不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｈｅ）で満たされている不活性環境において行うことが好ましい。

【0169】

一実施形態では、チャンバ４０２は、形状が矩形であり、硬質絶縁プレート（すなわち、絶縁材料４２８の硬質プレート）が内部を上側と下側、左側と右側、前側と後ろ側で覆っている。別の実施形態では、チャンバ４０２は、形状が円筒形であり、硬質絶縁プレートが内部を上側と下側で覆い、硬質絶縁円筒が周囲の円筒壁を遮蔽している。他の形状が考えられる。

【0170】

絶縁プレート又は円筒は、硬質絶縁材／硬質絶縁材、グラファイト／硬質絶縁材、硬質絶縁材／フェルト、グラファイト／フェルト、炭素繊維複合材料（ＣＦＣ）／フェルトなどの複数の層で作製され得る。フェルトは基本的に、炭素繊維の多数の層で作られた布のような柔らかい材料である。絶縁材は、熱が逃げることを防止し、印刷プロセス全体にわたって高温を均一に維持することに役立つ（すなわち、絶縁材とヒーターは、印刷プロセス全体にわたって低熱勾配を維持することに役立つ）。

【0171】

シリコンの３Ｄ印刷には、グラファイト抵抗ヒーターが好ましい。ヒーター４３２を保護するために、グラファイトサセプタ（すなわちシールド（図示せず））をサイドヒーター４３２の内部に配置することができる。完全緻密印刷法において説明したようにシリコン粉末が選択されるので、簡潔のために選択プロセスは繰り返さない。シリコン粉末は、各層の印刷が完了した後に粉末ワイパー４１２により投入される。全ての層の印刷が完了したとき、印刷された構成要素４０１はシリコン粉末中に埋め込まれている。シリコン粉末はまた、熱が水平方向に放散することを防止することもできる。シリコン粉末は熱伝導率が低く、印刷された構成要素の冷却を僅かに遅らせる。

【0172】

シリコンの脆性であるという性質に起因して、熱応力の蓄積を防止するために、印刷された構成要素４０１の印刷及びアニーリング中は、３Ｄ印刷の基板温度は、シリコンの延性から脆性への転移温度、すなわちＤＢＴＴよりも高い（すなわち、１０００℃を超える）ことが好ましい。例えば、アニーリング温度は、１１００～１２００℃であることが好ましい。印刷された構成要素４０１を制御された速度で徐冷することも好ましい。例えば、冷却は、アニーリング温度から約４００℃まで５℃／分未満の速度であることが好ましく、その後、不活性ガス（例えば、Ａｒ）の充填が続く。シリコンの構成要素４０１の３Ｄ印刷用の基板４０８は、好ましくは、基板４０８と構成要素４０１との間のＣＴＥの不整合と、他の材料で作られた基板からの汚染とを回避するためにシリコンで作製される。この概念は、アルミナ、炭化ケイ素、セラミックなどの他の脆性材料に適用できる。

【0173】

図４Ｃは、本開示の第２のソリューションによる、非金属材料の構成要素（例えば、要素４０１）を同じ非金属材料の基板（例えば、要素４０８）上に３Ｄ印刷するための粉末床ベースの方法４８０を示す。例えば、方法４８０はコントローラ４５４により実施される。

【0174】

４８２において、方法４８０は、断熱されたチャンバ内に真空を作り出す、又は断熱されたチャンバ（例えば、チャンバ４０２）を不活性ガス（例えば、アルゴン）で満たす。４８４において、構成要素４０１の印刷を開始する前に、方法４８０は、１つ以上のヒーター（例えば、ヒーター４３０、４３２）を使用して、基板４０８と、印刷領域に近接する領域（すなわち、基板４０８を取り囲む領域）を加熱する。

【0175】

４８６において、方法４８０は、濾過又はふるい分けされたシリコン粉末を供給して、基板４０８上に粉末床を形成する。方法４８０は、１つ以上のヒーター４３０、４３２により供給される熱を維持しながら、レーザービーム４２６を照射してシリコン粉末の層を印刷する。方法４８０は、チャンバ４０２内の（例えば、基板を取り囲む領域の）温度を感知し、基板４０８及び周囲領域の温度を、シリコン（又は構成要素を印刷するために使用される非金属材料）のＤＢＴＴを超える温度に維持する。

【0176】

４８８において、方法４８０は、構成要素４０１の全ての層が印刷されたかどうか（すなわち、構成要素の印刷が完了したかどうか）を判定する。構成要素４０１の全ての層がまだ印刷されていない場合（すなわち、構成要素の印刷がまだ完了していない場合）、方法４８０は４８６に戻る。

【0177】

４９０において、方法４８０は、コントローラ４５４の制御下でヒーター４３０、４３２により供給される熱を維持しながら、印刷された構成要素４０１をアニールする。４９２において、方法４８０は、コントローラ４５４の制御下で、ヒーター４３０、４３２、絶縁材４２８を使用して、そして印刷された構成要素を取り囲むシリコン粉末を使用して、印刷された構成要素４０１のアニーリング及び冷却を制御し、方法４８０が終了する。

【0178】

図５Ａ～図５Ｄは、本開示のクラックフリーの印刷法に従う、非金属材料の構成要素を同じ非金属材料の基板上に３Ｄ印刷するための、粉末供給に基づくシステム及び方法を示す。図５Ａは、非金属材料の構成要素５０１を同じ非金属材料の基板上に３Ｄ印刷するための、粉末供給に基づくシステム５００を示す。

