CN111819653B - 小间隙设备系统及制造方法 - Google Patents

Abstract

小间隙设备系统优选地包括两个或更多个电极和保持在两个或更多个电极之间的间隙的一个或更多个隔离物。用于小间隙设备系统的隔离物优选地包括限定网状结构的多个腿部。隔离物和/或小间隙设备的制造方法优选地包括：限定横向特征、沉积隔离物材料、选择性地去除隔离物材料、使隔离物与制造基底分离和/或组装小间隙设备。

Description

小间隙设备系统及制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年7月24日提交的美国临时申请序列号62/536,202、于2017年8月18日提交的美国临时申请序列号62/547,535和于2018年6月29日提交的美国临时申请序列号62/692,512的利益，其中的每个申请通过这个引用以其整体并入。

政府支持的声明

本发明是在政府的支持下、由高级能源研究计划署授予的ARPA-E-DE-AR00000664号奖金资助完成的。政府在本发明中有某些权利。

技术领域

本发明大体上涉及小间隙设备(small-gap device)领域，并且更具体地涉及在小间隙设备领域中的新的且有用的隔离物系统(spacer system)。

附图简述

图1A是系统的实施例的侧视图。

图1B是实施例的变型的横截面侧视图。

图2A-2C、图3A-3D和图4A-4C是系统的隔离物的各种示例的平面图。

图5A-5P是隔离物的腿部的各种示例的横截面侧视图。

图6A是隔离物的特定示例的横截面透视图。

图6B是布置在两个电极之间的隔离物的特定示例的透视图。

图7是包括多个堆叠的隔离物的系统的示例的横截面侧视图。

图8A是制造方法的实施例的流程图表示。

图8B是方法的示例的示意性表示。

图9是系统的示例的横截面侧视图。

图10A-10B是隔离物的腿部的各种示例的横截面侧视图。

图11A-11D是隔离物的腿部的各种示例的透视图。

图12A-12B是系统的各种示例的侧视图。

优选实施例的描述

本发明的优选实施例的下面的描述并不意欲将本发明限制到这些优选实施例，而是使本领域中的任何技术人员能够制造并且使用本发明。

1.系统。

小间隙设备系统100优选地包括两个或更多个电极110和一个或更多个隔离物120。电极110优选地由隔离物120分隔(例如，其限定小的电极间间隙，例如微米级间隙)，如图1A-1B所示。然而，系统可以另外或可选地包括任何其他合适的元件，并且系统的元件可以另外或可选地具有任何其他合适的布置。该系统可以如下面关于制造方法所描述的被制造，和/或可以以任何其他合适的方式被制造。

系统100优选地包括热离子能量转换器(TEC)(或热离子能量转换器的一部分)。例如，电极110可以包括由隔离物分隔的阴极(例如，其可操作来当在高温下时发射电子)和阳极(例如，其可操作来收集由阴极发射的电子)。然而，该系统可以另外或可选地包括热光电设备、微间隙等离子设备、生物传感和/或生物操纵设备和/或任何其他合适类型的设备(例如，需要和/或可以受益于在电极之间的小间隙、热隔离和/或电隔离的设备；其他设备)(或作为热光电设备、微间隙等离子设备、生物传感和/或生物操纵设备和/或任何其他合适类型的设备的一部分)。

1.1材料。

系统的元件可以包括任何合适的材料和/或材料的组合(例如，由任何合适的材料和/或材料的组合制成)。材料可以包括半导体、金属、绝缘体、有机化合物(例如聚合物、有机小分子等)和/或任何其他合适的材料类型。

半导体可以包括IV族半导体，例如Si、Ge、SiC和/或其合金；III-V族半导体，例如GaAs、GaSb、GaAs、GaP、GaN、AlSb、AlAs、AlP、AlN、InSb、InAs、InP、InN和/或其合金；II-VI族半导体，例如ZnTe、ZnSe、ZnS、ZnO、CdSe、CdTe、CdS、MgSe、MgTe、MgS和/或其合金；和/或任何其他合适的半导体。

金属可以包括碱金属(例如，Li、Na、K、Rb、Ce、Fr)、碱土金属(例如，Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra)、过渡金属(例如，Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、Zr、Nb、Mo、Au、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Hg、Al、Si、In、Ga、Tl、Pb、Bi、Sb、Te、Sm、Tb、Ce、Nd)、后过渡金属(例如、Al、Zn、Ga、Ge、Cd、In、Sn、Sb、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At)、准金属(例如，B、As、Sb、Te、Po)、稀土元素(例如，镧系元素、锕系元素)、合成元素(例如，Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No、Lr、Rf、Db、Sg、Bh、Hs、Mt、Ds、Rg、Cn、Nh、Fl、Mc、Lv、Ts)、任何其他合适的金属元素和/或任何合适的合金、化合物和/或金属元素的其他混合物。

绝缘体可以包括任何合适的绝缘(和/或宽带隙半导体)材料。例如，绝缘体可以包括绝缘金属和/或半导体化合物，例如氧化物、氮化物、氮氧化物、氟化物、硼化物和/或任何其他合适的化合物。

系统的元素可以包括在任何合适的布置(例如，多层；超晶格；具有微结构元素，例如夹杂物、枝晶、薄片等)中的任何合适的合金、化合物和/或材料(例如，上述材料、其他合适的材料等)的其他混合物。

1.2电极。

每个电极110优选地包括一个或更多个内表面111(例如，其中第一电极110a限定第一内表面111a，以及第二电极110b限定第二内表面111b)。内电极表面优选地实质上是光滑和平坦的(例如，电极是平坦的、抛光的晶片)，但可以另外或可选地限定任何合适的形状(例如，非平坦的，例如弯曲的、成阶梯状的等)和/或表面光洁度(例如有纹理的)。内表面优选地是宏观的(例如，限定晶片级长度标度和/或表面积)，例如具有等于和/或大于阈值长度(例如，1mm、5mm、10mm、20mm、25mm、51mm、76mm、100mm、125mm、130mm、150mm、175mm、200mm、300mm、450mm等)的横向尺寸(例如，直径、半径、边长、对角线长度等)。每个内表面优选地面向另一电极的内表面(例如，从而限定电极间间隙)。

