Il laboratorio Pixels a Udine - INFN · – n+ pixel in materiale di tipo n-bulk: 50×400 µm2 –...

M. Cobal, CdS Trieste, Dicembre 2003

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


108Electronic Channels

~7000 tWeight

22 mDiameter

44 mLength

ATLAS

√s = 14 TeVcollision rate = 25ns

~150 institutions~1800 physicists

Tracking (|η|<2.5, B=2T)

Silicon PixelSilicon StripsTransition radiation tracker

Calorimeter (|η|<5)

EM: Pb-LArHad: Fe/scintillator

Muon spectrometer (|η|<2.7)

Large Air-core toroids with muon chambers


• Pixel detector– 50x400 µm pixel– 140⋅106 canali

• SCT– 80 µm x 12 cm strip– 6 ⋅106 canali

• TRT– 4 mm radius straw tubes– 0.4 ⋅106 canali

Inner Detector


Il rivelatore a Pixels

~1850 mm

Rivelatore a Pixels: parte piu’ centrale dell’ ID. Consiste di di 3 strati centrali (rint=5cm, rext=12cm) e 3+3 dischi in avanti.

1.7m2 di area sensibile con 67M (barrel)+13M (per disco) di canali

~380 mm


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

sensor

Flex HybridMCC

FE chipFE chip


La dose totale nel layer di mezzo e’ : 50 Mrad, in 10 anni dipresa dati

Per poter prendere dati con tali livelli di radiazione si e’ sviluppato il seguente disegno:

– n+ pixel in materiale di tipo n-bulk: 50×400 µm2

– Isolamento p-spray moderato

– Bias grid per permettere test prima dell’ assemblaggio deimoduli.

– Silicio ossigenato per migliorare la resistenza alleradiazioni ed aumentare il tempo permesso di permanenzaa temperatura ambiente.


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.


1997: - Febbraio: costruita la camera pulita da una ditta diprefabbricati 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 pre-produzione (14 CIS+14 Tesla) e test di preproduzione.

2002: Cominciano produzione e test di produzione dei wafers finali


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


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


The sensor wafers

P-side N-side

Tile 1Tile 2

Tile 3

Ogni tile (16.4 x 60.8 mm2) contiene 328 x 144 celle a pixels di dimensioni 50 µm x 400 µm, 250 µm di spessore.


Il laboratorio

Costituito da una parte esterna per il test dei rivelatori assemblati e da una camera pulita (18 m2) 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 temperaturaed 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.


Armadio bombole N2Camera pulita

Probe stationAnticamera

PC di acquisizione

microscopi

elettronica

Armadi di stoccaggio


La camera pulita


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 voltaggioPicoamperometroMicroscopio Olympus SZ60 equipaggiato con videocamera CCD connessa ad un PC.


Per testare silici a doppia faccia e’ necessario unospeciale “chuck ”presurizzato.


Probe chuck a due laticon tubi pneumatici di azionamento punte


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


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 (20oC< T< 24oC), umidita’ (< 50%), in camera pulita, con filtri per l’ aria e condizionatori.

Per garantire risultati confrontabili lungo tutto il periodo dimisura e tra i vari laboratori, si effettuano calibrazioni e cross-calibrazioni.


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


Esempio di ispezione visiva


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


Misura di planarità

-27000

-18000

-9000 0

9000

18000

27000

-54000

-36000

-18000

0

770

780

790

800

810

820

830

820-830

810-820

800-810

790-800

780-790

770-780


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


Test elettriciQuantita’ rilevanti

Depletion Voltage Vdep: voltaggio per il quale si raggiunge il plateau nel plot C-V (normalmente 50 V < Vdep < 120 V)

Operational Voltage Vop: max(150 V, Vdep+50V)

Resistivita’: d2/ (2Vdepµeεsiε0)o d = spessore del sensoreo µe= 1427cm2/Vs mobilita’ degli elettronio εsi= 11.75, costante dielettrica del Silicioo ε0 = 8.854187817.106 pF/µm, permittivita’

Breakdown voltage Vbd: Voltaggio max a valore di corrente I < 2mA per tiles, I< 100nA per single chips, ed I<25nA per diodi.

Slope di corrente : Iop/I50.


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 –Vbd o –200 V, a secondadi quale sia il maggiore in valore assoluto.

Si richiede che:

1) 30 V ≤ Vdep ≤ 120 V prima dell’ irraggiamento,2) Vdep ≤ 200 V dopo l’ irraggiamento3) 2000Ωcm ≤ ρ ≤ 5000Ωcm


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 divoltaggio.

L’alto voltaggio viene aumentato da 0V a –500

Si richiede che:

1) Vbd ≥ Vop2) current slope < 23) I600 < 800 µA (equivalente a 36 µA a –10oC)

(importante per i microchip dopo irraggiamento)


b

C-Vdiodes

I-Vtiles

I-VSingle-chip

I-VMini-chip


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 = -VopCorrente I misurata ogni 10 sec per almeno 15 ore.Slope = Iend/Istart ≤ 1.3

CISCIS


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


Risultati test ottico-meccanici

66.3 p-side65.0 n-side



Visible mask misalignment

10080.085.7Scratch pattern correctness

50.080.092.9Visible damages to wafer

CIS(%)(60 wafers)

Tesla(%)(10 wafers)

CIS(%)(14 wafers)

Visual inspection:

Preproduction Production


Planarita’

10088.9100Planarity < 40 µm

CIS(%)(20 wafers)

Tesla(%)(10 wafers)

CIS(%)(14 wafers)


Spessore

Queste misure non sono state ancora effettuate, in quanto vanno fatte sui wafers tagliati che non sono ancora stati inviati al nostro laboratorio


Risultati test elettrici

Misure Capacita’-Voltaggio:

1001001002000 Ωcm < π < 5000 Ωcm

98.310010030 < Vdep < 120 V

CIS(%)(60 wafers)

Tesla(%)(10 wafers)

CIS(%)(14 wafers)



Misure Corrente-Voltaggio:

020.0(2 wafers)

6.7(1 wafers)

1 good tiles

43.340.0(4 wafers)

60.0(9 wafers)

2 good tiles

56.740.0(4 wafers)

33.3(5 wafers)

3 good tiles

93.360.090.0Mini-chip

94.058.381.1Single-chipVbd >Vop & slope

85.573.375.6Tile

CIS(%)(60 wafers)

Tesla(%)(10 wafers)

CIS(%)(14 wafers)



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)


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 dicompletamento. 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

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