Ziel der Entwicklung
Der Anspruch bestand darin, eine neuartige technologische Lösung für den Funktionstest von Pixelmatrizen zum Nachweis ionisierender Strahlung in die industrielle Fertigung zu überführen.
Bei Pixeldetektoren wie sie besonders in der Hochenergiephysik und bei bildgebenden Verfahren in der Medizintechnik eingesetzt werden, sind für eine elektrische Charakterisierung vor dem Modulaufbau über die gesamte Matrix netzartig verteilte Hilfsstrukturen notwendig.
Nur mit Hilfe eines solchen Netzwerks können alle Pixel des Sensors auf einem definierten Potenzial gehalten und auf ihre Funktionsfähigkeit getestet werden. Im laufenden Betrieb als Modul beeinträchtigt das Bias-Grid allerdings das Ladungssammlungsverhalten der Sensoren.
Daher wurden Verfahren entwickelt, welche die Wirkung der Hilfsstrukturen verringern oder beseitigen. Deshalb wurden die hinderlichsten Strukturbestandteile, die Metallkontakte der einzelnen Pixel, entfernt beziehungsweise deren Wirkung deaktiviert.
Die technologischen Lösungen verringerten die notwendigen Prozessschritte und führten zu Zeit- sowie Kosteneinsparungen. Sie sind ohne technologisches Risiko anwendbar, das heißt es wurden keine unmittelbaren Auswirkungen auf die Ausbeute festgestellt. Damit wird in idealer Weise eine Qualitätssicherung mit einer optimalen Funktionalität beim Verbraucher kombiniert.
Vorteile und Lösungen
Zwei Lösungswege stellten sich als zielführend heraus.
Die erste Lösung besteht in einer Laser-gestützten Ablation des Bias-Grids an vordefinierten „Unterbrechungsstellen“. Wegen der großen Anzahl an notwendigen Unterbrechungsstellen ist dies bei sehr großflächigen Detektoren zu aufwendig.
Als Alternative für den notwendigen, aber lokal stark begrenzten Energieeintrag wurde die Umwandlung elektrischer Energie in Wärmeenergie erfolgreich genutzt. Das Anlegen einer hohen Spannung an das Bias-Grid führte zum Aufschmelzen der speziell gestalteten Unterbrechungsstellen (Fuses). Dazu wurden Parametersätze (Breite, Dicke der Metallisierung und definierte Spannung) entwickelt und erprobt.
Die zweite Lösung besteht darin, das Bias-Grid als eine zweite, obere Metalllage auszuführen. Das Bias-Grids kann durch Ätzen entfernt werden, ohne dass das untere Metall, welches für die Kontaktierung der Pixel geschaffen ist, in seiner Funktion beeinträchtigt wird. Hierfür wird auch keine gesonderte Ätzmaske benötigt, sondern nur eine Maske zur Strukturierung des zweiten Metalls.
Diese ersetzten dann andere aufwendigere Prozessschritte.
Die modifizierten Pixeldetektoren sind gleichfalls für den hybriden Aufbau von Detektormodulen geeignet. Die Montage des Sensors mit einem FE-I4-Auslesechip erfolgte mittels Flip-Chip-Prozess. Die auf dem FE-I4 vorhanden Bump-Bonds erzeugen die Verbindung der beiden Chips. Der Sensor selbst benötigt deshalb eine Under-Bump-Metallisierung (UBM).
Zielgruppe und Zielmarkt
Hybride Pixeldetektoren werden zur Spurverfolgung bei Hochenergiephysik- und der Schwerionenphysik -Experimenten (besonders innere Lagen der Tracker), bildgebenden Verfahren (besonders X-Ray-Detektion), bei der Erforschung des Weltraums/ in der Astronomie, weiteren Big-Science- und verschiedenen Experimenten der Forschungslandschaft eingesetzt. Industriell finden sie Anwendungen in Medizintechnik, Umweltmonitoring, Sicherheitstechnik, Personen- und Frachtkontrolle, Materialanalyse und weiteren Bereichen.
Großforschungseinrichtungen wie das CERN, DESY, FAIR, JINR Dubna sind daher eine Hauptzielgruppe.
Bei diesen Einsatzfeldern ist die Verbesserung der Homogenität der Ladungssammlungseffizienz auch bei voll testbaren großflächigen Pixeldetektoren ohne Beeinträchtigung der Strahlenbeständigkeit wesentlich.
Für verschiedenste bildgebende Verfahren auf Basis von ionisierender Strahlung (besonders Röntgen, Gammastrahlung) werden großflächige Pixeldetektoren wesentlich besser testbar. Bisher waren ohne Bias-Grid nur die Chiprand bedingten Effekte, nur eingeschränkt, aber die inneren Bereiche der Pixelmatrix, bewertbar. Die Qualität der Detektoren kann nun verlässlich bewertet werden.