电极优选地通过电路(优选地包括(例如，由来自TEC的电能驱动的)电负载)电气地连接(或可操作来通过电路连接)。然而，电极可以另外或可选地以任何其他合适的方式电气地(和/或以其他方式在功能上)被耦合(或者不能被耦合)。

尽管电极优选地包括电导体，但本领域中的技术人员将理解，系统的变型可以另外或可选地包括具有任何合适的特性的任何其他合适的设备元件(例如，平坦和/或平面元件)，其连同电极一起和/或代替电极被布置。例如，系统的实施例(例如，热光电设备实施例)可以包括由隔离物分隔的光学发射元件和光伏电池(例如，代替电极)。

1.3隔离物。

隔离物120(或多个隔离物)优选地起作用来保持电极间间隙(例如，防止在电极的内表面之间的接触)，更优选地不提供在电极之间的显著的热传导和/或电传导(例如，使第一电极与第二电极电气地和/或热学地隔离)。例如，在电极之间的热传导率(例如，总传导率、归因于隔离物的传导率等)可以小于阈值传导率(例如，1、5、10、15、20、25、35、50、75、100、250、500、1000、1500、2000、5000、0-1、1-10、10-100、100-1000或1000-10,000mW cm^-2K^-1等)，优选地使得隔离物120可以在设备操作期间实现在电极之间的显著温度差。例如，在操作期间在第一和第二电极之间的温度差(例如，内表面平均温度、电极平均温度等)可以大于阈值量(例如，50、100、150、200、250、300、400、500、10-50、50-150、150-250、250-450、450-650或大于650℃等)。低的热传导率和/或电传导率可能由于隔离物材料特性、隔离物尺寸、接触电阻和/或任何其他合适的因素产生。

隔离物120优选地限定高的几何透明度(例如，对于隔离物沿着电极法向向量到电极上的投影，未覆盖的电极面积与总电极面积之比；对于隔离物及其凸壳(convex hull)沿着电极法向向量到电极上的投影，一减去隔离物投影面积与凸壳投影面积之比，其中隔离物投影面积与凸壳投影面积之比定义等于一减去几何透明度的填充分数(fillingfraction)；等等)，例如大于或等于阈值(例如，99％、98％、95％、90％、85％、75％、65％、50％、99-100％、97-99％、93-97％、85-93％、70-85％、50-70％等)的几何透明度，其可以在电极之间实现(例如，电子、原子和/或光的)显著传输(例如，与无隔离物设备相比，最小传输减少)。隔离物120优选地布置在电极间间隙的整个区域中(例如，其中隔离物的凸壳占据在电极之间的所有、实质上所有或大部分重叠区；其中凸壳占据在电极之间的重叠区的至少阈值分数，例如99％、98％、95％、90％、85％、75％、65％、50％、99-100％、97-99％、93-97％、85-93％、70-85％、50-70％等)，但可以可选地被布置在间隙的任何合适的子区域内(和/或具有在系统内的任何其他合适的布置)。

在一些实施例中，显著的力(例如，压缩力，例如实质上垂直于内表面施加的压缩力)可以施加在隔离物120上，并且隔离物120优选地承受这样的力。例如，电极间间隙的一些或全部可以与围绕系统的周围环境流体地隔离，并且可以保持在比周围环境(例如，可以是真空环境)更低的压力下。在这个示例中，显著的压力(例如，实质上等于大气压)可以被施加在电极(例如，如果电极的部分(例如与横越电极的内电极表面相对的外电极表面)暴露于周围环境)上并且通过电极施加在隔离物上。因此在该示例中，隔离物120优选地承受该力(例如，在经受这些力时保持电极间间隙，在这些力下不断裂，等等)。在一些特定示例中，隔离物120对这种压缩呈现非线性(例如，显著超线性)响应(例如，当压缩增加时呈现更高的弹簧常数)；这样的响应在以下情况下可被呈现：例如，由于隔离物特征(例如与电极内表面成斜角布置的侧壁、非平面侧壁(例如，如下面关于非线性侧壁横截面所描述的)例如弯曲和/或扭结的侧壁(例如，包括相对于电极内表面限定不同角度的多个壁段))和/或任何其他合适的特征。

隔离物120优选地限定(例如，在顶点122处连接的细长腿121的)连续网络，例如网状结构(例如，包括一组顶点和被连接在该组的顶点122之间的一组路径)，更优选地形成独立式结构(例如，在结构上坚固的和/或可操纵的而没有支撑基底)。隔离物120(例如，隔离物的顶点122和/或腿部121)优选地限定(或实质上限定)网格(例如，2D网格)，例如由腿部121连接的节点的阵列(例如，顶点122，例如限定规则和/或不规则多边形(例如六边形、矩形、三角形等)的顶点)(例如，如图2A-2C所示)。然而，隔离物120可以可选地限定非周期性(例如，无周期性)平铺、无定形结构(例如，具有短程有序(short-range order)但缺乏长程有序(long-range order))、随机结构和/或任何其他合适的结构。

隔离物120优选地限定多个孔缝(aperture)(例如，在隔离物的腿部121之间，例如图2A所示)，例如垂直于第一电极内表面111a的向量穿过孔缝而到达第二电极内表面111b而不与隔离物120相交(并且优选地不与系统的任何其他元件相交)的孔缝。例如，可以通过孔缝面积与腿部投影面积的高比率来实现高几何透明度(例如，如上所描述的)。

