Martin Frey, IEKP, KarlsruheMaria Laach, September 07
R&D zu Siliziumsensoren an zukünftigen
Beschleunigeranlagen
Martin Frey, IEKP, KarlsruheMaria Laach, September 07
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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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)
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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.