DE102007049635A1 - Coating particles in presence of microwave-plasma in fluidized bed reactor, employs flow of ionized gas carrying particulate substrate powder and metallic targets - Google Patents

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Abstract

Particulate substrates of insulating-, semiconductor- or electrically-conductive material, are treated in a bed fluidized by an ionized gas flow. This flow contains particulate targets made from metals, metal alloys or metal compounds. These furnish the coating material. A microwave plasma is used, preferably at a pressure of 10 -5>Pa. The industrial, scientific, medical (ISM) frequency band is used, especially at 915 MHz and 2.45 GHz. A mechanical stirrer may also be incorporated into the reactor. The fluidized bed can be mechanically-levitated by vibration. The gas velocity in the reactor is 0.1-50 times the minimum fluidization velocity of the powder. The range of 1-10 times this velocity is preferred. The fluidization gas contains argon, nitrogen, helium, hydrogen or their mixtures. The powder treated, consists of at least one substrate material and at least one metallic target material. The substrate is e.g. carbon fiber, carbon, graphite, diamond, WC, TiC, TiN, VC, Cr 3C 2, TaC, NbC, ZrC, HfC, Mo 2C, ZrN, TiB, ZrB 2, TiSi, MoSi 2, UC, B 4C, SiC, Be 2C, AlN, Si 3N 4, SiB 6, B, Al 2O3, BeO, ZrO 2, MgO or SiO 2. The particle diameters lie predominantly in the size range 10-100 micro-m. Substrate particles are spherical, conical, diamond-shaped, fiber-shaped, cylindrical, tubular, plate-like, or of irregular form. The metallic target material is Al, Si, Zn, Ti, Sn, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Ag, Au, Ge or their mixtures. The content of target material in the powder mixture is preferably 0.1-10 wt%. The treated powder consists of at least one substrate material and at least one metal or metal compound derived from a chemical compound.

Description

Einleitungintroduction

Die Beschichtung von partikulären Stoffen, wie Pulvern, Kurzfasern oder Granalien eines Isolators, Halbleiters oder elektrisch leitfähigen Materials mit einer gleich- oder andersartigen Verbindung ist bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen von zentraler Bedeutung für die Einstellung der Grenzflächeneigenschaften zwischen Matrix und dispergiertem Material.The Coating of particulate matter, such as powders, short fibers or granules of an insulator, semiconductor or electrically conductive Material with a similar or different connection is included the production of composites of central importance for the adjustment of interface properties between Matrix and dispersed material.

So stellen beispielsweise Kupfer basierte Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe mit Kohlenstoff (Diamant, Kohle-Kurzfasern) als Füllmasse viel versprechende Materialien für Kühlkörper in Hochleistung Elektronikanwendungen dar. Stand der Technik ist, dass bei derartigen Kühlkörpern im Vergleich zu den theoretisch möglichen Werten real nur ein Bruchteil der Wärmeleitfähigkeit und der mechanischen Festigkeit und Zähigkeit erreicht wird. Grund hierfür sind schlechte Kontaktierungseigenschaften zwischen Kupfer und den Kohlenstoffmaterialien [ Neubauer et. al. in Thin Solid Films 433, Issue 1–2, Juni 2003, s. 160–165 ], berichten über den Einfluss von Grenzflächen in derartigen Kühlkörpern auf die Wärmeleitung sowie die mechanischen Eigenschaften.Thus, for example, copper-based metal-matrix composite materials with carbon (diamond, carbon short fibers) as filling material are promising materials for heat sinks in high-performance electronic applications. The state of the art is that in the case of such heat sinks, in comparison to the theoretically possible values, only one Fraction of thermal conductivity and mechanical strength and toughness is achieved. This is due to poor contacting properties between copper and the carbon materials [ Neubauer et. al. in Thin Solid Films 433, Issue 1-2, June 2003, p. 160-165 ], report on the influence of interfaces in such heat sinks on the heat conduction and the mechanical properties.

