HL-LHC ATLASで用いるストリップ型シリコンセンサー
本生産に向けた品質保証システムの改良
筑波大学理工情報生命学術院数理物質科学研究群物理学学位プログラム 博士前期課程1年
斉藤功太

2020/3/30

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ATLAS検出器とITk
 ATLAS検出器は、LHCに4つある検出器の一つ
 2027年から運用開始予定のLHCの高輝度化にあわせ、ATLAS検出器がアップグレード
 内部検出器はInner Tracker(ITk)に置き換わり、そのうちストリップは約21000枚生産される
 ITkストリップで予想される最大フルエンスは1.6 × 1015 neq /cm2(安全率1.5)
 本生産は今年の7月から開始予定(3.8カ年)

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2ITk Strip品質保証(QA)の流れ 1バッチ(約40枚)につき1サンプルずつ放射線耐性を測る
 日本グループ(KEK+筑波大)は陽子を照射したサンプルについて検査 陽子の照射量は、 5.1 × 1014 neq /cm2、1.6 × 1015 neq /cm2 の二種類

 残りのサンプルはLjubljana、Pragueにて中性子やガンマ線を照射し、放射線耐性を総合的に評価

各12サンプル/6か月
Testchip+MD8

陽子照射@CYRIC

中性子、ガンマ線照射@Ljubljana,Prague
mini+MD8

各18サンプル/月

QA検査@KEKQA検査@Tronto,Prague etc.
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3①Testchip+MD8 測定項目⑦

 ①バイアス抵抗②

 ②ストリップ間容量④③

 ③ストリップ間抵抗⑤

 ④PTP作動電圧：センサーの保護機構の動作確認⑥

 ⑤酸化膜容量:酸化膜厚を計算
 ⑥結合容量、酸化膜リーク電流:酸化膜の絶縁性を確認
 ⑦MD8：ストリップや電極の影響を排したダイオードの特性を確認

電極
酸化膜②、③②、③①

センサー上面⑤、⑥𝑛+ストリップ
𝑝++ 層
裏面

pバルク

④⑦
センサー断面2020/3/30

4miniを用いた電荷収集量測定
miniセンサー
1cm x 1cm



90 Sr 線源からのβ線の通過による電荷収集量を測定する

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5品質保証(QA)システムの概要

Testchipを用いた測定装置
8つの測定項目を測定
所要時間 4時間/1サンプル

 Testchip,miniともに、-20℃の恒温槽内で測定
 この装置を用いて、試験量産サンプルについて測定
Testchip+ より信頼性のある測定に向けた改良を行った
MD8
測定用PC
 電荷収集量(CCE)測定の自動化

LCRメーターx2
ソースメーターx2

スイッチ基板CCE測定
センサーにバイアス電圧をかけ、β線入射の際の電荷収集量を測定
所要時間 2時間/1サンプル
ソースメーター

恒温槽
-20℃
mini

mini
測定用PC

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6Testchip
温度計

 GUIを改良し、逐次測定値をプロット
 ストリップ間抵抗測定の測定法の改良
 本講演では特にこの事例について扱う

試験量産サンプルでのストリップ間抵抗測定の結果

𝑉test

 センサーに500Vのバイアス電圧を印加し、ストリップ間に電圧をかけた際の電流値を測定、傾きから抵抗値を求める𝑛+ 2.4cmのストリップ長に対応する構造
 電極間分離のため、18MΩ以上の抵抗が要求される

𝑅int2

𝑛+
𝑅int3

𝑅int4

・・・・

 複数のサンプルについて測定する中で、問題が見つかった
 抵抗値のばらつきが大きく、ものによっては2倍程度違っている

抵抗[Ω]

