IEC 60758:1993/AMD2:2001

Amendment 2 - Synthetic quartz crystal - Specifications and guide to the use

Amendement 2 - Cristal de quartz synthétique - Spécifications et guide d'utilisation

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 09-Jul-2001
• ICS: 31.140 - Piezoelectric devices
• Technical Committee: TC 49 - Piezoelectric, dielectric and electrostatic devices and associated materials for frequency control, selection and detection
• Drafting Committee: WG 5 - TC 49/WG 5
• Current Stage: DELPUB - Deleted Publication
• Start Date: 14-Dec-2004
• Completion Date: 26-Oct-2025

Relations

• Revised: IEC 60758:2004 - Synthetic quartz crystal - Specifications and guide to the use
• Effective Date: 05-Sep-2023

Overview

IEC 60758:1993/AMD2:2001 is the second amendment to the international standard specifying requirements and usage guidelines for synthetic quartz crystal. Developed by the IEC Technical Committee 49, focused on piezoelectric and dielectric devices, this amendment updates and expands definitions, measurement methods, and quality criteria for synthetic quartz crystals grown via hydrothermal processes. It provides detailed terminologies, dimensional specifications, inclusion density counting methods, and impurity characterization essential for manufacturers, suppliers, and users involved with synthetic quartz crystals in frequency control and selection applications.

Key Topics

• Synthetic Quartz Crystal Definitions
  This amendment defines critical terms such as "as-grown synthetic quartz crystal," "Y-bar," "Z-bar," and various cut plate orientations (e.g., AT-cut, Z-cut) used in crystal manufacturing and application. It clarifies crystal growth and seed orientations that affect crystal properties and measurement standards.

• Dimensional Specifications
  New specifications detail how to measure gross and effective dimensions along X, Y, and Z axes, including the minimum and maximum Z-dimensions critical for quality control and device integration.

• Inclusion Density Measurement Methods
  Two standardized methods allow precise counting of inclusions within specified size ranges per cubic centimeter to assess crystal purity visually via microscopy or by comparison with reference samples using optical clarity techniques.

• Impurity Concentration & Infrared Absorption Coefficient (α-value)
  The amendment introduces methodologies to quantify impurity levels, especially OH content, through infrared absorption measurement. The α-value is correlated with mechanical losses in quartz resonators, providing an indicator to predict performance.

• Quartz Crystal Twins & Polarity
  Descriptions of electrical and optical twins clarify the effect of twin boundaries on crystal properties, addressing polarity reversals in electrical and optical axes important in device performance and consistency.

• Marking and Delivery Requirements
  The amendment enforces that delivery conditions, marking, and sample quality requirements be mutually agreed upon by suppliers and buyers to maintain standardized quality control.

Applications

• Frequency Control Devices
  Synthetic quartz crystals meeting these specifications are integral to the production of highly stable quartz resonators and oscillators used in telecommunications, clocks, and navigation systems.

• Piezoelectric Sensors and Actuators
  Precise crystal cuts and quality assured through these standards are critical for the reliability of piezoelectric devices utilized in medical, aerospace, and industrial instrumentation.

• Crystal Growth and Manufacturing
  By specifying seed orientation, dimension measurement, and impurity limits, this standard guides manufacturers in producing synthetic quartz with consistent properties, improving yield and reducing material losses.

• Quality Inspection and Assurance
  The inclusion density counting and infrared absorption measurement methods provide objective criteria for crystal acceptance testing, enabling end-users to ensure device performance stability.

Related Standards

• IEC 60205 – Specification for quartz crystal units, related to device testing and frequency characterization.
• IEC 60759 – Standard for quartz resonator units for frequency control.
• ISO 9001 – Quality management systems applicable for manufacturers of synthetic quartz crystals to maintain process and product quality.

Summary

IEC 60758:1993/AMD2:2001 amendment advances synthetic quartz crystal standards by refining terminologies, measurement protocols, and quality indicators essential for high-performance frequency control and piezoelectric applications. Emphasizing precise dimensioning, impurity control, and standardized sample evaluation, it supports manufacturers, suppliers, and users in achieving consistent crystal quality and reliability. Grounded in hydrothermal growth technicalities, this standard remains a cornerstone for quartz crystal utilization in advanced electrotechnical devices.

