本中心之探測器研發實驗室有兩個根據地。一是位於中央大學物理系的無塵室,提供矽偵測器研發、製作及測量使用。本中心具備大型矽探測器晶片設計及光罩繪製能力。中心設計之晶片由業界生產後,在無塵室進行組裝與量測。無塵室配備有bonding machine和矽晶片量測系統,可進行IV和CV測量。過去在BNL的PHOBOS實驗和LHC上的CMS實驗Preshower偵測器所使用的矽晶片即在此實驗室生產。此外亦有一套獨立數據擷取系統可以利用宇宙射線(主要是渺子)對矽晶片進行能量校正。目前台灣大學、中央大學、中研院(包含一名專業技術人員)、亞洲大學使用此設施進行新的矽晶片研發。

另一個基地是由科技部於2016年起以三年期計畫(105-2112-M-002-019-MY3)支持,設於台灣大學的探測器研發中心,目的在於建立一個具世界水準的探測器實驗室,可以進行矽偵測器量產、組裝,並製造電子模組及設備等。該實驗室可用於開發極大型的探測器,提升我國的探測器設計及製作能力,以應用於高能物理、天文物理、生物物理、醫學物理及工業的即時影像應用。此實驗室已開始建造,規劃購置 gantry、bonding machine、Optical Gaging Product (OGP) microscope等設備,我們希望藉由此計畫讓實驗室設備更加完備,成為亞太區域領先的粒子物理探測器研發中心之一。

這兩個實驗室具有很大的互補性。中央大學的無塵室主要以研發新的探測器為目標,具有多樣性的測量彈性。而台灣大學的探測器研發中心則是以量產矽晶片探測器為目標,對於參與大型實驗的探測器建造計畫極為重要。維持這兩個實驗室的穩定運作將可讓我們成為世界一流的矽偵測器中心。

本中心成立的目標之一就是建構一個整合國內各高能實驗研究團隊的平台。因此本中心設置了一個高能實驗聯合實驗室,主要實驗設施包含中研院的精工廠、台灣大學的矽探測器組裝實驗室以及中央大學的矽探測器電性測量實驗室。

矽偵測器是未來粒子物理探測器的主流,它具有極佳的時間與空間解析度,多樣的偵測型態,空間需求小,環境適應度好等優點。近年來因為半導體工業的發展,矽探測器的生產得以運用工業化的生產與檢驗流程,大幅提高生產效率與良率,因此廣為先進的高能探測器所用。我們認為,要在國際大型實驗計畫中獲得主導性地位,必須在探測器的發展上佔有一席之地。台灣具有全球最強的半導體產業,我們應該善加運用這項優勢。因此,開發矽偵測器成為國內高能物理的共識,而透過參與LHC實驗的需求,建立一個先進的矽偵測器實驗室成為當務之急,也獲得科技部認可,2016年在台灣大學開始建造,隨後在中央大學建造了矽探測器的測試實驗室。讓台灣有一個完整的矽偵測器生產設施。

同時,台灣的光電產業也提供我們非常好的技術支援,讓我們在光纖傳輸和高精度電路板製作方面取得很好的成績。因此,聯合實驗室決定以矽偵測器的研發和高精度高速光電設備為發展的主軸。台大和中大的矽偵測器實驗室加上中研院在電子系統的設計能力與精工廠的支援,我們已經成為全球矽偵測器和高速光電傳輸及精密電路板的重要基地之一。

2018年幾個重要部分陸續進駐在台大天數館的無塵室 (R915) 。其中最重要的是在4月時安裝了 Hesse 全自動打線模組和Aerotech自動控制與龍門系統(圖20);九月安裝了OGP 非接觸式影像量測儀(圖20); 2019 年一月完成了無塵室的乾燥加壓空氣與真空系統與管路的設置。加上其他較小型的儀器與設置,像是實體顯微鏡,小型出膠控制龍門等,在 2019 年春天,矽探測器無塵室建立完成(圖21)。呂榮祥副教授也成功地在 2019年6月從台大物理系爭取到了另一個實驗室空間,同在天數館九樓的 R923 室。此實驗室將會用於測試或修復在無塵室組裝的偵測器模組。實驗室的儀器包括電腦,用於 Solidworks 設計軟體和 Labview 儀器控制軟體,示波器,資料擷取系統,溫濕度控制室和微電子工作桌等。

圖20:(左) Aerotech龍門系統用於製造 CMS HCal 矽探測模組。(右)OGP系統量測矽晶片尺寸中。

圖21:於2019年春天建置完成的台灣大學矽探測器實驗室。

位於台大的矽探測器實驗室的第一個重要任務是建立CMS 實驗在第二次探測器升級的模組組裝中心 (MAC, module assembly center)。台大與中大的實驗團隊,負責 5000 個偵測器模組的製程與測試,為全球六個中心之一。探測器模組的原型包含了四層的結構,最底層的銅板用來與粒子作用產生能量射叢 (energy shower),第二層為鍍金的 Kapton 聚亞醯胺膜的薄片隔絕矽晶片與銅板同時提供反向偏壓的連結,第三層是矽晶片用來測量能量射叢的數量與分佈,最上層是電路板,連接矽晶片讀出類比訊號,數位化後彙整輸出給後端的資料擷取系統。

