Hiukkasenkestäviä hiukkasilmaisimia

Kuva 1. CMS-kokeen piinauhailmaisimia kiinnitettynä hiilikuidusta valmistettuun tukirakenteeseensa.

Hiukkassäteilyn aiheuttamat kidevirheet vaikuttavat jälki-ilmaisimien toimintaan samoin kuin jos digikameran kuva alkaisi pikkuhiljaa muuttua rakeiseksi ja lopulta häviäisi kokonaan kohinaan samaan tapaan kuin telkkarin kuva silloin kun kanavaa ei ole kunnolla viritetty.

Säteilyn aiheuttamat vauriot vaikuttavat pii-ilmaisimen ominaisuuksiin kolmella tavalla. Ensinnäkin ilmaisimen vuotovirta kasvaa sitä enemmän, mitä enemmän sitä säteilytetään. Tämä vaikuttaa suoraan “kuvan rakeisuuteen”. Lisäksi kulutettu teho on yhtä kuin jännite kertaa virta, ja LHC koeasemineen tarvitsee yhtä paljon sähköä kuin Geneven kaupunki yhteensä. Vuotovirran tuottama teho muuttuu lämmöksi, joka on pakko jollain tavalla johtaa pois sata metriä maan alla sijaitsevasta koeasemasta. Muussa tapauksessa CMS ja ATLAS alkaisivat hyvin nopeasti muistuttaa saunan kiuasta. Jokainen jääkaappinsa kanssa kesäkuumalla tuskaillut tietää, miten hankalaa jäähdytys voikaan olla.

Toinen säteilyn aiheuttama ilmiö on ilmaisimen estosuuntaisen tyhjennysjännitteen kasvu. Toisin kuin aurinkokennoon, ilmaisimeen kytketään käyttöjännite, joka muodostaa sähkökentän koko piin paksuuden läpi. LHC-kokeissa vaadittava nopea, 40 Mhz:n taajuus vastaa 25 nanosekunnin sykliä, joten signaalin luku edellyttää sähkökentän olemassaoloa. Ilman sähkökenttää elektronit, ja niiden vastakappaleet aukot, diffusoituisivat aivan liian hitaasti lukupiiriin, jolloin signaalia ei ehdittäisi lukea ennen seuraavaa törmäystä.

Piitä seostetaan fosforilla tai boorilla, joko n- tai p-tyyppiseksi. Säteilyvaurioilla on sellainen ikävä puoli, että ne toimivat piissä sähköisesti pääsääntöisesti p-tyyppisenä “seosaineena”. Tämä puolestaan aiheuttaa sen, että vaadittava käyttöjännite nousee. Toisaalta, kuten hyvin tiedämme, jännitelähde ei voi käytännössä tuottaa aina vain korkeampia ja korkeampia jännitteitä, vaan jokaisella jännitelähteellä on jokin ylärajaja sille, mitä ne pystyvät tuottamaan. CMS:n tapauksessa raja on 500 V. Jos vaadittava ilmaisimen käyttöjännite menee tämän rajan yläpuolelle, laskee varauksenkeräystodennäköisyys hyvin nopeasti, ja kuvamme törmäystapahtumasta muuttuu kohinaiseksi. Lopulta kuva häviää kokonaan. Toivottavasti Higgs on löytynyt ennen sitä.

Kolmas mekanismi, jolla säteily vaikuttaa ilmaisimiin on loukkuuntuminen, englanniksi trapping. Trapping tarkoittaa sitä, että hiukkasen generoima varaus loukkuuntuu kidevirheeseen, eikä pääse pois loukustaan sen 25 ns:n aikana, jolloin signaalia kerätään. Tällöin signaalin voimakkuus luonnollisesti laskee, ja jälleen kerran kuva törmäyksestä huononee.

Kuva 2. Havainnollinen esimerkki siitä, miten säteilyvauriot vähentävät hiukkasen aiheuttaman signaalin määrää. Kuvassa punaisella viivalla on merkitty säteilyttämättömän ilmaisimen vaste, joka vastaa noin 24.000 elektronia. Mustilla käyrillä havainnollistetaan säteilytettyjen ilmaisimien aikaansaamaa vastetta. Mitä enemmän ilmaisinta säteilytetään, sitä enemmän loukkkuuntuminen syö hiukkasen tuottamaa varausta.

