RU2141004C1

RU2141004C1 - Method and device for pulsed periodic application of vacuum coatings

Info

Publication number: RU2141004C1
Application number: RU96124689A
Authority: RU
Inventors: В.А. Маевский; О.И. Обрезков; Б.А. Вершок; И.Я. Маргулев; В.Ю. Сорокин
Original assignee: Государственное опытно-конструкторское бюро "Горизонт"
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1996-12-31
Publication date: 1999-11-10

Abstract

FIELD: vacuum ion-plasma engineering; instrument engineering. SUBSTANCE: method includes alternate precipitation of plasma flow on base and irradiation of base by beams of acceleration ions in every cycle. The above-indicated operation are performed with time shift between plasma flow and ion beam pulses. Time shift is set to exceed time of plasma recombination in chamber volume. Pulse repetition period, coating growth rate and mixing efficiency are selected from definite conditions. Device intended for method realization has vacuum chamber which accommodates holder with base, pulse-arc evaporator, pulse-arc implanter of accelerated ions including coaxially-positioned cathode, ignition electrode and anode closed by emission grid. It also contains secondary power supply source, generator of pulse-arc discharge and accelerating voltage source. In addition, it has voltage source and generator of paired control pulses. Implanter has additionally accelerating and protective grounded grids and suppressor grid arranged between the above-indicated grounded grids and connected to negative source. Generator of paired control pulses is connected to secondary power supply source and to pulse-arc discharge generator. In addition, device may contain at least three evaporators mounted for plasma generation coaxially with ion beam and for turning of plasma flow axes relative to ion beam axis. Secondary power supply source includes charging unit, ignition pulse generator, group of capacitive storages, and group of resistors. Resistors and capacitor values are selected from definite relations. Gevin method and device make it possible to enhanced efficiency of coating application process, to improve radiation safety and to enhanced reliability of device operation. EFFECT: enlarged functional capabilities. 5 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к вакуумной ионно-плазменной технике, предназначенной для нанесения покрытий при их одновременном облучении ускоренными ионами и используемой для модификации поверхностей материалов и изделий в машино- и приборостроении, в инструментальном производстве и других областях. The invention relates to a vacuum ion-plasma technique intended for applying coatings when they are simultaneously irradiated with accelerated ions and used to modify the surfaces of materials and products in machine and instrument making, tool manufacturing and other fields.

Известны способ импульсно-периодического ионно-плазменного нанесения покрытий и устройство для его осуществления. Данный способ предусматривает в каждом цикле поочередное осаждение на подложку потока плазмы и облучение подложки пучками ускоренных ионов, а устройство, реализующее этот способ, содержит импульсно-дуговой генератор плазмы с ускоряющей секцией, работающий в импульсно-периодическом режиме таким образом, что импульс ускоряющего высокого напряжения подается в начале импульса плазмы, а его продолжительность меньше продолжительности импульса плазмы [1]. A known method of pulse-periodic ion-plasma coating and device for its implementation. This method involves in each cycle, alternating deposition of a plasma stream on the substrate and irradiation of the substrate with accelerated ion beams, and the device that implements this method contains a pulse-arc plasma generator with an accelerating section, operating in a pulse-periodic mode so that the pulse of the accelerating high voltage fed at the beginning of the plasma pulse, and its duration is less than the duration of the plasma pulse [1].

Однако такие устройства имеют ряд недостатков: 1) имеются большие потери распыляемого вещества в ускоряющем зазоре и, как следствие, запыление электроизоляторов в ускоряющей секции и тем самым снижение их электропрочности; 2) большие тепловые нагрузки на разрядный промежуток и сложность его охлаждения, т.к. он находится на высоком потенциале (≈ 100 кВ); 3) громоздкость и сложность системы электропитания, что снижает надежность устройства, увеличивает его стоимость, снижает его КПД (из-за наличия трансформаторной развязки), а также имеется ограничение по длительности импульсов из-за насыщения магнитного сердечника импульсного трансформатора; 4) невозможность независимого управления апертурами пучка и потоков плазмы; 5) невозможность использования в плазменном потоке и в ионном пучке атомных частиц разных веществ; 6) ограниченная возможность варьирования отношением числа частиц, падающих на подложку из плазменного потока и ионного пучка. However, such devices have a number of disadvantages: 1) there are large losses of atomized substance in the accelerating gap and, as a result, dusting of electrical insulators in the accelerating section and thereby reducing their electrical strength; 2) large thermal loads on the discharge gap and the complexity of its cooling, because it is at high potential (≈ 100 kV); 3) the bulkiness and complexity of the power supply system, which reduces the reliability of the device, increases its cost, reduces its efficiency (due to the presence of transformer isolation), and there is also a limit on the duration of the pulses due to saturation of the magnetic core of the pulse transformer; 4) the impossibility of independent control of the beam apertures and plasma flows; 5) the impossibility of using different substances in the plasma stream and in the ion beam of atomic particles; 6) the limited possibility of varying the ratio of the number of particles incident on the substrate from the plasma stream and the ion beam.

Для устранения этих недостатков необходимо, чтобы генератор плазмы (испаритель) и источник ускоренных ионов (имплантор) являлись отдельными устройствами, работающими автономно. To eliminate these drawbacks, it is necessary that the plasma generator (evaporator) and the accelerated ion source (implantor) are separate devices that operate autonomously.

Задачей изобретения является увеличение производительности процесса нанесения покрытий, радиационной безопасности, повышение надежности работы устройства и расширение его функциональных возможностей. The objective of the invention is to increase the productivity of the coating process, radiation safety, increase the reliability of the device and expand its functionality.

Поставленная задача достигается тем, что в способе импульсно-периодического нанесения вакуумных покрытий, включающем в каждом цикле поочередное осаждение на подложку потока плазмы и облучение подложки пучками ускоренных ионов, осаждение на подложку потока плазмы и облучение подложки пучками ускоренных ионов производят с временным сдвигом τ между импульсами потока плазмы и ионного пучка, который устанавливают больше времени рекомбинации плазмы в объеме камеры, при этом период следования импульсов T устанавливают из соотношения T > τ + t_i + t_p, где t_p и t_i - длительности импульсов потока плазмы и ионного пучка соответственно, а для осуществления роста покрытий параметры процесса выбирают из условия

где I_A - импульсный ток ионов; I_B - суммарный импульсный ток всех испарителей; M_A и M_B - атомный вес веществ A и B соответственно; ρ_A и ρ_B - плотности веществ A и B соответственно; Fp и Fi - эффективные площади сечения соответственно потока плазмы и ионного пучка в месте расположения подложки; μ - коэффициент электропереноса, фигурирующий в выражении g = μI_В, где g - скорость дуговой эрозии материала катода испарителей; χ_B - коэффициент аккомодации (прилипания) атомных частиц плазмы к поверхности; S_BB и S_BA - коэффициенты распыления материала покрытия атомными частицами плазмы и ускоренными ионами вещества A соответственно; ξ - зарядовое число; е - заряд электрона; m_o - атомная единица массы, причем для обеспечения эффективности перемешивания параметры процесса выбирают из условия

