Vom Silizium zum Detektor Ralf Röder

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1 Vom Silizium zum Detektor Ralf Röder 1

2 Vom Silizium zum Detector mehr als zwei Jahrzehnte Strahlungsdetektoren am CiS Überblick Beginn Prototyping Mitte der 90iger Jahre Design sowie Technologie- und Ausrüstungsentwicklung Prozessierung verschiedener Typen Defektengineering Übersicht über die Detektorfertigung Partner Aktuelle Projekte und Ausblick 2

3 Auf dem Weg: Kompetenzzentrum Siliziumdetektoren New Particle Visions Waferprozess und Strukturierung Flächen- Detektoren pin-dioden pad-dioden Streifen- Detektoren AC Mikrostreifen DC Mikrostreifen PIXEL- Detektoren SiPM # APD GM XPAD ds PIXEL einseitig strukturierte Detektoren doppelseitig strukturierte Detektoren Applikationsfelder Teilchendetektion X-ray SiPM Medizintechnik SiPM (PET/MRT) Hochenergiephysik (HEP) CERN: ATLAS, CMS, ALICE GSi: FAIR / CBM Astrophysik AMS 3

4 Was wird gebraucht? Spurverfolgung hohe Auflösung Ort Zeit LEP HERA, Tevatron LHC SLHC (2020?) e + e cm -2 s -1 pp cm -2 s -1 pp cm -2 s -1 Proton-proton collider: 2 x 7 TeV Luminosity: 1034 Bunch crossing: 25 nsec Rate: 40 MHz Event rate: 109/sec Unterschied zu CMOS: Bulk + Oberflächen vs. denuded zone 4

5 Strahlenschäden zwei Arten von Strahlenschäden in Detektormaterialien: Kristallschädigung (Bulk) durch Non Ion Energy Loss (NIEL) Fehlplazierungen, Clusterbildung, Folgen: I. ansteigender Leckstrom (Rauschen, thermische Fluktuation) II. Änderung der Dotierungskonzentration III. Verstärktes Trapping von Ladungsträgern ( Ladungsverlust Charge Collecdtion Efficiency) Oberflächenschägdigungen durch Ion Energy Loss (IEL) Ladungssammlung in dielektrischen Schichten (Oxid, ) und am Si-Oxid-Inteface U dep [V] (d = 300 m) n-type type inversion "p-type" cm V [M.Moll: Data: R. Wunstorf, PhD thesis 1992, Uni Hamburg] eq [ cm -2 ] N eff [ cm -3 ] 5

6 Defekte particle Si s Vacancy + Interstitial E K > 25 ev Point Defects (V-V, V-O.. ) Frenkel pair V E K > 5 kev clusters I Influence of defects on the material and device properties charged defects N eff, V dep e.g. donors in upper and acceptors in lower half of band gap Trapping (e and h) CCE shallow defects do not contribute at room temperature due to fast detrapping generation leakage current Levels close to midgap most effective 6

7 Device engineering Isolation von Detektorstrukturen n+-side readout p+ strip 1 strip oxide n+ n+ p- substrate Rückseitenkontakt 3 Möglichkeiten: electron layer isolation structure needed to interrupt the inversion layer between the strip p-spray p-stop p-spray/p-stop S1 S2 S1 S2 S1 S2 high-field regions C int, V BR improve with radiation (O ox ), worse initially high-field regions C int, V BR degrade with radiation (O ox ), better initially high-field region depends on Q ox compromise 7

8 Materialauswahl Main Selection Parameters Main Operative Characteristics Main Material Characteristics High CCE Low noise Low power High speed Cost-effective Negligible trapping effects High E field close r-o elect. Low leakage current Low dielectric constant Low full depletion voltage High mobility & saturation field High crystalline quality & negligible rad-induced deep traps No type inversion big bandgap Thin thickness High resistivity but: higher e-h creation energy but: higher capacitance Commercially available in large scale 8

9 Vom Silizium zum Detektor : Waferbeschaffung uploads/2011/12/ed_ x826.jpg DST_Fischer_12_Herstellung.pdf Silicon Wafer Edge Grinding siliconmaterials.com Voraussetzungen für strahlungsharte Detektoren für Hochenergie-Physik-Experimente Silizium Wafer Supplier Okmetic Company Presentation Atte Haapalinna June 18th, 2009 hochreines Silizium defektarm / Defektengineering hoher Sauerstoffgehalt geringer Kohlenstoffgehalt defektfreie Oberflächen: doppelseitig perfekt poliert geringste mechanische Spannungen, kantenverrundet geringster TTV und Bow 9

