ALPIDE (ALICE PIxel DEtector)는 단일형활성픽셀센서(Monolithic Active Pixel Sensor, MAPS) 기술에 기반한 실리콘 검출기로, 현재 거대이온충돌기실험(A Large Ion Collider Experiment, ALICE)을 비롯한 다양한 충돌실험에서 입자충돌지점을 둘러싸고 있는 내부궤적장치(Inner Tracking System, ITS)에 널리 활용되고 있다[1]. ALPIDE는 특히 Fig. 1에서 보여주듯이, 입자가 입사하면 에피택시얼 층을 이온화시키면서 생긴 전자를 수집하여 신호를 생성하는 센서 부분과 수집한 신호를 처리하는 회로 부분이 하나로 통합된 단일형 활성 픽셀 센서(MAPS)로서, 전력 소비를 낮추고 신호 처리 속도를 향상시켜 차세대 반도체 검출기로 주목받고 있다. ALPIDE가 활용되는 내부궤적장치는 대부분의 경우, 입자충돌이 일어나는 지점에 가장 가까워서 입자충돌에서 발생하는 상당한 양의 입자들에 의한 방사선에 노출되기 때문에, ALPIDE의 방사선 내구성에 대한 연구는 필수적이다. 방사선 내구성 연구는 하전된 입자로 인한 총이온화선량(Total Ionizing Dose, TID) 효과와 주로 중성입자에 의한 비전리 에너지손실(Non-Ionizing Energy Loss, NIEL) 효과로 구별될 수 있는데, 본 연구는 경주에 위치한 한국원자력연구원의 양성자가속기연구센터(KOrea Multi-purpose Accelerator Complex, KOMAC)의 양성자 빔을 활용하여, TID 효과로 인한 문턱값의 변화 측정을 진행하던 중 발견한 이상현상에 대한 것이다.

Figure 1. (Color online) Structure of ALPIDE Monolithic Active Pixel Sensor (MAPS).

ALPIDE 1개의 칩은 Fig. 2(a)와 같이 3 cm (가로) × 1.5 cm (세로)의 면에 1024 (열) × 512 (행) 개의 픽셀(Fig. 2(b))과 전원공급, 데이터 전송 및 제어를 담당하는 주변부로 구성되어 있으며, 그 두께는 필요에 따라 50 μm 및 100 μm 의 두 종류가 있다. 칩 캐리어 보드(Carrier board) 아래쪽의 연결단자를 통해 데이터 수집 보드와 연결할 수 있으며, 칩의 각 픽셀 위에는 Fig. 2(c)와 같이 픽셀 내부 회로(In-Pixel Circuitry)가 존재하며 센서로부터 나오는 신호를 디지털로 바꾸어 3개의 다중 이벤트 저장소(Multi Event Buffer)에 저장한다. 픽셀 내부 회로에는 테스트 펄스 주입용 축전기가 있고, 이를 이용하여 픽셀 내부 회로를 테스트 할 수 있다[1].

Figure 2. (Color online) ALICE PIxel DEtector (ALPIDE). (a) A carrier board with ALPIDE, (b) the pixel matrix of ALPIDE, and (c) a cross-section view of 2×2 pixels. On the top side, each pixel has an in-pixel circuitry which processes the signal of the pixel sensor.

ALPIDE 각 픽셀의 문턱값은 각 픽셀에서 한 펄스에 입사되는 전자의 개수를 0개부터 200개까지 변화시켜 가면서 각각의 경우마다 50번의 전자펄스 중 25번 이상의 펄스가 감지될 것으로 추정되는(단순 선형회귀법에 의한 추정) 전하량(전자 개수)로 정의한다(Fig. 3(a)). ALPIDE의 특정 픽셀에 발생하는 과도한 시그널 오류 등 필요에 따라 특정 픽셀의 출력(read-out)을 억제하는 마스킹이라는 기능을 활용하여, 해당 픽셀에서 발생하는 신호를 무시할 수 있다. 또한, 각 픽셀이 감지한 신호는 Fig. 2(b)에서 나타나 있듯이, 열(Column) 방향으로 두 열씩 512개 행의 신호값들을 순차적으로 읽어오기 때문에, 각 픽셀에 펄스를 입사하여 측정하는 문턱값 스캔은 한 행씩 1024개 픽셀 단위로 이루어진다. 이를 위하여, 문턱값 스캔은 모든 픽셀을 마스킹한 상태에서, 측정하고자 하는 행만 마스킹을 해제한 후 펄스의 주입과 검출을 반복 측정하는 과정을 512개 행에 대해 진행한다[2]. 일반적으로 문턱값 스캔은 특별히 지정하지 않는 한, 모든 픽셀을 마스킹한 상태에서, 맨 위쪽 행부터 마스킹 해제와 재마스킹 과정을 통해서 이루어지며, 제어프로그램이 구동되는 기기에 따라서 다소 차이가 있지만 모든 행에 대한 문턱값 스캔에 대략 3-7분 정도의 시간이 소요된다. 그렇게 모든 행에 대해서 문턱값을 측정하면 Fig. 3(b)와 같이 모든 픽셀에 대한 문턱값을 나타낸 문턱값 지도를 얻을 수 있다.

