３−４．導電体用液体金属イオン源

　導電体としてＡｕ、ＣｕおよびＡｌの液体金属イオン源を開発した。Ａｕは単体で融点が１０６４℃であり、タングステンに対する反応性はなく、濡れ性も良い。したがって、単体でイオン源を作製することが可能である。しかし、運転温度として〜１１００℃以上が要求され安定に長時間運転するためには不利であるため、合金化による運転温度の低下をはかった。試験した合金はＡｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｃｕ、Ａｕ−Ｃｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｃｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｃｕ−Ｎｂ、Ａｕ−Ｃｕ−Ａｌ、Ａｕ−Ａｌ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｇｅ等である。

　代表的な共晶型合金であるＡｕ_６８−Ｓｉ_３２合金（状態図は図３−１に示す）を原料として用いたイオン源における引き出しビームの質量スペクトルを図３−１０に示す。図中のＴは運転温度、Ｖは引き出し電圧、Ｉは引き出し電流値（引き出し電源に流れる全回路電流値）を示す。このイオン源は６００℃以下の運転温度においてもビームの引き出しが可能である。

　全率固溶型合金であるＡｕ_５０−Ｃｕ_５０合金（状態図は図３−４に示す）を原料として用いたイオン源の質量スペクトルを図３−１１に示す。運転温度９００〜１０００℃において非常に安定に長時間動作する。

　Ａｕ−Ｃｕ−Ｓｉ合金は、Ａｕ−Ｓｉ合金が図３−１に示す共晶点３７０℃の共晶型であり、またＣｕ−Ｓｉ合金もＳｉが３０％以上の領域において共晶点８００℃の共晶型であるため、Ａｕ−Ｃｕ合金状態図に対して液相面固相面ともかなり低温側に移動することが予想される。Ａｕ_３７−Ｃｕ_４６−Ｓｉ_１７合金を原料として用いたイオン源の質量スペクトルを図３−１２に示す。このイオン源は６００℃以上で運転が可能である。

　Ａｕ−Ｃｕ−Ｇｅ合金においても、Ａｕ−Ｇｅ合金が図３−２に示す共晶点３５６℃の共晶型であり、Ｃｕ−Ｇｅ合金はＧｅが３０％以上の領域では共晶点６４０℃の共晶型であるため、Ａｕ−Ｃｕ合金状態図に対して液相面固相面が低温側に移動することが予想される。Ａｕ_３９−Ｃｕ_４６−Ｇｅ_１５合金を原料として用いたイオン源により得られた質量スペクトルを図３−１３に示す。このイオン源も６００℃以上で運転可能である。

　Ａｕ−Ｃｕ−Ｎｂ合金については超伝導体用液体金属イオン源の節において述べる。また、Ａｕ−Ｃｕ−Ａｌ、Ａｕ−Ａｌ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｇｅ合金についてはＡｌ合金イオン源の説明の中で述べる。

図３−１０．Ａｕ−Ｓｉ合金イオン源の質量スペクトル例

図３−１１．Ａｕ−Ｃｕ合金イオン源の質量スペクトル例

図３−１２．Ａｕ−Ｃｕ−Ｓｉ合金イオン源の質量スペクトル例

図３−１３．Ａｕ−Ｃｕ−Ｇｅ合金イオン源の質量スペクトル例

　Ｃｕは単体で融点が１０８４℃であり、タングステンに対する反応性もないため、単体でイオン源にすることは可能であるが、Ａｕの場合と同様、〜１１００℃以上という高温における運転が必要であるので安定に長時間運転するには不利である。使用した合金は、Ａｕを含むため、前述したＡｕ合金イオン源と重複するが、Ａｕ−Ｃｕ、Ａｕ−Ｃｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｃｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｇｅ等である。Ａｕ_５０−Ｃｕ_５０合金を原料として用いたＡｕ−Ｃｕイオン源の質量スペクトルは図３−１１に、Ａｕ_３７−Ｃｕ_４６−Ｓｉ_１７合金を原料として用いたＡｕ−Ｃｕ−Ｓｉイオン源の質量スペクトルは図３−１２に、Ａｕ_３９−Ｃｕ_４６−Ｇｅ_１５合金を原料として用いたＡｕ−Ｃｕ−Ｇｅイオン源の質量スペクトルは図３−１３に示されている。Ａｕ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｇｅ合金イオン源についてはＡｌ合金イオン源において述べる。

