A Fully Integrated Solid-State Charge Detector with through Fused Silica Glass via Process

采用熔融石英玻璃通孔工艺的全集成固态电荷探测器

引用

吴晓玲；温玲；曹玲；曹刚；李刚；付燕；余哲；方哲；王倩。采用熔融石英玻璃通孔工艺的全集成固态电荷探测器。 Electronics 2023, 12, 1045. https://doi.org/10.3390/electronics12041045 

关键词

  • 电荷探测
  • 低放射性背景
  • 玻璃通孔 (TGV)
  • 全填充
  • 感光材料
  • 电性能

简介

本文介绍了一种在熔融石英玻璃基板上采用玻璃通孔 (TGV) 结构制造全集成固态电荷探测器的新型方法。

摘要

本文介绍了一种用于粒子物理实验，特别是涉及中微子和暗物质探测的实验的新型固态电荷探测器的设计和制造工艺。该探测器具有高电荷收集效率和低噪声，这对于精确识别粒子至关重要。

以下是本文的要点：

  • 基板选择：选择熔融石英玻璃作为基板，是因为其放射性背景低，这对于最大限度地减少粒子探测实验中的干扰至关重要。熔融石英玻璃还兼容半导体工艺，可实现探测部件和计算芯片等组件的模块化集成。
  • 探测器设计与优化：探测器设计优先考虑空间分辨率、高收集效率和通道间低串扰。为了最大限度地收集带电粒子，设计人员采用了带有电荷偏转器的方形扁平垫结构。仿真结果表明，使用偏转器的收集效率高达98.07%，显著高于不使用偏转器的89.8%。
  • 玻璃通孔 (TGV) 结构：为了突破传统导线式电荷收集的局限性，设计人员引入了一种新型的TGV结构。该结构实现了熔融石英基板正面的收集垫与背面的读出模块/芯片之间的垂直电互连，从而降低了噪音和组装复杂性。
  • TGV制造与材料选择：由于熔融石英玻璃材料的钻孔和抛光难度，在熔融石英玻璃上制造TGV带来了挑战。我们开发了一种新颖的TGV制造工艺，该工艺采用激光钻孔、湿法蚀刻和独特的填充方法，并使用一种名为TAIYO INK SR3的感光材料。SR3因其中等热膨胀系数（CTE）而被选中，以缓解探测器中使用的熔融石英玻璃和铜之间的CTE不匹配引起的可靠性问题。该工艺可确保高纵横比通孔完全填充，保持平坦的基板表面，并且不留有机残留物，使其适用于低背景应用。
  • 材料特性和电气测试：使用差示扫描量热法（DSC）对SR3的固化特性进行了表征，结果表明它可以通过曝光、紫外线照射和热烘烤完全固化。对制造的探测器进行的电气测试证实了TGV互连的有效性，显示出低电阻和电容值，这对于高效的信号传输至关重要。

作者总结道，所开发的固态电荷探测器，凭借其创新的TGV结构和制造工艺，代表着粒子探测技术的重大进步。我们计划在实验性TPC上对该原型进行进一步测试。

来源：https://www.mdpi.com/2079-9292/12/4/1045

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