Figure 3. (Color online) ALPIDE threshold measurement. (a) An example of the threshold scan measurement and (b) threshold map.

본 연구진은 KOMAC의 양성자 빔을 이용하여 4차례에 걸쳐 Table 1과 같이 ALPIDE에 조사되는 선량을 증가시켜가면서, 적당한 선량에서 빔 조사를 멈추고 문턱값을 측정하였다. 선량 계산을 위하여 아래의 Eq. (1)을 사용하였다.

Table 1

Beam parameters and accumulated doses for the ALPIDE irradiation experiments at the KOMAC.

Chip ID	25B-1C	12B-A6	12B-B5	18T-C7
Beam Energy [MeV]	99.2	97.1	99.1	99.1
Min. Flux [107 cm-2s-1]	8.200	5.152	3.842	3.286
Max. Flux [107 cm-2s-1]	9.912	8.418	4.290	4.754
Duration [min.]	80	172	33	169
Accum. Dose [Gy]	410.7	474.1	71.2	369.6

S는 질량저지력(mass stopping power, MeV⋅cm2⋅g-1)으로 매질의 밀도(ρ)와 입사입자의 종류 및

에너지에 따라 다르며 이 실험에서는 실리콘(ρ = 2.33 g/cm3), 양성자 및 각 빔에너지 (Table 1)를 기준으로 계산하였다[3].

이 실험결과로서 각 선량에 대한 모든 픽셀들의 문턱값 평균은 Fig. 4와 같다. 여기서 볼 수 있듯이 각 칩마다 약간의 차이는 있지만, ALPIDE의 문턱값은 대체로 누적선량에 따라 증가하다 다시 감소하는 경향을 보인다. 이는 TID 효과로 인해 Fig. 1에서 에피택시얼 층이 아닌 상단 부분의 금속 산화물 반도체 장효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)에서 생성된 전하가 MOSFET의 작동에 영향을 끼쳐 픽셀 내부 회로에서 문턱값 측정에 영향을 주기 때문으로 추정되며, NMOS와 PMOS에 대한 상반된 효과의 복합적 결과에 대한 다양한 연구가 진행중이다[4]. 이러한 문턱값의 변화 경향은 KOMAC 뿐 아니라, 해외의 다른 가속기를 활용한 실험결과에서도 확인된다.

Figure 4. (Color online) Total Ionizing Dose (TID) effect experiment results at KOMAC and U-120M in Prague.

하지만 실험을 진행하던 중, 선량이 누적될수록, 문턱값이 측정되지 않는 픽셀들이 점점 증가하는 것을 발견하였다. Figure 5(a)는 ALPIDE칩 12B-A6이 259 Gy의 선량을 받았을 때 측정된 모든 픽셀의 문턱값 지도 결과이다. Figure 5(a)를 보면, 문턱값 측정에 오류가 발생하여 하얗게 나타난 픽셀들이 아래로 갈수록 많으며, 특히 450행-512행에서 확연하게 많은 오류가 관측 되었다. 이 오류는, 펄스가 주입되지 않을 때에도 신호가 검출된 경우 문턱값에 대한 분석이 진행되지 않도록 설정된 것으로, 즉 가신호(fake hit)가 있는 경우에 프로그램에서 문턱값에 이상이 있는 것으로 간주한 것이다. Figure 5(a)에서 볼 수 있듯이 문턱값이 측정되지 않은 픽셀들은 주로 하단 부분에 분포되어있는데 이는 Fig. 5(b)에서 보이는 캐리어 보드와 ALPIDE 칩이 겹치는 부분에 해당한다. 캐리어 보드는 ALPIDE를 연구 개발 단계에서 단일 칩으로 사용할 수 있게 하기 위해 사용하는 장치로서, 칩을 에폭시로 다이본딩(die-bonding)한 후, 와이어본딩(wire-bonding)을 통해 전기적으로 연결된다. 이 때 ALPIDE의 아래부분 전체와 양 위쪽 귀퉁이는 Fig. 5(b)에서 빨간 실선으로 나타낸 것처럼 캐리어보드와 겹치는 면적이 생긴다. 이에 착안하여 본 연구에서는 빔 조사 후에 문턱값 측정오류가 일어나는 원인을 알아내고자 경주 양성자과학단지의 양성자 빔과 방사선 선원을 이용하여, 본격적인 문턱값 측정오류에 대한 연구를 수행하였다.

