JP7190558B2 - ナノポアを形成する方法およびその結果生じる構造 - Google Patents

Description

［０００１］本明細書に開示される態様は、基板内に十分に制御された固体ナノポアおよび十分に制御された固体ナノポアのアレイを製造する方法に関する。

［０００２］ナノポアは、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）やリボ核酸（ＲＮＡ）の配列決定などのアプリケーションに広く使用されている。一例では、ナノポア配列決定は、電気的検出法を使用して実行され、これは、一般に、未知のサンプルをナノポアを通して輸送し、サンプルを導電性流体に浸漬し、ナノポアの両端に電位を印加することを含む。ナノポアを通るイオンの伝導から生じる電流が測定される。ナノポア表面を横切る電流密度の大きさは、ナノポアの寸法と、その時点でナノポアを占有しているＤＮＡやＲＮＡなどのサンプルの組成に依存する。異なるヌクレオチドは、ナノポア表面を横切る電流密度に特徴的な変化を引き起こす。これらの電流変化が測定され、ＤＮＡまたはＲＮＡサンプルの配列決定に使用される。

［０００３］生物学的および高分子の配列決定には、様々な方法が使用されてきた。合成による配列決定、すなわち第２世代の配列決定は、どの塩基がＤＮＡの一本鎖に結合しているかを特定するために使用される。ＤＮＡ鎖全体を単一の細孔に通すことを一般に含む第３世代の配列決定は、ＤＮＡを直接読み取るために使用される。いくつかの配列決定方法では、ＤＮＡまたはＲＮＡサンプルを分割してから再組み立てする必要がある。さらに、いくつかの配列決定方法では、生体膜と生体孔を使用し、これらは貯蔵寿命があり、使用する前に低温に保つ必要がある。

［０００４］ケイ素含有材料などの独立した膜上に形成されたナノメートルサイズの細孔である固体ナノポアが、最近、配列決定に使用されている。しかしながら、トンネル電子顕微鏡、集束イオンビーム、または電子ビームを使用するなどの現在の固体ナノポア製造方法は、ナノポアのアレイを製造するために必要なサイズおよび位置制御要件を容易かつ安価に達成することができない。さらに、現在のナノポア製造方法は、時間がかかり、他のナノポアに近接してナノポアを製造することが困難な場合がある。

［０００５］したがって、互いに近接して配置された、十分に制御された固体ナノポアを製造する改善された方法が、当技術分野では必要とされている。

［０００６］一態様では、複数のナノポアを形成する方法は、基板上に第１の層を堆積することと、第１の層および基板に複数のウェルおよび１つ以上のチャネルを形成することと、を含む。複数のウェルのそれぞれが、チャネルに隣接している。この方法は、露出された側壁の一部を横方向にエッチングして、複数のウェルを隣接するチャネルに接続することと、複数のウェルのそれぞれを隣接するチャネルに接続するナノポアを形成することと、をさらに含む。

［０００７］別の態様では、複数のナノポアを形成する方法は、基板上に第１の層を堆積することと、第１の層および基板に第１のウェル、第２のウェル、およびチャネルを形成することと、を含む。チャネルは、第１のウェルおよび第２のウェルに隣接して配置される。この方法は、第１のウェルの側壁の第１の部分および第２のウェルの側壁の第２の部分を露出させることを、さらに含む。第１のウェルの露出された側壁の第１の部分および第２のウェルの露出された側壁の第２の部分は、チャネルに隣接している。第１のウェルおよびチャネルから延びる第１のトンネルが、第１の層の下に形成される。第２のウェルおよびチャネルから延びる第２のトンネルが、第１の層の下に形成される。第１のトンネルをチャネルに接続する第１のナノポアが形成され、第２のトンネルをチャネルに接続する第２のナノポアが形成される。

［０００８］さらに別の態様では、デバイスは、基板内に配置された第１のウェル、基板内に配置された第２のウェル、ならびに第１のウェルおよび第２のウェルに隣接して基板内に配置されたチャネルを含む。基板は、第１のウェルおよびチャネルに結合された第１のナノポアと、第２のウェルおよびチャネルに結合された第２のナノポアとを、さらに含む。第２のナノポアは、第１のナノポアから１μｍ未満で配置される。

［０００９］本開示の上記の特徴を詳細に理解することができるように、上記で簡単に要約した本開示のより具体的な説明が、諸態様を参照することによって得られ、そのいくつかは、添付の図面に示されている。しかしながら、添付の図面は、例示的な態様のみを例示し、したがって、その範囲を限定すると見なされるべきではなく、他の同等に有効な態様を認めることができることに留意されたい。

