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RESOCONTO: REVIEW STATO PRODUZIONE SENSORI SPESSI DI CMS

RESOCONTO: REVIEW STATO PRODUZIONE SENSORI SPESSI DI CMS. Roma 20/10/04 F.Ferroni, P.Campana, G.Darbo, M.Dell’Orso, M.Morandin, N.Bacchetta, L.Bosisio, A.Vacchi, E.Focardi, A.Messineo, G.Rolandi, G.Tonelli

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RESOCONTO: REVIEW STATO PRODUZIONE SENSORI SPESSI DI CMS

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  1. RESOCONTO:REVIEW STATO PRODUZIONE SENSORI SPESSI DI CMS Roma 20/10/04 F.Ferroni, P.Campana, G.Darbo, M.Dell’Orso, M.Morandin, N.Bacchetta, L.Bosisio, A.Vacchi, E.Focardi, A.Messineo, G.Rolandi, G.Tonelli Trasparenti saccheggiati da Tonelli (storia), Messineo (tecnica) e Rolandi (programma e costi)

  2. Conclusioni (1) CMS ha fatto la scelta tecnica e politica più ragionevole: completare la produzione con i sensori spessi Hamamatsu. • Questo non significa che il percorso delle scelte precedenti sia stato esente da errori. • Gli aspetti finanziari restano in parte ancora da chiarire.

  3. Conclusioni (2) • Il programma di CMS è di usare ~3000 sensori della STM e ~17000 della HPK. • I sensori finali STM sono di qualità accettabile. • I sensori HPK appaiono di qualità migliore. • Lo sforzo per ottenere il risultato STM è stato notevole, in termini di risorse umane e di tempo, sia per CMS che per STM: • Il problema principale è stato quello del QC. • Attualmente STM ha sospeso ogni produzione e rimettere in attività una linea di produzione adeguata potrebbe richiedere nuovi sforzi e tempi notevoli.

  4. Conclusioni (3) • Restano alcuni dubbi residui all’interno di CMS sulla stabilità a lungo termine dei sensori STM: • Notevole problema tecnico l’indagare piccoli effetti su piccole percentuali e lunghi periodi. • Test e studi hanno peccato di una qualche disorganizzazione e forse sono stati handicappati da paure irrazionali.

  5. Conclusioni (4) • Si può rimproverare una certa superficialità nei rapporti con STM e nel modo di tenere inizialmente sotto controllo la sua produzione: • Scarsa integrazione o collaborazione tra diverse componenti di CMS (Italia vs. USA). • In vista di future iniziative come Super LHC o Next Linear Collider, sarebbe positivo poter contare su diversi costruttori di sensori: • E nostra impressione che STM non vorrà rientrare in gioco. • Rimane una certa insoddisfazione nel rapporto con i referees, dovuta probabilmente a incomprensioni del passato.

  6. STORIA (1) • Premessa Il tracciatore di CMS usa due tipi di sensori: sottili per gli strati interni (300 micron) e spessi (500 micron) per gli strati esterni. • Primavera 2001 Completato il Call for Tender per la fornitura di circa 18.000 sensori spessi. Partecipano STM ed HPK: qualificate tecnicamente. Sensori HPK risultano migliori di STM. STM vince per prezzo inferiore del 20%. • Marzo 2002 Firmato il contratto. Prevede: pre-serie di qualifica (5% del totale) accettazione serie di produzione. Per ridurre i tempi morti: INFN ordina pre-serie 1000 sensori.

