JP6937986B2 - 誘電破壊を用いて固体膜に開孔を形成するための方法及び機器 - Google Patents

Description

本発明は、誘電破壊を用いて固体膜に１つまたは多数の開孔を形成するための方法及び機器に関する。開孔は、ナノスケールの開孔であってもよく、これらはナノポアと称される場合があり、各々がナノメートルスケールでの寸法、例えば約１００ｎｍよりも小さい長さ及び／または直径を有する。結果として得られた多孔膜は、大幅な数の用途で用いられ得る。

ナノポアは、ナノスケールでの動作が必要とされるさまざまな装置で用いられ得る。１つの重要な用途は、ポリヌクレオチドまたはポリペプチド等の分子を局在化し、検出し、及び／または特性を明らかにすることにある。ナノポアフィルタ及びナノスケールの多孔膜は、多くの肝要な生物学的分離及び特性化手順に加えて、ろ過プロセスにも同様に重要である。多くの他のマイクロ流体及びナノ流体処理及び制御用途は、ナノメートル材料におけるナノスケールの特徴に同様に依拠する。

ナノスケールの構造体、例えばナノポアをナノメートルの薄さの材料で作製するために、一般的には、１原子の精度で取り扱うことが必要とされる。これは、ほとんどの従来のマイクロエレクトロニック製作プロセスとは対照的であり、それらは性質上、数十ナノメートルまで下がる精度のみを必要とする。原子レベルでの特徴分解能及び製作精度なしに、ナノメートルの薄さの材料を、ナノスケールで出現する特定の特性を活用するような方法で取り扱うことは難しい。例えばＷＯ０３００３４４６ Ａ３に開示された方法のように、固体膜にナノポアを調製するための非常に多くの方法が提案されてきた。

高精度のナノスケール処理は、歴史的には、１回１つの製作パラダイムが必要とされており、これは多くの場合コストがかかり、非効率である。一般的に、従来のマイクロエレクトロニック生産の大容量のバッチ生産技術は、ナノスケールの特徴製作及び材料の取り扱いに適合していない。これは、多くの重要なナノスケールの用途の商業的実施を妨げている。

誘電破壊は、ナノスケールの開孔を形成するための代替の手法として研究されてきた。しかしながら、誘電プロセスを制御することは、困難であることがわかっている。開孔ごとの破壊プロセスの個々の電子的制御は、開孔が形成された膜に対する損傷を回避するために、及び／または所望の開孔サイズを達成するために必要であることがわかった。より厚い膜に開孔を形成することは、より大きな電圧が必要であったために困難であった。より大きな電圧は、膜に対する損傷または不揃いな開孔の形成のリスクを増大させる。所与の溶液チャンバ間の精密な所望のサイズの開孔は、複数の互いに隔離した流体チャンバを異なる位置に形成するために、複雑なマイクロ流体構成が設けられない限り、１度に１つしか作製できず、商業的用途の可能性を制限していた。

本発明の目的は、１つのまたは多数の開孔を固体膜に、特にナノスケールですばやくかつ安価に形成することを可能にする方法及び機器を提供することである。

本発明の態様によれば、誘電破壊を用いて固体膜に複数の開孔を形成する方法が提供され、膜が、膜の一方の側の第１の表面エリアと、膜の他方の側の第２の表面エリアとを備え、複数の標的領域の各々が、膜において、第１または第２の表面エリア内へと開口するくぼみまたは流体流路を備え、方法は、膜の第１の表面エリアの全体を、イオン溶液を備える第１の槽と接触させ、第２の表面エリアの全体を、イオン溶液を備える第２の槽と接触させることと、イオン溶液を備える第１及び第２の槽とそれぞれ接触している第１及び第２の電極を介して、膜全体に電圧を印加して、膜における複数の標的領域の各々に開孔を形成することと、を含む。第１及び第２の槽はお互いに異なるイオンを備え得る。２つの槽のイオン強度は異なる場合がある。イオン溶液提供の立替として、第１及び／または第２の槽はイオン溶液を含んでいてもよい。

このように、誘電破壊を用いて多数の開孔を並行して形成することができる方法が提供される。一実施形態では、少なくとも１０個の、任意には少なくとも５０個の、任意には少なくとも１００個の、任意には少なくとも１０００個の、任意には少なくとも１００００個の、任意には少なくとも１０００００個の、任意には少なくとも１００００００個の開孔が並行して形成される。イオン溶液の連続体を、複数の標的領域と同時に接触させる。電極は、電位差が標的領域の全体にわたって同時に印加されることを可能にする。誘電破壊及び開孔の形成は、並行して生じ、それによって、多数の開孔が、１つの開孔に必要とされるのと同じ時間で形成されることを可能にする。したがって、多数の開孔を効率的に製作することができる。

一実施形態では、本方法は、標的領域の各々に、１つの開孔が形成されるように適用される。これは、例えば好適な形状にされ、及び／または寸法にされ、及び／または空間的に分布されたくぼみまたは流体流路を用いて達成され得る。例えば、本機器は、誘電破壊が標的領域のうちの１つで生じると、標的領域内の膜を通して結果として得られた電気抵抗の低減（開孔によってもたらされた新しい電気的通路に起因する）が、隣接する標的領域内で生じる誘電破壊（例えば、隣接する標的領域を十分遠くに離れて位置付けることによって）を妨げないように構成され得る。

標的領域の各々は、第１の槽を第２の槽から分離する膜材料の厚さが、他の場所よりも薄くなる（他の領域に比べて、その特定の領域内での誘電破壊を促進するため）領域を備える。この薄膜化がくぼみまたは流体流路によって提供される場合、くぼみまたは流体流路の平均深さは、くぼみまたは流体流路が存在しない領域内の膜の平均厚さよりも、通常は少なくとも１０％小さく、少なくとも２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％または９９％小さくてもよい。１つの特定の実施形態では、くぼみまたは流体流路の厚さは、約５〜６ｎｍであり、くぼみまたは流体流路の外側領域の厚さは、約５０〜６０ｎｍである。他の実施形態では、くぼみまたは流体流路内の厚さは、約２〜３ｎｍ程度の薄さであってもよい。一実施形態では、流体流路は、３００ｎｍを上回る厚さを有する膜に形成される。そのような実施形態では、くぼみまたは流体流路内の厚さを約２〜３ｎｍに構成することは、結果として、くぼみまたは流体流路内の平均深さが、くぼみまたは流体流路が存在しない領域内の膜の平均厚さよりも、少なくとも９９％小さくなる。

一実施形態では、各標的領域内の開孔は、開孔の直径が、第１の槽を第２の槽から分離する、標的領域内の膜材料の最小厚さ以上になるまで成長される。最小厚さは、くぼみの底部または流体流路の端における厚さであってもよい。発明者らは、開孔の直径が、開孔が形成されている膜材料の厚さと等しいかまたはわずかに大きい（通常は、膜材料の厚さの約１〜１．５倍の間）とき、開孔の成長率が突然低減することを認識している。これは、開孔直径が開孔厚さと同等であるときアクセス抵抗が著しくなるためであり、このことは、結果として開孔全体にわたる電圧降下を低減させる。言い換えると、アクセス抵抗は、制限抵抗器として作用する。開孔をこのポイントに到達するまでゆっくりと成長させることによって、高性能な電子機器なしに、開孔の直径を正確に制御することが可能である。特に、これらの開孔が、わずかに異なる時間で成長を開始し、及び／またはわずかに異なる成長率を経るかもしれない場合であっても（誘電破壊プロセスの確率的な性質に起因する）同じサイズの多数の開孔を同時に形成することが可能である。いくつかの開孔の直径が、それらが形成された膜材料の厚さ以上になると、他の開孔がすばやく追いつき、それによって、高度に均一なサイズの分布につながる（例えば、異なる孔間の直径のばらつきが、約１０〜２０％の範囲内かまたはそれより良好になる）。この手法は、開孔サイズを制御するために膜材料の厚さを用いることに基づき、開孔サイズの正確な制御を可能にするが、これは、最新の製作プロセスが、膜材料の厚さを（すなわち、くぼみまたは流体流路の形成中に）高精度で制御することができるためである。例えば、１ｎｍあるいはサブナノメートルに至る厚さ精度は現実的であるが、一方で、標準的なリソグラフィプロセスを用いて、特徴が深さに対して垂直な方向に形成されることができる精度は、通常は数十ｎｍ程度である。

本発明の方法を用いて作製され得る開孔の直径は、０．１ｎｍ〜１００ｎｍに及んでもよく、例えば１．０ｎｍ〜１０ｎｍに及んでもよい。０．５ｎｍ、０．６ｎｍ、０．７ｎｍ、０．８ｎｍ、０．９ｎｍ、１．５ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍまたは５ｎｍの開孔が製作され得る。開孔間の距離（ピッチ）は、用途に依存して、１０ｎｍ以上、任意には５０ｎｍ以上、任意には１００ｎｍ以上、任意には１ミクロン以上、任意には５０ミクロン以上であってもよい。開孔は、規則的なアレイで、例えば正方形または六角形に充填されたアレイで、または不規則なアレイで設けられてもよい。例えば、直径２ｎｍ及び開孔間の離隔距離２０ｎｍを有する開孔による正方形に充填されたアレイでは、アレイ内の開孔の密度は、１／１２１ｎｍ^２である。

一実施形態では、くぼみの底部または流体流路の端の膜材料の厚さは、複数の異なる層（例えば、２層）から膜を形成し、層のうちの２つの間の界面を用いて、例えば、エッチングプロセスを界面で、またはその付近（例えば、ちょうど超えたところ）で遅くするかまたは停止させるように構成することによって、くぼみまたは流体流路の境界部（例えば、それぞれ底部または端）を画定することによって制御可能である。エッチングプロセスを界面で、またはその付近で遅くするかまたは停止させるように構成することは、層の組成及びエッチングプロセスの性質（例えば、エッチング液の組成）を、エッチングプロセスが層のうちの１つについてはすばやく進行し、他の層についてはゆっくりと進行するかまたは全く進行しないように選択することによって、達成されることができる。

一実施形態では、標的領域のうちの１つ以上が、流体流路を備え、流体流路のうちの１つ以上が、１よりも大きい、任意には５よりも大きい、任意には１０よりも大きい、任意には２０よりも大きい、任意には３０よりも大きい、任意には４０よりも大きい、任意には５０よりも大きい、任意には７５よりも大きい、任意には１００よりも大きいアスペクト比を有する。アスペクト比は、流体流路の長さと流体流路の平均幅との比として定義される。高いアスペクト比を有する流体流路は、通常は、より低いアスペクト比を有する流体流路よりも高い流体電気抵抗を有する。そのような流体流路は、電流制限抵抗器として作用することができ、開孔が形成されたときに膜全体にわたる電圧を著しく低減させる。電圧は、およそＲ_２／（Ｒ_１＋Ｒ_２）まで低減され、ここでＲ_２は、流体流路の抵抗であり、Ｒ_１は、開孔の抵抗である。この式は、アクセス抵抗の影響、または電界線が方向を変えた場合の領域に対する十分な重要性を考慮していない。アクセス抵抗が含まれた、電圧低減のより正確な記述は、以下の式によって与えられる。
（Ｒ_２＋Ｒ_ａ（２））／（２Ｒ_ａ（１）＋Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_ａ（２））
ここで、Ｒ_ａ（ｎ）＝ρ_ｎ／２ｄ_ｎは、アクセス抵抗（ｎ＝１のときの開孔及びｎ＝２のときの流体流路に対する）であり、ρ_ｎは、膜の両側のイオン溶液の抵抗率であり、ｄ_１、ｄ_２は、それぞれ開孔及び流体流路の直系である。この計算は、ｄ_２＞＞ｄ_１を前提とする。さもなければ、開孔と流体流路との間の界面の周囲の領域の抵抗は、より詳細にモデル化される必要がある。有限要素シミュレーションを用いて、電界線方向の変化を明らかにすることが可能である。

一実施形態では、標的領域のうちの１つ以上が、流体流路を備え、流体流路のうちの１つ以上の各々において、流体流路の流体電気抵抗の１０倍よりも小さい、任意には５倍よりも小さい、任意には２倍よりも小さい流体電気抵抗を有する開孔が形成される。一実施形態では、標的領域のうちの１つ以上が、流体流路を備え、流体流路のうちの１つ以上の各々において、流体流路の流体電気抵抗よりも小さい流体電気抵抗を有する開孔が形成される。このようにして、流体流路の流体電気抵抗を、少なくとも開孔の流体電気抵抗の有意な部分（例えば、約０．３〜０．５の間）とするように構成することによって、開孔形成後、流体抵抗器の長さに沿って著しい電圧降下があり、開孔の領域内の膜材料全体にわたる電圧降下を低減させることを保証する。さらに、著しい流体電気抵抗を有する流体流路を提供することによって、１つの流体流路内の開孔の形成の、任意の隣接する流体流路内の電界への影響を低減する。誤って大きな開孔が１つの流体流路内に形成された場合であっても、流体流路自体の流体電気抵抗が、隣接する流体流路内の電界におけるあらゆる過剰な低減を防止し、それによって、開孔は依然としてそれらの流路内に正しく形成されることができる。

一実施形態では、異なる標的領域内に、異なる流体電気抵抗を有する流体流路が設けられ、異なるサイズにされた対応する複数の開孔が、第１及び第２の電極を介して印加された電圧を介して、並行して成長される。これは、異なるサイズの多数の開孔の、制御された方法での効率的な形成を可能にする。本実施例では、開孔が形成された後の開孔全体にわたる電圧の低減は、異なる流体電気抵抗を有する流体流路ごとに異なる。このように、開孔に続く成長率は異なる。これを活用して、流体流路の端における膜材料の厚さが同じであっても、異なるサイズの開孔の同時形成を可能にする。成長率が際立って遅くなる開孔のサイズは、異なる流体電気抵抗を有する流体流路ごとに異なる。

本発明の代替の態様では、誘電破壊を用いて固体膜に開孔を形成する方法が提供され、膜が、膜の一方の側の第１の表面エリアと、膜の他方の側の第２の表面エリアとを備え、膜の第１の表面エリアを、イオン溶液を備える第１の槽と接触させ、第２の表面エリアを、イオン溶液を備える第２の槽と接触させることと、イオン溶液を備える第１及び第２の槽とそれぞれ接触している第１及び第２の電極を介して、膜全体に電圧を印加して、膜に開孔を形成することとを備え、膜と第１または第２の電極との間に、電流制限抵抗器が直列に設けられ、電流制限抵抗器が、開孔の形成後の任意の時点において、開孔の電気抵抗の少なくとも１０％、任意には少なくとも２０％、任意には少なくとも５０％、任意には少なくとも１００％に達する電気抵抗を有する。

電流制限抵抗器は、電流制限抵抗器がない場合に、第１及び第２の槽内のイオン溶液に関連するアクセス抵抗に加えて、抵抗をもたらす。電流制限抵抗器は、開孔が形成されたときに、電流制限抵抗器が存在しない場合と比較して開孔全体にわたる電圧の低減量を増大させる。電流制限抵抗器は、第１または第２の槽内に設けられた流体抵抗器、及び第１及び第２の槽の外部に少なくとも部分的に設けられた外部抵抗器のいずれかまたは両方を備え得る。外部抵抗器は、流体を伴わない電気回路で慣行的に用いられる従来の受動固体状態のタイプの抵抗器であってもよい。

