(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-09
(45)【発行日】2022-11-17
(54)【発明の名称】ナノポア形成方法及び分析方法
(51)【国際特許分類】
G01N 27/00 20060101AFI20221110BHJP
H01L 21/306 20060101ALI20221110BHJP
B82Y 40/00 20110101ALI20221110BHJP
B82Y 35/00 20110101ALI20221110BHJP
B01J 19/08 20060101ALI20221110BHJP
C12M 1/00 20060101ALN20221110BHJP
C12M 1/34 20060101ALN20221110BHJP
C12Q 1/6869 20180101ALN20221110BHJP
【ＦＩ】
G01N27/00 Z
H01L21/306 E
B82Y40/00
B82Y35/00
B01J19/08 C
C12M1/00 A
C12M1/34 Z
C12Q1/6869 Z
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2018232501
(22)【出願日】2018-12-12
(65)【公開番号】P2020094894
(43)【公開日】2020-06-18
【審査請求日】2021-03-29
(73)【特許権者】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110002572
【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】柳 至
【審査官】中村 泰三
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－１８７６２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－１２０７３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００８００７２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／００６０２７６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０００－１９３６７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１９９０６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１６／１２９１１１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１５／０９７７６５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１８－５２３７５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１８－５３４７７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１６／１８１４６５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】MATSUI, Kazuma, et al.，Static charge outside chamber induces dielectric breakdown of solid-state nanopore membranes，Japanese Journal of Applied Physics，日本，2018年03月19日，Vol. 57 No. 4，P. 046702.1-046702.8
【文献】柳 至 , 外，2ステップ絶縁破壊によるナノポア形成-薄膜部分の形成と該部分の貫通によるナノポア形成-，2018年 第79回 応用物理学会秋季学術講演会［講演予稿集］，日本，2018年，P. 11-025
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２７／００
Ｈ０１Ｌ ２１／３０６
Ｂ０１Ｊ １９／０８
Ｂ８２Ｙ ４０／００
Ｂ８２Ｙ ３５／００
Ｃ１２Ｍ １／００
Ｃ１２Ｍ １／３４
Ｃ１２Ｑ １／６８６９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の水溶液及び第２の水溶液間にＳｉＮｘ膜を配置することと、第１の電極を前記第１の水溶液に接触させ、第２の電極を前記第２の水溶液に接触させることと、
前記第１の電極及び前記第２の電極に電圧を印加することと、を含み、
前記ＳｉＮｘ膜は、組成比が１＜ｘ＜４／３であり、
前記第１の水溶液及び前記第２の水溶液の少なくともいずれか一方は、ｐＨ１０以上であり、
前記ＳｉＮｘ膜の膜密度は、２．８ｇ／ｃｍ ３ 以上３．２ｇ／ｃｍ ３ 以下であることを特徴とするナノポア形成方法。
【請求項2】
請求項１のナノポア形成方法において、前記第１の水溶液及び前記第２の水溶液の少なくともいずれか一方は、ｐＨ１１よりも大きいことを特徴とするナノポア形成方法。
【請求項3】
請求項１のナノポア形成方法において、前記第１の電極及び前記第２の電極間を流れる電流が所定の閾値電流に到達した時点で、前記電圧の印加を停止することをさらに含むことを特徴とするナノポア形成方法。
【請求項4】
請求項１のナノポア形成方法において、前記ＳｉＮｘ膜の応力は、６００Ｍｐａ以上であることを特徴とするナノポア形成方法。
【請求項5】
請求項１のナノポア形成方法において、前記ＳｉＮｘ膜は、１／２００に希釈されたＨＦ水溶液によるエッチングレートが０．５ｎｍ／ｍｉｎ以下であることを特徴とするナノポア形成方法。
【請求項6】
請求項１のナノポア形成方法において、前記ＳｉＮｘ膜の膜厚は、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とするナノポア形成方法。
【請求項7】
請求項１のナノポア形成方法において、前記第１の水溶液及び前記第２の水溶液は、ＫＣｌ、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＣｓＣｌのうちの少なくとも１種が溶解していることを特徴とするナノポア形成方法。
【請求項8】
請求項１のナノポア形成方法において、前記第１の水溶液がｐＨ１０以上であり、前記第２の水溶液がｐＨ１０未満である場合、前記電圧は、前記第１の水溶液の電位が前記第２の水溶液の電位よりも低くなるように、前記第１の電極及び前記第２の電極に印加されることを特徴とするナノポア形成方法。
【請求項9】
請求項１のナノポア形成方法において、前記ＳｉＮｘ膜の表面もしくは内部に、前記ＳｉＮｘ膜と異なる膜が積層されていることを特徴とするナノポア形成方法。
【請求項10】
ナノポアを用いて測定対象物を分析する方法であって、第１の水溶液及び第２の水溶液間にＳｉＮｘ膜を配置することと、
第１の電極を前記第１の水溶液に接触させ、第２の電極を前記第２の水溶液に接触させることと、
前記第１の水溶液又は前記第２の水溶液に測定対象物を含有させることと、
前記第１の電極及び前記第２の電極に電圧を印加することにより、前記ＳｉＮｘ膜に前記ナノポアを形成することと、
前記測定対象物が前記ナノポアを通過する際の前記第１の電極及び前記第２の電極間の電流値を測定することで、前記測定対象物の分析を行なうことと、を含み、
前記ＳｉＮｘ膜は、組成比が１＜ｘ＜４／３であり、
前記第１の水溶液及び前記第２の水溶液の少なくともいずれか一方は、ｐＨ１０以上であり、
前記ＳｉＮｘ膜の膜密度は、２．８ｇ／ｃｍ ３ 以上３．２ｇ／ｃｍ ３ 以下であることを特徴とする分析方法。
【請求項11】
請求項１０の分析方法において、前記第１の水溶液がｐＨ１０以上であり、前記第２の水溶液がｐＨ１０未満である場合、前記測定対象物は、前記第２の水溶液に含有されることを特徴とする分析方法。
【請求項12】
ナノポアを用いて測定対象物を分析する方法であって、第１の水溶液及び第２の水溶液間にＳｉＮｘ膜を配置することと、
第１の電極を前記第１の水溶液に接触させ、第２の電極を前記第２の水溶液に接触させることと、
前記第１の電極及び前記第２の電極に電圧を印加することにより、前記ＳｉＮｘ膜に前記ナノポアを形成することと、
前記ナノポアの形成後、前記第１の水溶液及び前記第２の水溶液の少なくとも一方を、前記測定対象物を含有した水溶液に置換することと、
