離子注入是一種低溫過程，通過該過程，一種元素的離子被加速進入固體靶標，從而改變靶標的物理，化學或電學性質。離子注入被用于半導體器件的制造，金屬表面處理以及材料科學研究中。如果離子停止并保留在靶中，則離子會改變靶的元素組成（如果離子與靶的組成不同）。當離子以高能量撞擊目標時，離子注入還會引起化學和物理變化。靶的晶體結構可能被高能碰撞級聯破壞甚至破壞，并且能量足夠高的離子（MeV的10s）會引起核trans變。

離子注入設備通常包括一個離子源和一個靶室，在離子源中產生所需元素的離子，在加速器中離子被靜電加速成高能，在靶室中離子撞擊到作為材料的靶上被植入。因此，離子注入是粒子輻射的特例。每個離子通常是單個原子或分子，因此，植入到目標中的實際材料量是離子電流隨時間的積分。該量稱為劑量。植入物提供的電流通常很小（微安培），因此可以在合理的時間內植入的劑量很小。因此，離子注入在所需的化學變化量小的情況下得到應用。

典型的離子能量在10至500?keV（1,600至80,000 aJ）的范圍內。可以使用1至10 keV（160至1,600 aJ）范圍內的能量，但滲透率僅為幾納米或更小。低于此的能量對靶幾乎沒有損害，并且屬于離子束沉積的稱呼。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，通常會對靶標造成很大的結構破壞，并且由于深度分布較寬（布拉格峰），因此靶標中任一點的凈組成變化將很小。

離子的能量，離子的種類以及靶的組成決定了離子在固體中的滲透深度：單能離子束通常具有較寬的深度分布。平均滲透深度稱為離子范圍。在典型情況下，離子范圍將在10納米至1微米之間。因此，在期望化學或結構變化在靶的表面附近的情況下，離子注入特別有用。離子在通過固體時逐漸失去能量，這既是由于與目標原子的偶然碰撞（引起突然的能量轉移），也由于來自電子軌道重疊的輕微阻力，這是一個連續的過程。目標中離子能量的損失稱為停止并可以使用二元碰撞近似方法進行模擬。

用于離子注入的加速器系統通常分為中等電流（離子束電流在10μA和?2 mA之間），高電流（離子束電流高達?30 mA），高能量（離子能量在200 keV以上和10 MeV以上） ）和非常高的劑量（有效注入劑量大于10?¹⁶離子/ cm?²）。

各種離子注入束線設計都包含某些通用的功能組件組。離子束線的xxx主要部分包括一個稱為離子源的設備，用于產生離子種類。該源與偏置電極緊密耦合，以將離子提取到束線中，并且最常見的是，與選擇特定離子種類以傳輸到主加速器部分中的某種方式耦合。“質量”選擇通常伴隨著所提取的離子束通過磁場區域，其出口路徑受阻塞孔或“狹縫”的限制，這些狹縫僅允許離子具有質量和速度/充電以繼續沿著光束線。如果目標表面大于離子束直徑，并且希望在目標表面上均勻分布注入劑量，則可以使用束掃描和晶圓運動的某種組合。最后，將注入的表面與用于收集注入的離子的累積電荷的某種方法相結合，以便可以連續方式測量所輸送的劑量，并且將注入過程停止在所需的劑量水平。

用硼、磷或砷摻雜半導體是離子注入的常見應用。當注入半導體中時，每個摻雜原子可以在退火后在半導體中產生電荷載流子。可以為p型摻雜劑創建一個空穴，為n型摻雜劑創建一個電子。這改變了其附近的半導體的電導率。該技術例如用于調整MOSFET的閾值。

離子注入是在1970年代末和1980年代初期開發的一種用于制造光伏器件pn結的方法，以及使用脈沖電子束進行快速退火的方法，盡管迄今為止尚未使用。用于商業生產。

由常規的硅襯底制備絕緣體上的硅（SOI）襯底的一種突出方法是SIMOX（通過注入氧進行分離）工藝，其中，通過高溫退火工藝將掩埋的高劑量氧注入物轉化為氧化硅。

中晶是在主體晶體表面下結晶匹配相生長的術語（與外延比較，外延是在襯底表面上匹配相的生長）。在此過程中，將離子以足夠高的能量和劑量注入材料中以形成第二相層，并控制溫度以使靶的晶體結構不被破壞。即使確切的晶體結構和晶格常數可能有很大的不同，也可以設計該層的晶體取向以使其與目標相匹配。例如，在將鎳離子注入到硅晶片中之后，可以生長硅化鎳層，其中硅化物的晶體取向與硅的晶體取向匹配。

可以將氮或其他離子注入工具鋼靶（例如鉆頭）中。注入引起的結構變化會在鋼中產生表面壓縮，從而防止裂紋擴展，從而使材料更不易斷裂。化學變化還可以使工具更耐腐蝕。

在一些應用中，例如，諸如人造關節之類的修復裝置，期望具有非常耐化學腐蝕和由于摩擦引起的磨損的表面。在這種情況下，使用離子注入來設計此類設備的表面，以獲得更可靠的性能。與工具鋼一樣，由離子注入引起的表面改性既包括防止裂紋擴展的表面壓縮，也包括表面合金化以使其在化學上更耐腐蝕。

離子注入可用于實現離子束混合，即在界面處混合不同元素的原子。這對于實現漸變界面或增強不混溶材料層之間的粘合力可能很有用。

離子注入可用于在諸如藍寶石和二氧化硅的氧化物中誘發納米級顆粒。顆粒可以由于離子注入物質的沉淀而形成，它們可以由于包含離子注入元素和氧化物襯底兩者的混合氧化物種類的產生而形成，并且它們可以形成為底物減少的結果，首先由Hunt和Hampikian報道。用于產生納米顆粒的典型離子束能量范圍為50至150 keV，離子通量范圍為10?¹⁶至10?¹⁸離子/ cm?²。下表總結了在藍寶石襯底領域中已完成的一些工作。可以形成各種各樣的納米粒子，其尺寸范圍從1 nm到xxx20 nm，并且成分可以包含注入的物質，注入的離子和底物的組合，或者僅包含與底物相關的陽離子。