本電流制限抵抗器は、高性能かつ高価な電子機器なしに、開孔直径成長プロセスの速度を制御する簡易な方法を提供する。電流制限抵抗器は、所与の印加電圧で得られ得る開孔直径を決定する。本手法は、例えば、誘電破壊が始まると電子フィードバックが電圧を遮断するために用いられるか、または電圧を十分にすばやく停止させることを可能にするために非常に短い電圧パルスが用いられる従来技術の代案よりも簡易である。それにもかかわらず、本方法は、例えば電極間で開孔を通して流れるイオン流の変化の測定によって、開孔の形成を示すために、電子フィードバックの使用を含んでもよい。例えば、フィードバックは、例えばイオン電流の特定の値を超過した後、電破壊プロセスを切り替えることによって、形成される開孔の数を制限し得る。

代替の態様では、誘電破壊を用いて固体膜に複数の開孔を形成する方法が提供され、本方法は、膜全体に電圧を印加し、誘電破壊を用いて開孔を形成することを含み、膜は、複数の副層を備え、副層のうちの少なくとも２つが、互いに対して異なる組成を有し、副層の各々が、原子層堆積によって形成される。

発明者らは、原子層堆積を用いて異なる組成の多数の副層から膜を形成することは、膜がきわめて薄い場合であっても、開孔の形状寸法を高精度に制御することが可能であることを発見した。原子層堆積は、〜１Å程度の分解能で、非常に均質かつ精密な厚さ制御を可能にする。多くの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスに対して不活性である材料を、原子層堆積を用いて適用することができる。原子層堆積によって提供される制御のレベルは、代替のフィルム成長技術を用いて通常達成されることができるよりも高い。開孔の長さは、開孔が形成される層の厚さによって決定され、高精度で制御されることができる。

開孔を通過する分子実体（例えば、ＤＮＡ材料）の検知のために開孔を用いた場合、開孔の直径及び長さに臨界的に依存する性能（例えば、異なるＤＮＡ塩基間で区別する能力）が見いだされた。直径及び／または長さを制御することができる制度を改善することによって、性能が改善される。

発明者らは、原子層堆積を用いて異なる組成の多数の副層から膜を形成することによって、使用中高度に安定した開孔が提供されることをさらに発見した。例えば、そのようにして形成された開孔の直径及び長さは、使用中、長期間にわたって（例えば、数週間または１カ月以上）安定したままであることがわかった。一実施形態では、複数の副層は、複数回繰り返す連続する副層を備え、各繰り返す連続する副層は、少なくとも第１の副層と、第１の副層に直接隣接する第２の副層とを備え、好ましくは、第１の副層は、第２の副層に対して非エピタキシャルである。そのような繰り返す配列の非エピタキシャル副層の使用は、副層内部での結晶成長に起因する欠陥の形成を低減し、非晶質フィルムを保全する。これによって、副層の質、ならびに膜全体の質及び完全性は、均質性を改善し、及び／または欠陥のある濃度を低減させることによって改善される。

一実施形態では、複数の副層は、開孔の形成前にアニーリングされる。アニーリングは、副層において著しい結晶化が生じ得る温度を下回る温度で行われ得る。代替的に、アニーリングは、より高い温度で行われてもよい。アニーリングは、副層の質を改善する（例えば、均質性を改善し、及び／または欠陥のある濃度を低減させる）。

副層の質を改善することによって、さもなければ誘電破壊を用いた開孔の最良な形成を乱す可能性がある、副層を通る電気の漏れが低減される。

代替の態様では、誘電破壊を用いて固体膜に複数の開孔を形成するための機器が提供され、固体膜の一方の側の第１の表面エリアの全体と接触しているイオン溶液を保持するように構成された第１の槽と、膜の他方の側の膜の第２の表面エリアの全体と接触しているイオン溶液を保持するように構成された第２の槽と、第１の槽内のイオン溶液に接触するように構成された第１の電極と、第２の槽内のイオン溶液に接触するように構成された第２の電極とを備える電圧印加部と、を含み、膜が、複数の標的領域を備え、各標的領域が、膜において、第１または第２の表面エリア内へと開口するくぼみまたは流体流路を備え、標的領域が、第１及び第２の電極を介して印加された電圧が、標的領域の各々の中に１つの開孔の形成を生じさせることができるように構成される。

代替の態様では、誘電破壊を用いて固体膜に開孔を形成する機器が提供され、固体膜の一方の側の第１の表面エリアと接触しているイオン溶液を保持する第１の槽と、膜の他方の側の第２の表面エリアと接触しているイオン溶液を保持する第２の槽と、第１の槽内のイオン溶液に接触するように構成された第１の電極と、第２の槽内のイオン溶液に接触するように構成された第２の電極とを備える電圧印加部と、を含み、膜と第１または第２の電極との間に、電流制限抵抗器が直列に設けられ、電流制限抵抗器が、開孔の形成後の任意の時点において、開孔の電気抵抗の少なくとも１０％に達する電気抵抗を有する。

代替の態様では、誘電破壊を用いて固体膜に複数の開孔を形成する機器が提供され、固体膜の各側と接触しているイオン溶液を保持するための槽システムと、誘電破壊を用いて膜に開孔を形成するために、イオン溶液を介して膜全体に電圧を印加するための電圧印加部と、を含み、膜が、複数の副層を備え、副層のうちの少なくとも２つが、互いに対して異なる組成を有し、副層の各々が、原子層堆積によって形成される。

代替の態様では、複数の開孔を備える固体膜が提供され、各開孔が、第１の槽を、開孔が形成された第２の槽から分離する膜材料の最小厚さ以上の直径を有する。

代替の態様では、固体膜が提供され、複数の標的領域であって、各標的領域が、膜にくぼみまたは流体流路を備える、標的領域と、複数のナノスケールの開孔であって、各開孔が、標的領域のうちの異なる１つの中に位置し、標的領域の最小厚さ以上である直径を有する、開孔と、を備える。

ここで、添付の図面を参照して、本発明の実施形態が例示のみを目的として記載され、図面において、対応する参照符号は対応するパーツを示す。

対応する標的領域内に複数のくぼみを備える膜を備える膜アセンブリの一部の概略的な側面断面図である。 矩形の深さプロファイルを有する、図１の膜内のくぼみのうちの１つの拡大側面断面図である。 湾曲した深さプロファイルを有する代替のくぼみの拡大側面断面図である。 膜が、矩形の深さプロファイルを有する複数のくぼみを備える一実施形態の拡大側面断面図である。 膜が、湾曲した深さプロファイルを有する複数のくぼみを備える一実施形態の拡大側面断面図である。 膜が、１よりも大きいアスペクト比を有する複数の流体流路を備える一実施形態の拡大側面断面図である。 イオン溶液によって接触される第１の表面エリア内に形成された複数の標的領域を示す、膜の一例の一部の平面図である。 図７の膜の一部の底面図であり、イオン溶液によって接触される第２の表面エリアを示し、第２の表面エリアの各隔離領域が、１つの標的領域を包含する。 イオン溶液によって接触される第１の表面エリア内に形成された複数の標的領域を示す膜の代替的な例の一部の平面図である。 図９の膜の一部の底面図であり、イオン溶液によって接触される第２の表面エリアを示し、第２の表面エリアの各隔離領域が、複数の標的領域を包含する。 複数のナノスケールの開孔を形成するための機器の例を描画する。 ナノスケールの開孔を形成するための機器の代替の例を描画し、外部抵抗器が電流制限抵抗器として設けられている。 開孔の一例のＴＥＭ画像である。 異なる流体抵抗を有する流体流路を備える膜を示す。 流体流路の正確な形成を促進するための層状構造を有する膜を示す。 図１８及び１９にそれぞれ描画された２つの例の膜アセンブリを製造する方法における段階を描画する概略的な側面断面図である。 図１８及び１９にそれぞれ描画された２つの例の膜アセンブリを製造する方法における段階を描画する概略的な側面断面図である。 図１８及び１９にそれぞれ描画された２つの例の膜アセンブリを製造する方法における段階を描画する概略的な側面断面図である。 図１８及び１９にそれぞれ描画された２つの例の膜アセンブリを製造する方法における段階を描画する概略的な側面断面図である。 繰り返す連続する副層と、保護層とを備える膜の一部の概略的な側面断面図である。 繰り返す連続する副層を備える膜の一部の概略的な側面断面図である。

一実施形態では、その一例が図１１に示され、膜内に複数の開孔を形成するための機器１が設けられる。開孔は、膜の誘電破壊によって形成される。一実施形態では、膜は固体膜である。一実施形態では、開孔は、ナノスケールの開孔、例えば１００ｎｍ以下程度の、任意には５０ｎｍ以下の、任意には２０ｎｍ以下の、任意には１０ｎｍ以下の、任意には５ｎｍ以下の、任意には２ｎｍ以下の、任意には１ｎｍ以下の特徴的な寸法（例えば、直径または深さ、もしくは両方）を有する開孔である。各開孔は、膜の一方の側から膜の他方の側に延び、それによって膜を完全に横断する導管を提供する。

図１は、膜２の構成の一例を描画する。本実施例では、膜２は、支持構造体８、１０に取り付けられる。膜２及び支持構造体８、１０の組み合わせは、膜アセンブリ３６と称され得る。膜アセンブリ３６は、１つの一体膜２（例えば、ウェーハ）を用いて複数の膜アセンブリを製造し、複数の膜アセンブリから膜アセンブリ３６を切り取ることによって形成され得る。代替的に、複数の膜アセンブリは、膜アセンブリのうちのただ１つと相互作用するように構成されている機器１とともに接続されたままにしてもよい。そのような一実施形態では、機器１の他のケースは、膜アセンブリの他の１つと相互作用するように設けられ得る。代替的に、膜アセンブリ３６は、膜２を形成するウェーハの全体を含み得る。

膜２は、さまざまな材料及び材料の組み合わせで構成され得る。膜２の抵抗率は、誘電破壊が生じることを可能にするために十分に高くあるべきである。抵抗率は、異方性である場合、誘電破壊が生じることを可能にするために、膜面６、７に対して垂直な方向に向かって十分に高くあるべきである。膜２は、単層または複数の異なる層を備え得る。複数の層を有する膜の特定の例、及びそれらに関連する利点が、図１６〜１９を参照して以下に述べられる。

例えば図１及び１１に示されるように、機器１は、イオン溶液３２を保持するように構成された第１の槽３８を備える。第１の槽３８内のイオン溶液３２は、膜２の一方の側（図中に示された方位における膜２の上側）の第１の表面エリア６の全体に接触する。機器１は、イオン溶液３４を保持するように構成された第２の槽４０をさらに備える。第２の槽４０内のイオン溶液３４の組成は、第１の槽３８内のイオン溶液３２の組成と同じかまたは異なり得る。第２の槽４０内のイオン溶液３４は、膜２の他方の側（膜２図中に示された方位における膜２の下側）の第２の表面エリア７の全体に接触する。第１の槽３８及び第２の槽４０の組み合わせは、槽システムと称され得る。第１及び第２の表面エリア６、７のいずれかまたは両方が、互いから隔離された多数の領域または島状部から形成されてもよく、またはされなくてもよい。第１及び第２の表面エリア６、７の全体の各々がイオン溶液によって接触されることは、第１及び第２の表面エリア６、７の各々のすべての部分が、イオン溶液の連続体によってともに接続される。したがって、第１の表面エリア６と接触しているイオン溶液に印加される電圧が、第１の表面エリア６の全体に印加される。第２の表面エリア７と接触しているイオン溶液に印加される電圧は、第２の表面エリア７の全体に印加される。

電圧印加部は、標的領域５内を含む膜２全体に電圧を印加するために設けられる。電圧は、イオン溶液３２、３４と、膜２の第１及び第２の表面エリア６、７とを介して印加される。電圧印加部は、第１の電極２８と第２の電極３０とを備える。第１の電極２８は、第１の槽３８内のイオン溶液３２に接触するように構成される。第２の電極３０は、第２の槽４０内のイオン溶液３４に接触するように構成される。一実施形態では、電圧印加部は、電圧印加部によって印加された電圧を制御するための制御部２６を備える。

膜２は、複数の標的領域５を備える。標的領域５の各々は、くぼみ４または流体流路２４を備える。くぼみ４または流体流路２４は、第１または第２の表面エリア６、７内へと開口する。くぼみ４または流体流路２４は、第１及び第２の槽間に厚さが低減された通路を提供し、それによって、標的領域５内での開孔の形成を促す。例えば、くぼみ４の基部の、または流体流路２４の端の膜２の領域は、標的領域５の外側の領域よりも細くてもよい。

機器１は、第１及び第２の電極２８、３０を介して印加された電圧が、標的領域５の各々の中で、１つの開孔２０の形成を引き起こすことができるように構成される。このように、例えば、標的領域５は、各々から十分に間隔を置かれ、誘電破壊が１つの標的領域５内で開始されたときに生じる抵抗の低減が、隣接する標的領域５内で誘電破壊が開始されることを妨げない。このことは重要であるが、それは、電圧が標的領域５の全体に同時に印加されるのではあるが、誘電破壊が始まる正確な瞬間が、異なる標的領域間で著しく異なる場合があるためである。抵抗の低減は、標的領域５の領域内の電界の規模を低減させる傾向がある。

図１に示された構成の例では、膜２は、ＳｉＮｘの層を備える。膜２は、Ｓｉの層８と、さらなるＳｉＮｘの層１０とによって支持される（それによって、Ｓｉ層８が、膜２のＳｉＮｘと層１０のＳｉＮｘとの間に挟まれるようにされる）。示された例では、Ｓｉ層８は、約３００ミクロンの厚さを有する。ＳｉＮｘ膜２及び層１０は、約４０ｎｍの厚さＤ３を各々有する。膜アセンブリ３６は、以下のように形成され得る。従来のリソグラフィ及びＫＯＨエッチングを用いて、膜２と、層８及び１０とを形成することができる。この特定の実施形態では、目標領域５の各々が、膜２の上面内へと開口するくぼみ４を備える。電子ビームリソグラフィ及び反応性イオンエッチングを用いて、これらのくぼみ４を画定する（任意の形状、例えば円形の）領域を画定し、これらの領域内の膜２を薄くして、くぼみ４の所要深さを提供し得る。図２は、図１のくぼみ４の一方の拡大図を提供する。本例では、くぼみ４内の膜２の厚さＤ４は、約１０ｎｍである（くぼみ４の深さが約３０ｎｍであることを意味する）。

