국내
HPSP : 영업이익률 5-60%, 내가 제2의 ASML이 될 상인가?
알파카이코노미아
2023.04.25
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※ 감수인 의견 좋은 보고서 올려 주셔서 감사 드립니다. 전반부는 기술 관련이라 내용이 어렵고, 후반부는 'TSMC에 독점 납품', 'ASML이 이정도 OPM을 기록하고 있다', '2021년 메모리향 어닐링 장비를 양산화했다' 는 문구는 눈에 확 들어옵니다. 반도체 장비 관련 기업에 잘 투자하지 않아서, 이런 기술적 해자가 있는 기업이 있다는 사실도 모르고 있었습니다. 알려주셔서 감사합니다. 위험도 있는 듯 합니다. 과거 티씨케이라는 회사는 특허 이슈로 주가가 급락한 적이 있고, 예스티라는 회사는 개발 중인 듯 합니다. 감수인의 투자자/엔지니어 경험상, 프로세싱 장비를 개발하더라도 양산까지는 많은 시간이 소요되는 경우가 많았습니다(양산 레퍼런스를 갖추기 쉽지 않음). 그런데 언젠가는 성공을 하는 경우도 많았습니다(한국인은 끈질김).
장비업을 더 제대로 투자하려면, 다음 정보가 필요합니다. 1)대당 장비 가격, 2)대당 생산 능력, 3)전방 산업 증설 계획이 핵심 정보입니다. '장비 가격은 얼마고, 100k(월간 웨이퍼처리 능력)증설 당 몇대 필요하다' 류의 정보입니다. 그리고 투자하려는 기업이 물량을 소화할 수 있는 만한 능력이 있어야 합니다. 본문에서는 이와 같은 정보는 조금 부족한 듯 합니다 (보고서 폄하 의도 절대x100 없음). 저는 이 부분이 추정 가능한 경우에만 장비 기업에 투자하고 있습니다(해자가 강한 경우 예외). 최근 상장했네요. 투자 관심 있으신 분은 상장 사유도 회사에 문의해 보시면 좋을 듯 합니다 (십중팔구 좋은 이유일 듯).  * 4Qsum 시가총액 16,922억원(20,850원) 기준, 그외 연말 시총 기준.
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'High-K', HKMG, 어닐링에 대한 간단설명
동사의 장비를 이해하기 위해서는 반도체에서의 High-K에 대한 이해가 선행되어야 합니다. High-K를 이해하기 위해서 우선 반도체 트랜지스터의 구조부터 살펴보시죠.
트랜지스터는 전압이 트랜지스터로 들어오는 대문 역할을 하는 게이트, 전기 알갱이(전하)를 공급하는 소스(Source), 전하의 배출구인 드레인(Drain), 전하를 차단해주는 역할을 하는 절연막이 있습니다.
게이트에서 양(+)의 전압이 걸리면 순간적으로 소스와 드레인 사이 음(-)의 전하가 모여 전기가 통하게 됩니다. 반도체는 결국 '내가 원할 때 전류가 흐를 수 있는' 소재입니다. 전류가 무조건 흐르는 도체와 아예 통하지 않는 부(不)도체가 아니라, 반(半)도체인 이유가 바로 원할 때 전류가 흐를 수 있게 해주기 때문입니다. 원하는 때에만 전류를 흐르게 할 수 있다는 반도체의 특징은 여러 조건문을 형성하여 여러가지 정보를 처리할 수 있게 만들어주는 것입니다.
그리고 트랜지스터로 구현된 모든 회로는 입력신호와 출력신호 사이의 시간차이(Gate delay)가 발생합니다. 시간 차이가 크다는 것은 그 회로의 속도가 느리다는 것을 의미하기 때문에, 이러한 시간차이를 줄이는 것이 반도체 회로 발전의 역사라고 말할 수도 있습니다. 시간차이(Gate delay)는 흐르는 전류의 크기에 반비례하는데, 트랜지스터에 흐르는 전류의 수식은 위와 같습니다. 전문적으로 하나하나 깊게 파고드는 것보다는, 이런 것이 있구나~하는 수준으로 이해하시면 좋을 것 같습니다.
