에이치피에스피, 고압수소 열처리 장비 기술력 원탑 존재감 드러내

고압수소 열처리 장비 글로벌 독점 기업 - HPSP

7월 15일 코스닥 시장에 상장한 에이치피에스피(HPSP, High Pressure Solution Provier)는 반도체 회로의 패턴 미세화에 의해 발생 가능한 인터페이스(계면) 결함을 전기적으로 비활성화 시키는 ‘고압수소 어닐링 공정 장비’를 제조하는 업체입니다. 현재로서는 글로벌 메이저 반도체 기업 모두에 납품하는 국내 유일의 전 공정 장비 업체로, 기존의 국내 전 공정 장비업체들과 차별화된 고객 기반을 형성하고 있습니다.


전 세계 메모리 시장과 파운드리 시장은 2024년에 각각 1,800억 달러, 1,190억 달러 규모에 이를 것으로 전망되고 있습니다. 해당 예측이 사실화 되면 시장은 연평균 12%씩 성장하는 셈이 됩니다.


최근 글로벌 파운드리 업체들에서 10nm 이하 초 미세 공정을 확대하거나 투자를 증가하는 경향이 보이고 있는데, IC Insights는 이와 관련해 “10nm 이하 공정은 2022년의 22.6%에서 2024년에는 30%로 비중이 늘어날 것”이라고 내다봤습니다. 이처럼 시장 전반에서 3D 아키텍처로의 기술 고도화가 이뤄지고 있어 파운드리 외 메모리 업체 대상으로도 에이치피에스피의 매출이 확대될 것으로 기대되고 있습니다


전방산업 시장 전망

출처: 가트너(왼쪽), IC 인사이트(오른쪽)


주요 반도체 공정 미세화 로드맵


출처: 삼성증권, SK증권


HPSP가 타겟으로 하는 노드 별 파운드리 시장

출처: IC 인사이트



반도체 미세화에 따른 수율 개선의 핵심 장비

반도체 공정이 진행되는 동안, 반도체 웨이퍼에는 다양한 열처리 공정이 적용됩니다. 예를 들어 효과적인 공정 달성을 위해 반도체 웨이퍼 계면에 산화, 이온 주입, 증착 등 공정을 수행하는 것입니다.


반도체의 계면 특성 개선을 위한 수소(H2)와 중수소(D2) 등 열처리 공정은 일반적으로 400~500℃의 고온에서 10분~30분 동안 진행되는 것으로 알려져 있습니다. 이와 같은 열처리를 거치면 계면에 존재하는 전하가 수소에 의해 비활성화 되기 때문에 우수한 전하의 이동도 특성을 확보할 수 있습니다.


하지만 회로가 열에 오래 노출되면 품질 저하로 이어지는 경우도 발생합니다. 기존의 성형 가스 어닐링 공정에서는 5% 미만의 낮은 수소 농도가 구현되는데, 이는 열처리 공정에서 수소가 질소 등 비활성가스와 혼합되게 함으로써 최고 1100℃에 이르는 고온을 형성하고, 이는 반도체 금속 배선의 변형을 유발하여 반도체 회로 특성에 치명적인 영향을 주게 되는 것입니다.


반도체 전공정 중 어닐링에 적용되는 장비 개발

출처: HPSP

반도체 생산공정 상 High-K(반도체의 게이트나 커패시터를 만들 때 사용하는 신물질로, 절연막 사용함으로써 전하를 가두어 전류 누설 방지) 소재를 사용하여 트랜지스터의 막을 형성할 때, 28nm 이하 공정에서 발생하는 터널링 현상에 따른 누설전류를 막기 위해 에이치피에스피의 장비가 도입되고 있습니다. High-K에서는 열처리 전에 기존 SiO2에 비해 약 10~100배 이상의 높은 계면 전하가 존재하기에 수소에서 열처리해야 할 필요가 있습니다.


