R&D per il tracciatore di fase-2

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1 R&D per il tracciatore di fase-2 Claudia Gemme (INFN Genova) Atlas Italia, Upgrade Session, Bologna 16 Gennaio

2 Inner Tracker Detector Phase-II ü Inner Detector Disegnato per operare per 10 anni a L= 1x10 34 cm -2 s -1 con <u> 25ns, L1= 100 khz ü Fattori limitanti a HL-LHC per l attuale tracciatore Saturazione della banda (Pixel, SCT) Occupanze troppo elevate (TRT, SCT) Danno da radiazione (Pixels (SCT) designed for 400 (700) fb -1 ) LoI layout new (all Si) ATLAS Inner Tracker (ITK) for HL-LHC. Barrel Strips Forward Strips 80à 638 Mpixels 6 à 74 Mstrips 8.2 m 2 with 638 Mpixel Barrel in z longer Pixels cover η < 2.7 Altri layout considerati. Barrel pixel Forward pixel 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 2

3 Inner Tracker Detector Phase-II ü Layout definito nella LOI Tracciamento robusto (14 hits) Occupanza <1% per <µ>=200 Materiale ridotto (fattore 5 per η <1) rispetto all ID Paragonabile/migliore b-tagging performance a <µ>=200 con nell ID attuale a <µ>=0 Num. Hits vs η Occupancy for <µ>=200 (in %) 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 3

4 Tracciatore e trigger Adding tracking information at L1 Move part of High Level Trigger (HLT) reconstruction into L1 Goal: keep thresholds on p T of triggering leptons and L1 trigger rates low Triggering sequence 4 L0 trigger (Calo/Muon) reduces rate within ~6 µs to 500 khz and defines RoIs. Improve calo and muon trigger granularity (already in Phase 1). Further trigger (L1) within latency of 20 µs uses data from tracker front-ends in ROIs to search for high-p T tracks. No impact (yet) on the detector layout i.e. no selfseeded trigger with double layer for high-p T cut.

5 Read-out Front-End in tecnologia a 65 nm ü Usare tecnologia a 65 nm consente una riduzione di un fattore 4 della parte digitale rispetto all attuale tecnologia IBL e quindi rende possibili anche pixel piu piccoli. ü Sviluppo per HL-LHC e partito in congiuntura ATLAS-CMS Collaborazione RD53 Alcuni prototipi di celle gia costruiti. FE- xy Target pixel size: 125x 25 um 2 Soglia 1 ke -, rumore < 200 e - 1 GHz/cm 2 à 30 khz/pixel Power budget < 350 mw 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 5

6 Possibili sensori per ITK - I ü Standard pixel ibridi: Read-out veloce Buon SNR Elettronica ad alta densita Alto material budget Alto costo (chip+sensori +ibridizzazione) 75 um ü Possibilita di usare diversi tipi di sensori Planari Funzionanti a 2x10 16 neq/cm 2 ma con alta bias. Fino a 1.5kV per 150 um e 6ke di segnale. n in n (inner), n in p (outer layers) slim edges (con ottimizzazione del guard ring a la IBL). 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 6

7 Possibili sensori per ITK - I ü Standard pixel ibridi: Read-out veloce Buon SNR Elettronica ad alta densita Alto material budget Alto costo (chip+sensori +ibridizzazione) ü Possibilita di usare diversi tipi di sensori 3D La carica raccoltaaspettata e ~7 ke anche con alte dosi di irraggiamento con Vbias ~200 V. Tuttavia i processi di produzione sono complessi, e lo yield basso, portando a costi/cm 2 elevati Opzione solo per inner layers 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 7

8 Possibili sensori per ITK - I ü Standard pixel ibridi: Read-out veloce Buon SNR Elettronica ad alta densita Alto material budget Alto costo (chip+sensori +ibridizzazione) ü Possibilita di usare diversi tipi di sensori Diamante Diamante richiede alta Vbias e basse soglie (2 ke di segnale 2x10 16 ), ma S/N potenzialmente migliore che Si ad alta fluenza. Costi di produzione elevati e basso yield (DBM ma non IBL). 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 8

9 Possibili sensori per ITK - II ü Pixel monolitici: uso per bassa fluenza e occupanza. Ad es: DEPFET: Belle II MAPS: STAR@RHIC e prossimo ALICE ITS ü Pro/cons: + cheap + low material + good resolution (small pixels) - not very radiation hard - small signal (little depletion) - slow readout 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 9

