JP2019146509A - シリコンチップ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機溶剤フリーで形成できるもので、微細孔エッジの耐久性に優れた人工脂質二分子膜形成用のシリコンチップ及びその製造方法を提供する。【解決手段】シリコン基板に設けられた貫通孔と、この貫通孔を覆うように設けられた窒化シリコン膜２１と、この上に設けられた第１酸化シリコン膜２２と、前記貫通孔の前記シリコン基板の内面及び前記窒化シリコン膜の前記第１酸化シリコン膜とは反対側に設けられた第２酸化シリコン膜２３と、前記第１酸化シリコン膜、前記窒化シリコン膜及び前記第２酸化シリコン膜に設けられた微細孔と、を具備し、前記微細孔は、前記第２酸化シリコン側から前記第１酸化シリコン側の開口に向かって前記開口側ほど内径が漸大する形状であり、前記微細孔の内周面は、前記窒化シリコン膜の領域の内周面である第１傾斜面３１ａと、前記第１酸化シリコン膜の領域の内周面である第２傾斜面３２ａとを含み、前記第２傾斜面の膜厚方向に対して傾斜する傾きが、前記第１傾斜面の傾きより大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、微細孔エッジの耐久性に優れ、有機溶剤フリーで形成できる人工脂質二分子膜形成用のシリコンチップ及びその製造方法に関する。

細胞膜は厚さ数ｎｍのナノ薄膜であり、外界からの化学・光・力学等の刺激に非常に敏感な超高感度センサーでもある。その構造はリン脂質分子が二層整列した脂質二分子膜を基本構造とし、そこに種々の膜タンパク質が埋め込まれて構成されている。これらの膜タンパク質は細胞膜の高感度な物質感受性を担っており、創薬の重要なターゲットでもある。

細胞膜の基本構造である脂質二分子膜は脂質分子の自己集合により人工的に構築可能であり、この人工脂質二分子膜（人工細胞膜）に精製した膜タンパク質を埋め込んだ膜系は膜タンパク質の機能や薬物作用を、化学組成を制御した上で評価できる系として、生理学・薬理学の分野で広く用いられてきた。

一方、膜タンパク質の高度な物質認識能は、高感度バイオセンサーの認識素子として注目され、実際にイオンチャンネルを用いた脂質二分子膜センサーでは、ｐＨ（１０^１２Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ））レベルの高感度検出を達成している。

このように人工細胞膜センサーは、薬物候補化合物の評価や高感度バイオセンサーとしての可能性をもつが、膜タンパク質の機能発現にとって必須の環境である脂質二分子膜は安定性が極めて低く、その発展の障壁となってきている。

このような人工脂質二分子膜の安定化を図るため、２０００年以降、微細加工技術と人工脂質二分子膜形成を融合する試みが盛んに行われた。これらの試みは、微細孔を作製して二分子膜の微小化を行い、膜の安定性を目指すものと、マイクロ流路の利用により、膜形成の簡便化を目指すものの二つに大別される。しかしながら、膜形成の簡便化・自動化は進んだものの、膜安定性については寿命の向上のみで、機械的強度の向上には至っていない。また、これらの研究の多くは、不揮発性の有機溶媒を膜形成に用いており、適用可能なチャンネルタンパク質の範囲には限界があった。

そこで、発明者らは、陽極酸化ポーラスアルミナフィルムとシリコン（Ｓｉ）微細加工基板の二つを二分子膜保持体として作製することを試みた。陽極酸化ポーラスアルミナは、規則的なナノポア構造をもつ絶縁膜であり、二分子膜の微細化は実現され、印加電圧耐性と膜寿命に関してはある程度の向上が得られたが、薬物スクリーニングへの応用では必須の溶液交換耐性は得られなかった（非特許文献１参照）。

上記試みから、二分子膜の微小化では十分な膜安定性が得られないとの知見を得て、微細孔のエッジと二分子膜との接合部の形状に注目し、滑らかなエッジを持つような微細孔を半導体微細加工により、Ｓｉ_３Ｎ_４／Ｓｉ基板中に作製した（以下「シリコンチップ」という。非特許文献１参照）。

このようなシリコンチップを用いることで、水中で安定した脂質二分子の自立膜が形成可能となった。
そこで、このような生体膜の特性をデバイスとして応用することを検討し、生体膜の末圧方向両側から垂直方向の電気的な刺激を与えることに加え、膜に平行な方向（平行方向）に対して電気的な刺激を加えるための電極を設けたチップの製作を行った。

