Viability of recycling semiconductors in Intel Processors/ko

프로젝트 데이터

저자	에밀리 울벡 매튜 티아넨 트래비스 헵프너
위치	미시간 , 미국
OKH 선언문	다운로드

이것은 추측적 클래스 프로젝트이므로 실제 규모로 배포하기 전에 세부적으로 다듬어야 합니다.

1968년 과학자 로버트 노이스와 고든 무어 ^W 는 반도체 메모리 제품에 대한 비전을 가지고 인텔을 설립했습니다. 1971년에는 세계 최초의 마이크로프로세서를 선보였습니다. ^{[ 1 ]}

반도체의 종류와 제작 방법

• 인텔 프로세서는 웨이퍼를 만드는 데 99.9999% 순수 실리콘을 사용합니다. 실리콘은 용융물에서 큰 단결정 잉곳으로 성장합니다. 직경 300mm의 웨이퍼는 잉곳에서 절단됩니다. 웨이퍼가 연마되고 준비된 후 트랜지스터가 표면에 증착됩니다. 그런 다음 프로세서 다이가 웨이퍼에서 절단됩니다. ^{[ 2 ]}

인텔 비디오는 반도체가 어떻게 만들어지는지 설명합니다. 어떻게 만들어지는가

시장의 성장

• 인텔은 오늘날의 반도체를 가능하게 한 많은 발전에 기여했습니다. 2011년 상반기에 이 회사는 401억 달러의 매출과 132억 달러의 세전 이익을 창출했습니다. 인텔은 PC와 서버에 전원을 공급하는 칩 시장에서 실질적인 경쟁자가 없습니다. ^{[ 확인 필요 ]} 이 회사의 최고 간부는 이 선순환을 활용하는 데 있어서 회사의 성공의 많은 부분을 10개의 칩 공장(업계 속어로 "팹")이 가동 중이고 2개가 더 건설 중이라는 사실에서 기인합니다. 인텔의 제조 책임자인 브라이언 크르자니크는 이를 통해 외부 회사인 "파운드리"를 사용하여 칩을 만드는 경쟁사보다 더 빠르고 결함이 적은 칩을 시장에 출시할 수 있다고 말합니다. 이는 인텔이 PC와 서버의 고성능 프로세서 시장을 지배하는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다. ^{[ 3 ]}

시장 유형

인텔은 가정 사용자부터 전 세계 조직에 이르기까지 다양한 고객을 보유하고 있습니다. 인텔이 웹사이트에 직접 나열한 고객 목록은 다음과 같으며, 인텔이 각 고객에게 제공하는 제공 프로그램에 대한 링크가 있습니다.

• 사업용

내장된 고객

하드웨어 개발자

인텔리전트 시스템 고객

IT 관리자

리셀러

중소기업

소프트웨어 개발자

• 투자자

투자자 및 재무 분석가

• 교육

교육자

• 개인적 사용

게이머

홈 사용자

현재 재활용 관행

어떻게?

• 인텔의 웹사이트는 다양한 재활용 관행에 대해 논의합니다. 그들은 매우 활발한 재활용업체로, 폐수를 재활용하고 생산 공정에서 낭비를 피한다고 주장합니다. ^{[ 4 ]} 그러나 인텔은 프로세서나 프로세서에 포함된 반도체의 재활용을 위한 명확한 프로그램이 없습니다. 그들은 재활용 관행에 대해 공개적으로 말하지만 반도체 재활용에 대해서는 침묵하기 때문에 그러한 프로그램이 없다고 가정합니다.

어떤 구성 요소인가요?

• 우리는 컴퓨터의 두뇌인 중앙처리장치에 초점을 맞출 것입니다. 그러나 인텔은 회사 역사 동안 많은 다른 유형의 프로세서를 만들었습니다. 1971년에 만들어진 최초의 4비트 프로세서부터 2002년에 만들어진 최신 64비트 Itanium 2 프로세서까지 인텔은 칩 생성을 위한 혁신의 선두에 끊임없이 있었습니다. ^{[ 5 ]}

반도체의 양

• Intel i7용 프로세서 다이의 면적은 263mm2입니다 ^. [ ^{6 ] 다이} 를 만드는 데 사용된 웨이퍼의 두께는 약 1mm입니다. ^{[ 7 ]} 실리콘의 밀도가 2.65g/cm3일 때 ^부피 가 263mm3(.263cm3)인 프로세서 다이 하나에는 ^약 .697g ^의 고순도 실리콘이 들어 있습니다. 모든 PC의 약 80%에 인텔 프로세서가 들어 있다고 추정됩니다. ^{[ 8 ]} 2010년에 83,800,000대의 컴퓨터가 판매되었다면 그 중 약 67,040,000대에 인텔 프로세서가 들어 있었을 것으로 추정할 수 있습니다. 이 숫자를 프로세서 하나에 들어 있는 실리콘 양으로 곱하면 1년 동안 프로세서에 들어가는 실리콘 양을 대략적으로 추정할 수 있습니다. 이는 연간 약 46,700kg의 실리콘에 해당합니다.

