Imec poprvé demonstruje výrobu polovodičových nanoportů na waferové úrovni pomocí EUV-litografie

Imec provádí průkopnickou práci při výrobě pevných nanopor ve velikosti waferu (300 mm) pomocí EUV litografie, jak je vidět na fotografii. © imec / Imec průkopníkem výroby pevných nanopor na celé waferové velikosti (300 mm) s EUV litografií, jak je znázorněno na fotografii. © imec

Průřez a pohled shora v TEM: Vyrobená polovodičová nanodíra. / Průřez a pohled shora v TEM na vyrobenou polovodičovou nanodíru,

Průřez a pohled shora v TEM: Vyrobená polovodičová nanopora. / Cross-sectional and top-view TEM of the fabricated solid-state nanopore,

1. Imec dosáhla prvního úspěšného výroby polovodičových nanopór v rámci waferu pomocí EUV litografie na 300mm waferech. Tato inovace přeměňuje technologii nanopór z konceptu v laboratoři na škálovatelnou platformu pro biosenzory, genomiku a proteomiku.
2. Nanopory jsou chváleny jako klíčový pokrok v genomice a proteomice, avšak dosud nebyly polovodičové nanopory vyráběny ve velkém měřítku kvůli variabilitě a problémům s integrací. Průlom od Imec otevírá cestu k CMOS-kompatibilním biosenzorovým mřížkám s vysokou propustností, které by mohly urychlit personalizovanou medicínu, rychlou diagnostiku a ukládání molekulárních dat.
3. Výroba nanopór v rámci waferu pomocí EUV litografie na 300mm waferech s velikostí přibližně 10 nm a vysokou rovnoměrností na waferu. Proces výroby je slibný a s dalšími vylepšeními technik integrace procesu je možné dosáhnout otvorů menších než 5 nm. Charakterizace elektrické a biomolekulární translokace ukázala vysoký signál-šum poměr 6,2.

Na letošní IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2025) představí imec, přední globální výzkumné a inovační centrum pro pokročilé polovodičové technologie, první úspěšnou výrobu polovodičových nanopór v rámci waferu pomocí EUV litografie (Extreme Ultraviolet Lithography). Polovodičové nanopory se vyvíjejí jako výkonné nástroje pro molekulární senzory, avšak zatím nejsou komerčně dostupné. Tento důkaz proveditelnosti je klíčovým krokem na cestě k jejich cenově efektivní (hromadné) výrobě.

Polovodičové nanopory jsou malé otvory o velikosti jen několika nanometrů, vyřezané do křemíkových nitridových membrán. Pokud jsou ponořeny do kapaliny a spojeny s elektrodami, umožňují průchod jednotlivých molekul a vytvářejí elektrické signály, které lze analyzovat v reálném čase. Díky snadné nastavitelnosti velikosti otvorů nabízejí široké spektrum použití, od identifikace virů po analýzu DNA a proteinů. Tato bezmarkerová detekční metoda jednotlivých molekul je klíčem k diagnostice příští generace, proteomice, genomice a dokonce i k aplikacím ukládání molekulárních dat.

Naopak biologické nanopory, které jsou vytvářeny proteiny v lipidových membránách, umožnily komerční platformy sekvenování, jsou však omezeny problémy s stabilitou a integrací. Polovodičové nanopory tyto omezení překonávají díky své odolnosti, nastavitelnosti a kompatibilitě s výrobou polovodičů, což je činí ideálními pro škálovatelnou vysokokapacitní senzory. Přesto je stále výzvou dosáhnout přesnosti a jednotnosti polovodičových porů na nanometrové úrovni na velkých plochách. Současné výrobní techniky jsou často pomalé a omezené na laboratoř, což zpomaluje jejich široké využití v senzorických aplikacích.

V nové práci, která bude představena na IEDM 2025, informuje imec o úspěšné výrobě vysoce homogenních nanopór s průměry až přibližně 10 nm na celých 300mm waferech. Tým kombinoval EUV litografii s technikou leptání založenou na distančních držácích, aby dosáhl přesnosti a reprodukovatelnosti na nanometrové úrovni – dva dlouhodobé problémy v technologii nanopórů.

Nanopory byly vloženy do membrán z křemíkového nitridu a elektricky charakterizovány v vodních prostředích. Translokace experimenty s DNA fragmenty rovněž potvrdily vysoký signál-šum poměr a vynikající chování při smáčení, což potvrzuje výkon senzoru nanopór s biologickým materiálem.

"Imec je v jedinečné pozici, aby tento skok umožnil. Můžeme EUV litografii – která je tradičně vyhrazena pro paměti a logiku – aplikovat na biovědy. Využitím naší litografické infrastruktury jsme ukázali, že polovodičové nanopory lze vyrábět ve velkém měřítku s přesností, která je nezbytná pro molekulární senzory," řekl Ashesh Ray Chaudhuri, hlavní autor a vedoucí výzkumu a vývoje v imec. „Toto otevírá dveře k vysokovýkonným biosenzorovým mřížkám pro zdravotnictví a další oblasti.“

Do budoucna může tento výkon umožnit rychlou diagnostiku, personalizovanou medicínu a molekulární otisky prstů. Na základě pokroků v EUV nanoporech nyní imec vyvíjí modulární systém čtení s škálovatelnou tekutinovou platformou jako základ pro vývoj aplikací relevantní chemie. Tým zve vývojáře nástrojů pro vědu o živé přírodě, aby tuto platformu využili k testování svých konceptů a požadavků.

Na IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2026 bude představena práce „A 256-Channel Event-Driven Readout for Solid-State Nanopore Single-Molecule Sensing with 193 pArms Noise in a 1 MHz Bandwidth“, která představí proof-of-concept ASIC čtečku vyvinutou v imec, podporující zákaznické nanopory příští generace.