Figure 5. (Color online) (a) Irradiated threshold map of the ALPIDE chip 12B-A6 at 259 Gy and (b) ALPIDE on the carrier board. The carrier board is mechanically and electrically bonded with ALPIDE for its standalone operation. The red triangles and rectangle indicates the overlayed region of the ALPIDE chip and the carrier board.

1. PCB 물질 조각을 부착한 ALPIDE의 양성자 빔 조사 실험

양성자 빔에 조사된 ALPIDE에서 문턱값이 측정되지 않는 현상과 ALPIDE와 캐리어 보드의 기판인 PCB (Printed Circuit Board)가 겹쳐있는 부분과의 연관성을 확인하기 위해, PCB 모형이 칩의 뒷면에 추가 부착된 칩을 이용한 실험을 수행하였다. 앞서 Fig. 4에서 수행된 결과와 비교가 필요하지만, 누적선량의 효과를 최소화하기 위하여, 가장 작은 선량(71.2 Gy)에 대해서만 실험되었던 ALPIDE칩 12B-B5을 사용하였다. Figure 6과 같이 삼각형 PCB 모형(두께 1.7 mm FR-4 유리 섬유 강화 에폭시 수지)을 칩의 뒷면에 위치하도록 하되, ALPIDE 칩에 직접 접촉되지 않고 적정거리(50 μm)를 유지하도록 투명한 캡톤 테이프(Nitto사의 P221, 폴리이미드) 로 칩이 결합된 캐리어 보드의 뒷면 가장자리에 고정하였다. 이 때, ALPIDE가 받는 조사 선량을 높이기 위해서 빔에너지를 54 MeV로 낮추었으나, 입자의 최대선속이 4.310·10⁷ cm^-2s^-1, 총 조사시간이 107분에 불과하여 결과적으로 총 누적선량 370 Gy까지에 대해서만 측정할 수 있었다. 이 측정결과는 Fig. 4에서 보인 71.2 Gy에서의 평균 전하문턱값인 100(e)에서 시작하여 90(e)정도까지 완만히 감소하는 경향을 보였다. 즉, 문턱값 오류를 보이는 픽셀들은 평균 문턱값에서 제외되므로, Fig. 4의 대부분의 결과들과 동일한 경향을 보임을 확인하였다.

Figure 6. (Color online) ALPIDE chip 12B-B5 backside with a triangle shape of the PCB material fragment.

단지, 누적선량 311 Gy에서 측정한 ALPIDE칩 12B-B5의 문턱값 지도(Fig. 7(a))를 보면, 기존의 ALPIDE칩 12B-A6을 사용하였을 때의 결과인 Fig. 5(a)와 달리 삼각형 PCB 모형이 위치한 영역에서 눈에 띄게 문턱값 측정오류가 발생한 픽셀(흰색)이 많음을 발견할 수 있다. 칩의 영역별로 측정오류가 발생한 픽셀의 개수를 비교하기 위해 Fig. 7(a)와 같이 5개 구역으로 나눴다. 삼각형 PCB 모형이 위치한 영역(PCB Fragment), 왼쪽열(Left), 가운데열(Mid), 오른쪽부분(Right) 그리고 아래행부분(Bottom)의 5개 영역으로 나누고, 각 영역에서 누적선량이 증가할수록 해당 영역 전체의 픽셀 수(N_area) 대비 문턱값 측정오류가 나타난 픽셀(null pixel)의 개수(N_null)의 비율을 도출하였다. 그 결과는 Fig. 7(b)와 같다. 모든 영역에서 급격히 증가하다가 약간 감소하는 경향을 보이지만, 영역별로 그 정도가 다름을 확인할 수 있다.

