离子注入技术
离子注入工艺原理
离子注入工艺原理离子注入（Ion Implantation）是一种常用的半导体加工技术，通过将选择性的离子注入到半导体材料中，来改变其电学性质，实现各种功能。
离子注入工艺原理可以分为三个主要步骤：离子产生，离子加速以及离子注入。
首先，离子产生是离子注入过程的第一步。
离子源是离子加速的关键，通常使用离子源来产生所需的离子种类。
离子源有许多类型，包括离子脱附（sputtering）源、电离源（ionization）或者离子化（ionized）源等。
其中较为常见的是离子脱附源，通过将砷、硼等半导体材料投放在高能量粒子（如氩离子）中，来脱离砷或硼原子产生相应离子。
这些离子会进一步被加速，并被注入到半导体材料中。
接下来，是离子加速的过程。
离子会通过一种电场来加速，通常是一个加速器。
这个电场可以是一个电势差，通过与离子之间形成的电场将离子加速到高能量。
在离子注入中，通常使用的是加速电势差。
离子源中的离子在电场的作用下，获得足够的能量，从而达到所需的注入深度。
最后，是离子注入的过程。
一旦离子获得足够的能量，它们会进入到半导体材料中，并通过对材料进行注入来改变其电学性质。
离子注入的深度可以通过加速电压和荷质比等参数来控制，通过调整参数可以实现不同深度的注入。
离子注入技术的原理在于将特定的离子种类注入到半导体材料中，从而改变其性质。
原子尺寸的改变可以影响材料的电学、磁学和光学性质。
例如，将掺杂硼离子注入到硅材料中可以将其掺杂变成P类型半导体，而将掺杂磷离子注入到硅材料中可以将其掺杂变成N类型半导体。
这种通过离子注入调整材料性质的能力，使得离子注入成为了半导体工业中不可或缺的一部分。
离子注入工艺有许多应用，包括集成电路制造和半导体器件制造。
通过离子注入，可以改变材料的导电性、控制晶体中的通道形成、增加或改变半导体材料中的杂质等。
这对于集成电路芯片和其他电子元件的设计和制造至关重要，使其具有所需的电学性质和性能。
总之，离子注入工艺通过离子源的产生、离子加速和离子注入等步骤，将特定的离子注入到半导体材料中，从而改变其性质。
离子注入英文缩写
离子注入英文缩写离子注入是一种在材料科学和半导体工业中常用的技术，用于改变材料结构和性质。
它是通过将离子加速到高速并注入到材料中，以改变其物理和化学性质。
离子注入在半导体器件制造、材料改性和应变工程等领域具有广泛的应用。
在学术和工业界中，离子注入常常使用缩写来简化描述和交流。
下面是一些常见的离子注入英文缩写。
1. I/I：Ion ImplantationIon Implantation 表示的是离子注入技术，是将离子流注入到固体表面中的一种方法。
离子在加速器中加速到一定能量后，通过开启一个加速器口径，使离子束流击中材料表面，并在表面形成一定的能量损失。
这种注入过程可以改变材料的化学成分和属性。
2. SIMS：Secondary Ion Mass SpectrometrySecondary Ion Mass Spectrometry 是离子注入后常用的分析技术。
它是通过对离子注入材料后产生的次级离子进行质谱分析，来确定材料的化学成分。
这项技术能够精确地分析出离子注入过程中造成的杂质浓度和材料的晶体结构等信息。
3. RBS：Rutherford Backscattering SpectrometryRutherford Backscattering Spectrometry 是一种离子注入表面分析技术。
它通过测量入射离子在材料内部的散射角度和能量，来确定材料的组成和薄膜的厚度。
这种分析方法通常用于薄膜的制备和材料的质量控制。
4. ESD：Electrostatic DischargeElectrostatic Discharge 是离子注入过程中的一个重要问题。
