薄膜物理与技术

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真空薄膜技术发展至今已有200年的历史。在19世纪可以说一直是处于探索和预研阶段。经过一代代探索者的艰辛研究，时至今日大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位，各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。其中包括纳米薄膜、量子线、量子点等低维材料，高K值和低K值介质薄膜材料，大规模集成电路用Cu布线材料，巨磁电阻、厐磁电阻等磁致电阻薄膜材料，大禁带宽度的“硬电子学”半导体薄膜材料，发蓝光的光电半导体材料，高透明性低电阻率的透明导电材料，以金刚石薄膜为代表的各类超硬薄膜材料等。这些新型薄膜材料的出现，为探索材料在纳米尺度内的新现象、新规律，开发材料的新特性、新功能，提高超大规模集成电路的集成度，提高信息存储记录密度，扩大半导体材料的应用范围，提高电子元器件的可靠性，提高材料的耐磨抗蚀性等，提供了物质基础。以至于将薄膜材料及薄膜技术看成21世纪科学与技术领域的重要发展方向之一。 薄膜技术与薄膜材料之所以受到人们的关注，主要基于下面几个理由：

（1）薄膜材料是典型的二维材料，即在两个尺度上较大，而在第三个尺度上很小。

（2）作为二维材料，薄膜材料的最主要特点是所谓尺寸特点，利用这个特点可以实现各种元器件的微型化、集成化。

（3）由于尺寸小，薄膜材料中表面和界面所占的相对比例较大，表面所表现的有关性质极为突出，存在一系列与表面界面有关的物理效应。 （4）在表面，原子周期性中断，产生的表面能级、表面态数目与表面原子数有同一量级，对于半导体等载流子少的物质将产生较大影响。 （5） 表面磁性原子的相邻原子数减少，引起表面原子磁矩增大。 （6） 薄膜材料各向异性等等。

通过本课程学习到了薄膜技术的基本知识及其应用。薄膜材料以其独特的性质，为促进器件微型化、集成化发挥了重要作用。薄膜制作作为一种极其重要的材料制作关键技术,是现代大学本科生必须了解的基础知识。

第一章 真空与薄膜技术概论

从真空蒸发成膜原理出发，讨论成膜的条件，说明近代薄膜制作的大多数方法与真空条件；涉及各种膜材制作得出薄膜材料构成的基本概念。掌握一般真空条件下制作薄膜的原理，建立真空膜材制作的知识框架。 重点：真空与薄膜制作的条件。

第二章 各种薄膜技术

真空蒸发原理：蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。重点：蒸发源与基片的配置。根据不同材质镀膜的需求，选择蒸发源的类别及配置。 溅射的基本原理；理解金属、合金及化合物蒸发过程中的特点溅射与离子镀膜，化学气相沉淀法与溶液镀膜法。溅射镀膜的特点，及各种溅射镀膜类型。重点：理解溅射镀膜的机理，气氛和高压是各种溅射的基础条件。离子镀原理，离子镀的特点，及各种离子镀的类型。重点：理解离子镀的特点和原理、和蒸发及溅射的区别。化学气相沉积的基本原理，化学气相沉积的特点，几种主要的CVD技术。 另外，介绍几种主要的不需要真空环境的湿法制膜技术，如化学镀、电镀、溶胶凝结法。掌握主要的镀

膜方法，如蒸镀，离子溅射等, 懂得原理和基本装置。 镀膜法：

1、真空蒸发镀膜法 ：蒸发镀膜是最常用的镀膜技术，设备简单，成膜质量高，成膜速率快，是真空镀膜的基础。 蒸发源与基片的配置。掌握根据不同材质镀膜的需求，选择蒸发源的类别及配置。理解金属、合金及化合物蒸发过程中的特点。

2、溅射镀膜：基于高荷能离子轰击靶材时的溅射效应，可适用于任何物质的溅射镀膜技术，由于成膜粒子能量高，是一种制取高质量膜的技术。理解溅射镀膜的机理，气氛和高压是各种溅射的基础条件，磁控溅射是提高成膜效率和质量的关键。掌握一些基本溅射方法。

