Processing and characterisation of silicon microstrip detectors produced by Infineon Technologies Austria AG

Abstract

Silizium-Streifendetektoren haben sich in Hochenergiephysikexperimenten, wie dem CMS Experiment am CERN, als Standardtechnologie zur hochauflösenden Detektion von geladenen Teilchen etabliert. Streifendetektoren erlauben dort eine exakte Rekonstruktion von Teilchenspuren, der bei Kollisionen entstehenden Teilchen, und haben sich als wichtiger Baustein bei der Erforschung neuer Physik herausgestellt. Die Herstellung von Silizium-Streifendetektoren nutzt hochentwickelte Technologien wie sie in der Halbleiterindustrie zum Einsatz kommen. Ihre Produktion in größerer Stückzahl und ausreichender Qualität erfordert daher Produktionsmittel und Know-How, welche nur in der kommerziellen Halbleiterindustrie zu finden sind. Das CMS Experiment erreicht um das Jahr 2020 das Ende seiner voraussichtlichen Lebensdauer. Eine geplante Aufrüstung (CMS Upgrade) schließt auch die Erneuerung des Tracker Detektors und damit den Austausch vieler Silizium- Streifendetektoren mit ein. Die langjährige Erfahrung des Instituts für Hochenergiephysik (HEPHY) im Bereich Silizium-Streifendetektoren und die Expertise des international tätigen Halbleiterproduzenten Infineon Technologies AG führten Ende 2009 zu einer Zusammenarbeit zwischen diesen Partnern aus Wissenschaft und Industrie. Diese Kooperation setzte sich zum Ziel Silizium-Streifendetektoren für Hochenergiephysikexperimente, wie dem oben angeführten CMS Upgrade, zu entwicklen, und stellt den Rahmen für diese Diplomarbeit dar. Den ersten Teil der Arbeit bildete die Mitarbeit an der Enwicklung und Prozessierung der Streifendetektoren am Infineon Standort in Villach und den dortigen Produktionsanlagen. Im zweiten Teil der Diplomarbeit, der am HEHPY durchgeführt wurde, wurden diese ersten von Infineon hergestellten Streifendetektoren elektrisch charakterisiert. Verschiedene Messmethoden wurden angewandt und entwickelt um die Leistungsfähigkeit der Detektoren zu überprüfen. Dabei konnten wertvolle Erkenntnisse zur weiteren Verbesserung der Qualität in kommenden Prototypen-Produktionen gewonnen werden.<br />

In high-energy-physics experiments, like the CMS experiment at CERN, silicon microstrip detectors have established themselves as the standard technology for high resolution detection of charged particles. These strip detectors allow an exact reconstruction of particle tracks and have turned out an important part in new physics research at particle accelerators. The production of silicon strip detectors makes use of highly developed technologies employed in the semiconductor industry. Their production in larger batches and sufficient quality requires production facilities and know-how, which is only to be found in the commercial semiconductor industry. The CMS experiment reaches its anticipated lifespan around the year 2020. A planned upgrading (CMS Upgrade) also includes the renewal of the tracker detector and in its cause the replacement of many silicon microstrip detectors. By the end of 2009, the long-term experience of the Institute of High Energy Physics (HEPHY) in the area of silicon strip detectors and the expertise of the internationally operating semiconductor producer Infineon Technologies AG, led to a cooperation between these partners from science and industry. This cooperation aimed at developing and producing silicon microstrip detectors for high-energy-physics experiments, like the above mentioned CMS Upgrade, and provided the framework of this diploma thesis. The first part of this thesis consisted of participating in the development and processing of the silicon detectors at the Infineon site in Villach. In the second part, which was carried out at the HEPHY, these first prototypes of silicon strip detectors were electrically characterised. Different methods of measurement were developed and applied to check the performance of the sensors. In this process valuable findings could be won for further improvement of quality in future productions.