ACTIVIDADES DEL CNM EN FUTUROS ACELERADORES

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ACTIVIDADES DEL CNM ENFUTUROS ACELERADORES
Capacidades Tecnológicas del CNM orientadas a
futuros aceleradores

• Juan Pablo Balbuena

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Sala Blanca del CNM

• Superficie total de 1500 m².
• Estructura House in house.
• Clases de 100 a 10.000 dependiendo del área.
• Control de aire (T211 C, Humedad 40 5)
• Sistema de agua desionizada (18 MW.cm, 26 m³/día
• Distribudión de gas ultrapuro
• Conductos pulidos eléctricamente de acero
  inoxidable 316 L.

• Fuente de alimentación (25 kV y 3000 kVA.)
• Tratamiento de residuos.
• Sistema de seguridad
• Detectores de gas, protección frente a fuego e
  intrusos.

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Procesos

• Oxidacines seca y húmeda.
• Implantación iónica
• B, P, As, N y Ar.
• Difusión
• Deposición química vaporizada
• Si3N4, polisilicio, SiO2, BPSG
• Metalización
• Al/Si, Al/Cu, Al/Cu/Si, TaSi, Ti, Ni, Au, Pt, Cr,
  Ag, a-Si, y Ge.
• Deposición de polimida
• Planarización mediante pulido mecánico y químico
  (sep2007)
• Nanotechnología
• AFM
• FIB
• SEM
• Nanoimpresión

• Ataque seco y húmedo.
• Micromecanización de superficie y sustrato de
  silicio.
• Soldadura anódica.
• Packaging
• Soldadura pieza-pieza , soldadura por cable,
  Dispositivos de superficie en miniatura
• Equipos de test in situ
• Elipsometría, interferometría, perfilometría,
  medidas de 4 puntas
• Fotolitografía
• De contacto/proximidad, chip a chip, por ambas
  caras

Limitada a obleas de 10cm No es útil para gran
producción, pero es importante para desarrollo
tecnológico
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Tecnología planar de detectores de radiación

• Desarrollo y caracterización de detectores de
  radiación resistentes a la radiación en la SB de
  CNM
• Tecnología básica de detectores de rad en la SB
  del CNM. Detectores de silicio tipo pad,
  P-sobre-N
• Técnica de oxigenación para la mejora de la
  resistencia a la radiación.
• Detectores con diseños más avanzados (Strips)
• Tecnologías más complejas N-sobre-P (p-type),
  N-sobre-N
• Fabricación de detectores en el IMB-CNM para la
  Colaboración RD50
• Aplicación a Middle Region S-LHC

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Detectores 3D

• Corta distancia entre electrodos
• Potencial de full depletion bajo
• Corta distancia de colección de carga
• Mayor tolerancia a la radiación que los
  detectores planares
• No hay colección de carga mezclada

Inconveniente Proceso de fabricaión bastante
largo y no standarizado gt La producción en masa
sería escasa y muy cara.
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Aplicaciones
Imagen médica
Resistencia a la radiación

Dear-Mama A photon counting X-ray imaging
project for medical applications, Nuclear
Instruments and Methods A 569 (2006) 136139
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Agujeros en Silicio

• Reactive Ion Etching (RIE)
• Ejemplos hechos en el CNM
• Escala 251
• Mínimo diámetro probado 10 µm

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Tecnología de Bump bonding flip chip

• Conexión eléctrica del chip al sustrato o chip a
  chip cara a cara (flip chip)
• Uso de pequeños bumps metálicos (bump bonding)

CNM

• Etapas del proceso
• Acondicionar el metal de la zona Pad Under Bump
  Metallisation (UBM)
• Crecer el bump sobre uno o los dos elementos a
  unir
• Dar la vuelta a los chips y alinear
• Recocido
• Opcionalmente se rellena con siliconas

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Electrodeposición de bump bonding

• Etapas del proceso
• Sputtering de Ni/Au sobre toda la oblea
• Fotolitografía para delimitar las zonas donde
  irán los bumps (thick photoresist)
• Deposición electrolítica de la capa base y los
  bumps
• Eliminar el photoresist
• Atacar el metal del sputtering anterior
• Recocido para la formación de las esferas

• Características
• Pitch mínimo 40 µm
• Diámetro del bump
• 30 - 75 µm
• Se hace sobre las obleas

CNM
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Detectores transparentes al IR

• Estrategia de alineamiento mediante haces laser
  para piestas de partículas, usando que los haces
  de lR se propagan a través de algunos módulos de
  silicio.
• La propuesta es diseñar desde el principio
  detectores transparentes a la luz IR
• Sustituir los electrodos de Al (de los strips y
  la base) por electrodos transparentes as ITO
  (Indio dopado SnO2) o AZO (Al dopado ZnO)
• Diseñar capas antirreflectanes apropiadas (ARC)
  unsando capas de microelectrónica standard (SiO2,
  Si3N4)
• Tener en cuenta todas las capas sensibles

• Propuestas de ID de IFCA y CNM
• CNM proporcionará muestras de difererentes capas
  y grosores para caracterizacines eléctricas a las
  longitudes de onda deseadas.
• Assess fabrication tolerances of the different
  layers.
• Evaluar las variaciones de los coeficientes
  ópticos en SiO2 y Si3N4 posibles por la variación
  de las condiciones de deposición.
• Optimización del perfil vertical de capas para
  maximizar T con razonables A.
• Tener en cuenta las variaciones posibles en los
  procesos.
• Fabricar muestras de prueba con juegos de
  máscaras.
• Soldar al dispositivo de electrónica de lectura.
• Tests ópticos y eléctricos.

