научная статья по теме ВЕРШИННЫЙ МИКРОСТРИПОВЫЙ ДЕТЕКТОР УСТАНОВКИ СВД ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА УСКОРИТЕЛЕ ИФВЭ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЕРШИННЫЙ МИКРОСТРИПОВЫЙ ДЕТЕКТОР УСТАНОВКИ СВД ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА УСКОРИТЕЛЕ ИФВЭ»

МС16Л7 МСп_21

Рис. 1. Схема вершинного детектора. МС^МС^ - сенсоры пучкового телескопа, МС12-МС21 - сенсоры вершинного телескопа, АМ - активная мишень с сенсорами МС7-МСц.

правления начальных, пучковых частиц от ускорителя (протоны), и состоящий из трех пар сенсоров, обеспечивающих полное перекрытие площади пучка (0 ~3 мм);

- активная (трекочувствительная) мишень, в которой протоны в протон-ядерных взаимодействиях вызывают первичные взаимодействия, малая часть из которых (~10-4) содержит очарованные частицы или редкие события с большой множественностью рожденных адронов, а также узкие ад-ронные резонансы;

- основная трековая часть вершинного детектора, служащая для регистрации треков, выделения первичной и вторичной вершин. Она состоит

из пяти пар Х,7-сенсоров, обеспечивающих регистрацию треков в апертуре: - ±250 мрад по углу 0 и 0-360° по углу ф, где 0 - полярный угол вторичных треков относительно направления начального пучкового трека, а ф - начальный угол в плоскости, перпендикулярной пучковому треку (ось 2 совпадает с направлением пучка начальных протонов). Указанная апертура согласуется с апертурой других детекторов установки.

Заданная апертура и размеры сенсоров, производимых на основе 100-миллиметровых Si-пла-стин, приводят по оси 2 к размерам сенсоров и их взаимному расположению, указанным в табл. 1 (за 2 = 0 принята координата первого сенсора активной мишени).

Таблица 1

Номер сенсора и ориентация стрипов Назначение Расположение стрипов Размеры рабочей области сенсора, мм Z-координата, мм Расстояние между стрипами, мм

1, 2 (X, У) Пучковый Верт., гориз. 16 х 16 -1000; -1000 25

3, 4 (X, У) телескоп Верт., гориз. -500; -500 25

5, 6 (X, У) Верт., гориз. -12; -11 25

7-11 (У) Активная мишень Вертикальная 8 х 8 0, +4, +12* + 18, +22 1000

12, 13 (X, У) Трековая часть Верт., гориз. 16 х 16 +31; +32 25

14, 15 (X, У) детектора Верт., гориз. 32 х 32 +51; +52 50

16, 17 (X, У) Верт., гориз. 51 х 51 +81; +82 50

18, 19 (X, У) Верт., гориз. 51 х 51 +106; +113 50

20, 21 (и, V)* Наклон 10, 50 51 х 51 +120; +126 50

* Для исследования зависимости сечений от атомного номера ядра по 2-координате + 8 мм расположена пассивная мишень - фольга из свинца толщиной 220 мкм; по 2-координате + 16 мм расположена пассивная мишень - пластина углерода толщиной 500 мкм.

АС контактная (разварочная) площадка

Охранное кольцо

Материал п^

Сплошная металлизация задней стороны

Блокирующий слой

Общая шина (А1)

Слой SiO2

Поликремниевый резистор

Стрип (слой р+^)

Стрип (слой р+^)

Рис. 2. Основные элементы конструкции микрострипового сенсора; подключение к нему питания и считывающей электроники. САс - переходный конденсатор стрипа, С, - емкость между двумя соседними стрипами, Сь - емкость стрипа на обратную сторону детектора.

МИКРОСТРИПОВЫЕ СЕНСОРЫ ВЕРШИННОГО ДЕТЕКТОРА

Разработка сенсоров для данного детектора базировалась на опыте, полученном НИИЯФ МГУ в целом ряде проектов [6-10].

Основные элементы микрострипового сенсора и подключение электроники показаны на рис. 2. Микростриповые сенсоры вершинного детектора представляют собой матрицы из линейных р+-п-переходов (стрипов) шириной ~10 мкм и длиной до 51 мм, расположенных параллельно друг другу с постоянным шагом. Каждый стрип подключен к своему каналу многоканального зарядово-чувстви-тельного усилителя.

Описываемая структура позволяет определять координаты трека ионизирующей частицы по номерам стрипов, в которых регистрируются сигналы. В простейшем случае, когда в сенсоре от одной частицы срабатывает единственный стрип, координата трека совпадает с координатой этого стрипа; в

этом случае точность восстановления координаты

~й/ л/12, где й - шаг стрипов. Более точного восстановления координаты можно добиться, если от одной частицы в сенсоре (из-за растеканий заряда) срабатывает нескольких соседних каналов (кластер), в этом случае координата трека определяется как координата центра тяжести амплитуд сигналов кластера.

Топология микростриповых сенсоров вершинного детектора

В вершинном детекторе используются микростриповые сенсоры трех основных типов, которые обозначены как SVD-16, SVD-32 и SVD-52. Все сенсоры представляют собой односторонние матрицы параллельных линейных р+-п-переходов. Различия между типами связаны с геометрическими размерами сенсоров и шагом стрипов, эти параметры приведены в табл. 2.

Таблица 2

Тип сенсора Плоскости в вершинном детекторе Размер, мм2 Количествово стрипов Шаг р+-стрипов, мкм

SVD-16 МС1-6, 12, 13 20064х18811 640 25

SVD-32 МС14, 15 34800х33800 640 50

SVD-52 МС16-21 52800х54000 1024 50

Рис. 3. Угол сенсора SVD-16 (вид сверху). 1 - стрипы, 2 - система охранных колец, 3 - общая шина, 4 - поликремниевые резисторы, 5 - тестовые контактные площадки к р+-имплантации стрипа, 6 - контактные (разварочные) площадки к металлизации стрипа.

