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SILICON CHIP AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME

Patent code P180015377
File No. S2017-0424-N0
Posted date Nov 1, 2018
Application number P2017-037453
Publication number P2018-140478A
Date of filing Feb 28, 2017
Date of publication of application Sep 13, 2018
Inventor
  • (In Japanese)平野 愛弓
  • (In Japanese)庭野 道夫
  • (In Japanese)但木 大介
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人東北大学
Title SILICON CHIP AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon chip for formation of an artificial lipid bimolecular membrane which can be formed in an organic solvent free state and has excellent durability of a fine pore edge, and a method for manufacturing the same.
SOLUTION: A silicon chip comprises: an open hole 11 provided on a silicon substrate; a silicon nitride film 21 which is so provided as to cover the open hole; a first silicon oxide film 22 provided on said silicon nitride film; a second silicon oxide film 23 which is provided on an inner face of the silicon substrate of the open hole and on a side of the silicon nitride film opposite to the first silicon oxide film; and fine pores provided on the first silicon oxide film, the silicon nitride film and the second silicon oxide film. The fine pore has such a shape that an inner diameter thereof is gradually increased from the second silicon oxide film side toward an opening on the first silicon oxide film side as approaching the opening side. An inner peripheral surface of the fine pore includes a first inclined plane 31a which is an inner peripheral surface of a region of the silicon nitride film and a second inclined plane 32a which is an inner peripheral surface of a region of the first silicon oxide film, and an inclination thereof inclined with respect to a film thickness direction of the second inclined plane is larger than an inclination of the first inclined plane.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

細胞膜は厚さ数nmのナノ薄膜であり、外界からの化学・光・力学等の刺激に非常に敏感な超高感度センサーでもある。その構造はリン脂質分子が二層整列した脂質二分子膜を基本構造とし、そこに種々の膜タンパク質が埋め込まれて構成されている。これらの膜タンパク質は細胞膜の高感度な物質感受性を担っており、創薬の重要なターゲットでもある。

細胞膜の基本構造である脂質二分子膜は脂質分子の自己集合により人工的に構築可能であり、この人工脂質二分子膜(人工細胞膜)に精製した膜タンパク質を埋め込んだ膜系は膜タンパク質の機能や薬物作用を、化学組成を制御した上で評価できる系として、生理学・薬理学の分野で広く用いられてきた。

一方、膜タンパク質の高度な物質認識能は、高感度バイオセンサーの認識素子として注目され、実際にイオンチャンネルを用いた脂質二分子膜センサーでは、pH(1012M(mol/L))レベルの高感度検出を達成している。

このように人工細胞膜センサーは、薬物候補化合物の評価や高感度バイオセンサーとしての可能性をもつが、膜タンパク質の機能発現にとって必須の環境である脂質二分子膜は安定性が極めて低く、その発展の障壁となってきている。

このような人工脂質二分子膜の安定化を図るため、2000年以降、微細加工技術と人工脂質二分子膜形成を融合する試みが盛んに行われた。これらの試みは、微細孔を作製して二分子膜の微小化を行い、膜の安定性を目指すものと、マイクロ流路の利用により、膜形成の簡便化を目指すものの二つに大別される。しかしながら、膜形成の簡便化・自動化は進んだものの、膜安定性については寿命の向上のみで、機械的強度の向上には至っていない。また、これらの研究の多くは、不揮発性の有機溶媒を膜形成に用いており、適用可能なチャンネルタンパク質の範囲には限界があった。

そこで、発明者らは、陽極酸化ポーラスアルミナフィルムとシリコン(Si)微細加工基板の二つを二分子膜保持体として作製することを試みた。陽極酸化ポーラスアルミナは、規則的なナノポア構造をもつ絶縁膜であり、二分子膜の微細化は実現され、印加電圧耐性と膜寿命に関してはある程度の向上が得られたが、薬物スクリーニングへの応用では必須の溶液交換耐性は得られなかった(非特許文献1参照)。

上記試みから、二分子膜の微小化では十分な膜安定性が得られないとの知見を得て、微細孔のエッジと二分子膜との接合部の形状に注目し、滑らかなエッジを持つような微細孔を半導体微細加工により、Si3N4/Si基板中に作製した(以下「シリコンチップ」という。非特許文献1参照)。

