(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）基板の第１の側に第１の膜材料層を堆積させること；
ｂ）前記基板の第２の側にマスキング材料の層を堆積させること；
ｃ）前記第１の膜材料層上に第１の予備パターニング層を堆積させること；
ｄ）前記第１の予備パターニング層上に第１のキャッピング材料の層を堆積させること；
ｅ）前記第１の予備パターニング層を含む前記基板の熱処理によって第１のパターニング層を形成すること；
ｆ）前記第１のキャッピング材料の層を除去すること；
ｇ）反応性イオンエッチングによる前記第１のパターニング層からのパターン転写によって、前記第１の膜材料層をパターニングすること；
ｈ）任意選択で、前記第１のパターニング層を除去すること；
ｉ）前記パターニングされた第１の膜材料層上に第１のビア材料の層を堆積させること；
ｊ）前記第１のビア材料の層をパターニングし、それにより、前記パターニングされた第１の膜材料層の少なくとも一部が露出される、こと；及び
ｋ）ｂ）からの前記マスキング材料をパターニングし、それにより、前記基板の少なくとも一部が露出され、前記パターニングされた第１の膜材料及び前記マスキング材料を介してシリコンエッチャントでエッチングすることによって前記基板の少なくとも一部を除去し、それにより、少なくとも、露出されたパターニングされた第１の膜材料の前記一部に対応する基板材料が除去され、下方トレンチ及び第１の懸架ナノ多孔膜が形成されると共に、少なくとも、露出されたパターニングされたマスキング材料の前記一部に対応する基板材料が除去され、前記トレンチに流体連結された流体キャビティが形成される、こと
を含む、１つ又は複数の懸架ナノ多孔膜を含むモノリシック構造体を形成する方法。
【請求項２】
ｌ）ｋ）からの前記基板上の第１の膜材料層上に犠牲材料のスペーサ層を堆積させること；
ｍ）前記犠牲材料の層上に第２の膜材料層を堆積させること；
ｎ）前記第２の膜材料層上に第２の予備パターニング層を堆積させること；
ｏ）前記第２の予備パターニング層上に第２のキャッピング材料の層を堆積させること；
ｐ）前記第２の予備パターニング層を含む基板の熱処理によって第２のパターニング層を形成すること；
ｑ）前記第２のキャッピング材料の層の全て又は実質的に全てを除去すること；
ｒ）反応性イオンエッチングによる前記第２のパターニング層からのパターン転写によって前記第２の膜材料をパターニングすること；
ｓ）任意選択で、前記第２のパターニング層の全て又は実質的に全てを除去すること；
ｔ）第２のビア材料の層を堆積させること；
ｕ）前記第２のビア材料の層をパターニングし、それにより、前記パターニングされた第２の膜材料層の少なくとも一部が露出される、こと；
ｖ）前記犠牲材料を除去し、それにより、第２の懸架ナノ多孔膜が形成される、ことであって、前記第２の懸架ナノ多孔膜は、前記第１の懸架ナノ多孔膜と流体接触し得る、こと；及び
ｗ）任意選択で、工程ｌ）からｖ）を反復して、１つ又は複数の追加の懸架ナノ多孔膜を形成することであって、前記懸架ナノ多孔膜のうちの１つ又は複数は、他の懸架ナノ多孔膜のうちの１つ又は複数と流体接触し得る、こと
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１の側及びその反対にある第２の側を有する基板であって、複数のトレンチを有する基板；
前記複数のトレンチ間の前記基板は残存してなり、
前記基板の前記第１の側に設けられたパターニングされた第１の膜材料層であって、前記基板中の前記トレンチに流体連結された複数の孔を有するパターニングされた第１の膜材料層；
及び
前記基板の前記第２の側に設けられたマスキング材料の層であって、前記基板中の前記トレンチに流体連結されている少なくとも１つの流体キャビティを有するマスキング材料の層
を含む、懸架ナノ多孔膜を含むモノリシック構造体。
【請求項４】
前記パターニングされた第１の膜材料層上に設けられた第１のビア材料の層であって、前記孔に流体連結されたビアを有するようにパターニングされた第１のビア材料の層、
を更に含む、請求項３に記載のモノリシック構造体。
【請求項５】
前記パターニングされた第１の膜材料層と前記第１のビア材料の層の間に設けられた第１のパターニング層であって、前記ビア及び前記孔を流体連結するようにパターニングされた第１のパターニング層を更に含む、請求項４に記載のモノリシック構造体。
【請求項６】
前記マスキング材料が複数の前記流体キャビティを有し、前記トレンチの各々が、異なる流体キャビティに流体連結されている、請求項３に記載のモノリシック構造体。
【請求項７】
前記第１のビア材料の層上に設けられた、第１の側及びその反対にある第２の側を有する犠牲材料のスペーサ層であって、複数のトレンチを有するスペーサ層；
前記スペーサ層の前記第１の側に設けられたパターニングされた第２の膜材料層であって、前記スペーサ層中の前記トレンチに流体連結された複数の孔を有するパターニングされた第２の膜材料層；
を更に含む、請求項４に記載のモノリシック構造体。
【請求項８】
前記犠牲材料のスペーサ層が、前記基板の前記第１の側に設けられた前記パターニングされた第１の膜材料層に設けられた、請求項７に記載のモノリシック構造体。
【請求項９】
前記犠牲材料のスペーサ層が、前記パターニングされた第１の膜材料層に設けられた前記第１のビア材料の層に設けられている、請求項７に記載のモノリシック構造体。
【請求項１０】
前記パターニングされた第２の膜材料層上に設けられた第２のビア材料の層であって、前記パターニングされた第２の膜材料層の前記孔に流体連結されたビアを有するようにパターニングされた第２のビア材料の層；
を更に含む、請求項７に記載のモノリシック構造体。
【請求項１１】
前記第１の膜層が懸架非多孔膜である、請求項７に記載のモノリシック構造体。
【請求項１２】
請求項３又は請求項７に記載の１つ又は複数のモノリシック構造体を含む濾過又は透析デバイス。
【請求項１３】
請求項１２に記載の濾過又は透析デバイスを用いて濾過又は透析を実施することを含む方法。
【請求項１４】
請求項３又は請求項７に記載の１つ又は複数のモノリシック構造体を含む、成長した細胞由来の産物を回収するための細胞成長バイオリアクタ及びデバイス。
【請求項１５】
請求項１４に記載のデバイスを用いて、細胞成長、及び成長した細胞由来の産物の回収を実施することを含む方法。
【請求項１６】
第１の側及びその反対にある第２の側を有する基板であって、複数のトレンチを有する基板；
前記基板の前記第１の側に設けられたパターニングされた第１の膜材料層であって、前記基板中の前記トレンチに流体連結された複数の孔を有するパターニングされた第１の膜材料層；
前記パターニングされた第１の膜材料層上に設けられた第１のビア材料の層であって、前記孔に流体連結されたビアを有するようにパターニングされた第１のビア材料の層；
前記基板の前記第２の側に設けられたマスキング材料の層であって、前記基板中の前記トレンチに流体連結されている少なくとも１つの流体キャビティを有するマスキング材料の層；及び
前記パターニングされた第１の膜材料層と前記第１のビア材料の層の間に設けられた第１のパターニング層であって、前記ビア及び前記孔を流体連結するようにパターニングされた第１のパターニング層を更に含む、懸架ナノ多孔膜を含むモノリシック構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、２０１５年１０月３０日に出願された米国仮出願第６２／２４８，４６７号に対する優先権を主張するものであり、当該仮出願の開示は参照により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
本開示の分野
本開示は、概して、流体キャビティを作製する方法に関する。更に詳しくは、本開示は、多孔膜を介した膜透過エッチングを用いて流体キャビティを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
スルーウエハエッチング工程は、活性領域多孔ナノ膜（active-area porous nanomembranes）を露出し、懸架（suspend）するために、現在、必要とされている。多孔ナノ膜は、典型的には、１００ｎｍ未満の厚みであり、このため、差圧などの機械力や典型的なデバイスへの組立ての際の取り扱い操作に対してその保全性及び耐性を維持するために、ほとんどの実施形態においては、１つの寸法が（in one dimension）１ｍｍ未満に制限されている。この制限により、機能的用途のために利用できる活性膜領域の大きさが制限される。
