離子注入技術原理

離子注入是將離子源產生的離子經加速后高速射向材料表面，當離子進入表面，將與固體中的原子碰撞，將其擠進內部，并在其射程前后和側面激發出一個尾跡。這些撞離原子再與其它原子碰撞，后者再繼續下去，大約在10-11s內，材料中將建立一個有數百個間隙原子和空位的區域（如圖1所示）。這所謂碰撞級聯雖然不能完全理解為一個熱過程，但經常看成是一個熱能很集中的峰。一個帶有100keV能量的離子通常在其能量耗盡并停留之前，可進入到數百到數千原子層。當材料回復到平衡，大多數原子回到正常的點陣位置，而留下一些“凍結”的空位和間隙原子。這一過程在表面下建立了富集注入元素并具有損傷的表層。離子和損傷的分布大體為高斯分布。
整個阻止過程的時間僅用10-11s，位移原子的停留也是在相近時間內完成的，所以全過程很像發生在長約0.1μm和直徑為0.02μm 的圓柱材料總的快速加熱與淬火。離子注入處理的這種快速加熱－淬火與新原子注入材料中相結合，其結果可產生一些獨特的性能。
離子注入的深度是離子能量和質量以及基體原子質量的函數。能量愈高，注入愈深。一般情況下，離子越輕活基體原子越輕，注入越深。
一旦到達表面，離子本身就被中和，并成為材料的整體部分，所以注入層不會像常規那樣有可能脫落或剝離。注入的離子能夠與固體原子，或者彼此之間，甚至與真空室內的殘余氣體化合生成常規合金或化合物。
由于注入時高能離子束提供反應后的驅動力，故有可能在注入材料中形成常規熱力學方式不能獲得的亞穩態或“非平衡態”化合物這就可能使一種元素的添加量遠遠超過正常熱溶解的數量。

用能量為100keV量級的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發生一系列物理的和化學的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結構和性能發生變化，從而優化材料表面性能，或獲得某些新的優異性能。

離子注入技術是把某種元素的原子電離成離子，并使其在幾十至幾百千伏的電壓下進行加速，在獲得較高速度后射入放在真空靶室中的工件材料表面的一種離子束技術。材料經離子注入后，其表面的物理、化學及機械性能會發生顯著的變化。

離子注入系統原理圖