本開示による複数のナノポアを形成するための方法のプロセスフローである。 本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップの断面図を示している。 本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップの上面図を示している。 本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップの断面図を示している。 本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップの上面図を示している。 本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップの断面図を示している。 本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップの上面図を示している。 本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップの断面図を示している。 本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップの上面図を示している。 本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップの断面図を示している。 本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップの上面図を示している。 本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップの断面図を示している。 本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップの上面図を示している。 本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップの断面図を示している。 本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップの上面図を示している。 様々な実施形態による、様々なナノポア設計またはレイアウトを有するチップの様々な実施形態を示している。 様々な実施形態による、様々なナノポア設計またはレイアウトを有するチップの様々な実施形態を示している。 様々な実施形態による、様々なナノポア設計またはレイアウトを有するチップの様々な実施形態を示している。 様々な実施形態による、様々なナノポア設計またはレイアウトを有するチップの様々な実施形態を示している。 様々な実施形態による、様々なナノポア設計またはレイアウトを有するチップの様々な実施形態を示している。 様々な実施形態による、様々なナノポア設計またはレイアウトを有するチップの様々な実施形態を示している。

［００１３］理解を容易にするために、可能な場合には、同一の参照番号を使用して、図に共通する同一の要素を指定している。ある態様の要素および特徴は、さらに詳説することなく、他の態様に有益に組み込まれ得ることが企図されている。

［００１４］近接した十分に制御された固体ナノポアおよびそのアレイを製造するための方法が提供される。一実施形態では、複数のウェルおよび１つ以上のチャネルが、基板内に形成される。ウェルのそれぞれが、チャネルに隣接している。各ウェルの側壁の一部が露出され、露出された側壁の一部は、隣接するチャネルに近接している。各ウェルの露出された側壁の一部が、隣接するチャネルに向かって横方向にエッチングされる。次に、各ウェルを隣接するチャネルに接続するナノポアが形成される。各ナノポアは、隣接するナノポアから１μｍ未満の距離をあけて配置できる。

［００１５］本明細書に開示される方法は、例として、半導体チップ上での固体ナノポアの形成に言及している。開示された方法は、固体および生物学的材料を含む様々な材料上に他のマイクロ流体デバイスおよび細孔状構造を形成するのに有用であることも企図される。本明細書に開示される方法はまた、例としてピラミッド形状のトンネルの形成にも言及している。 しかしながら、他のエッチングされたフィーチャおよびそれらの任意の組み合わせもまた企図される。例示のために、ケイ素基板について説明する。しかしながら、任意の適切な基板材料およびガラスなどの誘電体材料もまた企図される。

［００１６］図１は、本開示による複数のナノポアを形成するための方法１００のプロセスフローである。図２Ａ～図２Ｎは、方法１００の様々な段階などにおける、本明細書に開示された方法に従って複数のナノポアが形成されるチップ２００の上面図および断面図を示す。図２Ａ～図２Ｎは特定の順序で示されているが、図２Ａ～図２Ｎに示されている方法１００の様々な段階は任意の適切な順序で実行できることも企図されている。方法１００のより明確な理解を容易にするために、図１の方法１００は、図２Ａ～図２Ｎにおけるチップ２００の様々な図を使用して説明および実証される。方法１００は、図２Ａ～図２Ｎを使用して説明されているが、図２Ａ～図２Ｎに示されていない他の工程が含まれてもよい。

［００１７］方法１００の前に、基板２０２が提供される。基板２０２は、一般に、ドープされたまたはドープされていないケイ素（Ｓｉ）基板などの、任意の適切な半導体基板である。基板２０２は、２００μｍから２０００μｍの間の厚さを有し得る。一実施形態では、基板２０２は、＜１００＞面を含む結晶構造を有するＳｉである。工程１１０では、図２Ａの断面図に示されるように、第１の層２０４が、基板２０２上に堆積される。第１の層２０４は、ハードマスクとして機能することができる。少なくとも１つの実施態様では、第１の層２０４は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの、水酸化カリウム（ＫＯＨ）耐性エッチングバリアである。第１の層２０４は、約１ｎｍから約１００ｎｍの間の厚さを有し得る。一実施形態では、第１の層２０４は、約５０ｎｍの厚さを有する。第１の層２０４は、一般に、原子層堆積（ＡＬＤ）、物理気相堆積（ＰＶＤ）、または化学気相堆積（ＣＶＤ）を含むがこれらに限定されない任意の適切な堆積方法によって堆積される。

［００１８］工程１２０において、図２Ｂ～図２Ｃに示されるように、複数のウェル２０６Ａ～２０６Ｂおよび１つ以上のチャネル２０８が形成される。図２Ｂは、チップ２００の上面図であり、図２Ｃは、図２Ｂで２Ｃとラベル付けされた線を通る断面である。複数のウェル２０６Ａ～２０６Ｂのそれぞれが、１つ以上のチャネルのうちのチャネル２０８に隣接して配置されている。少なくとも１つの実施態様では、偶数のウェルが、チップ２００上に形成される。２つのウェル２０６Ａ～２０６Ｂおよび１つのチャネル２０８のみが示されているが、以下の図３Ａ～図３Ｂに示され、説明されるように、任意の数のウェルおよびチャネルを利用することができる。少なくとも２つのウェル２０６Ａ～２０６Ｂ、すなわち偶数のウェルを形成することにより、ウェル（および後で、ウェルに結合されたナノポア）を対で利用することが可能になる。