Ein Lösungsansatz besteht darin, durch Abscheidung dünner AlN/Al-Schichten auf den Kohlenstoffmaterialien die Anbindung zwischen Kohlenstoffmaterial und Metallmatrix auf atomarer Ebene zu verbessern. Es gibt aber kein Verfahren mit dem disperse, partikulare Materialien unabhängig von ihrer elektrischen Leitfähigkeit vollständig mit nanoskaligen Metallen und Metallnitriden, Gemischen dieser Stoffe oder mit weiteren komplex aufgebauten Schichten, z. B. aus Metall und Metallcarbid, Halogenid, Oxid und Kombinationen dieser Verbindungen beschichtet werden können. Interessant sind auch Beschichtungen aus Metalllegierungen, insbesondere für katalytische oder elektrochemische Anwendungen. Hier setzt das erfindungsgemäße Verfahren an, welches auf einer neuartigen Anwendung von Plasma-Wirbelschicht Technologie basiert.One Approach is thinner by deposition AlN / Al layers on the carbon materials interfacing between To improve carbon material and metal matrix at the atomic level. But there is no process with the disperse, particulate materials regardless of their electrical conductivity completely with nanoscale metals and metal nitrides, Mixtures of these substances or with other complex layers, z. Metal and metal carbide, halide, oxide and combinations These compounds can be coated. Interesting are also coatings of metal alloys, especially for catalytic or electrochemical applications. Here is the inventive Method, which is based on a novel application of plasma fluidized bed Technology based.

US 5,484,655 beschreibt ein mit AlN beschichtetes SiC-Fasermaterial, dass mittels Niederdruck CVD (Chemische Gasphasenabscheidung – Chemical Vapor Deposition) Verfahren hergestellt wurde. US 5,484,655 describes an AlN-coated SiC fiber material produced by low pressure CVD (Chemical Vapor Deposition) processes.

EP 0 258 027 beschreibt ein CVD Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silizium durch Pyrolyse von Silan. Dieser Prozess erfolgt in einer mehrstufigen konventionell beheizten Wirbelschicht bei leichtem Überdruck (Druckbereich von 1,01 bar bis 3 bar). EP 0 258 027 describes a CVD process for the production of polycrystalline silicon by pyrolysis of silane. This process takes place in a multistage conventionally heated fluidized bed at a slight overpressure (pressure range from 1.01 bar to 3 bar).

EP 0 655 516 beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung oder Oberflächenbehandlung von Pulvern mittels einer Niederdruckplasmawirbelschicht, indem man das Plasma außerhalb der Wirbelschicht erzeugt und in die Wirbelschicht einleitet. EP 0 655 516 describes a process for coating or surface treating powders by means of a low pressure plasma fluidized bed by generating the plasma outside the fluidized bed and introducing it into the fluidized bed.

DE 10 2004 029 759 beschreibt ein Verfahren zur Optimierung der Verteilung metallischer Binder in den Agglomeraten von Hartstoff/Binder-Systemen durch die Plasmabehandlung in einem 2-stufigen Wirbelschichtreaktor. Die Homogenisierung der Metallverteilung erfolgt durch pulsartige Erwärmung der Agglomerate in einem atmosphärischen Mikrowellenplasma in einer zirkulierenden Wirbelschicht, wobei die sehr starke Mikrowellenerwärmung der Carbid-Metall Agglomerate und die gute Benetzung von WC mit Co die verbesserte Verteilung ermöglicht. DE 10 2004 029 759 describes a method for optimizing the distribution of metallic binders in the agglomerates of hard / binder systems by the plasma treatment in a 2-stage fluidized bed reactor. The homogenization of the metal distribution is effected by pulsed heating of the agglomerates in an atmospheric microwave plasma in a circulating fluidized bed, wherein the very strong microwave heating of the carbide-metal agglomerates and the good wetting of WC with Co enables the improved distribution.

EP 0 345 795 bzw. US 4,940,523 von Takeshima beschreibt ein PVD (Physikalische Gasphasenabscheidung – Physical Vapor Deposition) Verfahren zur Beschichtung von Pulvern im Vakuum, wobei das Substratpulver in einer Drehtrommel-Sputterkammer wirbelt. EP 0 345 795 respectively. US 4,940,523 Takeshima describes a PVD (Physical Vapor Deposition) method for coating powders in vacuum, wherein the substrate powder swirls in a rotary drum sputtering chamber.

Das Substratpulver wird von einem oder mehreren Targets konventionell besputtert. Jedes Target hier besteht aus einem nicht wirbelfähigen makroskopischen Festkörper. Ein bekannter Nachteil dieses Verfahrens ist die niedrige Abscheiderate, was zu langen Prozesszeiten führt.The Substrate powder becomes conventional from one or more targets sputtered. Each target here is a non-vortexed one macroscopic solids. A known disadvantage of this Process is the low deposition rate, resulting in long process times leads.