Standards Content (Sample)

NORME CEI
INTERNATIONALE IEC
INTERNATIONAL
STANDARD
AMENDEMENT 2
AMENDMENT 2
2001-07
Amendement 2
Cristal de quartz synthétique –
Spécifications et guide d'utilisation
Amendment 2
Synthetic quartz crystal –
Specifications and guide to the use

 IEC 2001 Droits de reproduction réservés  Copyright - all rights reserved
International Electrotechnical Commission 3, rue de Varembé Geneva, Switzerland
Telefax: [phone] e-mail: [e-mail] IEC web site http://www.iec.ch
CODE PRIX
Commission Electrotechnique Internationale
K
PRICE CODE
International Electrotechnical Commission
Pour prix, voir catalogue en vigueur
For price, see current catalogue

– 2 – 60758 amend. 2 © CEI:2001

AVANT-PROPOS
Le présent amendement a été établi par le comité d’études 49 de la CEI: Dispositifs

piézoélectriques et diélectriques pour la commande et le choix de la fréquence.

Le texte de cet amendement est issu des documents suivants:

FDIS Rapport de vote
49/501/FDIS 49/511/RVD
Le rapport de vote indiqué dans le tableau ci-dessus donne toute information sur le vote ayant
abouti à l’approbation de cet amendement.
Le comité a décidé que le contenu de la publication de base et de ses amendements ne sera
pas modifié avant 2005. A cette date, la publication sera
• reconduite;
• supprimée;
• remplacée par une édition révisée, ou
• amendée.
___________
Page 4
SOMMAIRE
Ajouter, après l’annexe B, l’annexe C comme suit:
C Exemple de sélection d’échantillon de référence
Supprimer «C» devant «Bibliographie».
Page 8
1.3 Termes et définitions
Ajouter les termes et définitions suivants après 1.3.2:
1.3.2.1 Cristal de quartz synthétique non usiné après croissance
Monocristal de quartz qui est produit par la méthode hydrothermale. Le terme «non usiné
après croissance» désigne le stade de traitement et indique le stade précédant tout traitement
en excluant les opérations de contrôle de la qualité.
1.3.2.2 Barreau Y non usiné après croissance
Cristal qui est produit en utilisant le germe ayant la plus grande dimension dans la direction
de l’axe Y.
60758 Amend. 2 © IEC:2001 – 3 –

FOREWORD
This amendment has been prepared by IEC technical committee 49: Piezoelectric and

dielectric devices for frequency control and selection.

The text of this amendment is based on the following documents:

FDIS Report on voting
49/501/FDIS 49/511/RVD
Full information on the voting for the approval of this amendment can be found in the report
on voting indicated in the above table.
The committee has decided that the contents of the base publication and its amendments will
remain unchanged until 2005. At this date, the publication will be
• reconfirmed;
• withdrawn;
• replaced by a revised edition, or
• amended.
___________
Page 5
CONTENTS
Add, after annex B, annex C as follows:
C Example of reference sample selection
Delete “C” before “Bibliography”.
Page 9
1.3 Terms and definitions
Add the following terms and definitions after 1.3.2:

1.3.2.1 As-grown synthetic quartz crystal
Single crystal quartz grown hydrothermally. “As-grown” refers to the state of processing and
indicates a state prior to whatever treatment after growth, excluding quality control operations.
1.3.2.2 As-grown Y-bar
Crystal which is produced using a seed with the largest dimension in the Y-direction.