【0179】

システム５００は、チャンバ５０２を備える。チャンバ５０２は壁５０３を有する。チャンバ５０２は、絶縁材料５０８で断熱されている。チャンバ５０２は、プラットフォーム５０４を備える。シリコンなどの非金属材料の基板５０６が、プラットフォーム上に配置されている。基板５０６の底面とプラットフォーム５０４の上面との間に、硬質グラファイト絶縁材料５０８が配置されている。絶縁材料５０８の上方にヒーター５１０が配置されている。ヒーター５１０は、基板５０６の下に配置され、構成要素５０１の印刷前及び印刷中に基板５０６を加熱する。

【0180】

大きな構成要素を印刷又は修復するために、均一な温度フィールドを有する大きなホットゾーンが必要である。基板５０６の底部にある１つのヒーター５１０だけでは、印刷領域に大きくて均一な温度フィールドを提供するには十分ではない場合がある。したがって、追加のヒーター５１１が基板５０６の上方に配置されて、構成要素５０１の印刷中に基板５０６と、基板５０６の上方のチャンバ５０２の領域とを加熱する。したがって、１つ以上のヒーターが、基板５０６の底部、又は基板５０６とその上方の領域を取り囲む領域、又は両方の領域に配置され得る。

【0181】

レーザーヘッド（印刷ヘッドとも呼ばれる）５１２は円錐形先端部５１４を有し、その先端部を通してレーザーヘッド５１２はレーザービーム５１６を照射する。レーザーヘッド５１２はまた、円錐形先端部５１４を通して非金属材料の粉末５１８を供給して、粉末５１８がレーザービーム５１６を取り囲むようにする。レーザービーム５１６及び粉末５１８は、印刷中に基板５０６に向けられる（すなわち、基板に入射される）。

【0182】

チャンバ５０２は、観察窓５２０を備える。観察窓５２０は、熱放散を低減するためにフィルムでコーティングされている。チャンバ５０２はまた、印刷中に基板５０６に近接して不活性ガスを供給するための入口５２２及び出口５２４を備える。不活性ガスの流れの方向は、印刷方向とは反対である。示されている例では、不活性ガスは右から左に流れ、印刷方向は左から右である。もちろん、印刷とガスの流れの方向とが反対である限り、これらの方向を逆にすることができる。チャンバ５０２は、印刷プロセス全体を通して基板５０６の近傍における温度を感知する温度センサ５２６を更に備える。ヒーター５１０は、感知された温度に基づいて制御される。

【0183】

プラットフォーム５０４（したがって基板５０６）は、ｚ軸リードスクリュー５３０を使用して、レーザーヘッド５１２の軸に沿って垂直に上下させることができる。プラットフォーム５０４（したがって基板５０６）は、ｘ軸及びｙ軸ガントリー５３２、５３４を使用して、それぞれ、ｘ軸及びｙ軸に沿って移動させることができる。図５Ｂは、チャンバ５０２の断面Ａ－Ａを示す。

【0184】

図５Ｃは、システム５００の追加の要素を示す。システム５００は、不活性ガスをチャンバ５０２に供給するための不活性ガス供給部５４０を更に備える。システム５００は、プラットフォーム５０４（したがって基板５０６）を垂直に上下に移動させるためのプラットフォーム移動アセンブリ５４２を更に備える。システム５００は、プラットフォーム５０４（したがって基板５０６）を、ｘ及びｙ軸に沿って移動させるためのガントリーシステム５４４を更に備える。システム５００は、ホットゾーン内で所望の温度を維持するための、（温度／ヒーター電力コントローラ５４８として示される）電源及び温度コントローラを更に備える。システム５００は、以下で説明するように、システム５００の全ての要素を制御するコントローラ５４６を更に備える。

【0185】

システム５００は、３Ｄ印刷装置に低温度勾配を提供する。システム５００は、ヒーター５１０を断熱材（すなわち、絶縁材料５０８）と共に使用して、印刷中、インサイチュアニーリング中、及び冷却中の温度勾配を最小限に抑える。ヒーター５１０は、抵抗性又は誘導性ヒーター、赤外線（ＩＲ）ランプ放射ヒーター、又は（例えば、青色ＬＥＤを使用する）青色光ヒーターのいずれかであり得る。絶縁材料５０８は、硬質炭素繊維絶縁材若しくは軟質黒鉛フェルトのいずれか、又はこれら両方の組み合わせであり得る。印刷中の高温における炭素及び溶融シリコンと酸素との高い反応性に起因して、システム５００は真空気密である必要がある。印刷は、真空において、又はチャンバ５０２が不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｈｅ）で満たされている不活性環境において行うことが好ましい。

【0186】

完全緻密印刷法において説明したようにシリコン粉末が選択されるので、簡潔のために選択プロセスは繰り返さない。シリコン粉末５１８は、各層の印刷中にレーザービーム５１６と共に投入される。

