离子注入（英文名：ion implantation）指由真空中发射出一束离子束射向固体或生物物质时，受到物质材料的阻挡而速度逐渐减慢，并最终停留在物质材料中的过程。离子束轰击固体材料时，撞出表面原子/分子的现象叫溅射；从表面弹回或穿透材料的现象叫散射。
离子注入是将原子或分子电离为高能离子，注入晶圆后通过与靶材原子、电子的多次碰撞逐步耗散能量并最终停留在靶材内部，实现材料掺杂与改性的过程。离子注入方法主要包括氮离子注入、等离子源离子注入、离子辅助镀膜等。离子注入是低温、高精度、高均匀、高纯度、无横向扩散且可突破固溶度限制的优质半导体掺杂工艺，但存在晶格缺陷、设备成本高、难以制备深结的不足。
离子注入技术应用广泛。在超大规模集成电路制造领域，它是实现精准掺杂的关键工艺，也是控制MOSFET阈值电压的核心技术手段。在机械与模具制造领域，通过注入氮、铬、钛等元素，可显著提升零件的耐磨性、耐蚀性与抗疲劳性能，从而延长模具寿命。此外，离子注入技术在材料科学研究、生物医疗领域、电子工业领域也发挥着重要作用。
定义
当真空中有一束离子束射向一块固体材料时，离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射。
当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射。
离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢下来，并最终停留在固体材料中，这一现象叫做离子注入。
方法
离子注入方法主要包括氮离子注入、等离子源离子注入、离子辅助镀膜等。这些处理方法的主要用途是制备金属成型刀具、模具表面的耐磨硬质涂层。
原理
离子注入过程中，原子或分子首先被电离形成离子，离子携带一定的电荷，即等离子体。当具有一定能量的离子束注入晶圆时，离子束与晶圆中的原子或分子之间会发生一系列相互作用，入射离子逐渐失去能量，最终停留在晶圆中，从而达到掺杂的目的。
离子注入晶圆后，与硅原子碰撞，失去能量，当能量耗尽时，离子会在晶圆中的某一位置停止。离子通过与硅原子的碰撞将能量传递给硅原子，使硅原子成为新的单射离子，而新的入射离子又会与其他硅原子发生碰撞，形成链式反应。注入固体靶离子的能量会随着与固体靶原子碰撞次数的增加而逐渐减少。对于吸收离子能量的晶格原子，除了有一部分脱离晶格位置外，大部分转移的能量都会转化为晶格的热运动，导致固体目标表面温度上升。对于晶格原子中注入的离子与电子之间的库仑相互作用，可以认为是一种非弹性碰撞。在这些电子吸收离子能量后，根据吸收能量的高低，它们会被激发或电离，形成所谓的二次电子。经过一段时间后，被激发的电子将回到基态，并以光波的形式释放辐射能。简单地说，当高能离子注入固体靶时，它们会与固体靶中的原子和电子发生多次碰撞。这些碰撞将逐渐降低离子的能量，直到最终注入离子的运动停止。
特点
离子注入工艺是20世纪60年代发展起来的一种掺杂技术，在很多方面都优于传统的扩散工艺。
1、可以在较低的温度下（低于750°C）将各种杂质掺入半导体中，避免了高温带来的不利影响。
2、可以精确控制衬底中杂质的浓度、分布和注入深度，有利于浅结器件的发展。
3、掺杂物质经分析仪分离后注入半导体衬底中，可有效避免混入其他杂质。
4、可在大面积的物体上形成薄而均匀的掺杂层。
5、可获得高浓度扩散层，不受固溶度极限的限制。
6、工艺简单，无需生长或沉积一定厚度的薄膜作为掩模，仅需要采用光刻胶作为掩模材料。
7、没有横向扩散（各向异性）。
1、在晶体内产生的晶格缺陷不能完全消除。
2、工艺的离子束的产生、加速、分离和集束设备价格昂贵。
3、对于制作深结比较困难。
