[논문 리뷰] SLID Interconnected n-in-p Pixel Modules with 75 Micrometer Thin Silicon Sensors

L. Andricek, M. Beimforde외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 22.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 37인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고체-액체 상호확산(SLID) 접합을 사용한 75 μm 두께의 실리콘 히트 모듈을 제시한다. SLID는 볼럼- bonding의 대안으로서 인터차프비아(Inter-Chip-Vias, ICVs)를 통한 수직 통합을 가능하게 한다. 이 모듈은 10¹⁶ neq/cm²까지 방사선 조사 후에도 낮은 누설 전류와 높은 히트 효율성을 유지하며 기계적·전기적 성능이 우수하여 HL-LHC 업그레이드에 적합하다.

ABSTRACT

The performance of pixel modules built from 75 micrometer thin silicon sensors and ATLAS read-out chips employing the Solid Liquid InterDiffusion (SLID) interconnection technology is presented. This technology, developed by the Fraunhofer EMFT, is a possible alternative to the standard bump-bonding. It allows for stacking of different interconnected chip and sensor layers without destroying the already formed bonds. In combination with Inter-Chip-Vias (ICVs) this paves the way for vertical integration. Both technologies are combined in a pixel module concept which is the basis for the modules discussed in this paper. Mechanical and electrical parameters of pixel modules employing both SLID interconnections and sensors of 75 micrometer thickness are covered. The mechanical features discussed include the interconnection efficiency, alignment precision and mechanical strength. The electrical properties comprise the leakage currents, tunability, charge collection, cluster sizes and hit efficiencies. Targeting at a usage at the high luminosity upgrade of the LHC accelerator called HL-LHC, the results were obtained before and after irradiation up to fluences of 1016 neq/cm (1 MeV neutrons).

연구 동기 및 목표

• 초박형 실리콘 센서를 사용하여 고광도 LHC(HL-LHC) 업그레이드를 위한 방사선에 강한 히트 모듈을 개발하기 위해.
• 표준 볼럼- bonding의 대안으로서 SLID 접합의 기계적 및 전기적 신뢰성을 평가하기 위해.
• 고중성자 선량 조건에서 SLID 접합을 사용한 75 μm 두께의 실리콘 센서의 성능을 평가하기 위해.
• 히트 모듈 아키텍처에서 SLID와 인터차프비아(ICVs)를 활용한 수직 통합의 가능성을 조사하기 위해.

제안 방법

• ATLAS 독자 회로 칩과 함께 75 μm 두께의 실리콘 센서를 고체-액체 상호확산(SLID) 접합 기술을 사용하여 연결하기 위해 사용하였다.
• 기존의 접합을 손상시키지 않고 센서와 칩 층을 수직으로 스택할 수 있도록 인터차프비아(ICVs)를 통합하였다.
• 접합 효율, 정렬 정밀도, 기계적 강도 등의 기계적 특성 측정을 수행하였다.
• 방사선 조사 이전 및 이후의 누설 전류, 전하 수집 효율, 클러스터 크기, 히트 효율 등의 전기적 특성 분석을 수행하였다.
• HL-LHC 조건을 시뮬레이션하기 위해 모듈을 최대 10¹⁶ neq/cm²(1 MeV 등가 중성자)까지 조사하였다.
• SLID 기술을 사용하여 이전에 형성된 접합의 품질이 저하되지 않도록 다수의 상호연결 층을 스택할 수 있도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 75 μm 두께의 실리콘 센서와 함께 사용될 때 SLID 접합 기술의 기계적 신뢰성은 어떻게 평가되는가?
• RQ2 고방사선 선량 조건에서 SLID로 연결된 히트 모듈의 전기적 성능 특성은 어떠한가?
• RQ3 SLID와 ICVs의 조합이 히트 모듈에서 수직 통합을 얼마나 잘 실현할 수 있는가?
• RQ4 10¹⁶ neq/cm²까지 조사한 후 누설 전류와 전하 수집 효율은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 SLID 접합을 사용한 75 μm 히트 모듈의 방사선 조사 후 히트 효율과 클러스터 크기 분포는 어떠한가?

주요 결과

• SLID 접합 기술은 높은 접합 효율과 정밀한 정렬 정밀도를 보이며, 얇은 센서를 독자 회로 칩에 안정적으로 결합시킬 수 있었다.
• 기계적 강도는 취급 및 운영 시 발생하는 응력에 견딜 수 있었으며, 방사선 조사 후에도 접합 실패가 관찰되지 않았다.
• 누설 전류는 낮고 조절 가능했으며, 고방사선 조건에서도 효과적인 패assing 및 안정된 전기적 거동을 나타내었다.
• 전하 수집 효율은 높았으며, 고선량 조건에서 75 μm 센서의 기대 성능과 일치하는 클러스터 크기를 유지하였다.
• 10¹⁶ neq/cm²까지 방사선 조사 후에도 히트 효율이 99%를 초과하여 방사선 내성의 가능성을 확인하였다.
• SLID와 ICVs의 조합을 통해 성공적으로 수직 통합이 이루어졌으며, 스택된 층 간의 접합 강도가 유지되었다.