【０００４】
Ｓｉウエハに設けられた多孔ナノ膜を露出させ、懸架するために、例えば、エチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）での湿式化学エッチングを使用すると、その異方性エッチングに起因して、＜１−０−０＞配向Ｓｉウエハに貫入するようにエッチングされた開口は、ほぼ５５°の傾斜した側壁によって構成される。この特徴は、デバイス内に並べて配置できる活性膜の数を制限するため、＜１−０−０＞ウエハに備えることができる活性膜領域は物理的に制限される。＜１−１−０＞などの代替Ｓｉ配向は、真っすぐ（straight）な側壁形成を伴うスルーウエハエッチングが可能であるため、懸架膜同士間のより近接した間隔を可能とし得る。しかしながら、懸架膜とスルーウエハ開口の間の距離（即ち、Ｓｉウエハの厚み）は、デバイス全体の形状と同様に、最適化されないままである。
【０００５】
Ｓｉウエハの全厚みにわたるエッチングは、外側チップ寸法及び懸架膜活性領域の双方を規定するためにも必要とされる。Ｓｉウエハ残部の厚みにより、懸架多孔ナノ膜（the suspended, porous nanomembrane）とスルーウエハ開口の間にかなりのかつ不必要な追加の容積が生じる。この問題が更に際立つのは、流体目的（fluidic purposes）のために、デバイスにおけるスルーウエハエッチングされた側に、ガスケット材料が結合される場合であり、それはガスケットが不可避的に追加の厚み、容積、及び段差を与えるからである。これは拡散距離を増加させ、その結果、多孔ナノ膜を濾過又は分離の用途で用いる場合に、質量移動速度を低下させる。従って、多孔ナノ膜を備えるデバイス内での質量移動容量を改善するために、デバイスの形状及びエッチング方法の改良が求められる。
【発明の概要】
【０００６】
１つの態様において、本開示は、モノリシック構造体を製造する方法を提供する。方法は、膜透過エッチング（a transmembrane etch）により、基板上に１つ又は複数の懸架膜（例えば、懸架ナノ多孔膜又は懸架ミクロ多孔膜などの懸架多孔膜）を含む１つ又は複数の層を製作し、任意選択で、懸架膜の１つ又は複数の層の反対側の基板の側をエッチングすることに基づく。ある実施形態において、本開示のモノリシック構造体は、本明細書中に開示された方法によって製造される。１つ又は複数の懸架ナノ多孔膜を含む複数の層を備えたモノリシック構造体を形成してもよい。これらの構造体は、１つ又は複数の懸架ナノ多孔膜を含む層を形成するのに用いるプロセス工程を反復することによって形成することができる。
【０００７】
スルーウエハエッチングされた特徴形状（the through-wafer-etched features）の寸法、サイズ及び配置は、所望に応じて特定することができる。例えば、２つのスルーウエハエッチングされた特徴形状をパターニングし、膜透過エッチングされたトレンチに対して垂直に、及び膜透過エッチングされたトレンチの遠位端においてエッチングすることができる。１つ又は複数の追加のスルーウエハエッチングされた特徴形状を、膜透過エッチングされたトレンチの長さに沿って、及び膜透過エッチングされたトレンチに対して垂直に同様にパターニングすることができる。これらの実施形態において、複数のトレンチがスルーウエハエッチングされた特徴形状に流体的に到達し、それと連結される。他の実施形態において、スルーウエハエッチングされた特徴形状をパターニングすることができ、膜透過エッチングされたトレンチに対して平行にエッチングすることができる。この実施形態において、１つ又は複数の膜透過エッチングされたトレンチは、スルーウエハエッチングされた特徴形状に流体的に到達し、それと連結できる。これらの実施形態において、膜透過エッチング及びスルーウエハエッチングの双方の程度は、それぞれのプロセスによってエッチングされる基板の量を制御するために特定できる。例えば、基板の上部の１／３は膜透過エッチングによってエッチングすることができ、他方、２／３はスルーウエハエッチングによってエッチングすることができる。何れの可能な組合せも所望に応じて特定することができる。
【０００８】
１つの態様において、本開示はモノリシック構造体を提供する。モノリシック構造体は、１つ又は複数のチャネル（トレンチ）と接触していてよい、１つ又は複数の懸架ナノ多孔膜及び／又はミクロ多孔膜を含む。モノリシック構造体は、２つ以上の構造体／デバイスからは形成されない。モノリシック構造体は流体構造体であってよい。ある実施形態において、モノリシック構造体は、本開示の方法、又は本開示の方法の工程の組合せによって製造される。
【０００９】
これらのモノリシック流体構造体は、他の用途の中でも、１）臨床及び実験室研究並びに医療機器のための透析モジュール；２）細胞成長バイオリアクタ；３）実験室及び産業プロセスのための濾過モジュール；及び４）センサ／検出器の上流の試料調製のためのプレフィルトレーション／濃縮モジュールとして有用であり得る。
【００１０】
ある態様において、本開示は、本開示のモノリシック構造体、又は本開示の方法を用いて製造されたモノリシック構造体を含むデバイスを提供する。デバイスは、１つ又は複数のそのような構造体を有してよい。
【００１１】
例えば、デバイスは濾過デバイスである。ある実施形態において、デバイスは、実験室又は産業プロセスのための濾過モジュールである。別の実施形態において、デバイスは、実験室又は産業プロセスのための予備濃縮／濃縮モジュールである。更に別の実施形態において、デバイスは、血液透析又は体外膜血液酸素供給モジュールである。別の実施形態において、２つの懸架多孔膜を有するデバイスは、溶液内の異なるサイズの溶質の混合物の分画装置として働くことができる。ある実施形態において、デバイスは細胞成長バイオリアクタである。別の実施形態において、デバイスは、検出器及びセンサデバイスの上流のプレフィルタとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本開示の性質及び目的のより完全な理解のために、添付の図面と組み合わせて、以下の詳細な記載が参照されるべきである。
【００１３】
【図１】流体キャビティを備えたモノリシック構造体を形成する本方法のある実施形態の過程において形成される構造体の断面図である。
【図２】流体キャビティを備えたモノリシック構造体を形成する本方法のある実施形態の過程において形成される構造体の断面図である。
【図３】流体キャビティを備えたモノリシック構造体を形成する本方法のある実施形態の過程において形成される構造体の断面図である。
【図４】流体キャビティを備えたモノリシック構造体を形成する本方法のある実施形態の過程において形成される構造体の断面図である。
【図５】流体キャビティを備えたモノリシック構造体を形成する本方法のある実施形態の過程において形成される構造体の断面図である。
【図６】流体キャビティを備えたモノリシック構造体を形成する本方法のある実施形態の過程において形成される構造体の断面図である。
【図７】流体キャビティを備えたモノリシック構造体を形成する本方法のある実施形態の過程において形成される構造体の断面図である。
【図８】流体キャビティを備えたモノリシック構造体を形成する本方法のある実施形態の過程において形成される構造体の断面図である。
【図９】１０パルス後のアンダーカットのクローズアップ図である。
【図１０】ＸｅＦ２の１０パルス後の完全なトレンチ幅側面プロフィールである。
【図１１】対応するエッチングパラメータを有する側面プロフィールである。
【図１２】４パルスのトップダウン画像である。
【図１３】アンダーカット及びナノ多孔詳細構造のクローズアップ図である。
【図１４】裏側から表側に合流する（膜透過の）チャネルを表す斜視図である。
【００１４】
