Im Rahmen der Internationalen Konferenz über elektronische Geräte IEEE (IEDM 2025) hat imec, ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für fortschrittliche Halbleitertechnologie, erstmals erfolgreich die Herstellung von festen Nanoporen auf Wafer-Ebene durch Extreme Ultraviolet Lithographie (EUV) demonstriert. Feste Nanoporen entwickeln sich zunehmend zu einem leistungsstarken Werkzeug im Bereich molekularer Sensoren, sind jedoch noch nicht kommerzialisiert. Der Nachweis dieser Technologie ist ein bedeutender Schritt in Richtung kostengünstiger Massenproduktion.
Nanoporen sind winzige Löcher, die in eine Siliziumnitrid-Membran eingraviert werden und nur wenige Nanometer breit sind. Wenn sie in eine Flüssigkeit eingetaucht und mit Elektroden verbunden werden, können einzelne Moleküle durch diese Löcher hindurchtreten, was elektrische Signale erzeugt, die in Echtzeit analysiert werden können. Durch die Anpassbarkeit der Porengröße bieten Nanoporen zahlreiche Anwendungen, von der Virusidentifikation bis zur Analyse von DNA und Proteinen. Diese technologie zur detektion einzelner, unmarkierter Moleküle ist entscheidend für Anwendungen in der Diagnostik, Proteomik, Genomik und sogar für die Speicherung von molekularen Daten der nächsten Generation.
Auf der anderen Seite wurden biologische Nanoporen, die aus Proteinen in Lipidmembranen gebildet sind, in kommerziellen Sequenzierungsplattformen eingesetzt, jedoch bleiben ihre Stabilität und Integrationsfähigkeit eine Herausforderung. Feste Nanoporen überwinden diese Einschränkungen durch ihre Robustheit, Anpassungsfähigkeit und Kompatibilität mit dem Halbleiterfertigungsprozess, was sie ideal für großflächige und hoch durchsatzfähige Sensoranwendungen macht. Dennoch stellt die Erreichung von Präzision und Homogenität auf Nanoskalen über große Flächen eine anhaltende Herausforderung dar. Aktuelle Herstellungsverfahren sind oft langsam und auf ein Laborumfeld beschränkt, was die breite Anwendung der Nanoporen im Sensorschutz behindert.
In einem kürzlich auf dem IEDM 2025 vorgestellten Artikel berichtete imec über die erfolgreiche Herstellung von hochhomogenen Nanoporen mit Durchmessern von bis zu etwa 10 nm auf einem einzigen 300 mm Wafer. Das Forschungsteam kombinierte die EUV-Lithographietechnik mit einer verstand-basierten Ätztechnik, um Nanoebene Präzision und Wiederholbarkeit zu erreichen – beides langanhaltende Herausforderungen im Bereich der Nanoportechnologie.
Die Nanoporen wurden in eine Siliziumnitrid-Membran eingebettet und elektrisch in einer Wasserumgebung charakterisiert. Verschiebungsexperimente, die DNA-Fragmente nutzen, bestätigten ebenfalls das hohe Signal-Rausch-Verhältnis und die exzellenten Eigenschaften der Benetzbarkeit, was die Sensorleistung der Nanoporen gegenüber biologischen Materialien unter Beweis stellt.
„imec hat eine einzigartige Position, um diesen Durchbruch zu erzielen. Wir können die weit verbreitete extreme Ultraviolett-Lithografie (EUV) Technologie, die üblicherweise für Speicher- und Logikschaltungen verwendet wird, auf den Bereich der Lebenswissenschaften anwenden. Durch die Nutzung unserer Lithographie-Infrastruktur haben wir demonstriert, dass feste Nanoporen mit der erforderlichen Präzision für molekulare Sensoren in großem Maßstab hergestellt werden können“, sagte Ashesh Ray Chaudhuri, Direktor des Forschungs- und Entwicklungsprogramms und Hauptautor bei imec. „Dies eröffnet die Möglichkeit für hochdurchsatzfähige bio-sensorische Oberflächen in der Gesundheitsversorgung und anderen Bereichen.“
Ein Blick in die Zukunft zeigt, dass diese Technologie vielversprechende Möglichkeiten für schnelle Diagnosen, personalisierte Medizin und molekulare Fingerabdruckanalysen eröffnet. Basierend auf den Fortschritten in der EUV-Nanoporen-Technologie entwickelt imec derzeit ein modulares Signal-Lese-System, welches auf skalierbarer Flüssigkeitskontrolle beruht und als Plattform für die chemische Entwicklung relevanter Anwendungen konzipiert wurde. Das eam von imec lädt Entwickler im Bereich der Lebenswissenschaften ein, diese Plattform zu nutzen, um ihre Ideen und Bedürfnisse auszuprobieren.
Auf der International Solid-State Circuit Conference 2026 (ISSCC) wird ein Artikel mit dem Titel „256-Kanal-Ereignisdatenlesung für die Einzelmolekülsensoren von festen Nanoporen mit 193 pArms Rauschen auf 1 MHz-Bandbreite“ veröffentlicht, der die ASIC-Lesemethode von imec zur Unterstützung künftiger maßgeschneiderter Nanoporen vorstellen wird.