六吋的矽晶片原型由中大設計,APM 亞太科技生產。組裝前,晶片會經過檢驗並至於探針台上測量反向偏壓-漏電流的基本特性(圖22)。組裝的程序利用龍門系統配合真空控制來移動元件,利用加壓乾燥空氣控制出膠。組裝所需要的治具設計由台大與中大的學生完成,並由中研院的精工廠加工製造。探測器模組組裝完後,需要經過打線機將晶圓的每一個頻道與對應的電路板電子頻道連結 (圖22)。 第一個 CMS HGCAL 矽偵測器模組原型在 2019 年4月組裝完成。令人驕傲的是所有的材料都是由台灣的產業生產,包括矽晶片 (亞太科技),電路板 (柏承科技),讀出運算晶片 (台積電) 等。組裝的偵測器模組會經過一系列的測試來了解組裝過程有沒有受到損壞,尤其是矽晶片非常的脆弱,只有 320 微米厚。我們會重複逆向偏壓與漏電流的測量,電路板和讀出晶片的電路測試,同時測試讀出晶片是不是連結到矽晶片。

圖22:(左)利用探針座與探針台測量矽晶片的漏電流。(右)矽探測器原型在打線機下連接矽晶片與電路板線路。

偵測器模組必須要能夠看到「物理」,即粒子穿過矽晶片所留下的能量。圖23可以看到我們設置的測試平台,利用我們組裝的偵測器模組,來偵測宇宙射線。宇宙射線發生的頻率雖然低,但是高能的粒子確實很接近在對撞機中會觀測到的粒子能量,並提拱我們數據測量偵測器模組的效率和增益因子。

圖23:探測器模組(紅色電路板)的測試平台。左側為專門設計的資料擷取系統。圖中可見兩個連結光電倍增管的發光閃爍器重疊,並以此產生宇

宙射線的觸發訊號。

在 2019 年4月成功的組裝第一個六吋的 CMS HGCAL 矽偵測器模組是一個重要的里程碑。不僅是正式宣告實驗室正式的運行,也告知整個 CMS 團隊,台灣團隊已經準備好。在CMS六個組裝中心之中,我們是現階段可製作矽探測器模組的兩個中心之一,進度遠遠超越其他四個中心。

圖24:(左) 2019年10月於中央大學物理室新建完成的千級無塵室。(右) 2019年12月建置完成的半自動化矽晶片電性探測平台,將用於CMS

HGCal、sPHENIX INTT及本中心團隊自行研發的矽晶片測量。

2018年9月於UCSB所召開的CMS HGCal MAC會議確立台灣CMS團隊將在中大實驗室進行5000片矽晶片品質控管測量。2019年3月於中大舉辦的sPHENIX實驗亞洲會議確立中間層矽軌跡探測器(INTT)的矽晶片電性測量於中大進行及部份探測器組裝於台灣由台大和中大團隊負責。因此,中大團隊著手於2019年夏天開始打造升級無塵室(圖24),於10月份完工,並在12月份完成半自動化矽晶片電性探測平台的建置(圖24),目前我們已成功進行sPHENIX INTT矽晶片的電性測量。此外,最值得提及的是sPHENIX實驗負責人在參觀過位於台大的矽模組組裝實驗室後,決定將原先將完全在美國布魯克海汶國家實驗室組裝的INTT矽模組,部份矽模組移至台灣組裝。INTT計畫總造價約四千萬台幣,全由日本理化研究所(RIKEN)出資,台灣高能團隊提供技術進行矽模組組裝及測試。

在大強子對撞機另一個重要的實驗ATLAS方面,台灣參與的第二階段探測器升級計畫主要為兩個項目:1)HGTD的電子模組板,供給矽探測器的高壓電源、電子讀出模組低壓電源、及訊號傳輸光電模組;2)渺子探測器的MDT (muon drift tube)絲線訊號讀出電子模組的換置工程,用來將訊號電荷數據化以傳送到後端路由模組。

大強子對撞機第二階段亮度升級後,探測器在同一時間將偵測到平均高達200個質子與質子碰撞事例。因此探測器及電子學模組必須提升碰撞發生位置及末態粒子到達探測器的時間解析度。HGTD 探測器的設計目標即是應用厚度只有50 μm的矽探測器,來提升訊號讀出速度及準度。HGTD 的設計規格是測量單個帶電粒子打到矽晶片的時間準度小於 30 ps。本中心ATLAS團隊參與的 HGTD 電子供應模組(PEB)的研發。我們與CERN、瑞典KTH、北京高能所及南京大學合作,開發PEB電路及測試系統,我們估計在2020年秋能夠將設計確定下來。

渺子探測器是 ATLAS 最外圍的探測器,MDT絲線管總數為35萬4千條,需要置換的讀出 Mezzanine 模組板總數近一萬五千個,台灣與希臘團隊將製作所有的Mezzanine 模組。

在過去兩年無論是在HGTD或是渺子探測器的升級計畫中,台灣ATLAS團隊皆作出極重要的貢獻,也大幅提升我國團隊在ATLAS實驗中的能見度。

本中心團隊成員(中研院及中大)於2019年8月開啟了渺子成像術所需的渺子探測器建造。我們所使用的是新穎的矽光電倍增晶片讀出,而非傳統的矽光電倍增管讀出,因此讀出電路需從零開始設計。至2019年十二月我們已完成讀出電路的初步設計及電路板製作,目前正進行電路測試中。