Design and Optimization of Advanced Silicon Strip Detectors for High Energy Physics Experiments

Abstract

L’Organització Europea per a la Investigació Nuclear (CERN) està implementant actualment una important actualització del Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC) de 27 quilòmetres, amb l’objectiu d’expandir l’abast de la física, augmentant la lluminositat i desencadenant la consegüent multiplicació d’interaccions per feix de partícules. Les noves condicions operatives de l’LHC d’alta lluminositat (HL-LHC) tindran un impacte directe en els sensors de traçat de silici dels detectors principals, els experiments ATLAS i CMS, causant un gran augment de l’ocupació dels sensors i danys per radiació. Aquesta tesi doctoral investiga el disseny i l’optimització d’una nova generació de detectors de micropistes de silici capaços de suportar les severes condicions operatives esperades per a l’actualització HL-LHC. En primer lloc, l’estudi aborda el desenvolupament dels detectors de micropistes de silici des del punt de vista del disseny. Es presenten elements bàsics del dispositiu i es discuteix el seu disseny en base a consideracions de rendiment. Es presenta una nova eina de generació de disseny automàtic (ALGT) basada en Python, amb l’objectiu d’abordar la necessitat de prototips de detectors de micropistes de grans dimensions en les etapes d’I+D de l’actualització del traçador intern (ITk) d’ATLAS. El ALGT s’utilitza per dissenyar un prototip de sensor de micropistes de grans dimensions, diversos sensors en miniatura i díodes. Aquests dispositius es generen i s’organitzen en un disseny d’oblea complet de 6 polzades, per a la participació d’Infineon Technologies AG en l’enquesta de mercat per a la fabricació de sensors de micropistes per al ITk d’ATLAS. A més, es presenten dissenys d’una àmplia gamma d’estructures de test microelectròniques amb diferents aplicacions. Es proposa un conjunt d’estructures de test per al desenvolupament de tecnologies de micropistes, juntament amb un xip de test capaç de cobrir tots els tests planificats per al control de qualitat (QA) durant la producció dels sensors de micropistes d’ATLAS. D’altra banda, per millorar la connexió de lectura, també es proposen diversos dissenys d’adaptadors de “”pitch”” integrats (EPA) per minimitzar els possibles inconvenients associats amb la introducció d’una segona capa de metall en l’estructura del sensor. Es realitza una caracterització extensa en el marc de l’enquesta de mercat dels sensors de micropistes per l’ATLAS ITk. Els dispositius fabricats per les empreses candidates, Infineon Technologies AG i Hamamatsu Photonics K.K., s’avaluen abans i després d’irradiacions amb protons, neutrons i gammes, fins a les influències esperades a la fi de la vida útil de l’HL-LHC. Les estructures de test i els xips de test per QA dissenyats també es caracteritzen, amb l’objectiu de validar el seu disseny, ampliar l’avaluació de la tecnologia de micropistes i proporcionar valors de referència per als tests de producció d’ATLAS. Es presenten estudis i desenvolupaments addicionals amb aplicació en experiments de física d’altes energies (HEP) en general. Temes candents, com la sensibilitat a la humitat dels sensors de grans dimensions o l’efectivitat del “”punch-through protection”” en un escenari de pèrdua de feix, s’investiguen àmpliament. També es mostra un estudi complet de les noves estructures d’EPA proposades i els resultats dels primers sensors de micropistes fabricats en oblees de 6 polzades al Centro Nacional de Microelectrónica (IMB-CNM). Els dissenys i les caracteritzacions presentades contribueixen a definir el disseny final dels sensors de micropistes d’ATLAS per a l’actualització HL-LHC, i les investigacions addicionals revelen conclusions d’interès general que poden establir les bases per a futurs desenvolupaments.

