Imec dimostra per la prima volta tramite litografia EUV la produzione di nanopori semiconduttori in wafer di dimensioni standard

Imec fa il lavoro di pionieri nella produzione di nanopori a stato solido su scala wafer (300 mm) con litografia EUV, come si può vedere nella foto. © imec / Imec pioneers full wafer-scale (300mm) production of solid-state nanopores with EUV lithography, as shown on photo. © imec

Sezione trasversale e vista dall'alto al TEM della nanoporo a stato solido fabbricata,

Sezione trasversale e vista dall'alto al TEM della nanoporo a stato solido realizzata,

1. Imec ha raggiunto la prima produzione di nanopori semiconduttori su scala wafer mediante litografia EUV su wafer da 300 mm. Questa innovazione trasforma la tecnologia dei nanopori da un concetto di laboratorio a una piattaforma scalabile per biosensori, genomica e proteomica.
2. I nanopori sono celebrati come sviluppo cruciale per la genomica e la proteomica, ma finora i nanopori semiconduttori non sono stati prodotti in massa a causa di variazioni e problemi di integrazione. La svolta di Imec apre la strada a array di biosensori compatibili con CMOS ad alta produttività, che potrebbero accelerare la medicina personalizzata, diagnosi rapide e la memorizzazione di dati molecolari.
3. Produzione di nanopori su scala wafer con litografia EUV su wafer da 300 mm con dimensioni di circa 10 nm e alta uniformità sul wafer. Il processo di produzione è promettente per ulteriori miglioramenti nelle tecniche di integrazione del processo per raggiungere dimensioni di pori inferiori a 5 nm. La caratterizzazione della traslocazione elettrica e biomolecolare ha mostrato un alto rapporto segnale-rumore di 6,2.

All’IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2025) di quest’anno, imec, un centro di ricerca e innovazione leader mondiale nelle tecnologie avanzate dei semiconduttori, presenta la prima produzione di nanopori semiconduttori su scala wafer mediante litografia EUV (Extreme Ultraviolet Lithography). I nanopori semiconduttori si stanno sviluppando come strumenti potenti per la sensoristica molecolare, ma finora non sono ancora disponibili commercialmente. Questa prova di fattibilità rappresenta un passo cruciale verso la loro produzione economica di massa.

I nanopori semiconduttori sono minuscoli fori di pochi nanometri di diametro, incisi in membrane di nitruro di silicio. Quando immersi in un liquido e collegati a elettrodi, permettono il passaggio di singole molecole e generano segnali elettrici analizzabili in tempo reale. Poiché le dimensioni dei pori possono essere facilmente regolate, offrono un’ampia gamma di applicazioni, dalla identificazione di virus all’analisi di DNA e proteine. Questo metodo di rilevamento di singole molecole senza marcatori è la chiave per la diagnostica di prossima generazione, proteomica, genomica e anche per applicazioni di memorizzazione molecolare dei dati.

Al contrario, i nanopori biologici, formati da proteine in membrane lipidiche, hanno permesso piattaforme di sequenziamento commerciali, ma sono limitati da problemi di stabilità e integrazione. I nanopori semiconduttori superano queste limitazioni grazie alla loro robustezza, regolabilità e compatibilità con la produzione di semiconduttori, rendendoli ideali per sensori scalabili ad alta produttività. Tuttavia, rimane una sfida raggiungere la precisione e l’uniformità dei nanopori semiconduttori a livello nanometrico su grandi superfici. Le tecniche di produzione attuali sono spesso lente e limitate al laboratorio, ritardando il loro impiego diffuso in applicazioni sensoriali.

In un nuovo lavoro presentato all’IEDM 2025, imec riferisce della produzione di nanopori altamente omogenei con diametri fino a circa 10 nm su interi wafer da 300 mm. Il team ha combinato la litografia EUV con una tecnica di incisione basata su distanziatori per ottenere precisione e riproducibilità a livello nanometrico, due sfide di lunga data nella tecnologia dei nanopori.

I nanopori sono stati incorporati in membrane di nitruro di silicio e caratterizzati elettricamente in ambienti acquosi. Esperimenti di traslocazione con frammenti di DNA hanno confermato un alto rapporto segnale-rumore e un eccellente comportamento di bagnabilità, confermando le prestazioni del sensore con materiale biologico.

"Imec si trova in una posizione unica per fare questo salto. Possiamo applicare la litografia EUV — tradizionalmente riservata alla memoria e alla logica — alle scienze biologiche. Utilizzando la nostra infrastruttura di litografia, abbiamo dimostrato che i nanopori semiconduttori possono essere prodotti su larga scala con la precisione richiesta per la sensoristica molecolare", ha detto Ashesh Ray Chaudhuri, primo autore e responsabile del progetto R&D presso imec. "Questo apre le porte a array di biosensori ad alta produttività per la sanità e altri settori."

Guardando al futuro, questa tecnologia può consentire diagnosi rapide, medicina personalizzata e impronte digitali molecolari. Basandosi sui progressi dei nanopori EUV, imec sta sviluppando attualmente un sistema modulare di lettura con fluidica scalabile come piattaforma per lo sviluppo di chimica applicativa. Il team invita gli sviluppatori di strumenti di scienze della vita a utilizzare questa piattaforma per testare i loro concetti e requisiti.

All’IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2026 sarà presentato il lavoro "A 256-Channel Event-Driven Readout for Solid-State Nanopore Single-Molecule Sensing with 193 pArms Noise in a 1 MHz Bandwidth", che mostra un sistema di acquisizione sviluppato da imec, supportando nanopori di prossima generazione personalizzati.