在隔离物元件(例如，腿部121、顶点122等)之间的间隔优选地足够短以保持贯穿整个间隙的电极间间距(例如，保持实质上均匀的间距，保持高于最小阈值的间距，防止电极-电极接触等)(例如，尽管有潜在的内部电极表面粗糙度、污染和/或非平面性)。例如，元件可以被布置成使得由元件限定的圆(例如内切圆)限定小于阈值长度的直径和/或半径，和/或在顶点122(例如所连接的顶点)之间的距离小于阈值长度。阈值长度可以是绝对量(例如，0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.75mm、1mm、2mm、5mm等)，可以相对于系统的特征尺寸(例如，隔离物尺寸，例如高度、宽度、壁厚度等；电极尺寸，例如直径、粗糙度、平面度等)被限定(例如，为百分比，例如0.1％、1％、2％、5％、10％、20％、25％、50％、100％、200％、300％、500％、1000％、5000％、25,000％、0.01-0.1％、0.1-1％、1-10％、10-100％、100-1000％、1000-10,000％、10,000-100,000％等)，和/或可以以任何其他合适的方式被限定。

腿部121优选地实质上为非线性的，但是可以可选地为线性的。腿部可以在平行于第一和/或第二表面的平面内沿着非线性路径延伸(例如，沿着横向或x-y平面是非线性的)；沿着在该平面的平面外的非线性路径延伸(例如，其中该平面平行于第一和/或第二表面；其中路径可以间歇地与平面相交；其中腿部121可以在x-z平面和/或y-z平面中是非线性的；等等)；在任何合适的平面中和/或相对于任何合适的轴是非线性的；和/或以另外方式是非线性的。

腿部121优选地限定在顶点122之间的非线性(例如迂回的)路径123(例如，如图3A-3D所示)，更优选地实质上非线性的路径，例如限定实质上大于在路径端点之间的线性距离的长度的路径(例如，如下面关于路径长度和段长度所述的)，和/或具有限定小于阈值半径(例如，1μm、5μm、10μm、15μm、22.5μm、30μm、45μm、60μm、80μm、100μm、125μm、150μm、200μm、250μm、10-30μm、25-75μm、70-150μm、125-300μm、大于300μm、小于1μm等)的曲率半径的和/或在大于阈值弧度角(例如，5°、10°、20°、30°、45°、60°、75°、90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°、170°、180°、45-75°、60-100°、90-150°、130-180°、大于180°、小于45°等)之上限定的弯曲(例如，弓形)元件的路径。例如，连接两个顶点的腿部121优选地限定实质上比在顶点之间的直线段的段长度更长的路径长度(和/或路径到参考平面(例如下面描述的横向和/或法向平面)上的投影的投影长度)，例如至少是大于段长度的阈值因子(例如，1.01、1.05、1.1、1.25、1.5、2、3、5、10、1-1.05、1-05-1.1、1.1-1.2、1.2-1.5、1-5-2、2-5、5-10或大于10)的路径长度。路径123优选地包括横向特征(例如，被限定为使得路径到平行于电极内表面的横向平面上的投影实质上是非线性的，例如，特征实质上被定义在横向平面内)，并且可以另外或可选地包括平面外特征(例如，被限定为使得对于实质上垂直于电极内表面并且包括在顶点之间的直线段的法向平面，路径到平面上的投影实质上是非线性的，例如，特征实质上被限定在平面内)和/或任何其他合适的特征。特征可以包括实质上线性的特征、弯曲的特征、成角度的特征和/或任何其他合适的特征。路径123可以是(或包括的段是)弯曲的、蛇形的、牛耕式的(boustrophedonic)、波状的、螺旋状的、曲折的、成角度的、圆锯齿状的和/或锯齿状的，和/或可以具有任何其他合适的(例如，实质上非线性的)形状。

在一个示例中(例如，如图4A-4C所示)，路径123每个包括具有交替曲率方向(优选地横向曲率，但另外或可选地包括平面外曲率)的一系列圆弧，其优选地在它们的端点处被连接(例如，每个端点位于在顶点122之间的线上)但可选地与彼此分隔开，例如通过直线段和/或任何其他合适的段被连接。圆弧可以具有任何合适的曲率半径(例如，1μm、5μm、10μm、15μm、22.5μm、30μm、45μm、60μm、80μm、100μm、125μm、150μm、200μm、250μm、10-30μm、25-75μm、70-150μm、125-300μm、大于300μm、小于1μm等)、任何合适的弧度角(例如，5°、10°、20°、30°、45°、60°、75°、90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°、170°、180°、45-75°、60-100°、90-150°、130-180°、大于180°、小于45°等)和/或任何其他合适的度量。

非线性和/或迂回路径优选地用来增加腿部的横向(例如，平行于内电极表面)顺应性，这可以增强隔离物对热循环的鲁棒性(例如，对在热循环期间出现的热膨胀和/或热收缩的鲁棒性)，该热循环是例如在高温(例如，大于600℃、700℃、800℃、1000℃、1200℃、1400℃、500-750℃、750-1000℃、1000-1250℃、1250-1500℃等)和降低的温度(例如，周围环境温度；小于800℃、600℃、400℃、300℃、200℃、100℃、50℃、0-100℃、100-300℃、300-600℃、600-1000℃等的温度)之间的重复循环。迂回路径可以另外或可选地起作用来例如通过增加腿部的屈曲阈值来增加法向(例如，垂直于内电极表面)强度(例如，在如上所述的力下)。然而，隔离物120可以另外或可选地包括直接连接顶点122的直腿部121和/或限定任何其他合适的路径的腿部121。