它指的是由于离子在注入过程中产生的静电累积，造成电荷积累，从而导致电压的释放和电击现象。
此现象可能会导致器件损坏和失效，因此在离子注入过程中需要特殊的电防护措施。
5. BOR: Box Overlap RatioBox Overlap Ratio 是离子注入中的一个参数，用于定义不同离子束对护柱中心的距离。
离子注入技术(Implant)
4、离子注入系统复杂昂贵。
3
离子注入的应用
半导体掺杂工艺： 大规模集成电路 固体材料表面改性： 抗腐蚀、硬度、耐磨、润滑 光波导: 光纤传感器 太阳能电池
离子注入机设备与发展
中束流 μA 350D
NV6200A
NV10-80
大束流 mA NV10-160 NV10-160SD NV10-180
离子注入过程：入射离子与半导体（靶）的原子核和 电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一 段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。 离子浓度呈高斯分布。
x
y
0
z
注入离子分布(高斯型)
RP：投影射程，射 程的平均值
2.3 退火工艺
• 注入离子会引起晶格损伤ห้องสมุดไป่ตู้一个高能离子可以 引起数千个晶格原子位移）。 • 离子注入后需要将注入离子激活。
基本结构：离子注入系统（传统）
离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质 源气体有 BF3、 AsH3 和 PH3 等。 质量分析器：不同离子具有不同的电荷质量 比，因而在分析器磁场中偏转的角度不同，由 此可分离出所需的杂质离子，且离子束很纯。 加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。 该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参 量（离子能量为100keV量级)。 中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分 离中性原子。
4 总结
未来电子技术发展水平的瓶颈；
未来高精工艺的发展方向；
未来尖端技术如航空航天、军事等领域 所必须的基础。
Thank you!
各向同性
可以独立控制结深和浓 不能独立控制结深和 离子注入与扩散的比较 3 度 浓度
一 言 以 蔽 之 ： 可 控 性 好
离子注入的缺点
光电子学中的离子注入技术的应用
光电子学中的离子注入技术的应用光电子学是物理学和工程学领域的交叉学科，它研究光与电子之间的相互作用关系。
离子注入技术是光电子学领域的一项关键技术，它是指将离子在高速下注入半导体材料中，从而形成特定区域的掺杂。
该技术在集成电路、太阳能电池、LED和微机电系统等领域有着广泛的应用。
一、离子注入技术的基本原理离子注入技术是一种物理上能够改变材料性质的方法。
其基本原理是将离子注入到半导体材料中，通过与材料原子产生化学反应，改变半导体的电学性质，如导电性、敏感性和区域性等。
离子注入技术的最重要的特点是能够实现高精度、高深度、高控制性的掺杂，从而实现特定区域的掺杂。
二、离子注入技术的应用离子注入技术的应用涉及到许多领域，包括集成电路、太阳能电池、LED、微机电系统等。
1. 集成电路制造集成电路制造是离子注入技术在工业中最广泛的应用之一。
由于离子注入技术能够实现高控制性的掺杂，因此可以实现对半导体材料电学性质的精确调控。
它充当了集成电路制造过程中的关键角色，因为它能够实现对于电子元器件性能的改进。
离子注入技术能够实现电阻率、导电性以及半导体的晶格结构的改变，从而实现对于电子元器件性能的改进，比如说提高芯片的运行速度。