図７及び８はそれぞれ、図１の膜２の一部の上面図及び底面図である。図に示すように、第１の表面エリア６（図７）は、いかなる孔もない１つの領域からなる。第２の表面エリア７は、支持構造の層８によって互いから分離された複数の隔離領域を備える。白で示された領域は、支持構造の層１０の底面２２に対応する。本例では、第２の表面エリア７の隔離領域は、寸法が１５×１５ミクロンの正方形である。隔離領域の形状は、製作のために選択された特定のプロセスによって決定される。ＫＯＨエッチングは、正方形形状のエッチピットを作製するが、反応性イオンエッチングは、任意の他の形状、例えば、円形形状（例えば、直径が１５ミクロンである）を呈する可能性がある。

図１、７及び８の例では、第２の表面エリア７内の隔離領域の各々が、１つの標的領域５（膜２の上側に形成されたくぼみ４を備える）を包含する。したがって、本例では、標的領域５は、互いから比較的遠くに離れて（約１５ミクロンよりも大きく）間隔を置かれる。しかしながら、このことは必須ではない。他の実施形態では、例えば図９及び１０に示されるように、第２の表面エリア７内の隔離領域の各々は、多数の標的領域５を包含し、及び／または標的領域５は、さもなければ、図１、７及び８のケースよりも互いにより近接して位置付けられる。複数のさらに近接して間隔を置かれた標的領域５を有する膜２の一部の例が、図４〜６に概略的に示される。そのような例では、標的領域５は、例えば約５０ｎｍの直径Ｄ１と、約１ミクロンの離隔距離Ｄ２とを有し得る。必要に応じて、さまざまな他の寸法及び間隔が選択されてもよい。一実施形態では、１つの隔離領域が設けられ、１つの隔離領域が、多数の標的領域を備える。

くぼみ４または流体流路２４の平面視での形状は、任意の形、例えば円形を取り得る。図１、２及び４を参照して記載された実施形態では、くぼみ４は、平面視で円形形状と、矩形の深さプロファイルとを有する（それによって、円筒を形成する）。他の実施形態では、くぼみ４または流体流路２４は、異なるプロファイルを有し得る。１つの実施形態では、くぼみ４について図３及び５に示されるように、くぼみ４または流体流路２４は、くぼみ４または流体流路２４内での任意の開孔２０の形成の前に、くぼみ４または流体流路２４の開口の縁４４から、くぼみ４または流体流路２４の中央領域（例えば、流体流路４４のケースでは、軸方向中央）に向かって深さが次第に増大する深さプロファイルを有する。深さプロファイルは、図３及び５に示されるように、滑らかな深さプロファイル、例えば丸みを帯びた深さプロファイルであってもよい。これは、例えば反応性イオンエッチングの好適な制御によって、またはウェットエッチングプロセスを用いることによって、形成され得る。代替的に、深さプロファイルは、角度のある、例えば円錐形であってもよい。このタイプのくぼみ４または流体流路２４内の膜２の、平面視におけるもっとも狭い部分の領域は、縁４４によって画定されたくぼみ４または流体流路２４全体の平面視における領域よりも著しく小さく、任意には少なくとも７５％小さく、任意には少なくとも９０％小さく、任意には少なくとも９５％小さい。したがって、誘電破壊がもっとも好都合である領域（すなわち、もっとも狭い領域）は、そのようなくぼみ４または流体流路２４におけるほうが、他の実施形態、例えば図１、２及び４に示されるくぼみ４におけるよりも小さい場合がある。したがって、２つ以上の別個の開孔が同じくぼみ４または流体流路２４内に形成される可能性が低減されるが、これは、そのようなプロセスを行うために使用可能なスペースが少ないためである。したがって、各くぼみ４または流体流路２４内の開孔の形成は、簡略化され、及び／またはより高信頼にされることができる。例えば、先に詳細に記載されたように、開孔を確実に形成するために、第１及び第２の電圧を繰り返し印加することは必要ではない。開孔全体は、例えば、選択されたパーセンタイルまたは開孔２０を開始するために必要とされる最小電圧の統計分布の上限よりも高いレベルの電圧（例えば、１０Ｖ）を、絶えず印加することによって形成されることができる。

流体流路２４は、膜２の平面に対して垂直に、及び／または直線状に延び、例えば円筒形状を形成し得る。しかしながら、このことは必須ではない。流体流路２４は、例えば少なくとも直線状に延びない、及び／または膜２の平面に対して垂直な方向に延びない部分を有するさまざまな他の形を取ってもよい。例えば、流体流路２４が膜２の平面に対して並行に延びる部分を有する蛇行形状が、提供されることができる。そのような形状は、高い流体電気抵抗を提供するために、高いアスペクト比を備える流体流路２４を設けることが望ましい場合に有用であり得る。

一実施形態では、１よりも大きい、任意には１よりもはるかに大きいアスペクト比を有する流体流路２４が設けられる。アスペクト比は、流体流路の長さと流体流路の平均幅との比として定義される。図６は、較的浅いくぼみ４に代えて、１よりも大きいアスペクト比を有する複数の流体流路２４が設けられることを除き、図４及び５のものに対応する膜２の一部の例を示す。電流制限抵抗器としての流体流路２４の役割が、以下にさらに詳細に述べられる。

一実施形態では、互いから空間的に分離された複数の開孔２０が形成されるまで、膜２全体に電圧が印加される。一実施形態では、標的領域５の一つ一つに１つの開孔２０が形成される。各開孔２０は、くぼみ４または流体流路２４に形成される。

一実施形態では、各標的領域内５内の開孔２０は、開孔２０の直径が、標的領域５内で第１の槽を第２の槽から分離する膜材料の最小厚さ以上になるまで、（電圧を印加し続けることによって）成長される。流体流路２４が設けられる場合、最小厚さは、流体流路２４の端においては、膜材料の厚さであってもよい。これは、いくつかの形状寸法、例えば流体流路２４が膜２の平面に対して垂直な方向に限って延びない形状寸法に対する膜の総厚さ２に等しくなくてもよい。くぼみ４が設けられる場合、最小厚さは、通常はくぼみ４の基部における厚さである。

発明者らは、膜２内での開孔２０の成長率は、開孔２０の直径が増大するにしたがって低減することを認識した。成長率は、開孔２０の直径が、開孔２０が形成されている材料の厚さ以上であるときに、略ゼロまで低下する。また、発明者らは、この効果が、誘電破壊によって形成される開孔２０サイズを、簡易かつ高信頼な方法で制御することを可能にすることを認識した。成長プロセスを監視するための複雑な電子機器を用いて、開孔２０を個々に直列に形成することを必要とすることに代えて、成長プロセスリアルタイムでほとんど監視しないかまたは監視しないで、多数の開孔２０を同時に形成することができる。１つの電圧を、多数の標的領域５に同時に印加することができる。誘電破壊は、異なる標的領域５にわたってわずかに異なる速さで開始されてもよく、それによって、成長プロセス中に、さまざまな異なサイズの開孔２０が共存し得るようにされる。しかしながら、成長プロセスが、より大きな一個の開孔２０の直径が、開孔２０の周りの材料の厚さ以上になるポイントに達すると、それらの開孔２０の成長は、著しく遅くなり、より小さな開孔２０が追いつくことを可能にする。本プロセスが、開孔２０の全体の直径が開孔２０の周りの材料の厚さ以上になるまで継続されると、より大きな開孔２０についての成長プロセスが遅くなることは、開孔２０の全体が実質的に同じサイズを有することを意味することがわかる。

一実施形態では、略一定の途切れのない電圧は、開孔２０が電圧によって成長される時間の間のほとんどにわたって印加される。一実施形態では、標的領域５が矩形の深さプロファイル（例えば、円筒形）を有するくぼみ４または流体流路２４を備える場合に特に適用可能であり、標的領域５内の開孔形成を開始する第１の電圧が印加される。第１の電圧は、比較的短い時間（例えば、図１に示されるような、１０〜２０ｎｍの開孔を形成するための構成については、１００ｍｓ）にわたって印加され得る。第２の電圧は、第１の電圧よりも低く、第１の電圧の後、より長い時間（例えば、図１に示されるような、１０〜２０ｎｍの開孔を形成するための構成については、１分）にわたって印加される。一実施形態では、第２の電圧は、同じ標的領域内での開孔の形成を開始するために必要であるよりも低い。第２の電圧は、あらゆる新しい開孔を生成することなく、既存の開孔２０を成長させるために印加される。１つの実施の例では、誘電破壊を開始させるために、約１０Ｖの第１の電圧を用いた。そして、約９Ｖの第２の電圧を用いて、開孔２０を成長させた。本プロセスは、電流が安定して、開孔２０の直径が開孔２０を取り囲む材料の厚さに達し、それらの成長が遅くなることを示すまで継続された。

一実施形態では、連続する第１及び第２の電圧が、複数回印加される。これは、開孔２０が標的領域５の全体で開始されることを保証するために必要である場合がある。連続する第１及び第２の電圧は、膜２全体にわたる電流が安定していることが検出されるまで、繰り返し印加され得る。発明者らは、この手法を、例えば図１に示される構成に適用することを確実に用いて、１５ｎｍの均等な直径を有する複数の開孔２０を作製することができることを発見した。

一実施形態では、第３の電圧は、第１及び第２の電圧の後に印加される。第３の電圧は、第１の電圧以上（例えば、１０Ｖ）である。第３の電圧は、第１及び第２の電圧のいずれかまたは両方よりも長い時間にわたって（例えば、３分）にわたって印加される。第３の電圧は、開孔直径を均一化する（より均等にする）ように作用する。

第１及び第２の電圧を繰り返し印加することは、２つ以上の開孔が標的領域５のうちの任意の１つで、例えば、標的領域５のうちの１つの中の１つのくぼみ４または流体抵抗器２４で形成される可能性がある場合、特に望ましい。このことは、例えば標的領域５のもっとも狭い部分が、比較的大きな領域にわたって、例えば（例えば、図１、２及び４のような）矩形の深さプロファイルを有するくぼみ４の中に延びる場合に、より可能性があり得る。標的領域５のより小さな割合を表すもっとも狭い部分を有するくぼみ４については（例えば、図３及び５のように）、第１及び第２の電圧を繰り返し印加することは、必要ではない場合がある。この状況では、開孔２０の全体が、開孔２０を開始するために必要とされる最小値よりも高いレベルで（例えば、１０Ｖ）で、電圧を継続的に印加することによって形成され得る。

一実施形態では、各標的領域５内の開孔２０は、開孔２０の直径が５ｎｍ〜４０ｎｍの範囲内になるまで成長される。しかしながら、この範囲よりも小さいかまたはこの範囲よりも大きい開孔が、要件に従ってさらに形成されてもよい。

一実施形態では、設けられたくぼみ４または流体抵抗器２４の全体が、同じ形状寸法（例えば、深さ、厚さプロファイル、長さ、アスペクト比、厚さ等）を有する。このことは、標的領域５の各々の中に同一の開孔が同時に形成されることが望ましい場合に、好適であり得る。

一実施形態では、標的領域５のうちの１つ以上は、平均深さの５倍よりも小さい平均幅を有するくぼみ４を備える。発明者らは、くぼみ４をこの制約内に維持することは、２つ以上の開孔２０が同じくぼみ４内で開始されるリスクを大幅に低減することを発見した。

上記の実施形態及び他の実施形態は、複数の開孔２０を備える膜２が形成されることを可能にする。開孔直径は、例えば各開孔を、その直径が、開孔が形成される領域内で２つの槽を分離する膜材料の厚さ以上になるまで成長させることによって、開孔が形成される材料厚さによって制御されることができる。最新の製作プロセスは、膜厚さが、非常に高精度で（例えば、１ｎｍ以下に至るまで）制御されることを可能にし、それによって、開孔直径の正確な制御が可能になる。各開孔を、その直径が、開孔が形成される領域内での膜２の厚さ以上になるまで成長させることは必須ではない。他の実施形態では、開孔は、これよりも小さく形成される。

誘電破壊プロセスを開始するために、比較的高い電圧が必要とされることができる。これは特に、比較的大きな（例えば、約３０ｎｍよりも大きい）開孔が形成されることが必要である場合であるが、これは、このことが、標的領域内でより薄い膜と、結果として、破壊のためのより高い電圧とを必要とするためである。最初に誘電破壊を生じさせる抵抗の急激な低下は、槽３２及び３４を通って大電流が流れ、新たに開孔２０が形成されることにつながる可能性がある。大電流は、基本的には、槽内のイオン溶液内に存在する種を参加させるかまたは低減させ、及び／または開孔２０自体の破壊または予測できない挙動につながる可能性がある。例えば、直径１００ｎｍ、厚さ３０ｎｍのくぼみを備える厚さ４６ｎｍのＳｉＮｘ膜では、誘電破壊を開始するために、２０〜３０Ｖの印加電圧が必要とされる。誘電破壊後にシステムを通して駆動される電流は、開孔２０を完全に破壊する可能性がある。

図１２に示された例の実施形態では、電流制限抵抗器４６が設けられる。電流制限抵抗器は、電流制限抵抗器４６がない場合にイオン溶液を通して提供されるアクセス抵抗に加えて、抵抗をもたらす。電流制限抵抗器４６は、膜２と第１または第２の電極２８、３０との間に直列に設けられる。開孔２０が膜２に形成されたときに、膜２全体にわたる抵抗が急激に降下すると、電流制限抵抗器４６は、結果として得られた、開孔２０を通した電流の増大を制限する。電流制限抵抗器４６は、電極２８、３０間で作用する電圧を、それらの間を流れる電流に比例して低減させるように作用する。電流制限抵抗器４６がない場合、制御部２６は、電極２８、３０間で定電圧を維持しようとし、新たに形成された開孔２０全体にわたる電圧は、電極２８、３０と開孔２０との間のイオン溶液全体にわたる電位低下に起因して、または制御部２６によって用いられている電源の過負荷のために、電流の増加とともに降下するのみである。したがって、電流制限抵抗器４６は、電流制限抵抗器４６が設けられていない場合に比べて、開孔２０が形成されたときの各開孔２０間の電圧の低減量を増大させる。上述の例では（直径１００ｎｍ、厚さ３０ｎｍのくぼみを備える厚さ４６ｎｍのＳｉＮｘ膜）、約２ＭΩの電流制限抵抗器４６が好適であることがわかった。より一般的には、電流制限抵抗器は、開孔２０の形成後の任意のとき（すなわち、誘電破壊が最初に行われた直後の中間遷移相の間ではなく、開孔２０が完全に形成された後）の、開孔の電気抵抗（すなわち、開孔の流体電気抵抗）の少なくとも１０％と同じ程度の高さである電気抵抗を有する。通常は、電流制限抵抗器は、開孔２０の流体電気抵抗と同程度の大きさである電気抵抗を有するように選択され、それによって、開孔２０が形成されたときに、開孔２０において、膜全体にわたる電位差の著しい降下が生じるようにされる。

電流制限抵抗器４６は、印加電圧に対する開孔２０の成長率も低減させる。成長率は、高レベルな直径の制御が、測定された電流の流れを、電流と開孔サイズとに関する較正データと単に比較することによって達成されることができるために十分に遅くされることができる。例えば、較正データが、開孔が所望のサイズに達したことを示したときに、印加電圧を遮断するための構成を作ることができる。図示された例では、上述の厚さ３０ｎｍのくぼみについては、約８分間にわたるゆっくりとした拡張が、開孔形成直後の約１２ｎｍの開始直径（約２３Ｖの電圧を用いる）から、４３ｎｍの最終的な直径まで開孔２０を成長させるために効果的であることがわかった。最終的な開孔２０の画像は、図１３に示される。見てわかるように、開孔２０は、正確には円滑な縁を備える円形である。