図９〜図１３は、ＥＤＰによる（ナノ多孔窒化ケイ素と対向する側からの）Ｓｉウエハに貫入するほぼ３時間の第１のエッチングによって形成された例示的構造の代表的な走査型電子顕微鏡画像である。これは、ナノ多孔窒化ケイ素の下方にあるトレンチへのスルーウエハ流体到達路を生じさせた。次に、種々のパルスについてＸｅＦ２を用いてトレンチをエッチングした。全ての場合につき、パルスは６０秒間の持続時間及び３トールのＸｅＦ２であった。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
特許請求された主題をある特定の実施形態及び実施例という点で記載するが、本明細書中に記載された利点及び特徴形状の全てを提供するとは限らない実施形態及び実施例を含めた他の実施形態及び実施例もまた本開示の範囲内のものである。種々の構造的、論理的、及びプロセス工程の変形形態は、本開示の範囲から逸脱することなくなし得る。
【００１６】
値の範囲を本明細書中に開示する。範囲は、下限値及び上限値を設定する。そうでないことが述べられているのでなければ、範囲は、述べられた範囲の、最小桁に至るまでの全ての値（下限値、上限値の何れも）、及び述べられた範囲の値間の全ての範囲を含む。
【００１７】
本開示は、（流体チャネルとすることができる）１つ又は複数のトレンチと接触した、１つ又は複数の懸架膜（例えば、懸架非多孔膜及び／又は懸架多孔（例えば、ナノ多孔及び／又はミクロ多孔）膜）を含む構造体を提供する。本開示は、構造体を製造する方法及び構造体を用いる方法も提供する。構造体はモノリシック構造体と言うことができる。
【００１８】
本開示は、流体チャネルとして用いることができるボイドを囲う（即ち、流体接触した）懸架膜を含むモノリシック構造体の製作方法を記載する。例えば、構造体は、基板、例えば、Ｓｉウエハ基板に設けられた１つ又は複数の懸架多孔（例えば、ナノ多孔及び／又はミクロ多孔）膜、又は基板内の非多孔又は多孔（例えば、ナノ多孔又はミクロ多孔）の何れかであり得る第２の懸架膜を含む。種々の実施例において、構造体は、基板及び／又は１つ又は複数の層上に設けられた、１つ又は複数の懸架多孔（例えば、ナノ多孔及び／又はミクロ多孔）膜（例えば、窒化ケイ素膜）を含む層を含み、各層は、基板に設けられた層上に設けられた（基板は構造体の底部（例えば、層の反対側）と考えられると仮定する）、１つ又は複数の懸架多孔（例えば、ナノ多孔及び／又はミクロ多孔）膜（例えば、窒化ケイ素膜）を含む。
【００１９】
複数の懸架膜がある場合、個々の膜は、構造体中の１つ又は複数の他の膜と流体接触していてよい。個々の膜は、構造体の同一の層（即ち、層内流体接触）又は異なる層（即ち、層間流体接触）において１つ又は複数の他の膜と流体接触していてよい。懸架膜の複数の層がある場合、個々の層は、別々のビア及び／又はスペーサ層中のボイドを介して流体接触していてよい。
【００２０】
これらのモノリシック流体構造体は、他の用途の中でも、１）臨床及び実験室研究並びに医療機器のための透析モジュール；２）細胞成長バイオリアクタ；３）実験室及び産業プロセスのための濾過モジュール；及び４）センサ／検出器の上流の試料調製のためのプレフィルトレーション／濃縮モジュールとして有用であり得る。
【００２１】
本開示は、その場（in situ）で製作された多孔膜（例えば、ナノ多孔又はミクロ多孔膜）を介して、膜透過エッチングによって犠牲材料（例えば、基板材料及び／又はスペーサ材料）を除去して、トレンチ又は流体キャビティ構造体を作製する方法を提供する（その結果、多孔膜は懸架多孔膜となる）。懸架多孔膜（例えば、懸架ナノ多孔又はミクロ多孔膜）は、自立型多孔膜と言うこともできる。本開示は、この膜透過エッチング方法を用いて製造された構造体も提供する。
【００２２】
それを介して膜透過エッチングを行うことができる多孔ナノ膜は当該分野で公知である。例えば、それを介して膜透過エッチングが行われる多孔ナノ膜は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる米国特許出願第１４／９１１，８７９号に記載されたように作製されたナノ多孔窒化ケイ素（ＮＰＮ）とすることができる。従って、ある例においては、構造体は、（基板を構造体の底部と考えた場合に）基板、例えば、Ｓｉウエハ基板の上方にある１つ又は複数の懸架ナノ多孔窒化ケイ素（ＮＰＮ）膜、又は基板内の、非多孔又は多孔の何れかであってよい第２の懸架膜を含む。
【００２３】
ある態様において、本開示は、モノリシック構造体を製造する方法を提供する。方法は、膜透過エッチングにより、基板上に１つ又は複数の懸架膜（例えば、懸架ナノ多孔膜又は懸架ミクロ多孔膜などの懸架多孔膜）を含む１つ又は複数の層を製作し、任意選択で、懸架膜の１つ又は複数の層と反対の基板の側をエッチングすることに基づく。ある実施形態において、本開示のモノリシック構造体は、本明細書中に開示された方法によって製造される。
【００２４】
ある実施形態において、ＮＰＮ膜は、基板（例えば、Ｓｉウエハ基板）の第１の表面に作製される。別の実施形態において、ＮＰＮフィルムは、基板（例えば、スペーサ層）に設けられた層上に作製され、第３の遠位膜層が基板の第１の表面に堆積（deposited）される。近接してＮＰＮ膜の下方にあるスペーサ層は犠牲材料層として働き、他方、何れの第３の遠位層も、本明細書中に記載されたスルーウエハエッチングの間に作製されるべき可能な第２の懸架膜として働く。
【００２５】
ある実施形態において、１つ又は複数の懸架ナノ多孔膜を含むモノリシック構造体を形成する方法は：
ａ）基板（例えば、結晶性シリコンウエハ）の第１の側に第１の膜材料層（例えば、窒化ケイ素）を堆積させること；
ｂ）前記基板の第２の側にマスキング材料（例えば、窒化ケイ素）の層を堆積させること；
ｃ）前記第１の膜材料層上に第１の予備パターニング層（アモルファスシリコン）を堆積させること；
ｄ）前記第１の予備パターニング層上に第１のキャッピング材料（例えば、酸化ケイ素）の層を堆積させること；
ｅ）前記第１の予備パターニング層を含む基板の熱処理によって（前記第１の予備パターニング層から）第１のパターニング層を形成すること（熱処理を介して前記アモルファスシリコン層からｐｎｃ−Ｓｉを形成すること）；
ｆ）前記第１のキャッピング材料を除去すること；
ｇ）（例えば、反応性イオンエッチングによる）前記第１のパターニング層からのパターン転写によって、前記第１の膜材料層をパターニングする（それによってナノ多孔膜材料を形成する）こと；
ｈ）任意選択で、前記第１のパターニング層を除去すること（場合によって、前記第１のパターニング層を除去するのが望ましいことがある）；
ｉ）前記パターニングされた第１の膜材料層上に第１のビア材料（例えば、酸化ケイ素）の層を堆積させること；
ｊ）前記第１のビア材料の層をパターニングし（例えば、フォトレジストを堆積し、フォトレジストをパターニングし、酸化ケイ素を選択的にエッチングし、フォトレジストを除去する）、それにより、前記パターニングされた第１の膜材料層の少なくとも一部が露出される、こと；及び
ｋ）ｂ）からの前記マスキング材料をパターニングし、それにより、前記基板の少なくとも一部が露出され、前記パターニングされた第１の膜材料及び前記マスキング材料を介してシリコンエッチャント（例えば、ＥＤＰ、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、又はＸｅＦ２）でエッチングすることによって前記基板の少なくとも一部を除去し、それにより、少なくとも、露出されたパターニングされた第１の膜材料の前記一部に対応する基板材料が除去され、下方トレンチ（an underlying trench）及び第１の懸架ナノ多孔膜が形成されると共に、少なくとも、露出されたパターニングされたマスキング材料の前記一部に対応する基板材料が除去され、前記トレンチに流体連結（fluidically connected；「液的に連通」ともいう。）された流体キャビティが形成される、こと
を含む。
ある実施形態において、前記基板に貫入するようにエッチングして、流体キャビティを形成するための、並びに下方トレンチ及び第１の懸架ナノ多孔膜を形成するための、ｋ）における各選択肢の双方が行われる。ある実施形態において、ｉ）（任意選択的に）及びｊ）及びｋ）が反復されて、懸架ナノ多孔膜及び下方トレンチの異なるパターンを提供する。ある実施形態において、前記第１の懸架ナノ多孔膜及び／又は１つ又は複数の追加の懸架ナノ多孔膜を形成する工程は、第１の懸架ミクロ多孔膜及び／又は１つ又は複数の追加の懸架ミクロ多孔膜が形成されるように変更される。種々の実施形態において、方法は、前記第１の膜層の加工に関する工程ｃ）〜ｌ）を省略することによって、１つ又は複数の懸架非多孔膜を含む１つ又は複数の層を形成することを含む。種々の実施形態において、第１の膜層は、同一層内のナノ多孔膜及びミクロ多孔膜の双方のパターニングされた領域を含む。