где Rp - средний проективный пробег ускоренных ионов в покрытии.This object is achieved by the fact that in the method of pulse-periodic deposition of vacuum coatings, which in each cycle includes alternating deposition of a plasma stream on the substrate and irradiation of the substrate with accelerated ion beams, deposition of plasma flow on the substrate and irradiation of the substrate with accelerated ion beams is performed with a time shift τ between pulses the plasma flow and the ion beam, which establish more than the plasma recombination time in the chamber volume, while the pulse repetition period T is established from the relation T> τ + t _i + t _p , where t _p and t _i are the pulse durations of the plasma flow and the ion beam, respectively, and for the growth of coatings the process parameters are selected from the condition

where I _A is the pulse current of ions; I _B - total pulse current of all evaporators; M _A and M _B are the atomic weights of substances A and B, respectively; ρ _A and ρ _B are the densities of substances A and B, respectively; Fp and Fi are the effective cross-sectional areas of the plasma flow and the ion beam, respectively, at the location of the substrate; μ is the electric transport coefficient, which appears in the expression g = μI _B , where g is the arc erosion rate of the cathode material of the evaporators; χ _B is the accommodation coefficient (adhesion) of plasma atomic particles to the surface; S _BB and S _BA are the sputtering coefficients of the coating material by atomic plasma particles and accelerated ions of substance A, respectively; ξ is the charge number; e is the electron charge; m _o is the atomic unit of mass, and in order to ensure mixing efficiency, the process parameters are selected from the condition

where Rp is the average projective range of accelerated ions in the coating.

Задача также достигается за счет того, что устройство для импульсно-периодического нанесения покрытий, содержащее вакуумную камеру, внутри которой расположены держатель с подложкой, импульсно-дуговой испаритель вещества, импульсно-дуговой имплантор ускоренных ионов, включающий коаксиально расположенные катод, поджигающий электрод и анод, закрытый эмиссионной сеткой, источник вторичного электропитания, выходами соединенный с импульсно-дуговым испарителем, генератор импульсно-дугового разряда, выходы которого подключены к катоду, аноду и поджигающему электроду, и источник ускоряющего напряжения, гальванически связанный с генератором импульсно-дугового разряда, дополнительно содержит источник отрицательного напряжения и генератор управляющих парных импульсов, а импульсно-дуговой имплантор содержит дополнительно ускоряющую и защитную заземленные сетки и запирающую сетку, размещенную между упомянутыми заземленными сетками и подключенную к источнику отрицательного напряжения, причем генератор управляющих парных импульсов выходами подключен к источнику вторичного электропитания и к генератору импульсно-дугового разряда и выполнен с возможностью перестройки по частоте и с возможностью регулировки временной задержки управляющих парных импульсов. The problem is also achieved due to the fact that the device for pulsed-periodic coating, containing a vacuum chamber, inside of which there is a holder with a substrate, a pulsed-arc evaporator of matter, a pulsed-arc accelerator of accelerated ions, including a coaxially located cathode, an igniting electrode and anode, covered by an emission grid, a secondary power source, outputs connected to a pulse-arc evaporator, a pulse-arc discharge generator, the outputs of which are connected to the cathode, and to the ignition electrode, and the accelerating voltage source, galvanically connected to the pulse-arc discharge generator, further comprises a negative voltage source and a pair of control pulses, and the pulse-arc implant additionally contains an accelerating and protective grounded grid and a locking grid located between the grounded grids and connected to a source of negative voltage, and the generator of the controlling pair of pulses outputs connected to a source of secondary power supply to the pulse-arc discharge generator and is configured to be frequency tunable and to adjust the time delay of the control pair pulses.

Кроме того, задача достигается дополнительно за счет того, что устройство содержит не менее трех (N≥3) импульсно-дуговых испарителей, расположенных с возможностью генерации потока плазмы коаксиально ионному пучку и с возможностью поворота осей плазменных потоков относительно оси ионного пучка, и за счет того, что источник вторичного электропитания содержит зарядный блок, генератор поджигающих импульсов, соединенный по входу с генератором управляющих парных импульсов, группу накопительных конденсаторов и группу резисторов, одни концы которых объединены и подключены к зарядному блоку, а другие концы каждого из них подключены к соответствующим накопительным конденсаторам группы, при этом резисторы выполнены с сопротивлением R ≥ (U_н.макс - 2U_к)/(i_к - I_макс/N), зарядный блок выполнен с возможностью обеспечения стабилизации напряжения E = U_н.макс + RI_макс/N при изменении тока внутри пределов от I_макс до I_мин с автоматическим переходом на стабилизацию тока в интервале уставок от I_макс до I_мин при изменении напряжения внутри пределов от U_к до E, а поканальные накопительные конденсаторы выполнены в виде коммутируемых конденсаторных батарей с дискретными значениями емкости, выбранной из соотношения:
C = I/Nf(U_н - U_к),
где U_н.макс - максимально допустимое значение начального напряжения дуги U_н; U_к - среднестатистическое значение критического напряжения дуги; i_к - среднестатистическое значение критического тока дуги; I_макс < Ni_к и I_мин - заданные максимальное и минимальное значения суммарного среднего тока разряда I; N ≥ 3 - число импульсно-дуговых испарителей, f = 1/T.In addition, the task is achieved additionally due to the fact that the device contains at least three (N≥3) pulse-arc evaporators located with the possibility of generating a plasma stream coaxially with the ion beam and with the possibility of rotation of the axes of plasma flows relative to the axis of the ion beam, and due to the fact that the secondary power source contains a charging unit, an ignition pulse generator connected at the input to the control pair pulse generator, a group of storage capacitors and a group of resistors, one ends to which are combined and connected to the charging unit, and the other ends of each of them are connected to the corresponding storage capacitors of the group, while the resistors are made with the resistance R ≥ (U _n.max - 2U _k ) / (i _k - I _max / N), charging the unit is _configured to provide voltage stabilization E = U _n.max + RI _max / N when the current inside the limits changes from I _max to I _min with an automatic transition to current stabilization in the range of settings from I _max to I _min when the voltage inside the limits changes from U _K to E, as in Channel storage-condensing tori are in the form of switched capacitor banks with discrete capacitance values selected from the relation:
C = I / Nf (U _n - U _k ),
where U _n.max - the maximum allowable value of the initial arc voltage U _n ; U _to - the average value of the critical arc voltage; i _to - the average value of the critical arc current; I _max <Ni _k and I _min - set maximum and minimum values of the total average discharge current I; N ≥ 3 is the number of pulse-arc evaporators, f = 1 / T.

