離子注入（英文名：ion implantation）指由真空中發射出一束離子束射向固體或生物物質時，受到物質材料的阻擋而速度逐漸減慢，并最終停留在物質材料中的過程。離子束轟擊固體材料時，撞出表面原子/分子的現象叫濺射；從表面彈回或穿透材料的現象叫散射。
離子注入是將原子或分子電離為高能離子，注入晶圓后通過與靶材原子、電子的多次碰撞逐步耗散能量并最終停留在靶材內部，實現材料摻雜與改性的過程。離子注入方法主要包括氮離子注入、等離子源離子注入、離子輔助鍍膜等。離子注入是低溫、高精度、高均勻、高純度、無橫向擴散且可突破固溶度限制的優質半導體摻雜工藝，但存在晶格缺陷、設備成本高、難以制備深結的不足。
離子注入技術應用廣泛。在超大規模集成電路制造領域，它是實現精準摻雜的關鍵工藝，也是控制MOSFET閾值電壓的核心技術手段。在機械與模具制造領域，通過注入氮、鉻、鈦等元素，可顯著提升零件的耐磨性、耐蝕性與抗疲勞性能，從而延長模具壽命。此外，離子注入技術在材料科學研究、生物醫療領域、電子工業領域也發揮著重要作用。
定義
當真空中有一束離子束射向一塊固體材料時，離子束把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面，這個現象叫做濺射。
當離子束射到固體材料時，從固體材料表面彈了回來，或者穿出固體材料而去，這些現象叫做散射。
離子束射到固體材料以后，受到固體材料的抵抗而速度慢下來，并最終停留在固體材料中，這一現象叫做離子注入。
方法
離子注入方法主要包括氮離子注入、等離子源離子注入、離子輔助鍍膜等。這些處理方法的主要用途是制備金屬成型刀具、模具表面的耐磨硬質涂層。
原理
離子注入過程中，原子或分子首先被電離形成離子，離子攜帶一定的電荷，即等離子體。當具有一定能量的離子束注入晶圓時，離子束與晶圓中的原子或分子之間會發生一系列相互作用，入射離子逐漸失去能量，最終停留在晶圓中，從而達到摻雜的目的。
離子注入晶圓后，與硅原子碰撞，失去能量，當能量耗盡時，離子會在晶圓中的某一位置停止。離子通過與硅原子的碰撞將能量傳遞給硅原子，使硅原子成為新的單射離子，而新的入射離子又會與其他硅原子發生碰撞，形成鏈式反應。注入固體靶離子的能量會隨著與固體靶原子碰撞次數的增加而逐漸減少。對于吸收離子能量的晶格原子，除了有一部分脫離晶格位置外，大部分轉移的能量都會轉化為晶格的熱運動，導致固體目標表面溫度上升。對于晶格原子中注入的離子與電子之間的庫侖相互作用，可以認為是一種非彈性碰撞。在這些電子吸收離子能量后，根據吸收能量的高低，它們會被激發或電離，形成所謂的二次電子。經過一段時間后，被激發的電子將回到基態，并以光波的形式釋放輻射能。簡單地說，當高能離子注入固體靶時，它們會與固體靶中的原子和電子發生多次碰撞。這些碰撞將逐漸降低離子的能量，直到最終注入離子的運動停止。
特點
離子注入工藝是20世紀60年代發展起來的一種摻雜技術，在很多方面都優于傳統的擴散工藝。
1、可以在較低的溫度下（低于750°C）將各種雜質摻入半導體中，避免了高溫帶來的不利影響。
2、可以精確控制襯底中雜質的濃度、分布和注入深度，有利于淺結器件的發展。
3、摻雜物質經分析儀分離后注入半導體襯底中，可有效避免混入其他雜質。
4、可在大面積的物體上形成薄而均勻的摻雜層。
5、可獲得高濃度擴散層，不受固溶度極限的限制。
6、工藝簡單，無需生長或沉積一定厚度的薄膜作為掩模，僅需要采用光刻膠作為掩模材料。
7、沒有橫向擴散（各向異性）。
1、在晶體內產生的晶格缺陷不能完全消除。
2、工藝的離子束的產生、加速、分離和集束設備價格昂貴。
3、對于制作深結比較困難。
應用領域
