| Date: |
2026 |
| Abstract: |
L'actual Inner Detector d'ATLAS al CERN serà substituït pel nou Inner Tracker (ITk) per satisfer les exigències del Gran Col·lisionador d'Hadrons d'Alta Lluminositat (HL-LHC), que requereix detectors capaços de suportar condicions severes de radiació. Per això, s'ha desenvolupat una nova generació de sensors de micropistes (strips) de silici per millorar la robustesa del detector i la seva estabilitat a llarg termini. Els objectius d'aquesta tesi són desenvolupar, implementar i validar un procés d'Assegurament de la Qualitat (Quality Assurance, QA) per a la producció de sensors de micropistes de l'ITk, analitzar de manera sistemàtica els resultats de producció i dur a terme estudis específics més enllà dels habituals en la producció. El Capítol 1 introdueix els fonaments físics i el disseny tecnològic dels sensors de micropistes de silici n-on-p, descrivint els seus principis de funcionament i els elements clau de la seva fabricació. S'estudia el comportament dels principals paràmetres elèctrics (corrent de fuga, tensió de depleció completa, resistència inter-strip, capacitat inter-strip i eficiència de recol·lecció de càrrega), així com la seva degradació deguda als efectes de la radiació en el volum i la superfície del sensor. A més, es presenten l'ITk d'ATLAS i les característiques principals dels sensors de micropistes ATLAS18. Al Capítol 2 es descriuen l'Assegurament de la Qualitat (QA) i el Control de Qualitat (Quality Control, QC) com a components clau de la gestió de la qualitat en qualsevol procés de producció. Aquest treball es centra en el QA de la producció de sensors de micropistes de l'ITk, amb l'objectiu de garantir que es compleixin els requisits de qualitat. Durant més de cinc anys de producció s'han monitoritzat dispositius de mesura especialment dissenyats per a aquest propòsit: Testchips, díodes MD8 i sensors Mini. Aquests dispositius es van distribuir a diverses institucions col·laboradores per a ser irradiats (protons, neutrons, raigs gamma i gamma + neutrons) a fluències i dosis representatives de les esperades a l'ITk, i posteriorment es van mesurar, sent l'IMB-CNM el principal centre de mesures de dispositius no irradiats. El Capítol 3 descriu els equips de mesura de l'IMB-CNM i els mètodes d'extracció de paràmetres dels Testchips i MD8 sense irradiar. Es van programar scripts utilitzant Python per extreure els paràmetres, pujar els resultats a la base de dades de producció (PDB) i generar gràfiques per a un anàlisi exhaustiu dels paràmetres de producció. El Capítol 4 presenta els resultats de QA de la producció de sensors de micropistes de l'ITk. S'analitzen tots els resultats previs i posteriors a la irradiació. Les gràfiques de distribució i d'evolució temporal permeten monitoritzar les tendències observades al llarg de tota la producció. Aquesta anàlisi proporciona informació sobre el comportament dels paràmetres durant la producció, així com sobre els efectes de la irradiació induïda per diferents partícules fins a fluències i dosis de 1. 6e15 neq/cm² i 66 Mrad, respectivament. A més, s'estudien correlacions entre paràmetres que mostren comportaments inusuals, com els associats a l'estructura del P-stop. Finalment, es presenten els incidents identificats durant la producció juntament amb les corresponents decisions de mitigació. Al Capítol 5 es presenten quatre estudis que analitzen la física dels sensors de micropistes més enllà de l'operació nominal, abordant: les propietats de diferents processos d'implantació del P-stop i el seu comportament després de la irradiació; la influència del material i de l'angle d'irradiació en exposicions a protons d'alta energia; la funcionalitat de sensors irradiats fins a fluències extremes (fins a 1e18 neq/cm²); i la variabilitat entre oblies i lots de silici procedents de diferents lingots. |
| Abstract: |
El actual Inner Detector de ATLAS en el CERN será reemplazado por el nuevo Inner Tracker (ITk) para satisfacer las exigencias del Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (HL-LHC), que requiere detectores capaces de soportar condiciones severas de radiación. Para ello, se ha desarrollado una nueva generación de sensores de micropistas (strips) de silicio para mejorar la robustez del detector y su estabilidad a largo plazo. Los objetivos de esta tesis son desarrollar, implementar y validar un proceso de Aseguramiento de la Calidad (Quality Assurance, QA) para la producción de sensores de micropistas del ITk, analizar de forma sistemática los resultados de producción y realizar estudios específicos más allá de los habituales de producción. El Capítulo 1 introduce los fundamentos físicos y el diseño tecnológico de los sensores de micropistas de silicio n-on-p, describiendo sus principios de funcionamiento y los elementos clave de su fabricación. Se estudia el comportamiento de los principales parámetros eléctricos (corriente de fuga, voltaje de depleción completa, resistencia inter-strip, capacidad inter-strip y eficiencia de recolección de carga) así como su degradación debida a los efectos de la radiación en el volumen y la superficie del sensor. Además, se presenta ITk de ATLAS y las características principales de los sensores de micropistas ATLAS18. En el Capítulo 2 se describen el Aseguramiento de la Calidad (QA) y el Control de Calidad (Quality Control, QC) como componentes clave de la gestión de la calidad en cualquier proceso de producción. Este trabajo se centra en el QA de la producción de sensores de micropistas del ITk, con el objetivo de garantizar que los requisitos de calidad se cumplan. Durante más de cinco años de producción se han monitorizado dispositivos de medida especialmente diseñados para este propósito: Testchips, diodos MD8 y sensores Mini. Estos dispositivos se distribuyeron a diversas instituciones colaboradoras para irradiaciones (protones, neutrones, rayos gamma, y gamma + neutrones) a fluencias y dosis representativas de las esperadas en el ITk, y se midieron posteriormente, siendo el IMB-CNM el principal centro de medidas de dispositivos no irradiados. El Capítulo 3 describe los equipos de medida del IMB-CNM y los métodos de extracción de parámetros de Testchips y MD8 sin irradiar. Se desarrollaron programas en Python para extraer los parámetros, subir los resultados en la base de datos de producción (PDB) y generar gráficas para un análisis exhaustivo de los parámetros de producción. El Capítulo 4 presenta los resultados de QA de la producción de sensores de micropistas del ITk. Se analizan todos los resultados previos y posteriores a la irradiación. Las gráficas de distribución y de evolución temporal permiten una monitorización de las tendencias observadas a lo largo de toda la producción. Este análisis proporciona información sobre el comportamiento de los parámetros durante la producción, así como sobre los efectos de la irradiación inducida por distintas partículas hasta fluencias y dosis de 1. 