На фиг. 1 изображено устройство, выполненное согласно данному изобретению; на фиг. 2 - циклограмма работы устройства, причем фиг. 2а - 2в - циклограммы работы испарителей; фиг. 2г - 2ж - циклограммы работы имплантора; фиг. 2г и 2д соответствуют случаю импульсной подачи высокого напряжения на ускоряющий промежуток имплантора; фиг. 2г и 2ж соответствуют случаю дежурящего высокого напряжения на ускоряющем промежутке; на фиг. 3 - схема источника вторичного электропитания, на фиг. 4 - вольтамперные характеристики источника вторичного электропитания: а) нагрузочная характеристика отдельного разрядного промежутка, б) семейство нагрузочных характеристик совокупности испарителей для различных моментов заряда накопительных конденсаторов, в) семейство внешних характеристик зарядного блока для различных значений уставки тока; на фиг. 5 - циклограмма работы импульсно-дугового испарителя (временные зависимости тока зарядного блока, последовательности поджигающих импульсов, напряжения на накопительных конденсаторах, импульсных токов дугового разряда); на фиг. 6 - диаграмма сопряженных параметров источника вторичного электропитания для типичного импульсно-дугового испарителя. In FIG. 1 shows a device made according to this invention; in FIG. 2 is a sequence diagram of the operation of the device, and FIG. 2a - 2c - cyclograms of the operation of evaporators; FIG. 2g - 2zh - cyclograms of the implant; FIG. 2d and 2e correspond to the case of a pulsed supply of high voltage to the accelerating gap of the implant; FIG. 2d and 2g correspond to the case of a high voltage on duty at the accelerating gap; in FIG. 3 is a diagram of a secondary power source; FIG. 4 - current-voltage characteristics of the secondary power source: a) load characteristic of a separate discharge gap, b) family of load characteristics of a set of evaporators for different moments of charge of storage capacitors, c) family of external characteristics of the charging unit for different values of the current setting; in FIG. 5 - a sequence diagram of the operation of a pulse-arc evaporator (time dependences of the current of the charging unit, sequence of ignition pulses, voltage across the storage capacitors, pulse currents of the arc discharge); in FIG. 6 is a diagram of the coupled parameters of a secondary power source for a typical flash arc evaporator.

Устройство для импульсно-периодического нанесения вакуумных покрытий, изображенное на фиг. 1, содержит вакуумную камеру 1, внутри которой расположен держатель 2 с подложкой 3 и импульсно-дуговой испаритель 4 (испарители 4.1 . . . 4.N), размещенный рядом или размещенные вокруг импульсно-дугового имплантора 5 ускоренных ионов, включающего коаксиально расположенные катод 6, поджигающий электрод 7 и анод 8, эмиссионную сетку 9, ускоряющую заземленную сетку 10, защитную заземленную сетку 11 и запирающую сетку 12, источник 13 вторичного электропитания испарителя, генератор 14 импульсно-дугового разряда, источник 15 ускоряющего напряжения, источник 16 отрицательного напряжения и генератор 17 управляющих парных импульсов. Испаритель 4 (испарители 4.1 ... 4.N) генерируют потоки плазмы вещества A или B, направляемого на подложку коаксиально пучку ионов вещества A. Импульсно-дуговой испаритель 4 содержит катод 18, анод 19, поджигающий электрод 20, а источник 13 вторичного электропитания, изображенный на фиг. 3, содержит зарядный блок 21, группу резисторов 22.1 ... 22.N, группу накопительных конденсаторов 23.1 ... 23.N, генератор 24 поджигающих импульсов. The device for pulsed periodic deposition of vacuum coatings depicted in FIG. 1, contains a vacuum chamber 1, inside which there is a holder 2 with a substrate 3 and a pulse-arc evaporator 4 (evaporators 4.1... 4.N), placed next to or placed around a pulse-arc implant 5 of accelerated ions, including a coaxially located cathode 6 igniting the electrode 7 and the anode 8, the emission grid 9, accelerating the grounded grid 10, the protective grounded grid 11 and the locking grid 12, the source 13 of the secondary power supply of the evaporator, the pulse-arc discharge generator 14, the accelerating voltage source 15, the source 16 negative voltage and a generator 17 control pair pulses. Evaporator 4 (evaporators 4.1 ... 4.N) generate plasma flows of substance A or B directed to the substrate coaxially with the ion beam of substance A. The pulse-arc evaporator 4 contains a cathode 18, anode 19, an ignition electrode 20, and a secondary power source 13 depicted in FIG. 3, contains a charging unit 21, a group of resistors 22.1 ... 22.N, a group of storage capacitors 23.1 ... 23.N, an ignition pulse generator 24.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При включении генератора 17 управляющих парных импульсов подается сигнал на источник 13 вторичного электропитания, при этом возникает дуга (дуги) и горит в течение времени t_p, а сформировавшийся поток плазмы достигает подложки 3 и осаждается на ней в виде тонкого слоя. После прекращения горения дуг осуществляется выдержка на время τ, за которое происходит рекомбинация плазмы в объеме камеры. Далее возможно два варианта работы устройства.When the generator 17 of the control pair pulses is turned on, a signal is supplied to the secondary power supply 13, an arc (s) arises and burns for a time t _p , and the generated plasma stream reaches the substrate 3 and is deposited on it in the form of a thin layer. After the cessation of arc burning, an exposure is performed for a time τ, during which the plasma recombines in the chamber volume. Further, there are two possible options for the device.

По первому варианту генератор 17 управляющих парных импульсов осуществляет запуск генератора 14 импульсно-дугового разряда и генератора 15 высоковольтного ускоряющего напряжения, в результате чего формируется пучок высокоэнергетических ионов продолжительностью t_i, которые облучают растущее покрытие, осуществляя его ионное перемешивание. Данный процесс повторяется периодически с частотой f.According to the first embodiment, the control pair pulse generator 17 starts the pulse-arc discharge generator 14 and the high-voltage accelerating voltage generator 15, as a result of which a beam of high-energy ions of duration t _{i is formed} , which irradiate the growing coating by ion mixing. This process is repeated periodically with a frequency f.