応用物理 第８１巻第２号（２０１２年）第１４３頁〜第１４６頁

しかしながら、上述したシリコンチップの構造では、薄膜状に設ける電極にリークが生じ、形成した人工脂質二分子膜内に安定した電界を形成できずに実用的な特性データが得られないという問題があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、人工脂質二分子膜を安定して形成でき且つ形成した人工脂質二分子膜内に安定した電界を形成できる電極を有する人工脂質二分子膜形成且つ特性評価用のシリコンチップ及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成する本発明の第１の態様は、シリコン基板に設けられた貫通孔と、この貫通孔を覆うように設けられた窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）膜と、この上に設けられた第１酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜と、前記貫通孔の前記シリコン基板の内周面及び前記窒化シリコン膜の前記第１酸化シリコン膜とは反対側に設けられた第２酸化シリコン膜と、前記第１酸化シリコン膜、前記窒化シリコン膜及び前記第２酸化シリコン膜に設けられた微細孔と、前記第２酸化シリコン膜上に設けられ且つ前記微細孔を通る境界線を挟んで両側に配置された一対の電極とを具備し、前記電極は、融点が７００℃以下の金属又は合金からなり、前記電極の前記境界線側の端部が前記境界線側ほど厚さが漸減していることを特徴とするシリコンチップにある。

ここで、前記電極は、第３酸化シリコン膜で覆われていることが好ましい。

また、前記電極は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることが好ましい。

また、微細孔は、前記第２酸化シリコン膜側から前記第１酸化シリコン膜側の開口に向かって前記開口側ほど内径が漸大する形状であり、前記微細孔の内周面は、前記窒化シリコン膜の領域の内周面である第１傾斜面と、前記第１酸化シリコン膜の領域の内周面である第２傾斜面とを含み、前記第２傾斜面の膜厚方向に対して傾斜する傾きが、前記第１傾斜面の傾きより大きいことが好ましい。

また、前記第１傾斜面は、傾斜の傾きが前記開口に近づくほど大きくなる凸曲面で形成され、前記第２傾斜面は、傾斜の傾きが前記開口に近づくほど小さくなる凹曲面で形成されていることが好ましい。

また、前記微細孔の内周面には、前記窒素シリコン膜の領域も含めて酸化シリコン膜で覆われていることが好ましい。

また、前記貫通孔の内周面には、低誘電率絶縁膜が形成されていることが好ましい。

前記低誘電率絶縁膜は、アモルファスフッ素樹脂膜からなることが好ましい。

また、本発明の他の態様は、シリコン基板上に窒化シリコン膜を設け、この上に第１酸化シリコン膜を設ける第１膜形成工程と、前記シリコン基板の前記窒化シリコン膜を設けた側とは反対側から、前記窒化シリコン膜まで貫通する貫通孔をウェットエッチングによる形成する貫通孔形成工程と、前記貫通孔内に気相法により酸化シリコンを積層して第２酸化シリコン膜を形成する第２膜形成工程と、前記貫通孔に対向する領域の前記第１酸化シリコン膜に緩衝フッ化水素酸及びフッ化水素酸を用いてウェッチエッチングすることにより第１微細孔を形成する第１エッチング工程と、前記第１微細孔に対向する領域の前記窒化シリコン膜に前記第１微細孔を介してリン酸を用いてウェットエッチングにより前記第１微細孔より大きな第２微細孔を形成する第２エッチング工程と、前記第１酸化シリコン膜の前記第１微細孔の周囲及び前記第２微細孔に対向する前記第２酸化シリコン膜をフッ化水素酸を用いてウェットエッチングすることにより、第３微細孔及び第４微細孔を形成し、前記第２微細孔、前記第３微細孔及び前記第４微細孔からなる微細孔を形成する第３エッチング工程と、前記微細孔を通る境界線を含む境界領域を少なくとも覆うマスクを介して融点が７００℃以下の金属又は合金を蒸着することにより、前記境界線を挟んだ両側に配置された一対の電極を設ける電極形成工程と、を具備することを特徴とするシリコンチップの製造方法にある。

ここで、前記電極形成工程の後、前記電極を覆う第３酸化シリコン膜を設ける第３膜形成工程を具備することが好ましい。

また、前記融点が７００℃以下の金属又は合金は、アルミニウム又はアルミニウム合金であることが好ましい。

また、前記第３エッチング工程で形成される微細孔は、前記第２酸化シリコン膜側から前記第１酸化シリコン膜側の開口に向かって前記開口側ほど内径が漸大する形状であり、前記微細孔の内周面は、前記窒化シリコン膜の領域の内周面である第１傾斜面と、前記第１酸化シリコン膜の領域の内周面である第２傾斜面とを含み、前記第２傾斜面の膜厚方向に対して傾斜する傾きが、前記第１傾斜面の傾きより大きいことが好ましい。

また、前記第３エッチング工程の後、ウェット酸化工程を行い、前記電極形成工程の後、前記第２酸化シリコン膜上に低誘電率材料を塗布し、前記第４微細孔に対応する領域をドライエッチングすることにより第５微細孔を有する低誘電率絶縁膜を形成する低誘電率絶縁膜形成工程とを具備することが好ましい。

前記低誘電率絶縁膜形成工程の後、前記微細孔の内周面に酸化シリコン膜を気相法により設ける第４膜形成工程を具備することが好ましい。

本発明によれば、人工脂質二分子膜を安定して形成でき且つ形成した人工脂質二分子膜内に安定した電界を形成できる電極を有する人工脂質二分子膜形成且つ特性評価用のシリコンチップ及びその製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る人工脂質二分子膜形成及び特性評価用のシリコンチップを模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る人工脂質二分子膜形成及び特性評価用のシリコンチップの他の態様を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る人工脂質二分子膜形成及び特性評価用のシリコンチップの製造プロセスを模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る人工脂質二分子膜形成及び特性評価用のシリコンチップの製造プロセスを模式的に示す断面図である。 実施例１、比較例１、２に係るチップの微細孔を模式的に示す要部断面図である。 試験例５の結果を示す図である。 試験例６を実施するデバイスを模式的に示す図である。 試験例６の結果を示す図である。 試験例６の結果を示す図である。

本発明を下記実施形態に基づいて詳細に説明する。以下の説明は本発明の一態様を示すものであって、本発明はその要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更可能である。

（実施形態１）
図１には、本実施形態に係る人工脂質二分子膜を形成するための土台となり且つ形成した人工脂質二分子膜内に安定した電界を形成できる電極を具備するシリコンチップ、すなわち、人工脂質二分子膜形成及び特性評価用のシリコンチップの構造を模式的に示し、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は、Ａ−Ａ´線断面図、図１（ｃ）は、Ｂ−Ｂ´線断面図である。

図１に示すように、人工脂質二分子膜形成及び特性評価用のシリコンチップ（単にチップともいう）１は、シリコン基板１０を具備し、シリコン基板１０には、四角錐台形状の貫通孔である貫通孔１１が設けられている。直方体のシリコン基板１０の貫通孔１１の小面積の方の第１開口部１２が形成された表面には、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）膜２１と、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）膜２１上に設けられた第１酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜２２とが設けられている。

また、シリコン基板１０の貫通孔１１の大面積の第２開口部１３側の表面及び貫通孔１１の内周面並びに窒化シリコン膜２１の第１酸化シリコン膜２２とは反対側を覆うように第２酸化シリコン膜２３が設けられている。

開口部１２を塞ぐ窒化シリコン膜２１と、第１酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜２２と、第２酸化シリコン膜２３との中央部には、微細孔３０が形成されている。

微細孔３０は、窒化シリコン膜２１に形成された微細孔３１と、第１酸化シリコン膜２２に形成された微細孔３２と、第２酸化シリコン膜２３に形成された微細孔３３とからなり、全体として、第２酸化シリコン側から第１酸化シリコン側の開口に向かって開口側ほど内径が漸大する形状であり、前記微細孔３０の内周面３０ａは、前記窒化シリコン膜２１の領域の内周面である第１傾斜面３１ａと、前記第１酸化シリコン膜２２の領域の内周面である第２傾斜面３２ａとを含む。

ここで、第１傾斜面３１ａは、膜厚に直交する垂直面に対して３５°〜５５°、好ましくは、４０°〜５０°、さらに好ましくは、約４５°前後傾斜し、第２傾斜面３２ａは、それより非常に緩やかな傾斜、例えば、数十ミクロンの範囲を平均すると、約８９.７°〜８９．９°傾斜している。このように、第１傾斜面３１ａと第２傾斜面３２ａとの傾斜の度合いが異なることが特徴であり、第１傾斜面３１ａの傾斜より、第２傾斜面３２ａの傾斜が非常に緩やかになっている（垂直面に対する傾きは大きい）点が特徴である。このように、図中、上部開口側の第２傾斜面３２ａは、第２傾斜面３２ａの内径が前記開口側ほど漸大する割合である傾斜の傾きが、第１傾斜面３１ａの領域の傾斜の傾きより大きくなっている。なお、第２酸化シリコン膜２３は、窒化シリコン膜２１及び第１酸化シリコン膜２２のそれぞれと比較して非常に薄いので、その内周面の影響はほとんどない。

このような微細孔３０とすることにより、窒化シリコン膜２１及び第１酸化シリコン膜２２の内周部、すなわち、エッジ部３１ｂ、３２ｂの耐久性が著しく向上したものとなる。

微細孔３０の中心を通る短辺に平行な境界線ＢＯの長辺方向の両側には、第１酸化シリコン膜２２上に一対の電極２４が設けられている。

ここで、電極２４は、融点が７００℃以下の金属又は合金からなり、電極２４の境界線ＢＯ側の端部２４ａが境界線ＢＯ側ほど厚さが漸減したものであり、端部２４ａの上面は傾斜面となっている。

ここで、微細孔３０近傍では、電極２４の端部２４ａは、第１酸化シリコン膜２２の緩やかな第２傾斜面３２ａ上にさらに緩やかな第３傾斜面３３ａを形成するように成膜される。

また、この端部２４ａの上面が傾斜面となる形状は、微細孔３０近傍以外の端面で顕著に観察され、図１（ｃ）に表れるように、電極２４の端部２４ａの上面は緩やかに傾斜している。

このような端部２４ａの厚さが外側ほど漸減した電極２４は、マスクを介して気相法による部分成膜により形成されたものである。すなわち、境界線ＢＯを含む領域を少なくとも覆うマスクを介して、例えば、蒸着により成膜することにより、境界線ＢＯ側ほど厚さが小さい電極２４が成膜される。このような部分成膜を行うことにより、エッチングによりパターニングする必要がないので、下地の第１酸化シリコン膜２２及び窒化シリコン膜２１の成膜欠陥等に起因する絶縁不良が回避される。

また、電極２４は、融点が７００℃以下の金属又は合金で形成する必要がある。これは融点が７００℃を超える金属や合金を成膜することにより下地の第１酸化シリコン膜２２及び窒化シリコン膜２１の成膜欠陥に起因する絶縁不良が生じるのを回避するためである。
なお、融点が７００℃以下の金属又は合金としては、アルミニウム、アルミニウム合金、亜鉛、亜鉛合金、錫、錫合金などを挙げることができ、アルミニウム、アルミニウム合金が好適である。

また、電極２４は、第３酸化シリコン膜２５で覆われている。第３酸化シリコン膜２５は、電極２４の上面及び周縁部を覆うように設けられているが、長辺方向の両側には、電極２４の端子部２４ｂ（図４参照）を露出させる矩形の開口２５ａが設けられている。

このような第３酸化シリコン膜２５は、マスクを介して必要な領域のみに気相法、例えば、蒸着により部分的に成膜することにより形成した。

ここで、第３酸化シリコン膜２５は薄く形成され、微細孔３０の内周面、すなわち、窒化シリコン膜２１の傾斜面３１ａ上、及び第１酸化シリコン膜２２の第２傾斜面３２ａと電極２４の傾斜面３３ａとの積層膜上にも薄く形成されるが、薄膜なので、各傾斜面の形状への影響は小さい。

ここで、チップ１の電気的特性を向上させるためには、チップ１の電気容量を低下させるのが好ましく、表面を低誘電率の膜で被覆するのが好ましい。

このような低誘電率膜を設けたチップ１Ａは、図２に示す。このチップ１Ａは、貫通孔１１内の第２酸化シリコン膜２３上にアモルファスフッ素樹脂などの低誘電率材料の絶縁膜２６を設けたものである。

以下、人工脂質二分子膜形成及び特性評価用のシリコンチップの製造方法の一例を示しながら、本発明をさらに詳細に説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、約２００μｍの厚さのシリコン基板１０上に、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）膜１１０を有する基板を用意した。窒化シリコン膜１１０は、２００ｎｍ〜２２０ｎｍの厚さである。

次に、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板１００の窒化シリコン膜１１０とは反対側にドライ熱酸化法により酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜１３０を形成し、また、ＲＦスパッタリング法により、窒化シリコン膜１１０上に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜１２０を形成する。酸化シリコン膜１２０の厚さは、３００ｎｍ〜４５０ｎｍ程度とする。

ここで、熱酸化の条件は特に限定されないが、例えば、１１００°の電気炉中に純酸素を１Ｌ／ｍｉｎ程度までの流量で流し、１時間程度アニールすることにより行うことができる。

また、ＲＦスパッタリングの条件も特に限定されないが、ＳｉＯ_２ターゲットを用い、例えば、５．０×１０^−４Ｐａ以下の真空度で、雰囲気ガスとしてＡｒを用いて、２．６Ｐａの圧力、高周波電力１５０Ｗなどの条件下で行う。

次いで、図３（ｃ）に示すように、窒化シリコン膜１１０とは反対側に設けた酸化シリコン膜１３０をマスクとして、シリコン基板１００をウェットエッチングする。具体的には、酸化シリコン膜１３０上にレジストをスピンコートし、フォトリソグラフィーによるパターニングを行い、レジストを介して酸化シリコン膜１３０をパターニングし、パターニングした酸化シリコン膜１３０をマスクとして、９０℃に加熱した２５％ＴＭＡＨ(tetramethylammoniumhydroxide)中に基板を６時間浸漬して異方性エッチングを行い、貫通孔１１を形成した。

貫通孔１１は、四角錐台であり、窒化シリコン膜１１０側の小面積の第１開口部１２は、一辺が約５０μｍ〜６０μｍの正方形であり、酸化シリコン膜１３０側の大面積の第２開口部１３は、一辺が約２７０μｍ〜２８０μｍである。

次に、図３（ｄ）に示すように、貫通孔１１の内面及び窒化シリコン膜１１０の酸化シリコン膜１２０とは反対側に、酸化シリコン膜１４０をＲＦスパッタリング法により形成する。

次に、図３（ｅ）に示すように、酸化シリコン膜１２０上に、レジスト１５０を設けてフォトリスグラフィー法によりパターニングして孔１５１を形成し、マスクとする。

そして、図３（ｆ）に示すように、孔１５１を設けたレジスト１５０をマスクとして、微細孔３２の元となる第１微細孔３２１を形成する。この第１微細孔３２１の形成は、緩衝フッ化水素酸とフッ化水素酸とを併用して行い、第１微細孔３２１の傾斜面３２１ａは、微細孔３２の第２傾斜面３２ａと同等の傾斜を有すると推定される。

