[와우투게더] 헬리오스, “미국 기업이 장악한 반도체 계측장비 시장… 한국 주도권 가져오겠다”

• 현재 투자유치 단계 : 시드
• 투자유치 목표 금액 : 15억원
• 투자유치 희망 시기 : 2027년 1분기

반도체 공정은 실리콘 웨이퍼 위에 산화막, 질화막 등의 박막을 증착하고(deposit), 그 위에 회로도를 그리고(lithography), 회로도를 식각하는 과정(etching)을 수십-수백번 반복하는 과정이다. 이러한 과정이 대략 나노미터 수준에서 이뤄지기 때문에 매 공정이 제대로 수행됐는지 정밀하게 측정하는 것이 매우 중요하다. 오늘 소개하는 기업 헬리오스는 반도체 박막 두께의 정밀계측 장비를 개발하는 기업이다. 인하대학교에 재직 중인 유석재 교수가 2025년 12월에 창업하였다. 

현재 반도체 박막 계측 방법으로 주로 사용되는 것은 빛을 통한 계측이다. 즉, 반도체 박막에 비스듬하게 빛을 조사하여 여기서 반사되는 빛의 편광 상태를 분석하여 두께를 추정하는 방법인데, 이를 분광 타원계측법(spectroscopic ellipsometry)이라고 부른다. 흔히 분광 엘립소메트리라고 부르는 방법이다.  

문제는 이러한 방법이 매우 오래 전에 정립된 기술이어서, 현재의 반도체 공정에 적합한가 의문이라는 점이다. 엘립소메트리는 그 개념이 19세기에 제시되었고, 1950년대에 기술이 확립되어 60년대부터 산업에 적용되기 시작했다. 현재 사용되는 분광 엘립소메트리 역시 1990년대에 도입된 기술로서 나노미터 단위로 반도체가 제조되는 지금 상황에서는 매우 뒤쳐져 있는게 사실이지만, 대안이 없기 때문에 계속 사용되고 있다.

헬리오스는 이러한 불일치에 착안하여 기존의 분광 엘립소메트리 기술을 한층 발전시킨 마이크로 엘립소메트리(micro ellipsometry) 계측장비를 개발하였다. 기존 장비들이 반도체 표면에 하나의 빛만 비스듬하게 조사하고 이의 편광 변화를 분석하는데 반해, 헬리오스의 장비는 하나의 대물렌즈로 다양한 각도와 파장의 빛을 조사하고 다시 되돌아오는 빛의 각도와 파장을 분석한다. 즉 기존 장비는 빛의 파장만이 분석 대상이었다면 헬리오스는 빛의 파장과 굴절각도를 분석하므로 더 정밀한 분석이 가능해진다. 이러한 혁신적인 방법으로 헬리오스의 마이크로 엘립소메트리 장비는 기존 장비와 비교해 100만배 많은 정보를 얻을 수 있었으며, 이를 분석해 1000배 더 높은 정밀도를 구현할 수 있었다. 아울러 대물렌즈에서 생기게 되는 왜곡의 보정 기술도 개발하여 신뢰도를 더욱 높였다. 

헬리오스는 마이크로 엘립소메트리 분석장비를 적용할 첫 제품으로 낸드플래시(NAND Flash)를 타깃하고 있다. 현재 낸드플래시는 3D 구조로서 수백층을 적층하여 쌓고 있는데 한 층마다 박막 두께의 오차가 발생하기 시작하면 마지막에는 칩 전체가 왜곡되는 문제가 생기기 때문에 수율에 직접적인 영향을 미친다. 유석재 대표는 “낸드플래시 메모리 박막 계측을 1차 타깃으로 하고, 이후 이온주입(ion implant), 에피택시(Epitaxy), 그리고 최근 중요성이 점점 커지고 있는 OCD(Optical Critical Dimension) 계측 등으로 영역을 확장하려고 한다”고 비전을 밝혔다.

그렇다면, 실제 산업에 진출할 수 있는 가능성은 어느 정도일까. 유석재 대표는 “헬리오스와 산학협력을 함께 해온 반도체 1차 벤더 K사가 있는데, 이곳에 먼저 헬리오스 장비를 납품하고 이를 통해 최종 반도체 제조사에 들어갈 계획”이라며 앞으로의 전망을 밝혔다. 올해 3분기에 첫 제품이 나올 예정인데, 그 시기에 맞춰 특허도 촘촘하게 출원하여 경쟁자들에 대한 기술적 해자도 구축하려고 한다.