По второму варианту генератор 15 обеспечивает питание постоянным высоким напряжением, которое "дежурит" на ускоряющем промежутке во время всей работы имплантора 5. После запуска генератора 17 управляющих парных импульсов и соответственно генератора 14 импульсно-дугового разряда дежурящее на ускоряющем промежутке напряжение вытягивает ионы из плазмы, образовавшейся в разрядной камере имплантора 5, и формирует пучок ионов, который, как и в первом случае, облучает растущее покрытие на подложке 3. Процесс также повторяется периодически с частотой f. According to the second embodiment, the generator 15 provides constant high voltage power, which is “on duty” in the accelerating gap during the entire operation of the implantator 5. After starting the generator 17 of the control pair pulses and, accordingly, the pulse-arc discharge generator 14, the voltage on the accelerating gap pulses ions from the plasma, formed in the discharge chamber of the implant 5, and forms an ion beam, which, as in the first case, irradiates the growing coating on the substrate 3. The process also repeats periodically with often toy f.

Во втором варианте удается существенно упростить и увеличить надежность системы высоковольтного питания имплантора 5, а также повысить ее среднюю и импульсную мощность, так как при этом исключаются импульсный высоковольтный трансформатор и импульсные силовые устройства запитки первичной цепи данного трансформатора, по сравнению с прототипом. Однако, в этом случае возникают ограничения, связанные с возникновением паразитного электронного тока I_e, вытягиваемого из плазмы, генерируемой испарителями 4 в течение времени t_p, высоким напряжением, дежурящим на ускоряющем промежутке. Этот электронный ток создает дополнительную нагрузку на систему электропитания имплантора 5. Чтобы избежать этого эффекта, необходимо выполнение условия
I_it_i >> I_et_p,
где I_i - ток ионов, вытягиваемых через ускоряющий промежуток; I_i пропорционален концентрации плазмы вблизи ускоряющего промежутка со стороны разрядной камеры; I_e пропорционален концентрации плазмы вблизи ускоряющего промежутка со стороны рабочего объема.In the second embodiment, it is possible to significantly simplify and increase the reliability of the high-voltage power supply system of the implant 5, as well as to increase its average and pulse power, since this excludes a pulsed high-voltage transformer and pulsed power devices for feeding the primary circuit of this transformer, in comparison with the prototype. However, in this case, there are limitations associated with the occurrence of a spurious electron current I _e drawn from the plasma generated by the evaporators 4 for a time t _p , with a high voltage on duty on the accelerating gap. This electronic current creates an additional load on the power supply system of the implantor 5. To avoid this effect, it is necessary to fulfill the condition
I _i t _i >> I _e t _p ,
where I _i is the current of ions drawn through the accelerating gap; I _{i is} proportional to the plasma concentration near the accelerating gap from the side of the discharge chamber; I _{e is} proportional to the plasma concentration near the accelerating gap from the side of the working volume.

Однако, реально вышеприведенное условие выполняется не всегда. Поэтому для предотвращения электронного тока на имплантор 5 предлагается ввести дополнительно запирающую сетку 12 и защитную заземленную сетку 11, причем на сетку 12 подается отрицательное напряжение от источника 16 отрицательного напряжения, что не дает возможность потоку электронов высаживаться на имплантор 5. Защитная сетка 11 предотвращает возможность пробоя на запирающую сетку 12. Таким образом, при использовании запирающей сетки 12 эффективным становится второй вариант работы устройства, когда высокое напряжение "дежурит" на ускоряющем промежутке. However, the reality of the above condition is not always satisfied. Therefore, in order to prevent electronic current from flowing onto the implant 5, it is proposed to introduce an additional locking grid 12 and a protective grounded grid 11, and negative voltage is supplied to the grid 12 from the negative voltage source 16, which prevents the flow of electrons from landing on the implant 5. The protective grid 11 prevents the possibility of breakdown on the locking grid 12. Thus, when using the locking grid 12, the second embodiment of the device becomes effective when the high voltage is “on duty” at the accelerating interval.

Для того, чтобы импульсы не накладывались друг на друга, необходимо выполнение условия
T > τ+t_i+t_p, (1)
где T = 1/f.In order that the pulses do not overlap each other, it is necessary to fulfill the condition
T> τ + t _i + t _p , (1)
where T = 1 / f.

Временной сдвиг τ, равный времени рекомбинации плазмы, зависит от размера камеры, начальной плотности плазмы, типа вещества плазмы и определяется чаще всего экспериментально. The time shift τ equal to the plasma recombination time depends on the size of the chamber, the initial plasma density, and the type of plasma substance and is most often determined experimentally.

Эксперименты на установке, макетирующей предлагаемое устройство, позволили определить временные параметры, фигурирующие в условии (1). Характерные значения этих параметров: t_i = 0,1 - 0,6 мс; t_p = 0,6 - 2,2 мс; τ > 1 - 5 мс; f ≤ 50 Гц.The experiments on the installation, prototyping the proposed device, allowed us to determine the time parameters appearing in condition (1). Typical values of these parameters: t _i = 0.1 - 0.6 ms; t _p = 0.6 - 2.2 ms; τ> 1 - 5 ms; f ≤ 50 Hz.

При нанесении покрытий с одновременным облучением ускоренными ионами в поверхностном слое подложки происходят следующие процессы:
1) осаждение на подложку вещества B из потока плазмы со средней скоростью в импульсе
Vp = ((χ_B-S_BB)/ρ_B)(I_Bμ/Fp),
здесь учтено, что атомные частицы из плазменного потока осаждаются на поверхность с коэффициентом χ_B аккомодации (прилипания) и в то же время происходит распыление растущего покрытия потоком плазмы с коэффициентом S_BB; I_B - суммарный импульсный ток всех испарителей вещества B; ρ_B - плотность вещества B; Fp - эффективная площадь сечения потока плазмы в месте расположения подложки; μ - коэффициент электропереноса, фигурирующий в выражении g = μ I_B, где g - скорость дуговой эрозии материала катода испарителей;
2) имплантация ускоренных ионов вещества A и сопутствующее этому ионное распыление растущего покрытия с коэффициентом S_BA; средняя (в импульсе) скорость роста покрытия, связанная с этими двумя процессами, равна
Vi = (m_oI_A/Fiξe)(M_A/ρ_A-S_BAM_B/ρ_B),
где I_A - импульсный ток ионов вещества A; ξ - среднее зарядовое число в ионном пучке; е - заряд электрона; m_o - атомная единица массы; Fi - площадь сечения ионного пучка в месте расположения подложки; M_A и M_B - атомный (молекулярный) вес вещества A и B соответственно; ρ_A - плотность вещества A.When applying coatings with simultaneous irradiation with accelerated ions, the following processes occur in the surface layer of the substrate:
1) deposition on the substrate of substance B from the plasma stream with an average pulse velocity
Vp = ((χ _B -S _BB ) / ρ _B ) (I _B μ / Fp),
it has been taken into account that atomic particles from a plasma stream are deposited on the surface with a coefficient of accommodation (sticking) χ _B and, at the same time, a growing coating is sprayed with a plasma stream with a coefficient S _BB ; I _B - total pulse current of all evaporators of substance B; ρ _B is the density of substance B; Fp is the effective cross-sectional area of the plasma flow at the location of the substrate; μ is the electric transport coefficient, which appears in the expression g = μ I _B , where g is the arc erosion rate of the cathode material of the evaporators;
2) implantation of accelerated ions of substance A and the concomitant ion sputtering of the growing coating with a coefficient S _BA ; the average (in pulse) coating growth rate associated with these two processes is
Vi = (m _o I _A / Fiξe) (M _A / ρ _A -S _BA M _B / ρ _B ),
where I _A is the pulsed ion current of matter A; ξ is the average charge number in the ion beam; e is the electron charge; m _o is the atomic unit of mass; Fi is the cross-sectional area of the ion beam at the location of the substrate; M _A and M _B - atomic (molecular) weight of the substance A and B, respectively; ρ _A is the density of substance A.

