402.02.03.02 +402.02.03.04 Pixel Sensors and Bump Bonding Julia - - PowerPoint PPT Presentation

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402.02.03.02 +402.02.03.04 Pixel Sensors and Bump Bonding Julia - - PowerPoint PPT Presentation

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402.02.03.02 +402.02.03.04 Pixel Sensors and Bump Bonding Julia Thom, Cornell University February 2-3, 2016 j.Thom, 2016 Feb 3rd Director's Review [FPIX] 402.02.03.02 +402.02.03.04 1

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402.02.03.02 +402.02.03.04 Pixel Sensors and Bump Bonding

Julia Thom, Cornell University February 2-3, 2016

1 ¡

Director's ¡Review ¡– ¡[FPIX] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ j.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡

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  • Introduction: Pixel Sensors and Bump Bonding
  • R&D plans for 2016 and 2017
  • Towards Production
  • Summary

2 ¡

Outline

Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡

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3 ¡

Phase 2 FPix Sensors and Bump-bonding

Preliminary ¡Fpix ¡half-­‑disk ¡design ¡ Schema7c ¡of ¡a ¡sensor-­‑ROC ¡hybrid, ¡ connected ¡by ¡bump-­‑bonds: ¡

J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡ Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ ¡

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  • Critical design parameters of FPix sensor:
  • Withstand up to 2x1016 cm-2 (in terms of 1MeV neutron

fluence)

  • reduce sensor thickness (<200 micron) and/or change technology,

e.g. 3D, to shorten drift path and avoid charge carrier trapping

  • Maintain occupancy at % level and improve spatial

resolution

  • reduce pixel size in transverse direction, e.g. considering 25x100

micron or 16x150 micron (factor 6 reduction wrt current detector)

  • Possibly design specialized FPix sensors
  • Reduce material budget, lower cost, achieve high reliability
  • sensor and manufacturer choice
  • Achieve excellent interconnection
  • bump-bonding technology used for phase 1 should work

4 ¡

Design Drivers

Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡

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  • Planar n-in-p sensors
  • CMS R&D sensor submission underway to determine rad hardness
  • Testing variations in pixel size, bias scheme,..
  • Plus: low cost, good reliability. Minus: sparking problem?
  • Planar n-on-n sensors
  • Same technology as used in CMS phase 0 and 1, but need to thin
  • Higher cost, fewer vendors
  • 3D pixel sensors
  • CMS/ATLAS R&D submissions underway
  • Higher cost, small pixel size difficult to achieve
  • Considered for inner layer of BPix

5 ¡

Design Options

Director's ¡Review ¡-­‑-­‑ ¡[MY ¡L2 ¡AREA] ¡Overview ¡

Main ¡US ¡interest ¡ Note: ¡tes7ng ¡ability ¡cri7cally ¡ depends ¡on ¡availability ¡of ¡test ¡ROCs ¡ ¡

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6 ¡

Design Options ROC options for sensor R&D

J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡

Name ¡ Pixel ¡Size ¡ Technolog y ¡ Rad ¡hard ¡ Available ¡in ¡ notes ¡ ROC4Sens ¡ (PSI) ¡ 50x50 ¡ microns ¡ IBM ¡250 ¡ nm ¡ 5 ¡MGy ¡ mid-­‑2016 ¡ No ¡charge ¡ threshold, ¡ simple ¡ readout ¡ FCP130 ¡ (FNAL) ¡ 30x100 ¡ microns ¡ GF ¡130 ¡nm ¡ 5 ¡MGy ¡ mid-­‑2016 ¡ RD53A ¡ 50x50 ¡ microns ¡ ¡ 65 ¡nm ¡ Up ¡to ¡10 ¡ MGy ¡ mid-­‑2017 ¡ Name ¡ Pixel ¡Size ¡ Technology ¡ Rad ¡hard ¡ Available ¡in ¡ notes ¡ PSI46digi ¡ 100x150 ¡ microns ¡ ¡ IBM ¡250 ¡nm ¡ 0.6 ¡MGy ¡ In ¡hand ¡

Fallback: ¡ ¡

Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ ¡ 155x160 ¡pixels ¡

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  • Milestone: establish and cost a baseline solution for TDR

(mid-2017).

  • R&D does not conclude with TDR.
  • US interest: explore 2 planar sensor options
  • Thin (150 micron) n-in-n planar pixels
  • Thin (100 or 150 micron) n-in-p planar pixels
  • Goals:
  • Determine a simple baseline based on existing ROC
  • Testing and irradiation of sensors to quantify performance
  • Building up testing capabilities with view towards production
  • Exploring cost, production capability and reliability of vendors for

sensors and bump-bonding

7 ¡

R&D plan 2016/17

Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡

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  • Tasks US NSF institutions
  • Participation in two current submissions (HPK, SINTEF, INFINEON?)
  • Contribute to layout of test sensors, (co)-fund submissions (FNAL, Cornell)
  • Bump bonding to ROCs (CU, Colorado, Nebraska, FNAL)
  • CVI for n-in-n, KIT or IZM for n-in-p
  • Explore small feature size and thin sensor bonding, yield
  • Estimate production costs
  • Module design and Lab testing (Purdue, Nebraska, SUNY Buffalo,

Cornell,..)