このシリコンチップは、十分な膜面積を保持できる孔径(20μm~30μm)をもち、小径のエッジはnmスケールでテーパーのついた滑らかな形状となるように設計した。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、微細孔エッジの耐久性に優れ、有機溶剤フリーで形成できる人工脂質二分子膜形成用のシリコンチップ及びその製造方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
シリコン基板に設けられた貫通孔と、この貫通孔を覆うように設けられた窒化シリコン(Si3N4)膜と、この上に設けられた第1酸化シリコン(SiO2)膜と、前記貫通孔の前記シリコン基板の内周面及び前記窒化シリコン膜の前記第1酸化シリコン膜とは反対側に設けられた第2酸化シリコン膜と、前記第1酸化シリコン膜、前記窒化シリコン膜及び前記第2酸化シリコン膜に設けられた微細孔と、を具備し、前記微細孔は、前記第2酸化シリコン膜側から前記第1酸化シリコン膜側の開口に向かって前記開口側ほど内径が漸大する形状であり、前記微細孔の内周面は、前記窒化シリコン膜の領域の内周面である第1傾斜面と、前記第1酸化シリコン膜の領域の内周面である第2傾斜面とを含み、前記第2傾斜面の膜厚方向に対して傾斜する傾きが、前記第1傾斜面の傾きより大きいことを特徴とするシリコンチップ。

【請求項2】
 
前記第1傾斜面は、傾斜の傾きが前記開口に近づくほど大きくなる凸曲面で形成され、前記第2傾斜面は、傾斜の傾きが前記開口に近づくほど小さくなる凹曲面で形成されていることを特徴とする請求項1記載のシリコンチップ。

【請求項3】
 
前記微細孔の内周面には、前記窒化シリコン膜の領域も含めて酸化シリコン膜で覆われていることを特徴とする請求項1又は2記載のシリコンチップ。

【請求項4】
 
前記貫通孔の内周面には、低誘電率絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項1~3の何れか1項記載のシリコンチップ。

【請求項5】
 
前記低誘電率絶縁膜は、アモルファスフッ素樹脂膜からなることを特徴とする請求項4記載のシリコンチップ。

【請求項6】
 
シリコン基板上に窒化シリコン膜を設け、この上に第1酸化シリコン膜を設ける第1膜形成工程と、
前記シリコン基板の前記窒化シリコン膜を設けた側とは反対側から、前記窒化シリコン膜まで貫通する貫通孔をウェットエッチングにより形成する貫通孔形成工程と、
前記貫通孔内に気相法により酸化シリコン膜を積層して第2酸化シリコン膜を形成する第2膜形成工程と、
前記貫通孔に対向する領域の前記第1酸化シリコン膜に緩衝フッ化水素酸及びフッ化水素酸を用いてウェットエッチングすることにより第1微細孔を形成する第1エッチング工程と、
前記第1微細孔に対向する領域の前記窒化シリコン膜に前記第1微細孔を介してリン酸を用いてウェットエッチングにより前記第1微細孔より大きな第2微細孔を形成する第2エッチング工程と、
前記第1酸化シリコン膜の前記第1微細孔の周囲及び前記第2微細孔に対向する前記第2シリコン膜をフッ化水素酸を用いてウェットエッチングすることにより、第3微細孔及び第4微細孔を形成し、前記第2微細孔、前記第3微細孔及び前記第4微細孔からなり、前記第2酸化シリコン膜側から前記第1酸化シリコン膜側の開口に向かって前記開口側ほど内径が漸大する形状であり、前記微細孔の内周面は、前記窒化シリコン膜の領域の内周面である第1傾斜面と、前記第1酸化シリコン膜の領域の内周面である第2傾斜面とを含み、前記第2傾斜面の膜厚方向に対して傾斜する傾きが、前記第1傾斜面の傾きより大きい微細孔を形成する第3エッチング工程と
を具備することを特徴とするシリコンチップの製造方法。

【請求項7】
 
前記第3エッチング工程の後、
ウェット酸化工程と、
前記第2酸化シリコン膜上に低誘電率材料を塗布し、前記第4微細孔に対応する領域をドライエッチングすることにより第5微細孔を有する低誘電率絶縁膜を形成する低誘電率絶縁膜形成工程と
を具備することを特徴とする請求項6記載のシリコンチップの製造方法。

【請求項8】
 
前記低誘電率絶縁膜形成工程の後、
前記微細孔の内周面に酸化シリコン膜を気相法により設ける第3膜形成工程を具備することを特徴とする請求項7記載のシリコンチップの製造方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2017037453thum.jpg
State of application right Published
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