Ziel der Entwicklung
Das Projekt zielte unmittelbar auf die Leistungs- und Produktfelder der Mikrostreifen- und Pixel-Strahlungsdetektoren ab. Die Applikationsschwerpunkte liegen in der Hochenergiephysik, der Schwerionenforschung, der Medizintechnik, der Sicherheits- und Umwelttechnik sowie Robotik. Die Ergebnisse dienen als Basis für die Qualitätssicherung, die Charakterisierung sowie dem Test von Detektoren und Sensoren mit einer Vielzahl von zu prüfenden Einzelelementen wie zum Beispiel die Zeilen-, Array- und Matrixanordnungen von sensitiven Elementen. Ein Trend in diesem Produktbereich ist eine Realisierung einer immer größeren Detektorfläche von circa 4x4 bis zu 12x12 Quadratzentimetern mit einem Chip, der eine hohe Ortsauflösung ermöglicht. Durch diesen Trend werden bezüglich der einzeln zu testenden Detektorelemente wie Pixel und Mikrostreifen sehr hohe und noch anwachsende Stückzahlen erreicht. Diese Detektoren können aufgrund von fehlenden aktiven elektronischen Komponenten wie zum Beispiel Wandler- und Ausleseelektronik nicht wie NMOS- und CMOS-Sensorchips getestet werden. Die Anforderungen unterscheiden sich somit vom Test von komplexen CMOS-Schaltungen grundlegend, da es keine read-out Elektronik oder sonstige Vorverarbeitung der Signale auf dem Detektorchip gibt. Somit sind die unmittelbaren Wandlerelemente von eingehender physikalischer Anregung und generierten Ladungsträgern zu testen und deren bestimmungsadäquate Funktion nachzuweisen. Heutige Siliziumsensoren sollen kostengünstig, qualitativ hochwertig, effizient und so schnell wie möglich verfügbar sein. Es werden Schnittstellen zum Auslesen der Detektoren gefordert, die bei Anwendungen in der Hochenergiephysik hohe Strahlungsfestigkeit aufweisen.
Vorteile und Lösungen
Zuerst erfolgte eine elektrische Messung. Es wurden die Einzelstreifenmessung, die sequenzielle Mehrstreifenmessung und die sequenzielle Parallelmessung hinsichtlich ihres zeitlichen Aufwandes miteinander verglichen. Dabei zeigte sich, dass nur eine sequenzielle Parallelmessung eine signifikante Zeitersparnis einbringt. Querempfindlichkeiten und Messeinflüsse auf Nachbarstreifen müssen aber weiterhin beobachtet werden. Den größten Zeitaufwand erfordert das Erfassen der Messwerte. Üblicherweise werden circa 200 Millisekunden pro Messwert benötigt, um konstante Messwerte zu erhalten. Wenn diese Messwertkonstanz bereits nach 10 Millisekunden erzielt wird, können die Messzeiten pro Wafer um ein Vielfaches auf unter 20 Minuten gesenkt werden. Als ein nächster Schritt erfolgte die optische Inspektion. Für eine automatisierte Fehlererkennung bildet die optische Inspektion aller Wafer eines Loses die Voraussetzung für die Kategorisierung der verschiedenen Fehlerbilder. Im Projekt wurde am Ende der Waferprozessierung jeder einzelne Chip auf mikroskopisch sichtbare Fehler untersucht. Daraus wurde eine optische, automatisierte Kontrolle in zwei Phasen entwickelt. Die Rasterbilderfassung ermöglicht einen Gesamtüberblick über „alle“ auftretenden Fehlerbilder. Anschließend wurden diese klassifiziert und priorisiert. Diese Priorisierung wurde in der folgenden zweiten Phase genutzt, um im Programm COGNEX Fehlerbilder einzulernen. Die praktische Überprüfung zeigte, dass die beschriebenen oder eingelernten Fehler zuverlässig auf den Demonstratorwafern erkannt wurden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Silizium-Sensoren besitzen als Strahlungs- beziehungsweise Teilchendetektoren aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften einen vielfältigen Anwendungsbereich, insbesondere dort, wo hohe Anforderungen bezüglich der Orts-, Zeit- und Energieauflösung zu erfüllen sind. Derartige Sensoren kommen sowohl in der Hochenergiephysik (HEP), als auch in der Medizintechnik (beispielweise MRT, PET, CT, und Röntgendiagnostik), der Materialdiagnostik sowie der Sicherheitstechnik (Personen- und Frachtkontrolle) in großen Stückzahlen zum Einsatz. Die vorgenannten Applikationen stellen überwiegend besonders hohe spezifische Anforderungen an die Performance, zudem können sich je nach Applikation die Schlüsselparameter wesentlich voneinander unterscheiden. Daraus ergeben sich auch häufig außergewöhnliche Anforderungen an die einsetzbaren Materialien und Technologien, unter anderem an die Verbindungstechnologien der Sensorchips, ASICs, Systemträger und der Kühlung der Detektormodulen. Zwei bedeutende Produktgruppen stellen großflächige Pixel-Detektoren und Streifendetektoren dar.
Die Ergebnisse der Projektarbeit zielen unmittelbar auf folgende Zielmärkte ab: Die Detektoren für Großforschungsanlagen und -geräte, speziell in den Bereichen der Hochenergiephysik (HEP) sowie der Astronomie und Kosmosforschung (CR). Bei Hochenergie-Physikexperimenten werden zudem vor allem großflächige Pixeldetektoren für die innersten Lagen verwendet. Auch für hochgranulare Pixeldetektoren in Linear Collidern und großflächige Streifendetektoren für die verschiedenen Trackingsysteme sind die Ergebnisse der Projektarbeit relevant. Weitere Zielmärkte sind Großforschungsanlagen und Laborausstattungen in Forschungseinrichtungen, beispielweise im Bereich der Biochemie. Hier werden Detektoren für verschiedene Analyseverfahren, beispielweise der X-Ray-Fluoreszenz-Analyse und der X-Ray Diffraktion, benötigt. Auch für spektrale Analyseverfahren für mehrelementige Sensoren bezüglich anderer ortsauflösender Verfahren können die Projektergebnisse interessant sein.