このエッチングの手順の一例を以下に示す。
まず、ＲＦスパッタリングで成膜した酸化シリコン膜１２０をエッチングするのに要する時間を計測する。すなわち、ダミー基板を用いて、エッチング液に緩衝フッ化水素酸（ＢＨＦ）を用いた場合と、例えば、５％フッ化水素酸（ＨＦ）を用いた場合のそれぞれについて、エッチング時間を計測する。そして、計測した時間の半分を１割増した時間をエッチング時間とし、基板をＢＨＦ、５％ＨＦの順にエッチングすることで、第１微細孔３２１を形成する。

なお、このように形成された第１微細孔３２１の傾斜面３２１ａは、傾斜の傾きが開口（図中上方）に近づくほど小さくなる凹曲面となる。ＢＨＦのみ、又は５％ＨＦのみを用いた場合にも凹曲面となるが、前者によって形成された傾斜面の傾きは傾斜面３２１ａよりも非常に大きく、反対に後者は若干小さくなる。

次に、図３（ｇ）に示すように、第１微細孔３２１を介して、窒化シリコン膜３１０を等方性エッチングし、微細孔３１となる第２微細孔３１１を形成する。このエッチングのエッチャントにはリン酸、例えば、１５０°に加熱した８５ｗｔ％のリン酸を使用し、エッチング後、３０℃程度まで冷ました後、純水でリンスする。なお、このとき、酸化シリコン膜１２０も多少、等方性エッチングされるが、図示は省略する。

ここで、第２微細孔３１１の傾斜面３１１ａは、微細孔３１の第１傾斜面３１ａと同等なものとなる。
また、傾斜面３１１ａは開口（図中上方）に近づくほど大きくなる凸曲面で形成される。

次に、図３（ｈ）に示すように、窒化シリコン膜１１０の第２微細孔３１１を介して酸化シリコン膜１４０を等方性エッチングすると同時に、第１微細孔３２１の内周面を等方エッチングし、第３微細孔３２２及び第４微細孔３３１を形成し、第２微細孔３１１と共に微細孔３０となる。なお、微細孔３０の径、例えば、第４微細孔３３１の領域で、約３０μｍ〜４０μｍであり、第３微細孔３２２の最大径は、例えば、１４０μｍ〜１６０μｍ程度である。
ここで、酸化シリコン膜１２０及び１４０の等方性エッチングは、５％フッ化水素酸を用いて行うことができる。

次に、図３（ｉ）に示すように、ウェット熱酸化法により、シリコン基板１０上の酸化シリコン膜１４０を成長させ、酸化シリコン膜１４５とする。ここでは、約３００ｎｍ〜４００ｎｍの酸化シリコンを成長させた。このウェット熱酸化の目的は、チップ自体の電気的特性の向上（電気容量の低下）である。このウェット熱酸化は、約１１００℃の電気炉内に純酸素と水蒸気を導入し、１時間アニールすることにより行うことができる。

次に、図４（ａ）に示すように、境界線ＢＯの周囲領域を含む領域を覆うマスク１６０を用い、マスク１６０以外の領域に、気相法、例えば、本実施形態では蒸着により、アルミニウム膜を、例えば、３０ｎｍの厚さで成膜し、電極２４とした（図４（ｂ））。蒸着は６５０℃前後の温度で行った。
この電極２４の周縁部である端部２４ａ、すなわち、マスク１６０の近傍では、マスク１６０に近いほど膜厚が漸減する形状となった。なお、マスク１６０としては、ニッケル板を用いた。

次に、図４（ｃ）に示すように、端子部２４ｂにマスク１７０を設けた状態で、酸化シリコン膜をＲＦスパッタリング法で形成し、第３酸化シリコン膜２５を設けた。なお、マスク１７０としては、無アルカリガラス板を用いた。

次に、図４（ｄ）に示すように、酸化シリコン膜１４５上に、アモルファスフッ素樹脂（ＣＹＴＯＰ（登録商標））をスピンコートし、アモルファスフッ素樹脂膜１８０を形成し、第４微細孔３３１内のアモルファスフッ素樹脂膜１８０を第４微細孔３３１側から除去して微細孔１８１を形成した。

図４（ｄ）の工程は、チップ表面を低誘電率材料で被覆して、チップの電気容量を低下させるものである。なお、図４（ｄ）の工程で用いたアモルファスフッ素樹脂は、これに限定されず、低誘電率材料であればよく、例えば、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）ＡＦなどを用いることができる。なお、図４の工程（ｄ）は、省略することもできる。

以上説明した微細孔３０を有するチップは、人工脂質二分子膜形成用のシリコンチップとなるが、これを人工的な細胞膜構造に適用させるためには、チップ表面を疎水性にする必要がある。この疎水性にする工程は、例えば、チップをシランカップリング剤中に浸漬することにより実施することができる。シランカップリング剤としては、例えば、３−シアノプロピルジメチルクロロシラン（3-cyanopropyldimethylchlorosilane（ＣＰＤＳ））またはトリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチルジメチルクロロシラン（ＰＦＤＳ）を用いる。