Figure 7. (Color online) Beam test with ALPIDE attached PCB material fragment. (a) Threshold map of the ALPIDE chip 12B-B5 after irradiation, (b) the ratio of the number of null pixels to the total number of pixels in each specified region as a function of the accumulated dose.

특히 왼쪽열(Left), 가운데열(Mid), 오른쪽부분(Right) 영역에서는 모두 동일하게 약 10% 수준에 그치는 반면, 아래행 부분(Bottom) 영역에서는 30%, 삼각형 PCB 모형 영역(PCB Fragment)에서는 17% 정도의 유의미한 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 결론적으로, 문턱값의 측정오류를 보이는 픽셀의 개수가 ALPIDE 칩 뒷면의 물질과 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 문턱값의 측정오류는 문턱값 측정을 위해서 전자펄스를 주입하기도 전에 신호 측정이 이루어질 때 나타나는 오류로서, 칩 뒷면의 물질때문에 문턱값 측정오류가 나타난다는 것은, 결국 칩 근처에서 방사화된 물질이 입자를 칩에 가신호(Fake hit)를 유발한 것으로 보인다. 이같은 효과는 ALPIDE의 전원을 껐다 켜도 한동안 유지되었으며, ALPIDE의 뒷면에 물질이 없는 곳에서도 10% 정도로 발견되었다는 점도 주목할 필요가 있는데, 특히 Fig. 5에 빨간 실선으로 표시된, PCB와 겹쳐있는 위의 양쪽 귀퉁이 영역에서는 유의미한 차이가 관찰되지 않음을 확인하였다. 이는 삼각형 영역과 달리, 칩 뒷면 물질의 방사화라는 결론과 배치되지만, 동시에 문턱값의 스캔이 통상적으로 맨위 행부터 시작하여 다른 행들은 모두 마스킹된 채로 상당한 시간동안 진행된다는 점에서, 문턱값 측정오류가 픽셀 시그널의 수집순서와 마스킹의 영향을 배제할 수 없으므로, (1) 방사선원을 이용한 입자를 직접 조사시켜 문턱값 측정 오류여부를 확인하되, (2) 문턱값 스캔의 순서와 (3) 마스킹방식을 바꾸어 가며, 다음의 추가 실험을 진행하였다.

2. 방사선원 입자 조사 실험

Section II 1에서 얻은 중간결론에 근거하여, 방사선원(선원)을 활용하여 입자를 조사하는 실험을 수행하였다. 방사선 선원으로는 빔라인만큼의 충분한 선량을 받을 수는 없기 때문에 누적 선량에 의한 효과를 재현할 수는 없다. 하지만 기존의 문턱값 측정오류가 칩 뒤의 방사화된 물질에서 방출된 입자들이 유발한 가신호(fake hit)효과인지를 확인하기에는 충분하다. 따라서, 선원을 이용한 실험은 누적선량이 아닌, 문턱값 스캔중 입사하는 입자의 영향을 보는 실험이므로, 만약에 문턱값 측정오류의 문제가 누적된 선량에 의한 회로적인 문제라면 측정오류가 일어나지 말아야 하며, 입사하는 입자가 원인이라면 입자가 입사하는 픽셀들에, 문턱값 측정오류가 나타날 것이다.

실험 셋업은 앞서 수행한 양성자 빔에서의 조사실험과 동일한 ALPIDE 및 캐리어 보드와 데이터수집장치를 활용해 진행하되, PCB 물질 조각을 부착하지 않은 ALPIDE를 사용하고, ALPIDE의 중앙에 빔 대신에 방사선 선원을 조사시켰으며, Fig. 8과 같이 2655Fe 동전 모양의 선원(31 MBq)을 설치하였다.

Figure 8. (Color online) Setup for the X-ray (5.9 keV) source of 2655Fe.