应用领域
离子注入在超大规模集成电路制造中利用其掺杂精确控制的特点得到了广泛的应用。在集成电路从中小规模发展到超大规模起到了关键的作用。并在微波、激光和红外技术中得到了应用。在电子工业中，离子注入成为了微电子工艺中的一种重要的掺杂技术，也是控制MOSFET阈值电压的一个重要手段。因此在当代制造大规模集成电路中，可以说是一种必不可少的手段。
离子注入在机械零件中的应用更为广泛。它可改善零件表面强度，提高耐磨耐蚀性，提高抗高温氧化性能，改善疲劳强度等。注入元素有：N、C、Cr、Ti、Ta、Y、Sn、B、Mo、Ag、Co等。离子注入作为物理冶金的一种研究手段，可以制备出其他方法无法获得的新合金系统，研究新合金的性能。
离子注入可用于材料科学的研究。一是测量注入元素的位置，因为元素的位置对材料性能有很大的影响；二是进行扩散系数的测定。
离子注入在模具工业中的应用：
1、提高模具的耐磨性、疲劳强度。主要是利用降低摩擦系数提高表面强度，表面压应力状态来实现。如Ti6Al4V离子注C、N，可以降低摩擦系数50%；AISI1018钢表面离子注入N离子，可使疲劳强度提高200%或更高。
2、提高模具的耐磨性、抗疲劳强度。主要是利用降低摩擦系数提高表面耐蚀性，如注入Cr、Mo等元素，可以在金属表面形成氧化物薄膜，或形成亚稳态成分的合金，提高耐蚀性和抗氧化性。表面组织的变化可以形成浓度远远大于平衡值的单项固溶体，避免腐蚀微电池的形成。非晶态的形成也可以大大提高耐蚀性。
3、离子注入塑料成型模具，可以大大延长其使用寿命。
在电子工业中，离子注入现在已经成为了微电子工艺中的一种重要的掺杂技术，也是控制MOSFET阈值电压的一个重要手段。因此在当代制造大规模集成电路中，可以说是一种必不可少的手段。非半导体材料离子注入表面改性研究对离子注入机提出了一些新的要求。半导体材料的离子注入所需的剂量（即单位面积上打进去了多少离子，单位是：离子/cm²）比较低，而所要求的纯度很高。非半导体材料离子注入表面改性研究所需的剂量很高（比半导体材料离子注入高1000倍以上），而纯度不要求像半导体那么高。
在非半导体材料离子注入表面改性研究的初始阶段，主要是沿用半导体离子注入机所产生的氮离子束来进行。这主要是因为氮等气体离子在适用于半导体离子注入的设备上容易获得比较高的离子束流。氮离子注入在金属、钨钢、陶瓷和有机高分子化合物聚合物等的表面改性的研究与应用中取得了引人注目的成功。因此这个阶段被称为氮离子注入阶段。
离子注入的优点是能精确控制杂质的总剂量、深度分布和面均匀性，而且是低温工艺（可防止原来杂质的再扩散等），同时可实现自对准技术（以减小电容效应）。
非半导体材料的离子注入表面改性研究，对离子注入机提出了新的要求。半导体材料离子注入的剂量要求较低，即单位面积注入的离子数量（单位：个/cm²）较少，但对离子纯度的要求很高。与之相反，非半导体材料离子注入表面改性所需的剂量要高得多，是半导体材料的100倍以上，不过对纯度的要求没有那么严格。
在非半导体材料离子注入表面改性的初期，研究主要依靠半导体离子注入机所产生的氮离子束来完成。这是因为在半导体离子注入设备上，氮等气体离子更容易获得较高的束流强度。氮离子注入技术在金属、钨钢、陶瓷和有机高分子化合物聚合物等材料的表面改性研究与应用中，取得了显著的成功，这一阶段也因此被称为氮离子注入阶段。
金属离子注入是一种新型的材料表面处理高技术。它通过将高能金属离子束打入固体材料，引发一系列物理和化学变化，从而改善材料的表面性能。研究表明，在非半导体材料的表面改性中，金属离子注入的效果比氮离子注入更为显著，应用范围也更广泛，能够实现许多氮离子注入无法达成的改性效果。然而，传统的半导体离子注入机难以产生高束流的金属离子束，这使得非半导体材料离子注入表面改性的成本居高不下。
