磁控管中用于控制目标冲蚀和溅射的装置 本发明涉及一种改进的旋转阴极磁控管以及该磁控管的一种工作方法，该磁控管适于从管式阴极目标溅射或反应溅射到静态或移动衬底上。本发明的磁控管的磁装置是这样布置的，其等离子跑道的局域性变化为溅射过程提供了新优点。此外，新颖的磁装置特别适合于曲线形结构。
技术背景
在标准非反应金属溅射模式中，人们知道的是采用平面磁控管的溅射。最大的麻烦是形成了目标物质中的冲蚀沟槽，这种沟槽和形成它的等离子体，常常被称为是一个“跑道”。不均匀冲蚀截面本质上与目标下面的磁铁形状有关。结果，在任一点的冲蚀沟槽深度达到等于目标厚度以前，就应该替换目标。在改变目标之前，通常仅消耗30％目标物质，除了目标物质耗费外，鉴于劳力花费，停机时间，这是一种极为昂贵的方法。
在用平面磁控管进行反应溅射(即等离子体包括一种或多种将与目标物质反应的气体)过程中，会遇到其它电弧放电和等离子不稳定的问题。这些问题通过引入柱状旋转目标磁控管就可以得到克服。首先，旋转目标磁控管不会形成跑道冲蚀截面(与磁铁形状相对应)。目标上的材料消耗高达80％以上。其次，根据旋转电极的特性，在反应溅射喷镀过程中，出现的问题较少，处理过程更稳定。然而，为了防止在不希望位置喷镀目标材料，大量的材料喷镀在位于目标和衬底之间的屏罩上。因此，必须预知到对这些屏罩上地常规清洗和大量的预防措施(例如水冷)，以降低成片剥落的危险性。材料从屏罩上成片剥落会污损溅射表面。
在单个通道(即玻璃和网罩涂层的典型情况下)，均匀地形成较大衬底的涂层是一种最关键过程。通过设置附加楔形屏罩(引入另外一个污染微粒发生源)或通过改变磁力线的强度(采用不同磁场强度的磁铁或距离目标不同位置处)，实现控制。后一方法可能会引起不均匀的变薄和/或目标材料的消耗。
圆柱状磁控管还因为其几何形状而具有其他不利之处。磁铁固定在设置于旋转圆柱目标管中的静止杆上。磁铁形状的宽度保持较小，这即意味着端部弯处极其陡。已知的磁铁装置无法在端部弯处得到优选的磁铁形状，这将会导致目标两端部降低的等离子限制和增大的电子损失。为了在阴极表面产生最高的磁场强度，我们希望磁铁尽可能靠近目标管。此外，在目标管两端部，此处磁铁(和跑道)形成一个U弯曲状，去掉了较多的目标材料。“U”形弯曲的顶部为目标转动时保持同一纵向位置的等离子跑道的一段长度。这在两端部留下一个环绕目标管的圆环状沟槽。最终，由于我们极不希望管的底层材料喷镀到衬底上去，因此目标的寿命受到该沟槽的限制。
例如从US4,422,916,US5,364,518或WO96/21750中，我们知道带固定内磁铁装置的旋转阴极溅射磁控管。特别是US5,364,518和WO96/21750中推出的在目标上方产生细长等离子“跑道”的磁铁装置，其中的磁铁具有一种在每端由端部或“U”形弯曲来终接的含有一对间隔的平行直线长度的形状。US专利号NO.5,364,518建议通过对端部位置处的跑道加宽，来控制端部的目标冲蚀。如WO96/21750中的解释，根据US5,364,518的方法具有以下缺点：由于较宽磁铁间隔引起减弱的磁场强度和电子损失，端部处的跑道的加宽可能导致等离子的不稳定。WO97/21750提出使跑道的端部“削尖”，即拉长端部形成一个锐角，例如三角形状，或半椭圆形或抛物线形状。将端部削尖的缺点，特别是成为三角形状的缺点是，该点位置的半径非常小。这就更容易使电子沿此锐角弯曲时形成较大的电子损失。为了取得降低电子损失，可以考虑提高该位置处的磁场，以将电子更紧密地束缚在轨道内。然而，提高磁场增大了等离子的密度，因此也增加了目标冲蚀。而且虽然WO97/21750建议了精致的几何形状用于跑道端部，例如抛物线形，或半椭圆形，但唯一公开揭示这种精密结构的方法是用磁铁的分离段，所谓的“集总”磁铁方法。我们不可能用集总磁铁，将跑道精确地制作成例如抛物线形的几何形状。因为磁铁间的交接处形成堞形而与光滑曲线大相径庭(下图3所示)。
