[论文解读] SLID Interconnected n-in-p Pixel Modules with 75 Micrometer Thin Silicon Sensors

L. Andricek, M. Beimforde+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2013

Particle Detector Development and Performance参考文献 37被引用 1

一句话总结

本文提出采用固液互扩散（SLID）互连技术的75 μm厚硅像素模块，作为凸点键合的替代方案，通过芯片间通孔（ICVs）实现垂直集成。该模块在辐照至10¹⁶ neq/cm²后仍表现出优异的机械与电气性能，包括低漏电流和高触发效率，适用于HL-LHC升级。

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).

研究动机与目标

• 开发用于高亮度LHC（HL-LHC）升级的抗辐射像素模块，采用超薄硅传感器。
• 评估SLID互连技术作为标准凸点键合替代方案在机械与电气可靠性方面的表现。
• 评估75 μm厚硅传感器与SLID互连技术在高热中子注量下的性能表现。
• 研究在像素模块架构中利用SLID与芯片间通孔（ICVs）实现垂直集成的可行性。

提出的方法

• 采用固液互扩散（SLID）互连技术，将75 μm厚硅传感器与ATLAS读出芯片连接。
• 集成芯片间通孔（ICVs），实现在不损伤已有键合的前提下，传感器与芯片层的垂直堆叠。
• 测量包括互连效率、对准精度和机械强度在内的机械参数。
• 在辐照前后对漏电流、电荷收集效率、簇集尺寸和触发效率进行电气表征。
• 将模块辐照至10¹⁶ neq/cm²（1 MeV等效中子），以模拟HL-LHC工作条件。
• 利用SLID技术实现多层互连结构的堆叠，且不损害先前形成的键合。

实验结果

研究问题

• RQ1 SLID互连技术在用于75 μm厚硅传感器时，其机械可靠性表现如何？
• RQ2 SLID连接的像素模块在高辐射注量下的电气性能特征是什么？
• RQ3 SLID与ICVs的结合在多大程度上实现了像素模块中的垂直集成？
• RQ4 辐照至10¹⁶ neq/cm²后，漏电流与电荷收集效率如何演变？
• RQ5 SLID互连的75 μm像素模块在辐照后的触发效率与簇集尺寸分布如何？

主要发现

• SLID互连技术表现出高互连效率与对准精度，实现了薄传感器与读出芯片的可靠键合。
• 机械强度足以承受操作与处理过程中的应力，辐照后未观察到键合失效。
• 漏电流保持在较低水平且可调，表明钝化效果良好，且在高辐射环境下电气行为稳定。
• 电荷收集效率高，簇集尺寸与75 μm传感器在高注量下的预期性能一致。
• 即使在辐照至10¹⁶ neq/cm²后，触发效率仍超过99%，证实了其抗辐射能力。
• SLID与ICVs的结合成功实现了垂直集成，且堆叠各层的键合完整性得以保持。