2. 太阳能电池太阳能电池是利用太阳能转换为电能的一种器件，离子注入技术在太阳能电池制造中有着不可或缺的作用。
离子注入技术能够实现对于半导体材料的掺杂，从而将半导体材料的晶格结构进行改变，因此可以改变太阳能电池的电学性质。
离子注入技术能够实现太阳能电池效率的提高，从而提高太阳能电池的产量。
3. LED制造LED是一种新型照明器件，其制造工艺需要离子注入技术的支持。
离子注入技术能够实现LED晶片的掺杂，从而能够改变晶片的电学性质和光学性质，从而提高LED照明的效果。
离子注入技术能够实现 LED器件的高亮度和均匀性，提高光衰和寿命，从而改善LED的发光效果。
4. 微机电系统制造微机电系统是将微观机械元件与电子技术相结合的一种新型微型制造技术。
离子注入技术（Implant）
离⼦注⼊技术（Implant）离⼦注⼊技术摘要离⼦注⼊技术是当今半导体⾏业对半导体进⾏掺杂的最主要⽅法。
本⽂从对该技术的基本原理、基本仪器结构以及⼀些具体⼯艺等⾓度做了较为详细的介绍，同时介绍了该技术的⼀些新的应⽤领域。
关键字离⼦注⼊技术半导体掺杂1 绪论离⼦注⼊技术提出于上世纪五⼗年代，刚提出时是应⽤在原⼦物理和核物理究领域。
后来，随着⼯艺的成熟，在1970年左右，这种技术被引进半导体制造⾏业。
离⼦注⼊技术有很多传统⼯艺所不具备的优点，⽐如：是加⼯温度低，易做浅结，⼤⾯积注⼊杂质仍能保证均匀，掺杂种类⼴泛，并且易于⾃动化。
离⼦注⼊技术的应⽤，⼤⼤地推动了半导体器件和集成电路⼯业的发展，从⽽使集成电路的⽣产进⼊了⼤规模及超⼤规模时代（ULSI ）。
由此看来，这种技术的重要性不⾔⽽喻。
因此，了解这种技术进⾏在半导体制造⾏业以及其他新兴领域的应⽤是⼗分必要的。
2 基本原理和基本结构2.1 基本原理离⼦注⼊是对半导体进⾏掺杂的⼀种⽅法。
它是将杂质电离成离⼦并聚焦成离⼦束，在电场中加速⽽获得极⾼的动能后，注⼊到硅中⽽实现掺杂。
离⼦具体的注⼊过程是：⼊射离⼦与半导体（靶）的原⼦核和电⼦不断发⽣碰撞，其⽅向改变，能量减少，经过⼀段曲折路径的运动后，因动能耗尽⽽停⽌在某处。
在这⼀过程中，涉及到“离⼦射程”、“”等⼏个问题，下⾯来具体分析。
2.1.1 离⼦射程xpy pz图2.1.1（a ）离⼦射程模型图图2.1.1（a ）是离⼦射⼊硅中路线的模型图。
其中，把离⼦从⼊射点到静⽌点所通过的总路程称为射程；射程的平均值，记为R ，简称平均射程；射程在⼊射⽅向上的投影长度，记为p x ,简称投影射程；投影射程的平均值，记为p R ，简称平均投影射程。
⼊射离⼦能量损失是由于离⼦受到核阻挡与电⼦阻挡。
定义在位移x 处这两种能量损失率分别为n S 和e S ：n n xdE S d =（1）ee dE S k dx== （2）则在dx 内总的能量损失为：()n e n e dE dE dE S S dx =+=+（3）P0000P 0n ed d d d d R E E E ER x E x S S ===+?（4）n S 的计算⽐较复杂，⽽且⽆法得到解析形式的结果。
离子注入技术在材料强化中的应用研究
离子注入技术在材料强化中的应用研究离子注入技术是一种用高能离子束轰击物体表面的方法，以改变物体表面性质或深层结构的技术。
离子注入技术在材料强化中的应用研究已经展现出巨大的潜力。
本文将从材料强化的基本概念开始，介绍离子注入技术的原理和应用，以及它在材料强化中的优点和挑战。
【引入】材料强化是一项关键技术，可以改善物体的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性等方面。
过去，人们主要通过热处理、合金化、表面改性等方法来实现材料的强化。
然而，这些方法受到制造工艺、成本和资源的限制。
