KR20240035338A - 액체 토출 장치, 임프린트 장치 및 토출 방법 - Google Patents

Abstract

양호한 토출 상태를 얻을 수 있는 액체 토출 장치, 임프린트 장치 및 토출 방법을 제공한다. 이를 위해, 토출재의 사용 과정에서, 토출구면과 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 사이의 수두차(기준 높이)를 변경한다.

Description

액체 토출 장치, 임프린트 장치 및 토출 방법{LIQUID EJECTION APPARATUS, IMPRINT APPARATUS, AND EJECTION METHOD}

본 발명은 액체를 토출하는 액체 토출 장치, 임프린트 장치 및 토출 방법에 관한 것이다.

수용 용기에 수용된 액체를 토출 헤드로부터 토출하는 액체 토출 장치가 있다. 일본 특허 공개 공보 제2008-105360호는, 토출 헤드와 연통하는 서브 탱크 내의 압력을 부압으로 유지하기 위해서, 가요성 부재에 의해 서브 탱크의 내부를 잉크실과 부력 발생실로 분할하는 구성을 기재하고 있다. 부력 발생실 내에는, 비중이 작은 부낭이 가요성 부재에 연결되어 부착되어 있다. 일본 특허 공개 공보 제2008-105360호는 부낭의 부력을 이용하여 잉크실과 연통된 토출 헤드 내의 부압을 유지하는 기술을 기재하고 있다.

또한, 일본 특허 공개 공보 제2016-019930호는, 수용 용기가 토출 헤드로부터 토출되는 토출 액을 수용하는 액실과 액상 충전제를 수용하는 액실을 포함하고, 2개의 액실을 가요성 막에 의해 구획하는 구성을 기재하고 있다. 토출에 의해 수용 용기 내의 토출 액이 감소함으로써, 액상 충전제를 수용하는 액실의 압력이 변화한다. 일본 특허 공개 공보 제2016-019930호는 액상 충전제를 수용하는 액실의 압력을 허용 범위 내로 제어함으로써 토출 헤드 내의 부압을 유지하는 기술을 기재하고 있다.

토출에 의해 수용 용기 내의 토출재가 소비되는 경우, 토출재의 소비에 수반하여 가요성 부재가 변형된다. 변형이 일어나면, 가요성 부재의 저항력이 발생하고, 잉크실의 압력은 변화한다. 그리고, 토출재가 소비됨에 따라 가요성 부재의 저항력은 증가한다. 그러나, 일본 특허 공개 공보 제2008-105360호 및 제2016-019930호는 가요성 부재의 저항력에 대해서는 어떠한 것도 언급하지 않는다.

가요성 부재의 저항력을 고려하면, 토출 헤드에서의 압력은 이하의 식에 의해 표현될 수 있다.

토출 헤드에서의 압력=부력 발생실 내의 압력(액상 충전제를 수용하는 액실 내의 압력)(부압 A)+가요성 부재의 저항력(부압 B)

여기서, 토출재의 소비에 수반하여 부압 B가 강해지므로, 부압 A를 실질적으로 일정해지게 조절해도, 토출 헤드에서의 압력은 불가피하게 변화한다. 그 결과, 토출 성능도 변화하므로, 양호한 토출 상태가 얻어지지 않을 수 있다.

이를 해결하기 위해서, 본 발명은 양호한 토출 상태를 얻을 수 있는 액체 토출 장치, 임프린트 장치 및 토출 방법을 제공한다.

본 발명의 액체 토출 장치는, 토출재를 토출하도록 구성되는 토출구가 형성된 토출구면을 갖는 토출 헤드; 토출재를 수용하고 토출 헤드와 연통하는 제1 수용 공간, 및 가요성 부재에 의해 제1 수용 공간으로부터 분리되고 유압 유체를 수용하는 제2 수용 공간을 포함하는 수용 용기; 제2 수용 공간과 연통하며 제2 수용 공간에 유압 유체를 공급할 수 있는 서브 탱크; 유압 유체를 서브 탱크에 공급할 수 있는 메인 탱크로서, 토출구면은 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면보다 높은 위치에 배치되는, 메인 탱크; 및 토출구로부터의 토출재의 토출에 수반하여, 토출구면과 서브 탱크에서의 유압 유체의 액면의 높이를 변경하는 수두차 변경 유닛을 포함한다.

본 발명에 따르면, 양호한 토출 상태를 얻을 수 있는 액체 토출 장치, 임프린트 장치 및 토출 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 추가적인 특징은 첨부된 도면을 참고한 예시적인 실시형태에 대한 다음의 설명으로부터 명확해질 것이다.

도 1은 임프린트 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2는 액체 토출 장치로서 기능하는 토출 유닛을 도시하는 개략 구성도이다.
도 3은 토출 헤드에서의 토출구 주위의 영역의 확대도이다.
도 4는 제1 수용 공간에 발생하는 부압의 특성 곡선의 차트이다.
도 5는 제1 수용 공간 및 제1 막의 클리닝 단계를 도시하는 도면이다.
도 6은 제1 수용 공간에 발생하는 부압의 특성 곡선의 차트이다.
도 7a는 제1 수용 공간에 발생하는 부압의 특성 곡선의 차트이다.
도 7b는 기준 높이 표를 나타내는 도면이다.
도 8a는 제1 수용 공간에 발생하는 부압의 특성 곡선의 차트이다.
도 8b는 기준 높이 표를 나타내는 도면이다.

(제1 실시형태)

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시형태에 대해서 설명한다.

도 1은 본 실시형태에 적용가능한 임프린트 장치(101)의 구성을 도시하는 개략도이다. 임프린트 장치(101)는 반도체 디바이스 등의 각종 디바이스의 제조에 사용된다. 임프린트 장치(101)는 토출 유닛(10)을 포함한다. 토출 유닛(10)은 토출재(8)(레지스트)를 매체(61) 위로 토출한다. 토출재(8)는 자외선(108)을 수광함으로써 경화되는 성질을 갖는 광경화성 수지이다. 토출재(8)는 반도체 디바이스 제조 공정 등의 각종 조건에 따라 적절히 선택된다. 광경화성 수지 이외에도, 예를 들어, 열경화성 레지스트의 토출재를 사용할 수 있다. 이 경우, 임프린트 장치는 열에 의해 레지스트를 경화시킴으로써 임프린트 처리를 행하는 장치일 수 있다. 토출재(8)는 임프린트재라고도 지칭될 수 있다.

임프린트 장치(101)는 다음 일련의 처리를 포함하는 임프린트 처리를 행한다. 구체적으로는, 임프린트 장치(101)는 토출 유닛(10)이 토출재(8)를 매체(61) 위로 토출하게 한다. 그리고, 임프린트 장치(101)는, 매체(61) 위로 토출된 토출재(8)에 성형용의 패턴을 갖는 몰드(107)를 가압하고, 그 상태에서 광(자외선)의 조사에 의해 토출재(8)를 경화시킨다. 그 후, 경화된 토출재(8)로부터 몰드(107)를 분리하는 것에 의해, 몰드(107)의 패턴을 매체(61) 상에 전사한다.

