Development of prototype silicon strip sensors for the upgrade of the CMS experiment at CERN

Abstract

Der Fortschritt moderner Grundlagenforschung wird wesentlich durch die Ergebnisse komplexer Experimente vorangetrieben, deren Vorbereitung und Betrieb große wissenschaftliche Kollaborationen erfordert. Aufgrund dieser Entwicklung wird vermehrt auf die wichtige Rolle der Messapparatur für die Entstehung wissenschaftlicher Fakten innerhalb der aktuellen Wissenschaftsforschung hingewiesen (section 1.1.1). Dies trifft insbesondere auf die großen Experimente am CERN zu, deren Messungen nur sehr bedingt an vergleichbaren Experimenten reproduziert werden können. Dementsprechend sind sowohl das CMS (section 1.2), als auch das ATLAS Experiment mit vergleichbaren physikalischen Möglichkeiten ausgestattet. Beispielsweise wiesen die Messergebnisse des CMS Detektors zur Masse des Higgs Teilchens (section 1.1.2) eine gute Übereinstimmung mit den unabhängig gemessen ATLAS Resultaten auf. Ein wesentlicher Bestandteil des CMS Detektors stellt sein Spurendetektor dar, dessen Silizium Sensoren eine sensitive Fläche von rund 200 Quadratmetern bedecken. Die Entwicklung Siliziumbasierter Sensoren innerhalb der letzten 30 Jahre hat wesentlich zu den darauffolgenden Fortschritten in der Teilchenphysik beigetragen. Neben den physikalischen Möglichkeiten profitiert diese Technologie (section 2.1) von einem reichen Erfahrungsschatz der Halbleiterindustrie. Der aktuelle CMS Spurendetektor (section 2.2) war als erstes Projekt dieser Größenordnung ein Wegbereiter für Experimente ähnlichen Umfangs. Dementsprechend wird um 2022, sobald die kontinuierliche Bestrahlung den Detektor umfassend beschädigt hat, nicht nur das Nachfolgemodell des CMS Spurendetektors (section 2.3) mit Silizium Sensoren realisiert sondern auch jenes des ATLAS Experimentes. In diesem Zusammenhang wird die Entwicklung von Silizium Streifensensoren in der vorliegenden Arbeit beschrieben. Anhand von Simulationen der, durch die Bestrahlung verursachten Erhöhung des Dunkelstroms aller Sensoren im CMS Spurendetektor konnten Erfahrungen über die Strahlenschäden während des Betriebs gewonnen werden (section 3.1). Gleichzeitig eigneten sich die Daten zur Durchführung von Studien über das genutzte, aktuell gültige Modell (section 3.2). In weiterer Folge konnten die entwickelten Algorithmen dazu genutzt werden Vorhersagen über den weiteren Verlauf des Dunkelstroms im Spurendetektor und die Bestrahlungsintensität innerhalb des zukünftigen Spurendetektors zu machen. Diese Informationen stellen wichtige Rahmenbedingungen für die Entwicklung zukünftiger Sensoren dar. Da das nötige Nachfolgemodell des CMS Spurendetektors gleichzeitig mit jenem des ATLAS Experimentes aufgebaut werden muss, sind Lieferengpässe von Silizium Streifensensoren zu erwarten. Um dieser Entwicklung vorzubeugen haben das Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) und der internationale Halbleiterhersteller Infineon Technologies Austria AG im Zuge einer Kooperation damit begonnen p-in-n Streifensensoren zu entwickeln (section 4). Diese Technologie stellt die am besten etablierte Variante derartiger Sensoren dar und scheint für eine Prototypenproduktion gut geeignet. Während der Produktion einiger Chargen mit leicht variierenden Herstellungsprozessen konnte, durch die vom Autor entwickelten und durchgeführten Messungen ein bestimmtes Aufladungsproblem beobachtet, verstanden, entfernt und schließlich verhindert werden. Ausschlaggebend waren geringe Änderungen des Produktionsprozesses, des Maskenlayouts und der Sensor Handhabung. In weiterer Folge wurden einfache Bestrahlungsstudien durchgeführt. Zunächst konnte das theoriekonforme Verhalten der Sensoren festgestellt werden (section 5). Zusätzlich wurde die geringe Rolle der zuvor erwähnten Aufladungsprobleme nach Bestrahlung beobachtet. Diese Informationen konnten durch eine elektrische Charakterisierung bei unterschiedlichen Temperaturen vor und nach der Bestrahlung mit Neutronen (section 5.1) und Protonen (section 5.2) durch den Autor erlangt werden. Schlussendlich wurden die Prototyp Sensoren mit einem Teilchenstrahl untersucht. Derartige Tests sind gut geeignet um die Arbeitsweise der Detektoren unter Bedingungen zu überprüfen, die dem finalen Experiment am nächsten kommen (section 6). Die Sensoren müssen dazu mit einem elektronischen Verstärkerchip verbunden und über ein komplexes Datennahmesystem ausgelesen werden. Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurden sowohl analoge (APV25) als auch binäre (CBC2) Chips verwendet. Der APV25 Chip liefert aufgrund der analogen Daten detaillierte Informationen über den Sensor und wird im aktuellen Experiment eingesetzt. Dem gegenüber prozessiert der binäre CBC2 Chip die Daten intern um Trigger relevante Informationen zu erhalten und ist für das CMS Upgrade vorgesehen. Es wurden Daten von Hadronen (section 6.2) am SPS und Leptonen (section 6.3) am DESY II Beschleuniger aufgezeichnet und durch den Autor umfassend analysiert. Die Ergebnisse bestätigen jene der elektrischen Messungen und zeigen die Qualität der Sensoren auf.