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ESTUDIOS DE RESISTENCIA FRENTE A LA RADIACIÓN DE
TECNOLOGÍAS MICROELECTRÓNICAS PARA LA ELECTRÓNICA
DE LECTURA DEL SUPER-LHC
Caracterización de tecnologías microelectrónicas
orientadas a futuros aceleradores

• Sergio Díez

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S-LHC

• Aumento de la luminosidad hasta 1035 cm-2 s-1

• 2 retos tecnológicos para la electrónica
  Front-End

• Alta ocupación
• Más interacciones ? Aumento de velocidad de
  procesado de pulsos
• Mayor segmentación ? Más canales ? ? Potencia

• Aumento nivel de radiación
• Eficiencia de colección de carga ? ? Señal ? ?
  Ganancia
• Degradación de la ganancia ? ? Corriente ? ?
  Potencia

• Necesidad de encontrar una tecnología apropiada
• Rápida y con elevada amplificación
• Bajo consumo
• Resistente a la radiación
• Bajo coste, disponibilidad

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Alternativa tecnologías BiCMOS de SiGe

• Inserción de SiGe en la base que mejora la
  inyección de electrones ? b ? ?
• Mejor ? y fT (fT 200 GHz) que tecnologías
  bipolares convencionales
• Utilizado en móviles, wireless
• Prestaciones de consumo/velocidad demostradas
• HBT de SiGe de altas prestaciones combinado con
  las mejores tecnologías CMOS

• Resistentes a la radiación?

• Tres tecnologías de IHP estudiadas (0.25 µm)
• SG25H1 Opción principal (ß 200, fT 200 GHz)
• SG25H3 Tecnología alternativa (ß 150, fT 120
  GHz)
• SGB25VD Opción de bajo coste (ß 190, fT
  30-80 GHz)

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ATLAS Upgrade Región intermedia del detector
interno (ID)

• Fluencia máxima esperada 1015 cm-2

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Efectos de la radiación en tecnologías de SiGe

• ?, partículas cargadas IONIZACIÓN

• Cargas atrapadas en el óxido Deformación zona de
  carga espacial ? ? IB ? ? ß

• Trampas en la interfase SiO2-Si Captura
  portadores minoritarios ? ? IB ? ? ß

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Efectos de la radiación en tecnologías de SiGe

• Partículas masivas DESPLAZAMIENTO

• Colisiones con los átomos de la red cristalina de
  silicio a lo largo de todo el dispositivo,
  desplazándolos de su posición de equilibrio

• Creación de vacantes, divacantes, intersticios,
  vacante-intersticio, complejos defecto-impureza,
  

• Aumento de la velocidad de recombinación de los
  portadores minoritarios

• Aumento de IB ? ? ß

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RESULTADOS DC

• Estudio de irradiaciones ?, neutrones y protones

• Irradiaciones ? Ionización

• 3 Dosis alcanzadas 10, 50 y 100 Mrad(Si)

• Ganancia normalizada (ßNßf /ß0) para VBE
  0.7 V

• Valores por encima del 20 en todos los casos
  (ß50)

• Mayor degradación para tecnología SG25H1

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RESULTADOS DC

• Estudio de irradiaciones ?, neutrones y protones

• Irradiaciones de neutrones Desplazamiento.

• 2 fluencias alcanzadas 5x1014 y 1015 n/cm2

• Ganancia normalizada (ßNßf /ß0) para VBE
  0.7 V

• Valores por encima del 20 en todos los casos

• Degradación muy similar para ambas tecnologías

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RESULTADOS DC

• Estudio de irradiaciones ?, neutrones y protones

• Irradiaciones de protones Ionización
  desplazamiento.

• 1 fluencia alcanzada 3.22x1015 p/cm2

• Ganancia normalizada (ßNßf /ß0) para VBE
  0.7 V

• Transistores muy degradados no alcanzan el 10
  de la ganancia inicial

• Fluencia alcanzada demasiado elevada

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Consumo en potencia

• IC (50) Corriente de colector necesaria para
  obtener valores de ß 50 tras las irradiaciones

• Gamma, neutrones Corrientes µA Valores
  aceptables en términos de consumo en potencia de
  los dispositivos

• Protones Corrientes gt 10-4 A Valor excesivo en
  términos de consumo en potencia de los
  dispositivos

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Conclusiones

• Se ha estudiado la resistencia frente a la
  radiación bajo irradiaciones ?, n y p de tres
  tecnologías BiCMOS de SiGe
• Las tres tecnologías sobrevivirían con valores de
  ganancia aceptables (ß 50) durante todo el
  tiempo de vida del experimento S-LHC
• Las tecnologías muestran valores aceptables en
  términos de consumo en potencia de sus
  dispositivos tras las irradiaciones
• Diferencias poco significativas observadas entre
  ellas en su comportamiento frente a la radiación
• Las muestras irradiadas con protones muestran una
  degradación excesiva, asociada a una elección de
  fluencia de radiación demasiado elevada