【0187】

シリコンの脆性であるという性質に起因して、熱応力の蓄積を防止するために、印刷された構成要素５０１の印刷及びアニーリング中は、３Ｄ印刷の基板温度がＤＢＴＴよりも高い（すなわち、１０００℃を超える）ことが好ましい。例えば、アニーリング温度は、１１００～１２００℃であることが好ましい。印刷された構成要素５０１を徐冷することも好ましい。例えば、冷却は、アニーリング温度から約４００℃まで５℃／分未満の速度であることが好ましく、その後、不活性ガス（例えば、Ａｒ）の充填が続く。シリコンの構成要素５０１の３Ｄ印刷用の基板５０６は、好ましくは、基板５０６と構成要素５０１との間のＣＴＥの不整合と、他の材料で作られた基板からの起こり得る電位汚染とを回避するためにシリコンで作製される。この概念は、アルミナ、炭化ケイ素、セラミックなどの他の脆性材料に適用できる。

【0188】

図５Ｄは、本開示のクラックフリーの印刷法に従う、非金属材料の構成要素５０１を同じ非金属材料の基板５０６上に３Ｄ印刷するための、粉末供給に基づく方法５７０を示す。例えば、方法５７０はコントローラ５４６により実施される。

【0189】

５７２において、方法５７０は、断熱されたチャンバ内に真空を作り出す、又は断熱されたチャンバ（例えば、チャンバ５０２）を不活性ガス（例えば、アルゴン）で満たす。５７４において、構成要素５０１の印刷を開始する前に、方法５７０は、１つ以上のヒーター（例えば、ヒーター５１０）を使用して、基板５０６と、印刷領域に近接する領域（すなわち、基板５０６を取り囲む領域）を加熱する。

【0190】

５７６において、方法５７０は、濾過又はふるい分けされたシリコン粉末５１８をレーザービーム５１６と共に供給して、１つ以上のヒーター５１０により供給される熱を維持しながら、シリコン粉末の層を基板５０６上に印刷する。方法５７０は、チャンバ５０２内の（例えば、基板を取り囲む領域の）温度を感知し、基板５０６及び周囲領域の温度を、シリコン（又は構成要素を印刷するために使用される非金属材料）のＤＢＴＴを超える温度に維持する。

【0191】

５７８において、方法５７０は、構成要素５０１の全ての層が印刷されたかどうか（すなわち、構成要素の印刷が完了したかどうか）を判定する。構成要素５０１の全ての層がまだ印刷されていない場合（すなわち、構成要素の印刷がまだ完了していない場合）、方法５７０は５７６に戻る。

【0192】

５８０において、方法５７０は、コントローラ５４６の制御下でヒーター５１０により供給される熱を維持しながら、印刷された構成要素５０１をアニールする。５８２において、方法５７０は、コントローラ５４６の制御下で、ヒーター５１０、絶縁材５０８を使用して、そして印刷された構成要素を５０１取り囲むシリコン粉末５１８を使用して、印刷された構成要素５０１の冷却を制御し、方法５７０が終了する。

【0193】

したがって、クラックフリーの印刷法によるシステム４００、５００及び方法４８０、５７０は、金属３Ｄ印刷装置にヒーター及び断熱材を追加することを含み、これにより、印刷中及びインサイチュアニーリング中に、温度勾配をより小さく維持すること、並びに、制御された冷却速度で徐冷することが可能になり、これにより、印刷されたシリコン構成要素における熱応力が大幅に低減され、マイクロクラックがなくなる。

【0194】

従来の金属３Ｄ印刷装置は、６００℃を超えるように温度を維持すること及び制御された冷却を実施することができず、これにより高い熱応力が発生し、印刷されたシリコン構成要素にマイクロクラックが発生し、シリコン構成要素は役立たなくなる。本ソリューションは真空気密チャンバを使用して、溶融シリコン、グラファイトベースのヒーター、及び炭素繊維ベースの断熱材の酸化を防止する。従来の金属３Ｄ印刷装置は、真空気密環境又は不活性環境を必要としない。

【0195】

粉末供給システム５００では、印刷ヘッド５１２は静止しており、基板５０６及びプラットフォーム５０４は、コントローラ５４６の制御下で、印刷中に、ｘ、ｙ、及びｚ軸ガントリーシステム５４４を使用して移動される。印刷ヘッド５１２は、（円錐形先端部５１４の周囲に黒で示されている）グラファイトフェルトにより熱損傷から保護されている。各層を印刷した後に、基板５０６及びプラットフォーム５０４はｚ方向に１層だけ下に移動し、これは印刷が完了するまで続く。観察窓５２０は、熱放散を低減するためにフィルムでコーティングされている。チャンバ５０２内の温度は、コントローラ５４６の制御下で、高温印刷、アニーリング、及びマイクロクラックを回避するための徐冷、のために制御される。

【0196】

前述の説明は本質的に単なる例示に過ぎず、本開示、その適用、又は使用を限定することを意図するものではない。本開示の広範な教示は、様々な形で実現され得る。したがって、本開示は特定の例を含むが、図面、明細書、及び以下の特許請求の範囲を検討すると、他の修正形態が明らかになるであろうから、本開示の真の範囲はそのように限定されるべきではない。方法における１つ以上の工程は、本開示の原理を変更することなく、異なる順序で（又は同時に）実行されてよいことを理解すべきである。

【0197】

更に、実施形態の各々は、特定の特徴を有するものとして上述されているが、本開示の任意の実施形態に関して記載されているこれらの特徴のうちのいずれか１つ以上を、他の実施形態のいずれかに実装することができ、及び／又は、他の実施形態のいずれかの特徴と組み合わせることができ、その組み合わせは、たとえ明示的に説明されていなくてよい。換言すれば、記載した実施形態は相互排他的ではなく、１つ以上の実施形態の順序を互いに並べ換えることは、本開示の範囲内に留まる。