前記測定対象物が前記ナノポアを通過する際の前記第１の電極及び前記第２の電極間の電流値を測定することで、前記測定対象物の分析を行なうことと、を含み、
前記ＳｉＮｘ膜は、組成比が１＜ｘ＜４／３であり、
前記第１の水溶液及び前記第２の水溶液の少なくともいずれか一方は、ｐＨ１０以上であり、
前記ＳｉＮｘ膜の膜密度は、２．８ｇ／ｃｍ ３ 以上３．２ｇ／ｃｍ ３ 以下であることを特徴とする分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ナノポア形成方法及び分析方法に関する。
【背景技術】
【0002】
水溶液中に存在する分子や粒子の検出や解析を行う手段として、ナノポアデバイスを用いた技術が検討されている。ナノポアデバイスは、メンブレンに、検出対象となる分子や粒子と同程度の大きさの孔（ナノポア）を設け、メンブレンの上下に設けられたチャンバを水溶液で満たし、両チャンバ中の水溶液に接触するよう電極を設けたものである。チャンバの片側に検出対象物を導入し、電極間に電位差を与えて電気泳動させることによりナノポアを通過させ、両電極間に流れるイオン電流（封鎖信号）の時間変化を計測することで、検出対象物の通過を検出したり、検出対象物の構造的な特徴を解析したりすることができる。
【0003】
ナノポアデバイスの製造において、機械的強度が高いこと等の理由から、半導体基板や半導体材料を半導体プロセスにより加工してナノポアを形成する方法が注目を集めている。このようなナノポア形成方法として、例えば非特許文献１には、メンブレンとしてシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ膜）を用い、ＴＥＭ（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）装置を用いて、電子ビームの照射面積をメンブレン上に小さく絞り、エネルギーや電流をコントロールすることで、直径が１０ｎｍ以下のナノポアを形成することが開示されている。
【0004】
また、特許文献１、非特許文献２～４には、メンブレンの絶縁破壊を利用したナノポア形成方法が開示されている。これらの方法においては、まず、孔の空いていないＳｉＮｘメンブレンを挟む上下のチャンバに水溶液を満たし、各チャンバの水溶液中に電極を浸し、両電極間に高電圧を印加し続ける。電極間の電流値が急激に上昇して（メンブレンが絶縁破壊して）、予め設定したカットオフ電流値に到達したところでナノポアが形成されたと判断し、高電圧の印加を停止することで、ナノポアを形成する。本ナノポア形成方式は、ＴＥＭ装置を用いたナノポア形成に比べ、製造コストが大幅に削減され、スループットが向上するという利点がある。また、本ナノポア形成方式は、メンブレンにナノポアを形成した後、メンブレンをチャンバから取り外すことなく検出対象物の測定に移行できる。そのため、ナノポアが大気中の汚染物質に曝されることがなく、測定時のノイズが少なくなるという利点がある。
【0005】
ナノポアを用いた測定の用途として、ＤＮＡの塩基配列の解読（ＤＮＡシーケンシング）がある。すなわち、ＤＮＡがナノポアを通過する際のイオン電流の変化を検出することで、ＤＮＡ鎖中の４種塩基の配列の決定をするという方法である。
【0006】
ナノポアを用いた測定の別の用途としては、水溶液中の特定対象物の検出及び計数がある。例えば非特許文献５には、水溶液中に存在する特定配列のＤＮＡのみにＰＮＡとＰＥＧとを結合させ、ＰＮＡ及びＰＥＧが修飾されたＤＮＡがナノポアを通過する際のイオン電流の変化を測定することで、特定配列を有するＤＮＡの検出や計数を行うことが開示されている。
【0007】
このようなナノポア計測においては、メンブレンに電圧を印加しながら対象物の計測を行なうため、メンブレンへの印加電圧に対する破壊耐圧（以後、絶縁破壊耐圧と称する）が高いことが望ましい。つまり、ナノポア計測において、計測に必要な電圧を長時間印加しても絶縁破壊されにくいメンブレンを用いることが望ましい。また、計測前のセットアップ時に発生した静電気によって高電圧がメンブレンに印加され、メンブレンが絶縁破壊するという現象も知られている（非特許文献６）。このような静電気由来の高電圧による絶縁破壊を防ぐためにも、絶縁破壊耐圧が高いことが望ましい。従って、高電圧が印加されても絶縁破壊されにくいメンブレンが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】国際公開第２０１３／１６７９５５号
【非特許文献】
【0009】
【文献】Jacob K Rosenstein, et al., Nature Methods, Vol.9, No.5, 487-492 (2012)
【文献】Harold Kwok, et al., PloS ONE, Vol.9, No.3, e92880. (2013)
【文献】Kyle Briggs, et al., Nanotechnology, Vol.26, 084004 (2015)
【文献】Kyle Briggs, et al., Small, 10(10):2077-86 (2014)
【文献】Trevor J. Morin, et al., PLoS ONE 11(5):e0154426. doi:10.1371/journal.pone.0154426(2016)
【文献】Kazuma Matsui, et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol.57, No.4 (2018)
【文献】Itaru Yanagi, et al., Scientific Report, 8, 10129 (2018).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、非特許文献２～４の方法によって、絶縁破壊耐圧の高いＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に対して絶縁破壊を利用したナノポアの形成を試みても、単一のナノポアを形成することが困難であることが分かった。
【0011】
そこで、本開示は、絶縁破壊耐圧の高いメンブレンに対して、絶縁破壊により単一のナノポアを安定して形成する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本開示のナノポア形成方法は、第１の水溶液及び第２の水溶液間にＳｉＮｘ膜を配置することと、第１の電極を前記第１の水溶液に接触させ、第２の電極を前記第２の水溶液に接触させることと、前記第１の電極及び前記第２の電極に電圧を印加することと、を含み、前記ＳｉＮｘ膜は、組成比が１＜ｘ＜４／３であり、前記第１の水溶液及び前記第２の水溶液の少なくともいずれか一方は、ｐＨ１０以上であることを特徴とする。
【0013】
本開示に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本開示の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではないことを理解する必要がある。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではないことを理解する必要がある。
【発明の効果】
【0014】
本開示によれば、絶縁破壊耐圧の高いメンブレンに対して、絶縁破壊により単一のナノポアを安定して形成することができる。
上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】第１の実施形態に係るナノポア形成方法のための装置構成を示す模式図である。
【図2】比較例１の結果を示す図である。
【図3】比較例２の結果を示す図である。
【図4】比較例３の結果を示す図である。
【図5】比較例４の結果を示す図である。
【図6】実施例１の結果を示す図である。
【図7】実験例２の結果を示す図である。
【図8】実験例３の結果を示す図である。
【図9】第２の実施形態に係る積層膜の構造を示す模式図である。
【図10】第３の実施形態に係る電圧印加方法を説明する図である。
【図11】第４の実施形態に係る電圧印加方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は可能な限り省略するようにしている。以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。実施例に記載するデバイスの構造及び材料は、本開示の思想を具現化するための一例であり、材料及び寸法などを厳密に特定するものではない。また実施例に記載する具体的な電圧値や電流値、電圧印加時間は、本開示の思想を具現化するための一例であり、それらを厳密に特定するものではない。
