[나스닥100] 18편: 삼성전자, SK하이닉스에 꼭 필요한 반도체 장비 회사 - ASML 

요약

• 비싼 밸류에이션이지만 반도체 장비 EUV에서 독점적 지위로 프리미엄 정당화
• 장기적인 성장성이 좋은 회사
• EUV마진 증가는 전체적인 이익률 향상에 도움

반도체 장비는 많은 글로벌 기업들이 과점화를 이룬 시장이다. 한국과 중국 회사들이 계속 도전장을 내고 있지만, 크게 시장 점유율을 바꾸기는 힘들었다. 그중 진입 장벽이 높은 장비 중 하나가 리소그래피 (lithography)장비다.

리소그래피 장비 중에도 최근에 뉴스에서 더 많이 들을 수 있는 EUV (극자외선 장비) 를 독점점으로 공급하고 있는 회사가 ASML Holdings N.V (ASML-US)다. ASML은 미국에 상장돼 있지만, 네덜란드 회사는 아니다.

1984년 필립스와 ASMI(Advanced Semiconductor Materials International)이 리소그래피에 집중하기 위해 세운 회사가 ASM Lithography이고, 이것이 ASML의 출발이다. 이후 1986년 PAS2500 이란 모델명을 가진 스테퍼 (리소그래피 장비 중 하나)를 출시하면서 본격적인 비즈니스를 시작했다.

ASML의 최근 2년간 주가 추이

ASML은 1990년대에 PAS5500이라는 모델을 출시하면서 세계 유수의 반도체 회사를 고객으로 가져올 수 있었고, 회사도 적자를 면할 수 있었다. 이어 1995년에는 미국 및 암스테르담에 상장했고 2001년 트윈스캔(TWINSCAN)이라는 모델명을 가진 시스템을 출시했다. 이는 한쪽에서는 노광을 실시하는 한편, 다른 한쪽에서는 웨이퍼를 측정하고 자리를 잡는(align) 과정을 동시에 수행하는 장비로 생산성을 크게 향상시켰다.

2003년에는 TWINSCAN:1150i라는 이머젼(immersion) 리소그래피 장비를 출시했다. 이머젼 리소그래피란 기존의 렌즈와 웨이퍼 사이의 공기를 굴절률이 1보다 큰 액체로 대체하여 해상도를 향상시킨 장비다. ASML은 이를 2006년에는 대량생산화시켰다. 이를 통해 고객들은 더 작은 반도체를 쉽게 만들 수 있게 됐다.

2007년은 ASML에게 리소그래피 기술에 대한 접근을 총체적으로 하게 되는 계기가 되는 해였다. 반도체 디자인 및 생산 최적화 솔루션을 제공하는 브리온(BRION)이라는 회사를 인수하면서, 리소그래피 전후 단계에 대한 이해를 높이고, 회사의 리소그래피 장비가 전체 반도체 공정에 더 잘 융합됐기 때문이다. 이를 위해 2008년에 출시한 제품이 일드스타(YieldStar 250D)다. 일드스타는는 계량학(Metrology) 관련 제품이라고도 하는데, 이는 반도체를 만드는 동안 실시간으로 측정 및 수정을 하는 장비다.

EUV 장비 (출처: 회사 자료)

2010년은 ASML이 최초로 EUV (Extreme Ultraviolet) 장비를 선보인 해다. NXE3100이라는 모델명을 가진 이 장비는 실험용으로 제작됐다. 2013년에 사이머(Cymer)란 빛 소스를 만드는 회사를 인수하면서 NXE3300, NXE3350등의 모델을 출시했다. 2016년은 처음으로 생산라인에 들어가는 EUV를 출시한 아주 중요한 해였다. 모델명 NXE3400을 선적하면서 본격적으로 양산시설에 들어갔다. 물론 기존의 이머젼 리소그래피도 계속 발전을 거듭했다.

2016년은 허미스 마이크로비젼(Hermes Microvision)이라는 이빔(e-beam)계량 장비의 선두주자를 인수했고, 이후 다른 e-beam 리소그래피 IP를 가지고 있는 맵퍼(Mapper)라는 회사를 인수했다. 이를 통해 최초로 이빔 패턴 계량 시스템 (e-beam pattern fidelity metrology system)을 출시할 수 있었고, 회사의 위치는 더욱더 강화됐다.

