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ACTIVIDADES DEL CNM EN FUTUROS ACELERADORES

ACTIVIDADES DEL CNM EN FUTUROS ACELERADORES. Capacidades Tecnológicas del CNM orientadas a futuros aceleradores. Juan Pablo Balbuena. Sala Blanca del CNM. Superficie total de 1500 m². Estructura House in house. Clases de 100 a 10.000 dependiendo del área.

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ACTIVIDADES DEL CNM EN FUTUROS ACELERADORES

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Presentation Transcript

  1. ACTIVIDADES DEL CNM ENFUTUROS ACELERADORES Capacidades Tecnológicas del CNM orientadas a futuros aceleradores Juan Pablo Balbuena

  2. Sala Blanca del CNM • Superficie total de 1500 m². • Estructura House in house. • Clases de 100 a 10.000 dependiendo del área. • Control de aire (T=21°±1° C, Humedad 40% ± 5%) • Sistema de agua desionizada (18 MW.cm, 26 m³/día • Distribudión de gas ultrapuro • Conductos pulidos eléctricamente de acero inoxidable 316 L. • Fuente de alimentación (25 kV y 3000 kVA.) • Tratamiento de residuos. • Sistema de seguridad: • Detectores de gas, protección frente a fuego e intrusos.

  3. Procesos • Oxidacines seca y húmeda. • Implantación iónica • B, P, As, N y Ar. • Difusión • Deposición química vaporizada • Si3N4, polisilicio, SiO2, BPSG • Metalización • Al/Si, Al/Cu, Al/Cu/Si, TaSi, Ti, Ni, Au, Pt, Cr, Ag, a-Si, y Ge. • Deposición de polimida • Planarización mediante pulido mecánico y químico (sep2007) • Nanotechnología • AFM • FIB • SEM • Nanoimpresión • Ataque seco y húmedo. • Micromecanización de superficie y sustrato de silicio. • Soldadura anódica. • Packaging • Soldadura pieza-pieza , soldadura por cable, Dispositivos de superficie en miniatura • Equipos de test in situ • Elipsometría, interferometría, perfilometría, medidas de 4 puntas • Fotolitografía • De contacto/proximidad, chip a chip, por ambas caras Limitada a obleas de 10cm No es útil para gran producción, pero es importante para desarrollo tecnológico

  4. Tecnología planar de detectores de radiación • Desarrollo y caracterización de detectores de radiación resistentes a la radiación en la SB de CNM • Tecnología básica de detectores de rad en la SB del CNM. Detectores de silicio tipo pad, P-sobre-N • Técnica de oxigenación para la mejora de la resistencia a la radiación. • Detectores con diseños más avanzados (Strips) • Tecnologías más complejas N-sobre-P (p-type), N-sobre-N • Fabricación de detectores en el IMB-CNM para la Colaboración RD50 • Aplicación a Middle Region S-LHC

  5. +ve +ve -ve SiO 2 + p + h + h Bulk n E W2D - e - e + n W3D Igual grosor W2D>>W3D +ve E Detectores 3D Corta distancia entre electrodos: • Potencial de full depletion bajo • Corta distancia de colección de carga • Mayor tolerancia a la radiación que los detectores planares • No hay colección de carga mezclada Inconveniente: Proceso de fabricaión bastante largo y no standarizado => La producción en masa sería escasa y muy cara.

  6. Imagen médica Aplicaciones Resistencia a la radiación * *Dear-Mama: A photon counting X-ray imaging project for medical applications, Nuclear Instruments and Methods A 569 (2006) 136–139

  7. Reactive Ion Etching (RIE) Ejemplos hechos en el CNM Escala 25:1 Mínimo diámetro probado: 10 µm Agujeros en Silicio

  8. Conexión eléctrica del chip al sustrato o chip a chip cara a cara (flip chip) Uso de pequeños bumps metálicos (bump bonding) Etapas del proceso: Acondicionar el metal de la zona Pad: Under Bump Metallisation (UBM) Crecer el bump sobre uno o los dos elementos a unir Dar la vuelta a los chips y alinear Recocido Opcionalmente se rellena con siliconas Tecnología de Bump bonding flip chip CNM

  9. Etapas del proceso Sputtering de Ni/Au sobre toda la oblea Fotolitografía para delimitar las zonas donde irán los bumps (thick photoresist) Deposición electrolítica de la capa base y los bumps Eliminar el photoresist Atacar el metal del sputtering anterior Recocido para la formación de las esferas Características Pitch mínimo 40 µm Diámetro del bump 30 - 75 µm Se hace sobre las obleas Electrodeposición de bump bonding CNM

  10. Detectores transparentes al IR • Estrategia de alineamiento mediante haces laser para piestas de partículas, usando que los haces de lR se propagan a través de algunos módulos de silicio. • La propuesta es diseñar desde el principio detectores transparentes a la luz IR: • Sustituir los electrodos de Al (de los strips y la base) por electrodos transparentes as ITO (Indio dopado SnO2) o AZO (Al dopado ZnO) • Diseñar capas antirreflectanes apropiadas (ARC) unsando capas de microelectrónica standard (SiO2, Si3N4) • Tener en cuenta todas las capas sensibles • Propuestas de I+D de IFCA y CNM • CNM proporcionará muestras de difererentes capas y grosores para caracterizacines eléctricas a las longitudes de onda deseadas. • Assess fabrication tolerances of the different layers. • Evaluar las variaciones de los coeficientes ópticos en SiO2 y Si3N4 posibles por la variación de las condiciones de deposición. • Optimización del perfil vertical de capas para maximizar %T con razonables %A. • Tener en cuenta las variaciones posibles en los procesos. • Fabricar muestras de prueba con juegos de máscaras. • Soldar al dispositivo de electrónica de lectura. • Tests ópticos y eléctricos.