  7. Specifiche tecniche 1.1.  Sensor Electrical Properties -         Depletion voltage : Vdep < 300 Volts -         Breakdown and Leakage current:. Sensors are required to operate in stable conditions, without breakdown below 500V bias and excess of noisy strips before and after irradiation. The contractor shall only deliver devices meeting leakage current acceptance criteria such that the fraction of sensors rejected due to noisy strips (refer to article 5.2), once assembled into a module, is kept below 2%. To this end, limits are set on the total leakage current of a sensor, as well as on the leakage current of individual strips, at various values of the bias voltage. We require that: -         the total leakage current shall not exceed 10 µA@300 Volts , 20 µA @450 Volts(6” wafers) and 5 µA@300 Volts, 10µA@450 V (4” wafers) -         and that the slope of the total leakage current shall satisfy the condition DIleak /DV< 100 nA/V, in the range 450-550 Volts Sensors satisfying these criteria shall be further classified as: -         Class A, if the total leakage current does not exceed 5 µA@300 Volts, 10 µA @450 Volts(6” wafers) and 2 µA@300 Volts , 4µA@450 V (4” wafers) -         Else as Class B. -         We define as defective any strips which draw more than 100nA at 400V. We require a list of such strips for all Class B sensors. All the above leakage current measurements are to be performed at 21 0C and less than 50% relative humidity (RH).  These leakage current acceptance criteria will be valid for the pre-series, and may be revised for the production as required in order to meet the required rejection rate due to noisy strips.

  8. Specifiche tecniche We require that the total number of defective strips on a module be below 2%, including noisy strips, as defined above. - Number of defective strips < 1%. A strip is considered outside specifications if: -         The strip leakage current is above 100nA (refer to article 3.4) -         The resistance between the strip and bias line implants, Rpoly, is outside the range 1.5 + 0.3 MW -         There are pinholes through the dielectric layer between the metal strip and the implant -         There are metal shorts to neighbors There are implant shorts to neighbors Chiare e quantitative su % strisce difettose e frazione di sensori accettati da CMS. -         Leakage current stability test (on a sample basis). We require stable operation over at least 24 hours, both at room temperature (21 + 1 oC) and at operating temperature (–10 + 1 oC), and RH < 50%, and a bias voltage in the range from 450V to 550V. During this time, the total leakage current must not increase more than 30% from the initial value. Generiche sulla stabilità; non sono definite nè le dimensioni del campione nè le percentuali accettabili di fallimento

  9. STORIA (2) • Dicembre 2002 CERN da` il via libera alla produzione di altri 1000 sensori prima della consegna e qualificazione formale della pre-serie. • Febbraio 2003 1000 sensori dell’ordine INFN vengono prodotti (costo coperto dai fondi INFN progetto MURST 5%). Controllo specifiche tecniche: 700 sono OK. • Maggio 2003 Completata pre-serie contrattuale. Problemi: la resa cala drasticamente quando STM passa dalle linee pilota alle linee di produzione (500 wafers/mese vs. 1200 previsti); yield 70% invece di 98% come da contratto perche` STM non implementa tutti i tests: CMS non puo` passare al test a campione.

  10. Basso yield 2003 Sensori consegnati da ST Luglio-Settembre 2003 Percentage of accepted sensors per batch, listed chronologically by production week: Quality very different from batch to batch: Many batches fully rejected ! Many batches 100% accepted ! Average is only 70% CMS-ST meeting 27/10/03

  11. Strisce leaky responsabili dei rejects (2003) STM non misura le leaky strips fino a Dicembre 03 100 nA Number of leaky strips/sensor is 9,9,7,9,6,4 At the same positions!

  12. I-V with different vacuum level

  13. STORIA (3) • Agosto 2003Luce rossa alla produzione di serie. Task force mista STM-CMS per migliorare lo yield con controllo di qualità sulla linea di produzione e uniformi procedure di test in STM e CMS. • Settembre 2003 CMS evidenzia presenza di Common Mode Noise (CMN) in alcuni moduli con sensori STM selezionati in specifica. Tentativi di correlare il fenomeno con proprieta` del sensore (instabilità nel tempo, leaky strips, corrente funzione dello stress, anomalie nella corrente di strip). • Dicembre 2003 STM testa tutti i sensori. Importanti miglioramenti nello yield (98%) e nella qualità dei sensori consegnati (in tutti i parametri).

