R&D zu Siliziumsensoren an zukünftigen Beschleunigeranlagen

Martin Frey, IEKP, KarlsruheMaria Laach, September 07

R&D zu Siliziumsensoren an zukünftigen

Beschleunigeranlagen


Schwerpunkt: Sensor R&D für ILC und SLHC

Daten der geplanten Beschleunigeranlagen:

International Linear Collider (ILC):

Elektron-Positron Beschleuniger

Schwerpunktsenergie bis zu 1 TeV

Luminosität >1034/(cm2*s)

Bunch timing: 5 Trains pro Sekunde, 2820 bunches pro Train

Zeit zwischen Trains: 307 ns

Super Large Hadron Collider (SLHC):

Proton-Proton Beschleuniger (LHC Upgrade)

Schwerpunktsenergie: 14 TeV

Luminosität bis zu 1035/(cm2 *s)

Bunch-Crossing: 12.5 ns (75 ns) geplant

main linacbunchcompressor

dampingring

source

pre-accelerator

collimation

final focus

IP

extraction& dump

KeV

few GeV

few GeVfew GeV

250-500 GeV


Pitchadapter

Ausleseelektronik

Sensor

Trägerstruktur

mit Anschlüssen

Sensor / Funktionsprinzip

CMS

Spurdetektor

Dioden in Sperrrichtung

Strahlung erzeugt Elektronen-Loch-Paare, Ladungen fließen ab

CMS: p in n, kapazitive Auslese

Produktionsmethoden wie bei ICs


Unterschiedliche Anforderungen an Sensoren und Ausleseelektronik beim International Linear Collider und dem Super Large Hadron Collider.

Anforderungen an Si-Sensoren am ILC

große Sensorfläche zur Materialeinsparung größere Wafer

Materialeinsparung bei mechanischen Trägerstrukturen, Elektronik, Bonds, Pitchadaptern, etc. um Wechselwirkungen zu verhindern

dünne Sensoren zur Materialeinsparung

Einsparung des Hybriden (Elektronik) durch Integration auf dem Sensor

geringer Leistungsverbrauch zur Einsparung von Kühlungsmaterial

geringere Strahlenhärte notwendig als bei LHC und SLHC

Auswirkungen auf Design der benötigten Auslesechips


Größere Sensorfläche erreichbar durch:

Versehen mit neu entwickelter Ausleseelektronik (UMC 180 nm bzw. UMC 130 nm Chip) und Referenzauslesechips (VA1)

Beamtests zum Test der Elektronik und für Signal / Rauschen Studien

Methoden zur Materialeinsparung

- Bau langer Sensormodule aus Streifensensoren

- Größere Wafer. Kontakte zur Industrie zur Herstellung eines Sensor- Prototypen aus einem 8“ Wafer. (CMS: 6“)

Sensorleiter aus 10 HPK GLAST-Sensoren. Gebaut in Karlsruhe.


Methoden zur Materialeinsparung

- Einsparung des Hybriden:

Auslesechip wird direkt durch Bump Bonding auf dem Sensor angebracht. Auslese der Signale auf den Streifen durch Aufbringen einer 2. Metallschicht („Routing“).

Zugehöriges Maskendesign zur Sensorproduktion mit der professionellen Software IC Station von Mentor Graphics.

SID

SensorAusleseelektronik

Pitchadapter


Methoden zum Erzielen geringerer Leistungsaufnahme

Geringe Leistungsaufnahme geringe Wärmeproduktion Einsparung von Kühlmaterial weniger Streuung

Layout 130 nm Auslesechip (verantwortlich: LPNHE, Paris)

Si

ddepl

dqNV

0

2

2 Vdepl : Depletionsspannung

d:Dicke Nd : effektive Dotierkonzentration

- Dünne Sensoren, denn

und I ~ d. Leistung ~ d3 Minimum: 320µm (CMS). Bei der Industrie in Planung: 200µm bzw. 100µm und weniger.

- Kleinere Auslesechips 180 nm-, 130 nm-Technik, möglicherweise 90 nm


Anforderungen an Si-Sensoren für SLHC/SCMS

Sehr hohe Strahlenhärte, Belastung ~ 6x höher als bei CMS

Hohe „Occupancy“, Auslesekanäle können einzelne aufeinander folgende Events nicht mehr auflösen

schnelle Sensorauslese notwendig

hohe Eventrate und Strahlenschäden führen zu höherer Leistungsaufnahme

Materialeinsparung


Problem „Occupancy“

CMS: 512 bzw. 768 Streifen, Sensorlänge ~10 cm bzw. ~20 cm, pitch 80 – 200 µm occupancy ~ 2%. Einzelne Ereignisse lassen sich gut auflösen.

SCMS: occupancy rund sechs mal größer, Zeit- und Ortsauflösung einzelner Ereignisse nur noch durch neues Sensordesign möglich.


Lösungsmöglichkeit für das „Occupancy“-Problems

Pixelsensoren im inneren Detektorbereich, gefolgt von „Strixelsensoren“ in weiter vom Wechselwirkungspunkt weg gelegenen Bereichen. Anschließend Streifensensoren.