– 4 – 60758 amend. 2 © CEI:2001

1.3.2.3 Barreau Z
Cristal dans lequel le secteur Z cultivé est considérablement plus grand que le secteur X

cultivé. La dimension relative du secteur de croissance est contrôlée par la dimension X du

germe.
Page 10
1.3.4 Germe
Remplacer la définition existante par ce qui suit:
Lame ou barreau de quartz de section rectangulaire parallélépipédique à utiliser comme
noyau pour la croissance du cristal.
Page 10
Ajouter les termes et définitions suivants après 1.3.7.1:
1.3.7.2 Lame de coupe AT
Lame de quartz de coupe Y obtenue par rotation, orientée selon un angle d’environ +35° à

partir de l’axe X ou d’environ –3° à partir de la face z (petite face rhomboédrique), comme
montré à la figure 3.
1.3.7.3 Lame de coupe z (petite face rhomboédrique)
Lame de quartz parallèle à la face z (petite face rhomboédrique), comme montré à la
figure 3a.
1.3.7.4 Lame de coupe X
Lame de quartz perpendiculaire à l’axe X, comme montré à la figure 3b.
1.3.7.5 Lame de coupe Y
Lame de quartz perpendiculaire à l’axe Y, comme montré à la figure 3b.
1.3.7.6 Lame de coupe Z
Lame de quartz perpendiculaire à l’axe Z, comme montré à la figure 3b.
Page 10
1.3.8 Dimensions
Remplacer le texte existant par ce qui suit:
Dimensions propres à la croissance sur un germe de coupe Z orienté selon un angle inférieur
à 20° à partir de l’axe Y.
60758 Amend. 2 © IEC:2001 – 5 –

1.3.2.3 Z-bar
Crystal in which the Z-grown sector is much larger than the X-grown sector. The relative size

of the growth sector is controlled by the X-dimension of the seed.

Page 11
1.3.4 Seed
Replace the existing definition by the following:

The rectangular parallelepiped quartz plate or bar to be used as a nucleus for crystal growth.
Page 11
Add the following terms and definitions after 1.3.7.1:
1.3.7.2 AT-cut plate
A rotated Y-cut crystal plate oriented at an angle of about +35° around the X-axis or about –3°
from the z (minor rhombohedral)-face as shown in figure 3.
1.3.7.3 z (minor rhombohedral)-cut plate
Crystal plate parallel to the z (minor rhombohedral)-face as shown in figure 3a.
1.3.7.4 X-cut plate
Crystal plate perpendicular to the X-axis as shown in figure 3b.
1.3.7.5 Y-cut plate
Crystal plate perpendicular to the Y-axis as shown in figure 3b.
1.3.7.6 Z-cut plate
Crystal plate perpendicular to the Z-axis as shown in figure 3b.

Page 11
1.3.8 Dimensions
Replace the existing text by the following:
Dimensions pertaining to growth on Z-cut seed rotated less than 20° from the Y-axis.

– 6 – 60758 amend. 2 © CEI:2001

1.3.8.1 Dimensions brutes
Dimensions maximales suivant les axes X, Y, ou Y′, et Z ou Z′ mesurées le long des axes X,

Y′ et Z′.
1.3.8.1.1 Dimension effective suivant l’axe Z

Dimension effective suivant l’axe Z obtenue après croissance qui est définie comme une

mesure minimale dans la direction de l’axe Z (Θ = 0°) ou Z′ dans la région utilisable Y ou Y′

des cristaux obtenus après croissance et est désignée par Z , comme montré à la figure 1.
eff
1.3.8.1.2 Dimension minimale suivant l’axe Z
Distance minimale à partir de la surface du germe à la surface Z. Elle est décrite comme Z ,
min
comme montré à la figure 1d.
1.3.8.2 Dimensions propres à la croissance sur un germe de coupe Z orienté selon un
angle supérieur à 20° à partir de l’axe X
A l’étude.
Page 12
1.3.12 Concentration des impuretés
Remplacer le texte de ce paragraphe comme suit:
La concentration des impuretés est donnée par rapport aux atomes de silicium.
Ajouter, après 1.3.13, les nouvelles définitions suivantes:
1.3.13.1 Canal de corrosion
Lacune approximativement cylindrique qui est présente le long de la ligne de dislocation
après la corrosion d’une lame d’essai préparée à partir d’un cristal de quartz.
1.3.13.2 Autoclave
Vaisseau désigné pour créer les conditions de la pression élevée et de la température élevée
nécessaires pour la croissance du cristal de quartz synthétique.
1.3.13.3 Quartz droit ou quartz gauche
La polarité d’un cristal de quartz comme déterminé en observant le sens de polarité d’une
rotation optique dans la lumière polarisée. Le quartz droit est le cristal dextrogyre et le quartz
gauche est le cristal lévogyre.
1.3.13.4 Macles
Les macles suivent les lois de cristallographie en reliant la symétrie aux faces ou axes
spécifiques.
60758 Amend. 2 © IEC:2001 – 7 –