【００２６】
別の実施形態において、先の実施形態の方法は、ｆ）からの前記基板の前記第１の表面の前記第１のパターニング層上にフォトレジストを堆積させ、前記フォトレジストをパターニングし、前記第１のパターニング層のパターンをｇ）におけるように前記第１の膜層に選択的に転写し、前記フォトレジストを除去し、ｋ）におけるごとく、膜透過エッチング及びスルーウエハエッチングを行い、それにより、（パターン転写の間に前記第１のパターニング層上のパターニングされたフォトレジストによって規定された）パターニングされた第１の膜材料層の少なくとも一部に対応する基板材料が除去されて、下方トレンチ及び第１の懸架ナノ多孔膜を形成すると共に、パターニングされたマスキング材料層の少なくとも一部に対応する基板材料が除去されて、スルーウエハエッチングされた特徴形状を形成する、こと、を更に含む。
【００２７】
１つ又は複数の懸架ナノ多孔膜を含む複数の層を備えたモノリシック構造体を形成してよい。これらの構造体は、１つ又は複数の懸架ナノ多孔膜を含む層を形成するのに用いるプロセス工程を反復することによって形成することができる。従って、ある実施形態において、先の２つの実施形態の方法は、
ｌ）ｋ）からの前記基板上に犠牲材料（例えば、シリコン、酸化ケイ素、又は他の容易に除去されるか又は溶解される材料）のスペーサ層を堆積させること（第１のパターニングされたビア層に連続層を形成すること）；
ｍ）前記犠牲材料のスペーサ層上に第２の膜材料層（例えば、窒化ケイ素）を堆積させること；
ｎ）前記第２の膜材料層上に第２の予備パターニング層（アモルファスシリコン）を堆積させること；
ｏ）前記第２の予備パターニング層上に第２のキャッピング材料（例えば、酸化ケイ素）の層を堆積させること；
ｐ）前記第２の予備パターニング層を含む基板の熱処理によって（前記第２の予備パターニング層から）第２のパターニング層を形成すること（熱処理を用いてアモルファスシリコン層からｐｎｃ−Ｓｉを形成すること）；
ｑ）前記第２のキャッピング材料（例えば、酸化ケイ素）の層の全て又は実質的に全てを除去すること；
ｒ）反応性イオンエッチングによる前記第２のパターニング層からのパターン転写によって前記第２の膜材料をパターニングして、ナノ多孔膜を形成すること；
ｓ）任意選択で、前記第２のパターニング層の全て又は実質的に全てを除去すること；
ｔ）第２のビア材料（例えば、酸化ケイ素）の層を堆積させること；
ｕ）前記第２のビア材料の層をパターニングし（例えば、フォトレジストを堆積し、フォトレジストをパターニングし、酸化ケイ素を選択的にエッチングし、フォトレジストを除去する）、それにより、前記パターニングされた第２の膜材料層の少なくとも一部が露出される、こと；
ｖ）前記犠牲材料を除去し、それにより、第２の懸架ナノ多孔膜が形成される（前記パターニングされた第２の膜層を介してエッチングして、前記犠牲材料の少なくとも一部を除去し、前記ビア材料の前記パターニングされた領域からトレンチ又は連続流体キャビティを形成する）ことであって、前記第２の懸架ナノ多孔膜は、前記第１の懸架ナノ多孔膜と流体接触し得る、こと；及び
ｗ）任意選択で、ｌ）からｖ）を反復して、１つ又は複数の追加の懸架ナノ多孔膜を形成することであって、前記懸架ナノ多孔膜のうちの１つ又は複数は、他の懸架ナノ多孔膜のうちの１つ又は複数と流体接触し得る、こと
を更に含む。
ある実施形態において、前記第２の懸架ナノ多孔膜及び／又は１つ又は複数の追加の懸架ナノ多孔膜を形成する工程は、第２の懸架ミクロ多孔膜及び／又は１つ又は複数の追加の懸架ミクロ多孔膜が形成されるように変更される。種々の実施形態において、方法は、１つ又は複数の懸架非多孔膜を含む１つ又は複数の層を形成することを含む。
【００２８】
当業者であれば、本明細書中に記載された方法の工程は記載された順で実施してよく、ある場合には、記載されたのとは異なる順で実施してよいことを認識し得る。ある実施形態において、上記実施形態における工程は順次に行われる。種々の実施形態において、これらのプロセス工程は異なる順で行うことができる。例えば、露出されたマスキング材料を介した基板のエッチングは、露出された第１の膜層を介した基板のエッチングに先立って実施することができる。別の例として、露出された第１の膜層を介した基板のエッチングは、露出されたマスキング層を介した基板のエッチングに先立って実施することができる。
【００２９】
膜層（例えば、第１のナノ多孔膜層及び第２のナノ多孔膜層）（例えば、ＮＰＮ層）は、（例えば、当該分野で公知のフォトリソグラフィプロセスを用いて）パターニング可能であり、均一な（例えば、ナノスケールで均一な又はミクロスケールで均一な）フィルムを形成し、電子透過性であり、基板に堆積することができ、当該方法で用いるプロセスに対して（例えば、当該プロセスで用いるプロセス化学物質に対して）不活性である材料を含む。膜層は連続的であってよく、又は区別される領域を有してよい。膜層は種々の材料から形成することができる。適切な材料の例としては、窒化ケイ素、酸化ケイ素、シリコン及び他の元素の何れかの他の組合せ、又は典型的なシリコンエッチャントに対して耐性（resistant）である何れかの他の材料が挙げられる。膜は、非多孔、ナノ多孔、又はミクロ多孔であってよい。埋込み遠位膜は非多孔であってよい。ミクロ多孔膜は、当業者が精通しているよく知られたリソグラフィプロセスで形成される。単一のナノ孔は、収束イオンビームドリリング、ｅビームリソグラフィ及び反応性イオンエッチングなどの当業者が精通している方法、又は容量性誘電破壊によって形成してよく、後者は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる米国特許出願第１４／３９９，０７１号に記載されている。懸架膜層は、ある範囲の厚みを有することができる。例えば、膜の厚みは、１０ｎｍから１００ｎｍとすることができ、ｎｍに対する全ての値及びその間の範囲を含む。勿論、他の厚みの値は可能であり、これらは単に例として列挙したに過ぎない。個々の懸架多孔膜層は、ある範囲の孔サイズ及び多孔度を有することができる。例えば、膜は、孔を有しないか、又は全てのｎｍ直径値及びそれらの間の範囲を含めて、１０ｎｍから５０μｍの直径の範囲の１つ又は複数の孔を有することができる。膜は、間の全ての可能な多孔度を含む、０％から７５％の多孔度の範囲とすることができる。勿論、他の厚み値及び／又は多孔度は可能であり、これらは単に例としてリストしたに過ぎない。懸架膜層は、当該分野で公知であって、本明細書中に記載されたように、膜層から形成される。
【００３０】
膜透過エッチングの間に除去される、トレンチが形成される材料の例としては、とりわけ、基板材料（例えば、Ｓｉウエハ基板の単結晶Ｓｉ）、多結晶Ｓｉ、二酸化ケイ素を挙げることができる。本明細書中に記載されたようにスペーサ層として堆積される場合、この層の厚みは、例えば、ＮＰＮ膜と第３の遠位膜の間の空間を決め得る。
【００３１】
基板及び／又は犠牲材料を除去して、トレンチ及び流体キャビティを形成するための種々のエッチャントを用いることができる。特定の基板又は犠牲材料のための適切なエッチャントは当該分野で公知である。例えば、単結晶Ｓｉ及び多結晶Ｓｉをエッチングするためのエッチャントは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、エチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）、二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）、及び他のよく知られたシリコンエッチャントを含む。二酸化ケイ素をエッチングするためのエッチャントは、フッ化水素酸（ＨＦ）及び緩衝化酸化物エッチャント（ＢＯＥ）、及び他の二酸化ケイ素エッチャントを含む。エッチャントは、構造体の一番上のフィルムの孔を通って除去すべき材料に到達し、最初に、基板及び犠牲材料に向かって下降して入り込み、基板及び犠牲材料に貫入して側方にエッチングする。種々の実施形態において、基板（例えば、Ｓｉウエハ基板）の一部のみ、又は基板の全部を用いて、単一及び／又は複数のトレンチを、構造体内に作製する。
