Op het toonaangevende internationale chiptechnologiecongres IEDM in San Francisco stelt  imec een belangrijke ontwikkeling voor richting de volgende generatie biosensoren. 

Het onderzoekscentrum is er als eerste ter wereld in geslaagd om solid-state nanoporiën te maken op volledige siliciumwafers met behulp van extreem ultraviolet licht (EUV). Dat maakt de stap van labo-concept naar grootschalige productie mogelijk, wat toepassingen van  nanoporiën in de gezondheidszorg en biotechnologie dichterbij brengt.

Nanoporiën zijn piepkleine openingetjes - duizenden keren kleiner dan een menselijke haar - in een dun membraan. Wanneer je ze in een vloeistof plaatst en aansluit op elektrodes laten deze poriën individuele moleculen één voor één passeren. Dit genereert telkens een elektrisch signaal dat in real time gemeten kan worden. Deze single-molecule-gevoeligheid maakt nanoporiën bijzonder geschikt voor snelle diagnostiek, virusdetectie en DNA- of eiwitanalyse.

Vandaag maakt men al gebruik van biologische nanoporiën voor biotechtoepassingen, zoals sequentiebepaling. Ze zijn gevoelig en veelzijdig, maar als biologische structuren minder stabiel en niet eenvoudig te integreren met elektronica.

Van biologische naar solid-state nanoporiën

Solid-state-nanoporiën, gemaakt in materialen zoals siliciumnitride, kunnen de beperkingen van biologische nanoporiën opvangen. Ze zijn mechanisch sterk en chemisch stabiel, wat toelaat om de gevoeligheid van nanoporie-analyse te combineren met de kracht van chiptechnologie.

Tot nu toe werden deze solid-state-nanoporiën vooral in labo-opstellingen gemaakt. Het was moeilijk om ze op grote schaal en met voldoende precisie te produceren, maar daar komt stilaan verandering in.

Robuust, nauwkeurig en klaar voor integratie

In een nieuwe paper die op IEDM 2025 wordt voorgesteld, beschrijft een onderzoeksteam van imec  hoe het erin slaagde om solid-state-nanoporiën te produceren op volledige 300mm-wafers - het standaardformaat van siliciumschijven waarop de chipindustrie in massa componenten produceert. Imec beschikt hiervoor over een unieke expertise: het zet EUV-lithografie in voor biotechtoepassingen.

Deze techniek, die vooral toegepast wordt in de ontwikkeling van de meest geavanceerde computerchips, tekent ultrafijne patroontjes aan de hand van extreem ultraviolet licht met een golflengte van 13.5 nanometer. De EUV-techniek laat toe om een proces te ontwikkelen waarbij de poriediameter nauwkeuriger kan worden ingesteld, waardoor het mogelijk wordt om solid-state nanoporiën op grote schaal én met voldoende precisie te produceren.

De imec-onderzoeksgroep combineerde EUV-lithografie met een verfijnde etstechniek en produceerde nanoporiën met een diameter van ongeveer 10 nanometer, met een uitzonderlijke uniformiteit over de volledige wafer. Dat opent de deur naar nieuwe toepassingen in medische diagnostiek en moleculaire fingerprinting, domeinen waar single-molecule-analyse een steeds belangrijkere rol zal spelen.

“Met solid-state nanoporiën kunnen we individuele moleculen rechtstreeks analyseren. Die ‘single-molecule’-gevoeligheid is cruciaal om snel virussen, DNA-moleculen of eiwitten te detecteren. 

Nu we de nanoporiën op waferschaal kunnen fabriceren, komt de ontwikkeling van compacte en betaalbare biosensoren echt binnen handbereik. Het toont hoe de krachtenbundeling tussen chiptechnologie en biotechnologie ons kan helpen om ziektes vroeger op te sporen en biologische informatie gemakkelijker te analyseren”, zegt Ashesh Ray Chaudhuri, eerste auteur en R&D-projectmanager bij imec.

TEM-beelden in dwarsdoorsnede en bovenaanzicht van de gefabriceerde solid-state nanoporie

Als onafhankelijk onderzoekscentrum verbindt imec zich ertoe zijn expertise in te zetten om de feiten rond technologie en innovatie helder en objectief weer te geven, en zo de maatschappij te helpen ze te begrijpen en te plaatsen.

Foto : de eerste solid-state nanoporiën op volledige 300mm-wafers met EUV-lithografie. © imec