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DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE

Einführungsbeitrag

Diese Norm gilt für die Herstellung von Einkristall-Wafern aus synthetischen Quarzkristallen, Lithiumniobat-(LN-), Lithiumtantalat-(LT-), Lithiumtetraborat-(LBO-)Kristallen und Lanthanum-Gallium-Silikat (LGS), die für die Verwendung als Substrate bei der Herstellung von Oberflächenwellen-(OFW-)Filtern und Resonatoren vorgesehen sind. Für Oberflächenwellen-(OFW-)Filter und Resonatoren wird eine Reihe piezoelektrischer Werkstoffe eingesetzt. Vor der Tagung des IEC/TC 49 in Rotterdam im Jahre 1996 wurden Spezifikationen für Wafer üblicherweise zwischen Anwendern und Lieferanten ausgehandelt. Für die Normung von Wafern wurde dieses Dokument erarbeitet, um technische Spezifikationen zur Herstellung von piezoelektrischen Einkristall-Wafern für OFW-Bauelemente bereitzustellen, die der Industrienorm gerecht werden. In Abschnitt 3 der Norm werden die notwendigen Begriffe vorgestellt. Weitere Abschnitte zu den Anforderungen, dem Plan für die Stichprobennahme, den Prüfverfahren folgen. Abschnitt 7 enthält die Angaben zu Kennzeichnung, Beschriftung, Verpackung und Lieferbedingungen. Ausführlich wird in weiteren Abschnitten eingegangen auf die Messung der Curie-Temperatur, die Messung der Kristallgitterkonstante (Bond-Verfahren), die Messung des Flächenwinkels mit Röntgenstrahlung, die Messung des spezifischen Durchgangswiderstands und die Sichtprüfungen. Der normative Anhang A enthält Angaben für piezoelektrische Einkristalle unter Anwendung der Eulerschen Winkel. Werkstoffeigenschaften piezoelektrischer Einkristalle wie piezoelektrische Konstanten, Elastizitätskonstanten und Dielektrizitätskonstanten werden, bezogen auf die Kristallachsen, in einem rechtwinkligen Koordinatensystem (X, Y, Z) beschrieben. Waferschnitte, die zur Herstellung von OFW-Einrichtungen verwendet werden, sind im Allgemeinen kreisrunde Schnitte. Die Beschreibung der Eulerschen Winkel zeigt eine Möglichkeit zur Beschreibung der Kristallorientierung der Senkrechten zur Waferoberfläche und der Richtung der Orientierungsfläche, die mit der OFW-Wellenausbreitung übereinstimmt. Der informative Anhang B beschreibt Herstellungsverfahren für OFW-Wafer. Im ersten Abschnitt werden Kristall-Züchtungsverfahren vorgestellt. Beim Czochralski-Verfahren wird ein Einkristallkörper gezüchtet, indem ein Kristallkeim in einem Schmelztiegel in eine Schmelze getaucht wird. Während der Kristallkeim und/oder der Schmelztiegel rotieren, wird der Kristallkeim langsam nach oben gezogen und formt sich, nachdem er sich aus der Schmelze abgekühlt hat und fest geworden ist, zu einem Einkristallkörper. Dieses Verfahren wird nach dem polnischen Entwickler Jan Czochralski benannt, der es 1916 zum ersten Mal zur Züchtung von Einkristallen aus Metallen anwendete. Die industrielle Massenproduktion, die dieses Verfahren anwendete, begann mit Einkristallen aus Germanium (Ge) und Silizium (Si). Die ersten Kristalle aus LN und LT wurden 1965 in den Bell-Laboratorien und in Laboratorien der ehemaligen Sowjetunion hergestellt. Als Heizverfahren kommen entweder die HF-Induktionserwärmung oder die Widerstandserwärmung zum Einsatz, jedoch werden Einkristalle aus LN, LT und LGS im Allgemeinen bei HF-Induktionserwärmung gezogen. Als Ausgangswerkstoffe sind üblicherweise folgende vorgesehen: Pulverisiertes Li₂CO₃ und Nb₂O₅ (Ta₂O₅) mit einem Li/Nb-(Li/Ta-)Molverhältnis von 0,93 bis 0,95 werden gemischt und nach der Pressform kalziniert. Die gewonnene polykristalline Keramik aus LN (LT) wird in den Schmelztiegel eingebracht und durch Erwärmung des Schmelztiegels aufgeschmolzen. Bei LGS wird der Ausgangswerkstoff durch Mischen von La₂O₃, Ga₂O₃ und SiO₂ in stöchiometrischem Verhältnis gewonnen. Das Gemisch wird zu Pellets gepresst und einige Stunden bei Temperaturen von über 1 200 °C geglüht. Das gewonnene polykristalline LGS wird genauso verwendet wie LN oder LT. Zuständig ist das DKE/K 642 "Piezoelektrische Bauteile zur Frequenzstabilisierung und -selektion" der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE.

Änderungsvermerk

Gegenüber DIN EN 62276:2013-08 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) Korrektur der Angaben zu den Eulerschen Winkeln in Tabelle 1 und der Achsausrichtungen in Bild 3; b) Die Definition von "Zwilling" in 3.3.3 wurde durch eine detailliertere Definition ersetzt; c) Die größte Anzahl von Ätzkanälen auf Quarzwafern im Bereich des Kristallkeims, die nicht durch die Ausbreitungsoberfläche zur Rückseite verlaufen, wird in 4.2.13 in drei Klassen eingeteilt. Anwender nutzen auch Teile des Kristallkeims für die Bauelemente. Sie verlangen nach Quarzwafern mit wenigen Ätzkanälen im Kristallkeim, um die Anzahl der defekten Bauelemente zu reduzieren. Die Einordnung von Ätzkanälen im Kristallkeim kann daher die Qualität der Quarzwafer schlagartig erhöhen.

Zuständiges nationales Arbeitsgremium

DKE/K 642 - Piezoelektrische Bauteile zur Frequenzstabilisierung und -selektion