（実施例１）
図３〜図４のプロセスにより製造したものを実施例１のチップとした。微細孔の模式図を図５（ａ）に示す。

（比較例１）
図３〜図４のプロセスにおいて、図３（ｈ）の工程の後、酸化シリコン膜１２０を緩衝フッ化水素酸（ＢＨＦ）で除去したものを、比較例１のチップとした。微細孔の模式図を図５（ｂ）に示す。

（比較例２）
図３〜図４のプロセスにおいて、図３（ｈ）の工程を、緩衝フッ化水素酸（ＢＨＦ）のみを用いて実施して第２酸化シリコン膜２３に傾斜が第１傾斜面３１ａと同程度の微細孔３２Ａを形成したものを、比較例２のチップとした。微細孔の模式図を図５（ｃ）に示す。

（試験例１）人工脂質二分子膜形成確率
実施例１及び比較例１、２のチップをそれぞれｎ個用い、以下の手順で人工脂質二分子膜を形成し、膜形成試行回数ｎ回の内、１００ギガオーム以上の膜が形成された確率を膜形成確率とした。

人工脂質二分子膜形成は、トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチルジメチルクロロシラン（ＰＦＤＳ）で疎水化処理を行った後、気−液界面に展開した脂質の単分子膜を、チップの微細孔中ではりあわせる方法で形成した。なお、人工脂質二分子膜形成は、Langmuir 2010, 26(3), 1949-1952のBLM Formation and Current Recordingsを参照して行った。

また、人工脂質二分子膜抵抗は、膜の両側の水溶液にＡｇ／ＡｇＣｌ電極を介して＋１００ｍＶと−１００ｍＶの電圧を順番に印加し、その時観測された電流値の差（ΔＩ）を計測し、｛１００−（−１００）｝／ΔＩから算出した。結果は、表１に示す。

（試験例２）遠心耐性
実施例１及び比較例１、２のチップをそれぞれについて、試験例１で形成した人工脂質二分子膜について、遠心耐性試験を実施した。

遠心耐性試験は、試験例１で１００ギガオーム以上の膜が形成できたものに対し、遠心力（５５×ｇ）を１０分間かけ、その後の膜抵抗が１００ギガオーム以上のものを遠心耐性ありとした。なお、遠心耐性は、Langmuir 2010, 26(3), 1949-1952のBLM formation and protein incorporation via centrifugationを参照して行った。結果は、表１に示す。

（試験例３）水面を２０回上下させる操作に耐える確率
試験例１で人工脂質二分子膜抵抗が１００ギガオーム以上の膜が形成できたチップについて、水面を２０回上下させる操作を行い、その後の膜抵抗が１００ギガオーム以上維持できたものを耐性ありとした。結果は、表１に示す。

（試験例４）人工脂質二分子膜寿命
試験例１で人工脂質二分子膜抵抗が１００ギガオーム以上の人工脂質二分子膜が形成できたチップを、０ｍＶで放置し、３０分毎に、膜の両側の水溶液にＡｇ／ＡｇＣｌ電極を介して＋１００ｍＶと−１００ｍＶの電圧を順番に印加し、観測された電流値から人工脂質二分子膜抵抗を上述した通りに算出し、人工脂質二分子膜抵抗が１００ギガオームを維持していた時間を膜寿命とした。結果は、表１に示す。

表１の結果より、人工脂質二分子膜形成確率、遠心耐性、水面を上下させる操作に耐える確率及び人工脂質二分子膜寿命の全てについて、実施例１のチップは比較例１、２と比較して優れたものであった。これは、第１酸化シリコン膜２２を除去した比較例１や第１酸化シリコン膜２２の微細孔３２の内面の傾斜が第１傾斜面３１ａのように緩やかではなく、第２傾斜面３２ａと同じような傾斜面となっている比較例２と比較した結果、第１酸化シリコン膜２２の微細孔３２の形状、すなわち、第２傾斜面３２ａが第１傾斜面３１ａより緩やかに傾斜しているためであることが確認された。

（実施例２）
図３〜図４のプロセスにより製造したものを実施例２のチップを作製した。

（比較例３）
図４のプロセス（ａ）、（ｂ）の代わりに、電極としてチタン５ｎｍ、金３０ｎｍ及びチタン５ｎｍを蒸着した後、エッチングによりパターニングしたものとした以外は実施例１と同様なものを比較例３のチップとした。なお、金の上下層にチタン層を設けたのは密着を考慮したものである。なお、チタン及び金の蒸着は、それぞれ１６５０℃及び１０５０℃前後での温度で行った。

（比較例４）
図４のプロセス（ａ）、（ｂ）の代わりに、電極としてチタン３０ｎｍをマスクを介して蒸着した以外は実施例１と同様なものを比較例４のチップとした。なお、チタンの蒸着は、１６５０℃前後での温度で行った。