【0198】

要素間の空間的及び機能的関係（例えば、モジュール間、回路要素間、半導体層間など）は、「接続された」、「係合された」、「結合された」、「隣接する」、「隣の」、「上の」、「上方の」、「下方の」、「配置された」を含む様々な用語を使用して説明される。「直接」であると明示的に記載されていない限り、上述した開示に、第１の要素と第２の要素との間の関係が記載されている場合、その関係は、第１の要素と第２の要素との間に他の介在要素が存在しない直接的な関係であり得るが、１つ以上の介在要素が（空間的又は機能的のいずれかで）第１の要素と第２の要素との間に存在する間接的な関係でもあり得る。

【0199】

本明細書で使用する場合、Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ、という語句は、非排他的論理和ＯＲを使用した論理（Ａ ＯＲ Ｂ ＯＲ Ｃ）を意味すると解釈されるべきであり、「Ａのうちの少なくとも１つ、Ｂのうちの少なくとも１つ、及びＣのうちの少なくとも１つ」を意味すると解釈されるべきではない。

【0200】

いくつかの実現形態では、コントローラは、上述した実施例の一部であってよいシステムの一部である。このようなシステムは、処理ツール（単数又は複数）、チャンバ（単数又は複数）、処理用プラットフォーム（単数又は複数）、及び／又は特定の処理構成要素（ウェハーペデスタル、ガスフローシステムなど）を含む、半導体処理装置を備えることができる。これらシステムは、半導体ウェハー又は基板の処理前、処理中、及び処理後の作業を制御するための電子機器に組み込まれてよい。

【0201】

電子機器は、システム（単数又は複数）の様々な構成要素又は副部品を制御してよい「コントローラ」と呼ばれてよい。コントローラは、処理要件及び／又はシステムのタイプに応じて、処理ガスの送達、温度設定（例えば、加熱及び／又は冷却）、圧力設定、真空設定、電力設定、無線周波数（ＲＦ）発生器設定、ＲＦ整合回路設定、周波数設定、流量設定、流体送達設定、位置及び作業設定、特定のシステムと接続しているか又はインターフェースしているツール及び他の搬送ツール並びに／又はロードロックに対するウェハーの搬出入、を含む、本明細書に開示されるプロセスのいずれをも制御するようにプログラムされてよい。

【0202】

大まかに言って、コントローラは、様々な集積回路、ロジック、メモリ、及び／又はソフトウェアを有し、命令を受信し、命令を発行し、作業を制御し、クリーニング作業を有効にし、エンドポイント測定を有効にするような電子機器として定義されてよい。集積回路は、プログラム命令を記憶するファームウェアの形態のチップ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として定義されたチップ、及び／又は１つ以上のマイクロプロセッサ、又はプログラム命令（例えば、ソフトウェア）を実行するマイクロコントローラ、を含んでよい。

【0203】

プログラム命令は、様々な個別設定（又はプログラムファイル）の形態でコントローラに通信される命令であって、特定のプロセスを、半導体ウェハー上で若しくは半導体ウェハーに対して、又はシステムに対して実施するための作業パラメータを定義してよい。いくつかの実施形態では、作業パラメータは、１つ以上の層、材料、金属、酸化物、シリコン、二酸化シリコン、表面、回路、及び／又はウェハーダイの作製時に、１つ以上の処理工程を実現するために、プロセスエンジニアにより定義されるレシピの一部であってよい。

【0204】

いくつかの実現形態では、コントローラは、システムに組み込まれた、システムに結合された、若しくはシステムにネットワーク接続された、又はこれらの組み合わせである、コンピュータの一部であるか、又はそのコンピュータに結合されていてよい。例えば、コントローラは「クラウド」内にあるか、又はファブホストコンピュータシステムの全て若しくは一部であってよく、それによりウェハー処理のリモートアクセスが可能になり得る。コンピュータは、システムへのリモートアクセスを可能にして、製造作業の現在の進行状況を監視し、過去の製造作業の履歴を調査し、複数の製造作業から傾向又は性能の指標を調査して、現在の処理のパラメータを変更し、現在の処理に続く処理工程を設定するか、又は新しいプロセスを開始してよい。

【0205】

いくつかの例では、リモートコンピュータ（例えば、サーバ）は、ローカルネットワーク又はインターネットを含んでよいネットワークを経由して、プロセスレシピをシステムに提供することができる。リモートコンピュータは、パラメータ及び／又は設定の入力若しくはプログラミングを可能にするユーザインターフェースを含んでよく、パラメータ及び／又は設定は次いで、リモートコンピュータからシステムに通信される。いくつかの例では、コントローラは、１つ以上の作業中に実施される各処理工程のためのパラメータを指定するデータ形式の命令を受信する。パラメータは、実施されるプロセスのタイプ、及びコントローラがインターフェースするか、又は制御するように構成されているツールのタイプに固有のものであってよいことを理解されたい。

