Fundamento y construcción del magnetrón

Construcción de un pequeño aparato para depositar materiales en el vacío por bombardeo con iones (SPUTERING)

Fundamento y construcción del magnetrón

Que es un magnetrón??

Un magnetrón es una válvula de vacío que se emplea para generar microondas. Su funcionamiento se basa en que los electrones sometidos a un campo eléctrico y magnético describen órbitas circulares y esa circulación genera oscilaciones de alta frecuencia en cavidades metálicas.

En este aparato de sputering se emplea un dispositivo con unos imanes que combinados con el campo eléctrico interior hacen que los electrones realicen trayectorias helicoidales, mucho mas largas que si no existiese el campo magnético en cuyo caso las trayectorias serian rectas. Al recorrer mucha mas distancia los electrones chocan muchas mas veces con los átomos del gas residual. Estos choques provocan su ionización y por lo tanto mejoran la conducción eléctrica del gas a baja presión.. Este efecto además se produce en las proximidades del imán, lugar que es donde también se coloca el material fuente.

Aunque el funcionamiento es muy similar no es idéntico, pero todos los fabricantes llaman a este dispositivo magnetrón. El efecto del magnetrón es que concentra la ionización del gas en las proximidades del material fuente haciendo mas rara la ionización en el resto de la cámara de vacío. No es imprescindible un magnetrón para realizar sputering pero la eficacia de este diseño es tan obvia que todo el mundo lo emplea.
Como ejemplo visual una imagen de la cámara con un magnetrón sin imanes. Como puede verse la ionización del gas esta mas o menos uniformemente distribuida por todo su volumen.

En la fotografía siguiente se puede ver como por el efecto del magnetrón la ionización se concentra en una zona muy localizada mientras que en el resto del volumen es prácticamente inexistente.

En este proyecto, presentare una solución que funciona y también mostrare los problemas que he encontrado a la hora de construir el magnetrón. Hasta encontrar una solución práctica he dado muchas vueltas, el diseño funciona, pero seguro que hay otras soluciones tan buenas o mejores.
En primer lugar hay que tener en cuenta que la mayor parte de la potencia suministrada a la cámara de sputering se disipa en el magnetrón. El choque de los iones contra la fuente de material hace que se caliente y por conducción o radiación se calienta todo el magnetrón. La ionización residual del gas también calienta el magnetrón y el vástago.

El calentamiento del magnetrón tiene varios efectos, el mas importante de todos es que se puede alcanzar la temperatura curie del imán. Si esto ocurre, el imán pierde el magnetismo y el magnetrón deja de funcionar. Este efecto es especialmente importante con los imanes de neodimio cuya temperatura curie esta en los 200 ºC , por lo cual no es operativo trabajar a mas de 80 ºC. Los magnetrones industriales suelen estar refrigerados por agua con lo que su temperatura de trabajo no suele sobrepasar los 50 ºC. Pero salvo en el caso de que optemos por la tremenda complicación de refrigerar por agua quedan descartados los imanes de neodimio. Desgraciadamente por su sensibilidad a la temperatura de trabajo hay que descartar estos fortísimos imanes, baratos y fáciles de conseguir.

El siguiente tipo de imanes atendiendo a su intensidad y temperatura son lo de Samario-cobalto. Estos tienen casi la misma fortaleza que los de neodimio, pero su temperatura curie esta en los 900 ºC ideal para nuestro propósito. Desgraciadamente son muy difíciles de conseguir y son muy muy caros.

Con temperaturas Curie altas (800ºC) quedan los imanes de alnico que son bastante mas flojos que los de neodimio. Resultan medianamente difíciles de conseguir y tienen el problema de que pierden el magnetismo con el tiempo.
Por ultimo quedan las ferritas, que son operativas hasta unos 200 ºC son baratas y fáciles de conseguir, pero que para nuestro propósito deben ser de un tamaño relativamente grande.

Hasta conseguir un diseño operativo, he dado muchas vueltas y he construido mas de 5 magnetrones con diferentes configuraciones. Muchos de ellos han supuesto varias horas de trabajo al torno. He destripado media docena de altavoces para utilizar sus imanes hasta encontrar los adecuados .
Un efecto bastante pronunciado es que el magnetrón funcionaba bien a presiones de 200 militorrs pero cuando la presión bajaba de 100 militorr dejaba de funcionar. Al principio pensé que era la temperatura pero luego comprobé que se debía a un insuficiente campo magnético
El la fotografía siguiente puedes ver dos magnetrones, en el de la izquierda empleo un imán central de alnico sacado de un altavoz, el resto del circuito magnético se completa con el hierro de la carcasa. El imán no se ve debido a la chapa de cobre que es el material fuente para hacer sputering. A la derecha un magnetrón de aluminio con un imán toroidal de ferrita sacado de un altavoz. El circuito magnético se completa con el hierro central. La placa de material fuente esta retirada.

La imagen siguiente muestra el imán en que estoy basando el aparato actual, que funciona bastante bien. Se basa en un imán comercial de la marca Eclipse de alcomax (Alnico). Puede adquirirse en RS por 13 euros (referencia 297-8898)
Los polos son coaxiales y están en una cara con una configuración perfecta para nuestro magnetrón. En el extremo opuesto una rosca M6 adecuada para la fijación. Según las características este imán levanta 6 kg y puede trabajar hasta 220 ºC.

Las dimensiones del imán son 27 mm de diámetro por 25 mm de altura.
Solo es necesario retirar la pintura exterior y realizar una corona para sujetar el material fuente. Esta corona se realiza en hierro para mejorar el campo magnético.

En la foto siguiente puedes ver el magnetrón instalado en la tapa del frasco de cristal por la parte de la fuente. En ese momento esta colocada una fuente de plata que se ve ligeramente erosionada por el sputering.