腿部121优选地沿着它们的长度(并且从一个腿部到另一个腿部)限定实质上一致的横截面(例如，在垂直于由腿部限定的路径的平面上)，但可以可选地限定沿着腿部的长度和/或在不同的腿部之间(例如，逐渐地、逐步地等)变化的横截面，和/或可以限定任何其他合适的横截面。每个腿部121可以是实心的，多孔的，包括几何空隙(例如内腔)，形成矩阵，或者以其他方式被构造。腿部内部结构可以在整个腿部长度、宽度和/或高度上是一致的或可变的。

腿部横截面(例如，在垂直于内电极表面的平面内，例如垂直于由腿部限定的路径的平面内)可以具有任何合适的形状。在第一实施例中，横截面实质上是矩形的(例如，如图1B和图5E所示)。在第二实施例中，横截面限定一个或更多个内腔(例如，如图5A-5D和图5F-5P所示)。例如，横截面可以限定一个或更多个垂直特征(例如，被配置成在每一端处接触电极内表面的特征，例如跨越隔离物高度的垂直壁)、槽(例如：C或U形截面、H或I形截面、波纹状、蛇形、波状、圆锯齿状和/或锯齿状截面等的槽)、孔(例如，在例如矩形和/或圆形管的管中的孔；矩形和/或圆形孔；等等)、凸缘(例如，从垂直隔离物特征向外延伸，例如沿着电极表面延伸)和/或任何其他合适的特征。横截面可以限定一个或更多个隔离物高度、腿部(和/或腿部特征)宽度、壁厚度和/或任何其他合适的度量。

因此，隔离物120优选地包括沿着一组路径限定的一组腿部(例如，沿着不同路径限定的每个腿部121)，其中该组(和/或其任何子集)的每个腿部121优选地限定一个或更多个内腔，例如槽和/或管(例如，其中腿部121是有管的(canaliculate)和/或管状的)，并且可以另外或可选地限定任何其他合适的特征。腿部的内腔(例如，由腿部的第一构件(例如布置成最靠近和/或接触第一电极内表面的构件)限定)优选地沿着相关联路径(例如，沿着相关联路径的整个长度)被限定(例如，其中路径在内腔中居中)。例如，腿部121可以包括布置成靠近第一电极内表面(例如，与第一电极内表面接触)的第一部分、布置成靠近第二电极内表面(例如，与第二电极内表面接触)的第二部分以及将第一部分连接到第二部分(和/或将第一和/或第二部分连接到与越过内腔与第一或第二部分相对地布置的第三部分)的一个或更多个侧壁，优选地，其中侧壁和第二部分协作地限定第一内腔，并且第二部分布置在第一内腔和第二电极内表面之间。在一些特定示例(例如，如图5L-5P所示)中，在垂直于第一路径的平面上限定的侧壁的横截面在第一和第二部分之间实质上是非线性的(例如，是弯曲的，包括在不同角度下的多个线段，等等)，这可能导致对施加在隔离物上的压缩力的非线性响应。

在(例如，如图5K、图9和图10A-10B所示的)一些变型中，腿部121包括(例如，诸如沿着第一构件的长度和/或沿着其子集连接到第一构件的)第二构件，该第二构件优选地布置成比第一构件更远离第一电极(例如，布置成最靠近和/或接触第二电极内表面)。第二构件可以可选地(例如，与第一构件协作地)限定第二内腔，其中第一内腔优选地实质上(例如，通过第一构件)与第二内腔分隔。第二腿部(例如，第二内腔)优选地基于第一路径沿着第二路径被限定(例如，实质上与第一路径的偏移版本和/或几何平移相同，例如从第一腔到第二腔的平移)，但可以可选地沿着任何其他合适的路径被限定。在(例如，如图10A-10B所示的)一些示例中，腿部121包括(例如，布置在第二内腔内的)一个或更多个支撑构件，例如实质上沿着垂直于隔离物和/或电极内表面的轴定向的(例如，沿着腿部的长度位于不同的位置(例如周期性定位处)而不是沿着腿部的整个长度形成连续壁的)管和/或柱，其中每个支撑构件优选地将第一构件连接到第二构件和/或以任何其它合适的方式为腿部121提供机械支撑。

在一些实施例(例如，其中腿部121接触两个电极的内表面，例如其中隔离物120实质上是平面的)中，腿部高度(或者，对于改变横截面，最大腿部高度)优选地起作用来限定电极间间距(例如，隔离物高度或者堆叠的隔离物的高度的和实质上等于间距)。在其他实施例(例如，其中隔离物实质上是非平面的，例如在图12A-12B中所示)中，总的隔离物高度(优选地在压缩下，但可选地是独立的)优选地起作用来限定电极间间距(例如，实质上等于间距)。电极间间距(例如，电极间间隙宽度；优选地由隔离物高度和/或腿部高度等限定)优选地为0.1-10μm，更优选地为0.5-3μm(例如，0.75μm、1μm、2μm等)，但可以可选地是50-100nm、小于50nm、10-25μm、25-50μm、大于50μm或任何其他合适的高度。腿部宽度和腿部特征宽度优选地为微米级(例如，1-10μm、10-100μm等)，但可以另外或可选地是100nm-1μm、小于100nm、大于100μm和/或是任何其他合适的宽度。在一些实施例(例如，其中腿部横截面实质上是矩形的，例如在图5E中所示)中，隔离物高度等于(或实质上等于)壁厚度。

横截面优选地限定实质上均匀的壁厚度(例如，由通过实质上保形的技术的沉积(例如原子层沉积)引起)，但可以可选地限定任何合适的壁厚度(例如，不同的壁厚度、逐渐变化的壁厚度等)。壁厚度可以是10-800nm(例如，10-30nm、25-75nm、75-250nm、250-800nm、小于100nm等)、大于800nm、小于10nm和/或任何其他合适的厚度。