이처럼, 회사는 설립 이래 리소그래피라는 외길을 걸어오며 현재의 위치에 이르렀다. 이러한 성공을 위해 앞서 짧게 요약한 하드웨어 관련 발전도 있었지만, 이를 가능하게 한 것 중 하나는 소프트웨어 관련 기술이다. 예를 들어 리소그래피 장비 안에 있는 기계를 조절하는 소프트웨어뿐만 아니라 애플리케이션 소프트웨어도 제공한다.

고객들은 이 애플리케이션 소프트웨어를 통해 생산 과정을 최적화할 수 있다. 최근에는 컴퓨터를 이용한 리소그래피 소프트웨어도 제공한다. 이를 통해 반도체 패터닝 프로세스를 시뮬레이션 할 수 있고 따라서 반도체가 점점 작아져도 그 패턴이 망가지지 않도록 미리 시뮬레이션 할 수 있다.

1. 회사 개요 : 리소그래피의 살아있는 역사

1) 리소그래피 시장의 발전 과정

WFE (wafer fab equipment) 시장에서 중요한 부분을 차지하고 있는 장비가 리소그래피 (lithography) 시장이다. 리소그래피는 포토마스크에 있는 패턴을 빛을 이용하여 빛에 민감한 화학물질인 포토레지스트로 코팅되어 있는 웨이퍼에 옮기는 과정이다. 일단 웨이퍼에 옮겨진 포토레지스트는 디벨롭이란 과정을 거쳐 원하는 부분만 남기고 물질을 제거한 후 세정 과정에 들어가게 된다. 간단히 말해 인쇄와 같은 과정인데, 리소그래피 장비의 성능이 얼마나 작은 패턴을 만들 수 있는가에 중요한 역할을 한다.

그 결과 2002년에서 2007년까지 PC, 인터넷 시대의 발전과 더불어 리소그래피 시장은 연평균 20% 씩 성장했다. 이후 시장 성장률이 감소하면서 글로벌 재정위기를 겪은 후 2012년에서 2016년까지는 매년 60~70억 시장으로 정체됐다가 2017년 이후 다시 빠른 성장을 기록하고 있다. 일반적으로 리소그래피 시장은 전체 WFE 시장의 성장과 궤를 같이 하지만 리소그래피 기술의 발전에 따라 자신만의 성장 속도를 보여주기도 한다.

예를 들어 2000년도에 이머젼(immersion)리소그래피가 65나노에서 45나노 공정 사이에 도입되고 2006년에 대량 생산에 들어가면서 2006년에서 2011년까지 리소그래피 시장의 성장을 이끌었다. 이후 이머젼 리소그래피 기술은 한계에 부딪혔고, 반도체 공정이 20나노 이하로 발전하면서 멀티 패터닝(multi patterning)이 보편화되면서 리소그래피 장비보다는 다른 장비에 대한 수요가 더 커졌다.

2014~2015년에 3D 낸드가 시작되면서 리소그래피에 의존하기보다는 3D 구조 자체로서 밀도를 증가시키고 가격구조를 낮추면서 리소그래피 발전에 대한 수요는 줄어들었다. 하지만 2017년 이후 EUV에 대한 수요가 증가하면서 리소그래피 시장은 다시 빠른 성장을 보여주게 된다.

반도체 제조 공정 (출처: 회사자료)

이 리소그래피 장비는 5개의 부분으로 나누어 볼 수 있다. 스테퍼(Stepper), 컨택/프록시미티 툴(Contact/Proximity Tool), 얼터네이트 익스포저 툴(Alternate Exposure/Write tool), 마스크 제작 리소그래피, 어드밴스드 패키징 리소그래피 (Advanced Packaging Lithography)가 그것이다. 이 중에서 스테퍼가 주요 기기로서 시장의 90% 정도를 차지하고 있으며, 이 스테퍼를 메모리, 파운드리/로직으로 나누어 보면 메모리가 45%, 비 메모리/로직이 55% 정도를 차지해 왔다.

역사적으로 파운드리/로직 회사들은 WFE 투자금액의 약 15~20% 정도를 리소그래피에 사용해 왔는데, 이 비율은 최근 몇 년간 계속 올라가고 있다. 메모리 회사들은 10년 전에는 약 20~30%를 사용했는데 최근엔 12~13% 정도까지 비중이 줄었다. 이는 앞서 말한 것처럼 멀티 레벨 셀 낸드 (Multi Level Cell NAND), 3D 낸드 등의 구조가 채택되어 수직적으로 밀도를 높일 수 있게 되었기 때문이다.

