La mesure constitue un préalable indispensable au développement des sciences et à la mise en œuvre des techniques. D’un point de vue très général, la mesure peut être assimilée à l’évaluation quantitative d’un phénomène. Selon la situation, pour choisir un procédé de mesure approprié, il est indispensable de posséder une connaissance suffisante des méthodes de la métrologie et de leurs mises en œuvre. Ainsi l’utilisation d’un appareil de mesure nécessite de connaître le fonctionnement de ses mécanismes internes pour mieux appréhender les résultats de mesure et d’éviter les interprétations erronées. En vertu du principe d’incertitude, l’évaluation d’un phénomène est toujours entachée d’une erreur, aussi minime soit-elle. Pour faire une mesure, on utilise un ou plusieurs appareils qui introduisent des erreurs. Tout système de mesure ne donne donc qu’une image plus ou moins fidèle du phénomène à observer. Les erreurs expérimentales sont essentiellement dues aux défauts des appareils de mesure (générateurs instables …), à l’expérimentateur (répétitivité des connexions, erreurs de lecture…) et enfin à l’environnement de la mesure (température, pression, interférence électromagnétique) [Cunningham 81]. Ces erreurs modifient le résultat de la mesure idéale.. Il est donc essentiel de pouvoir obtenir une mesure fiable et précise. La correction des erreurs de mesure se fait en quatre étapes :
• 1ère : Identification des différentes sources d’erreur.
• 2ème : Elaboration d’un modèle permettant de prendre en compte l’ensemble des erreurs recensées et de quantifier leurs influences sur la mesure.
• 3ème : Extraction des termes d’erreurs du modèle. Cette étape nécessite la mesure d’éléments dits ETALONS.
• 4ème : Elimination des erreurs de mesure sur la mesure réellement effectuée. L’ensemble des trois premières étapes constitue la procédure dite de calibrage ou étalonnage. D’une certaine manière, l’étalonnage consiste à mesurer des dispositifs particuliers plus ou moins bien connus, que l’on appelle étalons, pour déterminer les erreurs systématiques du système avant d’effectuer la mesure du composant .

Les paramètres S (scattering parameters) constituent des grandeurs de base de l’électricité-magnétisme dans le domaine radiofréquence. Ils sont exprimés par rapport à une valeur d’impédance dite de référence et sont mesurés à l’aide d’un analyseur de réseau vectoriel (Vector-Network Analyzer (VNA)).

C’est à la fin des années 1960, que le premier analyseur de réseau vectoriel entièrement automatisé avec des possibilités de mesure de haute précision a été présenté [Hackborn 1968], [Adam 1968]. Depuis, l’enjeu consiste à introduire des techniques de mesures de plus en plus complexes mais fiables en utilisant l’analyseur de réseau vectoriel (VNA). Il est également important que l’algorithme de calibrage du VNA permette d’étalonner le système sur une large bande de fréquence. De ce fait, plusieurs événements clefs pendant les années 1970-1990, ont considérablement amélioré l’état de l’art des mesures réalisées en utilisant le VNA. Parmi ceux-ci, on peut citer le développement:

• des techniques de calibrage fiables (TRL) (Thru – Reflect – Line) [Engen 1979].
• des kits de calibrage et des kits de vérification de VNA contenant des dispositifs appropriés pour calibrer le VNA ou vérifier sa performance.
• des VNA six-portes [Engen 1977] utilisés par des laboratoires nationaux de métrologie comme le National Institute of Standards and Technology (NIST) aux Etats-Unis, le National Physical Laboratory (NPL) au Royaume-Uni ou le Laboratoire National de Métrologie et d’Essais (LNE) en France [Bergeault 91] afin de fournir une méthode de mesure indépendante permettant de vérifier la performance des analyseurs disponibles dans le commerce.

Finalement, c’est vers la fin des années 1980 et au début des années 1990, que certains des laboratoires nationaux de métrologie tels que le NIST et le NPL ont commencé à s’intéresser à la fiabilité des mesures sur des circuits planaires (comme les mesures sur-wafer) [Andrej 2008]. Ces laboratoires ont proposé des méthodes de calibrage et des étalons sur wafer [Williams 1990], [Bannister 1992] à partir de lignes coplanaires et/ou microruban, ou bien des charges adaptées.

Le choix d’un calibrage particulier est déterminé par la bande de fréquence et la précision nécessaire pour la mesure du dispositif à tester. Quand les dispositifs sont sur wafer, comme dans le cas des circuits intégrés monolithiques micro-ondes (MMIC), il devient nécessaire de considérer quelques autres paramètres comme par exemple des critères géométriques. La méthode de calibrage de l’analyseur de réseau vectoriel la plus couramment utilisée pour les mesures sur wafer est la technique TRL (Thru – Reflect – Line) [Engen 1979].

L’inconvénient d’une telle méthode réside principalement dans sa limitation en bande de fréquence. La technique modifiée dite « multiline TRL » [Marks 91] permet de s’affranchir de ce problème en utilisant plusieurs lignes de transmission de longueurs différentes. Pour ces deux méthodes, l’impédance de référence des paramètres S est l’impédance caractéristique Zc de la ligne qui peut être déterminée après mesure de la capacité linéique des lignes de transmission [Marks et Williams 1991]. Connaître Zc permet alors de changer d’impédance de référence et de normaliser les paramètres S par rapport à une impédance strictement égale à 50 Ω. La technique multiline TRL est l’algorithme de calibrage le plus précis et est de ce fait considéré comme étant la méthode de référence pour les mesures sous pointes. Son inconvénient est qu’elle nécessite une grande place sur le wafer et donc un coût et un temps de mesure élevés.

Pour remédier à ces inconvénients, Eul et Schiek ont proposé d’autres techniques en remplaçant la ligne de transmission de la méthode TRL par une charge 50 Ω (méthode TRM : Thru –Reflect –Match) ou un atténuateur (méthode TAR : Thru- Attenuator -Reflect) [Eul et B. Schiek 91]. La méthode TRM est très utilisée mais se pose alors le problème de la détermination de l’impédance de référence (modèle électrique précis de la charge adaptée MATCH).

La procédure LAR (Line-Attenuator-Reflect) pourrait constituer une alternative très intéressante à ces méthodes de calibrage puisqu’elle permet d’obtenir une large bande de mesure avec un nombre limité d’éléments de référence et donc de surface sur le wafer. Toutefois, il s’avère indispensable de déterminer l’impédance de référence qui est alors l’impédance d’entrée et/ou de sortie de l’atténuateur afin de ramener les mesures sur une impédance strictement égale à 50 . Bien que certains analyseurs de réseau récents intègrent la procédure de calibrage LAR (Agilent), les travaux de recherche concernant la traçabilité et la précision de cette technique sont quasi inexistants. C’est pourquoi le LNE a décidé de mener des recherches en ce sens afin de proposer, en tant que laboratoire primaire de métrologie, des nouvelles méthodes et des solutions pour estimer les potentialités du calibrage LAR.