Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Кремниевые детекторы. Принципы работы. Технология . 14
1.1. Принципы работы полупроводниковых детекторов с p+n- переходом 16
1.2. Элементы технологии кремниевых детекторов 29
1.3. Проектирование детекторов 36
1.4. Моделирование переноса заряда в кремниевых детекторах 46
1.5. Заключение 58
Глава 2. Тестирование детекторов. Методика и результаты . 60
2.1. Задача испытаний детекторов 60
2.2. Общие требования к измерительному оборудованию и программному обеспечению 65
2.3. Схемы измерений и методы расчёта некоторых величин. 68
2.4. Заключение 90
Глава 3. Вопросы радиационной стойкости кремниевых детекторов . 91
3.1. Радиационные эффекты в кремниевых детекторах 93
3.2. Радиационно-стойкие кремниевые детекторы 124
3.3. Заключение 131
Глава 4. Падовые детекторы. Особенности и применение . 133
4.1. Кремниевые детекторы адрон-электронного сепаратора HES установки ZEUS 134
4.2. Детектор заряда эксперимента ATIC 156
4.3. Прототип системы измерения заряда установки НУКЛОН 168
4.4. Прототип переднего электромагнитного калориметра эксперимента PHENIX 184
4.5. Прототип калориметра линейного коллайдера ILC (CALICE) 201
4.6. Заключение. 208
Глава 5. Микростриповые координатно-чувствительные кремниевые детекторы и их применение . 209
5.1. Микростриповые детекторы эксперимента D0 (FNAL) 210
5.2. Микростриповые детекторы эксперимента СВД-2 244
5.3. Заключение. 261
Список литературы. 262
Приложение.
Список основных публикаций по теме диссертации 277
- Элементы технологии кремниевых детекторов
- Общие требования к измерительному оборудованию и программному обеспечению
- Радиационно-стойкие кремниевые детекторы
- Прототип системы измерения заряда установки НУКЛОН
Введение к работе
Актуальность темы
Еще чуть более 30 лет назад полупроводниковые детекторы были едва известны в физике высоких энергий (ФВЭ) и физике космических лучей (ФКЛ), в то время как сегодня это уже очень широко применяемые приборы, используемые для определения координат, энергии, типа и заряда частиц. Интенсивное развитие многоканальной высокочувствительной электроники считывания, т.н. «front-end», привело к тому, что сегодня электрические сигналы с полупроводниковых детекторов могут быть относительно легко обработаны и записаны системами сбора информации для непосредственного или последующего анализа.
Полупроводниковые детекторы сегодня обеспечивают наилучшую точность определения координаты частицы в больших детектирующих системах, способны работать в очень высоких магнитных полях, и в достаточно жестких радиационных условиях. Что особенно важно для масштабных экспериментов по изучению редких процессов, таких как, например, эксперименты на коллайдере «ТЭВАТРОН» (CDF и D0) и эксперименты на большом адроном коллайдере (БАК/LHC).
Следует отметить, что все современные экспериментальные установки включают в себя, как правило, кремниевую систему как основной и наиболее точный инструмент.
Практически все современные полупроводниковые детекторы, используемые в ФВЭ и ФКЛ, изготавливаются на пластинах монокристаллического кремния по технологиям, применяемым в микроэлектронике, и это определяет их широкое применение благодаря высокой степени разработанности технологий и повторяемости результатов.
Развитие физических экспериментов с использованием коллайдеров (LHC - большой адронный коллайдер, ILC - международный линейный коллайдер, SLHC - сверхбольшой адронный коллайдер, RHIC - коллайдер тяжелых ионов), а также экспериментов с ионными пучками требует создания очень больших систем с максимально возможной гранулярностью, что связано с огромными потоками частиц, образующихся в результате взаимодействия. Например, для эксперимента СВМ при интенсивности пучка до 109 ионов золота в секунду число взаимодействий в мишени определяется
как 10 10 1/сек при средней множественности процессов около 800 вторичных частиц. Из существующих и разрабатываемых приборов только полупроводниковые детекторы способны обеспечить регистрацию частиц, восстановление их треков и вторичных вершин распада при высокой скорости отклика. Пожалуй, единственной альтернативой полупроводниковым детекторам являются детекторы на основе искусственного алмаза, однако технологии выращивания материала и собственно изготовления детекторов еще не дают возможности использовать эти приборы в реальных установках.
С другой стороны, в физике космических лучей, где, казалось бы, радиационные загрузки на несколько порядков меньше и необходимые скорости считывания всего до десятков событий в секунду (в некоторых случаях сотен), все же существует ряд задач, требующих очень высоких или даже уникальных параметров регистрирующих приборов. Особенно это касается координатного разрешения при экстремально высокой множественности процессов. Кроме того, для ФКЛ чрезвычайно актуальна задача определения химического состава космических лучей вплоть до ионов железа и даже более тяжелых ионов. Динамический диапазон кремниевых детекторов практически не ограничен, что позволяет использовать их в системах определения заряда.
Настоящая работа посвящена актуальной проблеме разработки кремниевых детекторов для физики высоких энергий и физики космических лучей.