【0206】

したがって、上述したように、コントローラは、１つ以上の個別のコントローラを備え、これらが一緒にネットワーク化され、本明細書に記載されるプロセス及び制御などの共通の目的に向けて動作することなどによって分散されてよい。そのような目的のための分散コントローラの例は、遠隔に位置する（例えば、プラットフォームレベルで、又はリモートコンピュータの一部として）１つ以上の集積回路と通信状態にあるチャンバ上の１つ以上の集積回路であってよく、これらが組み合わされてチャンバでのプロセスを制御する。

【0207】

限定するわけではないが、例示的なシステムは、プラズマエッチングチャンバ又はモジュール、堆積チャンバ又はモジュール、スピンリンスチャンバ又はモジュール、金属めっきチャンバ又はモジュール、クリーニングチャンバ又はモジュール、ベベルエッジエッチングチャンバ又はモジュール、物理蒸着（ＰＶＤ）チャンバ又はモジュール、化学蒸着（ＣＶＤ）チャンバ又はモジュール、原子層堆積（ＡＬＤ）チャンバ又はモジュール、原子層エッチング（ＡＬＥ）チャンバ又はモジュール、イオン注入チャンバ又はモジュール、トラックチャンバ又はモジュール、及び半導体ウェハーの作製及び／又は製造に関連するか若しくは使用されてよい任意の他の半導体処理システム、を含んでよい。

【0208】

上述したように、ツールにより実施されるプロセス工程に応じて、コントローラは、他のツール回路又はモジュール、他のツール構成要素、クラスタツール、他のツールインターフェース、隣接ツール、隣り合うツール、工場全体に位置するツール、メインコンピュータ、別のコントローラ、又は半導体製造工場内のツール場所及び／又はロードポートとの間でウェハー容器を搬出入する材料搬送に使用されるツール、のうちの１つ以上と通信し得る。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【手続補正書】

【提出日】2022-04-25

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

非金属材料の完全緻密な構成要素を印刷するためのシステムであって、前記システムは、
不活性ガスで満たされたチャンバと、
前記チャンバ内に配置されて基板を支持する第１の垂直可動プレートと、
前記第１の垂直可動プレートに隣接して配置された第２の垂直可動プレートであって、
前記非金属材料の粉末を貯蔵し、前記非金属材料の各層を印刷する前に前記基板に前記粉末を投入するように構成されている、第２の垂直可動プレートと、
レーザービームを供給するように構成されたレーザー発生器と、
コントローラであって、
第１の出力及び第１の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の前記層の第１の副層を印刷することと、
第２の出力及び第２の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の前記層の第２の副層を前記第１の副層上に印刷することと、により、
前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の複数の層を前記基板上に印刷し、前記複数の層の上に前記非金属材料の層を印刷して、前記複数の層の上に前記構成要素を構築するように構成され、
前記第１の速度は前記第２の速度よりも大きく、
前記第１の出力は前記第２の出力よりも小さい、コントローラと、
を備えるシステム。

【請求項2】

請求項１に記載のシステムであって、前記非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を有し、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、システム。

【請求項3】

請求項１に記載のシステムであって、前記コントローラは、
第１の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第１の副層を印刷し、
前記第１の方向とは異なる第２の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第２の副層を印刷するように更に構成されている、システム。

【請求項4】

請求項１に記載のシステムであって、前記非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される、システム。

【請求項5】

請求項１に記載のシステムであって、前記システムは、
異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュと、
前記１つ以上のメッシュを振動させるように構成された振動システムと、を更に備え、
前記粉末は、前記１つ以上のメッシュにストックを通すことにより、前記ストックから選択され、
選択された前記粉末は、ふるい分析を使用して測定される０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む、システム。

【請求項6】

請求項１に記載のシステムであって、前記基板に近接して配置された入口及び出口を介して、前記不活性ガスを、前記チャンバを通して前記印刷の方向とは反対の方向に流すように構成された、ガス源を更に備える、システム。

【請求項7】

請求項１に記載のシステムであって、各層を印刷した後に前記第１の垂直可動プレートを下向き方向に移動し、各層を印刷した後に前記第２の垂直可動プレートを上向き方向に移動するように構成された、プレート移動アセンブリを更に備える、システム。

【請求項8】

非金属材料の完全緻密な構成要素を基板上に印刷するための方法であって、前記方法は、
第１の出力及び第１の速度を有するレーザービームを使用して、前記非金属材料の前記層の第１の副層を印刷することと、
第２の出力及び第２の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の前記層の第２の副層を前記第１の副層上に印刷することと、により、
前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の複数の層を前記基板上に印刷することと、
前記非金属材料の層を前記複数の層上に印刷して、前記複数の層上に前記構成要素を構築することと、を含み、
前記第１の速度は前記第２の速度よりも大きく、
前記第１の出力は前記第２の出力よりも小さい、方法。

【請求項9】

請求項８に記載の方法であって、前記非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。

【請求項10】

請求項８に記載の方法であって、
第１の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第１の副層を印刷することと、
前記第１の方向とは異なる第２の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第２の副層を印刷することと、を更に含む方法。

【請求項11】

請求項８に記載の方法であって、前記非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される、方法。

【請求項12】

請求項８に記載の方法であって、各層を印刷する前に、前記非金属材料の粉末の用量を供給することを更に含み、
前記粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の方法であって、前記方法は、異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュにストックを通過させること、及び前記１つ以上のメッシュを振動させることにより、前記ストックから前記粉末を選択することを更に含む、方法。