임프린트 장치(101)는 광 조사 유닛(102), 몰드 보유지지 기구(103), 반송 유닛(62), 토출 유닛(10), 제어 유닛(106), 계측 유닛(122), 및 하우징(123)을 포함한다.

광 조사 유닛(102)은 광원(109) 및 광원(109)에 의해 방출된 자외선(108)을 보정하기 위한 광학 소자(110)를 포함한다. 광원(109)은, 예를 들어 i선 또는 g선을 발생시키는 할로겐 램프이다. 자외선(108)은 몰드(형)(107)을 통해서 토출재(8)에 조사된다. 자외선(108)의 파장은 경화될 토출재(8)에 따른 파장이다. 여기서, 레지스트로서 열경화성 레지스트를 사용하는 임프린트 장치의 경우, 광 조사 유닛(102)을 대신하여, 열경화성 레지스트를 경화시키기 위한 열원 유닛이 제공된다.

몰드 보유지지 기구(103)는 몰드 척(115) 및 몰드 구동 기구(116)를 포함한다. 몰드 보유지지 기구(103)에 의해 보유지지되는 몰드(107)는, 직사각형 외주 형상을 가지며, 매체(61)에 대면하는 그 면에는 패턴부(107a)를 포함한다. 패턴부(107a)에는, 전사해야 할 회로 패턴 등의 요철 패턴이 3차원적으로 형성되어 있다. 본 실시형태에서의 몰드(107)의 재료로서는, 자외선(108)이 통과할 수 있는 재료, 예를 들어 석영이 사용된다.

몰드 척(115)은 진공 흡착 또는 정전기력에 의해 몰드(107)를 보유지지한다. 몰드 구동 기구(116)는 몰드 척(115)을 보유지지하고 이동시킴으로써 몰드(107)를 이동시킨다. 몰드 구동 기구(116)는 몰드(107)를 -Z 방향으로 이동시켜서 몰드(107)를 토출재(8)에 가압할 수 있다. 또한, 몰드 구동 기구(116)는 몰드(107)를 +Z 방향으로 이동시켜서 몰드(107)를 토출재(8)로부터 분리할 수 있다. 몰드 구동 기구(116)에 채용가능한 액추에이터의 예는 리니어 모터 또는 에어 실린더이다.

몰드 척(115) 및 몰드 구동 기구(116)는 중심부에 개구 영역(117)을 갖는다. 몰드(107)는 자외선(108)이 조사되는 그 면에 오목한 형상의 캐비티(107b)를 갖는다. 몰드 구동 기구(116)의 개구 영역(117)에는 광 투과 부재(113)가 설치되어 있어, 광 투과 부재(113), 캐비티(107b), 및 개구 영역(117)에 의해 둘러싸이는 밀폐된 공간(112)이 형성된다. 공간(112) 내의 압력은 압력 보정 장치(도시되지 않음)에 의해 제어된다. 압력 보정 장치가 공간(112) 내의 압력을 외부보다 높고 설정하는 경우, 패턴부(107a)는 매체(61)를 향해서 볼록한 형상으로 휜다. 이에 의해, 패턴부(107a)의 중심부가 토출재(8)에 접촉하게 된다. 그 결과, 몰드(107)를 토출재(8)에 가압하는 과정에서, 패턴부(107a)와 토출재(8) 사이에 기체(공기)가 갇히는 것이 억제되고, 패턴부(107a)의 요철부가 토출재(8)로 완전히 충전될 수 있다. 공간(112)의 크기를 결정하는 캐비티(107b)의 깊이는 몰드(107)의 크기 또는 재료에 따라서 적절히 변경된다.

반송 유닛(62)은 기판 척(119), 기판 스테이지 하우징(120), 및 스테이지 기준 마크(121)를 포함한다. 기판 스테이지에 의해 보유지지되는 매체(61)는, 단결정 실리콘 기판 또는 SOI(silicon on insulator) 기판이며, 매체(61)의 처리 대상면에는 토출재(8)가 토출되어 패턴이 형성된다.

기판 척(119)은 매체(61)를 진공 흡착에 의해 보유지지한다. 기판 스테이지 하우징(120)은 기판 척(119)을 기계적 유닛에 의해 보유지지 하고 기판 척(119)을 X 방향 및 Y 방향으로 이동시킴으로써 매체(61)를 이동시킨다. 스테이지 기준 마크(121)는 매체(61)와 몰드(107)의 정렬에서 매체(61)의 기준 위치를 설정하기 위해서 사용된다.

기판 스테이지 하우징(120)을 위한 액추에이터로서는, 예를 들어 리니어 모터가 사용된다. 그 밖에도, 기판 스테이지 하우징(120)을 위한 액추에이터는 조동 구동 시스템 또는 미동 구동 시스템 등의 다수의 구동 시스템을 포함하는 구성을 가질 수 있다.

토출 유닛(10)은, 미경화 토출재(8)를 액체 상태에서 노즐로부터 토출하고 이에 의해 토출재(8)를 매체(61) 상에 도포한다. 본 실시형태는, 피에조 소자의 압전 효과를 이용해서 토출재(8)를 각각의 토출구로부터 압출하는 방식을 채용한다. 후술하는 제어 유닛(106)은, 각각의 피에조 소자를 구동시키는 구동 파형을 생성해서 구동 파형을 피에조 소자에 인가하고, 피에조 소자가 토출에 적합한 형상으로 변형되도록 피에조 소자를 구동한다. 다수의 노즐이 제공되며 각각 독립적으로 제어가능하다. 토출 유닛(10)의 노즐로부터 토출되는 토출재(8)의 양은, 매체(61) 상에 형성되는 토출재(8)의 원하는 두께, 매체(61) 상에 형성되는 패턴의 밀도 등에 따라 적절히 결정된다.

계측 유닛(122)은 정렬 계측기(127) 및 관찰용 계측기(128)를 포함한다. 정렬 계측기(127)는, 매체(61) 상에 형성된 정렬 마크와 몰드(107)에 형성된 정렬 마크 사이의 X 방향 및 Y 방향의 오정렬을 계측한다. 관찰용 계측기(128)는, 예를 들어 CCD 카메라 등의 촬상 장치이고, 매체(61)에 토출된 토출재(8)의 패턴의 화상을 촬상하며, 촬상된 화상을 화상 정보로서 제어 유닛(106)에 출력한다.

제어 유닛(106)은 임프린트 장치(101)의 모든 구성 요소의 동작을 제어한다. 제어 유닛(106)은, 예를 들어 CPU, ROM 및 RAM을 포함하는 컴퓨터로 구성된다. 제어 유닛(106)은 임프린트 장치(101)의 모든 구성 요소에 회선을 통해서 접속되고, CPU는 ROM에 기억된 제어 프로그램에 따라서 모든 구성 요소를 제어한다.

