Die vorliegende Arbeit befasst sich mit stabilen Risswachstumsgeometrien, die durch in-situ-Mikrobiegeexperimente untersucht werden. Es werden mehrere Experimente an unterschiedlichen Geometrien in einem Rasterelektronenmikroskop (REM) durchgeführt, um Brucheigenschaften verschiedener Materialsysteme zu ermitteln. Im ersten Teil der Experimente werden Brückenkerben verwendet, um die Auswirkung von Kerbartefakten aus mit dem fokussierten Ionenstrahl (FIB) gefrästen Kerben auf Bruchexperimente zu verstehen, die mit einzelnen Kragarmgeometrien durchgeführt werden. Zweitens wird die Flüssigmetall-Ionenquelle (Ga+) des FIB durch eine Gasfeld-Ionenquelle (Ne+) ersetzt, um die Rolle der Ionenspezies bei Bruchexperimenten zu bestimmen. Einkristallines Silizium wird als Testmaterial für beide Versuchsreihen verwendet. Im letzten Kapitel wird ein Versuchsaufbau für Experimente zum stabilen Risswachstum unter Verwendung einer neuen Geometrie vorgestellt. Nach ersten Finite-Elemente-Methode (FEM)-Berechnungen wird die Geometrie an einer Hartstoffschicht auf Silizium als Modellmaterial validiert. Anschließend werden umfangreiche FEM-Berechnungen durchgeführt, um Leitlinien für den erfolgreichen Einsatz der Geometrie für Experimente zum stabilen Risswachstum zu erstellen.
Die Ergebnisse zeigen, dass Proben mit tiefen Kerben und dünnen Materialbrücken ein Rissstillstand beobachtet wird. Bei flachen Kerben mit ähnlichen Materialbrücken wurde der Rissstopp experimentell nicht beobachtet, aber die Bruchzähigkeit für Silizium lag im selben Bereich wie bei tiefen Kerben (1,1 ± 0,1 MPa m0,5). Dickere Brücken führen zu einer geometrieabhängigen scheinbaren Bruchzähigkeit, die etwa 50 % höher ist als der erwartete Wert für einkristallines Silizium. Der Wechsel der Kerb-Ionenspezies von Gallium zu Neon erzeugt schärfere Kerben, aber die Silizium-Neon-Wechselwirkungen erzeugen eine ioneninduzierte Schadensschicht, die die Bildung neonhaltiger Blasen an der Kerbfront fördert. Diese Schädigungsschicht erhöht die scheinbare Bruchzähigkeit einer scharfen Kerbe. Durch thermische Behandlung wird das eingeschlossene Neon aus der beschädigten Schicht freigesetzt, wodurch eine scharfe Kerbfront entsteht. In diesem Fall entspricht die gemessene Bruchzähigkeit den für Galliumkerben gemessenen Werten. Diese Ergebnisse belegen die Notwendigkeit einer eingehenden Analyse der Ionenwirkung bei der Prüfung von Mikro-Cantilevern mit Edelgasionen wie Ne+.
Die Eignung der neuen einseitig auskragenden Delaminationsgeometrie für Experimente zum stabilen Risswachstum wird nachgewiesen. Die Rissantriebskraft nimmt mit der Rissausdehnung in der Geometrie ab, was ein katastrophales Versagen verhindert. Infolgedessen bildet sich ein natürlicher Riss aus der FIB-Kerbe, und der endgültige Bruch erfolgt, nachdem der Riss über den Bereich der FIB-Fräskerbe hinausgewachsen ist. Dadurch wird der Einfluss von FIB-induzierten Artefakten wie Eigenspannungen aufgrund von Ionenimplantation, endlichen Kerbradien und anderen kristallinen Defekten auf die Bruchzähigkeit von Materialien, die auf der Mikroebene getestet werden, reduziert. Darüber hinaus zeigt die neue Geometrie Anzeichen von Rissablenkung, wenn ein natürlicher Riss von der FIB-beeinflussten Zone weg wächst. Die Delamination der Grenzflächen erfolgt auf stabile Weise, und die Grenzflächenzähigkeit liegt zwischen 3-7 J/m2. Finite-Elemente-Berechnungen zeigen, dass die Bildung von Rissen an der Grenzfläche in der neuen Geometrie eine kurze Auskragung, eine kurze Risslänge, eine dicke Schicht und einen großen Winkel zwischen der Schicht und dem Substrat erfordert. Ein hohes Elastizitätsmodul des Films verhindert auch die Rissverzweigung in den Film. Nach der Rissentstehung an der Grenzfläche setzt sich die Delamination entlang der Grenzfläche fort, da die Rissantriebskraft abnimmt. Bei sehr langen Rissen wird die Auskragung nachgiebiger, und es kann zum Bruch der Dünnschicht kommen
