6.3 原子层沉积碳膜的抑制技术研究
随着航天科技的发展，有效载荷日益趋于大功率、小型化、轻量化，以满足新一代航天技术的要求。相较于金属微波部件，介质微波部件以其小型化、大功率化等独特优势，在航天器系统中发挥着越来越重要的作用。然而，随着介质微波部件功率容量的进一步提升，介质微放电抑制成为介质微波部件新技术研制的关键问题之一。介质微放电是指介质微波部件在真空环境下发生的二次电子倍增效应。前期金属微放电抑制技术研究中发现，表面处理技术是实现金属微放电抑制、提高微放电阈值的重要手段。金属微波部件镀膜提高微放电阈值需要满足多项关键技术要求，包括镀膜抑制幅度大、工艺可控性高、镀膜结合力强、环境稳定性高和电学特性优良等。针对大功率介质微波部件微放电效应抑制技术，为了使介质表面镀膜对微波部件能量损耗等性能影响降低到在工程应用中可接受，并保证微波部件在空间环境中的可靠性，表面镀膜抑制介质微波部件微放电效应同样需要满足多项关键技术要求，包括镀膜抑制幅度大、工艺可控性高、镀膜结合力强、环境稳定性高和介电特性优良等。
原子层沉积具有优异的结合力，对于介质微波部件（甚至大功率磁性介质器件），原子层沉积碳膜有助于降低其表面SEY，提高介质放电阈值。采用原子层沉积的方法直接在介质样件表面生长可控碳纳米薄膜材料，可调控碳碳成键方式，实现了亚纳米级厚度控制，碳膜可控性好、稳定性高、结合力强，可控超薄碳膜能避免劣化表面介电特性，碳膜的引入过程清洁无污染。
碳膜由多晶碳颗粒组成，单个碳颗粒粒径为数纳米至数十纳米不等。原子层沉积制备的碳膜具有极高的均匀性和工艺均一性，能够实现介质基片和部件表面高质量可控镀膜。碳膜中碳碳成键方式决定了其导电性强弱，sp2成键比例越大，碳膜越接近石墨烯的特性，导电性越好；sp3成键比例越大，碳膜越接近金刚石的特性，绝缘性越好。拉曼光谱表征结果显示，碳膜中碳碳成键方式以sp3成键为主，混合着少部分sp2成键，如图6-13、图6-14所示。
图6-13 氧化硅表面原子层沉积碳纳米薄膜拉曼光谱数据
（a）样品#1拉曼光谱；（b）样品#2拉曼光谱
图6-14 氧化铝表面原子层沉积碳纳米薄膜拉曼光谱数据
（a）样品#01拉曼光谱；（b）样品#02拉曼光谱
原子层沉积不同厚度的碳膜后，聚四氟乙烯（PTFE）表面SEY逐渐降低。SEY测试结果显示，介质材料聚四氟乙烯和氧化铝基片SEY最大值为3.7和3.5左右，如图6-15、图6-16所示。介质氧化铝和聚四氟乙烯表面沉积约1 nm厚的碳膜后，其SEY分别减小至2.7和2.6左右；沉积约2 nm厚的碳膜后，其SEY分别减小至2.1和2.0左右；沉积约3 nm厚的碳膜后，其SEY减小至1.5左右；沉积约4 nm厚的碳膜后，其SEY减小至1.3左右；沉积约5 nm厚的碳膜后，其SEY减小至1.25左右；沉积约8 nm厚的碳膜后，其SEY减小至1.23左右。随着碳膜持续增加，SEY基本保持稳定，为1.20左右，降幅超过60%。综合分析介质表面碳膜抑制效果、介电特性、镀膜成本、生产效率和航天可靠性等因素，优选碳膜镀层用于介质微波部件微放电阈值的提升。
基于原子层沉积技术制备薄膜是一个周期生成一个亚原子层的化学反应沉积过程，因此表面碳薄膜的致密度和均匀度高，且不会改变微波部件级基材表面的粗糙度。原子层沉积反应是在气态环境下完成的，反应窗口内前驱体源通过化学吸附的方式均匀吸附在待沉积部件基片表面，表面可以是平面、曲面、深宽比较大的陷阱结构表面等。
图6-15 聚四氟乙烯基片表面SEY最大值随碳膜厚度变化
图6-16 氧化铝基片表面SEY最大值随碳膜厚度变化