В России работы по созданию кремниевых детекторов начались в конце 80-х годов в НИИЯФ МГУ в рамках разработки детектирующих систем для строившегося Ускорительно-Накопительного Комплекса (УНК). Было ясно, что современный коллайдер, запуск которого планировался в конце 90-х годов, требует самых передовых в технологическом отношении экспериментальных установок и использования качественно новых технологий регистрации частиц. В начале 90-х годов были получены первые образцы кремниевых детекторов для электромагнитного калориметра УНК. Работы по созданию этих детекторов проводились совместно с НИИ космического приборостроения (НИИКП), НИИ Микроэлектроники (НИИМЭ) и НИИ Материаловедения (НИИМВ).
Отдельной проблемой было создание производства высокочистого кремния бестигельной зонной плавки (БЗП). К сожалению, достичь мирового уровня в производстве и обработке БЗП кремния не удалось; в большой степени это было связано с прекращением финансирования проекта УНК и с чисто экономическими соображениями; разработка производства БЗП кремния оказалась не целесообразной из-за ограниченного спроса на этот материал. Эта тенденция прослеживается и в мире. Производством такого типа кремния занимаются всего две фирмы: «Wacker Siltronic», Германия и «Topsil», Швеция (и они практически полностью покрывают всю мировую потребность в этом материале).
Предлагаемая к защите диссертация охватывает цикл работ, проведенных за последние двадцать лет. В работе рассмотрены и обобщены следующие результаты, выполненные непосредственно автором и при его определяющем вкладе:
технологическая и топологическая разработка кремниевых детекторов;
методики измерений параметров и анализа качества кремниевых детекторов;
разработка и применение кремниевых детекторов для ряда экспериментов в ФВЭ:
адрон-электронный сепаратор эксперимента ZEUS, DESY, Германия;
трековая система (SMT) эксперимента D0, ФермиЛаб, Батавия, США;
вершинный детектор эксперимента СВД-2, Протвино;
передний калориметр эксперимента PHENIX, Брукхевен, США;
прототип электромагнитного калориметра для будущего линейного коллайдера ILC;
ряд прототипов детекторов для задач калориметрии и трековых систем;
разработка и применение кремниевых детекторов для ФКЛ:
кремниевая матрица для баллонного антарктического эксперимента ATIC;
зарядовая и трековая системы спутникового эксперимента НУКЛОН.
Цель работы и задачи исследования
К началу работы в литературе появилось достаточно большое количество публикаций по разработке и применению первых образцов кремниевых детекторов в физике высоких энергий, в частности, работы коллаборации DELPHI по использованию кремниевой трековой системы на коллайдере LEP. Появились также первые идеи по использованию кремниевых детекторов в электромагнитной и адронной калориметрии.
С 1990 года началась интенсивная разработка и использование кремниевых детекторов в экспериментах физики высоких энергий. Целью настоящей работы является обобщение результатов по исследованиям, разработке, технологии и применению кремниевых детекторов, полученных непосредственно автором, под его руководством или при его участии.
Основные новые результаты, полученные в диссертации:
-
-
Доказана возможность, и разработаны способы управления параметрами и свойствами кремниевых детекторов топологическими и технологическими методами. Разработаны методы геттерирования пластин, существенно (до 10 раз) увеличивающие время жизни неосновных носителей, в цикле производства. Что, соответственно, значительно улучшает токовые и шумовые характеристики кремниевых детекторов. Получены детекторы с площадями до 40 см и предельно низкими токами утечки менее 1 нА/см . Разработанная методика увеличения времени жизни носителей заряда, что позволила получить эффективность сбора заряда не менее 99%.
-
Разработаны и апробированы топологии структуры охранных колец кремниевых детекторов, учитывающие толщину пластины, геометрию детекторов и условия их применения. Получена оптимальная для данной технологии топология охранных колец для детекторов экспериментов: ZEUS, PHENIX, ATIC, НУКЛОН, D0, СВД-2, CLAS12. Топология обеспечивает плавное снижение потенциала от активной области к краю детектора и позволяет получить приборы с рабочим напряжением более 1000 В. В разработанной топологии значительно снижено влияние краевых нарушенных областей детектора на его активную часть.
-
Создана кластерная модель радиационных нарушений в кремниевых детекторах, описывающая деградацию параметров детекторов в процессе облучения и эволюцию дефектов после облучения, объясняющая процессы быстрого, медленного и обратного отжига. Модель основана на учете влияния сложных структурных дефектов. Показана принципиальная разница в структуре радиационных дефектов при облучении гамма-квантами и электронами от дефектов, создаваемых в результате нейтронного, протонного и другого облучения относительно тяжелыми частицами. Доказано, что основное влияние ионизирующего излучения на параметры детекторов, надежность их работы, степень деградации и зависимость параметров от интегральной дозы облучения определяется дефектообразующей компонентой.
Разработаны топологические методы повышения радиационной стойкости детекторов, обеспечивающие повышение допустимого рабочего напряжения смещения детектора за счет использования разработанной системы охранных колец (с учетом изменения режимов работы детектора в процессе облучения). Проведена оптимизация профиля легирования р+-области детектора, в результате которой практически исключается возникновение микропробоев по границам стрипов и на их концах. При применении сложного многоступенчатого профиля легирования возникновение микропробоев возможно только в случае нарушений технологического процесса или дефектов фотолитографии.
Разработаны радиационно-стойкие детекторы на основе оксидированного n-кремния, сохраняющие работоспособность до интегральных доз 10 МРад(8і). Применение технологии насыщения кислородом пластин кремния перед проведением технологического процесса приводит к уменьшению вдвое скорости роста напряжения полного обеднения при больших дозах дефектообразующего излучения.