US 7,063,748 bzw. US 6,984,404 von Talton beschreibt ein PVD-Laserstrahl-Verdampfungsverfahren zur Beschichtung von vibrationsfluidisierten Pulvern in einem Reaktor. Das Substratpulver wird gewirbelt, indem die Metallatome aus dem Target durch ein Quarzglasfenster mittels eines Lasers verdampft werden. Das Target besteht aus einem dichten Festkörper mit makroskopischen Abmessungen (kein Pulver) und bleibt während des gesamten Prozesses fest über dem Reaktorraum fixiert. Dieser Prozess kann im Druckbereich von 0.1 bis 760 Torr stattfinden. Obwohl es möglich ist dieses Verfahren im atmosphärischen Druck zu betreiben, ist die Abscheiderate nur halb so hoch im Vergleich zu einem Prozessdruck von 10 Torr, wie in US 7,063,748 beschrieben. Die niedrige Abscheiderate ist ein bekannter Nachteil des Laserstrahl-Dampfbeschichtungsverfahrens. Beim Beschichten von Pulvern ist diese Rate noch niedriger als bei kompakten Substratkörpern, weil die Substratoberfläche größer ist. US 7,063,748 respectively. US 6,984,404 Talton describes a PVD laser beam evaporation process for coating vibration fluidized powders in a reactor. The substrate powder is vortexed by vaporizing the metal atoms from the target through a quartz glass window by means of a laser. The target consists of a dense solid with macroscopic dimensions (no powder) and remains firmly fixed over the reactor space throughout the process. This process can take place in the pressure range from 0.1 to 760 Torr. Although it is possible to operate this process at atmospheric pressure, the rate of deposition is only half that of a process pressure of 10 Torr, as in US 7,063,748 described. The low deposition rate is a known disadvantage of the laser beam vapor deposition process. When coating powders this rate is even lower than with compact substrate bodies, because the substrate surface is larger.

Bei dem Verfahren, welches hier beschrieben wird, handelt sich um ein System mit einer Vielzahl von festen aber nur wenige μm bis mm kleinen Targets, die wirbelfähig sind und sich gleichzeitig mit den zu beschichtenden Substratpartikeln (z. B. Pulverteilchen, Fasern, Granalien, Agglomarate) in einem Prozessraum bewegen, der mit Mikrowellen (Frequenz 300 MHz bis 300 GHz) beaufschlagt ist und so geformt ist, dass eine Ionisation der Gasatmosphere erfolgt (s. 2).The process described here is a system with a large number of solid but only a few μm to mm small targets, which are vortex-capable and at the same time coated with the substrate particles to be coated (eg powder particles, fibers, granules, Agglomarate) in a process room that moves with microwaves (Frequency 300 MHz to 300 GHz) is applied and shaped so that an ionization of the gas atmosphere takes place (s. 2 ).

Sowohl das Targetmaterial als auch das Substratmaterial sind disperse Stoffe: das Substrat (Stoff A) kann ein Isolator, Halbleiter oder elektrischer Leiter sein, das Targetmaterial (Stoff B) ist ein Metall und liegt in einer ebenfalls dispergierten Form vor. Die Zusammensetzung der Beschichtung wird zusätzlich durch die Wahl der Zusammensetzung der Gasatmosphäre bestimmt, die außer einem ionisationsfähigen gas (Plasmagas) noch weitere reaktive oder neutrale Gase enthalten kann. Der Druck kann beliebig gewählt werden und 101 bis 107 Pa, vorzugsweise 105 Pa (atmosphärischer Druck) betragen.Both the target material and the substrate material are disperse materials: the substrate (cloth A) may be an insulator, semiconductor or electrical conductor, the target material (cloth B) is a metal and is in a likewise dispersed form. The composition of the coating is additionally determined by the choice of the composition of the gas atmosphere, which may contain, in addition to an ionizable gas (plasma gas), further reactive or neutral gases. The pressure can be chosen arbitrarily and 10 1 to 10 7 Pa, preferably 10 5 Pa (atmospheric pressure) amount.

