WO2011148602A1 - センサチップおよびそれを用いたセンサデバイス - Google Patents

センサチップおよびそれを用いたセンサデバイス Download PDF

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WO2011148602A1
WO2011148602A1 PCT/JP2011/002815 JP2011002815W WO2011148602A1 WO 2011148602 A1 WO2011148602 A1 WO 2011148602A1 JP 2011002815 W JP2011002815 W JP 2011002815W WO 2011148602 A1 WO2011148602 A1 WO 2011148602A1
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WO
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sensor chip
hole
tube portion
reservoir
chip according
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Application number
PCT/JP2011/002815
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English (en)
French (fr)
Inventor
健樹 山本
将也 中谷
浩司 牛尾
Original Assignee
パナソニック株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"

Definitions

  • the present invention relates to a sensor chip used for biosensing of proteins and genes and a sensor device using the sensor chip.
  • Biosensors and biochips biosense proteins, genes, low molecular weight signal molecules, and the like based on biological molecular recognition mechanisms. Focusing on selective specific binding such as receptor ligand and antigen-antibody reaction and selective catalytic reaction such as enzyme, biosensing is performed by monitoring molecules using a predetermined device.
  • biosensing using microfabrication technology there are the following methods for biosensing using microfabrication technology. For example, it is a method of immobilizing a specimen by capturing the specimen such as a cell in a minute through-hole, and measuring using an electrophysiological measurement or a fluorescent molecule. Alternatively, it is a method of performing SNP (single nucleotide polymorphism) analysis using a fluorescence method by extending DNA in a nanochannel. Alternatively, it is a method of determining (sequencing) the base sequence from the base dependency of the current flowing in the through-hole when DNA passes through the nano-order through-hole.
  • SNP single nucleotide polymorphism
  • Nanochannels which are nano-order through-holes, are attracting attention because they can manipulate and analyze biological molecules such as DNA and proteins.
  • a nanochannel with a length of about 100 nm is close to the intrinsic length of DNA and can stretch DNA. By stretching DNA, rapid local mapping and interaction between DNA and protein can be analyzed at the molecular level.
  • a method using fluorescence is desired.
  • the sample is not destroyed by the analysis, the non-destructive analysis can be performed, and the measurement can be performed in a short time. If an appropriate measurement method is used, simultaneous multi-element analysis can be performed. This can greatly improve the throughput of analysis that has taken a considerable amount of time.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • a permeable material such as glass needs to be bonded or sealed to a flow path formed by a SiO 2 layer in a Si trench.
  • the number of production steps increases, mass productivity decreases, and production costs increase.
  • minute gaps are likely to occur.
  • the sensor chip of the present invention includes a tube portion having a through hole in which a subject is disposed, and an optical path portion that is continuous with the tube portion and extends in a direction orthogonal to the extending direction of the through hole. Is formed of a light-transmitting transmissive film body.
  • the sensor device of the present invention includes the above sensor chip, and a first reservoir and a second reservoir arranged with the sensor chip interposed therebetween.
  • the first reservoir and the second reservoir communicate with each other through a through hole.
  • a sensor chip can be formed without using bonding or sealing. Therefore, the number of production steps can be reduced, mass productivity can be improved, and cost can be reduced. Further, the entire inner wall portion of the through hole is formed of a permeable membrane body having high biocompatibility and high hydrophilicity. Therefore, when the solution containing the subject is inserted into the through hole, the flow of the solution is good and the measurement can be performed efficiently.
  • FIG. 1A is a perspective view of the sensor device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the sensor device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3A is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3C is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3D is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3E is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3F is a side view showing the manufacturing process for the sensor chip in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3G is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3H is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a side view of another sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5A is a side view of another sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5B is a side view of another sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5C is a side view of another sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 6A is a perspective view in the middle of manufacturing another sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 6B is a top view of another sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 7A is a perspective view in the middle of manufacturing another sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 7B is a top view of another sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 7C is a perspective view of another sensor device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 8A is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8B is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8C is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8D is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9A is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9B is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9C is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9D is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9A is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9B is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10B is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10C is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10D is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11A is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11B is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11C is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11A is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11B is a side view showing the manufacturing process of the sensor chip in the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the sensor device according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13A is a side view of the main part of the sensor chip in the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 13B is a perspective view of the sensor device according to Embodiment 7 of the present invention.
  • FIG. 1A is a perspective view of the sensor device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the sensor chip 1 includes a tube portion 6 having a through hole 8 in which the subject 11 is disposed, and an optical path portion 10 that is continuous with the tube portion 6 and extends in a direction perpendicular to the extending direction of the through hole 8.
  • the sensor chip 1 further has a base 5.
  • the base 5 is formed with a slit portion 7 that opens to the first surface 55 (upper surface).
  • the tube portion 6 is embedded in the base body 5, and the through hole 8 extends parallel to the first surface.
  • the tube portion 6 is formed of a light transmissive transmissive membrane body 9.
  • the slit portion 7 is connected to the tube portion 6 and extends in the same direction as the through hole 8.
  • a permeable membrane body 9 continuous with the tube portion 6 is formed.
  • the sensor device has a sensor chip 1, a first reservoir 2 and a second reservoir 3 that face each other with the sensor chip 1 interposed therebetween. More specifically, the first reservoir 2 and the second reservoir 3 are formed by the sensor chip 1 and the bottomed cylindrical container 4. Since the first reservoir 2 and the second reservoir 3 communicate with each other through the through hole 8, the state of the subject 11 inserted into the through hole 8 can be measured by the optical path unit 10.
  • the substrate 5 may be any material having high heat resistance such as silicon (Si), alumina (Al 2 O 3 ), sapphire, glass, silicon carbide (SiC).
  • the transmissive film body 9 is light transmissive and is preferably formed of, for example, a silicon oxide layer.
  • the entire inner wall of the through hole 8 is formed of SiO 2 having high biocompatibility and high hydrophilicity. Therefore, even when a liquid containing the subject 11 such as DNA is injected into the first reservoir 2, the flow of the liquid is good and the measurement can be performed efficiently.
  • the first reservoir 2 and the second reservoir 3 are made of the same material as the sensor chip 1 and are composed of a bottomed cylindrical container 4 integrated with the sensor chip 1.
  • the first reservoir 2 and the second reservoir 3 may be made of a material different from that of the sensor chip 1.
  • the bottomed cylindrical container 4 may be formed of a plurality of materials and bonded to the sensor chip 1 to form a sensor device.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the sensor device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a specific binding substance 12 for causing hybridization with the subject 11 is disposed on the inner wall of the through-hole 8.
  • the subject 11 After injecting DNA or the like to be the subject 11 into the first reservoir 2, the subject 11 is aspirated from the second reservoir 3 side. Thereby, the subject 11 is inserted into the through hole 8 in an extended state from the opening of the through hole 8 on the first reservoir 2 side. As a result, the fluorescence-labeled sample 13 is formed by causing hybridization between the specific binding substance 12 and the DNA (analyte 11) arranged in advance.
  • the fluorescence-labeled specimen 13 is irradiated from above the sensor chip 1 with the excitation light L 1 generated by the excitation light generator 14 using the half mirror 16 and the lens 15.
  • the light intensity of the fluorescence L2 emitted from the fluorescence-labeled specimen 13 is detected by the fluorescence detection device 17.
  • the corrected fluorescence intensity of the corrected fluorescence L2 is displayed on the display unit (not shown).
  • PCR polymerase chain reaction
  • a fluorescent primer that is complementary or non-complementary to the base to be detected
  • a polymorphism SNP: Single Nucleotide Polymorphism
  • 3A to 3H are side views showing the manufacturing process of the sensor chip in the first embodiment of the present invention.
  • Si (100) single crystal substrate is used as the substrate 5 of the sensor chip 1 .
  • Si (100) single crystal substrate for example, an SOI (Silicon on Insulator) substrate using a Si single crystal material, a substrate partially or wholly doped with an element such as boron, or glass or the like (100)
  • a substrate on which a single crystal is bonded, a substrate on which a Si thin film is formed, or the like may be used. That is, it is sufficient if Si is formed in nano order.
  • Si may be a single crystal, an amorphous form, a polycrystalline form or the like, and may be added with an arbitrary element regardless of the crystalline state.
  • a Si single crystal substrate is mainly used from the viewpoints of flowability, workability, and versatility.
  • a resist 18 is patterned on the upper surface of the substrate 5 by using a normal photolithography technique.
  • the resist opening 19 is formed in a rectangular shape of 1 to 5 ⁇ m ⁇ 10 to 1000 ⁇ m.
  • Si is vertically etched into the resist opening 19 to form the slit portion 7.
  • a Bosch process capable of vertical processing of silicon is used.
  • SF 6 is used as a gas for promoting etching
  • C 4 F 8 is used as a gas for suppressing etching
  • these gases are alternately used, whereby Si can be etched in the vertical direction.
  • CF 4 can be used as a gas that promotes etching
  • CHF 3 can be used as a gas that suppresses etching.
  • the vertical slit portion 7 is formed in the depth direction by 2 ⁇ m to 50 ⁇ m by the etching.
  • any shape such as a semicircular shape or a semi-elliptical shape may be formed by using isotropic etching.
  • the side wall of the slit portion 7 is protected by a protective film 20.
  • the side wall of the slit portion 7 can be covered with the protective film 20 made of fluorocarbon having high etching resistance.
  • the gas C 4 F 8 , CHF 3 or the like is used.
  • the protective film 20 is also formed on the bottom surface of the slit portion 7, only the protective film 20 on the bottom surface can be selectively removed using dry etching with improved ion perpendicularity.
  • SF 6 , CF 4, or the like can be used as a gas, and the perpendicularity of ions can be enhanced by applying a self-bias voltage to the substrate 5.
  • the verticality of ions can be enhanced by reducing the process pressure.
  • the depth or aspect ratio of the slit portion 7 increases, it becomes more difficult for the protective film 20 to reach the bottom surface, so that the amount of the protective film 20 that needs to be removed becomes smaller or does not need to be removed.
  • any material that can withstand the next process such as SiO 2 , photoresist, Al, Cr, SiN, can be selected for the protective film 20.
  • a tube portion forming portion 21 having a diameter of 2 to 70 ⁇ m is formed at the tip of the slit portion 7 (that is, the central portion of the base 5 shown in FIG. 3D). It is formed by isotropic etching.
  • any method capable of etching Si may be used.
  • isotropic etching the structure of the tubular tube portion 6 having a cross section close to a perfect circle can be accurately formed. .
  • isotropic etching either a method using plasma such as CF 4 or a method using no plasma such as XeF 2 can be selected arbitrarily, but a method using no plasma is desirable. In a system that does not use plasma, isotropic etching can be performed with good control over Si by controlling the gas flow rate, and there is little damage because no plasma is used.
  • etching gas a gas capable of etching Si such as SF 6 , CF 4 , Cl 2 , ClF 3 , BrF 3 , F 2 , and XeF 2 can be used.
  • etching with XeF 2 is desirable because it has a very high selectivity of 1000 or more with respect to a mask of SiO 2 , photoresist, Al, Cr, etc., and has a very high selectivity with respect to SiN.
  • the resist 18 and the protective film 20 are removed as necessary.
  • the maximum dimension B1 of the cross section of the tube portion forming portion 21 larger than the minimum dimension A1 of the cross section of the slit portion 7 forming the optical path portion 10
  • a cylindrical shape having a cross section close to a perfect circle is obtained. It becomes easy to obtain the structure of the through hole 8.
  • the width B2 of the tube portion 6 can be made larger than the width A2 of the optical path portion 10 in a plane parallel to the opening portion of the through hole 8.
  • the entire sensor chip 1 is covered with a light-transmitting material such as a SiO 2 layer functioning as the oxide film body 22 by thermal oxidation.
  • the material of the oxide film body 22 that covers the sensor chip 1 is preferably a SiO 2 layer. This is because the temperature at which the SiO 2 layer starts to flow due to thermal oxidation (that is, the softening point) is about 1160 ° C., which is lower than the melting point of Si (about 1400 ° C.). Furthermore, since the SiO 2 layer has good adhesion to Si and is hydrophilic, it has good wettability with the measurement solution when measuring the specimen 11.
  • the oxide film body 22 is made of, for example, a material similar to the SiO 2 layer, such as a PSG (phospho-silicate glass) layer doped with phosphorus in SiO 2 , a BSG (boro-silicate glass) layer doped with boron, or phosphorus and boron.
  • a doped oxide layer such as a doped BPSG (Boro-Phospho-Silicate Glass) layer may be formed.
  • any material having the above characteristics can be used.
  • the method of forming the oxide film body 22 by thermal oxidation is desirable from the viewpoint of productivity because it does not require an expensive vacuum device and can process a plurality of substrates at once by a simple method. Further, by using a method by thermal oxidation, the SiO 2 layer can be uniformly formed on the surfaces of the slit portion 7 and the tube portion forming portion 21 along the shapes of the slit portion 7 and the tube portion forming portion 21. Therefore, the shape of the through-hole 8 becomes easier and the nano-scale through-hole 8 can be easily formed.
