Silicon Strip Detectors for the ATLAS End-Cap Tracker at the HL-LHC

El LHC se ha convertido en el acelerador más potente de todos los tiempos. Su principal objetivo es dar respuesta a las limitaciones del Modelo Estándar y revelar la física más allá de él. El descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 supuso el comienzo de una era en el campo de la física de partículas donde conseguir la mayor precisión posible en las medidas es vital. En el LHC se aceleran y colisionan protones con una energía nominal de centro de masas de 14 TeV y una luminosidad instantánea nominal de 10^34 cm−2 s−1. Para la máxima luminosidad, los protones son acelerados en paquetes de 1.15 ×10^11 protones cada uno, con una frecuencia de 40 MHz (esto supone una colisión cada 25 ns). Estas colisiones producen gran cantidad de partículas que son registradas por los experimentos del LHC. Dentro del programa físico desarrollado del LHC la luminosidad irá incrementando y los detectores pasarán por varias fases de mejora para adaptar todo su potencial a cada situación. En el caso del experimento ATLAS, la segunda será la última fase de mejora, durante la cuál se preparará a los detectores para alcanzar la máxima luminosidad de 5x10^34 cm−2 s−1. Su comienzo está programado entre 2022 y 2023 y el detector interno se reemplazará por uno hecho completamente de silicio. En experimentos de aceleradores de partículas de alta energía, los detectores de silicio son muy utilizados debido entre otras cosas a la estructura de bandas energéticas de los materiales semiconductores. Un detector de silicio es básicamente una unión pn (que se consigue dopando el material con impurezas en pequeñas cantidades). La zona de desertización que existe en el sensor es la base para la detección de partículas en este tipo de detectores. Cuando una partícula atraviesa el diodo, ioniza el material y genera pares electrón-hueco, que se dirigen hacia los electrodos del detector. En detectores de reconstrucción de trazas que requieren medidas de la posición con alta precisión se utilizan detectores de silicio de micro-bandas (o microstrips). En estos detectores las bandas (strips) actúan como uniones pn independientes. Los detectores estudiados en este trabajo para la segunda fase de mejoras del detector interno de ATLAS son detectores de microstrip tipo p. La radiación induce defectos en la estructura cristalina del silicio los cuales suponen da˜nos a nivel microscópico. Las consecuencias de estos da˜nos microscópicos se reflejan posteriormente en efectos macroscópicos. Estos efectos pueden tener gran influencia en el comportamiento eléctrico del detector. Afectan principalmente a la corriente de fugas, la eficiencia de recolección de carga y la concentración efectiva de dopantes. El trabajo presentado en esta tesis está enfocado en la caracterización eléctrica de detectores de silicio de tipo microstrip que se utilizarán en la segunda mejora del detector ATLAS y en concreto en los End-Caps del detector interno. En la primera parte de este trabajo, se presenta la estructura del Pétalo que contendrá los sensores de silicio. Las pruebas termo-mecánicas realizadas muestran alta compatibilidad con las simulaciones previas realizadas. Las deformaciones máximas debidas a estrés mecánico fueron de unas 200 μm y 30 μe para deflexiones y elongaciones, respectivamente. Con estos valores se obtuvo el módulo de Young de la fibra de carbono, siendo de 215 GPa. En el caso de deformaciones por estrés térmico se obtuvieron deflexiones de 0.24 μm/ºC y de 4.8 μe/ºC para las elongaciones. La temperaturas medidas en la superficie están entre -14 y -30ºC. Los resultados presentan algunas diferencias respecto a lo previsto por las simulaciones las cuales pueden estar debidas a la gran influencia de las condiciones externas en el sistema experimental y a la necesidad de implementar mejor las propiedades de los distintos materiales en el modelo simulado. La superficie del Pétalo además se encuentra dentro de las especificaciones de planaridad (por debajo de las 100 μm) y el grosor medido (5.4 mm) es cercano al establecido (~5 mm). A su vez se caracterizaron eléctricamente sensores miniatura que sirven de base a los futuros sensores del Pétalo. La caracterización se realizó en términos de corriente de fugas, capacidad y recolección de carga pre y post-irradiación. A partir de los resultados se puso de manifiesto el efecto negativo que produce la radiación sobre las propiedades eléctricas de los sensores. La corriente de fugas aumentó un factor cinco después de irradiar y la capacidad cambió, no siendo posible ver la región de capacidad constante e imposibilitando el cálculo del voltaje de desertización completa mediante este método. En cuanto a la carga recolectada, se observó una disminución con la dosis de radiación. Cuanto mayor es la dosis menor es la carga total recolectada por los sensores. A pesar de ello, los sensores son capaces de mantener las especificaciones requeridas por el experimento en el voltaje de operación esperado (unos 600 V) aún para las mayores dosis de irradiación. Por tanto, estos estudios muestran resultados muy positivos. Como complemento a la caracterización eléctrica de los sensores, se realizaron estudios de integridad de la señal por strip (pre y post-irradiación) mediante un sistema láser diferenciando además entre sensores que