Dieses Verfahren bietet gegenüber dem Stand der Technik zum Beispiel die folgenden Vorteile:

  • • im Vergleich zur konventionellen oder Plasma unterstützten CVD werden keine teueren, gefährlichen Prekursoren benötigt.
  • • im Vergleich zur DE 10 2004 029 759 kann das Substratpulver auch mikrowellentransparent sein, wie beispielsweise Diamant oder Al2O3-Pulver.
  • • im Vergleich zu PVD Prozessen ist kein Vakuum erforderlich
  • • im Vergleich zu PVD-Verfahren ist kein feststehendes oder rotierendes Target mit makroskopischen Abmessungen erforderlich
This method offers the following advantages over the prior art, for example:
  • • Compared to conventional or plasma assisted CVD, no expensive, dangerous precursors are needed.
  • • in comparison to DE 10 2004 029 759 For example, the substrate powder may also be microwave transparent, such as diamond or Al 2 O 3 powder.
  • • no vacuum is required compared to PVD processes
  • • Compared to PVD processes, no fixed or rotating target with macroscopic dimensions is required

Beschreibung.Description.

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten, die partikuläre Stoffe, wie Pulver, Kurzfasern, Granalien oder Agglomerate eines Isolators, Halbleiters oder eines elektrisch leitfähigen Materials sind mit einer Schicht, die aus einer gleich- oder andersartigen Material besteht, wobei als Material lieferndes Target partikulare Stoffe, wie Pulver, Kurzfasern, Granalien oder Agglomeraten zum Einsatz kommen, die aus Metallen und Metalllegierungen oder Metallverbindungen bestehen, welche durch Wechselwirkung mit einer ionisierten Gasatmosphäre verdampfen können und sich auf den Substratpartikeln (Pulver, Kurzfaser, Granalien, Agglomeraten) niederschlagen.at The invention is a process for coating of substrates containing particulate matter, such as powder, short fibers, Granules or agglomerates of an insulator, semiconductor or an electrical Conductive material are made with a layer that consists of a same or different material, where as the material supplying target particulate matter such as powder, short fibers, granules or agglomerates made of metals and metal alloys or metal compounds which interact with an ionized gas atmosphere can evaporate and on the substrate particles (powder, short fiber, granules, agglomerates) knock down.

Hierbei handelt es sich um ein System aus mindestens einem Substratmaterial (z. B. Diamant, Graphit, amorpher Kohlenstoff, Nanokohlenstoff, SiC, TiC, WC, Al4C, AlN, BN, ZrO2, TiO2, Refraktärmetall in Form von Pulvern, Fasern oder Granalien oder anderen Wirbelfähigen Morphologien) und einem metallischen Targetstoff (z. B. Al, Bor, Si, Ge, Sn, Se, Ga, In, Li, Ag, Au, Ti, Ta, Zr, Hf, Pt, Pd, Rh, Ir, Seltenerdmetalle in Form von Pulvern, Fasern oder Granalien oder anderen Wirbelfähigen Morphologien). Die reinen Substratstoffe werden im Prozess mit dem metallischen Target beschichtet. Dieser Prozess erfolgt bei: 101 bis 107 Pa, vorzugsweise 105 Pa (atmosphärischer Druck).This is a system of at least one substrate material (eg diamond, graphite, amorphous carbon, nanocarbon, SiC, TiC, WC, Al 4 C, AlN, BN, ZrO 2 , TiO 2 , refractory metal in the form of powders , Fibers or granules or other vortex-capable morphologies) and a metallic target substance (eg Al, boron, Si, Ge, Sn, Se, Ga, In, Li, Ag, Au, Ti, Ta, Zr, Hf, Pt, Pd, Rh, Ir, rare earth metals in the form of powders, fibers or granules or other vortex-capable morphologies). The pure substrate materials are coated in the process with the metallic target. This process takes place at: 10 1 to 10 7 Pa, preferably 10 5 Pa (atmospheric pressure).

Als Ausgangsmaterial kann hierbei ein Gemisch aus mindestens einem Substratstoff und einem metallischen Targetstoff vorliegen.When Starting material here may be a mixture of at least one substrate material and a metallic target substance.

Die Behandlung der Pulver erfolgt in einem Wirbelschichtreaktor, in dem die für den Prozess notwendige Energie zumindest teilweise durch ein Mikrowellenplasma eingebracht wird (s. 1).The treatment of the powder takes place in a fluidized bed reactor in which the energy required for the process is at least partially introduced by a microwave plasma (s. 1 ).