За период толщина покрытия увеличивается на величину

Для того, чтобы покрытие росло, необходимо выполнение условия
δ > 0,
отсюда

Для того, чтобы покрытие во время роста эффективно перемешивалось, необходимо выполнение условия
Rp > δ, (3)
где Rp - средний проективный пробег ускоренных ионов в покрытии.Over the period, the coating thickness increases by

In order for the coating to grow, it is necessary to fulfill the condition
δ> 0,
from here

In order for the coating to mix effectively during growth, it is necessary to fulfill the condition
Rp> δ, (3)
where Rp is the average projective range of accelerated ions in the coating.

В качестве примера конкретного осуществления предлагаемого способа рассмотрим нанесение Ni покрытия с облучением ионами Ni с энергией 40 кэВ; в этом случае ρ_A= ρ_B = 8,7 г/см³; M_A = M_B = 58,7; μ = 10^-4 Кл/г; χ_B = 0,7; S_BB = 0,1; S_BA = 3; ξ = 2; e/m₀ = 10⁵ Кл/г; Rp = 0,013 мкм; выбраны следующие параметры процесса; I_A = 1 A; I_B = 500 A; t_i = 0,3 мс; t_p = 1 мс; T = 20 мс; τ = 1 мс; Fi = Fp = 600 см².As an example of a specific implementation of the proposed method, we consider the deposition of a Ni coating with irradiation with Ni ions with an energy of 40 keV; in this case, ρ _A = ρ _B = 8.7 g / cm ³ ; M _A = M _B = 58.7; μ = 10 ^-4 C / g; χ _B = 0.7; S _BB = 0.1; S _BA = 3; ξ = 2; e / m ₀ = 10 ⁵ C / g; Rp = 0.013 μm; The following process parameters are selected; I _A = 1 A; I _B = 500 A; t _i = 0.3 ms; t _p = 1 ms; T = 20 ms; τ = 1 ms; Fi = Fp = 600 cm ² .

Численные оценки показали, что δ = 5,75•10^-5 мкм, средняя скорость роста покрытия ν = f δ = 2,875• 10^-3 мкм/с, а условия (1), (2) и (3) сводятся к соотношениям 20 мс > 2,3 мс; 1670 > 1,13 и 1,3•10^-2 мкм > 5,75•10^-5 мкм. Таким образом, требуемые условия выполняются.Numerical estimates showed that δ = 5.75 • 10 ^-5 μm, the average coating growth rate is ν = f δ = 2.875 • 10 ^-3 μm / s, and conditions (1), (2) and (3) are reduced to the relations 20 ms> 2.3 ms; 1670> 1.13 and 1.3 • 10 ^-2 microns> 5.75 • 10 ^-5 microns. Thus, the required conditions are met.

Источник 13 вторичного электропитания обеспечивает возможность независимой уставки частоты поджига и суммарного среднего тока разряда и исключает возможность самопроизвольного перехода частотно-периодического дугового разряда в непрерывный дуговой. Работа источника 13 определяется спецификой зарядного блока 21 и его реальной нагрузки, которую, в свою очередь, образуют как элементы, показанные на фиг. 3, так и совокупность разрядных промежутков нагрузки, и которая содержит как емкостные, так и активные (линейные и нелинейные) элементы, причем нелинейные активные элементы (разрядные промежутки) к тому же меняются во времени; они периодически и синхронно включаются и выключаются во всех каналах. The secondary power source 13 provides the ability to independently set the ignition frequency and the total average discharge current and eliminates the possibility of spontaneous transition of the frequency-periodic arc discharge into a continuous arc. The operation of the source 13 is determined by the specifics of the charging unit 21 and its actual load, which, in turn, is formed as the elements shown in FIG. 3, as well as the totality of the discharge gaps of the load, and which contains both capacitive and active (linear and nonlinear) elements, and nonlinear active elements (discharge gaps) also change in time; they periodically and synchronously turn on and off in all channels.

Нагрузочная характеристика разрядного промежутка в области дугового разряда представляет S-образную кривую. Нижний изгиб и соответствующий ему потенциал зажигания в частотно-периодических нагрузках с управляемым разрядом лежит далеко за пределами рабочих режимов. Верхнему изгибу (неустойчивая точка нагрузочной характеристики) соответствует потенциал гашения дуги. Рабочая область нагрузочной кривой разрядного промежутка лежит между максимально допустимым, с точки зрения технологических критериев, начальным напряжением дуги U_н.макс и критическим напряжением дуги U_к, при котором происходит ее самогашение.The load characteristic of the discharge gap in the region of the arc discharge is an S-shaped curve. The lower bend and the corresponding ignition potential in frequency-periodic loads with controlled discharge lies far beyond the limits of the operating modes. The upper bend (unstable point of the load characteristic) corresponds to the extinction potential of the arc. The working area of the load curve of the discharge gap lies between the maximum allowable, from the point of view of technological criteria, initial arc voltage U _n.max and critical arc voltage U _k , at which it is self-extinguishing.

Нагрузочная характеристика совокупности модулей для различных моментов времени описывается уравнением
U = IR_рез(t) + U_с(t)
где R_рез(t) - активная составляющая комплексной нагрузки в момент времени t, U_c(t) - напряжение на накопительных конденсаторах в момент времени t, и имеет вид прямой, наклон которой и координата пересечения с осью напряжений зависят от времени. При включении зарядного блока 21 она исходит из начала координат (поскольку конденсатор еще разряжен и U_c = 0) и имеет наклон, определяемый параллельным соединением только зарядных резисторов (т.к. дуги еще не горят), т.е. сопротивлением R_рез = R/N.The load characteristic of the set of modules for different points in time is described by the equation
U = IR _cut (t) + U _s (t)
where R _res (t) is the active component of the complex load at time t, U _c (t) is the voltage across the storage capacitors at time t, and has the form of a straight line, the slope of which and the coordinate of the intersection with the voltage axis depend on time. When the charging unit 21 is turned on, it proceeds from the origin (since the capacitor is still discharged and U _c = 0) and has a slope determined by the parallel connection of only the charging resistors (since the arcs are not yet burning), i.e. resistance R _res = R / N.

