[論文レビュー] Characterisation, simulation and test beam data analysis of stitched passive CMOS strip sensors

I. Zatočilová, J.-H. Arling+21 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2023

Particle Detector Development and Performance被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、150 nm CMOSプロセスを用い、IZMベルリンでのバックサイドプロセスを経て、複数のリチカルをステッチ接合して大面積のパassive CMOSストリップセンサーをプロトタイピングした。シミュレーションとビームテストによる検証を行い、放射線耐性と照射後の完全な機能性を示した。これにより、ステッチ接合センサーがLHCフェーズ-IIトラッカーのアップグレードに実現可能であることが確認された。

ABSTRACT

In the passive CMOS Strips Project, strip sensors were designed at the University of Bonn and produced by LFoundry in 150 nm technology, with an additional backside processing from IZM Berlin. Up to five individual reticules were connected by stitching at the foundry in order to obtain the typical strip lengths required for the LHC Phase-II upgrade of ATLAS or CMS trackers. After dicing, sensors were tested in a probe station and characterised with a Sr90-source as well as laser-based edge- and top-TCT systems. Sensors were also simulated using Sentaurus TCAD. At last, detector modules were constructed from several sensors and thoroughly studied in two beam campaigns at DESY. All of these measurements were performed before and after irradiation. This contribution provides an overview of simulation results, summarises the laboratory measurements and in particular presents first test beam results for irradiated and unirradiated passive CMOS strip sensors. We are demonstrating that large area sensors with sufficient radiation hardness can be obtained by stitching during the CMOS process, and presenting our plans for the next submission in the framework of this project.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSのLHCフェーズ-IIトラッカーのアップグレードに適した大面積パassive CMOSストリップセンサーの開発を目的とする。
• 標準的なCMOSプロセスにおけるストリップ長の制限を克服するため、プロセス中に複数のリチカルをステッチ接合することを目的とする。
• シミュレーションと実験的テストを通じて、ステッチ接合センサーの放射線耐性および検出器性能を評価することを目的とする。
• 照射前後における実際のビーム条件下でのセンサーの機能性と性能を検証することを目的とする。
• 今後の改良されたセンサー設計を用いたパssive CMOSストリッププロジェクトにおける論文提出の基盤を提供することを目的とする。

提案手法

• ボン大学にて150 nm CMOSプロセスを用いたパssive CMOSストリップセンサーの設計。
• IZMベルリンでのバックサイドプロセスにより、電荷収集を可能にするセンサーのプロセス。
• ファブリケーション段階で、必要となるストリップ長を達成するために、最多5つの個別リチカルをファブリケーション所でステッチ接合。
• プローブステーションにおけるSr90源およびレーザー駆動TCTシステム（エッジTCTおよびトップTCT）を用いた特性評価。
• 性能予測および設計最適化のため、Sentaurus TCADを用いたセンサー応答のシミュレーション。
• 複数のステッチ接合センサーを組み合わせた検出器モジュールの組立と、DESYでの2回のビームキャンペーンにおけるテスト。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なCMOSプロセスにおいて、複数のリチカルをステッチ接合することで、信頼性高く大面積パssive CMOSストリップセンサーをプロダクションできるか？
• RQ2 ステッチ接合センサーの性能は、シミュレーションや標準センサーからの予想と比較してどの程度か？
• RQ3 照射後のステッチ接合パssive CMOSストリップセンサーの放射線耐性はいかほどか？
• RQ4 照射前および照射後のラボ測定値とビームテストデータの相関関係は？
• RQ5 LHCフェーズ-IIの応用に耐えるために、照射後も十分な電荷収集効率と信号応答を維持できるか？

主な発見

• ステッチ接合パssive CMOSストリップセンサーは、ラボテストおよびビームテストの両方で完全な機能性と十分な性能を達成した。
• Sentaurus TCADを用いたシミュレーション結果は、センサー応答を正確に予測し、設計最適化を支援した。
• Sr90およびTCTシステムを用いたラボ測定により、ステッチ接合センサー全体で一貫した電荷収集および信号応答が確認された。
• DESYのビームテストデータは、照射前および照射後ともに、トラッカー用途に十分な性能を維持していることを示した。
• センサーは、LHCフェーズ-IIトラッカーのアップグレード要件を満たす十分な放射線耐性を示した。
• 本プロジェクトにより、CMOSプロセス中にステッチ接合を用いた大面積センサーのプロダクションが実現可能であることが確認され、今後の設計提案の準備が整った。