1) 문턱값 스캔에 대한 선원의 영향 측정

선원을 올려둔 채로 ALPIDE의 문턱값 측정을 3분 30초에 걸쳐 진행하였다. 선원으로부터 나오는 입자의 분포를 확인하기 위해 같은 시간 히트맵(Hit map)을 따로 측정하고 비교하였다. 히트맵이란, 입자가 ALPIDE의 각 픽셀에 검출된 횟수를 나타낸 2차원 히스토그램이며, 문턱값 측정과 동시에 측정할 수는 없다. 단지, 문턱값 스캔은 전체를 마스킹했다가 위에서부터 아래로 한행씩 마스킹 해제와 재마스킹을 반복해야 해서 상당한 시간이 소요되는 것과 달리, 히트맵은 별도의 펄스주입 작업이 필요없기 때문에, 각 픽셀의 신호를 한꺼번에 수집할 수 있다.

그 결과는 Fig. 9와 같다. Figure 9(a)는 모든 픽셀에 대한 문턱값 스캔의 결과인 문턱값 지도이고, Fig. 9(b)는 픽셀에 입자가 검출된 누적값을 나타낸 히트맵이다. 입자가 입사한 픽셀과 문턱값 오류가 나타난 픽셀을 정확하게 비교하기 위해서, (a)와 (b)를 각각 값이 나온 픽셀은 1, 값이 없는 픽셀은 0으로 이진법 지도(binary map)로 만들고, 그 차이를 (c)에 나타냈다. 단지, 문턱값 측정의 경우 오류가 나타난 픽셀(null pixel)이 우리의 관건이므로, 이진값을 거꾸로(not(bin(a))) 하여 차이((c) = bin(b) - not(bin(a)))를 구하였다. 결론적으로 (c)는 1, 0, -1만이 분포하며, 이로부터 다양한 경우의 수를 분석하였다. 결과적으로 Table 2에서 나타냈듯이 (c)에서의 값이 1인 노란색 픽셀은 히트맵에서 입자가 입사하였지만(Hit=bin(b)=1) 문턱값 측정오류가 일어나지 않은(not(bin(a))=0) 픽셀이며, 값이 0인 초록색 픽셀은 히트맵에서 입자가 입사하였고(Hit=bin(b)=1) 문턱값 측정오류가 일어난(not(bin(a))=1) 경우이거나, 아무 입자도 입사하지 않고(No hit = bin(b) = 0) 문턱값 측정오류도 일어나지 않은(not(bin(a))=0) 픽셀의 경우이다. 마지막으로 Fig. 9(c)에서 많이 보이진 않지만 파란색으로 표시된 -1은, 아무 입자도 입사하지 않았음에도(No hit = bin(b) = 0) 문턱값 측정오류는 일어난(not(bin(a))=1) 경우가 된다.

Table 2

Case study for the Fig. 9(c).

	Null threshold (1)	Not null (0)
Hit(1)	green	yellow
No hit(0)	blue	green

즉, Fig. 9(c)에서 초록색으로 나타난 픽셀들은 당초의 예상대로 입자가 입사해서 문턱값 측정에 오류가 일어났거나, 입자가 입사하지 않았기 때문에 문턱값 측정오류가 없었던 픽셀들이다. 주로 ALPIDE의 중심영역에 분포한다. 값이 1인 노란색 픽셀들은 입자가 입사하였음에도 불구하고 문턱값 측정오류가 일어나지 않은 픽셀들로 주로 칩의 윗부분에 분포하며, 이러한 현상은 Fig. 5(b)에서 ALPIDE의 위쪽 귀퉁이 부분이 캐리어 보드와 겹치지만 Fig. 5(a)에서는 문턱값 측정에 이상이 없는 현상과 유사하다. 마지막으로 값이 -1인 파란색 픽셀들은 입자가 입사하지 않았음에도 문턱값 측정오류가 있는 픽셀들인데, 원래부터 오류가 있는 한 열 외에 거의 관찰되지 않았다. 즉, 이 실험으로 문턱값 측정 중 입사하는 입자가 문턱값 측정오류의 원인임을 확인하였다.

