Babeluk, M. (2021). Optimization and qualification of the process quality control for the silicon sensor production of the CMS phase-2 upgrade [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2021.87270
The Large Hadron Collider (LHC), operated by CERN is currently the largest particle collider in the world with a diameter of 8.5 km. The Compact Muon Solenoid (CMS) is one of the four experiments of the LHC. For the next years, an update from the LHC to the so-called High Luminosity LHC (HL-LHC) is planned, increasing luminosity enabling the study of rare decay channels.However, the increase in luminosity also raises the radiation stress on the detectors. Therefore, the so-called CMS phase 2 upgrade is scheduled for the same time as the HL-LHC integration. It includes a full replacement of the silicon tracking system and upgrades for the calorimeters. The replacement is necessary as the detector performance degrades due to the high levels of irradiation caused by current operation. In the most radiation stressed parts of the calorimeter in the endcap, the scintillators are replaced by silicon detectors. This new design called High Granularity Calorimeter (HGCal) allows not only a higher radiation hardness, but also has a high spatial resolution required to handle the increased pile-up and allow particle flow analysis. The total number of silicon detectors for this upgrade is in the order a few ten-thousands, requiring about three years for production.During the sensor development, the optimal layout as well as the process parameters such as doping concentrations are evaluated via extensive tests, both on the sensors itself and via dedicated test structures. The prototyping phase also included irradiation with X-rays and neutrons, followed by electrical characterizations to evaluate the remaining performance.During the production period, a fast and reliable way of testing is required to ensure quality and detecting possible long time drifts in parameters. This is done via the Process Quality Control (PQC), which consists of dedicated test structures together with an associated test setup. To simplify the handling, a fixed contact layout has been defined to make it possible to connect multiple contacts at once with a probe-card. Various test structures are connected to those contacts to extract silicon properties such as layer thicknesses and doping concentrations in a reproducible and non destructive way via electronic measurements. As the whole PQC test structure set requires only a very small fraction of the wafer space, it can be located directly on the production masks, on the segments remaining from the square or hexagonal sensor in the round wafer.The PQC structures as well as the setup have been developed already, however, the exact measurement procedures are not yet fully defined for optimal results. This has been developed in the course of this thesis and also required hardware modifications to the setup. To allow faster characterization, the measurement routines have been optimized for maximum throughput. Furthermore the parameter extraction algorithms were not automatized and required manual verification to ensure successful parameter extraction. This procedure is now automatized to reduce the required manpower and achieve the high throughput planned for the production phase.
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Der Large Hadron Collider (LHC), ist mit einem Durchmesser von 8,5 km der derzeit größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Das Compact Muon Solenoid (CMS) ist eines der vier Experimente des LHC. Für die nächsten Jahre ist ein Update des LHC zum sogenannten High Luminosity LHC (HL-LHC) geplant, der durch eine Erhöhung der Luminosität die Untersuchung seltener Zerfallskanäle ermöglicht.Mit der Erhöhung der Luminosität steigt jedoch auch die Strahlungsbelastung für die Detektoren. Daher ist zeitgleich mit der HL-LHC-Integration das sogenannte CMS Phase 2 Upgrade geplant. Es umfasst den Austausch des Silizium- Trackersystems und Upgrades für die Calorimeter. In den am stärksten strahlungsbelasteten Teilen des Calorimeters in der Endkappe werden die Szintillatoren durch Siliziumdetektoren ersetzt. Dieses neue Design (High Granularity Calorimeter) ermöglicht nicht nur eine höhere Strahlungshärte, sondern auch eine hohe räumliche Auflösung. Dies ist notwendig um die erhöhte Pileup-rate zu bewältigen und Particle-Flow Analyse zu ermöglichen. Die Zahl der Siliziumdetektoren liegt in der Größenordnung von einigen Zehntausend, drei Jahre sind für die Produktion geplant. Während der Sensorentwicklung werden das optimale Layout sowie die Prozessparameter durch umfangreiche Tests evaluiert, sowohl an den Sensoren selbst als auch über spezielle Teststrukturen. Die Prototyping-Phase beinhaltet auch die Bestrahlung mit Röntgen- und Neutronenstrahlen. Während des Produktionszeitraums ist eine schnelle und zuverlässige Art der Prüfung erforderlich, um die Qualität zu sichern und mögliche Langzeitdrifts der Parameter zu erkennen. Dies geschieht über die Process Quality Control (PQC), die aus dedizierten Teststrukturen und einem zugehörigen Testsetup besteht. Um die Handhabung zu vereinfachen, wurde ein fixes Kontaktlayout definiert. Dieses ermöglicht mehrere Kontakte auf einmal mit einer Probe-Card anzuschließen. An diese Kontakte werden verschiedene Teststrukturen angeschlossen, um Siliziumeigenschaften wie Schichtdicken und Dotierungskonzentrationen reproduzierbar und zerstörungsfrei über elektronische Messungen zu extrahieren. Da der gesamte PQC Teststruktursatz nur einen sehr kleinen Teil der Waferfläche benötigt, kann er direkt auf den Produktionsmasken auf den vom quadratischen oder sechseckigen Sensor übrig gebliebenen Segmenten des runden Wafer platziert werden. Die PQC-Strukturen sowie der Aufbau sind bereits entwickelt, die genauen Messverfahren sind jedoch noch nicht vollständig für optimale Ergebnisse definiert. Dies wurde im Rahmen dieser Arbeit erarbeitet und erforderte auch Hardwaremodifikationen am Setup. Um eine schnellere Charakterisierung zu ermöglichen, wurden die Messprozeduren auf maximalen Durchsatz optimiert. Außerdem waren die Algorithmen zur Parameterextraktion nicht automatisiert und erforderten eine manuelle Überprüfung, um eine erfolgreiche Parameterextraktion sicherzustellen. Diese Prozedur ist nun automatisiert, um den erforderlichen Personalaufwand zu reduzieren und den für die Produktionsphase geplanten hohen Durchsatz zu erreichen.
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Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers