Hyper NA EUV란? ASML·Zeiss가 공개한 High NA 이후 10년 청사진 (심층 분석)

ASML과 Zeiss 엔지니어들이 peer-reviewed 논문으로 차세대 EUV "Hyper NA"(NA 0.75 이상)의 시스템 설계를 처음 공개했다. 13.5nm 파장은 그대로, 해상도는 5nm급으로. 광학과 광원은 이미 준비됐고, 남은 것은 편광·마스크·안정성·경제성이다.

30초 요약 (TL;DR)

• 무슨 일이 있었나: 2026년 10월호 Journal of Micro/Nanopatterning, Materials, and Metrology에 ASML·Carl Zeiss SMT 엔지니어 4인(Patra, Michael, Feldmann, Neumann, Bottiglieri) 공저 논문 "Hyper-NA: a system with a numerical aperture of at least 0.75"가 게재됐다. High NA EUV(0.55 NA)의 후계 시스템을 다루는 최초의 peer-reviewed 시스템 논문이다. Source
• 핵심 스펙: 파장 13.5nm는 그대로 유지하고 numerical aperture(NA)를 0.55에서 0.75 이상으로 올려, 5nm급 feature 구현을 목표한다. High NA(8nm) 대비 3분의 1 이상 미세하다. Source
• 준비 상태: Zeiss는 Hyper NA에 필요한 정밀도의 projection mirror를 이미 제작할 수 있고, 기존 EUV 광원(tin-plasma LPP source)은 "그대로 재사용 가능"하다. 장비 크기도 High NA 대비 거의 커지지 않는다. Source
• 일정과 조건: 엔지니어들은 약 10년 안에 준비될 수 있다고 본다. 단 ASML은 개발에는 착수했으나 양산 계획은 확정하지 않았다. 남은 과제는 polarization, reticle 3D effects, 기계적 안정성, 그리고 고객사의 수요·경제성이다. Source

Background: DUV 193i → EUV 0.33 NA → High NA 0.55 NA

리소그래피의 역사는 "파장을 줄이고, NA를 키우는" 반복이었다. 해상도의 물리(Rayleigh criterion)는 단순하다: R = k1 · λ / NA. 파장 λ를 줄이거나, 렌즈가 모으는 빛의 각도(NA)를 키우거나, 공정 계수 k1을 낮추는 것 — 이 세 가지 레버가 전부다.

DUV 193i 시대: 2007년 water immersion이 도입되며 NA는 1.35까지 올라갔다. 그러나 파장이 193nm로 고정된 이상, single exposure 해상도는 40nm 언저리에서 벽에 부딪혔다. 업계는 double patterning, quad patterning(SADP/SAQP)으로 버텼지만, 마스크 수·공정 단계·overlay 리스크가 기하급수적으로 늘었다. 10nm급 이하 로직에서 DUV multi-patterning은 경제성의 한계에 도달했다.

EUV 0.33 NA 시대: 파장을 13.5nm로 14분의 1로 줄인 승부수였다. 2019년 TSMC 7nm 양산을 시작으로 5nm, 3nm 노드가 EUV single exposure(~13nm 해상도) 위에서 열렸다. 대가는 컸다: 굴절 렌즈를 쓸 수 없어 전면 reflective optics(Mo/Si multilayer mirror) + 진공 + reflective mask라는 완전히 새로운 시스템이 필요했고, 광원 출력(power)과 resist가 10년 넘게 병목이었다.

High NA 0.55 NA 시대: 파장은 그대로 두고 NA를 0.33에서 0.55로 키웠다. ASML TWINSCAN EXE:5000/5200B의 공식 스펙은 8nm 해상도, NXE 대비 약 40% 높은 imaging contrast, single exposure로 약 1.7배 미세한 feature와 최대 2.9배의 transistor density다. Source 핵심 트릭은 anamorphic optics다. NA를 키우면 광학계가 커져 6인치 reticle 규격을 초과하는데, X축 4×·Y축 8×로 다르게 축소하는 비등방 광학계로 마스크 크기를 유지했다. 대가로 노광 필드가 절반(26 × 16.5mm)으로 줄었고, 장비 가격은 3.8억~4억 달러, 크기는 2층 버스 수준이 됐다. Source

도입 속도는 업체마다 극명하게 갈린다. Intel은 가장 공격적이어서 이미 High NA를 양산에 투입했다 — Panther Lake(18A) 일부 레이어에 적용 중이며, 개발·양산을 합쳐 135만 장 이상의 웨이퍼를 처리했다. Source 반면 Samsung과 SK hynix는 2028년, TSMC는 2030년 도입을 공언했다. Source 이 간극이 Hyper NA의 상용 시점을 가르는 핵심 변수다.