離子注入在超大規模集成電路制造中利用其摻雜精確控制的特點得到了廣泛的應用。在集成電路從中小規模發展到超大規模起到了關鍵的作用。并在微波、激光和紅外技術中得到了應用。在電子工業中，離子注入成為了微電子工藝中的一種重要的摻雜技術，也是控制MOSFET閾值電壓的一個重要手段。因此在當代制造大規模集成電路中，可以說是一種必不可少的手段。
離子注入在機械零件中的應用更為廣泛。它可改善零件表面強度，提高耐磨耐蝕性，提高抗高溫氧化性能，改善疲勞強度等。注入元素有：N、C、Cr、Ti、Ta、Y、Sn、B、Mo、Ag、Co等。離子注入作為物理冶金的一種研究手段，可以制備出其他方法無法獲得的新合金系統，研究新合金的性能。
離子注入可用于材料科學的研究。一是測量注入元素的位置，因為元素的位置對材料性能有很大的影響；二是進行擴散系數的測定。
離子注入在模具工業中的應用：
1、提高模具的耐磨性、疲勞強度。主要是利用降低摩擦系數提高表面強度，表面壓應力狀態來實現。如Ti6Al4V離子注C、N，可以降低摩擦系數50%；AISI1018鋼表面離子注入N離子，可使疲勞強度提高200%或更高。
2、提高模具的耐磨性、抗疲勞強度。主要是利用降低摩擦系數提高表面耐蝕性，如注入Cr、Mo等元素，可以在金屬表面形成氧化物薄膜，或形成亞穩態成分的合金，提高耐蝕性和抗氧化性。表面組織的變化可以形成濃度遠遠大于平衡值的單項固溶體，避免腐蝕微電池的形成。非晶態的形成也可以大大提高耐蝕性。
3、離子注入塑料成型模具，可以大大延長其使用壽命。
在電子工業中，離子注入現在已經成為了微電子工藝中的一種重要的摻雜技術，也是控制MOSFET閾值電壓的一個重要手段。因此在當代制造大規模集成電路中，可以說是一種必不可少的手段。非半導體材料離子注入表面改性研究對離子注入機提出了一些新的要求。半導體材料的離子注入所需的劑量（即單位面積上打進去了多少離子，單位是：離子/cm2）比較低，而所要求的純度很高。非半導體材料離子注入表面改性研究所需的劑量很高（比半導體材料離子注入高1000倍以上），而純度不要求像半導體那么高。
在非半導體材料離子注入表面改性研究的初始階段，主要是沿用半導體離子注入機所產生的氮離子束來進行。這主要是因為氮等氣體離子在適用于半導體離子注入的設備上容易獲得比較高的離子束流。氮離子注入在金屬、鎢鋼、陶瓷和有機高分子化合物聚合物等的表面改性的研究與應用中取得了引人注目的成功。因此這個階段被稱為氮離子注入階段。
離子注入的優點是能精確控制雜質的總劑量、深度分布和面均勻性，而且是低溫工藝（可防止原來雜質的再擴散等），同時可實現自對準技術（以減小電容效應）。
非半導體材料的離子注入表面改性研究，對離子注入機提出了新的要求。半導體材料離子注入的劑量要求較低，即單位面積注入的離子數量（單位：個/cm2）較少，但對離子純度的要求很高。與之相反，非半導體材料離子注入表面改性所需的劑量要高得多，是半導體材料的100倍以上，不過對純度的要求沒有那么嚴格。
在非半導體材料離子注入表面改性的初期，研究主要依靠半導體離子注入機所產生的氮離子束來完成。這是因為在半導體離子注入設備上，氮等氣體離子更容易獲得較高的束流強度。氮離子注入技術在金屬、鎢鋼、陶瓷和有機高分子化合物聚合物等材料的表面改性研究與應用中，取得了顯著的成功，這一階段也因此被稱為氮離子注入階段。
金屬離子注入是一種新型的材料表面處理高技術。它通過將高能金屬離子束打入固體材料，引發一系列物理和化學變化，從而改善材料的表面性能。研究表明，在非半導體材料的表面改性中，金屬離子注入的效果比氮離子注入更為顯著，應用范圍也更廣泛，能夠實現許多氮離子注入無法達成的改性效果。然而，傳統的半導體離子注入機難以產生高束流的金屬離子束，這使得非半導體材料離子注入表面改性的成本居高不下。