在一个实施例中，腿部121限定实质上一致的横截面，其限定实质上均匀的壁厚度，包括单个U形截面肋状部，并且可选地包括在肋状部的一侧或两侧上的凸缘(例如，如图6A-6B所示)。在该实施例的特定示例中，壁厚度为100nm，(由肋状部限定的)腿部高度为750nm，肋状部宽度为1.5μm，以及凸缘小于5μm宽。

在第二实施例中，腿部121限定阶梯形横截面，其中腿部121包括沿着它的整个长度的实质上平坦的构件，并且包括沿着它的长度的部分(例如，周期性地沿着它的长度，例如占据长度的50％)的突出部(例如，例如在图5H中所示的盒状突出部)。然而，腿部121可以限定任何其他合适的横截面。

在一些实施例中，隔离物120(例如，腿部121中的一个或更多个)可以包括使与第一电极内表面的隔离物接触点从与第二电极内表面的隔离物接触点显著偏移(例如，在横向方向上)，例如偏移大于阈值距离(例如，10nm、50nm、100nm、500nm、1000nm、5000nm、0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.75mm、1mm、2mm、5mm、10-100nm、100-1000nm、1-10μm、10-100μm、0.1-1μm、1-10mm等)的特征。例如，这可以增加用于通过隔离物的热传递的有效路径长度，从而增加电极间热隔离。在第一示例中，这种分隔通过隔离物粗糙度(例如，随机或伪随机粗糙度，例如从制造基底的表面粗糙度模板化的粗糙度和/或通过使所制造的隔离物例如通过蚀刻工艺粗糙化而实现的粗糙度)来实现，该粗糙度是例如大于和/或小于阈值(例如，0.1、0.5、1、5、10、20、30、50、75、100、125、150、200、300、0.1-1、1-10、10-25、25-65、65-100、100-150、150-200和/或200-400nm rms粗糙度)的粗糙度。在第二示例中，隔离物120包括特别设计的接触点(例如，在隔离物的面向每个电极内表面的部分中的突出部，优选地，其中从隔离物的一侧(例如面向第一电极内表面的一侧)的突出部与在隔离物的相对侧(例如面向第二电极内表面的一侧)中的互补凹陷(depression)相对)。突出部可以包括具有比隔离物的腿部的一个或更多个特征尺寸(例如，宽度、高度、壁厚度、长度等)实质上大(例如，至少一个阈值因子，例如1.1、1.5、2、2.5、3等)、类似于隔离物的腿部的所述一个或更多个特征尺寸(例如，在所述阈值因子内)和/或比隔离物的腿部的所述一个或更多个特征尺寸实质上小(例如，至少所述阈值因子)的尺寸的突出部。在特定示例中，隔离物120包括从被图案化到制造模板中的地形特征模板化的突出部(和互补凹陷)，例如突出和/或凹进的点、线、台面、脊和/或任何其他合适的地形特征。

另外或可选地，每个腿部121可以可选地限定一个或更多个孔(例如，如图11A-11D所示)，优选地，实质上垂直于隔离物定向的孔，例如穿过腿部的侧壁、顶部部分、凸缘和/或任何其他合适结构的孔。隔离物120(例如腿部121)可以另外或可选地包括中空特征，例如限定多个内腔的多个腿部构件的堆叠(例如，如图5I-5K和图9所示)。隔离物120可以可选地限定实质上非平面的形状(例如，其中网状结构被限定在非平面表面上，例如其中顶点122实质上是非共面的)，例如弯曲表面(例如，鞍形，例如双曲抛物面；杯形形状，例如椭圆形抛物面；凹进的形状，例如由杯状凹陷变型的实质上平坦的区域；槽状形状，例如圆柱形截面或抛物面形槽；等等)和/或成角的表面。在特定示例中，隔离物120限定褶皱(rugose)(例如，波纹状、皱纹状等)的鞍状表面，其中顶点122位于该表面上(例如，以及路径123和/或腿部121实质上位于该表面上)。然而，隔离物120可以另外或可选地包括用于减少在电极之间的热传递的任何其他合适的特征。

隔离物120优选地包括一种或更多种热和/或电绝缘材料(例如，由一种或更多种热和/或电绝缘材料制成)。材料可以包括氧化物化合物(例如，金属和/或半导体氧化物)和/或任何其他合适的化合物，例如金属和/或半导体氮化物、氮氧化物、氟化物和/或硼化物。例如，材料可以包括Al、Be、Hf、La、Mg、Th、Zr、W和/或Si的氧化物和/或其变体(例如钇稳定氧化锆)。隔离物材料优选地实质上是无定形的，但可以另外或可选地具有任何合适的结晶度(例如，半结晶的、纳米和/或微米结晶的、单晶的等)。然而，隔离物120可以另外或可选地包括(例如，如上面关于材料所描述的)任何其它合适的材料。

隔离物120优选地包括两种或更多种材料的组合(例如，实现材料特性调整、不太坚固的材料的保护等)，但可以可选地包括单一材料。材料组合可以包括合金、混合物(例如各向同性混合物、各向异性混合物等)、多层堆叠和/或任何其他合适的组合。例如，多层堆叠可以减少热和/或电传导(例如，由于载流子边界散射)，和/或可以例如通过将不太坚固的材料部分地或全部封装在更坚固的材料层中来增加隔离物坚固性(例如，在高温下，在化学反应环境中，等等)。在第一特定示例中，隔离物120由铝酸铪合金制成。在第二特定示例中，隔离物120包括具有在两个外层(例如，包括氧化铪或含氧化铪的化合物，例如与中间层不同的氧化铪-氧化铝合金；包括氧化铝或含氧化铝的化合物，例如与中间层不同的氧化铪-氧化铝合金；优选地实质上由这种材料组成)之间(例如，实质上封装在两个外层之间)的中间层(例如，包括氧化铝或含氧化铝的化合物，例如氧化铪-氧化铝合金；包括氧化铪或含氧化铪的化合物，例如氧化铪-氧化铝合金；优选地基本上由这种材料组成)的多层(例如，三层)结构，两个外层具有与彼此相同或不同的材料，这可以用来例如减少在中间层中的物质(例如Al、Hf等)在高温下的蒸发和/或结晶。在该第二特定示例中，第一外层优选地接触第一电极内表面，以及第二外层优选地接触第二电极内表面。