　Ａｌは単体で融点が６６０℃と、イオン源原料として使用するのに充分低い値であるが、タングステンと反応しイオン源構造体を壊してしまうために単体では使用できない。Ａｌ−Ａｕ合金の状態図を図３−１４に示す。高融点の金属間化合物があるものの、概して固相線が６００℃前後の共晶型あるいは包晶型を示す。Ａｕが６０〜８０％の領域で使用すれば８００℃程度で運転が可能なＡｌ−Ａｕ合金イオン源が構成できるものと予想される。これにさらにＧｅを混合すると、ＧｅはＡｌともＡｕとも共晶型の合金になるので（共晶点はそれぞれ４２４℃、３５６℃）液相面固相面がさらに低温側に移動することが期待できる。Ａｌ_１０−Ａｕ_６６−Ｇｅ_２４合金を原料として用いたＡｌ−Ａｕ−Ｇｅイオン源の質量スペクトルを図３−１５に示す^２９）。７００℃以上で運転が可能である。

　ＡｌをＡｕ−Ｃｕ合金と混合しＡｕ−Ｃｕ−Ａｌ合金イオン源とすることにより、液相面固相面の低温化はあまり期待できないものの、導電性薄膜に利用するＡｕ、Ｃｕ、Ａｌがすべて利用できるイオン源が出来上がる。図３−１６にＡｕ−Ｃｕ−Ａｌ合金イオン源（Ａｕイオン源にＡｕ、Ｃｕ、Ａｌを追加したため原料組成不明）の質量スペクトルを示す。９００℃以上で運転可能である。

　Ａｕ−Ｃｕ−Ａｌ合金の液相面固相面がさらに低温側に移動することを期待してＧｅを混合したのがＡｕ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｇｅ合金イオン源である。Ａｕ_５０−Ｃｕ_１９−Ａｌ_２６−Ｇｅ_５合金を原料として使用したイオン源の質量スペクトルを図３−１７に示す。およそ８００℃以上で運転可能である。

図３−１４．Ａｌ−Ａｕ合金状態図^２６）

図３−１５．Ａｌ−Ａｕ−Ｇｅ合金イオン源の質量スペクトル例

図３−１６．Ａｕ−Ｃｕ−Ａｌ合金イオン源の質量スペクトル例

図３−１７．Ａｕ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｇｅ合金イオン源の質量スペクトル例

　これらの導電体用液体金属イオン源はいずれも比較的低温（〜１０００℃以下）で運転が可能であり、寿命も１００〜３００時間程度が達成されている。全般的な傾向としては、運転温度があまり低温側にあるもの（８００℃以下）よりもむしろ高温側（８００〜１０００℃）にあるものの方がビームが安定である傾向がある。また、イオン発生部における多点放出（テイラーコーンが複数できる）が起因していると思われる非連続的なビーム電流値の変化も低温運転において多く見られる。経験的に最も安定に動作するのは、Ａｕ−Ｃｕ−Ａｌ合金イオン源、Ａｕ−Ｃｕ−Ｎｂ合金イオン源等である。これらの合金イオン源においては（Ａｕ−Ｃｕ−Ｎｂを除いて）運転温度が原料合金の液相面を超えていると見られるために、運転温度による引き出しビーム中の原子組成の変化はあまり見られない。例として図３−１８にＡｕ−Ｃｕ−Ｇｅ合金イオン源から引き出したビームのイオン組成と運転温度の関係を示す。引き出しイオンビーム中における原子組成はＡｕ_５７−Ｃｕ_３０−Ｇｅ_１３である。これは原料として充填したＡｕ_３９−Ｃｕ_４６−Ｇｅ_１５と比較してＣｕが少ない。原料としてＡｕ−Ｇｅ合金とＣｕを充填したために、Ａｕ−Ｇｅが先に溶けＣｕを完全に溶かす前に浸みだしが始まったことを示している。

　第４章以降に述べる実験に用いたＡｕ、Ｃｕビームは、ほとんどの場合Ａｕ−Ｃｕ−Ｎｂ合金イオン源を用いたものである。また、Ａｌビームは、Ａｌ−Ａｕ−Ｇｅ合金イオン源を用いている。

図３−１８．Ａｕ−Ｃｕ−Ｇｅ合金イオン源のイオン組成と運転温度の関係