［００１９］工程１２０においてウェル２０６Ａ～２０６Ｂおよびチャネル２０８を形成するために、第１のフォトレジスト層２１０が、第１の層２０４上に堆積される。次に、パターニングプロセスを実行して、ウェル２０６Ａ～２０６Ｂおよびチャネル２０８を形成する。一般に、パターニングプロセスは、第１のフォトレジスト層２１０をリソグラフィまたはパターニングすること、ならびに、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、第１の層２０４および基板２０２をエッチングすることを含む。エッチングは、方向性エッチングであり得る。次に、第１のフォトレジスト層２１０が除去される。

［００２０］ウェル２０６Ａ～２０６Ｂおよびチャネル２０８は、１０ｎｍから２μｍの間の深さ２１３までエッチングされ得る。一実施形態では、ウェル２０６Ａ～２０６Ｂおよびチャネル２０８は、約２５０ｎｍの深さ２１３を有するようにエッチングされる。ウェル２０６Ａ～２０６Ｂは、チャネル２０８から２０ｎｍから５００ｎｍの間の距離２１２をあけて配置することができる。チャネル２０８は、約１ｎｍから２００ｎｍの幅２１４を有し得る。一実施形態では、チャネル２０８は、１００ｎｍ未満の幅２１４を有し得る。したがって、第１のウェル２０６Ａは、第２のウェル２０６Ｂから１０００ｎｍ未満の距離をあけて配置することができる。

［００２１］工程１３０において、第１の層２０４に対して適切な程度のエッチング選択性を示す材料などの第２の層２１６、例えば酸化物層が、図２Ｄ～図２Ｅに示されるように、第１の層２０４、複数のウェル２０６Ａ～２０６Ｂ、およびチャネル２０８上に堆積または成長し、チップ２００の各露出面をコーティングする。図２Ｄは、チップ２００の上面図であり、図２Ｅは、図２Ｄで２Ｅとラベル付けされた線を通る断面である。第２の層２１６は、チップ２００の各露出面上に共形層で堆積される。第２の層２１６は、１ｎｍから１００ｎｍの間の厚さを有し得る。一態様では、第２の層２１６は、５ｎｍから１０ｎｍの間の厚さを有する。一実施形態では、第１の層２０４が、例えば第１の層２０４を酸素または水（Ｈ_２Ｏ）に曝露することによって、酸化されて、第２の層２１６を形成する。別の実施形態では、第２の層２１６は、ＡＬＤを使用して堆積される。さらに別の実施形態では、第２の層２１６は、例えば、ＡＬＤ、ＣＶＤ、またはＰＶＤによって、金属または半導体層を堆積し、次に金属または半導体層を酸化して、第２の層２１６を形成することによって、形成される。

［００２２］第２の層２１６は、ＫＯＨエッチング耐性層であり得る。少なくとも１つの実施態様では、第２の層２１６は、ＳｉＮを含む。第２の層２１６は、耐塩基性であり得る。第２の層２１６は、ＳｉＯ_２に比べて低いエッチング速度を有する任意の適切な誘電体材料を、一般に含む。第２の層２１６に適した材料の例には、これらに限定されないが、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、およびＴｉＯ_２がさらに含まれる。ＳｉＮのエッチング速度と比較した第２の層２１６のエッチング速度は、一般に、約１０：１よりも大きく、例えば、約１００：１、例えば、約１，０００：１である。

［００２３］工程１４０において、図２Ｆ～図２Ｇに示されるように、ウェル２０６Ａ～２０６Ｂのそれぞれの側壁２２２の一部が露出される。図２Ｆは、チップ２００の上面図であり、図２Ｇは、図２Ｆで２Ｇとラベル付けされた線を通る断面である。露出された側壁２２２の一部は、チャネル２０８に隣接しており、基板２０２の一部である。一実施形態では、チャネル２０８の側壁の１つ以上の部分が露出される。このような実施形態では、第１のウェル２０６Ａに隣接するチャネル２０８の側壁の第１の部分が露出され、第２のウェル２０６Ｂに隣接するチャネル２０８の側壁の第２の部分が露出される。チャネル２０８の側壁の第１の部分および側壁の第２の部分は、互いの真向かいに配置することができる。チャネル２０８の側壁の第１の部分および側壁の第２の部分は、互いに隣接して配置することができる。

