May 18, 2001 G. Chiodini - Fermilab 1
Il rivelatore a pixel di Si: Rivelatore ibrido – Silicio come rivelatore
Vantaggi rivelatori al Silicio:• Bassa energia di ionizzazione (<Ei>=3.6eV)
• elevato segnale• Libero cammino medio elevato:
• alta efficienza nella raccolta di carica• Alta mobilita’ e/h (1400/450cm2/Vs)
• veloce raccolta di carica (circa 10/25ns in 300um)• Basso Z (X0=9.4cm)
• multiplo scattering ridotto• Elevata costante dielettrica =11.9=1pF/cm
• bassa capacita’ elettrica (basso rumore)•Tecnologicamente ben sviluppato e compreso
Sensore a giunzione n-p al Si (Spettroscopia)
Rivelatore a strip p/n al Si (misura di posizione)
Termistore al Si (microcalorimetria a T)
Giunzioni polarizzate inversamente
Regime di conduzione electron hopping
0TT
eR
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Il rivelatore a pixel di Si: Rivelatore ibrido – Microstrip verso pixel
I rivelatori a microstrip hanno avuto un impatto decisivo nella fisica dei quark pesanti:• Misura della vita media dello D (CERN, E687-FOCUS a FNAL, …).• Misura della vita media del B( LEP,SLD,CDF,D0,…)• Scoperta del quark top a CDF (b-tagging).
Vantaggi microstrip: • Elettronica ai lati• Poco materiale.
Vantaggi pixel:• Punto di misura nello spazio.• Basso rumore.• Resistenza alla radiazione.
Rumore equivalente d’ingresso in carica:• Si riduce con Cinput
• Aumenta con Idark
)(sA
CC
QV
loopopen
inputbackfeed
inputout
darkdark eIi 22
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Il rivelatore a pixel di Si: Rivelatore ibrido – Bump-bonding
Rivelatore ibrido: matrice di diodi + matrice di celle di elettronica: •Sviluppo e ottimizzazione indipendenti del sensore e del chip di lettura.• Sono richiesti circa 5000 bump-bonding per cm2 per connettere le celle del sensore con le celle di readout (flip chip technique) .
• Metalli per il bump: Indio (In) e lega SnPb • Under Bump Metal (Cr, TiW, Cu, Au, …): strato di
adesione, barriera di diffusione e prevenzione dell’ossidazione
• Caratteristiche del processo di bonding:1. Indio : Metallo di bump su entrambi i lati,
evaporazione, temperatura ambiente, pressione.
2. Lega SnPb: Metallo di bump su un solo lato, electroplating, alta temperatura, reflow.
Indio e lega SnPb sono tecnologie mature per il bump-bonding a piccolo passo di separazione.
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Il rivelatore a pixel di Si: Rivelatore ibrido – Bump-bonding a FNAL
• Prototipi di rivelatori:– Sensori per chip singolo connessi con Indio e SnPb. – Sensori con piu’ chip (multi-chip-module) connessi
con Indio (appena ricevuti con SnPb).– Wafer di 4” e 6” .
• Studio della bonta’ della connessione con sensori dummy:– Studio a larga scala.– Indio, 30 um di passo (AIT). – Lega Pb(63%)/Sn(37%) trattata sia con flux sia con
la tecnica PADS (Plasma assisted dry soldering). Passo 50 um di passo (MCNC).
• Conclusioni:• Contatti validi con Indio e lega Pb/Sn con la
tecnica PADS. • Frazione di contatti difettoso 10-4.
• Prossimi test:• Resistenza a cicli termici.• Irraggiamento (gamma e protoni).• Stabilita’ a lungo termine.