一実施形態では、電流制限抵抗器４６は、槽３８、４０の外側に位置付けられた外部抵抗器（例えば、固体抵抗器）である。他の実施形態では、電流制限抵抗器４６は、流体抵抗器と外部抵抗器とを備え得る。

開孔が形成されたときに膜２全体にわたる電圧の著しい低減を提供する電流制限抵抗器が設けられる場合、普通は、電流制限抵抗器ごとにただ１つの開孔が形成されることができる。このように、普通は、図１２に示されたタイプの構成を用いて、１つの開孔２０を形成する。しかしながら、流体抵抗器が電流制限抵抗器として用いられる場合、２つ以上のそのような電流制限抵抗器が、イオン溶液を備える所与の槽の内部に設けられることができる。これにより、多数の開孔を並行して形成し、また同時に電流制限抵抗器を用いてプロセスの制御を向上させることが可能になる。

例えば、複数の流体流路２４は、電流制限抵抗器として動作するように構成され得る。この場合、流体流路２４の各々のうちの１つ以上が、開孔２０が流体流路２４内に形成されるときに、開孔２０の流体電気抵抗が、流体流路の流体電気抵抗の１０倍よりも小さくなるように、任意には流体流路２４の流体電気抵抗と略等しくなるように構成される。流体流路２４は、例えば比較的伸長されてもよい。流体流路の伸長の度合は、アスペクト比を参照することによってパラメータ化されてもよい。アスペクト比は、流体流路２４の長さと流体流路２４の平均幅との比として定義され得る。円筒形の流体流路の場合、アスペクト比は、単に円筒の軸方向長さと円筒の直径との比である。流体流路２４が、例えば非円形の断面及び／または流体流路２４の長さに沿って変動する断面を備えるより複雑な形を有する場合、幅についての平均値を用いることができる。十分に高い流体電気抵抗を提供するために、流体流路２４のアスペクト比は、１よりも大きくてもよく、任意にはより著しく高くてもよい。

電流制限抵抗器として作用する流体抵抗器（例えば、流体流路２４）の適切な流体抵抗は、流体抵抗器の形状寸法の適切な設計と、流体抵抗器内部に存在するイオン溶液の抵抗率の選択とによって達成されることができる。例えば、単純な円筒形の流体抵抗器の形状寸法を取ると、流体抵抗Ｒは、以下の式によって表されることができる。
Ｒ＝４ρＬ／πＤ^２
ここで、ρは、溶液の抵抗率であり、Ｌは、流体抵抗器を画定する流体流路の長さ（例えば、くぼみの深さ）であり、Ｄは、円筒の直径（例えば、くぼみの幅）である。

上記の例を取ると、厚さ３０ｎｍの窒化シリコンの膜２に形成された開孔２０と、膜２の上部の厚さ２μｍの誘電体皮膜（酸化シリコン）を通した円筒形の流体流路によって完全に画定された〜２ＭΩの制限抵抗器とに対する要件を推定することができる。同様の抵抗率〜９．１Ωｃｍの溶液が両側にある場合、流体抵抗器の所要直径は、およそ３４０ｎｍである。この直径及びアスペクト比は、従来のリソグラフィによって容易に達成されることができる。

いくつかのケースでは、所要開孔２０が非常に小さく、流体抵抗器の直径が、リソグラフィによって制限されているとき、流体抵抗器の所要アスペクト比は、非常に大きい可能性がある。例えば、厚さ１０ｎｍの膜２の直径〜２ｎｍの開孔２０は、直径が１００ｎｍに制限されている場合、長さ２０〜３０μｍの流体チャネルを必要とする。流体抵抗器内の溶液の抵抗率の増大（例えば、溶液を希釈するか、またはゲルまたは多孔質材料で充填することによる）は、アスペクト比の要件を低減することを助けることができる。拡散が定常状態に達する前に、電圧の印加が破壊後にすばやく停止された場合、誘電破壊前に膜２全体にわたる拡散がないため、溶液を希釈して抵抗率を増大させることは、流体抵抗器の所要アスペクト比を比例的に低減させることができる。例えば、流体抵抗器内の溶液の抵抗率を１００倍に増大することは、リソグラフィに適した直径２００ｎｍ及び長さ１μｍの流体抵抗器につながることができる。電圧が、拡散が定常状態に達さないために十分にすばやく停止されなかった場合であっても、流体抵抗器がナノポアのアスペクト比よりもはるかに大きいアスペクト比を有する限り、流体抵抗は、以下の数式におおよそ従う。

ここで、ρ_ｃｉｓ及びρ_{ｔｒａｎｓ}は、それぞれシス及びトランスチャンバ内の溶液のバルク抵抗率である。この数式によれば、流体抵抗器を１０００倍さらに抵抗性の溶液で充填した場合、同じ直径２ｎｍ及び厚さ１０ｎｍ孔のみが、直径〜１１５ｎｍ及び長さ１μｍの流体抵抗器を必要とする。

上述された実施形態では、ただ１つの電流制限抵抗器が設けられるか、または複数の同一の電流制限抵抗器が設けられる（例えば、図６のとおり）。このことは必須ではない。他の実施形態では、異なる流体電気抵抗を有する複数の流体流路２４が設けられる。流体抵抗が、それぞれの流体流路２４内に形成された開孔２０の成長率に著しい影響を与えるために十分に大きい場合、この手法は、異なるサイズにされた開孔２０が、第１及び第２の電極を介して印加された電圧を介して並行して（すなわち、標的領域５の全体にわたって同時に）成長されることを可能にする。比較的高い流体電気抵抗を有する流体流路２４内の開孔２０は、より低い流体電気抵抗を有する流体流路２４内の開孔２０よりもゆっくりと成長される傾向がある。このように、互いに異なるサイズを有する開孔２０の制御された同時形成が可能にされる。

一実施形態では、開孔２０の成長率は、第１または第２の槽３８、４０内のイオン溶液のイオン強度を制御することによって制御され、このことは、開孔２０に関連する流体流路２４内の流体抵抗を決定する。例えば、流体抵抗が増大するようにイオン溶液を変化させることによって、開孔の成長率を遅くすることができ、その反対も同様である。

図１４及び１５は、異なるアスペクト比を有する流体流路２４が形成され、それによって、これらの流体流路２４の各々が互いに対して異なる流体抵抗を有する、膜２の一部を概略的に示す。この特定の例における左の流体流路２４は、直径５０ｎｍを有し、右は直径１００ｎｍであった。流体流路２４は、厚さ３００ｎｍのＳｉＮｘ膜２に形成された。流体流路２４の端における膜２の厚さは、１０ｎｍであった。膜２全体にわたって１０Ｖを印加することによって、２つの流体流路２４の各々に１つの開孔２０の形成を生じさせることがわかった。より狭い流体流路２４の電流制限効果は、より広い流体流路２４内の開孔２０が１０ｎｍと等しい直径（流体流路２４の端における膜材料の厚さ）に達すると、より狭い流体流路２４内の開孔２０は、わずか５ｎｍの直径を有していたことを意味していた。

機能的に著しい流体電気抵抗を提供するために十分に大きいアスペクト比を有する流体流路２４を設けることは、より浅いくぼみ４を備える（例えば、図４及び５のような）実施形態で必要とされるよりも厚い膜２を必要とする場合がある。図１４及び１５ａの例では、リソグラフィによって形成された流体流路２４を備える、ＳｉＮｘで形成された３００ｎｍの膜２が用いられた。エッチングプロセスを適切なポイントで停止させて、流体流路２４の端における膜２の厚さが、必要とされるとおりであることを保証することが必要である。小さい厚さ（例えば、１０ｎｍ）については、エッチングプロセスを十分に正確に停止させることは、例えば製作設備が安定性の問題を有している場合には、難しい可能性がある。好適なエッチング液を用いて、異なる個別のエッチングレートをもたらす異なる組成を有する複数の層から膜２を形成することによって、製作を促進することができる。そのような構成の一例が、図１５に示される。ここで、膜２は、異なる組成の２つの層２Ａ及び２Ｂから形成される。下層２Ｂは、流体流路２４の端における膜２の所望の厚さと等しい厚さを有するように配置される。下層２Ｂがエッチングされないかまたはエッチングレートが上層２Ａよりも遅いエッチングプロセスを用いることによって、エッチングプロセスを適切なポイントで停止させることを容易にする。一実施形態では、図１５に示された多層膜２に標的領域５を作る材料及びプロセスを注意深く選択することによって、分子サイズの開孔を形成することができる。例示の構成では、膜２Ａは、厚さ３００ｎｍのＳｉＮｘであり、２Ｂは、厚さ２ｎｍのＡＬＤ ＨｆＯ_２である。直径５０ｎｍを有する少なくとも１つの流体流路２４が、リソグラフィ及び反応性イオンエッチングによって膜２Ａに形成される。ＨｆＯ_２フィルムの不活性性質に起因して、流体流路２４は、ＳｉＮｘ ２Ａ層全体を通してエッチングされ、均一な２ｎｍのＨｆＯ_２のみの標的領域５を形成するＨｆＯ_２において自然に停止することができる。適切な流体伝導率及び破壊電圧を選択することによって、直径１ｎｍ及び長さ２ｎｍのＨｆＯ_２開孔を、標的領域内に並行して形成することができる。

ここでは伸長された流体流路２４を形成するという文脈で述べられているが、異なる組成の多数の層から形成された膜２の使用をより一般的に用いて、個々の層の異なるエッチングレートに起因して、任意の形の標的領域５、くぼみ４及び／または流体流路２４の正確な厚さを達成することができる。界面に達したときのエッチングプロセスの急激な変化または停止に対応する異なる組成の層間の界面を用いて、膜２に形成された構造の任意の境界部を画定することができる（例えば、くぼみ４の底部または流体流路２４の端）。一実施形態では、膜２は、第１の層（例えば、図１５の上層２Ａ）と第２の層（例えば、図１５の下層２Ｂ）とを備え、１つ以上のくぼみ４または流体流路２４の各々は、第１の層の一部を、第１の層と第２の層との間の界面に（少なくとも）至るまで（例えば、図１５における上層２Ａと下層２Ｂとの間の界面の、またはわずかに超えたレベ■の深さまで）除去することによって形成され、それによって、境界部が第２の層の表面（例えば、図１５における下層２Ｂの曝露された部分の上面）によって形成され、第２の層（例えば、図１５における下層２Ｂ）が、原子層堆積によって形成されるようにされる。実施形態では、開孔は、第２の層（例えば、図１５における下層２Ｂ）の少なくとも一部を通した誘電破壊によって形成される。本明細書の冒頭部分で説明されたように、原子層積は、〜１Å程度の分解能での非常に均一かつ精密な厚さ制御を可能にする。多くの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスに対して不活性である材料を、原子層堆積を用いて適用することができる。原子層堆積によって提供される制御のレベルは、代替のフィルム成長技術を用いて通常達成されることができるよりも高い。開孔の長さは、開孔が形成される層（例えば、図１５における下層２Ｂ）の厚さによって決定され、高精度で制御されることができる。第２の層についての例示の構成に関するさらなる詳細（例えば、材料及び副層）が、以下に与えられる。

さまざまな方法を用いて、膜２内にくぼみ４または流体流路２４を形成することができる。これらは、リソグラフィ（例えば、マスクベースかまたはマスクレスシステムを用いる）及び上述のようなエッチングを含み得る。電子ビームリソグラフィを用いてもよい。反応性イオンエッチングを用いてもよい。イオンビーム彫刻を用いてもよい。

一実施形態では、流体流路２４は、イオン溶液が多孔層の一方の側から多孔層の他方の側へ通過することを可能にする細孔を備える多孔層を用いて設けられる。このケースでは、細孔は流体流路である。この手法は、多くの多孔材料の穴に適合されるもとから狭い形に起因して、高いアスペクト比の流体流路２４を設ける好都合な方法である。多孔層が、流体流路２４のみを提供する場合、開孔２０は、イオン溶液によって横断される多孔層のあらゆる細孔の端に形成され得る。これは、細孔の空間的分布が好適である場合に望ましい場合がある。しかしながら、多くの場合、異なるように離れて（例えば、さらに離れて）間隔を置かれ、及び／または多孔層の細孔とは異なる数で（例えば、より少なく）設けられた開孔２０を形成することが望ましいかもしれない。この場合、多孔層は、開孔２０が形成される場所を画定する他の流体流路２４を備える層と組み合わせて設けられてもよい。この場合、多孔層は、流体的には互いに並列であるが、開孔２０が形成される場所を画定する別個の層に設けられたさらなる流体流路２４と直列である複数の流体流路２４を提供し得る。したがって、別個の層内の流体流路２４は、多孔層によって提供された複数の流体流路２４へのアクセスを提供する開口を有する。一実施形態では、多孔層は、陽極酸化アルミニウム（ＡＡＯ）の層を含み得る。ＡＡＯは、非常に高い（例えば、１０００：１よりも大きい）アスペクト比で、数百ナノメートルの格子定数を備える格子で離れて間隔を置かれた細孔で形成されることができる。細孔直径及び格子定数は、予め好適にパターニングされた面上にＡＡＯを形成することによって調整されることができる。

別の実施形態では、電流制限抵抗器として作用する流体流路２４は、ＰＤＭＳ、酸化物、及び／または窒化物の層の内部のチャネルとして形成され得る。

各々に開孔２０が形成される複数の標的領域５を備える膜２が形成されることを可能にする実施形態が説明されてきた。各標的領域５は、開孔２０が形成される場所を画定するくぼみ４または流体流路２４を備える。各開孔２０は、標的領域５の異なる１つの内部に位置し、任意の制限抵抗器の抵抗、印加された電圧レジーム、及び／または標的領域５の厚さによって決定される直径を有する。直径は、第１及び第２の槽を分離する膜材料の最小厚さ以上であってもよく、厚さは、直径を制御するための一次手段として用いられる。代替的に、直径は、膜材料の厚さよりも小さくされることができる。

図１６〜１９は、原子層堆積を用いて膜２を形成する膜アセンブリ３６を製造する例示の方法におけるステップを描画する。膜２は、本明細書に記載された実施形態のいずれかによる誘電破壊を用いて、１つ以上の開孔の形成を可能にするために好適である。図１６は、図１を参照して上記された膜アセンブリ３６と同じ方法で形成され得る構成を示すが、図１６の構成は、膜に形成されたいかなるくぼみ４もまだ有していないことを除く。図１６の上側被覆層５１は、図１の膜２と同じ方法で（例えば、ＳｉＮｘから）形成され得る。図１６の下側被覆層５２は、図１の層１０と同じ方法で（例えば、ＳｉＮｘから）形成され得る。