하지만 노란색의 경우처럼 입사 입자가 없음에도 문턱값 측정오류가 일어난 경우는 여전히 논리적으로 모순된다. 특히 Fig. 9(c)에서 노란색과 초록색 픽셀들의 분포를 조금 더 자세히 살펴보면, 이것이 Fig. 9(b)보다도 Fig. 9(a)의 분포와 유사하게 아래쪽 행으로 갈수록 더 넓게 퍼져 있는 것을 볼 수 있는데, 여기서 (a)와 (b)가 서로 측정되는 과정과 시간이 다르다는 것을 유의할 필요가 있다. 즉, 픽셀의 히트맵 의 경우는 픽셀의 검출신호가 직접적으로 거의 한꺼번에 데이터수집장치로 기록되는 반면[2, 5], 문턱값의 스캔은 위에서부터 한 행씩 모든 행을 스캔하는 데 무려 3분 30초의 시간이 소요된다는 것이다. 따라서, 문턱값의 스캔에는 순서가 있으며 위쪽 행과 아래쪽 행이 동시에 스캔되지 않기에 문턱값의 스캔 과정에서 순서의 영향을 추가적으로 살펴보았다.

2) 스캔 순서에 의한 영향 측정

문턱값 스캔은 기본적으로 위 행에서 아래 행의 순서로 진행되지만 스캔의 순서가 미치는 영향을 확인하기 위하여 문턱값 스캔을 다양한 순서로 진행하는 실험을 수행하였다. 문턱값 측정오류 현상이 ALPIDE가 입자를 검출하는 물리적인 문제라면 스캔 순서와 상관없이 Fig. 9(a)와 유사한 결과가 나올 것이고, 스캔 순서와 관련된 현상이라면 분명한 차이를 보여야 한다. 실험 장치는 Fig. 8과 동일하며 문턱값을 측정하는 제어 프로그램으로 스캔 순서를 바꿔가며 측정을 진행하였으며, 그 결과는 Fig. 10과 같다. 각 그림에 화살표 방향으로 측정순서를 나타냈다.

Figure 10. (Color online) Threshold maps for various order of the threshold scan (a), (b), (c) and (d). The order and directions are denoted as the arrows with numbers. Each row is scanned at once.

주로 문턱값을 측정한 방향대로 먼저 측정한 행은 문턱값 측정 오류가 적고 나중에 측정할 수록 문턱값 측정 오류가 많이 발생하였다. 결론적으로, 측정오류의 발생빈도가 스캔 순서에 따라 확실하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 즉, 칩의 어디에서 어떻게 시작하든, 공통적으로 먼저 읽는 행이 측정오류가 가장 적으며, 읽는 순서가 늦은 행일수록 측정오류가 많이 발생하는 것을 발견할 수 있다. 참고로, 본 실험의 모든 과정에서 방사선원에서 방출된 입자가 칩의 중심부에 지속적으로 조사되고 있었기 때문에, Fig. 5(a)와 Sect. II 1에서 얻은 결론은 여전히 유효하지만, 문턱값 스캔순서는 추가적으로 측정오류의 빈도에 영향을 미치는 것으로 보인다. 이러한 현상이 문턱값 스캔에서만 작용하는지 확인하기 위하여 히트맵 측정에도 문턱값 스캔과 같이 한 행씩 측정하는 순서를 적용하여 유사한 현상이 일어나는지 확인하였다.

Figure 11은 위에서부터 아래로 한 행씩 픽셀에 입사하는 입자의 검출 횟수를 측정한 히트맵이다. 히트맵임에도 불구하고, Fig. 9(b)와 상당히 다르며, 오히려 Fig. 9(a)와 유사하게 먼저 스캔한 ALPIDE의 위에서는 입자의 검출 횟수가 적고, 나중에 스캔한 ALPIDE의 아래에서는 검출횟수가 많아진 것을 확인할 수 있다. 이 두 결과를 통하여 스캔에 있어서 순서가 중요하게 작용하며 이는 문턱값 지도만의 문제가 아님을 확인할 수 있었다. 순서를 구현하는 데에 있어서 마스킹 해제와 재마스킹을 반복했기 때문에, 마스킹의 영향에 대한 실험을 추가적으로 수행하였다.

Figure 11. (Color online) Hitmap scanned one row at a time.

3) 마스킹 방식에 의한 영향 측정

마스킹을 한 채로 방사선 선원의 히트맵을 측정하면 아무것도 측정이 되지 않지만, 이것이 픽셀의 검출기능까지 정지시키는 것인지, 픽셀의 검출기능으로 인해 신호를 발생시키지만 이것을 수집하지 않는 것인지를 분명히 할 필요가 있다. 나중에 스캔되는 행일수록 마스킹 되어있는 채 선원에 노출되는 시간이 길어지므로 마스킹의 구체적인 작용에 따라 결과가 달라질 것이며, 문턱값 스캔에서 늦게 읽을수록 측정오류의 빈도가 높아지는 것이 실제 입사하는 입자에 대한 노출시간이 늘어나기 때문인지를 확인할 수 있기 때문이다. 이러한 점을 확인하기 위해서 마스킹을 한 채로 방사선원에 일정시간 노출시킨 후, 마스킹을 해제하고 나서의 히트맵을 측정하였다. 단지, 마스킹 되었을 때 입사한 입자의 효과만을 보기위해, 방사선 선원을 제거하고 히트맵을 측정하였다.

