Mạnh Quân
Writer
Tại Hội nghị Thiết bị Điện tử Quốc tế IEEE (IEDM 2025) năm nay, imec, một trung tâm nghiên cứu và đổi mới hàng đầu thế giới về công nghệ bán dẫn tiên tiến, đã lần đầu tiên trình diễn thành công việc chế tạo nanopore thể rắn ở cấp độ wafer bằng phương pháp quang khắc cực tím (EUV). Nanopore thể rắn đang dần trở thành một công cụ mạnh mẽ trong lĩnh vực cảm biến phân tử, nhưng vẫn chưa được thương mại hóa. Bằng chứng về khái niệm này là một bước quan trọng hướng tới việc sản xuất quy mô lớn với chi phí thấp.
Lỗ nano là những lỗ nhỏ li ti được khắc vào màng silicon nitride, chỉ rộng vài nanomet. Khi được nhúng vào chất lỏng và kết nối với điện cực, các phân tử riêng lẻ có thể đi qua các lỗ này, tạo ra tín hiệu điện có thể được phân tích trong thời gian thực. Nhờ kích thước lỗ dễ điều chỉnh, lỗ nano có nhiều ứng dụng, từ nhận dạng virus đến phân tích DNA và protein. Phương pháp phát hiện phân tử đơn không cần nhãn này là chìa khóa cho các ứng dụng chẩn đoán, proteomics, genomics và thậm chí cả lưu trữ dữ liệu phân tử thế hệ tiếp theo.
Mặt khác, các lỗ nano sinh học được hình thành từ protein trong màng lipid đã được ứng dụng vào các nền tảng giải trình tự thương mại, nhưng tính ổn định và khả năng tích hợp của chúng vẫn còn là thách thức. Các lỗ nano trạng thái rắn khắc phục được những hạn chế này nhờ độ bền, khả năng điều chỉnh và tính tương thích với quy trình chế tạo chất bán dẫn, khiến chúng trở nên lý tưởng cho việc cảm biến quy mô lớn và thông lượng cao. Tuy nhiên, việc đạt được độ chính xác và tính đồng nhất ở cấp độ nano trong các lỗ nano trạng thái rắn trên diện tích lớn vẫn là một thách thức. Các phương pháp chế tạo hiện nay thường chậm và chỉ giới hạn trong môi trường phòng thí nghiệm, cản trở việc ứng dụng rộng rãi chúng trong lĩnh vực cảm biến.
Trong một bài báo mới được trình bày tại IEDM 2025, imec đã báo cáo việc chế tạo thành công các lỗ nano có độ đồng nhất cao với đường kính nhỏ tới khoảng 10 nm trên một tấm wafer 300 mm duy nhất. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp kỹ thuật khắc quang cực tím với kỹ thuật khắc dựa trên lớp đệm để đạt được độ chính xác và khả năng lặp lại ở cấp độ nano - cả hai đều là những thách thức lâu dài trong lĩnh vực công nghệ lỗ nano.
Các lỗ nano được nhúng vào màng silicon nitride và được đặc trưng điện học trong môi trường nước. Các thí nghiệm dịch chuyển sử dụng các đoạn DNA cũng xác nhận tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao và đặc tính thấm ướt tuyệt vời của chúng, chứng minh hiệu suất cảm biến của các lỗ nano đối với vật liệu sinh học.
“imec có vị thế độc đáo để thực hiện bước tiến đột phá này. Chúng tôi có thể áp dụng công nghệ in thạch bản cực tím (EXT), vốn thường được sử dụng cho mạch bộ nhớ và mạch logic, vào lĩnh vực khoa học sự sống. Bằng cách tận dụng cơ sở hạ tầng in thạch bản của mình, chúng tôi đã chứng minh rằng các lỗ nano rắn với độ chính xác cần thiết cho cảm biến phân tử có thể được chế tạo trên quy mô lớn,” Ashesh Ray Chaudhuri, Giám đốc Chương trình Nghiên cứu và Phát triển kiêm tác giả chính tại imec cho biết. “Điều này mở ra cánh cửa cho các mảng cảm biến sinh học thông lượng cao trong chăm sóc sức khỏe và các lĩnh vực khác.”
Nhìn về phía trước, công nghệ này hứa hẹn sẽ cho phép chẩn đoán nhanh chóng, y học cá nhân hóa và phân tích dấu vân tay phân tử. Dựa trên những tiến bộ trong công nghệ lỗ nano cực tím, imec hiện đang phát triển một hệ thống đọc tín hiệu dạng mô-đun sử dụng công nghệ điều khiển chất lỏng có khả năng mở rộng, được thiết kế để cung cấp nền tảng cho sự phát triển hóa học của các ứng dụng liên quan. Nhóm nghiên cứu imec trân trọng mời các nhà phát triển công cụ khoa học sự sống sử dụng nền tảng này để thử nghiệm các ý tưởng và nhu cầu của họ.