• Problemi aperti: • Wafer di 8”.• Assottigliamento del wafer.• Reworkability, controllo della qualita’, …
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Il rivelatore a pixel di Si: Resistenza alla radiazione -
DanneggiamentoLa radiazione danneggia in modo permanente i dispositivi semiconduttori attraverso due meccanismi:• Danneggiamento per dislocazione: atomi di Si spostati introducono difetti reticolari che alterano le propieta’ elettriche del cristallo.• Danneggiamento per ionizzazione: strati isolanti (quali SiO2) liberano portatori che vengono intrappolati in
altre locazioni e nascono campi elettrici parassiti.
),,()(0 TtNeggeNN y
Tt
scc
eff
Effetti sui dispositivi CMOS (resistivita’ cm)• Shift di Vgate (charge-up del SiO2 di gate).• Canale di conduzione parassita (charge-up del SiO2
distribuito): - tra drain e source - tra dispositivi vicini.
VIdark kTgapeV
dark eTI 22
• Generazione di accettori (sensibile a t e T):
Effetti sul sensore (resistivita’ Kcm)• Incremento della corrente di leakage (shot noise):
• Riduzione dell’efficienza della raccolta di carica.• Riduzione del potenziale di breakdown.
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Il rivelatore a pixel di Si: Resistenza alla radiazione – sensori n+/n/p
Elevata dose di radiazione doping di tipo p alta Vdep
Vdep> Vdbreakdown rivelatore parzialmente svuotato
No corrente di superfice sul cut-edge
Isolamento inter-pixel
Struttura multi-guard ring
2
2dqNV eff
dep Vdep =potenziale di svuotamento,
d=spessore del rivelatore, =costante dielettrica, Neff= concentrazione portatori maggioritari
21310 cmfluence
type inversion
Tecnologia n+/n/p
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Il rivelatore a pixel di Si: Rivelatori ibridi a pixel – Sensori Ossigenati
Risultati della collaborazione ROSE (RD48):• Dopo il type-inversion la Vsvuotamento cresce piu’ lentamente con la dose totale di protoni se nel silicio sono aggiunte in modo controllato impurezze di ossigeno.• Nessun beneficio rispetto ai neutroni con la stessa tecnica.• L’incremento della corrente di buio non e’ alterato.
La resistenza alla radiazione puo’ essere migliorata mediante un’ingegneria dei difetti reticolari
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Il rivelatore a pixel di Si: Rivelatori ibridi a pixel – sensori a FNAL
Sintef BTeV-CMS Wafer: • 22 wafers n+/n con tecnica d’isolamento p-stop sul lato di readout side. 4 wafers sono ossigenati.
• Spessore:300 m.
• Resistivita’: 1.0-2.0 kcm.
• Polishing: entrambi i lati
• Passivazione: entrambi i lati
• Misura delle caratteristiche IV e CV condotte a FNAL su sensori (prima e dopo il dicing del wafer).• Sensori con isolamento di tipo individual e common p-stop.• Sensori con diverse strutture di guard ring (3, 15, 18 anelli).
18 guard ringossigenato
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Il rivelatore a pixel di Si: Resistenza alla radiazione – Dispositivi CMOS
Resistenza alla radiazione in tecnologia 0.25 um CMOS:• Vthtox
2 per tox0.5um.• Vthtox
3 per tox0.5um (tunnel quantistico).• Canali di conduzione parassiti si possono evitare con particolari layout (enclosed geometry e guard ring). Dispositivo a
geometria chiusa:
Dispositivonormale
dispositivo MOS a canale N
S
G
D
G
D S
Il guard ring attorno al dispositivo non e’ mostrato
2)(2 thGS
ox
oxnD VV
L
W
tI
Latch-upSingle event upset
in una cella di memoriaSingle event effect• Indotti da frammenti e rinculi di nuclei ionizzanti.• Danneggiamento totale o parziale del gate: gate rapture.• Drain e source sono nodi sensibili: latch-up e SEU.
p,n,
Z>>1
On
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R&D a FNAL: Il chip di readout FPIX
• FrontEnd ottimizzato per 132ns di crossing (BCO).• Architettura a colonne e readout data driven.• 0.25um CMOS con layout resistente alla radiazione.