Deep Dive: Hyper NA의 물리와 엔지니어링

1. NA 0.75는 해상도를 얼마나 올리나

R = k1 · λ / NA에 λ = 13.5nm를 넣고 k1 = 0.4(공격적 single exposure의 대표값)로 계산하면:

NA 비율만 보면 0.55 → 0.75는 1.36배의 해상도 향상이다. 그런데 논문이 제시하는 8nm → 5nm는 1.6배다. 차이는 k1에 있다. 즉 Hyper NA의 5nm는 광학계만으로 달성되는 숫자가 아니라, 더 낮은 k1을 전제로 한다 — 고감도·저 LER resist, source-mask optimization(SMO), advanced RET의 진전을 함께 가정해야 하는 목표치다. Reuters의 "3분의 1 이상 미세"라는 표현도 이 5nm vs 8nm 비교에서 나온 것이다. 물리적으로 정직하게 말하면: NA 확대가 주는 것은 1.36배이고, 나머지는 ecosystem의 숙제에 달려 있다.

2. DOF 붕괴: NA 확대의 진짜 대가

해상도 공식의 쌍둥이로 depth of focus(DOF) 공식이 있다: DOF = k2 · λ / NA². NA가 분모의 제곱으로 들어가서, NA를 키우면 초점 심도가 급격히 무너진다. k2 = 1로 단순 계산하면:

• 0.33 NA: 약 124nm
• 0.55 NA: 약 45nm
• 0.75 NA: 약 24nm

0.33에서 0.75로 가면 DOF가 5.2분의 1로 줄어든다. 24nm라는 숫자의 실무적 의미는 냉혹하다. 웨이퍼 표면의 topography, resist 두께, chuck flatness, focus control 오차를 다 합쳐 20nm대 안에 묶어야 한다는 뜻이다. High NA 시대에도 focus budget은 이미 빠듯했는데, Hyper NA에서는 focus가 yield의 1차 병목이 될 가능성이 크다. 논문이 "광학 아키텍처"와 함께 시스템 안정성을 다룬 이유가 여기 있다. 참고로 Hyper NA용 micro-exposure tool(MET) 연구에서는 0.55 → 0.75 NA 전환에 기계적 안정성 3배 개선이 필요하고, 노광 중 웨이퍼상 이미지 안정성 목표가 약 0.35nm rms 수준이라고 분석한다. Source HVM 스캐너와 MET는 다른 장비지만, 스케일링이 요구하는 안정성의 방향은 동일하다.

3. Anamorphic optics의 연장, 그리고 reticle 3D effects

High NA가 도입한 4×/8× anamorphic demagnification은 Hyper NA에서도 유지될 가능성이 크다. NA 0.75의 광학계를 등방 4×로 설계하면 미러가 감당할 수 없이 커지기 때문이다. 그런데 이 선택은 reticle 3D effects(mask shadowing)를 악화시킨다. EUV 마스크는 reflective 구조라 빛이 비스듬히 입사하는데, NA가 커질수록 입사각이 커지고 absorber 패턴의 그림자가 길어진다. 수평·수직 방향의 shadowing이 달라지면 H-V bias가 생기고, 이는 OPC 모델에 고스란히 전가된다. 논문이 optical architecture와 함께 reticle 3D effects를 별도 주제로 다룬 것은, Hyper NA의 해상도 이득이 마스크 쪽에서 얼마나 깎이는지가 상용성의 관건이기 때문이다.