US5,645,699描述了在反应溅射过程中，使用阳极来影响衬底上的喷镀速率。这种已知方法来源于一种假设，即跑道端部转角处的电子损失无法避免。
本发明的目的是提供一种溅射磁控管及其操作方法，该方法提供了溅射性能的经改进的控制。
本发明的另一目的是提供一种溅射磁控管和在目标端部使用这种磁控管产生改进的均匀冲蚀的方法。
本发明的进一步目的是提供一种溅射磁控管和使用这种磁控管产生改进衬底上喷镀均匀性的方法。
本发明的又一个目的是提供一种溅射磁控管和在端部处使用这种磁控管产生减少电子损失的等离子跑道的方法。
本发明还有一个目的是提供一种溅射磁控管，和在衬底上使用新颖且有用的改变溅射涂层的方法的同时，使用这种磁控管产生改进的目标利用的方法。
本发明综述
本发明提供一种带旋转圆柱状目标和固定磁铁装置的溅射磁控管，所述磁铁装置适于在所述目标上产生细长的等离子跑道，所述细长跑道在其长边的主要部分上有基本平行的轨道，且在各端用端部来封闭，其中所述跑道的两轨道之间距得到增加，从而对衬底上溅射有大大影响。
本发明还包括一种使用带旋转圆柱状目标和固定磁铁装置操作溅射磁控管的方法，包括以下步骤：
在所述目标表面用所述磁铁装置形成细长等离子跑道，所述细长跑道在其长边的主要部分上有基本平行的轨道，且在各端用端部来封闭；以及局部地增加所述跑道的轨道间距，从而大大影响衬底上的溅射。
本发明给出了屏罩的要求可以基本上减少的优点。结果，这些屏罩的花费和维修时间都可以降低，同时可以将工艺和产品质量的不稳定影响降到最小。通过在目标和衬底之间降低并不需要的材料喷镀，获得这种性能。虽然过多的材料还是带入了真空系统，可以在无关紧要的位置处将其收集起来，例如，在目标和真空室壁之间的屏罩上。这些屏罩与衬底没有直接关系，所以需要较少预防和维护，且对工艺或镀层质量没有影响。
此外，不再需要用屏罩来控制(大面积)衬底上的镀层厚度均匀性。此外，消除了因改变磁场强度和距离的现有技术形成的目标材料的不均匀消耗。采用本发明可以实现对衬底上所希望的任何位置进行精确溅射效果的控制，同时保持圆柱状目标管的均匀冲蚀。这意味着标准管可用于冲蚀截面的均匀性。
而且，本发明容许自由地构造磁铁装置的结构。考虑到对磁场的更好控制，磁铁的末端U形弯处可以任意限定。因此，在弯处内和直线区域可以得到一种等离子结构，而能够降低电子损失。U形弯处的半径可以变化甚至大于目标管的直径。此外，根据本发明，邻近磁铁装置的磁场的方向可以设置为垂直于目标表面，以允许在目标表面产生最大磁场强度。类似地，磁铁装置中的磁铁上表面可以设置为平行于目标管，该目标管相对目标可以有最近的位置，以产生最大的磁场效果。
传统装置所能了解到的目标管端部(因为U形弯曲)的环形冲蚀沟槽可以减小，某些情况下甚至可以消除。根据本发明的一个实施例，勺状或椭圆状(即更近似为半椭圆形)更适合于端部区域内的跑道。即使是旧的或变薄的目标，其沟槽较深以致可以看见底层材料，仍然可以使用而没有在其衬底上喷镀错误材料的危险。
根据本发明，当跑道横断阴极后侧设置时，可以得到同时的金属和反应溅射。