전류의 크기는 Gate의 폭(W)에 비례하고 Gate 의 채널 길이(L)에 반비례합니다. 또한 전하의 운반체(Carrier)의 이동성(Mobility, μ)과 게이트와 채널 사이 유전막(절연막)의 Capacitance(C)에 비례합니다. 또한 유전막(절연막)의 Capacitance(정전 용량)는 유전막(절연막)의 면적(A) 및 유전율(ε)과 비례하고, 유전막(절연막)의 두께(T)에 반비례합니다.
High-K는 여기서 유전막(절연막)과 연관되어 있습니다. 절연막은 게이트에 양(+)의 전압이 걸리면 실리콘 기판에 산개해있는 음(-)의 전하를 절연막 아래로 집합시키게 하고, 음(-)의 전하가 게이트 밖으로 누설되지 못하게 '절연'해주는 역할을 수행합니다. 트랜지스터가 전하를 얼마나 집합시킬 수 있는지가 정전 용량(Capacitance)이라고 하고, 아래 세 가지 공식에 따라 정전 용량은 증가합니다.
1. 절연막 면적(A)이 넓을수록
2. 절연막 두께(T)가 얇을수록
3. 유전율 K값(ε)이 높을수록
즉, 위 세 가지가 충족될 수록 보다 많은 전하를 집합시킬 수 있게 되어, 시간차이를 줄여 반도체의 성능을 보다 끌어올릴 수 있다는 것이죠. 보다 좋은 반도체 성능을 만들기 위해서 기술이 발전하는 터라, 이렇게 조금이라도 정전 용량을 끌어올리려는 노력이 이어지는 것입니다.
그러나 최근 반도체 미세화 트렌드에 따라 '1. 절면막 면적이 넓어지는 것'은 충족하기 어려워졌습니다. 또한, '2. 절연막 두께가 얇아지는 것'도 두께가 너무 얇아질 경우 제대로 절연이 되지 않아 누설 전류가 흐르는 문제점이 있습니다. 결국 마지막 방법인 '유전율 K값이 높아지는 소재'를 이용하는 것이 남습니다.
유전율은 誘電이라는 한자를 이용하는데, 유혹할 유(誘)에 전기 전(電)이라는 뜻입니다. 한자 그대로로 해석한다면 전기를 유혹한다는 뜻으로, 반도체에 적용하자면 같은 전압을 걸어줘도 음(-)의 전하를 더 많이 끌어들여준다는 것입니다. 즉, 유전율 K가 높다는 것은 같은 전압을 걸어줘도 정전 용량을 높여주는 소재라는 의미가 됩니다.
위의 그래프는 소자별 유전율(K)의 값을 나타내고 있는데, 보다 높은 유전율을 이용하기 위해 기존 SiO2보다 유전율이 높은 HfO2(산화하프늄, 하프늄옥사이드)으로 유전막을 변경하게 됩니다. 일반적으로 SiO2의 유전상수가 3.9인데, HfO2의 유전상수는 20으로 기존 SiO2보다 5배 높은 수치입니다. 유전상수가 높은 High-K 유전막을 적용하여, 전자의 터널링과 누설전류현상을 효과적으로 막을 수 있게 된 것입니다.
( 첨언하자면, High-K 유전체인 HfO2를 적용하면서 로직 반도체 공정에 ALD 증착기법이 도입되기 시작한 것입니다. )
그런데, 이처럼 High-K 소재인 HfO2 유전막을 사용하면서 경계막에는 자연적으로 SiO2가 형성되어Capacitance를 낮추는 현상이 발생했습니다. High-K를 쓰는 이유는 Capacitance를 높이려고 했던 것인데, 자연적으로 형성된 SiO2가 Capacitance를 낮추어 지연 시간이 의도치않게 길어지게 된 것이죠. 이에 산화막을 High-K 물질로 대체하면서 동시에 Gate 물질을 poly-Si에서 Metal로 변경하혔습니다. 이렇게 High-K 유전막과 Metal Gate를 통칭해 HKMG 구조라고 합니다. HKMG의 적용으로 전류 구동의 20% 증가, Source-Drain 간 누설전류 5배 이상 감소, Gate-산화막 간 누설전류가 10배 이상 감소하는 우수한 특성을 보여준 것입니다.