• 이 양은 전자 산업에서 매년 생산되는 실리콘 양(수천 톤)을 고려하면 상당히 낮은 듯합니다. 그러나 판매된 단위 수에 대한 시장 데이터는 없습니다. 사용 가능한 모든 데이터는 프로세서에서 얻은 수익과 관련이 있습니다. 판매된 단위에 대한 정보가 없으므로 시중에 얼마나 많은 실리콘이 있는지 정확히 알 수 없을 수 있습니다. 그래도 실제 가치는 명시된 추정치보다 높을 가능성이 높습니다. ^{[ 확인 필요 ]}

분실된 반도체 소재를 수거하는 방법

• 반도체 산업 협회에 따르면 전 세계적으로 매일 약 25만 개의 실리콘 웨이퍼가 생산되고 있으며, IBM은 웨이퍼의 약 3.3%가 폐기된다고 추정합니다. 폐기된 웨이퍼를 버링턴 시설 ^{[ 9 ]} 에서 모니터 웨이퍼로 재활용함으로써 IBM은 2006년에 50만 달러 이상을 절약했으며 2007년에는 150만 달러, 앞으로도 매년 그만큼 절약할 것으로 예상됩니다. IBM은 중고 웨이퍼를 판매하여 얼마나 많은 돈을 벌 수 있을지 말하지 않았습니다. 그리고 재활용된 실리콘을 사용함으로써 태양 전지 제조업체는 일반적으로 태양 전지를 만드는 데 사용하는 에너지의 30~90%를 절약할 수 있어 제품의 탄소 발자국을 줄일 수 있습니다. ^{[ 10 ]} 그러나 인텔은 반도체 재활용을 위한 명확한 프로그램이 없으며 현재 반도체가 어떻게 재활용되고 있는지에 대한 실제 정보는 없습니다. 이러한 프로세스는 특허로 보호될 가능성이 높기 때문입니다.

실행 가능성

• 우리는 선택 A(예) 소비 후 재활용을 활용하기로 결정했습니다.
• 우리는 특히 태양 전지에 사용하기 위해 다른 반도체에 사용하기 위해 소비자 이후 반도체 기반 프로세서를 사용할 수 있습니다. 프로세서에서 반도체(특히 실리콘)를 추출하면 이물질이 필연적으로 순수한 실리콘에 침투합니다. 태양 전지는 제대로 작동하는 데 순수한 실리콘이 필요하지 않기 때문에 재활용된 실리콘은 태양 전지에서 효율적으로 작동합니다. 컴퓨터 구성 요소는 금이나 백금과 같은 다양한 구성 요소/요소를 위해 이미 전 세계적으로 수집되므로 이러한 반도체를 수집하는 것이 가능합니다. ^{[ 11 ]}

소비자 후 재활용

수집 방법

예를 들어, 2011년에 IBM의 전 세계 PELM 운영은 37,950미터톤이 넘는 수명이 다한 제품을 처리했는데, 이는 재활용된 총 처리량의 약 97.6%였습니다. ^{[ 12 ]} 이 프로젝트에서는 Intel의 프로세서에만 초점을 맞추고 있으므로 2010년 프로세서의 총 실리콘 무게인 46,700kg에 대한 97.6% 추정치를 사용하여 회수된 실리콘 양을 추정합니다. 이를 통해 이러한 프로세서에서 연간 45,579.2kg의 실리콘을 절약할 수 있다는 추정치를 얻을 수 있습니다. 우리는 소비자에게 무료 재활용을 제공하여 프로세서를 수거할 계획입니다. Intel과 협력하여 고객은 프로세서를 Intel로 보냅니다. 그러면 제3자로서 우리는 Intel에서 스크랩 웨이퍼와 소비자가 우편으로 우리 프로그램에 보낸 CPU를 구매하거나 기부하게 됩니다. Intel과 협력함으로써 우리는 1년 동안 생산된 총 프로세서의 약 90%를 받을 수 있을 것으로 믿습니다. 연간 67,040,000개의 인텔 CPU가 생산된다고 추정하면 60,336,000개가 우리 회사로 반환됩니다. 평균 CPU(.697g)의 실리콘 양으로 곱하면 연간 약 42054kg의 순수 Si를 재활용할 수 있습니다. 또한 공장 간 운송을 무시할 수 있도록 인텔 옆에 공장을 짓습니다.