［００２４］側壁２２２の一部を露出させるために、第２のパターニングプロセスが実行される。第２のパターニングプロセスでは、平坦化層２１８が堆積されて、改善されたフォトリソグラフィプロセスのための平坦な表面を提供する。次に、第２のフォトレジスト層２２０が、平坦化層２１８上に堆積される。マスクが、露出されるべき側壁２２２の一部と位置合わせされ得る。第２のパターニングプロセスは、第２のフォトレジスト層２２０および平坦化層２１８をリソグラフィまたはパターニングすることを含む。第２のパターニングプロセスは、例えばＲＩＥまたはウェットエッチングプロセスにより、第２のフォトレジスト層２２０および平坦化層２１８をエッチングして、ウェル２０６Ａ～２０６Ｂの側壁２２２の一部を露出させることを、さらに含む。

［００２５］工程１５０において、第２の層２１６は、図２Ｈ～図２Ｉに示されるように、ウェル２０６Ａ～２０６Ｂの露出された側壁２２２の一部から選択的にエッチングされる。図２Ｈは、チップ２００の上面図であり、図２Ｉは、図２Ｈで２Ｉとラベル付けされた線を通る断面である。チャネル２０８の側壁の一部が工程１４０で露出される実施形態では、第２の層２１６は、チャネル２０８の露出された側壁の一部から選択的にエッチングされる。

［００２６］露出された側壁２２２の一部から第２の層２１６を除去するために、一実施形態では、ウェットエッチャントが利用される。例えば、酸化物はフッ化物エッチングに対して選択的であるので、希フッ化水素酸（ＤＨＦ）などのフッ化物系のエッチャントが使用され得る。別の実施形態では、等方性ドライエッチャントが利用されて、露出された側壁２２２の一部から第２の層２１６を除去する。例えば、ドライエッチャントは、フッ素含有蒸気またはプラズマを含み得る。一例では、フッ素含有蒸気またはプラズマは、フッ素イオンおよび／またはフッ素ラジカルを含む。選択的エッチングは、第１の層２０４をそのままにしながら、第２の層２１６を除去することができる。図２Ｉに示されるように、ウェル２０６Ａ～２０６Ｂの側面上に第２の層２１６を保持しながら、第２の層２１６は、露出された側壁２２２の一部から選択的に除去され得る。次に、第２のフォトレジスト層２２０および平坦化層２１８を除去することができる。第２のフォトレジスト層２２０および平坦化層２１８を除去することにより、チップ２００は、ウェル２０６Ａ～２０６Ｂの側壁の露出されていない部分上に耐塩基性の第２の層２１６を有し、露出された側壁２２２の一部上に、露出されたケイ素結晶表面を有する。

［００２７］工程１６０において、露出された側壁２２２の一部が、チャネル２０８に向かって横方向にエッチングされる。横方向エッチャントは、図２Ｊおよび図２Ｋに示すように、塩基性液体化学作用を含むことができ、例えば、ＫＯＨ浸漬であり、またはテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）への曝露による。図２Ｊは、チップ２００の上面図であり、図２Ｋは、図２Ｊで２Ｋとラベル付けされた線を通る断面である。一実施形態では、横方向エッチャントは、異方性エッチングを含む。他の実施形態では、横方向エッチャントは、等方性エッチングを含む。チャネル２０８の側壁の一部が工程１４０で露出される実施形態では、チャネル２０８の露出された側壁の一部は、ウェル２０６Ａ～２０６Ｂに向かって横方向にエッチングされる。

［００２８］横方向エッチングは、基板２０２の平坦な上面と平行に基板２０２をエッチングすることを含む。横方向エッチングは、異方性エッチングであり得る。露出された側壁２２２の一部をチャネル２０８に向かって横方向にエッチングすることにより、トンネル２２４すなわち第１の層２０４の下の基板２０２を通る経路が形成される。トンネル２２４は、ピラミッド形状または錐台形状であり、第１の層２０４の平坦な上面と平行である。トンネル２２４のサイズは、露出された側壁２２２の一部のサイズに応じて異なり得る。トンネル２２４は、第２の層２１６の薄膜のみがトンネル２２４とチャネル２０８との間に残るまでエッチングされ得る。

［００２９］横方向エッチングは、結晶ファセットまたは結晶構造の格子に沿って基板２０２をエッチングするために、所定の時間実行され得る。所定の時間は、一般に、マスク開口部に対する横方向エッチングを低減または排除するように決定される。一般に、Ｓｉ基板２０２の＜１００＞面は、溶液の温度およびＨ_２Ｏ中のＫＯＨの濃度に対応する速度でエッチングされる。ほとんどのシナリオでは、ＫＯＨは、Ｓｉの＜１００＞面を約０．４ｎｍ／ｓから約２０ｎｍ／ｓの間の速度でエッチングする。溶液を冷却または加熱することにより、速度を加速または遅延させることができる。露出された側壁２２２の一部は、摂氏０度～１００度の温度で０．５分間～５分間エッチャントに曝露され得る。一実施形態では、３０重量％のＫＯＨ水溶液が、約４０度に加熱され、約１分間適用される。