【００３２】
ある範囲の濃度の酸素（Ｏ２）ガス又は界面活性剤（例えば、イオン性及び非イオン性界面活性剤又は低表面張力溶媒）を基板及び犠牲材料エッチャント溶液内に含めることなどの、当業者が精通している方法を用いて、膜透過エッチングの均一性を高めることができる。同様に、膜透過エッチングの均一性は、ＸｅＦ２を用いる最初の膜透過エッチング、続いての、基板又は犠牲材料に適した湿式エッチャントを用いる膜透過エッチングの完了によって改善され得る。
【００３３】
トレンチは、種々の形状及び寸法を有することができる。エッチングパラメータ（例えば、エッチングのタイプ、持続時間、温度等）に基づき、選択された形状及び寸法の１つ又は複数トレンチを形成することができる。例えば、トレンチの最長寸法は、間の全ての整数μｍ値を含めた１μｍからＳｉウエハ直径（例えば、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍ）までか、又は間の全ての整数ｍｍ値を含めた、１ｍｍからＳｉウエハ直径までとすることができる。
【００３４】
ある実施形態において、膜層（例えば、ＮＰＮ膜）は、適切なパターニング層がその上に積層され、よく知られたフォトリソグラフィ及び上記実施形態におけるエッチング方法（例えば、ｊ）を用いてパターニングされる。この積層したパターニング層の例としては、例えば、とりわけ、酸化ケイ素、フォトレジスト、又はフルオロポリマーを挙げることができる。この層における開口の数及び寸法は、得られる膜透過エッチングされたトレンチの数及び寸法を決める。このパターニング層におけるパターニングされた開口は、膜透過エッチングがその後に行われる領域を露出させる；即ち、基板又は犠牲材料の少なくとも一部に対応するＮＰＮ膜の露出された領域を露出させものであり、その領域で、膜透過エッチングによってそのような下方にある材料が除去されることになる。もし所望であれば、膜透過エッチングの完了の後に、パターニング層は、その組成に適切な何れかの方法によって、除去することができる。種々の実施形態において、積層したパターニング層は、トレンチ及び懸架ナノ多孔膜と流体接触しているビア層として働くことができ、ここで、懸架ナノ多孔膜は、トレンチと流体連結している複数の孔を有する。膜透過エッチングの完了に際して、例えば、ＮＰＮ膜層は、懸架膜、及びモノリシック構造体の上部となる。
【００３５】
第３の遠位膜層が含まれておらず、かつ膜透過エッチングをＳｉウエハ基板に実施した場合、（基板は構造体の底部であると仮定して）トレンチの底部部分は、当該プロセスでのこの工程においてＳｉウエハ基板によって規定される。
【００３６】
膜層、例えば、ＮＰＮ膜層を露出させるパターニングされた開口の寸法、並びに犠牲材料の厚み及び組成、エッチャント、及び膜透過エッチングの持続時間は、膜層、例えば、ＮＰＮ膜層の下方にあるトレンチのサイズ及び形状を決め得る。従って、これらのパラメータを操作して、所望に応じてトレンチの特徴を特定することができる。例えば、ＫＯＨ、ＥＤＰ、又はＴＭＡＨを用いて膜透過エッチングをＳｉウエハ基板に実施すると、トレンチは１００μｍの幅、及び１００μｍの深さで、傾斜した側壁を有することが可能である。別法として、ＸｅＦ２を用いる孔通過エッチングを、多結晶シリコンの１００ｎｍ厚みの犠牲層に実施すると、トレンチは１０μｍの幅、及び１００μｍの深さで、大まかに真っすぐな側壁を有することが可能である。勿論、これらのトレンチのサイズ及び形状の特徴は何度も繰り返し実現することができる。
【００３７】
トレンチへの流体到達路を獲得するには、よく知られたフォトリソグラフィパターニング及びスルーウエハエッチングを用いる。パターニング及びスルーウエハエッチングは、それに対して膜透過エッチングが行われた表面に対向するＳｉウエハ基板の第２の表面に対して行われる。一旦エッチングがなされると、これらのスルーウエハの特徴形状は、膜透過エッチングによって作製された横方向にエッチングされたトレンチに連結される。スルーウエハエッチングは、膜透過エッチング工程に先立って、又はその後に行ってよい。スルーウエハエッチングのプロセスの間に、膜透過エッチングされたチャネルに貫入するような過剰エッチングを妨げるために、追加の堆積又は不動態化層がスルーウエハと膜透過エッチングの間に要求され得る。例えば、スルーウエハエッチングを最初に実施すると、熱成長酸化ケイ素層がスルーウエハエッチングされた特徴形状上に形成されて、膜透過エッチングの間に過剰エッチングを妨げることができる。勿論、シリコンエッチャントに対して耐性である材料を用いる、他の不動体化方法を使用することができる。
【００３８】
構造体の下部を含み得る何れの追加の遠位膜層も、一体化されれば、トレンチの下部を含む第２の懸架膜層となることもできる。
【００３９】
スルーウエハエッチングされた特徴形状の寸法、サイズ及び配置は、所望に応じて特定することができる。例えば、２つのスルーウエハエッチングされた特徴形状をパターニングし、膜透過エッチングされたトレンチに垂直に、及び膜透過エッチングされたトレンチの遠位端においてエッチングすることができる。１つ又は複数の追加のスルーウエハエッチングされた特徴形状は、膜透過エッチングされたトレンチの長さに沿って、及び膜透過エッチングされたトレンチに垂直に、同様にパターニングできる。これらの実施形態において、複数のトレンチが、流体的にスルーウエハエッチングされた特徴形状に到達し、それと連結される。
【００４０】
他の実施形態において、スルーウエハエッチングされた特徴形状をパターニングし、膜透過エッチングされたトレンチに平行にエッチングすることができる。この実施形態において、１つ又は複数の膜透過エッチングされたトレンチは、スルーウエハエッチングされた特徴形状に流体的に到達し、それと連結できる。これらの実施形態において、膜透過エッチング及びスルーウエハエッチングの双方の程度を特定して、それぞれのプロセスによってエッチングされる基板の量を制御できる。例えば、基板の上部の１／３は膜透過エッチングによってエッチングすることができ、他方、２／３はスルーウエハエッチングによってエッチングすることができる。何れの可能な組合せも所望に応じて特定できる。
【００４１】
種々の基板を用いることができる。適切な基板材料の例はシリコンである。従来の半導体製作プロセスで典型的に用いられる基板を用いることができる。例えば、シリコン基板を用いることができる。ある実施形態において、１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、２５０ｍｍ、３００ｍｍ、又は４５０ｍｍのシリコンウエハを用いることができる。モノリシック構造体は、基板の一部又は基板の実質的に全てを被覆することができる。Ｇｅ、ＳｉＯ２、ＧａＡｓ、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）等を含めた他の基板を用いてよい。
【００４２】
マスキング層は、上記実施形態における基板のエッチング（例えば、ｋ）のためのマスクを提供する。この層は基板の第２の表面に設けられ、パターニングされ、選択的に除去され、除去される層の一部は、スルーウエハエッチングされた特徴形状（即ち、膜透過エッチングされたトレンチに連結する流体キャビティ）の位置及びサイズを規定する。マスキング層は、種々の材料から形成することができる。適切なマスキング層の材料の例としては、窒化ケイ素、酸化ケイ素、フォトレジスト、及びフルオロポリマーが挙げられる。マスキング層の厚みは、ナノメーターから数ミクロンまでの厚みとすることができる。例えば、マスキング層は、全ての整数ｎｍ値及びそれらの間の範囲を含めて、２０ｎｍから２ミクロンの厚みを有する。
【００４３】
予備パターニング層は、膜材料層まで転写され得るナノ多孔構造体を有するパターニング材料を形成するのに用いることができる材料を提供する。例えば、パターニング層は、まず、熱処理すると多孔ナノ結晶性シリコン（ｐｎｃ−Ｓｉ；パターニング層）を形成するアモルファスシリコン（予備パターニング層）を堆積することによって形成される。パターニング層を形成する第１の予備パターニング層のための適切な熱処理は、例えば、迅速熱アニーリング（Rapid Thermal Anneal；ＲＴＡ）、炉処理、フラッシュランプアニーリング、レーザアニーリング等を含む。ナノ多孔膜は、予備パターニング層からのパターン転写によって形成される。寸法は、本明細書中に記載されるように基板サイズに関連付けられる。
