[논문 리뷰] Recent results of the ATLAS Upgrade Planar Pixel Sensors R&D Project

G. Marchiori|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 14.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 업그레이드 평면 픽셀 센서 연구 개발 사업의 최근 결과를 제시하며, 평면 실리콘 픽셀 센서가 LHC의 단계 II 업그레이드에 적합한 2×10¹⁶ neq/cm²까지의 극한 방사선 플루엔스에 견딜 수 있음을 입증한다. 주요 진전으로는 레이저 스크리빙과 ALD 피막을 이용한 엣지리스 센서 기술이 있으며, 이는 물리적 가장자리에서도 거의 100%의 전하 수확 효율을 가능하게 하고, 볼트 bonding의 저비용 대체 기술인 SLID bonding이 있다.

ABSTRACT

The ATLAS detector has to undergo significant updates at the end of the current decade, in order to withstand the increased occupancy and radiation damage that will be produced by the high-luminosity upgrade of the Large Hadron Collider. In this presentation we give an overview of the recent accomplishments of the R&D activity on the planar pixel sensors for the ATLAS Inner Detector upgrade.

연구 동기 및 목표

• LHC의 고광도 단계 II 업그레이드에서 예상되는 2×10¹⁶ neq/cm²까지의 방사선 플루엔스에 견딜 수 있는 방사선에 강한 평면 픽셀 센서의 개발.
• 6" 웨이퍼, n-in-p 기하구조 및 SLID bonding과 같은 대체 접합 방법을 탐색함으로써 센서 제조 비용을 낮추기.
• 가드링을 제거하고 활성 또는 스모올 엣지(450 µm 이하)를 개발하여 기하학적 비효율을 최소화하고 모듈 겹침을 제거하기.
• 최적화된 가드링 구성과 저임계값 작동을 통해 고방사선 조건에서의 신호 대 잡음비 및 전하 수확 효율을 향상시키기.
• 신규 엣지리스 및 저엣지 비활성 센서 기술의 방사선 내성 및 장기 성능 평가하기.

제안 방법

• 중성자(트리카 Reactor, 루블랴나) 및 프로톤(CERN PS, 칼라르스부르크) 비례를 이용해 단계 I 및 II 플루엔스를 시뮬레이션한 방사선 처리된 평면 픽셀 센서를 시험함.
• 전기적 특성은 IV/CV 측정을 통해 수행하였고, 전하 수확 및 히트 효율성은 CERN의 π-빔과 DESY의 전자 빔을 이용해 평가함.
• TCAD 시뮬레이션을 통해 고방사선 조건에서 성능을 향상시키기 위해 가드링의 수, 너비 및 간격을 최적화함.
• 레이저 스크리빙 및 분리 기반의 엣지리스 센서 프로토타입을 제작하고, 원자층 증착(AlD)을 통해 SiO₂, Si₃N₄ 또는 Al₂O₃로 피막 처리함.
• 볼트 bonding의 저비용 대체 기술로 SLID bonding을 연구함: 센서와 FEI3 칩에 5 µm 구리 층에 3 µm Sn 층을 덧입힌 전기화학적 증착을 실시하고, 300 °C 및 5 bar 조건에서 접합함.
• 다양한 파운드리( CiS, Micron, Hamamatsu, FBK, MPI-HLL)에서 테스트 다이오드 및 픽셀 센서를 제작하고, 방사선 처리 전후로 특성 분석을 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2×10¹⁶ neq/cm²의 플루엔스에서 평면 실리콘 픽셀 센서가 충분한 전하 수확 효율성과 신호 대 잡음비를 유지할 수 있는가?
• RQ2 엣지리스 센서 기술이 가드링이 필요 없고 비활성 엣지 영역을 450 µm 이하로 줄일 수 있는가?
• RQ3 SLID bonding이 전통적인 볼트 bonding을 대체하여 비용을 낮추고 더 작은 피치 및 스택형 구조를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 2×10¹⁶ neq/cm²까지의 방사선 플루엔스에서 ALD 피막 처리된 레이저 스크리브 엣지리스 센서의 방사선 내성은 어떠한가?
• RQ5 6" 웨이퍼와 최적화된 가드링 설계를 갖춘 n-in-p 센서는 성능을 저하시키지 않으면서 비용 효율성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 평면 픽셀 센서는 2×10¹⁶ neq/cm²에서도 측정 가능한 전하 수확 효율성을 보이며, 단계 II 내측 층에 대한 실현 가능성을 확인함.
• 레이저 스크리브 및 ALD 피막 처리된 엣지리스 다이오드는 1 kV까지의 파손이 발생하지 않았고, 절단 가장자리에서 14 µm 이내에서 100% 전하 수확 효율성을 보였음.
• 가드링 없이도 활성 영역과 가장자리 사이의 거리가 14 µm로 확보되어 14 µm 엣지 투 엣지 피치를 가능하게 함.
• SLID bonding 처리된 75 µm 두께의 n-in-p 센서는 표준 볼트 bonding 센서와 유사한 임계값 분산, 잡음 및 전하 수확 효율성을 보였음.
• 레이저 스크리빙 및 Al₂O₃ 피막 처리를 적용한 테스트 다이오드는 전원 전압을 초월하는 파손 전압을 기록했고, 낮은 누설 전류를 나타냄.
• 6" 웨이퍼와 n-in-p 기하구조의 사용은 센서 비용을 낮출 것으로 기대되며, SLID bonding은 볼트 bonding에 비해 저비용의 접합 방법을 제공함.