KR101507317B1 - 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 검사대상체에 맞게 저렴한 가격으로 대량생산이 가능하고 검사과정에서 누수현상을 배제하여 안전하고 정확하게 검사할 수 있어 검사효율성을 높일 수 있도록 한 것으로서;
검사기와 전기적인 접속을 수행할 수 있도록 구비하는 USB포트와, 상기 USB포트와 전기적인 연결이 이루어지고 검사대상체를 감지하는 반도체칩으로 구성하고;
상기 반도체칩은, 판상형태의 칩바디와, 상기 칩바디의 상부에 결합되는 프레임과, 상기 칩바디의 중앙부에 검사대상체의 정보를 감지하도록 형성하는 센서부와, 상기 프레임의 중앙부에 센서부로 검사대상체를 통과시키도록 형성하는 유로부를 포함하는 구성이 특징이다.

Description

바이오물질 감지용 반도체칩 패키지{A BIOMATERIAL SENSING SEMICONDUCTOR CHIP}

본 발명은 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 단백질 등의 바이오 물질을 감지할 수 있는 초소형 반도체칩 패키지를 누수현상 없이 검사 대상체가 유통할 수 있는 유로를 형성하면서 패키지화하여 검사의 용이성을 제공할 수 있도록 한 것이다.

종래 기술이 적용되는 바이오센서에는 기판에 특정한 물질을 고정하고, 그에 특이적으로 결합하는 표적 물질을 결합시킴으로써 표적 물질을 검출 또는 분석하는 다양한 바이오센서들이 알려져 있었다. 특히, 이러한 바이오센서 중에서도 효소(Enzyme)를 사용하여 효소-기질 간의 전기화학적 반응으로부터 야기되는 전기적 신호를 검출하기 위한 여러 가지 전기화학적 바이오센서들이 알려져 있으며, 이는 혈중 포도당 농도 및 혈중 콜레스테롤 농도와 같은 수치들을 비교적 정밀하게 측정하는 것을 가능하게 한다.

특히, 혈중 포도당 농도를 측정하기 위한 바이오센서에 대한 연구가 광범위하게 수행되고 있으며, 이는 하기와 같은 원리에 의해서 혈중 포도당 농도를 측정하게 된다. 즉, 작업전극 상에 포도당을 산화시킬 수 있는 효소인 글루코오스 산화효소(Glucose Oxidase, GOx)를 고정시키고, 상기 글루코오스 산화효소는 측정 시료 중의 포도당을 글루콘산(Gluconic Acid)으로 전환시키면서 그 자신은 환원형 글루코오스 산화효소로 변화하게 된다.

상기 환원된 글루코오스 산화효소는 다시 산소와 반응하여 과산화수소를 발생시키거나 또는 전자전달 매개체를 환원형으로 전환시키게 되는데, 이러한 과산화수소 또는 환원형 전자전달 매개체의 재산화 과정에서 측정되는 산화전류 등을 측정함으로써 혈중 포도당 농도를 측정할 수 있게 된다.

기존의 바이오센서는 전극 표면 처리를 통한 감도 향상에 중점을 두고 개발되고 있다. 그러나, 암과 같이 질환들 중에는 단분자 물질까지도 검출이 불가피한 경우도 있다. 따라서, 다양한 질병에 대한 정확한 진단을 위해서는 고감도 못지않게 미량의 농도 검출과 재현성도 센서 개발에 있어 중요한 요소들이다.

보론이 도핑된 다이아몬드 박막을 센서 전극으로 이용하는 연구가 시도되고 있다. 다이아몬드는 생체 적합성 뿐아니라, 화학 안정성, 열 전도성, 견고성, 광학적 특성이 우수하다. 그러나 다이아몬드 자체는 전기적 전류 전도가 안 되는 절연체이기 때문에, 보론을 도핑함으로써 반도체의 특성을 보인다. 보론이 도핑된 다이아몬드 박막 전극은 높은 신호-잡음비와 오랜 안정성, 높은 감도, 좋은 재현성을 보이기 때문에, 기존 금이나 백금 등의 전극을 사용할 때보다 더 낮은 농도까지 검출이 가능하다. 그런데, 보론이 도핑된 다이아몬드 박막은 소수성을 띄므로, 친수성의 생체 물질과 결합이 쉽지 않아 그에 따른 표면 처리 기술이 요구된다.

