Contributions to the Belle II sensor development and qualification

Abstract

Die vorliegende Masterarbeit wurde am Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien durchgeführt. Der Verfasser widmete sich dabei dem Qualitätmanagement für die doppelseitigen, trapezoiden Streifen-Sensoren, die den Silicon Vertex Detector (SVD) bilden werden. Der SVD ist ein Teil des ab 2016 laufenden Belle II Experiments in Tsukuba, Japan. Zusammen mit dem Pixel Detector (PXD) bildet er den Vertex Detector (VXD), der das Ziel hat die Vertices der kollidierten Teilchen zurückzuverfolgen. Der Silicon Vertex Detektor besteht aus vier Lagen und im Ganzen aus 187 doppelseitigen Streifen-Sensoren. Abgesehen von 60 trapezoiden Sensoren, besteht der SVD noch aus 127 rechteckigen Sensoren. Betrieben werden die Belle II Detektoren am asymmetrischen Elektron/Positron- Beschleuniger SuperKEKB. Das Belle II Experiment ist der Nachfolger des Belle Experiments, dessen Ergebnisse 2008 in einem Nobelpreis für Kobayashi und Maskawa resultierten und in dessem Rahmen insgesamt über 300 Publikationen in Physikjournals erschienen sind. Um die ausreichende Qualität der verbauten trapezoiden Sensoren zu garantieren, einigten sich das HEPHY und der Hersteller Micron Semiconductors auf strikte mechanische und elektrische Spezifikationen für die zu liefernden Sensoren. Im Gegensatz zu den rechteckigen Sensoren (die noch vor der Lieferung von Hamamatsu Photonics K.K. getestet wurden), wurden die trapezoiden Sensoren zum Teil vom Autor am HEPHY in Wien und zum anderen Teil am Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Triest getestet. Bei den Tests in Wien und Triest wurden Sensorparameter gemessen, die für die Funktionalität der Sensoren zentral sind, und diese wurden darauf mit den vorab festgesetzten Spezifikationen verglichen. Je nachdem in welchem Ausmaß die Sensoren den Spezifikationen genügten, wurden sie dann vom Autor in drei verschiedene Qualitätsklassen eingeteilt. Die Sensoren, die am schlechtesten abschnitten (Note C), werden als elektrisch nicht funktionale, mechanische Prototypen verwendet. Die mittelgut bewerteten Sensoren (Note B) dienen als elektrisch funktionale Prototypen, die für Testbeams verwendet werden. Für das Belle II Projekt werden vorwiegend Sensoren der höchsten Güteklasse A verwendet. Um eine Entscheidungshilfe für die Einteilung in die Klassen zu bekommen, wurden die Messresultate vom Autor mit statistischen Methoden ausgewertet. Unter anderem wurde die Qualität der verschiedenen Batches verglichen. Nicht nur die insgesamt 32 am HEPHY getesteten Sensoren, sondern auch die Ergebnisse der 24 Sensoren aus Triest wurden vom Autor statistisch analysiert. Weiters wurde ein Augenmerk auf systematische Unterschiede zwischen den Messungen in Triest und Wien gelegt und die Qualität der Wiener Sensoren mit jenen aus Triest verglichen. Die Hauptaufgabe dieser Masterarbeit bestand darin, die trapezoiden Micron Sensoren durch elektrische Messungen für das Belle II Projekt zu qualifizieren und zu charakterisieren. Die Ergebnisse der Tests waren im Großen und Ganzen zufriedenstellend. Von den 56 vermessenen trapezoiden Micron Sensoren wurden 43 akzeptiert und 13 abgewiesen. In dem SVD Bewertungssystem wurden 31 mit der Note A bewertet, 19 Sensoren mit der Note B und 6 mit der Note C.

The given master thesis was carried out at the Institute of High Energy Physics of the Austrian Academy of Sciences in Vienna. It treats the quality management of the double-sided, trapezoidal strip sensors that are used for the SVD (Silicon Vertex detector). The SVD will be one of the particle detectors used in the Belle II project in Tsukuba, Japan that starts in 2016. In total, the SVD consists of 4 detector layers that are made out of 187 double-sided strip sensors. Beside the 60 trapezoidal sensors that were produced by Micron Semiconductors, 127 double-sided rectangular sensors (produced by Hamamatsu Photonics K.K.) build the SVD. The SVD composes (together with the Pixel detector PXD) the Vertex detector (VXD) aiming to reconstruct the vertices of the collided particles. The particle accelerator that is associated to the Belle II project is the asymmetric electron-positron collider SuperKEKB. The Belle II experiment is the successor of the Belle experiment. Its outputs resulted in a won Nobel Prize for Kobayashi and Maskawa (2008) and over 300 publications in physics journals. To assure a sufficient quality of the sensors building the SVD, HEPHY and Micron Semiconductors arranged strict mechanical and electrical specifications for the delivered sensors. Those parameters were determined either for each strip (512 or 768 strips, depending on the side) or globally for the whole sensor. In contrary to the rectangular sensors (that were tested by Hamamatsu before the shipping), one part of the trapezoidal Micron sensors was measured at HEPHY Vienna- the other part was measured at the National Institute of Nuclear Physics (INFN) in Trieste. At the Quality Testing Center (QTC) in Vienna the author measured the significant parameters (on both sides) and then compared them to the specifications. After evaluating the measurement results, the author divided the sensors into three classes of quality. Sensors with the lowest grade C are used as mechanical dummies, sensors with the medium grade B are electrically functional and will be mostly used for prototypes and tests, whereas sensors with the best grade A have the highest quality and will be used in the Belle II project. After dividing the sensors into those three classes, the measurement results were statistically analyzed by the author. Histograms were plotted to see if the measured quantities depend on the batch number in order to find out if there was a possible link between the sensor quality and the date of construction. Not only the 32 sensors that were measured at HEPHY but also the 24 sensors from Trieste were statistically analyzed by the author and it was sought for systematic differences in the results, in order to identify potential systematic errors or biases of both measurements. Also the quality of the Viennese sensors were compared to those measured in Trieste. So, all in all, the task of this master thesis project was to qualify or disqualify the double-sided trapezoidal Micron sensors for the Belle II project. To summarize, the measurement results were satisfactory. From the 56 measured trapezoidal Micron sensors, 43 were accepted and 13 rejected. In the SVD grading system 31 sensors were rated with A, 19 sensors with B and 6 sensors with the grade C.