Testing and Characterization of Wafer-Scale MAPS Prototypes for the ALICE ITS3 Upgrade

Dit artikel presenteert de testen en karakterisering van de MOSS- en MOST-prototype-chips, die aantonen dat het ontwerpen van naaiende, wafer-grootte MAPS-sensoren haalbaar is en waardevolle input levert voor de toekomstige ALICE ITS3-upgrade.

De kern

De ALICE-Upgrade: Een Reis naar de Kleinste Details van het Universum

Stel je voor dat je een gigantische camera hebt die foto's maakt van de kleinste bouwstenen van het universum. Dat is wat het ALICE-experiment bij CERN doet. Maar om de allerbeste foto's te maken, moet je de lens van die camera vervangen. In dit artikel vertellen we over de ontwikkeling van die nieuwe lens: een ultralichte, gebogen sensor die groot is als een heel wafeltje (een siliconen schijfje), maar zo dun dat je er nauwelijks iets van merkt.

Hier is wat er gebeurt, vertaald in alledaagse taal:

1. De Uitdaging: Een Wafel van 30 cm

De nieuwe sensor moet zo groot mogelijk zijn om zoveel mogelijk deeltjes te vangen, maar tegelijkertijd zo licht mogelijk zijn. De oplossing? Ze maken één gigantische chip van 30 centimeter lang. Omdat je dit niet in één keer kunt maken, "naaien" ze kleinere stukken samen. Dit noemen ze stitching (naaien).

Ze hebben twee prototypes (testversies) gemaakt om te kijken of dit werkt:

• MOSS: Een brede, robuuste versie (zoals een brede riem).
• MOST: Een smalle, slimmere versie (zoals een dunne sjaal) die extra slimme trucs heeft.

2. Het Testen: De "Stekker" en de "Brandblusser"

Voordat je deze chips in de deeltjesversneller kunt stoppen, moet je testen of ze niet gaan smelten of kortsluiting maken.

• De Stroomtest: Je doet stroom op de chip. Soms zie je dat een klein stukje te heet wordt (een "hotspot"). Dit is vaak een kortsluiting.
  • Bij de MOSS-chip zagen ze dat sommige kortsluitingen zichzelf "opbranden" als je de spanning verhoogt. Het is alsof je een verkeerde draad doorbrandt en dan werkt de rest weer.
  • Bij de MOST-chip hebben ze een slimme schakelaar (power gating) ingebouwd. Stel je voor dat je een huis hebt met honderden lampen. Als er één lampje een kortsluiting heeft, kun je die specifieke kamer van de stroom afkoppelen, zodat de rest van het huis gewoon blijft branden. Dit werkt perfect!

3. De "Naai-lijn": Geen Probleem

Een grote zorg was: "Zullen de plekken waar de stukken aan elkaar zijn genaaid (de naadlijnen) werken?"
Het goede nieuws: Nee, dat is geen probleem. De tests lieten zien dat de "naad" perfect is. De chips werken alsof het één groot, perfect stukje siliconen is.

4. De Prestaties: Scherp en Snel

Hoe goed zijn deze chips?

• Efficiëntie: Ze vangen bijna 100% van de deeltjes die erop vallen.
• Ruis: Ze maken nauwelijks "foute foto's" (fake hits). Het is alsof je in een stil bos loopt en alleen de echte vogelgeluiden hoort, geen windgeruis.
• Straling: De chips moeten tegen enorme straling kunnen (zoals in een kernreactor). Zelfs na zware stralingstests werken ze nog steeds uitstekend.

5. Wat betekent dit voor de toekomst?

De onderzoekers hebben twee belangrijke dingen geleerd:

1. Het werkt: Het is mogelijk om deze enorme, gebogen, "ge-naaide" chips te maken.
2. Verbeterpunten: Ze hebben een paar foutjes gevonden in het ontwerp van de eerste versie (zoals een te simpele manier om de data te lezen). Maar omdat ze weten wat er misging, kunnen ze de definitieve versie (voor de echte upgrade in 2028) perfect maken.

