(57)【要約】【課題】メンブレンに単一のナノポアを安定して形成することのできる孔形成方法及び孔形成装置を提供する。【解決手段】この孔形成方法は、膜に対し孔を形成する孔形成方法であって、電解液中に設けられた前記膜を挟んで設置された第１の電極と第２の電極の間に第１の電圧を印加し、前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が第１の閾値電流に到達したら前記第１の電圧の印加を停止し、前記膜の一部に薄膜部分を形成する第１の工程と、前記第１の工程の後に第２の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極の間に印加して前記薄膜部分にナノポアを形成する第２の工程とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜に対し孔を形成する孔形成方法であって、
電解液中に設けられた前記膜を挟んで設置された第１の電極と第２の電極の間に第１の電圧を印加し、前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が第１の閾値電流に到達したら前記第１の電圧の印加を停止し、前記膜の一部に薄膜部分を形成する第１の工程と、
前記第１の工程の後に第２の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極の間に印加して前記薄膜部分にナノポアを形成する第２の工程と
を備えたことを特徴とする孔形成方法。
【請求項２】
前記第２の工程において、前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が第２の閾値電流に到達したら、前記第２の電圧の印加を停止することを特徴とする、請求項１に記載の孔形成方法。
【請求項３】
前記第２の電圧は、前記第１の電圧の絶対値以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の孔形成方法。
【請求項４】
前記第２の電圧は、前記第１の電圧と逆極性の電圧であることを特徴とする請求項１又は２に記載の孔形成方法。
【請求項５】
前記第２の工程において、前記第２の電圧を印加後に、前記第１の電極と前記第２の電極の間に第３の電圧を印加し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流を測定し、前記電流が第３の閾値電流に到達もしくは超えるまで前記第２の電圧の印加と前記第３の電圧の印加時の電流の計測を繰り返すことを特徴とする、請求項１に記載の孔形成方法。
【請求項６】
前記第３の電圧は、前記第２の電圧よりも小さいことを特徴とする、請求項５に記載の孔形成方法。
【請求項７】
前記第２の電圧の１回の印加時間の幅が１μｓ以上１０ｓ以下であることを特徴とする、請求項５に記載の孔形成方法。
【請求項８】
前記第３の電圧が０．０１Ｖ以上１Ｖ以下であることを特徴とする請求項５に記載の孔形成方法。
【請求項９】
前記第１の電圧を、第１の値から、この第１の値よりも大きい第２の値に向けて徐々に増加させることを特徴とする、請求項１記載の孔形成方法。
【請求項１０】
前記第１の電圧は交流電圧の成分を含むことを特徴とする、請求項１に記載の孔形成方法。
【請求項１１】
前記第２の電圧は交流電圧の成分を含むことを特徴とする、請求項１に記載の孔形成方法。
【請求項１２】
電解液中に設けられる膜を挟んで配置される第１の電極及び第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極に電圧を印加するとともに、前記第１の電極及び前記第２の電極の間を流れる電流を計測する制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に第１の電圧を印加し、前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が第１の閾値電流に到達したら前記第１の電圧の印加を停止し、前記膜の一部に薄膜部分を形成する第１の工程と、
前記第１の工程の後に第２の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極の間に印加して前記薄膜部分にナノポアを形成する第２の工程と
を実行可能に構成されたことを特徴とする孔形成装置。
【請求項１３】
前記制御部は、前記第２の工程において、前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が第２の閾値電流に到達したら、前記第２の電圧の印加を停止することを特徴とする、請求項１２に記載の孔形成装置。
【請求項１４】
前記第２の電圧は、前記第１の電圧よりも絶対値が小さいことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の孔形成装置。
【請求項１５】
前記第２の電圧は、前記第１の電圧と逆極性の電圧であることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の孔形成装置。
【請求項１６】
前記第１の電圧は交流電圧の成分を含む、請求項１２に記載の孔形成装置。
【請求項１７】
前記第２の電圧は交流電圧の成分を含む、請求項１２に記載の孔形成装置。
【請求項１８】
前記第２の工程において、前記第２の電圧を印加後に、前記第１の電極と前記第２の電極の間に第３の電圧を印加し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流を測定し、前記電流が第３の閾値電流に到達もしくは超えるまで前記第２の電圧の印加と前記第３の電圧の印加時の電流の計測を繰り返すことを特徴とする、請求項１２に記載の孔形成装置。
【請求項１９】
膜に対し単一の孔を形成する孔形成方法であって、
電解液中に設けられた前記膜を挟んで設置された第１の電極と第２の電極の間に第１の電圧を印加し、前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が第１の閾値電流に到達したら前記第１の電圧の印加を停止する第１の工程と、
前記第１の工程の後に、前記第１の電極と前記第２の電極の間に前記第１の電圧と逆極性の第２の電圧を印加する第２の工程と
を備えたことを特徴とする孔形成方法。
【請求項２０】
前記第２の工程において、前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が第２の閾値電流に到達したら、前記第２の電圧の印加を停止することを特徴とする、請求項１９に記載の孔形成方法。
【請求項２１】
前記第２の電圧は前記第１の電圧の絶対値以下であることを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の孔形成方法。
【請求項２２】
前記第２の工程において、前記第２の電圧を印加後に、前記第１の電極と前記第２の電極の間に第３の電圧を印加し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流を測定し、前記電流が第３の閾値電流に到達もしくは超えるまで前記第２の電圧の印加と前記第３の電圧の印加時の電流の計測を繰り返すことを特徴とする、請求項１９に記載の孔形成方法。
【請求項２３】
