Il laboratorio Pixels a Udine

Transcript

1 Il laboratorio Pixels a Udine M. Cobal, Dipartimento di Fisica, Universita di Udine - ATLAS ed il Rivelatore a Pixels - Il ruolo di Udine: un po di storia... - I test di qualita sui sensori al Silicio - Risultati -Conclusioni

2 Length 44 m Diameter 22 m Weight ~7000 t Electronic Channels 108 ~150 institutions ~1800 physicists ATLAS s = 14 TeV collision rate = 25ns Tracking ( η <2.5, B=2T) Silicon Pixel Silicon Strips Transition radiation tracker Calorimeter ( η <5) EM: Pb-LAr Had: Fe/scintillator Muon spectrometer ( η <2.7) Large Air-core toroids with muon chambers

3 Inner Detector Pixel detector 50x400 µm pixel canali SCT 80 µm x 12 cm strip canali TRT 4 mm radius straw tubes canali

4 Il rivelatore a Pixels Rivelatore a Pixels: parte piu centrale dell ID. Consiste di di 3 strati centrali (r int =5cm, r ext =12cm) e 3+3 dischi in avanti. 1.7m 2 di area sensibile con 67M (barrel)+13m (per disco) di canali ~380 mm ~1850 mm

5 I Moduli Minima unita del rivelatore (1456 nel barrel, 288 nei dischi) Area sensibile (tegola di sensori pixel al silicio) letta da 16 chips connessi via bump bonding ai sensori. I chips sono controllati da un Module Controller Chip (MCC). Routing del segnale effettuato da un circuito Flex-Hybrid incollato alla faccia inferiore del sensore MCC Flex Hybrid sensor FE chip FE chip

6 La dose totale nel layer di mezzo e : 50 Mrad, in 10 anni di presa dati Per poter prendere dati con tali livelli di radiazione si e sviluppato il seguente disegno: n+ pixel in materiale di tipo n-bulk: µm 2 Isolamento p-spray moderato Bias grid per permettere test prima dell assemblaggio dei moduli. Silicio ossigenato per migliorare la resistenza alle radiazioni ed aumentare il tempo permesso di permanenza a temperatura ambiente.

7 Un po di storia 1995: Il progetto di Udine (occuparsi del test dei sensori del rivelatore a Pixels in ATLAS) e approvato dall INFN (riunione Gruppo-1 di Genova) 1996: l INFN finanzia strumentazione, probe station e software per la progettazione. l Universita finanzia la costruzione della camera pulita. - La biblioteca del Dipartimento diventa laboratorio! - Alla fine del 96 gli strumenti per IV e CV sono in funzione, esiste un deposito per sorgenti radioattive, si progettano le strutture di test.

8 1997: - Febbraio: costruita la camera pulita da una ditta di prefabbricati metallici (costi tagliati di un fattore 4) Supporto in cemento ordinato da una ditta locale - Marzo: probestation installata - Novembre: arrivano i primi wafers Seiko che vengono testati a Udine. Ordinata la probe card 1998: Acquistati la camera climatica, il freezer, la macchina wire bonder ed un oscilloscopio. 2001: Sono scelte due ditte: CIS e Tesla: cominciano preproduzione (14 CIS+14 Tesla) e test di preproduzione. 2002: Cominciano produzione e test di produzione dei wafers finali

9 Responsabilita Misurare 500 tegole buone (circa 200 wafer) su un totale di 2000 (1000 CIS+1000 Tesla) prodotte. Gestire la spedizione dei wafer/dice tra le ditte e i laboratori, fungendo da centro di smistamento. Gestire il DataBase di archiviazione delle misure per il rivelatore a pixel. Responsabile laboratorio: D. Cauz

10 Charge collection efficiency (meas) n+ implants and bias grid

11 The sensor wafers P-side N-side Tile 1 Tile 2 Tile 3 Ogni tile (16.4 x 60.8 mm 2 ) contiene 328 x 144 celle a pixels di dimensioni 50 µm x 400 µm, 250 µm di spessore.