【請求項14】

請求項８に記載の方法であって、前記印刷の方向とは反対の方向に、前記基板に近接して不活性ガスを流すことを更に含む、方法。

【請求項15】

請求項８に記載の方法であって、不活性ガスで満たされたチャンバ内で前記構成要素を印刷することを更に含む、方法。

【請求項16】

請求項８に記載の方法を使用して印刷された、非金属材料の構成要素であって、完全緻密であり多孔性を欠いている、構成要素。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０２０８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0208】

上述したように、ツールにより実施されるプロセス工程に応じて、コントローラは、他のツール回路又はモジュール、他のツール構成要素、クラスタツール、他のツールインターフェース、隣接ツール、隣り合うツール、工場全体に位置するツール、メインコンピュータ、別のコントローラ、又は半導体製造工場内のツール場所及び／又はロードポートとの間でウェハー容器を搬出入する材料搬送に使用されるツール、のうちの１つ以上と通信し得る。
また、本開示は以下の形態により実現してもよい。
［形態１］
非金属材料の完全緻密な構成要素を印刷するためのシステムであって、前記システムは、
不活性ガスで満たされたチャンバと、
前記チャンバ内に配置されて基板を支持する第１の垂直可動プレートと、
前記第１の垂直可動プレートに隣接して配置された第２の垂直可動プレートであって、
前記非金属材料の粉末を貯蔵し、前記非金属材料の各層を印刷する前に前記基板に前記粉末を投入するように構成されている、第２の垂直可動プレートと、
レーザービームを供給するように構成されたレーザー発生器と、
コントローラであって、
第１の出力及び第１の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の前記層の第１の副層を印刷することと、
第２の出力及び第２の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の前記層の第２の副層を前記第１の副層上に印刷することと、により、
前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の複数の層を前記基板上に印刷し、前記複数の層の上に前記非金属材料の層を印刷して、前記複数の層の上に前記構成要素を構築するように構成され、
前記第１の速度は前記第２の速度よりも大きく、
前記第１の出力は前記第２の出力よりも小さい、コントローラと、
を備えるシステム。
［形態２］
形態１に記載のシステムであって、前記非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を有し、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、システム。
［形態３］
形態１に記載のシステムであって、前記コントローラは、
第１の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第１の副層を印刷し、
前記第１の方向とは異なる第２の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第２の副層を印刷するように更に構成されている、システム。
［形態４］
形態１に記載のシステムであって、前記非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される、システム。
［形態５］
形態１に記載のシステムであって、前記システムは、
異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュと、
前記１つ以上のメッシュを振動させるように構成された振動システムと、を更に備え、
前記粉末は、前記１つ以上のメッシュにストックを通すことにより、前記ストックから選択され、
選択された前記粉末は、ふるい分析を使用して測定される０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む、システム。
［形態６］
形態１に記載のシステムであって、前記基板に近接して配置された入口及び出口を介して、前記不活性ガスを、前記チャンバを通して前記印刷の方向とは反対の方向に流すように構成された、ガス源を更に備える、システム。
［形態７］
形態１に記載のシステムであって、各層を印刷した後に前記第１の垂直可動プレートを下向き方向に移動し、各層を印刷した後に前記第２の垂直可動プレートを上向き方向に移動するように構成された、プレート移動アセンブリを更に備える、システム。
［形態８］
非金属材料の完全緻密な構成要素を基板上に印刷するための方法であって、前記方法は、
第１の出力及び第１の速度を有するレーザービームを使用して、前記非金属材料の前記層の第１の副層を印刷することと、
第２の出力及び第２の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の前記層の第２の副層を前記第１の副層上に印刷することと、により、
前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の複数の層を前記基板上に印刷することと、
前記非金属材料の層を前記複数の層上に印刷して、前記複数の層上に前記構成要素を構築することと、を含み、
前記第１の速度は前記第２の速度よりも大きく、
前記第１の出力は前記第２の出力よりも小さい、方法。
［形態９］
形態８に記載の方法であって、前記非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。
［形態１０］
形態８に記載の方法であって、
第１の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第１の副層を印刷することと、
前記第１の方向とは異なる第２の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第２の副層を印刷することと、を更に含む方法。
［形態１１］
形態８に記載の方法であって、前記非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される、方法。
［形態１２］
形態８に記載の方法であって、各層を印刷する前に、前記非金属材料の粉末の用量を供給することを更に含み、
前記粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。
［形態１３］
形態１２に記載の方法であって、前記方法は、異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュにストックを通過させること、及び前記１つ以上のメッシュを振動させることにより、前記ストックから前記粉末を選択することを更に含む、方法。
［形態１４］
形態８に記載の方法であって、前記印刷の方向とは反対の方向に、前記基板に近接して不活性ガスを流すことを更に含む、方法。
［形態１５］