4. Polarization: 0.55부터 시작된 vector imaging 문제

NA가 0.5를 넘기면 스칼라 회절 근사가 깨지고 polarization이 contrast를 갉아먹기 시작한다. imec의 Kurt Ronse는 이미 "0.55 NA 부근부터 light polarization이 문제가 된다"고 지적한 바 있다. Source Hyper NA(0.75)에서는 편광 제어가 선택이 아니라 필수다 — illumination의 polarization state를 섹터별로 제어하는 광학계가 필요하다는 것이 MET 연구에서도 확인된다. Source 논문이 polarization을 4대 주제 중 하나로 꼽은 배경이다.

5. 이미 해결된 두 가지: 미러와 광원

이번 논문에서 가장 전략적인 메시지는 이것이다. Zeiss는 Hyper NA에 필요한 정밀도의 미러를 이미 만들 수 있고, 기존 EUV 광원은 그대로 재사용할 수 있다. EUV 역사에서 가장 비싸고 오래 걸린 두 개의 산(광학계, 광원)이 이미 넘어가 있다는 선언이다. High NA 개발이 10년 넘게 걸린 이유의 절반 이상이 Zeiss의 anamorphic 광학계와 광원 출력 싸움이었음을 기억하면, 이 주장의 무게가 실감 난다. 장비 크기도 High NA 대비 "거의 커지지 않는다"는 점도 fab 관점에서 중요하다 — High NA 도입 때 팹 레이아웃·크레인·진동 spec으로 고생한 고객사에게 "같은 자리에 들어가고, 같은 광원을 쓴다"는 것은 도입 장벽을 낮추는 메시지다.

단, 광원 재사용에는 뉘앙스가 있다. 논문은 각주에서 free electron laser(FEL) 방식도 조명계 설계를 바꾸지 않는다고 언급했다. Source 이는 Elon Musk가 Terafab에 FEL 광원을 검토하고("FEL FTW"), xLight(Pat Gelsinger 의장, 2026년 6월 CHIPS Act 1.5억 달러 지원, 2028년 프로토타입 목표) 같은 스타트업이 광원 교체 시나리오를 들고나온 상황에서, ASML·Zeiss가 "광원이 어떻게 바뀌어도 우리 광학계 아키텍처는 유효하다"는 보험을 든 것으로 읽힌다. Source

6. "약 10년" 주장의 근거 검증

"10년 안에 준비"라는 주장, 얼마나 믿을 만한가. 교차 검증해보자.

• 선례: High NA는 2010년대 중반 개념 논의 → 2023년 12월 첫 출하(Intel, Oregon) → 2024~2026년 HVM 진입까지 약 10년이 걸렸다. EUV 0.33 NA도 2000년대 초반 알파툴에서 2019년 HVM까지 10년 이상이었다. 리소그래피 세대의 교체 주기는 물리적으로 10년 단위다.
• 이번에 다른 점: 2024년 5월 ASML 전 사장 Martin van den Brink는 imec ITF World에서 Hyper NA(0.75 NA)를 2030년 로드맵에 처음 올렸다. Source 2026년 논문의 "약 10년"은 2036년 언저리를 가리킨다. 2년 사이 6년이 밀린 셈인데, 이는 ASML이 공식 입장을 "feasibility study 진행 중"(2024년 EE Times에 대한 ASML 공식 해명)으로 후퇴시킨 것과 궤를 같이한다. 즉 기술적 준비 시점과 상용 결정 시점이 분리되기 시작했다.
• 반론: 10년은 "미러·광원이 준비됐다"는 전제 위의 엔지니어링 추정치다. 진짜 스케줄을 쥐는 것은 고객 pull이다. TSMC가 High NA를 2030년에 도입한다면, Hyper NA의 양산 수요는 2030년대 중후반 이후다. ASML이 "개발은 시작했으나 양산 미확정"이라고 선을 그은 이유다. 장비 업체가 4억 달러급(High NA 기준, Hyper NA는 그 이상이 예상됨) 장비를 고객 확약 없이 찍어낼 수는 없다.

정리하면 "10년"은 광학·광원 리스크가 제거된 상태에서의 엔지니어링 일정으로서는 합리적이지만, 상용 시점은 TSMC·Samsung의 High NA 소화 속도에 종속된다.

