Imec demonstriert erstmals mittels EUV-Lithographie die Herstellung von Halbleiter-Nanoporen im Wafermaßstab

Imec leistet Pionierarbeit bei der Herstellung von Festkörper-Nanoporen im Wafer-Maßstab (300 mm) mit EUV-Lithographie, wie auf dem Foto zu sehen. © imec / Imec pioneers full wafer-scale (300mm) production of solid-state nanopores with EUV lithography, as shown on photo. © imec

Querschnitt und Aufsicht im TEM: Die hergestellte Halbleiter-Nanopore. / Cross-sectional and top-view TEM of the fabricated solid-state nanopore,

Querschnitt und Aufsicht im TEM: Die hergestellte Halbleiter-Nanopore. / Cross-sectional and top-view TEM of the fabricated solid-state nanopore,

1. Imec hat die erste erfolgreiche Herstellung von Halbleiter-Nanoporen im Wafer-Maßstab mittels EUV-Lithographie auf 300mm-Wafern erreicht. Diese Innovation verwandelt die Nanoporen-Technologie von einem Konzept im Labormaßstab in eine skalierbare Plattform für Biosensorik, Genomik und Proteomik.
2. Nanoporen werden als entscheidende Entwicklung für die Genomik und Proteomik gepriesen, aber bis jetzt wurden Halbleiter-Nanoporen aufgrund von Schwankungen und Integrationsproblemen nie in Massenproduktion hergestellt. Der Durchbruch von Imec ebnet den Weg für CMOS-kompatible Biosensor-Arrays mit hohem Durchsatz, die die personalisierte Medizin, schnelle Diagnostik und die Speicherung molekularer Daten beschleunigen könnten.
3. Herstellung von Nanoporen im Wafer-Maßstab mit EUV-Lithographie auf 300-mm-Wafern mit einer Größe von ~10 nm und hoher Gleichmäßigkeit auf dem Wafer. Der Herstellungsprozess ist aussichtsreich, um mit weiteren Verbesserungen der Prozessintegrationstechniken Porengrößen unter 5 nm zu erreichen. Die Charakterisierung der elektrischen und biomolekularen Translokation ergab ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis von 6,2.

Auf dem diesjährigen IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2025) präsentiert imec, ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für fortschrittliche Halbleitertechnologien, die erste erfolgreiche Herstellung von Halbleiter-Nanoporen im Wafer-Maßstab mit Hilfe der EUV-Lithografie (Extreme Ultraviolet Lithography). Halbleiter-Nanoporen entwickeln sich zu leistungsfähigen Werkzeugen für die molekulare Sensorik, sind aber bisher noch nicht kommerziell verfügbar. Dieser Machbarkeitsnachweis ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu ihrer kostengünstigen (Massen-)Produktion.

Halbleiter-Nanoporen sind winzige - nur wenige Nanometer große - Löcher, die in Siliziumnitrid-Membranen geätzt sind. Wenn sie in eine Flüssigkeit eingetaucht und mit Elektroden verbunden sind, lassen sie einzelne Moleküle passieren und erzeugen elektrische Signale, die in Echtzeit analysiert werden können. Da die Porengröße leicht eingestellt werden kann, bieten sie eine breite Palette von Anwendungen, von der Virusidentifizierung bis zur DNA- und Proteinanalyse. Diese markerfreie Einzelmolekül-Detektionsmethode ist der Schlüssel für die Diagnostik der nächsten Generation, Proteomik, Genomik und sogar für Anwendungen zur Speicherung molekularer Daten.

Biologische Nanoporen hingegen, die von Proteinen in Lipidmembranen gebildet werden, haben kommerzielle Sequenzierungsplattformen ermöglicht, sind aber durch Stabilitäts- und Integrationsprobleme eingeschränkt. Halbleiter-Nanoporen überwinden diese Einschränkungen durch ihre Robustheit, Abstimmbarkeit und Kompatibilität mit der Halbleiterfertigung, was sie ideal für eine skalierbare Sensorik mit hohem Durchsatz macht. Es ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung, die Präzision und Einheitlichkeit von Halbleiterporen auf Nanometerebene über große Flächen zu erreichen. Die derzeitigen Herstellungstechniken sind oft langsam und auf das Labor beschränkt, was ihren weit verbreiteten Einsatz für Sensorikanwendungen verzögert.

In einer neuen Arbeit, die auf der IEDM 2025 vorgestellt wird, berichtet imec über die erfolgreiche Herstellung hochgradig homogener Nanoporen mit Durchmessern von bis zu ~10 nm über ganze 300-mm-Wafer. Das Team kombinierte die EUV-Lithographie mit einer auf Abstandshaltern basierenden Ätztechnik, um Präzision und Reproduzierbarkeit auf Nanometerebene zu erreichen - zwei seit langem bestehende Herausforderungen in der Nanoporentechnik.

Die Nanoporen wurden in Siliziumnitridmembranen eingebettet und in wässrigen Umgebungen elektrisch charakterisiert. Translokationsexperimente mit DNA-Fragmenten bestätigten ebenfalls ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis und ein ausgezeichnetes Benetzungsverhalten, was die Sensorleistung der Nanoporen mit biologischem Material bestätigt.

"Imec ist in einer einzigartigen Position, um diesen Sprung zu schaffen. Wir können die EUV-Lithografie - die traditionell für Speicher und Logik vorbehalten ist - auf die Biowissenschaften anwenden. Indem wir unsere Lithografie-Infrastruktur nutzen, haben wir gezeigt, dass Halbleiter-Nanoporen in großem Maßstab mit der Präzision hergestellt werden können, die für die molekulare Sensorik erforderlich ist", sagte Ashesh Ray Chaudhuri , Erstautor und F&E-Projektleiter bei imec. „Dies öffnet die Tür zu Biosensor-Arrays mit hohem Durchsatz für das Gesundheitswesen und weitere Bereiche.“

Mit Blick auf die Zukunft kann diese Leistung schnelle Diagnostik, personalisierte Medizin und molekularen Fingerabdruck ermöglichen. Aufbauend auf den EUV-Nanoporen-Fortschritten entwickelt imec derzeit ein modulares Auslesesystem mit skalierbarer Fluidik als Plattform für die Entwicklung anwendungsrelevanter Chemie. Das Team lädt Entwickler von Life-Science-Tools ein, diese Plattform zu nutzen, um ihre Konzepte und Anforderungen zu testen.

Auf der IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2026 wird die Arbeit „A 256-Channel Event-Driven Readout for Solid-State Nanopore Single-Molecule Sensing with 193 pArms Noise in a 1 MHz Bandwidth“ vorgestellt, in der ein von imec entwickelter Proof-of-Concept-ASIC-Readout präsentiert wird, der kundenspezifische Nanoporen der nächsten Generation unterstützt.