  • dry oxidation can be used in which the furnace is heated to 900 ° C. to 1150 ° C., the substrate 5 is placed in a quartz tube, oxygen gas is sent from the gas inlet, and Si is oxidized to form a SiO 2 layer. .
  • oxygen gas and hydrogen gas are fed at a ratio of 1: 2, water vapor (H 2 O) is formed near the furnace inlet, and this is sent to the Si surface to oxidize wet oxidation, HCl or Cl 2. Oxidation in an atmosphere to which halogen is added can also be used.
  • Oxidation proceeds by thermal oxidation of oxygen and Si on the Si surface. As the film grows, oxygen passes through the film and undergoes an oxidation reaction at the interface between the SiO 2 layer and Si. That is, during the oxidation process, the interface between the SiO 2 layer and Si moves sequentially toward the inside of Si.
  • the SiO 2 layer when calculating from the difference between the molecular weight and density of Si and SiO 2 , when the total thickness of the SiO 2 layer is x, a portion corresponding to a thickness of 0.45x in the Si substrate is the SiO 2 layer. Become. Considering these, it is necessary to select an arbitrary thickness of the SiO 2 layer according to the shape of the through hole 8. Further, from this, the shape of the silicon structure before the formation of the SiO 2 layer can be estimated.
  • a desired element may be added to the Si substrate 5 in advance.
  • a doped oxide layer can be obtained by introducing an element into the SiO 2 layer by thermal diffusion during thermal oxidation and reflow.
  • the ion implantation method is a method of implanting a specific element into the substrate 5 by electrically accelerating ions and hitting an individual, and has good controllability of the concentration distribution in the depth direction. Thereby, a desired element can be added with higher accuracy.
  • thermal diffusion such as an injection method using plasma, gas phase diffusion, or solid phase diffusion can be used.
  • an element can be injected only into a specific part.
  • the behavior with respect to heat differs only in a specific part, the shape can be controlled with high accuracy.
  • typical dopant concentrations are about 6 to 8 weight percent in phosphorus concentration.
  • typical dopant concentrations are 1 to 4 weight percent boron and 4 to 6 weight percent phosphorus.
  • concentration of phosphorus is higher than about 7-8 weight percent, it reacts between phosphorus in the oxide and moisture in the atmosphere.
  • boron concentration is higher than about 4 weight percent, the structure becomes unstable at high humidity.
  • the oxide film 22 of SiO 2 layer After forming the oxide film 22 of SiO 2 layer at a temperature above the softening point of the low temperature and the SiO 2 layer than the melting point of Si, reflowing. As a result, as shown in FIG. 3G, the slit portion 7 opened in the base 5 is closed by the permeable membrane body 9, and as shown in FIG. 3H, a cylindrical through-hole 8 having a cross section close to a perfect circle. Is obtained. Atmosphere during reflow, the air, O 2, N 2, etc. is not particularly limited, when it is desired to prevent reaction with the chip surface, He, etc. rare gas group element and less reactive N 2, such as Ar It is desirable to use it.
  • the root mean square roughness Rq becomes 1.0 nm or less on the surface of the permeable membrane body 9 in the through-hole 8 and at the opening of the through-hole 8, and the smoothness is extremely excellent.
  • This root mean square roughness Rq is defined by the square root of a value obtained by averaging the squares of deviations from the mean value to the measured value when the surface roughness distribution is measured.
  • the softening temperature is relatively high at 1160 ° C., but the PSG layer has a softening point of around 1000 ° C., and the softening point of the BSG layer or BPSG layer is about 900 ° C. Low degree and softening temperature. Therefore, the reflow temperature can be lowered and productivity can be improved.
  • the SiO 2 layer formed by the CVD method Even if it is other than the PSG layer, if the SiO 2 layer formed by the CVD method is used, the softening point becomes around 1000 ° C., so the softening point becomes lower than the SiO 2 layer by thermal oxidation, and the heat of about 1000 ° C. It can be melted and productivity can be improved. Furthermore, the SiO 2 layer formed by the CVD method has a self-flattening characteristic due to the fluidity of the polymer film on the surface of the film at a temperature of 400 ° C. or higher.
  • the raw material used for forming a CVD method although TEOS-O 3 are particularly excellent self smoothness, act as SiH 4 or TEOS and oxidizing agent such as SiH 4 -O 2, TEOS-O 2 gas Can be used.
  • Other methods for forming the SiO 2 layer to be the oxide film body 22 include a thin film forming method for supplying Si raw materials such as a CVD method, a sputtering method, a chemical solution deposition method (CSD method), and a method using thermal melting. .
  • the CVD method is desirable.
  • the CVD method is excellent in step coverage and excellent in versatility, and can form a film in a large amount and at high speed.
  • the plasma CVD method can form a dense SiO 2 layer at a low temperature, and can suppress thermal damage and interdiffusion between layers.
  • a gas acting as an oxidizing agent can be combined with SiH 4 or TEOS. Examples of the gas that acts as an oxidizing agent include O 2 , O 3 , N 2 O, H 2 O, and CO 2 .
  • the permeable film body 9 is gradually formed in the tube portion forming portion 21 and the slit portion 7 as shown in FIG. 3F. Since the entrance portion of the slit portion 7 is narrower than the tube portion forming portion 21, the slit portion 7 is closed as shown in FIG. 3G, and the optical path portion 10 is formed in the slit portion 7 as shown in FIG. 3H. Further, the tubular portion 6 has a cylindrical through-hole 8 whose cross-sectional shape is a perfect circle. In the thermal oxidation, an SiO 2 layer is formed on the entire surface of the sensor chip 1, whereas in the CVD method, no SiO 2 layer is formed on the portion that becomes the back surface during film formation.
  • a doped oxide layer can be formed by forming a PSG layer by using SiH 4 , PH 3 , and O 2 gases at a normal pressure of 350 ° C. to 450 ° C.
  • SiH 4 , B 2 H 6 , O 2 gas may be used
  • SiH 4 , B 2 H 6 , PH 3 , O 2 gas may be used.
  • Zn, Ti, Sn—In, Sb—In, or the like can be used for the oxide film body. These oxides are transparent in the visible light region.
  • the maximum dimension B2 of the cross section of the tube portion 6 is made larger than the minimum dimension A2 of the cross section of the optical path portion 10.
  • An approximation effect is obtained. This is because the area that can be melted and bonded during reflow increases, and therefore the nano-order through-hole diameter can be controlled even if the dimensional difference is small.
  • the aspect ratio is the ratio of the depth to the width of the slit portion 7.
  • the aspect ratio is important. This is because, when the depth of the slit portion 7 is deep, a thin film is likely to be deposited near the opening of the slit portion 7, so that the maximum dimension B2 of the cross section of the tube portion 6 is smaller than the minimum dimension A2 of the cross section of the optical path portion 10. This is because it becomes larger. It is desirable that the depth of the slit portion 7 is 10 ⁇ m or more, or the aspect ratio is 10 or more.
  • the SiO 2 layer formed by the CVD method has a refractive index of about 1.46
  • the SiO 2 layer formed by thermal oxidation has a refractive index of about 1.48.
  • This refractive index is a value measured by ellipsometry using a He-Ne laser having a wavelength of 632.8 nm.
  • BHF buffered hydrofluoric acid
  • the etching rate of the SiO 2 layer by the CVD method is about 20 ⁇ / min, and the SiO 2 layer by the thermal oxidation is about 6.8 to 7.3 ⁇ / min.
  • BHF is a solution obtained by removing 100 ml from a solution obtained by adding 11 g NH 4 F to 680 ml H 2 O and adding 10 ml of 48% HF.
  • the cross-sectional shape of the through hole 8 gradually approaches a perfect circle.
  • the cross-sectional shape of the through hole 8 varies depending on the reflow conditions and the formation thickness of the SiO 2 layer.
  • FIG. 4 is a side view of another sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the growth rate of the SiO 2 layer formed by thermal oxidation depends on the orientation, and is generally faster on the (110) plane than on the (100) plane. Therefore, the cross section of the through-hole 8 covered with the SiO 2 layer is difficult to form a perfect circle shape, and generally has a quadrangular shape as shown in FIG. The thicker the SiO 2 layer, the stronger this tendency.
  • the rate difference between the (110) plane and the (100) plane differs depending on the temperature of thermal oxidation. For example, when the reflow temperature is lowered or the time is shortened, a square shape is relatively maintained. On the other hand, for example, when the reflow temperature is increased or the time is increased, a large shape change is caused, so that the cross-sectional shape is almost a perfect circle.
  • the hole diameter of the through hole 8 can be controlled to an arbitrary size smaller than the hole diameter of the opening of the slit portion 7.
  • the pore size can be controlled in the range of 10 ⁇ m to several nm.
  • the cross-sectional shape of the through-hole 8 does not necessarily need to be a perfect circle.
  • the optimum shape can be selected depending on the shape and state of the DNA and the subject to be measured.
  • photolithography and etching are performed to form the first reservoir 2 and the second reservoir 3 in the direction in which the through-hole 8 of the sensor chip 1 penetrates and to face each other through the sensor chip 1.
  • etching a Bosch process capable of vertical Si processing is used.
  • the depth of the first reservoir 2 and the second reservoir 3 only needs to be deeper than at least the region where the through hole 8 is formed, and is about 10 ⁇ m to 400 ⁇ m.
  • Si resin such as PDMS (polydimethylsiloxane), glass, Si, quartz, or the like is used.
  • PDMS resin polydimethylsiloxane
  • Si, quartz, glass, and the like can be firmly adhered to each other without using an adhesive.
  • through holes 8 communicating with the first reservoir 2 and the second reservoir 3 are formed.
  • the sealing of the first reservoir 2 and the second reservoir 3 is not necessarily a necessary requirement.
  • FIG. 3D a cylindrical tube portion forming portion 21 and a rectangular parallelepiped slit portion 7 are clearly separated.
  • the same effect can be obtained even if the tube portion forming portion 21 and the slit portion 7 are not clearly separated as shown in FIGS. 5A and 5B.
  • the structure shown in FIGS. 5A and 5B can be obtained by changing the length of the protective film 20 formed on the side wall of the slit portion 7.
  • the shape of the tube forming part 21 can be changed by changing conditions such as film forming conditions during the production of the sensor chip.
  • a method of changing the etching method itself and a method of changing the etching conditions can be considered.
  • the etching method itself is changed by performing isotropic silicon etching after first forming the slit portion 7 having a vertical side surface by the Bosch process. Then, as shown in FIG. 5C, a shape having an overall curvature is formed such that the widest portion is provided at the center of the vertical tube portion forming portion 21.
  • the etching condition is changed after the slit portion 7 having a vertical side surface having a predetermined depth is formed, and then the etching condition is changed to reduce the verticality of the etching gas.
  • the overall shape is such that it has the widest portion at the center of the vertical tube portion forming portion 21.
  • the shape of the tube portion forming portion 21 can be changed by etching by reactive ion etching using Cl 2 .
  • the side surface of the slit portion 7 is hollowed out, and a minute groove called a sub-trench is formed in the bottom portion.
  • This side surface is not a reaction due to radicals, but is because the ions incident obliquely are dominant in the etching.
  • the protective film 20 is not always necessary.
  • FIG. 6A is a perspective view in the process of manufacturing another sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 6B is a top view of another sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a slit portion 7 having irregularities when viewed from above is formed.
  • the recessed portions 23 larger than the through holes 8 are communicated with both ends of the through holes 8.
  • the conductance of the etching gas is improved, and the recess 23 is obtained by increasing the etching rate. That is, a recess 23 having an opening diameter of about several tens to several hundreds of nanometers is formed at the end of the through hole 8 adjacent to the reservoir.
  • the above-described structure improves the effect of DNA rectification and allows DNA to be stretched with higher accuracy, thereby enabling higher measurement accuracy.
  • the recess 23 may be formed only in the opening of the through hole 8 on the first reservoir 2 side for sucking DNA.
  • a plurality of pillars may be formed in the opening of the through hole 8 on the first reservoir 2 side.
  • FIG. 7A is a perspective view in the process of manufacturing another sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 7B is a top view of another sensor chip according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the slit portion 7 having irregularities when viewed from above can be formed.
  • the most detailed portion 24 of the through hole 8 is formed at both ends of the through hole 8. If a small opening pattern is formed during isotropic etching, the conductance of the etching gas is deteriorated, the etching rate is lowered, and the finest 24 is obtained. That is, the most detailed portion 24 is formed at the end of the through hole 8 adjacent to the first reservoir 2 and the second reservoir 3.
  • DNA is extended by the finest 24 of the through-hole 8 and an enzyme that acts on DNA such as a restriction enzyme is incorporated in the center of the through-hole 8 to cut DNA, culture, adhere, etc. Can react.
  • the finest detail 24 may be provided only in the opening of the through hole 8 on the first reservoir 2 side into which the subject 11 flows.