材料组合和/或表面功能化(例如，包括封端，如氢、羟基、烃、氮、硫醇、硅烷等)可以另外或可选地用于改变(例如，增强、降低)表面粘附力(例如，到电极内表面)、热和/或电接触、扩散(例如，相互扩散)、化学反应和/或任何其他合适的界面性质和/或工艺。例如，隔离物120可以包括布置成与第一电极(例如，阴极、阳极)内表面接触的第一层和布置成与第二电极(例如，与第一电极相对)内表面接触的第二层。在第一示例中，第一层表现出对第一电极内表面的强粘附力(例如，第一层-第一电极界面具有低界面能)，以及第二层表现出对第二电极内表面的弱粘附力(例如，第二层-第二电极界面具有高界面能)。在第二示例中，第一和第二层都表现出对它们接触的相应内表面的弱粘附力(例如，具有高界面能，实质上相等的界面能)。在第三示例中，第一和第二层都表现出对它们接触的相应内表面的强粘附力(例如，具有低界面能，实质上相等的界面能)。在特定示例中，接触阴极的隔离物表面包括H端封表面(H-terminated surface)功能化，以及接触阳极的隔离物表面包括OH端封表面功能化。然而，隔离物120可以包括材料的任何其它合适的组合。

隔离物120可以可选地包括一个或更多个框架和/或操纵特征。例如，优选地限定实质上对应于电极的尺寸(例如，具有实质上相同的形状和/或尺寸)的隔离物可以包括框架(例如，当隔离物120与电极对准并接触时，该框架在电极的区域之外延伸)，这可以实现隔离物120的容易操纵(例如，在小间隙设备的组装期间)。框架优选地是坚固的特征(例如，比隔离物的内部部分在机械上更坚固)，例如包括连续的和/或厚的结构(例如，而不是被孔缝中断的薄结构)。在一些示例中，框架被配置成例如因机械分离和/或热膨胀应力而脱离隔离物120(例如，在设备组装之后)(例如，框架在有意地弱化的界面(例如包括穿孔的界面)处连接到隔离物的内部部分)。

在一些实施例中，隔离物(和/或系统的其他元件)可以包括一个或更多个结构，例如在特此通过引用以其整体并入的美国专利申请15/456,718中描述的那些结构，和/或包括这种结构的元件(例如，如在本文描述的被修改，例如限定非线性路径和/或非线性隔离物表面，包括多种材料(例如多层堆叠)等)。

隔离物可以另外或可选地包括在任何合适布置中的任何其他合适特征。

1.4布置。

隔离物120优选地布置在电极之间(例如，在电极的内表面之间)。隔离物的横向平面和每个电极的内表面优选地实质上是平行的，但可以可选地具有任何其他合适的布置。

在一些实施例中，系统包括布置在电极之间的多个隔离物120(例如，在堆叠中、横向地等)，优选地，其中每个隔离物的横向平面实质上平行于内电极表面(例如，如图7所示)。在这些实施例中，隔离物120优选地以相对于彼此的任意横向定向和定位被布置，但可以可选地具有相对于彼此的任何合适的布置。在这些实施例中，隔离物120的平面外的热和/或电传导率甚至可以低于单个隔离物的热和/或电传导率(例如，由于有限区域，其中隔离物120接触彼此)。在这些实施例中，多个隔离物120优选地为相同的隔离物类型(例如，几何形状、材料等)，但可以可选地是不同的隔离物类型。

然而，系统可以另外或可选地包括在任何合适布置中的任何其他合适的元件。

2.制造方法。

制造方法优选地包括限定横向特征、沉积隔离物材料、选择性地去除隔离物材料以及使隔离物与制造基底分离(例如，如图8A-8B所示)。该方法可以可选地包括组装该系统。

限定横向特征优选地包括在制造基底(例如，具有光滑表面的基底，例如抛光硅片)上创建图案。优选地通过可以实现任意横向特征的限定的光刻术(例如光刻蚀法)来限定横向特征(例如，路径、顶点、通道宽度等)。然而，可以另外或可选地使用自组装技术(例如，后面是连接工艺，例如烧结，以产生独立的隔离物)和/或任何其他合适的技术来限定横向特征。

隔离物材料优选地沉积到图案化的制造基底上。隔离物材料优选地使用保形沉积技术(例如，原子层沉积、化学气相沉积、电镀等)来沉积，但可以另外或可选地使用不太保形的技术(例如，物理气相沉积)和/或以任何其他合适的方式来沉积。优选地控制沉积以沉积期望的隔离物壁厚度。对于合金和/或多层隔离物120，隔离物材料可以顺序地沉积，以交替方式沉积(例如，产生多个不同的层、随后可以扩散到合金中的多个层、单个合金层等)、共同沉积和/或以任何其他合适的方式沉积。

在一个示例中，为了制造包括在氧化铝层之间的氧化铪层的隔离物，沉积隔离物材料可以包括：将第一层氧化铝沉积到图案化制造基底上，将一层氧化铪沉积到第一层氧化铝上，以及将第二层氧化铝沉积到该层氧化铪上。类似地，为了制造包括在氧化铪层之间的氧化铝层的隔离物，沉积隔离物材料可以包括：将第一层氧化铪沉积到图案化制造基底上，将一层氧化铝沉积到第一层氧化铪上，以及将第二层氧化铪沉积到该层氧化铝上。