7. 5nm급 feature는 어느 노드인가

5nm half-pitch는 10nm급 metal pitch에 대응한다. 이는 2nm 이하 로직의 critical layer — Intel 14A 이후, TSMC로 치면 A14·A10 클래스 — 와, DRAM 10nm급 이하(1b 이후 세대)의 periphery·storage node 패턴이 요구하는 영역이다. 다시 말해 Hyper NA는 "2nm 이후"가 아니라 **"High NA로도 single exposure이 버거워지는 1nm 클래스"**를 겨냥한다. High NA가 2nm급 로직의 multi-patterning을 걷어내는 장비라면, Hyper NA는 그 다음 세대의 같은 역할을 맡는 구조다.

Chase's Take: Lithography가 limiting factor라는 말의 실무적 의미

PrimeTime으로 STA signoff를 하고 PD를 해봤다면, "lithography is a limiting factor"라는 문장이 피부로 와닿는다. 이론이 아니라 매일 보는 숫자들 때문이다.

첫째, standard cell 아키텍처의 천장이 lithography다. 셀 높이(track 수)를 줄이는 것은 결국 contacted poly pitch(CPP)와 metal pitch(MMP)를 줄이는 것이고, 이 둘은 lithography 해상도가 직접 정한다. High NA가 8nm 해상도로 2nm급 셀을 가능케 한 것처럼, Hyper NA의 5nm는 다음 세대 셀 라이브러리의 전제 조건이다. DTCO(design-technology co-optimization)가 아무리 영리해도, 그려지지 않는 피치는 최적화할 수 없다. "3D 구조로 버틴다"(GAA, CFET, backside power)는 말은 트랜지스터 구조의 혁신이지, 배선 피치의 혁신이 아니다. BEOL이 shrink하지 않으면 셀 면적은 줄지 않는다.

둘째, PPA의 무게중심은 이미 BEOL에 있다. 3nm 이하에서 cell delay보다 wire RC가 timing을 지배하는 것은 signoff 엔지니어라면 누구나 아는 사실이다. Hyper NA가 single exposure로 더 타이트한 metal pitch를 그려내면, 같은 drive strength에서 wire length가 줄고 coupling cap이 줄어든다 — dynamic power와 IR drop에 직접적인 이득이다. 반대로 DOF 붕괴(24nm)가 LER(line-edge roughness)과 CD uniformity를 악화시키면, on-chip variation(OCV) derate를 더 크게 잡아야 하고 STA margin이 늘어난다. 해상도 이득의 일부는 variation 페널티로 반납된다는 것이 실무자의 직감이다.

셋째, EDA 관점에서는 희소식이다. Multi-patterning은 EDA에게 재앙에 가까운 복잡도다. Double patterning의 coloring, cut mask, stitching-aware routing, multi-patterning-aware DRC — 이 모든 것이 Hyper NA의 single exposure 앞에서는 사라지거나 단순해진다. High NA가 그랬듯, Hyper NA도 "그릴 수 있는 것을 늘리는" 동시에 "툴이 고민해야 할 것을 줄이는" 장비다. 다만 reticle 3D effects와 H-V bias는 OPC·litho modeling 쪽의 숙제로 남는다. EDA 벤더 입장에선 돈이 litho simulation에서 P&R 쪽으로 이동하는 그림이다.

넷째, 한국 관점의 시차 리스크. Samsung 파운드리와 SK hynix의 High NA 도입이 2028년, TSMC가 2030년이다. Hyper NA가 2030년대 중반에 열린다고 가정하면, High NA 도입이 늦은 업체는 "High NA 감가상각이 끝나기도 전에 Hyper NA를 사야 하는" 스케줄 압박을 받을 수 있다. 특히 삼성 파운드리는 2nm 수율·수주 싸움을 하는 와중에 장비 capex 타이밍이 한 번 더 꼬이는 구조다. 반면 메모리 관점에서는 SK hynix·삼성의 HBM·DRAM 로드맵이 EUV 레이어 수를 얼마나 쓰는지가 Hyper NA의 메모리 쪽 business case를 가른다.