【００４４】
キャッピング材料を予備パターニング層に堆積する。この層は、エッチング停止、及び熱処理の間の物理的制限を提供する。この材料はシリコンエッチャントに対して耐性であって、下方の多孔膜とは異なることが望ましい。
【００４５】
犠牲材料のスペーサ層は、２つ以上の懸架ナノ多孔膜と流体接触している構造体を提供する。適切な犠牲材料の例としては、シリコン（例えば、結晶性又は多結晶シリコン）及び酸化ケイ素が挙げられる。この層の厚みは、所望のチャネル厚みに関連し得る。
【００４６】
当該方法における種々の層は、当該分野で公知の方法によって堆積することができる。適切な堆積方法の例としては、低圧化学気相堆積（low-pressure chemical vapor deposition；ＬＰＣＶＤ）、プラズマ強化化学気相堆積（plasma-enhanced chemical vapor deposition；ＰＥＣＶＤ）、蒸着、原子層堆積（atomic layer deposition；ＡＬＤ）、スパッタリング、スピンコーティング、ディップコーティング、及びスプレイコーティングが挙げられる。種々の方法を用いて、１つの方法において異なる層を堆積することができる。
【００４７】
方法におけるパターニング工程は、当該分野で公知の方法によって行うことができる。適切なパターニング方法の例としては、リソグラフィ方法（例えば、フォトリソグラフィ方法）と、それに続く反応性イオンエッチング（reactive ion etch；ＲＩＥ）又は化学エッチング、又はリフトオフプロセスが挙げられる。フォトリソグラフィパターニング方法は、ポジ型方法又はネガ型方法とすることができる。
【００４８】
方法におけるエッチング工程は、当該分野で公知の方法によって行うことができる。エッチング工程は湿式（例えば、ＥＤＰ、ＫＯＨ、又はＴＭＡＨエッチング）又は乾式（反応性イオンエッチング）とすることができる。適切なエッチング方法の例としては、酸化物を除去するための緩衝化酸化物エッチング、ＳｉＮを除去するためのＲＩＥ、及びＥＤＰ／ＫＯＨ、又はシリコンウエハに貫入してエッチングするための深掘り反応性イオンエッチング（Deep reactive ion etch；ＤＲＩＥ）が挙げられる。
【００４９】
方法において、及び方法によって製造された構造体／デバイスにおいて用いる材料は、液体試料、特に、生物学的試料を保持するのに適切なものとすることができ、及び／又はナノ製作に適した材料とすることができる。適切な材料の例としては、シリコン、窒化ケイ素及び他の窒化物、二酸化ケイ素及び他の酸化物、グラフェン、カーボンナノチューブ、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３などの誘電材料、又は他の金属層、又はこれらの材料の任意の組合せが挙げられる。
【００５０】
本明細書中に開示した種々の実施形態及び実施例で記載した方法の工程は、本開示の方法を行うのに十分である。即ち、ある実施形態において、方法は、本明細書中に開示した方法の工程の組合せから実質的になる。別の実施形態において、方法はそのような工程からなる。
【００５１】
ある態様において、本開示はモノリシック構造体を提供する。モノリシック構造体は、１つ又は複数のチャネル（トレンチ）と接触していてよい１つ又は複数の懸架ナノ多孔膜及び／又はミクロ多孔膜を含む。モノリシック構造体は、２つ以上の構造体／デバイスから形成されない。モノリシック構造体は流体構造体であってよい。
【００５２】
１つ又は複数の懸架多孔膜（例えば、懸架ナノ多孔膜、懸架ミクロ多孔膜、又は双方のタイプの膜の組合せ）を含むモノリシック構造体が開示される。モノリシック構造体は、例えば、基板、パターニングされた第１の膜材料層、第１のビア材料の層、及びマスキング材料の層を有する。基板は結晶性シリコンウエハであってよく、第１の側及びその反対にある第２の側を有する。基板は複数のトレンチを有してよい。パターニングされた第１の膜材料層は窒化ケイ素とすることができる。パターニングされた第１の膜材料層は基板の第１の側に設けられ、基板中のトレンチに流体連結された複数の孔を有する。第１のビア材料の層は、パターニングされた第１の膜材料上に設けられる。第１のビア材料の層は酸化ケイ素とすることができ、孔に流体連結されたビアを有するようにパターニングされる。マスキング材料の層は窒化ケイ素とすることができ、基板の第２の側に設けられる。マスキング材料の層は、基板中のトレンチに流体連結された少なくとも１つの流体キャビティを有する。
【００５３】
ビア層材料が存在しない、先の実施形態のモノリシック構造体。
【００５４】
モノリシック構造体は、パターニングされた第１の膜材料層と第１のビア材料の層の間に設けられた第１のパターニング層を含んでよい。第１のパターニング層はｐｎｃ−Ｓｉであってよく、ビア及び孔を流体連結するようにパターニングされる。
【００５５】
マスキング材料は複数の流体キャビティを有してよい。トレンチの各々は、異なるか又は同一の流体キャビティに流体連結されていてよい。
【００５６】
ある実施形態において、懸架ナノ多孔膜を含むモノリシック構造体は：第１の側及びその反対にある第２の側を有する基板（例えば、結晶性シリコンウエハ）であって、ここで、該基板は複数のトレンチを有する、基板と；基板の第１の側に設けられたパターニングされた第１の膜材料層（例えば、窒化ケイ素）であって、ここで、該パターニングされた第１の膜材料層は、基板中のトレンチに流体連結された複数の孔を有する、パターニングされた第１の膜材料層と；パターニングされた第１の膜材料層上に設けられた第１のビア材料（例えば、酸化ケイ素）の層であって、ここで、該第１のビア材料の層は、孔に流体連結されたビアを有するようにパターニングされている、第１のビア材料の層と；基板の第２の側に設けられたマスキング材料（例えば、窒化ケイ素）の層であって、ここで、該マスキング材料の層は、基板中のトレンチに流体連結された少なくとも１つの流体キャビティを有する、マスキング材料の層と；を含む。
【００５７】
先の実施形態のモノリシック構造体は更に：パターニングされた第１の膜材料層と第１のビア材料の層の間に設けられた第１のパターニング層（例えば、ｐｎｃ−Ｓｉ）を更に含んでよく、ここで、第１のパターニング層は、ビア及び孔を流体連結するようにパターニングされている。任意選択により、マスキング材料は複数の流体キャビティを有し、ここで、トレンチの各々は異なる流体キャビティに流体連結されている。
【００５８】
先の実施形態のモノリシック構造体は、犠牲材料（例えば、シリコン又は酸化ケイ素）のスペーサ層、パターニングされた第２の膜材料層（例えば、窒化ケイ素）、及び第２のビア材料（例えば、酸化ケイ素）の層を更に含んでよい。犠牲材料のスペーサ層は、第１の側及びその反対にある第２の側、及び複数のトレンチを有する。パターニングされた第２の膜材料層は、スペーサ層の第１の側に設けられ、スペーサ層中のトレンチに流体連結された複数の孔を有する。第２のビア材料の層は、パターニングされた第２の膜材料層に設けられ、パターニングされた第２の膜材料層の孔に流体連結されたビアを有するようにパターニングされている。任意選択により、スペーサ層は、基板の第１の側に設けられたパターニングされた第１の膜材料層に設けられていてよい。任意選択により、何れの第２のビア層も不存在とすることができる。任意選択により、スペーサ層は、パターニングされた第１の膜材料層に設けられた第１のビア材料の層上に設けられていてよい。追加のスペーサ層、パターニングされた膜材料層、及びビア材料の層が含まれていてもよい。
【００５９】
この第１のＳｉＮ層は異なる多孔度を有することができる。図８における複数のトレンチは等方性エッチングによって形成されたことが示されているが、トレンチは異方性エッチングによって形成することができ、又は平滑な側面を有してよい。
【００６０】
Ｓｉウエハ中のキャビティの数は変化させることができる。例えば、Ｓｉウエハは複数のキャビティを有することができ、各々は、ＳｉＮ層中の孔に連結された１つ又は複数のトレンチに連結されている。ある例において、各キャビティはトレンチの異なる組に連結されている。Ｓｉウエハの異なる部分は、異なるキャビティを形成するようにマスクすることができる。