1.3.8.1 Gross dimensions
The maximum dimensions along the X-, Y-, or Y′-, and Z- or Z′-axes measured along the X-,

Y′- and Z′-axes.
1.3.8.1.1 Effective Z-dimension

As-grown effective Z dimension which is defined as the minimum measure in the Z (Θ = 0°) or

Z′ direction in usable Y or Y′ area of an as-grown crystal and is described by Z as shown in
eff
figure 1.
1.3.8.1.2 Minimum Z-dimension
Minimum distance from seed surface to Z-surface. It is described by Z as shown in
min
figure 1d.
1.3.8.2 Dimensions pertaining to the growth on a Z-cut seed rotated more than 20°
from the X-axis
Under consideration.
Page 13
1.3.12 Impurity concentration
Replace the existing text of this subclause by the following:
The concentration of impurities is given relative to silicon atoms.
Add, after 1.3.13, the following new definitions:
1.3.13.1 Etch channel
A roughly cylindrical void that is present along a dislocation line after etching a test wafer
prepared from a quartz crystal.
1.3.13.2 Autoclave
Vessel for the high pressure, high temperature condition required for growth of synthetic
quartz crystal.
1.3.13.3 Right-handed quartz or left-handed quartz
Handedness of quartz crystal as determined by observing the sense of handedness of the
optical rotation in the polarized light. Right-handed quartz is the crystal of dextrorotatory and
left-handed quartz is the crystal of levorotary.
1.3.13.4 Twins
Twins follow laws of crystallography relating symmetry to specific faces or axes.

– 8 – 60758 amend. 2 © CEI:2001

Les types suivants de macles ont été identifiés dans les cristaux de quartz synthétique:

a) Macles électriques
Cristal de quartz dans lequel des régions avec l’axe Z commun existent, montrant un
renversement de polarité de l’axe X électrique.

b) Macles optiques
Cristal de quartz dans lequel les régions avec l’axe Z commun exhibent le renversement

de la polarité de l’axe Z optique.

1.3.13.5 Valeur du coefficient d’extinction infrarouge α

Le coefficient (désignée comme la valeur de α) établi en déterminant la relation entre
l’absorption des deux longueurs d’onde: l’une avec une absorption minimale due à l’impureté
OH, l’autre avec une absorption élevée due à la présence d'impuretés OH dans le réseau du
cristal. L’impureté OH est la cause des pertes mécaniques dans les résonateurs et sa
présence a une bonne corrélation avec la présence d'autres impuretés provoquant des
pertes. La valeur de α est une mesure de la concentration d’OH et elle a une corrélation avec
des pertes mécaniques espérées dues aux impuretés du matériau. La valeur du coefficient
d’extinction infrarouge α est déterminée en utilisant l’équation suivante:
T
α = log
t T
où
α est le coefficient d’extinction infrarouge;
t est l’épaisseur d’échantillon de coupe Y, en centimètres;
–1 –1
T est la transmission en pour-cent à un nombre d’ondes de 3 800 cm ou 3 979 cm ;
–1 –1
T est la transmission en pour-cent à un nombre d’ondes de 3 410 cm , 3 500 cm ou
–1
3 585 cm .
1.4.1 Orientation du germe
Remplacer le texte existant par le nouveau texte suivant:
Les orientations normalisées des germes sont la coupe Z et les coupes obtenues par rotation
autour de l’axe X, coupe parallèle à la petite face rhomboédrique, coupe Z + 1°30′, coupe Z + 2°,

coupe Z + 5° et coupe Z + 8°30′, l’axe Z′ des trois derniers germes étant tourné comme
indiqué à la figure 2.
Page 16
1.5.3.2 Dimension suivant l’axe Z ou Z′
Remplacer le texte existant par le nouveau texte suivant:
La dimension suivant l’axe Z ou Z′ doit être spécifiée comme la dimension maximale suivant
l’axe Z ou Z′ dans la grande zone X (voir figure 1c).