그런데 이러한 HKMG의 문제점은 이온 확산 공정 이후의 어닐링 공정에서 발생합니다. 이온 확산 공정에서 이온이 웨이퍼의 실리콘 격자를 뚫고 지나가면서 실리콘 격자가 손상(계면 결함)되는데, 어닐링 공정은 실리콘 격자에 열을 가함으로써 실리콘 격자의 재정렬을 유도하기 위해 실행됩니다. 이러한 어닐링 공정은 온도를 1,100도씨로 올려서 시간을 1초 내외로 짧게 노출시키는 RTA(Rapid Thermal Annealing)이 적용되는데, 문제는 HKMG의 메탈계열 물질의 녹는 온도가 상대적으로 낮아 금속 공정 후 공정온도를 450도 이상 올리기 어려워졌다는 것입니다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 웨이퍼 표면의 국소 부위만을 레이저를 통해 온도를 급격히 올리거나(이오테크닉스의 레이저), 동사의 고압수소 어닐링 장비를 통해 고압의 수소 환경에서 낮은 온도로 어닐링 공정을 진행하는 것입니다. ( 이오테크닉스의 레이저는 주로 DRAM에서, 동사의 고압수소 어닐링 장비는 주로 비메모리 파운드리에서 사용되는 것으로 알려졌습니다. )
고압 수소 어닐링 장비, 영업이익률 5~60%
동사는 이러한 고압 수소 어닐링 장비에서 매출이 전액 발생하고 있으며, 450℃ 이하의 온도 환경에서도 100% 수소농도를 유지하여 어닐링을 극대화시키므로 기존 고온 어닐링 장비와는 근본적인 차이가 존재한다고 회사에서는 홍보하고 있습니다.
계면 결함을 치유하기 위해선 화학 반응이 필요하고, 이에 사용되는 원소가 수소입니다. 그러나 기존 고온 열처리 장비는 5% 미만의 낮은 수소 농도를 활용했기에 비활성 가스를 섞어서 사용했고, 이로 인해 수소 어닐링 효과가 온전히 구현되기 어려웠습니다. 압력 또한 1 ATM 미만으로 낮았기에 열처리 효율을 높이기 위해 공정 온도를 600도 이상으로 높일 수밖에 없었고, 16nm 이하의 공정에서는 회로가 고온으로 녹아버리는 문제가 발생했습니다.
즉, 타사의 고온 어닐링 장비의 경우 600℃ 이상의 온도에서 어닐링이 진행되어 Metal Gate 및 금속배선에 변질을 유발시키고 미흡한 수소농도를 가지고 있는 반면에, 당사의 장비는 이러한 문제점을 모두 해결하여 28/32㎚이하 공정을 기본으로 최대 2㎚(공정)까지 적용시킬 수 있다는 것입니다. 나노화와 EUV 공정 적용이라는 기술적 트렌드는 동사 장비의 제품을 보다 널리 사용하게 될 것으로 판단되는 이유입니다.
특히 4% 이상의 수소 농도에서는 자연발화조건이 성립해 인화성과 폭발성을 함께 가지게 되기에, 이러한 인화성과 폭발성을 억제하는 것이 동사의 기술력이라고 할 수 있습니다. 동사의 고압 수소 어닐링 장비는 100% 수소 농도를 챔버 안에서 처리하게 되는데, 인화성과 폭발성으로 인하여 고객사의 까다로운 안전인증 과정(최소 2년 소요)를 거쳐야 합니다. 동사는 이러한 안전인증 과정을 모두 거친 상황으로, 안전인증 과정을 거치지 못한 경쟁사 대비 기술력을 입증한 사례라고 평가됩니다.