제어 유닛(106)은 계측 유닛(122)의 계측 정보에 기초하여 몰드 보유지지 기구(103), 반송 유닛(62) 및 토출 유닛(10)의 동작을 제어한다. 여기서, 제어 유닛(106)은 임프린트 장치(101)의 다른 유닛과 일체로 구성될 수 있거나 또는 임프린트 장치(101)와는 다른 장치로서 실현될 수 있다. 또한, 제어 유닛(106)은 1대의 컴퓨터가 아니고 다수의 컴퓨터로 구성될 수 있다.

하우징(123)은, 반송 유닛(62)이 장착되는 베이스 플레이트(63), 몰드 보유지지 기구(103)를 고정하는 브리지 정반(125), 및 베이스 플레이트(63)로부터 연장되고 브리지 정반(125)을 지지하는 지주(126)(도시되지 않음)를 포함한다.

임프린트 장치(101)는, 몰드(107)를 장치 외부로부터 몰드 보유지지 기구(103)에 반송하는 몰드 반송 기구(도시되지 않음), 및 매체(61)를 장치 외부로부터 반송 유닛(62)에 반송하는 기판 반송 기구(도시되지 않음)를 포함한다.

도 2는 액체 토출 장치로서 기능하는 액체 토출 유닛(10)을 나타내는 개략 구성도이다. 액체 토출 유닛(이하, 액체 토출 장치라고도 지칭함)(10)은, 대기와 연통하고 내부에 유압 유체(35)를 수용하는 메인 탱크(34), 및 대기와 연통하고, 메인 탱크(34)와 연통하는 것이 허용되며, 내부에 유압 유체(35)를 수용하는 서브 탱크(26)를 포함한다. 또한, 액체 토출 장치(10)는 서브 탱크(26)와 연통하는 토출재 수용 유닛(100)을 포함한다.

토출재 수용 유닛(100)은 토출재(8)를 수용하는 수용 용기(13) 및 수용 용기(13)에 부착되는 토출 헤드(14)를 포함한다. 여기서, 수용 용기(13)와 토출 헤드(14)는 별개의 유닛으로서 구성될 수 있거나 또는 단일 유닛으로서 통합될 수 있다. 수용 용기(13)는 카트리지식일 수 있다. 토출 헤드(14)는 토출 헤드의 외면(토출면)에서 개방되는 토출구(15)로부터 토출재(8)를 토출할 수 있다. 본 실시형태에서는, 토출구(15)는 토출 헤드(14)의 토출면에 1인치당 500개 내지 1000개의 밀도로 배치되어 있다.

액체 토출 장치(10)에서, 베이스 플레이트(63)에 장착된 반송 유닛(62)은 토출 헤드(14)의 토출면에 대면하도록 배치된다. 반송 유닛(62)은, 도시되지 않은 흡착 유닛의 사용에 의해, 토출재(8)의 부여 대상물인 매체(61)를 흡착 및 보유지지하면서 베이스 플레이트(63) 상을 이동함으로써 토출 헤드(14)에 대하여 매체(61)를 이동시킬 수 있다. 수용 용기(13)에 수용되는 토출재(8)는, 토출 헤드(14)의 토출구(15)로부터, 토출구(15)와 대면하는 위치에 반송된 매체(61)의 토출재 부여 영역에 토출된다. 이러한 방식으로, 원하는 토출재 패턴(예를 들어, 인쇄 화상)이 형성된다.

토출재(8)는, 예를 들어 액체 또는 액체-유사 물질이다. 토출재(8)는, 수용 용기(13) 내에서의 수용 또는 토출 헤드(14)로부터의 토출 동안 고체와는 달리 정해진 형상을 갖지 않고 유동성을 가지며, 기체와 같이 큰 체적 변화를 겪지 않는 물질이다. 토출재(8)는 페이스트-유사 물질 또는 고분자 재료 같은 물질일 수 있다. 본 실시형태의 토출재(8)로서, 잉크를 사용할 수 있다. 잉크의 비한정적인 예는, 화상 인쇄용의 잉크, 전자 회로 제조용의 도전성 잉크, 및 UV 경화성 잉크 같은 다양한 잉크를 포함한다. 도전성 잉크의 예는, 금속 입자를 포함하는 잉크, 특히 각각 수 내지 수십 nm의 금속 나노입자가 액체 중에 분산되어 있는 금속 나노잉크를 포함한다.

금속 나노잉크의 예는 은 나노잉크이다. 또한, 토출재(8)의 예는 임프린트재이다. 반도체 디바이스 등의 제조 프로세스에 대해, 패턴이 패터닝된 몰드(형)를 기판 상의 임프린트재에 접촉시켜, 몰드의 형상을 임프린트재에 전사함으로써 패턴을 형성하는 소위 임프린트 기술이 있다. 임프린트재로서는, 광경화성 수지 또는 열경화성 수지 등으로 이루어진 레지스트가 사용된다. 상술한 바와 같은 토출재(8)는 수용 용기(13) 내의 제1 수용 공간(5)에 수용된다.

통상 액체와 비교해서 임프린트재에서는 허용되는 이물 크기 및 허용되는 금속 이온의 함량이 작기 때문에, 임프린트재는 높은 레벨의 청정도를 유지한 채로 토출되는 것이 요구된다. 따라서, 초기에 관리되고 수용 용기(13)에 밀봉된 임프린트재는, 임프린트재가 외부와의 접촉이나 압력 센서 등과 같은 디바이스와 접촉되지 않음으로써 이물 및 금속 이온의 증가를 억제하는 상태에서 소비되는 것이 바람직하다.

유압 유체(35)는, 기체에 비하여 외부 온도 및 압력으로 인한 밀도(체적)의 변화가 무시할 수 있을 만큼 작은 비압축성 물질이다. 그 때문에, 토출 장치 주변의 주위 온도 또는 주위 압력이 변화해도, 유압 유체(35)의 체적은 거의 변화하지 않는다. 유압 유체(35)로서는, 예를 들어 물과 같은 액체 및 겔-유사 물질로부터 선택되는 물질을 사용할 수 있다. 통상, 토출재(8)의 밀도와 유압 유체(35)의 밀도 사이의 차는 토출재(8)의 밀도와 기체의 밀도 사이의 차에 비하여 작다.

액체 토출 장치(10)를 인쇄 장치의 잉크 토출 장치로서 사용하는 경우, 토출재(8)로서는 당연히 잉크가 사용되지만, 유압 유체(35)로서는 고가인 잉크를 사용할 필요는 없고 잉크의 비중에 가까운 비중을 갖는 물을 사용할 수 있다. 더 구체적으로는, 물의 부패 및 세균의 번식을 방지하기 위해서, 방부 첨가제가 첨가된 물을 유압 유체(35)로서 사용할 수 있다. 유압 유체(35)는 수용 용기(13) 내에서 제2 수용 공간(6)에 수용되어 있다.

