Основная идея способа — обеспечить устойчивое контролируемое формообразование при выращивании кристалла практически любого необходимого сечения. Получение ленточного кристалла иллюстриру­ется на рис. 3.1, а и 4.1 [13]. Принцип формообразования сформулиро­ван А. В. Степановым следующим образом: "Форма или элемент фор­мы, которую желательно получить, создается в жидком состоянии за счет различных эффектов, позволяющих жидкости сохранить форму, затем сформированный так объем жидкости переводится в твердое состояние в результате подбора соответствующих условий кристаллизации" [14].

В частности, в способе Степанова хорошее формообразование достигается за счет создания ограничиваемого мениском 7 устойчивого "жидкого столбика" в необходимой конфигурации между расплавом и растущим кристаллом (см. рис. 4.1). Для этого используется специальный конструктивный элемент 2 — формообразователь (ФО). В его функции входит также ограничение области свободной поверхности расплава и размера ее возможных возмущений, обеспечение подачи расплава к фронту кристаллизации и устойчивости процесса вытяжки (роста).

При выращивании пластин и лент в качестве формообразователя используются конструкции типа "поплавка" или закрепленной "филье­ры" с продольным щелевым отверстием.

Рис. 4.1. Авторская иллюстрация способа Степанова [13].

1 — свободная поверхность расплава в тигле; 2 — формообразователь; 3 — уровень подня­тия расплава; 4 — фронт кристаллизации; 5 — растущий ленточный кристалл; 6 — столб расплава; 7 — мениск. Стрелкой показано направление вытягивания.

В процессе формирования мениска участвуют две основные силы: гравитационная и поверхностного натяжения. Если направление дейст-‘ вия гравитации неизменно, то действие сил поверхностного натяжения зависит от смачиваемости расплавом материала ФО и растущего кри­сталла (от угла смачивания — 0, см. табл. 4.1).

Существенное влияние на форму мениска оказывают также давле­ние, под которым расплав подается в формообразователь (в частности — глубина погружения ФО); форма пьедестала; положение и форма фронта кристаллизации; форма затравки (по отношению к форме отверстия в ФО); равновесный угол кристаллизации [8, 9]. Поэтому отверстие в ФО не вполне однозначно определяет форму выращиваемого кристал­ла. Поднятие столбика расплава с помощью избыточного давления или увеличения размера затравки применяется в случае несмачиваемого ФО (0 > 90°). Если материал ФО смачивается расплавом (0 < 90°), то подача расплава к фронту кристаллизации может осуществляться по отверстию — капилляру, т. е. за счет сил поверхностного натяжения, а не давления.

Продольные сечения ФО и мениска, соответствующие различным вариантам формообразования, представлены нарис. 4.2 [8].

Нижнее сечение мениска фиксируется или внешними кромками ФО (см. рис. 4.2, д, «—левый, л) или при помощи его внутренних кромок (см. рис. 4.2, б, г, ж, «—правый), боковых поверхностей (см. рис. 4.2, а, е),

или того и другого (см. рис. 4.2, в, и). Случаи г, д, к, л соответствуют смачиваемому ФО; а, б, е,ж — несмачиваемому; в, к — внутренняя часть ФО смачивается расплавом, а внешняя — нет. Когда мениск зацепляется за верхнюю кромку (б, г, д, к, л), желательно иметь острый край ФО, поскольку формообразующим здесь является весь контур наружной горизонтальной поверхности ФО.

При выращивании кремниевых пластин и лент в качестве конст­рукционного материала ФО используется исключительно графит (0< 90°, см. табл. 4.1), а верхняя часть ФО — "фильера" — выполняется в виде узкой щели с открытыми торцами (см. рис. 4.3-4.5,4.7-4.9).

Форма затравки существенна лишь при стационарном режиме вы­тягивания. В этом случае ее поперечное сечение должно совпадать с сечением изделия, которое намечено получить в пределах размеров ФО. При выращивании сложного профиля в качестве затравки может быть использован смачиваемый стержень, труба и др., задачей которого является только поднять столбик расплава над уровнем ФО [8].