JP6054604B2 - マイクロ・ナノ流体解析デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

マイクロ・ナノ流体解析デバイスおよびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、マイクロ・ナノ流体解析デバイスを用いた計測技術に関する。
次々世代ＤＮＡシーケンサを実現するアプローチとして、ＤＮＡと同程度の大きさの孔と、その両脇に電極を備えたナノポアデバイスを用いた計測方法が注目されている（非特許文献１）。ＤＮＡが孔を通過する際に、両脇の電極間に流れるトンネル電流の変化で、塩基配列を解読しようとするものである（図１Ａに簡易断面図と回路図、及び図１Ｂに上面図を示す。図２に、測定によって得られるデータの概念図を示す）。本方式の特徴はＤＮＡを標識することなく、換言すると酵素や蛍光色素などの試薬を用いずに、電気的に塩基配列を解析できることである。そのため、試薬を用いたプロセスを削減でき、解析コストの低減や読み出しスループットの向上が期待できる。
ナノポアデバイスの製造は、機械的強度が高いこと等から、半導体基板、半導体材料および半導体プロセスを用いる方法が注目を集めている（非特許文献２）。代表的な製法の１つとして、非特許文献２にあるように、半導体基板上に薄膜の絶縁膜の領域を設け、その中に２電極を形成し、その２電極間に電子ビームを照射してポアを形成する方法がある。電子ビームのエネルギー、照射面積、電流をコントロールすることで、１０ｎｍ以下のポアを形成することが出来る。
現在１０ｎｍ以下の安定したポア形成に必要な電子ビームのエネルギーは２００ｋｅＶ、照射面積は１ｎｍ２程度、電流は１０８ｅ/(ｎｍ２・ｓ)程度必要であり、ＴＥＭ（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）装置が用いられている。ＴＥＭ装置での加工では、装置内に搬入できるサンプルの大きさに限りがあり、また複数箇所に同時にビームを絞ることも通常困難である。そのため、例えば８インチウエハ上の全てのチップを同時に一括加工することは出来ず、１チップずつ切り出しての処理となる。それ故、デバイス形成のスループットが低下する。
またナノポアデバイスにおいて、将来的に、２対のギャップを有する電極を複数積層し、１本のＤＮＡがポアを通過する際に、複数回信号を検出することで、読み出し精度を向上させることが考えられる。複数電極を積層すれば、メンブレンの厚みも増し、電子線照射によるポア開口はより困難になる。また、１０ｎｍ以下のギャップを有する複数電極を１０ｎｍ以下の合わせ精度で積層することも困難である。
これら課題を回避するために、基板上にナノオーダの流路を設け、その流路の側壁に２対の電極を有し、流路を通るＤＮＡの塩基配列を２対の電極間のトンネル電流で検出しようという方式が考えられる。特許文献１では、流路の側壁に２対の電極が配置されているデバイスが開示されている。また非特許文献３でも、流路幅４５ｎｍ、２対の電極間の幅９ｎｍ、高さ１６ｎｍの流路デバイスが形成されている。この製法は、ナノインプリントリソグラフィーを用いて基板上に流路パターンを形成し、ＲＩＥエッチングで流路を掘る。その後、流路に対して直交するように狭いトレンチ上のレジストパターンをナノインプリントで形成し、その後、２段の斜め蒸着法（ｄｏｕｂｌｅ ｓｈａｄｏｗ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）を用いて、流路側壁に対し斜めに金属を蒸着し、リフトオフすることで、流路に直行する電極対を作る。斜め蒸着により２電極間がショートすることが無いようにしている。その後、ガラスプレートを圧着し、流路上部に蓋をする。
特開２００６−２５８８１３号公報
Johan Lagerqvist、 et al.、 NANO LETTERS (2006) Vol.6、 No.4 779−782 Brian C. Gierhart、 et al.、 SENSORS AND ACTUATORS B 132 (2008) 593−600 Xiaogan Liang and Stephen Y. Chou NANOLETTERS (2008) Vol.8、 No.5 1472−1476
流路中でＤＮＡを泳動させる場合、流路の深さがＤＮＡの太さに対して十分に深いと、図３Ｂのように、流路中におけるＤＮＡの向きは、さまざまな配置を取ることができる。図３Ａは、流路に平行なデバイス断面図を示し、図３Ｂは流路を通るＤＮＡを示す図である。例えば、図３Ｂのような、電極部に対し複数塩基が同時に位置する配置の場合、電極を通じて得られる電気信号は、複数塩基をまとめて検出した信号となる。これを回避するため、理想的には図４のように、ＤＮＡの高さ方向は計測時にはそろっていることが求められる。
また、横方向に関しても、流路の幅がＤＮＡの太さに比べて十分に太い場合、同様のことが言える。
別の課題として、非特許文献３のように流路形成後にガラス等で蓋をして使用するデバイスの場合、蓋を圧着する際に、流路部分への蓋のたわみ込みが起こり、流路の高さの制御性が悪くなる。そのため、数ｎｍの流路デバイスを形成する際には、蓋が不要なプロセスが望まれる。また、蓋が必要な場合、流路デバイス表面をほぼ段差なく平坦にすることで、蓋の圧着の制御性を高めることなどが必要である。
そこで、本発明の目的は、流路内でのＤＮＡの高さ方向あるいは水平方向の運動を制御可能とし、また、流路の高さの制御性を向上するデバイス構造およびその製法を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明の流体解析デバイスおよびその製造方法の主要な構成は、次の通りとなる。
（１）電流測定により溶液に含有された試料を解析する流体解析デバイスであって、基板上に設けられた導電膜と、導電膜に電圧を印加する第１電極と、導電膜上に設けられた第１絶縁膜の第１領域から第２領域に至る上面が開放された溶液の流路となる溝部と、溝部の両側面に対峙して設けられた少なくとも一対の電極端子と、一対の電極端子のそれぞれに接続された配線に電圧を印加する第２および第３電極とを有し、溶液を溝部を通過させる際に、第２電極と第３電極との間に電圧を印加して、溶液に含有された試料を介して第２および第３電極間に流れる電気信号を測定することにより、試料を解析することを特徴とする。
（２）電流測定により溶液に含有された試料を解析する流体解析デバイスであって、基板と、基板上に設けられた溶液の流路となる溝部と、溝部の上面に溝部と交差する方向に設けられた導電膜と、導電膜に電圧を印加する第１電極とを備え、溝部は、その両側面が絶縁体で、その底面が前記基板で、その上面が前記導電膜で構成され、溶液を溝部を通過させる際に、第１電極と基板との間に電圧を印加して、溶液に含有された試料を介して第１電極および基板間に流れる電気信号を測定することにより、試料を解析することを特徴とする。
（３）溶液に含有された試料を流す流路と、該流路を通過する試料に電界を与える配線部とを含む流体解析デバイスの製造方法であって、基板上に第１の導電膜を堆積し基板電極を形成する工程と、基板電極上に第１絶縁膜を形成し、第１絶縁膜に所定の幅を有する第１開口部を形成する工程と、第１開口部および第１絶縁膜に第２の導電膜を堆積し平坦化技術を用いて第１開口部内に第２の導電膜を埋め込み配線部を形成する工程と、配線部の長手方向と交差する方向に所定の幅を有する第２開口部を第１絶縁膜に開口し流路を形成するとともに、配線部と交差する流路の側面に配線の端子部を形成する工程とを有することを特徴とする。