［００３０］工程１７０において、図２Ｌ～図２Ｎに示されるように、トンネル２２４をチャネル２０８に接続するために、複数のナノポア２２６Ａ～２２６Ｂが形成される。図２Ｌは、チップ２００の上面図であり、図２Ｍは、図２Ｌで２Ｍとラベル付けされた線を通る断面である。図２Ｎは、ウェル２０６Ａ～２０６Ｂがチャネル２０８の同じ側に配置され、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂが実質的に平行または同軸に整列されているチップ２６０の実施形態を示している。図２Ｎのチップ２６０は、図２Ａ～図２Ｍに関して説明した方法１００に従って形成することができる。

［００３１］ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂは、電圧を印加して、トンネル２２４とチャネル２０８との間に残っている第２の層２１６の薄膜の絶縁破壊を誘発することによって形成され、その結果、十分に制御され、局在化された、堅牢なナノポアを形成することができる。ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂは、ピラミッド形状または錐台形状のトンネル２２４の先端に形成される。電圧を印加するために、任意選択で、１つ以上の電極２４０をチップ２００上に形成することができる。１つ以上の電極２４０は、第２の層２１６上、ウェル２０６Ａ～２０６Ｂ内、およびチャネル２０８内に配置され得る。次に、１つ以上の電極２４０は、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂの形成の後に除去され得る。別の実施形態では、チップ２００は、電圧を印加するように構成された電極を含む。ガラススライド２２８が、第２の層２１６上に堆積され、第２の層２１６に結合されてもよい。

［００３２］印加電圧は、一般に、例えば、第２の層２１６の一部を劣化させることによって、第２の層２１６の少なくとも一部を除去して、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂを形成する。印加電圧は、一般に、第２の層２１６の絶縁破壊電圧より高い典型的な電圧を含む。例えば、酸化ケイ素の絶縁破壊電圧は、一般に、約２メガボルト（ＭＶ）／ｃｍから約６ＭＶ／ｃｍの間、すなわち約２００から６００ミリボルト（ｍＶ）／ｎｍ（材料）の間である。一態様では、印加電圧は、第２の層２１６の絶縁破壊電圧よりわずかに低く、電流は、残っている膜をゆっくりと破壊するために、より長く印加される。別の態様では、印加電圧は、基板材料が吹き飛ばされてナノポア２２６Ａ～２２６Ｂが形成されるように、基板材料の絶縁破壊電圧より高い。所望よりも大きいサイズを有するナノポア２２６Ａ～２２６Ｂが、形成された場合、酸化プロセスが実行されて、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂのサイズを縮小することができる。例えば、ピラミッド形状または錐台形状のトンネル２２４の先端が、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂのサイズを縮小するために酸化されてもよい。一実施形態では、第２の層２１６は、トンネル２２４間に配置されたチャネル２０８の一部に堆積されていないか、またはチャネル２０８の一部から除去されている。そのような実施形態では、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂは、工程１６０の横方向エッチングを使用して形成することができ、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂを形成するために電圧が印加される必要はない。

［００３３］少なくとも２つのウェル２０６Ａ～２０６Ｂ、続いて少なくとも２つのナノポア２２６Ａ～２２６Ｂを形成することにより、ウェル２０６Ａ～２０６Ｂに結合されたナノポア２２６Ａ～２２６Ｂを対で、すなわちデュアルポアとして利用して、タンパク質などの高分子、および／またはＤＮＡなどの生体高分子を配列決定することができる。例えば、チップ２００が、生体高分子および／または高分子を含む電解質または導電性流体で満たされ得る。ＤＮＡまたは高分子の一本鎖が、第１のウェル２０６Ａに結合したナノポア２２６Ａに通され、第２のウェル２０６Ｂに結合したナノポア２２６Ｂに通されて、生体高分子および／もしくは高分子の特性または生体高分子および／もしくは高分子に結合した材料を決定することができる。電気的特性は、ＤＮＡ塩基対のサイズおよび／または形状に基づいて変化し得る電気信号を含む。第１のウェル２０６Ａに結合したナノポア２２６Ａが、生体高分子および／または高分子がナノポア２２６Ａに引き付けられ得る収集速度を制御し、第２のウェル２０６Ｂに結合したナノポア２２６Ｂが、生体高分子および／または高分子がナノポア２２６Ｂを通過するスピードまたは速度を制御してもよく、またはその逆でもよい。別の実施形態では、両方のナノポア２２６Ａ、２２６Ｂが、異なる大きさを有する電場の印加を通じて、生体高分子および／または高分子がそこを通過するスピードに影響を与える。したがって、デュアルナノポアを利用することにより、デュアルナノポアが互いに流体連通することが可能になり、その結果、制御を維持しながら、改善された信号対雑音比ならびに生体高分子および／または高分子のより高い捕捉速度がもたらされる。