10 Possibili sensori per ITK - II ü Pixel monolitici: uso per bassa fluenza e occupanza. Ad es: DEPFET: Belle II MAPS: STAR@RHIC e prossimo ALICE ITS ü Pro/cons: + cheap + low material + good resolution (small pixels) - not very radiation hard (charge collection by diffusion) - small signal (little depletion) - slow readout Un passo intermedio per il prototipaggio di pixel monolitici in HL-LHC e un sensore attivo che contenga uno stadio di preamplificazione o la circuiteria analogica. 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 10

11 Possibili sensori per ITK HV-CMOS Bonn-CERN-CPPM-Geneva-Goettingen-Glasgow-Heidelberg-LBNL ü Molto interessante e HV-CMOS. ü Si usa tecnologia CMOS permette di abbattere costi: Tecniche industriali, piu vendor Wafer da 8-12 HV-CMOS consente di applicare V (d ~ ρv) per avere charge drift e quindi avere sufficiente radhardness e buona risoluzione temporale. ü Svantaggi Segnale molto piccolo ~1ke quindi necessaria una preamplificazione nel sensore attivo (MIP rilascia 800 e in 10µm, typ spessore attivo) Tecnologia ancora non matura, bisogna convergere per il TDR! ü Vantaggi: Pixel piccoli per avere basso rumore (33x 125 um 2 ), depletion molto sottile (~10 20 µm) alta risoluzione spaziale Preamplificazione rende AC coupling al FE possibile: si evita un processo costoso (bump-bonding) e si fa un incollaggio (spessore 5um) di precisione (piu facile?). Radiation-hardness. 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 11

12 Possibili sensori per ITK HV-CMOS ü Stato attuale Alcuni prototipi costruiti: 6 pixel CMOS (33x125 um 2 ) accoppiati con 2 pixel FEi4 readout (50x250 um 2 ) Testati prima/dopo irraggiamento Capito: indicazioni che regge 1 Grad e danno NIEL. Segnale con sorgenti e fascio visti, S/N buono. Risultati preliminari sono incoraggianti, ma per arrivare ad avere moduli soddisfacenti requisiti ITK moltissimi passi da fare. 1e15 neq/cm2 (ma ok anche 1e16 neq/cm2 Test Beam Occupancy 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 12

13 ITK e possibili sensori ü Hybrid Pixel ~ 100 EUR/cm 2 ü Monolithic Sensors ~10 EUR/cm 2 HV_CMOS ~50 EUR/cm 2 ü Inner layers (r< 15 cm) hybrid pixels (65nm) low cost ü Outer layers (r > ~ 15 cm) low cost hybrid pixels or monolithic/active sensors ü Aumento della fluenza fino a 3000 fb neq/cm 2 vicino alla beam pipe IBL Pixel 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 13

14 Tracker in Italia ü Nonostante con IBL la comunita pixel si sia sensibilmente allargata (13à 45 istituti), i gruppi italiani hanno mantenuto e rafforzato il loro ruolo e le loro competenze. ü Sensori/Moduli: soprattutto grazie alla collaborazione con FBK (e CNM). ü DAQ/HW: design del nuovo ROD con Bologna per IBL e Layer-2 ü DAQ/SW: stretta collaborazione con HW e monitoring. ü DCS: regolatori di LV e Flex hybrids ü Meccanica di supporto ü L impegno su IBL diminuira in misura significativa nei prossimi mesi. ü ci permette di spostarci su attivita di R&D, che porteranno alla scrittura del TDR nel 2015/16. ü Paolo Morettini (Pixel ITK coordinator!) sta organizzando l organigramma del Pixel detector. ü Organizzazione dell attivita italiana, all interno della nuova struttura ITK, si deve consolidare nei prossimi mesi, anche con l inclusione di nuovi gruppi. ü Prossime slide per la discussione degli interessi principali ad oggi. 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 14

15 Attivita nel progetto Active ü Active (Atlas and Cms Towards InnoVative pixels) e (stata) una proposta comune a ATLAS e CMS per partecipare a Call di gr.v. Coordinatore nazionale G.Darbo. Inizialmente avrebbe dovuto includere anche R&D di elettronica che invece ha poi partecipato in maniera indipendente (CHIPIX65). ü In Active 10 sezioni INFN di cui 5 ATLAS. In Atlas ~7 FTE. Sezioni:/:Partecipanti:&:FTE BA CS FI GE MI MIB PI TN TO UD Total RIC/TEC FTE /01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 15

