堇青石（Cordierite）陶瓷是常见的低热膨胀陶瓷之一，国外研究人员于100多年前便开始了对堇青石的研发工作，并于19世纪80年代首次合成，被命名为堇青石。堇青石陶瓷由于具有热膨胀系数低、介电常数低、化学稳定性好、抗氧化性能好、抗热震性能好等优良特性而被广泛用作耐火材料、催化剂载体、微波通讯介质材料等。

目前京瓷开发并公布的具有低热膨胀性、高机械强度等特性的“堇青石”陶瓷材料有2款，分别是CO220和CO720，并已在半导体光刻机的晶圆台（Wafer Stage）上得到广泛应用。此外，京瓷正进一步加大在航天领域的布局，希望在这一新兴市场充分发挥该材料的优势。京瓷的目标是到 2029 年将其太空相关业务扩大到 30 亿日元，是目前规模的六倍。

01 广泛用于半导体制造设备

低热膨胀对于半导体曝光设备的晶圆台来说非常重要，以抑制由于环境温度变化或曝光处理期间激光引起的局部温度升高而导致的尺寸变化。此外，还需要高刚性和轻量化设计，以实现精确和高速运行。

堇青石陶瓷材料的弹性模量远远超过了微晶玻璃（约增加了55%），而密度只是略高于Zerodur。同时堇青石材料的低热膨胀系数与微晶玻璃r相当，同样具备良好的热稳定性，此外，堇青石的导热系数几乎是微晶玻璃的三倍，这决定了材料在使用过程中能够更大程度地散热，从而更好地满足热稳定性需求。

堇青石具备高的弹性模量，可以有效抵制平台高速移动扫描过程中的变形，增加稳定性。在满足刚度条件的基础上，选择堇青石材料作为平台基板材料，所需的质量远远小于微晶玻璃和石英玻璃材料作为平台结构材料，从而实现轻量化需求。

因此，研究者逐渐发现，堇青石作为一种新型的半导体光刻机平台材料具有良好的应用前景，尤其是在作为EUV光刻机移动平台材料时，不会因EUV射线的影响而发生变形，综合性能优于原来采用的微晶玻璃，从而备受各国研发公司的青睐。

在20世纪80年代，国外已能够制备出性能优良的堇青石陶瓷并投入生产，其中以美国、德国和日本的产品质量最优，且日本的京瓷、日立等公司的系列产品均已被应用于光刻机工作平台部件中。

京瓷的堇青石被各大半导体光刻设备制造商等公司广泛使用，目前是精细陶瓷业务的支柱之一，销售额达数百亿日元。

02 为什么瞄准太空领域？

京瓷将天文学和航天工业视为堇青石下一个有前景的市场。在航天相关领域，低热膨胀玻璃目前广泛应用于安装在人造卫星上的光学镜。京瓷的堇青石（Fine Cordierite CO720）在22℃时保证热膨胀系数为0±20 ppb/K，与低热膨胀玻璃相似，机械强度低，比玻璃贵约1.5至2倍。此外，由于它在尺寸稳定性和耐辐射性方面具有优于热膨胀玻璃的特性，有望像曝光设备中的晶圆台一样取代它（性能的详细比较见下图）。

京瓷堇青石的具体特性以及与低热膨胀玻璃的比较（来源：京瓷）

京瓷的堇青石还具有比低热膨胀玻璃高约三倍的导热率（上表底部），这是一个非常有利的点，因为它可以使表面温度迅速变得均匀。

与各种用作光学镜的基材材料相比可以看出，京瓷的堇青石具有高温稳定性，比刚度比低热膨胀玻璃高1.5至2倍（见下图左表）。此外，长期尺寸稳定性测试结果证实其性能超过了低热膨胀玻璃（见下图右表）。

左表为可用作光学镜的材料的温度稳定性和比刚度图（蓝色的是京瓷的堇青石CO720）。右表为长期尺寸稳定性测试结果（来源：京瓷）

此外，通过利用精密的表面抛光和涂层技术，陶瓷镜关键的表面粗糙度和平面度指标方面实现突破。京瓷开发并提供用于太空相关领域和天文望远镜的陶瓷镜，其功能除了反射镜外，还可进一步集成结构件和组合为多个部件的光学系统，整个结构由相同材料制成，从而可以实现无热化。

表面粗糙度和平整度的数据以及光学镜的产品示例。太空相关领域，向NASA提供光学陶瓷镜，来源：京瓷

此外，陶瓷镜对伽马射线和原子氧的抵抗力也很重要，尤其是在太空相关领域，这一点也表明，在暴露于伽马射线/原子氧之前和之后，机械、热和光学性能都发生了变化。经过实验证实，几乎不存在这类问题。

如上所述，尽管堇青石陶瓷具有优于低热膨胀玻璃的多种特性，但航天工业在采用新材料时往往强调其在太空中的记录，其替代进展缓慢。

京瓷继续向各制造商进行销售，并在展览会和会议上进行稳定的公关活动。2024年6月，京瓷宣布这是“世界上第一块”堇青石镜，用于安装在国际空间站（ISS）上的小型光通信实验装置。京瓷的堇青石被用作镜子，在从国际空间站到地面的光通信过程中将光线调整到最佳角度，从而实现通信。

航天市场正在蓬勃发展，预测到 2040 年，其规模将扩大到 100 万亿日元。国际竞争将不断加剧，日本已启动太空战略基金，政府计划在未来10年提供总计1万亿日元的支持。京瓷的目标是扩大其在这个不断增长的市场的影响力，并将其太空相关业务的规模从目前的 5 亿日元扩大到 2029 财年的 30 亿日元，增长六倍。

来源：半導体露光装置から宇宙へ――京セラのセラミック材料、新市場で展開拡大：宇宙関連で売り上げ6倍目指す（1/3 ページ） - EE Times Japan