2) 회사의 제품 및 매출

ASML은 4가지의 기술 전략을 천명하고 있다. 전체적인 리소그래피 영역에서의 리더십 강화, 지속적인 혁신을 통한 DUV (deep ultraviolet)에서의 경쟁력 강화, EUV (Extreme Ultraviolet) 산업화 및 대량화, 차세대 노드 축소를 선도가 그것이다. 이를 바탕으로 현재 제품을 살펴 보면 크게 EUV, DUV (ArF, KrF), Metrology 로 나뉜다. 아래 보는 것처럼 대부분의 매출은 로직 관련한 고객에서 나오기 때문에 대만의 매출 비중이 높다.

회사의 매출 구성 (출처: 회사 자료)

EUV는 13.5나노미터의 파장을 가진 빛을 사용하는데 DUV의 193나노미터와 비교해보면 얼마나 짧은 파장인지 알 수 있다. 회사의 EUV시스템은 비메모리, 메모리에 모두 쓰이며 고객들의 기술 발전에 아주 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 현재까지 최고의 오버레이 퍼포먼스 (Overlay performance, 패턴이 아래 레이어에 대비하여 정확히 위치 해 있는가) 및 비용 절감에 도움을 주고 있다.

TWINSCAN NXE:3400C는 가장 최근에 출시된 EUV시스템의 하나로서 이러한 기술을 구현하고 있다. DUV리소그래피는 이머젼(immersion)과 건식 리소그래피를 제공하는 시스템으로 반도체 공정에서 다양한 노드에 사용되는 기존의 솔루션이다.

회사의 과거 매출 트렌드를 보면, 최근 들어 특히 로직 쪽에서 7나노, 5나노 공정 생산이 늘어나면서 로직 쪽의 매출이 더 빠르게 증가한 것을 알 수 있다. 또한 상당 부분의 매출이 기존의 설치된 (Installed Base Management) 제품을 유지 보수하는데 발생하는 매출이다.

회사 매출 트렌드 (출처: 회사 자료)

2. 기술 전략 : 끊임 없는 문제 해결

앞서 잠시 언급한 회사의 기술 전략인 전체적인 리소그래피 영역에서의 리더십 강화, 지속적인 혁신을 통한 DUV (deep ultraviolet)에서의 경쟁력 강화, EUV (Extreme Ultraviolet)산업화 및 대량화, 차세대 노드 축소를 선도를 자세히 살펴보면 이러한 기술 전략의 바탕에는 끊임없는 문제 해결 과정 및 기술 발전 로드맵이 바탕이 되어 있는 것을 알 수 있다.

기술 전략 (출처: 회사 자료)

먼저 2018년 회사가 투자자 컨퍼런스에서 공유한 기술 로드맵을 보면 기존의 DUV에서 어떻게 EUV로 진화해 왔는지를 한눈에 볼 수 있다. EUV로 진화하였다고 해서 DUV는 없어지는 것이 아니고, 기존의 노드에 계속 쓰이게 된다. 하지만 ASML 입장에서는 EUV 매출이 점점 커지게 될 것이고, 향후에는 EUV 매출이 DUV 매출보다 더 커질 수도 있다.

또한 아래 보는 것처럼, 기술 개발 측면에서, 단순히 노드가 줄어드는 것뿐만 아니라, 노드가 줄어들면서 오버레이가 줄어드는 것도 중요한 요소가 되고, 따라서 관련된 계량 장비인 일드스타의 중요성도 더 커지게 된다. 즉 회사의 리소그래피에 대한 종합적인 접근은 필수 불가결하게 되는 것이다.

종합적인 리소그래피 제품 (출처: 회사 자료)

한편 공정상에서 에러는 항상 발생할 수 있기 때문에 기술을 통해 이 에러를 줄이는 것도 중요하다. 예를 들어 아래 보는 것과 같이 리소그래피를 수행했을 때 한 부분이 잘못되게 되면 다시 그 부분을 고쳐야 한다. 이때, 사용하는 칼이 날카로운 것도 중요하지만, 그 위치에 정확히 다시 포지션하는 것도 중요하다. 이러한 부분들을 향상시키는 것도 기술 로드맵에 포함된다.

리소 그래피에서 수율 문제 (출처: 회사 자료)

이러한 문제들을 궁극적으로 해결하기 위해, ASML도 머신러닝을 이용하여 리소그래피 모델을 발전시키고 있다. 회사가 기존의 고객들과 함께 연구 개발, 및 공정 적용을 통해 얻은 데이터를 가지고 웨이퍼 계량의 정확도를 올리고 리소그래피 도중에 사용되는 물질의 반응을 정확하게 모델링 하기 위해 노력하고 있다. 어찌 보면 기술자들이 오랜 시간의 경험을 통해 축적할 노하우를 머신 러닝을 통해 상대적으로 짧은 시간 동안 이루어 내고 있는 것이다. 아래 보는 것처럼, 머신 러닝을 이용했을 경우 정확도 내에 들어오는 패턴의 비율이 명확히 증가한 것을 볼 수 있다.