poseían strips huérfanos conectados mediante tecnología AC o DC. En general todos los sensores medidos presentaron uniformidad en la amplitud de la señal por canal. En el caso de detectores irradiados, se comprobó de nuevo cómo la exposición a la radiación afecta a las propiedades de los sensores obteniendo una disminución en la amplitud de la señal. En cuanto a la comparativa entre tecnología AC y DC se comprobó la eficacia de ambas siendo preferibles las conexiones AC ya que en las DC existen pequeños acoplos que pueden inducir a confusión en el sistema de reconstrucción de trazas. Con el tiempo, los efectos de la radiación cambian. Mediante el annealing acelerado de los sensores podemos estudiar este fenómeno. Para ello se emplea una cámara climática. En este tipo de detectores se espera ver un incremento en la eficiencia de recolección de carga con el tiempo de annealing. Dos de los sensores analizados presentaron comportamientos extraños. No se observaron incrementos en la carga recolectada sino un descenso. La corriente de fugas y el ruido resultaron además extremadamente elevados imposibilitando el análisis de las medidas por encima de 65 minutos de annealing controlado. El comportamiento de los otros dos sensores medidos fue normal, detectando el incremento de carga (de unos (3-4) ke−) después de 300 minutos de annealing controlado. Estos estudios muestran una mejora, en cuanto al annealing se refiere, frente a los sensores tipo n que actualmente se encuentran funcionando en ATLAS. En la segunda parte de este trabajo de tesis se introduce el proyecto Petalet. El Petalet es un prototipo del Pétalo a pequeña escala que utilizamos para verificar los distintos pasos del proceso de fabricación y elegir el mejor sistema de electrónica de lectura asociada. Los sensores del Petalet fueron fabricados por el CNM de Barcelona (miniaturas y de tamaño real). Se utilizaron para estos estudios detectores no irradiados, algunos de los cuales incluyen adaptadores interstrip construídos en el propio sensor (embedded PA’s). Estos adaptadores permiten solventar el problema de gran ´angulo de bondado que aparece en los sensores del Pétalo. Se hizo la caracterización eléctrica de estos sensores siguiendo el mismo procedimiento que en el caso de los sensores ATLAS12A. Todos los detectores, tanto miniatura como de tamaño real, mostraron buen funcionamiento en términos de corriente de fugas, capacidad y recolección de carga. No se observó ruptura por debajo de los 200 V (voltaje marcado por las especificaciones) y se alcanzó la desertización completa alrededor de los (50-60) V de media, obteniendo valores dentro de lo establecido. La recolección de carga con los sensores completamente desertizados rondó los 21.93 ke−, valor que es compatible con el esperado para este tipo de sensores. Debido a la adición de la segunda capa de metal en los embedded PA’s efectos de acoplo (pick-up and cross-talk) pueden aparecer. Estos efectos se estudiaron mediante técnicas láser análogas a las utilizadas con los sensores ATLAS12A. Únicamente se detectaron acoplos entre la segunda capa de metal y el substrato del sensor (pick-up) pero en un peque˜no porcentaje de strips. El área que ocupan los embedded PA’s es además bastante reducida comparada con el tamaño total del sensor por lo que la influencia de estos efectos en el sistema total es prácticamente despreciable. Los sensores analizados mostraron, en general, buen funcionamiento eléctrico. De todos los sensores de tamaño real, se eligieron los que mejor comportamiento tuvieron (en términos de corriente de fugas y capacidad) para construir el Petalet y verificar los distintos sistemas de electrónica de lectura. Las dos propuestas fueron las llamadas Split y Common readout. La diferencia más destacable entre ellas es el número de híbridos que se utilizan en los dos sensores externos. La configuración Split readout utiliza un único híbrido para los dos sensores. Con este sistema se distribuyen las líneas de alimentación y datos cada una a un lado del Petalet. Utlizar un único híbrido hace más complicado el montaje de los módulos. En la configuración Common readout se utilizan dos híbridos independientes para los sensores externos facilitando así el proceso de montaje. Por el contrario las líneas de alimentación y datos van juntas a un lado del Petalet. Los tests eléctricos incluyen la determinación del ruido de entrada y ganancia del sistema. Diferentes institutos evaluaron las distintas propuestas obteniendo resultados similares (ruido en torno a los 600-700 ENC y distribución plana de ganancia) por lo que ambas configuraciones resultaron factibles. La configuración Split readout permite sinergias directas con la parte Barril del detector, aunque el montaje de los módulos es más sencillo con la solución Common readout. Después de varias discusiones, la colaboración decidió utilizar una solución combinada de las dos configuraciones. De modo que la electrónica de lectura de los Pétalos se basará en la configuración Split readout pero utilizando dos híbridos para los sensores externos, como en la configuración Common readout. Finalmente, los estudios mostrados en esta tesis han formado parte de resultados definitivos presentados por la colaboración ITK de ATLAS que sientan las bases del desarrollo de los detectores que se utilizarán en los futuros Pétalos en el HL-LHC

