Design, fabrication and characterization of semiconductor radiation sensors for future high energy physics experiments

Abstract

Aquest treball se centra en els sensors de radiació de silici, especialment en el disseny, la fabricació i la caracterització dels sensors de microstrip per a experiments en física d'alta energia. La creació de prototips per a l'actualització del detector ATLAS (sensors Petalet) i la proposta d'una estructura de protecció contra pèrdues de feix (sensors LowR) són el marc de les activitats de recerca. A causa de les complexes geometries dels prototips a construir, es va desenvolupar una eina de software semiautomàtic en Python per reduir el temps de disseny de les màscares i elaborar tots els dissenys de màscares necessaris per als passos fotolitogràfics. Aquesta eina de software es va utilitzar juntament amb software industrial estàndard per a les dues activitats de recerca. La tecnologia base considerada és el procés CMOS estàndard al IMB-CNM, que ja ha produït sensors de radiació de silici en el passat. Es van necessitar modificacions de la tecnologia base per complir els requisits dels prototips, com l'augment de l'òxid entre la implantació del strip i el metall de lectura per disminuir la capacitat de acoblament i augmentar la seva tensió de rupture, o una capa metàl·lica addicional que incloïa adaptadors encastats per a un millor contacte amb lelectrònica. Es van necessitar més modificacions per a les estructures de protecció proposades, com els òxids de diverses capes dipositades a baixa temperatura sobre el metall de lectura, o utilitzar polisilici d'alta densitat com a alternativa per reduir la resistivitat del strip. Les estructures de prova també es van dissenyar i fabricar per realitzar proves elèctriques i òptiques durant el procés de fabricació i abans que es tallessin els sensors, com a part d'un programa de verificació complet. Els sensors fabricats es van caracteritzar elèctricament i es van enviar als instituts de col·laboració per fer-ne més proves. Els sensors Petalet també van ser transportats a Freiburg, Alemanya per muntatge elèctric i mecànic amb electrònica de lectura i es van realitzar proves a nivell de detector. Els sensors LowR van ser transportats a Santa Cruz, EUA per realitzar una simulació dinàmica de la pèrdua de feix mitjançant un làser centrat i verificar l'efectivitat de la solució proposada.

This work focuses on silicon radiation sensors, particularly on the design, fabrication and characterization of microstrips sensors for high energy physics experiments. Building prototypes for the ATLAS detector upgrade (Petalet sensors) and the proposal of a protection structure against beam losses (LowR sensors) are the framework for the research activities. Due to the complex geometries of the prototypes to be built, a semi-automatic software tool was developed in Python to reduce mask design time and elaborate all the required mask layouts for the photolithographic steps. This software tool was used together with standard industrial software for both research activities. The baseline technology considered is the standard CMOS process at IMB-CNM, which has already produced silicon radiation sensors in the past. Modifications of the baseline technology were needed to fulfil the requirements of the prototype sensors, such as increase of the oxide between strip implant and read-out metal to decrease the coupling capacitance and increase its breakdown voltage, or an additional metal layer to included embedded pitch adaptors for better wire bonding. Further modifications were needed for the proposed protection structures, such as low temperature deposited multi-layer oxides on top of read-out metal, or use high-density polysilicon as an alternative to reduce the strip resistivity. Test structures were also designed and fabricated to perform electrical and optical tests during the fabrication process and before the sensors were cut, as part of a full verification program. The fabricated sensors were fully electrically characterized and delivered to collaboration institutes for further testing. The Petalet sensors were also taken to Freiburg, Germany for mechanical an electrical assembly with read-out electronics and detector level tests were performed. The LowR sensors were taken to Santa Cruz, USA to perform dynamic simulation of a beam loss by using a focussed laser and to verify the effectiveness of the proposed solution.