3D Sensors for the ATLAS HL-LHC Pixel Upgrade and Future Colliders

Abstract

Aquesta tesi tracta el desenvolupament, la fabricació i la caracterització de

detectors de silici 3D fabricats al Centre Nacional de Microelectrònica

(IMB-CNM) de Barcelona. Degut a l’actualització del High Luminosity-

LHC del detector ATLAS i el possible Future Circular Collider, és necessària

una investigació exhaustiva dels detectors de píxels 3D, utilitzats com

sensors de traça de partícules. Cal avaluar les capacitats

del detector i s’ha de desenvolupar una nova generació de dispositius que

sigui capaç de complir amb els estrictes requisits dels col·lisionadors més

potents. Els detectors de píxels 3D, ja emprats en Inserible B-Layer

(IBL) i en l’ATLAS Forward Proton (AFP) (tots dos instal·lats en el detector

ATLAS), es van fabricar amb tecnologia de doble cara amb una cel·la de píxel

de 50x250 μm2 i gruix de 230 μm. La nova generació de sensors 3D

per al detector Inner Tracker (ITK) d’ATLAS es fabricarà en tecnologia

d’una sola cara amb cel·les de píxels de 50x50 μm2 i 25x100 μm2 i un

gruix de 150 μm. La disminució de la mida dels píxels ve dictada

per motius d’ocupació i té com a objectiu millorar la resolució espacial.

Al passar de la primera (detectors 3D fabricats amb tecnologia de doble cara)

a la nova generació (detectors 3D fabricats amb tecnologia d’una sola cara), es va produir un lot de I+D

amb oblies de 230 μm de gruix i amb cel·les de píxels més petites;

una investigació dels detectors de silici 3D irradiats a fluències com

les esperades per al ITK és el tema de el capítol 3. A continuació, els

capítols 4 i 5 estan dedicats als passos més importants per a la fabricació

dels detectors en tecnologia d’una sola cara que es descriu en

el capítol 6. Es presenten els detectors de píxels 3D amb nou disseny

i la caracterització elèctrica es realitza a nivell d’oblia. Finalment, els

dispositius pertanyents a les dues generacions són irradiats a fluències

extremes i es presenta una primera investigació com a possibles detectors

per a futures instal·lacions de col·lisionadors més potents.

Esta tesis está dedicada al desarrollo, a la fabricación y a la caracterización de los

detectores de silicio 3D fabricados el en Centro Nacional de Microelectrónica

(IMB-CNM) de Barcelona. En vista de la actualización de Alta Luminosidad-

LHC del detector ATLAS y el posible Future Circular Collider, una investigación

exhaustiva de los detectores de pixeles 3D, utilizados como sensores de traza de

partículas, es necesaria. Es necesario evaluar las capacidades del detector y

se debe desarrollar una nueva generación de dispositivos que sea capaz de cumplir

con los estrictos requisitos de los colisionadores más potentes.

Los detectores de pixeles 3D, ya empleados en Insertable B-Layer

(IBL) y en ATLAS Forward Proton (AFP) (ambos instalados en el detector ATLAS),

se fabricaron con tecnología de doble cara con una celda de pixel de 50x250 µm2

y un espesor de 230 µm. La nueva generación de sensores 3D para el detector Inner Tracker (ITk) de ATLAS

se fabricará en tecnología de una sola cara con celdas de 50x50 µm2 y 25x100 µm2 y un

grosor de 150 µm. La disminución del tamaño de los píxeles viene dictada

por motivos de ocupación y tiene como objetivo mejorar la resolución y el

nivel de tolerancia a la radiación. Al pasar de la primera (detectores 3D

fabricados con tecnología de doble cara) a la nueva generación (detectores

3D fabricados con tecnología de una sola cara), se produjo un lote de I+D

con obleas de 230 µm de espesor y con celdas de pixeles más pequeñas;

una investigación de los detectores de silicio 3D irradiados a fluencias como

las esperadas para el ITk es el tema del capítulo 3. A continuación, los

capítulos 4 y 5 están dedicados a los pasos más importantes para la fabricación

de los detectores en tecnología de una sola cara que se describe en

el capítulo 6. Se presentan los detectores de pixeles 3D con nuevo diseño

y la caracterización eléctrica se realiza a nivel de oblea. Finalmente, los

dispositivos pertenecientes a las dos generaciones son irradiados a fluencias

extremas y se presenta una primera investigación como posibles detectores

para futuras instalaciones de colisionadores más potentes.

This thesis is devoted to the development, fabrication and characterisation

of the 3D silicon detectors fabricated at the Centro Nacional de Microelectronica

(IMB-CNM) in Barcelona. In the view of the High Luminosity-LHC

upgrade of the ATLAS detector and the possible Future Circular Collider,

a thorough investigation of the 3D pixel detectors, used as a tracking sensors,

is necessary. The detector capabilities have to be evaluated and a

new generation of devices that is able to fulfill the stringent requirements

of the more powerful colliders must be developed. The 3D pixel detectors,

already employed in Insertable B-Layer (IBL) and in ATLAS Forward Proton

(AFP) (both installed in ATLAS detector), were fabricated in double

sided technology with a pixel cell of 50x250 µm2 and thickness of 230 µm.

The new 3D sensor generation for the Inner Tracker (ITk) of ATLAS detector

upgrade will be fabricated in single sided technology with pixel cells of

50x50 µm2 and 25x100 µm2 and thickness of 150 µm. The decrease of the

pixel dimensions are dictated by occupancy reasons and aims to improve

the resolution and the level of the radiation tolerance. In going from the

_rst (3D detectors fabricated in double sided technology) to the novel generation

(3D detectors fabricated in single sided technology), a R&D batch of

230 µm thick wafers with smaller pixel cells was produced; an investigation

of the 3D silicon detectors irradiated at fuences such as those expected for

the ITk is the subject of chapter 3. Following that, chapters 4 and 5 are

devoted to the more important steps for the manufacturing the detectors in

single sided technology which is described in chapter 6. The 3D pixel detectors

with new design are presented and the electrical characterisation is

performed at the wafer level. Finally, the devices belonging to the two generations

are irradiated at extreme fuences and first investigation as possible

tracking detectors for future more powerful collider facilities is presented.