［００３４］ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂは、本明細書に開示された方法に従って形成されているので、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂのサイズおよび位置は、十分に制御されている。ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂの十分に制御されたサイズは、一般に、ある特定のサイズのサンプルを配列決定するのに適した直径である。一態様では、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂのサイズは、約１００ｎｍ以下である。一態様では、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂは、約５ｎｍ×５ｎｍと約５０ｎｍ×５０ｎｍの間である。一実施形態では、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂは、約５ｎｍから５０ｎｍの間の直径を有する。一実施形態では、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂは、約２０ｎｍ×２０ｎｍである。別の態様では、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂのサイズは、約１．５ｎｍから約１．８ｎｍの間であり、例えば、約１．６ｎｍであり、これは、おおよそＤＮＡの一本鎖のサイズである。別の態様では、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂのサイズは、約２ｎｍから約３ｎｍの間であり、例えば、約２．８ｎｍであり、これは、おおよそ二本鎖ＤＮＡのサイズである。ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂの十分に制御された位置は、一般に、１つ以上のナノポアの構成に適した基板上の任意の位置である。一実施形態では、ナノポア２２６Ａ～２２６Ｂは、互いから１μｍ未満の間隔をあけて、例えば互いから１００ｎｍ未満の間隔をあけて、配置されている。

［００３５］一態様では、チップ２００は、図３Ａ～図３Ｆに示されるように、ナノポア２２６のアレイを含む。本明細書に開示される方法は、配列決定または他のプロセスのための所望の構成のナノポアアレイが形成されるように、複数のナノポア２２６のそれぞれの位置を制御するために、一般に、使用される。方法１００は、上記の工程に限定されず、１つ以上の種々の他の工程を含むことができる。

［００３６］図３Ａ～図３Ｆは、様々な実施形態による、様々な設計またはレイアウトの複数のナノポアを有する、それぞれチップ３００、３５０の様々な実施形態を示している。チップ３００および３５０は、図２Ａ～図２Ｎのチップ２００であり得る。さらに、図３Ａ～図３Ｆのチャネル３０８、トンネル３２４、ウェル３０６Ａ～３０６Ｂ、およびナノポア３２６Ａ～３２６Ｂは、それぞれ、図２Ａ～図２Ｎのチャネル２０８、トンネル２２４、ウェル２０６Ａ～２０６Ｂ、およびナノポア２２６Ａ～２２６Ｂであり得る。

［００３７］図３Ａ～図３Ｂでは、チップ３００は、直角設計のウェル対のアレイを含む。チップ３００は、ナノポアに結合された３対のウェル３０６Ａ～３０６Ｂを示しており、各ウェル３０６Ａ～３０６Ｂは、トンネル３２４によってチャネル３０８に結合されている。図３Ｂは、図３Ａのチップ３００の中央にあるナノポア３２６Ａ～３２６Ｂの拡大図を示している。図３Ｂに示されるように、ナノポア３２６Ａと３２６Ｂは、互いに対して実質的に直角に配置されている。一実施形態では、ウェル３０６Ａ～３０６Ｂの３つの対のそれぞれが、生体高分子および／または高分子への異なる流体および電気的アクセスを提供するなどの、生体高分子および／または高分子を配列決定するための別個の機能を有する。例えば、ナノポア３２６Ａ～３２６Ｂがチップ３００上に形成された後、サンプル含有溶液は、一般に、ウェル３０６Ａ～３０６Ｂの第１のセットに堆積され、サンプルを含まない溶液は、ウェル３０６Ａ～３０６Ｂの第２のセットに堆積される。

［００３８］チップ３００の各チャネル３０８は、チャネル３０８がチップ３００の中心に向かって延びるにつれて狭くなり得る。チャネル３０８は、約１μｍから２０μｍの幅３３０を有し得る。一実施形態では、チャネル３０８は、約１０μｍの幅３３０を有する。トンネル３２４は、１つのチャネル３０８から別のチャネル３０８に延びる、約０．１μｍから０．５μｍの長さ３３２を有し得る。一実施形態では、トンネル３２４は、約０．２５μｍの長さ３３２を有する。別の実施形態では、ナノポア３２６Ａ～３２６Ｂは、互いから１μｍ未満の間隔をあけて、例えば互いから１００ｎｍ未満の間隔をあけて、配置されている。図３Ａ～図３Ｂでは、チャネル３０８は、最大２０μｍの幅を有するが、それでも、ナノポア３３６Ａ～３３Ｂは、互いから１μｍ未満の間隔をあけて配置することができる。