도 3은 토출 헤드(14)에서의 토출구(15) 주위의 영역의 확대도이다. 토출 헤드(14)에서, 토출구(15) 각각에 제공된 압력실(19)에는 도시되지 않은 액추에이터가 실장되어 있다. 액추에이터는, 토출재(8)를 미세 액적, 예를 들어 1 pL(피코리터)의 액적으로서 토출 가능한 에너지를 발생시키면 되고, 그 구체예는 피에조 소자(압전 소자) 또는 발열 저항 소자이다.

피에조 소자를 사용하는 경우, 발열 저항 소자를 사용하는 경우와 비교해서 토출 특성에 대한 온도 변화(온도 상승)의 영향이 작으므로, 고온 하에서의 사용이 가능하다. 그러므로, 고점성 수지 같은 매우 다양한 토출재를 사용할 수 있다. 한편, 발열 저항 소자를 사용하는 경우, 일반적으로 제조 비용이 상대적으로 낮을 수 있다. 본 실시형태에서의 액추에이터는 피에조 소자이며, 피에조 소자를 구동 및 제어함으로써 압력실(19) 내부의 용적을 변화시키고 압력실(19) 내부의 토출재를 토출구(15)로부터 토출시킨다. 피에조 소자는 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 기술을 사용해서 실현될 수 있다.

압력실(19) 각각은 공통 액실(20)과 연통한다. 공통 액실(20)은 수용 용기(13)의 제1 수용 공간(5)과 연통한다. 토출구(15)로부터 토출되는 토출재(8)는, 제1 수용 공간(5)으로부터 공통 액실(20)을 거쳐서 압력실(19)에 공급된다. 토출 헤드(14)는 토출 헤드(14)와 제1 수용 공간(5) 사이에 어떠한 제어 밸브도 포함하지 않는다. 제1 수용 공간(5)의 내부 압력은 토출 헤드(14)의 토출구(15) 외부의 대기압(주위 압력)보다 낮은 부압이 되도록 제어된다. 이 부압 제어 하에, 토출구(15) 각각 내의 토출재(8)는, 외기와의 계면에서 메니스커스(17)를 형성하고, 의도하지 않는 타이밍에서의 토출구(15)로부터의 누출(적하)이 방지된다. 본 실시형태에서는, 제1 수용 공간(5)의 내부 압력은 주위 압력보다 0.40±0.04 kPa만큼 낮은 부압이 되게 제어된다.

수용 용기(13)(도 2 참조)의 외곽 및 내부 용적은 하우징(11)과 하우징(12)에 의해 규정된다. 제1 막(1)과 제2 막(2)으로 구성되는 가요성 부재(가요성 막)(3)가 수용 용기(13)의 내부 공간을 제1 수용 공간(5)과 제2 수용 공간(6)으로 수직 방향으로 구획하는 구획 부재로서 하우징(11)과 하우징(12) 사이에 제공된다. 가요성 부재(3)는 막 층상 구조를 포함하는 다층 구성을 갖는다. 제1 및 제2 막 각각은 10 내지 100 μm의 두께를 갖는 박막이다.

하우징(11)은 하우징(12)에 대면하는 측에서 개방되는 제1 개구부 및 토출 헤드(14)에 대면하는 측에서 개방되는 제2 개구부를 포함한다. 하우징(12)에 대면하는 측에서 개방되는 제1 개구부는 제1 막(1)에 의해 완전히 덮이고 밀봉되며, 하우징(11)의 내면과 제1 막(1)의 사이에는 제1 수용 공간(5)이 형성된다. 제2 개구부는 토출 헤드(14)의 공통 액실(20)과 연통하여, 제1 수용 공간(5)은 토출 헤드(14)를 통해서 외부 공간과 연통한다. 제1 수용 공간(5)은 토출재(8)에 의해 충전되며, 토출재(8)와 외기 사이의 계면은 도 3에 나타내는 바와 같이 토출구(15) 내부에 위치결정된다.

도 2로 되돌아가면, 하우징(12)은 하우징(11)에 대면하는 측에서 개방되는 개구부를 갖는다. 이 개구부는 제2 막(2)에 의해 완전히 덮이고 밀봉되며, 하우징(12)의 내면과 제2 막(2) 사이에는 제2 수용 공간(6)이 형성된다. 제2 수용 공간(6)은 유압 유체(35)로 충전된다. 제2 수용 공간(6)은, 배관(24)을 통해서 서브 탱크(26)의 내부와 연통하고, 제어 밸브(21) 및 펌프(22)를 포함하는 배관(23)을 통해서 서브 탱크(26)의 내부와 연통하는 것이 허용되게 구성된다. 서브 탱크(26)는, 유압 유체(35)를 수용하는 액체 수용 유닛이며, 서브 탱크(26)가 연통하는 제2 수용 공간(6)에 유압 유체(35)를 공급할 수 있도록 구성된다. 유압 유체(35)는 제2 수용 공간(6) 내에서 액상 충전제로서 기능한다. 제1 막(1) 및 제2 막(2)은 각각 제1 수용 공간(5)과 제2 수용 공간(6) 사이의 구획 벽으로서 기능한다.

제1 막(1) 및 제2 막(2)에 사용하는 막 재료는 습윤성 등의 관점에서 토출재(8) 및 유압 유체(35)에 대하여 내성이 있는 임의의 재료일 수 있다. 예를 들어, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(PFA), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE), 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 테플론(등록 상표)계 불소수지를 사용할 수 있다. 그 추가의 예는 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리비닐 알코올(PVAL), 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC), 및 나일론 같은 폴리아미드 합성 수지를 포함한다. 제1 막(1) 및 제2 막(2)은 동일한 재료(재료 유형 및 두께) 또는 상이한 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 막(1)에는 토출재(8)에 대하여 내성이 있는 PFA와 같은 재료를 사용할 수 있고, 제2 막(2)에는 유압 유체(35)에 대하여 내성이 있는 나일론계 재료를 사용할 수 있다.

제1 막(1)과 제2 막(2) 사이에는 막간 플레이트(9)가 제공된다. 막간 플레이트(9)에는 제1 막(1)과 제2 막(2) 사이의 막간 간극과 연통하는 관통 구멍이 제공되어 있고, 막간 배출 배관(41)에 연통 상태에서 접속된다. 막간 간극의 압력은, 막간 배출 배관(41)과 부압 발생 부재(43)가 접속되는 배관의 도중에 있는 압력 센서(42)에 의해 감시되고, 제1 수용 공간(5) 및 제2 수용 공간(6)의 압력 이하인 원하는 부압이 되게 제어된다. 구체적으로는, 막간 간극의 압력은, 제1 수용 공간(5)의 내부 압력보다 낮은 압력인 것이 바람직하고, -5 kPa 내지 -30 kPa의 압력 범위로부터 선택되는 일정한 부압이 되게 제어된다.