글로벌 독점이라는 특성상 글로벌 파운드리 기업인 TSMC에 독점 계약하고 있으며, 이러한 독점력은 동사의 높은 영업이익률(5~60%)로 확인할 수 있는 부분입니다. 소프트기업도 아닌 제조기업이 이처럼 높은 영업이익률을 기록하고 있다는 것은 분명 주목할 점이라고 생각됩니다. 네덜란드 반도체 기업인 ASML 정도가 이 정도의 영업이익률을 기록하고 있는데, 이러한 독점이 지속적으로 유지될 수만 있다면 우리나라의 ASML이 탄생할 지도 모를 일입니다.
현재 동사는 TSMC 등 파운드리 업체에 주로 납품되고 있지만, 2021년에 메모리 기업향 어닐링 장비의 양산을 상용화한만큼 메모리 쪽으로의 저변을 확대할 수 있으리라고 추정됩니다. 실제로 삼전의 경우 DDR5에서 HKMG를 채용하고, SK하닉도 LPDDR5x에서 HKMG를 채용하는 등 DRAM에서도 칩의 성능 향상을 위해 HKMG구조를 본격적으로 채용하고 있습니다. 최선단 DRAM 제품군 위주로 HKMG 구조의 채용이 이어지고 있는 추세인만큼, 이를 위한 열처리 솔루션으로 동사의 고압 수소 어닐링 장비가 필요해질 것으로 추정됩니다. 비메모리 위주인 동사의 매출이 메모리로까지 그 저변을 넓혀간다면, 증익 폭이 상당할 것으로 판단됩니다.
HPSP는 독점적 지위를 위협받을까?
이러한 훌륭한 기술력을 가진 회사이지만, 분명 걸리는 점이 있는 것도 사실입니다. ① 독점적 지위를 지속해서 유지할 수 있느냐에 관한 여부가 바로 투자자들이 가장 우려하고 있는 리스크입니다.
동사는 현재 기업가치가 약 1조 6,000억 원 정도로, 22년 예상 영업이익 852억 대비 약 20배에 달하는 POR을 보여주고 있습니다. 장비 기업인 주성엔지니어링이 7배에도 못미치는 POR을 보여주는 것과 대비해서, 동사는 분명 타 장비회사 대비 엄청난 프리미엄을 받고 있습니다. 그리고 이러한 프리미엄에는 신규 상장주라는 이유도 일부 있겠지만, 수소 고압 어닐링 장비의 독점적 지위와 대체불가능성의 이유도 있는 것으로 판단됩니다. 티씨케이와 ASML이 각각 SiC 파츠와 EUV노광장비에서 독점적인 지위를 누리면서, 피어 대비 높은 PER을 가져갔던 이유와 동일한 것입니다.
그러나 한번 이러한 독점적 지위가 위태로워진다면, 이전까지 받아왔던 높은 밸류에이션은 기업가치에 큰 부담으로 작용할 가능성이 많습니다. SiC Ring 시장에서 독점적인 지위라고 생각했던 티씨케이가 특허 일부의 무효 판결로 인해 PER이 반토막 난 실제 사례도 존재합니다. 그러므로 동사의 높은 기업가치가 계속해서 이어질 수 있으려면, 티씨케이처럼 새로운 경쟁자의 등장이 없어야 할 것입니다.
그리고 예스티라는 기업이 고압 수소 어닐링 장비를 SK하이닉스와 알파테스트를 진행했고, 그 결과도 긍정적이라는 소식이 들려왔다는 것은 분명 동사 입장에서는 경고등이 울릴만한 소식일 수 있겠습니다. 따라서 예스티의 사업경과가 우수한 것으로 나타나면, 동사가 가진 수소 고압 어닐링 장비의 독점적 지위를 잃고 수익성이 훼손될 수 있다는 우려가 있는 것입니다. 기업들이 대체로 독점 벤더 체제보다는 서로를 경쟁시키면서 값싸게 장비를 들여올 수 있는 벤더 체제를 선호한다는 측면에서, HPSP 주주 분들께 이러한 우려는 충분히 가능하다고도 생각됩니다.