［００３９］ナノポア３２６Ａ～３２６Ｂは、互いに対して実質的に直角に配置されており、ナノポア３２６Ａ～３２６Ｂは、チャネル３０８によって分離されていないので、ナノポア３２６Ａと３２６Ｂとの間の距離は、チャネル３０８の幅３３０に依存しない。より広いチャネル３０８を有することにより、トンネル３２４もまた、より大きくすることができる。近接したナノポア３２６Ａ～３２６Ｂならびにより大きなトンネル３２４およびチャネル３０８を有するチップ３００を利用することにより、より多くの量の流体がチャネル３０８およびトンネル３２４を通過することが可能になり、その結果、生体高分子および／または高分子を配列決定するときに遭遇する電気抵抗が少なくなる。したがって、より大きい流速および向上した電気的特性が達成され、より大きな生体高分子および／または高分子が配列決定され得る。

［００４０］図３Ｃ～図３Ｄでは、チップ３５０は、一実施形態によれば、平行または同軸に整列された設計のウェル対のアレイを含む。チップ３５０は、ナノポアに結合された３対のウェル３０６Ａ～３０６Ｂを示しており、各ウェル３０６Ａ～３０６Ｂは、トンネル３２４によってチャネル３０８に結合されている。図３Ｄは、図３Ｃのチップ３５０の中央にあるナノポア３２６Ａ～３２６Ｂの拡大図を示している。図３Ｄに示されるように、ナノポア３２６Ａおよび３２６Ｂは、実質的に平行に配置されるか、または互いに同軸に整列されている。一実施形態では、ウェル３０６Ａ～３０６Ｂの３つの対のそれぞれが、生体高分子および／または高分子への異なる流体および電気的アクセスを提供するなどの、生体高分子および／または高分子を配列決定するための別個の機能を有する。例えば、ナノポア３２６Ａ～３２６Ｂがチップ３００上に形成された後、サンプル含有溶液は、一般に、ウェル３０６Ａ～３０６Ｂの第１のセットに堆積され、サンプルを含まない溶液は、ウェル３０６Ａ～３０６Ｂの第２のセットに堆積される。

［００４１］図３Ｅ～図３Ｆでは、別の実施形態によれば、チップ３７０は、面内または同軸に整列された設計のウェル対のアレイを含む。チップ３７０は、ナノポアに結合された３対のウェル３０６Ａ～３０６Ｂを示しており、各ウェル３０６Ａ～３０６Ｂは、トンネル３２４によってチャネル３０８に結合されている。図３Ｆは、図３Ｅのチップ３７０の中央にあるナノポア３２６Ａ～３２６Ｂの拡大図を示している。図３Ｆに示されるように、ナノポア３２６Ａおよび３２６Ｂは、実質的に面内に配置されるか、または互いに同軸に整列されている。ナノポア３２６Ａおよび３２６Ｂは、互いに隣接して、または実質的に平行に配置されている。ナノポア３２６Ａおよび３２６Ｂは、互いから距離３７２をあけて配置されてもよい。チップ３００と同様に、ナノポア３２６Ａ～３２６Ｂは、チャネル３０８によって分離されていないので、ナノポア３２６Ａ～３２６Ｂが互いから離間している距離３７２は、チャネル３０８の幅に依存しない。したがって、より大きい流速および向上した電気的特性が達成され、より大きな生体高分子および／または高分子が配列決定され得る。

［００４２］一実施形態では、ウェル３０６Ａ～３０６Ｂの３つの対のそれぞれが、生体高分子および／または高分子への異なる流体および電気的アクセスを提供するなどの、生体高分子および／または高分子を配列決定するための別個の機能を有する。例えば、ナノポア３２６Ａ～３２６Ｂがチップ３００上に形成された後、サンプル含有溶液は、一般に、ウェル３０６Ａ～３０６Ｂの第１のセットに堆積され、サンプルを含まない溶液は、ウェル３０６Ａ～３０６Ｂの第２のセットに堆積される。

［００４３］図３Ａ～図３Ｆの実施形態は、デュアルナノポア設計を有するチップの３つの例に過ぎず、上記の実施形態に限定されない。任意の適切なデュアルナノポアのレイアウトまたは設計も意図されている。

［００４４］本開示の利点には、十分に制御されたナノポアおよびナノポア対が近接して形成されたナノポアアレイを迅速に形成する能力が含まれる。開示された方法は、一般に、薄膜を通してサイズおよび位置が十分に制御されたナノポアを提供する。十分に制御されたサイズのナノポアを製造する方法は、高いレベルの制御を維持しながら、改善された信号対雑音比ならびに生体高分子および／または高分子のより高い捕捉速度を提供する。生体高分子および／または高分子の一本鎖は、より高い収集速度で捕捉されることができ、より速いスピードでナノポアを通過することができ、これにより、ナノポアを通る電流の変化が増加する。したがって、十分に制御されたナノポア対を利用すると、ＤＮＡ配列の読み取りが向上する。