前記第３の電圧は、前記第２の電圧よりも小さいことを特徴とする、請求項２２に記載の孔形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、孔形成方法及び孔形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解液中に存在する分子や粒子を検出する手段として、ナノポア（ナノメータオーダーの貫通孔）を用いた技術の研究・開発が進められている。この技術では、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）をメンブレン（膜）に形成する。そして、メンブレンの上下のチャンバは電解液で満たし、上下のチャンバの両方に電解液に接触する電極を設ける。チャンバの片側には測定対象となる検出対象物を入れ、両チャンバに設けた電極の間に電位差を与えて検出対象物を電気泳動させてナノポアに通過させる。その際に、両電極間に流れるイオン電流の時間変化を計測する。これにより、検出対象物の通過の検出や、その構造的な特徴を把握することが可能になる。このようなナノポアを形成されたメンブレン等を有するデバイスは、一般にナノポアデバイスと呼ばれる。
【０００３】
ナノポアデバイスの製造は、機械的強度が高いこと等から、半導体基板、半導体材料及び半導体プロセスを用いる方法が注目を集めている。例えばメンブレンの材料としてはシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を用いることができ、ナノポアの形成するための装置としては透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope））が用いることができる。ＴＥＭにおいて、電子ビームの照射面積をメンブレン上で小さく絞り、エネルギー又は電流を制御することで、直径が１０ｎｍ以下のナノポアを形成することが出来る（非特許文献１）。
【０００４】
特許文献１は、メンブレンの絶縁破壊現象を利用した新たなナノポアの形成方法を開示する。特許文献１の方法では、まず、孔の空いていないメンブレンを挟んで上下に電解液を満たし、上下のチャンバの電解液中に電極を浸し、両電極間に高電圧を印加し続ける。そして、電極間の電流値が急激に上昇して、予め指定した閾値電流に到達したときに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。この特許文献１の方式は、ＴＥＭ装置を用いたナノポア形成に比べ、製造コストやスループットが大幅に削減されるという利点がある。膜にナノポアを形成した後、膜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、大気中の汚染物質にナノポアが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】
しかし、本発明者らによる試験の結果、特許文献１の方法は、安定してナノポアを形成することが困難であることが判明した。具体的には、厚さが５ｎｍ以下のメンブレンには一定程度有効なナノポアの形成が可能である（つまり、膜に対して単一のナノポアを形成できることもあるし、出来ないこともある）が、厚さが５ｎｍよりも大きいメンブレンに対して絶縁破壊によるナノポアの形成を試みた場合、特許文献１の方法では、メンブレンに単一のナノポアを形成することはほぼ不可能であることが分かった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Jacob K Rosenstein、et al.，Nature Methods、Vol.9、No.5、487-492 (2012) Vol.6、No.4、779-782
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１６７９５５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、メンブレンに単一のナノポアを安定して形成することのできる孔形成方法及び孔形成装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る孔形成方法は、膜に対し孔を形成する孔形成方法であって、電解液中に設けられた前記膜を挟んで設置された第１の電極と第２の電極の間に第１の電圧を印加し、前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が第１の閾値電流に到達したら前記第１の電圧の印加を停止し、前記膜の一部に薄膜部分を形成する第１の工程と、前記第１の工程の後に第２の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極の間に印加して前記薄膜部分にナノポアを形成する第２の工程とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る孔形成装置は、電解液中に設けられる膜を挟んで配置される第１の電極及び第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極に電圧を印加するとともに、前記第１の電極及び前記第２の電極の間を流れる電流を計測する制御部とを備え、前記制御部は、前記第１の電極と前記第２の電極の間に第１の電圧を印加し、前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流が第１の閾値電流に到達したら前記第１の電圧の印加を停止し、前記膜の一部に薄膜部分を形成する第１の工程と、前記第１の工程の後に第２の電圧を前記第１の電極と前記第２の電極の間に印加して前記薄膜部分にナノポアを形成する第２の工程とを実行可能に構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、メンブレンに単一のナノポアを安定して形成することができる孔形成方法及び孔形成装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施の形態に係る孔形成装置を示す概略図である。
【図２】特許文献１によるナノポア形成の手順を説明するグラフである。
【図３】特許文献１によるナノポア形成の結果を示す写真である。
【図４】特許文献１によるナノポア形成の手順を説明するグラフである。
【図５】特許文献１によるナノポア形成の結果を示す写真である。
【図６】特許文献１によるナノポア形成の手順を説明するグラフである。
【図７】特許文献１によるナノポア形成の結果を示す写真である。
【図８】第１の実施の形態の孔形成方法を説明するグラフである。
【図９】第１の実施の形態の孔形成方法を説明する模式図及びグラフである。
【図１０】第１の実施の形態の孔形成方法の結果を示す写真である。
【図１１】第１の実施の形態の変形例を説明する模式図及びグラフである。
【図１２】第２の実施の形態の孔形成方法を説明するグラフである。
【図１３】第２の実施の形態の孔形成方法を説明するグラフである。
【図１４】第３の実施の形態の孔形成方法を説明するグラフである。
【図１５】第４の実施の形態の孔形成方法を説明するグラフである。
【図１６】第４の実施の形態の孔形成方法を説明するグラフである。
【図１７】第４の実施の形態の孔形成方法を説明するグラフである。
【図１８】第４の実施の形態の孔形成方法を説明するグラフである。
【図１９】第４の実施の形態の孔形成方法の効果を説明する概念図である。