Miten sitten säteilynkestoa voidaan parantaa? Säteilynkesto on ollut merkittävä tutkimuksen kohde viimeisten 20 vuoden ajan. Satoja tutkijoita ja kymmeniä instituutteja on osallistunut CERN:in hallinnoimien kollaboraatioiden, eli yhteenliittymien toimintaan.

90-luvun alussa Brookhaven National Laboratory:n tutkija Zheng Li havaitsi kokeellisesti, että jos piimateriaalissa on happea, hidastaa se ei-toivottua tyhjennysjännitteen nousua. Hapen vuorovaikutus defektien kanssa oli tuolloin jo periaattessa tuttua metallurgiasta. Zheng Li ymmärsi soveltaa tätä tietoa pii-ilmaisimiin.

Ilmaisimet oli tähän asti tehty nk. Float Zone piistä (Fz-Si). Syynä tähän oli se, että FZ-menetelmällä voidaan valmistaa kaikkein puhtainta piimateriaalia. FZ-kiteenkasvatuksessa sulatettava pii ei ole missään vaiheessa fyysisessä kosketuksessa minkään muun materiaalin kanssa. Tällöin ei-toivottuja epäpuhtauksia ei kulkeudu lopputuotteeseen. Ei tosin myöskään happea, jonka nyt huomattiin parantavan säteilykestoa.

CERN:in perustettu RD48 kollaboraatio aloitti 90-luvun puolivälissä FZ-piin hapettamisen systemaattisen tutkimuksen. Lähestymistapana oli diffusoida happea happivapaaseen FZ-piikiekkoon erittäin pitkäkestoisella korkean lämpötilan prosessilla, jota kutsuttiin Diffusion Oxygenated Float Zone silicon (DOFZ).

Haittapuolena tässä oli se, että happi diffusoituu piissä eritääin hitaasti. Esimerkiksi haitalliset epäpuhtaudet kupari ja rauta diffusoituvat piikiekon läpi 1.000C lämpötilassa noin muutamassa minuutissa, mutta hapelle sama kestää useita vuorokausia. Tämä on kiusallista, sillä kuten aiemmin mainittiin, puolijohteiden valmistuslaitokset ovat kalliita, ja on selvää, ettei piikiekko ole tehtaassa ilmaiseksi minuuttiakaan. Lisäksi kontaminaation, eli mahdollisesti kuparin tai raudan pääseminen piihin, tulee todennäköisemmäksi useita päiviä kestävän lämpökäsittelyn aikana.

Haittapuolistaan huolimatta nyt alkavissa LHC-kokeissa DOFZ menetelmällä valmistettuja pii-ilmaisimia käytetään kaikkein “kuumimmissa” paikoissa, eli CMS- ja ATLAS-kokeiden pikseli-ilmaisimissa, jotka ovat kaikkein lähimpänä törmäyskeskipistettä.

Seuraava merkittävä edistysaskel säteilynkeston parantamisessa tapahtui 2000-luvun alussa. Tällöin tuli markkinoille suomalaisen piikiekkovalmistajan Okmetic Oyj:n korkean resisitiivisyyden Czochralski piikiekkoja. Nimensä Czochralski pii (Cz-Si) on saanut puolalaisen metallurgin Jan Czochralskin mukaan, joka keksi tämän kiteenkasvatusmenetelmän vuonna 1916.

CZ-kiteenkasvatuksessa kvartsiupokkaassa olevaan sulaan kastetaan yksikiteinen siemenkide. Tämän jälkeen upokasta, tai siemenkidettä, aletaan hitaasti pyörittää ja nostaa ylöspäin. Tällöin sula pii jäähtyy, kiteytyy ja lähtee seuraamaan siemenkiteen kidesuuntaa. Kiteenkasvatuksen aikana kvartsiupokkaasta liukenee happea piisulaan.

