Gluing of the thinned pixel sensors to the beam pipe for collider experiments.

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K18633
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 坪山 透 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, その他部局等, シニアフェロー (80188622)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Keywords: 素粒子実験 / バーテックス検出器 / CMOSモノリシックセンサー / ピクセルセンサー / MEMS技術

Outline of Annual Research Achievements

本研究はシリコンピクセルセンサーを薄化し、衝突型加速器実験における最内層「バーテックス検出器」をビームパイプに貼り付けることで、素粒子検出器の性能を改善しするものである。
加速器実験のバーテックス検出器は、センサーの位置分解能だけでなく、その物質量を減らし・ビーム衝突点からの距離を最小にするすることで、バーテックス検出・測定能力を最適化する。しかしセンサーの高度化により回路からの発熱・電源や高速信号のための配線が増加する傾向にある。またセンサーを安定に保持するための機械的構造は物質量をふやし、さらに、ビーム衝突点からセンサーまでの距離を増加させる。
ところでシリコンは50μm程度まで薄化するとフォイルのように柔軟になる。また、素粒子加速器のビームパイプは一般に強力に冷却が行われている。
このことを前提に本研究ではシリコンピクセルセンサーを薄化し円筒形に屈曲させビームパイプにはりつけることを提案する。センサーからの熱はビームパイプを通じて取り除くことが可能で、測定器全体の物質量をかなり減らすことが可能である。
本研究は2021-2023年の３年間でおこなう。初年度はピクセルセンサーとフレキシブル回路基盤(FLEX)の準備を行い、2022年度にアセンブリをおこない、2023年度に評価を行う。
科研費終了後は得られた結果に基づき検出器に組み込む測定器モデルを構築し、シミュレーションで物理的性能を評価することになる。この技術は素粒子実験の種類を問わないため、広く応用が可能な技術と考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

初年度である2021年度にはピクセルセンサーの薄化をおこない 6mm x 6 mm の SOIPIXセンサーを75μｍまで薄化をおこない、評価を開始することができた。７５μｍ厚でもシリコンは我々の使用目的に対し十分な柔軟性を持つことを確認した。
またFLEXの試作を行い線密度45μｍピッチで読み出し線が形成可能であることを確認した。我々が2022年度に設計・製造するFLEXの最狭部分のピッチは100μmであるため、十分な精細度があると言える。
これらのことから、当初計画通り本年度にピクセルセンサーとFLEXのアセンブリを行う準備が出来たといえる。

Strategy for Future Research Activity

本年度は昨年度に準備した 薄化SOI ピクセルセンサーと、本年度に製造する　FLEXのアセンブリーを行う。使用すると想定するのは接着技術とワイヤボンディング技術である。これらの技術は既に確立されており本研究所内で遂行可能であると考える。
この目標が達成した場合は引き続き性能評価を行うための評価装置のファームウエア・ソフトウエアの準備を行う。この場合最終年度である２０２３年度は完成品の評価をおこなうことになる。
ただし、提案したような円筒状のセンサーのアセンブリーは過去に例のない技術であり、アセンブリ工程が順調に進まない可能性がある。その場合はワイヤボンディングの代替としてバンプボンディング技術などで対応することが考えられる。その対応には数ヶ月の期間が必要と想定している。この場合でも、最終年度の前半にアセンブリを継続することで、年度後半に評価を行うことが可能である。

Causes of Carryover

2021年度は国際学会がキャンセルされ、支出が減ったため。情報収集等は大体のオンラインの国内外の学会を通じて行った。
残額は2022年度に学会参加費／評価用意システムの設計などの高度化に使用する。

Remarks

本研究は試験準備を開始した段階で、内容を公表する段階にないため、学会発表・出版等はおこなっていない。学会・国際学会等に参加し国内外の開発状況の調査は継続している。