本发明还包括一种具有磁铁装置和目标的溅射磁控管，所述磁铁装置适用于在所述目标表面形成曲线形等离子跑道，所述磁铁装置包括：一个第一段，用于产生与第一磁铁极性相关的磁场；一个第二段，与所述第一段分离并产生与第二磁铁极性相关的磁场；所述第一段和第二段限定了适于包围所述曲线状跑道的磁场；其中第一段和第二段中的一个包括至少一个磁铁，用一种与所述磁铁构成磁路的软磁性材料终接所述第一段和第二段中的另一段。第二段的终接意味着第二段限定了磁性材料和非磁性材料之间的磁极，即磁铁阵列和目标之上的空间。
所附的权利要求限定本发明的各个独立实施例。本发明及其实施例和优点将参考下面的附图进行说明。
附图简要说明
图1为根据本发明的旋转电极溅射磁控管的示意图。
图2a和2b给出了图1中磁控管的细节。
图3a～3c表示传统磁铁装置的侧面、上面和端部的各个示意图。
图4a～4c为根据本发明一个实施例的磁铁装置的侧面，上面和端部的各个示意图。
图5a～5c给出根据本发明另一个实施例的磁铁装置侧面、上面和端部的各个示意图。
图6给出根据本发明一个实施例在端部弯处内的理想跑道。
图7A和7B给出根据本发明的一个磁控管的端部弯处内冲蚀深度关系的图表，其冲蚀深度大于平行中心段的冲蚀深度不到20％。
图8A和8B表示根据本发明的一个磁控管端部弯处内冲蚀深度的关系图表，该冲蚀深度与平行中心段的冲蚀深度相同。
图9A～9C给出根据本发明另一个实施例的磁铁装置的示意图。
图9D表示图9A～9C中所示的用该装置在衬底上取得的喷镀截面图。
图10A为根据本发明更进一步表示跑道的形状。
图10B和10C分别表示用图10A的磁铁装置得到的溅射材料效果和镀层厚度截面。
图11a～11c表示用于传统跑道的跑道，溅射效果和镀层厚度截面。
图12A～12C为根据本发明包括软磁性材料的较好的进一步磁铁装置。
图13～15为根据本发明进一步表示较好的磁铁装置。
对说明性实施例的描述
本发明将参考特殊实施例和特定附图进行说明，但本发明并不局限于此而仅受权利要求书的限制。所描述的附图仅仅是示意性的，而非限制性的。
图1,2a和2b是根据本发明的溅射磁控管10的示意图。图1是真空室2内目标4的侧视图，而图2a是穿过目标4的截面图。图2b是从图2a的目标4的局部放大图。真空室2最好包括一个可移动的，圆柱状旋转目标4。目标4可以通过任何一种适合的驱动装置，例如，电动机或液压机或类似机构通过一个馈线6与目标4相连。目标4的另一端由另一个馈线8支承，该馈线用于目标4的冷却液体和电源(未画出)进入真空室2。目标4可以是由待溅射材料构成的管，或在其外表面有待溅射材料的隔离层5。目标4由馈线8提供的电压保持一定电位。通常的目标材料可以是，例如，钛或硅。待溅射的衬底12紧邻目标4。衬底12可以固定或连续移动通过目标的薄板，例如由滚子11驱动。典型的衬底材料可以是，例如，平板玻璃，塑料网或金属板。真空室2包括装置14，用于引入惰性气体，例如氩，此外还包括装置16，用于引入反应气体，例如反应溅射需要的氮气或氧气。而且，真空室2内可以不止一个衬底12和不止一个目标4。
通常固定的磁性装置排列在圆柱状目标4内。磁性装置20由单个磁铁22，24按一定图案组合而成，或者按照本发明的一个方面由构成一极的磁铁和构成另一极的特定形状软磁材料来组合。通常，中央排或多排的磁铁22具有同一极性且指向目标层5。例如，北极，被相反极性指向目标4例如南极的软磁铁材料或磁铁24构成的闭环包围。磁铁22，24可以方便地排列在软磁架26上作为卫铁，架26可以是管状，或管的局部。而且磁铁22，24可以完全插入防止磁铁22，24氧化的塑料管21中，再被管19包围，以防止与冷却液体接触。