기존에는 High-K 절연막의 계면 전하 특성을 개선하기 위해 산화공정 이후 600~1100℃의 고온에서 4%가량의 수소로 열처리를 하고, 이후에 증착 및 CMP(연마) 공정 등을 실시했습니다. 알루미늄의 녹는 온도가 상대적으로 낮아 증착이나 CMP, 배선 공정 시 온도를 450℃ 이상으로 올릴 수 없기 때문입니다.


또한 수소의 농도를 4%로 사용하는 이유는 농도 5% 이상의 수소는 폭발 위험성을 지니고 있기 때문입니다. High-K 절연막에 적용하는 고온 성형가스 열처리 공정은 계면전하의 패시베이션(보호)은 가능하지만, 고온 공정에 따른 두께가 증가하며 누설 전류 특성이 악화되는 등 문제점이 있기 때문에 저온공정 유지가 필수입니다.


에이치피에스피는 이러한 문제를 해결하기 위해 고압에서 가스 농도를 높여 저온 공정을 가능하게 하는 고압수소 어닐링 장비를 상용화했고, 폐쇄형 구조로 설계되어 압력 수준은 25ATM까지 올릴 수 있으며 수소 농도를 100% 극대화할 수 있습니다. 이 압력은 쉽게 말해 일반 압력밥솥의 10배 수준의 압력에 해당합니다.


또한 450℃ 이하에서 100% 수소 농도를 유지함으로써 기존 고열 어닐링 장비대비 약 400배 이상의 높은 수소를 웨이퍼에 공급하여 계면 전하의 결함을 획기적으로 줄이고 낮은 수율 문제를 개선할수 있습니다. 또한 수소 제어 노하우와 장비 제조를 위해서는 많은 인증이 필요하고 고객사의 신뢰성과 안정성 테스트가 요구된다는 점에서 진입 장벽이 매우 높은 영역이기도 합니다.


수소 어닐링 적용 시 전하 이동도를 높여 디바이스의 신뢰도를 개선할 수 있음

출처: 업계 자료


전에는 고압수소 어닐링 공정이 필요하지 않았던 이미지 센서 역시 스마트폰 또는 자율주행차 향 초고화소 이미지 센서가 요구되면서 에이치피에스피의 장비 적용이 확대되고 있습니다. 기존 파운드리 공정 외에 GAA(Gate-All-Around, GAA 구조의 트랜지스터는 전류가 흐르는 채널의 4면을 모두 게이트가 감싸고 있기 때문에 전류 흐름을 세밀하게 제어할 수 있으므로 기존 핀 트랜지스터의 한계 극복) 등 새로운 구조가 도입되고 있고, 2nm 이하의 미세공정까지 적용할 수 있어 초미세공정에 대한 수요가 더욱 커질수록 구조적인 매출 성장이 기대됩니다.


GAA 디바이스 구조도

출처: TEL


메모리 반도체인 DRAM은 그동안 내부 구조가 복잡해 미세화 공정을 진행하는 데 어려움이 있었습니다. 하지만 삼성전자가 2020년 8월 EUV 기술을 적용한 차세대 모바일 DRAM  양산에 성공했고,  SK하이닉스도 2021년 7월 10nm DRAM에 EUV 공정 기술을 적용한 제품 양산에 돌입, 현재 1a DRAM에 EUV를 도입하고 있습니다.


이러한 추세에 맞춰 에이치피에스피는 2021년 DRAM 업체 고객사 2곳을 확보하였으며, 2022년 전체 매출 중 DRAM향 매출이 차지하는 비중이 29%, 2023년에는 38%로 늘어나면서 메모리 향 매출이 본격화될 것으로 전망됩니다.


이후에도 DRAM의 추가 Capex는 10nm 이후 단계의 미세 공정에 집중될 것으로 예상되며, 파운드리에서 동사의 장비가 도입된 공정선폭이 14nm임을 고려할 때, 향후 DRAM향에서도 동사의 장비가 더욱 활용될 가능성이 높아 실적은 더욱 우상향할 것으로 기대되고 있습니다.