  • a plurality of sensor chips 1 may be arranged in parallel. In this case, since a plurality of subjects 11 pass through the respective through holes 8 at a time, the measurement efficiency is improved.
  • an electroosmotic flow (a shear stress of a charged layer generated at the interface) may be applied to make the DNA (analyte 11) into a fiber. Since DNA is formed into a fiber along the direction of shear stress in a solution, it is characterized by being difficult to cut without being dried and easy to control the direction. Furthermore, the fiber formation of DNA can be adjusted by the strength of the voltage. Since DNA is made into a fiber while voltage is applied but aggregates when it is stopped, the current per molecule of the base can be measured with high accuracy by electroosmotic flow.
  • the sensor chip 1 with high productivity can be manufactured, and at the same time, the reliability can be improved.
  • bonding or sealing is performed during production, a minute gap may occur. Even if the gap is small, the sensor chip cannot function normally. However, it is difficult to detect the minute gap even in the inspection.
  • a process such as bonding or sealing is not used, no gap is generated, and reliability can be improved.
  • the method of using the sensor chip 1 manufactured in the present embodiment is not limited to performing SNP analysis using a fluorescence method by extending DNA in a nanochannel.
  • the method can be applied to a technique of immobilizing the subject 11 by capturing the subject 11 in the minute through-hole 8 and performing biosensing by electrophysiological measurement or measurement using fluorescent molecules.
  • the present invention can also be applied to a method for determining (sequencing) a base sequence from the base dependence of the current flowing through the through-hole 8 when DNA is inserted and passed through the nano-order through-hole 8. That is, it can be applied to various uses.
  • the fluorescence measurement using DNA as the specimen 11 has been described.
  • the fluorescence measurement of nanotubes and nanofibers can also be performed.
  • CNT carbon nanotubes
  • the sensor chip of the present embodiment is preferably stored in frozen water or in pure water during freezing or vacuum.
  • a substance that inhibits optical detection for example, an organic substance such as a CH 3 group or a COOH group is adsorbed on the surface of the sensor chip, the sensitivity of the sensor device is significantly reduced. This is because the optical background noise increases.
  • such adsorption-inhibiting substances are often organic compounds that are volatilized from, for example, resin materials and adhesives used in sensor devices, or organic compounds that are present in minute amounts in the atmosphere.
  • Storing the sensor chip 1 at a low temperature can significantly reduce the volatilization of these substances. Even if these substances are present in the atmosphere, the kinetic energy is low due to the low temperature, and binding / adhesion to molecules existing on the surface is difficult to occur. For this reason, it becomes difficult for an unnecessary adsorption inhibiting substance to adhere to the surface of the through hole 8 of the sensor device.
  • the storage temperature of the sensor chip 1 is preferably 10 ° C. or lower, more preferably 4 ° C. or lower, and more preferably below freezing point. That is, it is desirable to store in a low temperature environment below the freezing point of -10 ° C or lower.
  • the atmosphere in the package (not shown) for storing the sensor chip 1 is in a gas or vacuum that is normally inert in an environment of room temperature or lower, such as helium, nitrogen, argon, krypton, and sulfur hexafluoride. It is preferable.
  • TOC Total Organic Carbon
  • the adhesion of the adsorption-inhibiting substance can be reduced by replacing the surface with N. Since the bond energy of Si—N is higher than the bond energy of Si and O, the possibility that the bond is replaced with the adsorption inhibitor is reduced.
  • film formation by CVD, sputtering, CSD, ALD, or the like may be used.
  • the ALD method is preferable because an extremely thin thin film can be formed, and the controllability of the through hole 8 is excellent.
  • thermal nitridation In the case of replacement, plasma nitridation, thermal nitridation or the like is used. These methods are desirable because of excellent controllability of the through-hole 8. Of these, thermal nitriding is excellent in view of the productivity and manufacturing cost of the apparatus.
  • the composition ratio of Si, N, and O on the surface is not particularly limited.
  • the composition ratio of Si, N, and O on the surface can be arbitrarily controlled by temperature, time, and atmosphere.
  • thermal nitridation can be judged from the fact that it has a gradient distribution (concentration gradient of composition) and that N exists uniformly in the entire chip.
  • the composition of Si, N, and O can be arbitrarily controlled by temperature, time, atmosphere, and gradient distribution.
  • CNT carbon nanotubes
  • the diameter of the through hole 8 can be controlled by the diameter of the CNT. Since the diameter of the CNT is 0.4 to several tens of nm, it is necessary to select a CNT having an optimum diameter according to the diameter of the through hole 8.
  • the state where the oxidizing gas is blocked refers to a state where the partial pressure of the oxidizing gas is low, and other gases may be included.
  • CNT can be removed after reflow by using a process capable of removing carbon such as O 2 ashing.
  • the material to be inserted into the through hole 8 is not limited to CNT.
  • CNT also organic materials such as cellulose, an inorganic material such as SiO 2 and their may be a material that has been complexed.
  • a material that is made of a material different from the material constituting the sensor chip and that can be selectively removed is used.
  • (Embodiment 2) 8A to 8D are side views showing the manufacturing process of the sensor chip 201 according to the second embodiment of the present invention.
  • description is abbreviate
  • the resist 218 is patterned on the upper surface of the substrate 205 made of Si or the like by using a normal photolithography technique.
  • the resist opening 219 is formed in a square shape of 2 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m to 2 ⁇ m ⁇ 1000 ⁇ m.
  • etching is performed in a reverse taper shape to form a tube portion forming portion 221.
  • a gas capable of etching Si SF 6 , CF 4 , Cl 2 , ClF 3 , BrF 3 , F 2 , XeF 2 and the like can be used, and reactive ion etching (RIE) is used.
  • RIE reactive ion etching
  • electromagnetic waves are applied to the etching gas to form plasma, and at the same time, a high frequency voltage is applied to the cathode on which the sample is placed. Then, a self-bias potential is generated between the sample and the plasma, and ion species and radical species in the plasma are accelerated toward the sample and collide with each other. At that time, sputtering by ions and the chemical reaction of the etching gas occur at the same time, and etching with high accuracy suitable for fine processing can be performed.
  • the reverse taper shape becomes large.
  • it is effective to increase the etching gas amount, increase the etching cycle time, increase the self bias, increase the self bias application time, and the like.
  • the angle of the reverse taper that can be formed at this time is about 15 degrees.
  • the resist 218 is removed as necessary, and the entire sensor chip 201 is covered with an oxide film body 222 such as a SiO 2 layer by thermal oxidation, as shown in FIG. 8C. Further, by reflowing at a temperature lower than the melting point of Si and higher than the softening point of the SiO 2 layer, the optical path portion 210 and the through hole 208 made of the transmission film body 209 as shown in FIG. 8D are formed.
  • an oxide film body 222 such as a SiO 2 layer by thermal oxidation, as shown in FIG. 8C.
  • the cross-sectional shape of the through-hole 208 is likely to be a substantially circular shape because a large shape change is caused when the reflow temperature is high or the time is long. On the other hand, when the reflow temperature is low or the time is short, the cross-sectional shape of the through hole 208 is triangular. An optimum shape can be selected depending on the shape and state of the subject 11.
  • FIG. 3 are side views showing the manufacturing process of the sensor chip in the third embodiment of the present invention.
  • description is abbreviate
  • FIG. in this embodiment thermal oxidation is not necessarily required, and a sensor chip with high productivity can be obtained by simplifying the process.
  • a base body 305 in which, for example, a SiO 2 layer is formed on the base material 300 as the permeable membrane body 309 is used.
  • the material of the substrate 300 is not particularly limited as long as the permeable membrane body 309 is formed on the substrate 300.
  • the base material 300 is preferably made of a material that is highly compatible with a process such as HF or BHF. In particular, it is desirable to use a Si single crystal material in which etching does not proceed with HF or BHF.
  • the method for forming the SiO 2 layer as the permeable membrane body 309 is not particularly limited, and a doped oxide method may be used. However, a CVD method that is excellent in versatility and most suitable for forming a film in a large amount and at high speed is desirable.
  • the thickness of the SiO 2 layer is 2 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • a resist 318 is patterned on the transmissive film body 309 using a normal photolithography technique. Thereafter, the reactive ion etching is used to etch the SiO 2 layer as the permeable membrane 309 to form the slit portion 307.
  • the taper of etching is not particularly limited, and the etching depth is a shape that stops in the middle of the transmissive film body 309 according to the thickness of the SiO 2 layer.
  • the permeable film body 309 is formed using HF or BHF (buffered hydrofluoric acid). Isotropic etching. At this time, it is necessary to make the diameter of the tube portion forming portion 321 formed by isotropic etching larger than the width of the slit portion 307. Considering these, the thickness of the permeable membrane 309, the etching depth of reactive ion etching, and the conditions for isotropic etching are determined. Thereby, the slit part 307 and the pipe part formation part 321 as shown in FIG. 9C are formed.
  • isotropic etching can be performed by using a gas capable of etching the SiO 2 layer in a radical state. This is a method of etching a plasma etching gas without using a self-bias or the like that gives the gas anisotropy.
  • An etching gas can be obtained by appropriately adding a gas such as O 2 or Ar to a fluorocarbon gas such as CF 4 or CHF 3 .
  • the protective film 320 and the resist 318 are removed as necessary, and reflowing is performed at a temperature lower than the melting point of Si and higher than the softening point of the SiO 2 layer, thereby penetrating as shown in FIG. 9D.
  • a hole 308 is formed.
  • the permeable membrane body formed in the slit portion 307 and the permeable membrane body excluding the through-hole 308 formed in the tube portion forming portion 321 are integrated with the permeable membrane body 309, respectively. That is, the tube portion and the optical path portion are integrated without distinction.
  • the sensor chip shown in FIG. Obtainable. That is, in this embodiment, the etching shape shown in Embodiment 2 may be applied.
  • FIG. 10A to 10D are side views showing the manufacturing process of the sensor chip in the fourth embodiment of the present invention.
  • a sensor chip whose shape is controlled with high accuracy can be manufactured by utilizing the difference in etching rate between Si and SiO 2 .
  • a base body 405 in which a SiO 2 layer is formed as a permeable membrane body 409 on a base material 400 made of Si is used.
  • the resist 418 is patterned on the upper surface of the transmissive film body 409 by using a normal photolithography technique. Thereafter, the reactive ion etching is used to etch the SiO 2 layer, which is the permeable membrane body 409, as shown in FIG. 10A.
  • Etching is performed using a mixed gas of CHF 3 and Ar.
  • CHF 3 hardly forms a polymer film on the surface of the SiO 2 layer, but forms a polymer film made of fluorocarbon on the surface of Si. Therefore, only the SiO 2 layer is etched, and the etching stops on the surface of Si.
  • isotropic etching is performed using XeF 2 gas as shown in FIG. 10B to form a tube portion forming portion 421. At this time, etching proceeds on a semicircle in the cross-sectional shape from the surface layer of Si.
  • the resist 418 is removed as necessary, and the entire sensor chip 401 is covered with an oxide film body 422 such as a SiO 2 layer by thermal oxidation, as shown in FIG. 10C. Furthermore, by performing reflow at a temperature lower than the melting point of Si and at or above the softening point of the SiO 2 layer, a through hole 408 is obtained as shown in FIG. 10D.
  • a sensor chip 401 whose shape is controlled with high accuracy in the height direction can be manufactured.
  • FIG. 5 are side views showing the manufacturing process of the sensor chip in the fifth embodiment of the present invention.
  • a sensor chip whose shape is controlled with high accuracy can be manufactured by using an SOI (Silicon on Insulator) substrate as the base 505.
  • SOI Silicon on Insulator
  • Si is used as the surface layers 502A and 502B, and an SiO 2 layer or a doped oxide layer is used as the intermediate layer 503.
  • SOI is excellent in terms of versatility and workability.
  • the thickness of Si is 2 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the resist 518 is patterned using a normal photolithography technique. Thereafter, using the Bosch process, Si is vertically processed to form the slit portion 507. At that time, etching is performed until the surface layer 502A is penetrated and the intermediate layer 503 is reached.
  • etching ions are accumulated on the surface of the exposed intermediate layer 503. Therefore, the etching ions and the etching ions accumulated on the surface of the intermediate layer 503 are repelled, and the etching ions start to advance in the lateral direction. Therefore, in the vicinity of the intermediate layer 503, a concave portion 525 that gradually increases in a tapered shape is formed.
  • the base body 505 a laminated structure of surface layers 502A and 502B which are two kinds of conductors and an intermediate layer 503 which is an insulator, etching ions are easily accumulated on the surface of the intermediate layer 503, and the accumulated etching is performed. Etching ions that have come into contact with ions tend to repel.
  • the etching easily proceeds in the lateral direction, and a recess 525 is formed as shown in FIG. 11A.
  • the width of the recess 525 is about 1 ⁇ m. This depth can be controlled by the etching time. This phenomenon is generally called notching.