（試験例５）チップ内リーク電流の測定
実施例２、比較例３及び比較例４のチップの一対の電極２４に半導体パラメータアナライザを接続し、電圧を変化させたときの電流の変化素測定した結果を図６に示す。実施例２のチップでは、図６（ａ）に示すように、電圧の変化に対して電流値は一定であり、リーク電流がないことが確認できた。

一方、比較例３のチップでは、図６（ｂ）に示すように、電流値が僅かに変化し、リーク電流が流れていることがわかった。これはチタン、金及びチタン層を蒸着したときの熱の影響による下層の損傷が原因であると予想される。

また、比較例４のチップでは、図６（ｃ）に示すように、電圧の変化に対して電流値が大きく変化した。これは、チタンを長時間蒸着したために、熱の影響による下層の損傷がより大きくなったためだと考えられる。

（試験例６）人工脂質二分子膜への多方向電界印加時の膜特性の測定
試験例１と同様に、実施例２、比較例３のチップに人工脂質二分子膜を形成し、図７に示すようにデバイスを作製した。

図７において、チップ１の微細孔３０には人工脂質二分子膜２００が形成され、その厚さ方向の両側の液中に電極２１０を配置した。電極２１０は試験例１と同様にＡｇ／ＡｇＣｌ電極とした。なお、電極２１０間にパッチクランプ増幅器２２０、電極２４間に交流電源２３０を接続した。

電極２４を介して、人工脂質二分子膜２００の膜と平行な方向（横方向ともいう）に１０００ｍＶ、５００ｍＶ、１００ｍＶの１１．６ｋＨｚの交流電圧を印加しながら、電極２１０を介して膜厚方向（縦方向ともいう）に直流電圧０ｍＶを印加したときの縦方向の電流値を１ｋＨｚのローパスフィルターを通して測定した。実施例２のチップ及び比較例３のチップの結果を、図８（ａ）（実施例２）、（ｂ）（比較例３）に示す。この結果、実施例２のチップでは、縦方向電流値は安定しており、実測定に用いることができそうであるが、比較例３のチップでは、縦方向電流値に大きなバラツキがあり、実用には使用できないことがわかった。

また、電極２４を介して、人工脂質二分子膜２００の膜と平行な方向（横方向ともいう）に印加する１１．６ｋＨｚの交流電圧の電圧を変化させながら、電極２１０を介して膜厚方向（縦方向ともいう）の抵抗値（ＧΩ）、キャパシタンス（ｐＦ）及びノイズ電流（ｐＡ）を測定した結果を図９（ａ）に示す。抵抗値は、試験例１と同様に、電極２１０を介して＋１００ｍＶと−１００ｍＶの電圧を順番に印加し、その時観測された電流値の差（ΔＩ）を計測し、｛１００−（−１００）｝／ΔＩから算出した。また、キャパシタンスは、電極２１０に、±１Ｖの三角波電圧を印加することによって得られた出力矩形波から算出した。また、ノイズ電流は、電極２１０を介して膜厚方向（縦方向ともいう）に直流電圧０ｍＶを印加したときの縦方向の電流値を１ｋＨｚのローパスフィルターを通して測定した。

この結果、抵抗、キャパシタンス及びノイズ電流が共に安定しており、実用に耐えるものであることがわかった。

一方、電極２４を介して人工脂質二分子膜２００の膜と平行な方向（横方向ともいう）に印加する電圧を直流電圧とした以外は同様条件で、縦方向の抵抗値（ＧΩ）、キャパシタンス（ｐＦ）及びノイズ電流（ｐＡ）を測定した結果を図９（ｂ）に示す。

この結果、直流電圧の印加では、抵抗、キャパシタンス及びノイズ電流にそれぞれ大きなバラツキがあり、実用には使用できないことがわかった。

本発明の人工脂質二分子膜形成用のシリコンチップは、イオンチャンネルを用いた脂質二分子膜センサーなどに応用でき、特に創薬のスクリーニングなどでの利用が期待できる。また、細胞等から抽出したタンパク質のみならず、無細胞合成系によって合成されたタンパク質と組み合わせることができる。

また、膜に平行な方向に電界を印加できる電極をリーク電流のない状態で設けることで、膜の特性評価を高精度で行うことができる。

１、１Ａ シリコンチップ
１０ シリコン基板
１１ 貫通孔
１２ 第１開口部
１３ 第２開口部
２１ 窒化シリコン膜
２２ 第１酸化シリコン膜
２３ 第２酸化シリコン膜
２４ 電極
２５ 第３酸化シリコン膜
３０、３１、３２、３３ 微細孔
３０ａ 内周面
３１ａ 第１傾斜面
３２ａ 第２傾斜面
３３ａ 第３傾斜面
３１ｂ、３２ｂ エッジ部

Claims (14)