6e15 neq/cm² y 66 Mrad, respectivamente. Además, se estudian correlaciones entre parámetros que muestran comportamientos inusuales, como los asociados a la estructura del P-stop. Por último, se presentan los incidentes identificados durante la producción junto con las correspondientes decisiones de mitigación. En el Capítulo 5 se presentan cuatro estudios que analizan la física de los sensores de micropistas más allá de la operación nominal, abordando: las propiedades de distintos procesos de implantación del P-stop y su comportamiento tras la irradiación; la influencia del material y del ángulo de irradiación en exposiciones a protones de alta energía; la funcionalidad de sensores irradiados hasta fluencias extremas (hasta 1e18 neq/cm²); y la variabilidad entre obleas y lotes de silicio procedentes de distintos lingotes. |
| Abstract: |
The current ATLAS Inner Detector at CERN will be upgraded to the new Inner Tracker (ITk) to meet the demands of the High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC), which requires detectors capable of withstanding harsh radiation conditions. To achieve this, a new generation of silicon strip sensors has been developed to enhance detector robustness and long-term stability. The objectives of this thesis are to develop, implement, and validate a comprehensive Quality Assurance (QA) framework for ITk strip sensor production, to systematically analyze production results, and to conduct targeted investigations beyond nominal operating conditions. Chapter 1 provides an overview of the physical principles and technological design of n-on-p silicon strip sensors, including their operating principles and key technological elements. It discusses the behavior of essential electrical parameters, such as leakage current, full depletion voltage (VFD), inter-strip resistance (Rint) and capacitance (Cint), and charge collection efficiency (CCE), and their evolution under radiation-induced bulk and surface damage. An overview of the ATLAS ITk is also presented, including the design and main characteristics of the ATLAS18 strip sensors. In Chapter 2, Quality Assurance (QA) and Quality Control (QC) are described as key components of quality management in any production process. This work focuses on the QA of ITk strip sensor production, aiming to ensure that sensor quality requirements are consistently met. To this end, specially designed test devices were monitored throughout more than five years of production: Testchips, containing multiple test structures for key parameter analysis; MD8 diodes, used to extract leakage current and capacitance-voltage characteristics; and Mini sensors, which reproduce the main sensor design at a reduced scale. These QA devices were distributed to various collaborating institutions for proton, neutron, gamma, and gamma + neutron irradiations at fluences and doses representative of those expected in the ITk, and were subsequently used for electrical testing, with IMB-CNM serving as the primary pre-irradiation test site. Chapter 3 describes the IMB-CNM facilities and measurement setups used for pre-irradiation Testchip and MD8 measurements, together with the parameter extraction methods corresponding to each test structure. Python scripts were primarily developed to extract test parameters, perform local data analysis, upload results to the collaborative production database (PDB), and report global results for a comprehensive analysis of production parameters. Chapter 4 discusses the QA results from the ITk strip sensor production, which constitutes a central part of this thesis, as all pre- and post-irradiation results are carefully analyzed. Distribution and time-evolution plots enable continuous monitoring and detailed studies of observed trends throughout the entire production. This analysis provides insight into the behavior of key parameters during production, as well as the effects of irradiation induced by different particles up to target fluences and doses of 1. 6e15 neq/cm² and 66 Mrad, respectively. In addition, parameter-to-parameter correlations are studied for parameters exhibiting unusual behavior, particularly those with expected dependencies, such as parameters associated with the P-stop structure. Finally, anomalies and incidents identified during production are presented together with the corresponding mitigation decisions. In Chapter 5, four additional studies investigate the physics of strip sensors beyond nominal operation: the characteristics of different P-stop implantation processes and the post-irradiation effects of P-stop on silicon strip sensors; the influence of material setup and irradiation angle on high-energy proton exposures; the performance of strip sensors irradiated to extreme fluences (up to 1e18 neq/cm²); and the variability among wafers and batches extracted from silicon ingots. Overall, this thesis delivers an end-to-end QA framework, validated through large-scale production and extended experimental studies, ensuring that the ITk strip sensors meet the stringent performance requirements of the HL-LHC upgrade. |
| Note: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Física. |
| Rights: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, sempre i quan aquestes es distribueixin sota la mateixa llicència que regula l'obra original i es reconegui l'autoria.  |
| Language: |
Anglès |
| Document: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Subject: |
Sensors de micropistes ;
Silicon strip sensors ;
Sensores de micropistas ;
Detectors de partícules ;
Particle tracking detectors ;
Detectores de partículas ;
Detectors de radiació ;
Radiation detectors ;
Detectores de radiación ;
Ciències Experimentals |
guest ::
dir.