工作中，磁铁22，24在目标材料5上产生的强磁场与目标4和衬底12的之间的交叉静电场产生一个等离子放电闭环回路。该回路将来自目标4表面5的溅射材料指向衬底12。溅射产生的热由冷却回路消除，例如位于目标层5下循环流过间隙25并由中央管23提供的冷却液体。对传统金属溅射或反应溅射来说，真空室2最好保持真空度为10-2～10-4毫巴。
按照本发明，具有旋转圆柱状磁铁4溅射磁控管10的磁铁装置20适于在目标4表面产生一个细长等离子跑道(图11A所示)，细长等离子跑道在长度上具有基本平行的轨道，并在各端部加以封闭。其中跑道的轨道间隔局部地有所变化，以显著地影响对衬底的溅射。
图3给出了旋转磁控管内的传统磁铁结构以进行对比描述，例如从WO97/21750的示例中可知。该图仅表示目标管4的一端，另一端的结构类似。中央磁铁22(表示为双杆形)与外围磁铁24、24′、24″、24磁性方向相反。所形成的磁场分布包括一个基本平行中央部分28，且最靠近管端部的磁铁24、24′、24″、24形成一个闭合环路29。图3b表示一个磁铁阵列20的俯视图。磁铁阵列20表示为包括不间断直线磁铁22，但是应该理解的是，磁铁阵列20也可以由一系列单个磁铁块排列成直线，这被称作“集总”磁铁阵列。集总磁铁24、24′、24″、24产生一个包括一系列阶梯状且近似如抛物线或半椭圆磁场的但却是很差的平滑曲线。图3A给出传统磁铁阵列20的纵向截面示意图。由于磁铁阵列20(未画出)的圆柱状支承的曲率，磁铁24、24′、24″、24构成的外环相对内磁铁22出现偏差。图3C是通过目标管4的截面示意图。
根据本发明的磁铁装置的示例可以参考图4～图11进行描述。图4和图5中，与基本平行的中部28的宽度33相比，磁铁阵列20的端部29的直径34增加，这可以用于控制端部区域内的目标4的冲蚀。图9中在平行中部29的一段内磁铁阵列20的间距35增加。这局部地改变了用以产生特殊效果，例如降低溅射在衬底12上涂层厚度的溅射方向。图10中磁铁阵列20的端部29的间距局部地增加，以改变从目标4的相应区域溅射到衬底12上的材料用量。
图4a～4c仅给出了一个目标管4的端部，另一端的结构类似或不同。图4是按照本发明一个实施例的磁铁阵列20的理想的结构表示。中央磁铁22(表示为双杆形)相对外围磁铁24的磁化方向相反(例如北极指向目标)。所得到的磁场分布包括一个基本平行的中部28，而最靠近管端部的磁铁产生闭合环路29。图4B是根据本发明一个实施例的磁铁阵列20的俯视图。磁铁阵列20表示为连续直线22，24，然而应该理解的是，磁铁阵列20可以由一系列单个的磁铁块构成，或包括特殊形状软磁材料作一极或两极。图4A给出表示磁铁阵列20的纵向截面示意图。磁铁阵列20的磁铁22，24排列成紧靠标识为4的目标管的内直径。磁铁22，24可以有利地固定在软磁管26(图4c表示得最佳)或管的局部，例如纯铁或低碳钢。内磁铁22在端部29形成环25，直径大于或等于指向目标4中部双杆的宽度。环25可以用与环25形状一致的单个磁铁在同位置(未画出)替换。外磁铁24也在平行中部28的端部构成环27。环27的直径34大于或等于中部宽度33。在中央基本平行区域内，外磁铁24和内磁铁22之间间距表示为31。端部环区域29内磁铁24,22的外环27和内环25之间间距可以等于间距31或与之不同，例如大于间距31，且可以围绕环区域29变化。根据本发明，为了提高目标4冲蚀的一致性，间距32和直径34可以以特定方式进行设置。
由于图4a中目标4的曲率，外环和内环27,25的部分35和37相对中央和端部22,24,36,38出现偏差，由此图4C为通过目标管4表示架26的截面端图。
