A radiation tolerant pixel detector system for the ALICE and LHCb experiments at CERN

Le travail présenté dans cette thèse a été effectué au sein du groupe Microélectronique du CERN, le laboratoire européen pour la physique des particules. Il s’agit d’un laboratoire situé près de Genève en Suisse, il a été créé dans les années 50 pour donner aux scientifiques européens les moyens d'étudier la physique des hautes énergies (HEP, High Energy Physics). Grâce aux accélérateurs de particules conçus et réalisés au CERN (en particulier le LEP, Large Electron Positron) il a été possible de développer le « Modèle Standard », une théorie qui essaye d'expliquer la matière en termes de forces et de particules. Ce modèle a été testé avec succès par les expériences de physique des particules, cependant il est incomplet, car il ne prend pas en compte la masse des particules fondamentales. L'idée la plus simple pour inclure cette dernière s'appelle le mécanisme de Higgs. Ce mécanisme implique l’existence de une particule additionnelle, appelée le boson de Higgs, et un type additionnel de force, se manifestant par des échanges de ce boson. Pour évaluer cette hypothèse, ainsi que plusieurs autres phénomènes et théories, un nouvel accélérateur de particules est actuellement en construction au CERN, il s’agit du Large Hadron Collider (LHC). Le LHC sera l'accélérateur le plus puissant jamais construit. Le détecteur à pixels décrit dans cette thèse a été conçu pour l’expérience de physique ALICE du futur collisionneur LHC. Les scientifiques pensent qu’il y a eu un «Big Bang» initial duquel tout l’Univers connu a émergé. Quinze milliards d’années après, l’Univers est si grand que la lumière prendrait des milliards d’années à le traverser. Pourtant, au début, tout était contenu dans un volume comparable à celui d’une mouche. Toutes les particules qui forment la matière que nous connaissons aujourd’hui se sont alors formées. Les quarks et les gluons, qui sont les constituants des protons et des neutrons dans notre Univers refroidi, étaient alors trop chauds pour s’associer. Cet état de la matière initiale s’appelle un plasma quark-gluon (QGP). Découvrir et analyser le QGP est l’objectif principal d’ALICE. En effet, ALICE est un détecteur de collisions d’ions lourds conçu pour étudier la physique de la matière en interaction forte et le plasma quark-gluon dans les collisions de noyaux produits par le LHC. Dans les expériences autour du LHC (ALICE, LHCb, ATLAS, CMS, TOTEM) les particules seront accélérées pour atteindre des énergies de l’ordre du Tera Electron Volt (TeV) et des luminosités très élevées (1034 cm-2s-1 pour les protons et 1.95 1027 cm-2s-1 pour des ions de plomb). Cela implique des niveaux de rayonnement qui peuvent être très élevés, particulièrement pour les détecteurs situés très près du point d'interaction. Pour l'expérience ALICE, en dix ans de fonctionnement du LHC, la dose ionisante totale peut atteindre 2.5 103 Gy et la fluence équivalente neutrons 1 MeV peut atteindre 2.95 1012 MeV neq/cm2. Des niveaux de rayonnement beaucoup plus élevés peuvent être atteints dans les autres expériences. Ceci pose un problème majeur pour la réalisation de l'électronique située près du point d'interaction, qui est habituellement celle des détecteurs de trajectoires. Cet environnement extrême, et la spécificité de l'électronique des détecteurs de trajectoires, font qu’aucun composant commercial n'est disponible. Le choix du développement d’ASICs dédiés s’est donc imposé. Une possibilité aurait consisté à résoudre le problème de la tolérance au rayonnement par durcissement du procédé technologique. En particulier quelques fondeurs spécialisés fournissent un procédé durci qualifié sous rayonnement. Ces technologies dont la pérennité ne peut être assurée sont toujours très coûteuses et souffrent de plus de divers handicaps liés à la difficulté de production des circuit : performances réduites, stabilité du procédé, l’obtention de rendements acceptables. Le CERN a donc choisi de soutenir un projet de recherche (RD49) pour évaluer l’intérêt d’utiliser une technologie CMOS standard durcie aux effets des rayonnements par design (Hardening By Design, HBD). L'avantage de cette approche réside, en plus de son coût réduit, dans sa facilité d’adaptation aux nouvelles technologies submicroniques à venir. Le projet de construction du LHC s’échelonne sur une dizaine d’années, dans le même temps les technologies MOS évoluent très rapidement, les premiers essais de durcissement ont été effectués sur des technologies 0.5 μm. Celles-ci seront complètement obsolètes, tout comme les technologies durcies encore disponibles dans le commerce lorsque les approvisionnements de l’électronique pour les expériences du LHC seront réalisés. Jusqu’à ce jour, l’intégration qui accompagne l’évolution des composants s’accompagne d’une amélioration des caractéristiques des composants. D’ailleurs, plusieurs des circuits présentés dans cette thèse, ont été conçus en technologie CMOS standard 0.25 μm, durcis avec des techniques de HBD, ils répondent au cahier des charges pour l’électronique du détecteur à pixel en silicium de l'expérience ALICE (Silicon Pixel Detector, SPD), qui est le plus proche de l’aire de collision des particules. En particulier, le circuit ALICE1LHCb (ou Circuit Pixel) contient une matrice de 32 par 256 cellules de lecture (pour un total de 13 millions de transistors), mesurant 13.5 par 15.8 mm2. Des groupes de cinq circuits sont reliés électriquement par une technique de contact entre circuits sur des puces différentes, réalisés au moyen de rangées de billes métalliques microscopiques («bump-bonding»,). On obtient ainsi un grand senseur (160 colonnes par 256 lignes) qui forme le bloc de base qui constitue le SPD de l’expérience ALICE, dénommé «ladder». Un circuit est connecté à un senseur (de même dimensions, 32 colonnes par 256 lignes) pour former un «single», l'élément de base de détection pour le détecteur hybride à photons (Hybrid Photon Detectror, HPD) de l’expérience LHCb. Le circuit est également employé pour le détecteur de trajectoires de l'expérience NA60. Il utilise un schéma d’entrée différent des schèmes classiques, qui utilisent l'intégration de charges, la compensation pole-zéro et la mise en forme semi-gaussienne. Le circuit d’entrée réalise une configuration avec trois pôles (deux pôles complexes et un pôle réel, tous avec la même composante réelle), qui a été conçue pour supporter un fort taux d’occupation. Des tests minutieux de la puce, au laboratoire et sous irradiation dans un faisceau de particules, ont montré que ce circuit est entièrement fonctionnel et ce pour des doses allant jusqu'à 300 kGy.