在生物和医疗方面也得到了广泛应用。医疗领域作为人工关节的钛合金制品经离子注入处理后性能能得到极大改善，一些生物高分子材料，作为人工血泵和人造心脏瓣膜病经离子注入处理后增加了其机械强度，耐磨性也得到了提高，延长了使用寿命。但注入量要严格控制。
金属离子注入源
MEVVA真空弧离子源是金属蒸气真空弧离子源的缩称。这是20世纪80年代中期由加利福尼亚大学伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要发明研制成功的。这种新型的强流金属离子源问世后很快就被应用于非半导体材料离子注入表面改性，并引起了强流金属离子注入的一场革命，这种独特的离子注入机被称为新一代金属离子注入机。
特点
（1）对元素周期表上的固体金属元素（含碳）都能产生10mA量级的强流束。
（2）离子纯度取决于阴极材料的纯度，因此可以达到很高的纯度，同时可以省去昂贵而复杂的质量分析器。
（3）金属离子一般有几个电荷态，这样可以用较低的引出电压得到较高的离子能量，而且用一个引出电压可实现几种能量的叠加（离子）注入。
（4）束流是发散的，可以省去束流约束与扫描系统而达到大的注入面积。其革命性主要表现在两个方面，一是它的高性能，另一是使离子注入机的结构大大简化，主要由离子源、靶室和真空系统这三部分组成。
应用
MEVVA真空弧离子源金属离子注入特别适用于以下几类工模具和零部件的表面处理：
（1）金属切削工具（包括各种用于精密加工和数控加工中使用的钻、铣、车、磨等工具和钨钢工具），一般可以提高使用寿命3~10倍。
（2）热挤压和注塑模具，可使能耗降低20%，延长使用寿命10倍。
（3）精密运动耦合部件，如抽气泵定子和转子，陀螺仪的凸轮和卡板，活塞、轴承、齿轮、涡轮涡杆等，可大幅度地降低摩擦系数，提高耐磨性和耐蚀性，延长使用寿命最多可以达到100倍以上。
（4）挤压合成纤维和光导纤维的精密喷嘴，可以大大提高其抗磨蚀性和使用寿命。
（5）半导体工业中的精密模具，罐头工业中的压印和冲压模具等，可显著提高这些贵重、精密模具的工作寿命。
（6）医用矫形修复部件（如钛合金人工关节）和手术器具等，其经济效益和社会效益非常好。
技术发展
离子注入手段已经在钢制切削工具、精密运动耦合部件表面摩擦学改性中取得显著效果，并已通过国家部级技术鉴定，但是成本相对较高，必须从降低成本上下工夫，加大离子注入设备的研究与开发，特别是大功率MEVVA源离子注入设备。
美国的ISMTech.公司是国际上生产MEVVA源离子注入机的专业公司，在综合技术水平上处于国际领先。20世纪90年代以来先后研制生产了几种不同类型的商用MEVVA源离子注入机。2014年报道的一种多MEVVA源离子注入机，在真空室里配备了4台AVIS80-75MEV-VA源，总束流可达300mA，总束斑面积可达12000cm²，是世界上束流最强的MEVVA源离子注入机。欧美工业发达国家的离子注入表面处理技术这一新兴产业发展情况良好，如美国的SPIRE公司和ISMTech.公司，英国的AEA Industrial Tech.、TecVac和Tech-Ni-Plant，法国的Nitruvid和IBS，西班牙的INASMET和AIN，德国的MAT和丹麦DTI Tribology Centre等均已经取得了可观的经济效益和社会效益，起了很好的示范作用。他们已经将金属离子注入的费用降低到$0.05~0.5/cm²的水平。
该核心元器件主生产线一条生产线投资约1500万美金，其中主要设备总计1370万美金。
参考资料 >
离子注入.术语在线.2026-02-05