Dieser Reaktor kann auch als zirkulierende zweistufige Mikrowellen- bzw. Mikrowellenplasmawirbelschicht betrieben werden (s. 3).This reactor can also be operated as a circulating two-stage microwave or microwave plasma vortex layer (s. 3 ).

Diese Wirbelschicht kann zum einen stationär betrieben werden. Hierbei ist die Fluidisierungsgeschwindigkeit so gewählt, dass kein Pulver ausgetragen wird und der Prozess in einem relativ dichten Pulverbett stattfindet. Zum andern kann die Wirbelschicht zirkulierend betrieben werden. Durch eine hohe Fluidisierungsgeschwindigkeit wird das Pulver gezielt ausgetragen, durch entsprechende Fest/Gasförmig-Trennung, z. B. Zyklon, von Gasstrom getrennt und wieder der Wirbelschicht zugeführt. Der Feststoffanteil im Gasstrom ist hierbei entsprechend gering.These Fluidized bed can be operated on the one hand stationary. Here, the fluidization rate is chosen so that no powder is discharged and the process in a relative dense powder bed takes place. On the other hand, the fluidized bed be operated circulating. Due to a high fluidization speed the powder is discharged selectively, by appropriate solid / gaseous separation, z. B. cyclone, separated from the gas stream and again the fluidized bed fed. The solids content in the gas stream is here correspondingly low.

Dieser Wirbelschichtreaktor zeichnet sich durch zwei Zonen aus. In beiden Zonen findet ein Energieeintrag statt. In der ersten Zone erfolgt die Erwärmung des Wirbelbettes.This Fluidized bed reactor is characterized by two zones. In both Zones an energy entry takes place. In the first zone takes place the heating of the fluidized bed.

Die zweite Zone (Plasmazone, Monomodecavity-Zone) ist so ausgebildet, dass durch eine elektromagnetisches Feld sich so hohe Feldstärken ausbilden, dass die elektrische Durchschlagfestigkeit der Gasatmosphäre überschritten wird und das Gas ionisiert wird.The second zone (plasma zone, monomodecavity zone) is designed that by an electromagnetic field so high field strengths train that the electrical breakdown strength exceeded the gas atmosphere and the gas is ionized.

Dadurch werden Plasmen in Reaktorraum erzeugt, die sowohl als „Filamentplasma" zwischen den Partikeln als auch in der Gasphase entstehen. Die hierbei erzeugten reaktiven Spezies (Ionen, Elektronen, Radikale, aktivierte Atome und Molekühle) führen beim Auftreffen auf die Target-Partikel zu einer Verdampfung des Targetstoffes. Beim Auftreffen der reaktiven Spezies (Ionen, Elektronen, Radikale, aktivierte Atome und Molekühle) auf die Substratpartikel erfolgt keine Verdampfung sondern lediglich eine Reinigung, Heizung oder Aktivierung der Oberfläche.Thereby plasmas are generated in reactor space, both as "filament plasma" occur between the particles as well as in the gas phase. The hereby produced reactive species (ions, electrons, radicals, activated Atoms and molecules) lead to the impact the target particles to an evaporation of the target substance. At the Impact of reactive species (ions, electrons, radicals, activated Atoms and molecules) on the substrate particles is none Evaporation but only a cleaning, heating or activation the surface.

Bei dem Prozess handelt es sich um eine Kombination aus einem thermischen PVD und einem Sputterverfahren, wobei der Energieeintrag durch direkte Absorption von Mikrowellen, durch Strahlungswärme aus dem Plasma oder durch Stöße mit neutralen und ionisierten Gasphasebestandteilen erfolgt. In diesem Verfahren sind sowohl das Target als auch das Substrat wirbelfähig und gleichzeitig in einem Plasma ausgesetzt.The process is a combination of a thermal PVD and a sputtering process wherein the energy input is by direct absorption of microwaves, by radiant heat from the plasma or by collisions with neutral and ionized gas phase components. In In this method, both the target and the substrate are vortex-capable and simultaneously exposed in a plasma.

Die gasförmigen Metallatome scheiden sich sowohl auf den Target wie auf den Substratpartikeln ab, doch nur auf den Substarpartikeln führen sie zu einer Beschichtung und Zunahme der Masse. Die Targetpartikel verlieren an Masse/Gewicht bis hinzu vollständigen Verdampfung.The gaseous metal atoms are deposited on the target as on the substrate particles, but only on the substrate particles lead to a coating and increase in mass. The target particles lose mass / weight until complete Evaporation.