1. シリコン基板に設けられた貫通孔と、この貫通孔を覆うように設けられた窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）膜と、この上に設けられた第１酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜と、前記貫通孔の前記シリコン基板の内周面及び前記窒化シリコン膜の前記第１酸化シリコン膜とは反対側に設けられた第２酸化シリコン膜と、前記第１酸化シリコン膜、前記窒化シリコン膜及び前記第２酸化シリコン膜に設けられた微細孔と、前記第２酸化シリコン膜上に設けられ且つ前記微細孔を通る境界線を挟んで両側に配置された一対の電極とを具備し、前記電極は、融点が７００℃以下の金属又は合金からなり、前記電極の前記境界線側の端部が前記境界線側ほど厚さが漸減していることを特徴とするシリコンチップ。
2. 前記電極は、第３酸化シリコン膜で覆われていることを特徴とする請求項１記載のシリコンチップ。
3. 前記電極は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１又は２記載のシリコンチップ。
4. 前記微細孔は、前記第２酸化シリコン膜側から前記第１酸化シリコン膜側の開口に向かって前記開口側ほど内径が漸大する形状であり、前記微細孔の内周面は、前記窒化シリコン膜の領域の内周面である第１傾斜面と、前記第１酸化シリコン膜の領域の内周面である第２傾斜面とを含み、前記第２傾斜面の膜厚方向に対して傾斜する傾きが、前記第１傾斜面の傾きより大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のシリコンチップ。
5. 前記第１傾斜面は、傾斜の傾きが前記開口に近づくほど大きくなる凸曲面で形成され、前記第２傾斜面は、傾斜の傾きが前記開口に近づくほど小さくなる凹曲面で形成されていることを特徴とする請求項４記載のシリコンチップ。
6. 前記微細孔の内周面には、前記窒素シリコン膜の領域も含めて酸化シリコン膜で覆われていることを特徴とする請求項４又は５記載のシリコンチップ。
7. 前記貫通孔の内周面には、低誘電率絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載のシリコンチップ。
8. 前記低誘電率絶縁膜は、アモルファスフッ素樹脂膜からなることを特徴とする請求項７記載のシリコンチップ。
9. シリコン基板上に窒化シリコン膜を設け、この上に第１酸化シリコン膜を設ける第１膜形成工程と、
   前記シリコン基板の前記窒化シリコン膜を設けた側とは反対側から、前記窒化シリコン膜まで貫通する貫通孔をウェットエッチングによる形成する貫通孔形成工程と、
   前記貫通孔内に気相法により酸化シリコンを積層して第２酸化シリコン膜を形成する第２膜形成工程と、
   前記貫通孔に対向する領域の前記第１酸化シリコン膜に緩衝フッ化水素酸及びフッ化水素酸を用いてウェッチエッチングすることにより第１微細孔を形成する第１エッチング工程と、
   前記第１微細孔に対向する領域の前記窒化シリコン膜に前記第１微細孔を介してリン酸を用いてウェットエッチングにより前記第１微細孔より大きな第２微細孔を形成する第２エッチング工程と、
   前記第１酸化シリコン膜の前記第１微細孔の周囲及び前記第２微細孔に対向する前記第２酸化シリコン膜をフッ化水素酸を用いてウェットエッチングすることにより、第３微細孔及び第４微細孔を形成し、前記第２微細孔、前記第３微細孔及び前記第４微細孔からなる微細孔を形成する第３エッチング工程と、
   前記微細孔を通る境界線を含む境界領域を少なくとも覆うマスクを介して融点が７００℃以下の金属又は合金を蒸着することにより、前記境界線を挟んだ両側に配置された一対の電極を設ける電極形成工程と、
   を具備することを特徴とするシリコンチップの製造方法。
10. 前記電極形成工程の後、
    前記電極を覆う第３酸化シリコン膜を設ける第３膜形成工程を具備する
    ことを特徴とする請求項９記載のシリコンチップの製造方法。
11. 前記融点が７００℃以下の金属又は合金は、アルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする請求項９又は１０記載のシリコンチップの製造方法。
12. 前記第３エッチング工程で形成される微細孔は、前記第２酸化シリコン膜側から前記第１酸化シリコン膜側の開口に向かって前記開口側ほど内径が漸大する形状であり、前記微細孔の内周面は、前記窒化シリコン膜の領域の内周面である第１傾斜面と、前記第１酸化シリコン膜の領域の内周面である第２傾斜面とを含み、前記第２傾斜面の膜厚方向に対して傾斜する傾きが、前記第１傾斜面の傾きより大きい
    ことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項記載のシリコンチップの製造方法。
13. 前記第３エッチング工程の後、ウェット酸化工程を行い、
    前記電極形成工程の後、
    前記第２酸化シリコン膜上に低誘電率材料を塗布し、前記第４微細孔に対応する領域をドライエッチングすることにより第５微細孔を有する低誘電率絶縁膜を形成する低誘電率絶縁膜形成工程と
    を具備することを特徴とする請求項９記載のシリコンチップの製造方法。
14. 前記低誘電率絶縁膜形成工程の後、
    前記微細孔の内周面に酸化シリコン膜を気相法により設ける第４膜形成工程を具備することを特徴とする請求項１３記載のシリコンチップの製造方法。