  • Build up laser system, sources, temperature control
  • Develop DAQ, depending on ROC
  • Test beam studies (Cornell, Colorado, UCR)
  • Support FNAL test beam facility
  • Determine resolution, efficiency,..
  • Irradiation (Colorado, UCDavis)
  • Use facilities at Sandia, LANL, KIT, CERN,..

8 ¡

R&D plan 2016/17

Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡

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  • pre/post irradiation tests are essential to quantify

radiation hardness and performance

  • DESY test beam (e beam 1-6 GeV)
  • FNAL pixel telescope (p beam 120 GeV, wit DAQ system)

9 ¡

Fermilab ¡Test ¡Beam ¡Facility ¡

Pixel ¡Telescope ¡

From ¡Lorenzo ¡Uplegger: ¡

Irradiated ¡3D ¡sensor ¡ ¡(1x1015 ¡neq/cm2) ¡

Test Beam

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  • Evaluate techniques, and identify&cost vendors
  • US has been asked to take the lead
  • Process (RTI) exists but may need to be changed
  • Thinner sensors, new designs and smaller feature size may require different

techniques

  • Other companies to communicate with: CVI, IZM, LETI, ARC, …
  • Can test yield etc with dummy devices
  • Need to establish a process to arrive at a decision by 2018

10 ¡

Bump-bonding

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2016/17 intl.CMS Pixel Sensor plan

Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡

US ¡FPix ¡constribudons: ¡

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  • Qualification of sensor designs, and evaluation of BB

(2016/17/18)

  • Decide on technology per layer
  • Identify vendors
  • Strong correlation with ROC R&D
  • Identify sensor testing sites and build up testing

capabilities for the phase 2 pixel sensor production (2016-19)

  • First step is R&D testing campaign in 2016/17
  • Interested groups: Nebraska, Purdue, Colorado, Cornell, UCDavis,

SUNY Buffalo..

  • Phase 1 testing ramping down as phase 2 testing needs increase
  • demo-hybrids (2018/19)
  • Proto-hybrids (20-22)
  • Production and assembly of modules (23/24)

12 ¡

Towards production

Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡

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13 ¡

Towards production

J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡

Baseline ¡chosen ¡for ¡TDR ¡

Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ ¡

2016 ¡ 2017 ¡ 2018 ¡ 2019 ¡ 2020 ¡ 2021 ¡ 2022 ¡ 2023 ¡ 2024 ¡

Qualificadon ¡of ¡ sensors ¡and ¡ designs ¡ ¡ Evaluadon ¡of ¡ bump-­‑bonding ¡ Development ¡of ¡ tesdng ¡capability ¡ Producdon ¡

  • f ¡hybrids ¡

for ¡demo-­‑ modules ¡ ¡ Producdon & ¡ assembly ¡

  • f ¡proto ¡

modules ¡ Module ¡ Producdon ¡

Baseline ¡chosen ¡for ¡TDR ¡

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  • 2016/17 will see interesting results on radiation

hardness and resolution of pixel sensors.

  • Preliminary decision about pixel technology
  • Strong reliance on the Fermilab test beam facility
  • US groups will contribute to the testing campaign in

the short term, and will prepare for production and testing of the FPix pixel modules

  • building on experience with phase 1 upgrade
  • Available manpower increasing as phase 1 work ramps down
  • Vital pieces to deliver: efficient sensor/ROC testing

sites, suitable industrial bump-bonding technology.

  • Effort is getting organized now, working on strong cooperation

with international CMS pixel sensor group.

14 ¡

Summary

Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡

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15 ¡

Backup Material

Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡

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16 ¡

Julia ¡Thom, ¡Cornell ¡

n-in-n vs n-in-p (sparking problem)

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Sparking due to proximity of HV to ROC

17 ¡

Julia ¡Thom, ¡Cornell ¡

  • Processes ¡addressing ¡this ¡include ¡

– in-­‑process ¡BCB ¡coadng ¡with ¡lithography ¡(ATLAS) ¡ – Post-­‑process ¡coadng ¡(invesdgated ¡in ¡the ¡past ¡by ¡Purdue) ¡ – Here ¡work ¡needs ¡to ¡be ¡done-­‑ ¡

n-in-p issues

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18 ¡

CMS HL-LHC Upgrade schedule

  • V. ¡O'Dell, ¡28 ¡September ¡2015 ¡

FY25 ¡ FY24 ¡ FY23 ¡ FY22 ¡ FY21 ¡ FY20 ¡ FY19 ¡ FY18 ¡ FY17 ¡ FY16 ¡ FY15 ¡

CD4 ¡ CD1 ¡ CD2 ¡CD3 ¡ CD0 ¡

LS ¡2 ¡ LS ¡3 ¡ Physics ¡ Physics ¡

LHC ¡Schedule ¡

CDR ¡ PDR ¡ CD3A ¡ FDR ¡

U.S. ¡CMS ¡Contribudons ¡to ¡HL-­‑LHC ¡

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  • In case no rad hard ROC is available in 2016
  • bond to PSI46dig
  • This either limits radiation exposure, or bump bonding has to be done

after irradiation, using a “cold” process

  • E.g. in house KIT gold stud bonding

19 ¡

Fallback solution 2016

Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡Overview ¡ J.Thom, ¡2016 ¡January ¡19 ¡