16 Attivita nel progetto Active Call Gr.V ü Main Activities (WP): Pixel 3D: 2x10 16 n eq cm -2, small (1/3 of FE-I4 pixel size) needs thin ( µm, epitaxial or with support wafer, 6 wafers), active edge, charge multiplication. FBK as main silicon foundry Bump-bonding: develop (and QC) BB for bumps/chip, thin ( 100µm) FE-I4 (size), Indium bumps use BB as part of the sensor test main foundry Selex (interest in a framework contract). Bump-bonding development is critical technology after IBL experience with IZM. Micro-channel cooling: technology developed in Italy by SuperB and NA62. It is potentially very interesting for low material budget applications (Innermost Pixel Layer). Silicon with DRIE processing (FBK) or composite material micro-channels. Study (long) µ-channel with evaporative CO 2. Look for implementation technologies towards the application in the Pixel systems of future upgrades. Modules, Irradiation & Test-beam: put together sensor and electronics by bump-bonding. Irradiation preferable with high energy protons (Los Alamos CERN PS), thermal neutrons have activation issues. Measure at test beam. Demonstrator of module on µ-channel cooled support.

17 Attivita nel progetto Active ü Progetto non finanziato dalla CSN5 a Settembre, ma la CSN1 aveva preparato un paracadute. 100 k su ATLAS 70 k (ACTIVE) + 50 k (CHIPIX65, ma assorbibili in ACTIVE?) in CMS ü Come procedere con Active e CMS? Mancanza di sigla pone implicazioni su come procedere congiuntamente. Senza WP e responsabili sia il controllo dei finanziamenti che l organizzazione diventano difficili. Se a CMS non interessa usare il FEI4, l interesse comune si riduce alla produzione dei sensori e forse bump bonding. Si cancella attivita di test-beam e irraggiamenti comuni. Senza sigla, i finanziamenti della CSN1 vanno ad ATLAS e CMS Separatamente ai 2 esperimenti Alle sezioni o ai responsabili nazionali

18 Attivita nel progetto Active à R&D 2014 ü ü ü Sensori 3D, test (Ge, Cs, Ud, Tn) Far partire un batch di 3D su wafer da 6 Sensori disponibili verso fine anno Nei costi: test tecnologici, acquisto dei wafer, batch di produzione alla FBK, Interesse anche di CMS, divisione dei costi al 50% con CMS Nessun interesse da parte di ATLAS per i planari, mancanza di expertise. Bump-bonding (Mi, Ge) Sviluppo alla Selex: Test nuovo processo di flip-chip con bumps di indio depositati solo sui chip e non su sensori ( single side process) nuovo tipo di fotoresist: bumps di 20µm invece che 10µm di altezza. Se funziona grosso risparmio e non necessario (rimandabile) upgrade a 6 per la deposizione di In sui sensori: lasciare in sospeso la qualificazione della Selex come bump-vendor e l upgrade della deposizione su 6. Uso per test di moduli 3D. µ-cooling (Mi??) Occorre processo di bump-bonding per testare sensori 3D ad oggi IZM qualificato ed usabile Selex può essere usata se processo di bumps single-side funziona test ongoing, possibile avere un miglior feeling per fine mese? Divisione dei costi al 50% con CMS Milano è il gruppo in ATLAS che ha maggiori competenze ma non interesse particolare.

19 Altre attivita, fuori Active I HV-CMOS ü Proposal di R&D in preparazione, 15 d istituti hanno espresso interesse in qualche forma (in crescita) Bonn, CERN, CPPM, DESY, Geneva, Genova, Glasgow, Göttingen, Heidelberg, LBNL, Liverpool, LPNHE, Lubiana, Santa Cruz. ü Possibili contributi italiani: Genova: accoppiamento HV-CMOS/FE-I4, integrazione moduli, test in lab con laser e test-beam, R/O Milano, Bologna? : valutando possibile contributo al disegno del HV-CMOS ü Altre attivita? ü Carte di Read-out per ITK, sistema di DAQ per system tests? Genova/ Bologna? ü Supporti locali? Milano? ü Altri sensori? Diamanti? Roma2, Lecce? ü Power supply? Milano? ü Maggiore interazione detector/tdaq? à WIT2014 Workshop on Intelligent Trackers 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 19

20 Possibili richieste ü Disponibilita in CSN1 per R&D 100 k su ATLAS à ~ 80 keuro considerando il possibile sharing con CMS 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 20

21 Altri Progetti di finanziamento ü Aida-II (Advanced European Infrastructures for Detectors and Accelerators) Si sta cercando di inserire gli interessi italiani (HV-CMOS e 3D) nei WP esistenti ü Trovare candidati e progetti per Horizon 2020 ü FTE per sezione per anno??. 16/01/2014 C. Gemme R&D Tracker, Atlas Italia 21