Manufacturing pocess of silicon strip sensors and analysis of detector structures

Abstract

Silizium Streifen Sensoren haben sich aufgrund ihrer Strahlenhärte und schnellen, hochauflösenden Datenerfassung als die dominante Technologie für den inneren Tracker hochkomplexer Detektorexperimente etabliert. Der innere Tracker bildet das Kernstück eines solchen Experiments und ist in nächster Nähe zu den Kollisionspunkt beschleunigter Teilchen angebracht um die Spur der resultierenden Teilchen zu vermessen. Der Erfolg dieser Technologie ist zu einem großen Teil auf die lange Erfahrung und hoch entwickelte Technologie der Halbleiterindustrie zurückzuführen. Die Herstellungsprozesse eines gewöhnlichen Silizium Streifen Sensor sind derart komplex und kostenintensiv, dass kommerziell motivierte Produktionen von externen Firmen durchgeführt werden, welche ihr Equipment in der Regel für andere Produkte nutzen. Im Zuge der Entwicklung der Hochenergiephysik, zu höheren Energien und Auflösungen mussten die Sensoren immer spezielleren Ansprüchen genügen.<br />Neben der ständigen Reduktion des durchstrahlten Materials, etwa durch doppelseitige Sensoren oder durch eine zweite Metalllage, welche den elektronischen Kontakt vereinfacht haben sich die Ansprüche an die Strahlenhärte als besonders problematisch erwiesen. Die Prozesse, die nun notwendig sind um modifizierte Strukturen zu realisieren sind nicht mehr in diesem Ausmaß industriell gebräuchlich. Das Problem der Strahlenhärte stellt sich bei dem größten Teil kommerzieller Produkte gar nicht und ist nicht desto trotz wesentlich schwerer zu bewältigen, da neben den modifizierten Strukturen besonderes auf Materialinhärente Eigenschaften geachtet werden muss.<br />Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer stärkeren Einbindung der wissenschaftlichen Institutionen in den konkreten Produktionsprozess von Sensoren. Üblicherweise werden von den bestellenden Instituten neben den Design der Photo Masken und ihrer Abfolge noch spezielle Instruktionen in Bezug auf die Funktionen der Strukturen und Materialien weitergegeben. Der faktisch durchgeführte Prozess bleibt jedoch genauso unbekannt, wie das verwendete Material und meist auch die Schichtdicken der unterschiedlichen Layer. Als sinnvolle Basis einer tieferen Zusammenarbeit ist es also einerseits notwendig die Produktionsprozesse genau zu kennen und andererseits durch erweiterte Analysemethoden deren Auswirkungen zu verstehen. Aufgrund dieser Fragestellung wurde vom Autor eine Station zur Messung von Dotierprofielen mittels "Spreading Resistance Profiling" erstellt und Analysen am Raster Elektronen Mikroskop durchgeführt. Beide Methoden benötigten spezielle Präparationsverfahren, wie sich im Zuge der Arbeit herausstellte. Außerdem wurden Teststrukturen, vor allem zur Messung von Kontaktwiderständen erstellt um die Funktionsweise von besonders Strahlenharten Strukturen zu untersuchen. Die erwähnten Analysemethoden wurden zum Teil an herkömmlichen aber vor allem an modifizierten Strukturen durchgeführt und mit etablierten elektronischen Messungen verglichen. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind also grundlagenwissenschaftlich motiviert und sollen die Vorraussetzungen für weiterfolgende Arbeiten bereitstellen. Nichts desto trotz konnten konkrete Ergebnisse erzielt werden, welche vor allem als Input Parameter für Simulationen elektrischer Felder innerhalb der Sensoren genutzt werden konnten. Die nötige Präparation und die Arbeiten am Rasterelektronenmikroskop wurden in Zusammenarbeit mit der technischen Universität Wien am USTEM ("Universitäre Service-Einrichtung für Transmissions-Elektronenmikroskopie") durchgeführt. Daten für Simulationen konnten für das BELLE Projekt dem "Institut of Particle and Nuclear Physics" der "Charles University Prague" und für das CMS Projekt dem "Institut für experimentelle Kernphysik" des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zur Verfügung gestellt werden.

Due to their well radiation hardness and fast performance with resolutions of several microns Silicon Strip Sensors have established to the dominant technology for the inner Tracker of sophisticated detector experiments. The inner Tracker presents the heart of these experiments, as it is mounted close to the collision point of accelerated particles to track the trajectories of generated collision products. The main reason, which enables the boom of this technology, can be found in the highly developed semiconductor technology. Due to the fact, that the manufacturing process of common used Silicon Strip Sensors is quite complex and expensive, large charges can only be produced by commercial companies, which are usually specialized on other products. In the course of the development of High Energy Physics higher energies are reached and better resolution became necessary, causing enhanced demands on Sensors. Beside the constant reduction of Material, for instance by double sided Sensors or integrated pitch adapters realized by a second metal layer the demands on radiation hardness turned out to be problematic. Processes, necessary to produce these modified structures are not that commonly used in semiconductor industry.<br />Especially the problem of radiation hardness is actually irrelevant for commercial industry but nevertheless harder to manage due to the strong influence of used material beside the structure design.<br />Consequently it seems necessary to involve scientific institutions as much as possible in the performed production process of Silicon Strip Sensors. Usually the Institutes just deliver the design of the photo masks, arranging their sequence and perhaps give some special instructions concerning the function of structures and used material.<br />But in fact the real performed Process sequence leaves in the same way unknown as the used material and mainly even the thickness of the different layer. The reasonable base of an expanded collaboration makes the knowledge of possible processes and enhanced analyzing tools necessary in order to understand their consequences. Due to such problems the author developed a measuring station to measure doping profiles with "Spreading Resistance Profiling" and analyzed samples at the Scanning Electron Microscope. Both methods turned out to require special sample preparation, which has been developed in the course of the measurements. Moreover some test structures have been designed mainly to measure the contact resistance in order to ensure the functionality of special structures, expected to have improved radiation hardness. The mentioned tools have been applied on common structures and mostly on special structures and have been compared to established electronically measurements. The results of the work are hence R&D motivated and are intended as a condition to enable further investigations. Nevertheless concrete results have been maintained, which have been mainly used as input parameter of Simulations of electrical fields inside the Sensor bulk material. The main preparation and the work on the Scanning Electron Microscope has been performed at the technical university of Vienna in cooperation with the USTEM ("Universitäre Service-Einrichtung für Transmissions-Elektronenmikroskopie"). Data for simulations could be provided for the BELLE Project to the "Institut of Particle and Nuclear Physics" der "Charles University Prague" and for the CMS Project to the "Institut für experimentelle Kernphysik" of the Karlsruhe Institute for Technology (KIT).<br />