  14. La comparsa del CMN nei moduli rende la situazione estremamente critica TSC 03/10/03

  15. STORIA (4) • Febbraio 2004 Per i dubbi sulla qualita`, in accordo con STM viene deciso: a) nuovo share ordinando 7000 sensori ad HPK per recuperare i ritardi; b) lanciare una nuova pre-serie di qualifica di 1000 sensori STM al termine della quale definire lo share finale della produzione. • Marzo 2004 Spiegazione del CMN e procedura di test per eliminarlo. • Luglio 2004 Test pre-serie. Sparito il CMN. Rispettate le specifiche. Rilevate instabilita` nel tempo in una frazione di sensori sottoposti a cicli termici in ambiente umido ed in una frazione dei moduli prodotti. Rilevato il fenomeno dei dots and stains. • Settembre 2004 Ancora test sulle instabilità e sui dots and stains. CMS considera la qualità dei sensori STM adeguata, ma restano preoccupazioni di potenziali rischi a lungo termine. • Ottobre 2004 STM discute la proposta finale di share: 3000 STM e 17000 HPK (totale 18000 + spares). STM pare cercare la rassicurazione che 3000 dei suoi sensori vengano installati nel rivelatore. Sono in corso negoziati sulla parte economica.

  16. CMN vs Vbias@ R= 0MW Strip noisy @ 30V and CMN switched on @ 80V

  17. CMN vs Vbias@ R= 5MW Strip noisy @ 350V and NO CMN UP to 500V

  18. 12 sensori mostrano una dipendenza dall’umidità Il criterio di failure è: corrente che cresce oltre il 30% del valore iniziale.

  19. Sviluppo di macchie superficiali Compaiono nel tempo molto rapidamente sotto tensione ed in presenza di elevata umidità in tutti i sensori nelle zone non passivate 1h30, 40% RH 30 min, 40% RH

  20. Qualifica stabilità del Processo 100 % dei test realizzati (176 strutture / 65 batches). Tutti i set/batch sono stati accettati ! Quantità misurate sono stabili a seguito della soluzione del problema Rint ( 11/03) Campione preserie Valori Rint reject Valore limite : 1GOhms

  21. Qualifica stabilità del Processo…cont Flat Band Voltage: Limit: 10V Valori attuali: ~1V (simile ad HPK) Campione preserie A parita di Vfb STM deve applicare un controllo “3-volte” più restrittivo sulle cariche intrappolate nell’ossido di HPK []…”All parameters are stable for the production period December 2003 until the end of the qualification batch. All batches have been accepted….”

  22. Short time current fluctuations Summary of Standard deviations: significant improvement seen compared to previously measured ST sensors

  23. Summary Module Production Production at UCSB and FNAL: 75 OB1, 90 OB2, 12 W5 177 modules Production in TEC: 24 W7 modules In total 201 modules produced using qualification sensors Modules failing: 1 CMN, However weak (dissipates quickly) 3 increased current after module construction = 1.5 % 1 module fail during longtime test because of current increase

  24. IV STM IV caratteristiche : la maggioranza dei sensori ha corrente tra 1 e 2.5 µA ‘Kink’ nella IV è presente per la maggior parte. OB1, OB2 measured in Pisa: I(450V)

  25. Electrical : IV test from HPK data • Spread on IV sensors characteristic • Few sensors per batch with high current: different population Same conclusion from QTC results Thin sensors Thick sensors

  26. Vuoto e stress meccanici Stabilità in corrente Dots & stains Problemi ‘aperti’ per i sensori STM

  27. Comment on vacuum sensitivity • Vacuum dependence of IV is of course still seen in ST sensors and it is most • probably true for all sensors with different magnitude • The increased vacuum strength at ST during testing has contributed to the • reduced number of IV failures in QTC tests. • The ST and QTC results on IV are consistent with the hypothesis that the • mechanical stress applied during testing is • highest at Karlsruhe • second highest at ST • lower and comparable at Perugia, Pisa and Vienna • The mechanical stress applied on the chuck of the probestations is completely • different to the stresses the sensors will experience in a module. • The decision if this vacuum dependence is critical or not can only • be answered on the module level.