  • the resist 518 is removed as necessary, and the entire sensor chip 501 is covered with an oxide film body 522 such as a SiO 2 layer by thermal oxidation as shown in FIG. 11B. Furthermore, by performing reflow at a temperature lower than the melting point of Si and at or above the softening point of the SiO 2 layer, the through hole 508 shown in FIG. 11C can be formed.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the sensor device according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the DNA sequence in addition to DNA sequence analysis using fluorescence, the DNA sequence can be electrically analyzed.
  • the first electrode 25 is installed in the first reservoir 2 and the second electrode 26 is installed in the second reservoir 3.
  • An Ag—AgCl electrode is used for the first electrode 25 and the second electrode 26.
  • the ion current can be detected by such an electrode arrangement.
  • an Ag-AgCl electrode can be arranged in the first reservoir 2 and the second reservoir 3 to detect the ionic current.
  • a single-stranded DNA is placed as an object 11 into one of the reservoirs partitioned by the sensor chip 1 (for example, the first reservoir 2), and the first reservoir 2 and the second reservoir 3 are arranged in the first reservoir.
  • a voltage of 70 to 300 mV is applied to the electrode 25 and the second electrode 26, and the current flowing between the electrodes is measured.
  • the first electrode 25 and the second electrode 26 may be integrated with the sensor chip 1.
  • an Ag—AgCl film may be formed as the first electrode 25 and the second electrode 26 on the side surfaces of the sensor chip 1, that is, on the side surfaces of the first reservoir 2 and the second reservoir 3 by vapor deposition or the like.
  • materials for the first electrode 25 and the second electrode 26 other materials that are difficult to ionize, such as copper-copper sulfate and a platinum electrode, can be used.
  • FIG. 13A is a side view of the main part of the sensor chip in the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 13B is a perspective view of the sensor device according to Embodiment 7 of the present invention.
  • the same reference numerals are given to the same portions as the sensor chip 1 shown in FIG. 3H.
  • ISFET Ion Sensitive Field Effect Transistor
  • MOS metal oxide semiconductor
  • IFETs Ion field effect transistors
  • FETs semiconductor field effect transistors
  • the sensor chip 71 includes a tube portion 6 having a through hole 8 in which the subject 11 is disposed, and an optical path that is continuous with the tube portion 6 and extends in a direction perpendicular to the extending direction of the through hole 8. Part 10.
  • the sensor chip 71 further has a base 5.
  • the base 5 is formed with a slit portion that opens to the first surface (upper surface).
  • the tube portion 6 is embedded in the base body 5, and the through hole 8 extends parallel to the first surface.
  • the tube portion 6 is formed of a light transmissive transmissive film body.
  • the slit portion 7 is connected to the tube portion 6 and extends in the same direction as the through hole 8.
  • An electrode film 28 is formed between the light transmissive transmissive film body 9 and the substrate 5.
  • the first reservoir 2 and the second reservoir 3 are communicated with each other through a through hole 8 formed in the sensor chip 71.
  • the state of the subject 11 inserted into the through hole 8 can be measured using the electrode film 28.
  • the electrode film 28 is desirably formed with a uniform thickness.
  • a CVD method or an ALD method is suitable.
  • Thermal oxidation is performed on the polycrystalline silicon that is the electrode film 28. Thermal oxidation proceeds by diffusion of oxygen into the polycrystalline silicon. By controlling the oxidation time and temperature, not all polycrystalline silicon is changed to SiO 2 but a polycrystalline silicon layer having high electrical conductivity remains. As a result, it can be used as the electrode film 28. Thereafter, reflow is performed to obtain nano-order through holes 8.
  • any conductive material that can be oxidized and reflowed may be used.
  • Zn, Ti, Sn—In, Sb—In, or the like can be used. These oxides are transparent in the visible light region.
  • the oxide film body 22 is etched using the lithography technique, and the takeout portion 29 is produced.
  • the surface charge generated by the bases A, G, C, and T increases the density of ions having the opposite charge in the through-hole 8.
  • the hole diameter of the through hole 8 is the same size as the Debye length, ions having opposite charges exist as main charge transport carriers.
  • the surface exposed upward and the transmissive film body having the through hole therein are formed of a light transmissive material.
  • the sensor chip according to the present invention and the sensor device using the sensor chip are excellent in cost reduction and high productivity, and are useful for biosensing of proteins and genes.

Abstract

　センサチップは、被検体が配置される貫通孔を有する管部と、管部と連続し、貫通孔の延設方向に直交する方向に延びる光路部とを備え、管部および光路部が光透過性の透過膜体により形成されている。

Description

センサチップおよびそれを用いたセンサデバイス
　本発明は、タンパク質や遺伝子などのバイオセンシングに用いられるセンサチップおよびそれを用いたセンサデバイスに関する。
　近年、バイオセンサーやバイオチップに注目が集まっている。バイオセンサーやバイオチップは、生体の分子認識機構に基づいてタンパク質、遺伝子、低分子量のシグナル分子などをバイオセンシングする。レセプターリガンド、抗原－抗体反応などの選択特異的な結合や酵素などの選択触媒反応に着目し、所定のデバイスを用いて分子などをモニターすることによりバイオセンシングが行われている。
　微細加工技術を利用したバイオセンシングとしては以下のような方法がある。例えば、微小な貫通孔に細胞などの被検体を捕捉することにより、被検体を固定化し、電気生理学的な測定や蛍光分子を用いて測定する方法である。あるいは、ＤＮＡをナノ流路中において伸張させることにより、蛍光方式を用いてＳＮＰ（一塩基多型）解析を行う方法である。あるいは、ナノオーダーの貫通孔内にＤＮＡが通過する際の貫通孔内を流れる電流の塩基依存性から塩基配列を決定（シーケンシング）する方法である。
　これらの方法により、流路内に形成された微細な貫通孔において、流路内部の化学分析や細胞操作、生体高分子の解析などができる。温度制御のヒータや、流路内を流れる分子を検出するための検出器や光源、さらには流体制御のためのマイクロポンプやバルブなどをセンサチップに付加することで、様々な処理を行える。
　ナノオーダーの貫通孔であるナノチャネルは、ＤＮＡやたんぱく質などの生物分子の操作や分析が可能であり、注目が集まっている。特に、１００ｎｍ程度の長さのナノチャネルは、ＤＮＡの固有の長さに近く、ＤＮＡを伸張できる。ＤＮＡを伸張させることにより、迅速な局所マッピングやＤＮＡとタンパク質との相互作用を分子レベルで分析できる。
　ナノチャネルのようなセンサチップをセンサデバイスとして用いるためには、マイクロチャネルとの併用が必要であり、生体適合性のある材料を用いることおよび高い量産性が求められる。
　ナノチャネル内での分析を行うには、蛍光を用いた方式が望まれる。蛍光方式を採用することにより、分析によって試料が破壊されることがなく、非破壊分析ができ、測定が短時間で済む。また適切な測定法を用いれば多元素同時分析ができる。これにより、これまでかなりの時間がかかっていた分析のスループットを大きく改善できる。しかしながら、従来、蛍光方式による測定が可能なセンサチップを作製するためには、ガラスを接合したり、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）により封止する必要がある。例えばＳｉのトレンチ内のＳｉＯ２層により形成された流路に、ガラス等の透過性の材料を接合や封止する必要がある。そのため、生産の工程数が増加し、量産性が低下し、生産コストが増加する。また、異なる基材に対し接合あるいは封止の処理を施しているため、微小な隙間が発生しやすい。
　なお、この発明に関する先行技術文献としては、以下の特許文献１、２、３および非特許文献１、２が挙げられる。
国際公開２００６／０２２０９２号 米国特許出願公開第２００９－０３０５２７３号明細書 国際公開２００７／１０８７７９号
Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ，Ｖｏｌ．１９，２００１，ｐｐ．２８４２－２８４５ ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＡＮＤ　ＳＣＩＥＮＣＥ，　ＶＯＬ．７，　ＮＯ．４，　ＤＥＣＥＭＢＥＲ，　２００７　ｐ．２５４－２５９
　本発明のセンサチップは、被検体が配置される貫通孔を有する管部と、管部と連続し、貫通孔の延設方向に直交する方向に延びる光路部とを備え、管部および光路部が光透過性の透過膜体により形成されている。
　また本発明のセンサデバイスは、上記センサチップと、センサチップをはさんで配置された第一のリザーバーと第二のリザーバーとを有する。第一のリザーバーと第二のリザーバーとは貫通孔を介して連通している。
　この構成により、接合や封止などを用いずにセンサチップが形成できる。そのため、生産の工程数を低減することができ、量産性を向上し、コストを低減できる。また、貫通孔の内壁部分の全面が、生体適合性が高く親水性の高い透過膜体によって形成されている。そのため、被検体を含む溶液を貫通孔に挿入した場合に溶液の流れが良く、効率的に測定ができる。
図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるセンサデバイスの透視斜視図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１におけるセンサチップの断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１におけるセンサデバイスの断面図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態１におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態１におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図３Ｃは、本発明の実施の形態１におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図３Ｄは、本発明の実施の形態１におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図３Ｅは、本発明の実施の形態１におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図３Ｆは、本発明の実施の形態１におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図３Ｇは、本発明の実施の形態１におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図３Ｈは、本発明の実施の形態１におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図４は、本発明の実施の形態１における他のセンサチップの側面図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態１における他のセンサチップの側面図である。 図５Ｂは、本発明の実施の形態１における他のセンサチップの側面図である。 図５Ｃは、本発明の実施の形態１における他のセンサチップの側面図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態１における他のセンサチップの製造途中の斜視図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態１における他のセンサチップの上面図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態１における他のセンサチップの製造途中の斜視図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態１における他のセンサチップの上面図である。 図７Ｃは、本発明の実施の形態１における他のセンサデバイスの透視斜視図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態２におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態２におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図８Ｃは、本発明の実施の形態２におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図８Ｄは、本発明の実施の形態２におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図９Ａは、本発明の実施の形態３におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図９Ｂは、本発明の実施の形態３におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図９Ｃは、本発明の実施の形態３におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図９Ｄは、本発明の実施の形態３におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図１０Ａは、本発明の実施の形態４におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図１０Ｂは、本発明の実施の形態４におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図１０Ｃは、本発明の実施の形態４におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図１０Ｄは、本発明の実施の形態４におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図１１Ａは、本発明の実施の形態５におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図１１Ｂは、本発明の実施の形態５におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図１１Ｃは、本発明の実施の形態５におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。 図１２は、本発明の実施の形態６におけるセンサデバイスの断面図である。 図１３Ａは、本発明の実施の形態７におけるセンサチップの要部側面図である。 図１３Ｂは、本発明の実施の形態７におけるセンサデバイスの透視斜視図である。
　（実施の形態１）
　以下、本実施の形態におけるセンサチップおよびそれを用いたセンサデバイスについて詳細に説明する。なお、本発明は以下の各実施の形態に限定されない。
　図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるセンサデバイスの透視斜視図である。
　図１Ｂは、本発明の実施の形態１におけるセンサチップの断面図である。
　センサチップ１は、被検体１１が配置される貫通孔８を有する管部６と、管部６と連続し、貫通孔８の延設方向に直交する方向に延びる光路部１０とを有する。
　センサチップ１はさらに基体５を有する。基体５には第１の面５５（上面）に開口するスリット部７が形成されている。管部６は基体５に埋め込まれ、貫通孔８は第１の面に平行に延びている。管部６は光透過性の透過膜体９で形成されている。スリット部７は管部６と連結し、貫通孔８と同じ方向に延設されている。スリット部７内には、管部６と連続する透過膜体９が形成されている。
　センサデバイスは、センサチップ１と、センサチップ１を介して相対向する第一のリザーバー２と第二のリザーバー３を有している。より具体的には、センサチップ１と有底筒状の容器４により、第一のリザーバー２と第二のリザーバー３が形成される。そして、貫通孔８によって第一のリザーバー２と第二のリザーバー３とが連通しているので、貫通孔８に挿入された被検体１１の状態を光路部１０によって計測できる。
　基体５は、ケイ素（Ｓｉ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、サファイア、ガラス、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの耐熱性の高い材料であればよい。
　透過膜体９は光透過性を有し、例えばシリコン酸化物層によって形成されていることが望ましい。このように貫通孔８の上面に透過膜体９を形成することにより、接合や封止を行う必要がない。従来、蛍光方式を用いる場合には、光を透過する必要があるため、貫通孔８の直上面にガラスなどが接合されていた。しかし、本実施の形態によると、ガラスを接合する必要がなくなり、構造的な自由度が高くなり、生産性が向上する。
　また、貫通孔８の内壁の全面が、生体適合性が高く、かつ親水性の高いＳｉＯ２で形成されている。そのためＤＮＡなどの被検体１１が含まれる液体を第一のリザーバー２に注入した場合にも液体の流れが良く、効率的に測定ができる。
　なお、第一のリザーバー２および第二のリザーバー３は、センサチップ１と同じ材質で、センサチップ１と一体化した有底筒状の容器４より構成した。しかし、第一のリザーバー２および第二のリザーバー３は、センサチップ１とは別の材質であってもよい。また、有底筒状の容器４を複数の材質で形成し、センサチップ１と接合することでセンサデバイスを形成してもよい。
　次に図２を用いて、センサデバイスを用いた測定方法を説明する。図２は、本発明の実施の形態１におけるセンサデバイスの断面図である。
　貫通孔８の内壁には、被検体１１とハイブリダイゼーションを起こすための特異的結合物質１２が配置される。
　第一のリザーバー２へ被検体１１となるＤＮＡなどを注入した後、第二のリザーバー３の側から被検体１１を吸引する。これにより、被検体１１が第一のリザーバー２の側の貫通孔８の開口部から、伸張した状態で貫通孔８へと挿入される。その結果、予め配置されていた特異的結合物質１２とＤＮＡ（被検体１１）とがハイブリダイゼーションを起こすことにより、蛍光標識検体１３ができる。
　次に、センサチップ１の上方より励起光発生装置１４で発生した励起光Ｌ１をハーフミラー１６およびレンズ１５を用いて蛍光標識検体１３に照射する。これにより、蛍光標識検体１３から射出する蛍光Ｌ２の光強度が蛍光検出装置１７により検出される。そして、補正された蛍光Ｌ２の補正蛍光強度が表示部（図示せず）に表示される。
　また、このようなシステムを用いて、検出したい塩基に相補的または非相補的な蛍光プライマーを用いてポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ　Ｃｈａｉｎ　Ｒｅａｃｔｉｏｎ）を行い、増幅の有無を検出することで、一塩基多型（ＳＮＰ：Ｓｉｎｇｌｅ　Ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ　Ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍ）を検出できる。
　次に図面を用いて、センサデバイスの製造方法を詳細に説明する。図３Ａ～図３Ｈは、本発明の実施の形態１におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。
　センサチップ１の基体５として、Ｓｉ（１００）単結晶基板を用いた場合について説明する。Ｓｉ（１００）単結晶基板の他にも例えば、Ｓｉ単結晶材料を用いたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、一部また全体にホウ素などの元素がドーピングされた基板、さらには、ガラス等にＳｉ（１００）単結晶が貼りあわされた基板、Ｓｉ薄膜が形成された基板などを用いてもよい。すなわちＳｉがナノオーダーで形成されたものであればよい。Ｓｉは、単結晶、アモルファス状、多結晶状など特に結晶状態は問わず、任意の元素が添加されたものであってもよい。流通性や加工性、汎用性の観点から、本実施の形態では、Ｓｉ単結晶基板を主に用いる。
　図３Ａに示すように、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、基体５の上面にレジスト１８をパターニングする。この時、レジスト開口部１９を１～５μｍ×１０～１０００μｍの長方形形状で形成する。
　次に図３Ｂに示すように、レジスト開口部１９に対して、Ｓｉの垂直エッチングを実施しスリット部７を形成する。エッチングには、シリコンの垂直加工が可能なＢｏｓｃｈプロセスを用いる。例えばエッチングを促進するガスとしてＳＦ６を用い、エッチングを抑制するガスとしてＣ４Ｆ８を用い、これらのガスを交互に用いることで、Ｓｉを垂直方向にエッチングできる。なお、この他にもエッチングを促進するガスとしてはＣＦ４、抑制するガスとしてはＣＨＦ３等を用いることができる。上記エッチングにより垂直なスリット部７を、深さ方向に２μｍ～５０μｍ形成する。
　なお、スリット部７の形状の制御性を考慮すると、垂直エッチングを用いるのが望ましい。しかし、等方性エッチングを用いて半円形状や半楕円形状など、任意の形状にしても構わない。
　次に図３Ｃに示すように、スリット部７の側壁を保護膜２０により保護する。プラズマＣＶＤを用いることにより、スリット部７の側壁に対してエッチング耐性の高いフロロカーボンからなる保護膜２０を被覆できる。ガスとしては、Ｃ４Ｆ８やＣＨＦ３等が用いられる。この際に、スリット部７の底面にも保護膜２０が形成されるが、イオンの垂直性を高めたドライエッチングを用いて、選択的に底面の保護膜２０のみを除去できる。この際にはガスとしてＳＦ６やＣＦ４などを用いることができ、基体５に対して自己バイアス電圧を印加することによりイオンの垂直性を高めることができる。また、プロセス圧力を減少させることによってもイオンの垂直性を高めることができる。
　スリット部７の深さ、もしくはアスペクト比が大きいほど、底面への保護膜２０の到達が困難になるため、除去する必要のある保護膜２０の量が少なくなるまたは除去する必要がなくなる。
　なお、保護膜２０にはフロロカーボン以外にも、ＳｉＯ２やフォトレジスト、Ａｌ、Ｃｒ、ＳｉＮなど次のプロセスの際に耐性のある任意の材料を選択できる。
　次に図３Ｄに示すように、ＸｅＦ２ガスを用いて、スリット部７の先端（すなわち図３Ｄに示す基体５の中央部）に直径が２～７０μｍとなるような管部形成部２１を等方性のエッチングにより形成する。エッチングの方式はＳｉのエッチングが可能な任意の方法を用いればよいが、等方性のエッチングを用いることにより、真円に近い断面を持った筒状の管部６の構造を精度良く形成できる。等方性エッチングには、ＣＦ４などのプラズマを使った方式とＸｅＦ２などのプラズマを使わない方式のいずれか一方を任意に選択できるが、プラズマを使わない方式が望ましい。プラズマを使わない方式では、ガスの流量をコントロールすることにより、Ｓｉに対して等方性のエッチングを制御よく行うことが可能であり、プラズマを用いないためダメージが少ない。