形態８に記載の方法であって、不活性ガスで満たされたチャンバ内で前記構成要素を印刷することを更に含む、方法。
［形態１６］
形態８に記載の方法を使用して印刷された、非金属材料の構成要素であって、完全緻密であり多孔性を欠いている、構成要素。
［形態１７］
非金属材料の構成要素を基板上に印刷するための方法であって、前記方法は、
レーザービームを使用して、前記非金属材料の複数の層を前記基板上に印刷することであって、
前記複数の層は前記構成要素を構築するためのベースを形成する、ことと、
前記レーザービームを使用して、前記複数の層上に前記非金属材料の１つ以上の層を印刷することにより、前記複数の層上に前記構成要素を構築することと、を含む方法。
［形態１８］
形態１７に記載の方法であって、前記非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。
［形態１９］
形態１７に記載の方法であって、前記１つ以上の層の各層を印刷することは、
第１の出力及び第１の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の第１の副層を印刷することと、
第２の出力及び第２の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の第２の副層を前記第１の副層上に印刷することと、を含み、
前記第１の速度は前記第２の速度よりも大きく、
前記第１の出力は前記第２の出力よりも小さい、方法。
［形態２０］
形態１９に記載の方法であって、
第１の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第１の副層を印刷することと、
前記第１の方向とは異なる第２の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第２の副層を印刷することと、を更に含む方法。
［形態２１］
形態１７に記載の方法であって、前記非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される、方法。
［形態２２］
形態１７に記載の方法であって、各層を印刷する前に前記非金属材料の粉末の用量を供給することを更に含み、
前記粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。
［形態２３］
形態２２に記載の方法であって、前記方法は、異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュにストックを通過させること、及び前記１つ以上のメッシュを振動させることにより、前記ストックから前記粉末を選択することを更に含む、方法。
［形態２４］
形態１７に記載の方法であって、印刷の方向とは反対の方向に、前記基板に近接して不活性ガスを流すことを更に含む、方法。
［形態２５］
形態１７に記載の方法を使用して印刷された、非金属材料の構成要素であって、完全緻密であり多孔性を欠いている、構成要素。
［形態２６］
非金属材料の完全緻密な構成要素を基板上に印刷するための方法であって、前記方法は、
第１の出力及び第１の速度を有するレーザービームを使用して、前記基板上の前記非金属材料の層の第１の副層を印刷することと、
第２の出力及び第２の速度を有する前記レーザービームを使用して、前記非金属材料の前記層の第２の副層を前記第１の副層上に印刷することと、を含み、
前記第１の速度は前記第２の速度よりも大きく、
前記第１の出力は前記第２の出力よりも小さい、方法。
［形態２７］
形態２６に記載の方法であって、前記非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。
［形態２８］
形態２６に記載の方法であって、
第１の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第１の副層を印刷することと、
前記第１の方向とは異なる第２の方向を有する前記レーザービームを使用して前記第２の副層を印刷することと、を更に含む方法。
［形態２９］
形態２６に記載の方法であって、前記層を印刷する前に、前記レーザービームを使用して前記基板上に前記非金属材料の複数の層を印刷することを更に含む、方法。
［形態３０］
形態２９に記載の方法であって、前記複数の層がベースを形成し、前記ベース上に前記層を印刷することにより前記構成要素が構築される、方法。
［形態３１］
形態２６に記載の方法であって、前記非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される、方法。
［形態３２］
形態２６に記載の方法であって、各層を印刷する前に、前記非金属材料の粉末の用量を供給することを更に含み、
前記粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。
［形態３３］
形態３２に記載の方法であって、前記方法は、異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュにストックを通過させること、及び前記１つ以上のメッシュを振動させることにより、前記ストックから前記粉末を選択することを更に含む、方法。
［形態３４］
形態２６に記載の方法であって、前記印刷の方向とは反対の方向に、前記基板に近接して不活性ガスを流すことを更に含む、方法。
［形態３５］
形態２６に記載の方法を使用して印刷された、非金属材料の構成要素であって、完全緻密であり多孔性を欠いている、構成要素。
［形態３６］
非金属材料の完全緻密でクラックフリーの構成要素を、前記非金属材料で作られた基板上に印刷するためのシステムであって、前記システムは、
完全緻密でクラックフリーの前記構成要素を印刷するためのチャンバであって、断熱されている、チャンバと、
前記チャンバ内に配置されて前記基板を支持する第１の垂直可動プレートと、
前記第１の垂直可動プレートの上部表面上で前記基板の下方に配置された断熱材料と、
前記基板上に前記構成要素を印刷する前に、前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの領域を加熱するように構成されたヒーターと、
前記非金属材料の粉末を供給するように構成された粉末フィーダと、
前記印刷中に、前記ヒーターが前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの前記領域を加熱し続けている間に、レーザービームを供給して前記非金属材料の層を前記基板上に印刷するように構成されたレーザー発生器と、を更に備える、システム。
［形態３７］
形態３６に記載のシステムであって、前記粉末が、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、システム。
［形態３８］
形態３６に記載のシステムであって、前記ヒーターは、前記構成要素の前記印刷及びアニーリング中に、前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの前記領域を、前記非金属材料の延性から脆性への転移温度よりも高い温度に加熱するように構成されている、システム。
［形態３９］
