离子注入表面处理是将某种元素的蒸气通入电离室电离后形成正离子，然后将正离子从电离室引出进入高压电场中加速，使其得到很高速度后再打入放在真空靶室中的工件表面的一种离子束加工技术。

根据《离子注入机通用规范》 （GB/T15862-2012），离子注入机按能量大小可分为：低能注入机（5～50 keV），中能注入机（50～200 keV）和高能注入机（0.3～5 MeV）。

按束流强度大小可分为低束流、中束流注入机（几微安到几毫安）和强束流注入机（几毫安到几十毫安）。其中，强束流注入机适合于金属离子注入。

按束流工作状态可分为稳流注入机和脉冲注入机。

按类型可分为：质量分析注入机（与半导体工业用注入机基本相同），能注入任何元素；工业用气体注入机，只能产生气体束流；等离子源离子注入机，主要是从注入靶室中的等离子体产生离子束。

目前国外最新研制的强氮离子注入机，其束流强度达30 mA，靶室直径达2.5 m，可用于大型机器部件的氮离子注入。

图3 气体离子注入设备原理图：1-离子源；2-放电室（阳极）；3-注入气体；4-阴极（灯丝）；5-磁铁；6-离子引出/预加速/初聚；7-离子质量分析磁铁；8-质量分析缝；9-离子加速电极；10-磁四极聚焦透镜；11-静电扫描；12-靶室；13-可转动或移动的工件基架

图3给出了气体离子注入设备的基本结构。它包括：离子源、聚焦系统、加速系统、分析磁铁、扫描装置和靶室等。

离子源的基本作用是产生正离子，其电离室由不锈钢制成，电离室外套有一个电磁线圈。通过该线圈将磁场引入放电室，从而增强电离放电。放电室一端有一个正电位，另一端有一个孔径为Φ1～2 mm的引出电极作为负电位。

工作原理如下：

（1）将气体或金属蒸气通入电离室后，并将室内真空度维持在1 Pa左右；

（2）将气体或蒸气电离，被电离气体中的正离子在磁场中初聚后，通过引出孔进入到离子会聚透镜和加速系统中进行聚焦和加速，以获得高能量；

（3）被加速的离子束经过分析磁铁进行分选，将一定质量/电荷比的离子选出，然后通过扫描机构使其均匀轰击置于靶基架的工件表面。其中，注入离子的选择是通过改变分析磁铁的电流来实现的。注入离子深度的控制通过改变加速电极电压来调节，注入离子的数量用电荷积分仪来进行测量。

（1）离子源。离子源的基本作用是产生正离子（结构见下）。即将所需注入元素的原子引入到放电室电离，再将正离子从放电室引出形成离子束。

（2）初聚系统。离子束从离子源引出后呈发散状。由于引出束的发散角很大，为了减少离子束流在行进中的损失，提高离子的注入效率，通常在引出束后面紧接着设置圆筒电极或圆片电极的双圆筒聚焦透镜或单透镜，以实现对离子束的初步聚焦。

（3）加速系统。初聚后的离子束进入到具有很高负电压的加速电极处进行加速。为了提高注入离子的能量，这一步骤至关重要。图3中的加速电极由数个圆盘构成，可以使离子能量加速到100～200 keV。为进一步提高离子加速能量，可以采用几组加速电极进行串联。

（4）聚焦系统。离子束加速后的散射角明显增大，在经过分析磁铁的前后都需要进行再次聚焦。聚焦系统通常采用四极透镜组，可以和分离磁铁进行前后匹配，以减少注入离子损失。

（5）质量分析系统。质量分析系统的作用是将需要的离子分选出来，并过滤掉其它离子。质量分析系统由分离磁铁和一组光栏构成。当一束正电离子束以速度 v 垂直射入磁场强度为 B 的磁场中，质量 M 不同的入射离子，将以不同的半径 r 做圆周运动，则有

式中，q 为离子所带电荷量。由于不同质量的离子运动的半径 r 不同，通过调整 B，可将一定质量/电荷比的离子从磁铁出口处引出，而其它质量的离子因不能通过磁场而被过滤掉。金属离子注入一般不设分离系统。

（6）扫描系统。离子束流的束径可以从纳米跨度到毫米，且其横截面的束流分布并不均匀（满足高斯分布）。为了避免离子束能量集中于工件的某一部位（可引起工件局部表面温升并产生不利影响），保证离子能够大面积注入，提高表面注入元素分布的均匀性，必须使离子束与工件表面产生扫描运动。从质量分析系统中引出的离子束进入扫描系统后，可在束的两个垂直方向施加交变磁场或电场，使离子束在两个不同方向上扫描注入到靶面上，称为电（或磁）扫描，也可使注入样品或工件沿两个垂直方向移动，称为机械扫描。上述两种扫描方式的结合称为混合扫描系统。金属离子注入通常采用机械扫描系统。

（7）靶室。注入靶室用于装载注入工件。对靶室的要求是，装载的样品数量多、更换样品的速度快，以便于开展多样化的研究工作。根据需要，可以对靶室进行适应性设计，以实现高温、低温以及不同角度的注入。

（8）真空系统。由于离子束必须在真空状态下进行传输，因此必须保证离子注入机有足够高的真空度，否则离子就会同空气的分子发生碰撞而被散射或被中和掉。离子注入系统的工作真空度一般都高于1×10-3 Pa。通常，一台较大型的离子注入机需设有两套以上的抽气机组，以保证离子注入机达到并维持足够的真空度。真空抽气机组应分别设在离子源、磁分析器和靶室等处，且应采用无油真空系统，以保证离子束流的纯度和注入效率。