图5a～5c表示本发明的另一个实施例。图5中的标识与图4a～4c中类似元件的标识相同。在这一实施例中，端部29中内磁铁和外磁铁22,24绕管4内侧延伸，这样外环和内环27,25的部分36,38延伸到离开衬底12的目标后部。这样磁铁结构的影响为等离子跑道随磁铁22,24绕目标的后部，延伸离开衬底12，导致目标材料溅射到真空室2内而不是溅射到衬底上。根据本发明，端部环25,27可以设置在图4和图5所示的两个极限之间的任何位置。
图4a～4c和5a～5c所示实施例的应用可以参考图6～图8进行描述。图6为根据本发明的等离子跑道50的端部环49的图示。磁铁22,24排列为如图4～图5，以形成等离子跑道50。端部环49包括三段。过渡段52位于环49和跑道端部的中央平行部分56之间。过渡段52包括在跑道50两侧上的弯曲管过渡，避免方向改变引起的尖锐拐角。如果跑道从中段54到基本平行中央段56的过渡较小，可以省去过渡段52。中段54可以用弓形近似表示。端部段58并也可以用弓形近似表示与中段54相连。跑道50的宽度“s”绕端部环49变化，但按照本发明，至少在端部段58该宽度“s”近似为恒定宽度。跑道的宽度根据中段和过渡段54，52平滑地从跑道50的中段58的“s”到中央段56的＂t＂变化。假定至少近似中段和端部段54,58的弓形部分切向联接，即没有不连续性。而且假设过渡段，中段和端部段52,54,58提供的跑道可以近似为平行半径“r”，垂直半径“p”的椭圆形。众所周知椭圆可以用下式表示：
1＝x2/r2+y2/p2
其中y为垂直轴，x为水平轴
熟练的人都知道，这些近似都用以限定本发明，即使磁铁阵列和对应等离子跑道在某些方面与图6中理想的形式不同，本发明包括等离子跑道和其将要描述的取得同样效果的对应磁铁阵列。
根据本发明，结合磁场强度和材料以及磁铁与目标之间的距离，确定出对应“r","s","p"之间的特定关系，目标绕端部环49的冲蚀基本上是均匀的。按照本发明的基本均匀意味着在绕端部环49和跑道的端部环49与中部56之间小于20％的差别。本发明的发明人给出一个令人吃惊的事实，即”r"，"s"，"p"与磁铁强度和材料以及磁铁距离目标的组合可使端部环49的半径较大，磁场强度足够高使得电子在不引出等离子的情况下轻易跨过曲线，同时仍然可以保持在这些曲线中的磁场，从而可以控制目标冲蚀深度。由于使用了在转角区49的大半径缓慢变化的曲线并和转角处跑道的轨道宽度变化和/或磁场强度的减小相结合，使冲蚀不仅均匀且电子损失降为最低。
图7A和7B给出绕跑道的端部49或在端部49和基本平行中央段56之间的冲蚀深度最大为20％的差别，即20％差别或更低(降为没有或0％差别)的差别，这是根据本发明的“基本均匀的冲蚀”。图8A和8B给出目标冲蚀中的0％差别的类似图形。图7和8中的“y”轴作为平行中部(1=与中部相同单位宽度变化率)的冲蚀槽单位宽度的平均目标冲蚀率。"x"轴为图6中椭圆形近似的p/r比率。图7A和8A中第三维(z)表示目标冲蚀截面"s"(类似但不相同于磁铁间距)的宽度。本发明的发明人发现在给出基本均匀冲蚀的弯部的跑道的宽度用zxp近似表示。如图7A的图形中的一个示例，如果单位沟槽宽度(y轴)沟槽冲蚀的比率为1(即弯部内单位沟槽宽度的冲蚀比率与平行中部的一致)，p/r的比率为1.5，z坐标为2.8。由此，弯部中央的冲蚀沟槽宽度应该设置为z.p=2.8p或4.2r以形成基本均匀的冲蚀。
因此图7A和8A的图形限定了等冲蚀面，即那些相对均匀的冲蚀表面。图7A和8A中的任何一个位于等冲蚀面的坐标或冲蚀面之间的坐标提供了相对跑道中央平行部分的冲蚀深度范围在+20％和0％之内的冲蚀深度，即根据本发明基本均匀冲蚀的端部弯处。