离子注入技术作为一种新兴的材料强化方法，可以在不改变物体整体性质的情况下，改变物体表面或深层结构，从而提升材料的性能。
【离子注入技术的原理】离子注入技术是利用离子束的高能量作用于物体表面或深层，使其发生物理和化学改变。
离子束会在物体表面形成一个高浓度的离子云，离子与原子发生相互作用，改变了原子的结构和分布。
这种改变可以增加材料的硬度、强度和耐磨性，从而增强材料的性能。
【离子注入技术的应用】离子注入技术在材料强化领域可以应用于多个方面。
首先是金属材料的强化。
离子注入可以改变金属表面的晶体结构，形成强化层，提高金属的硬度和抗磨损性能。
同时，离子注入还能在金属中形成固溶体，改善金属的耐腐蚀性能。
在航空航天、汽车和工程机械等领域中，离子注入技术已得到广泛应用。
其次是半导体材料的强化。
离子注入技术可以用于改变半导体材料的电子能带结构，从而提高材料的电导率和光学性能。
这对于光电子器件、集成电路等领域具有重要意义。
例如，离子注入技术可以用于制造高效的光伏电池或高性能的光子晶体。
离子注入技术还可以应用于陶瓷材料的强化。
陶瓷材料的常见问题是脆性和低强度，离子注入技术可以增加陶瓷材料的致密性和韧性，提高其耐磨性和结构稳定性。
这在陶瓷刀具、摩擦耐磨材料等领域具有重要应用价值。
最后是聚合物材料的强化。
聚合物材料通常具有较低的熔点和强度，离子注入技术可以改变聚合物材料的分子结构和交联程度，增加其热稳定性和力学性能。
第四章离子注入介绍
离子束从<111>轴偏斜7°入射
入射离子进入沟道并不意味着一定发生沟 道效应, 只有当入射离子的入射角小于某 一角度时才会发生, 这个角称为临界角
沟道效应与离子注入方向的关系
沟道效应与单晶靶取向的关系
硅的<110 >方向沟道开口约
1.8 Å, <100 >方向沟道开口
约11.22 Å, <111>方向沟道开口介
3. 射程估算
a. 离子注入能量可分为三个区域:
低能区— 核阻滞能力占主导地位，电子阻滞可被忽略；
中能区— 在这个比较宽的区域，核阻滞和电子阻滞能力同等重要， 必须同时考虑； 主导地位, 核阻滞可被忽略。 超出高实能际区应—用电范子围阻；滞能力占
b.Sn(E) 和 Se(E) 的能量变 化曲线都有最大值。分别在低 能区和高能区；
能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时，损失
给靶原子核的能量S n。E
dE dx
n
能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到 原子核上，结果将使离子改变运动方向，而靶原子核可 能离开原位，成为间隙原子核，或只是能量增加。
❖低能量时核阻止本领随能量的增加呈线性增加, 而在某个中等能量达到最大值, 在高 能量时, 因快速运动的离子没有足够的时间与靶原子进行有效的能量交换, 所以核阻止 变小。
❖ 5、离子注入是非平衡过程，因此产生的载流子 浓度不是受热力学限制，而是受掺杂剂在基质晶 格中的活化能力的限制。故加入半导体中的杂质 浓度可以不受固溶度的限制。
❖ 6.离子注入时衬底温度较低，避免高温扩散所引 起的热缺陷。
❖ 7、由于注入是直进性，注入杂质是按照掩模的 图形垂直入射，横向效应比热扩散小，有利于器 件特征尺寸缩小。
离子注入技术(Implant)
能源等领域。
新能源
离子注入技术在太阳能电池、燃 料电池等新能源领域中也有广泛 应用，通过优化材料表面的性能， 提高新能源器件的效率和稳定性。
离子注入技术的发展历程
起源
离子注入技术最早起源于20世纪 50年代的美国贝尔实验室，最初 是为了解决半导体材料的掺杂问 题而发明的。
注入机的结构
注入机通常由离子束控制 装置、注入室、注入了材 料夹具等组成，以实现精 确控制和高效注入。