메모리향 매출 전망

출처: HPSP


업계 최고의 수익성


에이치피에스피는 고압 열처리 장비 관련 글로벌 독점 기술을 보유하고 있으며, 장비의 안정성을 바탕으로 가격 협상력이 다른 장비업체 대비 우위에 있어 지난 5년 간 연평균 매출 총이익률 면에서 56.9%의 높은 수익성을 보이고 있습니다. 이러한 높은 수익성과 기술력을 바탕으로 에이치피에스피는 매년 연평균 50%이상 성장할 것으로 기대됩니다. 2021년까지 누적 100대 이상 판매되었고, 최근 2년간 약 50대의 장비가 공급될 정도로 최근 장비 공급 증가세가 가파릅니다. 


글로벌 TOP4 반도체 장비업체의 이익율을 뛰어넘는 독보적인 수익성

출처: HPSP

2021년 기준 에이치피에스피의 매출 중 수출과 내수 비중은 각각 62%와 38%이며, 2분기 실적은 전분기 대비 17% 감소한 매출액 308억원, 영업이익은 전분기 대비 21.5% 감소한 166억원을 기록하였습니다.


비록 2분기에 출하될 예정이었던 제품이 3분기로 이연되면서 1분기 대비 실적은 감소하였으나, 3분기부터는 다시 매출에 반영되면서 전분기대비 18% 늘어난 매출액 364억 원, 영업이익은 전분기대비 23.2% 늘어난 203억 원을 기록할 것으로 예상됩니다. 전방산업인 반도체 업황 부진에도 불구하고 2021년부터 시작된 메모리 업체의 공급이 본격화되고 있고, 전방 업체들의 공정 미세화와 수율 개선을 위한 투자는 지속되고 있어 고성장세가 지속될 것으로 예상합니다.


에이치피에스피, 고압수소 열처리 장비 기술력 원탑 존재감 드러내

고압수소 열처리 장비 글로벌 독점 기업 - HPSP

7월 15일 코스닥 시장에 상장한 에이치피에스피(HPSP, High Pressure Solution Provier)는 반도체 회로의 패턴 미세화에 의해 발생 가능한 인터페이스(계면) 결함을 전기적으로 비활성화 시키는 ‘고압수소 어닐링 공정 장비’를 제조하는 업체입니다. 현재로서는 글로벌 메이저 반도체 기업 모두에 납품하는 국내 유일의 전 공정 장비 업체로, 기존의 국내 전 공정 장비업체들과 차별화된 고객 기반을 형성하고 있습니다.


전 세계 메모리 시장과 파운드리 시장은 2024년에 각각 1,800억 달러, 1,190억 달러 규모에 이를 것으로 전망되고 있습니다. 해당 예측이 사실화 되면 시장은 연평균 12%씩 성장하는 셈이 됩니다.


최근 글로벌 파운드리 업체들에서 10nm 이하 초 미세 공정을 확대하거나 투자를 증가하는 경향이 보이고 있는데, IC Insights는 이와 관련해 “10nm 이하 공정은 2022년의 22.6%에서 2024년에는 30%로 비중이 늘어날 것”이라고 내다봤습니다. 이처럼 시장 전반에서 3D 아키텍처로의 기술 고도화가 이뤄지고 있어 파운드리 외 메모리 업체 대상으로도 에이치피에스피의 매출이 확대될 것으로 기대되고 있습니다


전방산업 시장 전망

출처: 가트너(왼쪽), IC 인사이트(오른쪽)


주요 반도체 공정 미세화 로드맵


출처: 삼성증권, SK증권


HPSP가 타겟으로 하는 노드 별 파운드리 시장

출처: IC 인사이트



반도체 미세화에 따른 수율 개선의 핵심 장비

반도체 공정이 진행되는 동안, 반도체 웨이퍼에는 다양한 열처리 공정이 적용됩니다. 예를 들어 효과적인 공정 달성을 위해 반도체 웨이퍼 계면에 산화, 이온 주입, 증착 등 공정을 수행하는 것입니다.