-
-
Разработаны методы контроля параметров кремниевых детекторов и проведен анализ их корреляции с параметрами экспериментальных установок. Данный метод анализа детекторов позволяет определить проблемные места в технологическом процессе и провести «точную настройку» технологических процессов для конкретного типа детекторов и условий их применения. Разработанная методика позволяет определить минимально необходимый набор измеряемых параметров и число измерений на детекторе или партии детекторов при массовом производстве этих приборов для больших систем при полном контроле качества, гарантирующем соответствие параметров детекторов требованиям физического эксперимента.
-
Разработаны системы измерения заряда релятивистских ионов (в частности, состава космических лучей) с помощью кремниевых детекторов. Экспериментально показано, что, используя кремниевые детекторы, можно провести идентификацию ионов в диапазоне зарядов Z, по крайней мере, от Z=I до Z=26. Основные ограничения на диапазон накладываются параметрами существующей электроники считывания, а не свойствами и параметрами детекторов. Этот метод был экспериментально подтвержден на тестовом пучке в CERN и нашел широкомасштабное применение в экспериментах по исследованию состава космических лучей ATIC и НУКЛОН.
-
Разработано более 20 типов детекторов для различных экспериментальных установок как для физики высоких энергий и ядерной физики, так и для исследований энергетического спектра и состава космических лучей:
падовые, с размером чувствительной области от 0.13 до 25 см2, достигнут уровень токов утечки менее 1 нА/см , в частности: детекторы для адрон-электронного сепаратора эксперимента ZEUS, plug-калориметра эксперимента Н1, переднего калориметра эксперимента PHENIX, экспериментов по исследованию космических лучей ATIC и НУКЛОН, прототипа электромагнитного калориметра проектируемого линейного коллайдера;
стриповые детекторы как с гальваническим, так и с ёмкостным съемом сигнала с шагом стрипов от 0.2 до 1 мм: система измерения энергии, миникалориметр эксперимента НУКЛОН, активная мишень эксперимента СВД-2 и ядерно-физический эксперимент на накопительном кольце CELCIUM;
микростриповые детекторы с ёмкостным съемом сигнала и интегрированными резисторами смещения, шаг стрипов от 25 до 150 мкм: передняя трековая система эксперимента D0 (Н-disks), пучковый телескоп и вершинный детектор эксперимента СВД-2, кремниевый вершинный трекер эксперимента CLAS12, детекторы трековой системы эксперимента СВМ.
Разработаны прототипы кремний-вольфрамовых калориметров для экспериментов PHENIX и коллаборации CALICE.
Калориметр CALICE предназначен для проектируемого линейного коллайдера, и является чисто электромагнитным координатно- чувствительным калориметром. Проведены испытания на пучках различных энергий, показана работоспособность прототипа, и достигнута расчетная точность определения энергии. Передний калориметр эксперимента PHENIX содержит как электромагнитную, так и адронную части. Прототип прошел испытания на пучках ускорителя У-70 (ИФВЭ). Следует отметить, что это первое применение кремниевых детекторов для адронной калориметрии.
Научная новизна
Научная новизна работы определяется, прежде всего, новизной объекта исследований. До начала исследований, описанных в настоящей работе, в России практически не существовало ионно-имплантированных кремниевых детекторов, изготовленных по планарной технологии. В диссертации приведены результаты разработок и исследований кремниевых детекторов, изготавливаемых практически всеми современными технологическими методами: ионной имплантацией (непосредственно в кремний и через тонкий слой окисла), плазмохимическим травлением, окислением в специальной среде, геттерированием, восстановительным отжигом в атмосфере водорода, комбинированными технологиями, использующими как биполярный процесс, так и МОП.
Впервые приводятся характеристики и параметры большого ряда кремниевых детекторов, разработанных автором или под его руководством.
Изучено влияние примеси кислорода на радиационную стойкость кремниевых детекторов, показано, что внесение дополнительной примеси кислорода приводит к значительному снижению напряжения полного обеднения для сильно облученных детекторов.
Утверждается, что разработанная и адаптированная для российских предприятий технология способна обеспечить параметры детекторов на уровне лучших мировых образцов.
Практическая значимость
Практическая ценность работы и созданных автором детекторов подтверждается их успешным использованием в разработке различных систем.
Падовые детекторы большой площади (до 25 см ) были использованы для адрон-электронного сепаратора экспериментов ZEUS и Н1 на коллайдере HERA. Общая площадь кремниевых детекторов, установленных в экспериментах, более 10 м . Эксперименты завершили работу, сейчас продолжается обработка данных.
Была разработана и построена кремниевая матрица площадью 1м2 для баллонного эксперимента по исследованию космических лучей ATIC. К настоящему времени эксперимент совершил три полета вокруг южного полюса, и обработка данных продолжается, планируются следующие полеты.
Разработаны падовые детекторы для прототипа Si-W электромагнитного калориметра международного линейного коллайдера (ILC) и переднего конического калориметра эксперимента PHENIX. Детекторы смонтированы со считывающей электроникой, и прошли пучковые испытания.
Разработаны падовые детекторы для системы определения заряда космического эксперимента НУКЛОН. Проведены испытания детекторов на ионном пучке в ЦЕРН.