Compensazione della corrente di leakage di un solo segno (n+/n/p)
Fpix1microfoto
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R&D a FNAL: Studi condotti in laboratorio – Calibrazione relativa
Rivelatore( chip+sensore)
Threshold(e-)
Eq. Inp. Noise (e-)
FPIX0 celle regolari p_sprayp_stop
22003502500400
801010515
FPIX0 celle alto guadagnop_sprayp_stop
12501601500230
6788315
FPIX1 p_stop 3800380 11030
Vpulse
noise
th
noise
pulse
VVdV
VEfficiency
02
2
2 2
)(exp
2
)(
calpulseinj CVQ
Vpulse
Forma dell’impulso di calibrazione del generatore di segnali
Iniezione di e-
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R&D a FNAL: Studi condotti in laboratorio – Calibrazione assoluta
Calibrazione dello ADC di rivelatori a pixel strumentati con FPIX0 (una sorgente e’ sufficiente)
Calibrazione delle 4 soglie dei rivelatori a pixel strumentati con FPIX1 (necessita 2 sorgenti)
Tb
Ag
CollimatoreFluorescenza
fotoe-
Am241 emettitore
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R&D a FNAL: Studi condotti in laboratorio – Modulo a 5 chip per FPIX1
ATLAS 16 chips T1 p-stop
5 Fpix1 chips
HDI flex circuit
Layer Pair 1
Layer pair 2 Conductor
Dielectric Cu / Ni / Au
L AYER PAIR
Upilex-SGA
M1
M2
M3
M4
Fujitsu - Multilayer Kapton High Density Interconnect cable. Elevata densita’ di tracce conduttrici:• Distanza tra tracce = 40 m• Distanza tra ponti = 208m (350m)
Prototipo di HDI:• laminato su un circuito stampato• 5 chip connessi ad un sensore ATLAS (bump-bonding).• 5 chip connessi allo HDI(wire bonding).
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Sensor
Kapton
-Silicon Glue
Kapton
Layer 3
Kapton
Layer 2
Dielectric Layer
Bias Window
Gold Epoxy
Metal Layer 4
Metal Layer 3
Metal Layer 2
Metal Layer 1
Analog Digital
Digital lines
Ground High Voltage Flex
Circ
uit
Analog lines
Kapton
Layer 1
Bias Pad (1mm2)
• Line width: Line width: 3535mm
• Line to line clearance: Line to line clearance: 3535mm
• Metal layer thickness: Metal layer thickness: 1010mm• Via pad: Via pad: 108108mm• Lamination: Lamination: 55m epoxym epoxy• Film thickness (Apical): Film thickness (Apical): 2525mm
R&D a FNAL: Studi condotti in laboratorio – Modulo a 5 chip per FPIX2Prossimo prototipo di HDI:• Laminato sul sensore.• Realizzato al CERN.• Vicino al baseline.
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R&D a FNAL: Studi condotti in laboratorio – Test a livello di wafer
• I Pad del chip FPIX1:• su entrambi i lati• doppia fila su un lato• alta densita’(200pads)
• I test elettrici fatti prima del dicing (su wafer) risultano accurati.
Curve di soglia del chip FPIX1 prima del “dicing”
Setup e probe-card Contatti tra probe-card e
chip nel lato a doppia fila di pads
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R&D a FNAL: Studi condotti in laboratorio – Laser test
6 m spot
lens
fibercollimators
Laser window 30 m by 100 m
sin
90% lightattenuation
TEST IN PROGRAMMA: • Studio dello spostamento del profilo di carica in presenza di B (angolo di Lorentz ed effetti non lineari in E).• Misura della profondita’ della zona di svuotamento dei sensori prima e dopo irraggiamento.
Molteplicita’ del cluster di pixel sopra soglia al cresce della soglia del chip di lettura per una fissata intensita’ dell’impulso laser.
• Lunghezza d’onda del laser: = 1056 nm.• Coefficiente di assorbimento in Silicio:a()=127m.