本発明によれば、流路内でのＤＮＡの高さ方向あるいは水平方向の運動を制御可能とし、また、流路の高さの制御性を向上するデバイス構造およびその製法を提供することが可能となる。これにより、ＤＮＡをはじめとし、たんぱく質、ウイルス、細菌などの溶液中の対象物を検出、解析するマイクロ・ナノ流体デバイスの検出精度、解析精度を向上させることが出来る。
ナノポア型ＤＮＡシーケンサの断面図及び回路図。 ナノポア型ＤＮＡシーケンサの上面図。 ナノポア型ＤＮＡシーケンサによって得られる信号の概念図。 検出電極付き流路を示す俯瞰図。 検出電極付き流路と流路中を流れるＤＮＡを示す図。 検出電極付き流路と流路中を流れるＤＮＡを示す図。 実施例１の製法を説明する工程の断面図。 実施例１の製法を説明する工程の平面図。 実施例１の製法を説明する工程の断面図。 実施例１の製法を説明する工程の平面図。 実施例１の製法を説明する工程の断面図。 実施例１の製法を説明する工程の平面図。 実施例１の製法を説明する工程の断面図。 実施例１の製法を説明する工程の平面図。 実施例１の製法を説明する工程の断面図。 実施例１の製法を説明する工程の平面図。 実施例１の製法を説明する工程の断面図。 実施例１の製法を説明する工程の平面図。 実施例１の製法を説明する工程の断面図。 実施例１の製法を説明する工程の平面図。 実施例１の製法を説明する工程の断面図。 実施例１の製法を説明する工程の平面図。 実施例１の製法を説明する工程の断面図。 実施例１の製法を説明する工程の平面図。 実施例１の製法を説明する工程の断面図。 実施例１の製法を説明する工程の平面図。 実施例１のデバイス断面とＤＮＡの位置を示す図。 実施例１のデバイス断面とＤＮＡの位置を示す図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例２の製法を説明する工程の断面図。 実施例２の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例３の製法を説明する工程の断面図。 実施例３の製法を説明する工程の平面図。 実施例４の製法を説明する工程の断面図。 実施例４の製法を説明する工程の断面図。 実施例４の製法を説明する工程の断面図。 実施例４の製法を説明する工程の断面図。 実施例５の製法を説明する工程の断面図。 実施例５の製法を説明する工程の平面図。 実施例５の製法を説明する工程の断面図。 実施例５の製法を説明する工程の平面図。 実施例５の製法を説明する工程の断面図。 実施例５の製法を説明する工程の平面図。 実施例５の製法を説明する工程の断面図。 実施例５の製法を説明する工程の平面図。 実施例５の製法を説明する工程の断面図。 実施例５の製法を説明する工程の平面図。 実施例６の製法を説明する工程の断面図。 実施例６の製法を説明する工程の平面図。 実施例６の製法を説明する工程の断面図。 実施例６の製法を説明する工程の平面図。 実施例７の製法を説明する工程の断面図。 実施例７の製法を説明する工程の平面図。 実施例７の製法を説明する工程の平面図。 実施例７の製法を説明する工程の断面図。 実施例７の製法を説明する工程の平面図。 実施例７の製法を説明する工程の断面図。 実施例７の製法を説明する工程の平面図。 実施例７の製法を説明する工程の断面図。 実施例７の製法を説明する工程の平面図。 実施例７の製法を説明する工程の断面図。 実施例７の製法を説明する工程の平面図。 実施例９の構造を説明する図。 実施例１０の構造を説明する断面図。 実施例１０の構造を説明する断面図。 実施例１０の構造を説明する断面図。 実施例１０の構造を説明する断面図。
本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は可能な限り省略するようにしている。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。実施例に記載するデバイス構造および材料は、本発明の思想を具現化するための一例であり、材料および寸法などを厳密に特定するものではない。
流路中を泳動するＤＮＡの高さ方向の位置をそろえるために、図１４Ａ，Ｂに示されるような、基板に電極を設ける構造を形成する。本実施例およびその他の実施例に記載するデバイス構造および材料は、本発明の思想を具現化するための一例であり、材料および寸法などを厳密に特定するものではない。
図１４Ａは、本実施例のデバイスの断面図であり、図１４Ｂは上面図であり、図１４Ａａ）及びｂ）には、それぞれ図１４ＢのＡ−Ａ’断面とＢ−Ｂ’断面を画いている。Ａ−Ａ’断面は、流路に沿った断面であり、Ｂ−Ｂ’断面は、流路に直交し、２対の電極に沿った断面である。図面中の符号１００は、例えばＳｉ基板であり、符号１０２は絶縁膜で、例えばシリコン窒化膜（以下、ＳｉＮ膜と略記）であり、符号１０４は導電材料で構成され、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗなどの材料である。符号１０６は導電材料で構成され、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗなどの材料である。なお、符号１０４は、ＤＮＡの塩基を検出するための検出用電極であり、符号１０６は、絶縁膜を挟んで流路へ電界を及ぼす為の基板側電極である。
本実施例では、Ｃ−Ｃ’断面で見た場合、検出用電極１０４の対と、検出用電極１０４の側壁に接するＳｉＮ膜１０２の間には、理想的には表面に段差がない、または極小である。そのため、流路上部へガラスなどを圧着し蓋１１８をする際、その圧着が容易となり、また、段差による流路部以外への空洞の形成や、段差による流路中の高さ方向のばらつきが抑制され、溶液の搬送精度や検出精度の向上を実現できる。
ＤＮＡは通常ＫＣｌ水溶液中で管理される。流路中へＤＮＡを搬送するには、流路をＤＮＡの入ったＫＣｌ水溶液で満たし、流路の入り口と出口において溶液中に電極を浸し、電圧差を設けることで、ＤＮＡを流路の入り口方向から出口方向へと搬送することが出来る。ＤＮＡは負の電荷を持っているため、電気的に泳動させることが出来るのである。ＤＮＡを流路中で泳動させているときに、基板側電極１０６に、流路入り口に印加されている電圧に対して正の電圧を印加することで、ＤＮＡを流路底部側に引き寄せることが出来、図１５Ａのような、高さ方向に一定となる配置をＤＮＡに採らせることが出来る。
図１５Ａは、Ａ−Ａ’断面の一部を斜めから見た図である。図中の符号２００は、ＤＮＡの模式図であり、それを構成する一つ一つの四角が、ＤＮＡの１塩基（２０１）の模式図である。同様に、基板側電極１０６に、流路入り口に印加されている電圧に対して負の電圧をかけることで、ＤＮＡを流路上部（ガラスなどで蓋をされる側）へ押しやることが出来、図１５Ｂのような、高さ方向に一定となる配置をＤＮＡに採らせることが出来る。
マイクロ・ナノ流体デバイスの製法の一例を図５Ａから図１４Ａの断面図で示す。同時に、各断面図に対応する上面図を図５Ｂから図１４Ｂに示す。