【図２０】第５の実施の形態の孔形成方法を説明するグラフである。
【図２１】第５の実施の形態の孔形成方法を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。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。実施形態に記載するデバイス構造及び材料は、本発明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く、本発明の範囲を限定するために開示されているものではない。また実施形態に記載される具体的な電圧値、電流値、電圧印加時間、電圧パルス時間幅も、本発明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く、その範囲を制限する意図で開示されているものではないことに留意すべきである。
【００１４】
［第１の実施の形態］
まず、第１の実施の形態に係る孔形成装置及び孔形成方法を図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施の形態に係る孔形成装置を示す概略図である。第１の実施の形態の孔形成装置の処理対象は、一例として、Ｓｉ基板１００、Ｓｉ基板１００上に形成されたシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）１０１、ＳｉＮ膜１０１上に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）１０２、及びＳｉＯ２膜１０２上に形成されたシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）１０３を有する膜である。この膜のシリコン窒化膜１０１のうちで、その上下にＳｉＯ２膜１０２もしくはＳｉ基板１００が存在していない部分（図１中で、点線で囲われている部分）が前述のメンブレン１１３であり、孔（ナノポア）が形成される対象とされる。
【００１５】
一例として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）１０２は２５０ｎｍ程度の膜厚を有し、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）１０３は１００ｎｍ程度の膜厚を有する。
【００１６】
この孔形成装置は、Ｏリング１０４と、チャンバ１０５、１０６とを備える。チャンバ１０５、１０６は、その内部に電解液１０７、１０８を満たすことが可能に構成されている。また、チャンバ１０５、１０６には、電極１０９、１１０が電解液１０７、１０８と接触するように配置されている。なお、電解液１０７、１０８は、例えば塩化カリウム（ＫＣl）水溶液である。また、電極１０９、１１０は、例えばＡｇ／ＡｇＣｌ電極である。これらの電極１０９、１１０は、計測制御ユニット１１２と電線１１１により接続される。
【００１７】
計測制御ユニット１１２は、電極１０９と電極１１０との間に様々な値の電圧を印加するとともに、電極１０９と電極１１０との間に流れる電流を計測することが可能に構成されている。また、計測制御ユニット１１２は、電極１０９と電極１１０との間を流れる電流の値がある閾値電流に達した時点で、電極１０９と電極１１０との間の電圧印加を自動的に停止する制御も可能とされている。
【００１８】
この孔形成装置では、後述するように、第１の工程と第２の工程の２つの工程を実行することによりメンブレン１１３にナノポアを形成する。第１の工程では、電解液１０７、１０８中に設けられたメンブレン１１３を挟んで設置された電極１０９と電極１１０の間に電圧Ｖ１を印加し、電極１０９との電極１１０との間を（電解液１０７、１０８、及びシリコン窒化膜１０３を介して）流れる電流が閾値電流に到達したら電圧Ｖ１の印加を停止し、メンブレン１１３の一部に薄膜部分を形成する。薄膜部分の厚さは、元のメンブレン１１３の厚さよりも小さい。次の第２の工程によりこの薄膜部分を貫通させてナノポアを形成する。
【００１９】
一方、第２の工程では、第１の工程の後に電圧Ｖ２を電極１０９と電極１１０の間に印加して薄膜部分にナノポアを形成する。このような第１の工程、及び第２の工程による２段階の加工を行うことにより、メンブレンに単一のナノポアを安定して形成することができる。電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１よりも絶対値として小さい値を有する。具体的な電圧の印加方法については、後述する。具体的な制御は、上述の計測制御ユニット１１２により実行される。
【００２０】
なお、計測制御ユニット１１２は、第１の工程と第２の工程を行う上で必要な具体的なパラメータの値（電圧の値や種類、第１の工程及び第２の工程を終了するための閾値電流の値など）を記憶しておく記憶部（図示せず）も備えることができる。このようなパラメータを、予め様々な膜厚や材料で形成されたメンブレン毎に記憶するとともに、形成すべきナノポアの大きさや形状に応じたパラメータを記憶させておくこともできる。この孔形成装置を使用するユーザは、その記憶部の情報を用いて装置に第１の工程と第２の工程を行わせることによって、様々な厚さや材料のメンブレンに対して、所望のサイズの孔（ナノポア）を形成することが出来る。
【００２１】
ここで、特許文献１に開示された孔形成方法は、その方法を実行する装置の外観としては第１の実施の形態（図１）と同一であるが、計測制御ユニット１１２による制御が第１の実施の形態とは異なっている。すなわち、特許文献１に開示された孔形成方法は、第１の実施の形態のように、２段階（第１の工程、第２の工程）の電圧印加を行うものではなく、電圧印加は１工程のみで行う。この特許文献１によるナノポア形成の手順と、その結果とを図２〜図７を参照して説明する。
【００２２】
この特許文献１の方法では、図２（ａ）に示すように、電極１０９と電極１１０との間に電圧Ｖａｂ＝Ｖ１（一定値）を印加しながら、電極１０９と電極１１０との間に流れる電流Ｉａｂを計測する。電極１０９〜１１０間の電流Ｉａｂが例えば時刻ｔ１付近で急激に上昇し、予め設定した閾値電流Ｉｔｈに到達したらナノポアが形成されたと判断し、その時点で電極１０９と１１０間への電圧印加を停止する。これにより、メンブレン１１３にナノポアを形成する。
【００２３】
この特許文献１の方法を用いた場合、特にメンブレン１１３の膜厚が５ｎｍ以上の場合においては、メンブレン１１３に単一のナノポアを形成することが、不可能もしくは極めて困難であることが、発明者らの実験により分かった。
【００２４】
特許文献１の方法を用いてナノポア形成を試みた実験例を以下に記す。本実験例のメンブレン１１３の膜厚は２０ｎｍである。図２（ｂ）のグラフは、電極１０９に０Ｖ、電極１１０に２０Ｖを印加した際の電極１０９及び１１０の間に流れる電流Ｉａｂの時間的変化を示している。この電極１０９及び１１０の間の電圧の印加は、この電流Ｉａｂが閾値電流Ｉｔｈ＝１０−６Ａに到達したら即座に自動的に停止されるよう計測制御ユニット１１２に設定した。図２（ｂ）のグラフから分かるように、電流Ｉａｂの値は時刻ｔ１付近で急激に上昇し、閾値電流Ｉｔｈ（＝１０−６Ａ）に到達し、これにより電圧Ｖａｂの印加は停止された。
【００２５】