По мере заряда конденсаторов 23 U_c(t) растет, и она перемещается параллельно самой себе вправо и останавливается в точке, определяемой напряжением холостого хода U_xx (режим ожидания). При включении генератора 24 и поступлении поджигающих импульсов зажигаются поканальные дуги с малым сопротивлением r << R, на которые конденсаторы 23 почти мгновенно разряжаются, U_c падает, и это сопровождается быстрым перемещением нагрузочной прямой влево и некоторым уменьшением ее наклона. Завершается этот процесс в точке, которой соответствует напряжение U_к, при котором дуги гаснут. И если они гаснут одновременно, то в последний момент наклон нагрузочной прямой соответствует последовательно-параллельному сопротивлению зарядных резисторов и дуг, т.е. R_рез = (R + r_к)/N. Далее возобновляется перемещение прямой вправо.As the capacitors charge, 23 U _c (t) increases, and it moves parallel to itself to the right and stops at a point determined by the open circuit voltage U _xx (standby mode). When the generator 24 is turned on and the ignition pulses arrive, channel-by-channel arcs with a low resistance r << R are ignited, to which the capacitors 23 are almost instantly discharged, U _c falls, and this is accompanied by a rapid movement of the load line to the left and some decrease in its inclination. This process ends at the point to which the voltage U _k corresponds, at which the arcs go out. And if they go out simultaneously, then at the last moment the slope of the load line corresponds to the series-parallel resistance of the charging resistors and arcs, i.e. R _res = (R + r _k ) / N. Next, the movement of the straight line to the right resumes.

Внешняя характеристика зарядного блока 21 Id(Ud) подтверждает, что оно работает в режиме стабилизации тока с автоматическим переходом (в момент, когда импеданс комплексной нагрузки нарастает и превышает некоторый предел I_макс/E) в режим стабилизации напряжения. Зарядные устройства такого типа общеизвестны и широко представлены в продукции электропромышленности.The external characteristic of the 21 Id (Ud) charging unit confirms that it operates in the current stabilization mode with an automatic transition (at the moment when the impedance of the complex load increases and exceeds a certain limit I _max / E) into the voltage stabilization mode. Chargers of this type are well known and widely represented in the products of the electrical industry.

Из фиг. 4 видно, что стабилизация тока обеспечивается в интервале уставок от I_макс до I_мин и сохраняется при изменении напряжения на выходе зарядного блока внутри интервала U_к ... E, где: I_макс и I_мин - соответственно, заданные максимальное и минимальное значения суммарного среднего тока нагрузки (т. е. суммы средних токов отдельных каналов), U_к - критическое напряжение дуги в момент самогашения (среднестатистическое значение), E - напряжение уставки, определяемое вышеприведенной формулой, численно промежуточное между максимально допустимым начальным напряжением горения дуги U_н.макс и напряжением холостого хода U_xx и близкое к последнему (при этом номинальное напряжение U_с.ном применяемых накопительных конденсаторов должно быть выше напряжения холостого хода).From FIG. Figure 4 shows that current stabilization is ensured in the range of settings from I _max to I _min and is maintained when the voltage at the output of the charging unit inside the interval U _to ... E is changed, where: I _max and I _min are, respectively, the specified maximum and minimum values of the total the average load current (i.e., the sum of the average currents of the individual channels), U _k is the critical arc voltage at the time of self-extinguishing (average statistical value), E is the set voltage determined by the above formula, numerically intermediate between the maximum allowable m arc burning voltage U _n.max and open circuit voltage U _xx and close to the latter (in this case, the rated voltage U _{s.nom of the} applied storage capacitors must be higher than the open circuit voltage).

А стабилизация напряжения уставки E сохраняется при изменении тока на выходе зарядного устройства от I_макс до i_к, т.е. внутри пределов I_макс - I_мин.And the voltage stabilization of the setpoint E is maintained when the current at the output of the charger changes from I _max to i _k , i.e. within the limits of I _max - I _min .

Обращает на себя внимание, что минимальное значение среднего тока разряда I_мин может быть меньше критического тока дуги i_к, что является известным преимуществом импульсно-периодического режима работы дугового источника плазмы перед непрерывным дуговым разрядом, а максимальное значение I_макс должно быть менее N-кратного критического тока дуги.It is noteworthy that the minimum value of the average discharge current I _min can be less than the critical arc current i _k , which is a known advantage of the pulse-periodic mode of operation of the arc plasma source over a continuous arc discharge, and the maximum value of I _max should be less than N-fold critical arc current.

Совместное использование вольтамперных характеристик, изображенных на фиг. 4, позволяет продолжить описание работы схемы фиг. 3 следующим образом. Упомянутое выше возобновленное перемещение нагрузочной прямой вправо прерывается в момент поступления очередных поджигающих импульсов, и действующее на этот момент напряжение на конденсаторах 23 является начальным напряжением последующего разряда U_н, и далее описанный процесс повторяется циклически с частотой f, выставленной в генераторе 24. Всякий раз при разряде рабочая точка на нагрузочной кривой разрядного промежутка перемещается влево-вниз и в неустойчивой точке на верхнем сгибе срывается скачком на нижнюю ветвь S-образной кривой.Sharing the current-voltage characteristics depicted in FIG. 4 allows the description of the operation of the circuit of FIG. 3 as follows. The aforementioned renewed movement of the load line to the right is interrupted at the moment of the next firing pulses, and the voltage acting on the capacitors 23 at that moment is the initial voltage of the subsequent discharge U _n , and then the described process is repeated cyclically with a frequency f set in the generator 24. Each time at the discharge, the working point on the load curve of the discharge gap moves left-down and at an unstable point on the upper bend breaks abruptly onto the lower branch of the S-shaped curve .

Происходящие процессы иллюстрируются циклограммой на фиг. 5, где изображены (сверху вниз) временные зависимости тока зарядного блока 21, последовательности поджигающих импульсов, напряжения на накопительных конденсаторах 23, импульсных токов дугового разряда. The processes taking place are illustrated in the sequence diagram in FIG. 5, which shows (from top to bottom) the time dependences of the current of the charging unit 21, the sequence of igniting pulses, the voltage across the storage capacitors 23, and the pulse currents of the arc discharge.

