Development of LGAD Sensor Technology on 12 inch Wafers for 3D Integration with advanced CMOS processes

في عالم فيزياء الجسيمات، لا تقتصر الرؤية على مجرد التقاط صورة؛ بل تتعلق بالتقاط لحظة بدقة مستحيلة. فعندما تمر الجسيمات دون الذرية عبر كاشف، فإنها تترك وراءها آثاراً عابرة تتلاشى في جزء من الثانية. ولفهم الكون، يحتاج العلماء إلى مستشعرات يمكنها تسجيل ليس فقط أين مر الجسيم، بل ومتى وصل بالضبط، بدقة تصل إلى جزء من تريليون من الثانية. لعقود من الزمن، كانت هذه المستشعرات والعقول الإلكترونية التي تقرأها تُبنى كقطع منفصلة، ثم تُلصق معاً. هذا الانفصال يخلق عنق زجاجة، مما يضيف ضخامة ويبطئ الإشارة. والحدود الجديدة تتمثل في دمج هذين المكونين في حزمة واحدة ثلاثية الأبعاد، مما يسمح للمستشعر بالتحدث مباشرة مع المعالج دون أي تأخير تقريباً. يتطلب هذا زواجاً بين تقنيتين مختلفتين تماماً: المستشعرات الدقيقة وعالية السرعة اللازمة لالتقاط الجسيمات، ورقائق الكمبيوتر المتقدمة المستخدمة لمعالجة البيانات، وكلاهما يُصنع على رقائق سيليكون ضخمة بقطر اثني عشر بوصة.

لقد اتخذ فريق من الباحثين من مختبر فيرميلاب (Fermilab)، ومختبر سلاك الوطني للمسرعات (SLAC)، ومختبر لورانس ليفرمور الوطني (Lawrence Livermore National Laboratory)، خطوة مهمة نحو هذا الهدف. فقد نجحوا في تصميم وبناء وبدء اختبار نوع جديد من المستشعرات فائقة السرعة يسمى "ثنائي الانهيار ذو الكسب المنخفض" (Low Gain Avalanche Diode أو LGAD)، باستخدام عملية تصنيع رقائق الكمبيوتر القياسية. تم إنشاء هذه المستشعرات على رقائق بقطر اثني عشر بوصة باستخدام تقنية 65 نانومتر، وهو مقياس مخصص عادةً للإلكترونيات عالية الأداء وليس لكواشف الجسيمات. يثبت عمل الفريق أنه من الممكن تصنيع هذه المستشعرات المتخصصة جنباً إلى جنب مع الدوائر المعقدة اللازمة لقراءتها، مما يمهد الطريق لمستقبل تُربط فيه طبقات كاملة من المستشعرات والمعالجات معاً مثل صفائح الزجاج. ويعد هذا التكامل بخلق كواشف أنحف وأسرع وقادرة على تتبع الجسيمات بدقة غير مسبوقة.

هدف المشروع، الذي مموله وزارة الطاقة الأمريكية، إلى إثبات إمكانية تجهيز هذه المستشعرات المتقدمة لخطوة التجميع النهائي المعروف باسم "الربط الهجين" (hybrid bonding). في هذه العملية، يتم لصق رقاقة كاملة من المستشعرات مباشرة فوق رقاقة كاملة من رقائق القراءة، مما يخلق هيكلاً ثلاثي الأبعاد سلسلاً. وللتحضير لذلك، قام الباحثون بتصنيع ثلاث نسخ متميزة من مستشعر LGAD على نفس رقاقة السيليكون. النسخة الأولى هي تصميم قياسي يستخدم ترتيباً معيناً من الشحنات الكهربائية لخلق منطقة ذات طاقة عالية حيث يمكن اكتشاف الجسيمات. والنسخة الثانية، المعروفة باسم "المستشعر المقترن بالتيار المتردد" (AC-coupled sensor)، تفصل الإشارة عن القطب الكهربائي باستخدام طبقة رقيقة من العزل، مما يسمح بمشاركة أفضل للمعلومات بين البكسلات المتجاورة. أما النسخة الثالثة والأكثر ابتكاراً فهي "مستشعر الوصلة العميقة" (Deep Junction sensor)، والذي يضع طبقة الكشف الحساسة في عمق السيليكون بدلاً من قرب السطح. هذا الوضع العميق يتجنب المشكلات الكهربائية عند حواف البكسلات، مما يسمح بتعبئة المستشعرات بشكل أقرب بكثير دون فقدان الأداء.

كانت عملية التصنيع عملية توازن دقيقة. كان على الفريق تكييف تدفق مصنع رقائق الكمبيوتر القياسي، المصمم لدوائر المنطق، لإنشاء الظروف الكهربائية المحددة المطلوبة لاكتشاف الجسيمات. سُمح لهم بتعديل كمية الطاقة وكمية الذرات المحقونة في السيليكون لضبط المستشعرات، لكن الخطوات الأساسية لعملية المصنع ظلت دون تغيير. أحد التحديات كان إنشاء الاتصالات الكهربائية للمستشعرات المقترنة بالتيار المتردد؛ حيث كانت طبقات العزل القياسية في مصنع الرقائق سميكة جداً للطريقة المعتادة، فاستخدم الفريق ببراعة المساحة بين طبقتين معدنيتين مختلفتين داخل الرقاقة لإنشاء التخزين الكهربائي اللازم. تطلب هذا تعديلاً دقيقاً لضمان عمل المستشعرات بشكل صحيح ضمن القواعد الصارمة لتصميم الرقاقة.