【0017】
［第１の実施形態］
図１（ａ）は、第１の実施形態に係るナノポア形成方法のための装置の構成を示す模式図である。図１（ａ）に示すように、ナノポア形成方法のための装置は、Ｓｉ基板１００、ＳｉＮｘ膜１０１、ＳｉＯ２膜１０２、ＳｉＮｘ膜１０３、Ｏリング１０４、第１のチャンバ１０５、第２のチャンバ１０６、電極１０９及び１１０（第１の電極及び第２の電極）、配線１１１、並びに制御部１１２を備える。
図１（ａ）は、第１の実施形態に係るナノポア形成方法のための装置の構成を示す模式図である。図１（ａ）に示すように、ナノポア形成方法のための装置は、Ｓｉ基板１００、ＳｉＮｘ膜１０１、ＳｉＯ２膜１０２、ＳｉＮｘ膜１０３、Ｏリング１０４、第１のチャンバ１０５、第２のチャンバ１０６、電極１０９及び１１０（第１の電極及び第２の電極）、配線１１１、並びに制御部１１２を備える。
【0018】
Ｓｉ基板１００、ＳｉＮｘ膜１０１、ＳｉＯ２膜１０２及びＳｉＮｘ膜１０３は、この順に配置される。ＳｉＮｘ膜１０３の上面及びＳｉ基板１００の下面には、それぞれＯリング１０４が配置され、これらＯリング１０４により第１のチャンバ１０５及び第２のチャンバ１０６が密閉される。
【0019】
ＳｉＮｘ膜１０１は、図１（ａ）の点線枠内に示すように、ＳｉＮｘメンブレン１１３（膜）を有する。ＳｉＮｘメンブレン１１３は、ナノポアが形成される箇所であり、その上下にＳｉ基板１００及びＳｉＯ２膜１０２が存在せず、上面及び下面がそれぞれ第１の水溶液１０７及び第２の水溶液１０８に接触する。
【0020】
なお、上述の構造のうち、ＳｉＯ２膜１０２及びＳｉＮｘ膜１０３は、ＳｉＮｘメンブレン１１３の領域（大きさ）を調整するためのものであり、必須ではない。つまり、ＳｉＯ２膜１０２及びＳｉＮｘ膜１０３があっても無くてもよい。また、Ｓｉ基板１００も、ＳｉＮｘ膜１０１及びＳｉＮｘメンブレン１１３を支持する部材として存在している。そのため、Ｓｉ基板１００は、Ｓｉ以外の別の材料で構成された部材であっても良い。
【0021】
図１（ｂ）は、ナノポア形成方法のための装置の他の構成を示す模式図である。図１（ｂ）に示されるように、Ｓｉ基板１００を用いず、そしてＳｉＯ２膜１０２及びＳｉＮｘ膜１０３も配置せず、ＳｉＮｘ膜１０１を第１のチャンバ１０５と第２のチャンバ１０６に直接するセットアップでもよい。すなわち、対象となるＳｉＮｘメンブレン１１３を介して上下の第１の水溶液１０７と第２の水溶液１０８とが分離されていればよい。
【0022】
ＳｉＮｘメンブレン１１３の組成比ｘは、１＜ｘ＜４／３である。組成比ｘは、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）分析又は二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により、膜の表面もしくは裏面から厚み方向に複数箇所測定した値の平均値とする。なお、図１（ａ）のような場合、ＳｉＮｘメンブレン１１３の領域が小さいと組成比ｘの測定が困難な場合もある。その場合は、ＳｉＮｘ膜１０１のうち、ＳｉＮｘメンブレン１１３部分以外の領域の組成比ｘを測定することで、ＳｉＮｘメンブレン１１３の組成比ｘを知ることができる。図１（ａ）及び図１（ｂ）から分かるように、ＳｉＮｘ膜１０１の一部をＳｉＮｘメンブレン１１３と称しているだけであり、ＳｉＮｘ膜１０１とＳｉＮｘメンブレン１１３は、同一の成膜工程で形成された同一部材からなる単一の膜である。従って、ＳｉＮｘ膜１０１のうち、ＳｉＮｘメンブレン１１３の部分以外の領域の組成比ｘと、ＳｉＮｘメンブレン１１３の部分の組成比ｘは同じである。
【0023】
ＳｉＮｘメンブレン１１３の組成比ｘの測定方法として、例えば、図１（ａ）の場合、Ｓｉ基板１００上のＳｉＯ２膜１０２及びＳｉＮｘ膜１０３をエッチングにより除去し、Ｓｉ基板１００上のＳｉＮｘ膜１０１を露出させた後、ＳｉＮｘ膜１０１を表面から深さ方向にエッチングするごとにＸＰＳ測定をすることで、膜中の各深さでの組成比ｘを計測することができる。そして、この計測された組成比ｘを、ＳｉＮｘメンブレン１１３の組成比と考えてよい。
【0024】
なお、組成比ｘを測定する場所は、水平方向に関してはＳｉＮｘ膜１０１の任意の箇所でよい。また、ＳｉＮｘ膜１０１の厚み方向（深さ方向）における測定間隔は、例えば０．２～３ｎｍ間隔とすることができる。
【0025】
第１のチャンバ１０５には、水溶液導入口１１４及び水溶液出口１１５が設けられ、水溶液導入口１１４から第１の水溶液１０７が導入される。第２のチャンバ１０６には、水溶液導入口１１６及び水溶液出口１１７が設けられ、水溶液導入口１１６から第２の水溶液１０８が導入される。第１の水溶液１０７及び第２の水溶液１０８の詳細については後述する。
【0026】
電極１０９（第１の電極）は、第１のチャンバ１０５内の第１の水溶液１０７に接触するように配置され、電極１１０（第２の電極）は、第２のチャンバ１０６内の第２の水溶液１０８に接触するように配置される。電極１０９及び１１０は、配線１１１により制御部１１２に接続される。電極１０９及び１１０は、例えば銀／塩化銀電極である。
【0027】
図示は省略しているが、制御部１１２は、電極１０９及び１１０に電圧を印加するための電源や、電極１０９及び１１０間の電流を測定するための電流計を備え、これらを制御する。また、制御部１１２は、例えば、電極１０９及び１１０間の電流値が所定の閾値電流に到達した時点で、電圧の印加を停止するといった制御を行う。さらに、制御部１１２は、ユーザが上記閾値電流を設定するための入力部や、入力部に入力された情報や測定結果等を記憶する記憶部、測定条件や測定結果等を表示する表示部などを有していてもよい。
【0028】
本実施形態に係るナノポア形成方法は、図１のセットアップを用いて、特許文献１や非特許文献２～４に記載の方法と同様に絶縁破壊方式によりナノポアを形成する方法である。絶縁破壊方式とは、一定の電圧を電極１０９及び１１０に印加し続けながら、電極１０９及び１１０間に流れる電流を計測し、ＳｉＮｘメンブレン１１３の絶縁破壊により電極間の電流値が急激に上昇して、予め設定した所定の閾値電流に到達した時点でナノポアが形成されたと判断し、電圧の印加を停止することで、ＳｉＮｘメンブレン１１３にナノポアを形成する方法である。
【0029】
換言すれば、本実施形態のナノポア形成方法は、第１の水溶液１０７及び第２の水溶液１０８間にＳｉＮｘメンブレン１１３を配置することと、電極１０９を第１の水溶液１０７に接触させ、電極１１０を第２の水溶液１０８に接触させることと、電極１０９及び１１０に電圧を印加することと、を含む。
【0030】
本実施形態において、第１の水溶液１０７及び第２の水溶液１０８は、それぞれｐＨ１０以上とする。第１の水溶液１０７及び第２の水溶液１０８として、例えばＫＣｌ水溶液を用いることができる。ＫＣｌ水溶液以外に、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＣｓＣｌ等の水溶液を用いても、単一のナノポア形成が可能である。
【0031】
第１の水溶液１０７及び第２の水溶液１０８の濃度は、例えば１Ｍとすることができるが、１Ｍより濃くても（例えば１Ｍ以上３Ｍ以下）よいし、１Ｍより薄くても（例えば０．００１Ｍ以上１Ｍ以下）よく、ｐＨが１０以上（ＳｉＮｘメンブレンの膜厚が２０ｎｍ以上の場合は、ｐＨ１１より大きい）であれば、単一のナノポアを形成可能である。
【0032】
以下、絶縁破壊方式によるナノポア形成について実験内容を交えてより詳細に説明する。
【0033】
【0034】
具体的には、図１（ａ）のセットアップで、ＳｉＮｘメンブレン１１３として、厚みを２０ｎｍ、組成比ｘを１＜ｘ＜４／３のＳｉＮｘメンブレンを用い、ＳｉＯ２膜１０２の厚みを２５０ｎｍ、ＳｉＮｘ膜１０３の厚みを１００ｎｍとした。第１のチャンバ１０５及び第２のチャンバ１０６には、それぞれ第１の水溶液及び第２の水溶液として、ｐＨ７．５に調整された濃度１ＭのＫＣｌ水溶液を導入した。
【0035】
所定の閾値電流を０．３×１０－６Ａとして、電流値が０．３×１０－６Ａに到達したら電極１０９及び１１０に対する電圧の印加を停止するように制御部１１２に設定し、電極１０９に０Ｖ、電極１１０に２０Ｖを印加して、ナノポアの形成を試みた。
【0036】
電圧印加時の電流値を測定し、また、絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ観察を行った。結果を図２に示す。