先ず、図５Ａに示すように、Ｓｉ基板１００上に、基板側電極となる１０６を形成し、その上にＳｉＮ膜１０２を形成する。基板側電極１０６は、導電材料であり、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗなどが挙げられる。その後、レジストをマスクにＳｉＮ膜１０２をエッチングすることで、後に検出用電極が配置される部分に溝を作る。図５Ｂ中の溝のうち太い部分があるのは、電極へのコンタクトを容易にするための工夫である。基板側電極１０６は、後に流路となる部分の下部近傍にのみ配置するのでも良い。流路となる部分の下部近傍にのみ基板側電極１０６を配置する際は、Ｓｉ基板１００上に絶縁膜を形成し、その上で基板側電極１０６のパターンを形成することで、電圧印加時に電極部のみ局所的に電圧を掛けることが出来る。また高濃度Ｓｉ基板をそのまま基板側電極１０６として用いても良い。ＳｉＮをエッチングすることよりパターニングする溝の幅は、次工程（図６Ａ，Ｂ参照）で最終的に決定される溝の幅が最適となるよう決定される。
次に、図６Ａ，Ｂで示す工程において、ＳｉＮ膜１０２を堆積させることで、溝の幅および深さを減少させる。溝の幅および深さを減少させたあとの最終的な寸法は、ＤＮＡの塩基を検出するために、幅はなるべくＤＮＡの１塩基の大きさと近い値であり、深さも好ましくは可能な限りＤＮＡの１塩基の大きさと近い値となるよう形成する。
次に、図７Ａ，Ｂで示す工程に示すように、後に検出用電極１０４となる電極材料を堆積する。検出用電極１０４は導電材料で構成され、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗなどの材料が挙げられる。
引き続き、図８Ａ、Ｂで示す工程に示すように、ＣＭＰなどの平坦化プロセスによって、金属下部のＳｉＮ表面まで削り、平坦な、導電材料と絶縁膜からなる表面を形成する。このように、導電材料の配線を埋め込み型で形成することで、後にガラスプレート圧着などにより流路に蓋をする際、上記した通り有利となる。上記のような埋め込み型の配線でない場合、配線の高さ分だけ、周囲の絶縁膜との間に段差が生じる。その段差は蓋をする際または蓋をした後に、流路部以外への空洞の形成や、段差による流路中の高さ方向のばらつきの原因となる。本製法および本デバイスの特徴の一つは、検出用電極の配線と周囲絶縁膜の段差が、検出用電極の配線の高さ以下であり、きわめて平坦に近いということである。
また、さらに平坦性を向上させるために、図８Ａ、Ｂのように平坦な、導電材料と絶縁膜からなる表面を形成した後、さらに絶縁膜を堆積して、電極表面を露出させること無くＣＭＰなどの平坦化プロセスで平坦化すればよい。異種材料を露出させての平坦化よりも平坦性は向上する。なおこの場合、以後のプロセスを本実施例に沿って行っていくと、デバイス完成時には、流路の高さが対向電極の高さよりも高くなり、対向電極の上部に、絶縁膜が存在する。その場合、ＤＮＡ測定の際には、基板側電極に電圧を印加しＤＮＡを基板側に引き寄せれば、対向する電極の間に精度よくＤＮＡを配置することが出来る。
次に、図９Ａ、Ｂで示す工程では、シリコン酸化膜（以下、ＳｉＯ２膜と略記）１０１を堆積し、レジストをマスクにパターニングすることで、後に流路のパターンとなる部分に溝を作る。図９Ｂで示す溝のうち太い部分があるのは、流路へのコンタクトを容易にするための工夫である。また同部分は、溶液注入を容易にするために、深く掘り込んでおいても良い。ＳｉＯ２１０１をエッチングすることよりパターニングする溝の幅は、次工程以降（すなわち、図１０Ａ，Ｂ、図１１Ａ，Ｂ）で最終的に決定される幅が最適となるよう決定される。
さらに図１０Ａ、Ｂで示す工程において、ＳｉＯ２膜１０１を堆積させることで、溝の幅を減少させる。溝の幅を減少させたあとの最終的な寸法は、流路の幅の寸法を決定するため、ＤＮＡ搬送する際のＤＮＡの方向制御の観点から、ＤＮＡの太さとなるべく同等程度の値となるよう形成する。
引き続き、図１１で示す工程において、図１０Ａ、Ｂにて堆積した厚さ分ＳｉＯ２膜１０１をエッチバックすることで、検出用電極１０４の表面を露出させる。エッチバック時に、図９Ａ，Ｂで形成した溝の側壁にサイドウォール上にＳｉＯ２膜が残り、溝を細らせている。このとき、溝の幅は、流路の幅の寸法を決定するため、ＤＮＡ搬送する際のＤＮＡの方向制御の観点から、好ましくはＤＮＡの太さと同等程度の値となるよう形成する。
さらに、図１２Ａ、Ｂで示す工程において、検出用電極の厚さ分、検出用電極とＳｉＮ膜をエッチングすることによって、ＤＮＡを搬送する流路を形成する。
次に、図１３Ａ、Ｂで示す工程では、ＳｉＯ２膜をＨＦなどを用いて、選択的にエッチングし除去する。
次に、図１４Ａ、Ｂで示す工程では、レジストをパターニングし、それをマスクとして、基板側電極１０６へのコンタクトホールを形成する。
その後、デバイス表面の流路部分にガラスやその他絶縁膜などのプレートを圧着することで、流路上部に蓋をする。蓋は、一例として、溶液の入口部出口部および流路部に蓋をして、あとから溶液の入口部および出口部に相当する部分に穴を空けることで、溶液の入口部出口部を兼ね備えた流路を形成できる。
なお、本デバイスの流路幅や電極幅を対象物に合わせ変化させることで、ＤＮＡ以外の生体分子やウイルス、細菌などの検出器として使用することも出来る。
本製法の特徴の一つとして、最終的な極細の流路及び電極を作る際に、まず、現在のリソグラフィ技術で正確な寸法（幅）が保障できるパターンをマスクに溝を形成し、そこにコンフォーマルかつナノメートルオーダで正確な制御が出来る膜堆積方法を用いて溝の幅を狭くすることが挙げられる。コンフォーマルかつ原子層レベルの膜厚制御が出来る膜堆積方法は、例えばＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの手法が挙げられ、そのほかにも、半導体デバイス開発の中で古くから開発されてきた既知の技術がたくさんある。これにより、ＤＮＡ大きさに近い幅を持つ流路の形成が可能となる。
深さ方向の制御に関しては上述したとおり、基板側電極１０６によって流路へ電界を掛けることで、対象物であるＤＮＡの高さ方向を制御することにより、検出信号の信頼性を向上させることが出来る。高さ方向制御に用いる電極と検出用電極１０４が独立していることで、高さ方向に最適な電圧と検出に最適な電圧をかけ分けることができる。例えば、流路入り口付近の溶液に印加する電圧を０Ｖとし、流路出口付近の溶液に印加する電圧をＶｏｕｔ＞０Ｖとし、基板側電極１０４の電圧をＶｓｕｂ＞０Ｖとし、検出用電極１０４の一方を正電圧、もう一方を負電圧とすることで、デバイスを動作させる。
なお溶液流動の制御の観点から、流路部のうち、対向電極が存在する検出部以外の幅や深さを広く設計しても良い。
実施例１と同じく、検出用電極１０４対と、検出用電極104の側壁に接するＳｉＮ膜１０２の間に段差がない、または極小であり、かつ、流路へ電界を及ぼすことが出来る基板電極を設置しているデバイスの製法のもう一例を示す。
先ず、図１６Ａ，Ｂで示す工程において、Ｓｉ基板１００上に、基板側電極となる１０６を形成し、その上にＳｉＮ膜１０２を堆積し、その上にＳｉＯ２膜１０１を形成する。その後ＳｉＯ２膜をレジストをマスクにパターニングする。
次に、図１７Ａ，Ｂで示す工程では、後に対の検出用電極１０４となる電極材料を堆積する。検出用電極１０４は、導電材料であり、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗなどが挙げられる。堆積する導電材料の厚さは、検出用電極の厚さとほぼ等しくなるので、好ましくはＤＮＡの１塩基と同等程度の厚さとなるよう形成する。
