Silicon detectors for the upgrade of the HL-LHC experiments

Abstract

The Large Hadron Collider (LHC) at the European Nuclear Research Council in Geneva is scheduled to undergo a major luminosity upgrade after its ten-year lifespan to maximize its potential for scientific discovery. The Compact Muon Solenoid is one of two large general-purpose detectors that contributed to the recent discovery of the Higgs boson and many other physics results in particle physics. Its innermost part is called the Tracker, and it is a high-precision instrument that measures the trajectories of the created particles. It consists of silicon detectors with high spatial resolution and high-speed capabilities. With a total area of more than 200 square meters, it is the largest detector of its kind ever built. The increase in instantaneous luminosity in the upgraded LHC will lead to a very high increased track density at the interaction points of the colliding beams and, thus, also to a much more hostile radiation environment. Consequently, a major upgrade and redesign of the sensors and readout electronics are required. The upgrades will be done in 2 phases, and the upgraded LHC is expected to be fully operational in 2026. In Phase 2, there will be major changes to the Inner Pixel Detector and the Outer Tracking system with new detector units. CMS has developed a quality assurance plan to ensure that all sensors meet technical specifications and monitor their manufacturing process and manufacturing stability. The PQC contacts custom-made test structures produced on the same wafer as the silicon sensors that will be installed in the CMS experiment, so they share the same properties and materials. These test structures provide access to key parameters related to sensor manufacturing quality, including parameters not directly accessible to the sensors, and, together with sensor quality control, are the main processes of the Outer Tracker sensor quality assurance plan for the Phase-2 upgrade. This thesis describes the quality control process and the extraction procedure of the relevant parameters. The first results from the production phase are also presented. In addition to experimental measurements, simulations are integral to confirm the results. Numerical simulation of semiconductor devices' manufacturing process and electrical characteristics offers a fast and inexpensive way to check device designs and manufacturing processes. Simulations are crucial for device structure optimization and detector development. Various test structures related to PQC were simulated using the TCAD (Technology Computer-Aided Design) Sentaurus suite and compared with experimental results. Also, this work includes simulations of silicon sensor capacitances using TCAD simulations as well as a program that solves the 2D, and 3D Laplace equation developed at the Detector Instrumentation laboratory of NCSR Demokritos. In addition, extensive radiation testing is required to evaluate the radiation resistance of the sensors. In the upgraded Outer Tracker of the CMS experiment, the expected radiation dose will be from 10 to 750 kGy, depending on the distance from the beam. This thesis presents radiation studies on test structures with gamma photons from a Cobalt-60 source, complementary to already performed X-ray and particle radiation studies.