10 Vom Silizium zum Detektor Layout Maskensatz Technologie- und Devicesimulation Technologieengineering Defektengineering Waferlinie Maskenherstellung extern 10

11 Vom Silizium zum Detektor Hochtemperatur Sauerstoffanreicherung (DOFZ) Oxidation Belackung Photolithographie externer Implantationsservice 11

12 Vom Silizium zum Detektor Strukturierung Nassbank LP CVD Rinser Dryer 12

13 Vom Silizium zum Detektor Sputtern AlSi, AlSiCu, Ti Prozesskontrolle Trockenätzung ATLAS WEDGE W22 13

14 Vom Silizium zum Detektor UBM Ti + Ni + Au Wafertest Experiment Lift-off-Maske Kollaboration Lieferung 14

15 Vom Silizium zum Detektor Alternatives UBM galvanisch abgeschieden Wafertest Nickelbump (Querschnitt) 15

16 Vom Detektorchip zum Detektormodul 16

17 Vom Detektorchip zum Detektormodul 17

18 Analyse REM & FIB & SEM SIMS Optimierung Fehlersuche 18

19 Prozessierung verschiedener Typen ATLAS WEDGE ATLAS PIXEL CMS PIXEL (LHC) ALICE-S2 ATLAS PIXEL IBL CMS PIXEL (LHC upgrade) HERA-B H1PHI AMS02 D0 F768 Fermilab N768 Los Alamos BTeV National Lab Eurisys Measures STAR MEGA XPAD-02 IMXPAD CBM PANDA 19

20 Prozessierung verschiedener Typen LHCb HEP LHC ALICE Prototyping EURISYS Wafer ALICE-S2 Canberra Semiconductor N.V Wafer ALICE-S Canberra erhält Industrial Award CMS ALICE ATLAS HEP LHC ATLAS MPI Halbleiterlabor München Technolgietransfer Entwicklung ATLAS PIXEL Technologie Prototyping W21 W Prototyping W12 DOFZ (2930) Wafer ATLAS WEDGE 20

21 Prozessierung verschiedener Typen HEP LHC CMS Paul-Scherrer-Institut Villigen CH Entwicklung CMS PIXEL Entwicklung Lift-off-Maskierung und UBM Prototyping CMS PIXEL Detektor Wafer CMS PIXEL mit UBM (Ti + Ni + Au) [1315 good tiles] 2009 CMS Gold Award Entwicklung CMS PIXEL für LHC-upgrade ermöglicht alternatives UBM und Bumping 200 Wafer (DESY, KIT, Natioal Taiwan University) HEP LHC ATLAS Entwicklung ATLAS PIXEL doppelseitiger Prozessierung Preserie 30 Wafer ATLAS PIXEL Prozessierung 866 (800) Wafer 2395 good tiles ATLAS PIXEL 2007 CERN ATLAS Supplier Award 2010 dünne Wafer ATLAS PIXEL [IBL] 150 µm, 175 µm, 200 µm, 225µm, 250 µm 2012 Layoutvariationen ATLAS PIXEL Prozessierung 150 Wafer ATLAS PIXEL IBL 2013 Prototyping Quadsensor 4inch (6inch Ende 2013) CMS ALICE LHCb ATLAS CR AMS Lomonosov Moscow State University Entwicklung AMS Wafer AMS02 21

22 Prozessierung verschiedener Typen HEP am DESY DESY Zeuthen Entwicklung H1PHI Detektor Wafer Detektor Wafer (Austausch nach Havarie) HEP Fermilab Eurisys Measures Entwicklung erster doppelseitger Mikrostreifen-Detektor diverse Prototypings Fermilab BTeV 2006 Entwicklung und Auftrag (storniert) HEP GSi Universität Hamburg 1999 Kooperationsvertrag FuE Institut für Experimentalphysik Prof. Lindström 2001 R&D Proposal LHC /P6 DEVELOPMENT OF RADIATION HARD SEMICONDUCTOR DEVICES FOR VERY HIGH LUMINOSITY COLLIDERS RD DSD pad-dioden ( Untersuchungen zur Wirksamkeit der Sauerstoffanreicherung von FZ-Wafern (DOFZ) zahlreiche Variatione pad-dioden Defektengineering zur Strahlenhärte RD50 (G. Lindström & E. Fretwurst) FAIR (CBM und PANDA) 2005 erste Kontakte verschiedene Waferentwicklungen CBM01 CBM05 22