それに続く処理ステップでは、原子層堆積を用いてＡＬＤ層５４を蒸着し、図１７に示された構成を提供する。原子層堆積は、ＡＬＤと称される場合もあり、材料の薄膜を蒸着するための周知の技術である。以下は、この主題に関するレビュー論文の一例である。Ｓｔｅｖｅｎ Ｍ．Ｇｅｏｒｇｅ，「Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ」，Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．２０１０、１１０、１１１〜１３１。

それに続く処理ステップでは、流体流路２４は、上側被覆層５１に、例えばリソグラフィの後に続く反応性イオンエッチングによって形成される。流体流路２４は、例えば、上側被覆層５１を通して上側被覆層５１とＡＬＤ層５４との間の界面までエッチングすることによって形成され得る。それによって、図１８に示された膜アセンブリ３６が設けられる。

代替のそれに続く処理ステップでは、図１７の構成から始まり、くぼみ４は、上側被覆層５１に、例えばリソグラフィの後に続く反応性イオンエッチングによって形成される。くぼみ４は、例えば、上側被覆層５１を通して上側被覆層５１とＡＬＤ層５４との間の界面までエッチングすることによって形成され得る。それによって、図１９に示された膜アセンブリ３６が設けられる。

上記の処理の変形が可能である。例えば、ＡＬＤ層５４は、より早期の段階で、例えば層８を形成するためのウェーハの処理（例えば、ＫＯＨエッチングによってウェーハの一部を選択的に除去して層８を形成し、このことが構造物をより脆弱にする）の前に、及び／または上側被覆層５１（例えば、ＳｉＮｘ）の成長の前に、蒸着させることができる。ＡＬＤ層５４は、上側被覆層５１のすべてまたは一部を形成する２つの層の間（例えば、２つのＳｉＮｘ層の間）に挟まれてもよい。ＡＬＤ層５４をより早期に形成することは、望ましくは、膜アセンブリが比較的脆弱な状態にある間に（例えば、薄膜が存在する間に、及び／または層８を形成するためにウェーハが処理された後に）実行される必要がある処理ステップ数を低減し得る。

図１８及び１９に示された膜アセンブリ３６は、膜２が第１の層（図１８及び１９の上側被覆層５１）と第２の層（図１８及び１９のＡＬＤ層５４）とを備え、第２の層が原子層堆積によって形成される例である。

図２０及び２１に描画された例の実施形態では、第２の層（ＡＬＤ層５４）は、複数の副層６１、６２を備える。副層６１、６２の各々は、原子層堆積によって形成される。一実施形態では、副層６１、６２のうちの少なくとも２つが、互いに対して異なる組成を有する。副層６１、６２のうちの少なくとも２つが互いに対して異なる組成を有するように構成することは、使用中に副層６１、６２の安定性を改善することがわかった。

一実施形態では、複数の副層６１、６２は、複数回繰り返す連続する副層６１、６２を備え、各繰り返す配列は、少なくとも第１の副層６１と、第１の副層６１に直接隣接した第２の副層６２とを備える。第１の副層６１は、第２の副層６２とは異なる組成を有する。示された実施形態では、繰り返す配列の各ユニットは、１つの第１の副層６１と１つの第２の副層６２とからなるが、このことは必須ではない。他の実施形態では、各繰り返すユニットは、２つより多い副層（例えば、３つの副層、４つの副層、またはそれ以上）を備え得る。一実施形態では、第１の副層６１の全体が、互いに同じ組成を有し、第２の副層の全体６２が、互いに同じ組成を有する。図２０及び２１では、描画を容易にするために、各々が第１の副層６１と第２の副層６２とからなる４つのユニットを備える繰り返す配列が示される（さらなる第１の副層６１が設けられ、それによって、複数の副層の２つの最外側面が同じ組成を有するようにされる）。実際、多数の副層が普通に設けられる。一実施形態では、第１及び第２の副層６１、６２の各々は、４サイクル以下、例えば１サイクルサイクル、２サイクル、３サイクル、または４サイクルの原子層堆積を用いて形成される。また、第１及び第２の副層６１、６２の一方または両方の各々が、４サイクルを超える原子層堆積を用いて形成されることも可能である。通常は、第１及び第２の副層６１、６２の各々が、それらを作成するために用いられる原子層堆積のサイクルごとに〜１Å程度の厚さを有する。第１及び第２の副層６１、６２（及び、設けられた任意の他の副層）の数は、複数の副層についての所望の総厚さを提供するように選択される。複数の副層６１、６２の厚さは、複数の副層６１、６２を通して形成された任意の開孔の長さを画定する。一実施形態では、複数の副層６１、６２の厚さは、２〜６ｎｍの、任意には２〜４ｎｍの、任意には２〜３ｎｍの範囲内である。一実施形態では、約２０〜６０サイクルの原子層堆積を用いて、複数の副層６１、６２を形成する。

一実施形態では、第１の副層６１は、第２の副層６２に対して非エピタキシャルである。第１の副層６１を第２の副層６２に対して非エピタキシャルにするための構成は、副層６１、６２内部での結晶成長に起因する欠陥の形成を低減し、非晶質フィルムを保全する。複数の副層が他の副層を備える場合、好ましくは、すべての副層があらゆる直接隣接する副層に対して非エピタキシャルであるように配置される。

第１の副層６１及び第２の副層６２は、幅広く異なる材料から形成されることができる。一実施形態では、第１の副層６１は、ＨｆＯ_２を備え、第２の副層６２は、Ａｌ_２Ｏ_３を備える。ＨｆＯ_２は、良好な誘電特性を有する。これら２つの材料は、原子層堆積と適合性があり、互いに対して非エピタキシャルである。

一実施形態では、例えば図２０に示されるように、第２の層（ＡＬＤ層５４）は、繰り返す連続する副層６１、６２の一方の側または両方の側の保護層６３とともに形成される。保護層６３は、繰り返す連続する副層６１、６２を、第１の層の一部（図１８及び１９の上側被覆層５１）の除去等の、膜アセンブリ３６の他の特徴を形成するために用いられる処理ステップ（例えば、反応性イオンエッチングステップ）、例えば流体流路（図１８のとおり）を形成するための処理ステップ（例えば、反応性イオンエッチングステップ）またはくぼみ４（図１９のとおり）を形成するための処理ステップ（例えば、反応性イオンエッチングステップ）から保護する。一実施形態では、保護層６３は、Ａｌ_２Ｏ_３を備える。Ａｌ_２Ｏ_３は、反応性イオンエッチングに耐性があるが、ウェットエッチングによって除去することが容易である。一実施形態では、保護層６３は、約５〜１０ｎｍの厚さを有する。一実施形態では、保護層６３は、を用いて形成される。約５０〜１００サイクルの原子層堆積を用いて形成される。一実施形態では、開孔の形成の前に保護層６３を除去して、繰り返す連続する副層６１、６２を備える自立膜を形成する。第１の副層６１がＨｆＯ_２を備え、第２の副層６２がＡｌ_２Ｏ_３を備えるケースでは、保護層６３の除去は、結果として繰り返す連続する副層６１、６２と、付加的な層とをもたらし、それによって、２つのもっと外側の副層が、（図２０及び２１に示されるように）両方とも第１の副層６１になるようにされる。その後、自立膜を通した誘電破壊によって、開孔が形成される。

一実施形態では、第２の層（ＡＬＤ層５４）は、誘電破壊によって開孔を形成する前に、アニーリングされる。アニーリングは、原子層堆積プロセス後、第２の層に溜まったあらゆる水を除去するように構成される。それによって、アニーリングは、第２の層の質を（例えば、均質性を向上させるかまたは欠陥密度を低減させることによって）改善する。アニーリングは、副層における著しい結晶化が生じ得る温度を下回る温度で行われ得る。代替的に、アニーリングは、より高い温度で行われてもよい。

一実施形態では、上述の、または他の実施形態による方法及び機器を用いて形成された開孔２０のうちの１つ以上を用いて、分子実体と開孔との間の相互作用に依存する測定（例えば、電気的測定または光学的測定）を行うことによって、分子実体を検知する。一実施形態では検知機器は、そのように形成された複数の開孔２０と、分子実体と開孔２０との間の相互作用に依存する測定を行うことによって、開孔２０の各々の中の分子実体を検知するように構成された測定システムとを有して設けられる。分子実体の検知は、１つの分子及び分子実体を特定するための基準を提供することができる。ＤＮＡまたは他の核酸の配列、安全及び防衛のための化学または生体分子検知、診断のための生物学的マーカの検知、薬剤開発のためのイオンチャネルスクリーニング、及び生体分子間の相互作用のラベルフリー解析等の幅広い可能な用途がある。

分子実体は、アミノ酸、ペプチド、ポリペプチド、タンパク質またはポリヌクレオチド等のポリマーであってもよい。ポリヌクレオチドは、任意のヌクレオチドの任意の組み合わせを含み得る。ヌクレオチドは、自然に存在するかまたは人工のものであることができる。ポリヌクレオチド内の１つ以上のヌクレオチドは、酸化されるまたはメチル化されることができる。ポリヌクレオチド内の１つ以上のヌクレオチドは、損傷してもよい。例えば、ポリヌクレオチドは、ピリミジンダイマーを含んでもよい。そのようなダイマーは、通常は紫外線による損傷に関連し、皮膚黒色腫の主因である。ポリヌクレオチド内の１つ以上のヌクレオチドは、例えば標識またはタグで修飾してもよい。ポリヌクレオチドは、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）またはリボ核酸（ＲＮＡ）等の核酸であることができる。ポリヌクレオチドは、一本鎖ＤＮＡにハイブリッド化された一本鎖ＲＮＡを含むことができる。分子実体は、一本鎖または二本鎖ポリヌクレオチドを含み得る。ポリヌクレオチドは、部分的に二本鎖であってもよい。ポリヌクレオチドは、蛍光標識、光学標識、磁性種または化学種のうちの１つ以上で標識付けされてもよく、種または標識の検出は、ポリヌクレオチドを示す。核酸プローブは、ポリヌクレオチドと、開孔のアレイを通した移行によって検出された結果として得られる構造とにハイブリッド化されてもよく、例えば、出願公開ＷＯ２００７／０４１６２１に開示されている。ポリヌクレオチドは、１つ以上の受容体標識で標識付けされてもよく、これは、開孔のアレイに取り付けられた１つ以上のドナー標識と相互作用し、例えば出願公開ＷＯ２０１１／０４０９９６によって開示されている。ポリヌクレオチドは、当技術分野で周知の任意の合成核酸であってもよい。分子実体は、アプタマーであってもよい。分子実体は、開口を移行させ、分子実体と測定された開口との間の相互作用の位置を変えるようにされる。

開孔を通した分子実体の移行は、ポリヌクレオチドハンドリング酵素等のモータタンパク質、または出願公開第ＷＯ２０１３／１２３３７９号に開示されたようなポリペプチドハンドリング酵素によって支援され得る。好ましい酵素は、ポリメラーゼ、エキソヌクレアーゼ、ヘリカーゼ及びトポイソメラーゼ、例えばギラーゼである。任意のヘリカーゼを、本発明において用いてもよい。ヘリカーゼは、Ｈｅｌ３０８ヘリカーゼ、ＲｅｃＤヘリカーゼ、例えばＴｒａＩヘリカーゼ、またはＴｒｗＣヘリカーゼ、ＸＰＤヘリカーゼまたはＤｄａヘリカーゼであってもよく、またはそれらから派生してもよい。ヘリカーゼは、ヘリカーゼ、修飾されたヘリカーゼ、または国際出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５２５７９号（ＷＯ２０１３／０５７４９５として公開）；第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５３２７４号（ＷＯ２０１３／０９８５６２として公開）；第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５３２７３号（ＷＯ２０１３０９８５６１として公開）に開示されたヘリカーゼ構造のいずれかであってもよい。代替的に、細孔を通した分子実体の移行は、例えば国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００４４６７号によって開示された電圧制御によってさらに支援されてもよい。

決定される特性は、ポリマーの配列特性であってもよい。

固体膜は、有機及び無機材料のいずれかまたは両方を備えてもよく、ＩＩ−ＩＶ及びＩＩＩ−Ｖ材料等を含む材料を含む、導電性、半導電性、または電気絶縁性にかかわらずにマイクロエレクトロニック材料、窒化シリコン、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＳｉＯ_２、Ｓｉ、ＭｏＳ_２等の酸化物及び窒化物、ポリアミド等のソリッドステート有機及び無機ポリマー、テフロン（登録商標）等のプラスチック、または二成分付加硬化型シリコーンゴム等のエラストマ、及びガラスを含むが、これらに限定されない。膜は、例えばグラフェン等の単原子層か、または米国特許第８、６９８、４８１号及び米国特許出願公開第２０１４／１７４９２７号に開示され、両方が参照により本明細書に組み入れられる、わずか数原子厚さの層から形成されてもよい。２つ以上の材料層、例えば米国特許出願公開第２０１３／３０９７７６号に開示され、参照により本明細書に組み入れられる、２つ以上のグラフェン層を含むことができる。好適な窒化シリコン膜は、米国特許第６，６２７，０６７号に開示され、膜は、米国特許出願公開第２０１１／０５３２８４号に開示されたように、化学的に感応化されてもよく、これら２件は、参照により本明細書に組み入れられる。開孔の内壁は、出願公開第ＷＯ２００９／０２０６８２号に開示されたような、感応化被覆で被覆されてもよい。

さらなる実施形態では、生物学的ナノポアは、固体状態開孔内部に設けられてもよい。そのような構造体は、例えば米国特許第８，８２８，２１１号に開示され、参照により本明細書に組み入れられる。

生物学的細孔は、膜貫通タンパク質細孔であってもよい。本発明に従って用いるための膜貫通タンパク質細孔は、βバレル細孔またはαヘリックスバンドル細孔に由来することができる。βバレル細孔は、β鎖から形成されるバレルまたはチャネルを含む。好適なβバレル細孔は、α−ヘモリシン、炭疽菌毒素、及びロイコシジン等のα毒素、マイコバクテリウムスメグマチス（Ｍｓｐ）、例えばＭｓｐＡ、ＭｓｐＢ、ＭｓｐＣまたはＭｓｐＤ、外膜ポリンＦ（ＯｍｐＦ）、外膜ポリンＧ（ＯｍｐＧ）、外膜ホスホリパーゼＡ、及びナイセリアオートトランスポーターリポタンパク質（ＮａｌＰ）等の細菌の外膜タンパク質／ポリンを含むが、これらに限定されない。αへリックスバンドル細孔は、αへリックスから形成されるバレルまたはチャネルを含む。好適なαへリックスバンドル細孔は、内膜タンパク質と、ＷＺＡ及びＣｌｙＡ毒素等の外膜タンパク質とを含むが、これらに限定されない。膜貫通細孔は、Ｍｓｐに、またはα−ヘモリシン（α−ＨＬ）に由来し得る。膜貫通細孔は、ライセニンに由来してもよい。ライセニンに由来する好適な孔は、ＷＯ２０１３／１５３３５９に開示されている。ナノポアは、ＷＯ２０１６／０３４５９１に開示されたようなＣｓｇＧであってもよい。

