Ziel der Entwicklung

Die innovative Lösung basiert auf der Kombination von doppelseitigen Fertigungsprozessen für strahlenharte großflächige Pixel- oder Streifendetektoren und mit der im Prozess realisierten Abdünnung des aktiven Chipbereiches. Die Abdünnung muss zu einem Zeitpunkt und derart erfolgen, dass eine Prozessierung von Strukturen (Streifen, Pixel, Guardringe, Poly-Siliziumwiderstände, Kontakte) in der Absenkung (cavity) möglich wird.
Für verschiedene Big Science Projekte, besonders der Hochenergiephysik (HEP), Schwerionenforschung, und Astronomie sowie bei bildgebenden Verfahren in der Medizin, besonders in der Diagnose mittels MRT, CT, PET und ähnlichem sowie in der Strahlentherapie, der Materialwissenschaft, Sicherheitstechnik werden immer größere Flächen mit strahlungssensitiven Detektoren bestückt. Der Bedarf einzelner Experimente kann durchaus mehrere Quadratmeter (zum Beispiel LHC: ALTAS Upgrade zirka 200 m²) sensitiver Fläche betragen. Diese Detektorflächen sind durch die Zusammensetzung zahlreicher Module mit minimalem Materialaufwand bei der Konstruktion beziehungsweise Montage, zum Beispiel radial in mehreren Layern um die Quelle herum, zusammenzusetzen.
Für die Montage der hybriden Detektormodule kann es einen erheblichen Vorteil darstellen, wenn diese eine möglichst große Fläche aufweisen. Mit größeren Detektoren (Größenordnung ~15 bis 100 cm²) ergeben sich Vorteile während der Montage bei der manuellen und automatischen Handhabung, wodurch sowohl Kosten als auch Zeit eingespart werden können.
Neben der Sensorfläche ist die Sensordicke ein weiterer wichtiger Parameter. Bei kleinerer Sensordicke weisen planare Siliziumsensoren entscheidende Vorteile auf. Sie brauchen einerseits nur bei geringerer Spannung betrieben werden. Das kann sich positiv auf die Ausbeute auswirken. Zum anderen detektieren hochbestrahlte Sensoren mit Dicken im Bereich von 100…150 µm mehr Ladung, was sich positiv auf die Effizienz und die Strahlenhärte auswirkt.
Die Realisierung von gleichzeitig sehr dünnen und möglichst großflächigen strukturierten Detektoren stellen die Verfahrenstechnologie und das Sensordesign vor hohe technisch-technologische Anforderungen.
Da das gesamte Siliziumvolumen bei Strahlungsdetektoren im Unterschied zu gebräuchlichen CMOS-Chips (bei denen nur eine dünne Schicht an der Waferoberfläche für die Funktion genutzt werden) das aktive Material darstellen, muss die Rückseite ebenfalls während des Prozesses bearbeitet werden. Somit wäre das Verwenden von Handling-Wafern mit einem signifikanten Anstieg an Aufwand und damit an wesentlich höheren Kosten verbunden bzw. einige doppelseitige Sensorkonstruktionen wären dann unmöglich.
In den Prozessablauf der Waferbearbeitung wurde das Abdünnen großer Chipflächen von der Rückseite her integriert, wobei die Möglichkeit, Funktionalität auf der Rückseite zu integrieren, erhalten wurde. Das Verfahren wurde für Zieldicken der Detektorchips von 50 bis 200 µm entwickelt. Die Technologie wurde auf hoch¬granulare Pixeldetektoren mit einer Chipfläche von zirka 2x2 cm² und 4x4 cm² und Chipdicken von 100 µm angewandt und exemplarisch mit Auslese-ASICs mittels Flip-Chip-Prozessen verbunden.
Diese alternative Herangehensweise zur Erzeugung dünner und dünnster Siliziumstrukturen kann auch bei verschiedenen membranbasierten Lösungen angewandt werden.