오염 물질

• 프로세서의 일반적인 부식성 폐기물에는 황산, 불산, 인산, 질산, 수산화 암모늄 및 과산화수소가 포함됩니다. 이러한 산은 웨이퍼의 에칭, 스트리핑 및 세척에 사용됩니다. 테트라메틸 암모늄 수산화물은 양성 광저항 현상액으로 사용됩니다. ^{[ 13 ]}
• 전자 장치 제조에 대한 극도의 순도 요구 사항은 전자 등급 실리콘(EGS)을 생산하기 위해 추가 정제 단계가 필요합니다. 후속 결정 성장 및 장치 제조에 적합한 순도 수준을 위해 EGS는 백만 분의 몇(ppm) 미만의 탄소 및 산소 불순물 수준과 십억 분의 일(ppb) 범위 또는 그 이하의 금속 불순물을 가져야 합니다(아래 표 참조). 순도 외에도 생산 비용 및 사양이 업계의 요구 사항을 충족해야 합니다. ^{[ 14 ]} 그러나 전자 제품에서 실리콘 웨이퍼를 재활용하지 않고 태양광 패널에서 재활용할 계획이므로 실리콘의 오염 물질 양을 조금 더 자유롭게 허용할 수 있습니다.

표 1. 전자급 실리콘(EGS)에서 발견되는 일반적인 불순물 농도. ^{[ 15 ]}

정화 방법

• 전자 산업에서 웨이퍼를 재활용하는 방법은 이미 존재합니다. 모든 전자가 증착된 웨이퍼는 세척, 연마 및 재사용될 수 있습니다. ^{[ 검증 필요 ]} 이 프로세스는 절단되지 않은 웨이퍼와 동일한 표면 특성을 가진 기존 프로세서 칩을 세척하는 데에도 사용할 수 있습니다.
• 프로세서 칩은 화학적 처리를 통해 불순물을 제거합니다.
  1. 먼저 황산과 과산화수소의 혼합물로 처리합니다.
  2. 다음은 불산으로 에칭한 후 수산화 암모늄이나 수산화 칼륨을 사용하여 알칼리성 에칭을 실시합니다.
  3. 그런 다음 칩을 갈아서 표면의 남아 있는 특성을 제거합니다.
  4. 마지막으로, 잔류 입자는 2단계 세척 공정 동안 제거됩니다. 첫 번째 단계에서는 물, 과산화수소, 수산화암모늄의 혼합물을 사용하고 두 번째 단계에서는 물, 과산화수소, 염산을 사용합니다. 이 공정을 통해 약간의 두께 감소가 있는 깨끗하고 순수한 실리콘이 생성됩니다. ^{[ 16 ]} 두께 손실은 최대 10마이크론 또는 실리콘의 약 1.5%입니다. ^{[ 17 ]}
• 실리콘에서 불순물이 제거되면 이를 녹여 다결정 실리콘 주괴로 주조하고 태양 전지에 사용할 정사각형 주괴로 절단할 수 있습니다 ^{[ 18 ].}
• 전반적으로 실리콘 손실은 매우 적습니다.세척 과정에서 약 1.5%가 손실됩니다.세척 중 두께 손실이 세 배라고 보수적으로 가정하더라도 실리콘의 4.5%만 손실됩니다.또한 절단으로 인해 상당한 커프 손실이 발생할 가능성이 있습니다.한 출처에서는 웨이퍼 생산 중 35%의 커프 손실이 발생할 것으로 추정 하지만 ^{[ 19 ]} 웨이퍼 절단으로 인한 먼지는 새로운 잉곳을 위한 용융물로 재활용할 수 있습니다.이 공정에서 최소 95%의 실리콘을 회수할 수 있을 가능성이 높습니다.

특성화 방법

실리콘 기반 반도체를 특성화하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 전기적 특성화, 광학적 특성화, 물리적/화학적 특성화가 있습니다.

전기적 특성 분석은 저항률, 캐리어 농도, 이동도, 접촉 저항, 장벽 높이, 고갈 폭, 산화물 전하, 인터페이스 상태, 캐리어 수명 및 심층 불순물을 결정하는 데 도움이 됩니다. 2점 프로브, 4점 프로브, 차동 홀 효과, 커패시턴스-전압 프로파일링, DLTS 및 DLCP.

