Final Steps Towards Production of the ITk Pixel Detector for the ATLAS High Luminosity Upgrade

by Yusong Tian
Doctoral thesis
Date of Examination:2024-05-13
Date of issue:2025-04-28
Advisor:Prof. Dr. Arnulf Quadt
Referee:Prof. Dr. Arnulf Quadt
Referee:PD Dr. Markus Keil
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11235

 

 

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Abstract

English

The Large Hadron Collider (LHC) upgrade to the High-Luminosity LHC (HL-LHC) will bring an unprecedentedly challenging environment to the detectors, with an instantaneous luminosity of $5\times10^{34}\,\rm cm^{-2}s^{-1}$, which corresponds to approximately 140 inelastic proton-proton collisions per bunch crossing. Therefore, in the ATLAS detector upgrade for the HL-LHC, the current Inner Detector will be replaced with an all-silicon Inner Tracker (ITk), to operate under the higher occupancy and radiation damage. The ITk pixel detector is the innermost part of the ITk. It will be equipped with pixel modules consisting of pixel sensors and front-end chips implemented in $65\,\rm nm$ CMOS technology. The ITk project is currently in the pre-production stage. To ensure that the quality of the production components will meet the ITk specifications, practise the production workflow, and provide modules for larger scale tests, various steps are exercised in the module pre-production process. Sensors and test structures from different vendors were sent to ITk collaborating institutes for quality assurance (QA), irradiation, and follow-up testing. Test-beam campaigns were conducted to evaluate the performance of sensors in fully-assembled modules in particle beam. To guarantee smooth and uniform production of modules, all ITk institutes are required to demonstrate their ability of fulfilling their responsibilities by going through a Site Qualification. For module assembly, the ITk Pixel Quad Assembly Tooling V2 was developed, reviewed and produced. Module production involves module assembly, parylene coating for high voltage protection, mechanical wire-bond protection, as well as full electrical quality control (QC) tests. This thesis presents the characterisation of the pre-production planar sensors for the ITk pixel detector. The results are within specifications, except for the leakage current stability from one vendor. In test-beam studies, hit detection efficiency of un-irradiated planar sensors in quad modules was measured. The Site Qualification procedure and requirements are introduced. For module assembly, the performance of the tooling was demonstrated, and 16 modules were assembled. QC tests were performed on three assembled modules. In addition to the work related to the ITk pixel detector, a small project on flavour tagging within the scope of this thesis is introduced.
Keywords: Physics; HEP; Particle Physics; CERN; ATLAS; HL-LHC; Detector Upgrade; ITk; Pixel Detector; Semiconductor Detector; Silicon Sensor; Testbeam; Radiation Damage; Leakage Current; Bulk Capacitance; Detector Module Assembly

German

Das Large Hadron Collider (LHC) Upgrade zum High-Luminosity LHC (HL-LHC) wird in einer beispiellos anspruchsvollen Umgebung für die Detektoren resultieren, mit einer instantanen Luminosität von $5\times10^{34}\,\rm cm^{-2}s^{-1}$, was etwa 140 unelastischen Proton-Proton-Kollisionen pro Bündelkreuzung entspricht. Dafür wird im ATLAS-Detektor-Upgrade für den HL-LHC der derzeitige Innere Detektor mit einem Inner Tracker, der nur aus Silizium besteht, ersetzt, um der höheren Auslastung und höheren Strahlenschäden standzuhalten. Der ITk Pixeldetektor ist die innerste Schicht des ITk. Er wird mit Pixelmodulen bestückt sein, die aus Pixelsensoren und Auslesechips bestehen, die in $65\,\rm nm$ CMOS-Technologie implementiert sind. Das ITk-Projekt ist derzeit in der Vorproduktionsphase. Um sicherzustellen, dass die Qualität der Detektorkomponenten für die finale Modulproduktion den ITk-Spezifikationen entspricht, den Produktionsablauf zu üben und Module für Tests in größerem Maßstab zu produzieren, werden verschiedene Schritte im Vorproduktionsprozess ausgeübt. Sensoren und Teststrukturen wurden von verschiedenen Herstellern zu kollaborierenden Instituten geschickt, um dort Qualitätssicherung, Bestrahlung und Qualitätskontrolle sowie Folgetests durchzuführen. Teststrahl-Kampagnen wurden außerdem durchgeführt, um die Performance von Sensoren in vollständig zusammengebauten Modulen im Teilchenstrahl zu testen. Um die reibungslose und gleichmäßige Produktion der Module zu gewährleisten, sind alle ITk-Institute verpflichtet, ihre Fähigkeit zur Erfüllung ihrer Verantwortungen durch eine Standortqualifizierung nachzuweisen. Für den Modulbau wurde das Werkzeug ITk Pixel Quad Assembly Tooling V2 entwickelt, geprüft und produziert. Modulproduktion beinhaltet den eigentlichen Modulbau, Parylene-Beschichtung für Hochspannungsschutz, mechanischen Drahtbondschutz und vollständige elektrische Qualitätskontrolltests (QC). Diese Dissertation beschreibt die Charakterisierung der planaren Sensoren der Vorproduktion für den ITk Pixeldetektor. Die Testergebnisse sind innerhalb der Spezifikationen, mit Ausnahme der Leckstromstabilität eines Herstellers. Im Teststrahl wurde die Trefferdetektionseffizienz von unbestrahlten planaren Sensoren in Quad-Modulen gemessen. Der Ablauf und die Anforderungen der Standortqualifizierung werden ebenfalls vorgestellt. Für den Modulbau wurde die Funktionsfähigkeit des Werkzeugs nachgewiesen und 16 Module zusammengebaut. QC-Tests wurden an drei zusammengebauten Modulen durchgeführt. Zusätzlich zu den Arbeiten für den ITk Pixeldetektor wird ein kleines Projekt zum Flavour Tagging im Rahmen dieser Dissertation vorgestellt.
 
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