Нетрудно показать, что времена заряда и разряда накопительных конденсаторов 23 определяются формулами
t_зар = NC(U_н - U_к)/I;
t_разр = rC ln ((U_н - U_к)/U_к).It is easy to show that the charge and discharge times of the storage capacitors 23 are determined by the formulas
t _zar = NC (U _n - U _k ) / I;
t _bit = rC ln ((U _n - U _k ) / U _k ).

При этом, как показывают численные оценки, отношение этих величин t_зар/t_разр > 50, откуда следует, что период процесса практически равен времени заряда, т.е. T = t_зар + t_разр = t_зар = 1/f.In this case, as shown by numerical estimates, the ratio of these values is t _ar / t _dis > 50, which implies that the period of the process is almost equal to the charge time, i.e. T = t _zar + t _bit = t _zar = 1 / f.

Первый из технических результатов работы источника 13 обосновывается следующим образом. The first of the technical results of the source 13 is justified as follows.

В силу закона сохранения количества электричества Q в одиночном цикле заряда-разряда для одного модуля
Q_зар= Q_разр= Q = CΔU = C(U_н-U_к).
В частотно-периодическом режиме работы источника 13
I_зар = I_разр = I = NQf = NCf((U_н - U_к)
или
U_н = U_к + I/NCf.By virtue of the law of conservation of the amount of electricity Q in a single charge-discharge cycle for one module
Q _zar = Q _bit = Q = CΔU = C (U _n -U _k ).
In the frequency-periodic mode of operation of the source 13
I _zar = I _bit = I = NQf = NCf ((U _n - U _k )
or
U _n = U _k + I / NCf.

Ток I при всех значениях уставки стабилизирован. Следовательно, частота поджига f действительно может выставляться независимо от тока. При этом необходимо иметь в виду, что регулировка частоты сопровождается изменением начального напряжения разряда U_н, и, если его вариации оказываются неприемлемыми, необходимо коммутировать емкость конденсаторных батарей C, руководствуясь формулой C = I/Nf(U_н - U_к).Current I is stabilized at all setpoints. Therefore, the ignition frequency f can indeed be set independently of the current. It should be borne in mind that the frequency adjustment is accompanied by a change in the initial discharge voltage U _n , and if its variations are unacceptable, it is necessary to switch the capacitance of the capacitor banks C, being guided by the formula C = I / Nf (U _n - U _k ).

Сказанное иллюстрируется на фиг. 6, где I_макс - I_мин = 20 - 2 А; f_макс - f_мин = 30 - 3 Гц; C = 30000 мкФ.The foregoing is illustrated in FIG. 6, where I _max - I _min = 20 - 2 A; f _max - f _min = 30 - 3 Hz; C = 30000 uF.

"Запрещенными" областями вариации начального напряжения дуги являются U_н > 60 В, при которых недопустимо возрастает "капельность" распыления, и U_н < 20 В, при которых возможен пропуск поджига или отсутствует горение дуги.The "forbidden" areas of variation of the initial arc voltage are U _n > 60 V, at which the "drip" of spraying is unacceptably increased, and U _n <20 V, at which ignition skipping is possible or arc burning is absent.

Если желательно, например, работать при токе 2 A с частотой 20 Гц, необходимо уменьшить накопительные емкости, а при токе 15 A с частотой 10 Гц - увеличить. If it is desirable, for example, to operate at a current of 2 A with a frequency of 20 Hz, it is necessary to reduce the storage capacities, and at a current of 15 A with a frequency of 10 Hz, increase.

Если бы зарядный блок 21 не имел участка стабилизации тока, а имел падающую внешнюю характеристику, как у обычного неуправляемого выпрямителя, описываемую выражением
U_d = U_xx-ρI_d,
где ρ - внутреннее сопротивление выпрямителя, U_xx - напряжение холостого хода, регулируемое, например, с помощью входного автотрансформатора, то, как можно показать, средний ток разряда

а начальное напряжение разряда
U_н = U_xx[1-(1-U_к/U_xx)/exp(1/f(R+ρ)C)].
Эти соотношения показывают, что в данном случае независимая уставка среднего тока и частоты разряда была бы невозможна, и требуемый режим мог быть установлен только последовательным приближением с использованием дополнительной регулировки напряжения холостого хода.If the charging unit 21 did not have a current stabilization section, but had a falling external characteristic, as in a conventional uncontrolled rectifier, described by the expression
U _d = U _xx -ρI _d ,
where ρ is the internal resistance of the rectifier, U _xx is the open circuit voltage, regulated, for example, using an input autotransformer, then, as can be shown, the average discharge current

and the initial discharge voltage
U _n = U _xx [1- (1-U _to / U _xx ) / exp (1 / f (R + ρ) C)].
These ratios show that in this case an independent setting of the average current and discharge frequency would be impossible, and the required mode could be set only by successive approximation using additional adjustment of the open circuit voltage.

Второй из технических результатов работы источника 13 подтверждается следующими соображениями. The second of the technical results of the source 13 is confirmed by the following considerations.

Приведенное выше описание работы схемы фиг. 3 в части, касающейся завершения разряда конденсаторов и гашения дуг, неявно предполагало полную идентичность параметров поканальных разрядных резисторов, накопительных конденсаторов и разрядных промежутков. На самом деле сопротивления R поканальных резисторов 22 и емкости C поканальных конденсаторов 23 имеют производственный разброс, а гашение поканальных дуг представляет флуктуационный процесс, характеризующийся среднестатистическими значениями и дисперсией поканальных токов и напряжений гашения дуг во временном разрезе. The above description of the operation of the circuit of FIG. 3 in the part concerning the completion of the discharge of capacitors and the suppression of arcs, implicitly assumed the complete identity of the parameters of channel discharge resistors, storage capacitors, and discharge gaps. In fact, the resistances R of the channel-side resistors 22 and the capacitance C of the channel-side capacitors 23 have a production spread, and the quenching of the channel-by-channel arcs is a fluctuation process characterized by the average statistical values and the dispersion of the channel-by-channel currents and voltage of the arc quenching in the time section.

