Process Quality Control of Silicon Strip Detectors for the
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Process Quality Control of Silicon Strip Detectors for the CMS Tracker Diplomarbeit am Institut f. Hochenergiephysik Thomas Bergauer • • • CERN: Genf/Schweiz Im früheren LEP Tunnel wird zur Zeit der LHC gebaut LHC: Collider – 2 x 7 TeV p-p – 5.5 TeV/A Ion-Ion • • PS, SPS als Injector Vier Experimente: ATLAS, CMS LHC-b und ALICE 1 2 Compact Muon Solenoid • Elektromagnetisches Kalorimeter – – – • Hadronkalorimeter – – • Silizium Pixeldetektor – – • m2 206 aktive Detektorfläche 9,3 Millionen Streifen Betrieben bei -10 oC 1015 Teilchen/cm2 / 10 Jahre Betrieb @ 7cm • Für geladene und neutrale Hadronen (z.B. Pionen und Neutronen) Sandwichform mit Kupferabsorber und Plastik Szintillatoren mit Wavelength Shifter und APD Supraleitende Spule – – – Pixelgröße 100 x 150 um 9 Millionen Pixel Silizium Streifendetektor – – – – • Für Elektronen und Photonen 80.000 Blei-Wolfram-Oxid-Kristalle Ausgelesen durch Silicon Avalange Photodiodes (APD) B = 4T pT = eBR 5.9 m Durchmesser 13 m Länge Myonensystem – – – Sandwichform Eisen (Rückflussjoch der Spule B = 2T) Detektoren (drift tubes, resistive plate chambers, cathode strip chambers) 3 CMS Silicon Strip Tracker • Ein Quadrant des SST – Rot: Einseitige Module – Blau: Doppeltseitige Module • Komponenten – – – – • Inner Barrel (TIB) Outer Barrel (TOB) Inner Disk (TID) Endcap (TEC) Detektormodule – Rahmen – Hybrid mit Auslesechips – Ein oder Zwei Si-Sensoren • Verschiedene Sensor-Geometrien – 4 Barrel (rechteckig) – 11 Endcaps (trapezförmig) • 512 oder 768 Streifen 4 Silizium Detektoren • Zwei verschiedene Hersteller – HPK und STM • Mittels Fotolithographie werden Streifen implantiert • Detektoren aus 6” Wafer herausgeschnitten (rot) – Barrel (IB, OB): rechteckig – Endcaps (Wx): trapezförmig • Übrige Fläche nicht ungenutzt – Für Teststrukturen verwendet • „Standard Half Moon“ – Beinhaltet neun Strukturen, an denen Messungen durchgeführt werden 5 Process Quality Control • Probecard kontaktiert Teststrukturen mit 40 Nadeln – Lichtdicht in Blechkasten – Ausrichtung mittels Micropositioner • Über Multiplexer und MatrixSchalter werden Meßgeräte an Teststrukturen geschalten – Source Measurement Unit (SMU) – Spannungsquelle – LCR-Meter • Computer mit Labview Programm steuert Messablauf und Schaltsystem • GPIB Bus als Verbindung 6 PQC Messungen • TS-CAP: • – CAC: Oxiddicke – IV-Kurve: Durchschlagsfestigkeit der Oxidschicht • Sheet: IV-Kurven für – Spez. Widerstand Aluminium – Spez. Widerstand p+-Streifen (impant) – Polysilicon Widerstand – Maß für Rauschen • – Zwischenstreifenkapazität Cint – Parameter für das SNR der Ausleseelektronik • Baby: IV-Kurve für Dunkelstrom • CAP-TS-DC: – Zwischenstreifenwiderstand Rint • Diode: – CV-Kurve für Vdepletion und Verarmungsdicke – Spez. Widerstand des bulk-Materials GCD: – IV-Kurve für Isurface – Rekombinationsgeschwindigkeit der Ladungsträger am Si-SiO2 Übergang CAP-TS-AC: • MOS1: – CV-Kurve für Vflatband – Fixe Oxidladungen 7 PQC Messungen 8 PQC Messungen (z.B. CVDiode) • Einfache Diodenstruktur – pn-Übergang zwischen n-Bulk und pImplant • Messung der Kapazität in Abhängigkeit der angelegten Spannung (CV-Kurve) • Darstellung als 1/C2 über U • Ermittlung der Detektordicke Cdepl A = ε 0ε r d Ermittlung der bulk resistivity d 2 nominal ρ= 2ε 0ε r µeVdepl 9 PQC Messungen (z.B. CVMOS) • Metal Oxide Semiconductor • Parameter Vflatband ist ein Maß für Oxidladungen • Messung druch CV-Kurve a) b) c) d) Vflatband = 0 (Ideale Oxidschicht) Akkumulation Verarmung (Depletion) Inversion 10 PQC Ergebnisse (CVMOS) Jede vollständige Messung erzeugt eine Ergebnisdatei im XML Format. Diese Daten werden in einer zentralen Oracle-Datenbank gespeichert. Diagramme werden mittels Datenbankabfrage erstellt. Jeder Punkt repräsentiert eine Messung (2700 Messungen durchgeführt) 11 PQC Ergebnisse (Rinterstrip) • • Logarithmischer Plot zeigt keine Auffälligkeiten für HPK, aber für STM einen Bereich mit Werten unter 1 GOhm zwischen 09/03 und 03/04 Hestellungsprobleme (Verunreinigung einer Maschine) dadurch entdeckt 12 Langzeitstabilität • Messapparatur, in der zehn Detektoren getestet werden – Detektoren ruhen in lichtdichter Box auf leitfähigem Untergrund • Elektrischer Aufbau – Eine SMU liefert die BiasSpannung Vbias = 400 V – Zehn Detektoren parallel über Shuntwiderstand angeschlossen – Spannungsabfall an Widerstand wird mittels Vielkanalvoltmeter gemessen (scanning multimeter) 13 Langzeitstabilität Messungen • Durchschnittliche Messdauer zwischen 72 und 120 Stunden – aber auch schon 1000 h (41 Tage) • Kontrolle der Konstanz des Dunkelstromes – Temperaturabhängigkeiten nicht vermeidbar – Einige Detektoren instabil und erleiden Stromerhöhung – Strom saturiert aber auf gewissen Level 14 Zusammenfassung • • • • Das System hat sich als zweckmäßig für die schnelle Bestimmung der Qualität von Siliziumdetektoren erwiesen. Die damit gefundenen Probleme konnten bei keinem anderen Test im Rahmen der Qualitätssicherung von CMS gefunden werden. Dadurch konnte vermieden werden, dass Detektoren verwendet werden, die in kurzer Betriebszeit Funktionsmängel gezeigt hätten. Die Instabilitäten bei STM führten dazu, dass die Anzahl der verwendeten STM Detektoren verringert wird. Danke.