  28. Standardard Long Term test results Test on STM : Detailed explanation for each of the 12 sensors (among 233) which failed (were UNSTABLE) at standard LT test (3 sensors out specs for IV+ 1 already IV-QTC failing) common feature : each sensor with humidity dependency stabilizes at a certain current (does not grow to infinity) in some cases after instability the sensor ‘lost’ humidity dependency Test on HPK : HPK: 1sensor “special” (out of 89 ‘short term tests’) : critical behavior at low or high RH ! Extended Long Term test results 3 STM sensors (among 26 new ones) are failing this test ratio > 10% strange behaviour of "sensor 10": partial recovery after 20 days. No HPK failure Long term test conclusions

  29. Il programma di CMS per la produzione dei sensori Riunione con i referee commissione I Contratto Thin Stato Delivery ST Stato Delivery HPK Negoziato con ST Situazione finanziaria sensori (situazione finanziaria ibridi ) (altri problemi) Gigi Rolandi Referee Commissione I

  30. Sensori del Tracker Gigi Rolandi Referee Commissione I

  31. Strategia dei contratti (2001) • Contratti per exact need + ~ 5% e riserva per coprire un rimanente 5% • Thin sensors con HPK per 6450 Sensori (+6.7 %) al costo di 415,835 kYen pari a 6,154 kCHF • Thick sensors 1100 con ordine INFN ad ST + 18000 con contratto ST (+5%) Al costo di 742 kCHF + 7,902 kEu pari a 11,616 kCHF Totale nei contratti 18,512 kCHF Money Matrix 19,678 kCHF Extra (~ 6%) per contingenza moduli e cambio Gigi Rolandi Referee Commissione I

  32. Thin Sensors

  33. Stato sensori con ST Questa tabella non include i sensori dello ordine INFN (1100 di cui 700 consegnati) ST ha in stock circa 1000 sensori “buoni” Gigi Rolandi Referee Commissione I

  34. Stato ordini Thick alla HPK • Sono stati fatti due ordini • Marzo 2004 per 7000 sensori • Ottobre 2004 per 4500 sensori (Coperti con fondi del contratto ST) Gigi Rolandi Referee Commissione I

  35. Delivery HPK Thick Sensors Include 1000 sensori LHCB Gigi Rolandi Referee Commissione I

  36. Delivery ad oggi • HPK ha consegnato 3300 (fino 9/05) +389 in ottobre dell’ordine dei 7000 sensori • Ci sono stati ritardi nelle delivery previste e questo e’ stato dicusso in un meeting al CERN 10 giorni fa con Yamamoto Gigi Rolandi Referee Commissione I

  37. Come completare ? • Bisogna ordinare i 5200 sensori alla HPK entro dicembre. • Bisogna dare quanto prima alla HPK una lettera di intenti in modo che possa allocare la schedula di produzione a partire da maggio 2005. • In questo modo la produzione potrebbe finire per Ottobre 2005 (questo non induce ritardo ulteriore rispetto alla produzione di ibridi) Gigi Rolandi Referee Commissione I

  38. Conclusioni • Abbiamo una strategia per il procuramento dei sensori spessi: utilizzare 3000 sensori ST e procurare il resto (17000) alla HPK. • Bisogna ancora ordinare ~ 5200 sensori entro dicembre • Questo prevede lo sblocco dei fondi sulla linea sensori e un finanziamento aggiuntivo di ~ 1 MCHF per completare l’ordine. • La cifra puo’ essere finalizzata solo alla conclusione del negoziato con ST Gigi Rolandi Referee Commissione I

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