为实现大尺寸锑化铟混成芯片的高质量、高成品率背减薄, 介绍了一种单点金刚石车削与磨抛相结合的背减薄工艺。该工艺采用单点金刚石车削技术实现锑化铟芯片大量厚度去除, 然后通过旋转磨削工艺进一步去除车削损伤, 最终实现了1280×1024元(25 m)大尺寸锑化铟混成芯片背减薄(材料表面的半峰宽值约为8.20～11.90 arcsec)。与传统磨削工艺相比, 该工艺对尺寸大、面型差的半导体芯片兼容性强, 解决了大尺寸芯片在传统磨削工艺中因面型带来的裂片率高、减薄厚度不均匀的问题。

KDP晶体在惯性约束核聚变光学系统中具有十分重要的作用, 针对如何制造出满足应用要求的KDP晶体元件仍然是一个难点的问题。进行了采用飞切加工技术对KDP晶体平面元件的加工工艺研究。介绍了飞切加工的技术原理, 以及影响表面粗糙度的因素; 通过相应的工艺实验, 对KDP晶体加工检测过程中可能影响表面粗糙度的各个因素进行了研究。实验结果表明: 金刚石刀具参数、加工参数、以及加工后表面清洁方式都会影响表面粗糙度, 但是金刚石刀具参数对表面粗糙度的影响最大。采用前角为-45°、圆弧半径为5.0mm的金刚石刀具, 以及最优的加工参数, 可以获得表面粗糙度Sa优于1nm的超光滑表面。研究结果对飞切加工KDP晶体平面元件提供了有效的工艺方案, 具有广泛的工程应用价值。

在长波红外波段,InAs/GaSb Ⅱ类超晶格材料具有比碲镉汞材料更优越的性能,因此得到了广泛研究。对InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外探测器芯片的背面减薄技术开展了一系列试验。针对<100>GaSb单晶片进行了单点金刚石机床精密加工、机械化学抛光和化学抛光方法研究,并去除了加工损伤。InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外器件的流片结果表明,长波探测器组件获得了较好的红外成像图片,提高了InAs/GaSb Ⅱ类超晶格长波红外探测器芯片的研制水平。

超精密单点金刚石车削过程中需要对刀具参数进行检测。基于机器视觉原理,采用新型的机械结构设计了新型刀具在线检测系统。通过垂直放置的两组由同轴远心镜头和CMOS相机组成的光学系统来获取车刀刀尖正面及侧面的图像,再经图像处理系统来获取刀具的轮廓及位置信息,完成对刀具轮廓及位置的在线检测,实验验证可实现测量的重复性定位精度达1μm。在线检测的方式借助了超精密车床自身的高精度和运动机构,可以保证相机焦点和机床主轴之间的相对位置关系,弥补了目前刀具检测系统稳定性差和重复性精度低的不足,提高了加工的整体效率。

单点金刚石车削技术广泛应用于红外脆性晶体材料光学表面的加工。然而, 受车削参数、材料特性、刀具参数等多因素的影响, 将会导致车削表面质量的不均匀。为了获得更为均匀优质的表面质量, 在分析单点金刚石车削影响因素的基础上, 提出了等距恒速的车削方法。详细介绍了等距恒速车削的原理, 分析了车削参数的确定过程, 得到了等距恒速车削的工件转速和进给速度曲线。最后应用一CVD ZnS 材料进行了车削试验, 获得了该材料车削最佳的线速度, 应用此参数进行车削, 得到了均匀优质的车削表面, 整体表面粗糙度由Ra=6.4 nm降低到了Ra=4.1 nm。

Q-type非球面广泛应用于光学系统设计中,针对Q-type非球面超精密加工过程中的面形检测问题,提出了一种MATLAB软件与Taylor Horbson PGI-1240非球面轮廓仪相结合的方法,以达到对Q-type非球面进行高精度检测的目的。检测结果表明,由Nanoform 700 Ultra单点金刚石超精密车床加工的全口径为11.8 mm的单晶铜Q-type非球面面形误差峰谷(PV)值为0.1963 μm,表面粗糙度方均根(RMS)值为0.03412 μm,满足加工第一阶段面形误差PV值<0.2 μm和表面粗糙度RMS值<0.04 μm的要求。此检测方法可以精确得到工件面形误差,为下一阶段车削加工提供数据支持。

在SiNx薄膜中引入微金字塔结构, 综合利用包含界面的薄膜光学微结构的折射、衍射与干涉现象, 实现透反射的调控.通过单点金刚石切削与纳米压印、等离子体各向异性刻蚀技术相结合, 将大面积、高效率、低成本的微结构制备方法推广至光学薄膜中, 实现了多种尺寸的金字塔薄膜微结构的制备, 结构单元尺寸可以在1.5~10 μm之间进行调控.光谱特性检测结果表明, SiNx薄膜微金字塔结构阵列在近红外至长波红外波段, 表现出超宽波段的减反射特性;在0.8~2.5 μm的近红外波段, 反射率低于1.0%; 在3~5 μm的中红外波段, 反射率小于2.5%; 在10~12 μm长波红外波段, 平均反射率低于5%; 与传统的四分之一波长抗反射膜系相比, SiNx薄膜微金字塔结构阵列的减反射效果的实现, 无需膜系设计时的折射率匹配, 简化了膜系结构.研究发现SiNx薄膜微金字塔结构阵列的近红外透射诱导增强特性, 高度为2~4 μm的SiNx薄膜微金字塔结构阵列, 均在2.1μm波长处出现明显的透射诱导增强效应, 且高为4 μm, 底宽为8 μm的微金字塔结构阵列的透射增强作用最为明显, 透射率达到了96%以上.实验检测与仿真分析证明, 透射增强的位置和强度由微结构的形貌尺寸及其结构比例关系决定.

InSb红外焦平面探测器一直在中波波段占据重要地位。随着科技的发展, 迫切需要针对InSb单晶的精密加工方法。采用单点金刚石切削(Single Point Diamond Turning, SPDT)精密机床对InSb晶体进行减薄工艺开发。在机床加工工艺中, 可变参数有主轴转速、单次去除量和进给速度等。通过正交试验, 确定了单点金刚石切削InSb晶体的最佳工艺参数。对于切削后的InSb晶体, 结合双晶衍射测试, 其切削损伤低于3 m。InSb红外器件流片证实单点金刚石切削InSb晶体工艺能满足用户的使用要求, 获得较好的结果。

为了在光学薄膜中引入连续轮廓的微结构, 综合利用薄膜的干涉效应与微结构的折反射、衍射效应, 提出一种薄膜光学微结构的制备工艺。基于时域有限差分方法设计了具有可见光波段减反射特性的薄膜光学锥形光栅; 采用单点金刚石车削技术, 结合纳米压印与电感耦合等离子体刻蚀技术, 在SiNx薄膜中制备出高1.6 μm, 周期4.1 μm的锥形光栅; 在可见光波段, SiNx薄膜光学锥形光栅的平均反射率为5.7%, 反射率的实验检测结果与仿真计算结果达到很高的一致性; 当入射光角度在30°以内, 薄膜光学锥形光栅的减反特性表现出对光波入射角度的不敏感性。该制备工艺突破了单点金刚石车削技术的材料局限, 将连续轮廓的微结构的直接形成工艺拓展至介质薄膜当中, 实现了宽光谱、宽入射角度的减反射。