　エッチングガスとしては、ＳＦ６、ＣＦ４、Ｃｌ２、ＣｌＦ３、ＢｒＦ３、Ｆ２、ＸｅＦ２などのＳｉをエッチング可能なガスを用いることができる。特に、ＸｅＦ２によるエッチングは、ＳｉＯ２やフォトレジスト、Ａｌ、Ｃｒなどのマスクに対して選択性が１０００以上と非常に高く、ＳｉＮに対してもかなり高い選択性があるため望ましい。
　次に図３Ｅに示すように、必要に応じてレジスト１８および保護膜２０を除去する。このとき、管部形成部２１の断面の最大寸法Ｂ１をスリット部７の光路部１０を形成する部分の断面の最小寸法Ａ１よりも大きくすることにより、真円に近い断面を持った筒状の貫通孔８の構造を得ることが容易になる。こうすることにより、後で説明する図３Ｈに示すように、貫通孔８の開口部と平行な面において、管部６の幅Ｂ２が光路部１０の幅Ａ２よりも大きくできる。
　管部形成部２１の断面の最大寸法Ｂ１が、光路部１０の断面の最小寸法Ａ１と同等か、あるいは最小寸法Ａ１よりも小さな場合、真円に近い断面を持った貫通孔８を形成するのが困難となる。
　その後、図３Ｆに示すように、酸化膜体２２として機能するＳｉＯ２層などの透光性の材料を、熱酸化によりセンサチップ１の全体に被覆する。
　センサチップ１に被覆する酸化膜体２２の材料としては、ＳｉＯ２層が望ましい。熱酸化によりＳｉＯ２層が流動を開始する温度（すなわち軟化点）が約１１６０℃であり、Ｓｉの融点（約１４００℃）よりも低いためである。さらにＳｉＯ２層は、Ｓｉとの密着性が良好であり、親水性であるので、被検体１１を測定する際に測定溶液との濡れ性がよいためである。酸化膜体２２は例えば、ＳｉＯ２層に類似の材料として、ＳｉＯ２にリンをドープしたＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ―Ｓｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）層、ボロンをドープしたＢＳＧ（Ｂｏｒｏ―Ｓｉｌｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）層、あるいはリンとボロンをドープしたＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ―Ｐｈｏｓｐｈｏ―Ｓｉｌｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）層などのドープトオキサイド層を形成してもよい。これらの他にも、上記のような特性を有する材料であれば用いることができる。
　熱酸化により酸化膜体２２を形成する方法は、高額な真空装置を必要とせず、簡易な方法により一度に複数基板の処理が可能であるので、生産性の観点から望ましい。また、熱酸化による方法を用いることによって、スリット部７及び管部形成部２１のそれぞれの形状に沿って、スリット部７及び管部形成部２１の表面にＳｉＯ２層を均一に形成できる。そのため、貫通孔８の形状がより容易となり、ナノスケールの貫通孔８を形成しやすくなる。
　具体的には、炉を９００℃～１１５０℃に加熱し、基体５を石英管内に置き、ガス導入口から酸素ガスを送り込み、Ｓｉを酸化させＳｉＯ２層を形成するドライ酸化を用いることができる。
　この他にも、酸素ガスと水素ガスを１：２の割合で送り込み、炉の導入口に近いところで水蒸気（Ｈ２Ｏ）を作り、これをＳｉ表面に送り酸化させるウエット酸化、ＨＣｌあるいはＣｌ２などのハロゲンを添加した雰囲気での酸化も使用できる。
　熱酸化により、酸素とＳｉがＳｉ表面で反応することで酸化が進行する。膜の成長と共に酸素が膜を通過し、ＳｉＯ２層とＳｉとの境界面で酸化反応する。つまり、酸化の過程でＳｉＯ２層とＳｉの界面は順次Ｓｉ内部に向かって移動する。ここで、ＳｉとＳｉＯ２の分子量と密度の差異から計算すると、ＳｉＯ２層の全厚さをｘとした場合、Ｓｉ基材のうち０．４５ｘの厚さに相当する部分がＳｉＯ２層になる。これらを考慮し、貫通孔８の形状に応じた任意のＳｉＯ２層の厚みを選択することが必要である。また、これより、ＳｉＯ２層の形成前のシリコン構造体の形状を推測できる。
　熱酸化によって、ＰＳＧ層、ＢＳＧ層、ＢＰＳＧ層などのドープトオキサイド層を形成する場合、あらかじめＳｉ製の基体５に所望の元素を添加すればよい。熱酸化およびリフロー時に、熱拡散により元素がＳｉＯ２層に導入されることにより、ドープトオキサイド層を得ることができる。
　Ｓｉ製の基体５への元素の注入には、イオン注入法を用いるのが適している。イオン注入法とはイオンを電気的に加速して個体にぶつけることで、特定の元素を基体５内に注入する方法であり、深さ方向の濃度分布の制御性がよい。これにより、より高精度に所望の元素を添加できる。その他にも、プラズマを用いた注入法や気相拡散あるいは固相拡散といった熱拡散を用いることができる。
　これらの元素の注入法を実施した場合には、基体５の添加元素に濃度勾配が生じる。また、ＳｉＯ２層にも熱拡散によって、元素が添加されるため、濃度勾配が生じる。
　さらに、パターニング等の技術を用いることにより、特定部位にのみ元素を注入することもできる。この場合、特定の部位のみ熱に対する挙動が異なるため、形状を高精度に制御できる。
　ＰＳＧの場合、典型的なドーパント濃度は、リン濃度で約６から８重量パーセントである。ＢＰＳＧの場合、典型的なドーパント濃度は、ボロンが１から４重量パーセント、およびリンが４から６重量パーセントである。リンの濃度が約７～８重量パーセントより高くなると、酸化物中のリンと大気中の水分との間で反応する。ボロンの濃度が約４重量パーセントより高くなると、高湿度において構造が不安定となる。
　ＳｉＯ２層で酸化膜体２２を形成した後に、Ｓｉの融点よりも低温かつＳｉＯ２層の軟化点以上の温度において、リフローする。これにより、図３Ｇに示すように、基体５に開口していたスリット部７が透過膜体９によって閉塞し、図３Ｈに示すように、真円に近い断面を持った筒状の貫通孔８が得られる。リフロー中の雰囲気は、大気中、Ｏ２、Ｎ２など特に問わないが、チップ表面との反応を防止したい場合には、Ｈｅ、Ａｒ等の希ガス族元素や反応性の低いＮ２などを用いるのが望ましい。
　さらに、リフローによって、貫通孔８の内部および貫通孔８の開口部における透過膜体９の面で二乗平均粗さＲｑが１．０ｎｍ以下となり、非常に平滑性に優れる。この二乗平均粗さＲｑは、表面粗さの分布を測定した際の、平均値から測定値までの偏差の二乗を平均した値の平方根で定義される。このような面形成により被検体１１が貫通孔８に導入される際に障害が少なく、容易に伸張して導入することが可能となる。
　ドープされていない熱酸化によって形成されたＳｉＯ２層の場合は軟化温度が１１６０℃と比較的高いが、ＰＳＧ層は、軟化点が１０００℃前後、ＢＳＧ層やＢＰＳＧ層の軟化点は約９００℃程度と軟化温度が低い。そのため、リフロー温度を低下することができ、生産性を向上できる。
　ＰＳＧ層以外であっても、ＣＶＤ法により形成したＳｉＯ２層とすれば、軟化点が１０００℃前後となるため、熱酸化によるＳｉＯ２層よりも軟化点が低くなり、約１０００℃の熱で溶融させることができ、生産性を向上できる。さらにＣＶＤ法により形成したＳｉＯ２層は、４００℃以上の温度において重合物の膜表面での流動性による自己平坦化特性を有する。ＣＶＤ法で形成する際に用いる原料としては、ＴＥＯＳ－Ｏ３が特に自己平滑性に優れているが、ＳｉＨ４－Ｏ２、ＴＥＯＳ－Ｏ２などのＳｉＨ４またはＴＥＯＳと酸化剤として作用するガスの組み合わせを用いることができる。
　酸化膜体２２となるＳｉＯ２層の形成方法としては他にも、ＣＶＤ法、スパッタリング法、化学溶液堆積法（ＣＳＤ法）などのＳｉ原料を供給する薄膜形成方法や熱溶融による方法が用いられる。
　薄膜形成方法により酸化膜体２２を形成する場合、ＣＶＤ法が望ましい。ＣＶＤ法は、段差被覆性に優れるとともに、汎用性に優れ、大量かつ高速に膜を形成できる。特にプラズマＣＶＤ法は低い温度で、緻密なＳｉＯ２層を形成でき、熱によるダメージや層間での相互拡散を抑制できる。ＣＶＤ法による形成には、上記の他にも、ＳｉＨ４またはＴＥＯＳに、酸化剤として作用するガスを組み合わせることができる。酸化剤として作用するガスとしては、Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２Ｏ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２などがある。
　ＣＶＤ法によってＳｉＯ２層を形成した場合も、図３Ｆに示すように、管部形成部２１およびスリット部７には透過膜体９が徐々に形成される。スリット部７の入り口の部分が管部形成部２１よりも狭いため、図３Ｇに示すようにスリット部７が閉塞し、図３Ｈに示すようにスリット部７には光路部１０が形成される。また、管部６には断面形状が真円形となるような筒状の貫通孔８ができる。熱酸化ではセンサチップ１の全面にＳｉＯ２層が形成されるのに対して、ＣＶＤ法では成膜の際に裏面になる部分にはＳｉＯ２層は形成されない。
　ＣＶＤ法の場合、ＰＳＧ層の作製には、ＳｉＨ４、ＰＨ３、Ｏ２のガスを用い、常圧で３５０℃～４５０℃の条件下で成膜することによりドープトオキサイド層を形成できる。ＢＳＧ層の場合、ＳｉＨ４、Ｂ２Ｈ６、Ｏ２のガス、ＢＰＳＧ層の場合、ＳｉＨ４、Ｂ２Ｈ６、ＰＨ３、Ｏ２のガスを用いればよい。酸化膜体には他にも、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｓｎ－Ｉｎ、Ｓｂ－Ｉｎ等を用いることができる。これらの酸化物は、可視光域において透過性を持つ。
　また、光路部１０を形成するスリット部７の深さやアスペクト比を大きくすることによっても、上記の管部６の断面の最大寸法Ｂ２を光路部１０の断面の最小寸法Ａ２よりも大きくすることと近似の効果が得られる。これはリフローの際に、溶融して接着し得る面積が大きくなるため、寸法差が小さくても、ナノオーダーの貫通孔径を制御できるからである。ここでアスペクト比とはスリット部７の幅に対する深さの割合である。
　特に、透過膜体９となるＳｉＯ２層の形成方法として、熱酸化ではなく、ＣＶＤ法、スパッタリング法、ＣＳＤ法などの薄膜形成方法を選択した場合はアスペクト比が重要となる。これは、スリット部７の深さが深い場合に、スリット部７の開口付近には薄膜が堆積しやすくなるため、管部６の断面の最大寸法Ｂ２が光路部１０の断面の最小寸法Ａ２よりも大きくなるためである。スリット部７の深さが１０μｍ以上であるか、もしくはアスペクト比が１０以上であることが望ましい。
　ＳｉＯ２層がＣＶＤ法により形成されたものか、熱酸化によるものかは、その屈折率あるいは密度を比較する事で確認できる。ＣＶＤ法によるＳｉＯ２層は、屈折率が約１．４６であり、熱酸化によるＳｉＯ２層は、屈折率が約１．４８となる。なお、この屈折率は、６３２．８ｎｍ波長のＨｅ－Ｎｅレーザーを用い、エリプソメトリで測定した値である。またＳｉＯ２層の密度は、直接測定することは困難な為、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）のエッチングレートから推定できる。ＢＨＦを用いた場合は、ＣＶＤ法によるＳｉＯ２層はそのエッチングレートが約２０Å／ｍｉｎとなり、熱酸化によるＳｉＯ２層は約６．８～７．３Å／ｍｉｎとなる。ここでＢＨＦとは６８０ｍｌのＨ２Ｏに１１ｇのＮＨ４Ｆを加えた溶液から１００ｍｌを取り出し、４８％のＨＦを１０ｍｌ加えた溶液である。
　軟化点以上のリフローを十分行った場合には貫通孔８の断面形状は徐々に真円に近づいていく。貫通孔８の断面形状はリフローの条件とＳｉＯ２層の形成厚みによって変化する。
　図４は、本発明の実施の形態１における他のセンサチップの側面図である。熱酸化によって形成されたＳｉＯ２層の成長速度は、方位に依存し、一般的に（１１０）面の方が（１００）面よりも速い。そのため、ＳｉＯ２層に被覆された貫通孔８の断面は、真円形状を形成しにくく、一般的には図４に示すような四角形状を示す。ＳｉＯ２層が厚いほど、この傾向は強くなる。また、熱酸化の温度によっても、（１１０）面と（１００）面のレート差が異なる。例えばリフローの温度を低く、または時間を短くした場合には、四角形状が比較的保たれた形状となる。一方例えばリフローの温度を高く、または時間を長くした場合には、大きな形状変化を引き起こすため、断面形状はほぼ真円となる。
　リフローの条件を適切に設定することで、貫通孔８の孔径はスリット部７の開口部の孔径よりも小さな孔径の任意の大きさに制御できる。例えば、１０μｍ～数ｎｍの範囲に孔径の大きさを制御できる。
　なお、ＤＮＡは立体的な構造を有しているため、貫通孔８の断面形状は必ずしも真円である必要はない。ＤＮＡや測定する被検体の形状や状態によって、最適な形状を選択できる。最後に、センサチップ１の貫通孔８が貫通する方向で、かつセンサチップ１を介して相対向するように第一のリザーバー２と第二のリザーバー３を形成するためにフォトリソグラフィーおよびエッチングを実施する。エッチングには、Ｓｉの垂直加工が可能なＢｏｓｃｈプロセスを用いる。第一のリザーバー２と第二のリザーバー３の深さは、少なくとも貫通孔８が形成されている領域よりも深ければよく、１０μｍ～４００μｍ程度である。
　第一のリザーバー２と第二のリザーバー３の封止が必要な場合には、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などのＳｉ樹脂、ガラス、Ｓｉ、石英などが用いられる。特にＰＤＭＳ樹脂は成形しやすく、表面の活性度が高いのでＳｉ、石英、ガラス等を、接着剤を用いることなく強固に密着できる。これらを適宜、パターニングすることで第一のリザーバー２と第二のリザーバー３に連通する貫通孔８を形成する。第一のリザーバー２と第二のリザーバー３の封止は必ずしも必要な要件ではない。
　本実施の形態では、図３Ｄに示すように、円筒状の管部形成部２１と直方体のスリット部７が明確に分かれた構造とした。しかし、図５Ａ、図５Ｂのように、管部形成部２１とスリット部７が明確に分かれていなくても同様の効果が得られる。図５Ａ、図５Ｂに示す構造は、スリット部７の側壁に形成する保護膜２０の長さを変化させることにより得られる。
　さらに、センサチップの作製の途中で、成膜条件などの条件を変えることによっても管部形成部２１の形状を変化できる。これには、エッチングの方式自体を変更する方法とエッチングの条件を変更する方法が考えられる。エッチングの方式自体を変更する方法とは、例えば、はじめにＢｏｓｃｈプロセスによって垂直な側面を持つスリット部７を形成した後に等方性のシリコンエッチングを行う。すると、図５Ｃに示すように、垂直な管部形成部２１の中心部に最広部を持つような、全体的に曲率を持つ形状となる。エッチング条件を変更する方法とは、たとえばＢｏｓｃｈプロセスにおいて、所定の深さの垂直な側面を持つスリット部７を形成した後に、エッチングの条件を変更することにより、エッチングガスの垂直性を低下させるようにした場合である。この場合も垂直な管部形成部２１の中心部に最広部を持つような、全体的に曲率を持つ形状となる。