检测与控制系统
检测与控制系统的作用
检测与控制系统用于实时监测离子注入的过程和结果，同时对设备进行精确控制，确保 工艺参数的一致性和稳定性。
检测与控制系统的组成
检测与控制系统通常包括传感器、信号处理电路、控制电路和显示面板等组成，以实现 实时监测和控制。
离子注入技术(Implant)
• 离子注入技术概述 • 离子注入技术的基本原理 • 离子注入技术的主要设备 • 离子注入技术在半导体制造中的应
用 • 离子注入技术的挑战与未来发展
01
离子注入技术概述
定义与特点
定义
离子注入技术是一种将离子化的物质注入到固体材料表面的工艺，通过改变材 料表面的成分和结构，实现材料改性或制造出新材料的表面工程技术。
真空系统的组成
真空系统通常包括真空 室、机械泵、扩散泵、 分子泵等组成，以实现 高真空的获得和维持。
注入机
01
02
03
注入机的作用
注入机是离子注入技术的 关键设备之一，它能够将 离子束按照预设的参数注 入到材料表面。
注入方式
注入机通常采用定点注入、 扫描注入和均匀注入等方 式，以满足不同材料和工 艺的需求。
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2.3 离子注入设备和方法来自
最简单的离子注入机（图2）应包括一个产生离子的离 子源和放臵待处理物件的靶室。当前主要有以下几种类型的 注入机： 1. 质量分析注入机，能注入任何元素。它有如下优点： a. 能产生任何元素的离子。 b. 能产生纯的单能离子束，对目的明确的开发研究特别有 利。 c. 能很准确地确定处理参数。 d. 靶室压强低，可限制污染。 e. 离子束能量变化范围很宽。 缺点是： a. 束流一般较小。 b. 机器昂贵且复杂，需专门人员操作和维修。 c. 处理复杂形状时，要求样品翻转。
(5)离子注入一般是在常温真空中进行,加工后的工件表 面无形变,无氧化,能保持原有尺寸精度和表面粗糙度,特别 适合于高精密部件的最后工序。 (6)可以在工件表面层形成压应力,减少表面裂纹。 (7)采用清洁的高真空和无毒的工艺和材料，处理温度 低，待处理材料的整体性能不受影响。 (8)由于注入仅达表面区域，可节约昂贵材料或战略材 料。
由于注入时高能离子束提供反应后的驱动力，故有可能在 注入材料中形成常规热力学方式不能获得的亚稳态或“非平衡 态”化合物这就可能使一种元素的添加量远远超过正常热溶解 的数量。
2.2 离子注入的特点
与通常的冶金方法不同,离子注入是用高能量的离子注 入来获得表面合金层的,因而有其特点: (1)离子注入是一个非热平衡过程,注入离子的能量很高, 可以高出热平衡能量的2～3个数量级。因此,原则上周期表 中的任何元素都可以注入任何基体材料。 (2)注入元素的种类,能量,剂量均可选择,用这种方法形 成的表面合金,不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制, 即可得到用其他方法难以获得的新合金相。 (3)离子注入层相对基体材料没有明显的界面,因此表面 不存在粘附破裂或剥落问题,与基体结合牢固。 (4)离子注入可以通过控制注入剂量,注入能量及束流密 度来精确控制注入离子的浓度和深度的分布。
在相近时间内完成的，所以全过程很像发生在长约0.1μm和直 径为0.02μm 的圆柱材料总的快速加热与淬火。离子注入处理的 这种快速加热－淬火与新原子注入材料中相结合，其结果可产 生一些独特的性能。
离子注入的深度是离子能量和质量以及基体原子质量的函 数。能量愈高，注入愈深。一般情况下，离子越轻活基体原子 越轻，注入越深。 一旦到达表面，离子本身就被中和，并成为材料的整体部 分，所以注入层不会像常规那样有可能脱落或剥离。注入的离 子能够与固体原子，或者彼此之间，甚至与真空室内的残余气 体化合生成常规合金或化合物。
