Studies of adhesives and metal contacts on silicon strip sensors for the ATLAS Inner Tracker

Doctoral thesis English OPEN
Poley, Anne-Luise (2018)

In dieser Dissertationen werden Untersuchungen zur Verwendung von Klebstoffen auf der Oberfläche von Silizium-Streifen-Sensoren für die Konstruktion von Detektormodulen für das ATLAS Phase-II Upgrade vorgestellt. Drei UV-härtende Klebstoffe wurden im Vergleich zu dem derzeitigen Standard-Klebstoff an 60 ATLAS07 Miniatur-Sensoren getestet. Der Einfluss von Bestrahlung auf die chemische Zusammensetzung aller verwendeten Klebstoffe wurde unter Verwendung von Standardmethoden zur chemischen Analyse untersucht. Mithilfe der Gaschromatographie-Massenspektrometrie-Analysen von Klebstoffproben-Extrakten wurden verschiedene Ausmaße von Molekülvernetzung und gelösten Molekülbindungen festgestellt und der Grad von Strahlenhärte aller untersuchten Klebstoffe quantifiziert. Mithilfe einer Sensor-Probestation wurden die elektrischen Eigenschaften von teilweise mit Kleber bedeckten Sensoren untersucht. Im Vergleich zu Sensoren vor dem Bekleben zeigten mit Klebstoff bedeckte Sensoren einen erhöhten Leckstrom, erhöhte Zwischen-Streifen-Kapazitäten sowie Durchbrüche des Leckstroms bei niedrigeren angelegten Spannungen. Messungen der Ladungssammlungseffizienz in einem Beta-Strahlungs-Teststand wurden verwendet um den Einfluss von aufgetragenen Klebstoffen auf das Silizium-Kristallgitter zu untersuchen. Alle getesteten Sensoren - mit und ohne aufgebrachtem Klebstoff - zeigten vergleichbare Ladungssammlungseffizienzen sowie Signal-Rausch-Verhältnisse oberhalb des geforderten Minimums von zehn bei der vorhergesehenen Verarmungsspannung. Untersuchungen von Sensoren in Teststrahlmessungen zeigten außerdem, dass Sensoren um die zum Drahtbonden verwendeten Aluminiumflächen ungleichmäßig Ladung sammelten. Weiterführende Messungen konnten bestätigen, dass durch die Aluminiumflächen und darunterliegende Dotierungen das elektrische Feld innerhalb des Sensors verändert und zusätzliche Ladung um die Drahtbond-Flächen gesammelt wurde. This thesis presents studies investigating the use of adhesives on the active area of silicon strip sensors for the construction of silicon strip detector modules for the ATLAS Phase-II Upgrade. 60 ATLAS07 miniature sensors were tested using three UV cure glues in comparison with the current baseline glue. The impact of irradiation on the chemical composition of all adhesives under investigation was studied using three standard methods for chemical analysis. Gas chromatography combined with mass spectrometry analyses of glue sample extracts showed molecule cross-linking and broken chemical bonds to different extents and allowed to quantify the radiation hardness of the adhesives under investigation. Probe station measurements were used to investigate electrical characteristics of sensors partially covered with adhesives. The presence of glue on the active sensor area was found to increase the sensor leakage current and inter-strip capacitance and frequently led to early sensor breakdowns. Charge collection efficiency measurements in a $\beta$-source setup were used to study the influence of adhesives on the silicon bulk. All sensors under investigation showed equivalent charge collection efficiencies for sensors with and without glue, as well as signal-to-noise ratios above the required minimum of ten for the foreseen bias voltage. During testbeam studies, sensor strips were found to respond inhomogeneously in bond pad regions. Follow-up measurements confirmed that the presence of bond pads affects the electric field within a sensor and leads to additional charge being collected around bond pads.
Share - Bookmark