［００４５］上記は、本開示の態様に向けられているが、本開示の他のさらなる態様が、その基本的な範囲から逸脱することなく考案されることができ、その範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (20)

1. 複数のナノポアを形成するための方法であって、
   基板上に第１の層を堆積させることと、
   前記第１の層および前記基板内に複数のウェルおよび１つ以上のチャネルを形成することであって、前記複数のウェルのそれぞれが前記１つ以上のチャネルのうちのチャネルに隣接している、複数のウェルおよび１つ以上のチャネルを形成することと、
   前記複数のウェルのそれぞれの露出された側壁の一部を横方向にエッチングして、前記複数のウェルのそれぞれを隣接する前記チャネルに接続するナノポアを形成することと、
   を含む方法。
2. 前記複数のウェルのそれぞれの前記側壁の前記一部を露出させる前に、前記第１の層、前記複数のウェル、および前記１つ以上のチャネル上に第２の層を堆積させて、各露出面をコーティングすることを、さらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 露出された前記側壁の前記一部を横方向にエッチングする前に、露出された前記側壁の前記一部から前記第２の層を選択的にエッチングすることを、さらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記第２の層が、酸化物含有層である、請求項３に記載の方法。
5. 前記基板が、結晶構造を含む、請求項１に記載の方法。
6. 複数のナノポアを形成するための方法であって、
   基板上に第１の層を堆積させることと、
   前記第１の層および前記基板内に第１のウェル、第２のウェル、およびチャネルを、前記チャネルが前記第１のウェルおよび前記第２のウェルに隣接して配置されるように、形成することと、
   第１のウェルの露出された側壁の一部を横方向にエッチングして、前記第１のウェルと前記チャネルとの間に延びる第１のトンネルを前記第１の層の下に形成することと、
   第２のウェルの露出された側壁の一部を横方向にエッチングして、前記第２のウェルと前記チャネルとの間に延びる第２のトンネルを前記第１の層の下に形成することと、
   前記第１のトンネルを前記チャネルに接続する第１のナノポアと、前記第２のトンネルを前記チャネルに接続する第２のナノポアとを形成することと
   を含む、方法。
7. 前記第１のナノポアが、前記第２のナノポアから１μｍ未満で配置される、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１のナノポアが、前記第２のナノポアに対して実質的に直角に配置される、請求項６に記載の方法。
9. 前記第１のトンネルおよび前記第２のトンネルを前記第１の層の下に形成する前に、前記第１の層、前記第１のウェル、前記第２のウェル、および前記チャネル上に第２の層を堆積させて、各露出面をコーティングすることを、さらに含む、請求項６に記載の方法。
10. 前記第１のトンネルおよび前記第２のトンネルを前記第１の層の下に形成する前に、前記第１のウェルの露出された側壁の第１の部分および前記第２のウェルの露出された側壁の第２の部分から前記第２の層を選択的にエッチングすることを、さらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記第１のトンネルおよび前記第２のトンネルが、横方向エッチングによって形成される、請求項９に記載の方法。
12. 基板上に配置された第１の層、
    前記基板内に前記第１の層を通って配置された第１のウェル、
    前記基板内に前記第１の層を通って配置された第２のウェル、
    前記第１のウェルおよび前記第２のウェルに隣接して前記基板内に前記第１の層を通って配置されたチャネル、
    前記第１のウェルおよび前記チャネルに結合されている、横方向にエッチングされた第１のナノポア、ならびに
    前記第２のウェルおよび前記チャネルに結合されている、横方向にエッチングされた第２のナノポアであって、前記第１のナノポアから１μｍ未満で配置されている第２のナノポア、を備えるデバイス。
13. 横方向にエッチングされた前記第１のナノポアが、ピラミッド形状の第１のトンネルを介して前記第１のウェルに結合されており、横方向にエッチングされた前記第２のナノポアが、ピラミッド形状の第２のトンネルを介して前記第２のウェルに結合されている、請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記第１のウェルが、前記第２のウェルから１０００ｎｍ未満で配置されている、請求項１２に記載のデバイス。
15. 前記第２のナノポアが、前記第１のナノポアから１０００ｎｍ未満で配置されている、請求項１２に記載のデバイス。
16. 前記第２の層を選択的にエッチングすることが、液体酸性エッチングを含む、請求項３に記載の方法。
17. 前記ナノポアを形成することが、電圧を印加することを含む、請求項１に記載の方法。
18. 前記複数のウェルの露出された前記側壁の前記一部を横方向にエッチングすることが、前記基板の結晶構造に沿った塩基性ウェットエッチングを含む、請求項１に記載の方法。
19. 前記第１のナノポアが、前記第２のナノポアと実質的に平行に配置される、請求項６に記載の方法。
20. 前記横方向エッチングが、前記基板の結晶構造に沿った塩基性ウェットエッチングを含む、請求項１１に記載の方法。

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