  11. ESTUDIOS DE RESISTENCIAFRENTEA LA RADIACIÓN DE TECNOLOGÍAS MICROELECTRÓNICAS PARA LA ELECTRÓNICA DE LECTURA DEL SUPER-LHC Caracterización de tecnologías microelectrónicas orientadas a futuros aceleradores Sergio Díez

  12. S-LHC • Aumento de la luminosidad hasta 1035 cm-2 s-1 • 2 retos tecnológicos para la electrónica Front-End: • Alta ocupación • Más interacciones  Aumento de velocidad de procesado de pulsos • Mayor segmentación  Más canales   Potencia • Aumento nivel de radiación • Eficiencia de colección de carga ↓Señal ↓ Ganancia • Degradación de la ganancia  Corriente   Potencia • Necesidad de encontrar una tecnología apropiada: • Rápida y con elevada amplificación • Bajo consumo • Resistente a la radiación • Bajo coste, disponibilidad

  13. Alternativa: tecnologías BiCMOSde SiGe • Inserción de SiGe en la base que mejora la inyección de electrones b   • Mejor  yfT (fT ~ 200 GHz) que tecnologías bipolares convencionales • Utilizado en móviles, wireless • Prestaciones de consumo/velocidad demostradas • HBT de SiGe de altas prestaciones combinado con las mejores tecnologías CMOS • ¿Resistentes a la radiación? • Tres tecnologías de IHP estudiadas (0.25 μm): • SG25H1: Opción principal (β = 200, fT = 200 GHz) • SG25H3: Tecnología alternativa (β = 150, fT = 120 GHz) • SGB25VD: Opción de bajo coste (β = 190, fT = 30-80 GHz)

  14. ATLAS Upgrade: Región intermedia del detector interno (ID) • Fluencia máxima esperada: ~ 1015 cm-2

  15. Sin irradiar Irradiado Efectos de la radiación en tecnologías de SiGe • γ, partículas cargadas: IONIZACIÓN • Cargas atrapadas en el óxido: Deformación zona de carga espacial  IB ↓ β • Trampas en la interfase SiO2-Si: Captura portadores minoritarios  IB ↓ β

  16. Efectos de la radiación en tecnologías de SiGe • Partículas masivas: DESPLAZAMIENTO • Colisiones con los átomos de la red cristalina de silicio a lo largo de todo el dispositivo, desplazándolos de su posición de equilibrio • Creación de vacantes, divacantes, intersticios, vacante-intersticio, complejos defecto-impureza, … • Aumento de la velocidad de recombinación de los portadores minoritarios • Aumento de IB ↓ β

  17. RESULTADOS DC • Estudio de irradiaciones γ, neutrones y protones • Irradiaciones γ: Ionización • 3 Dosis alcanzadas: 10, 50 y 100 Mrad(Si) • Ganancia normalizada (βN=βf /β0) para VBE = 0.7 V • Valores por encima del 20 %en todos los casos (β~50) • Mayor degradación para tecnología SG25H1

  18. RESULTADOS DC • Estudio de irradiaciones γ, neutrones y protones • Irradiaciones de neutrones: Desplazamiento. • 2 fluencias alcanzadas: 5x1014 y 1015 n/cm2 • Ganancia normalizada (βN=βf /β0) para VBE = 0.7 V • Valores por encima del 20 % en todos los casos • Degradación muy similar para ambas tecnologías

  19. RESULTADOS DC • Estudio de irradiaciones γ, neutrones y protones • Irradiaciones de protones: Ionización + desplazamiento. • 1 fluencia alcanzada: 3.22x1015 p/cm2 • Ganancia normalizada (βN=βf /β0) para VBE = 0.7 V • Transistores muy degradados: no alcanzan el 10 % de la ganancia inicial • Fluencia alcanzada demasiado elevada

  20. Consumo en potencia • IC (50): Corriente de colector necesaria para obtener valores de β = 50 tras las irradiaciones: • Gamma, neutrones: Corrientes ~ μA: Valores aceptables en términos de consumo en potencia de los dispositivos • Protones: Corrientes > 10-4 A: Valor excesivo en términos de consumo en potencia de los dispositivos

  21. Conclusiones • Se ha estudiado la resistencia frente a la radiación bajo irradiaciones γ, n y p de tres tecnologías BiCMOS de SiGe • Las tres tecnologías sobrevivirían con valores de ganancia aceptables (β ~ 50) durante todo el tiempo de vida del experimento S-LHC • Las tecnologías muestran valores aceptables en términos de consumo en potencia de sus dispositivos tras las irradiaciones • Diferencias poco significativas observadas entre ellas en su comportamiento frente a la radiación • Las muestras irradiadas con protones muestran una degradación excesiva, asociada a una elección de fluencia de radiación demasiado elevada

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