Разработаны стриповые детекторы для системы измерения заряда эксперимента НУКЛОН, испытания детекторов прошли успешно.
Разработаны и смонтированы в экспериментальную установку микростриповые детекторы передней части трековой системы эксперимента D0 на коллайдере «ТЭВАТРОН». Система введена в эксплуатацию в 2002 году. Набор физических данных закончен в сентябре 2011, и получены уникальные результаты по наблюдению одиночного рождения топ-кварка, В- осцилляции и уточнению массы топ-кварка.
Разработана и действует серия стриповых и микростриповых детекторов для эксперимента СВД-2 (Спектрометр с вершинным детектором). Детекторы используются в качестве активной мишени, пучкового телескопа, и собственно вершинного детектора с координатным разрешением не хуже 10 мкм.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на семинарах НИИЯФ МГУ, ИФВЭ, на рабочих совещаниях коллабораций RD2, ATLAS, D0, ZEUS, CBM, CALICE, PHENIX, НУКЛОН, на рабочем совещании по оценке качества детекторов в ЦЕРН (1-st Workshop on Quality Assurance Issues in Silicon Detectors, CERN, Geneva). Результаты работы были доложены на международных конференциях: 27th International Cosmic Ray Conference (ICRC 2001, Hamburg, Germany, 7-15 Aug. 2001), 28th International Cosmic Ray Conferences (ICRC 2003, Tsukuba, Japan, 31 Jul - 7 Aug. 2003), IEEE Nuclear Science Symposium (Rome, Italy 16 - 22 Oct. 2004), 12th International Conference on Calorimetry in High Energy Physics (CALOR 06, Chicago, Illinois, 5-9 Jun. 2006), 30-я Российская конференция по космическим лучам (30-я РККЛ, Санкт-Петербург, 2008), Научная конференция «Ломоносовские чтения» (Москва, Апрель 2007), Научная сессия МИФИ (Москва, 2010). За часть результатов этой работы автору была присуждена премия имени М.В. Ломоносова МГУ (2007). Результаты опубликованы в 38 печатных работах.
Получено 3 Свидетельства о государственной регистрации топологии детекторов.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения и 5 глав. Объем работы составляет 285 страниц, включая 112 рисунков, 17 таблиц, 125 ссылок на литературные источники. В Приложении приведены 38 основных публикаций по теме диссертации.
Элементы технологии кремниевых детекторов
Рассмотрим кратко технологические аспекты разработки и производства кремниевых детекторов. Для изготовления кремниевых детекторов применены комбинированные технологические процессы изготовления биполярных и МОП приборов. Использованы также технологии, применяющиеся в производстве высоковольтных кремниевых диодов и транзисторов. Пластины получают разрезкой монокристаллов высокочистого кремния, которые затем шлифуют, подвергают травлению и полируют, чтобы получить поверхность без нарушенного слоя. Обработанные пластины тщательно очищают химическим и плазменным способом. Для химической очистки применяют смеси сильных окислителей (напр., HNO3, H2O2) с кислотами (напр., с H2SO4), а также водный раствор NH3. После хим. очистки пластины промывают в деионизированной или бидистиллированной воде и сушат в центрифуге (1). Вообще, отмывка - одна из наиболее часто повторяющихся операций производства детекторов, при этом чистота воды имеет решающее значение. Далее на тщательно очищенной плоской поверхности пластины из монокристаллического кремния с электропроводностью n-типа термическим окислением в сухом кислороде создают слой двуокиси кремния (SiO2) толщиной около 0.5 мкм (2). Затем производят фотолитографическую обработку этого слоя: на окисленную поверхность кремния наносят слой фоторезиста, чувствительного к ультрафиолетовому излучению; пластину с высушенным слоем фоторезиста помещают под фотошаблон – плоскопараллельную кварцевую пластину с рисунком, в заданных местах прозрачным для ультрафиолетового излучения; после засветки ультрафиолетом фоторезист в тех местах, под которыми должен сохраняться слой SiO2, полимеризуют (задубливают), а с остальной части пластины фоторезист снимают и удаляют травлением обнажившийся слой SiO2, после чего снимают оставшийся фоторезист.