Bei dem Plasma handelt es sich um ein Hochdruckplasma, dass heißt, der Druckbereich liegt zwischen 101 bis 107 Pa, vorzugsweise 105 Pa (atmosphärischer Druck).The plasma is a high-pressure plasma, that is, the pressure range is between 10 1 to 10 7 Pa, preferably 10 5 Pa (atmospheric pressure).

Nach dieser Art der Behandlung hat sich das metallische Targetpulver auf den Substratpartikeln gleichmäßiger verteilt, bzw. es hat sich eine gleichmäßige Schicht des Targetmetalles auf den Substratpartikeln abgeschieden.To This type of treatment has become the metallic target powder more evenly distributed on the substrate particles, or it has a uniform layer of Target metal deposited on the substrate particles.

Eine schematische Ansicht des zweistufigen Wirbelschichtreaktors ist in 3 gezeigt. Die Gesamtlänge des Reaktors ist 140 cm, die erste Zone (Multimode-Cavity-Zone) hat eine Höhe von 90 mm und die Plasmazone hat eine Höhe von 50 mm. Beide Mikrowellenquellen sind durch Zirkulatoren vor reflektierter Leistung geschützt. Die vor- und rücklaufende Leistung wird durch eine Impedanzanalyse gemessen. Die Cavitys werden durch einen 3-Stub-Tuner in der Hohlleiterstrecke abgestimmt, in der Multimode-Cavity befindet sich ein zusätzlicher Kurzschlussschieber. Zur Temperaturmessung werden Pyrometer an den Cavitys und Thermolemente an mehreren Stellen in der Gas-, Feststoffleitung genutzt.A schematic view of the two-stage fluidized bed reactor is shown in FIG 3 shown. The total length of the reactor is 140 cm, the first zone (multimode cavity zone) has a height of 90 mm and the plasma zone has a height of 50 mm. Both microwave sources are protected from reflected power by circulators. The forward and backward power is measured by an impedance analysis. The cavities are tuned by a 3-stub tuner in the waveguide section, in the multimode cavity is an additional short-circuit slider. For temperature measurement pyrometers are used at the cavities and thermo-elements at several points in the gas and solid line.

Ausführungsbeispiel 1.Embodiment 1.

In diesem Beispiel wird die Anwendung des Verfahrens zur Beschichtung von Diamantpulver mit Aluminium durch eine Ar/H2 Plasmabehandlung beschreiben. Das Verfahren wird als Plasmawirbelschicht genutzt (s. 1).In this example, the application of the process for coating diamond powder with aluminum is described by an Ar / H 2 plasma treatment. The method is used as a plasma vortex layer (s. 1 ).

Eine Menge von 10 g kommerziell erhältlichen 100 μm monokristallinem Diamantpulver wird mit einer Menge von 0,1 g kommerziell erhältlichem 20 μm Al-Pulver (sphärisch) gemischt und in die Wirbelschicht eingesetzt. Als Fluidisierungs- und Plasmagas wird Ar/H2 (5 vol% H2) benutzt. Nach 1 h Spülung mit einer Menge von 60 Nl/h Fluidisiergas wird der Gasfluss auf 400 Nl/h erhöht, um eine gute Fluidisierung zu erreichen. Daraufhin wird die 2,45 GHz Mikrowellenquelle eingeschaltet, um ein Plasma im Reaktor zu zünden. Mit einer Mikrowellenleistung zwischen 650–850 W (absorbierte Leistung 480–700 W) wird eine stabile Temperatur von 600°C im Reaktor erreicht. Nach 20 min Plasmabehandlung wird die Mikrowellenquelle ausgeschaltet und der Gasfluss auf 120 Nl/h gesenkt. Das Produktmaterial wird nach 1 h Kühlung entnommen.An amount of 10 g of commercially available 100 μm monocrystalline diamond powder is mixed with an amount of 0.1 g of commercially available 20 μm Al powder (spherical) and placed in the fluidized bed. As fluidization and plasma gas Ar / H 2 (5 vol% H 2 ) is used. After 1 h flushing with a quantity of 60 Nl / h fluidizing gas, the gas flow is increased to 400 Nl / h in order to achieve a good fluidization. The 2.45 GHz microwave source is then turned on to ignite a plasma in the reactor. With a microwave power between 650-850 W (absorbed power 480-700 W), a stable temperature of 600 ° C is reached in the reactor. After 20 minutes plasma treatment, the microwave source is turned off and the gas flow is lowered to 120 Nl / h. The product material is removed after 1 h of cooling.