제1 수용 공간(5)과 제2 수용 공간(6) 사이에서 내부 압력 차가 발생할 때마다, 가요성 제1 막(1) 및 가요성 제2 막(2)은 함께 더 낮은 압력측으로 이동하고 이상적으로는 내부 압력 차의 소멸에 응답하여 이동을 정지하는 움직임을 반복한다. 그러므로, 제1 수용 공간(5) 및 제2 수용 공간(6)의 내부 압력은 서로 실질적으로 동일하게 유지될 수 있다.

수용 용기(13) 내부의 조건에 대해서 더 구체적으로 설명한다. 토출 헤드(14)로부터 토출재(8)가 토출되면, 그 토출된 토출재(8)만큼 토출재(8)의 체적이 감소되고, 따라서 제1 수용 공간(5)의 내부 압력이 낮아진다. 이때, 제2 수용 공간(6)의 내부 압력은 제1 수용 공간(5)의 내부 압력보다 높다. 가요성 제1 막(1) 및 가요성 제2 막(2)은, 부압 발생 부재(43)에 의해, 막간 간극의 내부 압력으로서, 제1 수용 공간(5)의 내부 압력보다 낮은 부압을 형성한다. 그 때문에, 제1 수용 공간(5)의 내부 압력의 저하에 응답하여, 제1 막(1) 및 제2 막(2)이 함께 제1 수용 공간(5)측으로 이동한다. 동시에, 서브 탱크(26)로부터 배관(24)을 통해서 유압 유체(35)가 제2 수용 공간(6) 내로 흡인된다. 그 결과, 이상적으로는, 제1 수용 공간(5) 및 제2 수용 공간(6)의 내부 압력은 실질적으로 동등해지고 다시 서로 평형이 된다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 서브 탱크(26)는 배관(24)을 통해 외부 공간과 연통하고 있고, 대기압과 동등한 내부 압력을 갖는다. 서브 탱크(26)의 내부와 제2 수용 공간(6)이 서로 연통하는 배관(24)에는 유압 유체(35)가 충전되어 있고, 수직 방향에서의 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 위치(이하, "액면 높이"라고도 지칭함)는 토출 헤드(14)의 토출구(15)보다 낮은 위치로 설정되어 있다. 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 위치와 토출구(15)가 개방되는 토출면의 위치 사이의 차(수직 방향의 거리)를 ΔH로 나타낸다. 본 실시형태에서는, 토출구(15) 내에서 토출재(8)의 메니스커스(17)가 형성되는 상태(도 3에 나타내는 상태)를 유지하도록 차(ΔH)를 설정한다. 즉, 토출재(8)가 토출구(15)로부터 외부로 누출 또는 적하될 수 없거나, 또는 메니스커스(17)가 과도하게 내측부로(예를 들어, 공통 액실 근방으로) 인입될 수 없도록 차(ΔH)를 설정한다. 구체적으로는, 제1 수용 공간(5)의 내부 압력이 주위 압력보다 0.40±0.04 kPa만큼 낮은 값으로 제어될 수 있도록 높이 차(ΔH)를 40±4 mm로 설정한다.

높이 차(ΔH)는 적절히 설정될 수 있다. 본 실시형태는, 상술한 바와 같이, 약 1 pL 이하의 액량을 토출할 수 있는 인쇄 장치에 적용가능한 토출 장치이다. 예를 들어, 토출재(8)가 화상 인쇄용의 잉크일 경우, 토출구(15)의 직경은 약 10 μm(마이크로미터)의 직경이다. 또한, 본 실시형태에서는, 토출재(8) 및 유압 유체(35)는 각각 물의 밀도와 대략 동일한 밀도를 갖는다. 본 실시형태에서는, 이러한 조건 하에서, 토출구(15) 내에 토출재(8)의 메니스커스(17)를 형성하기 위해서, 높이 차(ΔH)를 상기 40 mm±4 mm의 범위 내로 설정한다. 여기서, 예를 들어, 낮은 해상도를 갖는 인쇄 장치에서의 토출구(15)의 직경은 수십 μm이며, 수지 등을 토출재(8)로서 사용하는 3D 프린터에서의 토출구의 직경은 수백 μm이다. 이와 같이, 액체 토출 장치가 각각 적용되는 장치 모델 간에 토출구(15)의 직경이 상이하고, 토출재(8)의 물성(예를 들어, 밀도, 점성 등) 또한 그들 간에 상이하다. 따라서, 중력, 모세관력, 표면 장력 등의 영향의 관점에서, 토출 장치가 적용되는 대상에 따라 높이 차(ΔH)(기준 높이)는 적절히 설정된다.

본 실시형태에서는, 기준 액면 높이(기준 높이)에 대하여 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이가 미리결정된 범위 밖으로 벗어나는 경우에 보정 동작이 실행된다. 상기의 예에서는, 기준 액면 높이(토출구(15)보다 40 mm 낮은 위치)에 대하여, 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이가 미리결정된 범위(기준 액면 높이의 ±4 mm) 밖으로 벗어나는 경우에, 보정 동작이 실행된다. 보정 동작은, 메인 탱크(34)와 서브 탱크(26) 사이에서 유압 유체(35)를 이동시킴으로써 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이를 미리결정된 범위로 조정하는 "액면 조정" 동작이다.

서브 탱크(26)에는, 액면 센서(44)(액면 검지 유닛)가 제공되어 있다. 본 실시형태에서의 액면 센서(44)는 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이 및 그 변화(위치 변화)를 검지할 수 있다. 메인 탱크(34)와 서브 탱크(26)는 제어 밸브(31) 및 펌프(32)를 포함하는 배관(33)을 통해서 서로 연통되는 것이 허용된다. 액체 토출 장치(10)는, 제어 유닛(36)에 의해, 제어 밸브(31) 및 펌프(32)를 구동하고, 이에 의해 서브 탱크(26)의 유압 유체(35)의 액면 높이를 원하는 범위 내로 제어한다(액면 조정). 구체적으로는, 액면 센서(44)가 서브 탱크(26)의 유압 유체(35)의 액면 높이가 미리결정된 범위 아래로 낮아진 것을 검지하는 경우, 제어 밸브(31)는 개방되고, 펌프(32)가 구동되어, 메인 탱크(34)로부터 서브 탱크(26)에 유압 유체(35)를 공급한다.

한편, 액면 센서(44)가 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이가 미리결정된 범위 내에 있는 것을 검지하는 경우, 펌프(32)의 구동을 정지하고 제어 밸브(31)를 폐쇄함으로써 메인 탱크(34)로부터 서브 탱크(26)로의 유압 유체(35)의 공급을 멈춘다. 또한, 제어 밸브(31)와 펌프(32)를 제어함으로써 유압 유체(35)를 서브 탱크(26)로부터 메인 탱크(34)로 복귀시킬 수도 있다. 이러한 방식으로, 서브 탱크(26) 내의 액면 높이는 미리결정된 범위 내로 유지된다.

