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.