次に、図１８Ａ，Ｂで示す工程において、パターニングされたＳｉＯ２膜部分の角部を覆うように、レジストパターン１０３を形成する。
さらに、図１９Ａ，Ｂで示す工程において、図１７Ａ，Ｂで堆積した厚さ分だけ電極材料をエッチバックし、ＳｉＯ２側壁に導電材料のサイドウォールを形成する。その後、レジストを除去する。サイドウォールの幅が検出電極の幅となるため、高精度な一塩基検出のためには、ＤＮＡの１塩基と同等程度の幅となるよう形成する。
次に、図２０Ａ，Ｂで示す工程において、不要部分のＳｉＯ２膜および導電材料をエッチングプロセスにより除去する。
引き続き、図２１Ａ，Ｂで示す工程において、ＳｉＯ２膜を全面に堆積する。
次に、図２２Ａ，Ｂで示す工程において、ＣＭＰなどの平坦化プロセスによって、図に示すように電極材料の最表面まで削り、平坦化する。このとき、図のように導電材料の配線の細い部分（後に流路が横切る部分）の上部には絶縁膜が残っていてもよい。デバイス完成時には、流路の高さが対向電極の高さよりも高くなり、対向電極の上部に、絶縁膜が存在するが、ＤＮＡ測定の際には、基板側電極に電圧を印加しＤＮＡを基板側に引き寄せれば、対向する電極の間にＤＮＡを配置することが出来る。また導電材料の配線の細い部分が露出するまで削らないことで、表面の平坦性は、配線まで露出させたときよりも向上する。平坦性が向上すれば、後にガラスプレート圧着などで流路上部に蓋をする際、実施例１にも書いた通り、その制御性が向上し、流路の高さばらつきや流路部以外の空洞の形成を回避できる。
次に、図２３Ａ，Ｂで示す工程において、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜１０５を堆積し、その後図のように、サイドウォールの電極パターンに交差するように、パターニングする。
さらに、図２４Ａ，Ｂで示す工程では、ＳｉＮ膜１０２を堆積する。このＳｉＮ膜の膜厚は、後に流路の幅を決定する膜厚となるので、ＤＮＡ搬送する際のＤＮＡの方向制御向上の観点から、ＤＮＡの太さと同等程度の膜厚となるよう形成する。その後、パターニングされたａ−Ｓｉ膜の角部を覆うようにレジストパターン１０３を形成する。
次に、図２５Ａ，Ｂで示す工程において、ＳｉＮ膜１０２を図２４Ａ，Ｂで堆積した膜厚分エッチバックし、ａ−Ｓｉ側壁にＳｉＮのサイドウォールを形成する。サイドウォール膜厚は、後に流路の幅を決定する膜厚となるので、ＤＮＡ搬送する際のＤＮＡの方向制御向上の観点から、ＤＮＡの太さと同等程度の膜厚となるよう形成する。
次に、図２６Ａ，Ｂで示す工程において、図のように不要部のＳｉＮ膜およびａ−Ｓｉ膜をレジストをマスクとしエッチング除去する。
さらに、図２７Ａ，Ｂで示す工程では、全面にａ−Ｓｉ膜を堆積する。
引き続き、図２８Ａ，Ｂでは、ＣＭＰなどの平坦化プロセスによって、図に示すようにＳｉＮサイドウォールの最表面まで削り、平坦化する。
次に、図２９Ａ，Ｂで示す工程において、ＳｉＮを燐酸などを用いたウエットエッチや、その他ａ−Ｓｉ膜との選択性のあるエッチングを用いて除去する。
次に、図３０Ａ，Ｂで示す工程において、ＳｉＯ２膜をａ−Ｓｉ膜をマスクとしてエッチングにより除去する。
さらに、図３１Ａ，Ｂで示す工程では、ＣＭＰなどの平坦化プロセスによって、検出用電極の最表面まで削り、平坦化する。
次に、図３２Ａ，Ｂで示す工程において、図３２Ｂのように、ＳｉＯ２をエッチングすることで、流路の入り口および出口の領域を大きくし、流路へのコンタクトを容易にする工夫を施す。同部分はさらに深く掘り込むことで、溶液注入をさらに容易にすることができる。
また、図３３Ａ，Ｂで示す工程では、図３３Ｂで示すように、検出用電極のコンタクト（パッド）となる部分を穴としたレジストパターンを形成する。
次に、図３４Ａ，Ｂで示す工程において、検出電極用のコンタクト（パッド）の導電材料を堆積し、その後レジストをリフトオフすることで、図のように、電極のコンタクトを形成する。レジストパターンをマスクに表面を少量エッチングした後にコンタクト（パッド）の導電材料を堆積して、リフトオフしても良い。
最後に、図３５Ａ，Ｂで示す工程において、基板電極へのコンタクトを、レジストをマスクにパターニングする。
その後、デバイス表面の流路部分にガラスやその他絶縁膜などのプレートを圧着することで、流路上部に蓋をする。蓋は、一例として、溶液の入口部出口部および流路部に蓋をして、あとから溶液の入口部および出口部に相当する部分に穴を空けることで、溶液の入口部出口部を兼ね備えた流路を形成できる。
本製法は、流路の形成にサイドウォールプロセスを用いていることが特徴である。サイドウォールプロセスは、原理的に堆積膜厚分の細さの側壁を形成することが出来る。現在の半導体プロセスにおける薄膜堆積技術は、１ｎｍ以下までの制御が可能であり、そのため、ＤＮＡの太さに匹敵する側壁を形成することが可能となり、微細な幅の流路を形成できる。そのため、ＤＮＡの横方向の配置のばらつきができる。ＤＮＡの横方向の配置が制御されることで、検出信号の信頼性が向上する。また、検出用電極もサイドウォールプロセスを用いて形成しているので、ＤＮＡの１塩基分の大きさに近い幅の電極が形成可能である。電極幅がＤＮＡ１塩基分の大きさに近づくにつれ、読み取り対象と隣り合った読み取り対象以外の塩基による検出信号への影響が少なくなり、検出信号の分解能が向上する。
さらに実施例１と同じく、基板側電極によって流路へ電界を掛けることで、対象物であるＤＮＡの高さ方向を制御することにより、検出信号の信頼性を向上させることが出来る。高さ方向制御に用いる電極と検出用電極が独立していることで、高さ方向に最適な電圧と検出に最適な電圧をかけ分けることができる。
なお、本デバイスの流路幅を対象物に合わせ変化させることで、ＤＮＡ以外の生体分子やウイルス、細菌などの検出器として使用することも出来る。
また、溶液流動の制御の観点から、流路部のうち、対向電極が存在する検出部以外の幅や深さを広く設計しても良い。
本実施例では、流路の径を制御性よくＤＮＡの太さと同等程度に出来、かつ、流路上部にガラスプレートなどで蓋をする必要がない流路デバイスの製法および構造を示す。流路上部にガラスプレートなどで蓋をする必要がないと、デバイス製造の工程が簡易になるほか、ガラスプレート圧着工程で生じる流路幅や深さの不均一性等の問題を解消することが出来る。
図５７Ａに、本実施例にて示すデバイス構造の断面図を、図５７Ｂに、その上面図を示す。Ｓｉ基板１００上に、両側壁をＳｉＮ膜１０２で覆われた流路が形成されている。流路上部には、ＳｉＮ膜１０２でカバーされている領域以外に、流路に交差するように検出用電極１０４が配置されている。検出用電極１０４は、流路から離れた部分にコンタクトできる大きさの領域を設けている。また流路領域も、検出用電極から離れた領域に、溶液に注入に十分な大きさの入り口および出口を設けている。測定の際には、検出用電極１０４とＳｉ基板１００間の間に電圧をかけて、検出用電極１０４とＳｉ基板１００間の間にトンネル電流を流す。そして検出用電極１０４とＳｉ基板１００間にＤＮＡが通過した際、検出用電極１０４とＳｉ基板１００間に流れているトンネル電流の変化によってＤＮＡの塩基配列を読み出す。または、検出用電極１０４とＳｉ基板１００間の容量変化により読み出す方法や、検出用電極１０４の表面電荷状態の違いを検出することで読み出す方法などがある。以下に、図に沿って本実施例のデバイスの製法例を示す。
まず、図３６Ａ，Ｂで示す工程において、Ｓｉ基板１００上に、ＳｉＯ２膜１０１を堆積し、レジストをマスクに図に示すようにパターニングする。Ｓｉ基板は下部電極の役割も果たすので、高濃度基板が好ましい。