광학적 특성화에는 현미경 현미경, 엘립소메트리, 광발광, 투과 분광법, 흡수 분광법, 라만 분광법, 반사 변조, 음극 발광이 포함됩니다. 여전히 많은 다른 방법이 있으며, 이는 사용 가능한 도구 중 일부의 예일 뿐입니다.

물리적/화학적 특성화 기술은 반도체의 물리적 특성을 측정하기 위해 이온빔, X선, 전자빔을 활용합니다. 여기에는 (전자빔) SEM, TEM, AES, EMP, EELS, (이온빔) 스퍼터링, SIMS, RBS, (X선) XRF, XPS, XRD, X선 지형, 중성자 활성화 분석(NAA), 화학 에칭이 포함됩니다.

우리는 이 프로세서의 실리콘을 광전지에 사용하려고 하기 때문에 관련 재료의 전기적 특성을 활용하는 것이 분명합니다. 다른 특성화 방법은 반도체를 테스트하여 정확한 구성을 확인하는 방법이 얼마나 다양한지 보여주기 위해 포함되었습니다. 이것은 기본적으로 인텔에서 프로세서에 사용된 실리콘 유형에 관한 정보를 확인하는 데 사용됩니다. 안타깝게도 이 정보는 독점적이기 때문에 프로세서 사용에 필요한 실리콘의 평균 순도 외에는 아무것도 알 수 없습니다. 다행히도 이 응용 프로그램의 순도는 광전지에 사용하는 데 필요한 것보다 훨씬 높습니다.

재활용에 필요한 에너지

웨이퍼를 당사 시설로 운송하는 데 필요한 에너지를 유지하기 위해 폐기물 처리업체를 수용하는 Intel 공장 옆에 이를 배치할 것입니다.그런 다음 폐기물 처리업체는 전체 재활용 프로세스를 거칩니다.이러한 프로세서 다이를 실제로 처리하는 개별 기계에서 사용하는 실제 에너지에 대한 정보는 얻기 매우 어렵고 공개되지 않습니다.그러나 웨이퍼 재활용 프로세스와 관련된 에너지 절감에 대한 정보는 풍부합니다.IBM은 프로세스에 따라 처음부터 웨이퍼를 생산하는 데 사용되는 에너지의 30%~90%를 절약할 수 있다고 주장합니다. ^{[ 20 ]} 처음부터 단결정 실리콘 1kg을 생산하는 데는 2130kWh가 필요합니다. ^{[ 21 ]} 50%의 에너지 절감이라는 보수적인 추정치로 이는 프로세스의 재활용 부분에서 킬로그램당 1065kWh가 될 수 있습니다.90kg 도가니 용량의 ZT-90D 방향성 응고로를 사용하면 필요한 에너지는 킬로그램당 73kWh가 됩니다. ^{[ 22 ]} 이것은 모든 처리 단계를 합친 1kg의 실리콘에 대한 총 에너지 1138kWh를 의미합니다.

직접 재활용의 대안

• 불순물을 제거하고 원시 실리콘을 활용하는 공정인 직접 재활용 대신. 프로세서를 재조정하여 지속적인 작업을 얻을 수도 있지만, 이 장치를 새 장치만큼 잘 작동시킬 수는 없습니다. 다이(개별 프로세서)를 작동시키는 대략적인 공정은 몇 가지 다른 방법으로 수행할 수 있습니다. 프로세서가 여전히 작동하면 새 응용 프로그램에서 사용할 수 있습니다. 주 처리 장치가 필요한 계산기가 있다고 가정하면 여전히 작동하는 컴퓨터 프로세서를 활용하여 계산기를 실행할 수 있습니다. 이 프로세서는 원래 계산기의 구성 요소 이상을 실행하도록 의도되었지만, 버려지거나 파괴되는 대신 새로운 생명을 얻었습니다.

이제 하드웨어 문제가 있어 더 이상 작동할 수 없는 프로세서가 있다고 가정해 보겠습니다. 오래된 트랜지스터와 회로를 갈아내고 새로운 회로를 다이에 다시 증착할 수 있습니다. 이것이 가능하더라도 실제로 실행 가능하다는 것을 의미하지는 않습니다. 각 다이를 개별적으로 재조정해야 하기 때문입니다. 우리는 다이에서 불순물을 제거하고 실리콘을 사용하여 광전지를 만드는 것이 가장 좋은 프로세스라고 생각합니다. 실리콘은 이미 태양 전지에 필요한 순도 수준을 초과하므로 추가 정제가 필요하지 않습니다. 다음 진술은 태양 전지를 만드는 데 이미 사용되고 있는 전체 스크랩 웨이퍼의 사용을 암시합니다.