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20 ¡

Julia ¡Thom, ¡Cornell ¡

Pixel Resolution in Simulation

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21 ¡

Julia ¡Thom, ¡Cornell ¡

Wafer layout HPK submission

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SLIDE 22
  • Planar n-in-p sensors
  • CMS R&D sensor submission underway to determine rad hardness
  • Testing variations in pixel size, ROC routing, bias scheme
  • Plus: low cost, good reliability. Minus: sparking problem?
  • Planar n-on-n sensors
  • Same technology as used in CMS phase 0 and 1, Need to thin
  • Higher cost, fewer vendors
  • 3D pixel sensors
  • CMS/ATLAS R&D submissions underway
  • Higher cost
  • Smaller pixel size difficult to achieve.

22 ¡

Design Options

Director's ¡Review ¡-­‑-­‑ ¡[MY ¡L2 ¡AREA] ¡Overview ¡

Main ¡US ¡interest ¡ Note: ¡tes7ng ¡ability ¡cri7cally ¡ depends ¡on ¡availability ¡of ¡test ¡ROCs ¡ ¡

J.Thom, ¡2016 ¡January ¡19 ¡

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SLIDE 23

Short drift path (similar to planar), thicker sensors possible. Compared to planar: higher cost, higher noise, smaller pitches more difficult to achieve. CMS implemented 3D sensors on IBL project wafers (100x150microns, n+ readout columns, bumped to PSI46 chip)

3D sensors

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  • CNM 3D run (ATLAS, CMS, LHCb), submission underway.

Plan is to bond to FCP130 or ROC4Sens and to test at FNAL

  • FBK submission led by INFN groups (Meschini, Messineo, ..)

underway

CNM ¡submission: ¡

2 new 3D runs (ATLAS/CMS)

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  • ongoing CMS R&D

submission led by DESY/HH

  • n-in-p single sided 6’’ wafers
  • Less expensive, many vendors
  • Thinned to 150 microns
  • Using fine-pitch pixels

25 ¡

Julia ¡Thom, ¡Cornell ¡

  • 30 ¡wafer ¡submission ¡with ¡variadons ¡on ¡layout, ¡design,.. ¡

– p-­‑spray ¡vs ¡p-­‑stop, ¡pixel ¡pitch ¡(25x100, ¡50x50), ¡various ¡bias ¡ schemes,..vendor ¡design ¡rules ¡limit ¡some ¡studies ¡

Note: ¡another ¡(indep.)submission ¡at ¡FPK ¡with ¡similar ¡pixel ¡design ¡

More on n-in-p

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  • Double-sided n-on-n: used

currently in CMS

  • In hand: SINTEF (P1) test sensors

with small pitch regions (25x600, 50x300, 100x150 microns)

  • Also studying “slim-edge” sensors

(250 instead of 1200 microns)

  • bump-bonded at RTI to PSI46 ROC
  • First results from FNAL Test Beam

(non-irradiated) look good

  • see Tracker Week talks in

January for more results!

From ¡Caterina ¡Vernieri’s ¡talk ¡at ¡Ischia: ¡ Small ¡pitch ¡efficiency ¡

n-in-n

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SLIDE 27
  • Submit at Sintef with same mask set, delivery planned for Feb

2016

  • Thin only active area (100 and 150 microns, chemical etch)
  • bond to small pixel ROC (FCPI30)
  • Bump Bonding: R&D requires small batch, specialized requests
  • CVI, IZM
  • Irradiation and testing in collaboration with Colorado, others

Sintef ¡10 ¡micron ¡thinned ¡areas ¡

n-in-n

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  • Common Production with ATLAS, CLIC detector development, organized by Anna

Macchiolo (MPI Munich)

  • 8 inch n-in-p wafers, target thickness 200 µm
  • At this point p-spray isolation, might add moderated p-spray
  • No UBM at Infineon
  • Longer term goals for the collaboration with Infineon
  • Wafer-level bump bonding technology
  • Going to 12 inch wafers?
  • Timescale: 2 months for design, then some months (4-6?) for production
  • ->Same as HPK submission…
  • Definitely interesting for us! Financial contribution tbd
  • FEI4 and RD53 compatible sensors. Space still available.

Common Infineon 8’’ Submission

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Wafer layout: First Ideas

  • Introduction*
  • Timepix'

Quads' FE/I4' Clicpix'20' RD53'

  • ! Just*to*give*an*idea*of*the*

space*available*on*a*8”*wafer*"* this*is*not*the*final**distribution*

  • f*structures*on*the*wafer*

! *Sensor*details*must*be* reworked*after*discussion*of*the* INFINEON*design*rules* ! *Still*plenty*of*place*for*other* structures* ! *Double*chip*modules** ! *Alpine*modules?* ** !

!