Development of a measurement infrastructure for the qualification of silicon striß sensors for the CMS phase-2 upgrade

Abstract

Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf ist bis heute der weltweit größte und stärkste Teilchenbeschleuniger, welcher eine Kollisionsenergie von ~14 TeV aufweist. Neue Physik Fragestellungen haben PhysikerInnen dazu ermutigt die ursprünglichen Limitationen der Maschine zu übertreffen, was letztendlich zu dem Unterfangen geführt hat den LHC zum High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) bis spätestens 2027 auszubauen. Das Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment, gelegen bei einem der vier Kollisionspunkte des LHCs ist als ein Mehrzweck-Experiment entworfen. Involviert in die Suche nach dem Higgs Boson, Dunkler Materie und Supersymmetrie muss es den neuen Bedingungen des LHC angepasst werden, um dessen Potential vollständig nutzen zu können. Ein Kern-Element ist der Äußere Spuren Detektor, welcher es ermöglicht Teilchenbahnen die vom Interaktionspunkt kommen, nachzuverfolgen. Rund 24,000 Silizium Detektoren mit einer Fläche von ~200 m^2 sind verbaut und werden nach 2025, aufgrund von Strahlenschäden, nicht mehr in der Lage sein, einen verlässlichen Betrieb des Detektors zu garantieren. Um einen Totalausfall des Spuren-Detektors zu verhindern, entschied CMS den Detektor zu ersetzten, ihn aber auch gleichzeitig dahingehend zu verbessern, sodass er das volle Potential vom HL-LHC ausschöpfen kann. Diese Dissertation fasst die Qualitätssicherungsstrategien von CMS, zum Zwecke einer gleichmäßigen Sensor-Produktion, zusammen. Einer dieser ist die Sensor Quality Control (SQC), welche kritische Parameter der Sensoren überwacht, wohingegen die Process Quality Control (PQC), die hier nicht weiter beschrieben wird, Parameter untersucht, welche nicht direkt am Sensor gemessen werden können. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es eine umfassende Einschätzung der Qualität von Sensoren, die über ein voll automatisiertes Test- und Analyse-System akquiriert worden sind, zu geben, um Qualitätsmonitoring zu betreiben. Zu diesem Zwecke wurde eine 8-Nadel-Testkarte in ein vollautomatisches elektrisches Charakterisierungssystem inkorporiert, welches in der Lage ist O(2000) individuelle Streifen in unter 7.5 h zu messen. Des weiteren wurde ein ergänzendes Experiment wieder aufgebaut und verbessert, welches es ermöglicht Sensoren mit Ionen oder Lasern zu bestrahlen um die Leistung dieser zu untersuchen.Zusammen mit Sensor-Simulationen, welche es ermöglichen Produktions und Design Einflüsse zu simulieren, bilden diese Instrumente die Möglichkeit einer vollständigen Detektor-Qualifikation. Die ersten gelieferten Sensoren für das CMS Outer Tracker System, wurden von Infineon Technologies hergestellt und haben die Funktionalität des gewählten Layouts unter Beweis gestellt. Ergebnisse dieser Studien haben dazu beigetragen die auftretenden Schwächen zu identifizieren und zu bewältigen. Darauffolgende Sensoren, die von Hamamatsu Photonics gefertigt wurden, zeigen ein verbessertes Verhalten, welches von der Kreuz-Validierungs Kampagne, im Auftrag der CMS Kollaboration, bestätigt wurde. Abschließend, sind die untersuchten Sensoren für den CMS Outer Tracker in der Lage innerhalb des neuen Spuren Detektors eingebaut zu werden und in weitere Folge PhysikerInnen dabei zu unterstützen, neue Physik am HL-LHC zu finden.

The Large Hadron Collider (LHC) located at CERN in Geneva is, to date, the worlds largest and most powerful particle colliding apparatus, with a centre-of-mass energy of ~14TeV. New physics challenges encouraged physicists to push the machines' boundaries beyond their designed limits, ultimately concluding in an endeavour to upgrade LHC to the High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) by 2027. Situated at one of LHCs four interaction points is the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment. Designed as a multi-purpose experiment aimed for Higgs boson, dark matter and supersymmetry search, it must comply with the improved LHC conditions to fully exploit it.Integral parts like the silicon outer-tracker system, enabling the determination of particle trajectories emerging from the interaction point, must comply as well. Currently consisting of over 24,000 silicon sensors, constituting ~200 m^2 of area, the outer-trackers sensors will have suffered considerable radiation damage by the end of 2025, and a reliable operation can not be guaranteed any more. Hence, avoiding a catastrophic tracking system failure, CMS decided to replace the tracker and incorporate upgrades and improvements, further pushing the capabilities to reap the most benefit from HL-LHC. This thesis summarizes the CMS quality assurance strategies to ensure continuous sensor manufacturing process quality throughout production time. Hence, the Sensor Quality Control (SQC) procedure monitors critical parameters on production sensors, whereas the Process Quality Control (PQC) (not featured in this thesis) is tracking parameters not accessible on sensors.This thesis's primary goal is to comprehensively assess the quality of delivered (pre-)production sensors through a fully automatized measurement and analysis setup, facilitating product quality monitoring. For this purpose, an 8-needle wedge-probe-card was incorporated in the setup, autonomously conducting several electrical measurements on O(2000) individual strips per sensor, in under 7.5 h.A complementary setup for investigating sensors under ion and LASER irradiation was rebuilt and improved by a framework providing tools and measures to analyze said detectors' performance. Accompanied by device simulation macros, capable of simulating structure responses to environmental and production influences, a full-stack investigation of detector qualification was developed. Initial instances of delivered sensors for the CMS Outer Tracker, provided by Infineon Technologies, demonstrated the layouts' functionality. Results gathered served as a basis for improvements of the designs' and detectors' shortcomings. Subsequent batches, manufactured by Hamamatsu Photonics, delivered an improved performance, backed by results gained in this thesis, and CMS collaboration imposed cross-validation campaigns and standardization. Ultimately, the investigated sensors for the CMS Outer tracker are fit to be incorporated within the new tracking system and will aid physicists in their pursuit of finding new physics in the HL-LHC.