Strixel als Stufe zwischen Streifen und Pixel erhöhen Ortsauflösung und vermindern Belegung der einzelnen Kanäle.

Strixe l

Bum p b o nd ing p a d s

O xid eSilic o n

Via (DC c o up ling ) AL ro uting & p a d a re a Karlsruhe plant einen Entwurf eines Designs für einen Strixelsensor in Kooperation mit HEPHY Wien mittels ICStation von Mentor Graphics.

In zweiter Metallschicht werden Signale von den Strixel zum Chip geführt.


Problem Strahlenschäden / Strahlenhärte

Gitterlücke (L) + Zwischengitterplatz (Z)

Frenkel Paar L

Z

Trapping (e und h) Abnahme der Ladungssammlungseffizienz

geladene Defekte Zunahme von Neff , Vdep

Generationsstrom Zunahme des Leckstroms

Einfluss der Defekte auf die Materialeigenschaften

Si Teilchen

EK > 25 eV Punktdefekte EK > 5 keV Cluster

Oberflächendefekte liefern keinen Beitrag bei Zimmertemperatur aufgrund schnellen “detrappings”.

Hierzu tragen vor allem Niveaus in der Mitte der Bandlücke bei.

z.B. Donatoren im oberen und Akzeptoren im unteren Bereich der Bandlücke

Biasspannung erhöhen Kühlung


strahlenhartes Material: M-Cz SiliziumProduktionsprozess führt zu hohem Sauerstoffanteil. Homogene Verteilung.

Strahlung erzeugt Schäden die sich wie Akzeptoren verhalten.

O wirkt Akzeptorbildung entgegen effektive Dotierkonzentration nimmt nicht so stark zu

Depletionsspannung ist proportional zu der effektiven Dotierkonzentration. Depletionsspannung nimmt weniger stark zu Sensor lässt sich auch nach hoher Strahlendosis noch depletieren ohne einen Spannungsdurchbruch zu erzeugen.

0 50 100 150 200 250depth [m]

51016

51017

51018

5

O-c

once

ntra

tion

[cm

-3]

51016

51017

51018

5

Cz as grown

DOFZ 72h/1150oCDOFZ 48h/1150oCDOFZ 24h/1150oC [G.Lindstroem et al.]

Material (cm) [Oi] (cm-3)

FZ 1–710 3 < 51016

DOFZ 1–710 3 ~ 1–21017

Cz ~ 110 3 ~ 8-91017

MCz ~ 110 3 ~ 4-91017

Tiefenprofil O-Konzentration verschiedener Wafer-Materialien

Verlauf Neff und Depletionsspannung mit der Fluenz


Siliziumproduktion: Czochralski Silizium (Cz)

Entwicklungen in der Industrie führten in neuerer Zeit zu Czochralski Material mit einer für den Sensorbau ausreichenden Reinheit.

Ein Silizium Einkristall wird als Impfkristall langsam unter Drehungen aus einer Siliziumschmelze gezogen.

Kostengünstiges Produktionsverfahren

Gängig in der IC Industrie

Intrinsisch höhere O Konzentration

Magnetic Czochralski:

Ingot befindet sich in starkem Magnetfeld.

Magnetfeld dämpft durch Lorentzkräfte Schwingungen in der Schmelze.

Konzentration und Verteilung von Sauerstoff können so besser kontrolliert werden als im Standardverfahren. Magnetfeld kein Magnetfeld


Testprogramm für M-Cz Sensoren

Bau von Detektormodulen mit APV Auslesehybriden. Bestrahlung bei verschiedenen Fluenzen. Neutronenbestrahlung / Protonenbestrahlung.

Testbeam mit Myonen: Vergleich der bestrahlten und unbestrahlten Module bezüglich Signal / Rauschen, Clustering, Ladungssammlungseffizienz, Depletionsspannung, Leckstrom

Test auf Typinversion u. A.. an einem Transient Current Technique (TCT) Setup.

Module:

• 1 x Referenzmodul

• 1 x Fluenz 1*10^14/cm^2 Protonen (neq.)

• 1 x Fluenz 5*10^14/cm^2 Protonen (neq.)

• 1 x Fluenz 10^15/cm^2 Protonen (neq.)

• 1 x Fluenz 5*10^14/cm^2 Neutronen (neq.)

• 1 x Fluenz 10^15/cm^2 Neutronen (neq.)

Beamteleskop (8 Referenzsensoren in Kältebox)


Ausblick

• Für SILC (Silicon for Linear Collider) wird gerade ein Beamtest vorbereitet. Test von 180nm- und 130nm-Chip-Prototypen. Test verschiedener Module.

• Beamtest zur Untersuchung von M-Cz Silizium ging vor zwei Wochen zu Ende. Daten müssen ausgewertet werden. Erste Einblicke deuten auf ein sehr gutes Verhalten des Materials hin.

• Auswertung von gemischt bestrahlten (n+p) Minisensoren.

• Neue Sensoren in Produktion am Helsinki Institut für Physik. Weitere Tests geplant.

R&D zu Siliziumsensoren an zukünftigen Beschleunigeranlagen

Documents

Transcript of R&D zu Siliziumsensoren an zukünftigen Beschleunigeranlagen