В участки, где нет плёнки окисла, проводят ионную имплантацию бора (акцепторной примеси) для создания в материале исходной пластины области с электропроводностью р-типа (этапы 4 и 5). Энергия используемых ионов лежит в диапазоне от 15 до 150 кэВ в зависимости от требуемой глубины залегания p-n-перехода. Далее проводится термическая разгонка примеси и отжиг пластины. Весь технологический процесс построен на использовании низкотемпературных операций (как правило, не выше 1050 – 1100 оС). Одновременно производится легирование по всей поверхности обратной стороны пластины донорной примесью (в качестве донорной примеси применяются фосфор (Р) или мышьяк (As)) для создания устойчивого омического контакта. В принципе, возможно использование диффузии для создания р-областей. Однако термодиффузия требует более высоких температур процесса и, кроме того, диффузия одновременно идёт и перпендикулярно поверхности пластины, и параллельно ей, т. е. под края окисной плёнки, эффективно увеличивая размеры перехода. Для создания контактов вначале на поверхности пластины (в маскирующем слое SiO2) формируют контактные окна, через которые затем напыляют металл, при этом образуются контактные площадки на периферии и соединительные дорожки между площадками и окнами; затем металл вжигают в пластины при 400-4500C в атмосфере водорода. Пиролитическим или химическим осаждением получают слои SiO2 -наиболее распространенного материала для формирования пассивирующего (защитного) слоя детектора. Еще одной существенной особенностью технологического процесса является необходимость коррекции свойств материала пластины. По мере развития технологии изготовления детекторов все большее значение приобретает геттерирование, сущность которого заключается в создании вне активной области структуры так называемого стока, или геттера, - области, где растворимость загрязняющих, быстро диффундирующих, рекомбинационно-активных примесей (Au, Cu, Fe) намного выше, чем в других областях. В результате возникает градиент концентрации примесей, который обусловливает их диффузию в сторону стока. Этот сток, как правило, создают на обратной стороне пластины, например, диффузией фосфора с высокой концентрацией, механическим нарушением поверхности пластины. Геттерирование обычно проводят в конце технологического цикла или повторяют его неоднократно. Использование пластин с односторонней полировкой (обратная сторона – шлифованная и травлёная) приводит к существенному улучшению параметров детектора, именно из-за геттерирующих свойств поверхности с большим количеством механических нарушений. Для того чтобы исключить влияние обратной стороны пластины на параметры детектора, необходимо исключить возможность соприкосновения области пространственного заряда непосредственно с областью механических нарушений; для этого легирование обратной стороны делается достаточно глубоким – 3 мкм и более, что обеспечивает полное отсутствие влияния области с большой плотностью нарушений и на параметры детектора. Так, одним из основных макропараметров, характеризующий качество детектора, является темновой ток или ток утечки детектора при обратном смещении. Поскольку темновой ток определяется только двумя параметрами: объемом активной области (что, как правило, определяется физической задачей) и временем жизни неосновных носителей заряда в объеме детектора (1.11).
Технологический процесс построен таким образом, что за счет термообработок, глубокого легирования задней стороны и использования шлифованной задней стороны пластины происходит вытягивание примеси из рабочего объема детектора на заднюю сторону. Практически это дополнительная очистка материала пластины, что приводит к увеличению удельного сопротивления материала и к существенному увеличению времени жизни носителей. Изменение удельного сопротивления не является критическим, в то время как изменение времени жизни с 2 4 мс до 10 15 мс приводит к существенному снижению тока утечки и, кроме того, значительно улучшает эффективность сбора заряда из объема детектора.
Как было установлено, основное влияние на время жизни носителей оказывает концентрация т.н. «глубокой» примеси, а также наличие электрически не активной примеси, например, примесь IV группы. Процесс построен именно так, чтобы вывести из объема детектора глубокую примесь. Детали процесса: температурные режимы, состав газов, длительность, и другое представляют собой «know how» и, в принципе, не являются задачей настоящего исследования, хотя и разработаны в течении последних 20 лет при непосредственном участии автора в НИИЯФ МГУ и НИИ Материаловедения (НИИМВ) г. Зеленоград. Следует так же отметить, что идет постоянное совершенствование технологического процесса, так, например, средний уровень токов утечки падовых детекторов в 1994 – 1996 годах был на уровне 10 – 15 нА/см2, в то время как у последних образцов детекторов для прототипов электромагнитных калориметров ILC и PHENIX и детекторов для эксперимента НУКЛОН величина токов утечки, как правило, не превышает 1 2 нА/см2. С другой стороны, в некоторых случаях, например, для тяжелых радиационных условий увеличение удельного сопротивления исходного материала не целесообразно, и более того, не желательно, а увеличение времени жизни носителей также не имеет смысла, поскольку уже через несколько дней работы детектора ток утечки полностью определяется величиной поглощенной дозы. В этом случае целесообразно контролируемое введение дополнительной примеси – т.н. инженерия дефектов. Подробно этот вопрос рассмотрен в третьей главе, посвященной радиационной стойкости детекторов.
Общие требования к измерительному оборудованию и программному обеспечению
Требования к помещению для измерения параметров изготовленных детекторов в основном совпадают с основными требованиями к помещениям для тестирования изделий микроэлектроники [2.6]. Однако измерение детекторов требует соблюдения и некоторых специфических условий. В частности, при всех измерениях детектор должен быть изолирован от света. Измерение утечек p+-n-переходов (например, токов стрипов) должно проводиться при фиксированной температуре возможно более близкой к рабочей. Это связано с сильной температурной зависимостью обратного тока запертого p+-n-перехода от температуры Is exp(-eg/kT), где eg – ширина запрещенной зоны в кремнии, что для кремния приводит к росту тока примерно в 2 раза на каждые 8C градусов роста температуры (в диапазоне T= -20C +40C).
Основу стендов для измерения параметров детекторов составляют зондовые установки. Важным параметром зондов для ручных или автоматизированных зондовых установок является минимальное давление иглы зонда на детектор. Давление должно быть достаточным для надёжного контакта иглы к алюминию на контактных площадках детектора, но не позволять зонду разрушить слои детектора, лежащие под местом контакта, что особенно важно при измерениях конденсаторов на стрипах. В ходе измерений детекторов торцевых дисков зонды прижимаются к поверхности с усилием 0.4Н при диаметре конца иглы зонда 210мкм. Величина усилия подобрана экспериментально и обеспечивает надёжный контакт к алюминию на поверхности детектора, не повреждая нижележащие слои.