形態３６に記載のシステムであって、前記印刷後、前記チャンバ内の前記構成要素をアニーリングしている間、前記ヒーターは、前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの前記領域を加熱し続けるように構成されている、システム。
［形態４０］
形態３６に記載のシステムであって、前記印刷後、前記構成要素が制御された速度で徐冷されている間、前記構成要素は前記粉末で取り囲まれたままである、システム。
［形態４１］
形態３６に記載のシステムであって、前記チャンバは１つ以上の絶縁材料の１つ以上の層で断熱されている、システム。
［形態４２］
形態３６に記載のシステムであって、前記非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される、システム。
［形態４３］
形態３６に記載のシステムであって、前記ヒーターは、前記基板の下方に配置されている、又は前記基板と前記基板の上方の前記チャンバの前記領域とを取り囲むように配置されている、システム。
［形態４４］
形態３６に記載のシステムであって、
前記粉末フィーダは、前記第１の垂直可動プレートに隣接して配置された第２の垂直可動プレートを備え、
前記第２の垂直可動プレートは、前記粉末を貯蔵し、前記非金属材料の各層を印刷する前に、前記基板に前記粉末を投入するように構成されている、システム。
［形態４５］
形態４４に記載のシステムであって、各層を印刷した後に前記第１の垂直可動プレートを下向き方向に移動し、各層を印刷した後に前記第２の垂直可動プレートを上向き方向に移動するように構成された、プレート移動アセンブリを更に備える、システム。
［形態４６］
形態３６に記載のシステムであって、前記構成要素の前記印刷中に、前記基板の上方の前記チャンバの領域を加熱するように構成された１つ以上の追加のヒーターを更に備える、システム。
［形態４７］
形態３６に記載のシステムであって、前記粉末フィーダは、前記レーザービームと共に前記粉末を供給して、前記構成要素の前記層を印刷するように構成されている、システム。
［形態４８］
形態３６に記載のシステムであって、前記構成要素の各層の印刷中に前記粉末フィーダ及び前記レーザー発生器が静止したままである間、前記第１の垂直可動プレートを移動させるように構成されたガントリーシステムを更に備える、システム。
［形態４９］
形態３６に記載のシステムであって、前記チャンバは真空下にある、システム。
［形態５０］
形態３６に記載のシステムであって、前記チャンバは不活性ガスで満たされている、システム。
［形態５１］
形態３６に記載のシステムであって、不活性ガスを、前記基板に近接して配置された入口及び出口を介して、前記チャンバを通して、前記印刷の方向とは反対の方向に流すように構成された、ガス源を更に備える、システム。
［形態５２］
形態３６に記載のシステムであって、前記システムは、
異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュと、
前記１つ以上のメッシュを振動させるように構成された振動システムと、を更に備え、
前記粉末は、前記１つ以上のメッシュにストックを通すことにより、前記ストックから選択され、
前記１つ以上のメッシュの前記直径は、ふるい分析を使用して測定される０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含む前記選択された粉末を生成するように選択される、システム。
［形態５３］
チャンバ内において、非金属材料の完全緻密でクラックフリーの構成要素を、前記非金属材料で作られた基板上に印刷するための方法であって、前記方法は、
前記基板上に前記非金属材料の層を印刷する前に、前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの領域を加熱することと、
前記印刷中に、前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの前記領域を加熱し続けながら、レーザービームを使用して前記非金属材料の前記層を前記基板上に印刷することと、を含む方法。
［形態５４］
形態５３に記載の方法であって、前記非金属材料は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を含み、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。
［形態５５］
形態５３に記載の方法であって、前記構成要素の前記印刷及びアニーリング中に、前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの前記領域を、前記非金属材料の延性から脆性への転移温度よりも高い温度に加熱するように構成されている、方法。
［形態５６］
形態５３に記載の方法であって、前記印刷後、前記基板及び前記基板を取り囲む前記チャンバの前記領域を加熱し続けながら、前記チャンバ内の前記構成要素をアニーリング及び徐冷することを更に含む、方法。
［形態５７］
形態５３に記載の方法であって、前記印刷後に、前記構成要素を前記非金属材料の粉末で取り囲むことにより前記構成要素を冷却する、方法。
［形態５８］
形態５３に記載の方法であって、１つ以上の絶縁材料の１つ以上の層を使用して前記チャンバを断熱することを更に含む、方法。
［形態５９］
形態５３に記載の方法であって、前記非金属材料は、ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、及びセラミックからなる群から選択される、方法。
［形態６０］
形態５３に記載の方法であって、
前記非金属材料の前記層のうちの各層を印刷する前に、前記基板に前記非金属材料を投入することと、
前記投入の後に、前記レーザービームを供給して、前記非金属材料の各層を印刷することと、を更に含む方法。
［形態６１］
形態５３に記載の方法であって、前記構成要素の前記印刷中に前記基板の上方の前記チャンバの領域を加熱することを更に含む、方法。
［形態６２］
形態５３に記載の方法であって、前記レーザービームと共に前記非金属材料の粉末を供給して、前記非金属材料の各層を印刷することを更に含む、方法。
［形態６３］
形態５３に記載の方法であって、前記チャンバ内の真空を維持することを更に含む、方法。
［形態６４］
形態５３に記載の方法であって、前記チャンバを不活性ガスで満たすことを更に含む、方法。
［形態６５］
形態５３に記載の方法であって、前記印刷の方向とは反対の方向に、前記基板に近接して不活性ガスを流すことを更に含む、方法。
［形態６６］
形態５３に記載の方法であって、
異なる直径の穴を有する１つ以上のメッシュにストックを通過させること、及び前記１つ以上のメッシュを振動させることにより、前記ストックから前記非金属材料の粉末を選択すること、を更に含み、
選択された前記粉末は、０．５～１００μｍの範囲内の直径を有する粒子を備え、
前記直径はふるい分析を使用して測定される、方法。
［形態６７］
形態５３に記載の方法を使用して印刷された、非金属材料の構成要素であって、完全緻密であり多孔性及びクラックを欠いている、構成要素。

【国際調査報告】