具有一定能量的离子束入射到固体表面时，离子与固体中的原子核和电子相互作用，可能发生两类物理现象：其一是引起固体表面的粒子发射，人们利用该现象的原理建立了离子束表面分析技术；其二是离子束中的一部分离子进入到固体表面层里，成为注入离子。利用注入离子可以改变固体表面性能的特点，建立了离子注入材料表面改性技术。

离子束入射到固体表面后，其荷能离子与材料之间相互作用的基本过程如下： 

（1）通过非弹性碰撞，材料表面发射出二次电子和光子；

（2）入射离子被固体材料中的电子中和，并通过与晶格原子的弹性碰撞被反弹出来，叫做背散射粒子。

（3）一个入射离子可以碰撞出若干离位原子，某些能量较高的离位原子又可能在其路径上撞出若干个离位原子。这种离子碰撞的繁衍像树枝那样随机杂乱地发展着，称为级联碰撞。

（4）某些被撞出的原子会穿过晶格空隙从材料表面逸出，成为溅射原子。

（5）入射离子在材料的一定深度处停留下来，其沿材料深度的分布服从统计规律（如图1所示）。当入射离子、离子能量和靶材等已知时，入射离子在靶材中的分布可用理论计算得出，或通过表面分析方法测定。

（6）离子轰击还诱发材料表层的其它一些改变，包括组分变化、组织改变、晶格损伤及晶态与无定型态的相互转化、由溅射及与其相关的表面物质传输而引起的表面刻蚀和形貌变化、亚稳态的形成和退火等。此外，离子轰击也会使吸附在固体表面的原子或分子发生解析，或重新被吸附。

（7）离子轰击对薄膜沉积过程的晶核形成和生长影响明显，进而影响镀层的组织和性能。离子镀、溅射镀膜和离子注入过程都是利用了离子束与材料的这些作用，但侧重点不同。溅射镀膜中注重的是靶材原子被溅射的速率；离子镀则着重利用荷能离子轰击表层和生长面中的混合作用，以提高薄膜的附着力和膜层质量；而离子注入则是利用注入元素的渗杂和强化作用，以及辐照损伤引起的材料表层组织结构与性能变化。

典型注入离子的能量在 5～500 keV。离子进入固体表面后，与固体材料内的原子和电子发生一系列碰撞，逐渐损失其能量，最后停止下来。晶体靶对入射离子的阻挡作用是各向异性的，与靶晶体取向有关。1963年，Lindhard，Scharff 和 Schiott 等对非晶靶中注入离子的射程分布进行了研究，简称为 LSS 理论。该理论认为，注入离子在靶内的能量损失包括三个独立的过程：

（1）核阻止。入射离子与晶格原子的原子核发生弹性碰撞。碰撞后的入射离子将能量传递给靶原子，然后在固体中产生大角度散射，并引起晶格损伤（间隙原子和空位）。

（2）电子阻止。入射离子与晶格原子的自由电子及束缚电子的非弹性碰撞。类似于克服黏滞气体的阻力，电子阻止本领与注入离子的速度成正比，其结果可能引起入射离子激发靶原子中的电子或使原子获得电子、电离或X射线发射等。碰撞后注入离子的路径基本不变，能量损失很少，晶格损伤可以忽略。

（3）离子与固体内原子作电荷交换，其能量损失可以忽略。注入离子的总能量损失为前两者之和。材料中注入离子的能量损失大小称为阻止本领。单位路程上注入离子由于核阻止和电子阻止所损失的能量分别记为 Sn（E）和 Se（E）。其中，核阻止能力的一阶近似为：式中，M 为质量；Z 为原子序数。下标1为注入离子，下标2为靶原子。电子阻止的一阶近似为：

式中，E 为注入离子的能量。

对于能量较低、质量较大的离子，主要通过核阻止损失能量；对于能量较高、质量较小的离子，主要通过电子阻止损失能量。注入离子在晶圆中的运动如图2所示。

图中，R 为射程（Range），即离子在靶内的总路线长度，而 RP 为投影射程（Projected Range），即 R 在入射方向的投影。

离子束与固体相互作用改变了固体表层的组分、结构和性质。离子束与固体作用的基本物理现象可归结为：

（1）离子束穿透固体表面后同固体原子不断碰撞而失去能量，在固体表层形成离子元素的高斯分布；

（2）高能离子与固体原子碰撞和级联碰撞使大量固体原子离位，在固体表层形成缺陷和亚稳结构；

（3）在离子束轰击下，固体表面原子被碰撞离开固体（溅射效应）；

（4）注入离子和固体原子碰撞造成固体原子大量离位，使固体内原子产生输运和交混作用。