3、离子镀膜 ： 集真空蒸发和真空溅射技术而发展起来的一种新的镀膜技术，离子镀膜具有独特的优点，近年来在国内得到迅速发展。 理解离子镀的特点和原理、和蒸发及溅射的区别。

4、溶液镀膜法：了解几种主要的湿法制膜技术。化学镀，阳极氧化法，LB制膜法。

第三章 薄膜的形成

讨论薄膜凝结，成核长大，膜形成与生长过程。主要是从蒸镀法讨论。 教学要求：理解薄膜形成的基本概念。重点：用热力学界面能及原子聚集理论解释成核过程，并掌握其数学的表达式。

第四章 薄膜的结构与缺陷

介绍薄膜的组织晶体，表面结构及薄膜的点、线、面缺陷，及几种常用的薄膜结构与组份检查方法，如一般显微法、X射线衍射法、电子衍射法、扫描电子显微镜法、俄歇电子能谱法、X射线光电子能谱法和二次离子质谱法等。了解薄膜中存在的几种缺陷，掌握几种常用的薄膜结构的分析手段。 重点：缺陷类别与分析方法。

第五章 薄膜的性质

了解薄膜的一些力、电、半导体、磁特性，及这些特性的使用价值。薄膜的力学、电学性质，及半导体、磁性、超导薄膜的特性及薄膜的应用。了解薄膜的一些力、电、半导体、磁特性，及这些特性的使用价值。 重点： 力，电性质，薄膜应用。薄膜材料以其独特的性质为促进器件微型化、集成化发挥了重要作用。薄膜制作作为一种极其重要的材料制作关键技术是现代大学本科生必须了解的基础知识。

薄膜材料种类繁多,应用广泛,目前常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。 薄膜及微细加工技术的应用范围极为广泛，从大规模集成电路、电子元器件、平板显示器、信息记录与存储、MEMS、传感器、太阳能电池，到材料的表面改性等，涉及高新技术产业的各个领域。 薄膜材料的应用

薄膜技术与薄膜材料根据用途可以分为民用和军用两大类。首先很受人们注目的主要有一下几种薄膜： 1、 光学薄膜

光学薄膜是一种为改变光学零件表面光学特性而镀在光学零件表面上的一

层或多层膜。可以是金属膜、介质膜或这两类膜的组合。它可分为增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振与消偏振膜等。减反射膜是应用最广、产量最大的一种光学薄膜，因此，它至今仍是光学薄膜技术中重要的研究课题，研究的重点是寻找新材料，设计新膜系,改进淀积工艺,使之用最少的层数，最简单、最稳定的工艺，获得尽可能高的成品率，达到最理想的效果。其中的原理 膜有两个界面就有两个矢量，每个矢量表示一个界面上的振幅反射系数。如果膜层的折射率低于基片的折射率，则在每个界面上的反射系数都为负值，这表明相位变化为180.（若反射光存在于折射率比相邻媒质更低的媒质内，则相移为180°;若该媒质的折射率高于相邻媒质的折射率，则相移为零。）

当膜层的相位厚度为90°时，即膜层的光学厚度为某一波长的四分之一时，则两个矢量的方向完全相反，合矢量便有最小值。如果矢量的模相等，则对该波长而言，两个矢量将完全抵消，于是出现了零反射率。

我们日常所戴的眼镜上就镀了一层光学薄膜，光线通过镜片的前后表面时，不但会产生折射，还会产生反射。这种在镜片前表面产生的反射光会使别人看戴镜者眼睛时，看到的却是镜片表面一片白光。拍照时，这种反光还会严重影响戴镜者的美观。此外，眼镜片屈光力会使所视物体在戴镜者的远点形成一个清晰的像，也可以解释为所视物的光线通过镜片发生偏折并聚集于视网膜上，形成像点，由于屈光镜片的前后表面的曲率不同，并且存在一定量的反射光，它们之间会产生内反射光。内反射光会在远点球面附近产生虚像，也就是在视网膜的像点附近产生虚像点。这些虚像点会影响视物的清晰度和舒适性。眼镜镀膜后，就可在镜片表面镀上具有一定厚度和层数的光学薄膜，镀膜后的镜片，可保护镜片表面不受腐蚀和磨损，提高透光率和清晰度。使镜片可在摄影、拍照时减少镜片反光，同时使镜片有锐目色彩。