在第二示例中，为了制造包括内部(例如，第二)内腔的隔离物，沉积隔离物材料可以包括：将隔离物材料的第一层(或一组层，例如如上所述的多层堆叠)沉积到图案化制造基底上，将(例如，可以被蚀刻掉的材料、优选地与制造基底相同的材料和/或通过与制造基底相同的工艺可蚀刻的材料(例如Si)的)牺牲层沉积到第一层上，以及将隔离物材料的第二层(或一组层，例如如上所述的多层堆叠)沉积到牺牲层上。在第二示例的特定示例中，为了制造包括在内腔内的一个或更多个支撑构件(例如，支柱、柱、管等)的隔离物，沉积隔离物材料还可以包括在沉积第二层隔离物材料之前图案化和蚀刻牺牲层以限定支撑构件，其中支撑构件优选地与第二层同时被沉积，但可以可选地在第二层之前和/或在任何其他合适的时间被沉积。

在这些示例中，优选地使用原子层沉积来顺序地沉积这些层，但一些或所有层可以另外或可选地使用化学气相沉积和/或以任何其他合适的方式被沉积。然而，可以以任何其他合适的方式执行沉积隔离物材料。

选择性地去除隔离物材料优选地包括去除不需要的材料(例如，在隔离物材料沉积到制造基底上之后；优选地在隔离物与制造基底分离之前，但另外或可选地在隔离物与制造基底分离之后)。不需要的材料可以包括在预期路径之间(例如，在图案化特征外部；离图案化特征大于阈值距离，例如期望的凸缘宽度；等等)的隔离物材料。隔离物材料优选地使用图案化蚀刻工艺(例如激光微机械加工)被去除，但可以另外或可选地以任何其他合适的方式被去除。

从制造基底分离隔离物优选地包括执行释放工艺(例如，通过干法蚀刻方法，例如XeF₂蚀刻；通过湿法蚀刻方法；等等)。然而，隔离物可以另外或可选地与制造基底机械地和/或以任何其他合适的方式分离。

组装系统可以包括将隔离物放置在第一电极的内表面上，然后将第二电极的内表面放置在隔离物上，越过隔离物与第一电极相对。在多个隔离物120被使用的实施例中，隔离物可以放置在多个电极上，多个隔离物可以堆叠在单个电极上，和/或多个隔离物可以以任何其他合适的方式放置在电极之间。组装系统可以可选地包括将隔离物粘附到内表面；例如通过磁性对准、机械对准、流体对准和/或光学对准技术来使隔离物(例如，与电极的特征(例如晶片边缘、与其他隔离物等))对准；处理(例如固化、加热、暴露于化学环境等)所组装的结构；移除隔离物的任何操纵特征，例如操纵框架；和/或以任何其他合适的方式组装系统。

在一些实施例中，该方法(和/或该方法的要素)可以包括方法要素，例如在特此通过引用以其整体并入的美国专利申请15/456,718中描述的那些方法要素。

然而，该方法的要素可以另外或可选地以任何其他合适的方式被执行，和/或该方法可以另外或可选地包括任何其他合适的要素。例如，在可选的实施例中，该方法可以包括通过消减技术来制造隔离物(例如，蚀刻制造晶片以限定隔离物)，在适当位置上制造隔离物(例如，直接沉积到电极内表面上，在电极内表面上自组装，通过蚀刻到电极内表面内来被限定，等等)和/或以任何其他合适的方式制造隔离物。

Claims (26)

1.一种热离子能量转换器系统，包括：

·第一电极，其包括第一表面；

·第二电极，其包括第二表面；以及

·网状隔离物，其保持所述第一表面和所述第二表面之间的间隙；

其中：

·所述第一表面和所述第二表面越过所述间隙面向彼此布置；

·所述网状隔离物将所述第一电极与所述第二电极电气地且热学地隔离；

·所述网状隔离物限定网状结构，所述网状结构包括一组顶点和被连接在所述组的顶点之间的一组路径，所述一组路径包括第一路径和第二路径，其中所述第一路径实质上是非线性的；

·所述网状隔离物包括实质上沿着所述一组路径延伸的一组腿部，所述一组腿部包括：

o第一有管腿部，其沿着所述第一路径限定第一内腔，其中所述第一有管腿部接触所述第一表面；以及

o第二有管腿部，其沿着所述第二路径限定第二内腔，所述第二有管腿部经由所述一组腿部连接到所述第一有管腿部，其中所述第二有管腿部接触所述第二表面；以及

·所述网状隔离物在所述一组腿部中的腿部之间限定多个孔缝，其中对于所述多个孔缝中的每个孔缝，从所述第一表面到所述第二表面的相应的第一表面法向向量穿过所述孔缝并且不与所述网状隔离物相交。

2.根据权利要求1所述的系统，其中：

·所述网状隔离物沿着垂直于所述第一表面的向量到所述第一表面上的投影限定隔离物投影面积；

·所述网状隔离物的凸壳沿着所述向量到所述第一表面上的投影限定凸壳投影面积；以及

·所述隔离物投影面积与所述凸壳投影面积之比定义填充分数，其中所述填充分数小于10％。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述间隙限定在所述第一表面和第二表面之间的小于25μm的间隙宽度。

4.根据权利要求1所述的系统，其中：

·所述第一有管腿部限定小于300nm的第一壁厚度；以及

·所述第二有管腿部限定小于300nm的第二壁厚度。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述网状隔离物包括与所述第一表面和所述第二表面接触的多层氧化物结构。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述多层氧化物结构包括：

·第一氧化物层，其与所述第一表面接触，所述第一氧化物层包括铪；

·第二氧化物层，其与所述第二表面接触，所述第二氧化物层包括铪；以及

·中间氧化物层，其实质上被封装在所述第一氧化物层和第二氧化物层之间，所述中间氧化物层包括铝。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一有管腿部包括：

