化学实验室实验：玻璃蚀刻与美感的结合（Glass Etching with Beauty）〔I〕？

学生讲义之一（Student Handout I）

实验介绍

本实验的目的是利用较安全的氟化氢铵（ammonium bifluoride），学生自行配製玻璃蚀刻膏（glass etching cream），设计有美感的图案（pattern），在玻璃表面上进行蚀刻（etching），然后发挥巧思以颜料妆点，创作自己独特风格的艺术化作品！如图一所示。学生还可以带回自己的作品，加以装饰美化，在家中摆设增加生活美学，这真是展现了化学实验与美感的结合。

图一 学生的玻璃蚀刻作品

近日平板电脑、智慧手机、电子书等智慧型手持电子产品引爆的流行风潮，接连攻占媒体版面，成为热卖主流，台湾的半导体产业在全球竞争中受惠崛起，交出炫目 亮丽的成绩单。这些电子产品内部最关键的零组件在製造过程中，需要在硅晶圆上定义出极细微尺寸的图案，而这些图案主要的形成方式，乃是藉由蚀刻技术，在微 影（micro-lithography）后所产生的光阻图案忠实地转印至光阻下的材质上，以形成积体电路的複杂架构。因此蚀刻技术在半导体製造过程中佔 有极重要的地位。

广义而言，所谓的蚀刻技术，包含材质整面均匀移除及图案选择性部份去除的技术。蚀刻技术中的湿式蚀刻（wet etching）係利用硝酸（nitric acid）与氢氟酸（hydrofluoric acid）的混合液来进行。此反应是先利用硝酸当氧化剂氧化材质表面的硅（silicon）成为二氧化硅（silicon dioxide），再利用氢氟酸溶解二氧化硅，以移除整面材质或选择图案，其反应如反应式[1]所示：

Si + HNO₃ + 6HF → H₂SiF₆ + HNO₂ + H₂ + H₂O? ? [1]

普通玻璃的成分主要为二氧化硅，由于Si-F化学键结极强，因此氢氟酸不能用玻璃盛装，否则氢氟酸与玻璃的二氧化硅反应生成四氟化硅（silicon tetrafluoride, SiF₄），而导致玻璃的腐蚀，其反应如反应式[2]所示：

SiO₂ + 4HF → SiF₄↑ + 2H₂O? ? [2]

四氟化硅易溶于水，与氢氟酸继续反应生成氟硅酸（hexafluorosilicic acid, H₂SiF₆），其反应如反应式[3]所示：

SiF₄↑ + 2HF → H₂SiF₆ [3]

氟化氢铵（NH₄HF₂）是一些蚀刻剂的成分，它能攻击玻璃的二氧化硅，而进行玻璃的蚀刻，其反应的产物为四氟化硅和氟化铵（ammonium fluoride, NH₄F），如反应式[4]所示：

SiO₂ + 4NH₄HF₂ → SiF₄ + 4NH₄F + 2H₂O? ? [4]

虽然氟化氢铵腐蚀玻璃的强度不如氢氟酸，但是它对使用者比较安全。本实验採用氟化氢铵当作玻璃蚀刻剂，并与草酸、硫酸铵、甘油和蒸馏水混合，加入牙膏作为填充剂，搅拌调成膏状，配製成玻璃蚀刻膏。本实验的原理係利用氟化氢铵不与塑胶材质作用，而能腐蚀玻璃的特性，来展现化学实验与美感的结合。

药品和器材

1. 氟化氢铵（Ammonium bifluoride, NH₄HF₂）??15 g/组
2. 草酸（Oxalic acid dihydrate, H₂C₂O₄?2H₂O）??7 g/组
3. 硫酸铵（Ammonium sulfate, (NH₄)₂SO₄）??8 g/组
4. 甘油（Glycerol, glycerin, glycerine）??35 g/组
5. 蒸馏水??10 g/组
6. 牙膏（便宜货）??1支/组
7. 电子天平（精确度1 g即可）??1-2台/班
8. 塑胶瓶（100-500 mL）??1个/组
9. 塑胶搅拌棒??1支/组
10. 玻璃容器或玻璃片（如镜子）??1个/人
11. 吹风机??1支/组
12. 水彩笔（旧的）??1支/人
13. 塑胶贴纸??1张/人
14. 小刀??1支/人
15. 乳胶手套??1双/人
16. 压克力颜料（各种颜色）??数瓶/班
17. 塑胶盆（小型）??1个/人
18. 卫生纸??1包/班

连结：玻璃蚀刻与美感的结合（Glass Etching with Beauty）〔II〕