현재까지 주로 연구된 표면 처리 방법은 대부분 화학 물질을 이용하는 방법으로, 복잡하고 제한적이며 처리 시간이 길다. 이러한 이유 때문에 아직까지 보론이 도핑된 다이아몬드 박막을 바이오센서에 적용한 사례는 많지 않다. 따라서 쉽고 보편적인 표면 처리 기술이 요구된다.

또한, 전극 표면에 고정화되는 바이오물질의 양은 바이오센서의 감도에 영향을 미치는 중요한 요인들 중에 하나로, 이러한 물질들을 고정화할 수 있는 유효 면적 또한 고감도 센서 개발에 중요한 인자이다. 이러한 문제점들을 극복하고자 우수한 물성의 나노 물질들의 개발과 이들을 이용한 센서 개발이 요구되고 있다.

특허 제 10 - 1003077 - 0000 호 특허 제 10 - 0829400 - 0000 호

특허문헌에 기재된 선행기술 외에도 다수의 바이오 센서와 관련한 기술들이 존재하고 있으나, 이러한 선행기술들의 경우에는 검사대상체가 피, 소변 등과 같은 유체이기 때문에 누수현상이 발생하게 되므로, 이러한 누수 현상에 의하여 검사 과정에서 회로에 영향을 미처 정상적인 검사결과를 얻을 수 없게 되는 문제점이 발생한다.

특히 누수현상에 의하여 검사대상체가 센서의 회로와 접촉하게 되므로 정상적인 검지 상태를 벗어나 오류정보를 전달하는 것은 물론, 이러한 오류정보에 의하여 검사결과를 토대로 치료 등을 수행할 경우 부작용의 우려가 발생하는 또 다른 원인이 된다.

심할 경우에는 검사대상체의 누수로 인하여 회로에 영향을 미치거나 이를 컴퓨터로 전달하기 위한 과정이 이루어지지 못하게 되므로 검사 자체가 불가능하게 되는 문제를 야기하고, 재검율이 높아지게 되므로 검사자 또는 피검사자 모두에게 불편을 주게 된다.

또한 종래 기술의 바이오 센서의 경우에는 고온에서 솔더링을 수행하기 때문에 제조가 용이하지 못하고 생산원가가 높아지는 것은 물론 생산 효율성이 기대에 미치지 못하는 등 여러 문제점이 발생하고 있는 실정이다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 검사기와 전기적인 접속을 수행할 수 있도록 구비하는 USB포트와, 상기 USB포트와 전기적인 연결이 이루어지고 검사대상체를 감지하는 반도체칩으로 구성하고;

상기 반도체칩은, 판상형태의 칩바디와, 상기 칩바디의 상부에 결합되는 프레임과, 상기 칩바디의 중앙부에 검사대상체의 정보를 감지하도록 형성하는 센서부와, 상기 프레임의 중앙부에 센서부로 검사대상체를 통과시키도록 형성하는 유로부를 포함하여;

검사대상체에 맞게 저렴한 가격으로 대량생산이 가능하고 검사과정에서 누수현상을 배제하여 안전하고 정확하게 검사할 수 있어 검사효율성을 높일 수 있는 등의 목적 달성이 가능하다.

본 발명은 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지 제조시 저온 솔더링을 통하여 본딩하게 되므로 생산의 용이성을 제공하여 저렴하게 대량생산이 가능하고, 누수현상이 없는 검사 유로를 형성함으로써 검사 효율성을 높일 수 있고 검사대상체에 의하여 회로의 영향이 없도록 하여 품질과 내구성을 높일 수 있는 등 다양한 효과를 가지는 발명이다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 기술이 적용된 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지의 A - A선을 따라서 취한 단면도.
도 3은 본 발명의 기술인 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지의 반도체칩을 만드는 과정을 도시한 도해도.
도 4는 본 발명의 기술이 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지의 반도체칩을 패키지화하는 과정을 도시한 도해도.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 예를 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지를 도시한 사시도, 도 2는 본 발명의 기술이 적용된 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지의 A - A선을 따라서 취한 단면도, 도 3은 본 발명의 기술인 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지의 반도체칩을 만드는 과정을 도시한 도해도, 도 4는 본 발명의 기술이 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지의 반도체칩을 패키지화하는 과정을 도시한 도해도로서 함께 설명한다.

본 발명의 기술이 적용되는 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지(100)는, 컴퓨터와 같은 콘트롤러 또는 검사기와 전기적인 접속을 수행할 수 있도록 구비하는 USB포트(101)와, 상기 USB포트(101)와 전기적인 연결이 이루어지고 검사대상체를 감지하는 반도체칩(102)으로 구성한다.