Указанные обстоятельства приводят к тому, что в конце разряда дуги гаснут не одновременно, и в некотором канале всегда имеется последняя горящая дуга. При этом активная составляющая комплексной нагрузки увеличивается в N раз и равна R_рез = R + r_к, наклон нагрузочной прямой резко увеличивается, и она пересекается с внешней характеристикой зарядного устройства не на участке стабилизации тока, а на участке стабилизации напряжения (см. фиг. 4). Необходимо, чтобы это падение было достаточно глубоким, и новое значение тока зарядного устройства, приходящееся на один-единственный канал нагрузки, не превосходило критического тока дуги. Тогда единственная горящая дуга нагрузки не будет подпитываться зарядным устройством и гарантированно погаснет. Приведенному на фиг. 4 граничному положению нагрузочной прямой соответствует формула для выбора сопротивления зарядного резистора
R ≥ (U_н.макс - 2U_к)/(i_к - I_макс/N),
при условии, что уставка стабилизированного напряжения выбрана по формуле E = U_н.макс + RI_макс/N.These circumstances lead to the fact that at the end of the discharge the arcs do not go out simultaneously, and in some channel there is always the last burning arc. In this case, the active component of the complex load increases N times and is equal to R _res = R + r _k , the slope of the load line increases sharply, and it intersects with the external characteristic of the charger not in the current stabilization section, but in the voltage stabilization section (see Fig. 4). It is necessary that this drop be deep enough, and the new value of the charger current per one single load channel does not exceed the critical arc current. Then the only burning arc of the load will not be powered by the charger and guaranteed to go out. Referring to FIG. 4, the boundary position of the load line corresponds to the formula for choosing the resistance of the charging resistor
R ≥ (U _n.max - 2U _k ) / (i _k - I _max / N),
provided that the stabilized voltage setting is selected by the formula E = U _n.max + RI _max / N.

Последняя же формула гарантирует, что в начале разряда при наибольшем допустимом напряжении разряда рабочая точка зарядного устройства еще находится на участке стабилизированного тока. The last formula guarantees that at the beginning of the discharge, at the highest permissible discharge voltage, the operating point of the charger is still in the stabilized current section.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки
1. Pogrebnjak A. D. and Tolopa A.M. A review of high-dose implantation and production of ion mixed structures. - Nucl. Instrum. and Methods in Phis. Res. B, v. 52, N 1, 1990, s. 25 - 43.Sources of information taken into account when preparing the application
1. Pogrebnjak AD and Tolopa AM A review of high-dose implantation and production of ion mixed structures. - Nucl. Instrum. and Methods in Phis. Res. B, v. 52, N 1, 1990, s. 25 - 43.

2. Авторское свидетельство СССР N 1412517, кл. H 01 J 37/317, 1987. 2. USSR author's certificate N 1412517, cl. H 01 J 37/317, 1987.

Claims

1. The method of pulse-periodic deposition of vacuum coatings, comprising in each cycle alternating deposition of a plasma stream on the substrate and irradiation of the substrate with accelerated ion beams, characterized in that deposition of the plasma stream on the substrate and irradiation of the substrate with accelerated ion beams is performed with a time shift τ between the flow pulses plasma and ion beam, which establish more than the recombination time of the plasma in the chamber volume, while the pulse repetition period T is established from the relation
T> τ + t _i + t _p ,
where t _p and t _i are the pulse durations of the plasma flow and the ion beam, respectively,
and for the growth of the coating process parameters are selected from the condition

where I _A is the pulsed ion current of matter A;
I _B - total pulse current of all evaporators;
M _A and M _B are the atomic weights of substances A and B, respectively;
ρ _A and ρ _B are the densities of substances A and B, respectively;
Fp and Fi are the effective cross-sectional areas of the plasma flow and the ion beam, respectively, at the location of the substrate;
μ is the electric transport coefficient, which appears in the expression g = μ I _B , where g is the arc erosion rate of the cathode material of the evaporators;
χ _B is the accommodation coefficient (adhesion) of plasma atomic particles to the surface;
S _BB and S _BA are the sputtering coefficients of the coating material by atomic plasma particles and accelerated ions of substance A;
ξ is the average charge number in the ion beam;
e is the electron charge;
m _o - atomic unit of mass,
moreover, to ensure efficient mixing process parameters are selected from the condition

where Rp is the average projective range of accelerated ions in the coating.

2. A device for pulsed-periodic coating, containing a vacuum chamber, inside which there is a holder with a substrate, a pulsed-arc evaporator of the substance and a pulsed-arc implant of accelerated ions, including a coaxially located cathode, an ignition electrode and an anode, closed by an emission grid, a secondary source power supply, outputs connected to a pulse-arc evaporator, a pulse-arc discharge generator, the outputs of which are connected to the cathode, anode and the ignition electrode, and the source accelerating voltage, galvanically coupled to a pulse-arc discharge generator, characterized in that it further comprises a negative voltage source and a pair of control pulses, and the pulse-arc implant contains an additional accelerating and protective grounded networks and a locking grid located between the grounded networks and connected to a source of negative voltage, and the generator of the controlling pair of pulses outputs connected to a source of secondary electrical anija and generator pulsed arc discharge, and is adapted to tuning frequency and with adjustable time delay of control pulse pairs.

3. The device according to claim 2, characterized in that it contains at least three pulse-arc evaporators located with the possibility of generating a plasma stream coaxially with the ion beam and with the possibility of rotation of the axes of the plasma flows relative to the axis of the ion beam.

4. The device according to claim 3, characterized in that the secondary power source comprises a charging unit, an ignition pulse generator connected at the input to a control pair of pulse generators, a group of storage capacitors and a group of resistors, one ends of which are connected and connected to the charging unit, and the other ends of each of them are connected to the corresponding storage capacitors of the group, while the resistors are made with a resistance R ≥ (U _n.max - 2Uk) / (i _k - I _max / N), the charging unit is configured to provide voltage tabulation E = U _nmax + RI _max / N when the current inside the limits changes from I _max to I _min with an automatic transition to current stabilization in the range of settings from I _max to I _min when the voltage inside the limits changes from U _to E, and per-channel storage capacitors are made in the form of switched capacitor banks with discrete capacitance values selected from the ratio:
C = I / Nf (Un - Uk),
where U _n.max - the maximum allowable value of the initial arc voltage Uн;
Uк - average statistical value of the critical arc voltage;
i _to - the average value of the critical arc current;
I _max <Ni _k and I _min - set maximum and minimum values of the total average discharge current I;
N ≥ 3 - the number of pulse-arc evaporators;
f = I / T - pulse repetition rate.

5. The device according to claim 3, characterized in that the secondary power source contains a group of charging units made with an adjustable setting of the average charge-discharge current, a group of threshold elements connected to them by their inputs, made with an adjustable setting of the initial discharge voltage, a group of ignition generators pulses, the inputs of which are connected and connected to the output of the generator of paired control pulses made with external start, as well as a logical OR element and a logical AND element, corresponding to whose inputs are mutually connected and connected to the corresponding outputs of the threshold elements, and the outputs are connected to the analog inputs of two short-circuit keys SWM, while the digital inputs of the latter are connected to the direct and inverse outputs of the T-trigger, and its information input is connected to the outputs of the SWM keys and connected to the input of the external start of the generator of paired control pulses.