次に、図３７Ａ，Ｂで示す工程において、ＳｉＮ膜１０２を全面に堆積する。ＳｉＮ膜は、後に流路の幅を決定する膜厚となるので、ＤＮＡ運動方向制御の観点から、なるべくＤＮＡの太さと同等程度の値となるよう形成する。
次に、図３８Ａ，Ｂで示す工程では、パターニングされたＳｉＯ２膜の角部分を覆うようにレジストパターンを形成する。
さらに、図３９Ａ，Ｂで示す工程では、ＳｉＮ膜１０２を堆積した膜厚分エッチバックし、サイドウォールを形成する。サイドウォールの膜厚は、後に流路の幅を決定する膜厚となるので、ＤＮＡ運動方向制御の観点から、なるべくＤＮＡの太さと同等程度の値となるよう形成する。
次に、図４０Ａ，Ｂで示す工程において、不要部分のＳｉＯ２膜およびＳｉＮ膜をエッチングにより除去する。
次に、図４１Ａ，Ｂで示す工程では、ＳｉＯ２膜をエッチングし、ＳｉＮのサイドウォールのラインを形成する。
次に、図４２Ａ，Ｂで示す工程では、ＳｉＮ膜をマスクとし、Ｓｉ基板をエッチングする。
引き続き、図４３Ａ，Ｂで示す工程では、ＳｉＮ膜を全面に堆積する。
次に、図４４Ａ，Ｂで示す工程において、ＣＭＰなどの平坦化プロセスにより、Ｓｉ基板表面まで削り、平坦化する。
さらに、図４５Ａ，Ｂで示す工程において、検出用電極１０４となる導電材料を堆積する。検出用電極１０４は、例えばＡｕ、Ｐｔなどの材料が挙げられる。好ましくは耐酸化性の強い材料がよい。
次に、図４６Ａ，Ｂで示す工程において、ＳｉＯ２膜１０１を堆積し、レジストをマスクにパターニングを行い、図のようなパターンを形成する。
次に、図４７Ａ，Ｂで示す工程において、ＳｉＮ膜１０２を全面に堆積する。この膜厚は、後に、検出用電極の幅を決定する膜厚となるので、検出精度向上の観点から、なるべくＤＮＡの１塩基に近い膜厚と同等程度の値となるよう形成する。
次に、図４８Ａ，Ｂで示す工程において、パターニングされたＳｉＯ２膜の角部分を覆うようにレジストパターン１０３を形成する。
さらに、図４９Ａ，Ｂで示す工程において、ＳｉＮ膜１０２を堆積した膜厚分エッチバックし、サイドウォールを形成する。この膜厚は、後に、検出用電極の幅を決定する膜厚となるので、検出精度向上の観点から、なるべくＤＮＡの１塩基に近い膜厚と同等程度の値となるよう形成する。
次に、図５０Ａ，Ｂで示す工程では、不要部分の検出用電極およびＳｉＯ２膜をエッチングにより除去する。
次に、図５１Ａ，Ｂで示す工程では、ＳｉＯ２膜をエッチングすることにより、ＳｉＮのサイドウォールのラインを形成する。
次に、図５２Ａ，Ｂで示す工程において、ＳｉＮ膜をマスクに、検出用電極材料をエッチングする。
次に、図５３Ａ，Ｂで示す工程において、酸化プロセスにより、Ｓｉ基板を酸化する。この酸化膜厚は、流路の深さを決定するので、検出精度向上およびＤＮＡ運動制御向上の観点から、なるべくＤＮＡの太さに近い膜厚と同等程度の値となるよう形成する。
なお図に示すとおり、検出電極下部のＳｉ基板の酸化量は、検出電極下部以外のＳｉ基板に比べ、検出電極でマスクされている分、酸化量は小さい。よって、この検出電極下部の部分の酸化量が、ＤＮＡの太さに近い膜厚と同等程度の値となるよう形成する。また、この酸化時に、ＳｉＮ膜および、耐酸化性のＳｉＯ２１０１の酸化量はきわめて小さい。そのため、Ｓｉ基板を酸化した後、希フッ酸によるライトエッチを施すことで、Ｓｉ基板上ＳｉＯ２膜と選択的にＳｉＮ膜上および導電材料の酸化膜を除去することが出来る。
次に、図５４Ａ，Ｂで示す工程では、ＳｉＮ膜１０２を堆積した後、ＣＭＰなどの平坦化プロセスにより、ＳｉＮ表面を平坦化する。
さらに、図５５Ａ，Ｂで示す工程では、検出電極用のコンタクト部分を、レジストをマスクにエッチングし開口する。その後導電材料を埋め込むことでコンタクトを形成する。
次に、図５６Ａ，Ｂで示す工程では、流路部分の入り口および出口の部分をＳｉＮをエッチングすることにより形成し、流路部分へのコンタクトを形成する。
最後に、図５７Ａ，Ｂで示す工程において、Ｓｉ基板上ＳｉＯ２膜を、ＨＦなどの選択的なウエットエッチおよびドライエッチによりエッチングし、流路２０３を形成する。
本製法は、流路の形成にサイドウォールプロセスを用いていることが特徴である。サイドウォールプロセスは、原理的に堆積膜厚分の細さの側壁を形成することが出来る。半導体プロセスにおける薄膜堆積技術は、１ｎｍ以下までの制御が可能であり、そのため、ＤＮＡの太さに匹敵する側壁を形成することが可能となり、微細な幅の流路を形成できる。それにより流路中のＤＮＡの横方向の配置のばらつきが減り、検出信号の信頼性が向上する。また、流路の深さを決定するのに、Ｓｉ基板を酸化して、後でエッチングにより選択的に除去するという製法を採っている。上記したとおり、半導体プロセスにおける薄膜形成技術は１ｎｍ以下までの制御が可能であり、そのため、極浅の深さの流路を形成できる。ゆえに、ＤＮＡの高さ方向の制御に優位である。
検出用電極もサイドウォールプロセスを用いて形成しているので、ＤＮＡの１塩基分の大きさに近い幅の電極が形成可能である。電極幅がＤＮＡ１塩基分の大きさに近づくにつれ、読み取り対象と隣り合った読み取り対象以外の塩基による検出信号への影響が少なくなり、検出信号の分解能が向上する。
また、流路上部は絶縁膜で覆われているため、ガラスプレートなどで蓋をする必要がなく、デバイス製造の工程が簡易になるほか、ガラスプレート圧着工程で生じる流路幅や深さの不均一性等の問題を解消することが出来る。
また、本製法では、検出電極下部以外の流路の深さは、検出電極下部の深さより深くなる。そのため、検出部以外におけるＤＮＡの搬送は、流路断面積が大きい分、滑らかな搬送が可能である。
また別製法として、図４４Ａ，Ｂの工程後に、図５８Ａ，Ｂで示すように、ＤＮＡの厚みに近い膜厚分だけＳｉ基板の酸化を行ってしまってもよい。そうすることで、図５２Ａ，Ｂの工程時には、図５９Ａ，Ｂで示すようにすでにＳｉ基板は酸化されていることになる。よってこの時点で酸化の必要はない。そのため、検出用電極の表面酸化を気にする必要はない。よって検出用電極に耐酸化性の弱い材料を用いても検出用電極を酸化することなく、材料選択の幅を広げることが出来る。そのため、例えば従来ＣＭＯＳプロセスの半導体プロセスで用いられる導電材料を選択することで、従来ＣＭＯＳプロセスとの親和性や、従来半導体プロセスとの相性を向上でき、集積化回路との混載も容易となる。最終的には、図６０Ａ，Ｂで示すような完成図となる。
また、図４２Ａ，Ｂで示す流路部となるＳｉの壁の製法は、始めに幅の広いＳｉ壁をエッチングにより形成し、それを酸化してＨＦ洗浄することで、幅の狭いＳｉ壁を形成するのでも良い。半導体プロセスにおける薄膜形成技術の制度は１ｎｍ以下までの制御が可能である。
また、本デバイスにおいては、流路を挟んで両脇に離れた検出用電極があるわけではなく、流路をまたぐように流路上部に繋がった配線が配置されている。よって、本実施例では流路を挟んで両脇にパッドを設けているが、片側だけでもよく、デバイスの面積縮小に有利である。
さらに、本デバイスの特徴として、流路下の基板１００は、流路の幅と同等程度の幅で基板が凸型に掘られており、その周囲は絶縁膜１０２で埋められている。そのため、流路部中を基板から検出用電極１０４（もしくは検出用電極から基板）へと流れる検出すべき電流以外のリーク電流、すなわち基板から検出用電極（もしくは検出用電極から基板）へ流路部以外を通過して流れるリーク電流を抑えることができる。