【0037】
図２（ａ）は、比較例１における電圧印加時の電極間電流値（Ａ）を示すグラフである。図２（ａ）に示すように、電圧印加時間が約２３０ｓとなった際に、電極間電流値が急激に上昇し、０．３×１０－６Ａに到達した。
【0038】
図２（ｂ）は、比較例１における絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ写真である。図２（ｂ）の左側は、ＳｉＮｘメンブレンの全景を上面から見た写真である。以下、図２等のＴＥＭ写真では、色が明るい部分ほど膜が薄い部分であることを示している。図２（ｂ）の左側の写真において矢印で示すように、ＳｉＮｘメンブレンの一部に色が明るい部分があることが分かる。この部分の拡大写真が、図２（ｂ）の右側の写真である。図２（ｂ）の右側の写真を見ると、孔は開いておらず、直径が約１０ｎｍの薄膜領域が形成されているだけであることが分かった。もし孔があいている場合は、孔があいている領域に、ＳｉＮｘに由来する非晶質の模様は見えない。つまり、ｐＨ７．５の水溶液を用いると、ＳｉＮｘメンブレンが絶縁破壊した後にも、ナノポアが形成されておらず、ナノポア形成が妨げられていることが分かった。
【0039】
（比較例２）
比較例２においては、所定の閾値電流を１×１０－６Ａに設定したこと以外は比較例１と同様にして、ＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に対し、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。また、比較例１と同様に、電圧印加時の電流値を測定し、絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ観察を行った。結果を図３に示す。
比較例２においては、所定の閾値電流を１×１０－６Ａに設定したこと以外は比較例１と同様にして、ＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に対し、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。また、比較例１と同様に、電圧印加時の電流値を測定し、絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ観察を行った。結果を図３に示す。
【0040】
【0041】
図３（ｂ）は、比較例２における絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ写真である。図３（ｂ）の左側の写真において、矢印で示すように、ＳｉＮｘメンブレンの一部に色が明るい部分があることが分かる。この部分の拡大写真が、図３（ｂ）の右側の写真である。図３（ｂ）の右側の写真を見ると、図２（ｂ）の場合と比べて大きな薄膜領域が形成されていることが分かるが、やはり孔は開いていないことが分かった。つまり、ｐＨ７．５の水溶液を用いると、ＳｉＮｘメンブレンが絶縁破壊した後にも、ナノポアが形成されていないことが分かった。
【0042】
（比較例３）
比較例３においては、閾値電流を３×１０－６Ａに設定したこと以外は比較例１と同様にして、ＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に対し、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。また、比較例１と同様に、電圧印加時の電流値を測定し、絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ観察を行った。結果を図４に示す。
比較例３においては、閾値電流を３×１０－６Ａに設定したこと以外は比較例１と同様にして、ＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に対し、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。また、比較例１と同様に、電圧印加時の電流値を測定し、絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ観察を行った。結果を図４に示す。
【0043】
【0044】
図４（ｂ）は、比較例３における絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ写真である。図４（ｂ）の左側の写真において、矢印で示すように、ＳｉＮｘメンブレンの一部に色が明るい部分があることが分かる。この部分の拡大写真が、図４（ｂ）の右側の写真である。図４（ｂ）の右側の写真を見ると、図３（ｂ）の場合と比べて大きな薄膜領域が形成されていることが分かるが、やはり孔は開いていないことが分かった。つまり、ｐＨ７．５の水溶液を用いると、ＳｉＮｘメンブレンが絶縁破壊した後にも、ナノポアが形成されていないことが分かった。
【0045】
なお、図示は省略しているが、閾値電流を０．３×１０－６Ａよりも小さく、例えば０．１×１０－６Ａもしくはそれ以下に設定しても、ナノポアは当然のことながら形成されなかった。
【0046】
（比較例４）
比較例４においては、閾値電流を６．５×１０－６Ａに設定したこと以外は比較例１と同様にして、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。また、比較例１と同様に、電圧印加時の電流値を測定し、絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ観察を行った。結果を図５に示す。
比較例４においては、閾値電流を６．５×１０－６Ａに設定したこと以外は比較例１と同様にして、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。また、比較例１と同様に、電圧印加時の電流値を測定し、絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ観察を行った。結果を図５に示す。
【0047】
【0048】
図５（ｂ）は、比較例４における絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ写真である。図５（ｂ）の左側の写真において、矢印で示すように、ＳｉＮｘメンブレンの一部に色が明るい部分があることが分かる。この部分の拡大写真が、図５（ｂ）の右側の写真である。
【0049】
図５（ｂ）の右側の写真において、矢印で示すように、ＳｉＮｘに由来する非晶質の模様が見えない部分が存在し、孔があいている部分があることが分かった。しかしながら、異なる大きさの孔が複数形成されてしまうことが分かった。ナノポアを通過する分子や粒子の検出もしくは計数を行う場合、メンブレンに複数のナノポアが開いていると、検出対象の分子や粒子が同時に異なるナノポアに入ってしまうことがある。そのような場合、ナノポアを通過するイオン電流の変化が複雑になり、その結果、検出対象の分子や粒子の検出もしくは計数の精度が落ちることになる。
【0050】
従って、メンブレンに存在するナノポアの数は１つであることが望ましい。また色々な大きさの孔ができてしまうのも問題である。なぜならば、検出対象の分子や粒子よりも小さな孔だけができてしまった場合、検出対象の分子や粒子が孔を通過できず、その結果、検出対象の分子や粒子の検出や計数が不可能になるからである。
【0051】
比較例１～４（図２～５）に示したように、閾値電流値を低く設定すると、ＳｉＮｘメンブレンに孔は開口せず、閾値電流値を高く設定すると、孔は開くが、異なる大きさの孔が複数形成されてしまうことが分かった。また、比較例３の閾値電流値（３×１０－６Ａ）と比較例４の閾値電流値（６．５×１０－６Ａ）の間の閾値電流値に設定して実験を行っても、ＳｉＮｘメンブレンに孔が開口しないか、もしくは、異なる大きさの孔が複数形成されてしまうかのどちらかの結果となることが分かった。すなわち、特許文献１や非特許文献２～４に記載されている方法をそのまま適用するだけでは、ＳｉＮｘメンブレンに単一のナノポアを形成することが不可能であることが分かった。
【0052】
一方で、特許文献１や非特許文献２～４には、上記のように絶縁破壊を生じさせる方法によって、ＳｉＮｘメンブレンに単一のナノポアを形成できることが示されている。例えば非特許文献２においては、ｐＨ１０、濃度１ＭのＫＣｌ水溶液をＳｉＮｘメンブレンの両側に満たし、ＳｉＮｘメンブレンに電圧を印加し、その電圧印加を停止するための閾値電流値を約１００ｎＡと設定することで、直径が約３ｎｍの単一のナノポアを形成している。また、ｐＨを２、４、７、１０又は１３．５とした場合においても、同様の方法によりＳｉＮｘメンブレンに対し単一のナノポアを形成できることが記載されている。