測定は、例えば電気的、光学的、または両方であってもよい。電気測定は、電位差または濃度勾配下で開孔を通って流れるイオン流の測定を含む。電気的測定は、Ｓｔｏｄｄａｒｔ Ｄ ｅｔ ａｌ．，Ｐｒｏｃ Ｎａｔｌ Ａｃａｄ Ｓｃｉ，１２；１０６（１９）：７７０２−７、Ｌｉｅｂｅｒｍａｎ ＫＲ ｅｔａｌ，Ｊ Ａｍ Ｃｈｅｍ Ｓｏｃ．２０１０；１３２（５０）：１７９６１−７２に記載され、また国際出願第ＷＯ−２０００／２８３１２号に開示されたような、標準的な１つのチャネル記録機材を用いてなされ得る。代替的に、電気的測定は、例えば国際出願第ＷＯ−２００９／０７７７３４号及び国際出願第ＷＯ−２０１１／０６７５５９号に記載されたようなマルチチャネルシステムを用いてなされてもよい。光学測定は、電気的測定（Ｓｏｎｉ ＧＶ ｅｔ ａｌ．，Ｒｅｖ Ｓｃｉ Ｉｎｓｔｒｕｍ．２０１０ Ｊａｎ；８１（１）：０１４３０１）と組み合わされてもよい。

検知機器は、ＷＯ２００８／１０２２１０、ＷＯ２００９／０７７３４、ＷＯ２０１０／１２２２９３、ＷＯ２０１１／０６７５５９またはＷＯ２０１４／０４４４３のいずれかに開示されたように配置された測定システムを含み得る。検知機器は、電位差下で開孔を通したイオン電流を測定するために、膜の各側に配置された電極を備え得る。電極は、電極及び測定回路に電圧を供給するように配置された制御回路を含む電気回路に接続され得る。共通電極は、共通電極と、膜の反対側に設けられた電極との間の開孔を通したイオン流を測定するために設けられ得る。

ナノポアアレイのいずれかの側に設けられた流体チャンバは、シス及びトランスチャンバと称される場合がある。ナノポアのアレイによって判定され得る分子実体は、通常は、共通電極を備えるシスチャンバに加えられる。別個のトランスチャンバが、アレイの反対側に設けられてもよく、各トランスチャンバは、電極を備え、各開孔を通したイオン流が、トランスチャンバの電極と共通電極との間で測定される。

開孔長さ（膜の二側間の距離）に依存して、１つ以上のポリマーユニットが、任意の特定の時間で細孔内に存在してもよく、実行された測定は、ｋ個のポリマーユニットの群に依存し得、ここで、ｋは整数である。ｋ個のポリマーユニットの群は、ｋが１よりも大きい場合、ｋマーと称される場合がある。概念上、これは、測定されているポリマーユニットよりも大きい「ブラントリーダヘッド」を有する測定システムとして考えられ得る。ｋマーの測定を伴うｋ個のポリマーユニットの配列特性の判定は、国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５２３４３号及び第ＰＣＴ／ＧＢ２０１３／０５０３８１号によって開示された方法によって実行され得る。代替的に、形成における配列の判定または分子配列の分類は、人工神経ネットワーク（ＡＮＮ）を用いて実行され得る。

用いられる任意の測定システムが、例えばＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等のプロセッサ、またはコンピュータにリンクされるかまたはそれらを備えてもよい。測定の解析は、検知機器で実行されてもよく、代替的に、例えばクラウドベースのシステムによって、遠隔的になされてもよい。

開孔細孔を通るイオン電流を測定するための好適な条件は、当技術分野で周知である。当該方法は、通常は膜及び開孔全体に印加された電圧によって実行される。用いられる電圧は、通常は＋５Ｖ〜−５Ｖ、例えば＋４Ｖ〜−４Ｖ、＋３Ｖ〜−３Ｖまたは＋２Ｖ〜−２Ｖである。用いられる電圧は、通常は−６００ｍＶ〜＋６００ｍＶまたは−４００ｍＶ〜＋４００ｍＶである。用いられる電圧は、好ましくは−４００ｍＶ、−３００ｍＶ、−２００ｍＶ、−１５０ｍＶ、−１００ｍＶ、−５０ｍＶ、−２０ｍＶ及び０ｍＶから選択された下限と、＋１０ｍＶ、＋２０ｍＶ、＋５０ｍＶ、＋１００ｍＶ、＋１５０ｍＶ、＋２００ｍＶ、＋３００ｍＶ及び＋４００ｍＶから独立して選択された上限とを有する範囲内である。用いられる電圧は、より好ましくは１００ｍＶ〜２Ｖの範囲内である。増大された印加電位を用いることによる開孔によって異なるヌクレオチド間の識別力を増大させることが可能である。イオン電流の測定の代替として、コンダクタンスまたは抵抗の測定を行ってもよい。

例えば、開孔を通したトンネル電流の測定（Ｉｖａｎｏｖ ＡＰ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．２０１１ Ｊａｎ１２；１１（１）：２７９−８５）、または、例えばＷＯ２００５／１２４８８８、ＵＳ８８２８１３８、ＷＯ２００９／０３５６４７、またはＸｉｅ ｅｔ ａｌ，Ｎａｔ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．２０１１ Ｄｅｃ１１；７（２）：１１９−１２５によって開示された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）装置等の、開孔に対する分子実体の移動に関連する代替または付加的な測定が行われてもよい。測定装置は、開孔内における分子実体の存在または通過を判定するためのソース及びドレイン電極を備えるＦＥＴナノポア装置であってもよい。ＦＥＴナノポア装置の使用、すなわち開孔全体にわたるＦＥＴ測定の使用、または開孔全体にわたるトンネル電流の測定の使用の利点は、測定信号が特定の開孔に対して非常に局所的であるため、共有トランスチャンバを備える装置を使用し得ることである。これは、上記のように、開孔ごとに別個のトランスチャンバ、例えば開孔を通るイオン流の測定のためのものを設ける必要なく、装置の構造を大きく簡略化する。結果として、非常に高密度の開孔のアレイ、例えば１０μｍよりも小さいピッチ及び１０^６開孔／ｃｍ^２の密度を有する開孔を備えるアレイを、好都合に設け得る。

検知方法、特にイオン電流の測定を伴うものは、例えば金属塩、例えばアルカリ金属塩、ハロゲン化物塩、例えばアルカリ金属塩化物塩等の塩化物塩を含む、さまざまな異なる電荷キャリアを含む検知溶液内で行われてもよい。電荷キャリアは、イオン液体または有機塩、例えば塩化テトラメチルアンモニウム、塩化トリメチルフェニルアンモニウム、塩化フェニルトリメチルアンモニウム、または１−エチル−３−メチルイミダゾリウムクロリドを含んでもよい。通常は、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化セシウム（ＣｓＣｌ）、またはフェロシアン化カリウムとフェリシアン化カリウムとの組み合わせが用いられる。ＫＣｌ、ＮａＣｌ、及びフェロシアン化カリウムとフェリシアン化カリウムとの組み合わせが好ましい。電荷キャリアは、膜全体にわたって非対称であってもよい。例えば、電荷キャリアのタイプ及び／または濃度は、膜の各側で異なってもよい。

塩濃度は、飽和状態であってもよい。塩濃度は、３Ｍ以下であってもよく、通常は０．１〜２．５Ｍである。高い塩濃度は、高い信号対雑音比を提供し、標準的な電流変動を背景として特定されるべきヌクレオチドの存在を示す電流を考慮している。

検知溶液は、緩衝剤を含んでもよい。任意の緩衝剤を用いてもよい。通常、緩衝剤は、燐酸緩衝剤である。検知溶液は、ｐＨを調節するための緩衝剤を含んでもよい。所望のｐＨのために好適な任意の緩衝剤を用いてもよい。特定のｐＨを維持することは、多様な理由で望ましい場合があり、安定したモータタンパク質及び生物学的ナノポア性能を維持すること、固体状態膜上で安定した表面電荷を維持すること、及びＤＮＡ等の目標検体上で安定した電荷（ひいては、安定した駆動力及び捕捉率）を維持することを含む。

開孔を形成するために用いられる第１及び第２のイオン溶液のいずれかまたは両方を、検知溶液としてさらに用いてもよい。第１及び第２のイオン溶液のいずれかまたは両方が、（例えば、塩からの）イオンを包含する生物学的流体、例えば血液または血漿を含んでもよい。

開孔のアレイを備える多孔構造体を形成することが可能である能力は、広範囲の可能な用途、例えば最初は非多孔状態で存在するが、誘電破壊によって原位置で活性化されて、それらを多孔質にし得る構造体の提供を可能にする。ナノポアは、脆弱であり、及び／または限られた寿命を有し得るため、誘電破壊によって原位置で細孔を生成することは、構造体が非多孔状態で保存され分布されたときに、はるかに長い貯蔵寿命を可能にする。非多孔構造体を用いて、例えば最初に種を収容してもよく、これは続いては誘電破壊によって作り出された多孔構造体を通して放出される。例示の使用は、フィルタ膜、薬剤分配及び印刷用途である。分配される種は、イオンまたは分子を含み得る。分子は、薬剤等の任意のものであってもよい。多孔膜は、電気化学フリットとして作用し得、開孔の形成は、槽間のイオン結合を提供する。多孔膜を原位置で形成するための能力は、種が必要とされるまで第１または第２の槽のいずれかの中に収容されることを可能にするか、または１つの槽内に設けられた種の、第２の槽内に存在する種と相互作用する能力を制限することが可能である。例えば、第１の槽は、Ａｇ／ＡｇＣｌ等の参照電極を収容し得、銀イオンの、第２の槽内に存在する生化学的試薬との相互作用を制限することが望ましい。

例えば、一実施形態では、物質が第１の槽３８から第２の槽４０に、及び／またはその反対に送達される方法及び機器が提供される。第１及び第２の槽３８、４０は、図１１または１２を参照して記載されたように、または他の方法で構成され得る。第１及び第２の槽３８、４０は、固体膜２によって互いから分離される。送達は、上述の実施形態のいずれか、または他の実施形態による方法または機器を用いて、固体膜２内に１つまたは複数の開孔を形成することによって、高度に制御可能に変更される。

例えば、一実施形態では、固体膜２を備えるフィルタのろ過特性が変更される方法及び機器が提供される。ろ過特性は、上述の実施形態のいずれか、または他の実施形態による方法または機器を用いて、固体膜２内に１つまたは複数の開孔を形成することによって、高度に制御可能に変更される。

例えば、一実施形態では、第１の反応種を第２の反応種と接触させる方法及び機器が提供される。これらの種をまとめることによって、該種の間で所望の反応を生じさせ得る。第１の反応種は、第１の槽３８内に設けられる。第２の反応種は、第２の槽４０内に設けられる。第１及び第２の槽３８、４０は、例えば図１１または１２を参照して記載されたように、または他の方法で構成され得る。第１及び第２の槽３８、４０は、固体膜２によって互いから分離される。反応種は、上述の実施形態のいずれか、または他の実施形態による方法または機器を用いて、固体膜２内に１つまたは複数の開孔を形成することによって、高度に制御可能にまとめられる。