また動作例として、Ｓｉ基板に正電圧、検出電極部に負電圧、流路の入り口付近の溶液に０Ｖまたは負電圧、出口付近の溶液に正電圧を掛けることで、ＤＮＡは、極浅のみぞの中で、さらに基板側に引き寄せられながら流路中を移動できる。そのため、検出電極と基板間でえられる信号の信頼性は、高さ方向の移動が非常に制御されている分、向上する。つまり、Ｓｉ基板は信号検出電極の片側としての役割も果たしながら、同時にＤＮＡの高さ方向制御も行う。また、基板側電極を別に設けない分、デバイス面積の縮小に有利となる。
なお、本デバイスの流路幅や電極幅を対象物に合わせ変化させることで、ＤＮＡ以外の生体分子やウイルス、細菌などの検出器として使用することも出来る。
なお溶液流動の制御の観点から、流路部のうち、対向電極が存在する検出部以外の幅や深さを広く設計しても良い。
ＤＮＡの検出を、Ｓｉ基板１００と検出用電極１０４間に流れるトンネル電流で行えるデバイスの製法および構造について示す。
先ず、図６１で示す工程において、Ｓｉ基板１００上にＳｉＯ２膜１０１を形成し、その上部にＳｉＮ膜を堆積し、パターニングする。Ｓｉ基板は電極としても用いるので高濃度である方が好ましい。
次に、図６２で示す工程において、検出用電極となる導電性材料を堆積し、その堆積膜厚分だけエッチバックすることで、検出用電極のサイドウォールを形成する。サイドウォールの膜厚は、後に検出用電極の幅を決定する膜厚となるので、検出精度向上の観点から、なるべくＤＮＡの１塩基と同等程度の値となるよう形成する。
次に、図６３で示す工程において、ＳｉＮ膜を堆積し、ＣＭＰなどの平坦化プロセスによって、表面を平坦化する。
次に、図６４で示す工程において、ウエハを、図面に記載の断面が出るようにへき開し、その後、ＨＦなどのウエットエッチを用いて酸化膜をエッチングし、流路部分２０３を形成する。その後、へき開面の流路部分にガラスプレートなどで蓋をし、流路を形成する。
トンネル電流は、検出用電極１０４と基板の間に流れ、流路を通るＤＮＡを検出する。
本プロセスにて、ＳｉＯ２膜１０１の膜厚は流路の幅に相当し、ウエハへき開後のＨＦエッチによるＳｉＯ２膜の後退量は、流路の深さに相当する。そのため、ＳｉＯ２膜１０１の膜厚はＤＮＡの太さと同等程度となるよう形成する。また、ＨＦエッチによるＳｉＯ２膜の後退量もＤＮＡの太さと同等程度となるよう形成する。
本プロセスは、プロセス工程数が非常に少なく簡易であるうえ、流路の幅や深さを従来半導体プロセスで成熟している酸化プロセスやＨＦなどによるエッチングプロセスを用いているため、１ｎｍ単位の制御が可能である。酸化プロセスは１ｎｍ以下の膜厚制御が可能であるし、ＨＦエッチングも１ｎｍ以下の膜厚制御が可能である。そのため、太さ２ｎｍ程度以下のＤＮＡ太さに相当する流路を形成できるため、ＤＮＡ進行方向（流路に沿った方向）以外の運動をほぼなくすことができ、検出信号の信頼性をよく向上させることができる。検出用電極もサイドウォールプロセスを用いて形成しているので、ＤＮＡの１塩基分の大きさに近い幅の電極が形成可能である。電極幅がＤＮＡ１塩基分の大きさに近づくにつれ、読み取り対象と隣り合った読み取り対象以外の塩基による検出信号への影響が少なくなり、検出信号の分解能が向上する。なお、本デバイスの流路幅や電極幅を対象物に合わせ変化させることで、ＤＮＡ以外の生体分子やウイルス、細菌などの検出器として使用することも出来る。
なお溶液流動の制御の観点から、流路部のうち、対向電極が存在する検出部以外の幅や深さを広く設計しても良い。
本実施例では、基板側電極１０６を備え、かつ流路上部に蓋を必要としないデバイス構造を示す。図６９Ａ，Ｂに、デバイス構造を示す。Ｓｉ基板１００上に基板側電極１０６を設け、その上にＳｉＮ膜１０２を設け、その上に、流路および対向電極が配置される。流路および対向電極上にＳｉＮ膜１０２がある。
デバイスの製法の一例を図６５Ａ，Ｂから図６９Ａ，Ｂで示す。それぞれ、各図のＡに断面図を示し、Ｂに上面図を示す。なお、本製法はあくまで一例であり、これに限定するものではない。
先ず、図６５Ａ，Ｂで示す工程において、図５Ａ，Ｂから図１２Ａ，Ｂに示したプロセスを経た後、ＳｉＯ２膜１０１を堆積し、ＣＭＰによる平坦化およびエッチングプロセスを用いることで、図６５Ａ，Ｂのような形状を形成する。
次に、図６６Ａ，Ｂで示す工程において、ＳｉＮ膜を堆積する。
次に、図６７Ａ，Ｂで示す工程において、レジストをパターニングし、それをマスクとして、検出用電極への導通のため、コンタクトホールを形成し、メタル材料を埋め込む。
さらに、図６８Ａ，Ｂで示す工程において、レジストをパターニングし、それをマスクとして、基板側電極へのコンタクトホールを形成する。
最後に、図６９Ａ，Ｂで示す工程において、ＨＦなどの選択的なウエットエッチおよびドライエッチにより酸化膜をエッチングし、流路を形成する。
プロセスは実施例１より増え複雑だが、本デバイスによれば、基板側電極によって流路へ電界を掛けることで、対象物であるＤＮＡの高さ方向を制御することにより、検出信号の信頼性を向上させることが出来る。位置方向制御に用いる電極と検出用電極が独立していることで、高さ方向に最適な電圧と検出に最適な電圧をかけ分けることができる。
また、流路上部は絶縁膜で覆われているため、ガラスプレートなどで蓋をする必要がなく、蓋を圧着する工程で生じる流路幅や深さの不均一性等の問題を解消することが出来る。
ＤＮＡの高さ方向の制御に加え、横方向の電界による制御も可能となるデバイスを示す。記載するデバイス構造および材料は、本発明の思想を具現化するための一例であり、材料および寸法などを厳密に特定するものではない。図７０Ａは、本実施例のデバイスの断面図であり、図７０Ｂは上面図であり、図７０Ａのａ）、ｂ）には、それぞれ図７０ＢのＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’断面を画いている。Ａ−Ａ’断面は、流路に沿った断面であり、Ｂ−Ｂ’断面は、流路に直交し、２対の電極に沿った断面である。
図面の符号１００は、例えばＳｉ基板であり、符号１０２は絶縁膜で、例えばＳｉＮ膜であり、検出用電極１０４は導電材料で構成され、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗなどが挙げられる。基板側電極部１０６は導電材料で構成され、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗなどが挙げられる。符号１０７はＤＮＡ横方向制御電極であり、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗなどの材料が挙げられる。本実施例では、Ｃ−Ｃ’断面で見た場合、検出用電極１０４と、ＤＮＡ横方向制御電極１０７と、検出用電極１０４およびＤＮＡ横方向制御電極１０７の側壁に接するＳｉＮ膜１０２の間には、理想的には表面に段差がない、または極小である。そのため、流路上部へガラスなどを圧着し蓋をする際、その圧着が容易となり、また、段差による流路部以外への空洞の形成や、段差による流路中の高さ方向のばらつきが抑制され、溶液の搬送精度や検出精度の向上を実現できる。
