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Entwicklung des SCT-Moduls

Sensordesign

Bei der Entwicklung der Module des Silizium-Streifendetektors war das Ziel des MPP hauptsächlich das Design von kosteneffizienten, strahlenharten Sensoren. Außerdem wurde das mechanische Design der Endkappenmodule entwickelt und in Bezug auf die mechanische und thermische Güte optimiert.

Bei der Entwicklung der Sensoren hat das MPP das p-in-n Konzept von p-Typ Implantationen in n-Typ Silizium verfolgt. Unterstützt durch die Universität Dortmund und durch die CERN ATLAS Gruppe wurde ein Entwicklungsprogramm durchgeführt, das Simulationsstudien, Sensordesign, die Entwicklung von Prototypen, Bestrahlungen von Sensoren und Datenanalyse beinhaltete.

Als Teil dieses Programms wurde eine Multi-Guard-Ring Struktur für die Sensoren entwickelt, die die elektrischen Felder in den Randregionen der Sensoren verringert. So können die Sensoren auch nach der Typinversion bei Verarmungsspannungen bis 500 Volt sicher betrieben werden.

Die entwickelte p-in-n Sensortechnologie benötigt nur fünf Prozessschritte und verringert somit die Kosten der Sensoren. Um die Kosten weiter zu senken, hat das MPP die häufig verwendeten und teuren Polysilizium-Biaswiderstände durch implantierbare Widerstände ersetzt. Diese werden während der Prozessschritte einfach mit einer mittleren Bor-Dosis implantiert.

Motiviert durch die Forschungsergebnisse der CERN RD48 (ROSE) Kollaboration wurde bei der Herstellung eines Teils der Sensoren eine erhöhte Konzentration von Sauerstoff in die Sensoren diffundiert. Dies reduziert die von der Strahlung verursachten Siliziumdefekte deutlich, sodass die Sensoren auch noch nach hoher Bestrahlung mit einer verringerten Spannung betrieben werden können. Das Konzept wurde vom MPP an Prototypen getestet und bestätigt. Diese sauerstoffangereicherten Sensoren werden in den innersten Endkappenmodulen eingesetzt.

Alle Sensoren wurden im MPG Halbleiterlabor entwickelt und bei CiS, einer Halbleiterfabrik in Erfurt, hergestellt.

Modulbau

Das MPP hat die Produktion von ungefähr 3.000 Siliziumsensoren für die Endkappen des Silizium-Streifendetektors einschließlich der Vorserienproduktion koordiniert. Die Sensoren wurden an das MPP geliefert, dort getestet und für den Zusammenbau an die entsprechenden Institute weitergeleitet.

Eine der Hauptaufgaben am MPP war der Zusammenbau von 424 Modulen für die mittleren Ringe der Endkappen. Das Bild auf der rechten Seite zeigt ein Wirebonding-Tool in Aktion. Wirebonding ist ein Verfahren mit dem die Sensoren durch dünne ultraschallverschweißte Drähte untereinander und mit der Ausleseelektronik verbunden werden.

Endkappenbau, Integration und Tests

Die MPP-Gruppe hat sich an der Integration des Silizium-Streifendetektors in den ATLAS-Detektor am CERN beteiligt. Hierbei wurde vor allem an der thermischen Abschirmung des Detektors gearbeitet. Der Silizium-Streifendetektors und der sich daran anschließende Transition Radiation Tracker bestehen jeweils aus drei Komponenten: dem zylindrischen Teil um die Wechselwirkungszone der Protonstrahlen und den beiden Endkappen. Die drei Komponenten des Silizium-Streifendetektors wurden separat in die entsprechenden Komponenten des Transition Radiation Trackers eingeführt. Anschließend wurde ein Funktionstest mit Teilchen der kosmischen Höhenstrahlung für das gesamte System durchgeführt. Die MPP-Gruppe arbeitete hier am Setup und der Integration des Triggers für die Datennahme.