如上述解释，如果端部49内跑道的方向仅有渐进的变化，则最好按照本发明。非常大或小的p/r比率意味着等离子的电子必须遵循一个包括急转弯的迅速变化导致电子从等离子损失的弯度路径。较佳是p/r比率小于2。较佳是冲蚀沟槽宽度小于1.5r，最好是小于1.2r。代入冲蚀沟槽宽度＝z.p，这些限制导致z维最好小于1.5r/p，最好是小于1.2r/p。这些限制如图7B和图8B所示。右边的实线与z≤1.5r/p相关，左边的虚线与z≤1.2r/p相关，图7A,7B和8A,8B都有同样的x和y轴。为清晰起见，在图7B和8B中省略了图7A和8A的细节。这些限制设定最大p/r约为1.75。较佳的是p/r的比率小于1.5，且较佳的是如果p/r近似1，即接近一个圆周。而且，r/p比值越大，端部环49越长，由此在目标的端部占据空间和磁铁装置的设计就更困难。因此，较佳的是r/p小于或等于5。如果包括了所有的限制，则就会限制图7A个8A中的得到的可以接受的弯部结构的区域。这一可接受的区域可以限制为：0.2≤p/r≤2，较好是0.4≤p/r≤1.75，最好0.6≤p/r≤1.5。这些构成限制的端部环49区域，更像是勺状。
图9a～9e为根据本发明的进一步实施例的图示。图9a～9e中有关类似元件的标识与图4和图5中的相同。图9a～9c给出磁铁阵列20的中央基本平行部分28的局部俯视图。至少在平行部分28的一个部分，对磁铁轨道22，24加宽至其整个宽度35大于紧邻部分的宽度33的宽度。磁铁22，24间的宽度31可以保持相同，这一局部变化的效应示意地表示在图9d和9e中。在总宽度为33的段中，如图9a所示，溅射方向主要垂直于衬底12。这导致衬底12上的局域厚溅射层42。当衬底12按照目标4轴的垂直方向移动时，涂层40沿衬底12的长度方向沉积。如图9e所示，磁铁阵列20的较宽边35产生的溅射方向与垂直于衬底12的方向倾斜一个角度。这导致衬底上扁平状沉积的截面42。而且某些溅射目标材料可能还没有接触到衬底12，就溅射到真空室2的内侧，或较好的情况是溅射到排列在目标4(未画出)又平行的各侧安排的旋转目标。旋转目标4的平均冲蚀在图9d和9e中描述的情况保持一致。沉积层42的径向厚度截面如图9f所示。尽管本发明不受此限制，该示例给出了一个对称的间距。
图10a～10c为根据本发明的另一个实施例的图示。图10a～10c中与图4和图5相同的的标识标识同样的元件。为了在跑道内产生凸起44，该实施例中磁铁阵列20的一个或多个对称凸起紧邻基本平行部分28的端部，位于端部环区域29的前面或内部。这些凸起44的影响增加了从目标4到衬底12的溅射材料的用量，即增加了局部沉积比率。
如图10a～10c所示的本实施例的一个应用将参考图11进行对比。图11a给出了一个用于旋转角阴极磁控管的传统细长跑道59。图11b中给出用于跑道的传统目标冲蚀截面。弯部内跑道59端部的冲蚀深度较深。图11c给出衬底12上的沉积层厚度。由于存在溅射并不与目标4垂直而有一个角度分布的事实，跑道端部的沉积率随部分目标材料溅射出衬底而降低。这造成了目标端部较低的沉积厚度。
图11a所示的采用该结构产生的目标冲蚀截面和沉积厚度截面分别由图11b和11c表示。通过加入凸起44，增加了跑道端部沉积材料的厚度，引起图11c中更加矩形状的沉积截面。另一方面，具有增加的目标冲蚀的目标长度也如图11b所示地增加。增加的目标冲蚀可以用可替换的目标4的两个端部，该端部比目标中部替换得更勤，或者用在端部增加目标材料厚度来进行补偿。