請求項で定義された特徴は、ともに任意の組み合わせて用いられてもよい。

本発明は、以下の態様を含む。
[１]
誘電破壊を用いて固体膜に複数の開孔を形成する方法であって、前記膜が、前記膜の一方の側の第１の表面エリアと、前記膜の他方の側の第２の表面エリアとを備え、複数の標的領域の各々が、前記膜において、前記第１または第２の表面エリア内へと開口するくぼみまたは流体流路を備え、前記方法が、
前記膜の前記第１の表面エリアの全体を、イオン溶液を備える第１の槽と接触させ、前記第２の表面エリアの全体を、イオン溶液を備える第２の槽と接触させることと、
イオン溶液を備える前記第１及び第２の槽とそれぞれ接触している第１及び第２の電極を介して、前記膜全体に電圧を印加して、前記膜における複数の前記標的領域の各々に開孔を形成することと、を含む、方法。
[２]
前記標的領域の各々に、１つの開孔が形成される、[１]に記載の方法。
[３]
前記開孔の直径が、前記第１の槽を前記第２の槽から分離する、前記標的領域内の膜材料の最小厚さ以上になるまで、各標的領域内の前記開孔が成長される、[２]に記載の方法。
[４]
前記膜が、複数の層を備える、[１]〜[３]のいずれかに記載の方法。
[５]
前記くぼみまたは流体流路のうちの１つ以上の各々の境界部が、前記層のうちの２つの間の界面に位置する、[４]に記載の方法。
[６]
前記膜が、第１の層と第２の層とを備え、
前記くぼみまたは流体流路のうちの１つ以上の各々が、前記第２の層の表面によって境界部が形成されるように、前記第１の層の一部を、前記第１の層と前記第２の層との間の前記界面に至るまで除去することによって形成され、
前記第２の層が、原子層堆積によって形成される、[５]に記載の方法。
[７]
前記膜が、第１の層と第２の層とを備え、
前記複数の標的領域の各々での開孔の前記形成が、前記第２の層の少なくとも一部を貫通する誘電破壊によって生じる、[１]〜[６]のいずれかに記載の方法。
[８]
前記第２の層が、原子層堆積によって形成される、[７]に記載の方法。
[９]
前記第２の層が、複数の副層を備え、各副層が、原子層堆積によって形成される、[８]に記載の方法。
[１０]
前記複数の副層が、複数回繰り返す連続する副層を備え、各繰り返す連続する副層が、少なくとも第１の副層と、前記第１の副層に直接隣接する第２の副層とを備える、[９]に記載の方法。
[１１]
前記第１の副層が、前記第２の副層に対して非エピタキシャルである、[１０]に記載の方法。
[１２]
前記第１の副層が、ＨｆＯ _２ を含み、前記第２の副層が、Ａｌ _２ Ｏ _３ を含む、[１１]に記載の方法。
[１３]
前記繰り返す連続する副層の各副層が、４サイクル以下の原子層堆積を用いて形成される、[１０]〜[１２]のいずれかに記載の方法。
[１４]
前記第２の層が、前記繰り返す連続する副層の一方の側または両方の側の保護層とともに、形成され、
前記保護層が、各標的領域内に前記繰り返す連続する副層を備える自立膜を形成するために、各標的領域内の前記開孔の前記形成の前に除去され、
各標的領域内の前記開孔が、前記自立膜を貫通する誘電破壊によって形成される、[１０]〜[１３]のいずれかに記載の方法。
[１５]
前記保護層が、前記第２の層に隣接した前記第１の層の一部を除去するために用いられるエッチングプロセスに耐性がある、[１４]に記載の方法。
[１６]
前記保護層が、Ａｌ _２ Ｏ _３ を含む、[１４]または[１５]に記載の方法。
[１７]
前記開孔を形成する前に、前記第２の層をアニーリングすることをさらに含む、[８]〜[１６]のいずれかに記載の方法。
[１８]
前記標的領域のうちの１つ以上が、前記くぼみ内のあらゆる開孔の形成の前に、ある深さプロファイルを有するくぼみまたは流体流路を備え、前記深さプロファイルにおいて、前記深さが、前記くぼみまたは流体流路の開口の端から、前記くぼみまたは流体流路の中央領域に向かって次第に増大する、[１]〜[１７]のいずれかに記載の方法。
[１９]
前記標的領域のうちの１つ以上が、流体流路を備え、前記流体流路のうちの１つ以上が、１よりも大きいアスペクト比を有し、前記アスペクト比が、前記流体流路の長さと前記流体流路の平均幅との比として定義される、[１]〜[１８]のいずれかに記載の方法。
[２０]
前記標的領域のうちの１つ以上が、流体流路を備え、前記流体流路のうちの１つ以上の各々において、前記流体流路の流体電気抵抗の１０倍よりも小さい流体電気抵抗を有する開孔が形成される、[１]〜[１９]のいずれかに記載の方法。
[２１]
異なる流体電気抵抗を有する流体流路が、異なる標的領域内に設けられ、異なるサイズにされた対応する複数の開孔が、前記第１及び第２の電極を介して印加された前記電圧を介して、並行して成長される、[１]〜[２０]のいずれかに記載の方法。
[２２]
前記標的領域のうちの１つ以上が、平均深さの５倍よりも小さい平均幅を有するくぼみを備える、[１]〜[２１]のいずれかに記載の方法。
[２３]
誘電破壊を用いて固体膜に開孔を形成する方法であって、前記方法が、
前記膜全体に電圧を印加し、誘電破壊を用いて前記開孔を形成することを含み、
前記膜が、複数の副層を備え、
前記副層のうちの少なくとも２つが、互いに対して異なる組成を有し、
前記副層の各々が、原子層堆積によって形成される、方法。
[２４]
前記複数の副層が、複数回繰り返す連続する副層を備え、各繰り返す連続する副層が、少なくとも第１の副層と、前記第１の副層に直接隣接する第２の副層とを備える、[２３]に記載の方法。
[２５]
前記第１の副層が、前記第２の副層に対して非エピタキシャルである、[２４]に記載の方法。
[２６]
前記第１の副層が、ＨｆＯ _２ を含み、前記第２の副層が、Ａｌ _２ Ｏ _３ を含む、[２５]に記載の方法。
[２７]
前記繰り返す連続する副層の各副層が、４サイクル以下の原子層堆積を用いて形成される、[２４]〜[２６]のいずれかに記載の方法。
[２８]
前記繰り返す連続する副層が、前記繰り返す連続する副層の一方の側または両方の側の保護層とともに形成され、
前記保護層が、前記繰り返す連続する副層を備える自立膜を形成するために、前記開孔の前記形成の前に除去され、
前記開孔が、前記自立膜を貫通する誘電破壊によって形成される、[２４]〜[２７]のいずれかに記載の方法。
[２９]
前記保護層が、前記第２の層に隣接した前記第１の層の一部を除去するために用いられるエッチングプロセスに耐性がある、[２８]に記載の方法。
[３０]
前記保護層が、Ａｌ _２ Ｏ _３ を含む、[２９]に記載の方法。
[３１]
前記開孔を形成する前に、前記複数の副層をアニーリングすることをさらに含む、[２３]〜[３０]のいずれかに記載の方法。
[３２]
前記電圧の前記印加が、前記電圧によって前記開孔が成長されている時間中の大半の間、略一定の途切れのない電圧を印加することを含む、[１]〜[３１]のいずれかに記載の方法。
[３３]
前記電圧の前記印加が、
開孔形成を開始する第１の電圧を印加することと、
前記第１の電圧より低い第２の電圧を用いて、各形成された開孔を成長させることと、を含む、[１]〜[３２]のいずれかに記載の方法。
[３４]
前記第２の電圧が、開孔形成を開始するために要するよりも低い、[３３]に記載の方法。
[３５]
前記電圧の前記印加が、前記第２の電圧を用いて各形成された開孔を成長させる前記ステップの後に、前記第１の電圧以上である第３の電圧を用いて、各形成された開孔を成長させることをさらに含む、[３３]または[３４]に記載の方法。
[３６]
誘電破壊を用いて固体膜に複数の開孔を形成する方法であって、前記膜が、前記膜の一方の側の第１の表面エリアと、前記膜の他方の側の第２の表面エリアとを備え、
前記膜の前記第１の表面エリアを、イオン溶液を備える第１の槽と接触させ、前記第２の表面エリアを、イオン溶液を備える第２の槽と接触させることと、
イオン溶液を備える前記第１及び第２の槽とそれぞれ接触している第１及び第２の電極を介して、前記膜全体に電圧を印加して、前記膜に開孔を形成することとを備え、
前記膜と前記第１または第２の電極との間に、電流制限抵抗器が直列に設けられ、前記電流制限抵抗器が、前記開孔の形成後いつでも、前記開孔の電気抵抗の少なくとも１０％の高さの電気抵抗を有する、方法。
[３７]
前記電流制限抵抗器が、前記第１もしくは第２の槽内に設けられた流体抵抗器、前記第１及び第２の槽の外部に少なくとも部分的に設けられた外部抵抗器、またはこれらの両方を含む、[３６]に記載の方法。
[３８]
分子実体と開孔との間の相互作用に依存する測定を行うことによって前記分子実体を検知する方法であって、前記開孔が、[１]〜[３７]のいずれかに記載の方法によって形成される、方法。
[３９]
複数の開孔が、[１]〜[２２]のいずれかに記載の方法を用いて形成されているか、または１つ以上の開孔が、[２３]〜[３７]のいずれかに記載の方法を用いて形成されている膜を備える、機器。
[４０]
分子実体と前記開孔との間の相互作用に依存する測定を行うことによって、前記開孔の各々における前記分子実体を検知するように構成された測定システムをさらに含む、[３９]に記載の機器。
[４１]
第１の槽から第２の槽に物質を送出する方法であって、前記第１及び第２の槽が、最初は固体膜によって互いから分離され、前記方法が、[１]〜[２２]のいずれかに記載の方法を用いて、前記固体膜に複数の開孔を形成するか、または[２３]〜[３７]のいずれかに記載の方法を用いて、前記固体膜に１つ以上の開孔を形成し、それによって、前記第１の槽から前記第２の槽への前記物質の通過を可能にすることを含む、方法。
[４２]
固体膜を備えるフィルタのろ過特性を修正する方法であって、[１]〜[２２]のいずれかに記載の方法を用いて、前記固体膜に複数の開孔を形成することか、または[２３]〜[３７]のいずれかに記載の方法を用いて、前記固体膜に１つ以上の開孔を形成することを含む、方法。
[４３]
反応を生じさせるために、第１の反応種を第２の反応種と接触させる方法であって、第１の槽内に前記第１の反応種を設け、第２の槽内に前記第２の反応種を設けることであって、前記第１及び第２の槽が、固体膜によって互いから分離される、設けることと、[１]〜[２２]のいずれかに記載の方法を用いて、前記固体膜に複数の開孔を形成することか、または[２３]〜[３７]のいずれかに記載の方法を用いて、前記固体膜に１つ以上の開孔を形成することと、を含む、方法。
[４４]
誘電破壊を用いて固体膜に複数の開孔を形成する機器であって、
固体膜の一方の側の第１の表面エリアの全体と接触しているイオン溶液を保持するように構成された第１の槽と、
前記膜の他方の側の前記膜の第２の表面エリアの全体と接触しているイオン溶液を保持するように構成された第２の槽と、
前記第１の槽内の前記イオン溶液に接触するように構成された第１の電極と、前記第２の槽内の前記イオン溶液に接触するように構成された第２の電極とを備える電圧印加部と、を含み、
前記膜が、複数の標的領域を備え、各標的領域が、前記膜において、前記第１または第２の表面エリア内へと開口するくぼみまたは流体流路を備え、
前記標的領域が、前記第１及び第２の電極を介して印加された電圧が、前記標的領域の各々の中に１つの開孔の形成を生じさせることができるように構成される、機器。
[４５]
前記膜が、複数の層を備える、[４４]に記載の機器。
[４６]
前記くぼみまたは流体流路のうちの１つ以上の各々の境界部が、前記層のうちの２つの間の界面に位置する、[４５]に記載の機器。
[４７]
前記膜が、第１の層と第２の層とを備え、
前記くぼみまたは流体流路のうちの１つ以上の各々が、前記第２の層の表面によって前記境界部が形成されるように、前記第１の層の一部を、前記第１の層と前記第２の層との間の前記界面に至るまで除去することによって形成され、
前記第２の層が、原子層堆積によって形成される、[４６]に記載の機器。
[４８]
前記膜が、第１の層と第２の層とを備え、
前記複数の標的領域の各々での開孔の前記形成が、前記第２の層の少なくとも一部を貫通する誘電破壊によって生じる、[４４]〜[４７]のいずれかに記載の機器。
[４９]
前記第２の層が、原子層堆積によって形成される、[４８]に記載の機器。
[５０]
前記第２の層が、複数の副層を備え、各副層が、原子層堆積によって形成される、[４９]に記載の機器。
[５１]
前記複数の副層が、複数回繰り返す連続する副層を備え、各繰り返す連続する副層が、少なくとも第１の副層と、前記第１の副層に直接隣接する第２の副層とを備える、[５０]に記載の機器。
[５２]
前記第１の副層が、前記第２の副層に対して非エピタキシャルである、[５１]に記載の機器。
[５３]
前記第１の副層が、ＨｆＯ _２ を含み、前記第２の副層が、Ａｌ _２ Ｏ _３ を含む、[５２]に記載の機器。
[５４]
前記繰り返す連続する副層の各副層が、４サイクル以下の原子層堆積を用いて形成される、[５１]〜[５３]のいずれかに記載の機器。
[５５]
前記標的領域のうちの１つ以上が、前記くぼみ内での任意の開孔の形成の前に、前記くぼみまたは流体流路の開口の縁から、前記くぼみまたは流体流路の中央領域に向かって深さが次第に増大する深さプロファイルを有するくぼみまたは流体流路を備える、[４４]〜[５４]のいずれかに記載の機器。
[５６]
前記標的領域のうちの１つ以上が、流体流路を備え、前記流体流路のうちの１つ以上が、１よりも大きいアスペクト比を有し、前記アスペクト比が、前記流体流路の長さと前記流体流路の平均幅との比として定義される、[４４]〜[５５]のいずれかに記載の機器。
[５７]
前記標的領域のうちの１つ以上が、平均深さの５倍よりも小さい平均幅を有するくぼみを備える、[４４]〜[５６]のいずれかに記載の機器。
[５８]
誘電破壊を用いて固体膜に開孔を形成するための機器であって、
前記固体膜の各側と接触しているイオン溶液を保持するための槽システムと、
誘電破壊を用いて前記膜に前記開孔を形成するために、前記イオン溶液を介して前記膜全体に電圧を印加するための電圧印加部と、を含み、
前記膜が、複数の副層を備え、
前記副層のうちの少なくとも２つが、互いに対して異なる組成を有し、
前記副層の各々が、原子層堆積によって形成される、機器。
[５９]
前記複数の副層が、複数回繰り返す連続する副層を備え、各繰り返す連続する副層が、少なくとも第１の副層と、前記第１の副層に直接隣接する第２の副層とを備える、[５８]に記載の機器。
[６０]
前記第１の副層が、前記第２の副層に対して非エピタキシャルである、[５９]に記載の機器。
[６１]
前記第１の副層が、ＨｆＯ _２ を含み、前記第２の副層が、Ａｌ _２ Ｏ _３ を含む、[６０]に記載の機器。
[６２]
前記繰り返す連続する副層の各副層が、４サイクル以下の原子層堆積を用いて形成される、[５８]〜[６１]のいずれかに記載の機器。
[６３]
誘電破壊を用いて固体膜に開孔を形成するための機器であって、
固体膜の一方の側の第１の表面エリアの全体と接触しているイオン溶液を保持するように構成された第１の槽と、
前記膜の他方の側の前記膜の第２の表面エリアの全体と接触しているイオン溶液を保持するように構成された第２の槽と、
前記第１の槽内の前記イオン溶液に接触するように構成された第１の電極と、前記第２の槽内の前記イオン溶液に接触するように構成された第２の電極とを備える電圧印加部と、を含み、
前記膜と前記第１または第２の電極との間に、電流制限抵抗器が直列に設けられ、前記電流制限抵抗器が、前記開孔の形成後の任意の時点において、前記開孔の電気抵抗の少なくとも１０％に達する電気抵抗を有する、機器。
[６４]
前記電流制限抵抗器が、前記第１または第２の槽内に設けられた流体抵抗器と、前記第１及び第２の槽、または両方の外部に少なくとも部分的に設けられた外部抵抗器とを含む、[６３]に記載の機器。
[６５]
複数の開孔を備える固体膜であって、各開孔が、前記第１の槽を、前記開孔が形成された前記第２の槽から分離する膜材料の最小厚さ以上の直径を有する、固体膜。
[６６]
固体膜であって、
複数の標的領域であって、各標的領域が、前記膜にくぼみまたは流体流路を備える、標的領域と、
複数のナノスケールの開孔であって、各開孔が、前記標的領域のうちの異なる１つの中に位置し、前記標的領域の最小厚さ以上である直径を有する、開孔と、を備える、固体膜。
[６７]
異なる組成の複数の層を備え、前記くぼみまたは流体流路のうちの１つ以上の各々の境界部が、前記層のうちの２つの間の界面に位置する、[６６]に記載の固体膜。
[６８]
実質的に添付の図面を参照して先に記載されたように、及び／またはそれらに図示されるように、固体膜に複数の開孔を形成する方法、または固体膜に開孔を形成する方法。
[６９]
実質的に添付の図面を参照して先に記載されたように、及び／またはそれらに図示されるように動作するように構成され配置された、固体膜に複数の開孔を形成するための機器、固体膜に開孔を形成するための機器、または固体膜。

Claims (64)