메인 탱크(34) 아래에는 메인 탱크(34) 내의 유압 유체(35)의 중량 변화를 계측하는 중량계(37)가 배치되어 있다. 제어 유닛(36)은, 중량계(37)의 계측 결과에 기초하여 토출 헤드(14)의 토출구(15)로부터 토출된 토출재(8)의 양을 취득한다. 중량계(37)가 제공되는 구성 대신에, 제어 유닛(36)은 펌프(32)에 의해 전송되는 액량의 누적값을 취득함으로써 제1 수용 공간(5) 내의 토출재(8)의 잔량을 산출할 수 있다. 제어 유닛(36)은, 토출재(8)의 잔량이 기준량에 도달하는 경우, 수용 용기(13)의 교체를 촉구하는 메시지를 표시하거나 경보를 발행함으로써 유저에게 수용 용기(13)의 교체 시기의 도달을 알린다. 그 결과, 제1 수용 공간(5) 내의 토출재(8)의 부족으로 인한 액체 토출 장치의 정지를 방지할 수 있다.

서브 탱크(26)는, 그 내부 천장면(수직 방향에서의 최상부)이 토출 헤드(14)의 토출구(15)보다 수직 방향에서 낮아지도록 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 배치에 의해, 상기 액면 조정에 의해 서브 탱크(26)에 풀 레벨까지 메인 탱크(34)로부터 유압 유체(35)가 공급되는 경우에도, 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 위치가 토출구(15)의 토출면의 위치보다 결코 높아지지 않는다. 구체적으로는, 서브 탱크(26)의 천장면은 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이를 제한하기 때문에, 유압 유체(35)의 액면과 토출구(15) 사이의 수직 방향에서의 상대적인 위치 관계(고저 관계)가 유지되고, 높이 차(ΔH)는 결코 0(제로)에 도달하지 않는다. 이에 의해, 제1 수용 공간(5) 및 제2 수용 공간(6)의 내부 압력을 주위 압력보다 낮은 부압으로 유지하는 것이 가능하게 되고, 토출구(15)로부터의 토출재(8)가 누출 및 적하되는 것을 방지할 수 있다.

제2 수용 공간(6)과 서브 탱크(26)는, 배관(24)을 통해서 서로 연통되며, 제어 밸브(21) 및 펌프(22)를 포함하는 배관(23)을 통해서도 서로 연통되는 것이 허용된다. 수용 용기(13)를 액체 토출 장치(10)에 대하여 한 번 분리하고 다시 부착하는 경우, 배관(24)에 기포가 들어갈 수 있다. 그 경우에는, 제어 밸브(21)를 개방하고 펌프(22)를 동작시켜 배관(24), 제2 수용 공간(6) 및 배관(23)을 통해서 유압 유체(35)를 순환시키고 이에 의해 유압 유체(35)를 서브 탱크(26)에 보냄으로써 배관(24) 내의 기포를 제거할 수 있다. 제어 밸브(21)는 펌프(22)를 사용하지 않는 경우에 폐쇄되고 펌프(22)를 사용하는 경우에 개방된다.

펌프(22) 및 펌프(32)의 예는 시린지 펌프, 튜브 펌프, 다이어프램 펌프, 기어 펌프 등을 포함한다. 단, 펌프(22) 및 펌프(32)는 액체 전송 유닛의 기능을 갖고 있으면 되고 펌프에 한정되는 것은 아니다. 액체 토출 장치에 적합한 어떠한 액체 전송 유닛도 선택할 수 있다.

도 4는 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 위치와 토출구(15)가 개방되는 토출면의 위치 사이의 높이 차(ΔH)가 일정하게 유지되는 조건 하에서 제1 수용 공간(5)에 발생하는 부압의 특성 곡선의 차트이다. 도 4에서, 횡축은 제1 수용 공간(5) 내의 토출재(8)의 사용량을 나타내고, 종축은 제1 수용 공간(5)의 내부 압력을 나타낸다.

부압 특성은 크게 3개의 압력 변동 영역(A, B, 및 C)으로 구분된다. 압력 변동 영역(A)은, 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 위치와 토출구(15)의 토출면의 위치 사이의 차로 인해 제1 수용 공간(5)에 발생하는 부압(수두압)보다 높은 큰 정압이 발생하고 있는 상태로부터 개시된다. 압력 변동 영역(A)은 토출재(8)의 사용 개시 후 초기에 급격하게 압력이 낮아지는(부압이 강해지는) 영역이다. 초기에, 제1 수용 공간(5)에는 토출재(8)가 충전(초기 충전)되고, 제1 수용 공간(5) 측으로 편향된 제1 막(1) 및 제2 막(2)은 제2 수용 공간(6) 측으로 이동하며, 제1 막(1)과 제2 막(2)은 초기 변형으로 인해 큰 저항력을 가한다. 그 때문에, 초기에, 일시적으로 제1 수용 공간(5)에 큰 정압이 발생한다. 토출재(8)의 토출(조정용의 토출)에 의해, 압력은 부압(수두압)과 대략 동등한 압력(P1)을 향해서 감소한다.

압력 변동 영역(B)은 토출재(8)의 토출에 수반하는 부압의 변화가 거의 없는 영역이며, 토출재(8)의 사용량에 대한 압력 변화는 거의 선형 거동을 나타낸다. 제1 막(1)과 제2 막(2)의 변형은 완만하게 일어나기 때문에 저항력은 작다. 압력 변동 영역(C)은, 급격하게 압력이 낮아지는(부압이 강화되는) 영역이다. 제1 막(1)과 제2 막(2)이 제2 수용 공간(6) 측으로의 이동을 거의 완료하면, 제2 수용 공간(6)의 용적은 매우 작아지기 때문에 제1 막과 제2 막의 이동이 제한되며, 제1 막(1) 및 제2 막(2)의 변형이 용이하지 않기 때문에 저항력이 크다.

액체 토출 장치(10)는, 토출재의 사용 개시 타이밍이 압력 변동 영역(b1)의 개시 위치(V1)와 일치할 수 있도록 제1 수용 공간(5) 내의 토출재(8)의 수용량을 조정한다. 압력 변동 영역(b1)의 종료 위치(V2)는, 토출구(15)의 토출면의 위치와 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 위치 사이의 차에 의해 제1 수용 공간(5)에 발생하는 부압(수두압)과 대략 동등한 압력(P1)보다 0.2 kPa 낮은 압력(P2)을 갖는 범위에 있다. 압력(P1)으로부터 압력(P2)까지의 범위 밖(미리결정된 범위 밖)에서는 안정적인 토출을 행할 수 없다. 그 때문에, 제1 수용 공간(5)에 발생하는 부압을 압력(P1)으로부터 압력(P2)까지의 미리결정된 범위 내에 유지하고 미리결정된 범위 내의 압력 하에서 토출을 행하는 것이 바람직하다. 제1 막(1)과 제2 막(2)의 조합에 따라서는, 종료 위치(V2)는 압력 변동 영역(b1)이 압력 변동 영역(B)을 넘어 연장되고 압력 변동 영역(C)의 일부와 겹치도록 될 수 있다.