Vorteile und Lösungen

Zur Lösung der erwähnten Anforderungen wurde die Methode des nasschemischen Kavitäten-Ätzens weiterentwickelt, welche eine Alternative zu der Benutzung von Handling-Wafern darstellt. Im Gegensatz zu konventionell eingesetzten Handling-Wafern zur Herstellung von dünnen Substraten besteht bei der hier verwendeten Technologie der Vorteil, dass das zusätzliche Abdünnen nur einen wenig aufwändigen Zwischenschritt darstellt, welcher Mehrkosten von nur weniger als 10 Prozent ausmacht. Zudem können zwischen den Sensoren dicke Rahmen stehen bleiben, welche bis zum letzten Schritt des Vereinzelns für eine ausreichende Stabilität der Wafer sorgen.
Aufgrund der durchgeführten Entwicklungen konnten die wesentlichen Anforderungen an die Sensoren für den HEP-Einsatz erfüllt werden. Die benötigten Sensorflächen von ~16 cm² stellen kein Problem dar. Die Sensordicken von 150 und 100 µm sowie deren erlaubte Fluktuation konnten ebenfalls erfüllt werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Derartige, auf kostengünstige Weise abgedünnte Strahlungsdetektoren finden in vielen Bereichen der Grundlagenforschung Anwendung. Sie sind darüber hinaus für innovative bildgebende Verfahren auch aufgrund der hohen Flexibilität der integrierbaren Funktionen und somit der resultierenden Moduleigenschaften für eine Vielzahl an Applikationsfeldern interessant.
Im Bereich der Hochenergiephysik können diese in laufenden und zukünftigen Experimente am LHC am CERN und anderen Beschleunigerexperimenten (zum Beispiel CLIC, FCC, CEPC, ILC) in großer Zahl in den Trackereinheiten zum Einsatz kommen. Im Bereich der Schwerionenphysik haben die Experimente an der FAIR-Beschleunigeranlage in Darmstadt ein großes Einsatzpotenzial. Darüber hinaus gibt es weitere Experimente, zum Beispiel FAZIA in Italien, welche großen Bedarf an großflächig gedünnten Strahlungsdetektoren aufweisen.
In der Medizintechnik können derartige Detektoren ebenfalls in den Bereichen MRT, PET, CT oder Compton-Kameras vorteilhaft verwendet werden.
Aufgrund der hohen Flexibilität bei der Anpassung der genauen Auslegung der hybriden Pixel-Module sind vielfältige Applika-tionsfelder in weiteren Markteinsatzfeldern erschließbar:
• Synchrotronstrahlungsexperimente, XFEL und andere
• Weltraumforschung/ Astronomie, Klimaforschung
• Materialanalyse als zerstörungsfreie Untersuchung
• Labortechnik wie Analyse von Proben, Tracern
• Sicherheitstechnik wie Personen-Dosimeter, Personen- und Frachtkontrolle
• Umweltschutz im Bereich Reaktorsicherheit (Kernkraftwerke)
• Industrieautomation (Industrie4.0/ SmartFabrication)
• Smarte Landwirtschaft (intelligente, autarke Feldbearbeitung)
Die entwickelte technologische Plattform wird in Verbindung mit anderen Angeboten zur Entwicklung und Fertigung von unterschiedlichsten segmentierten Sensoren sowohl Großforschungseinrichtungen und deren Kollaborationen als auch industriellen Interessenten, besonders KMU und Start-ups angeboten. Das Portfolio umfasst dabei die vollständige Kette von der Simulation und Design, Fertigung von Sensorwafern, Verbindung von Chips mit verschiedenen Funktionen, Aufbau und Häusung von Modulen bis zum Test und zur Charakterisierung der Sensoren.
Die B2B-Vermarktung dieser technologischen Lösung und des Entwicklungsangebots stützt sich auf Präsentationen auf Messen, besonders Hannover Messe Industrie, Sensor und Test, electronica, compamed und weiteren fachspezifischen Messen, Workshops mit Bezug zu Imaging und Strahlungs-detektoren, Firmenpräsentationen sowie Nutzung von Social Media.