1. 誘電破壊を用いて固体膜に複数の開孔を形成する方法であって、前記膜が、前記膜の一方の側の第１の表面エリアと、前記膜の他方の側の第２の表面エリアとを備え、複数の標的領域の各々が、前記膜において、前記第１または第２の表面エリア内へと開口するくぼみまたは流体流路を備え、前記方法が、
   前記膜の前記第１の表面エリアの全体を、イオン溶液を備える第１の槽と接触させ、前記第２の表面エリアの全体を、イオン溶液を備える第２の槽と接触させることと、
   イオン溶液を備える前記第１及び第２の槽とそれぞれ接触している第１及び第２の電極を介して、前記膜全体に電圧を印加して、前記膜における複数の前記標的領域の各々に開孔を形成することと、を含み、
   前記第１及び第２の電極が、電位差が標的領域の全体にわたって同時に印加されることを可能にする、方法。
2. 前記標的領域の各々に、１つの開孔が形成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記開孔の直径が、前記第１の槽を前記第２の槽から分離する、前記標的領域内の膜材料の最小厚さ以上になるまで、各標的領域内の前記開孔が成長される、請求項２に記載の方法。
4. 前記膜が、複数の層を備える、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記くぼみまたは流体流路のうちの１つ以上の各々の境界部が、前記層のうちの２つの間の界面に位置する、請求項４に記載の方法。
6. 前記膜が、第１の層と第２の層とを備え、
   前記くぼみまたは流体流路のうちの１つ以上の各々が、前記第２の層の表面によって境界部が形成されるように、前記第１の層の一部を、前記第１の層と前記第２の層との間の前記界面に至るまで除去することによって形成され、
   前記第２の層が、原子層堆積によって形成される、請求項５に記載の方法。
7. 前記膜が、第１の層と第２の層とを備え、
   前記複数の標的領域の各々での開孔の前記形成が、前記第２の層の少なくとも一部を貫通する誘電破壊によって生じる、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記第２の層が、原子層堆積によって形成される、請求項７に記載の方法。
9. 前記第２の層が、複数の副層を備え、各副層が、原子層堆積によって形成される、請求項８に記載の方法。
10. 前記複数の副層が、複数回繰り返す連続する副層を備え、各繰り返す連続する副層が、少なくとも第１の副層と、前記第１の副層に直接隣接する第２の副層とを備える、請求項９に記載の方法。
11. 前記第１の副層が、前記第２の副層に対して非エピタキシャルである、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１の副層が、ＨｆＯ_２を含み、前記第２の副層が、Ａｌ_２Ｏ_３を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記繰り返す連続する副層の各副層が、４サイクル以下の原子層堆積を用いて形成される、請求項１０〜１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記第２の層が、前記繰り返す連続する副層の一方の側または両方の側の保護層とともに、形成され、
    前記保護層が、各標的領域内に前記繰り返す連続する副層を備える自立膜を形成するために、各標的領域内の前記開孔の前記形成の前に除去され、
    各標的領域内の前記開孔が、前記自立膜を貫通する誘電破壊によって形成される、請求項１０〜１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記保護層が、前記第２の層に隣接した前記第１の層の一部を除去するために用いられるエッチングプロセスに耐性がある、請求項１４に記載の方法。
16. 前記保護層が、Ａｌ_２Ｏ_３を含む、請求項１４または１５に記載の方法。
17. 前記開孔を形成する前に、前記第２の層をアニーリングすることをさらに含む、請求項８〜１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記標的領域のうちの１つ以上が、前記くぼみ内のあらゆる開孔の形成の前に、ある深さプロファイルを有するくぼみまたは流体流路を備え、前記深さプロファイルにおいて、前記深さが、前記くぼみまたは流体流路の開口の端から、前記くぼみまたは流体流路の中央領域に向かって次第に増大する、請求項１〜１７のいずれかに記載の方法。
19. 前記標的領域のうちの１つ以上が、流体流路を備え、前記流体流路のうちの１つ以上が、１よりも大きいアスペクト比を有し、前記アスペクト比が、前記流体流路の長さと前記流体流路の平均幅との比として定義される、請求項１〜１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記標的領域のうちの１つ以上が、流体流路を備え、前記流体流路のうちの１つ以上の各々において、前記流体流路の流体電気抵抗の１０倍よりも小さい流体電気抵抗を有する開孔が形成される、請求項１〜１９のいずれかに記載の方法。
21. 異なる流体電気抵抗を有する流体流路が、異なる標的領域内に設けられ、異なるサイズにされた対応する複数の開孔が、前記第１及び第２の電極を介して印加された前記電圧を介して、並行して成長される、請求項１〜２０のいずれかに記載の方法。
22. 前記標的領域のうちの１つ以上が、平均深さの５倍よりも小さい平均幅を有するくぼみを備える、請求項１〜２１のいずれかに記載の方法。
23. 誘電破壊を用いて固体膜に開孔を形成する方法であって、前記方法が、
    前記膜全体に電圧を印加し、誘電破壊を用いて前記開孔を形成することを含み、
    前記膜が、複数の副層を備え、
    前記副層のうちの少なくとも２つが、互いに対して異なる組成を有し、
    前記副層の各々が、原子層堆積によって形成される、方法。
24. 前記複数の副層が、複数回繰り返す連続する副層を備え、各繰り返す連続する副層が、少なくとも第１の副層と、前記第１の副層に直接隣接する第２の副層とを備える、請求項２３に記載の方法。
25. 前記第１の副層が、前記第２の副層に対して非エピタキシャルである、請求項２４に記載の方法。
26. 前記第１の副層が、ＨｆＯ_２を含み、前記第２の副層が、Ａｌ_２Ｏ_３を含む、請求項２５に記載の方法。
27. 前記繰り返す連続する副層の各副層が、４サイクル以下の原子層堆積を用いて形成される、請求項２４〜２６のいずれかに記載の方法。
28. 前記繰り返す連続する副層が、前記繰り返す連続する副層の一方の側または両方の側の保護層とともに形成され、
    前記保護層が、前記繰り返す連続する副層を備える自立膜を形成するために、前記開孔の前記形成の前に除去され、
    前記開孔が、前記自立膜を貫通する誘電破壊によって形成される、請求項２４〜２７のいずれかに記載の方法。
29. 前記保護層が、前記第２の層に隣接した前記第１の層の一部を除去するために用いられるエッチングプロセスに耐性がある、請求項２８に記載の方法。
30. 前記保護層が、Ａｌ_２Ｏ_３を含む、請求項２９に記載の方法。
31. 前記開孔を形成する前に、前記複数の副層をアニーリングすることをさらに含む、請求項２３〜３０のいずれかに記載の方法。
32. 前記電圧の前記印加が、前記電圧によって前記開孔が成長されている時間中の大半の間、略一定の途切れのない電圧を印加することを含む、請求項１〜３１のいずれかに記載の方法。
33. 前記電圧の前記印加が、
    開孔形成を開始する第１の電圧を印加することと、
    前記第１の電圧より低い第２の電圧を用いて、各形成された開孔を成長させることと、
    を含む、請求項１〜３２のいずれかに記載の方法。
34. 前記第２の電圧が、開孔形成を開始するために要するよりも低い、請求項３３に記載の方法。
35. 前記電圧の前記印加が、前記第２の電圧を用いて各形成された開孔を成長させる前記ステップの後に、前記第１の電圧以上である第３の電圧を用いて、各形成された開孔を成長させることをさらに含む、請求項３３または３４に記載の方法。
36. 誘電破壊を用いて固体膜に開孔を形成する方法であって、前記膜が、前記膜の一方の側の第１の表面エリアと、前記膜の他方の側の第２の表面エリアとを備え、
    前記膜の前記第１の表面エリアを、イオン溶液を備える第１の槽と接触させ、前記第２の表面エリアを、イオン溶液を備える第２の槽と接触させることと、
    イオン溶液を備える前記第１及び第２の槽とそれぞれ接触している第１及び第２の電極を介して、前記膜全体に電圧を印加して、前記膜に開孔を形成することとを備え、
    前記膜と前記第１または第２の電極との間に、電流制限抵抗器が直列に設けられ、前記電流制限抵抗器が、前記開孔の形成後の任意の時点において、前記開孔の電気抵抗の少なくとも１０％に達する電気抵抗を有する、方法。
37. 前記電流制限抵抗器が、前記第１もしくは第２の槽内に設けられた流体抵抗器、前記第１及び第２の槽の外部に少なくとも部分的に設けられた外部抵抗器、またはこれらの両方を含む、請求項３６に記載の方法。
38. 分子実体と開孔との間の相互作用に依存する測定を行うことによって前記分子実体を検知する方法であって、前記開孔が、請求項１〜３７のいずれかに記載の方法によって形成され、前記分子実体がアミノ酸、ペプチド、ポリペプチド、タンパク質またはポリヌクレオチドを含む、方法。
39. 複数の開孔が、請求項１〜２２のいずれかに記載の方法を用いて形成されているか、または１つ以上の開孔が、請求項２３〜３７のいずれかに記載の方法を用いて形成されている膜を備える、機器。
40. 分子実体と前記開孔との間の相互作用に依存する測定を行うことによって、前記開孔の各々における前記分子実体を検知するように構成された測定システムをさらに含み、前記分子実体がアミノ酸、ペプチド、ポリペプチド、タンパク質またはポリヌクレオチドを含む、請求項３９に記載の機器。
41. 第１の槽から第２の槽に物質を送出する方法であって、前記第１及び第２の槽が、最初は固体膜によって互いから分離され、前記方法が、請求項１〜２２のいずれかに記載の方法を用いて、前記固体膜に複数の開孔を形成するか、または請求項２３〜３７のいずれかに記載の方法を用いて、前記固体膜に１つ以上の開孔を形成し、それによって、前記第１の槽から前記第２の槽への前記物質の通過を可能にすることを含む、方法。
42. 固体膜を備えるフィルタのろ過特性を修正する方法であって、請求項１〜２２のいずれかに記載の方法を用いて、前記固体膜に複数の開孔を形成することか、または請求項２３〜３７のいずれかに記載の方法を用いて、前記固体膜に１つ以上の開孔を形成することを含む、方法。
43. 反応を生じさせるために、第１の反応種を第２の反応種と接触させる方法であって、第１の槽内に前記第１の反応種を設け、第２の槽内に前記第２の反応種を設けることであって、前記第１及び第２の槽が、固体膜によって互いから分離される、設けることと、請求項１〜２２のいずれかに記載の方法を用いて、前記固体膜に複数の開孔を形成することか、または請求項２３〜３７のいずれかに記載の方法を用いて、前記固体膜に１つ以上の開孔を形成することと、を含む、方法。
44. 誘電破壊を用いて固体膜に複数の開孔を形成する機器であって、
    固体膜の一方の側の第１の表面エリアの全体と接触しているイオン溶液を保持するように構成された第１の槽と、
    前記膜の他方の側の前記膜の第２の表面エリアの全体と接触しているイオン溶液を保持するように構成された第２の槽と、
    前記第１の槽内の前記イオン溶液に接触するように構成された第１の電極と、前記第２の槽内の前記イオン溶液に接触するように構成された第２の電極とを備える電圧印加部と、を含み、
    前記膜が、複数の標的領域を備え、各標的領域が、前記膜において、前記第１または第２の表面エリア内へと開口するくぼみまたは流体流路を備え、
    前記標的領域が、前記第１及び第２の電極を介して印加された電圧が、前記標的領域の各々の中に１つの開孔の形成を生じさせることができるように構成され、
    前記第１及び第２の電極が、電位差が標的領域の全体にわたって同時に印加されることを可能にするように構成される、機器。
45. 前記膜が、複数の層を備える、請求項４４に記載の機器。
46. 前記くぼみまたは流体流路のうちの１つ以上の各々の境界部が、前記層のうちの２つの間の界面に位置する、請求項４５に記載の機器。
47. 前記膜が、第１の層と第２の層とを備え、
    前記くぼみまたは流体流路のうちの１つ以上の各々が、前記第２の層の表面によって前記境界部が形成されるように、前記第１の層の一部を、前記第１の層と前記第２の層との間の前記界面に至るまで除去することによって形成され、
    前記第２の層が、原子層堆積によって形成される、請求項４６に記載の機器。
48. 前記膜が、第１の層と第２の層とを備え、
    前記複数の標的領域の各々での開孔の前記形成が、前記第２の層の少なくとも一部を貫通する誘電破壊によって生じる、請求項４４〜４７のいずれかに記載の機器。
49. 前記第２の層が、原子層堆積によって形成される、請求項４８に記載の機器。
50. 前記第２の層が、複数の副層を備え、各副層が、原子層堆積によって形成される、請求項４９に記載の機器。
51. 前記複数の副層が、複数回繰り返す連続する副層を備え、各繰り返す連続する副層が、少なくとも第１の副層と、前記第１の副層に直接隣接する第２の副層とを備える、請求項５０に記載の機器。
52. 前記第１の副層が、前記第２の副層に対して非エピタキシャルである、請求項５１に記載の機器。
53. 前記第１の副層が、ＨｆＯ_２を含み、前記第２の副層が、Ａｌ_２Ｏ_３を含む、請求項５２に記載の機器。
54. 前記繰り返す連続する副層の各副層が、４サイクル以下の原子層堆積を用いて形成される、請求項５１〜５３のいずれかに記載の機器。
55. 前記標的領域のうちの１つ以上が、前記くぼみ内での任意の開孔の形成の前に、前記くぼみまたは流体流路の開口の縁から、前記くぼみまたは流体流路の中央領域に向かって深さが次第に増大する深さプロファイルを有するくぼみまたは流体流路を備える、請求項４４〜５４のいずれかに記載の機器。
56. 前記標的領域のうちの１つ以上が、流体流路を備え、前記流体流路のうちの１つ以上が、１よりも大きいアスペクト比を有し、前記アスペクト比が、前記流体流路の長さと前記流体流路の平均幅との比として定義される、請求項４４〜５５のいずれかに記載の機器。
57. 前記標的領域のうちの１つ以上が、平均深さの５倍よりも小さい平均幅を有するくぼみを備える、請求項４４〜５６のいずれかに記載の機器。
58. 誘電破壊を用いて固体膜に開孔を形成するための機器であって、
    前記固体膜の各側と接触しているイオン溶液を保持するための槽システムと、
    誘電破壊を用いて前記膜に前記開孔を形成するために、前記イオン溶液を介して前記膜全体に電圧を印加するための電圧印加部と、を含み、
    前記膜が、複数の副層を備え、
    前記副層のうちの少なくとも２つが、互いに対して異なる組成を有し、
    前記副層の各々が、原子層堆積によって形成される、機器。
59. 前記複数の副層が、複数回繰り返す連続する副層を備え、各繰り返す連続する副層が、少なくとも第１の副層と、前記第１の副層に直接隣接する第２の副層とを備える、請求項５８に記載の機器。
60. 前記第１の副層が、前記第２の副層に対して非エピタキシャルである、請求項５９に記載の機器。
61. 前記第１の副層が、ＨｆＯ_２を含み、前記第２の副層が、Ａｌ_２Ｏ_３を含む、請求項６０に記載の機器。
62. 前記繰り返す連続する副層の各副層が、４サイクル以下の原子層堆積を用いて形成される、請求項５８〜６１のいずれかに記載の機器。
63. 誘電破壊を用いて固体膜に開孔を形成するための機器であって、
    固体膜の一方の側の第１の表面エリアと接触しているイオン溶液を保持する第１の槽と、
    前記膜の他方の側の第２の表面エリアと接触しているイオン溶液を保持する第２の槽と、
    前記第１の槽内の前記イオン溶液に接触するように構成された第１の電極と、前記第２の槽内の前記イオン溶液に接触するように構成された第２の電極とを備える電圧印加部と、を含み、
    前記膜と前記第１または第２の電極との間に、電流制限抵抗器が直列に設けられ、前記電流制限抵抗器が、前記開孔の形成後の任意の時点において、前記開孔の電気抵抗の少なくとも１０％に達する電気抵抗を有する、機器。
64. 前記電流制限抵抗器が、前記第１または第２の槽内に設けられた流体抵抗器と、前記第１及び第２の槽、または両方の外部に少なくとも部分的に設けられた外部抵抗器とを含む、請求項６３に記載の機器。
    

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