1低能化 近几年来，为克服常规离子注入改性层浅的缺点，低能 离子注人技术迅速发展。低能离子注人是采用能量在1keV左 右的离子注人温度升高到200一500℃的金属材料表面，在注 人的同时进行热扩散，从而达到增加注人改性层深度的目的。 降低PBII的脉冲负偏压，吸取低能离子注人的优点，发展低 能PBII技术是解决PBII存在问题的可行方法之一。 采用常 规离子注人的离子束增强沉积(IBED)技术，已经向大功率的 低能离子源过渡，以制备大面积高质量的薄膜材料。低能 IBED薄膜的结构和性能与高能IBED相似，都能够在薄膜与基 体之间形成数十纳米厚的过渡层。因此，低能PBII结合IBED 技术同样可能获得性能优异的薄膜改性层。 2高效率 为了提高PBII的效率，改善PBII的工作稳定性，应选用 特性更为优异的等离子体。
通常材料表面改性采用的低气压直流等离子体、射频等离子体 和微波等离子体中，电子回旋共振(ECR)微波等离子体具有高的 等离子体密度、电子温度和离化率。将ECR微波等离子体源用 于PBII工艺表现出优于直流和射频PBII工艺的性质。所以应当 利用和开发大面积的特性优异的微波等离子体源，如ECR微波 等离子体源。 3多功能组合化
其它类型注入机
目前还研制出了金属蒸发真空电弧离子源（MEVVA）， 它是在注入元素组成的电极表面引燃电弧而产生离子束的， 它解决了固体元素直接注入这一难题。 这个领域还在不断的发展中，必将会有许多新的仪器与 设备涌现出来。
3. 离子注入技术的新发展及应用
传统的离子注入技术(CBII)虽然具有处理温度低,工件 变形小,基体不易在处理过程中产生回火软化等优点。但 CBII致命的缺点是注入过程是一个视线过程,只有暴露在离 子枪口下的工件表面才能被离子注入,对于工件中需要表面 改性的内表面、沟槽表面等,离子束则难以达到;并且一次只 能注入一个工件,注入效率低,设备复杂昂贵。这些缺点大大 限制了离子注入的应用范围。 等离子体浸没离子注入(PIII)是一种非视线的表面改性 新技术,最初由美国威斯康星大学J.R.Conrad教授和他的同 事们提出的。并被称为等离子体源离子注入(PSII) 。近几 年常被称为等离子体浸没离子注入(PIII),在PIII过程中,靶 直接被浸泡在等离子体源中,在对样品加上负高压脉冲,离子 在等离子体同样品的表面间形成的离子鞘层中被加速,并从 各个方面同时垂直注入样品表面。
3. 等离子源注入机(PIII)
PIII 装臵（图3）不是由离子源中产生的离子束射向分离 靶室中的工件上，而是离子源环绕着工件。其做法是在靶室 中产生等离子体，因此等离子体是环绕着注入工件的。这样 就没有了直射性的限制。其优点如下： a.简单，成本低。勿需产生和控制离子束，只需运行真空 系统。 b.不需工件的转动和扫描。 c.垂直入射注入。 d.高束流覆盖整个表面，故可忽略强离子束扫描引起的局 部受热问题。 缺点是： a.任何等离子体的不均匀性将引起不均匀注入。 b.离子能量受限制。 c.存在与靶室中所有离子均会注入，剂量和能量不易确定。 d.电流脉冲的效果尚无大量资料确证。
由于PBII是在等离子体环境下实现的离子注人过程，从而能 够方便地将同样需要在等离子体环境下进行的表面改性技术组 合起来。多种技术的组合使PBII实现多功能化，一方面复合的 工艺可以更大程度地满足各种不同表面改性的需求，提高这项 技术的适用性;另一方面通过PBII－ IBED等复合处理，制备金 属、陶瓷等薄膜改性层，弥补金属原子难以低能注人和PSII深 度仍然有限等缺陷。从低能PBII－IBED人手开展沉积薄膜改性 层的研究，有可能成为PBII技术的一个有潜力的发展方向。