𝑅int1

𝑉bias

𝑛+𝑅bulk

p-bulk

試験量産サンプルの結果例

試験量産サンプルの抵抗値

1.6 × 1015 neq /cm2
1.6 × 1015 neq /cm2照射5.1 × 1014 neq /cm2

サンプル名2020/3/30

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𝑉test𝑅int1

ストリップ間抵抗が過小評価されることへの仮説

𝑛+𝑛+
𝑅int2

 試験量産サンプルの測定では、バイアス電圧のグラウンドに対して、

・・・
𝑅bulk

𝑉bias

ストリップが浮いていた

𝑅int3

𝑛+
𝑅int4

p-bulk センサーの暗電流の一部がストリップに流入することで、バイアスリングとストリップ間に電位差が生じ、実効的なバイアス電圧が変化している

 暗電流の流入が𝑉test の関数であると、 𝑅intの測定に影響を𝑉test

与える 暗電流の流入を制御するため、ストリップと𝑉testのグラウンドを保𝑛+

護抵抗を介して接続

𝑅int1
𝑉bias

𝑛+
𝑅int2・・・
𝑅bulk

𝑛+
𝑅int3

𝑅int4

p-bulk2020/3/30

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𝐼int

接続後の電流電圧特性

𝑅int を通らずバイアスリングに流入 グラウンドを共通にして測定を行ったところ、浮いていた測定に対して𝐼test の変化が急になった

𝑛+𝐼bulk

𝑅int1

数100nA 𝐼test (𝑉test )~𝐼bias + 𝐼bulk(𝑉test) + 𝐼int (𝑉test )

𝑛+
𝑅int2

𝑛+
𝑅int3

𝑅bulk

𝑅int4
測定回数[回]・・・

𝐼bias 𝑉bias

 電流の漏れがどこで起きているのかを確認するため、4カ所で電流電圧特性を調べた

𝑉test

𝐼testp-bulk

1.6 × 1015 neq /cm2照射

 𝐼test と𝐼bias + 𝐼bulk + 𝐼int には0.2uA程度のずれがあった このずれは、𝑉test によらず一定で、ストリップから裏面への0.1uA暗電流であると考えられる

 𝐼int の測定には𝐼test と𝐼bias + 𝐼bulk + 𝐼int の差分が影響しない●𝐼bias + 𝐼bulk + 𝐼int
● 𝐼test● 𝐼𝑏𝑖𝑎𝑠 ストリップ間抵抗は、 𝐼int の傾きから求められる
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9𝑉test

冷却時間による測定値の変化
 今までの測定では、恒温槽にサンプルを入れてから測定までの時間にばらつきがあった

𝑅int1
𝑉bias𝑛+𝑅int2𝑛+・・・
𝑅bulk𝑛+
𝑅int3

𝑅int4
測定回数[回]p-bulk

 恒温槽の温度表示とサンプル自体の温度に差があった可能性がある

 恒温槽の温度表示が-20℃になった直後は電流が不安定で、抵抗を過大評価することがわかった

恒温槽-20℃表示から
● 5分
● 15分
● 25分
● 30分

 今後は、恒温槽の温度表示が-20℃になってから、25~30分経

過後に測定を行う
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10測定手法の改善による抵抗値の変化
 バイアス電圧と𝑉testを保護抵抗を介して接続することで、改善前の測定に比べ、大きな抵抗を示すことを確 今後、改善した手法を用いてストリップ間抵抗測定を行う
改善前の測定抵抗[Ω]認した

改善後の測定19.1MΩ
Birmingham( )12.3MΩ
繰り返し測定精度は約2MΩ

サンプル名2020/3/30

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𝑉testサンプルの温度の違いによる電流の変化
𝑅int1

 さらなる測定値のばらつきの要因として、電流の温度依存性について調べた𝑉bias 温度が下がると電流が流れにくくなり (𝐼 𝑇 ∝ 𝑇 2 exp(−𝐸/2𝑘𝑇))、抵抗が大きくなることを確認

𝑛+𝑅int2𝑛+・・・
𝑅bulk

𝑛+
𝑅int3

𝑅int4
測定回数[回]

p-bulk0Vでの電流[A]抵抗[Ω]1.4 × 1015 neq /cm2照射▲-15℃▲-17.5℃▲-20℃▲-22.5℃

測定温度[℃]

測定温度[℃]

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まとめ ITkストリップセンサーの本生産に向け、QA測定システムの構築を行った
 1サンプル当たり、Testchipは4時間、miniは2時間と、時間に余裕のある測定が可能であることを確認した

 より正確な測定に向け、ストリップ間抵抗測定の見直しを行った
 バイアス電圧をかける回路とストリップ間電圧をかける回路を保護抵抗を介して接続し、測定の安定性と装置の安全性を増した

 サンプルの冷却時間を取る必要があることを確認した
 恒温槽内の温度によって抵抗値が変化することを確認した

 改善により、以前より正確なストリップ間抵抗の測定手法を確立した
 7月から始まる本生産では、本装置を用いてQAの試験を行う(24ピース×2種類/年)
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