반도체의 계면 특성 개선을 위한 수소(H2)와 중수소(D2) 등 열처리 공정은 일반적으로 400~500℃의 고온에서 10분~30분 동안 진행되는 것으로 알려져 있습니다. 이와 같은 열처리를 거치면 계면에 존재하는 전하가 수소에 의해 비활성화 되기 때문에 우수한 전하의 이동도 특성을 확보할 수 있습니다.


하지만 회로가 열에 오래 노출되면 품질 저하로 이어지는 경우도 발생합니다. 기존의 성형 가스 어닐링 공정에서는 5% 미만의 낮은 수소 농도가 구현되는데, 이는 열처리 공정에서 수소가 질소 등 비활성가스와 혼합되게 함으로써 최고 1100℃에 이르는 고온을 형성하고, 이는 반도체 금속 배선의 변형을 유발하여 반도체 회로 특성에 치명적인 영향을 주게 되는 것입니다.


반도체 전공정 중 어닐링에 적용되는 장비 개발

출처: HPSP

반도체 생산공정 상 High-K(반도체의 게이트나 커패시터를 만들 때 사용하는 신물질로, 절연막 사용함으로써 전하를 가두어 전류 누설 방지) 소재를 사용하여 트랜지스터의 막을 형성할 때, 28nm 이하 공정에서 발생하는 터널링 현상에 따른 누설전류를 막기 위해 에이치피에스피의 장비가 도입되고 있습니다. High-K에서는 열처리 전에 기존 SiO2에 비해 약 10~100배 이상의 높은 계면 전하가 존재하기에 수소에서 열처리해야 할 필요가 있습니다.


기존에는 High-K 절연막의 계면 전하 특성을 개선하기 위해 산화공정 이후 600~1100℃의 고온에서 4%가량의 수소로 열처리를 하고, 이후에 증착 및 CMP(연마) 공정 등을 실시했습니다. 알루미늄의 녹는 온도가 상대적으로 낮아 증착이나 CMP, 배선 공정 시 온도를 450℃ 이상으로 올릴 수 없기 때문입니다.


또한 수소의 농도를 4%로 사용하는 이유는 농도 5% 이상의 수소는 폭발 위험성을 지니고 있기 때문입니다. High-K 절연막에 적용하는 고온 성형가스 열처리 공정은 계면전하의 패시베이션(보호)은 가능하지만, 고온 공정에 따른 두께가 증가하며 누설 전류 특성이 악화되는 등 문제점이 있기 때문에 저온공정 유지가 필수입니다.


에이치피에스피는 이러한 문제를 해결하기 위해 고압에서 가스 농도를 높여 저온 공정을 가능하게 하는 고압수소 어닐링 장비를 상용화했고, 폐쇄형 구조로 설계되어 압력 수준은 25ATM까지 올릴 수 있으며 수소 농도를 100% 극대화할 수 있습니다. 이 압력은 쉽게 말해 일반 압력밥솥의 10배 수준의 압력에 해당합니다.


또한 450℃ 이하에서 100% 수소 농도를 유지함으로써 기존 고열 어닐링 장비대비 약 400배 이상의 높은 수소를 웨이퍼에 공급하여 계면 전하의 결함을 획기적으로 줄이고 낮은 수율 문제를 개선할수 있습니다. 또한 수소 제어 노하우와 장비 제조를 위해서는 많은 인증이 필요하고 고객사의 신뢰성과 안정성 테스트가 요구된다는 점에서 진입 장벽이 매우 높은 영역이기도 합니다.