上記の処理を行った後、メンブレン１１３にナノポアが形成されているかを観察したＴＥＭ写真を図３に示す。図３の左側の写真は、厚さ２０ｎｍのメンブレン１１３の全景を上面から見た写真である。この図３のＴＥＭ写真は、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３の左側の写真において、メンブレン１１３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の右側の写真である。図３の右側の写真をみると、孔は開いておらず、直径が約２０ｎｍ程度の薄膜領域が形成されているだけである。直径２０ｎｍ程度の薄膜領域において、ＳｉＮに由来した非晶質の模様が見え、薄膜部分には孔が空いていないことが判る。
【００２６】
次に、電極１０９に０Ｖ、電極１１０に２０Ｖを印加し、電極１０９及び１１０の間の電流Ｉａｂが閾値電流Ｉｔｈ＝２×１０−６Ａに到達したら、この電極１０９及び１１０の間の電圧の印加を即座に自動的に停止するように計測制御ユニット１１２が設定された場合の電流Ｉａｂの時間的変化を図４を参照して説明する。本実験も、使用したメンブレン１１３の膜厚は２０ｎｍである。閾値電流Ｉｔｈは、図２及び図３の場合に比べて２倍の値にされている。
【００２７】
図４のグラフから分かるように、電極１０９及び１１０の間の電流Ｉａｂの値は時刻ｔ＝ｔ２付近で急激に上昇し、予め決めた閾値電流Ｉｔｈ（＝２×１０−６Ａ）に到達している。上記の処理を行った後、メンブレン１１３にナノポアが形成されているかを観察したＴＥＭ写真を図５に示す。図５の左側の写真は、厚さ２０ｎｍのメンブレン１１３の全景を上面から見た写真である。図５の左側の写真において、メンブレン１１３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の右側の写真である。図５の右側の写真をみると、図３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る。
【００２８】
次に、電極１０９に０Ｖ、電極１１０に２０Ｖを印加し、電極１０９及び１１０の間の電流Ｉａｂが閾値電流Ｉｔｈ＝１×１０−５Ａに到達したら、電極１０９及び１１０の間の電圧の印加を即座に自動的に停止するよう計測制御ユニット１１２が設定された場合の電流Ｉａｂの時間的変化を図６を参照して説明する。本実験も、使用したメンブレン１１３の膜厚は２０ｎｍである。閾値電流Ｉｔｈの値は、図４の場合よりも更に高く、図２の場合の１０倍にされている。
【００２９】
図６のグラフから分かるように、電極１０９と１１０の間の電流Ｉａｂは時刻ｔ３付近から急激に上昇し、予め決めた閾値電流Ｉｔｈ（＝１×１０−５Ａ）に到達している。上記の処理を行った後、メンブレン１１３にナノポアが形成されているかを観察したＴＥＭ写真を図７に示す。図７の左側の写真は、厚さ２０ｎｍのメンブレン１１３の全景を上面から見た写真である。図７の左側の写真において、メンブレンの１１３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７の右側の写真である。
【００３０】
図７の右側の写真からは、ＳｉＮに由来した非晶質の模様は見えない部分が存在しており、孔があいている部分があることが分かる。しかし、異なる大きさの複数の孔が１つのメンブレンに形成されてしまっている。
【００３１】
ナノポアを通過する分子や粒子の検出又は計数を行う場合、１つのメンブレン１１３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複数の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又は計数の精度が落ちることになる。従って、１つのメンブレン１１３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穴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。
【００３２】
図２〜図７に示した通り、閾値電流Ｉｔｈの値を低く設定するとメンブレン１１３に孔は開口せず、逆に閾値電流Ｉｔｈを高く設定すると、孔は開くが、異なる大きさの孔が１つのメンブレン１１３に複数形成されてしまう。なお、閾値電流Ｉｔｈの値を、２×１０−６Ａと１×１０−５Ａの間の値に設定しても、メンブレン１１３に孔が開口しないか、又は、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となってしまうことが、発明者らの実験により判明した。すなわち、特許文献１の方法では、膜厚２０ｎｍのメンブレン１１３に単一のナノポアを形成することが不可能であるか、非常に困難であることが分かった。この傾向は膜厚２０ｎｍ以上のメンブレン１１３でも確認された。また、膜厚２０ｎｍ以下のメンブレン１１３においても上記の傾向が確認された。
【００３３】
ここで、ナノポアを形成されるメンブレンの膜厚について述べる。ナノポアを用いた測定の用途で最も注目を集めているのは、ＤＮＡの塩基配列の解読（ＤＮＡシーケンシング）である。すなわち、ＤＮＡがナノポアを通過する際の、ナノポアを通過する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。この場合、メンブレンの膜厚は薄いほうがよい。なぜならば、ＤＮＡ鎖中に配列する４種塩基の隣同士の間隔はおよそ０．５ｎｍであり、その間隔よりもメンブレンの厚さが厚くなればなるほど、ナノポア中に同時に多くの塩基が入ることになる。そうすると、電流計測によって得られる信号も複数塩基に由来した信号となってしまい、塩基配列の決定精度を落とす原因となるほか、信号の解析もより複雑になってしまう。
【００３４】
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。一例として、Ru-Jia Yu、Yi-Lun Ying、Yong-Xu Hu、Rui Gao、and Yi-Tao Long、“Label-Free Monitoring of Single Molecule Immunoreaction with a Nanopipette”Anal. Chem. 89、8203-8206、DOI:10.1021/acs.analchem.7b01921 (2017)では、水溶液中の抗原又は抗原と抗体がくっついた物体が孔径約３０ｎｍの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、それら対象物の検出や計数を行っている。
【００３５】
このような対象物の計数などの用途では、対象物の通過をイオン電流の変化として検出できればよく、ＤＮＡシーケンシングをナノポアで行う場合のように、対象分子の分子配列の構造決定まで行う必要はない。従って、メンブレンの膜厚をできるだけ薄くする必要はなく、むしろ、こういった対象物の計数などの用途にナノポアを用いる場合は、ナノポアを構成するメンブレンの膜厚はある程度厚いほうが望ましい。なぜならば、メンブレンの膜厚は厚いほうが、メンブレンの機械的強度が向上し、測定中や、測定の前にメンブレンをハンドリングする際、又はメンブレンを水溶液に触れさせた際に、メンブレンが破損する確率が少なくなるためである。
【００３６】
第１の実施の形態の孔形成装置及び孔形成方法は、上述のように、第１の工程、及び第２の工程の２つの工程を実行することにより、１つのメンブレンに単一のナノポアを安定的に形成することを可能にしている。
【００３７】