In beschriebenem Beispiel wurden ca. 95% der Ausgangsmaterialien umgesetzt. 4 zeigt rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der unbehandelten sowie der beschichteten Diamanten.In the example described about 95% of the starting materials were reacted. 4 shows scanning electron micrographs of the untreated and coated diamonds.

Ausführungsbeispiel 2.Embodiment 2.

In diesem Beispiel wird die Anwendung des Verfahrens zur Beschichtung von Kohlenstoffkurzfasern mit AlN durch eine N2 Plasmabehandlung beschreiben. Das Verfahren wird als Plasmawirbelschicht genutzt (s. 1).In this example, the application of the process for coating short carbon fibers with AlN is described by an N 2 plasma treatment. The method is used as a plasma vortex layer (s. 1 ).

Eine Menge von 3 g kommerziell erhältlichen Kohlenstoffkurzfasern (mittlerer Durchmesser: 7,5 μm, mittlere Länge: 135 μm) wird mit einer Menge von 0,06 g kommerziell erhältlichem Al-Pulver (breite Partikel-Größenverteilung im Bereich 30–150 μm, nicht sphärisch) gemischt und in die Wirbelschicht eingesetzt. Als Fluidisierungs- und Plasmagas wird N2 (99.999% Reinheit) benutzt. Nach 1 h Spülung mit 60 Nl/h Fluidisiergas wird der Gasfluss auf 350 Nl/h erhöht, um eine gute Fluidisierung zu erreichen. Anschließend wird die 2,45 GHz Mikrowellenquelle eingeschaltet, um ein Plasma im Reaktor zu zünden. Mit einer Mikrowellenleistung von 850 W (absorbierte Leistung 95%) wird eine stabile Temperatur von 1000°C im Reaktor erreicht. Nach 30 min Plasmabehandlung wird die Mikrowellenquelle ausgeschaltet und der Gasfluss auf 120 Nl/h gesenkt. Das Produktmaterial wird nach 1 h Kühlung entnommen.An amount of 3 g of commercially available short carbon fibers (average diameter: 7.5 microns, average length: 135 microns) is not with an amount of 0.06 g of commercially available Al powder (broad particle size distribution in the range 30-150 microns, not spherical) and used in the fluidized bed. As fluidization and plasma gas N 2 (99.999% purity) is used. After 1 h flushing with 60 Nl / h fluidizing gas, the gas flow is increased to 350 Nl / h, in order to achieve a good fluidization. Subsequently, the 2.45 GHz microwave source is turned on to ignite a plasma in the reactor. With a microwave power of 850 W (absorbed power 95%) a stable temperature of 1000 ° C is reached in the reactor. After 30 minutes of plasma treatment, the microwave source is switched off and the gas flow is reduced to 120 Nl / h. The product material is removed after 1 h of cooling.

In beschriebenem Beispiel wurden ca. 66% der Ausgangsmaterialien umgesetzt. 5 zeigt rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von unbehandelten sowie beschichteten.In the example described about 66% of the starting materials were reacted. 5 shows scanning electron micrographs of untreated and coated.

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Claims (15)