【0053】
非特許文献３においては、ｐＨ８、濃度１ＭのＫＣｌ水溶液をＳｉＮｘメンブレンの両側に満たし、ＳｉＮｘメンブレンに電圧を印加し、その電圧印加を停止するための閾値電流値を約９５ｎＡと設定することで、単一のナノポアを形成している。
【0054】
非特許文献４においては、ｐＨ１０、濃度１ＭのＫＣｌ水溶液をＳｉＮｘメンブレンの両側に満たし、ＳｉＮｘメンブレンに電圧を印加し、その電圧印加を停止するための閾値電流値を（閾値電流値）÷（絶縁破壊前に観測されている電極間電流）＝１／２±０．１と規定することで、単一のナノポアを形成している。
【0055】
一方我々は、比較例１～４のように、ｐＨ７．５、濃度１ＭのＫＣｌ水溶液をＳｉＮｘメンブレンの両側に満たし、ＳｉＮｘメンブレンに電圧を印加し、その電圧印加を停止するための閾値電流値を約１００ｎＡ以下から１０μＡまでの間で複数の値を検討したが、単一のナノポアを形成することは不可能であった。また、使用する１ＭのＫＣｌ水溶液のｐＨを７又は８に設定しても、前述の実験結果の傾向は変わることは無く、単一のナノポアを形成することは不可能であった。
【0056】
この違いの原因に関して鋭意研究を行なった結果、下記のことが分かった。すなわち、ＳｉＮｘメンブレンの組成比ｘが１＜ｘ＜４／３の範囲にある場合、ｐＨが１０よりも小さい水溶液中では、上記のような絶縁破壊方式では、単一のナノポアが形成できず、図２～５に示すような結果になることが分かった。
【0057】
ＳｉＮｘメンブレンの組成比ｘが１よりも小さい場合についても同様にして、絶縁破壊方式によりナノポア形成を試みた結果、第１の水溶液１０７及び第２の水溶液１０８としてｐＨが１０よりも小さい水溶液を用いても、単一のナノポアは形成された。
【0058】
そこで、以下の実施例１を参照しつつ、絶縁破壊方式によりＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に単一のナノポアを形成する方法を説明する。具体的には、本実施形態に係るナノポア形成方法においては、第１の水溶液１０７及び第２の水溶液１０８のｐＨを１０以上とする。
【0059】
（実施例１）
実施例１において、比較例１と同様に、図１（ａ）のセットアップを用いて、厚さ２０ｎｍのＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に対し、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。
実施例１において、比較例１と同様に、図１（ａ）のセットアップを用いて、厚さ２０ｎｍのＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に対し、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。
【0060】
本実施例１においては、ＳｉＮｘメンブレンの組成比ｘを約ｘ＝１．１３とし、第１の水溶液及び第２の水溶液として、ｐＨ１３．１に調整された濃度１ＭのＫＣｌ水溶液をそれぞれ第１のチャンバ１０５及び第２のチャンバ１０６に導入した。また、閾値電流を１×１０－６Ａに設定した。その他の条件は上記比較例１と同様にして、絶縁破壊方式によりナノポアの形成を行った。
【0061】
組成比ｘは、Ｓｉ基板１００上のＳｉＮｘ膜１０１を露出させた後、Ｓｉ基板１００上のＳｉＮｘ膜１０１を表面から深さ方向にエッチングするごとにＸＰＳ測定して求めた値の平均値でとした。具体的には、ＸＰＳ装置として、アルバック・ファイ社製のＰＨＩ ５０００ ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ ＩＩ（「ＰＨＩ」は登録商標）を用い、Ｘ線源をＡｌ Ｋαとして、深さ方向の測定間隔を約０．７～０．８ｎｍとし、測定点数２６点の平均値を求めた。その結果、ｘ＝１．１３であった。なお、本実施例１ではｘ＝１．１３の場合の例を記述しているが、これまでも述べたとおり、ＳｉＮｘメンブレンの組成比ｘは１＜ｘ＜４／３の範囲であればよい。
【0062】
また、比較例１と同様に、電圧印加時の電流値を測定し、絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ観察を行った。
【0063】
【0064】
図６（ｂ）は、実施例１における絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ写真である。図６（ｂ）の左側の写真は、ＳｉＮｘメンブレンの全景を上面から見た写真である。図６（ｂ）の左側の写真において、矢印で示すように、ＳｉＮｘメンブレンの一部に色が明るい部分があることが分かる。この部分の拡大写真が、図６（ｂ）の右側の写真である。図６（ｂ）の右側の写真には、ＳｉＮｘに由来した非晶質の模様が見えない部分が存在しており、孔（ナノポア）が開口していることが分かった。また、図６（ｂ）の左側の写真から、ＳｉＮｘメンブレン中に孔は一つだけ形成されていることが分かった。
【0065】
＜実験例２：ｐＨの変更＞
実験例１と同様に、図１のセットアップを用いて、厚さ２０ｎｍのＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に対し、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。
実験例１と同様に、図１のセットアップを用いて、厚さ２０ｎｍのＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に対し、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。
【0066】
本実験例２においては、閾値電流を１×１０－６Ａに設定し、水溶液のｐＨを１、３、７．５、１１、１１．４、１２．５及び１３．１の７段階で変更して、それぞれ絶縁破壊方式によりナノポア形成を試みた。その他の条件は上記実験例１と同様である。
【0067】
また、実験例１と同様に、絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ観察を行った。結果を図７に示す。
【0068】
図７は、水溶液のｐＨを変化させた場合の絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ写真である。図７に示すように、ｐＨが１１よりも大きい場合に、ＳｉＮｘメンブレン中に非晶質の模様は見えない部分が存在しており、ナノポアが開口していることが分かる。また、形成されたナノポアは、それぞれ各ＳｉＮｘメンブレンに１つずつであった。一方で、ｐＨが１１以下の場合には、ＳｉＮｘメンブレン中に薄膜領域が形成されるのみであり、孔は開口していないことが分かった。
【0069】
なお、我々のさらなる研究の結果、ＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）の膜厚を２０ｎｍよりも薄くすることで、水溶液のｐＨを１０以上１１以下の範囲としても、絶縁破壊方式により、ＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に単一のナノポアを形成できることが分かった。
【0070】
また、ＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）の膜厚が２０ｎｍ以上の厚さでも、ｐＨが１１よりも高い水溶液中では、絶縁破壊方式により単一のナノポアを形成できることが分かった。
【0071】
このように、ｐＨが１０以上の水溶液中で（ＳｉＮｘメンブレンの膜厚が２０ｎｍ以上の場合は、ｐＨ１１より大きい水溶液中で）、ＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に対し、絶縁破壊方式により孔を形成できる理由を以下に簡単に説明する。
【0072】
例えば比較例２のように、ｐＨ７．５の水溶液中では、絶縁破壊後に電極間電流が閾値電流に到達した場合でも、孔は開いておらず、局所的な薄膜領域が形成されるだけである。この局所的な薄膜領域の膜の組成は、Ｓｉの方がＮよりも非常に多い比率となっていることが我々の研究で分かった。
【0073】