因此, PIII消除了CBII所存在缺点。同时又因为离子注入 过程是包含负高压脉冲间隔,工件表面与等离子之间的鞘层电 位形成的低能离子沉积和负高压脉冲持续期间的高能离子注入 的过程的混合,对某些材料的改性和沉积成膜具有CBII处理达 不倒的改性效果。因此PIII 技术因其设备结构简单、价格较 低和独特的优点而受到工业界的密切观注。 3.1等离子体基离子注入技术特点 为了克服用于金属材料表面改性的离子注人技术存在的视 线加工性，改性层浅，设备造价较高及工艺费用昂贵等缺点， 1987年J.R.Conrad等发明了“等离子体源离子注人”(PSII)技 术。PSII是一种从四面八方对工件进行离子注人的全新技术。 此后，1988年J.Tendys等建立了“等离子体湮没离子注 人”(PIII)技术。PIII与PSII的主要区别除了所用的等离子体 类型及其特性不同以外，PIII还将离子注入与热扩散相结合， 利用离子轰击造成的基片升温促进注人粒子的向内扩散，从而 增加离子注人改性层的深度。
离子注入技术
本文结构：
1.引言 2.离子注入技术的原理、 特点
3.离子注入技术的新发展及应用
4.展望
1.引言
现代科技的高速发展,对金属材料表面性能(抗磨损、抗 腐蚀、抗疲劳等)的要求日益提高,特别是高负荷、高转速、 高寿命、耐高温、低损耗金属零部件的迫切需求,广泛采用最 近发展的金属表面处理技术及工艺(抛光、电刷镀、化学镀复 合镀层、热喷涂、激光表面强化、汽相沉积、等离子体渗氮、 渗碳、渗硼及金属修补胶和薄膜性保护技术)虽然在各自领域 发挥着重要作用,但都存在一定的缺点和局限性,因而使得离 子注入技术应运而生。 20世纪70年代,离子注入应用于材料表面改性并逐渐发展 成一种新颖有效的材料表面改性方法。它是把工件(金属,合 金,陶瓷等)放在离子注入机的真空靶室中,通过加高电压,把 所需元素的离子注入到工件表层的一种工艺。材料经离子注 入后,在其零点几微米的表层中增加注入元素和辐照损伤,从 而使材料的物理化学性能发生显著变化。
大量实验证实,离子注入能使金属和合金的摩擦因素,耐 磨性,抗氧化性,抗腐蚀性,耐疲劳性以及某些材料的超导性 能,催化性能,光学性能等发生显著变化,能够大大提高材料 的性能和使用寿命。离子注入在工业中应用能取得很好的效 益,除延长工件的使用寿命外,还由于离子注入仅用较少量的 合金元素,就可以得到较高的表面合金浓度,因而可以节约贵 重金属。 离子注入早期研究的是对金属材料的磨擦和显微硬度的 影响,后来转向对金属滑动性能的研究,其结果都成功地实现 了工业应用。近30年来,在微处理机和计算机存储器的集成 电路基片生产中，离子射入表面的离子注入已经是半导体材 料（硅片）的一种标准掺杂方法。离子注入方法的可靠性、 可控制性和重复性使得这项工艺成为半导体工业的支柱。近 十几年来，离子注入在金属和半导体材料的研究和应用发展 迅速并且已扩展到绝缘材料和聚合物方面。
2.离子注入技术的原理、 特点
2.1 离子注入技术的原理
离子注入是将离子源产生的离子经加速后高速射向材料 表面，当离子进入表面，将与固体中的原子碰撞，将其挤进 内部，并在其射程前后和侧面激发出一个尾迹。这些撞离原 子再与其它原子碰撞，后者再继续下去，大约在10-11s内， 材料中将建立一个有数百个间隙原子和空位的区域（如图1 所示）。这所谓碰撞级联虽然不能完全理解为一个热过程， 但经常看成是一个热能很集中的峰。一个带有100keV能量的 离子通常在其能量耗尽并停留之前，可进入到数百到数千原 子层。当材料回复到平衡，大多数原子回到正常的点阵位臵， 而留下一些“冻结”的空位和间隙原子。这一过程在表面下 建立了富集注入元素并具有损伤的表层。离子和损伤的分布 大体为高斯分布。 整个阻止过程的时间仅用10-11s，位移原子的停留也是