図８及び図９を参照して、この第１の実施の形態の孔形成装置による孔形成方法を説明する。図８は、第１の工程における電圧の印加及び電流の検出の方法を示している。また、図９は、第２の工程における電圧の印加及び電流の検出の方法を示している。
【００３８】
図８（ａ）に示すように、第１の工程では、電極１０９及び１１０の間に印加する電圧Ｖａｂの絶対値｜Ｖａｂ｜を｜Ｖ１｜（例えば２０Ｖ）に設定して（ここでは、電極１０９に０Ｖ、電極１１０に２０Ｖを印加することで設定）、電極１０９及び１１０の間の電流Ｉａｂが閾値電流Ｉｔｈ１（例えば１０−６Ａ）に達したら、電極１０９及び１１０の間の電圧Ｖ１の印加を停止する（図８（ｂ））。これにより、メンブレン１１３に所望のサイズの薄膜部分（開口部ではない）を形成する。
【００３９】
閾値電流Ｉｔｈ１の値は適宜調整可能であるが、電圧Ｖ１の印加によりメンブレン１１３に孔（開口部）は形成されず、メンブレン１１３を貫通しない薄膜部分が形成される程度の値に設定される。たとえば、メンブレンの膜厚が２０ｎｍの場合、閾値電流Ｉｔｈ１を１×１０−６Ａに設定することで、直径約２０−２５ｎｍ程度の薄膜部分を形成することが出来る。発明者らは、複数の同寸法・同構成のメンブレンチップを用いて同じ設定（すなわち同じ閾値電流（＝１×１０−６Ａ））で実験を行った結果、ほぼ毎回、直径約２０〜２５ｎｍ程度の薄膜部分がメンブレンに形成されたことを確認している。また、閾値電流を２×１０−６Ａに設定した場合には、直径約４０ｍ程度の薄膜部分を形成することが出来ることを確認している。
【００４０】
次に、第１の実施の形態において、第１の工程に続いて行われる第２の工程について、図９を参照して説明する。図９（ａ）は、第２の工程における印加電圧を示す模式図及びグラフであり、図９（ｂ）は、第２の工程における電流の変化を示すグラフである。
【００４１】
第１の工程によりメンブレン１１３に上述のような薄膜部分が形成されたら、続いて第２の工程を実行する。第２の工程では、電極１０９と１１０の間の電圧Ｖａｂの絶対値｜Ｖａｂ｜を、第１の工程で印加した電圧Ｖ１の絶対値よりも、絶対値が小さい電圧Ｖｐ（｜Ｖｐ｜＜｜Ｖ１｜）に設定する。この第２の工程の電圧印加により、第１の工程で形成したメンブレン１１３中の薄膜部分を破壊し（貫通させ）、メンブレン１１３にナノポアを形成する。
【００４２】
好適な例として、第２の工程においては、電圧Ｖｐをパルス電圧として印加することができる。例えば図９（ａ）に示すように、電極１０９と１１０の間にパルス電圧の印加（電圧Ｖｐ、パルス幅ｔｎ）をすることと、各パルス電圧の間の時間において、電圧Ｖｐの絶対値よりも、絶対値が小さい電圧Ｖｒ（｜Ｖｒ｜＜｜Ｖｐ｜）を印加することとを繰り返すことができる。電圧値Ｖｐのパルス電圧は、前述の薄膜部分を破壊するための電圧である。一方、電圧Ｖｒは、電圧Ｖｒによって電極１０９と１１０との間に流れる電流Ｉａｂを測定し、これにより、薄膜部分の破壊の程度を判定するために印加される。そして、図９（ｂ）に示すように、電圧値Ｖｒの電圧を印加した場合に電極１０９と１１０との間に流れる電流Ｉａｂの値が、所定の閾値電流Ｉｔｈ２に到達もしくは越えた時点でこの第２の工程（パルス電圧の印加）を停止することで、精度良く所望のサイズのナノポアをメンブレン１１３に形成することができる。図９（ｂ）のグラフの横軸は、電圧パルスの印加時間の積算時間（Σｔｎ）を示している。図９（ｂ）のグラフの縦軸は、Ｖｒによって電極１０９と１１０の間に流れる電流Ｉａｂを示している。図９（ｂ）のグラフの横軸（積算時間Σｔｎ）が０の時点での電流値（Ｙ切片）Ｉｉｎｔは、パルス電圧を印加する前（図９の時刻ｔ０以前）の、電極１０９と１１０の間の電流Ｉａｂの値である。
【００４３】
なお、図９（ａ）では、電極１０９に正電圧（例えば１０Ｖ）を印加し、電極１１０に０Ｖを印加している例を示している。第１の工程では、図８に示されるように、電極１０９に０Ｖ、電極１１０に正電圧（２０Ｖ）を印加していたので、第１の工程での印加電圧Ｖ１と、第２の工程での印加電圧Ｖｐとでは、正負又は向きが逆（逆極性）とされている。この意味に関しては後述する。なお電圧Ｖｒを印加して薄膜部分の破壊の程度の判定を行う際には、印加電圧を第１の工程での印加電圧と逆極性としてもよいし、同一の極性としてもよい。図９の例は、電極１０９に０Ｖ、電極１１０に０．１Ｖを印加し、第１の工程での印加電圧と同極性の電圧Ｖｒによる判定の場合を示している。
【００４４】
以下に、一例として、膜厚２０ｎｍのメンブレン１１３を用い、第1の工程で電極１０９に０Ｖ、電極１１０に２０Ｖを印加し、閾値電流Ｉｔｈ１＝１０−６Ａに達したら電極１０９及び１１０の間の電圧印加を停止してメンブレンに薄膜部分を形成した後に、第２の工程を上述のパルス印加で行う場合の、各種パラメータ設定例と、その結果を示す。この例では、電極１０９を１０Ｖ、電極１１０を０Ｖとすることでパルス電圧Ｖｐを印加し、電極１０９を０Ｖ、電極１１０を０.１Ｖとすることで電圧Ｖｒを印加する。パルス電圧のパルス幅ｔｎは０．１ｓ、閾値電流Ｉｔｈ２は、１５ｎＡに設定する。その場合、ちょうど図９（ｂ）に示されるように、時刻Ｔ４においてｊ回目のパルスが印加されたとき、電圧パルス印加時間の積算時間ΣｔｎがＴ４（＝ｊ×ｔｎ）に達し、電圧Ｖｒで計測した電流Ｉａｂが閾値電流Ｉｔｈ２＝１５ｎＡ以上となり、これにより第２の工程が終了する。パルス電圧のパルス幅ｔｎ＝０．１ｓであるので、各電流値のプロットは０．１ｓ間隔でグラフ中に打たれている。
【００４５】
なお、これら上記の電圧値やパルス幅の数値はあくまでも一例である。たとえばパルス幅ｔｎは、電圧Ｖｐの値、メンブレン１１３の厚み、材質、作成したい孔の大きさ、その他の条件に応じて適宜変更することができる。また、パルス幅ｔｎは一定であっても良いし、パルス電圧の印加回数が増加するごとに減少（又は増加）させることもできる。またＶｐやＶｒ、Ｉｔｈ２も、メンブレン１１３の厚み、材質、作成したい孔の大きさ、その他の条件に応じて適宜変更することができる。
【００４６】
上記の設定の下で第２の工程が終了した後、メンブレン１１３にナノポアが形成されているかを観察したＴＥＭ写真を図１０に示す。図１０の左側の写真は、厚さ２０ｎｍのメンブレン１１３の全景を上面から見た写真である。図１０の左側の写真において、メンブレン１１３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１０の右側の写真である。図１０の右側の写真をみると、色が明るい部分の中にＳｉＮ由来の非晶質の模様は見えず、当該明るい部分に孔が開いていることを確認することができた。
【００４７】
また、図１０の左側の写真からは、１つのメンブレン１１３に１箇所だけ孔（単一のナノポア）が空いていることが分かる。そして、図１０の右側の写真から、その孔の長径は約２９ｎｍ、孔の短径は約２６ｎｍであることが分かる。本発明者らは、１０個以上の同寸法・同構造のメンブレンを用いて、この実験を１０回以上、上述した条件と同条件の下で繰り返し、その後各メンブレンをＴＥＭ観察し、形成された孔の観察を行った。その結果、約８０％の確率で孔の長径と短径がどちらも２０ｎｍから３０ｎｍの範囲内に収まっていることが確認された。また８０％以上の確率で孔が開いていることも確認された。
【００４８】
図１１は、第１の実施の形態の変形例を説明するグラフである。この図１１（ａ）は、
第１の実施の形態の変形例の第２の工程における印加電圧を示す模式図及びグラフである。また、図１１（ｂ）は、第２の工程における電流Ｉａｂの変化を示すグラフである。
