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

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 ¡

Outline  Introduction: Pixel Sensors and Bump Bonding  R&D plans for 2016 and 2017  Towards Production  Summary Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡ 2 ¡ ¡

Phase 2 FPix Sensors and Bump-bonding Preliminary ¡Fpix ¡half-­‑disk ¡design ¡ Schema7c ¡of ¡a ¡sensor-­‑ROC ¡hybrid, ¡ connected ¡by ¡bump-­‑bonds: ¡ Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡ 3 ¡ ¡

Design Drivers  Critical design parameters of FPix sensor:  Withstand up to 2x10 16 cm -2 (in terms of 1MeV neutron fluence) o 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 o reduce pixel size in transverse direction, e.g. considering 25x100 micron or 16x150 micron (factor 6 reduction wrt current detector) o Possibly design specialized FPix sensors  Reduce material budget, lower cost, achieve high reliability o sensor and manufacturer choice  Achieve excellent interconnection o bump-bonding technology used for phase 1 should work Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡ 4 ¡ ¡

Design Options  Planar n-in-p sensors  CMS R&D sensor submission underway to determine rad hardness  Testing variations in pixel size, bias scheme,.. Main ¡US ¡interest ¡  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 Note: ¡tes7ng ¡ability ¡cri7cally ¡ depends ¡on ¡availability ¡of ¡test ¡ROCs ¡ ¡  CMS/ATLAS R&D submissions underway  Higher cost, small pixel size difficult to achieve  Considered for inner layer of BPix Director's ¡Review ¡-­‑-­‑ ¡[MY ¡L2 ¡AREA] ¡Overview ¡ 5 ¡

ROC options for sensor R&D Design Options Name ¡ Pixel ¡Size ¡ Technolog Rad ¡hard ¡ Available ¡in ¡ notes ¡ y ¡ ROC4Sens ¡ 50x50 ¡ IBM ¡250 ¡ 5 ¡MGy ¡ mid-­‑2016 ¡ No ¡charge ¡ (PSI) ¡ microns ¡ nm ¡ threshold, ¡ 155x160 ¡pixels ¡ simple ¡ readout ¡ FCP130 ¡ 30x100 ¡ GF ¡130 ¡nm ¡ 5 ¡MGy ¡ mid-­‑2016 ¡ (FNAL) ¡ microns ¡ RD53A ¡ 50x50 ¡ 65 ¡nm ¡ Up ¡to ¡10 ¡ mid-­‑2017 ¡ microns ¡ MGy ¡ ¡ Fallback: ¡ ¡ Name ¡ Pixel ¡Size ¡ Technology ¡ Rad ¡hard ¡ Available ¡in ¡ notes ¡ PSI46digi ¡ 100x150 ¡ IBM ¡250 ¡nm ¡ 0.6 ¡MGy ¡ In ¡hand ¡ microns ¡ ¡ Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡ 6 ¡ ¡

R&D plan 2016/17  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 Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡ 7 ¡ ¡

R&D plan 2016/17  Tasks US NSF institutions  Participation in two current submissions (HPK, SINTEF, INFINEON?) o Contribute to layout of test sensors, (co)-fund submissions (FNAL, Cornell)  Bump bonding to ROCs (CU, Colorado, Nebraska, FNAL) o CVI for n-in-n, KIT or IZM for n-in-p o Explore small feature size and thin sensor bonding, yield o Estimate production costs  Module design and Lab testing (Purdue, Nebraska, SUNY Buffalo, Cornell,..) o Build up laser system, sources, temperature control o Develop DAQ, depending on ROC  Test beam studies (Cornell, Colorado, UCR) o Support FNAL test beam facility o Determine resolution, efficiency,..  Irradiation (Colorado, UCDavis) o Use facilities at Sandia, LANL, KIT, CERN,.. Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡ 8 ¡ ¡

Test Beam  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) From ¡Lorenzo ¡Uplegger: ¡ Pixel ¡Telescope ¡ Irradiated ¡3D ¡sensor ¡ ¡(1x10 15 ¡n eq /cm 2 ) ¡ Fermilab ¡Test ¡Beam ¡Facility ¡ 9 ¡

Bump-bonding  Evaluate techniques, and identify&cost vendors  US has been asked to take the lead  Process (RTI) exists but may need to be changed o Thinner sensors, new designs and smaller feature size may require different techniques  Other companies to communicate with: CVI, IZM, LETI, ARC, … o Can test yield etc with dummy devices  Need to establish a process to arrive at a decision by 2018 Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡ 10 ¡ ¡

2016/17 intl.CMS Pixel Sensor plan US ¡FPix ¡constribudons: ¡ Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡ 11 ¡ ¡

Towards production  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) Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡ 12 ¡ ¡

Towards production 2016 ¡ 2017 ¡ 2018 ¡ 2019 ¡ 2020 ¡ 2021 ¡ 2022 ¡ 2023 ¡ 2024 ¡ Qualificadon ¡of ¡ sensors ¡and ¡ designs ¡ ¡ Evaluadon ¡of ¡ bump-­‑bonding ¡ Development ¡of ¡ tesdng ¡capability ¡ Producdon ¡ of ¡hybrids ¡ for ¡demo-­‑ modules ¡ ¡ Producdon & ¡ assembly ¡ of ¡proto ¡ modules ¡ Module ¡ Baseline ¡chosen ¡for ¡TDR ¡ Producdon ¡ Baseline ¡chosen ¡for ¡TDR ¡ Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡ 13 ¡ ¡

Summary  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. Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡ 14 ¡ ¡

Backup Material Director's ¡Review ¡– ¡[FPix] ¡402.02.03.02 ¡+402.02.03.04 ¡ ¡ J.Thom, ¡2016 ¡Feb ¡3rd ¡ 15 ¡ ¡

n-in-n vs n-in-p (sparking problem) Julia ¡Thom, ¡Cornell ¡ 16 ¡

n-in-p issues Sparking due to proximity of HV to ROC • 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-­‑ ¡ Julia ¡Thom, ¡Cornell ¡ 17 ¡

CMS HL-LHC Upgrade schedule CD2 ¡CD3 ¡ PDR ¡ CD3A ¡ FDR ¡ CD4 ¡ CD0 ¡ CDR ¡ CD1 ¡ Physics ¡ LS ¡3 ¡ LS ¡2 ¡ Physics ¡ LHC ¡Schedule ¡ FY16 ¡ FY17 ¡ FY18 ¡ FY19 ¡ FY24 ¡ FY15 ¡ FY20 ¡ FY21 ¡ FY22 ¡ FY23 ¡ FY25 ¡ U.S. ¡CMS ¡Contribudons ¡to ¡HL-­‑LHC ¡ V. ¡O'Dell, ¡28 ¡September ¡2015 ¡ 18 ¡