CZ-piin markkinaosuus maailmanlaajuisista piikiekkomarkkinoista on noin 95%, ja loput ovat FZ-piitä. Tähän on hyvin yksinkertainen syy. Toisin kuin detektoreissa tai aurinkokennoissa, mikroelektroniikassa, kuten esimerkiksi muistipiireissä tai prosessoreissa, piikiekko on ainoastaan alusta transistoreille, jotka sijaitsevat muutamien kymmenien nanometrien päässä kiekon pinnasta. Mitä syvemmällä piikiekon sisällä tapahtuu, on periaattessa melko samantekevää piirivalmistajille.

CZ-pii on noin viisi kertaa halvempaa kuin FZ-pii ja itse asiassa eräs CMOS-teknologian perusvaiheita on hyödyntää CZ-piin korkeaa happipitoisuutta niin kutsutulla Denuded Zone -prosessilla (DZ), jolla piikiekon pinta tyhjennetään happiatomeista muutaman kymmenen mikrometrin syvyydeltä. Happiatomit erkaantuvat (muodostavat klustereita) syvälle piissä ja nämä erkaumat puolestaan getteroivat (vetävät puoleensa) metalliatomeja kiekon pinnalta, missä aktiivikomponentit sijaitsevat.

CZ-pii vaikutti siis kaikin puoli ideaaliselta materiaalilta hiukkasilmaisimiin. Halvempaa kuin FZ-pii, ja luonnostaan suuri konsentraatio säteilynkestoa parantavaa happea. Aiemmin tällaista piitä vain ei ollut saatavana riittävän puhtaana ja korkearesistiivisenä.

Vantaalainen Okmetic aloitti kokeilut korkean resistiivisyyden CZ-piin kiteenkasvattamisesta 90-luvun loppupuolella. Syynä tähän oli kovassa kasvussa oleva kännykkäteollisuus. Kännykoiden suurtaajuuspäässä tarvitaan passiivisia ja aktiivisia komponentteja, jotka suodattavat ja prosessoivat radiotaajuista (RF) signaalia. RF-signaalin häviöt riippuvat alustamateriaalin johtavuudesta. Mitä eristävämpää materiaali on, sitä pienemmät häviöt.

Aluksi passiivisia RF-piirejä tehtiinkin lasi ja kvartsikiekoille. Lasissa on kuitenkin yksi ongelma: sitä on hankala seostaa p- tai n-tyyppiseksi ja siten tehdä lasille integroituja piirejä (IC). Siksipä luonnollinen kehityssuunta alan teollisuudessa oli kehittää korkean resistiivisyyden piikiekkoja, joille voisi integroida myös transistoreja. Minityriasointi ja integointi ovat tämän teollisuudenalan avainsanoja. Me kaikki olemme kokeneet, miten taskuissamme kulkevat kännykät ovat pienentyneet, halventuneet ja samalla niiden ominaisuuksien määrä on kasvanut huomattavasti.

Ensimmäiset ilmaisimet CZ-piistä valmistettiin TKK:n Micronova -mikroelektroniikkakeskuksen puhdastiloissa vuonna 2002. Micronova on TKK:n ja VTT:n yhdessä omistama ja ylläpitämä keskus, jossa on Pohjoismaiden moderneimmat puhdastilat, sekä kohtuullinen laitekanta komponenttien prosessointiin.

Tarve tälläiselle keskukselle on ilmeinen. Jos moderneimmat tuotantolaitokset maksavat noin viisi miljardia, on selvää ettei sellaiseen ole varaa edes amerikkalaisella huippuyliopistolla, saati sitten viiden miljoonan asukkaan kansakunnalla. Jo 50:n miljoonan euron investointi Micronovaan oli hyvin poikkeuksellinen suomalaisessa akateemisessa maailmassa.

Kuva 3. Fysiikan tutkimuslaitoksen CMS ryhmän tutkija Esa Tuovinen lataa piikiekkoja kvartsiveneeseen TKK:n Micronovan puhdastilassa Otaniemessä. Piikiekot oksidoidaan kuvassa näkyvässä uunissa 1100°C lämpötilassa. Oksidointi on pii-ilmaisimien prosessoinnissa kriittisin vaihe, jonka pitää olla äärimmäisen puhdasta.