Figure 8과 같이 장비를 구성하고 ALPIDE를 작동시키고 모든 픽셀에 대해 마스킹을 실행한 후, 마스킹 된 채로 선원에 조사하는 시간을 달리해가면서, 선원을 제거하고 히트맵을 측정했다. 이 실험을 통하여 원래 마스킹을 해제한 채로 측정하는 히트맵과의 비교를 통해 마스킹과 관련된 효과를 확인할 수 있으며, 방사선 선원에 노출되는 시간에 따른 의존도를 확인할 수 있다.

Figure 12(a)와 (b)는 각각 30초, 5분 동안 방사선 선원에 노출 되었을 때의 실험 결과이다. 우선 둘 다 실제로 입자가 입사할 때는 히트맵을 마스킹 한 채 측정하지 않았고, 선원을 제거한 후 마스킹을 해제하고 히트맵을 측정하였다. 우선 방사선 선원을 제거하였음에도 신호가 읽힌다는건 마스킹을 해제하기 전에 신호가 생성되었다는 것을 의미한다. 또한 (a)와 비교해서 (b)가 히트맵의 면적은 더 넓지만, z축의 최댓값은 3으로 동일하다. Section I에서 언급했듯이, Fig. 2(c)의 픽셀내부회로에서 디지털로 처리되는 신호의 다중 이벤트 저장소의 개수가 3임을 참고하면[2], 선원에 대한 노출시간이 길어짐에 따라 각 픽셀에 있는 다중 이벤트 저장소를 가득 채운 픽셀들의 면적이 넓어지고 있음을 의미한다. 이는 명백하게, 마스킹되어 있는 동안 신호수집은 차단되지만, 생성된 신호들이 각 픽셀의 저장소를 채우게 되며, 선원을 제거한다고 해도 이 저장소에 쌓인 신호는 마스킹을 풀고 데이터를 수집할 때까지 유지되는 것으로 보인다. 특히, 마스킹이 된 채로도 선원에 노출되는 시간이 길어지면, 각 픽셀의 저장소는 그 한계에 달할 수 있지만, 통계적으로 더 많은 픽셀들의 저장소에 쌓이게 되어 전체적으로 많은 픽셀들에 신호가 나타나며, 이로 인해 문턱값 측정오류가 더 많이 유발되는 것으로 결론지을 수 있다.

Figure 12. (Color online) Hitmaps scanned without the source after irradiation with masking all pixels for (a) 30 seconds, (b) 5 minutes.

ALPIDE의 문턱값 지도에서의 문턱값 측정오류 발생빈도가 높은 영역이 마침 ALPIDE와 캐리어 보드가 겹쳐진 부분이었다는 관찰에서 시작하여, ALPIDE 뒷면에 위치한 특정 물체의 영향인지를 확인하기 위해 특정 모양의 PCB 조각을 위치시킨 채 빔에 조사시킨 첫 실험 Sect. II 1을 수행하였다. 그 문턱값 지도를 측정한 결과, Fig. 7(a)와 같이 ALPIDE가 캐리어 보드와 겹치는 아래 부분뿐만 아니라 PCB 조각의 근처에서도 문턱값의 측정오류가 발생하는 것을 확인하였다. 이를 통해 방사화된 물질로부터 방출되는 입자에 의한 것임을 확신하였으나 ALPIDE의 윗부분에서 캐리어 보드와 겹치는 부분에서는 문턱값 측정에 이상 현상이 없는 것에 대해서 설명할 수 없었다.

이를 확인하기 위해 방사선 선원을 이용하여 입자가 입사하는 상황을 실험으로 재현하였다. 그 결과, Fig. 9(c)에서 확인할 수 있듯이, 문턱값의 측정오류의 대부분이 입자가 입사한 픽셀때문임을 확인할 수 있었으나, 입자가 입사함에도 불구하고 문턱값 측정오류가 발생하지 않는 현상이 주로 ALPIDE의 윗부분에서 나타남을 다시 확인하고, 문턱값 스캔과 히트맵의 데이터 수집과정의 차이에 주목하였다.

