Development and optimization of novel large area Silicon pad sensors for the CMS High Granularity Calorimeter

Abstract

Der Large Hadron Collider (LHC) ist zur Zeit (2024) unter den Speicherringen sowohl der größte (27 km Umfang) als auch der mit der höchsten Kollisionsenergie (13.6 TeV). Während seine Beiträge zur Hochenergiephysik weiterhin substanziell sind, wird mehr Luminosität benötigt, um in angemessener Zeit genügend experimentelle Daten für neue physikalische Entdeckungen zu erhalten. Um die Rolle des LHC für die Zukunft zu sichern, plant das CERN ein Upgrade zur Erhöhung der Luminosität um den Faktor 10, genannt „High-Luminosity LHC” (HL-LHC). Diese Aufrüstung wird die Fähigkeit der Maschine verbessern, seltene Prozesse zu entdecken und die statistische Präzision zu erhöhen. Bei höherer Luminosität benötigen die Experimente aber eine bessere räumliche und zeitliche Auflösung, sowie eine verbesserte Strahlenhärte.Diese Arbeit konzentriert sich auf die Siliziumdetektoren für das Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment. CMS wird während des HL-LHC Upgrades wegen den oben erwähnten höheren Anforderungen auch die Sensoren aufrüsten. Dies wird als „CMS Phase-2-Upgrade“ bezeichnet, das Upgrade der neuen Endkappen-Kalorimeter heißt „High Granularity Calorimeter“ (HGCAL). CMS plant das HGCAL als Sandwich-Kalorimeter, bestehend aus Siliziumsensoren für den elektromagnetischen Subdetektor und für Teile des hadronischen Subdetektors. Eine weitere Motivation für das HGCAL ist die Teilchenflussanalyse, die die Identifizierung einzelner Teilchen in Jets ermöglicht. CMS muss diese Anforderungen zu vertretbaren Kosten erfüllen, daher werden große hexagonale p-Typ Sensoren verwendet, die in einem 8" -Verfahren hergestellt werden. 8" -Sensoren wurden bisher noch nicht in großen Teilchenphysikexperimenten eingesetzt, stellen also ein Novum, ein First-of-a-kind (FOAK) dar. Demnach ist diese Forschung notwendig, um die Eignung dieser Technik für Hochenergie-Teilchenphysikexperimente zu verifizieren. Diese 8" -Sensoren wurden vom Autor, basierend auf Vorarbeiten, designt und in iterativen Prototyping-Zyklen verbessert. Für die Bestrahlungsstudien wurden die vom Autor designten Ministrip-Sensoren genutzt, die aufgrund ihrer kleinen Abmessungen deutlich flexibler einzusetzen, zu kontaktieren und handzuhaben sind. Als Vorbereitung auf die Studien wurde eine bereits existierende Teststation weiter verbessert, und zur Qualifizierung des Testsystems wurden Eingangskontrollen auf mechanische Schäden durchgeführt, sowie die elektrische Charakterisierung wie Leckströme, Kapazitäten, InterpadIsolation, Interpad-Kapazität und Hochspannungs-Stabilität getestet und mit den Anforderungen des CMS-Experiments abgeglichen. Analysemethoden wie Spreading Resistance Profiling (SRP), Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS), Rasterelektronenmikroskopie (SEM), und konfokale Lasermikroskopie ergänzen die oben genannten elektrischen Methoden. Dabei zeigte sich von 11 getesteten Sensoren ein Yield von etwa 36 %.Ein wesentlicher Punkt dieser Arbeit ist der Einfluss von Strahlenschäden auf die elektrischen Eigenschaften. Die Neutronenfluenz der bestrahlten Sensoren und Teststrukturen reicht bis zu 10^16 neq cm^-2, so dass wegen des Anstiegs des Leckstroms für elektrische Messungen an bestrahlten Sensoren niedrige Temperaturen (-30 to -20 °C) und das Einblasen von Trockenluft erforderlich sind.Das Kernelement der Bestrahlungsstudien sind die Annealing-Studien, genauer gesagt, das Verhalten der Sensoren nach definierter Erwärmung. Bezüglich Strahlenhärte hat sich in dieser Studie gezeigt, dass die neuen 8" -Sensoren durchaus mit bereits etablierten und umfassend in der Literatur beschriebenen Siliziumsensortechnologien wie 6" und n-Typ vergleichbare Ergebnisse bieten. In einem Punkt, bei der Verringerung der damage function α durch Annealing, zeigten die fünf untersuchten Ministrip-Sensoren ein deutlich besseres Annealing-Verhalten als bisher etablierte Siliziumsensortechnologien im n-Typ und auf 6" -Wafern. Wenn diese Resultate in zukünftigen Studien bestätigt werden, sind diese neuen Sensoren als durchaus qualifiziert für das Phase-2 Upgrade des HGCAL zu betrachten, und CMS wird die endgültigen Sensordesigns für die Serienproduktion nutzen und die Sensoren schließlich im HGCAL implementieren. Insgesamt würden bei HGCAL etwa 30 000 Siliziumsensoren mit einer Gesamtfläche von etwa 620 m^2 verbaut.

