Jury :

• Pr. Valérie Vigneras (Rapporteur), ENSCBP-Bordeaux INP
• Pr. Valérie Madrangeas (Rapporteur), Xlim, Limoges
• Pr. Guillaume Ducournau (Examinateur ), Univ. Lille
• Dr. Johannes Hoffmann (Examinateur), METAS, Bern
• Dr. Joao Azevedo Goncalves (Invité), STMicroelectronics, Crolles
• Dr. Djamel Allal (Invité), LNE, Paris
• Pr. Kamel Haddadi (Directeur de thèse), Univ. Lille

Summary:

Dans le contexte général de l’industrie européenne de la nanoélectronique, il est nécessaire de développer de nouvelles techniques et de nouveaux instruments de caractérisation sous pointes pour la validation précise et fine de circuits destinés à des applications haute fréquence (HF). Pour faire progresser la miniaturisation des dispositifs à haute fréquence, de nouvelles questions métrologiques liées à la caractérisation dimensionnelle et électrique doivent être abordées. Un instrument universel de caractérisation des dispositifs à radiofréquences (RF) consiste en un analyseur de réseau vectoriel (VNA), une station de mesure équipée d’une paire de sondes micro-ondes Ground-Signal-Ground (GSG) alignées manuellement ou automatiquement au moyen d’un microscope ou d’un système de caméra sur des substrats d’étalonnage et des dispositifs sous test (DUT). Les structures de test RF conventionnelles nécessitent des tampons (structures de contact) spécifiques pour s’adapter à la géométrie de la pointe de la sonde. Le positionnement de la sonde sur la structure de test CPW génère des erreurs de mesure de désalignement qui affectent la reproductibilité de la mesure. En outre, les dispositifs présentent des impédances extrêmes par rapport à l’impédance de référence 50 Ω du VNA, ce qui se traduit par une sensibilité et une précision de mesure médiocres.
Pour relever ce défi, une nouvelle station de mesure sous pointe entièrement automatisée et robotisée a été conçue et construite à partir de zéro. Les sondes de mesure ainsi que le porte échantillon accueillant le dispositif sous test sont montés sur des nano-positionneurs piézoélectriques du constructeur SmarAct®. La vision du contact sondes – au – composant sous test est assurée par une caméra microscope haute résolution. Un analyseur de réseau vectoriel Streamline Keysight® a été intégré à la station afin d’obtenir une solution compacte au plus près des sondes et réduire ainsi les erreurs non systématiques inhérentes aux variations de l’environnement. Enfin, un programme de pilotage des sondes et du porte échantillon automatique basé sur la reconnaissance d’image a été développé avec le logiciel LabVIEWTM.
Mots clés: mesures hyperfréquences, mesures sous pointes, analyseur de réseaux vectoriel, métrologie haute fréquence, calibration, traçabilité électrique, nano-robotique, automatisation.

Abstract:

In the general context of the European nanoelectronics industry, there is a need to develop new sub-tip characterization techniques and instruments for the precise and fine validation of circuits intended for high-frequency (HF) applications. To advance the miniaturization of high-frequency devices, new metrological issues linked to dimensional and electrical characterization need to be addressed. A universal instrument for characterizing radio-frequency (RF) devices consists of a vector network analyzer (VNA), a measuring station equipped with a pair of Ground-Signal-Ground (GSG) microwave probes aligned manually or automatically by means of a microscope or camera system on calibration substrates and devices under test (DUTs). Conventional RF test structures require specific pads (contact structures) to adapt to the geometry of the probe tip. Positioning the probe on the CPW test structure generates misalignment measurement errors that affect measurement reproducibility. In addition, the devices exhibit extreme impedances compared to the 50 Ω reference impedance of the VNA, resulting in poor measurement sensitivity and accuracy.
To meet this challenge, a new, fully automated and robotized sub-peak measurement station was designed and built from scratch. The measurement probes and the sample holder housing the device under test are mounted on piezoelectric nano-positioners from the manufacturer SmarAct®. A high-resolution microscope camera is used to monitor the contact between the probes and the component under test. A Keysight® Streamline vector network analyzer has been integrated into the station to provide a compact solution close to the probes, thus reducing the non-systematic errors inherent in environmental variations. Last but not least, a program for controlling the probes and automatic sample holder based on image recognition was developed using LabVIEWTM software.
Keywords: microwave measurements, sub-peak measurements, vector network analyzer, high-frequency metrology, calibration, electrical traceability, nano-robotics, automation.