The progress of modern basic research is based on sophisticated experiments which are commonly prepared and operated by large collaborations. This not only applies to recent particle physics experiments at CERN but has also been emphasized as a general development in basic research by science studies (section 1.1.1). The detailed development and documentation of the experimental technology represents an integral part of every measurement. A proper example of such a complex large scale experiment is the CMS detector at CERN (section 1.2). As a general purpose detector it aims to discover new and not yet fully understood physical effects. It therefore relies on the verification of the ATLAS detector the sole second one of its kind. Both experiments are intended to discover and determine the detailed properties of the Higgs boson, one of the last missing significant components of the standard model of particle physics (section 1.1.2). One substantial part of the CMS detector necessary to enable this discovery is its all-silicon tracker. The evolution of silicon based sensors over the last 30 years contributed to the physical potential of modern experiments. This technology (section 2.1) benefits from the profound knowledge and experience of the semiconductor industry and relies on close cooperation with commercial partners. The current CMS tracker represents the first device utilizing silicon strip sensors on a sensitive area of about 200 square metres (section 2.2). Due to the radiation damage during its operation and the increased future demands, it has to be replaced by a completely new model in around 2022 (section 2.3). By then a trigger functionality will be incorporated to the tracker and a new sensor design and read-out concept is needed. In this regard the development of a technology which is capable of producing such sensors is presented in this thesis. Given this context the radiation induced leakage current increase inside the tracker has been simulated by the author. This was done to investigate the operational conditions (section 3.1) as well as to test the currently valid theoretical model (section 3.2). The developed algorithm are subsequently used to make predictions about the leakage current evolution inside the tracker and to estimate the radiation exposure on sensors inside the tracker upgrade. As a result, useful information for the development of future silicon strip sensors could be attained. The necessary tracker upgrade of the CMS experiment will take place at the same time at which ATLAS will upgrade its tracker to an all-silicon version. The fact that during this period, the demand on silicon strip sensors might exceed the production capabilities of existing vendors triggered a close cooperation of the HEPHY with the international semiconductor manufacturer Infineon Technologies Austria AG. In the scope of this work a technology of producing p-in-n silicon strip sensors could be developed. Although the tracker upgrade will be most likely realized with n-in-p type sensors, the produced p-in-n sensors recreate a well established technology and are suited to investigate the individual production steps (section 4). Through the production of several batches with different split groups, a distinctive charging problem emerged. It could then be understood, cured and finally avoided by adapting different process and handling steps. To achieve these results advanced electrical characterization methods were developed and performed by the author. Nevertheless the prototype devices have to be evaluated in terms of their behaviour after radiation exposure. To detect possible defects and deviations from the theoretical predictions, different structures were electrically characterized before and after irradiating (section 5) them with neutrons (section 5.1) and protons (section 5.2) by the author. Through this irradiation studies a theory conform behaviour could be verified as well as the limited impact of the charging problem after irradiation. In fact another sensor was irradiated with gamma rays both before and after being operated in a beam test. The final performance of the detector is optimally tested by assembling modules, on which the sensors are connected to an amplifier read-out chip and a DAQ system (section 6). Such modules were equipped with sensors from the first and second batch and an analogue (APV25) and binary (CBC2) read-out chip. The APV25 chip is used at the current CMS tracker and has the advantage of delivering detailed sensor information. The CBC2 chip will be used at the tracker upgrade and incorporates special functionalities in respect to its tasks for the CMS trigger. The author could therefore record and analyse data on a hadron beam test at the SPS (section 6.2) and two lepton beam tests at the DESY II (section 6.3) particle accelerator. Through these final tests the improvements of the sensors could be monitored.