用一 定能量的離子轟擊固體表面，使固體近表面層物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的工藝技術(shù)，包括離子注入、離子束混合、離子濺射、離子刻蝕等技術(shù)。離子注入是將某種離子“打進(jìn)”固體，改變固體近表面層的化學(xué)成分和固體結(jié)構(gòu)。
離子注入技術(shù)用于半導(dǎo)體摻雜和金屬和其他材料的表面改性。離子束混合是用離子轟擊鍍有多層薄膜的金屬，使各層原子因離子碰撞發(fā)生互混，主要用于冶金學(xué)研究。離子濺射除用于鍍膜外(見真空鍍膜)還用于表面處理，實(shí)現(xiàn)濺射清洗、拋光、磨削和減薄等。離子刻蝕屬于電子束與離子束微細(xì)加工技術(shù)。
離子注入 這種技術(shù)的研究始于50年代。用具有一 定能量（幾萬到幾十萬電子伏）的離子轟擊固體(靶)表面，離子進(jìn)入固體后，不斷與靶原子核及電子碰撞，并將其能量傳遞給原子核和電子，直至耗盡能量后停止在靶內(nèi)某一深度。這一深度約為幾百至幾千埃。
如不考慮溝道效應(yīng)，注入非晶靶中的離子在基體中的分布服從高斯分布，其數(shù)學(xué)表達(dá)式中n為注入離子濃度;x為注入深度；N為注入劑量，即單位面積上注入的離子個(gè)數(shù)；Rp為離子在固體中射程沿入射方向的投影,稱投影射程；墹Rp為Rp的標(biāo)準(zhǔn)偏差。對于確定的離子能量、質(zhì)量和靶材料，Rp和墹Rp有確定的值，可根據(jù)理論算出來。例如能量為 100千電子伏的硼離子注入到硅中，它的Rp為2900埃，墹Rp為710埃。
注入離子與靶原子發(fā)生碰撞，破壞靶原子的正常排列而產(chǎn)生“輻射損傷”。這類損傷可以通過適當(dāng)?shù)臒崽幚矶�；另一方面，可利用輻射損傷現(xiàn)象對表面進(jìn)行特殊的工藝加工。
離子注入設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)如圖2。在離子源中,原子被電離成離子。離子在電壓U加速下獲得能量E=qU,q為離子電量。常用的加速電壓范圍為10～800千伏。加速后的離子束通過磁分析器，磁分析器從離子束中選出一 定能量和質(zhì)量的離子，這些離子用來轟擊靶面。
為了避免離子與氣體分子碰撞而損耗能量，系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)保持高真空。測量靶電流可得出注入劑量。注入劑量在1010～1020個(gè)/厘米2范圍內(nèi)。 離子注入技術(shù)在集成電路和微電子技術(shù)方面已得到廣泛應(yīng)用。
在金屬中的應(yīng)用主要包括三個(gè)方面。
①用離子注入模擬輻照試驗(yàn)：研究金屬在輻照作用下空洞和氣泡的產(chǎn)生。這種模擬試驗(yàn)可以在很短時(shí)間內(nèi)給出快中子堆中的金屬或聚變堆中的第 一器壁材料受長期輻照后的性能資料。
②金屬表面改性研究：離子注入對金屬表面的抗腐蝕性能、耐磨損性能、潤滑性能、超導(dǎo)性能和催化性能有顯著影響，特別是在提高耐磨性和抗腐蝕性方面的研究更受到人們的重視。
③冶金學(xué)研究：即離子注入冶金學(xué)。由于不受熱力學(xué)平衡的限制，原則上一切元素都可以注入任何金屬，因此可用這種方法研究離子注入對金屬的成分、結(jié)構(gòu)和性能的影響，借以研制新的合金。離子注入也應(yīng)用于絕緣材料，如離子注入石英玻璃可改變其折射率，用來制造光集成電路的波導(dǎo)、耦合器，還可制造氣敏和磁泡材料等。
離子束混合 在基片上交替鍍敷兩種金屬薄層，例如每層厚150埃，膜層總厚1000埃,然后用惰性離子（氬、氪等）轟擊，使兩種金屬混合形成亞穩(wěn)態(tài)組織，這種技術(shù)稱為離子束混合。這種技術(shù)出現(xiàn)于1973年，它是離子注入技術(shù)與鍍膜技術(shù)的結(jié)合，擴(kuò)展了離子注入冶金學(xué)的研究范圍,可用于研究注入原子在晶格中的位置,注入后的各種亞穩(wěn)態(tài)固溶體，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)和化合物的產(chǎn)生、沉淀析出、擴(kuò)散，以及表面改性機(jī)制等。
