Chipsoevereiniteit ontmoet biologie: imecs EUV-doorbraak

Het tijdperk van ambachtelijke biotech-hardware loopt ten einde. Decennialang werd de belofte van vaste-stof-nanoporiën - sensoren die DNA en eiwitten met atomaire precisie kunnen uitlezen - gegijzeld door een productieprobleem. Fabricage op labschaal was te traag, te variabel en financieel onhoudbaar voor grootschalige toepassing. Die patstelling werd deze maand doorbroken in Leuven. Imec, een onderzoeksreus met meer dan €1 miljard aan jaaromzet, heeft met succes Extreme Ultraviolet (EUV)-lithografie ingezet om vaste-stof-nanoporiën te fabriceren op 300mm-wafers.

Dit kan de industrialisering van moleculaire sensing inluiden. Door ’s werelds meest geavanceerde halfgeleiderapparatuur opnieuw te benutten voor biologie, heeft imec effectief de ‘kapitaalkloof’ tussen siliciumlogica en de life sciences overbrugd. Daarmee wordt het fundament gelegd voor een nieuwe generatie high-throughput diagnostiek die profiteert van schaalvoordelen die tot nu toe waren voorbehouden aan microprocessoren.

De industrialisering van biologie

Tot nu toe leunde de biosensingsector sterk op biologische nanoporiën (effectief maar kwetsbaar) of op vaste-stofvarianten die stuk voor stuk in laboratoria werden vervaardigd: een proces te vergelijken met handmatig glasblazen voor het bouwen van een wolkenkrabber. Imecs inzet van EUV-lithografie, dezelfde technologie waarmee de meest geavanceerde logic- en geheugenchips ter wereld worden geprint, verandert deze economische vergelijking fundamenteel. Door EUV te combineren met een spacer-gebaseerde etstechniek bereikte het onderzoekscentrum nanometernauwkeurigheid over volledige 300mm-wafers, met poriën tot circa 10 nanometer in diameter. Die uniformiteit is de heilige graal van productie: zij transformeert een wetenschappelijke curiositeit in een commercieel product.

De cijfers ondersteunen de belofte. Elektrische karakterisering in waterige omgevingen bevestigde een hoge signaal-ruisverhouding (SNR) van 6,2, wat aantoont dat industriële productie geen concessies hoeft te doen aan gevoeligheid. Het vermogen om uniforme sensoren op grote schaal te produceren elimineert de variabiliteit die eerdere pogingen tot commercialisering van vaste-stofoplossingen heeft geplaagd.

Strategische soevereiniteit heeft een prijs

De keuze om EUV-infrastructuur in te zetten voor de life sciences is een weloverwogen strategische gok op volume. EUV-systemen zijn berucht kapitaalintensief, normaliter voorbehouden aan de top van de chipindustrie, maar hun toepassing hier ontsluit schaalvoordelen die in biosensing tot voor kort ondenkbaar waren. Volgens Ashesh Ray Chaudhuri, R&D-projectmanager bij imec, pakt deze aanpak de cruciale reproduceerbaarheidsproblemen aan die de sector hebben geremd. Door over te stappen op de 300mm-waferstandaard kan de kostprijs per sensor theoretisch scherp dalen, vergelijkbaar met de kostencurve-instorting die we kennen van de Wet van Moore.

Deze ‘ver-siliconisering’ van de biologie betekent dat robuuste, afstembare sensoren voor virusidentificatie en DNA-analyse eindelijk de boetiekmarkt van onderzoek kunnen verlaten en de mondiale toeleveringsketen voor snelle diagnostiek en gepersonaliseerde geneeskunde kunnen betreden. Het markeert een verschuiving van laagvolume, hoogmarge-wetenschappelijke instrumenten naar hoogvolume, kosteneffectieve klinische toepassingen.

De cirkel sluiten: de uitleesuitdaging

Toch is het fabriceren van de porie slechts de helft van de strijd; de ‘last-mile’-uitdaging zit in de signaaluitlezing. Een nanoporie is nutteloos zonder een uitleessysteem dat ionenstroommodulaties op megahertzsnelheden kan interpreteren. Imec sluit deze cirkel actief, met plannen om op de IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) van 2026 een 256-kanaals, event-gedreven ASIC-uitlezing te presenteren. Dit proof-of-concept mikt op een ruisvloer van slechts 193 pArms bij een bandbreedte van 1 MHz, een specificatie die nodig is om individuele moleculen in een high-throughput stroom te onderscheiden.

De ontwikkeling van dit modulaire uitleessysteem, gekoppeld aan schaalbare fluidica, betekent een tektonische verschuiving van componentproductie naar volledige systeemintegratie. Imec bouwt in feite aan een ‘plug-and-play’-platform en nodigt ontwikkelaars in de life sciences uit om deze infrastructuur te benutten in plaats van het wiel opnieuw uit te vinden. Daarmee verschuift de concurrentie van hardwarefabricage naar toepassingsspecifieke chemie en software-analyse.

De volgende strategische horde

De weg naar alomtegenwoordige commercialisering blijft steil. Hoewel de fabricagedoorbraak is veiliggesteld, blijven de integratie van microfluidica en het stabiliseren van toepassingsrelevante chemie aanzienlijke uitdagingen. De sector moet nu de overgang maken van een onderzoeksprototype naar een inzetbaar veldapparaat. Dat zal waarschijnlijk stevige strategische partnerschappen vereisen tussen halfgeleiderfabrieken en farmaceutische giganten.

Imecs open uitnodiging aan ontwikkelaars van life-science-instrumenten suggereert dat een collaboratief model essentieel is om deze laatste stappen van risico's te ontdoen. Uiteindelijk is dit een wake-upcall: de convergentie van halfgeleiderproductie en biotechnologie is geen toekomstmuziek meer; het is operationele realiteit. De bedrijven die deze silicium-schaaleconomieën weten te benutten om poriën kleiner dan 5 nanometer te produceren, een doel waar imec nu al op mikt, zullen het komende decennium van genomische en proteomische leiderschap bepalen.