Kortom:
De wetenschappers hebben bewezen dat ze een "super-lens" kunnen bouwen voor de deeltjesversneller. Het is alsof ze een gigantisch, ultralicht raam hebben gebouwd dat zo sterk is dat het de hitte van de zon (straling) overleeft, en zo slim is dat het defecte stukjes kan uitschakelen zonder dat de rest van het raam dichtgaat. De ALICE-upgrade kan doorgaan!

Technische samenvatting

Titel: Testen en Karakterisering van Wafer-Schaal MAPS-prototypes voor de ALICE ITS3-upgrade

Auteur: Nicolas Tiltmann (namens de ALICE-samenwerking)
Context: Upgrade van het Inner Tracking System (ITS) van het ALICE-experiment bij de LHC tijdens de komende lange stilstand (LS3).

---

1. Het Probleem

Het ALICE-experiment plant een radicale upgrade van zijn binnenste drie lagen van het vertexdetector (ITS) naar een nieuwe, gebogen, ultralichte tracker gebaseerd op Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS).

• Uitdaging: De nieuwe tracker bestaat uit zes wafer-schaal sensorchips die tot drie cilinders worden gebogen en uitsluitend worden vastgehouden door carbon-schuim. Dit betekent dat er bijna geen materiaal aanwezig is in de centrale barrel van ALICE, behalve de siliciumdies zelf.
• Specifieke eis: De chips moeten een groot oppervlak (ongeveer 25,9 cm lang) beslaan om een aanzienlijk deel van de 300 mm wafer te instrumenteren. Dit vereist het "stitchen" (naadloos samenvoegen) van meerdere sensor-eenheden op één chip.
• Risico: Bij grote chips is de kans op defecten (zoals kortsluiting in het voedingsnetwerk) aanzienlijk groter dan bij kleine chips. Traditionele methoden om defecte chips te selecteren zijn hier niet mogelijk; er moeten zes volledig werkende wafers worden gevonden. Er is dus dringend behoefte aan prototypes om de haalbaarheid, opbrengst (yield) en stralingshardheid te valideren voordat de definitieve ASIC wordt ontworpen.

2. Methodologie

Er zijn twee complementaire prototype-ASICs ontwikkeld in een 65 nm-proces om verschillende ontwerpparadigma's te testen:

1. MOSS (MOnolithic Stitched Sensor):
   • Breedte: 14 mm.
   • Pixel-pitch: 22,5 µm (bovenste helft) en 18 µm (onderste helft).
   • Ontwerp: Minder dicht gepakt om de impact van integratiedichtheid op de opbrengst te evalueren.
   • Voeding: Georganiseerd met verhoogde granulariteit (drie voedingsdomeinen per half-RSU) om kortsluiting te isoleren.
   • Uitlezing: Gestoord (strobed) met een hit-latch en prioriteitsencoder.
2. MOST (MOnolithic Stitched sensor with Timing):
   • Breedte: 2,5 mm (smal).
   • Pixel-pitch: 18,5 µm (uniform).
   • Ontwerp: Maximaal dichte integratie.
   • Voeding: Implementeert Power Gating (schakelaars) om groepen pixels (256 analoge / 352 digitale) los te koppelen van het voedingsnetwerk in geval van kortsluiting.
   • Uitlezing: Puur hit-gedreven (niet gestoord) met directe Time-of-Arrival (ToA) en Time-over-Threshold (ToT) meting, maar met risico op signaalbotsingen.