Design and Evaluation of Large Area Strip Sensor Prototypes for the ATLAS Inner Tracker Detector

The ATLAS community is facing the last stages prior to the production of the upgraded silicon strip Inner Tracker (ITk) for the High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC). An extensive Market Survey was carried out in order to evaluate the capability of different foundries to fabricate large area silicon strip sensors, satisfying ATLAS ITk specifications. The semiconductor manufacturing company Infineon Technologies AG was one of the two foundries, along with Hamamatsu Photonics KK, evaluated for the production of the new barrel silicon strip sensors for the ITk. This work presents the complete tests carried out on the sensors designed and fabricated in 6-inch wafers in the framework of the Market Survey. The full prototype wafer layout was designed using a Python-based Automatic Layout Generation Tool, able to rapidly design sensors with different characteristics and dimensions based on a few geometrical and technological input parameters. A complete characterization of the large area strip sensors fabricated is presented, including the results of proton and neutron irradiations, and their compliance with the specifications of the ITk strip tracker

Experimental Study and Empirical Modelling of Long Term Annealing of the ATLAS18 Sensors

In order to continue the program of the LHC, the accelerator will be upgraded to the HL-LHC, which will have a design luminosity 10e3 cm^2 s^-1, an order of magnitude greater than the present machine. In order to meet the occupancy and radiation hardness requirements resulting from this increase in luminosity, the present ATLAS tracking detector must be replaced. The ATLAS Collaboration is constructing a new central tracking system based completely on silicon sensors. The system comprises an inner pixel detector, a barrel strip detector and an endcap strip detector. In order to satisfy the radiation hardness requirements we have developed a new n-in-p sensor design. Extensive studies have shown that it results in detectors which comfortably reach the required end-of-life performance. The latest sensor layouts prepared for preproduction, known as ATLAS18, implement this design. However, as well as knowing the performance after a given irradiation fluence, operational considerations require an understanding of the time development of the annealing, and resulting variation of the collected charge, of irradiated detectors at different temperatures. This requirement results from the fact that there are various proposed temperature profiles for the operation of the detector over the expected lifetime of 14 years. Here we describe the measurement of charge collection performance as a function of irradiated fluence and long term annealing time. We also describe a semi-empirical model based on these measurements which allows us to predict the end-of-life charge collection as a function of the temperature profile during operation of the detector. The use of the model to study the effect of annealing on the strip detector at a radius of 40 cm and an integrated irradiation fluence of 16e14 MeV neutron equiv. is presented. This methodology can be applied to other regions of the detector, such as the pixels

Characterization of the Polysilicon Resistor in Silicon Strip Sensors for ATLAS Inner Tracker as a Function of Temperature, Pre- And Post-Irradiation

The high luminosity upgrade of the Large Hadron Collider, foreseen for 2029, requires the replacement of the ATLAS Inner Detector with a new all-silicon Inner Tracker (ITk). The expected total integrated luminosity of $4000\, \mathrm{fb}^{−1}$ means that the strip part of the ITk detector will be exposed to the total particle fluences and ionizing doses reaching the values of $1.6 \cdot 10^{15}$ $1\, \mathrm{MeV}$ $\mathrm{n_{eq}/cm^2}$ and $0.66\, \mathrm{MGy}$, respectively, including a safety factor of $1.5$. Radiation hard n${}^+$-in-p micro-strip sensors were developed by the ATLAS ITk strip collaboration and are produced by Hamamatsu Photonics K.K. The active area of each ITk strip sensor is delimited by the n-implant bias ring, which is connected to each individual n${}^+$ implant strip by a polysilicon bias resistor. The total resistance of the polysilicon bias resistor should be within a specified range to keep all the strips at the same potential, prevent the signal discharge through the grounded bias ring and avoid the readout noise increase. While the polysilicon is a ubiquitous semiconductor material, the fluence and temperature dependence of its resistance is not easily predictable, especially for the tracking detector with the operational temperature significantly below the values typical for commercial microelectronics. Dependence of the resistance of polysilicon bias resistor on the temperature, as well as on the total delivered fluence and ionizing dose, was studied on the specially-designed test structures called ATLAS Testchips, both before and after their irradiation by protons, neutrons, and gammas to the maximal expected fluence and ionizing dose. The resistance has an atypical negative temperature dependence. It is different from silicon, which shows that the grain boundary has a significant contribution to the resistance. We will discuss the contributions by parameterizing the excitation energy of the polysilicon resistance as a function of the temperature for unirradiated and irradiated ATLAS Testchips