다만 저는 적어도 이번 싸이클에는 HPSP의 장비가 대체되는 일은 발생하지 않을 것이라고 생각합니다. HPSP는 이미 고압 수소와 관련된 다수의 특허를 등록하였고, 이를 모두 회피해가면서 예스티가 장비를 성공적으로 개발하기엔 어렵다고 판단하는 것입니다. 동사는 수소 및 중수소가 투과되지 못하는 확산제어막을 배치하는 방법, 고압 및 진공공정 병행 챔버장비, 중수소를 회수하는 방식 및 장치 등의 특허가 등록되어 있는데, 해당 특허를 피하면서 제품을 개발하는 것이 상당한 난이도이기 때문입니다. 예스티는 이러한 문제점을 회피하기 위해 법률팀과 조율하고 있다고 밝히기는 했으나, 실제로 특허기술을 모조리 빠져나갈 수 있을 지는 미지수입니다.
특히 일반적으로 반도체 전공정 장비의 고객 인증 기간이 약 1년 정도 소요되는 반면, 고압에서 중수소를 다루는 기술은 고압에서 폭발성과 인화성이 높아 일반적인 공정보다 높은 신뢰성과 안정성을 요구한다는 측면에서 인증을 받는 데에 2년 이상의 시간이 필요할 것으로 예상됩니다. 설령 예스티가 HPSP의 특허를 어떻게든 침해하지 않고서 장비의 개발에 성공했다 하더라도, SK하이닉스나 다른 반도체 기업들에 인증을 받기까지는 꽤나 많은 시간이 소모될 것으로 보입니다. 현재 예스티가 알파테스트를 통과하였다고 해도, 베타테스트와 양산 공정까지 가는 것은 완전히 다른 차원의 난이도이기도 합니다.
결국 ① 이제 막 알파테스트를 끝냈다는 점, ② 고압 수소는 인증 획득에 필요한 시간이 오래걸린다는 점, 그리고 ③ HPSP의 특허를 피해가기에는 난이도가 높다는 점을 고려하면, 적어도 이번 업싸이클이 끝날 때까지 HPSP의 장비를 예스티가 대체하긴 어려울 것으로 보입니다. 따라서 적어도 이번 싸이클 내에 HPSP의 독점적 지위가 위협받는 일은 없을 것이며, HPSP의 독점 체제가 깨졌다는 시장의 우려는 과도해보인다는 생각입니다.
예스티의 입장에서도 HPSP의 장비를 곧바로 대체할 수 있을 것이라는 생각보다는, 이번 테스트 인증을 통해 각 투자처에 예스티의 우수한 기술력을 소개하면서 고갈되어 가는 현금을 제3자배정유증이나 CB 및 BW 등을 통해 확보하려는 차원이지 않을까 추정해볼 수 있겠습니다. 실제로 예스티는 4월 17일부로 350억 원 규모의 전환사채를 발행하면서, 이러한 주장을 뒷받침해줄 수 있는 것 같습니다.
예스티의 350억 원 CB 발행결정공시 中
동사는 특히 24년부터 엄청난 매출 증익이 가능하리라고 판단됩니다. 현재 공장의 정상 Capa는 40대 수준이며 최대 50대 Capa를 보유하고 있는데, 22년에는 약 40대가 넘는 장비가 출하된 것으로 추정됩니다. 그리고 올해 말에 완공 예정인 신공장으로 인하여 CAPA가 약 80대로까지 증가할 것으로 추정되어서, 내년에는 고정비용 절감에 따른 영업이익률 증가도 기대해볼 수 있을 것입니다.
나아가 동사는 고압 수소 어닐링 장비만으로 안주하고 있는 것도 아닙니다. 동사는 고압 수소에 대하여 쌓아올린 연구개발실적을 통해서 고압 습식 산화막 장비의 개발도 진행하고 있습니다. 당사는 올해 안으로 개발을 마무리하고, 내년에는 매출로 이어질 것이라는 구상을 세우고 있습니다. 이 장비의 쓰임새 등에 대해서 공개된 바는 별로 없으나, 적어도 반도체 공정 중 산화공정을 이해하면 대략적인 모습을 추정해볼 수 있습니다.
