DIN EN 62276:2013-08

Einkristall-

Wafer für Oberflächenwellen-(OFW-)Bauelemente - Festlegungen und Messverfahren (IEC 62276:2012); Deutsche Fassung EN 62276:2013

Diese Internationale 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 werden eine Reihe piezoelektrischer Werkstoffe eingesetzt. Vor der Tagung des IEC/TC 49 in Rotterdam wurden Spezifikationen für Wafer üblicherweise zwischen Anwendern und Lieferanten ausgehandelt. Hinsichtlich der Normung von Wafern wurde auf der Tagung ein Vorschlag unterbreitet. Diese Norm wurde 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. Abschnitt7 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.
Das Führungsende eines Kristallkeims mit der Sollausrichtung des Kristalls wird vorsichtig in die Schmelze eingetaucht. Der Kristallkeim wird in Drehung versetzt, um in der Schmelze eine geregelte Konvektionsform zu bilden, und mit einer geringen Ziehgeschwindigkeit wird der Kristallkeim (und der Zuchtkristall) aus der Schmelze gezogen. Die Temperatur der Schmelze muss nahe dem Schmelzpunkt des Werkstoffes geregelt werden, sodass der Zuchtkristall in der frühen Phase der Züchtung die gewünschte Halsbildung (Querschnittsverminderung am Ende des Kristallkörpers) aufweist.

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Die mechanische Standardbearbeitung eines Wafers beginnt mit einem Kristall "wie gezüchtet". Dann erfolgt die Bearbeitung des Wafers im Allgemeinen in nachfolgender Reihenfolge. Beim Abschneiden beider Enden und Schleifen auf Zylinderform werden beide Enden des gezogenen Kristalls auf den vorgesehenen Winkel geschnitten, um die Oberflächenorientierung festzulegen. Die Oberfläche wird danach in Längsrichtung gleichermaßen geerdet, so wie ein Zylinder mit einem Durchmesser versehen wird, der gleich groß oder etwas größer als der Durchmesser des fertig bearbeiteten Wafers ist. Für die Kennzeichnung der OFW-Ausbreitungsrichtung wird auf der Oberfläche des Kristalls eine Fläche vorgegeben. Auf dieser Fläche wird die Orientierungsfläche (OF) positioniert, die in einem späteren Prozess hergestellt wird. Die OFW-Ausbreitungsrichtung wird bezogen auf die Orientierungsfläche bestimmt.
Zur Trennung des Kristalls in Scheiben können die Verfahren Schneiden mit einem Sägeblatt, das auf der Außenseite diamantbeschichtet ist, Schneiden mit einem dünnen, flexiblen Sägeblatt, das auf der Innenseite im Zentrum des Blattes diamantbeschichtet ist oder Schneiden mit gegenläufigen Blättern oder Drahtschlingen bei gleichzeitiger Verwendung von Schleifpulver, angewandt werden.
In vielen Fällen erfüllen die geschnittenen Scheiben nicht die Anforderungen an die Einheitlichkeit von Ebenheit, Verwölbung oder Dicke. Vor dem Spiegelpolieren wird Läppen als zusätzlicher Prozess durchgeführt, um die Ebenheit zu verbessern. Im Allgemeinen wird der Läppvorgang mit einem Gemisch aus einer Flüssigkeit und einem Pulver durchgeführt, das sich zwischen Läppscheibe und Waferoberfläche befindet. Gröberes Läppmittel oder eine höhere Läppgeschwindigkeit führt zu einer tieferen Beschädigung der Schicht unter der Oberfläche und zu einer raueren Oberfläche. Der Läppvorgang wird häufig in mehreren Schritten durchgeführt, bei denen jeweils entsprechende Korngrößen des Läppmittels verwendet werden.
Das Anfasen, das Abrundens des Umfangs des Wafers, hat zum Ziel während des Fertigungsprozesses das Absplittern an der Kante und das Zerkratzen der Vorderfläche durch Bruchstückchen zu verhindern. Eine abgerundete Kante vermindert auch die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung während der nachfolgenden Wärmebehandlung.
Nach dem Läppen erhalten die Wafer eine Spiegelpolitur, um die Oberfläche eben zu machen, damit mechanische Beanspruchungen und Kratzer vermieden werden. Werden während des Poliervorgangs Kristallfehler und Fertigungsfehler, wie Beschädigung der Schicht unter der Oberfläche, nicht vollständig beseitigt, kann die Wirksamkeit der OFW-Bauelemente beeinträchtigt werden.
Zuständig ist das DKE/K 642 "Piezoelektrische Bauteile zur Frequenzstabilisierung und -selektion" der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE.

Gegenüber DIN EN 62276:2006-04 wurden folgende Änderungen vorgenommen:
a) Die Abfolge der Begriffe wurde überarbeitet;
b) die Benennung "reduziertes LN" (reduced LN) wird zu den Begriffen hinzugefügt;
c) die Benennung "reduziertes LT" (reduced LT) wird zu den Begriffen hinzugefügt;
d) die Benennung "Reduktionsvorgang" wird zu den Begriffen hinzugefügt.