そしてＳｉは、高温下の高アルカリ溶液でエッチングされることが知られている。従って、ｐＨが１０以上の水溶液中で、ＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に対し、絶縁破壊方式により孔の形成を行うと、絶縁破壊後に一時的に、Ｓｉの方がＮよりも非常に多い比率で構成されている局所的な薄膜領域が形成されるかもしれないが、それと同時に、アルカリ水溶液によるＳｉのエッチングもすぐに起こるため、局所的な薄膜領域が残ることなく孔が形成される。なお、ＳｉＮｘ（１＜ｘ＜４／３）は、アルカリ水溶液中でもエッチングされないため、結果的にメンブレン全体がエッチングされることは無く、局所的に孔を形成することができる。なお、Ｓｉをアルカリ溶液ですばやくエッチングするには高温が必要であるが、それは絶縁破壊後に流れる大きな電流のジュール熱によってまかなわれている。
【0074】
上述のように、ＳｉＮｘメンブレン、特に組成比ｘが１＜ｘ＜４／３の範囲のメンブレンは、印加電圧に対する破壊耐圧（絶縁破壊耐圧）に優れている。ナノポア計測においては、メンブレンに電圧を印加しながら対象物の計測を行なうため、絶縁破壊耐圧が高いことが望ましい。つまり、より長時間、計測に必要な電圧を印加しても絶縁破壊されにくいメンブレンが、ナノポア計測にとって望ましい。また、計測前のセットアップ時において発生した静電気によって、高電圧がメンブレンに印加され、メンブレンが絶縁破壊するという現象も知られている（非特許文献６）。その静電気由来の高電圧による絶縁破壊を防ぐためにも、絶縁破壊耐圧が高いことが望ましい。つまり、高電圧が印加されても絶縁破壊されにくいメンブレンが望ましい。
【0075】
実際、非特許文献２及び非特許文献３に示されている厚み３０ｎｍのＳｉＮｘメンブレンの絶縁耐圧は、ｐＨ７、濃度１ＭのＫＣｌ水溶液中で、１６Ｖが印加されたときに約１０００秒で絶縁破壊されている。一方、本実施形態のＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）は、その厚みが２０ｎｍの場合、ｐＨ７、濃度１ＭのＫＣｌ水溶液中で、１６Ｖが印加された場合、絶縁破壊に至るまで１０００秒よりもはるかに長い時間が掛かる。つまり、本実施形態のＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）は、非特許文献２及び非特許文献３に示されているＳｉＮｘメンブレンよりも厚みが薄いにもかかわらず、同電圧を印加したときには、絶縁破壊に至るまでの時間が長く、非常に絶縁耐圧の高いＳｉＮｘメンブレンであるといえる。また我々の研究の結果から、ＳｉＮｘのｘが１よりも小さくなるにつれて、絶縁耐圧が低くなる（つまり同電圧を印加したときに、絶縁破壊に至るまでの時間が短くなる）ことも分かっている。
【0076】
＜実験例３：閾値電流の変更＞
次に、閾値電流の値を変更した場合のナノポア形成について説明する。
次に、閾値電流の値を変更した場合のナノポア形成について説明する。
【0077】
（実施例２）
実施例２において、実験例１と同様に、図１のセットアップを用いて、厚さ２０ｎｍのＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に対し、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。
実施例２において、実験例１と同様に、図１のセットアップを用いて、厚さ２０ｎｍのＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に対し、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。
【0078】
本実施例２においては、第１の水溶液及び第２の水溶液として、ｐＨ１３．１に調整された濃度１ＭのＫＣｌ水溶液をそれぞれ第１のチャンバ１０５及び第２のチャンバ１０６に導入した。また、所定の閾値電流を１×１０－６Ａとして、電流値が１×１０－６Ａに到達したら電源による電圧の印加を停止するように制御部１１２に設定し、電極１０９に０Ｖ、電極１１０に１８Ｖを印加した。その他の条件は実験例１と同様である。
【0079】
電圧印加時の電流値を測定し、また、絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ観察を行った。また、形成されたナノポアの形状を円形と仮定して、ナノポアの直径（実効直径ｄｅｆｆ）を、面積Ｓ＝π×（１／２ｄｅｆｆ）×（１／２ｄｅｆｆ）の式から逆算した。図８（ａ）に結果を示す。
【0080】
（実施例３）
実施例３においては、閾値電流を０．５×１０－６Ａとしたこと以外は実施例２と同様にして、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。また、電圧印加時の電流値を測定し、絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ観察を行った。実施例２と同様にして、ナノポアの実効直径ｄｅｆｆを求めた。図８（ｂ）に結果を示す。
実施例３においては、閾値電流を０．５×１０－６Ａとしたこと以外は実施例２と同様にして、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。また、電圧印加時の電流値を測定し、絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ観察を行った。実施例２と同様にして、ナノポアの実効直径ｄｅｆｆを求めた。図８（ｂ）に結果を示す。
【0081】
（実施例４）
実施例４においては、閾値電流を０．３×１０－６Ａとしたこと以外は実施例２と同様にして、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。また、電圧印加時の電流値を測定し、絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ観察を行った。実施例２と同様にして、ナノポアの実効直径ｄｅｆｆを求めた。図８（ｃ）に結果を示す。
実施例４においては、閾値電流を０．３×１０－６Ａとしたこと以外は実施例２と同様にして、絶縁破壊方式によるナノポアの形成を試みた。また、電圧印加時の電流値を測定し、絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンのＴＥＭ観察を行った。実施例２と同様にして、ナノポアの実効直径ｄｅｆｆを求めた。図８（ｃ）に結果を示す。
【0082】
図８（ａ）～（ｃ）の上段は、電圧印加時の電流値を示すグラフであり、中段は絶縁破壊後のＳｉＮｘメンブレンの全景を示すＴＥＭ写真であり、下段は形成されたナノポアの拡大写真である。
【0083】
図８（ａ）～（ｃ）の下段に示すように、実施例２において形成されたナノポアの実効直径ｄｅｆｆは１８．８ｎｍであり、実施例３において形成されたナノポアの実効直径ｄｅｆｆは１３．２ｎｍであり、実施例４において形成されたナノポアの実効直径ｄｅｆｆは５．９４ｎｍであった。このように、電圧印加を停止するための電流閾値を調整することで、形成されるナノポアの大きさを調整することができる。我々の研究の結果から、本実施形態の方法で電流閾値を調整することで、ナノポアの実効直径ｄｅｆｆは、約１ｎｍから２００ｎｍ以上まで形成可能であることが分かった。また、実効直径ｄｅｆｆが大きくなっても、ＳｉＮｘメンブレンに単一のナノポアのみ形成されることが分かった。
【0084】
上記のように、実験例１～３では、第１の水溶液１０７及び第２の水溶液１０８としてＫＣｌ水溶液を用いた。しかし、ＫＣｌ水溶液以外に、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＣｓＣｌ等の水溶液を用いても、単一のナノポア形成が可能である。
【0085】
第１の水溶液１０７及び第２の水溶液１０８の濃度は、上記実験例１～３のように例えば１Ｍとすることができるが、１Ｍより濃くても（例えば１Ｍ以上３Ｍ以下）よいし、１Ｍより薄くても（例えば０．００１Ｍ以上１Ｍ以下）よく、ｐＨが１０以上（ＳｉＮｘメンブレンの膜厚が２０ｎｍ以上の場合は、ｐＨ１１より大きい）であれば、単一のナノポアを形成することができる。
【0086】