모래에서 추출한 실리콘을 정제 과정을 통해 얇고 둥근 판 모양의 웨이퍼를 제조하는데, 초기 형태의 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 부도체 상태에 있습니다. 따라서 전기가 통하는 도체와 전기가 통하지 않는 부도체의 성격을 모두 가진 반도체의 성질을 가지기 위해서 추가 공정이 필요합니다. 그리고 반도체의 성질을 가질 수 있도록 해주는 것이 바로 산화공정입니다.
이러한 산화공정은 반도체 성질을 가질 수 있도록 해주는 것 뿐만 아니라, 웨이퍼에 절연막 역할을 하는 산화막을 형성해 회로 간에 누설전류가 흐르는 것을 차단하기도 하고, 이온 주입 공정에서 확산 방지막 역할을 수행하기도 하며, 식각 공정에서 잘못 식각되는 것을 막는 역할도 수행하기도 합니다. 각종 불순물이 웨이퍼 단면에 침투하지 못하도록 막는 부차적인 역할도 수행합니다.
그리고 이러한 산화공정은 산화반응에 사용되는 기체에 따라 건식 산화이냐 습식 산화이냐로 나눌 수 있습니다. 건식 산화는 순수한 산소만을 이용하는 데, 주로 얇은 막을 형성할 때 쓰입니다. 얇은 막을 형성할 수 있으니 보다 전기적 특성이 좋은 산화물을 만들 수 있는 특징이 있습니다. 반면 습식 산화는 산소와 함께 수증기를 함께 사용하는 방식으로, 건식 산화보다 빠르게 막을 형성할 수 있다는 장점도 있지만 산화막이 보다 두껍다는 단점도 존재합니다.
반도체가 미세화됨에 따라서, 산화막을 얇게 만들 수 있도록 고온을 이용한 건식 산화 방식을 많이 사용했습니다. 그러나 공정이 3nm 이하로 미세화됨에 따라서, 기존 고열 장비로는 의도하지 않은 산화막 형성이나 막질 두께를 더 이상 축소하지 못하는 한계를 만나는 문제점이 제기되고 있습니다. HKMG 구조는 메탈계열의 녹는 온도가 상대적으로 낮아 고온에 취약한 구조이기에, 고온을 이용한 건식 산화 방식이 어려워지고 있는 것입니다. 따라서 고압 수소 어닐링 장비가 고압의 수소를 통해 HKMG이 고온에 취약한 특성을 개선하기 위해 사용되듯이, 새로 개발하고 있는 고압 습식 산화막 장비 역시 고온에 취약한 HKMG 구조의 단점을 개선되기 위해 사용될 것으로 생각됩니다.
각종 리포트를 종합해보면, 고온 건식 공정을 거치면서 HKMG의 메탈 라인이 변형되는 문제를 동사의 신규 장비를 통해 저온 공정에서 해결함과 동시에, 기존 장비 대비 얇고 단단한 고품질의 산화막을 형성할 수 있는 특징이 있을 것으로 보입니다. 1분기 내에 파운드리 고객사향 On Site Test가 진행될 것으로 예상되며, 동사의 고압 기술력이 다시 한번 재현되는만큼 2024년부터 본격적인 매출 발생이 예상되는 기대작이라고 할 수 있겠습니다.
분명 HPSP는 반도체 장비사들 중에서는 현재의 영업이익 대비 비싼 밸류에이션을 받고 있는 것은 분명합니다. 그러나 HPSP는 독점적 지위는 적어도 이번 싸이클에도 꺾이지 않을 예정이며, 최선단 공정에 필수적으로 들어가는 장비를 납품하고 있어 24년에 엄청난 증익이 예상되어 있다는 점을 고려해보면 이러한 밸류에이션이 정당화될 수 있을 것 같습니다. 감사합니다.
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