有两种镀膜镜片：①反射式滤光镜片。在镜片表面镀金、银、硫化锌等。镀膜能反射可见光、红外线及r射线，对眼起保护作用。②抗反射增透镜片。镜片镀氟化镁、二氧化硅、氟化铝等，可减少镜面反射，提高镜片的透过率。外观美，有助于摄影拍照。

镀膜眼镜的优点：（1）视物清楚，减少镜面反射光，增加了光线透过率。 （2）镀膜眼镜能防止紫外线、红外线、X线对视力的伤害。配戴镀膜眼镜观力不易疲劳。对荧光屏前工作人员的视力可受到保护。（3）镀膜眼镜可以降低镜片表面的反射光，解决戴眼镜在强光下照像的难题，增加美感。（4）镜片能经受各种不良环境，高温、雨淋、海水浸泡也不会脱落。

镜面镀膜有三层：外层防污膜是防灰尘和油渍；中层防反射膜，是提高镜片光线通过率。 内层加硬膜是防止镜片磨损、刮花。 2.、太阳能薄膜技术

1973年世界爆发了第一次能源危机，使人们清醒地认识到地球上化石能源储藏及供给的有限性，客观上要求人们必须寻找其它可替代的能源技术，改变现有的以使用单一化石能源为基础的能源供给结构。为此，以美国为首的西方发达国家纷纷投入大量人力、物力和财力支持太阳电池的研究和发展，同时在以亟待解决的与化石能源燃烧有关的大气污染、温室效应等环境问题的促使下，在全世界范围内掀起了开发利用太阳能的热潮，也由此拉开了太阳电池发电的序幕。 薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数um，目前转换效率最高以可达13%。薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作

成非平面构造其应用范围大，可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，应用非常广泛。

太阳能电池有以下几类： 硅基太阳能电池(单晶/多晶/非晶)(24.7%) ；化合物太阳能电池(砷化镓/硫化镉/碲化镉/铜铟硒等)； 有机薄膜太阳能电池 (酞青类化合物/导电聚合物等)； 纳米薄膜太阳能电池(纳米TiO2) 。 硅材料是目前太阳电池的主导材料，在成品太阳电池成本份额中，硅材料占了将近40%，而非晶硅太阳能电池的厚度不到1μm，不足晶体硅太阳电池厚度的1/100，这就大大降低了。又由于非晶硅太阳电池的制造温度很低(～200℃)、易于实现大面积等优点，使其在薄膜太阳电池中占据首要地位。

近年来,业界对以薄膜取代硅晶制造太阳能电池在技术上已有足够的把握。日本产业技术综合研究所于去年2月已经研制出目前世界上太阳能转换率最高的有机薄膜太阳能电池，其转换率已达到现有有机薄膜太阳能电池的4倍。此前的有机薄膜太阳能电池是把两层有机半导体的薄膜接合在一起，其太阳能到电能的转换率约为1%。新型有机薄膜太阳能电池在原有的两层构造中间加入一种混合薄膜，变成三层构造，这样就增加了产生电能的分子之间的接触面积，从而大大提高了太阳能转换率。从而有了更加广阔的应用前景。 3、抗反射膜

光学薄膜与国防科技的关系也颇为密切。事实上光学薄膜所以会这么样的蓬勃发展是由于它在军事上有不可缺少的需要而被开发出来的。首先是抗反射膜的应用。抗反射膜所谓抗反射膜是在光学组件表面镀上一层或数层的光学薄膜，造成一些界面，使得经由各个界面反射回来的光波与光波之间产生破坏性的干涉，而终至见不到反射光。军事上用到抗反射膜的地方很多，只要有接受光信号 (不论可见光或红外光) 或发射光信号的地方一定要做抗反射膜处理。最常见到的譬如 :保护窗、目镜、物镜及任何透镜的两面都会镀上抗反射膜。镀抗反射膜的用意有二，其一是借着减少反射而增加整个光学系统的透射率。当基板的折射率愈大及片数愈多时，透射率就会愈低，以锗（Ge）来说，其折射率为4，若系统中有两片锗基板而不镀抗反射膜时透射率就会小于22%，也就是说至少78%的能量会散失掉。硅 (Si)的折射率为3.4，能量的损耗也很严重，而锗锗及硅是军事上很重要的材料，可见抗反射膜在军事上是不可缺少的。镀抗反射膜的原因之二是可以使光学系统所成的影像的明晰度增高，这是因为若没有镀抗反射膜则基板的反射光束来回于系统中会使影像的背景变差，对比度降低。影像近旁会有个相似的影像存在，俗称鬼影。