반도체 박막을 비롯한 계측장비 시장은 KLA, Onto Innovation, J.A.Woollam 등 미국 기업들이 글로벌 시장의 지배자로 군림하고 있다. 사정이 이러하기에 국산화에 대한 요구가 크지만, 기술적 난이도, 시장 침투력 등의 난제가 버티고 있는 영역이다. 유석재 대표는 “반도체 계측 시장에서 글로벌 기업과 경쟁할 수 있는 명실상부한 한국 기업이 되겠다”고 포부를 밝혔다. 

헬리오스는 지난 1분기에 프리시드 투자를 유치했고, 올해 시장에서 일정한 성과를 낸 뒤 내년 초에 본격 투자를 유치하려고 한다. 얼마 전 프리시드 투자를 바탕으로 세계적 반도체 계측장비사인 KLA, 어플라이드머티리얼즈 등에서 일해온 전문 인력도 영입하였다. 세계가 주목하는 한국 반도체 산업, 하지만 정작 그 기반이 되는 계측 장비 분야에서 토종 글로벌 기업이 탄생할 수 있을지 헬리오스의 미래를 함께 지켜보자.   

헬리오스 팀이 해결하려는 문제점이 무엇입니까? 

무어의 법칙이 말하는 것처럼 반도체 제조에서 공정의 크기는 점점 작아지지만, 반도체 계측 기술은 제조 기술에 비해 상대적으로 늦게 발전되고 있습니다. 특히 분광 타원계측법(spectroscopic ellipsometry)이라고 하는 박막(얇은 막) 두께 계측 기술의 기술적 특징은 50년 전이나 지금이나 큰 틀에서는 변함 없이 사용되고 있습니다. 

이런 문제 때문에 반도체 제조업에서는 계측 공정에서 여러 기술적, 비용적 한계를 겪고 있습니다. 구체적으로 기존 분광 타원계측법에서는 측정하려고 하는 박막에 대한 사전 지식, 즉, 레시피라고 하는 정보가 반드시 필요합니다. 따라서 박막 계측 공정에서 레시피를 만들 수 있는 전문가나 레시피를 보유하고 있는 외부 장비사의 도움이 지속적으로 필요합니다. 

이러한 상황에서 계측 공정의 속도를 높이고 비용을 낮추기 위해 저희는 마이크로타원계측법(micro ellipsometry)이라고 하는 신기술을 세계 최초로 상용화하여 문제를 해결하고자 노력하고 있습니다.

어떤 방식으로 이 문제를 해결하나요? 

헬리오스는 인하대 물리학과 연구실의 스핀오프 스타트업입니다. 저희는 대학에서 광학 계측 기술에 대해 다년간 연구했고, 이를 바탕으로 사업화에 나섰습니다. 기존 분광 타원계측법은 빛의 색 하나만 변수로 사용하는 반면, 저희가 개발하고 있는 마이크로타원계측법은 빛의 색(파장)과 각도, 이 두가지를 측정 변수로 사용합니다. 따라서 계측 공정에서 더 많은 데이터를 측정할 수 있고, 이는 곧 더 정밀한 계측, 레시피가 필요 없는 자동화 계측으로 이어질 수 있습니다.

경쟁사 대비 헬리오스의 경쟁력과 기술적인 장점은 무엇입니까? 

저희 헬리오스의 마이크로타원계측법은 이전까지는 학계에서만 연구되고 있는 신기술로 계측 장비 시장에서 연구되거나 사업화된 적은 없는 신기술에 해당합니다. 저희는 글로벌 장비사와 경쟁하기 위해서 다양한 국제 특허를 구축하여 기술적 해자를 구축하고 있습니다. 또한 기술적 우수성을 홍보하기 위해 국제 논문과 학술 발표도 적극적으로 추진하고자 합니다. 

헬리오스가 제공하는 제품과 현재 상태는? 

저희 제품은 반도체 제조 팹에서 사용되는 대형 계측 장비와 대학이나 연구소, 기업 R&D 센터 등에서 사용되는 소형 테이블탑 계측 장비 두 가지로 나뉩니다. 대형 계측 장비는 저희 협력 장비사와 공동개발(JDP)을 추진하고 있으며 고객사인 반도체 제조사로부터 피드백을 받아 개발하고 있습니다. 소형 계측 장비는 저희 자체적으로 26년 3-4분기 출시를 목표로 개발하고 있습니다.

