Imec demonstreert voor het eerst met EUV-lithografie de productie van halfgeleider-nanobuizen op waferformaat

Imec levert pionierswerk bij de productie van vaste-stof nanogaten op waferschaal (300 mm) met EUV-lithografie, zoals op de foto te zien is. © imec / Imec pioniert met volledige waferschaalproductie (300 mm) van vaste-stof nanogaten met EUV-lithografie, zoals op de foto te zien is. © imec

Dwarsdoorsnede en bovenaanzicht TEM van de vervaardigde vaste-staat nanopore,

Dwarsdoorsnede en bovenaanzicht TEM van de vervaardigde vaste-staat nanopore,

1. Imec heeft de eerste succesvolle fabricage van halfgeleider-nanokieren op wafernauwkeurigheid met behulp van EUV-lithografie op 300mm-wafers gerealiseerd. Deze innovatie transformeert de nanokiertechnologie van een concept op laboratoriumschaal naar een schaalbare platform voor biosensoriek, genomica en proteomica.
2. Nanokieren worden geprezen als een cruciale ontwikkeling voor genomica en proteomica, maar tot nu toe werden halfgeleider-nanokieren vanwege fluctuaties en integratieproblemen nooit op grote schaal geproduceerd. De doorbraak van Imec effent de weg voor CMOS-compatibele biosensor-aggregaten met hoge doorvoer, die gepersonaliseerde geneeskunde, snelle diagnostiek en opslag van moleculaire gegevens kunnen versnellen.
3. Fabricage van nanokieren op wafernauwkeurigheid met EUV-lithografie op 300-mm-wafers met een grootte van ~10 nm en hoge uniformiteit op de wafer. Het fabricageproces is veelbelovend om met verdere verbeteringen in procesintegratietechnieken poriegroottes onder 5 nm te bereiken. De karakterisering van elektrische en biomoleculaire translokatie toonde een hoog signaal-ruisverhouding van 6,2 aan.

Op de jaarlijkse IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2025) presenteert imec, een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum voor geavanceerde halfgeleidertechnologieën, de eerste succesvolle fabricage van halfgeleider-nanokieren op wafernauwkeurigheid met behulp van EUV-lithografie (Extreme Ultraviolet Lithography). Halfgeleider-nanokieren ontwikkelen zich tot krachtige instrumenten voor moleculaire sensoriek, maar zijn nog niet commercieel beschikbaar. Deze haalbaarheidsstudie is een belangrijke stap op weg naar hun kosteneffectieve (massale) productie.

Halfgeleider-nanokieren zijn kleine - slechts enkele nanometer groot - gaten die in siliciumnitride-membranen zijn geëtst. Wanneer ze in een vloeistof worden ondergedompeld en verbonden met elektroden, laten ze individuele moleculen passeren en genereren elektrische signalen die in realtime kunnen worden geanalyseerd. Omdat de poriegrootte gemakkelijk kan worden aangepast, bieden ze een breed scala aan toepassingen, van virusidentificatie tot DNA- en proteïnanalyse. Deze markervrije methode voor het detecteren van individuele moleculen is de sleutel tot de volgende generatie diagnostiek, proteomica, genomica en zelfs toepassingen voor opslag van moleculaire gegevens.

Biologische nanokieren, die worden gevormd door eiwitten in lipidemembranen, hebben commerciële sequencing-platforms mogelijk gemaakt, maar worden beperkt door stabiliteits- en integratieproblemen. Halfgeleider-nanokieren overwinnen deze beperkingen dankzij hun robuustheid, aanpasbaarheid en compatibiliteit met halfgeleiderfabricage, waardoor ze ideaal zijn voor schaalbare sensoriek met hoge doorvoer. Het blijft echter een uitdaging om precisie en uniformiteit van halfgeleiderporiën op nanometerschaal te bereiken over grote oppervlakken. De huidige fabricagetechnieken zijn vaak traag en beperkt tot laboratoriumgebruik, wat hun brede toepassing in sensortoepassingen vertraagt.

In een nieuw werk dat op de IEDM 2025 wordt gepresenteerd, rapporteert imec over de succesvolle fabricage van hoog homogeen nanokieren met diameters tot ~10 nm over hele 300-mm-wafers. Het team combineerde EUV-lithografie met een op spacer-gebaseerde etstechniek om precisie en reproduceerbaarheid op nanometerschaal te bereiken - twee al lang bestaande uitdagingen in nanokiertechnologie.

De nanokieren werden ingebed in siliciumnitride-membranen en elektrisch gekarakteriseerd in waterige omgevingen. Translokatietests met DNA-fragmenten bevestigden eveneens een hoge signaal-ruisverhouding en uitstekend bevochtigingsgedrag, wat de sensorprestaties van de nanokieren met biologisch materiaal bevestigt.

"Imec bevindt zich in een unieke positie om deze sprong te maken. We kunnen EUV-lithografie - die traditioneel gereserveerd is voor geheugen en logica - toepassen op de biowetenschappen. Door onze lithografische infrastructuur te gebruiken, hebben we aangetoond dat halfgeleider-nanokieren op grote schaal met de precisie kunnen worden vervaardigd die nodig is voor moleculaire sensoriek," zei Ashesh Ray Chaudhuri, eerste auteur en R&D-projectleider bij imec. "Dit opent de deur naar biosensor-aggregaten met hoge doorvoer voor de gezondheidszorg en andere sectoren."

Met het oog op de toekomst kan deze prestatie snelle diagnostiek, gepersonaliseerde geneeskunde en moleculaire vingerafdrukken mogelijk maken. Voortbouwend op de EUV-nanokier-voortgang ontwikkelt imec momenteel een modulair uitleessysteem met schaalbare vloeistoftechnologie als platform voor de ontwikkeling van toepassingsgerichte chemie. Het team nodigt ontwikkelaars van life-science-tools uit om deze platform te gebruiken om hun concepten en eisen te testen.

Op de IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2026 wordt het werk 'A 256-Channel Event-Driven Readout for Solid-State Nanopore Single-Molecule Sensing with 193 pArms Noise in a 1 MHz Bandwidth' gepresenteerd, waarin een door imec ontwikkeld proof-of-concept ASIC-uitleesysteem wordt getoond dat op maat gemaakte nanokieren van de volgende generatie ondersteunt.