12 Il laboratorio Costituito da una parte esterna per il test dei rivelatori assemblati e da una camera pulita (18 m 2 ) per maneggiare i wafers sensori ed i chip di elettronica Pavimento realizzato con uno speciale materiale plastico per ridurre la possibilita di scariche elettrostatiche. Aria condizionata e de-umidificatori per garantire temperatura ed umidita richieste dal protocollo di misura Nella camera pulita, una probe-station semi automatica e montata all interno di una camera oscura realizzata in acciaio.

13 PC di acquisizione elettronica Anticamera Armadi di stoccaggio Camera pulita Probe station Armadio bombole N 2 microscopi

14 La camera pulita

15 Strumentazione: 1 Keithley 237 (1000 V voltage source picoamperometro) 1 HP 4284A LCR metro 20Hz 1MHz Controllati mediante PC via GPIB e software Labview Stazione di prova: posta su di un blocco di granito, di ~ 500 kg per garantire stabilita. Chuck motorizzato: movimenti in X-Y-Z controllati via PC, aghi per avere contatto elettrico alle due facce del wafer Generatore di voltaggio Picoamperometro Microscopio Olympus SZ60 equipaggiato con videocamera CCD connessa ad un PC.

16

17 Per testare silici a doppia faccia e necessario uno speciale chuck presurizzato.

18 Probe chuck a due lati con tubi pneumatici di azionamento punte

19 Tubi peumatici, presurizzati uno alla volta, vengono connessi, attraverso un sistema di valvole, ad una linea di gas a 6 bar.

20 Protocollo di misura dei test di qualita I test di qualita sui wafers sono effettuati in accordo con l ATLAS Pixel Sensor Quality plan. Test di tipo ottico, meccanico ed elettrico da realizzarsi nei vari siti in condizioni standard di temperatura (20 o C< T< 24 o C), umidita (< 50%), in camera pulita, con filtri per l aria e condizionatori. Per garantire risultati confrontabili lungo tutto il periodo di misura e tra i vari laboratori, si effettuano calibrazioni e crosscalibrazioni.

21 Test ottici e meccanici Ispezione visuale: Per ogni wafer, prima delle misure controllo allineamento strutture di masking disallineamento < 2µm identificazione di irregolarita o difetti meccanici

22 Esempio di ispezione visiva

23 Per 1 wafer scelto a caso da ogni batch: Misure di planarita Per un wafer scelto a caso da ogni batch vengono misurate le coordinate su di una matrice di punti (13x13) che coprono quasi tutta la superficie del wafer. Coordinata z: determinata misurando la posizione della tavola e assumendo una ideale focalizzazione delle immagini acquisite con la camera CCD. La posizione del piano di focalizzazione e determinata usando un algoritmo di massimizzazione, che da: σ < 4µm

24 Misura di planarità

25 L acquisizione e l analisi sono completamente automatiche: il tempo richiesto e < 50 s per punto. Planarita P : distanza tra i due piani paralleli al piano medio che inviluppa la matrice di punti. Deve essere P < 40µm. Misure di spessore Viene misurata la distanza tra due settori di test opposti, con un micrometro I due spessori devono risultare < 260µm La differenza tra i due valori misurati deve essere < 10µm

26 Test elettrici Quantita rilevanti Depletion Voltage V dep : voltaggio per il quale si raggiunge il plateau nel plot C-V (normalmente 50 V < V dep < 120 V) Operational Voltage V op : max(150 V, V dep +50V) Resistivita : d 2 / (2V dep µ e ε si ε 0 ) o d = spessore del sensore o µ e = 1427cm 2 /Vs mobilita degli elettroni o ε si = 11.75, costante dielettrica del Silicio o ε 0 = pf/µm, permittivita Breakdown voltage V bd : Voltaggio max a valore di corrente I < 2mA per tiles, I< 100nA per single chips, ed I<25nA per diodi. Slope di corrente : I op /I 50.