Analysis of the Quality Assurance results from the initial part of production of the ATLAS18 ITk strip sensors

The production of strip sensors for the ATLAS Inner Tracker (ITk) started in 2021. Since then, a Quality Assurance (QA) program has been carried out continuously, by using specific test structures, in parallel to the Quality Control (QC) inspection of the sensors. The QA program consists of monitoring sensor-specific characteristics and the technological process variability, before and after the irradiation with gammas, neutrons, and protons. After two years, half of the full production volume has been reached and we present an analysis of the parameters measured as part of the QA process. The main devices used for QA purposes are miniature strip sensors, monitor diodes, and the ATLAS test chip, which contains several test structures. Such devices are tested by several sites across the collaboration depending on the type of samples (non-irradiated components or irradiated with protons, neutrons, or gammas). The parameters extracted from the tests are then uploaded to a database and analyzed by Python scripts. These parameters are mainly examined through histograms and time-evolution plots to obtain parameter distributions, production trends, and meaningful parameter-to-parameter correlations. The purpose of this analysis is to identify possible deviations in the fabrication or the sensor quality, changes in the behavior of the test equipment at different test sites, or possible variability in the irradiation processes. The conclusions extracted from the QA program have allowed test optimization, establishment of control limits for the parameters, and a better understanding of device properties and fabrication trends. In addition, any abnormal results prompt immediate feedback to the vendor

Characterization of the Polysilicon Resistor in Silicon Strip Sensors for ATLAS Inner Tracker as a Function of Temperature, Pre- And Post-Irradiation

The high luminosity upgrade of the Large Hadron Collider, foreseen for $2029$, requires the replacement of the ATLAS Inner Detector with a new all-silicon Inner Tracker (ITk). The expected ultimate total integrated luminosity of $4000\, \mathrm{fb}^{-1}$ means that the strip part of the ITk detector will be exposed to the total particle fluences and ionizing doses reaching the values of $1.6 \cdot 10^{15}$ $1\, \mathrm{MeV}$ $\mathrm{n_{eq}/cm^2}$ and $0.66\, \mathrm{MGy}$, respectively, including a safety factor of $1.5$. Radiation hard n${}^+$-in-p micro-strip sensors were developed by the ATLAS ITk strip collaboration and are produced by Hamamatsu Photonics K.K. The active area of each ITk strip sensor is delimited by the n-implant bias ring, which is connected to each individual n${}^+$ implant strip by a polysilicon bias resistor. The total resistance of the polysilicon bias resistor should be within a specified range to keep all the strips at the same potential, prevent the signal discharge through the grounded bias ring and avoid the readout noise increase. While the polysilicon is a ubiquitous semiconductor material, the fluence and temperature dependence of its resistance is not easily predictable, especially for the tracking detector with the operational temperature significantly below the values typical for commercial microelectronics. Dependence of the resistance of polysilicon bias resistor on the temperature, as well as on the total delivered fluence and ionizing dose, was studied on the specially-designed test structures called ATLAS Testchips, both before and after their irradiation by protons, neutrons, and gammas to the maximal expected fluence and ionizing dose. The resistance has an atypical negative temperature dependence. It is different from silicon, which shows that the grain boundary has a significant contribution to the resistance. We will discuss the contributions by parameterizing the activation energy of the polysilicon resistance as a function of the temperature for unirradiated and irradiated ATLAS Testchips

Establishing the Quality Assurance Programme for the Strip Sensor Production of the ATLAS Tracker Upgrade Including Irradiation with Neutrons, Photons and Protons to HL-LHC Fluences