Минимальный набор измерительных приборов для тестирования микростриповых детекторов включает: - управляемый источник напряжения с диапазоном 0.1-J-500В и минимальным шагом 0.1В; - управляемый низковольтный биполярный источник напряжения с пределами —10-и-10В и шагом 0.01В; - управляемый релейный коммутатор на 4-5-8 линий с максимальным коммутируемым напряжением не ниже 200В; - цифровой измеритель тока с разрешением не хуже 0.01нА; - цифровой измеритель ёмкости с минимальным диапазоном ІпФ-ІнФ и амплитудой тестирующего сигнала не более ЮОмВ. Идеальным представляется использование прибора с несколькими рабочими частотами в диапазоне от 100Гц до 1МГц. Использование низких частот при измерениях ёмкости позволяет с достаточной точностью измерять ёмкость структур с невысокой добротностью.
Наиболее распространенным стандартом для управления измерительными приборами такого типа в настоящее время является GPIB-интерфейс. Методики измерений параметров детекторов, как правило, требуют от измерительных приборов и программ не высокого быстродействия, а надёжной работы в течение нескольких часов или даже суток.
При большом объёме измерений ( 100 детекторов) большое значение париобретает возможность быстрой обработки результатов измерений и наглядного представления данных. Лучшим решением этой задачи представляется использование программного обеспечения, сочетающего функции измерительной программы с функциями базы данных. Простой способ создания такого "гибрида" предоставляет табличный процессор MS EXCEL. Программное обеспечение для тестирования детекторов D0 построено на основе таблицы EXCEL и содержит следующие компоненты: обработанные результаты измерений параметров каждого детектора в легко читаемом виде; несколько VBA-макросов, отвечающих за обработку результатов по каждому типу измерений (например вычисление Vfd, Rb, Rintrst и плотности поверхностного заряда - ssur ); 2 универсальных измерительных VBA-макроса, один из которых используется при измерениях токов, а другой - при измерении ёмкостных характеристик детектора; несколько служебных таблиц, содержащих стандартные параметры измерений для каждого типа измерений. 2.3. Схемы измерений и методы расчёта некоторых величин. 2.3.1. Измерение общего тока утечки детектора и токов стрипов Схема измерений общего тока утечки и токов стрипов приведена на рис. 2.1. Измерения общего тока проводились для всех детекторов. Общий ток равен току, измеренному с "общей шины" детектора. Типичные зависимости Ibias(V) для детекторов торцевых дисков приведены на рис. 2.2. При сборке считывающей электроники и детектора предполагалось не разваривать дефектные стрипы. В противном случае велика вероятность искажения информации и даже повреждений в каналах микросхем считывания, соседних с дефектными. Для реализации этой идеи на этапе тестирования детекторов создавалась полная карта дефектных каналов для каждого детектора. В частности, выявлялись все стрипы с повышенными утечками (Is 10нА при рабочем напряжении), и детекторы с количеством
В процессе измерений токов стрипов один из зондов - №4 должен постоянно соединять общую шину с "землей" измерительной схемы (рис. 2.1), и качество этого контакта необходимо контролировать, так как при увеличении контактного сопротивления - Rprob в этой точке к измеряемым токам стрипов прибавляется часть общего тока детектора: Ток стрипов (все стрипы детектора №3001)
Другая особенность измерения токов стрипов связана с тем, что в рассматриваемых детекторах стрипы подключаются к общей шине "через один" на разные основания трапеции/детектора (см. рис. 2.1). В то же время, возможности зондовой установки позволяют проводить измерения только вдоль одного основания детектора. В результате при измерении утечек стрипов вдоль длинного основания трапеции ток стрипа, подключенного к шине на короткой стороне (четные номера стрипов), будет делиться между шиной и измеряющим пикоамперметром (рис. 2.1): Imeas = Is Rb / (Rb + Rp+) , где Rp+ - сопротивление p+-области легирования стрипа от точки подключения зонда до точки подключения стрипа к поликремниевому резистору. Прямые измерения сопротивления Rp+ двумя зондами с DC-контактных площадок на противоположных концах стрипа (по величине тока при заданном тестовом напряжении) дали результат Rp+=60+20 кОм/см. Расчетное значение этой величины составило 70 кОм/см. Для этих значений сопротивлений, измеренный ток четных стрипов оказывается на 0.10.15нА (2030%) ниже реального - см. рис. 2.3. Для нечетных стрипов, подключенных к шине на длинной стороне трапеции (там же, где измеряется ток), этот эффект не существенен.
Таким образом, точность прямых измерений токов стрипов не превышает 20-30% для "четных" стрипов и 5% для "нечетных" при низких контактных сопротивлениях в точках установки зондов. Такая точность представляется приемлемой, так как основное назначение этих измерений -найти стрипы с утечкой, более чем на порядок превышающую среднюю по детектору. Для микростриповых детекторов торцевых дисков дефектными, согласно "Спецификации" (Табл. 2.1), считаются стрипы с током Is 10нА (при рабочем напряжении) при среднем токе стрипов 0.5нА.