·第一构件，其与所述第一表面接触；

·第二构件，其布置成靠近所述第二表面；以及

·侧壁，其将所述第一构件连接到所述第二构件，其中在垂直于所述第一路径的平面上限定的所述侧壁的横截面在所述第一构件和所述第二构件之间实质上是非线性的；

其中，所述侧壁和所述第二构件协作地限定所述第一内腔，其中所述第二构件布置在所述第一内腔和所述第二表面之间。

8.根据权利要求1所述的系统，其中：

·所述第一路径连接在所述一组顶点中的第一顶点和第二顶点之间，其中所述系统限定从所述第一顶点到所述第二顶点的段；

·所述系统限定平面，其中所述平面包括所述段和垂直于所述第一表面的向量；以及

·所述第一路径到所述平面上的投影实质上是非线性的。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一路径在所述第一顶点和第二顶点之间的路径长度比所述段的段长度大了多于10％。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一路径限定多个弧。

11.一种热离子能量转换器系统，包括：

·第一电极，其包括第一表面；

·第二电极，其包括第二表面；以及

·网状隔离物，其保持所述第一表面和所述第二表面之间的间隙，所述网状隔离物通过所述第一表面和所述第二表面协作地保持在所述间隙内；

其中：

·所述第一表面和所述第二表面越过所述间隙面向彼此布置；

·所述网状隔离物使所述第一电极与所述第二电极电气地且热学地隔离；

·所述网状隔离物限定包括一组顶点和被连接在所述组的顶点之间的一组路径的网状结构；

·所述网状隔离物包括实质上沿着所述一组路径中的路径延伸的腿部，所述腿部包括：

o第一构件，其沿着所述路径限定第一内腔；以及

o第二构件，其沿着所述第一构件的长度连接到所述第一构件；

·所述第一构件接触所述第一表面；

·所述第二构件布置在所述第一构件和所述第二表面之间；

·所述第一构件和第二构件协作地限定第二内腔，其中所述第一内腔通过所述第一构件与所述第二内腔实质上分隔；

·所述第一构件布置在所述第一表面和所述第二内腔之间；以及

·所述第二构件布置在所述第二表面和所述第二内腔之间。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述腿部还包括布置在所述第二内腔内的多个支撑构件，所述多个支撑构件中的每个支撑构件将所述第一构件连接到所述第二构件。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第二内腔沿着第二路径被限定，其中所述第二路径与所述路径的平移实质上相同。

14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述路径实质上是非线性的。

15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一构件包括：

·第一部分，其与所述第一表面接触；

·第二部分，其布置在所述第一内腔和所述第二构件之间；以及

·侧壁，其将所述第一部分连接到所述第二部分；

其中，所述第一内腔被限定在所述侧壁和所述第二部分之间。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第二构件包括：

·第三部分，其与所述第一构件接触；

·第四部分，其布置在所述第三部分和所述第二表面之间；以及·第二侧壁，其将所述第三部分连接到所述第四部分；

其中，所述第二内腔被限定在所述第一构件、所述第二侧壁和所述第四部分之间。

17.根据权利要求11所述的系统，其中：

·所述网状隔离物沿着垂直于所述第一表面的向量到所述第一表面上的投影限定隔离物投影面积；

·所述网状隔离物的凸壳沿着所述向量到所述第一表面上的投影限定凸壳投影面积；以及

·所述隔离物投影面积与所述凸壳投影面积之比定义填充分数，其中所述填充分数小于25％。

18.根据权利要求11所述的系统，其中，所述间隙在所述第一表面和第二表面之间限定小于10μm的间隙宽度。

19.根据权利要求11所述的系统，其中，所述网状隔离物包括与所述第一表面和所述第二表面接触的氧化物材料。

20.根据权利要求11所述的系统，其中，在第一表面平均温度和第二表面平均温度之间的温度差大于200℃。

21.一种被配置为用于在小间隙设备中使用的网状隔离物，所述小间隙设备包括具有第一表面的第一电极和具有第二表面的第二电极，所述网状隔离物限定网状结构，所述网状结构包括一组顶点和被连接在所述组的顶点之间的一组路径，所述网状隔离物包括实质上沿着所述一组路径延伸的一组腿部，其中，所述网状隔离物限定在所述一组腿部中的腿部之间的一组孔缝，

其中，所述一组路径包括第一路径和第二路径，所述一组腿部包括：

o第一有管腿部，其沿着所述第一路径限定第一内腔，其中所述第一有管腿部接触所述第一表面；

o第二有管腿部，其沿着所述第二路径限定第二内腔，所述第二有管腿部经由所述一组腿部连接到所述第一有管腿部，其中所述第二有管腿部接触所述第二表面；以及

所述网状隔离物在所述一组腿部中的腿部之间限定多个孔缝，其中

对于所述多个孔缝中的每个孔缝，从所述第一表面到所述第二表面的相应的第一表面法向向量穿过所述孔缝并且不与所述网状隔离物相交。

22.根据权利要求21所述的网状隔离物，其中，所述一组路径中的每个路径实质上是非线性的。

23.根据权利要求21或22所述的网状隔离物，其中，由所述第一有管腿部限定的垂直于所述第一路径的横截面的形状沿着所述第一路径改变。

24.根据权利要求23所述的网状隔离物，其中，所述横截面的所述形状沿着所述第一路径以阶梯状变化。

25.一种用于制造小间隙设备的方法，所述方法包括：

·制造根据权利要求21-24中任一项所述的网状隔离物；以及

·组装所述小间隙设备，其中所述小间隙设备包括所述网状隔离物。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述小间隙设备是热离子能量转换器系统。

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