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Studies on the influence of mechanical stress on the properties of silicon sensor modules for the ATLAS Phase-II Upgrade

Untersuchung des Einfluss von mechanischem Stress auf die Eigenschaften von Siliziumsensormodulen für das ATLAS Phase-II Upgrade

  • The subject of this thesis is the development and test of silicon strip detectors for the high luminosity upgrade of the tracking detector of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. Special emphasis is devoted to the understanding of the impact of mechanical stress on the electrical properties and the particle detection performance of detector modules. First simulations were done to estimate the maximum expected stress on a sensor when operated at -30 °C within the future silicon strip tracking detector ITk, at ATLAS. The maximum stress in a worst case scenario is expected to be 27 MPa. Tensile strength tests were done to estimate the maximum stress which can be applied to a silicon strip sensor. Silicon shards, with a thickness and dopand concentration corresponding to the ITk sensor specifications break at >23 MPa, wafers at >700 MPa and sensors at ~ 400 MPa. The huge variations lead to the assumption, that the tensile stregth, which is highly dependent on the quality of the crystal lattice, is due to different cuttingThe subject of this thesis is the development and test of silicon strip detectors for the high luminosity upgrade of the tracking detector of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. Special emphasis is devoted to the understanding of the impact of mechanical stress on the electrical properties and the particle detection performance of detector modules. First simulations were done to estimate the maximum expected stress on a sensor when operated at -30 °C within the future silicon strip tracking detector ITk, at ATLAS. The maximum stress in a worst case scenario is expected to be 27 MPa. Tensile strength tests were done to estimate the maximum stress which can be applied to a silicon strip sensor. Silicon shards, with a thickness and dopand concentration corresponding to the ITk sensor specifications break at >23 MPa, wafers at >700 MPa and sensors at ~ 400 MPa. The huge variations lead to the assumption, that the tensile stregth, which is highly dependent on the quality of the crystal lattice, is due to different cutting technology. Wafers, irradiated with a fluence equivalent of a lifetime dose of an ITk sensor, show no stress dependency of the youngs modulus. The tensile strength of irradiated wafers is decreased by ~ 6,6 %. No damage on silicon sensors from mechanical stress is expected for sensor modules installed it the ITk. The electrical properties of silicon strip sensors were studied for applied mechanical stress on ATLAS07 sensors up to 60 MPa. The specifications of the sensors are similar to the specification of strip sensors in the future silicon strip tracker barrel region of the ATLAS detector. The leakage current changes at 50 MPa by -1.7 %, the bias resistance by +0.8 % and the interstrip resistance by -25 %. The depletion voltage and the implant resistance are not affected by mechanical stress. Except for the interstrip resistance the results can be explained by piezoresistive effects. Silicon strip modules were build and studied in particle test beams. These modules consists of an ATLAS07 or an ATLAS12 sensor and an analogue readout to study the influence of stress on the module performance. The sensor module noise is independent from the applied stress. An effect of stress on the signal strength was seen. The ATLAS07 sensor module signal strength was decreased and the ATLAS12 sensor module signal strength was increased with a slope of ~0,6 MPa^-1. The average cluster size of the ATLAS07 sensor module was increased by 0,25 % MPa^-1 and the average cluster size of the ATLAS12 sensor module was decreased by 0,06 % MPa^-1 with applied stress.show moreshow less