60758 Amend. 2 © IEC:2001 – 9 –

The following types have been identified in synthetic quartz crystals:

a) Electrical twins
Quartz crystal in which regions with the common Z-axis exist showing a polarity reversal of
the electrical X-axis.
b) Optical twins
Quartz crystal in which regions with the common Z-axis exhibit handedness reversal of the

optical Z-axis.
1.3.13.5 Infrared absorption coefficient α-value

The coefficient (referred to as the α-value) established by determining the relationship
between absorption of two wavelengths: one with minimal absorption due to OH impurity, the
other with high absorption due to presence of OH impurities in the crystal lattice. The OH
impurity creates mechanical loss in resonators and its presence is correlated to the presence
of other loss-inducting impurities. The α-value is a measure of OH concentration and is
correlated with expected mechanical losses due to material impurities. The infrared
absorption coefficient α-value is determined using the following equation:
T
α = log
t T
where
α is the infrared absorption coefficient;
t is the thickness of Y-cut sample, in centimetres;
–1 –1
T is the percent transmission at a wave number of 3 800 cm or 3 979 cm ;
–1 –1 –1
T is the percent transmission at a wave number of 3 410 cm , 3 500 cm or 3 585 cm .
1.4.1 Orientation of the seed
Replace the existing text by the following new text:
Standard orientations for the seeds are Z-cuts and rotated X-cuts, minor rhombohedral (z-

minor) cut, 1°30′ rotated Z-cut, 2° rotated Z-cut, 5° rotated Z-cut, and 8°30′ rotated Z-cut, the
Z′-axis of the latter three seeds being rotated as shown in figure 2.

Page 17
1.5.3.2 Dimension along Z or Z ′′′′-axis
Replace the existing text by the following new text:
The dimension along the Z or Z′-axis shall be specified as maximum dimension along the Z or
Z′-axis in greater X-zone (see figure 1c).

– 10 – 60758 amend. 2 © CEI:2001

Ajouter les nouveaux paragraphes suivants:

1.5.3.2.1 Dimension Z ou Z ′
eff eff
La dimension Z ou Z′ doit être spécifiée comme la dimension minimale suivant l’axe Z ou
eff eff
Z′ (voir figure 1c).
1.5.3.2.2 Dimension Z ou Z ′
min min
La dimension doit être comme spécifié (voir figure 1d).

Page 18
1.5.5.3 Densité des inclusions
Remplacer le texte existant par le nouveau texte suivant:
Les deux méthodes de mesure suivantes sont utilisées et chaque méthode peut être choisie.
Méthode 1:
Les inclusions dans la gamme des dimensions exigée par l’utilisateur sont comptées visuel-
lement par cm dans des volumes échantillons du cristal, en utilisant un microscope
stéréoscopique binoculaire à grossissement 30 à 40, équipé pour un comptage dans un
champ circulaire ou carré d’une échelle réticulaire calibrée permettant la détermination des
dimensions des particules, un éclairage latéral intense (lampes halogènes, par exemple) sur
un fond noir mat, un liquide d’indice de réfraction adapté (n = 1,55 environ) pour la
transparence et les moyens appropriés de mesure des dimensions des volumes échantillons
choisis pour le comptage.
Méthode 2:
Lorsqu’il est difficile d’appliquer la méthode 1, les cristaux sont comparés avec les
échantillons de référence représentant convenablement chaque gamme de classes en les
immergeant dans un liquide d’indice de réfraction adapté (n = 1,55 environ) pour la
transparence ou en appliquant un tel liquide à leurs surfac
...