本実施形態では、絶縁耐圧の高いＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）を用いているが、その中でもＳｉＮｘメンブレンの膜密度が２．８ｇ／ｃｍ３以上３．２ｇ／ｃｍ３以下の範囲のものは、特に絶縁耐圧が高く、ナノポア計測に好適である。もちろんながら、ＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）の膜密度が２．８ｇ／ｃｍ３以上３．２ｇ／ｃｍ３以下の範囲外であっても、水溶液のｐＨが１０以上（ＳｉＮｘメンブレンの膜厚が２０ｎｍ以上の場合は、ｐＨ１１より大きい値）であれば、一定の電圧をメンブレンに印加し続けながら、電極間に流れる電流を計測し、その電極間の電流値が急激に上昇して（つまり膜が絶縁破壊して）予め設定した閾値電流に到達したら電圧の印加を停止するという方法で、単一のナノポアを形成することができる。
【0087】
絶縁耐圧の高いＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）のうち、特に１／２００に希釈されたフッ酸によるエッチングレートが０．５ｎｍ／ｍｉｎ以下のものは、特に絶縁耐圧が高く、ナノポア計測に好適である。もちろんながら、１／２００に希釈されたフッ酸によるエッチングレートが０．５ｎｍ／ｍｉｎ以上であっても、水溶液のｐＨが１０以上（ＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）の膜厚が２０ｎｍ以上の場合は、ｐＨ１１より大きい値）であれば、絶縁破壊方式により、単一のナノポアを形成することができる。
【0088】
絶縁耐圧の高いＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）は、その膜応力が通常６００ＭＰａ以上の引張応力となる。非特許文献２で使用されているＳｉＮｘメンブレンは、２５０ＭＰａ以下の引張応力であることが記載されているので、ＳｉＮｘの組成比ｘは１よりも小さいと考えられる。
【0089】
ＳｉＮｘメンブレン１１３の膜厚は、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。ＳｉＮｘメンブレン１１３の膜厚が薄くなるにつれて絶縁破壊耐圧は低くなっていくが、特に５ｎｍ未満となると、膜厚の減少に対するＳｉＮｘメンブレン１１３の絶縁破壊耐圧の減少率が大きくなる。その結果、ナノポア計測に支障をきたす恐れがある。また、ＳｉＮｘメンブレン１１３の膜厚が１００ｎｍより大きくなると、絶縁破壊に必要な電圧が１００Ｖを超えるため、絶縁破壊と同時に非常に大きなジュール熱が発生し、ＳｉＮｘメンブレン１１３の劣化が顕著となる。
【0090】
ここで、非特許文献７には、ｐＨ７．５、濃度１ＭのＫＣｌ水溶液中でＳｉＮｘメンブレンに２０Ｖを印加し、電極間を流れる電流が１０－６Ａになったら電圧印加を止めるという方法で、メンブレンに局所的な薄膜領域を形成し、その後第２の工程として、１０Ｖのパルス電圧印加と０．１Ｖ印加時の電流計測を繰り返すことで、その局所的な薄膜領域を貫通させるというナノポア形成方法が開示されている。非特許文献７の方法は、本実施形態と比較すると、第２の工程がある分、ナノポア形成までに掛かる時間が長くなってしまう。また、非特許文献７には、同じ条件で複数回実験したときのナノポアのｄｅｆｆのばらつきが大きく、ｄｅｆｆ＝０（つまりナノポアが形成されていない場合）も存在してしまうことが記載されている。
【0091】
非特許文献７に記載の方法でナノポア形成を試みた結果、ｄｅｆｆが約２０ｎｍから３０ｎｍの範囲外では、単一のナノポアの形成が難しいことが分かった。従って、本実施形態のナノポア形成方法は、非特許文献７に記載の方法と比較して、ナノポア形成に掛かる時間が少なく、また、本実施形態においては、形成されるナノポアの大きさのばらつきが小さく、形成できるナノポアの大きさの調整範囲も広いことが分かった。
【0092】
以上のように、本実施形態のナノポア形成方法によれば、ｐＨが１０以上の水溶液中でＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に電圧を印加し（ＳｉＮｘメンブレンの膜厚が２０ｎｍ以上の場合は、ｐＨ１１より大きい水溶液中で電圧を印加し）、絶縁破壊させることによって、絶縁耐圧が高くナノポア計測に好適であるＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）に対し、単一のナノポアを安定して形成することができる。
【0093】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係るナノポア形成方法について説明する。本実施形態は、図１のＳｉＮｘ膜１０１に他の膜が積層された積層膜を用いる点で、第１の実施形態と異なる。
次に、第２の実施形態に係るナノポア形成方法について説明する。本実施形態は、図１のＳｉＮｘ膜１０１に他の膜が積層された積層膜を用いる点で、第１の実施形態と異なる。
【0094】
図９は、第２の実施形態に係る積層膜の構造を示す模式図である。図９（ａ）の場合、膜１１８がＳｉＮｘ膜１０１（１＜ｘ＜４／３）の上面に積層されている。図９（ｂ）の場合、膜１１９がＳｉＮｘ膜１０１の下面に積層されている。図９（ｃ）の場合、膜１２０及び１２１がＳｉＮｘ膜１０１の両面に積層されている。図９（ｄ）の場合、２つのＳｉＮｘ膜１０１の間に膜１２２が配置されている。
【0095】
膜１１８～１２２は、例えば、ＳｉＯ２膜、ＨｆＯ２膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＨｆＡｌＯｘ膜、ＺｒＡｌＯＸ膜、Ｔａ２Ｏ５膜、ＳｉＣ膜、ＳｉＣＮ膜、カーボン膜、組成比ｘが１＜ｘ＜４／３の範囲外のＳｉＮｘ膜、もしくはこれらの合成物から構成される。また、膜１１８～１２１は、例えば、表面への計測対象物の非特異吸着防止を目的としたＨＭＤＳ膜であってもよい。
【0096】
このように、ＳｉＮｘメンブレン（１＜ｘ＜４／３）とそれ以外の膜が積層されている場合にも、ｐＨが１０よりも小さい場合には、上述の絶縁破壊方式によりメンブレンに単一のナノポアを形成できない。しかしながら、水溶液のｐＨが１０以上（ＳｉＮｘメンブレン１１３の膜厚が２０ｎｍ以上の場合は、ｐＨ１１より大きい値）であれば、ＳｉＮｘ膜（１＜ｘ＜４／３）が含まれた積層膜に対して単一のナノポアを形成することができる。
【0097】
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態に係る単一のナノポア形成方法について説明する。本実施形態は、電極１０９及び１１０間に印加する電圧を、一定ではなく時間と共に変化させる点で、第１の実施形態と異なる。
次に、第３の実施形態に係る単一のナノポア形成方法について説明する。本実施形態は、電極１０９及び１１０間に印加する電圧を、一定ではなく時間と共に変化させる点で、第１の実施形態と異なる。
【0098】
図１０は、第３の実施形態における電圧印加の例を示す模式図である。図１０に示す例においては、制御部１１２は、電極１０９及び１１０間に印加される電圧が段階的に上昇するように、電源（図示せず）を制御する。図１０中のｔｓは、ある値の電圧の印加時間を示し、Ｖｓは電圧の上昇量を示す。
【0099】
本実施形態に係るナノポア形成方法によれば、例えばｔｓを短くすることで、もしくはＶｓを大きくすることで、ナノポアが形成されるまでの時間を短くすることができる。また、本実施形態に係るナノポア形成方法は、使用するメンブレンが、どのくらいの電圧を何秒かければ絶縁破壊が起こるか不明な場合に有効である。なお、ナノポアの大きさの調整は、印加電圧を遮断するための閾値電流の調整によって可能である。
【0100】
［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態に係る単一のナノポア形成方法について説明する。本実施形態において、制御部１１２は、電極１０９及び１１０間の電圧を測定するための電圧計（図示せず）をさらに備える。本実施形態のナノポア形成方法においては、電極１０９及び１１０の間に流れる電流が一定になるように電圧を制御しながら電極１０９及び１１０の間の電圧を測定し、絶縁破壊が起こった後、電極１０９及び１１０間の電圧が所定の閾値電圧値に到達したら、電極１０９及び１１０間の電流供給を停止する点で、第１の実施形態と異なる。
次に、第４の実施形態に係る単一のナノポア形成方法について説明する。本実施形態において、制御部１１２は、電極１０９及び１１０間の電圧を測定するための電圧計（図示せず）をさらに備える。本実施形態のナノポア形成方法においては、電極１０９及び１１０の間に流れる電流が一定になるように電圧を制御しながら電極１０９及び１１０の間の電圧を測定し、絶縁破壊が起こった後、電極１０９及び１１０間の電圧が所定の閾値電圧値に到達したら、電極１０９及び１１０間の電流供給を停止する点で、第１の実施形態と異なる。