머신 러닝을 통한 리소그래피 향상 (출처: 회사 자료)

DUV에서의 경쟁력 강화는 비용 절감 및 오버레이 개선을 통한 수율 향상을 통해 이루어져 왔다. 이러한 개선은 장비의 여러 부분에서 이루어지고 있다. 웨이퍼를 놓고 내리는 스테이지의 속도 증가, 얼라인먼트 센서, 장비를 껐다 켜는데 걸리는 시간의 단축, 장비를 정상화시키는 시간의 단축, 이머젼 리소그래피에서 건식 이머젼 사용 등이 그것이다.

다음으로 EUV의 사용을 늘리기 위해 중요한 전략이 high NA(numerical aperture)를 사용하는 것이다. 이 high NA 시스템은 기존의 0.33 NA 렌즈가 아닌 0.55 NA를 사용하여 더블 패터닝 부담을 줄이려는 것으로 3나노 혹은 2나노 공정에서의 적용을 목표로 한다. 고객들은 3나노에 들어가기 전에 ASML이 high NA를 완성시키기를 원하고 있다.

예를 들어 7나노, 5나노 등 공정이 미세화되면서 0.33 NA 렌즈를 가지고 싱글 패터닝, 즉 노광을 한번 하던 것을 두 번 노광해야 하는 상황이 생기고 있다. 고객의 입장에서는 한번 노광하는 것이 마스크 스플릿(Mask split)을 할 필요도 없고, 앞서 언급한 패턴 간의 에러도 줄이는 등 간단하고 쉽다. 또한 3나노 공정에 들어가면서, 3번 노광해야 한다는 걱정이 생기고 있어 high NA 렌즈를 사용하여 한번 노광하는 기술 개발에 박차를 가하고 있는 것이다.

3. 산업 분석 : 밝은 성장성

먼저 산업의 성장성은 여전히 밝다. 회사의 매출은 고객의 전반적인 시설 투자에 의존하는데, 향후 반도체 회사들이 투자를 지속하리라는 것에는 의문의 여지가 없다. 여기에서 더 중요한 것은 투자가 어느 방향으로 집행되느냐인데, 아래 보는 것처럼 향후 새로운 노드, 즉 ASML의 리소그래피 기술이 점점 더 중요해지는 리딩 노드에 대한 투자가 전체 투자를 이끌 것으로 예상된다.

따라서 리소그래피 투자 강도 (Litho Intensity, 리소 관련 투자가 전체 투자에서 차지하는 비중)가 꾸준히 증가할 것으로 예상된다. 여기서 중요한 것은 투자 강도 증가가 단순히 리소그래피 장비의 가격 증가에 의한 것은 아니라는 점이다. 고객 측면에서 노드 개발에 대한 중요성 등을 평가할 것이므로 노드 발전 대비 상대적인 가격을 보면 2004년에 비해 계속 줄어드는 것을 알 수 있다. 이렇게 노드 발전 대비 비용이 줄어드는 것은 EUV를 통해 공정이 간단해지면서 사이클 타임이 줄어들기 때문이다.

반도체 노드 발전 방향 (출처: 회사 자료)

기능 대비 상대적 리소그래피 비용 (출처: 회사 자료)

향후 5년간 시장 전망을 살펴보기 앞서, 2018년 회사가 예측했던 2020년과 현재의 상황을 잠시 비교해 본다면, EUV 장비 대수 자체는 예상에 미달했다. 이는 인텔의 노드 이동이 지연됐고, ASML의 개발 속도 지연도 있었기 때문이다. 하지만 회사가 현재 3400C모델까지 계속 기술 개발을 이뤄 오면서 장비 단가가 생각보다 높아진 것이 전체적 매출에 도움이 되었다.

현재 단가는 약 1억 3천만 유로에서 시작하는데, 이는 과거에 예상했던 단가보다 약 30% 높은 것이다. 한편, 이머젼 장비에 대한 수요는 과거에 예상했던 것 보다 훨씬 좋았다. 전세계 이머젼 장비 시장에서 ASML의 시장 점유율은 현재 84%에 달하며 이는 과거 예상치보다 더 높은 것이다.