상기 반도체칩(102)은 두께에 비하여 폭과 길이가 상대적으로 넓고 긴 판상형태의 칩바디(103)와 상기 칩바디(103)의 상부에 결합되는 프레임(104)으로 구성하고, 상기 칩바디(103)의 중앙부에는 검사대상체의 정보를 감지하기 위한 센서부(105)를 형성하고, 상기 프레임(104)의 중앙부에는 센서부(105)로 검사대상체를 통과시키기 위한 유로부(106)를 형성하여 구성한다.

상기 센서부(105)는, 실리콘기판(110)에 실리콘산화막(111)을 형성한 후에 다시 실리콘박막(112)을 증착하는 데, 상기 실리콘박막(112)의 두께는 10 ∼ 100㎚가 적당하며, 실리콘산화막(111)의 두께는 100㎚가 바람직하다.

상기 실리콘박막(112)에 노광 및 식각을 진행함으로써 바이오물질을 감지할 수 있는 구조의 실리콘소자(113)를 형성하고, 상기 실리콘소자(113)는 실리콘기판(110)의 폭 방향 양측에 형성하는 2개의 실리콘소자패드(114)와 상기 실리콘소자패드(114) 사이를 연결하는 실리콘소자채널(115)로 구성한다.

상기 실리콘소자패드(114)는 나중에 전기적으로 외부와 연결시키기 위함이며, 상기 실리콘소자채널(115)에서의 전류의 흐름의 변화를 측정함으로써 검사대상체의 바이오물질을 감지할 수 있도록 하고, 상기 실리콘소자채널(115)의 폭은 소자의 민감도에 매우 큰 영향을 미치게 되므로 4㎚ 이하가 적당하며, 길이는 수십 ∼ 수백㎚가 무난하다.

상기 실리콘박막(112)의 두께는 100 ∼ 400㎚가 적당하며, 상기 실리콘박막(112)과 실리콘소자패드(114)와 연결되게 컨택홀(116)을 형성하고, 상기 컨텍홀(116)의 크기는 150℃ 이하에서의 저온 솔더링 방식을 적용할 수 있도록 200㎚ × 200㎚ 이상의 크기를 가지도록 하는 것이 바람직하다.

상기 컨텍홀(116)에는 솔더범프하지층(117)을 증착하고, 상기 솔더범프하지층(117)의 재료로는 주로 니켈이 사용되며, 표면에는 산화를 방지할 수 있는 금 박막을 증착하는 것이 좋다.

상기 실리콘소자패드(114)와 니켈의 고상반응을 막기 위하여 크롬 확산방지막을 증착하고, 이때, 크롬 두께는 50 ∼ 100㎚, 니켈 두께는 300 ∼ 500㎚, 금 두께는 20 ∼ 100㎚가 바람직하다.

상기 실리콘소자채널(115)의 민감도를 향상시키기 위하여 금속 나노구조체 또는 금속산화물 나노구조체(118)를 실리콘소자채널(115)의 표면에 증착하는 데, 이는 바이오물질 종류에 따라 진행하지 않아도 무방하지만, 일반적으로 바이오물질의 반응성을 높일 수 있는 좋은 방법이며, 이때 사용되는 금속의 종류는 금, 은, 티타늄, 아연 등 다양한 금속이 적용가능하며, 나노입자 또는 나노박막으로 구성하는 것이 좋다.

상기 솔더범프하지층(117)에는 150℃ 이하에서 저온 솔더링을 수행할 수 있는 비스무스(Bi)-주석(Sn) 합금의 솔더범프(119)를 형성하여 구성한다.

상기 유로부(106)는, 판상의 프레임(104) 저면에 전극(120)을 구비하여 센서부(105)의 감지정보를 인가받을 수 있도록 솔더범프(119)와 접촉시켜 솔더링을 통하여 연결한다.

상기 센서부(105)의 외부와 프레임(104) 사이에는 전기적으로 연결된 작은 공간으로 검사대상체가 누수되는 현상을 방지하기 위해 밀봉재(121)로 밀봉(Encapsulation)을 수행한다.

상기 프레임(104)의 중앙부에는 전,후측(길이 방향)에는 검사대상체를 투입할 수 있는 주입공간(122)이 요입된 형태로 구비되고, 그 반대 위치에는 검사대상체를 흡수할 수 있도록 흡수제(123)를 개재하는 흡수공간(124)을 형성하고, 상기 주입공간(122)과 흡수공간(124) 사이에는 센서부(105)의 실리콘소자채널(115)에 증착된 나노구조체(118)를 검사대상체가 경유할 수 있도록 채널(125)로 연결하여 구성한다.