抗反射膜的应用增加了光学组件的透射率，使双筒望远镜能看得更清楚，使进入侦器的光信号强度增加。这在红外线光学系统中表现得更为明显。其次是金属反射膜的应用。它使反射式望远镜变得非常易行有用。它在改变光的路径，如潜望镜，它使在隐藏中观测敌情变成非常简单。第二次世界大战后，由于飞弹的开发，各种光网及红外光滤光膜的研制变得非常重要，不但薄膜设计上有了很大的进展，薄膜材料的开发上也有很大的进步。待雷射发明后，军事上对光学薄膜的需求更是有增无减，而且质量要求更高，种类也更多。也可以说，光学薄膜再次助长了武器的功力。称为聚乙酯电容(又称Mylar电容)，聚丙烯电容(又称PP电容)，聚苯乙烯电容(又称PS电容)和聚碳酸电容 。

薄膜电容器由于具有很多优良的特性，因此是一种性能优秀的电容器。它的主要等性如下：无极性，绝缘阻抗很高，频率特性优异(频率响应宽广)，而且介质损失很小。基于以上的优点，所以薄膜电容器被大量使用在模拟电路上。尤其

是在信号交连的部分，必须使用频率特性良好，介质损失极低的电容器，方能确保信号在传送时，不致有太大的失真情形发生。在所有的塑料薄膜电容当中，又以聚丙烯(PP)电容和聚苯乙烯(PS)电容的特性最为显著。 4、薄膜夜视设备

目前使用的大多数夜视设备装着一大堆电子元件，需要几千伏特的工作电压。为了让画面更加逼真，夜视镜的镜头与镜头之间必须保持真空状态，因此整个装置比较沉重。而国外某专家则利用薄膜技术发明了一种新型的夜视眼镜。 其原理是这样的，当红外光进入由七层不同性质材料组成的薄膜时，被第一层材料侦测到，于是轻微的充电机制被激发，同时附加的电能（约3至5伏）将收到的信号放大后转换成可见光。尽管这种新装置与现今大多数夜视摄像头一样会发出令人毛骨悚然的绿光，但前者的独特之处在于其重量：不到100克。深加工后，重量可以降到10克，而厚度只有几微米。这意味着，传统的笨重夜视镜将被轻便的贴膜取而代之，总重量甚至不超过半副纸牌。 二、光学薄膜技术

光学薄膜技术一直是光学领域中不可忽略重要基础技术，而且品质要求也越来越高，加上近年来在资讯显示及光通讯科技快速发展之下，不论是在显示设备中分、合色元件，又或是在光通讯主、被动元件开发製程上，薄膜製程技术都是不可忽略重要技术。而在显示器技术、光通讯技术、生医光电技术„等，在全方位薄膜技术有其决定性的影响。

光学薄膜与镀膜技术的重要性 从精密及光学设备、显示器设备到日常生活中的光学薄膜应用；比方说，平时戴的眼镜、数位相机、各式家电用品，或者是钞票上的防偽技术，皆能被称之为光学薄膜技术应用之延伸。倘若没有光学薄膜技术作为发展基础，近代光电、通讯或是雷射技术发展速度，将无法有所进展，这也显示出光学薄膜技术研究发展重要性。