Радиационно-стойкие кремниевые детекторы
Дополнительно кроме уменьшения скорости роста напряжения полного обеднения необходимо увеличение допустимого рабочего напряжения, и в некоторых случаях для высоких радиационных загрузок это напряжение может достигать нескольких тысяч вольт. Пробой в кремнии происходит, когда локальное электрическое поле в какой-либо области кремниевого детектора превышает предельную напряженность электрического поля для кремния, а именно 2 2.5105 В/cм. Очевидно, что детектор может выдержать то максимальное напряжение, которое выдерживает самое слабое его место.
Как показывают расчеты и фотографии детекторов, сделанные в инфракрасном диапазоне, основные проблемы с локальными очень высокими напряженностями поля возникают на границах p+-n-переходов и, в частности, на концах стрипов. В некоторых случаях можно даже наблюдать свечение в инфракрасном диапазоне у концов стрипов, связанное с микропробоями детектора в этой области.
Автором было предложено сгладить профиль внутреннего электрического поля, для того чтобы полностью исключить области с экстремально высокой напряженностью электрического поля.
Первое слабое место детектора – это его край, потенциал в этой области резко меняется от максимального в активной области до нуля у линии реза детектора. Простым и очевидным решением этой проблемы является создание специальной структуры охранных колец и увеличение расстояния от активной области до края детектора. Простое увеличение расстояния до края детектора противоречит основным требованиям и физическим задачам экспериментов. Увеличение размера края или, другими словами, пассивной области детектора, очевидно, увеличивает количество пассивного материала, что совершенно не приемлимо для трековых систем. Или скажем в калориметрии, где, как правило, нет требований к «герметичности» системы к существенному увеличению «мертвых зон». Простой расчет показывает, что для детектора с размерами 6060 мм2 и стандартной величиной пассивной области 1 мм по краю детектора площадь пассивной области составляет 6.7%. Увеличение ширины края до 2 мм приводит к потере уже по крайней мере 13% событий, что, очевидно, не удовлетворяет требованиям большинства экспериментов. Использование охранной структуры из нескольких колец в значительной степени позволяет решить эту проблему.
На рис. 3.10. показан пример такой структуры, разработанной автором для прототипов кремниевых детекторов второй очереди эксперимента D0. К сожалению, в связи с прекращением финансирования модернизации эксперимента D0, пришлось ограничиться только изготовлением прототипов в трех опытных партиях и радиационными испытаниями этих детекторов. Подробно радиационные испытания и их результаты описаны в [3.32], [3.33].
Малые размеры стрипов (5 10 мкм) в значительной степени влияют на величину напряженности поля и приводят к возникновению микропробоев (microdischarge [3.36]). Этот эффект не оказывает существенного влияния на макроскопические параметры детекторов, например, ток утечки детектора практически не меняется, однако приводит к существенному изменению шумовых характеристик детектора. Этот эффект, конечно же, не наблюдается во всех стрипах детектора одновременно, а в первую очередь возникает на крайних стрипах и в областях, имеющих неоднородности свойств кремниевой пластины, и, конечно, в областях даже с небольшими отклонениями от технологического процесса, или неоднородной обработкой поверхности пластины в технологическом процессе. Очевидно, что получить абсолютно однородный детектор невозможно уже потому, что разброс удельного сопротивления по пластине, согласно данным производителя может составлять 20 – 25%. Возможно возникновение неоднородностей в технологическом процессе из-за большой площади детектора, разности скорости травления и температур в пределах пластины, а также из-за небольших различий в плотности имплантированных ионов в пределах одного детектора.
Автором было предложено для сглаживания электрического поля использовать топологические методы. Конечно, надо понимать, что таким способом не увеличивается радиационная стойкость приборов в полном смысле этого слова, а лишь может быть существенно увеличено предельно допустимое напряжение обратного смещения.
К сожалению, введение дополнительных процессов ионной имплантации, очевидно, усложняет технологический процесс, и за счет этого снижается процент выхода годных детекторов. Кроме того, такое топологическое решение требует высокоточного оборудования для проведения фотолитографии и обеспечения высокой точности контроля дозы легирования. Это все оправдано для производства малых партий детекторов, которые планируется использовать в тяжелых радиационных условиях, например, вплотную к точке взаимодействия в современных коллайдерных экспериментах. Так, эта технология была разработана для детекторов слоя L0 в эксперименте D0, который находится на расстоянии менее 2 см от точки взаимодействия.
В рамках предложенной модели удалось объяснить основные радиационные эффекты в кремниевых детекторах: - поведение обратного тока и напряжения обеднения (или эффективной концентрации) в зависимости от вида и дозы облучения, легирования и температуры; - инверсию проводимости; - стабилизацию уровня Ферми; - медленный, быстрый и обратный отжиг. Модель основывается на представлении многовакансионного дефекта двухцентровой “молекулой дефекта” в различных зарядовых состояниях. Представление мультивакансий Vn как многозарядовых центров позволяет объяснить эффект стабилизации уровня Ферми и связанные с ним эффекты линейной зависимости напряжения обеднения (эффективной концентрации) от дозы после инверсии, а также насыщении их в процессе обратного отжига. Приближение “молекулы дефекта”, хотя и является упрощенной моделью дефекта, позволяет оценить взаимное расположение энергетических уровней мультивакансий Vn и их вклады в различные эффекты. Кластерная модель позволяет описать основные радиационные эффекты в нейтронно–облученных кремниевых детекторах на основе одного свободного параметра - размера (радиуса) кластера.