The successful pre-production delivery of strip sensors for the new Inner Tracker ITk for the upgraded ATLAS detector at the High Luminosity LHC CERN has completed and based on their performance full production has commenced. The overall delivery period is anticipated to last 4 years to complete the approximately 22000 sensors required for the ITk. For Quality Assurance QA, a number of test structures designed by the collaboration, along with a large area diode and miniature version of the main sensor, are produced in every wafer by the foundry Hamamatsu Photonics K.K HPK. As well as Quality Control QC checks on every main sensor, samples of the QA pieces from each delivery batch are tested both before and after irradiation with results after exposure to neutrons, gammas or protons to doses corresponding to those anticipated after operation at the HL-LHC to roughly 1.5 times the ultimate integrated luminosity of 4000~fb$^{-1}$. In this paper are presented the procedures and the studies carried out to establish that the seven ITk QA Strip Sensor irradiation and test sites meet all the requirements to support this very extensive programme throughout the strip sensor production phase for the ITk project

Test and extraction methods for the QC parameters of silicon strip sensors for ATLAS upgrade tracker

The Quality Control (QC) of pre-production strip sensors for the Inner Tracker (ITk) of the ATLAS Inner Detector upgrade has finished, and the collaboration has embarked on the QC test programme for production sensors. This programme will last more than 3 years and comprises the evaluation of approximately 22000 sensors. 8 Types of sensors, 2 barrel and 6 endcap, will be measured at many different collaborating institutes. The sustained throughput requirement of the combined QC processes is around 500 sensors per month in total. Measurement protocols have been established and acceptance criteria have been defined in accordance with the terms agreed with the supplier. For effective monitoring of test results, common data file formats have been agreed upon across the collaboration. To enable evaluation of test results produced by many different test setups at the various collaboration institutes, common algorithms have been developed to collate, evaluate, plot and upload measurement data. This allows for objective application of pass/fail criteria and compilation of corresponding yield data. These scripts have been used to process the data of more than 2500 sensors so far, and have been instrumental for identification of faulty sensors and monitoring of QC testing progress. The analysis algorithms and criteria were also used in a dedicated study of strip tests on gamma-irradiated full-size sensors

Test and extraction methods for the QC parameters of silicon strip sensors for ATLAS upgrade tracker

The Quality Control (QC) of pre-production strip sensors for the Inner Tracker (ITk) of the ATLAS Inner Detector upgrade has finished, and the collaboration has embarked on the QC test programme for production sensors. This programme will last more than 3 years and comprises the evaluation of approximately 22000 sensors. 8 Types of sensors, 2 barrel and 6 endcap, will be measured at many different collaborating institutes. The sustained throughput requirement of the combined QC processes is around 500 sensors per month in total. Measurement protocols have been established and acceptance criteria have been defined in accordance with the terms agreed with the supplier. For effective monitoring of test results, common data file formats have been agreed upon across the collaboration. To enable evaluation of test results produced by many different test setups at the various collaboration institutes, common algorithms have been developed to collate, evaluate, plot and upload measurement data. This allows for objective application of pass/fail criteria and compilation of corresponding yield data. These scripts have been used to process the data of more than 3000 sensors so far, and have been instrumental for identification of faulty sensors and monitoring of QC testing progress

ATLAS ITk Strip Sensor Quality Control and Review of ATLAS18 Pre-Production Sensor Results

With the upgrade of the LHC to the High-Luminosity LHC (HL-LHC), the Inner Detector will be replaced with the new all-silicon ATLAS Inner Tracker (ITk) to maintain tracking performance in a high-occupancy environment and to cope with the increase in the integrated radiation dose. Comprising an active area of $165\,\mathrm{m^2}$, the outer four layers in the barrel and six disks in the endcap region will host strip modules, built with single-sided micro-strip sensors and glued-on hybrids carrying the front-end electronics necessary for readout. The strip sensors are manufactured as n$^+$-in-p devices from high-resistivity silicon in 8 different shapes, from square in the barrel staves to a stereo annulus wedge-shape in the endcap discs, developed to withstand a total fluence of $1.6 \times 10^{15}\,\mathrm{n_{eq}/cm^2}$ and a total ionising dose of $66\,\mathrm{MRad}$. In 2020 the ITk Strip Sensors project has transitioned into the pre-production phase, where 5% of the production volume, a total of 1101 ATLAS18 wafers, was produced by Hamamatsu Photonics. Before being shipped out for module building, the ATLAS18 main sensors were tested at different institutes in the collaboration for mechanical and electrical compliance with technical specifications, the quality control (QC), while fabrication parameters were verified using test structures from the same wafers, the quality assurance (QA). The sensor QC evaluation program, test results and statistics, as well as experience gained from pre-production will be summarised in this contribution