离子注入

离子注入是一种低温过程，通过该过程，一种元素的离子被加速进入固体靶标，从而改变靶标的物理，化学或电学性质。离子注入被用于半导体器件的制造，金属表面处理以及材料科学研究中。如果离子停止并保留在靶中，则离子会改变靶的元素组成（如果离子与靶的组成不同）。当离子以高能量撞击目标时，离子注入还会引起化学和物理变化。靶的晶体结构可能被高能碰撞级联破坏甚至破坏，并且能量足够高的离子（MeV的10s）会引起核trans变。

离子注入设备通常包括一个离子源和一个靶室，在离子源中产生所需元素的离子，在加速器中离子被静电加速成高能，在靶室中离子撞击到作为材料的靶上被植入。因此，离子注入是粒子辐射的特例。每个离子通常是单个原子或分子，因此，植入到目标中的实际材料量是离子电流随时间的积分。该量称为剂量。植入物提供的电流通常很小（微安培），因此可以在合理的时间内植入的剂量很小。因此，离子注入在所需的化学变化量小的情况下得到应用。

典型的离子能量在10至500 keV（1,600至80,000 aJ）的范围内。可以使用1至10 keV（160至1,600 aJ）范围内的能量，但渗透率仅为几纳米或更小。低于此的能量对靶几乎没有损害，并且属于离子束沉积的称呼。也可以使用更高的能量：通常具有5 MeV（800,000 aJ）的加速器。但是，通常会对靶标造成很大的结构破坏，并且由于深度分布较宽（布拉格峰），因此靶标中任一点的净组成变化将很小。

离子的能量，离子的种类以及靶的组成决定了离子在固体中的渗透深度：单能离子束通常具有较宽的深度分布。平均渗透深度称为离子范围。在典型情况下，离子范围将在10纳米至1微米之间。因此，在期望化学或结构变化在靶的表面附近的情况下，离子注入特别有用。离子在通过固体时逐渐失去能量，这既是由于与目标原子的偶然碰撞（引起突然的能量转移），也由于来自电子轨道重叠的轻微阻力，这是一个连续的过程。目标中离子能量的损失称为停止并可以使用二元碰撞近似方法进行模拟。

用于离子注入的加速器系统通常分为中等电流（离子束电流在10μA和〜2 mA之间），高电流（离子束电流高达〜30 mA），高能量（离子能量在200 keV以上和10 MeV以上） ）和非常高的剂量（有效注入剂量大于10 ¹⁶离子/ cm ²）。

各种离子注入束线设计都包含某些通用的功能组件组。离子束线的xxx主要部分包括一个称为离子源的设备，用于产生离子种类。该源与偏置电极紧密耦合，以将离子提取到束线中，并且最常见的是，与选择特定离子种类以传输到主加速器部分中的某种方式耦合。“质量”选择通常伴随着所提取的离子束通过磁场区域，其出口路径受阻塞孔或“狭缝”的限制，这些狭缝仅允许离子具有质量和速度/充电以继续沿着光束线。如果目标表面大于离子束直径，并且希望在目标表面上均匀分布注入剂量，则可以使用束扫描和晶圆运动的某种组合。最后，将注入的表面与用于收集注入的离子的累积电荷的某种方法相结合，以便可以连续方式测量所输送的剂量，并且将注入过程停止在所需的剂量水平。

用硼、磷或砷掺杂半导体是离子注入的常见应用。当注入半导体中时，每个掺杂原子可以在退火后在半导体中产生电荷载流子。可以为p型掺杂剂创建一个空穴，为n型掺杂剂创建一个电子。这改变了其附近的半导体的电导率。该技术例如用于调整MOSFET的阈值。

离子注入是在1970年代末和1980年代初期开发的一种用于制造光伏器件pn结的方法，以及使用脉冲电子束进行快速退火的方法，尽管迄今为止尚未使用。用于商业生产。

由常规的硅衬底制备绝缘体上的硅（SOI）衬底的一种突出方法是SIMOX（通过注入氧进行分离）工艺，其中，通过高温退火工艺将掩埋的高剂量氧注入物转化为氧化硅。

中晶是在主体晶体表面下结晶匹配相生长的术语（与外延比较，外延是在衬底表面上匹配相的生长）。在此过程中，将离子以足够高的能量和剂量注入材料中以形成第二相层，并控制温度以使靶的晶体结构不被破坏。即使确切的晶体结构和晶格常数可能有很大的不同，也可以设计该层的晶体取向以使其与目标相匹配。例如，在将镍离子注入到硅晶片中之后，可以生长硅化镍层，其中硅化物的晶体取向与硅的晶体取向匹配。

可以将氮或其他离子注入工具钢靶（例如钻头）中。注入引起的结构变化会在钢中产生表面压缩，从而防止裂纹扩展，从而使材料更不易断裂。化学变化还可以使工具更耐腐蚀。

在一些应用中，例如，诸如人造关节之类的修复装置，期望具有非常耐化学腐蚀和由于摩擦引起的磨损的表面。在这种情况下，使用离子注入来设计此类设备的表面，以获得更可靠的性能。与工具钢一样，由离子注入引起的表面改性既包括防止裂纹扩展的表面压缩，也包括表面合金化以使其在化学上更耐腐蚀。

离子注入可用于实现离子束混合，即在界面处混合不同元素的原子。这对于实现渐变界面或增强不混溶材料层之间的粘合力可能很有用。

离子注入可用于在诸如蓝宝石和二氧化硅的氧化物中诱发纳米级颗粒。颗粒可以由于离子注入物质的沉淀而形成，它们可以由于包含离子注入元素和氧化物衬底两者的混合氧化物种类的产生而形成，并且它们可以形成为底物减少的结果，首先由Hunt和Hampikian报道。用于产生纳米颗粒的典型离子束能量范围为50至150 keV，离子通量范围为10 ¹⁶至10 ¹⁸离子/ cm ²。下表总结了在蓝宝石衬底领域中已完成的一些工作。可以形成各种各样的纳米粒子，其尺寸范围从1 nm到xxx20 nm，并且成分可以包含注入的物质，注入的离子和底物的组合，或者仅包含与底物相关的阳离子。