【００６１】
スルーウエハエッチングされた特徴形状の寸法、サイズ、及び配置は、所望に応じて特定することができる。例えば、２つのスルーウエハエッチングされた特徴形状をパターニングし、膜透過エッチングされたトレンチに垂直に、及び膜透過エッチングされたトレンチの遠位端においてエッチングすることができる。１つ又は複数の追加のスルーウエハエッチングされた特徴形状を、膜透過エッチングされたトレンチの長さに沿って、及び膜透過エッチングされたトレンチに垂直に、同様にパターニングすることができる。これらの実施形態において、複数のトレンチがスルーウエハエッチングされた特徴形状に流体的に到達し、それと連結される。図８における流体構造体は断面で示されるが、キャビティ及びトレンチは三次元で形成することができる。従って、図８のキャビティは紙面奥に延びることができる。他のトレンチ又はキャビティは、紙面奥に延びる深さにおいて形成することができる。トレンチは、Ｓｉウエハ基板の一部のみか、又は基板の全部を用いて流体構造体内に作製することができる。
【００６２】
図１４は、裏側から表側に合流する（膜透過の）チャネルを表す斜視図である。図１４及び図８の双方は単一のトレンチを示すが、図１４は、例えば、図８と比較してシリコン中の追加の流体キャビティを示す。流体キャビティは、トレンチに連結された概略で示される。図１４に見られるように、流体キャビティは全体として断面を三角形とすることができるが、他の形状も可能である。図１４は縮尺通りに描いていない。流体キャビティ又は他の特徴形状は、図１４に示されたのとは別の形状又は寸法を有してよい。
【００６３】
ある態様において、本開示は、本開示のモノリシック構造体を含むデバイス、又は本開示の方法を用いて製造されたモノリシック構造体を提供する。デバイスは、１つ又は複数のそのような構造体を有してよい。
【００６４】
例えば、デバイスは濾過デバイスである。ある実施形態において、デバイスは、実験室又は産業プロセスのための濾過モジュールである。別の実施形態において、デバイスは、実験室又は産業プロセスのための予備濃縮／濃縮モジュールである。更に別の実施形態において、デバイスは、血液透析又は体外膜血液酸素供給モジュールである。供給溶液（例えば、血液又は実験室又は産業プロセスに由来する溶液）の濾過及び／又は予備濃縮は、流体トレンチ及びキャビティ中に、又は一番上の懸架膜上方に流動させることができ、濾液は、懸架多孔膜の他の面上に収集される。収集された濾液は、その濾過特性によって規定されるように、一番上の懸架膜を通過する供給溶液の一部であり得る。別法として、濾液は透析プロセスによって収集することができ、ここで、透析物流体は、供給溶液の流動と同一の方向に、又は供給溶液の流動の方向とは反対の流れで、懸架多孔膜の反対の面上で供給溶液まで流動される。供給溶液と濾液溶液（即ち、透析物溶液）の間の物質の移動はこれらのデバイス内で起こり得る。
【００６５】
別の実施形態において、２つの懸架多孔膜を有するデバイスは、溶液内の異なるサイズの溶質の混合物の分画装置として働くことができる。例えば、懸架多孔膜の一方は、溶液内に最大の溶質を保持するための濾過カットオフを施して製作することができ、他方、第２の懸架多孔膜は、溶液内に中程度のサイズの溶質を保持するための濾過カットオフを施して製作することができる。次いで、ある範囲の異なるサイズの溶質からなる供給溶液を双方の膜に同時に通過させ、供給溶液の３つのサイズ画分への分画を可能とすることができる。即ち、最大の溶質は第１の膜の上方に保持され、最も小さなサイズの溶質は第２の膜を通過し、中程度のサイズの溶質は２つの膜の間に保持される。
【００６６】
ある実施形態において、デバイスは細胞成長バイオリアクタである。細胞は、一番上の懸架多孔膜上に、又は流体チャネル内に配置することができる。所望ならば、複数の細胞型をこれらの表面に配置することができる。細胞成長培地を、流体チャネル内に、又は一番上の懸架多孔膜を横断して供給することができる。共培養が実施される場合、デバイスは、複数の細胞型の分離を可能とする。なお、細胞に由来する生物学的産物（例えば、分泌されたタンパク質）は、デバイスの用途及び構成に応じて、何れかの流体チャネルから、及び／又は一番上の懸架膜の上方に収集された流体から、収集することができる。
【００６７】
別の実施形態において、デバイスは、検出器及びセンサデバイスの上流のプレフィルタとして用いることができる。例えば、第３の遠位膜層内の単一のナノ孔を通る対象の分析物（例えば、１つ又は複数の核酸）の通過に基づく検出器又はセンサを検出で用いることができ、他方、一番上の懸架多孔膜は単一のナノ孔の上流の濾過膜として働くことができる。一番上の懸架多孔膜の濾過特性は、通過し（即ち、濾過され）、該単一のナノ孔に基づいた検出器に提示される分析物分子の集団を規定する。勿論、表面増強ラマン分光分析などの膜ベースの方法を利用する他のタイプの検出器及びセンサは、例えば、これらのデバイスを用いることができる。
【００６８】
本明細書に開示した種々の実施形態及び実施例に記載された方法の工程は、本開示の方法を行うのに十分である。即ち、ある実施形態において、ある方法は、本明細書中に開示した方法の工程の組合せから実質的になる。別の実施形態において、ある方法はそのような工程からなる。
【００６９】
以下の提示において、本開示の方法及び構造体の種々の例は以下を記載する：
提示１．
ａ）基板（例えば、結晶性シリコンウエハ）の第１の側に第１の膜材料層（例えば、窒化ケイ素）を堆積させること；
ｂ）前記基板の第２の側にマスキング材料（例えば、窒化ケイ素）の層を堆積させること；
ｃ）前記第１の膜材料層上に第１の予備パターニング層（アモルファスシリコン）を堆積させること；
ｄ）前記第１の予備パターニング層上に第１のキャッピング材料（例えば、酸化ケイ素）の層を堆積させること；
ｅ）前記第１の予備パターニング層を含む前記基板の熱処理によって（前記第１の予備パターニング層から）第１のパターニング層を形成する（ＲＴＡ又は他の熱処理を用いて前記アモルファスシリコン層からｐｎｃ−Ｓｉを形成する）こと；
ｆ）前記第１のキャッピング材料の層を除去すること；
ｇ）反応性イオンエッチングによる前記第１のパターニング層からのパターン転写によって、前記第１の膜材料層をパターニング（し、ナノ多孔膜材料を形成）すること；
ｈ）任意選択で、前記第１のパターニング層を除去すること（場合によって、前記第１のパターニング層を除去するのが望ましい）；
ｉ）前記パターニングされた第１の膜材料層上に第１のビア材料（例えば、酸化ケイ素）の層を堆積させること；
ｊ）前記第１のビア材料の層をパターニングし（例えば、フォトレジストを堆積し、フォトレジストをパターニングし、酸化ケイ素を選択的にエッチングし、フォトレジストを除去する）、それにより、前記パターニングされた第１の膜材料層の少なくとも一部が露出される、こと；及び
ｋ）ｂ）からの前記マスキング材料をパターニングして、それにより、前記基板の少なくとも一部が露出され、前記パターニングされた第１の膜材料及び前記マスキング材料を介してシリコンエッチャント（例えば、ＥＤＰ、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、又はＸｅＦ２）でエッチングすることによって前記基板の少なくとも一部を除去し、それにより、少なくとも、露出されたパターニングされた第１の膜材料の前記一部に対応する基板材料が除去され、下方トレンチ及び第１の懸架ナノ多孔膜が形成されると共に、少なくとも、露出されたパターニングされたマスキング材料の前記一部に対応する基板材料が除去され、前記トレンチに流体連結された流体キャビティが形成される、こと；
を含む、１つ又は複数の懸架ナノ多孔膜を含むモノリシック構造体を形成する方法。
提示２．
ｌ）ｋ）からの前記基板上に犠牲材料（例えば、シリコン、酸化ケイ素、又は他の容易に除去されるか又は溶解される材料）のスペーサ層を堆積させる（前記第１のパターニングされたビア層に連続層を形成する）こと；
ｍ）前記犠牲材料の層上に第２の膜材料層（例えば、窒化ケイ素）を堆積させること；
ｎ）前記第２の膜材料層上に第２の予備パターニング層（アモルファスシリコン）を堆積させること；