타깃 시장 크기와 핵심 고객은 누구입니까? 

반도체 계측 장비 시장은 전세계 기준 35조 원 정도의 매우 큰 시장이고, 최근 3년간 연 15% 정도로 성장하여 5년 뒤에는 시장 규모가 현재의 2배가 되는 고성장 시장에 해당합니다. 저희의 주 아이템인 박막 계측 장비는 전체 계측 장비의 10% 정도로 추산할 수 있습니다. 국내 반도체 제조사에서도 국산 장비 도입의 수요가 다소 있고, 대만이나 중국 시장에서도 한국산 장비의 수요가 있습니다. 또한 저희는 기존에 없는 새로운 계측 장비를 만들고 있기 때문에 반도체 제조사의 신규 장비 도입 수요를 노리고자 합니다.

우리의 비즈니스 모델은 무엇입니까? 

저희는 단기적으로 협력사와 공동개발하는 팹 전용 대형 계측 장비 판매 수익과 대학, 기업 연구소 등에 납품하는 소형 테이블탑 계측 장비 판매 수익을 주요 비즈니스 모델로 하고 있습니다. 또한, 장기적으로는 헬리오스의 원천 기술을 바탕으로 계측 장비 라인업을 늘려가고, 독자적으로 대형 계측 장비를 개발하고 판매할 수 있는 1차 벤더사로 성장해가고자 합니다.

그 동안 헬리오스 팀의 성과는 무엇입니까? 

저희는 대학 스핀오프 스타트업이기 때문에 모태가 되는 연구실에서 출원한 여러 건의 국내, 국제 특허를 대학 산학협력단으로부터 기술이전 받고 있습니다. 협력사로부터 최근 연구개발 용역을 수주했고, 저희 핵심 기술에 대한 NDA를 체결하여 공동개발(JDP)를 추진 중입니다. 또한, 저희는 중기부 디딤돌 첫R&D 과제를 수주하여 연구개발을 추진하고 있습니다. 이러한 성과들을 바탕으로 최근에는 유수의 투자사로부터 프리시드 투자를 유치했습니다.

헬리오스 팀의 경쟁력은? 

저희 헬리오스는 인하대학교 물리학과에서 교수로 재직 중인 유석재 대표가 이끌고 있습니다. 유석재 대표는 실리콘밸리인 UC Berkeley에서 18년부터 21년까지 3년 반 동안 포스트닥터 연구원 생활을 하며 기술 기반 딥테크 스타트업의 문법을 가까이서 지켜봐 왔습니다. 

또한, 대표적인 반도체 계측장비 회사인 KLA와 Applied Materials 출신의 박사급 연구원이 함께 하고 있습니다. 헬리오스는 모태가 되는 물리학과 연구실에서 다년간의 산학협력을 통해 반도체 계측 기술에 대한 여러 원천기술과 노하우를 축적해왔습니다. 이를 바탕으로 이전까지는 없던 새로운 계측 기술을 시장에 내놓으려고 합니다.

헬리오스가 투자를 받아야 하는 이유 3가지!

첫째. 저희는 26년 연내 이전까지는 시장에 존재하지 않던 새로운 기술을 세계 최초로 상용화한 제품을 출시하여 반도체 제조사에 공급하고자 합니다. 지금까지는 협력사와 고객사의 반응이 상당히 좋아 긍정적인 결과가 있을 것으로 예상하고 있습니다.

둘째. 저희는 대학 물리학과 출신 스핀오프 스타트업으로 국내 최고 수준의 기술력을 가지고 있다고 자부합니다. 단순히 기존에 있던 기술을 최적화, 고도화하여 계측 장비를 개발하는 것이 아닌, 제일 원리 사고(First principles thinking)에 의해 새로운 기술을 개발하여 시장을 혁신하고자 합니다.

셋째. 저희는 반도체 시장에 탄탄한 네트워크를 가지고 있습니다. 협력사인 국내 장비사 뿐 아니라, 반도체 제조사에도 여러 네트워크를 형성하고 있어 계측 장비 시장에 빠르게 착륙하고자 합니다.