Tại Hội nghị Mạch rắn quốc tế IEEE năm 2026 (ISSCC), một bài báo có tiêu đề "Đọc dữ liệu theo sự kiện 256 kênh để cảm biến phân tử đơn lẻ của nanopore trạng thái rắn với nhiễu 193 pArms trên băng thông 1 MHz" sẽ được công bố, giới thiệu phương pháp đọc ASIC chứng minh khái niệm của imec để hỗ trợ nanopore tùy chỉnh thế hệ tiếp theo.
Lỗ nano là những lỗ nhỏ li ti được khắc vào màng silicon nitride, chỉ rộng vài nanomet. Khi được nhúng vào chất lỏng và kết nối với điện cực, các phân tử riêng lẻ có thể đi qua các lỗ này, tạo ra tín hiệu điện có thể được phân tích trong thời gian thực. Nhờ kích thước lỗ dễ điều chỉnh, lỗ nano có nhiều ứng dụng, từ nhận dạng virus đến phân tích DNA và protein. Phương pháp phát hiện phân tử đơn không cần nhãn này là chìa khóa cho các ứng dụng chẩn đoán, proteomics, genomics và thậm chí cả lưu trữ dữ liệu phân tử thế hệ tiếp theo.
Mặt khác, các lỗ nano sinh học được hình thành từ protein trong màng lipid đã được ứng dụng vào các nền tảng giải trình tự thương mại, nhưng tính ổn định và khả năng tích hợp của chúng vẫn còn là thách thức. Các lỗ nano trạng thái rắn khắc phục được những hạn chế này nhờ độ bền, khả năng điều chỉnh và tính tương thích với quy trình chế tạo chất bán dẫn, khiến chúng trở nên lý tưởng cho việc cảm biến quy mô lớn và thông lượng cao. Tuy nhiên, việc đạt được độ chính xác và tính đồng nhất ở cấp độ nano trong các lỗ nano trạng thái rắn trên diện tích lớn vẫn là một thách thức. Các phương pháp chế tạo hiện nay thường chậm và chỉ giới hạn trong môi trường phòng thí nghiệm, cản trở việc ứng dụng rộng rãi chúng trong lĩnh vực cảm biến.
Trong một bài báo mới được trình bày tại IEDM 2025, imec đã báo cáo việc chế tạo thành công các lỗ nano có độ đồng nhất cao với đường kính nhỏ tới khoảng 10 nm trên một tấm wafer 300 mm duy nhất. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp kỹ thuật khắc quang cực tím với kỹ thuật khắc dựa trên lớp đệm để đạt được độ chính xác và khả năng lặp lại ở cấp độ nano - cả hai đều là những thách thức lâu dài trong lĩnh vực công nghệ lỗ nano.
Các lỗ nano được nhúng vào màng silicon nitride và được đặc trưng điện học trong môi trường nước. Các thí nghiệm dịch chuyển sử dụng các đoạn DNA cũng xác nhận tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao và đặc tính thấm ướt tuyệt vời của chúng, chứng minh hiệu suất cảm biến của các lỗ nano đối với vật liệu sinh học.
“imec có vị thế độc đáo để thực hiện bước tiến đột phá này. Chúng tôi có thể áp dụng công nghệ in thạch bản cực tím (EXT), vốn thường được sử dụng cho mạch bộ nhớ và mạch logic, vào lĩnh vực khoa học sự sống. Bằng cách tận dụng cơ sở hạ tầng in thạch bản của mình, chúng tôi đã chứng minh rằng các lỗ nano rắn với độ chính xác cần thiết cho cảm biến phân tử có thể được chế tạo trên quy mô lớn,” Ashesh Ray Chaudhuri, Giám đốc Chương trình Nghiên cứu và Phát triển kiêm tác giả chính tại imec cho biết. “Điều này mở ra cánh cửa cho các mảng cảm biến sinh học thông lượng cao trong chăm sóc sức khỏe và các lĩnh vực khác.”
Nhìn về phía trước, công nghệ này hứa hẹn sẽ cho phép chẩn đoán nhanh chóng, y học cá nhân hóa và phân tích dấu vân tay phân tử. Dựa trên những tiến bộ trong công nghệ lỗ nano cực tím, imec hiện đang phát triển một hệ thống đọc tín hiệu dạng mô-đun sử dụng công nghệ điều khiển chất lỏng có khả năng mở rộng, được thiết kế để cung cấp nền tảng cho sự phát triển hóa học của các ứng dụng liên quan. Nhóm nghiên cứu imec trân trọng mời các nhà phát triển công cụ khoa học sự sống sử dụng nền tảng này để thử nghiệm các ý tưởng và nhu cầu của họ.
Tại Hội nghị Mạch rắn quốc tế IEEE năm 2026 (ISSCC), một bài báo có tiêu đề "Đọc dữ liệu theo sự kiện 256 kênh để cảm biến phân tử đơn lẻ của nanopore trạng thái rắn với nhiễu 193 pArms trên băng thông 1 MHz" sẽ được công bố, giới thiệu phương pháp đọc ASIC chứng minh khái niệm của imec để hỗ trợ nanopore tùy chỉnh thế hệ tiếp theo.