Прототип системы измерения заряда установки НУКЛОН
Изучение происхождения и распространения первичных космических лучей (ПКЛ) в Галактике является одной из важнейших задач астрофизики. Существенным пробелом в экспериментальной физике космических лучей является отсутствие детальной информации о зарядовом составе ПКЛ в области более 10 ТэВ. Исследование зарядового и изотопного состава космических лучей в области низких энергий позволило установить (в основном по исследованию отношения вторичных ядер, т.е. образовавшихся в результате фрагментации на ядрах межзвездной среды, к первичным ядрам B/C, V/Fe и т.д.), что в соответствии с существующими моделями распространение космических лучей носит диффузионный характер и время жизни до выхода за границы Галактики очень велико, 70 млн. лет и более. Поэтому, прежде чем достигнуть Земли, космические лучи проходят заметную толщу вещества 10 г/см2, при энергии около 1 ГэВ. Для частиц больших энергий толщина вещества должна резко уменьшаться (при энергии 10 ТэВ она равна 0.1-0.4 г/см2), что должно приводить к отличию наблюдаемых у Земли спектров от спектров ПКЛ в источниках.
Экспериментальная проверка моделей проведена только по соотношению вторичных и первичных ядер. Поэтому исследование зарядового состава ПКЛ с дискриминацией по элементам в области высоких энергий – ключ к решению проблемы происхождения и распространения ПКЛ в Галактике [4.23].
Энергетический спектр ПКЛ является круто падающим. Поэтому для получения существенной статистики в области высоких энергий требуются установки с большим геометрическим фактором. Однако размещение прибора на космическом аппарате связано с жесткими ограничениями по массе.
Несколько лет назад был предложен новый метод измерения спектров частиц ПКЛ, основанный на регистрации пространственной плотности вторичных заряженных частиц (с помощью микростриповых кремниевых матриц), образующихся в установке в результате взаимодействия первичной частицы [4.24]. Параллельно для измерения заряда первичных частиц предполагалось использовать кремниевые детекторы, которые успешно были использованы в эксперименте ATIC [4.13, 4.25].
В эксперименте НУКЛОН, планирующемся к запуску на спутнике через несколько лет, предполагается применить указанный метод определения энергии и использовать несколько матриц стриповых детекторов для надежного определения заряда [4.26].
Моделирование эксперимента было сделано с помощью комплекса программ GEANT 3.21 с дополнительно подключенным генератором ядерных взаимодействий QGSJET [4.28], [4.29], позволяющим описывать адрон-ядерные и ядро-ядерные взаимодействия высоких энергий. Было показано [4.30], [4.31], что и метод определения энергии и метод определения заряда адекватны поставленной задаче.
Вместе с тем при подготовке реального эксперимента необходимо провести экспериментальное тестирование. Первый тест упрощенного прототипа прибора был осуществлен на выведенном пучке H8 ускорителя SPS в CERN (пионы с энергией 180 ГэВ) [4.32]. Результаты первого теста показали, что с использованием предложенной методики энергия пионов с энергией 180 ГэВ может быть измерена с относительной ошибкой 67% что очень близко к результату моделирования (65%). Задачей последующих тестов стало испытание аппаратуры, структура которой близка к реальной. При этом тестировалась как методика восстановления энергии, так и система измерения заряда.
Отметим, что расстояние между бериллиевой мишенью и прототипом установки НУКЛОН составляло 620 м. Таким образом, короткоживущие ядра со временем жизни менее 2 мкс распадались, не попадая в измерительную систему. Схема прототипа установки НУКЛОН, использованной в ускорительном эксперименте с тяжелыми ядрами, приведена на рис. 4.17. По ходу пучка было установлено: - четыре слоя кремниевых детекторов для измерения заряда и выработки триггера; - графитовая мишень толщиной 10 мм, в которой происходило взаимодействие налетающих ядер (фрагментов) с углеродом; - вольфрамовый g-конвертер толщиной 10.5 мм, в котором g-кванты конвертировались в заряженные пары электрон-позитрон; - две плоскости кремниевых микростриповых детекторов для регистрации числа и взаимного расположения вторичных частиц, образовавшихся после взаимодействия первичной частицы. Обе группы кремниевых детекторов вместе со считывающей электроникой были заключены в металлические кожухи, защищавшие детекторы от света и электромагнитных наводок. В сравнительно толстом материале кожуха напротив самих детекторов были прорезаны отверстия, закрытые затем тонкой металлической фольгой. Это позволило уменьшить количество вещества на пути первичных частиц и тем самым снизить вероятность их взаимодействия до мишени. Система определения заряда представляет собой четыре плоскости кремниевых детекторов. С каждой плоскости независимо от остальных собирается информация о величине заряда прошедшей частицы, что позволяет обеспечить большую точность измерения нежели с одной плоскости. Детекторы зарядовой системы смонтированы в едином металлическом светозащищающем корпусе с тонким окном на пути пучка так, что расстояние между плоскостями составляет 5 мм. При помощи системы креплений корпус с детекторами соединен с несущей поверхностью металлического основания, на котором установлена плата со считывающим устройством. Основание со считывающим устройством и блоком детекторов установлено на станине в подвижном креплении типа «ласточкин хвост», что позволяет осуществлять горизонтальное перемещение блока в плоскости, перпендикулярной оси пучка.
Похожие диссертации на Разработка, создание и применение кремниевых детектров в физике высоких энергий и физике космических лучей
-
-