一般来说，要使用多层薄膜时，必须根据设计者需求，藉用高低折射率薄膜堆叠技术，做为各类型光学薄膜设计之用，才能达到事先预期后评估的光学特性。比方说：抗反射镜、高反射镜、分光镜、截止滤光镜、带通滤光镜、带止滤光镜等；而在电脑分析软、硬体发展健全的今日，不仅使光学薄膜在设计上变得更为便捷，且光学薄膜技术研究发展也将更为快速。 就目前设计端而言，若以合理特性范围来考量，光学薄膜製作门槛已经降低不少，技术困难点也很少出现，通常只要在合理要求范围之内，设计者不难发出适用的光学多层膜结构。不过，光学薄膜最主要关键问题，在於薄膜镀膜工艺技术的改善？这关係到要如何精準地掌控每一层薄膜厚度与折射率，才能获得预期光学性质和机械特性，甚至在製程量產化及成本降低都有其助益。另外，包括：薄膜材料开发（包括：材料测试、化学纯度、材料创新、材料型式）、先进镀膜技术开发（包括：真空镀膜机、监控技术）及薄膜的量测分析（膜层设计、厚度误差分析技巧）等，都是光学薄膜工程上所要面对到的首要课题。

不过，在光学薄膜技术应用上，由於技术本身被归纳为广泛应用性质，不容易以某一或单一產品作为载具并加以区分；因此，在光学薄膜產品技术，最终应用则是在眾多光学元件上，若以光学元件各个相关应用市场来探究，更可看出主要附加价值与相关性。对于显示器画面尺寸及影像品质及辐射量多寡的要求日渐严苛，过去显示器尺寸也从14吋、20吋、29吋、32吋，甚至更大尺寸，也从CRT萤幕发展到LCD萤幕或投影萤幕。因为超过40吋CRT显示器动輒超过100公斤、厚度也超过35吋；因此，在一般CRT显示器生產过程中，40吋以上就是

一个技术瓶颈。目前要打破尺寸瓶颈技术，就是利用投影技术来达成，藉用光学技术放大显示器尺寸，使其机身厚度变薄，体积变得更为轻盈。对于投影机产业而言，必须快速对应到灯源进步程度，以及更高亮度、对比度、体积更小、重量更轻等要求。

揭开投影机显示技术中重要光学关键零组件，就像是光学引擎、光阀、偏光转换器等开发技术，对投影显示技术中的影像品质有著关键性影响。举例来说，在光学引擎的偏振分光稜镜便是光学引擎中，不可或缺的光学元件，其可见光波要求在420W680nm范围（入射角范围约30°之内），才能大幅度地分开p偏振光及s偏振光，并维持p偏振光穿透率Tp＞90％以上及消光比达到Tp/Ts＞500以上，这是因为消光比越高及Tp穿透率也就越高，影像对比度才会更好，色彩一致性越高，获得较高的光能利用率。 在光学引擎中要用到大量偏振、分光及滤光元件，这些都需要仰赖光学薄膜、镀膜技术来实现，不过这些元件镀膜技术要求层级很高，导致生產困难度加大。一般来说，目前发展投影机技术，包括：LCD、DLP（MEMS）、LCOS数种发展技术。影像成形技术，则分为穿透式LCD及反射式DLP、LCOS，而在投影机系统中，便需要运用光学薄膜滤光片新的开发技术，藉以达到最佳影像品质。

对于投影机产业而言，为了因应灯源技术，以及更高亮度、对比度、体积更小、重量更轻等要求，对於其中所使用的各式光学元件都必须有相对应解决之道。而为了达到需求，这对光学薄膜技术来说，已不能单纯使用传统的整数膜堆设计来完成，非整数膜堆设计必要时也要能被大量採用。不过，对非整数膜堆技术而言，除了先天上设计的困难性之外，在实际的製镀上也有相当的困难性。另一方面，对於环境测试要求更为严格，在滤光片材料选用则应更为审慎，基板选择上也要考虑到整体滤光片应力行为„等等，这都在先前设计之初就必须被纳入考量。

光学薄膜技术也在奈米技术上有其助力奈米材料及技术因应科技发展速度，不断受到重视，归究其主要原因在於奈米材料应用广泛，加上以未来层面来考量。一方面是因为现有理论基础不足涵盖奈米材料完整发展；另一方面来自物理、化学、生物医药领域的衝击性与整合性，提供极为有力的助益。其中，在物理方面著重於奈米製造、材料检测技术与原子操纵；而在化学方面则提供由小而大、由下而上的组装方式、各式化学方法合成奈米材料；生物领域主要提供是仿生概念及生物制造工程的奈米材料合成技术。 三．纳米薄膜