وللتنبؤ بكيفية سلوك هذه المستشعرات قبل بنائها، أجرى الفريق عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة. ساعدت هذه النماذج الافتراضية في فهم كيفية تحرك المجالات الكهربائية عبر السيليكون وكيف ستستجيب المستشعرات لجهود كهربائية مختلفة. أظهرت عمليات المحاكاة أن المستشعرات ستحتاج إلى مستويات جهد محددة لتعمل بشكل صحيح، وأن طبقة السيليكون الرقيقة المستخدمة في هذه العملية تجعل المستشعرات حساسة للغاية للتغيرات في ذلك الجهد. كما ساعدت النماذج الحاسوبية الفريق في تصميم الحلقات الواقية حول المستشعرات، مما يضمن عدم انهيارها تحت الضغط الكهربائي العالي. كانت هذه المحاكاة حاسمة في التخطيط للنسخ المختلفة من المستشعرات، مما سمح للباحثين باختبار مجموعات مختلفة من الخصائص الكهربائية دون إضاعة الوقت والمواد.

بمجرد وصول الرقائق إلى المختبرات، بدأت مرحلة الاختبار. تحقق الباحثون أولاً من الصحة الكهربائية الأساسية للمستشعرات في الظلام وتحت ضوء من صمام ثنائي باعث للضوء (LED) أحمر. وقارنوا بين المستشعرات ذات طبقة الكسب الخاصة وتلك التي لا تحتوي عليها لقياس مدى تضخيم الإشارة. أظهرت النتائج أن المستشعرات تعمل كما هو متوقع، حيث أظهرت النسخ المقترنة بالتيار المتردد نطاقاً من التضخيم عند جهود تتراوح بين 116 و160 فولت. وقد تنبأت عمليات المحاكاة الحاسوبية بهذه القيم بدقة ملحوظة، عادةً في حدود عشرة فولت من القياسات الفعلية. وجد الفريق أيضاً أن المستشعرات القياسية تتطلب جهوداً أعلى قليلاً للعمل من المستشعرات المقترنة بالتيار المتردد، وهو فرق ناتج عن الإعداد الكهربائي المحدد لتصميم التيار المتردد.

لاختبار مدى سرعة استجابة المستشعرات، أطلق الفريق نبضة ليزر وحزمة من الجسيمات المشعة على الأجهزة. كانت نبضات الليزر قصيرة للغاية، مما سمح للفريق بقياس اللحظة الدقيقة لاستجابة المستشعر. كانت النتائج مبهرة؛ فبالنسبة لمستشعر صغير، وصلت دقة التوقيت إلى 40 بيكوثانية، وهي 40 تريليون من المليون من الثانية. وعندما اختبروا مستشعراً أصغر حجماً، تحسنت الدقة لتصل إلى 23 بيكوثانية. تؤكد هذه الأرقام أن المستشعرات يمكنها التقاط توقيت أحداث الجسيمات بالدقة المتناهية المطلوبة للتجارب المستقبلية. أما مستشعرات "الوصلة العميقة"، ورغم أنها أظهرت نتائج واعدة من حيث التوقيت والتضخيم، فقد تبين أنها أكثر تقلباً؛ حيث أظهرت انحرافاً بطيئاً في خصائصها الكهربائية بمرور الوقت، مما جعل القياسات التفصيلية أكثر صعوبة، لكنها لا تزال أظهرت القدرة على اكتشاف الجسيمات بفعالية.

لا ينتهي العمل بهذه الاختبارات الأولية. يقوم الباحثون حالياً بربط رقائق المستشعرات مع رقائق القراءة لمعرفة كيف يعملان معاً في حزمة متكاملة تماماً. كما يخططون لاختبار المستشعرات تحت إشعاع مكثف لضمان قدرتها على البقاء في البيئات القاسية للمصادمات المستقبلية للجسيمات. وهناك دفعة جديدة من الرقائق ذات خصائص كهربائية مختلفة في طريقها بالفعل لتطوير التصميم بشكل أكبر. إن نجاح هذا المشروع يمثل نقطة تحول في تكنولوجيا الكواشف. فمن خلال إثبات إمكانية صنع هذه المستشعرات عالية السرعة باستخدام عمليات تصنيع رقائق الكمبيوتر القياسية ودمجها في حزم ثلاثية الأبعاد، فتح الفريق الباب أمام جيل جديد من الكواشف. ستكون هذه الأجهزة المستقبلية قادرة على تتبع الجسيمات في خمسة أبعاد — الموقع، والزمن، والزاوية — مما يوفر مستوى من التفاصيل يمكن أن يكشف عن أسرار جديدة حول اللبنات الأساسية لكوننا.