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο ευρωπαϊκό οργανισμό πυρηνικών ερευνών στη Γενεύη έχει προγραμματιστεί να υποβληθεί σε σημαντική αναβάθμιση φωτεινότητας μετά τη διάρκεια ζωής των δέκα ετών λειτουργίας του, προκειμένου να μεγιστοποιήσει το δυναμικό επιστημονικής ανακάλυψης. Το Compact Muon Solenoid είναι ένας από τους δύο μεγάλους ανιχνευτές γενικού σκοπού που συνέβαλε στην πρόσφατη ανακάλυψη του μποζονίου Higgs και πολλών άλλων αποτελεσμάτων της φυσικής στη σωματιδιακή φυσική. Το πιο εσωτερικό μέρος του ονομάζεται Tracker και είναι όργανο υψηλής ακρίβειας που μετρά τις τροχιές των δημιουργούμενων σωματιδίων. Αποτελείται από ανιχνευτές πυριτίου με υψηλή χωρική ανάλυση και δυνατότητες υψηλής ταχύτητας. Με συνολική επιφάνεια άνω των 200 τετραγωνικών μέτρων, είναι ο μεγαλύτερος ανιχνευτής αυτού του είδους που κατασκευάστηκε ποτέ. Η αύξηση της φωτεινότητας στον αναβαθμισμένο LHC θα οδηγήσει σε αυξημένη πυκνότητα τροχιάς στα σημεία αλληλεπίδρασης των συγκρουόμενων δεσμών και, ως εκ τούτου, σε ένα πολύ πιο απαιτητικό περιβάλλον ακτινοβολίας. Κατά συνέπεια, απαιτείται σημαντική αναβάθμιση και επανασχεδιασμό των αισθητήρων και των ηλεκτρονικών ανάγνωσης. Οι αναβαθμίσεις θα γίνουν σε 2 φάσεις και ο αναβαθμισμένος LHC αναμένεται να είναι πλήρως λειτουργικός το 2026. Στη Φάση 2, θα υπάρξουν σημαντικές αλλαγές στον Inner Pixel Detector και στο Outer Tracking σύστημα με νέες ανιχνευτικές μονάδες.Το CMS έχει αναπτύξει ένα σχέδιο διασφάλισης ποιότητας για να εξασφαλίσει ότι όλοι οι αισθητήρες πληρούν τις τεχνικές προδιαγραφές και να για να παρακολουθεί τη διαδικασία παραγωγής και τη σταθερότητα κατασκευής τους. Το PQC έρχεται σε επαφή με ειδικά κατασκευασμένες τεστ δομές που παράγονται στο ίδιο wafer με τους αισθητήρες πυριτίου που θα εγκαταστάθηκαν στο πείραμα CMS, με αποτέλεσμα να μοιράζονται τις ίδιες ιδιότητες και υλικά. Αυτές οι τεστ δομές παρέχουν πρόσβαση σε βασικές παραμέτρους σχετικά με την ποιότητα κατασκευής των αισθητήρων, συμπεριλαμβανομένων των παραμέτρων που δεν είναι άμεσα προσβάσιμες στους αισθητήρες και, μαζί με τον ποιοτικό έλεγχο των αισθητήρων, αποτελούν τις κύριες διαδικασίες του σχεδίου διασφάλισης ποιότητας των αισθητήρων του Outer Tracker για την αναβάθμιση Phase-2. Στην εργασία αυτή περιγράφεται η διαδικασία ποιοτικού ελέγχου και η διαδικασία εξαγωγής των σχετικών παραμέτρων. Παρουσιάζονται επίσης τα πρώτα αποτελέσματα από τη φάση παραγωγής.Εκτός από τις πειραματικές μετρήσεις, οι προσομοιώσεις είναι αναπόσπαστο κομμάτι για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων. Η αριθμητική προσομοίωση της διαδικασίας κατασκευής και των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των συσκευών ημιαγωγών προσφέρει έναν γρήγορο και μη δαπανηρό τρόπο ελέγχου των σχεδίων και των διαδικασιών κατασκευής των συσκευών. Οι προσομοιώσεις είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτιστοποίηση της δομής της συσκευής και την ανάπτυξη ανιχνευτών. Διάφορες δομές δοκιμής που σχετίζονται με το PQC προσομοιώθηκαν χρησιμοποιώντας τη σουίτα TCAD (Technology Computer-Aided Design) Sentaurus και συγκρίθηκαν με πειραματικά αποτελέσματα. Επιπλέον, αυτή η εργασία περιλαμβάνει προσομοιώσεις χωρητικοτήτων αισθητήρων πυριτίου χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις TCAD καθώς και ένα πρόγραμμα το οποίο λύνει τη δισδιάστατη και τρισδιάστατη εξίσωση Laplace που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Οργάνων Ανιχνευτών του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος.Εκτός από τον ποιοτικό έλεγχο των δομών δοκιμής, απαιτούνται εκτενείς δοκιμές ακτινοβολίας για την αξιολόγηση της αντοχής στην ακτινοβολίας των αισθητήρων. Στο αναβαθμισμένο Outer Tracker του πειράματος CMS, η αναμενόμενη δόση ακτινοβολίας θα είναι από 10 έως 750 kGy, ανάλογα με την απόσταση από τη δέσμη. Αυτή η εργασία παρουσιάζει μελέτες ακτινοβολίας σε δοκιμαστικές δομές με φωτόνια γάμμα από μια πηγή Cobalt-60, συμπληρωματικές σε ήδη πραγματοποιηθείσες μελέτες ακτινοβολίας ακτίνων Χ και σωματιδίων.