【００４９】
この変形例は、第１の工程、及び第２の工程の２つの工程によりメンブレン１１３に単一のナノポアを形成するものである点では第１の実施の形態と同一である。また、第１の工程の電圧印加は、第１の実施の形態と同一である（図８参照）。
【００５０】
ただし、この変形例では、第２の工程における印加電圧が、上述した第１の実施の形態とは異なっている。この変形例では、図１１（ａ）に示すように、第２の工程でのパルス電圧の極性が、第１の工程における印加電圧の極性（すなわち図８に示される印加電圧の極性）と同一である（図１１の例では、電極１０９に０Ｖ、電極１１０に１０Ｖを印加することでＶｐを出力している）。
【００５１】
つまり図１１の例では、第２の工程におけるパルス電圧のパルス幅ｔｎは０．１ｓであり、パルス電圧｜Ｖｐ｜が１０Ｖであり、パルス電圧の間における電圧｜Ｖｒ｜は０．１Ｖである。この点は、第１の実施の形態と同一である。ただし、この変形例では、第２の工程におけるパルス電圧の印加の際、電極１０９に０Ｖ、電極１１０に１０Ｖを印加することで、１０Ｖのパルス電圧（第１の工程と同一極性の電圧）を印加していることだけが上述した第１の実施の形態とは違う。
【００５２】
図１１（ｂ）のグラフの横軸は、図９（ｂ）と同様に、パルス幅ｔｎのパルス電圧の印加時間の積算時間（Σｔｎ）を示している。同様に、グラフの縦軸は、薄膜部分の破壊の程度を判定するためにＶｒ＝０．１Ｖを印加した場合に計測される電極１０９〜１１０間の電流Ｉａｂの値である。この図１１（ｂ）の例では、パルス電圧の印加時間の積算時間（Σｔｎ）がＴ５になったところで、電流Ｉａｂが閾値電流Ｉｔｈ２＝１５ｎＡ以上となり、これにより第２の工程が終了する。この積算時間Ｔ５は、図９（ｂ）の場合の積算時間Ｔ４の概ね数倍に達することが、発明者らの実験により判明している。本発明者らの実験によると、積算時間Ｔ４は２秒前後であったのに対し、積算時間Ｔ５は１０〜１２秒程度となることが分かっている。また、第１の実施の形態の変形例（つまり第２の工程でのパルス電圧の極性が、第１の工程における印加電圧の極性と同一の場合）を用いた場合、上述した第１の実施の形態（つまり第２の工程でのパルス電圧の極性が、第１の工程における印加電圧の極性と逆極性の場合）を用いた場合に比べて、形成される孔の大きさのバラつきが大きくなることも分かっている。従って、ナノポアの形成に要する時間や、形成されるナノポアの大きさのバラつきを鑑みれば、第２の工程におけるパルス電圧Ｖｐの極性は、第１の工程における印加電圧と逆極性とすることが好適である。一方で、第１の実施の形態の変形例（つまり第２の工程でのパルス電圧の極性が、第１の工程における印加電圧の極性と同一の場合）の利点としては、第１の工程ならびに第２の工程において電極間に印加される電圧が全て同極性に出来るので、電極間の電圧印加に必要な電源は正電源もしくは負電源のいずれか一方でよくなる。それによって電源回路の設計が容易になる他、電源回路の大きさも縮小することができ、より安価に計測制御ユニット１１２を作成できるという利点がある。
【００５３】
なお、上述した例では、厚さ２０ｎｍのメンブレン１１３を用いていたが、メンブレン１１３の厚さはもちろんこの限りでない。例えばメンブレン１１３の膜厚が異なる場合でも、上述した設定と略同一の設定で、例えば孔径約２０ｎｍ程度のナノポアを形成することが出来る。本発明者は、膜厚が１４ｎｍのメンブレン１１３においても同様の実験を行った。一例として、第１の工程では、電極１０９に０Ｖ、電極１１０に１１Ｖを印加して、電極１０９〜１１０間の電流Ｉａｂが閾値電流Ｉｔｈ１＝１×１０−６Ａに到達したら自動的に停止させた。そして、第２の工程では、電極１０９に９Ｖ、電極１１０に０Ｖを印加することでパルス電圧（パルス幅ｔｎ＝０．１ｓ）を印加することと、その後、電極１０９に０Ｖ、電極１１０に０.１Ｖを印加することで｜Ｖｒ｜＝０．１Ｖを印加して電極１０９〜１１０間の電流を計測することを繰り返し、電流が閾値電流Ｉｔｈ２＝１５ｎＡに到達したら第２の工程を終了させた。その結果、平均して孔径２０ｎｍ程度のナノポアが安定して形成されることが分かった。
【００５４】
このように、本実施の形態の方法は様々な膜厚のメンブレンに対して有効である。本実施の形態の方法は、膜厚が大きなメンブレンに対して特に有効であるが、膜厚の小さいメンブレン（例えば５ｎｍ以下）においても効果を発揮する。すなわち、膜厚の小さいメンブレンにおいても、本実施の形態のように、孔形成の工程を上述のような第１の工程と第２の工程に分けることにより、より安定的に１つのメンブレンに単一のナノポアを形成できることが分かった。
【００５５】
また、メンブレン１１３の材料は、上述の例ではＳｉＮとしたが、メンブレン１１３の材料はＳｉＮに限られるものではなく、本実施の形態の孔の形成方法は、他の材料においても有効である。具体的なメンブレン１１３の例として、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＡｌＯｘ、ＺｒＡｌＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、カーボン膜、又は、これらの合成物を挙げることができる。
【００５６】
また、上記の説明では、ＤＮＡシーケンシングやその他の生体の分析装置に用いるメンブレンへの孔形成を例として説明したが、本実施の形態は、同様の大きさのナノポアを形成する必要のある他の分野のメンブレンを対象とすることが可能であることはいうまでもない。
【００５７】
また、上述の例において説明した電圧、閾値電流、パルス幅なども、あくまで一例に過ぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。ただし、第１の工程における印加電圧の大きさは、その印加電圧をメンブレン１１３の膜厚で割ったときに、０．１Ｖ／ｎｍ以上かつ２Ｖ／ｎｍ以下であることが望ましい。（印加電圧／メンブレン１１３の膜厚）が０．１Ｖ／ｎｍよりも小さいと、設定した閾値電流Ｉｔｈ１に電極間の電流Ｉａｂが到達するまでの時間が非常に長くなり、結果として第１の工程に掛かる時間が非常に長くなってしまう。一方、（印加電圧／メンブレン１１３の膜厚）が２Ｖ／ｎｍよりも大きいと、電圧を印加してから、設定した閾値電流に電極間の電流Ｉａｂが到達するまでの時間が非常に短くなるため、一般的な市販の計測制御ユニットを用いて第１の工程の制御をすることが困難となる。
【００５８】
また、第１の工程において印加電圧の停止のために用いられる閾値電流Ｉｔｈ１は、上述の例では１０−６Ａに設定したが、この値もあくまでも一例であり、これに限定されるものではない。閾値電流Ｉｔｈ１は、メンブレン１１３の元の膜厚よりも十分に小さい膜厚を有する薄膜部分が形成される程度に設定されていればよい。ただし、単一のナノポアを１つのメンブレンに形成するという目的に鑑みれば、閾値電流Ｉｔｈ１は、１ｎＡ以上５μＡ以下の範囲に設定されるのが好適である。閾値電流Ｉｔｈ１を５μＡよりも大きく設定すると、図７の写真のように、大きさの異なる複数の孔が１つのメンブレン１１３に生成する確率が高まる。一方、閾値電流Ｉｔｈ１を１ｎＡよりも小さく設定すると、第１の工程を長時間実施してもメンブレン１１３に明確な薄膜部分が形成されにくくなり、その後第２の工程を経てもメンブレン１１３に孔が開かないことが多くなる。
【００５９】