수소 어닐링 적용 시 전하 이동도를 높여 디바이스의 신뢰도를 개선할 수 있음

출처: 업계 자료


전에는 고압수소 어닐링 공정이 필요하지 않았던 이미지 센서 역시 스마트폰 또는 자율주행차 향 초고화소 이미지 센서가 요구되면서 에이치피에스피의 장비 적용이 확대되고 있습니다. 기존 파운드리 공정 외에 GAA(Gate-All-Around, GAA 구조의 트랜지스터는 전류가 흐르는 채널의 4면을 모두 게이트가 감싸고 있기 때문에 전류 흐름을 세밀하게 제어할 수 있으므로 기존 핀 트랜지스터의 한계 극복) 등 새로운 구조가 도입되고 있고, 2nm 이하의 미세공정까지 적용할 수 있어 초미세공정에 대한 수요가 더욱 커질수록 구조적인 매출 성장이 기대됩니다.


GAA 디바이스 구조도

출처: TEL


메모리 반도체인 DRAM은 그동안 내부 구조가 복잡해 미세화 공정을 진행하는 데 어려움이 있었습니다. 하지만 삼성전자가 2020년 8월 EUV 기술을 적용한 차세대 모바일 DRAM  양산에 성공했고,  SK하이닉스도 2021년 7월 10nm DRAM에 EUV 공정 기술을 적용한 제품 양산에 돌입, 현재 1a DRAM에 EUV를 도입하고 있습니다.


이러한 추세에 맞춰 에이치피에스피는 2021년 DRAM 업체 고객사 2곳을 확보하였으며, 2022년 전체 매출 중 DRAM향 매출이 차지하는 비중이 29%, 2023년에는 38%로 늘어나면서 메모리 향 매출이 본격화될 것으로 전망됩니다.


이후에도 DRAM의 추가 Capex는 10nm 이후 단계의 미세 공정에 집중될 것으로 예상되며, 파운드리에서 동사의 장비가 도입된 공정선폭이 14nm임을 고려할 때, 향후 DRAM향에서도 동사의 장비가 더욱 활용될 가능성이 높아 실적은 더욱 우상향할 것으로 기대되고 있습니다.


메모리향 매출 전망

출처: HPSP


업계 최고의 수익성


에이치피에스피는 고압 열처리 장비 관련 글로벌 독점 기술을 보유하고 있으며, 장비의 안정성을 바탕으로 가격 협상력이 다른 장비업체 대비 우위에 있어 지난 5년 간 연평균 매출 총이익률 면에서 56.9%의 높은 수익성을 보이고 있습니다. 이러한 높은 수익성과 기술력을 바탕으로 에이치피에스피는 매년 연평균 50%이상 성장할 것으로 기대됩니다. 2021년까지 누적 100대 이상 판매되었고, 최근 2년간 약 50대의 장비가 공급될 정도로 최근 장비 공급 증가세가 가파릅니다. 


글로벌 TOP4 반도체 장비업체의 이익율을 뛰어넘는 독보적인 수익성

출처: HPSP

2021년 기준 에이치피에스피의 매출 중 수출과 내수 비중은 각각 62%와 38%이며, 2분기 실적은 전분기 대비 17% 감소한 매출액 308억원, 영업이익은 전분기 대비 21.5% 감소한 166억원을 기록하였습니다.


비록 2분기에 출하될 예정이었던 제품이 3분기로 이연되면서 1분기 대비 실적은 감소하였으나, 3분기부터는 다시 매출에 반영되면서 전분기대비 18% 늘어난 매출액 364억 원, 영업이익은 전분기대비 23.2% 늘어난 203억 원을 기록할 것으로 예상됩니다. 전방산업인 반도체 업황 부진에도 불구하고 2021년부터 시작된 메모리 업체의 공급이 본격화되고 있고, 전방 업체들의 공정 미세화와 수율 개선을 위한 투자는 지속되고 있어 고성장세가 지속될 것으로 예상합니다.