ＤＮＡ横方向制御電極１０７のうち、例えば流路を挟んで片側の電極に正電圧、もう片側に負電圧を印加することにより、流路のうち正電圧印加されている側にＤＮＡは引き寄せられる。図７１Ａ，Ｂは、検出電極付近の流路の上面図である。図７１Ａに示すとおり、ＤＮＡ横方向制御電極が無い場合、またはＤＮＡ横方向制御電極による電界を印加しない場合で、流路幅がＤＮＡよりも十分太い場合は、ＤＮＡは流路中を横方向（図中矢印で記載）に動くことができる。この場合、ＤＮＡが流路の中心付近を通過するか、あるいは流路の端を通過するかで、検出される信号にばらつきが生じる。一方で図７１Ｂのように、ＤＮＡ横方向制御電極による電界を印加することで、ＤＮＡを片側の壁方向に押しやると、検出電極対を通じて得られる信号のばらつきは低減させることができる。よって、ＤＮＡ横方向制御電極１０７と、基板側電極１０６による高さと横方向の制御により、検出信号の信頼性を非常に向上することができる。
また、ＤＮＡ横方向制御電極１０７の両側に、同じ値の負電圧を印加することで、横方向に関しては、ＤＮＡを流路の中心に配置することができる。これでも、横方向のＤＮＡの配置のばらつきを低減でき、検出信号の信頼性を向上することができる。
ＤＮＡ横方向制御電極１０７と流路の間には、電極間のリーク防止のためのＳｉＮ膜１０２が存在する。また検出用電極１０４とＤＮＡ横方向制御電極１０７の間にも、リーク防止のための絶縁膜が存在する。検出用電極１０４とＤＮＡ横方向制御電極１０７の間にリーク防止のための絶縁膜があるため、検出部分である対向電極の間での横方向制御電界の効果は、弱まってしまう。そのため、なるべく絶縁膜厚はリーク防止が可能な範囲で薄くするのが良い。
溶液を注入するために面積を広く設けている溶液の入り口と出口部（図７２Ａ中の１１２）の下には基板側電極は無く、検出用電極を備えた微細流路部の下（１１３）に基板側電極１０６が備えられているデバイスを示す。
図７２Ａ−Ｃは、流路に沿った断面図である。図７２Ａは、基板側電極が全面にある場合で、図中の符号１１１は負電荷およびＤＮＡが受ける電界による力の向きであり、符号１１２は溶液の入り口または出口となる広い面積の領域を示す矢印であり、符号１１３は検出部を備えた微細流路部である。符号１１４は、ＤＮＡを泳動させる電界を作り出すための電極棒である。図は流路入り口に浸かっている電極棒に０Ｖ、流路出口に浸かっている電極棒に正電圧を印加し、基板側電極に正電圧を印加したときの、負電荷およびＤＮＡが受ける力の向きの例を示している。図７２Ａの場合、点線で囲った部分のように、電界よる力の向きが出口方向へ向かわない、あるいは、出口方向へ向けた力が小さい領域が存在し、ＤＮＡがうまく出口へと搬送されない可能性がある。
対して図７２Ｂは、基板側電極１０６は領域１１３の範囲内に収まっている。この場合、流路入り口に浸かっている電極棒に０Ｖ、流路出口に浸かっている電極棒に正電圧を印加し、基板側電極１０６に正電圧を印加したときの、負電荷およびＤＮＡが受ける力の向きは、特に点線で囲った部分において図７２Ａとは違う。電界の向きは効果的に出口方向へと誘導される。そのため、図７２Ａとくらべ、ＤＮＡはスムーズに出口方向へ誘導される。また検出部を備えた微細流路部内において、基板側へ引き寄せる力の成分は確かに存在しており、ＤＮＡの基板側への誘導効果もよく保持されている。検出用電極は、基板側へＤＮＡが効果的に誘導されている領域が好ましく、領域１１３の中でも基板電極上の領域にあることが好ましい。
また、さらにＤＮＡの基板への誘導効果を高め、検出信号の信頼性を高めるために、絶縁膜を挟んで流路上部に上部電極１１５を設ける構造を図７２Ｃ示す。図は、流路入り口に浸かっている電極棒に０Ｖ、流路出口に浸かっている電極棒に正電圧を印加し、基板側電極に正電圧を印加し、上部電極に０Ｖを印加したときの、負電荷およびＤＮＡが受ける力の向きの例を示している。上部電極と基板側電極に挟まれた領域における電界の向き（負電荷およびＤＮＡが受ける力の向き）は図７２Ａ、Ｂと比べて揃っており、また基板側へＤＮＡを引き寄せる力の成分の値も大きい。また、上部電極のみを用意して、そこに電圧を印加することにより掛かる電界によるＤＮＡの高さ方向の運動制御も、基板側電極で行える制御と同様に、効果が得られる。構造の例として図６０Ａ，Ｂの構造に上部電極をつけた構造を図７３Ａ，Ｂに示す。このように、ＤＮＡ高さ制御用の基板側電極を独立に持っていない構造に対しては特に有用である。
また図７４Ａ，Ｂに示すように、複数本の検出電極対に対して、その下近傍に独立に基板側電極を複数配置することで、ＤＮＡをよりスムースに泳動することができる。流路中で、ＤＮＡが基板側電極の電界によって底面に引き寄せられて移動する領域を検出電極部近傍のみとすることで、それ以外の領域におけるＤＮＡと底面間の摩擦などの相互作用が低減されるためである。そうすると、ＤＮＡが底面から受ける摩擦力などの相互作用によって生じるＤＮＡの流路方向への運動速度の揺らぎを低減でき、また運動停止などの可能性を低くできる。そのため、検出信号の信頼性は向上する。
また、異なる検出電極対の下部に複数存在する基板側電極に、異なる電圧を印加することで、検出精度を上げることも可能である。つまり、各検出電極対が存在する近傍の流路形状のばらつきに対応して、検出精度向上に最適な電圧を掛け分けられる。最適な電圧とは例えば、各検出場所で十分な検出精度が得られるだけＤＮＡを基板側に引き寄せながら、かつ、ＤＮＡが底面から受ける摩擦力などの相互作用によって生じるＤＮＡの流路方向への運動速度の揺らぎの効果や、運動停止などの可能性をなるべく最小にする電圧である。
また上部電極１１５の配置についても、複数本の検出電極対に対して独立に、その上部近傍のみに配置することで、上記と同様の理由で同様の効果が得られる。例として図７５Ａ，Ｂに、上部電極を検出電極部の上部近傍のみに配置した図を示す。また、図７６Ａ，Ｂに、図６０Ａ，Ｂの構造に上部電極を検出電極部の上部近傍のみに配置した図を示す。
本手法らは、本明細書記載の実施例のデバイスおよび、それ以外の形態のデバイスにも適用可能である。
基板側電極を設けた上記デバイスにおいて、基板側電極に交流電圧を印加することにより、流路とＤＮＡの間の摩擦を低減し、スムースにＤＮＡを泳動させることができる。例えば、流路入り口付近の溶液に印加する電圧を０Ｖ、流路出口に印加する電圧をＶ（正電圧）とし、基板側電極に印加する電圧をＶ（正電圧）を中心とした微小振幅のある電圧とすることで、スムースにＤＮＡを泳動させることができる。また同様に、上部電極を設けたデバイスにおいては、上部電極に交流電圧を与えても、同様の効果を得ることができる。
上記実施例のデバイスにて測定する際、ＤＮＡの進行方向と逆方向に溶液を送液することで、ＤＮＡの各塩基間の距離を伸ばすことができる。つまり、ＤＮＡは流路入り口および出口に印加する電圧で形成される電界で電気泳導させる一方、泳動方向と逆方向に、圧力により溶液を送液する。溶液の圧力に起因した力により、各塩基間の距離を広げることができる。図７７中の符号１０８は、ＤＮＡ進行方向（電界による泳動方向）を表し、符号１０９は外部圧力の印加による溶液の送液方向を表し、符号１１０は溶液中の水分子やその他の分子、イオンなどが衝突することによって、ＤＮＡの各塩基間の距離を伸ばす力をあらわす。
ＤＮＡの各塩基間の距離が長くなることで、信号検出の際に、検出対象とする塩基と、その隣にある塩基の情報が混ざりにくくなり、検出信号の信頼性が向上する。ＤＮＡが伸びることで、図３Ｂのような縮まった配置は採らず、図４Ａのような配置に近づく。
なお本手法は、上記実施例以外の形態のデバイスにも適用可能である。