상기와 같은 본 발명의 기술이 적용된 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지(100)를 이용하여 검사대상체를 검사하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지(100)를 USB포트(101)를 이용하여 검사기와 접속시킨 후, 센서부(105)의 흡수공간(124)에 흡수재(123)를 개재한 후 센서부(105)의 주입공간(122)에 검사대상체를 주입시킨다.

그러면, 검사대상체는 주입공간(122)과 흡수공간(124) 사이를 연결하고 있는 채널(125)를 통하여 모세관 현상에 의하여 주입공간(122)에서 흡수공간(124)으로 이동하게 된다.

이때 검사대상체가 채널(125)을 통하여 이동 중에 센서부(105)의 중앙에 형성된 실리콘소자채널(115)의 상부에 형성한 나노구조체(118)를 통과하면서 물질 반응에 의한 전기적 신호의 변화를 인식하게 된다.

이러한 인식정보는 실리콘소자채널(115)과 연결된 실리콘소자패드(114)와 솔더범프하지층(116) 및 솔더범프(118)와 전극(120) 및 USB포트(101)를 통하여 검사기로 인가되므로 검사결과가 바로 검사기의 모니터를 통하여 표시되는 것이다.

상기와 같은 본 발명은 검사하고자하는 나노구조체를

100; 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지
101; USB포트 102; 반도체칩
103; 칩바디 104; 프레임
105; 센서부 106; 유로부
110; 실리콘기판 111; 실리콘산화막
112; 실리콘박막 113; 실리콘소자
114; 실리콘소자패드 115; 실리콘소자채널
116; 컨택홀 117; 솔더범프하지층
118; 나노구조체 119; 솔더범프
120; 전극 121; 밀봉재
122; 주입공간 124; 흡수공간
125; 채널

Claims (3)

1. 검사기와 전기적인 접속을 수행할 수 있도록 구비하는 USB포트와;
   판상형태의 칩바디와, 상기 칩바디의 상부에 결합되는 프레임과, 상기 칩바디의 중앙부에 검사대상체의 정보를 감지하도록 형성하는 센서부와, 상기 프레임의 중앙부에 센서부로 검사대상체를 통과시키도록 형성하는 유로부를 포함하여 상기 USB포트와 전기적인 연결이 이루어지고 검사대상체를 감지하는 반도체칩으로 구성하고;
   상기 센서부는, 실리콘기판에 실리콘산화막을 형성한 후 증착하는 실리콘박막과;
   상기 실리콘박막에 노광 및 식각을 통하여 검사대상체를 감지할 수 있도록 형성하는 실리콘소자와;
   상기 실리콘소자는 실리콘기판의 폭 방향 양측에 형성하여 외부와 전기적으로 연결되는 실리콘소자패드와, 상기 실리콘소자패드 사이를 연결하여 검사대상체의 전류 흐름의 변화를 측정하여 감지하는 실리콘소자채널로 구성하고;
   상기 실리콘박막과 실리콘소자패드와 연결되게 형성하는 컨택홀과;
   상기 컨텍홀에 증착하는 솔더범프하지층과;
   상기 실리콘소자채널의 표면에 증착시켜 민감도를 향상시키는 금속 나노구조체 또는 금속산화물 나노구조체와;
   상기 솔더범프하지층에는 저온 솔더링을 수행할 수 있는 비스무스(Bi)-주석(Sn) 합금으로 형성하는 솔더범프를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서;
   상기 유로부는, 프레임 저면에 구비하여 솔더범프와 접촉하는 전극과;
   상기 센서부의 외부와 프레임 사이에 전기적으로 연결된 공간으로 검사대상체가 누수되는 것을 방지하는 밀봉재와;
   상기 프레임의 중앙부 전,후측에 검사대상체를 투입할 수 있도록 형성하는 주입공간과;
   상기 주입공간 반대 위치에 검사대상체를 흡수할 수 있도록 흡수제를 개재가능하게 형성하는 흡수공간과;
   상기 주입공간과 흡수공간 사이를 연결하여 실리콘소자채널에 증착된 나노구조체를 검사대상체가 경유할 수 있도록 형성하는 채널로 구성하는 것을 특징으로 하는 바이오물질 감지용 반도체칩 패키지.

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