압력(P2)은 압력(P1)보다 0.2kPa 낮은 압력에 한정되는 것이 아니고, 적절히 설정되는 것이 바람직하다는 것에 유의한다.

수두차를 사용해서 부압을 발생시키는 일반적인 액체 토출 장치에서는, 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면이 초기에 조정된 미리결정된 범위에 고정된다. 압력이 안정적인 토출이 가능한 압력 변동 영역 밖으로 벗어날 때마다, 토출 용기 내의 수용량(잔량)에 관계없이 토출 용기에 토출재가 보충된다. 그러나, 이 방법은 토출재의 사용에 따라 변형하는 가요성 부재의 저항력을 고려하지 않고 안정적인 토출에 실패할 수 있다.

그러므로, 본 실시형태에서는, 수용량과 가요성 부재의 저항력을 포함하는 제1 수용 공간(5) 내의 압력(P3) 사이의 관계를 미리 취득하고, 토출재(8)의 사용량(제1 수용 공간(5)의 내부 압력)에 기초하여 서브 탱크(26)의 유압 유체(35)의 액면 높이(기준 높이)를 변경한다. 이하, 이 방법에 대해서 설명한다.

본 실시형태에서의 액체 토출 장치(10)는, 제1 수용 공간(5) 내의 토출재(8)의 사용량(V3)으로부터 제1 수용 공간(5) 내의 수용량(잔량)을 산출하고, 수용량과 가요성 부재의 저항력(변형량)을 포함하는 제1 수용 공간(5) 내의 압력(P3) 사이의 관계를 미리 취득한다. 제1 수용 공간(5) 내의 토출재 수용량과 압력 사이의 관계 정보는, 예를 들어 액체 토출 장치(10)에 토출재(8)를 충전하기 전에 제1 수용 공간(5)의 내부 및 제1 막(1)의 표면에 부착된 파티클을 제거하는 클리닝 단계 등의 과정에서 취득된다.

도 5는 제1 수용 공간(5) 및 제1 막(1)의 클리닝 단계를 도시하는 도면이다. 하우징(11)은 배관(51) 및 배관(54)을 통해 클리닝 액체를 수용하는 클리닝 액체 탱크(57)의 내부와 연통하고 있다. 배관(51)의 도중에 제어 밸브(52) 및 펌프(53)가 배치되어 있다. 배관(54)의 도중에 압력 센서(55) 및 제어 밸브(56)가 배치되어 있다. 제1 수용 공간(5)에 클리닝 액체를 공급하기 위해서, 제어 밸브(52) 및 제어 밸브(56)가 개방된 상태에서 펌프(53)에 의해 클리닝 액체 탱크(57) 내의 액체를 송액한다. 이때, 제1 수용 공간(5) 내에 존재하는 기체는 배관(54)을 통해서 클리닝 액체 탱크(57)에 전송되고 클리닝 액체 탱크(57)의 천장에 제공된 대기 개구부로부터 해방된다. 또한, 제1 수용 공간(5)에 클리닝 액체를 공급하는 경우, 제1 수용 공간(5) 내의 클리닝 액체의 수용량에 따라 제2 수용 공간(6) 내에 수용되는 유압 유체의 양을 조정한다.

제2 수용 공간(6)에는 유압 유체를 충전하고, 제1 수용 공간(5)의 내부를 충전하기 위한 액체는 함유된 금속 이온의 농도가 1 ppm 이하인 초순수 등의 액체인 것이 바람직하다. 클리닝에서 충전되는 액체는, 제1 수용 공간(5) 내에 충전되기 직전에, 크기가 수십 nm 이상인 이물을 제거하기 위해 파티클 제거 필터 등을 통해 여과된다. 클리닝 단계에서는, 부압 발생 부재(43)는 제1 막(1)과 제2 막(2) 사이의 막간 간극의 압력을 액체 토출 장치(10)의 사용시와 동일한 압력(부압)으로 조정하기 위해 압력 제어를 행한다. 또한, 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이는 원하는 위치로 조정된다. 그 후, 제1 막(1)과 제2 막(2)이 제2 수용 공간(6) 측으로 편향되어 있는 상태(초기 충전 상태)의 수용량을 계측하고, 그 후 토출 헤드(14)에 의해 클리닝 액체를 토출한다. 이와 같이 하여, 제1 수용 공간(5) 및 제1 막(1)의 클리닝한다.

상기와 같은 클리닝 단계에서, 제1 수용 공간(5) 내의 압력은 압력 센서(55)에 의해 계측된다. 그리고, 제1 막(1) 및 제2 막(2)이 변화되어 제2 수용 공간(6) 측으로부터 제1 수용 공간(5) 측으로의 이동을 거의 완료(토출재 사용 완료 상태)한 상태에서, 토출재(8)의 사용량(수용량)을 취득한다. 이와 같이, 사용량(수용량)과 압력 사이의 관계는 다수 회 계측된다. 이와 같이 취득된 계측 정보는 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 위치의 액면 조정을 행하는 제어 유닛(36)에 기억된다.

클리닝 단계는 토출 헤드(14)가 수용 용기(13)에 부착되기 전에 행해질 수 있다. 이 경우, 하우징(11)의 제2 개구부가 밀봉되고, 제어 밸브(56)가 폐쇄되며, 제어 밸브(52)가 개방된 상태에서, 펌프(53)에 의해 제1 수용 공간(5) 내의 액체를 배출함으로써 제1 수용 공간(5) 내의 수용량과 압력 사이의 관계에 대한 정보를 취득한다.

상기와 같은 클리닝 단계의 실행은, 이동 중 제1 막(1) 및 제2 막(2)의 저항력의 감소 및 변동을 억제하기 위한 시운전 동작(break-in operation)(에이징)의 역할도 하며, 또한 압력 변동 영역(b1)의 토출재의 사용량을 증가시키는 효과도 생성한다.

본 실시형태에서는, 제어 유닛(36)은 계측된 제1 수용 공간(5) 내의 토출재(8)의 잔량(사용량)으로부터 제1 수용 공간(5) 내의 압력을 취득한다. 그리고, 안정적인 토출이 가능한 압력 변동 영역을 확장(토출재의 사용가능량을 증가)시키도록 취득된 제1 수용 공간(5) 내의 압력에 기초하여 서브 탱크(26)의 유압 유체의 액면 높이(기준 높이)를 변경한다. 이것은 수두차를 변경(수두차 변경)하는 것으로 바꿔 말할 수 있다.