Implications: 업계 시사점

ASML의 moat는 10년 더 연장되는 구조다. 핵심은 Zeiss다. ASML은 2016년 Carl Zeiss SMT 지분 24.9%를 10억 유로에 인수하고 7.6억 유로의 R&D·capex를 지원했다. Source EUV 광학계를 만들 수 있는 회사는 지구상에 Zeiss 하나뿐이고, Hyper NA의 미러도 "이미 만들 수 있다"는 것이 Zeiss 엔지니어의 입에서 나왔다. 광학계의 진입 장벽이 곧 ASML의 해자다. Nikon·Canon은 DUV에 묶여 있고, 도전자는 아키텍처를 통째로 바꾸는 쪽뿐이다.

도전자들의 각도: Substrate(X-ray lithography, 2025년 10월 기업가치 10억 달러, 파운드리 서비스 모델)와 xLight(FEL 광원, Gelsinger 의장)가 대표적이다. Source ASML·Zeiss 논문이 FEL 각주로 "조명계 설계는 바뀌지 않는다"고 못 박은 것은 이들에 대한 선제적 메시지다 — 광원이 바뀌어도 광학계는 우리 것.

밸류체인: 광원 재사용 선언은 공급망에도 의미가 있다. Trumpf(CO₂ 레이저), Cymer 광원 스택 등 기존 EUV 생태계가 Hyper NA에서도 유효하다는 뜻이라, 생태계 전체의 투자 회수 기간이 늘어난다. 논문 제목 그대로 "extending the existing EUV ecosystem"이 핵심 테마다. Source

Hyper NA 이후: 논문 저자들은 그 너머는 더 짧은 파장이 필요하다고 본다. 6.x nm 대역("BEUV")은 아직 학계 연구 단계다. 즉 13.5nm 파장의 물리적 수명은 Hyper NA까지 — 2040년대까지 EUV 파장은 안 바뀐다는 선언이기도 하다.

투자 관점 한 줄: ASML에게 Hyper NA는 "High NA 이후의 성장 스토리"다. High NA의 HVM 램프(2025~2030)가 끝나기 전에 다음 세대의 기술적 타당성을 peer review로 못 박은 것은, 고객사 capex 설득과 자본시장 스토리텔링을 동시에 겨냥한 포석이다. 다만 양산 미확정인 만큼, near-term 숫자에 넣을 재료는 아니다.

FAQ

Hyper NA의 NA는 정확히 얼마인가?

논문 제목 그대로 "at least 0.75", 즉 0.75 이상이다. High NA의 0.55에서 한 단계 올라간다. 상한이 명시되지 않은 것은 광학 설계 trade-off(미러 크기, 편광, DOF)에 따라 0.75를 초과할 여지를 남긴 것으로 읽힌다. Source

High NA와 비교해 무엇이 달라지나?

파장(13.5nm)은 같고 NA만 0.55 → 0.75+ 로 올라간다. 업계 quoted 해상도는 8nm → 5nm급. 물리적으로 NA 확대가 주는 이득은 1.36배이며, 5nm 달성을 위해서는 resist·RET·illumination 개선(k1 저감)이 병행돼야 한다. 장비 크기는 High NA와 거의 같고 광원은 재사용한다는 것이 논문의 주장이다. Source

언제 양산 장비를 볼 수 있나?

논문 저자들은 약 10년 후를 본다(2030년대 중반). 그러나 ASML은 양산을 확정하지 않았다. 실제 시점은 TSMC(2030년 High NA 도입 예정)·Samsung·SK hynix(2028년)의 High NA 소화 속도와, 4억 달러를 넘는 장비 가격에 대한 고객 확약에 달려 있다. Source

기존 EUV 광원을 정말 그대로 쓸 수 있나?

논문은 "can be reused as is"라고 명시했다. 다만 이는 광학계·조명계 아키텍처가 기존 광원과 호환된다는 의미이며, Hyper NA의 해상도를 살리려면 dose·throughput 관점에서 광원 출력 로드맵은 계속 필요하다. FEL 같은 대체 광원이 나와도 조명계 설계는 바뀌지 않는다는 각주도 달려 있다. Source

본 글은 공개 논문(초록·보도 기반) 분석이며, 논문 전문이 유료(SPIE Digital Library)라 세부 수치는 2차 출처 교차 검증으로 확인했다. 인용된 해상도·일정은 보도 시점(2026-10-08/09) 기준이며 ASML의 공식 양산 계획이 아니다.