第２の工程における印加電圧Ｖｐの大きさも、上記の数値には限定されない。ただし、その印加電圧をメンブレン１１３の膜厚（第１の工程で形成された薄膜部分ではない部分のメンブレン１１３の膜厚）で割ったときに、０．１Ｖ／ｎｍ以上かつ１．５Ｖ／ｎｍ以下であることが望ましい。（印加電圧／メンブレン膜厚）が０．１Ｖ／ｎｍよりも小さいと、設定した閾値電流Ｉｔｈ２に電極間の電流Ｉａｂが到達するまでの時間が非常に長くなり、結果として第２の工程に掛かる時間が非常に長くなってしまう。一方、（印加電圧／メンブレン膜厚）が１．５Ｖ／ｎｍよりも大きいと、メンブレン１１３に２つ以上の孔が形成される確率が高くなってしまう。
【００６０】
また、上記の例では、第２の工程におけるパルス電圧のパルス幅ｔｎは０．１ｓとしたが、パルス幅ｔｎはこれに限定されるものではなく、１つのメンブレンに単一のナノポアが高確率で形成され得る限りにおいて、任意の値に設定することができる。ただし、パルス幅ｔｎは、１μｓ以上１０ｓ以下に設定するのが好適である。パルス幅ｔｎが１μｓよりも小さいと、電極間１０９及び１１０の間に印加した電圧がメンブレン１１３に十分に印加されない虞が高くなる。その結果、第２の工程が終了するまでの時間が非常に長くなってしまう。一方、電圧パルス幅ｔｎが１０ｓよりも大きいと、パルス電圧の印加後に低電圧（Ｖｒ）を印加して計測した電極１０９及び１１０の間の電流が、予め設定した閾値電流Ｉｔｈ２を大幅に超えてしまう可能性がある。そうすると、所望の孔よりもはるかに大きい孔が形成されてしまう可能性がある。
【００６１】
第２の工程においてパルス電圧の印加を行う場合、閾値電流Ｉｔｈ２は、パルス電圧の印加開始前に電圧（Ｖｒ）を印加したときに電極１０９及び１１０の間に流れる電流Ｉｉｎｔの２倍以上１００倍以下が望ましい。閾値電流Ｉｔｈ２が電流Ｉｉｎｔの２倍よりも小さいと、第１の工程で形成された薄膜部分が破壊されず、孔が形成されない確率が高くなる。一方、閾値電流Ｉｔｈ２が電流Ｉｉｎｔの１００倍よりも大きいと、第２の工程が終了するまでの時間が非常に長くなるほか、メンブレン１１３に２つ以上の孔が開く確率が高まる。
【００６２】
また上述してきた実験例では、約２０〜３０ｎｍの径を有するナノポアの形成例を示してきたが、Ｉｔｈ１ならびにＩｔｈ２の設定次第で、形成されるナノポアの径をコントロールできることも分かっている。すなわち、より小さな径のナノポアを作成したい場合、Ｉｔｈ１ならびにＩｔｈ２の値を小さめに設定すればよく、また、より大きな径のナノポアを作成したい場合、Ｉｔｈ１ならびにＩｔｈ２の値を大きめに設定するなどすればよい。
【００６３】
また、第１の工程における印加電圧の大きさ｜Ｖ１｜と、第２の工程におけるパルス電圧｜Ｖｐ｜の大きさは、上述したとおり｜Ｖｐ｜＜｜Ｖ１｜とすることが望ましい。これは、第１の工程で形成した薄膜部分以外の領域にもナノポアが形成されることを防ぐためである（つまり複数のナノポアが形成されることを防ぐためである）。｜Ｖｐ｜＝｜Ｖ１｜とした場合は、パルス電圧の印加時間幅tnを十分に短くして、第１の工程で形成した薄膜部分のみにナノポアが開口するように調整する必要がある。
【００６４】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態に係る孔形成装置及び孔形成方法を図１２〜図１３を参照して説明する。第２の実施の形態の孔形成装置の外観構成は、第１の実施の形態のもの（図１）と略同一であるので、重複する説明は省略する。ただし、孔形成方法における電圧制御、具体的には計測制御ユニット１１２により行われる制御が第１の実施の形態とは異なっている。
【００６５】
第２の実施の形態の孔形成方法は、第１の工程と第２の工程とに分割した電圧印加を行う点では、第１の実施の形態と同一である。また、第１の工程の電圧印加は、図１２に示すように、電極１０９及び１１０の間に印加する電圧Ｖａｂを電圧Ｖ１に設定して、電極１０９及び１１０の間の電流Ｉａｂが閾値電流Ｉｔｈ１に達したら、電極１０９及び１１０の間の電圧Ｖ１の印加を停止するものであり、これによってメンブレンの一部に薄膜部分を形成する。これは第１の実施の形態と同一である。
【００６６】
図１３に示すように、第２の工程での電圧印加方法は、第１の実施の形態のそれとは異なっている。第２の実施の形態の第２の工程は、第１の実施の形態のようなパルス電圧を用いず、一定の電圧Ｖａｂ＝Ｖｐを連続的に電極１０９と１１０の間に印加し続ける。なお、｜Ｖｐ｜＜｜Ｖ１｜である。そして、このような電圧Ｖａｂ＝Ｖｐの印加により薄膜部分の破壊が進み、例えば時刻ｔ２において電極１０９と１１０の間の電流Ｉａｂが閾値電流Ｉｔｈ２に達したら、電圧Ｖａｂの印加を停止する。このような電圧印加方法によっても、第１の実施の形態と同様に、１つのメンブレンに単一のナノポアを形成することが可能である。閾値電流Ｉｔｈ２、及び電圧値Ｖ２の値は、第１の実施の形態のそれとは異なる値に設定し得る。なお電圧Ｖｐは、第１の工程での電圧Ｖ１と逆極性でも、同一極性でもよい。ただし第１の実施の形態の場合と同様、本第２の実施の形態においても電圧Ｖｐと電圧Ｖ１は逆極性（逆向き）であるほうが、第２の工程において閾値電流Ｉｔｈ２に到達するまでの時間が短い。また、電圧Ｖｐと電圧Ｖ１は逆極性（逆向き）であるほうが、形成される孔の大きさのバラつきが小さくなることも分かっている。故に、ナノポアの形成に要する時間や、形成されるナノポアの大きさのばらつきを鑑みれば、逆極性とすることが好適である。一方、第１の実施の形態の説明でも記載したとおり、電圧Ｖｐと電圧Ｖ１を同極性とすることで、電極１０９と電極１１０に電圧を印加するための電源は、正電源もしくは負電源のいずれか一方を用意するだけですむ。それによって電源回路の設計が容易になる他、電源回路の大きさも縮小することができ、より安価に計測制御ユニット１１２を作成できるという利点がある。
【００６７】
第２の工程で設定する閾値電流Ｉｔｈ２は、第２の工程を開始してから５〜１０秒程経った後（電圧値Ｖｐの電圧の印加を開始した直後から５〜１０秒程経った後）、電極１０９〜１１０間を流れる過渡電流がある程度収束した段階で計測された電流Ｉａｂの２倍以上１００倍以下に設定するのが望ましい。それより小さい値に閾値電流Ｉｔｈ２を設定した場合、第１の工程でメンブレン１１３に形成した薄膜部分を破壊することが出来ずに孔が形成されない確率が高まる。またそれより大きい値に閾値電流Ｉｔｈ２を設定した場合、第２の工程が終了するまでの時間が非常に長くなることに加え、メンブレン１１３に２つ以上の孔が開いてしまう虞が高まる。
【００６８】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態に係る孔形成装置及び孔形成方法を図１４を参照して説明する。第３の実施の形態の孔形成装置の外観構成は、第１の実施の形態のもの（図１）と略同一であるので、重複する説明は省略する。ただし、孔形成方法における電圧制御、具体的には計測制御ユニット１１２により行われる制御が第１の実施の形態とは異なっている。
【００６９】
第３の実施の形態の孔形成方法は、第１の工程における電圧印加が前述の実施の形態とは異なっている。第２の工程の電圧印加は、前述の実施の形態のいずれかと同様で良い。
【００７０】