【0101】
図１１は、第４の実施形態における電圧印加の例を示す模式図である。図１１に示すように、制御部１１２は、電極１０９及び１１０の間に流れる電流が一定になるように電極１０９及び１１０間に電圧を印加しつつ電圧値を測定し、絶縁破壊後に急激に電極間電圧が下がり、所定の閾値電圧に到達した時点で、制御部１１２は、電極１０９及び１１０間の電流供給を停止する。このような方法によっても、ＳｉＮｘメンブレン１１３に単一のナノポアを形成することができる。
【0102】
［第５の実施形態］
次に、第５の実施形態に係るナノポア形成方法について説明する。本実施形態は、第１の水溶液１０７及び第２の水溶液１０８のいずれか一方のみがｐＨ１０以上（ＳｉＮｘメンブレン１１３の厚みが２０ｎｍ以上の場合はｐＨが１１より大きい値）であり、もう一方はｐＨ１０未満である点で、第１の実施形態と異なる。このような構成においても、絶縁破壊方式により、単一のナノポアをＳｉＮｘメンブレン１１３に形成することができる。
次に、第５の実施形態に係るナノポア形成方法について説明する。本実施形態は、第１の水溶液１０７及び第２の水溶液１０８のいずれか一方のみがｐＨ１０以上（ＳｉＮｘメンブレン１１３の厚みが２０ｎｍ以上の場合はｐＨが１１より大きい値）であり、もう一方はｐＨ１０未満である点で、第１の実施形態と異なる。このような構成においても、絶縁破壊方式により、単一のナノポアをＳｉＮｘメンブレン１１３に形成することができる。
【0103】
本実施形態において、負極となる電極に接する側の水溶液をｐＨ１０以上とすることができる。例えば、第１のチャンバ１０５にｐＨ７．５に調整した濃度１ＭのＫＣｌ水溶液を導入し、第２のチャンバ１０６にｐＨ１３に調整した濃度１ＭのＫＣｌ水溶液を導入して、電極１０９及び１１０に電位差を持たせてＳｉＮｘメンブレン１１３に電圧を印加することができる。この際、電極１０９が電極１１０に対して高い電位（例えば、電極１０９が２０Ｖ、電極１１０が０Ｖ）となるようにすると、電極１０９が電極１１０に対して低い電位となるように（例えば、電極１０９を－２０Ｖ、電極１１０を０Ｖ）することと比較して、ナノポアが形成されるまでの時間がより短くなる。
【0104】
理由を以下に示す。まず、水溶液中のＯＨ－は、電圧の印加により正極側に向かって移動し、ＳｉＮｘメンブレン１１３に対するＯＨ－の衝突が、ナノポアの形成に寄与していると考えられる。ｐＨが高い水溶液はＯＨ－を多く含むため、負極側にｐＨが高い水溶液を配置することで、電圧の印加により、正極側、すなわちＳｉＮｘメンブレン１１３の方へ向かうＯＨ－を多くすることができるので、ナノポアが形成されるまでの時間が短くなる。
【0105】
以上のように、本実施形態のナノポア形成方法においては、第１の水溶液１０７及び第２の水溶液１０８のいずれか一方をｐＨ１０以上とし、他の一方の水溶液をｐＨ１０未満とする。このような構成を有することにより、本実施形態は、ナノポアが形成されるまでの時間を短縮することができる。
【0106】
また、上述のように、組成比ｘが１＜ｘ＜４／３のＳｉＮｘメンブレンは、第１の水溶液１０７のｐＨ及び第２の水溶液１０８のｐＨが１０よりも小さい場合、特にｐＨが７以上８以下の場合では、上記のような絶縁破壊方式では、ナノポアが形成されないという性質を有する。しかし、本実施形態のように、第１の水溶液１０７及び第２の水溶液１０８のいずれか一方をｐＨ１０以上とすることで、単一のナノポアを安定して形成することができる。
【0107】
［第６の実施形態］
第６の実施形態においては、第１～第５の実施形態に記載のナノポア形成方法により形成したナノポアを用いた分析方法について説明する。
第６の実施形態においては、第１～第５の実施形態に記載のナノポア形成方法により形成したナノポアを用いた分析方法について説明する。
【0108】
まず、第１～第５の実施形態のいずれかの方法でナノポアを形成した後、第１の水溶液１０７又は第２の水溶液１０８のいずれかを、計測対象物を含有する水溶液で置換する。その後、電極１０９及び１１０間に電圧を印加しながら電流値を測定すると、計測対象物がナノポアを通過した際に、電流値が大きく変化する。
【0109】
この電流値の変化の回数をカウントすることで、上記水溶液中に含まれる計測対象物の計数が可能である。また、電流値の変化の様子を観測することで、計測対象物の構造的、電気的な特徴を把握することができる。
【0110】
なお、計測対象物が２重螺旋構造のＤＮＡを含む場合、水溶液のｐＨが９．５以上となると、その構造が乖離し始める。また、ＤＮＡは酸性の水溶液中では分解が始まってしまう。そのため、計測対象物が２重螺旋構造のＤＮＡを含む場合、計測対象物が含有された水溶液のｐＨは９以下とすることが望ましく、さらに状況に応じてｐＨが７～８の範囲としてもよい。従って、第１～第５の実施形態の方法でナノポアを形成した後、ｐＨが１０以上である第１の水溶液１０７又は第２の水溶液１０８を、ｐＨが７～９、あるいはｐＨが７～８の水溶液で置換した後に、計測対象物を水溶液中に導入することができる。
【0111】
第１～第４の実施形態の方法でナノポアを形成する際には、第１のチャンバ１０５又は第２のチャンバ１０６中の第１の水溶液１０７又は第２の水溶液１０８に予め計測対象物を入れておくことで、ナノポアが形成された後に、第１のチャンバ１０５又は第２のチャンバ１０６の水溶液を置換することなく、そのままナノポア計測することができ、ナノポア形成からナノポア計測終了までの時間を短縮することができる。
【0112】
また、第５の実施形態の方法でナノポアを形成する際には、第１のチャンバ１０５又は第２のチャンバ１０６の一方の水溶液のｐＨを７～９、状況に応じてｐＨ７～８に調整しておくことで、その中に予め２重螺旋構造のＤＮＡを含む計測対象物を入れておいても、ＤＮＡが乖離することがない。従って、ナノポアが形成された後に、第１のチャンバ１０５又は第２のチャンバ１０６の水溶液を置換することなく、そのままナノポア計測することができ、ナノポア形成からナノポア計測終了までの時間を短縮することができる。
【0113】
［変形例］
本開示は、上述した実施例に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば、上述した実施例は、本開示を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備える必要はない。また、ある実施例の一部を他の実施例の構成に置き換えることができる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることもできる。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の一部を追加、削除又は置換することもできる。
本開示は、上述した実施例に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば、上述した実施例は、本開示を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備える必要はない。また、ある実施例の一部を他の実施例の構成に置き換えることができる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることもできる。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の一部を追加、削除又は置換することもできる。
【符号の説明】
【0114】
１００…Ｓｉ基板
１０１…ＳｉＮｘ膜
１０２…ＳｉＯ２膜
１０３…ＳｉＮｘ膜
１０４…Ｏリング
１０５…第１のチャンバ
１０６…第２のチャンバ
１０７…第１の水溶液
１０８…第２の水溶液
１０９、１１０…電極
１１１…配線
１１２…制御部
１１３…ＳｉＮｘメンブレン
１１４、１１６…水溶液導入口
１１５、１１７…水溶液出口
１１８～１２２…膜
１０１…ＳｉＮｘ膜
１０２…ＳｉＯ２膜
１０３…ＳｉＮｘ膜
１０４…Ｏリング
１０５…第１のチャンバ
１０６…第２のチャンバ
１０７…第１の水溶液
１０８…第２の水溶液
１０９、１１０…電極
１１１…配線
１１２…制御部
１１３…ＳｉＮｘメンブレン
１１４、１１６…水溶液導入口
１１５、１１７…水溶液出口
１１８～１２２…膜
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】