문턱값 스캔은 모든 픽셀들을 마스킹한 채, ALPIDE의 위에서 아래쪽으로 순서로 진행하기에 스캔 순서 및 마스킹의 효과에 대한 추가 실험을 수행하였다. 한 행씩 마스킹 해제 및 재마스킹의 순서를 다양하게 변화시켜 본 결과, Fig. 10과 같이 문턱값 측정오류의 빈도가 측정 과정의 순서에 영향을 받는 것을 확인하였다. 또한 히트맵 스캔에서도 문턱값 스캔과 마찬가지로 모든 행에 대하여 순서대로 측정하여 Fig. 11의 결과를 얻었으며 이는 방사선 선원 아래에서 문턱값을 측정한 결과인 Fig. 9(a)와 유사한 양상을 보였다. 이로 인하여 ALPIDE에 기대치 않게 입사하는 입자의 영향 이외에 순서에 의해 생기는 또다른 추가적인 문제가 있음을 확인하였다.

마지막으로 마스킹이 어떻게 문턱값에 영향을 주는지에 관한 실험을 수행하였다. 마스킹한 상태에서 일정 시간 선원에 조사시킨 후, 선원을 제거하고 마스킹을 해제한 뒤에 히트맵을 측정함으로써 Fig. 12와 같은 결과를 얻었다. 이를 통해, 입자가 입사할 때 마스킹 여부와 무관하게 신호는 발생하고 픽셀 내부 회로의 저장소에 저장되어, 선원을 제거한 후에도 수집될 수 있음을 확인하였다. 선원에 노출되는 시간이 길어질수록 신호가 저장된 픽셀의 갯수와 면적은 넓어지고, 개개 픽셀에 저장된 신호의 갯수는 늘어나 각 픽셀의 최대 저장치(3)에 도달하며, 마스킹을 해제하고 데이터 수집시 최대값이 검출된다. 따라서, 문턱값은 일반적으로 위쪽 행부터 측정되기 때문에, 위쪽 행의 경우, 해당 행이 측정되기 전까지 입자가 적게 입사하므로 마스킹 해제 전까지 잔류 신호가 적게 남아있게 되고 문턱값 측정에 이상이 비교적 적게 생기게 되므로, 문턱값 지도의 윗부분에서 문턱값 측정오류가 생기지 않은 것으로 결론지을 수 있다.

칩의 연구개발 및 테스트 단계에서, 칩에 빔을 직접 조사하는 경우가 많은데, 캐리어 보드와 겹치는 면적이 넓을수록 더 많은 입자들이 산란한다. 그래서 캐리어 보드에 ALPIDE를 탑재할 때 최대한 그 면적을 좁게 하는데, 본 연구 결과도 그래야 하는 이유를 뒷받침한다. 본 연구의 결과는 마스킹을 해제하면서 저장소에 저장되어있는 신호를 지우지 않음으로써 생기는 문턱값 측정오류에 대한 현상이다. 사실상 실제 실험에서는 히트맵과 같이 데이터 수집이 빠른 속도로 이루어지면서 동시에 저장소를 비우게 되므로 문제가 발생할 염려는 없으나, 문턱값 스캔과 같이 마스킹-해제-재마스킹이 이루어지는 동안 픽셀의 저장소가 읽어들이는 순서에 따라, 위치에 따른 경향성을 유의할 필요가 있다. 따라서, 픽셀 내부 회로에 의해 마스킹 및 신호가 저장 되는 검출기의 경우, 여러 측정을 진행함에 앞서 픽셀의 저장소에 이미 저장되어 있을 수 있는, 필요치 않은 신호 정보의 리셋에 대한 주의가 필요하다.

본 연구는 실험 데이터 분석을 위한 데이터 송수신과 모의 실험 자료 송수신에 국가과학기술연구망(KREONET)을 활용하였으며, 데이터 분석에 GSDC의 KIAF 컴퓨팅 자원을 활용하였습니다. 이 논문은 부산대학교 기본연구지원사업(2년, 2021.03 -- 2023.02)의 지원에 의한 연구결과입니다.