  • Im Rahmen dieser Arbeit wurden Silizium Streifen Module für das Luminositäts Upgrade des ATLAS Spurdetektor am Large Hadron Collider LHC untersucht. Schwerpunkt ist die Auswirkung von mechanischer Spannung auf die Eigenschaften des Silizium Sensors und die Modulleistung. Dazu wurde zuerst die maximale Verspannung eines Silizium Sensors unter Betriebsbedingungen bei -30 °C am zukünftigen Silizium Streifen Spurdetektor ITk, am ATLAS, simuliert. Die zu erwartende mechanische Belastung beträgt 27 MPa. Im Anschluss wurde die maximale mechanische Verspannung von Silizium Scherben, Wafern und Sensoren bestimmt. Siliziumscherben mit einer Dicke und Dotierung, welcher der Spezifikation der ITk Sensoren entspricht brechen bereits bei 23 MPa. Wafer derselben Dicke und Dotierung brechen bei >700 MPa und Sensoren bei ~ 400 MPa. Ein signifikanter Unterschied der untersuchten Strukturen, welcher die unterschiedlichen Resultate erklären kann, ist die Kantenbeschaffenheit. Bestrahlte Wafer wurden untersucht um die mechanische Stabilität bei einerIm Rahmen dieser Arbeit wurden Silizium Streifen Module für das Luminositäts Upgrade des ATLAS Spurdetektor am Large Hadron Collider LHC untersucht. Schwerpunkt ist die Auswirkung von mechanischer Spannung auf die Eigenschaften des Silizium Sensors und die Modulleistung. Dazu wurde zuerst die maximale Verspannung eines Silizium Sensors unter Betriebsbedingungen bei -30 °C am zukünftigen Silizium Streifen Spurdetektor ITk, am ATLAS, simuliert. Die zu erwartende mechanische Belastung beträgt 27 MPa. Im Anschluss wurde die maximale mechanische Verspannung von Silizium Scherben, Wafern und Sensoren bestimmt. Siliziumscherben mit einer Dicke und Dotierung, welcher der Spezifikation der ITk Sensoren entspricht brechen bereits bei 23 MPa. Wafer derselben Dicke und Dotierung brechen bei >700 MPa und Sensoren bei ~ 400 MPa. Ein signifikanter Unterschied der untersuchten Strukturen, welcher die unterschiedlichen Resultate erklären kann, ist die Kantenbeschaffenheit. Bestrahlte Wafer wurden untersucht um die mechanische Stabilität bei einer Strahlenbelastung nach 10 Jahren HL-LHC Betrieb abzuschätzen. Es wurde keine Veränderung des Elastizitätsmoduls gemessen, die maximale Spannung wurde jedoch um ~ 6,6 % gesenkt. Es wird kein Schaden durch die mechanische Belastung aufgrund des Kühlens des Sensormoduls erwartet. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurden die elektrischen Eigenschaften von ATLAS07 Sensoren untersucht. Die Spezifikationen dieser Sensoren gleichen denen von Sensoren welche am ITk verbaut werden. Es wurden mechanische Spannungen bis zu 60 MPa untersucht. Bei einer mechanischen Spannung von 50 MPa wurde eine Änderung des Leckstromes um -1.7 %, des Bias Widerstandes um +0.8 % und des Zwischenstreifenwiderstandes um -25 % gemessen. Die Verarmungsspannung und der Widerstand des Implantats ändern sich nicht. Die Ergebnisse können mit Ausnahme des Zwischenstreifenwiderstandes durch Piezoresistivität erklärt werden. Abschließend wurden Modulprototypen mit variabler Sensorverspannung, bestehend aus ATLAS07 Sensoren und ATLAS12 Sensoren mit einer analogen Auslese, hergestellt und im Teilchenstrahl studiert. Damit konnten spannungsabhängige Einflüsse auf die Sensorparameter untersucht werden. Es wurde keine Abhängigkeit von der mechanische Spannung für das Rauschen festgestellt. Die Signalstärke hingegen zeigte eine Abhängigkeit von der mechanischen Verspannung des Sensors. Diese Abhängigkeit fiel unterschiedlich für das ATLAS07 Sensormodul und das ATLAS12 Sensor Modul aus. Das ATLAS07 Sensor Module zeigte einen Anstieg der Signalstärke um ~0,6 MPa^-1, das ATLAS12 Sensor Modul ein Abfallen der Signalstärke um ~0,6 MPa^-1. Die durchnschnittliche Breite des Ladungsclusters nahm für das ATLAS07 Sensor Modul um 0,25 % MPa^-1 zu und für das ATLAS12 Sensor Modul um 0,06 % MPa^-1 ab.show moreshow less

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Metadaten
Author: Martin SteglerORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-53230
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-5323
Referee / Advisor:Prof. Dr. Wolfgang Lohmann, Prof. Dr. Götz Seibold, Prof. Dr. Tony Weidberg
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2020
Date of final exam:2020/06/23
Release Date:2021/01/19
Tag:ITk; Sensormodul; Silizium
ATLAS; LHC; Piezoresistivity; Silicon; Stress
GND Keyword:Silicium; Sensor; Piezowiderstand; ATLAS <Teilchendetektor>
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Computational Physics
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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