Na letošní mezinárodní konferenci IEEE o elektronických zařízení (IEDM 2025) představila organizace imec, přední světové výzkumné a inovační centrum v oblasti pokročilých polovodičových technologií, úspěšnou výrobu pevných nanopórů na úrovni waferů pomocí extrémní ultrafialové litografie (EUV). Pevné nanopóry se postupně stávají mocným nástrojem v oblasti molekulárního senzorování, avšak dosud nebyly uvedeny na trh. Důkaz konceptu představuje významný krok k masové výrobě za nízké náklady.
Nanopóry jsou malé otvory vyřezávané do nitride křemíku, které mají šířku pouze několik nanometrů. Když jsou ponořeny do kapaliny a spojeny s elektrodou, mohou nimi procházet jednotlivé molekuly, cožgeneruje elektrické signály, které lze analyzovat v reálném čase. Díky snadno přizpůsobitelným rozměrům nanopórů existuje celá řada aplikací, od identifikace virů až po analýzu DNA a proteinů. Tato jednosložková, bezznačková metoda detekce je klíčová pro diagnostické aplikace, proteomiku, genomiku a dokonce i pro budoucí metody uchovávání molekulárních dat.
Na druhé straně, biologické nanopóry vytvořené z proteinů v lipidových membránách byly již implementovány do komerčně dostupných sekvenčních platforem, nicméně jejich stabilita a integrace zůstává výzvou. Pevné nanopóry překonávají tyto limity díky své odolnosti, nastavitelnosti a kompatibilitě s výrobními procesy polovodičů, což je činí ideálními pro velkoobjemové senzory a vysokou propustnost. Nicméně, dosažení přesnosti a homogennosti na nano úrovni v pevných nanopórech na velkých plochách zůstává výzvou. Současné výrobní metody jsou obvykle pomalé a omezují se na laboratorní prostředí, což brání jejich rozsáhlé aplikaci ve světě senzorů.
V nedávném článku předloženém na IEDM 2025 organizace imec oznámila úspěšnou výrobu nanopórů s vysokou homogenitou a průměrem až přibližně 10 nm na jedné 300 mm wafer. Výzkumný tým zkombinoval techniku extrémní ultrafialové litografie s technikou etching založenou na vyrovnávací vrstvě, aby dosáhl přesnosti a opakovatelnosti na nano úrovni – obě jsou dlouhodobými výzvami v oblasti technologie nanopórů.
Nanopóry jsou integrovány do nitride křemíku a jsou elektricky charakterizovány ve vodním prostředí. Experimenty s překlopením pomocí DNA fragmentů také potvrdily vysoký poměr signálu k šumu a výborné vlastnosti wettability, což dokládá senzitivitu nanopórů vůči biologickým materiálům.
„imec má jedinečné postavení k dosažení tohoto průlomového kroku. Můžeme aplikovat technologii extrémní ultrafialové litografie, která se běžně používá pro paměťové a logické obvody, do oblasti biologických věd. Využitím naší lithografické infrastruktury jsme prokázali, že pevné nanopóry s požadovanou přesností pro molekulární senzory lze vyrábět ve velkém měřítku,“ uvedl Ashesh Ray Chaudhuri, ředitel výzkumného a vývojového programu a hlavní autor v imec. „Tímto otevíráme dveře pro vysoce propustné biomedicínské senzory v oblasti zdravotní péče a dalších oblastech.“
Budoucnost této technologie slibuje rychlé diagnostiky, personalizovanou medicínu a analýzu molekulárních otisků. Vzhledem k pokrokům v technologii nanopórů pomocí ultrafialové litografie, imec nyní vyvíjí modulární systém pro čtení signálů, využívající rozšiřitelnou technologii řízení tekutin, určený k poskytnutí platformy pro chemický vývoj souvisejících aplikací. Tým výzkumníků imec vřele vyzývá vývojáře nástrojů v oblasti biologických věd, aby využili tuto platformu k experimentování se svými nápady a potřebami.
Na mezinárodní konferenci o pevných obvodech IEEE (ISSCC) v roce 2026 bude zveřejněn článek s názvem „Čtení dat událostí 256 kanálů pro jednotlivé molekulární senzory pevného nanopóru s šumem 193 pArms na šířce pásma 1 MHz“, který představí ASIC čtecí metodu a demonstruje koncept imec k podpoře přizpůsobených nanopórů další generace.