Verfahren zur Beschichtung von partikulären Substraten aus einem Isolator, Halbleiter oder elektrisch leitfähigem Material in einer mit ionisiertem Gas beaufschlagten Wirbelschicht, die gleichzeitig partikuläre Targets enthält, die aus Metallen, Metalllegierungen oder Metallverbindungen bestehen und das Material für die Beschichtung liefern.Process for coating particulate substrates from an insulator, semiconductor or electrically conductive Material in a fluidised bed of ionized gas, contains simultaneously particulate targets, which consist of metals, metal alloys or metal compounds and provide the material for the coating. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma ein Mikrowellenplasma ist.Method according to the preamble of claim 1, characterized in that the plasma is a microwave plasma is. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbereich für das Plasma zwischen 101 bis 107 Pa liegen kann, bevorzugt wird dieser Prozess bei 105 Pa betrieben.Method according to the preamble of claim 1, characterized in that the pressure range for the plasma can be between 10 1 to 10 7 Pa, preferably this process is operated at 10 5 Pa. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenstrahlung eine Frequenz zwischen 300 MHz und 30 GHz hat, bevorzugt sind die ISM Frequenzen, speziell 915 MHz und 2.45 GHz.Method according to the preamble of claim 2, characterized in that the microwave radiation has a frequency between 300 MHz and 30 GHz, the ISM frequencies are preferred, specifically 915 MHz and 2.45 GHz. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass noch ein mechanisches Rührwerk in den Wirbelschichtreaktor eingebaut werden kann.Method according to the preamble of claim 1, characterized in that still a mechanical agitator can be installed in the fluidized bed reactor. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelschicht auf mechanische Weise durch Vibration betrieben werden kann.Method according to the preamble of claim 1, characterized in that the fluidized bed to mechanical Way can be operated by vibration. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasgeschwindigkeit im Wirbelschichtreaktor einen Wert zwischen dem 0,1-fachen und 50-fachen der minimal notwendigen Fluidisierungsgeschwindigkeit, die für Pulver notwendig ist, hat. Bevorzugt wird eine Geschwindigkeit zwischen dem 1 und 10-fachen der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit.Method according to the preamble of claim 1, characterized in that the gas velocity in the fluidized bed reactor a value between 0.1 times and 50 times the minimum necessary Fluidization speed necessary for powder is, has. Preferably, a speed between the 1 and 10 times the minimum fluidization rate. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas zur Fluidisierung Argon, Stickstoff, Helium oder Wasserstoff als auch Mischungen hieraus sein kann.Method according to the preamble of claim 1, characterized in that the gas for fluidizing argon, Nitrogen, helium or hydrogen as well as mixtures thereof can be. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass die behandelten Pulver aus mindestens einem Substratstoff und mindestens einem metallischen Target bestehen.Method according to the preamble of claim 1, characterized in that the treated powder of at least a substrate material and at least one metallic target. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Substratstoff vorzugsweise Kohlefaser, Kohle (Graphit), Diamant, WC, TiC, TiN, VC, Cr3C2, TaC, NbC, ZrC, HfC, Mo2C, ZrN, TiB2, ZrB2, TiSi2, MoSi2, UC, B4C, SiC, Be2C, AlN, Si3N4, SiB6, B, Al2O3, BeO, ZrO2, MgO, SiO2, verwendet werden kann.Method according to the preamble of claim 1, characterized in that as substrate material preferably carbon fiber, carbon (graphite), diamond, WC, TiC, TiN, VC, Cr 3 C 2 , TaC, NbC, ZrC, HfC, Mo 2 C, ZrN , TiB 2 , ZrB 2 , TiSi 2 , MoSi 2 , UC, B 4 C, SiC, Be 2 C, AlN, Si 3 N 4 , SiB 6 , B, Al 2 O 3 , BeO, ZrO 2, MgO, SiO 2 , can be used. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass Primärkorngröße der Pulver zwischen 0,1 μm und 1 mm liegt, bevorzugt sind die Partikel mit 10–100 μm Durchmesser.Method according to the preamble of claim 1, characterized in that primary grain size the powder is between 0.1 .mu.m and 1 mm, are preferred the particles with 10-100 μm diameter. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikeln des Substratpulvers kugelförmig, kegelförmig, diamantförmig, faserförmig, zylinderförmig, rohrförmig, plattenförmig oder von irregulärer Form sein können.Method according to the preamble of claim 1, characterized in that the particles of the substrate powder spherical, conical, diamond shaped, fibrous, cylindrical, tubular, can be plate-shaped or of irregular shape. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass als metallische Targetstoffe Al, Si, Zn, Ti, Sn, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Ag, Au, Ge sowie Gemische hieraus verwendet werden können.Method according to the preamble of claim 1, characterized in that as metallic target materials Al, Si, Zn, Ti, Sn, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Ag, Au, Ge and mixtures can be used from it. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Targetstoff in der Pulvermischung bis 50 Gew% betragen kann, bevorzugt wird ein Gehalt zwischen 0,1 und 10 Gew%.Method according to the preamble of claim 1, characterized in that the content of target substance in the Powder mixture may be up to 50% by weight, preferably a content between 0.1 and 10% by weight. Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass das behandelte Pulver aus mindestens einem Substratstoff besteht und mit mindestens einem Metall oder Metallverbund aus einer chemischen Verbindung heraus beschichtet wird.Method according to the preamble of claim 1, characterized in that the treated powder of at least a substrate material and with at least one metal or metal composite is coated out of a chemical compound.
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