ｏ）前記第２の予備パターニング層上に第２のキャッピング材料（例えば、酸化ケイ素）の層を堆積させること；
ｐ）前記第２の予備パターニング層を含む基板の熱処理によって（前記第２の予備パターニング層から）第２のパターニング層を形成する（ＲＴＡ又は他の熱処理を用いて前記アモルファスシリコン層からｐｎｃ−Ｓｉを形成する）こと；
ｑ）前記第２のキャッピング材料（例えば、酸化ケイ素）の層の全て又は実質的に全てを除去すること；
ｒ）反応性イオンエッチングによる第２のパターニング層からのパターン転写によって前記第２の膜材料をパターニングすること；
ｓ）任意選択で、前記第２のパターニング層の全て又は実質的に全てを除去すること；
ｔ）第２のビア材料（例えば、二酸化ケイ素）の層を堆積させること；
ｕ）前記第２のビア材料の層をパターニングし（例えば、フォトレジストを堆積し、フォトレジストをパターニングし、酸化ケイ素を選択的にエッチングし、フォトレジストを除去する）、それにより、前記パターニングされた第２の膜材料層の少なくとも一部が露出される、こと；
ｖ）前記犠牲材料を除去し、それにより、第２の懸架ナノ多孔膜が形成される（前記パターニングされた第２の膜層を介してエッチングして、前記犠牲材料の少なくとも一部を除去し、前記第２のビア材料の前記パターニングされた領域からスペーサチャネル又は連続流体キャビティを形成する）ことであって、前記第２の懸架ナノ多孔膜は、前記第１の懸架ナノ多孔膜と流体接触し得る、こと；及び
ｗ）任意選択で、工程ｌ）からｖ）を反復して、１つ又は複数の追加の懸架ナノ多孔膜を形成することであって、前記懸架ナノ多孔膜のうちの１つ又は複数は、他の懸架ナノ多孔膜のうちの１つ又は複数と流体接触し得る、こと；
を更に含む、提示１に記載の方法。
提示３．
第１の側及びその反対にある第２の側を有する基板（例えば、結晶性シリコンウエハ）であって、複数のトレンチを有する基板；
前記基板の前記第１の側に設けられたパターニングされた第１の膜材料層（例えば、窒化ケイ素）であって、前記基板中の前記トレンチに流体連結された複数の孔を有するパターニングされた第１の膜材料層；
前記パターニングされた第１の膜材料層上に設けられた第１のビア材料（例えば、酸化ケイ素）の層であって、前記孔に流体連結されたビアを有するようにパターニングされた第１のビア材料の層；及び
前記基板の前記第２の側に設けられたマスキング材料（例えば、窒化ケイ素）の層であって、前記基板中の前記トレンチに流体連結されている少なくとも１つの流体キャビティを有するマスキング材料の層
を含む、懸架ナノ多孔膜を含むモノリシック構造体。種々の例において、モノリシック構造体は提示１又は２の何れか１つによって製造される。
提示４．
前記第１のビア材料の層が存在しない、提示３に記載のモノリシック構造体。
提示５．
前記パターニングされた第１の膜材料層と前記第１のビア材料の層の間に設けられた第１のパターニング層（例えば、ｐｎｃ−Ｓｉ）であって、前記ビア及び前記孔を流体連結するようにパターニングされた第１のパターニング層を更に含む、提示３に記載のモノリシック構造体。
提示６．
前記マスキング材料が複数の前記流体キャビティを有し、前記トレンチの各々が、異なる流体キャビティに流体連結されている、提示３に記載のモノリシック構造体。
提示７．
第１の側及びその反対にある第２の側を有する犠牲材料（例えば、シリコン又は酸化ケイ素）のスペーサ層であって、複数のトレンチを有するスペーサ層；
前記スペーサ層の前記第１の側に設けられたパターニングされた第２の膜材料層（例えば、窒化ケイ素）であって、前記スペーサ層中の前記トレンチに流体連結された複数の孔を有するパターニングされた第２の膜材料層；及び
前記パターニングされた第２の膜材料層上に設けられた第２のビア材料（例えば、酸化ケイ素）の層であって、前記パターニングされた第２の膜材料層の前記孔に流体連結されたビアを有するようにパターニングされた第２のビア材料の層
を更に含む、提示３に記載のモノリシック構造体。
提示８．
前記犠牲材料のスペーサ層が、前記基板の前記第１の側に設けられた前記パターニングされた第１の膜材料層に設けられた、提示７に記載のモノリシック構造体。
提示９．
前記犠牲材料のスペーサ層が、前記パターニングされた第１の膜材料層に設けられた前記第１のビア材料の層に設けられている、提示７又は８の何れか１つに記載のモノリシック構造体。
提示１０．
第２のビア材料の層が欠如している、提示７から９の何れか１つに記載のモノリシック構造体。
提示１１．
前記第１の膜層が懸架非多孔膜である、提示７から１０の何れか１つに記載のモノリシック構造体。
提示１２．
前記第１の膜層が、単一のナノ孔を含む懸架多孔膜である、提示７から１１の何れか１つに記載のモノリシック構造体。
提示１３．
本開示の１つ又は複数のモノリシック構造体（例えば、提示３又は７の１つ又は複数のモノリシック構造体）を含む濾過又は透析デバイス。
提示１４．
本開示の濾過又は透析デバイス（例えば、提示１３のデバイス）を用いて濾過又は透析を実施することを含む方法。例えば、ある方法は、デバイスの流体トレンチ及び／又はキャビティ又は一番上の懸架膜中へ供給溶液（例えば、血液、又は研究室又は産業プロセスに由来する溶液）を流動させ、それにより、供給溶液が（例えば、１つ又は複数の望ましい又は望ましくない溶質の除去によって）濾過されるか、又は予備濃縮され、及び、任意選択で、濾液を懸架多孔膜の他の面／側（例えば、供給溶液によって接触された面／側に対向する面／側）に収集することを含む。収集された濾液は、その濾過特性によって規定される、一番上の懸架膜を通過する供給溶液の一部であり得る。別法として、濾液は透析プロセスによって収集することができる。例えば、ある方法では、供給溶液の流動と同一の方向に、又は供給溶液の流動の方向とは反対の流れで、供給溶液によって接触された膜に対して、懸架多孔膜の反対にある面／側で透析物流体を流動させ、それにより、供給溶液が透析され（例えば、供給溶液中の１つ又は複数の望ましい又は望ましくない溶質は除去される）、こと、及び、任意選択で、透析された供給溶液を収集することを含む。供給溶液と濾液溶液（例えば、透析物溶液）の間の物質（例えば、１つ又は複数の望ましいか又は望ましくない溶質）の移動が、デバイス内で起こる。
提示１５．
１つ又は複数の本開示のモノリシック構造体（例えば、提示３又は７の１つ又は複数のモノリシック構造体）を含む、成長した細胞由来の産物を回収するための細胞成長バイオリアクタ及びデバイス。
提示１６．
本開示のデバイス（例えば、提示１５のデバイス）を用いることを含む、細胞の成長及び成長した細胞由来の産物の回収を実施することを含む方法。例えば、ある方法は、細胞を、一番上の懸架多孔膜上に、及び／又は流体チャネル内に細胞を配置すること（複数の細胞型を表面に配置することができる）、細胞成長培地を流体チャネル内に、又は一番上の懸架多孔膜を横断して供給することを含む。方法は、共培養が実施される場合、複数の細胞型を分離することを更に含むこともできる。方法は、デバイスの用途及び構成に応じて、何れかの流体チャネルから、及び／又は一番上の懸架膜の上方から収集された流体から細胞に由来する生物学的産物（例えば、分泌されたタンパク質）を収集することを更に含むこともできる。
提示１７．
本開示の１つ又は複数のモノリシック構造体（例えば、提示１２の１つ又は複数のモノリシック構造体）を含む分析物プレフィルタデバイス。
提示１８．
本開示のデバイス（例えば、提示１７のデバイス）を用いて分析物プレフィルトレーションを実施することを含む方法。例えば、対象の分析物（例えば、１つ又は複数の核酸）を含む試料（例えば、溶液）を、単一のナノ孔を有し、第３の遠位膜層内の単一のナノ孔を通る対象の分析物の通過に基づく検出器又はセンサを用いて対象の分析物（例えば、核酸）を検出する本開示の１つ又は複数のモノリシック構造体に通過させる。ある例において、デバイスは、１つ又は複数の懸架多孔膜を含み、試料は、単一のナノ孔（例えば、単一のナノ孔を含む層）の前に１つ又は複数の懸架多孔膜を通過させられ、それにより、溶液がプレフィルトレーションされる。
【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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