27 Misure di Capacita -Voltaggio Ogni wafer contiene diverse strutture di sensori (tegole, diodi,singoli chips e mini chips) che devono essere testati Il lato ad alto voltaggio di un LCR-metro e connesso al diodo da misurare sul lato p. L anello metallizzato del diodo sul lato n e connesso al lato a basso voltaggio (terra) L alto voltaggio viene variato da 0V a V bd o 200 V, a seconda di quale sia il maggiore in valore assoluto. Si richiede che: 1) 30 V V dep 120 V prima dell irraggiamento, 2) V dep 200 V dopo l irraggiamento 3) 2000Ωcm ρ 5000Ωcm

28 Misure di Corrente-Voltaggio Alto voltaggio viene applicato al pad di contatto metallizzato sul lato p. Il bias grid sul lato n e connesso ad un picoamperometro, a sua volta connesso al lato a basso voltaggio della sorgente di voltaggio. L alto voltaggio viene aumentato da 0V a 500 Si richiede che: 1) V bd V op 2) current slope < 2 3) I 600 < 800 µa (equivalente a 36 µa a 10 o C) (importante per i microchip dopo irraggiamento)

29 b C-V diodes I-V tiles I-V Single-chip I-V Mini-chip

30 Misure di Stabilita della corrente 1 tile scelta da un wafer di ogni batch viene misurata dopo che sul wafer sono state effettuate tutte le misure. HV = -V op Corrente I misurata ogni 10 sec per almeno 15 ore. Slope = I end /I start 1.3 CIS CIS

31 Update sulla produzione CiS ha fornito le ~250 tegole (100 wafers) ad Udine 165 caratterizzate a Udine (~ 66 wafers, 4% scartati ancora 50 da misurare) Tesla dopo la verifica positiva post irraggiamento dei loro ultimi sensori (i prototipi avevano mostrato aumento di rumore) ha inviato il nuovo contratto che prevede la produzione in 6 mesi (25%: 31/1/04, 50%: 28/2/04, 75%: 31/3/04, 100%: 31/5/04). Tegole/mese

32 Risultati test ottico-meccanici Visual inspection: Preproduction Production CIS(%) Tesla(%) CIS(%) (14 wafers) (10 wafers) (60 wafers) Visible damages to wafer Scratch pattern correctness Visible mask misalignment 78.6 p-side 80.0 p-side 66.3 p-side 71.4 n-side 90.0 n-side 65.0 n-side

33 Planarita Preproduction Production CIS(%) Tesla(%) CIS(%) (14 wafers) (10 wafers) (20 wafers) Planarity < 40 µm Spessore Queste misure non sono state ancora effettuate, in quanto vanno fatte sui wafers tagliati che non sono ancora stati inviati al nostro laboratorio

34 Risultati test elettrici Misure Capacita -Voltaggio: Preproduction Production CIS(%) Tesla(%) CIS(%) (14 wafers) (10 wafers) (60 wafers) 30 < V dep < 120 V Ωcm < π < 5000 Ωcm

35 Misure Corrente-Voltaggio: Preproduction Production CIS(%) Tesla(%) CIS(%) (14 wafers) (10 wafers) (60 wafers) Tile V bd >V op & slope Single-chip Mini-chip good tiles (5 wafers) (4 wafers) 2 good tiles (9 wafers) (4 wafers) 1 good tiles (1 wafers) (2 wafers)

36 Altre responsabilita in ATLAS Il gruppo ATLAS Udine NON e impegnato solo nei controlli-qualita Responsabilita Monitoring pixels nei test beam standalone e combinati (L. Santi/M. Cobal) Responsabilita scrittura/gestione Bytestream per il rivelatore a pixels (L. Santi) Coordinazione del gruppo di Fisica del quark top in ATLAS (M. Cobal) Coordinazione dei test beam standalone del rivelatore a pixels (M. Cobal) Coordinazione fisica test beam ATLAS combinato 2004 (M. Cobal) Co-coordinazione gestione database per il rivelatore a pixels. (G. Cabras)

37 Conclusioni Un laboratorio per il test dei pixels per l esperimento ATLAS e stato realizzato al Dipartimento di Fisica dell Universita di Udine I test di qualita sui sensori sono adesso una procedura ben sotto controllo I test dei wafers di produzione della CIS (~100) sono in fase di completamento. Quelli della Tesla cominceranno all inizio del prossimo anno. Il rate di misura e di circa 1 wafer/giorno Udine continua a soddisfare l impegno preso in ATLAS nei tempi previsti