第３の実施の形態での第１の工程では、電圧Ｖａｂを、目標値Ｖｔｇに比べ小さい開始値Ｖｓｔに設定し、その後徐々にその電圧Ｖａｂを時間と共に増加させていく。一例としては、図１４（ａ）のように、ある電圧を一定時間ｔｓだけ維持した後、所定のステップアップ幅Ｖｓで電圧Ｖａｂを階段状に増加させることを繰り返し、最終的に目標値Ｖｔｇまで上昇させる。このように電圧Ｖａｂを増加させつつも、図１４（ｂ）に示すように、電極１０９と１１０の間の電流Ｉａｂが閾値電流Ｉｔｈ１に達したか否かを計測制御ユニット１１２において監視し、例えば時刻ｔ１’において閾値電流Ｉｔｈ１に達したら電圧Ｖａｂの印加を停止させる。
【００７１】
この第３の実施の形態の利点は、例えば図１４（ａ）の時間ｔｓを短くすることで、又はステップアップ幅Ｖｓを大きくすることで、第１の工程が終了するまでの時間を短くすることが出来ることである。また、この第３の実施の形態は、第１の工程において時間と共に徐々に印加電圧Ｖａｂを上げていくので、どの程度の電圧を何秒程度印加すれば加工対象であるメンブレン１１３において絶縁破壊が起こるかが不明な場合に対して有効である。電圧Ｖａｂの増加の方法は、上述のような階段状に限定されず、連続的、線形的に増加させることも可能である。
【００７２】
なお、この第３の実施の形態のような第１の工程を実行した場合、その後の第２の工程で印加する電圧の大きさＶｐの絶対値は、第１の工程で電極１０９及び１１０の間の電流Ｉａｂが閾値電流Ｉｔｈ１に到達した時点で印加されている電圧値Ｖｆｉｎの絶対値よりも小さな電圧に設定される。
【００７３】
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態に係る孔形成装置及び孔形成方法を図１５〜図１９を参照して説明する。第４の実施の形態の孔形成装置の外観構成は、第１の実施の形態のもの（図１）と略同一であるので、重複する説明は省略する。ただし、孔形成方法における電圧制御、具体的には計測制御ユニット１１２により行われる制御が第１の実施の形態とは異なっている。
【００７４】
第４の実施の形態の孔形成方法は、第１の工程における電圧印加が前述の実施の形態とは異なっている。第２の工程の電圧印加は、前述の実施の形態のいずれかと同様で良い。
【００７５】
第４の実施の形態での第１の工程では、電圧Ｖａｂを、図１５に示すような交流波形（正弦波形）とすることができる。すなわち、この第４の実施の形態では、電圧Ｖａｂの向き（極性）が周期的に変化する。
【００７６】
また、波形は正弦波に限らず、例えば図１６〜図１８に示すような矩形波、三角波、鋸歯状波など、時間とともに周期的に電圧値及び／又は正負が変化する波形とすることができる。なおこれらの波形は、直流電圧に重畳していてもよい。
【００７７】
第１の工程における印加電圧に交流電圧を用いた場合には、電極１０９と１１０の間に流れる電流も交流となる。そのため、第１の工程を終了させるか否かの判定に用いる閾値電流Ｉｔｈ１は、電極１０９と１１０の間の電流Ｉａｂの実効値の値で定義するのが良い。すなわち、電極１０９と１１０の間の電流Ｉａｂの実効値がある閾値に到達したら第１の工程を終了するよう設定し、メンブレン１１３に薄膜部分を形成する。
【００７８】
また、第１の工程において電圧印加に交流電圧を用いた場合、メンブレン１１３に所定の薄膜部分が形成された時点で、印加している交流電圧Ｖａｂの位相と検出される電流Ｉａｂの位相の差が大きくなる。そのため、当該位相差がある閾値に達したら、交流電圧Ｖａｂの印加を終了させることも出来る。または、電流Ｉａｂの実効値、及び当該位相差の両方の情報を用いて、第１の工程の終了の判定を行うことも出来る。
【００７９】
また、第１の工程における印加電圧は、交流電圧と直流電圧とが交互に現れるような電圧であってもよい。
【００８０】
この第４の実施の形態のように、第１の工程における印加電圧の少なくとも一成分を交流電圧とすることにより、メンブレン１１３に形成されるナノポアの形状の上下方向の対称性を向上させることができる。例えばナノポアの上下が対象とは、図１９（a）に示すような形状であり、ナノポアの上下が非対称とは、図１９（b）に示すような形状である。
【００８１】
この第４の実施の形態を実行することで、図１９（ａ）に示すように、メンブレン１１３に形成されるナノポア１１４の側壁を、メンブレン１１３の表面に対し、より垂直に近い角度にすることができる。
【００８２】
ナノポア１１４の側面がメンブレン１１３の表面に対し垂直な、上下方向の対称性がある形状とされると、検出対象物がナノポア１１４に詰まりにくくなり、対象物の検出精度を向上させることができる。
【００８３】
［第５の実施の形態］
第５の実施の形態に係る孔形成装置及び孔形成方法を図２０及び２１を参照して説明する。第５の実施の形態の孔形成装置の外観構成は、第１の実施の形態のもの（図１）と略同一であるので、重複する説明は省略する。ただし、孔形成方法における電圧制御、具体的には計測制御ユニット１１２により行われる制御が第１の実施の形態とは異なっている。
【００８４】
第５の実施の形態の孔形成方法は、第２の工程における電圧印加が前述の実施の形態とは異なっている。第１の工程の電圧印加は、前述の実施の形態のいずれかと同様で良い。
【００８５】
第５の実施の形態の第２の工程は、電極１０９および１１０の間に、ある時間幅の交流電圧（電圧の最大値＝Ｖｐｃ、電圧の最小値＝−Ｖｐｃ）と、Ｖｐｃよりも絶対値が小さい直流電圧（電圧の大きさＶｒ）とを、時間的に交互に繰り返し印加し、電圧Ｖｒの印加時に電極１０９〜１１０の間に流れる電流を計測し、その電流が閾値電流を超えたか否かを判定する。閾値電流を超えた場合、ナノポアが形成されたと判定し、第２の工程は終了する。Ｖｐｃの値は、第１の工程で薄膜部分の形成の完了が検知されたときに電極１０９及び１１０の間に印加されていた電圧の大きさよりも小さい値が望ましい。
【００８６】
また、図２１に示すように、第５の実施の形態の第２の工程における印加電圧は、振幅Ｖｐｃの交流電圧と電圧値Ｖｘの直流電圧を重畳させた電圧（最大値Ｖｐｃ＋Ｖｘ、最小値−Ｖｐｃ＋Ｖｘ）であってもよい。この場合、第２の工程の印加電圧の最大値の絶対値|Ｖｐｃ＋Ｖｘ|は、第１の工程で薄膜部分が形成されたことが検知されたときに印加されていた電圧よりも小さな値に設定することが望ましい。なお、図２０及び図２１に示された交流波形は正弦波形であるが、正弦波以外にも、矩形波、三角波、鋸歯状波などの波形とすることが可能である。この第５の実施の形態のように、第２の工程における印加電圧の少なくとも一成分を交流電圧とすることにより、メンブレン１１３に形成されるナノポアの形状の上下方向の対称性を向上させることができる。例えばナノポアの上下が対象とは、図１９（a）に示すような形状であり、ナノポア１１４の側面がメンブレン１１３の表面に対し垂直な、上下方向の対称性がある形状とされると、検出対象物がナノポア１１４に詰まりにくくなり、対象物の検出精度を向上させることができる。
【００８７】
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８８】
１００…Ｓｉ基板、１０１…ＳｉＮ膜、１０２…ＳｉＯ２膜、１０３…ＳｉＮ膜、１０４…Ｏリング、１０５，１０６…チャンバ、１０７，１０８…電解液、１０９，１１０…電極、１１１…配線、１１２…計測制御ユニット、１１３…メンブレン、１１４…ナノポア。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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