The Large Hadron Collider (LHC) is currently (2024) the largest (27 km in circumference) storage ring and has the highest collision energy (13.6 TeV). While its contributions to high-energy physics remain substantial, more luminosity is needed to obtain sufficient experimental data for new physical discoveries in a reasonable time. To secure the role of the LHC for the future, CERN is planning an upgrade to increase the luminosity by a factor of 10, called “High-Luminosity LHC” (HL-LHC). This upgrade will improve the machine’s ability to detect rare processes and increase statistical precision. However, the experiments require better spatial and temporal resolution and improved beam hardness at higher luminosity.This work focuses on the silicon detectors for the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment. CMS will also upgrade the sensors during the HL-LHC upgrade due to the higher requirements mentioned above. It is called the “CMS Phase-2 Upgrade”. The upgrade to the new endcap calorimeters is called “High Granularity Calorimeter” (HGCAL). CMS plans the HGCAL as a sandwich calorimeter consisting of silicon sensors for the electromagnetic sub-detector and for parts of the hadronic sub-detector. A further motivation for the HGCAL is particle flow analysis, which allows the identification of individual particles in jets.CMS must meet these requirements at a reasonable cost, so large hexagonal p-type sensors manufactured in an 8" process are used. Large particle physics experiments did not employ 8" sensors yet, so they represent a first-of-a-kind (FOAK) novelty. Accordingly, this research is necessary to verify the suitability of this technique for high-energy particle physics experiments. These 8" sensors were designed by the author based on preliminary work and improved in iterative prototyping cycles. For the irradiation studies, the author designed and used Ministrip sensors, which are much more flexible to use, contact, and handle due to their small dimensions.The author further improved an existing test station and carried out initial inspections for mechanical damage in preparation for the studies and to qualify the test system. The electrical properties, such as leakage current, capacitance, and high-voltage stability, were tested and compared with the requirements of the CMS experiment. Analysis methods such as spreading resistance profiling (SRP), secondary ion mass spectrometry (SIMS), scanning electron microscopy (SEM), and confocal laser microscopy complement the electrical methods mentioned above. The 11 tested sensors showed a yield of around 36 %.An essential point of this work is the evaluation of radiation hardness in terms of electrical characterization, such as leakage current, pad capacitance, interpad isolation through ohmic resistance, and interpad capacitance.The neutron fluence of the irradiated sensors and test structures ranges up to 10^16 neq cm^-2 so that low temperatures (-30 to -20 °C) and the blowing of dry air are required for electrical measurements on irradiated sensors.The core element of the irradiation studies is the test series of annealing, or more precisely, the behavior of the sensors after defined heating. Regarding radiation hardness, this study has shown that the new 8" sensors offer comparable results to silicon sensor technologies already established and comprehensively described in the literature, such as 6" and n-type sensors. At one point, when reducing the damage function α through annealing, the five Ministrip sensors examined showed significantly better annealing behavior than already established silicon sensor technologies in n-type and on 6" wafers. The author suggests future examinations to verify these results. In that case, these new sensors should be considered well qualified for the Phase-2 Upgrade of the HGCAL, and CMS will use the final sensor designs for series production, and the sensors eventually implemented in the HGCAL. In total, around 30.000 silicon sensors with a total area of around 620 m^2 will be installed in HGCAL.