　上記の他にも、レジストのパターニングを行った後に、Ｃｌ２を用いた反応性イオンエッチングでエッチングをすることにより、管部形成部２１の形状を変化できる。この場合、スリット部７の側面がえぐれ、底部にはサブトレンチと呼ばれる微細な溝が形成される。この側面のえぐれはラジカルによる反応ではなく、斜めに入射するイオンがエッチングに支配的であるためである。なお、この場合、保護膜２０は必ずしも必要ではない。
　図６Ａは、本発明の実施の形態１における他のセンサチップの製造途中の斜視図である。図６Ｂは、本発明の実施の形態１における他のセンサチップの上面図である。
　基体５の端部が大きくエッチングされるようにパターニングすることによって、図６Ａに示すように、上面から見て凹凸を有するスリット部７を形成する。これにより図６Ｂに示すように、貫通孔８の両端部に貫通孔８よりも大きな窪み部２３が連通される。等方性エッチング時に、大きな開口パターンが形成されていると、エッチングガスのコンダクタンスが向上し、エッチングレートが増大することにより窪み部２３が得られる。すなわち貫通孔８のリザーバーに隣接した端部に、開口径が数十～数百ｎｍ程度の窪み部２３が形成される。
　上記のような構造により、ＤＮＡの整流作用の効果が向上し、ＤＮＡの伸張がより高精度に実施されることで、測定の高精度化が可能となる。なお、ＤＮＡの吸引を行う第一のリザーバー２側の貫通孔８の開口部のみに、窪み部２３を形成してもよい。
　なお、第一のリザーバー２側の貫通孔８開口部に複数の柱（図示せず）を形成しても良い。
　図７Ａは、本発明の実施の形態１における他のセンサチップの製造途中の斜視図である。図７Ｂは、本発明の実施の形態１における他のセンサチップの上面図である。
　レジストパターニング時に基体５の中央部が大きくエッチングされるように、図７Ａに示すように例えば楕円形状にパターニングすることによって、上面から見て凹凸を有するスリット部７を形成できる。これにより、図７Ｂに示すように、貫通孔８の両端部に貫通孔８の最細部２４が形成された形状となる。等方性エッチング時に、小さな開口パターンが形成されていると、エッチングガスのコンダクタンスが悪化し、エッチングレートが低下し、最細部２４が得られる。すなわち貫通孔８の第一のリザーバー２と第二のリザーバー３に隣接した端部に、最細部２４を形成される。
　上記のような構造により、貫通孔８の最細部２４によりＤＮＡを伸張させ、貫通孔８の中央部に制限酵素などのＤＮＡに作用する酵素を組み込むことで、ＤＮＡの切断、培養、接着等の反応を行える。なお、被検体１１が流入する第一のリザーバー２側の貫通孔８の開口部のみに、最細部２４を設けてもよい。
　なお、図７Ｃに示すように、センサチップ１を複数個並列に並べてもよい。その場合、一度に複数の被検体１１がそれぞれの貫通孔８内を通ることになるので、測定の効率が向上する。
　また、電気浸透流（界面で生じる荷電層のずり応力）をかけ、ＤＮＡ（被検体１１）をファイバ化してもよい。ＤＮＡは溶液中で、ずり応力の向きに沿ってファイバ化されるため、乾燥せずに切れにくく、方向制御が容易という特徴がある。さらに、電圧の強弱によりＤＮＡのファイバ化を調節できる。ＤＮＡは電圧をかけている間はファイバ化するが止めると凝集するので、電気浸透流により、塩基１分子ごとの電流を高精度に測定できる。
　本実施の形態においては接合や封止などのプロセスを用いないので、生産性の高いセンサチップ１を作製できるのと同時に、信頼性を向上できる。生産を行う上で接合や封止などを行う場合、微小な隙間が発生する場合がある。微小な隙間であってもセンサチップが正常に機能できなくなるが、この微小な隙間は検査でも、検出が困難である。本実施の形態においては接合や封止などのプロセスを用いないため、隙間の発生が起こらず、信頼性を向上できる。
　なお、本実施の形態において作製されたセンサチップ１の使用方法としては、ＤＮＡをナノ流路中において伸張させることにより、蛍光方式を用いてＳＮＰ解析を行うことに限らない。微小な貫通孔８に被検体１１を捕捉することにより、被検体１１を固定化し、電気生理学的な測定や蛍光分子を用いた測定によりバイオセンシングする手法にも適用できる。また、ナノオーダーの貫通孔８内にＤＮＡが挿入され通過する際の貫通孔８内を流れる電流の塩基依存性から塩基配列を決定（シーケシング）する手法にも適用できる。すなわち様々な用途に適用が可能である。
　なお、本実施の形態においては、被検体１１としてＤＮＡを用いた蛍光測定について説明したが、ナノチューブやナノファイバーの蛍光測定も行うことができる。例えばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いる場合は、発光能を有するために、貫通孔８内壁に特異的結合物質を配置しておく必要がなく、蛍光強度を検出できる。
　なお、本実施の形態のセンサチップは、冷凍中または真空中もくしは純水中に保管されるのが望ましい。光学的検出を行う際に、光学検出を阻害する物質、例えばＣＨ３基、ＣＯＯＨ基、等の有機物がセンサチップ表面に吸着したりするとセンサデバイスの感度が著しく低下する。これらは、光学的なバックグラウンドノイズの増加につながるためである。
　通常、このような吸着阻害物質は、例えば、センサデバイスに用いられている樹脂材料や接着材から揮発する有機化合物であったり、雰囲気内に微量に存在する有機化合物であることが多い。
　センサチップ１を低温で保管することによってこれらの物質の揮発を極めて少なくできる。また、これらの物質が雰囲気内に存在していたとしても、低温であるため運動エネルギーが低くなり、表面に存在している分子への結合・付着が起きにくくなる。このため、センサデバイスの貫通孔８の表面に不要な吸着阻害物質が付着しにくくなる。
　センサチップ１の保管温度は１０℃以下、さらには４℃以下であることが望ましく、氷点下であることがより望ましい。すなわち－１０℃以下である氷点下の低温環境に保管することが望ましい。
　この時、センサチップ１を保管するパッケージ（図示せず）内の雰囲気は、ヘリウム、窒素、アルゴン、クリプトン、６フッ化硫黄など、室温以下の環境で通常不活性であるガスもしくは真空中であることが好ましい。
　真空中で保管された場合、雰囲気に元々存在している有機化合物の除去が可能となる。真空で保管する場合には、一般的には汎用的なローターリーポンプが用いられることが多いが、オイルフリーなドライポンプを用いることが望ましい。ドライポンプを用いることで、パッケージ内に含まれるオイル成分による汚染を除去することが可能となる。
　純水中で保管する場合は、有機物が純水中に溶解するために運動エネルギーが低下し、センサチップへの結合・付着が起きにくくなる。純水中で保管される場合、純水そのものからの汚染を低減するために、ＴＯＣ（Ｔｏｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃａｒｂｏｎ）が０．０５μｇ／Ｌ未満、電気抵抗率（比抵抗）が１８ＭΩ・ｃｍ以上の純水を用いることが望ましい。ここでＴＯＣとは水中の酸化されうる有機物の量を炭素の量で示した値である。
　他にも、透過膜体９にＳｉＯ２を用いた場合、表面をＮで置換することにより、吸着阻害物質の付着を低減できる。ＳｉとＯの結合エネルギーと比較して、Ｓｉ－Ｎの結合エネルギーは高いため、吸着阻害物質に結合が置き換わる可能性が低減する。置換する以外にも、ＣＶＤ法やスパッタ法、ＣＳＤ法、ＡＬＤ法等による成膜を用いてもよい。特に、ＡＬＤ法は極めて薄い薄膜を形成することが可能となるので、貫通孔８の制御性に優れるため望ましい。
　置換をする場合には、プラズマ窒化、熱窒化などが用いられる。これらの方法は、貫通孔８の制御性に優れるため望ましい。中でも装置の生産性や製造コスト等を考慮すると、熱窒化が優れている。
　表面のＳｉ、Ｎ、Ｏの組成比は、特に限定されるものではない。Ｎの組成比が高くなるほど吸着阻害物質の付着を低減効果は高くなるが、一方で応力が発生しやすくなる。そのため、これらを総合的に判断し、選択することが望ましい。表面のＳｉ、Ｎ、Ｏの組成比は、温度、時間、雰囲気によって任意に制御可能である。
　熱窒化をしているかどうかは、グラジェント分布（組成の濃度勾配）を持つことや、チップ全体において均一にＮが存在していることから、判断が可能である。Ｓｉ、Ｎ、Ｏの組成は温度、時間、雰囲気、グラジェント分布によって任意に制御できる。
　さらに貫通孔８の制御性を向上させたい場合には、貫通孔８内にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を挿入する。挿入の際には、純水等の溶媒中に分散させた液を第一のリザーバー２に投入する。さらに、第二のリザーバー３から吸引することにより、ＣＮＴを貫通孔８内に挿入できる。
　酸化性のガスを遮断した状態において、リフローを実施することが好ましい。酸化性のガスを遮断することによって、ＣＮＴはリフロー中も残留する。そのため、貫通孔８の直径はＣＮＴの径によって制御が可能となる。ＣＮＴの直径は０．４から数十ｎｍであるため、貫通孔８の直径の大きさに合わせて最適な径を持つＣＮＴを選択することが必要である。
　酸化性のガスを遮断した状態とは、酸化性ガスの分圧が低い状態のことを指し、他のガスが含まれていてもよい。ＣＮＴはリフロー後に、例えばＯ２アッシング等の炭素が除去可能なプロセスを用いることによって除去が可能である。
　貫通孔８に挿入する材料としては、ＣＮＴに限定されるものではない。ＣＮＴ以外にも、セルロース等の有機材料、ＳｉＯ２等の無機材料やそれらを複合化された材料であってもよい。望ましくは、センサチップを構成する素材とは異なる材質によって構成され、選択的に除去可能な材料を用いるのがよい。
　（実施の形態２）
　図８Ａ～図８Ｄは、本発明の実施の形態２におけるセンサチップ２０１の製造工程を示す側面図である。なお、実施の形態１で説明した箇所と同じ箇所については説明を省略する。本実施の形態は、実施の形態１に対してプロセスの工数が低減され、より簡易にセンサチップが得られる。
　図８Ａに示すように、Ｓｉなどからなる基体２０５の上面に、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、レジスト２１８のパターニングを実施する。レジスト開口部２１９を２μｍ×１０μｍ～２μｍ×１０００μｍの四角形状に形成する。
　次に図８Ｂに示すように、逆テーパの形状にエッチングを行い、管部形成部２２１を形成する。Ｓｉをエッチングできるガスとして、ＳＦ６、ＣＦ４、Ｃｌ２、ＣｌＦ３、ＢｒＦ３、Ｆ２、ＸｅＦ２などを用いることができ、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）が用いられる。反応室内でエッチングガスに電磁波などを与えプラズマ化し、同時に試料を置く陰極に高周波電圧を印加する。すると試料とプラズマの間に自己バイアス電位が生じ、プラズマ中のイオン種やラジカル種が試料方向に加速されて衝突する。その際、イオンによるスパッタリングと、エッチングガスの化学反応が同時に起こり、微細加工に適した高い精度でのエッチングが行える。
　エッチングが強いと逆テーパ形状が大きくなる。エッチングを強くするためには、エッチングガス量の増加、エッチングサイクル時間の増加、自己バイアスの増加、自己バイアス印加時間の増加などが有効である。この際に形成できる逆テーパの角度は約１５度である。
　実施の形態１と同様に必要に応じてレジスト２１８を除去し、図８Ｃに示すように、熱酸化によりＳｉＯ２層などの酸化膜体２２２をセンサチップ２０１全体に被覆する。さらに、Ｓｉの融点よりも低温かつＳｉＯ２層の軟化点以上の温度においてリフローすることにより、図８Ｄに示すような透過膜体２０９からなる光路部２１０及び貫通孔２０８を形成する。
　貫通孔２０８の断面形状は、リフローの温度が高いまたは時間が長いといった場合には、大きな形状変化を引き起こすため、ほぼ真円の形状となりやすい。一方、リフローの温度が低いまたは時間が短いといった場合には、貫通孔２０８の断面形状は三角状になる。被検体１１の形状や状態によって、最適な形状を選択できる。
　（実施の形態３）
　図９Ａ～図９Ｄは、本発明の実施の形態３におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。なお、実施の形態１で説明した箇所と同じ箇所については説明を省略する。本実施の形態は、熱酸化は必ずしも必要ではなく、工程の簡略化を図ることで生産性のよいセンサチップを得ることができる。
　本実施の形態は、基材３００の上に透過膜体３０９として例えばＳｉＯ２層が形成されている基体３０５を用いる。基材３００の材質は特に問わず、基材３００の上に透過膜体３０９が形成されていればよい。ただし、基材３００はＨＦまたはＢＨＦなどのプロセスに適合性の高い材質を用いるのが好ましい。特に、ＨＦまたはＢＨＦによってエッチングが進行しないＳｉ単結晶材料を用いるのが望ましい。
　透過膜体３０９であるＳｉＯ２層の形成方法は特には問わず、ドープトオキサイド法でもよい。ただし、汎用性に優れ、大量かつ高速に膜を形成するのに最も適しているＣＶＤ法が望ましい。ＳｉＯ２層の厚みは、２μｍ～５０μｍである。
　図９Ａに示すように、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、透過膜体３０９の上にレジスト３１８のパターニングを行う。その後、反応性イオンエッチングを用いて、透過膜体３０９であるＳｉＯ２層のエッチングを行い、スリット部３０７を形成する。この場合、エッチングのテーパは特に問わず、エッチング深さはＳｉＯ２層の厚みに応じて、透過膜体３０９の中間でストップする形状とする。
　次に図９Ｂに示すように、スリット部３０７の側壁の保護膜３２０を形成し、底面の保護膜を除去をした後に、ＨＦまたはＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いて、透過膜体３０９を等方性エッチングする。この際、等方性エッチングで形成される管部形成部３２１の直径をスリット部３０７の幅よりも大きくする必要がある。これらを考慮し、透過膜体３０９の厚み、反応性イオンエッチングのエッチング深さ、等方性エッチングの条件が定められる。これにより、図９Ｃに示すようなスリット部３０７および管部形成部３２１を形成する。
　ＨＦまたはＢＨＦ以外にもＳｉＯ２層をエッチング可能なガスをラジカル状態にして等方的にエッチングを行うこともできる。これは、プラズマ化したエッチングガスを、ガスに異方性を持たせるような自己バイアスなどを用いずに、エッチングを実施する方法である。ＣＦ４、ＣＨＦ３等のフロロカーボンガスに適宜Ｏ２やＡｒ等のガスを添加してエッチングガスが得られる。
　実施の形態１と同様に必要に応じて保護膜３２０およびレジスト３１８を除去し、Ｓｉの融点よりも低温かつＳｉＯ２層の軟化点以上の温度においてリフローすることにより、図９Ｄに示すように貫通孔３０８が形成される。このとき、スリット部３０７に形成された透過膜体と、管部形成部３２１に形成された貫通孔３０８を除く透過膜体とはそれぞれ透過膜体３０９と一体化している。すなわち管部と光路部が区別なく一体になっている。