Micronovan jäseniä ovat TKK:n eri laboratoriot, VTT:n tutkimusryhmät sekä lukuisat spin-off-yritykset. Fysiikan tutkimuslaitos (HIP) on Helsingin yliopiston, Lappeenrannan teknillisen yliopiston, Teknillisen korkeakoulun ja Jyväskylän yliopiston yhteinen instituutti, joten myös HIP:in tutkijoilla on mahdollisuus hyödyntää Micronovan fasiliteetteja nimellistä jäsenmaksua vastaan.

Tämä on itse asiassa ainutlaatuista hiukkas- ja ydinfysiikan kansainvälisessä tiedeyhteisössä. Kaikki muut alalla toimivat ryhmät joutuvat tilaamaan ilmaisimien prosessoinnin kaupallisilta tai puolikaupallisilta toimijoilta. Tällöin yhden erän (batch) hinnaksi tulee helposti uuden, isolla moottorilla varustetun avo-Bemarin verran. Lisäksi tutkijat pystyvät hyvin harvoin millään tavalla vaikuttamaan prosessointiin ja saavat hyvin vähän yksityiskohtaista informaatiota siitä, miten oikeasti piikiekoista on tullut hiukkasten ratoja mittaavia ilmaisimia.

Tyypillisesti pienin objekti pii-ilmalsimissa on noin neljä mikrometriä. Tämä edellyttää alle mikrometrin kohdistustarkkuutta. Litografia eli maskien kohdistus piikiekolla olevien objektien suhteen tehdään tutkimuslaitoksessa luonnollisesti manuaalisesti. VTT:llä ja eri eurooppalaisissa instituuteissa prosessoinnista vastaavat ammattimaiset operaattorit ja laborantit.

Suomalaisen yliopistoryhmän olleessa kyseessä nämä työvaiheet tehdään jatko-opiskelijavoimin. Tämä tarjoaa ainutlaatuisen mahdollisuuden kerätä oman käden kokemusta, ammattitaitoa ja ymmärtää puolijohdevalmistusprosessi syvällisesti. Perustellusti voisi sanoa, että tutkijan ammatti mikro- ja nanoteknologian parissa on viimeisiä käsityöammatteja nykypäivän tietoyhteiskunnassamme.

Ensimmäiset säteilytyskokeet CZ-ilmaisimille suoritettiin Jyväskylän yliopiston Kiihdytinlaboratiossa. Jo ensimmäisistä mittauksista näimme, kuinka CZ-ilmaisimet ovat säteilynkesto-ominaisuuksiltaan selvästi parempia kuin FZ- tai DOFZ-ilmaisimet. Raporttimme aiheesta kiinnitti tiedeyhteisön huomion ja yhtäkkiä kaikki halusivat tehdä yhteistyötä kanssamme. Eikä vähiten siksi, että pystyimme välittömästi jakamaan kaikille halukkaille ilmaiseksi CZ-ilmaisinnäytteitä.

Ensimmäiset jälki-ilmaisinjärjestelmän osat palavat loppuun LHC:ssä noin (toivottavasti vasta) viiden vuoden kuluttua. On melko todennäköistä, että vanhat FZ-piistä tehdyt ilmaisimet korvataan CZ-ilmaisimilla.

Eikä säteilynkeston haasteellisuus vielä tähän lopu. Fyysikot haluavat aina ja iänkaikkisesti tutkia vieläkin harvinaisempia tapahtumia. Tämä tarkoittaa luminositeetin (luminositeetti on suoraan verrannollinen hiukkassuihkun intensiteettiin) nostamista. Lisäksi, säteilynkestotutkimus säteilee myös ympäröivään yhteiskuntaan. Monissa lääketieteellisissä sovellutuksissa säteilytasot ovat todella kovia ja ilmaisinteknologia on käytännössä kivikautista. Samoin on asian laita avaruusteknologiassa. Ehkäpä ne ottavat joskus oppia hiukkasfyysikoilta.