한편, 기존의 DUV 장비에 대한 수요는 과거에 예상했던 것보다 3~5배 정도 높은 수요 증가를 이루었다. 이는 반도체가 자동차, IoT등 여러 분야에 쓰이면서 리딩 노드 뿐만 아니라 기존 노드에 대한 수요도 커졌기 때문이다. 한편 NAND에서는 기존의 KrF DUV도 많이 쓰이기 때문에 NAND의 성장이 DUV성장에 기여한 면도 적지 않다.

이를 바탕으로 향후 5년을 다시 조명해 본다면 특히 로직에서의 EUV레이어 증가가 클 것으로 예상된다. 5나노 공정에서는 10개 이상의 EUV레이어가, 3나노로 가면 20 레이어 이상, 2나노로 가면 25 레이어 이상이 될 것이라는 산업의 전망이다. 한편 DRAM에서도 EUV레이어가 향후 2025년까지 5개 정도로 증가할 것으로 예상하고 있다.

4. 향후 전망 : EUV 이익률 향상 전망

회사는 3분기 어닝 발표에서 EUV 매출이 2021에 20% 성장할 것으로 예상했다. 실제 EUV 대당 가격이 높고 고객사까지 전달하는 데 시간이 걸리기 때문에, 시장에서는 매출 성장률 뿐만 아니라 EUV를 몇 대 팔 수 있는가에 집중한다. 2020년의 경우 31대를 판매하였고, 2021년에 20% 매출 증가는 30대 후반 정도의 판매 대수를 의미하는 것으로 해석된다.

생산 능력 관련해서는 고객의 주문이 더 들어올 것을 대비하여 40대 이상의 생산능력을 갖출 것으로 예상했다. DRAM 관련 수요는 아직 2021년에는 미미하고, 2022년에 본격화할 것으로 보았다. 이는 1Z 노드에서는 EUV 레이어가 1개가 사용되지만, 1A 노드로 이동하면서 EUV 레이어가 3~5개 정도 쓰일 수 있기 때문이다. DUV 관련해서는 DRAM 시장이 정상화되면서, DUV를 고객사에 더 납품할 계획이라고 밝혔다.

향후 EUV 출시 계획에 대해서 2년마다 시간당 웨이퍼 생산량, 이미지, 오버레이 등을 개선한 새로운 버전을 출시할 것이라고 했다. 현재 EUV C 툴은 20mJ의 빛에 대해서 시간당 170장의 웨이퍼, 30mJ의 빛에 대해서 시간당 135장의 웨이퍼를 생산할 수 있는데, 2021년 중반에 출시될 EUV D에 대해서는 190장, 160장으로 늘릴 계획이다.

따라서 2023년 중반에 출시될 E 버전의 경우 시간당 웨이퍼 생산량이 30mJ에 대해 200 장까지 생산할 수 있을 것으로 예상했다. 이렇게 생산량을 늘리기 위해서는 전력을 조절하여 노출 시간을 줄이는 것이 중요한데, 현재는 250W에서 300W, 400W까지 사용할 수 있으나, 향후 600W까지 사용할 수 있게 될 것이라고 한다.

0.55NA의 high NA EUV에 대해서는 R&D 용으로 2022년 말 혹은 2023년 말 출시를 계획하고 있고, 2025년 대량생산을 할 수 있을 것으로 내다봤다. 이렇게 되면, 3나노 공정 이하에서 여러 레이어의 EUV를 구현할 수 있을 것으로 예상된다. 시장에선 이 높은 NA EUV의 경우에도 생산량이 시간당 200장에 이를 것으로 예상하고 있다.

이익률의 경우 향후 3년간 EUV의 매출 총이익률을 DUV 수준까지 높이는 것이 목표이다. 현재 DUV의 매출 총이익률은 약 55% 정도이고, EUV의 경우 최근 모델 기준으로 약 40% 후반 수준의 매출 총이익률, EUV 시스템 전체로는 40%대 초반의 매출 총이익률이 나온다고 한다. 이러한 매출 총이익률 증가는 장비의 가격 상승뿐만 아니라 장비 생산 시간을 줄임으로서 성취할 수 있을 것으로 본다.

요약 재무제표 (출처: 회사 자료)

회사의 현재 밸류에이션은 2021년 주가수익배율 (P/E) 기준 40배로 매력적이지는 않다. 하지만, EUV 시장에서 독점점인 지위를 생각할 때 어느 정도의 프리미엄은 충분하다. 또한 회사의 주주 환원을 보면 배당뿐만 아니라 자사주 매입을 통한 주주환원이 계속 증가해 왔음은 플러스 요인이다.

배당 및 주주 환원 추이 (출처: 회사자료)

글쓴이: 인사이트 스트리트 팀

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