ALICE ITS3 WP4 관련 ALPIDE 굽힘 시험

ALICE는 LHC에서 중이온 충돌을 연구하는 실험으로, 충돌점 부근의 입자 궤적을 정밀하게 복원하기 위해 내부 트래킹 시스템(ITS)을 사용합니다. 트래킹 성능은 가장 안쪽 센서층이 충돌점에 얼마나 가깝고, 입자가 통과하는 물질이 얼마나 적은가에 크게 좌우됩니다. ITS3는 이 안쪽 층을, 여러 모듈을 기계적으로 조립하는 대신 단일 웨이퍼 크기의 모놀리식 픽셀 센서(MAPS)를 반원통 형태로 굽혀 빔 파이프를 감싸는 방식으로 바꾸려는 업그레이드입니다. 이렇게 하면 지지 구조와 냉각재가 줄어 충돌점 가까이에서 입자가 통과하는 물질 예산을 낮출 수 있습니다. 다만 이 설계가 성립하려면 실리콘 센서를 실제로 굽혔을 때도 정상적으로 동작하고 특성이 유지되는가를 확인해야 하며, 이 페이지가 기록하는 굽힘 지그·판독 셋업·표준 스캔이 그 검증 흐름의 로컬 단위에 해당합니다.

구체적으로 ITS3는 ITS2의 가장 안쪽 세 층을 얇은 웨이퍼 크기 실리콘 센서로 교체하며, 가벼운 지지 구조와 공기 냉각을 함께 사용합니다. 세 층의 명목 곡률 반경은 각각 약 18, 24, 30 mm이며, 이 페이지에서 다루는 지그는 그중 가장 안쪽 층의 약 18 mm를 목표로 했습니다.

저는 부산대학교 HIPEx 연구실의 학부연구생으로서, 얇게 가공된 ALPIDE와 FPC 어셈블리를 굽혀 시험하기 위한 지그와 측정 절차를 다뤘습니다. 더미 칩 고정 방식 검토, PNU Guide & Frame 설계, 3D 형상 측정, 판독 환경 구성, 그리고 평면·굽힘·역방향 굽힘 상태의 표준 스캔 수행입니다.

초기에는 ALPIDE 더미 칩(약 30 × 15 × 0.05 mm)과 캡톤 테이프(Kapton tape)를 이용해 고정 위치와 면적을 바꾸어 보며 굽힘 방식을 검토했습니다. 접착 면적을 의도적으로 좁게 두어도 더미 칩이 18 mm 실린더에 수 주 동안 고정된 상태를 유지하여, 이 방식에 필요한 접착이 예상보다 적다는 점을 확인했습니다. 이후 센서 표면과 와이어 본드를 가능한 한 직접 만지지 않고 FPC를 지지대에 넣을 수 있도록 Guide와 Frame을 분리한 구조를 3D CAD로 설계하고 출력했습니다.

이 작업에서 사용한 Frame의 명목 곡률 반경은 18 mm이며, 이 페이지의 지그·시험 절차도 해당 조건에 한정해 기록합니다.

시험에는 50 μm 두께의 ALPIDE Bronze 샘플을 사용했습니다. DACMONV/I 패드가 연결되지 않은 구성이라 DAC Scan에는 ALPIDE의 온칩 ADC(on-chip ADC)를 사용했습니다. 발표자료에 기록된 표준 스캔 항목은 다음과 같습니다.

• Power Scan
• Analog Scan
• FIFO Scan
• DAC Scan
• Digital Scan
• FHR (Fake Hit Rate) Scan
• Threshold Scan

평면 상태의 기본 점검 뒤 PNU Guide & Frame에 샘플을 장착해 굽힘 상태를 시험했고, 이후 역방향 굽힘 상태에서도 같은 종류의 스캔을 수행했습니다. 측정은 암실에서 진행했으며, 상태를 바꾼 뒤에도 가능한 한 같은 설정과 순서를 유지했습니다.

세 가지 상태의 명칭은 다른 그룹과 혼동되지 않도록 정한 것입니다. **평면(flat)**은 굽히지 않은 칩, **정방향 굽힘(bent)**은 칩이 바깥쪽으로 볼록하게 휜 상태(다른 그룹이 먼저 사용하던 방향), **역방향 굽힘(reverse-bent)**은 ITS3가 실제로 센서를 빔 파이프에 감는 방향에 해당합니다. 같은 지그로 여러 칩을 차례로 휘어, 센서를 매번 직접 만지지 않고도 같은 절차를 반복할 수 있었습니다.