• 웨이퍼 재활용 공정은 스크랩 제품 웨이퍼에서 모니터 웨이퍼를 생산하여 전체 에너지를 최대 90%까지 절감합니다. 모니터 웨이퍼가 수명이 다하면 태양열 산업에 판매됩니다. 특정 태양 전지 제조업체가 재활용 웨이퍼 배치를 처리하는 방법에 따라 새로운 실리콘 소재 소스를 사용했다면 필요했을 에너지의 30~90%를 절약할 수 있습니다. ^{[ 23 ]}

반도체 재활용 시설

장비 및 처리

1. 화학적 제거 Orca ^TM 자동 습식 공정 시스템은 화학적으로 처리업체의 오염물질을 제거합니다.
2. 표면 그라인더 Waida Super Precicion 표면 그라인더는 프로세서에 남아 있는 모든 전자 장치를 갈아냅니다.
3. 세척 과정 Orca ^TM 자동 습식 공정 시스템은 그리드에서 남아 있는 모든 과도한 오염 물질을 씻어냅니다.
4. 용광로에서 용융하는 다결정 실리콘 주조 용광로는 순수 실리콘을 모두 잉곳으로 용융한 후 이를 다듬어 블록을 형성합니다.

안전 계획

직업 안전 및 건강 관리국(OSHA)은 미국 노동부 산하 기관입니다. 위에 설명된 재활용 시설은 모든 OSHA 요구 사항을 따릅니다. OSHA 규정에 대한 자세한 내용은 웹사이트 http://www.osha.gov/ 에서 확인할 수 있습니다 .

물질안전보건자료(MSDS)

공장에 들어오는 모든 화학 물질에는 물질안전보건자료가 필요하며 모든 직원이 쉽게 접근할 수 있는 곳에 비치됩니다. 이 재활용 공정에서 사용되는 주요 재료 목록과 MSDS 링크는 아래에서 찾을 수 있습니다.

• 황산 [H ₂ SO ₄ MSDS] ^{[ 24 ]}
• 불산 HF MSDS ^{[ 25 ]}
• 인산 H ₃ PO ₄ MSDS ^{[ 25 ]}
• 질산 HNO ₃ MSDS ^{[ 25 ]}
• 수산화암모늄 NH ₄ OH MSDS ^{[ 25 ]}
• 과산화수소 [2(HO) MSDS] ^{[ 26 ]}
• 염산 HCl MSDS ^{[ 26 ]}
• 물 H ₂ O MSDS ^{[ 26 ]}

안전교육

재활용 시설에는 안전 교육 프로그램이 있습니다. 이 프로그램의 목적은 신규 직원에게 현재 및 장기 안전 문제에 대한 교육을 제공하고 모든 직원에게 지속적인 안전 교육을 제공하는 것입니다. 안전 교육 프로그램은 다음 주제에 초점을 맞추지만 이에 국한되지 않습니다.

• MSDS를 읽는 방법
• 비상 대응: 유해 화학 물질
• 유해화학물질 검토
• 유출을 방지/청소하는 방법
• 용기에 올바르게 라벨을 붙이는 방법
• 화학 물질 취급 절차
• 화재 또는 대규모 화학물질 유출에 대한 절차

반도체 물질 흐름도

다음 흐름도는 재활용 공장의 워크플로를 간략하게 설명합니다. 파일이 요청한 대로 Dia 파일은 아니지만, 학교 컴퓨터에 Dia 프로그램을 다운로드할 수 없었고 Visio가 가장 좋은 대안이라고 결정했습니다.

참고문헌

페이지 데이터

의 일부	마이3701
키워드	재활용 , 반도체 , 인텔 프로세서
지속가능개발목표	SDG12 책임 있는 소비와 생산
저자	에밀리 울벡 , 매튜 티아넨 , 트래비스 헵프너
특허	저작권: CC-BY-SA-3.0
조직	엠티유
언어	영어 (en)
번역	스페인어 , 인도네시아어
관련된	2개의 하위 페이지 , 11개의 페이지가 여기에 링크되어 있습니다.
영향	8,790 페이지 뷰 ( 더 보기 )
생성됨	2012년 9월 28일 Emily Wolbeck 작성
마지막 수정	2024년 7월 6일 Irene Delgado 작성
인용하다	Emily Wolbeck , Matthew Tianen , Travis Hepfner (2012–2024). "Intel 프로세서에서 반도체 재활용의 실행 가능성" . Appropedia . 2025년 1월 3일 검색됨 .
API 쿼리	기본 , 의미론적 , html , 파일 , 더 많은