Testfasen:

• Voedingstesten: Massatesten van 120 MOSS-chips en 66 MOST-chips met cross-impedantiemetingen en thermische camera's om kortsluiting en "burn-through" (verbranden van defecten) te detecteren.
• Functionele testen: Testen van digitale/analoge randcircuits, pixelmatrix-uitlezing en prestaties (drempel, ruis, nep-prikken).
• Stralingshardheid: Blootstelling aan ioniserende straling (tot 10 kGy) en niet-ioniserende straling (tot $10^{13}$ 1 MeV neq cm$^{-2}$).
• In-beam testen: Testen bij het CERN PS (Proton Synchrotron) met een deeltjesbundel.
• Calibratie: Energiecalibratie met een $^{55}$Fe-bron.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Eerste evaluatie van gestikte CMOS-sensoren: Het is de eerste keer dat gestikte CMOS-sensoren van wafer-schaal worden geëvalueerd voor een HEP-experiment (High Energy Physics).
• Validatie van Power Gating: MOST demonstreerde succesvol het gebruik van power gating om defecte delen van de pixelmatrix te isoleren, een cruciale strategie voor grote chips.
• Ontwerpfeedback: De resultaten leveren directe input op voor het ontwerp van de definitieve ITS3-ASIC, met name wat betreft de voedingstopologie en de uitlezingsarchitectuur.
• Stralingshardheid: Het aantonen dat MAPS-technologie de extreme stralingsomgeving van de ITS3 kan weerstaan.

4. Resultaten

Opbrengst (Yield):

• MOSS: De totale opbrengst per regio (1/80e van een chip) is ongeveer 76%.
  • Na uitsluiting van fouten die specifiek zijn voor de prototype-uitlezingsarchitectuur (hit-latch problemen) en voedingsschakelaars, stijgt de opbrengst naar 98%.
  • De belangrijkste fouten zijn kortsluiting in het voedingsnetwerk en uitleesproblemen, die goed begrepen zijn en in de volgende iteratie kunnen worden opgelost.
• MOST: 56,1% van de chips kon niet worden gevoed (voornamelijk door kortsluiting in het globale voedingsnet of de schakelaars zelf). Dit is hoger dan bij MOSS vanwege het grotere oppervlak en de complexere voeding.

Prestaties en Stralingshardheid:

• Efficiëntie: MOSS werkt met een efficiëntie van > 99% en een nep-prikken-ratio (fake-hit rate) van < $10^{-1}$ hits/pixel/s tot stralingsniveaus van 4 kGy TID en $4 \times 10^{12}$ 1 MeV neq cm$^{-2}$ NIEL (de vereisten voor ITS3).
• Energieoplossing: De energieoplossing (FWHM/mean) bedraagt 7,3% voor MOSS en 7,7% voor MOST (gemeten met $^{55}$Fe).
• Biasing: Het alternatieve biasing-schema van MOST (waarbij de front-end-rail wordt verschoven in plaats van een negatieve spanning te gebruiken) werkt succesvol en elimineert de noodzaak voor negatieve spanningen over de chip.

Foutanalyse:

• De meeste voedingsfouten zijn kortsluitingen in het voedingsnetwerk. Bij MOSS bleek dat sommige kortsluitingen "verbranden" (burn-through) bij het opvoeren van de spanning, waardoor de chip alsnog functioneel wordt.
• Bij MOST konden de power-gating-schakelaars niet worden getest op het isoleren van defecten, omdat er in de geteste chips geen defecten waren die alleen na het sluiten van de schakelaars opdoken. Alle fouten zaten in het globale net.

5. Betekenis en Conclusie

De paper concludeert dat het ontwerpen en fabriceren van wafer-schaal, gestikte sensoren haalbaar is.

• Er zijn geen problemen geconstateerd die specifiek te wijten zijn aan het "stitching"-proces zelf.
• De opbrengst is voldoende om de ITS3-upgrade te realiseren, mits de specifieke prototype-issues (uitleesarchitectuur en voedingstopologie) in het definitieve ontwerp worden aangepakt.
• De prototypes hebben bewezen dat MAPS-technologie robuust genoeg is voor de extreme stralingsomgeving van de LHC.
• De ervaring met MOSS en MOST vormt de basis voor het definitieve ontwerp van de ITS3-ASIC, waarbij de leerervaringen over voeding, schakeling en stralingshardheid direct worden toegepast.

Kortom, dit werk markeert een cruciale mijlpaal in de ontwikkeling van de ALICE ITS3, bewijst de technische haalbaarheid van de nieuwe tracker-technologie en levert de nodige data om het definitieve ontwerp te optimaliseren.