フリンジ電界をもちいて、流路中のＤＮＡの高さ方向および横方向の配置制御を行うデバイスを示す。記載するデバイス構造および材料は、本発明の思想を具現化するための一例であり、材料および寸法などを厳密に特定するものではない。図７８Ａは、絶縁膜中に流路２０３を有するデバイスの、流路を横切った断面図である。断面図は、検出用電極対がない場所での断面図である。ＳｉＮ膜１０２中に流路があり、流路底部に絶縁膜を挟んでフリンジ電極１１６があり、１１６の脇に絶縁膜を挟んでフリンジ電極１１７がある。１１７の電圧（Ｖ１１７）を１１６の電圧（Ｖ１１６）よりも低くすることで、ＤＮＡおよび負電荷が受ける力の向きは電気力線１１１のようになる。電気力線１１１は、流路２０３の中央部かつ底部へ向かうので、ＤＮＡも流路２０３の中央部でかつ底部へ配置される。よってＤＮＡの流路中での配置ばらつきが抑制され、検出電極対によって測定される信号の信頼性が向上する。
また図７８Ｂのように、フリンジ電極１１７を流路上部に配置しても、同様の効果が得られる。また図７８Ｃに示すように、図７８Ａに示すフリンジ電極１１６および１１７の配置を逆にして、流路の上面側に配置しても同様の効果が得られることは、言うまでもない。あるいは、図７８Ｄに示すように、図７８Ｂに示すフリンジ電極１１６および１１７のそれぞれの配置を逆にして、フリンジ電極１１７を流路の上面側に、フリンジ電極１１６を流路の下面側に配置しても同様の効果が得られることは、言うまでもない。
また、フリンジ電極は、片側だけの場合も、１１７と１１６の間に電界を掛けることで流路中の高さ方向および横方向の電界が決まるので、ＤＮＡ配置固定の効果はある。ただし、よりよい制御のためには、両脇にフリンジ電極１１７を設けるのが良い。
１００…シリコン（Ｓｉ）基板、
１０１…シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、
１０２…シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、
１０３…レジスト、
１０４…検出用電極、
１０５…アモルファスシリコン膜、
１０６…基板側電極部、
１０７…ＤＮＡ横方向制御電極、
１０８…ＤＮＡの進行方向、
１０９…溶液の送液方向、
１１０…水分子、その他分子、イオンによるＤＮＡ各塩基に働く力、
１１１…負電荷、ＤＮＡが受ける電界による力の向き、
１１２…溶液の入り口部および出口部、
１１３…信号検出部を備えた微細流路部、
１１４…ＤＮＡを泳動させる電界を作り出すための電極棒、
１１５…上部電極、
１１６,１１７…フリンジ電極、
１１８…蓋、
２００…ＤＮＡ、
２０１…ＤＮＡ中の１塩基
２０２…ポア、
２０３…流路部分。

Claims (12)

  1. 電流測定により溶液に含有された試料を解析する流体解析デバイスであって、
    基板上に設けられた導電膜と、
    前記導電膜に電圧を印加する第１電極と、
    前記導電膜上に設けられた第１絶縁膜の第１領域から第２領域に至る上面が開放された前記溶液の流路となる溝部と、
    前記溝部の両側面に対峙して設けられた少なくとも一対の電極端子と、
    前記一対の電極端子のそれぞれに接続された配線に電圧を印加する第２および第３電極と、を有し、
    前記溶液を前記溝部に通過させる際に、前記溝部の入口に印加する電圧に対して正又は負の電圧を、前記第１電極に印加することにより、前記溝部中を通過する試料の前記溝部内での通過位置を、前記溝部底部側又は前記溝部上部側に制御し、前記第２電極と前記第３電極との間に電圧を印加して、前記溶液に含有された試料を介して前記第２および第３電極間に流れる電気信号を測定することにより、前記試料を解析することを特徴とする流体解析デバイス。
  2. 前記配線は、前記一対の電極端子の一方で終端する第１配線領域と、前記一対の電極端子の他方で終端する第２配線領域とで構成され、前記第１配線領域の延長線が前記溝部で交差し、該延長上に前記第２配線領域が配置されることを特徴とする請求項１に記載の流体解析デバイス。
  3. 前記溝部を覆うように前記第１絶縁膜上に設けられ第２絶縁膜で構成された蓋部を備えることを特徴とする請求項１に記載の流体解析デバイス。
  4. 前記配線表面と前記第１絶縁膜の表面の高低差が、前記配線の膜厚より小さいことを特徴とする請求項１に記載の流体解析デバイス。
  5. 前記配線の膜厚が前記第１絶縁膜の膜厚よりも小さく、前記配線が前記第１絶縁膜中に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の流体解析デバイス。
  6. 前記溝部を覆うように前記第１絶縁膜上に設けられた導電性材料からなる第４電極を、さらに有し、
    前記第４電極は、前記導電膜と絶縁膜を介して絶縁され、
    前記第４電極に電圧を印加することにより、前記溝部中を通過する試料の前記溝部内での通過位置を制御することを特徴とする請求項１に記載の流体解析デバイス。
  7. 前記溶液を前記溝部を通過させる際に、前記第１電極、もしくは前記第４電極の少なくとも一方に交流電圧を印加することを特徴とする請求項６に記載の流体解析デバイス。
  8. 前記溝部の少なくとも一部に電界を与えるための別の導電膜が、前記第１絶縁体上の前記配線の近傍に設けられ、
    前記別の導電膜に接続された第５電極に電圧を印加することにより、
    前記溝部中を通過する試料の前記溝部内での通過位置を、前記基板表面と水平な方向に制御することを特徴とする請求項１に記載の流体解析デバイス。
  9. 前記溝部の幅は、解析対象である前記試料の大きさと同程度の幅であることを特徴とする請求項２に記載の流体解析デバイス。
  10. 前記溝部の底部の下方に設けられ前記溝部にフリンジ電界を与えるフリンジ電極を少なくとも１つ、または、前記溝部の上部に設けられ前記溝部にフリンジ電界を与えるフリンジ電極を少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１に記載の流体解析デバイス。
  11. 溶液に含有された試料を流す流路と、該流路を通過する試料に電界を与える配線部とを含む流体解析デバイスの製造方法であって、
    基板上に第１の導電膜を堆積し基板電極を形成する工程と、
    前記基板電極上に第１絶縁膜を形成し、前記第１絶縁膜に所定の幅を有する第１開口部を形成する工程と、
    前記第１開口部および前記第１絶縁膜に第２の導電膜を堆積し平坦化技術を用いて前記第１開口部内に第２の導電膜を埋め込み前記配線部を形成する工程と、
    前記配線部の長手方向と交差する方向に所定の幅を有する第２開口部を前記第１絶縁膜に開口し前記流路を形成するとともに、前記配線部と交差する前記流路の側面に前記配線の端子部を形成する工程とを有することを特徴とする流体解析デバイスの製造方法。
  12. 前記第２開口部を形成する工程は、
    前記第２の導電膜上に堆積した第２絶縁膜を開口し開口部を設ける工程と、
    前記開口部を含む第２絶縁膜上に第３の絶縁膜を堆積し、前記第３の絶縁膜を前記第２絶縁膜の上部表面に至るまでエッチバックし、
    前記開口部の側面にサイドウォールとして残った前記第３の絶縁膜により該開口部の幅を狭め、前記サイドウォールとして残った第３の絶縁膜をエッチング用のマスクとして前記第１絶縁膜を加工することを特徴とする請求項１１に記載の流体解析デバイスの製造方法。
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