纳米薄膜材料是一种新型材料，指由尺寸为纳米数量级(1~100nm)的组元镶嵌于基体所形成的薄膜材料，它兼具传统复合材料和现代纳米材料二者的优越性，由于其特殊的结构特点，使其作为功能材料有广泛的应用价值。纳米薄膜是纳米薄膜可以改善一些机械零部件的表面性能，以减少振动，降低噪声，减小摩擦，延长寿命。这些薄膜在刀具、微机械、微电子领域作为耐磨、耐腐蚀涂层及其它功能涂层获得重要应用。目前，科研人员已从单一材料的纳米薄膜转向纳米复合薄膜的研究，薄膜的厚度也由数微米发展到数纳米的超薄膜。同时，纳米薄膜的表面微观结构，纳米薄膜对敏化电池光电效率的影响及结晶机制与薄膜对电磁波屏蔽特性的影响都有至关重要的科学贡献。

纳米薄膜的分类 ：

(1)据用途划分 ：纳米薄膜可按用途分为纳米功能薄膜和纳米结构薄膜。纳米功能薄膜是利用纳米粒子所具有的力、电、光、磁等方面的特性，通过复合

制作出同基体功能截然不同的薄膜。纳米结构薄膜则是通过纳米粒子复合，对材料进行改性，是以提高材料在机械性能为主要目的的薄膜。

(2)据层数划分 ：按纳米薄膜的沉积层数，可分为纳米(单层)微薄膜和纳米多层薄膜。其中，纳米多层薄膜包括我们平常所说的“超晶格”薄膜，它一般是由几种材料交替沉积而形成的结构交替变化的薄膜，各层厚度均为nm级。组成纳米(单层)薄膜和纳米多层薄膜的材料可以是金属、半导体、绝缘体、有机高分子，也可以是它们的多种组合，如金属一半导体、金属一绝缘体、半导体一绝缘体、半导体一高分子材料等，而每一种组合都可衍生出众多类型的复合薄膜。 (3)据微结构划分 ：按纳米薄膜的微结构，可分为含有纳米颗粒的基质薄膜和nm尺寸厚度的薄膜。纳米颗粒基质薄膜厚度可超出nm量级，但由于膜内有纳米颗粒或原子团的掺人，该薄膜仍然会呈现出一些奇特的调制掺杂效应；nm尺寸厚度的薄膜，其厚度在nm量级，接近电子特征散射的平均自由程，因而具有显著的量子统计特性，可组装成新型功能器件，如具有超高密度与信息处理能力的纳米信息存贮薄膜、具有典型的周期性调制结构的纳米磁性多层膜等。 (4)据组分划分 ：按纳米薄膜的组分，可分为有机纳米薄膜和无机纳米薄膜。有机纳米薄膜主要指的是高分子薄膜，而无机纳米薄膜主要指的是金属、半导体、金属氧化物等纳米薄膜。

(5)据薄膜的构成与致密度划分 ：按薄膜的构成与致密程度，可分为颗粒膜和致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起形成的膜，颗粒间可以有极小的缝隙，而致密膜则是连续膜。

(6)据应用划分 ：按纳米薄膜在实际中的应用，可分为纳米光学薄膜、纳米耐磨损与纳米润滑膜、纳米磁性薄膜、纳米气敏薄膜、纳米滤膜等。

参考文献：

（1）薄膜物理与技术，杨邦朝，王文生，电子科技大学出版社，1994.1 ； （2）薄膜材料与薄膜技术，郑传涛，化学工业出版社，2004.1； （3）薄膜技术与薄膜材料，田民波，清华大学出版社，2006.8 ； （4）光学薄膜在太阳能电池中的应用，蔡诚，姜洋，2011 ； （5）光学薄膜技术，卢进军， 2011；

（6）薄膜材料与薄膜技术的发展动向，杨邦朝， 1994 .