Presentazione nuovi progetti Gr. V PixFEL - 2014 Lucio Pancheri, Gian-Franco Dalla Betta DII, Università di Trento INFN – Padova, Gruppo Collegato di Trento Tel.: 0461281532, e-mail: lucio.pancheri@unitn.it

Proposte nuovi progetti 2014 Sigla Titolo Anni Sezioni partecipanti Coordinatore Nazionale PixFEL (*) Enabling technologies, building blocks and architectures for advanced X-ray pixel cameras at FELs 2014-2016 PV, PD(TN), PI (+ FBK) Lodovico Ratti (Pavia) (*) Evoluzione del progetto VIPIX (2009-2013) e P-superB L. Pancheri Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 27 Giugno 2013

X-ray Free Electron Laser (XFEL) 2700 pulses / bunch @ 5MHz Applications: Structural studies on molecules with unprecedented resolution Monitor ultrafast molecular processes L. Pancheri Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 27 Giugno 2013

Long-term activity plan: In the long term (6+ years) the project aims at developing a 2D X-ray, pixellated camera for applications at FELs, complying with the following characteristics: 100 um pitch 1 kFrame storage capability reconfigurability, for operation in burst and continuous mode burst operation at a maximum frequency no less than 5 MHz continuous operation at no less than 10 kHz 9 bits effective resolution single photon detection capability 104 photon @1 keV dynamic range L. Pancheri Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 27 Giugno 2013

Final objective: camera integration To enable the integration of all the needed functionalities in a relatively small area, a 65 nm CMOS technology, in conjunction with a vertical integration process (including high density TSVs), will be adopted The final instrument will be based on the tiling of elementary blocks with minimum dead area to be achieved also by using low density TSV and active edge sensor technologies L. Pancheri Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 27 Giugno 2013

Pixel sensors for XFEL Un substrato ad alta resistività “detector grade” completamente svuotato fornisce la risoluzione spettroscopica necessaria per la rivelazione di singoli fotoni. Per raggi X “duri”, è necessario un elevato spessore. Per le applicazioni FEL, sensori a pixel ad alta resistività competono con dispositivi come pnCCD, SDD, DEPFET (nella versione XFEL, spessore 450 mm, in futuro 1 mm). Nel progetto si svilupperanno sensori a pixel su substrato spesso utilizzando la facility di FBK. L. Pancheri Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 27 Giugno 2013

Sensori a pixel con bordo attivo Sensor thickness: 100 – 200 um L. Pancheri Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 27 Giugno 2013

Approccio tecnologico Perfect wafer bonding Wafer Bonding With voids Trench process now under control, special care to be taken with wafer bonding for good results (no voids) L. Pancheri Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 27 Giugno 2013

Aim of the PixFEL project Studying, designing and testing the building blocks (CMOS 65 nm) for the front-end electronics, complying with the application requirements low noise, (reconfigurable) wide input range front-end channel with dynamic compression 9 bit (effective), 5 MS/s ADC circuits for gain calibration Investigating the enabling technologies for the design of chips with minimum dead area and high functional densities Thick slim edge pixel sensors vertical integration for double tier design of the front-end low density TSVs for chip interconnection to the hybrid board Looking into architectures for fast chip operation and readout frame storage mode (memory cell, maximum memory size, readout) continuous readout mode (maximum speed, accounting for DAQ limitations) reconfigurability (impact on the performance) L. Pancheri Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 27 Giugno 2013

Piano attività TN 2014 Sensori a pixel in silicio ad alta resistività: Studio specifiche FEL e letteratura attinente Simulazioni TCAD (effetto plasma, danno da radiazione, ecc.) Progetto e layout primo lotto sensori (p-on-on, da valutare dettagli di processo back-side) Fabbricazione primo lotto a FBK Caratterizzazione elettrica strutture di test su fetta Caratterizzazione funzionale strutture di test montate su PCB fetta con laser, sorgenti e tubo a raggi X Studio danno da radiazione X su strutture di test (LNL) L. Pancheri Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 27 Giugno 2013

Riassunto FTE 2014 Nome e Cognome Ruolo Percentuale Gian-Franco Dalla Betta PA 20% Giorgio Fontana TL 50% Lucio Pancheri (responsabile locale) RTD 40% Ekaterina Panina Dott. Giovanni Verzellesi PO 30% Totale FTE 1,90 L. Pancheri Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 27 Giugno 2013

Riassunto richieste 2014 Voce Richiesta Missioni - riunioni tecniche e di coordinamento - Test di irraggiamento X (LNL) 1.0 0.5 Consumabili: - Materiali x Laboratorio: probes, componentistica elettronica, PCB, connettori, supporti, laser, etc. - Fabbricazione 1 lotto sensori @ FBK (prezzo convenzione @ 2200 Euro/lito eq.) 2.0 13.2 Totale (k€) 16.7 L. Pancheri Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 27 Giugno 2013