在生物和醫療方面也得到了廣泛應用。醫療領域作為人工關節的鈦合金制品經離子注入處理后性能能得到極大改善，一些生物高分子材料，作為人工血泵和人造心臟瓣膜病經離子注入處理后增加了其機械強度，耐磨性也得到了提高，延長了使用壽命。但注入量要嚴格控制。
金屬離子注入源
MEVVA真空弧離子源是金屬蒸氣真空弧離子源的縮稱。這是20世紀80年代中期由加利福尼亞大學伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要發明研制成功的。這種新型的強流金屬離子源問世后很快就被應用于非半導體材料離子注入表面改性，并引起了強流金屬離子注入的一場革命，這種獨特的離子注入機被稱為新一代金屬離子注入機。
特點
（1）對元素周期表上的固體金屬元素（含碳）都能產生10mA量級的強流束。
（2）離子純度取決于陰極材料的純度，因此可以達到很高的純度，同時可以省去昂貴而復雜的質量分析器。
（3）金屬離子一般有幾個電荷態，這樣可以用較低的引出電壓得到較高的離子能量，而且用一個引出電壓可實現幾種能量的疊加（離子）注入。
（4）束流是發散的，可以省去束流約束與掃描系統而達到大的注入面積。其革命性主要表現在兩個方面，一是它的高性能，另一是使離子注入機的結構大大簡化，主要由離子源、靶室和真空系統這三部分組成。
應用
MEVVA真空弧離子源金屬離子注入特別適用于以下幾類工模具和零部件的表面處理：
（1）金屬切削工具（包括各種用于精密加工和數控加工中使用的鉆、銑、車、磨等工具和鎢鋼工具），一般可以提高使用壽命3~10倍。
（2）熱擠壓和注塑模具，可使能耗降低20%，延長使用壽命10倍。
（3）精密運動耦合部件，如抽氣泵定子和轉子，陀螺儀的凸輪和卡板，活塞、軸承、齒輪、渦輪渦桿等，可大幅度地降低摩擦系數，提高耐磨性和耐蝕性，延長使用壽命最多可以達到100倍以上。
（4）擠壓合成纖維和光導纖維的精密噴嘴，可以大大提高其抗磨蝕性和使用壽命。
（5）半導體工業中的精密模具，罐頭工業中的壓印和沖壓模具等，可顯著提高這些貴重、精密模具的工作壽命。
（6）醫用矯形修復部件（如鈦合金人工關節）和手術器具等，其經濟效益和社會效益非常好。
技術發展
離子注入手段已經在鋼制切削工具、精密運動耦合部件表面摩擦學改性中取得顯著效果，并已通過國家部級技術鑒定，但是成本相對較高，必須從降低成本上下工夫，加大離子注入設備的研究與開發，特別是大功率MEVVA源離子注入設備。
美國的ISMTech.公司是國際上生產MEVVA源離子注入機的專業公司，在綜合技術水平上處于國際領先。20世紀90年代以來先后研制生產了幾種不同類型的商用MEVVA源離子注入機。2014年報道的一種多MEVVA源離子注入機，在真空室里配備了4臺AVIS80-75MEV-VA源，總束流可達300mA，總束斑面積可達12000cm2，是世界上束流最強的MEVVA源離子注入機。歐美工業發達國家的離子注入表面處理技術這一新興產業發展情況良好，如美國的SPIRE公司和ISMTech.公司，英國的AEA Industrial Tech.、TecVac和Tech-Ni-Plant，法國的Nitruvid和IBS，西班牙的INASMET和AIN，德國的MAT和丹麥DTI Tribology Centre等均已經取得了可觀的經濟效益和社會效益，起了很好的示范作用。他們已經將金屬離子注入的費用降低到$0.05~0.5/cm2的水平。
該核心元器件主生產線一條生產線投資約1500萬美金，其中主要設備總計1370萬美金。
參考資料 >
離子注入.術語在線.2026-02-05