　他にも、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、レジストのパターニングを実施した後、反応性イオンエッチングを用いて、逆テーパ形状のＳｉＯ２層のエッチングを用いることで、図９Ｄに示すセンサチップを得ることができる。すなわち本実施の形態において、実施の形態２に示したエッチング形状を適用してもよい。
　（実施の形態４）
　図１０Ａ～図１０Ｄは、本発明の実施の形態４におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。本実施の形態の場合、実施の形態３における効果に加え、ＳｉとＳｉＯ２のエッチングレートの違いを利用することで、高精度に形状の制御されたセンサチップを作製できる。
　本実施の形態では、Ｓｉからなる基材４００の上に透過膜体４０９としてＳｉＯ２層が形成されている基体４０５を用いる。通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、透過膜体４０９の上面にレジスト４１８のパターニングを行う。その後、反応性イオンエッチングを用いて、図１０Ａに示すように、透過膜体４０９であるＳｉＯ２層のエッチングを行う。
　ＣＨＦ３とＡｒの混合ガスを用いてエッチングを行う。ＣＨＦ３はＳｉＯ２層の表面では、重合膜が形成されにくいが、Ｓｉの表面ではフロロカーボンからなる重合膜を形成する。そのため、ＳｉＯ２層のみがエッチングされることになり、エッチングはＳｉの表面でストップする。
　次にＸｅＦ２ガスを用いて、図１０Ｂに示すように等方性のエッチングを行い、管部形成部４２１を形成する。このとき、Ｓｉの表層から断面形状において、半円上にエッチングが進行する。
　実施の形態１と同様に必要に応じてレジスト４１８を除去し、図１０Ｃに示すように、熱酸化によりＳｉＯ２層などの酸化膜体４２２によってセンサチップ４０１全体に被覆する。さらに、Ｓｉの融点よりも低温かつＳｉＯ２層の軟化点以上の温度においてリフローすることにより、図１０Ｄに示すように貫通孔４０８が得られる。
　本実施の形態により、高さ方向に高精度に形状の制御されたセンサチップ４０１を作製できる。
　（実施の形態５）
　図１１Ａ～図１１Ｃは、本発明の実施の形態５におけるセンサチップの製造工程を示す側面図である。本実施の形態では、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を基体５０５として用いることで、高精度に形状の制御されたセンサチップを作製できる。
　ＳＯＩ基板は、表面層５０２Ａ、５０２ＢとしてＳｉ、中間層５０３としてＳｉＯ２層またはドープトオキサイド層を用いる。特に、ＳＯＩが汎用性や加工性の観点において優れている。Ｓｉの厚みは、２μｍ～５０μｍである。
　通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、レジスト５１８のパターニングを行う。その後、Ｂｏｓｃｈプロセスを用いて、Ｓｉの垂直加工を行い、スリット部５０７を形成する。その際に表面層５０２Ａを貫通し、中間層５０３に到達するまでエッチングを行う。
　さらに続けてエッチングを行うと、表出した中間層５０３の表面にエッチングイオンが蓄積されていく。そのため、エッチングイオンと中間層５０３の表面に蓄積したエッチングイオンとが反発し、エッチングイオンが横方向へと進行し始める。そのため中間層５０３の近傍において、徐々にテーパ状に大きくなった凹部５２５が形成される。基体５０５を二種類の導電体である表面層５０２Ａ、５０２Ｂと、絶縁体である中間層５０３の積層構造とすることによって、エッチングイオンは中間層５０３の表面に蓄積されやすくなり、また蓄積したエッチングイオンと進入してきたエッチングイオンが反発しやすくなる。その結果、エッチングが横方向へと進行しやすい状態となり、図１１Ａに示すように凹部５２５が形成される。凹部５２５の幅は１μｍ程度である。この深さはエッチング時間によって制御できる。この現象は一般的にノッチングと呼ばれる。
　また、アンダーカットと呼ばれる現象が同時に生じる。絶縁体を介してＳｉをエッチングする際、エッチングされた絶縁体側壁がチャージアップされ、プラズマ活性種の進入方向が曲げられ等方的にエッチングが進行する。これらの効果により、中間層５０３の表層において、横方向に広がった形状が形成される。
　実施の形態１と同様に必要に応じてレジスト５１８を除去し、図１１Ｂに示すように、熱酸化によりＳｉＯ２層などの酸化膜体５２２によってセンサチップ５０１全体を被覆する。さらに、Ｓｉの融点よりも低温かつＳｉＯ２層の軟化点以上の温度においてリフローすることにより、図１１Ｃに示す貫通孔５０８を形成することができる。
　（実施の形態６）
　図１２は、本発明の実施の形態６におけるセンサデバイスの断面図である。本実施の形態では、蛍光を用いたＤＮＡの配列解析に加え、電気的にＤＮＡの配列を解析できる。
　第一のリザーバー２に第一の電極２５を、第二のリザーバー３に第二の電極２６を設置する。第一の電極２５、第二の電極２６には、Ａｇ－ＡｇＣｌ電極を用いる。このような電極配置によってイオン電流の検知できる。
　一般的に、ＤＮＡ（被検体１１）の断片が電圧を印加した貫通孔８を通過すると、塩基であるＡ、Ｇ、Ｃ、Ｔが生み出すイオン電流は微妙に異なる。その違いを検出することで１分子のＤＮＡ配列を決定できる。本実施の形態においては、第一のリザーバー２と第二のリザーバー３とにＡｇ－ＡｇＣｌ電極を配置して、イオン電流を検出できる。
　センサチップ１で仕切られたリザーバーの１つ（例えば第一のリザーバー２）に被検体１１として１本鎖のＤＮＡを入れ、第一のリザーバー２と第二のリザーバー３とに配置された第一の電極２５と第二の電極２６に７０～３００ｍＶの電圧を印加して、電極間に流れる電流を測定する。
　被検体１１が貫通孔８を通過すると、貫通孔８を流れる電流がブロックされ、電流値が急激に減少する。被検体１１の通過が終了すると、再び貫通孔８内を流れる電流値が上昇し、元の値に戻る。電流値の大きさと、電流が減少する時間を解析することにより、被検体１１と貫通孔８との相互作用、被検体１１の形状（二次構造、長さ、塩基配列）などの情報を取得できる。特にオリゴヌクレオチドの無標識検出に有効な手法である。
　なお、第一の電極２５と第二の電極２６はセンサチップ１に一体化されていてもよい。その場合、センサチップ１の側面、すなわち第一のリザーバー２および第二のリザーバー３の側面にＡｇ－ＡｇＣｌ膜を第一の電極２５と第二の電極２６として蒸着等により形成すればよい。第一の電極２５と第二の電極２６の材料としては、他にも銅－硫酸銅や白金電極等のイオン化しにくい材料を用いることができる。
　（実施の形態７）
　図１３Ａは、本発明の実施の形態７におけるセンサチップの要部側面図である。図１３Ｂは、本発明の実施の形態７におけるセンサデバイスの透視斜視図である。図１３Ａにおいて、図３Ｈに示すセンサチップ１と同じ部分には同じ参照番号を付している。
　本実施の形態では、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）電界効果トランジスタの原理を利用したＩｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＳＦＥＴ）を用いることによって、小型化、高速検出と言った特徴を有する優れたセンサチップを形成できる。チャンネル媒体が電子や正孔の代わりに電解質イオンで作られているのを除いて、イオンの電界効果トランジスタ（ＩＦＥＴ）は半導体の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と同様である。
　図１３Ａに示すように、センサチップ７１は、被検体１１が配置される貫通孔８を有する管部６と、管部６と連続し、貫通孔８の延設方向に直交する方向に延びる光路部１０とを有する。
　センサチップ７１はさらに基体５を有する。基体５には第１の面（上面）に開口するスリット部が形成されている。管部６は基体５に埋め込まれ、貫通孔８は第１の面に平行に延びている。管部６は光透過性の透過膜体で形成されている。スリット部７は管部６と連結し、貫通孔８と同じ方向に延設されている。スリット部７内には、管部６と連続する透過膜体が形成されている。光透過性の透過膜体９と基体５との間には、電極膜２８が形成されている。
　図１３Ｂに示すように、センサチップ７１に形成された貫通孔８によって第一のリザーバー２と第二のリザーバー３とが連通されている。この構成では、貫通孔８に挿入された被検体１１の状態を、電極膜２８を用いて計測できる。
　電極膜２８は、均一な厚みで形成されていることが望ましい。均一な電極膜２８を形成するためには、ＣＶＤ法またはＡＬＤ法が適している。電極膜２８の材料としては、多結晶シリコンを用いるのが適している。熱酸化により、透過膜体９を構成するためのＳｉＯ２が容易かつ均一に形成できるからである。さらに、Ｂ、Ｐなどの不純物をドープして抵抗値を制御することが可能であり、Ｓｉとの密着性にも優れる。
　電極膜２８である多結晶シリコンに対して熱酸化を実施する。熱による酸化は、酸素の多結晶シリコンへの拡散によって進行する。酸化の時間や温度を制御することによって、すべての多結晶シリコンがＳｉＯ２に変化するわけではなく、電気伝導率の高い多結晶シリコン層が残留する。その結果、電極膜２８として用いることができる。その後、リフローを行うことによって、ナノオーダーの貫通孔８が得られる。
　多結晶シリコン以外にも酸化およびリフローが可能な導電性の材料であればよい。例えば、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｓｎ－Ｉｎ、Ｓｂ－Ｉｎ等を用いることができる。これらの酸化物は、可視光域において透過性を持つ。
　最後に電極端子の取り出しのために、リソグラフィー技術を用いて、酸化膜体２２をエッチングし、取出し部２９を作製する。
　ＤＮＡの断片が貫通孔８を通過する際に、塩基であるＡ、Ｇ、Ｃ、Ｔが生み出す表面電荷によって、貫通孔８内はその反対の電荷を持ったイオン密度が高くなる。貫通孔８の孔径がデバイ長と同様の大きさである場合、反対の電荷を持ったイオンがメインの電荷輸送キャリアとして存在する。そのイオンをチャネルの電流として検出することにより、ＤＮＡの配列状態を検出できる。
　以上、本実施の形態では、上方に露出している面と中に貫通孔を有した透過膜体が光透過性の材料で形成されている。
　本発明によるセンサチップおよびこれを用いたセンサデバイスは、低コスト化および高生産性に優れ、タンパク質や遺伝子などのバイオセンシングに有用である。
　１，２０１，４０１，５０１，７１　　センサチップ
　２　　第一のリザーバー
　３　　第二のリザーバー
　４　　容器
　５，２０５，３０５，４０５，５０５　　基体
　６　　管部
　７，３０７，５０７　　スリット部
　８，２０８，３０８，４０８，５０８　貫通孔
　９，２０９，３０９，４０９　　透過膜体
　１０，２１０　　光路部
　１１　　被検体
　１２　　特異的結合物質
　１３　　蛍光標識検体
　１４　　励起光発生装置
　１５　　レンズ
　１６　　ハーフミラー
　１７　　蛍光検出装置
　１８，２１８，３１８，４１８，５１８　　レジスト
　１９，２１９　　レジスト開口部
　２０，３２０　　保護膜
　２１，２２１，３２１，４２１　　管部形成部
　２２，２２２，４２２，５２２　　酸化膜体
　２３　　窪み部
　２４　　最細部
　２５　　第一の電極
　２６　　第二の電極
　２８　　電極膜
　２９　　取出し部
　５５　　第１の面

Claims (19)

  1. 被検体が配置される貫通孔を有する管部と、
    前記管部と連続し、前記貫通孔の延設方向に直交する方向に延びる光路部と、
    を備え、
    前記管部および前記光路部が光透過性の透過膜体により形成されている
    センサチップ。
  2. 前記貫通孔の開口部と平行な面において、前記管部の幅が前記光路部の幅よりも大きい
    請求項１に記載のセンサチップ。
  3. 前記透過膜体がシリコン酸化物により形成された
    請求項１に記載のセンサチップ。
  4. 前記シリコン酸化物が熱酸化により形成された
    請求項３に記載のセンサチップ。
  5. 前記シリコン酸化物が熱溶融により形成された
    請求項３に記載のセンサチップ。
  6. 前記シリコン酸化物がＣＶＤ法により形成された
    請求項３に記載のセンサチップ。
  7. 前記透過膜体がドープトオキサイド層からなる
    請求項１に記載のセンサチップ。
  8. 前記貫通孔の開口部と平行な面において、前記貫通孔の断面形状が円形である
    請求項１に記載のセンサチップ。
  9. 前記貫通孔の内壁が親水性である
    請求項１に記載のセンサチップ。
  10. 前記貫通孔の内部および前記貫通孔の開口部における前記透過膜体の二乗平均粗さＲｑが１．０ｎｍ以下である
    請求項１に記載のセンサチップ。
  11. 前記貫通孔の端部が中央部よりも広くなっている
    請求項１に記載のセンサチップ。
  12. 前記貫通孔の端部が中央部よりも細くなっている
    請求項１に記載のセンサチップ。
  13. 前記管部は、基体によって保持されている請求項１に記載のセンサチップ。
  14. 第１の面に開口するスリット部が形成されている基体と、
    前記基体に埋め込まれ、前記第１の面に平行に延びる貫通孔を有する管部とを有し、
    前記管部は光透過性の透過膜体で形成され、
    前記スリット部は前記管部と連結し、前記貫通孔と同じ方向に延設されており、
    前記スリット部内には、前記管部と連続する光透過性の透過膜体が形成されている
    センサチップ。
  15. 前記貫通孔の開口部と平行な面において、前記管部の幅が前記スリットの幅よりも大きい
    請求項１４に記載のセンサチップ。
  16. 第１の面に開口するスリット部が形成されている基体と、
    前記基体に埋め込まれ、前記第１の面に平行に延びる貫通孔を有する管部とを有し、
    前記管部は光透過性の透過膜体で形成され、
    前記スリット部は前記管部と連結し、前記貫通孔と同じ方向に延設されており、
    前記スリット部内には、前記管部と連続する光透過性の透過膜体が形成されているセンサチップと、
    前記センサチップをはさんで配置された第一のリザーバーと第二のリザーバーと、
    を備え、
    前記第一のリザーバーと前記第二のリザーバーが前記貫通孔を介して連通している
    センサデバイス。
  17. 前記センサチップを並列に複数設けた
    請求項１６に記載のセンサデバイス。
  18. 前記第一のリザーバーに第一の電極を配置し、前記第二のリザーバーに第二の電極を配置した
    請求項１６に記載のセンサデバイス。
  19. 前記透過膜体と前記基体との間に、電極膜が形成されている
    請求項１６に記載のセンサデバイス。
PCT/JP2011/002815 2010-05-26 2011-05-20 センサチップおよびそれを用いたセンサデバイス WO2011148602A1 (ja)

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