23 CERN ATLAS Supplier Award

24 CMS Gold Award

25 FuE Aktivitäten mit unmittelbaren Bezug auf HEP - Detektoren DSD Entwicklung doppelseitiger Technologiemodulen zur Prozessierung von strahlenharten Mikrostreifen- und Pixel-Detektoren BMWi SRD Entwicklung von strahlungsresistenten Detektoren BMWI 02/2002 MUZ Erhöhung der Strahlenhärte mittels Wafer-Zonen-Engineering BMWI 03/2006 SSD Bessere Strahlenhärte von HEP-Detektoren durch Defekt-Engineering BMWI 06/2007 SPM Entwicklung von Siliziumphotomultiplier BMWI FSD Entwicklung eines bestrahlungsresistenten Strahlungsdetektors mit neuer Isolierungstechnik BMWI MPSPM Entwicklung eines Mikropixelsiliziumphotomultipliers BMWI Talent Planar pixel sensor development for high-resolution imaging and particle physics EU

26 CiS Forschungsinstitut Kontakt Konrad-Zuse-Straße Erfurt Geschäftsführer: Dr. H-J. Freitag 26

27 Übersicht Strahlungsdetektoren im CiS Kundenspezifisches / Anwendungsspezifisches Design Technologieentwicklung, Technologie- und Device-Simulation Technologieanpassung # Defektengineering # Back-end-Prozesse Layout und Maskensatz FuE Kapazitäten Flexible eigene Waferfertigung 4inch, 6inch teilweise / im Aufbau Prototyping Serienfertigung (einige Tausend Wafer p.a.) Kombination mit MEMS-typischen Technologiemodulen (3D-Strukturierung) Wafertest und Analyse Aufbau- und Verbindungstechnik Chip trennen und konfektionieren Testaufbauten Netzwerk CERN RD50 FuE-Kooperationen: z.b. TU Dortmund EU-Projekt TALENT 27

28 Anforderungen große Flächen (4inch 10 ~40 cm² 6inch 10 ~40 cm² ) hohe Strahlenhärte LHC upgrade Luminosität bis cm -2 s -1 Fluenz bis zu cm -2 (IBL 2*10 16 n eq) sehr kleine Leckströme (10 15 na cm - ²) besonders nach dem Dicing auch nach Bestrahlung Defektfreiheit schnelle Detektion reduced bunch-crossing interval 10 ns Luminosity [cm -2 s -1 ] [fb -1 ] 2,0E+34 1,5E+34 1,0E+34 5,0E+33-4,8E+19 to nominal - lumi to ultimate - lumi 2020 Integrated luminosity

29 Technische Spezifikationen Sensitive Basiselemente pad Detektoren / Flächen -Detektoren Fläche: 1 mm² 1 cm² (25 cm²) Mikrostreifen pitch 50 µm Pixel min. Pixel-Größe 50 µm 50 µm ADP min. Pixel-Größe 20 µm 20 µm abgedünnte Detektorchips microns Waferdicke µm 29

30 Ausführungsoptionen Substrat Typen Biasing p-typ oder n-typ FZ Wafer Ohmcm p-typ oder n-typ CZ resp. MCZ Wafer 500 Ohmcm Epitaktische Schichten Dicke micron resistivity Ohmcm Waferdicke (150) 200 µm (abhängig von Verrundung) punch-through Lizenz seit 1999 FOXFET implantierte Widerstände Poly-Silizium Widerstände Read out kapazitiv gekoppelte Ausleseschaltung (ac coupled detector structures) direkt gekoppelte Ausleseschaltung (dc coupled detector structures) 30

31 Ausführungsoptionen Isolation p-spray moderated p-spray (Lizenz seit 1999) p-stop etched trenches multi-guard Ring Kunden-/anwendungsspezifisches Design: Chip- und Waferlayout, Teststrukturen (pad-dioden, MS-Minidetektoren, Kondensatorchips) n-in-n, p-in-n, n-in-p, Wafer, Chips, Testdetektoren, Testrukturen Special Offers Multi-Chip resp. Multi-Project-Wafer Services 31