Топология угла сенсора SVD-16 показана на рис. 3. Сенсоры активной мишени МС7-11 с размером рабочей области 8 мм и шагом стрипов 1 мм изготовлены по аналогичной технологии.

Массив стрипов (элементы 1 на рис. 3) для всех типов сенсоров расположен параллельно одной из сторон кристалла. Каждый стрип сформирован последовательными слоями: р+-имплантации, SiзN4, SiO2 и А1 с шириной слоев 10, 20, 20 и 13 мкм, соответственно. Активная область сенсора определяется размерами областей р+-имплан-тации, однако несколько превышает их. За счет этого при рабочем напряжении активные области соседних стрипов перекрываются.

Верхний А1-слой заканчивается разварочной площадкой, с помощью которой производится вывод сигнала. Каждый стрип соединен со своим входом зарядово-чувствительного усилителя А1-про-волокой толщиной 25 мкм, которая микросваркой присоединена к разварочным площадкам на стрипе и на микросхеме усилителя (см. рис. 3).

В микростриповых сенсорах вершинного детектора используется емкостной съем сигнала с каждого стрипа. Это означает, что импульс тока от частицы попадает на вход зарядово-чувствительного усилителя через переходную емкость САС. В этом случае величина сигнала от частицы не зависит от тока утечки р+-п-перехода стрипа. Конструктивно переходный конденсатор САС образован А1-полосой поверх стрипа и р+-полосой имплантации с изолятором из слоев Si3N4 и SiO2.

Рабочее запирающее напряжение смещения подается на каждый стрип через поликремниевый резистор сопротивлением ~1 МОм, выполненный в виде нескольких меандров (элементы 4 на рис. 3). Одним концом резистор соединен с А1-концом шины питания (элементы 3 на рис. 3), охватывающим всю матрицу стрипов, а другой конец соединен с полосой р+-имплантации стрипа.

На шине питания имеются по углам четыре расширения - площадки для микросварки. Эти площадки предназначены для подачи напряжения смещения на весь сенсор. Шина питания, в свою очередь, окружена четырьмя охранными ^-кольцами (элементы 2 на рис. 3).

Назначение охранных колец - уменьшать напряженность поля на краях стрипов за счет более плавного падения потенциала от активной области к краю сенсора. Высокая напряженность поля на краях стрипов способна вызвать развитие лавинного пробоя при рабочем напряжении и испортить р+-п-переход. С этой же целью охранные кольца отстоят от края детектора на расстояние ~700 мкм.

Задняя сторона сенсора представляет собой неразделенный (сплошной) металлизированный контакт к n-материалу (см. рис. 3). Al-металлизация блокирующего п+-слоя снижает влияние дефектов обратной стороны (дислокаций, царапин и др.) на качество р-п-переходов.

Габариты сенсоров выделены дорожками реза шириной 100 мкм, с которой удалены все технологические слои.

Особенности изготовления и проверки сенсоров

Все микростриповые сенсоры изготовлены из полированных пластин n-Si (легирование фосфором) 0100 мм с ориентацией (111), полученных методом бестигельной зонной плавки. Толщина пластин 300 ± 15 мкм. Удельное сопротивление более 5000 Ом • см. Пластины произведены фирмой "Wacker" (Германия). Изготовление сенсоров проводилось в физико-технологической лаборатории ЗАО "НИИ Материаловедения" (Зеленоград).

В производстве микростриповых сенсоров использованы стандартные процессы м.о.п.- и т.т.л.-технологий. Однако имеется и ряд особенно-

стей, связанных со спецификой вершинного детектора:

- сенсор имеет большую площадь (~30 см2), при этом количество дефектных элементов должно быть малым;

- используется нестандартный для микроэлектроники высокоомный Si (до 10 кОм • см);

- на работу прибора влияет весь объем кристалла и, в том числе, задняя сторона с высоким напряжением смещения.

Все это накладывает жесткие требования на чистоту, бездефектность и однородность исходного Si. Не допускается также появление механических дефектов как на лицевой, так и на задней стороне Si-пластин на всех этапах производства.

При формировании структуры сенсора из-за большой площади прибора применяется контактная фотолитография с зазором ~5 мкм. Полный цикл изготовления сенсора включает 7 операций фотолитографий и около 100 других технологических операций. Длительность технологического процесса ~7 недель.

Для производства кристаллов по данной топологии в НИИЯФ МГУ были изготовлены два комплекта шаблонов для контактной печати на Si-пластинаx 0100 мм. На рабочем поле Si-пласти-ны располагается один кристалл SVD-52 (1-й комплект шаблонов) или четыре кристалла SVD-16 вместе с одним кристаллом SVD-32 (2-й комплект шаблонов). Поле пластины, не занятое сенсором, заполнено тестовыми структурами. Особые требования предъявляются к качеству фотошаблонов и фотолитографии. Допустимое количество неработоспособных стрипов на сенсоре не должно превышать 2%. Так как на пластине располагается малое количество сенсоров (от одного до пяти), то для обеспечения выхода годных на уровне 40-50% необходимо полностью исключить дефекты на фотошаблонах и контролировать дефектность после фотолитографии.

Технологический процесс производства Si-сен-соров требует современного оборудования, высококачественных исходных материалов и производственных помещений с высоким уровнем чистоты ("класс 1"). Ниже приведены основные этапы изготовления сенсоров.

1. Тер

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком