Haga clic para modificar el estilo de texto del patrón ACTIVIDADES DEL CNM EN FUTUROS ACELERADORES Juan Pablo Balbuena Capacidades Tecnológicas del CNM.

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1 Haga clic para modificar el estilo de texto del patrón ACTIVIDADES DEL CNM EN FUTUROS ACELERADORES Juan Pablo Balbuena Capacidades Tecnológicas del CNM orientadas a futuros aceleradores

2 Reunión Bienal de Física de Granada 20072 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona 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 ( T=21°±1° 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.

3 Reunión Bienal de Física de Granada 20073 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona  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, -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 Procesos

4 Reunión Bienal de Física de Granada 20074 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona 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

5 Reunión Bienal de Física de Granada 20075 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona Inconveniente: Proceso de fabricaión bastante largo y no standarizado => La producción en masa sería escasa y muy cara. 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

6 Reunión Bienal de Física de Granada 20076 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona Aplicaciones *Dear-Mama: A photon counting X-ray imaging project for medical applications, Nuclear Instruments and Methods A 569 (2006) 136–139 * Resistencia a la radiación Imagen médica

7 Reunión Bienal de Física de Granada 20077 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona Agujeros en Silicio  Reactive Ion Etching (RIE)  Ejemplos hechos en el CNM  Escala 25:1  Mínimo diámetro probado: 10 µm

8 Reunión Bienal de Física de Granada 20078 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona 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)  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 CNM

9 Reunión Bienal de Física de Granada 20079 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona 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

10 Reunión Bienal de Física de Granada 200710 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona 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 SnO 2 ) o AZO (Al dopado ZnO) Diseñar capas antirreflectanes apropiadas (ARC) unsando capas de microelectrónica standard (SiO 2, Si 3 N 4 ) Tener en cuenta todas las capas sensibles  Propuestas de I+D 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 SiO 2 y Si 3 N 4 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.

11 Haga clic para modificar el estilo de texto del patrón 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

12 Reunión Bienal de Física de Granada 200712 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona S-LHC  2 retos tecnológicos para la electrónica Front-End:  Necesidad de encontrar una tecnología apropiada: Rápida y con elevada amplificación Bajo consumo Resistente a la radiación Bajo coste, disponibilidad 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  Aumento de la luminosidad hasta 10 35 cm -2 s -1

13 Reunión Bienal de Física de Granada 200713 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona Alternativa: tecnologías BiCMOS de SiGe  Inserción de SiGe en la base que mejora la inyección de electrones    Mejor  y f T (f T ~ 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 (β = 200, f T = 200 GHz) SG25H3: Tecnología alternativa (β = 150, f T = 120 GHz) SGB25VD: Opción de bajo coste (β = 190, f T = 30-80 GHz)

14 Reunión Bienal de Física de Granada 200714 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona ATLAS Upgrade: Región intermedia del detector interno (ID)  Fluencia máxima esperada: ~ 10 15 cm -2

15 Reunión Bienal de Física de Granada 200715 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona Efectos de la radiación en tecnologías de SiGe  γ, partículas cargadas: IONIZACIÓN Sin irradiarIrradiado Cargas atrapadas en el óxido: Deformación zona de carga espacial   I B  ↓ β Trampas en la interfase SiO 2 -Si: Captura portadores minoritarios   I B  ↓ β

16 Reunión Bienal de Física de Granada 200716 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona 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 I B  ↓ β

17 Reunión Bienal de Física de Granada 200717 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona RESULTADOS DC  Estudio de irradiaciones γ, neutrones y protones  Irradiaciones γ: Ionización  3 Dosis alcanzadas: 10, 50 y 100 Mrad(Si) Valores por encima del 20 % en todos los casos (β~50)  Ganancia normalizada (β N =β f /β 0 ) para V BE = 0.7 V Mayor degradación para tecnología SG25H1

18 Reunión Bienal de Física de Granada 200718 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona RESULTADOS DC  Estudio de irradiaciones γ, neutrones y protones  Irradiaciones de neutrones: Desplazamiento.  2 fluencias alcanzadas: 5x10 14 y 10 15 n/cm 2 Degradación muy similar para ambas tecnologías Valores por encima del 20 % en todos los casos  Ganancia normalizada (β N =β f /β 0 ) para V BE = 0.7 V

19 Reunión Bienal de Física de Granada 200719 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona RESULTADOS DC  Estudio de irradiaciones γ, neutrones y protones  Irradiaciones de protones: Ionización + desplazamiento.  1 fluencia alcanzada: 3.22x10 15 p/cm 2 Fluencia alcanzada demasiado elevada Transistores muy degradados: no alcanzan el 10 % de la ganancia inicial  Ganancia normalizada (β N =β f /β 0 ) para V BE = 0.7 V

20 Reunión Bienal de Física de Granada 200720 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona Consumo en potencia  I C (50): Corriente de colector necesaria para obtener valores de β = 50 tras las irradiaciones: Gamma, neutrones: Corrientes ~ μA: Valores aceptables en términos de consumo en potencia de los dispositivos Protones: Corrientes > 10 -4 A: Valor excesivo en términos de consumo en potencia de los dispositivos

21 Reunión Bienal de Física de Granada 200721 Juan Pablo Balbuena y Sergio DíezInstituto de Microelectrónica de Barcelona Conclusiones  Se ha estudiado la resistencia frente a la radiación bajo irradiaciones γ, n y p de tres tecnologías BiCMOS de SiGe  Las tres tecnologías sobrevivirían con valores de ganancia aceptables (β ~ 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