参考图4～图11，对本发明的一个实施例进行描述。给出的磁铁阵列20仿佛构成了一个平滑的曲线结构。根据本发明，磁铁阵列20可以由集总磁铁构成。根据本发明较佳的是，用商业上容易得到的磁控管中使用的较高能量较坚硬和易碎且难加工的磁铁与特定形状的软磁性材料例如铁组合，为磁铁装置20改进的曲线结构。根据本发明的磁控管内，软磁性材料例如软铁，与永久磁铁结合使用，这种优良的组合并不限于旋转目标磁控管。
磁铁和软磁性材料的适当组合的示例由图12～图15给出。图12A～12C表示这种适合的磁铁布置在横截面上的三个图示。各个图示包括至少一个永磁体60和一个软磁性材料62。如图12A所示，电磁铁或永久磁铁60可以设置在其中且与U形软磁材料62联接。中央磁铁60有一极，例如北极，向上指向目标，另一极由软磁材料62形成。这样的结构可以替换两排普通的磁铁。如图12B所示，磁铁60可以设置在软磁铁62，64架之间，例如两个不同尺寸的U形通道之间，由此替代普通的两排磁铁。图12C为三个永久磁铁60,66,68和一个构成中间极的一定形状的软磁铁62。这样的磁铁阵列可以形成北极和南极的不同组对之间的磁场产生的多个等离子。
使用一定形状的软磁材料的优点如下：
1〕永久磁铁的体积和/或数量可以降低为传统所使用的大约一半。
2〕永久磁铁的一列或所有阵列可以容易地固定在与磁控管固定的软磁性材料上。软磁性材料的侧面是刚性的并与剩余部分构成一个整体，这样不需要特殊固定或稳固。
3〕可以更容易且更精确地形成曲线形跑道。软磁材料例如软铁，可以进行加工，锻造，焊接等等，并可以呈现出任意形状。这样形成甚于传统结构中齿形弯转的平滑弯曲和弯转。这就允许形成更为复杂的诸如椭圆或抛物线形的跑道。中央永久磁铁可以保持集总形式，对于适当的带集总磁铁的中央结构比光滑外结构更容易形成。
4〕软磁材料在合适位置可以进行分段，且各段可以被前后拉动，以形成跑道结构的动态调整。
本发明包括不限于图12A～12C所示的基本结构的调整。例如，软磁材料形成的磁极之间的间距，或永久磁铁磁极之间的间距可以根据需要改变。而且，软磁材料的垂直部分的高度可以根据需要作改变，以调整所产生的磁场。
图13给出图4所示的磁铁装置的一种较佳结构的局部。中央永久磁铁阵列22由排列成一条直线终接一个构成端部弯处的大致圆环状或椭圆形磁铁22′的系列矩形磁铁所构成。这些磁铁与成型以提供外磁极24的外部U形软磁材料24*固定，特别是在端部的光滑弯处。软磁材料24*与支承圆柱体26固定。
图14给出图5所示磁铁装置的较佳结构的局部。端部弯处尺寸非常大，且跑道在端部弯处直接绕目标圆柱体。永久磁铁22的单线固定在提供另一磁极24的U形软磁材料架24*内。后者，画成透明的。软磁材料24*与支承管26固定。因为半径很大，分散永久磁铁22之间的间距较小。为了减少管26的曲率引起的线路22的磁铁之间的不连续和边缘，组成线路22的单个磁铁可以被设置插入特殊加工的软磁材料24*的基底的平板部分。该结构产生一个电子移动方向相反的双闭合跑道(一个在另一个之中)。
图15给出图10所示磁铁装置的较佳结构局部的端处。永久磁铁22排列成一条直线，与外U形软磁材料24*相组合以产生跑道50的中央的基本平行部分的。而且永久磁铁22*排列成垂直于主中央部分22。这些磁铁置于具有较好外部曲线的U形软磁架24*，产生图10A所示的凸起44靠近端部形式的跑道。
参考所述实施例，已经对本发明进行了表示和描述，熟悉本领域技术的人应该知道，在不违背本发明范围和宗旨的情况下，形式和细节上还可以有各种改变或调整。