La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) está implementando actualmente una importante actualización del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de 27 kilómetros, con el objetivo de expandir el alcance de la física, aumentando la luminosidad y desencadenando la consiguiente multiplicación de interacciones por haz de partículas. Las nuevas condiciones operativas del LHC de alta luminosidad (HL-LHC) tendrán un impacto directo en los sensores de trazado de silicio de los detectores principales, los experimentos ATLAS y CMS, causando un gran aumento de la ocupación del detector y daños por radiación. Esta tesis doctoral investiga el diseño y la optimización de una nueva generación de detectores de micropistas de silicio capaces de soportar las severas condiciones operativas esperadas para la actualización HL-LHC. En primer lugar, el estudio aborda el desarrollo de los detectores de micropistas de silicio desde el punto de vista del diseño. Se presentan elementos básicos del dispositivo y se discute su diseño en base a consideraciones de rendimiento. Se presenta una nueva herramienta de generación de diseño automático (ALGT) basada en Python, con el objetivo de abordar la necesidad de prototipos de detectores de micropistas de gran tamaño en las etapas de I + D de la actualización del trazador interno (ITk) de ATLAS. El ALGT se utiliza para diseñar un prototipo de sensor de micropistas de gran tamaño, varios sensores en miniatura y diodos. Estos dispositivos se generan y se organizan en un diseño de oblea completo de 6 pulgadas, para la participación de Infineon Technologies AG en la encuesta de mercado para la fabricación de sensores de micropistas para el ITk de ATLAS. Además, se presentan diseños de una amplia gama de estructuras de test microelectrónicas con diferentes aplicaciones. Se propone un conjunto de estructuras de test para el desarrollo de tecnologías de micropistas, junto con un chip de test capaz de cubrir todos los tests planificados para el Quality Assurance (QA) durante la producción de los sensores de micropistas de ATLAS. Por otro lado, para mejorar la conexión de lectura, también se proponen varios diseños de adaptadores de “pitch” integrados (EPA) para minimizar los posibles inconvenientes asociados con la introducción de una segunda capa de metal en la estructura del sensor. Se realiza una caracterización extensa en el marco de la encuesta de mercado de los sensores de micropistas para ATLAS ITk. Los dispositivos fabricados por las empresas candidatas, Infineon Technologies AG y Hamamatsu Photonics K.K., se evalúan antes y después de irradiaciones con protones, neutrones y gammas, hasta las fluencias esperadas al final de la vida útil del HL-LHC. Las estructuras de test y los chips de test para QA diseñados también se caracterizan, con el objetivo de validar su diseño, ampliar la evaluación de la tecnología de micropistas y proporcionar valores de referencia para los tests de producción de ATLAS. Se presentan estudios y desarrollos adicionales con aplicación en experimentos de física de altas energías (HEP) en general. Temas candentes, como la sensibilidad a la humedad de los sensores de gran tamaño o la efectividad del “punch-through protection” en un escenario de pérdida de haz, se investigan ampliamente. También se muestra un estudio completo de las nuevas estructuras de EPA propuestas y los resultados de los primeros sensores de micropistas fabricados en obleas de 6 pulgadas en el Centro Nacional de Microelectrónica (IMB-CNM).

Los diseños y las caracterizaciones presentadas contribuyen a definir el diseño final de los sensores de micropistas de ATLAS para la actualización HL-LHC, y las investigaciones adicionales revelan conclusiones de interés general que pueden sentar las bases para futuros desarrollos.

The European Organization for Nuclear Research (CERN) is currently implementing a major upgrade of the 27-kilometre Large Hadron Collider (LHC), with the aim to expand the physics reach, increasing the luminosity and triggering the consequent multiplication of interactions per bunch crossing. The new High-Luminosity LHC (HL-LHC) operational conditions will have a direct impact in the silicon tracking sensors of the main detectors, the ATLAS and CMS experiments, causing a large increase of detector occupancy and radiation damage. This PhD thesis investigates the design and optimization of a new generation of silicon strip detectors able to withstand the severe operational conditions expected for the HL-LHC upgrade. Firstly, the study tackles the development of the silicon strip detectors from a layout design point of view. Basic device elements are presented and its design is discussed based on performance considerations. A new python-based Automatic Layout Generation Tool (ALGT) is presented, with the aim to address the need for large area prototypes of strip detectors at the R&D stages of the ATLAS Inner-Tracker (ITk) upgrade. The ALGT is used to design a large area strip sensor prototype, several miniature sensors and diodes. These devices are generated, and arranged in a full 6-inch wafer layout design, for the participation of Infineon Technologies AG in the ATLAS ITk strip sensor Market Survey. In addition, layout designs of a wide range of microelectronic test structures with different applications are presented. A set of test structures for the development of strip technologies is proposed, along with a test chip able to cover all the routine tests planned for the Quality Assurance (QA) works during the ATLAS strip sensor production. On the other hand, in order to improve the readout connection, several designs of Embedded Pitch Adaptors (EPA) are also proposed to minimize the possible drawbacks associated to the introduction of a second metal layer on the sensor structure. An extensive characterization is performed in the frame of the ATLAS ITk strip sensor Market Survey. Devices fabricated by the candidate foundries, Infineon Technologies AG and Hamamatsu Photonics K.K., are evaluated before and after proton, neutron and gamma irradiations, up to fluences expected at the end of the HL-LHC lifetime. Test structures and QA test chips designed are also characterized, with the objective to validate its design, expand the technology evaluation and provide reference values for the ATLAS production tests. Additional studies and developments are presented with application in High Energy Physics (HEP) experiments in general. Hot topics, such as the humidity sensitivity of large area sensors or the effectiveness of the punch-through protection in a beam-loss scenario, are extensively investigated. A complete study of the new EPA structures proposed, and results of the first strip sensors fabricated in 6-inch wafers at Centro Nacional de Microelectrónica (IMB-CNM), are also shown.

The layout designs and characterizations presented, contribute to define the final design of the ATLAS strip sensors for the HL-LHC upgrade, and the additional investigations reveal conclusions of general interest that can lay the foundation for future developments.