서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이 또한 ±4 mm의 범위 내에서 최대 8 mm 변동하기 때문에, 제1 수용 공간(5) 내에는 수두압의 변화가 최대 0.08 kPa 발생한다. 토출재의 사용가능량을 증가시키도록 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이를 변경하는 경우, 액면 높이의 변동을 고려하는 것이 바람직하다.

도 6은 제1 수용 공간(5)에 발생하는 부압의 특성 곡선의 차트이다. 본 실시형태에서의 액체 토출 장치(10)에서는, 압력 변동 영역(B)의 압력 변동 구배가 완만해지게(도 6의 실선 참조) 미리 취득된 제1 수용 공간(5) 내의 토출재(8)의 잔량과 압력 사이의 관계 정보에 기초하여 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이를 적절히 상승시킨다. 구체적으로는, 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이가 미리결정된 범위 밖으로 벗어나는 경우, 그때의 제1 수용 공간(5) 내의 토출재(8)의 잔량에 기초하여 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이를 변경한다.

그 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이, 액면 높이의 상승에 의해 수두압이 상승하기 때문에, 제1 수용 공간(5)에 발생하는 부압을 약화시킬 수 있다. 따라서, 도 6에 파선에 의해 나타내는 바와 같이 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이를 변경하지 않을 경우의 토출재 사용가능 영역(b1)과 비교하여, 영역(b2)까지 확장된 토출재 사용가능 영역에서 안정적인 토출을 행할 수 있다.

본 실시형태는 서브 탱크(26) 내의 액면 높이를 변경함으로써 수두차를 변경하는 예를 설명했지만, 실시형태는 이 예에 한정되지 않는다. 실시형태는 서브 탱크(26)의 위치(높이)를 변경함으로써 수두차를 변경하는 구성을 채용할 수 있다.

본 실시형태에 따른 토출 방법은, 예를 들어 반도체 디바이스 등의 마이크로 디바이스, 미세 구조를 갖는 소자 등을 포함하는 물품을 제조하기에 적합하다. 또한, 본 실시형태에 따른 토출 방법은 기판 상의 수지에 몰드를 접촉시킴으로써 임프린트 장치에 의해 기판 상에 패턴을 형성하는 패턴 형성 단계를 포함한다. 또한, 제조 방법은, 패턴이 형성된 기판을 처리하는 다른 주지의 단계(산화, 막 형성, 증착, 도핑, 평탄화, 에칭, 레지스트 제거, 다이싱, 본딩, 및 패키징 등)를 포함할 수 있다.

본 실시형태에서의 토출 방법은 관련 기술의 방법에 비하여 제조하는 물품의 성능, 품질, 생산성, 및 생산 비용 중 적어도 하나에서 유리하다.

상술한 바와 같이, 토출재의 사용 과정에서, 토출구면과 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 사이의 수두차(기준 높이)가 변경된다. 이에 따라, 양호한 토출 상태를 얻을 수 있는 액체 토출 장치, 임프린트 장치, 및 토출 방법을 제공할 수 있다.

(제2 실시형태)

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 제2 실시형태를 설명한다. 본 실시형태의 기본적인 구성은 제1 실시형태와 동일하기 때문에, 이하에서는 특징적인 구성에 대해서 설명한다.

도 7a는 본 실시형태에서 제1 수용 공간(5)에 발생하는 부압의 특성 곡선의 차트이다. 본 실시형태의 액체 토출 장치(10)는 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이를 상승시키는 타이밍에 있어서 제1 실시형태와 상이하다.

본 실시형태의 액체 토출 장치(10)에서는, 압력 변동 영역(b1)의 위치(V1)에서의 압력(P1)의 상태에서 토출재(8)의 토출을 개시하고, 압력이 압력 변동 영역(b1)의 종료 위치(V2)에서의 압력(P2)에 도달하는 경우 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이를 상승시킨다. 본 실시형태에서는, 도 7b에 나타내는 바와 같이, 기준 높이(40 mm)가 10 mm만큼 상승되고, 수두차(ΔH)가 30 mm로 변경된다. 이에 의해, 제1 수용 공간(5) 내의 압력은 P1로 복귀한다.

따라서, 토출재(8)의 사용량이 압력 변동 영역(b1)의 종료 위치(V2)에 도달한 후에도, 제1 수용 공간(5) 내의 압력이 안정적인 토출이 가능한 압력 변동 영역 내가 된다. 이에 의해, 토출재(8)의 사용 영역을 b3으로 확장할 수 있고 따라서 토출재 사용량을 V4까지 증가시키는 것이 가능하다. 본 실시형태에서는, 토출재(8)를 사용하는 기간(적합한 압력하에서의 토출재(8)의 토출이 가능한 기간)에서 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이를 1회만 변경한다(1회 변경한다). 이에 의해 액면 높이를 변경하기 위해 토출을 멈추는 시간(다운타임)을 최소화하는 것이 가능하다.

액면 높이의 상승량은 압력 P1 - 압력 P2의 압력차에 대응하는 양에 한정되는 것은 아니고, 액면 높이 상승 후의 제1 수용 공간(5) 내의 압력이 압력(P1) 이하가 되도록 P1-P2 이하의 압력차에 대응하는 임의의 높이로 액면 높이를 변경할 수 있다.

(제3 실시형태)

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 제3 실시형태를 설명한다. 본 실시형태의 기본적인 구성은 제1 실시형태와 동일하기 때문에, 이하에서는 특징적인 구성에 대해서 설명한다.

도 8a는 본 실시형태에서 제1 수용 공간(5)에 발생하는 부압의 특성 곡선의 차트이다. 본 실시형태의 액체 토출 장치(10)는 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이를 상승시키는 타이밍이 제1 및 제2 실시형태와 상이하다.

본 실시형태의 액체 토출 장치(10)에서는, 압력 변동 영역(b1)의 위치(V1)에서의 압력(P1)의 상태로부터 토출재(8)의 토출을 개시한다. 그리고, 토출재 사용량이 소정량(미리결정된 양)의 토출재(8)가 토출(미리결정된 양의 토출)된 위치(Va)에 도달하면, 제1 수용 공간(5) 내의 압력이 압력(P1)으로 복귀하도록 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이를 상승시킨다. 그 후, 토출재 사용량이 양(Va)으로부터 Vb(Va-V1=Vb-Va가 유지)에 도달하는 경우, 제1 수용 공간(5) 내의 압력이 압력(P1)으로 복귀하도록 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이를 다시 상승시킨다. 동일한 동작을 토출재 사용량이 Vz에 도달할 때까지 반복한다. 이에 의해 안정적인 토출이 가능한 압력 변동 영역을 b4로 확장할 수 있고 따라서 토출재 사용량을 V5까지 증가시키는 것이 가능하게 된다.

본 실시형태에서는, 토출재(8)의 사용량이 소정량(미리결정된 양)에 도달할 때마다, 상술한 바와 같이 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이를 변경한다. 도 4를 사용해서 설명한 바와 같이, 토출재(8)의 사용 개시 위치(V1)로부터 시작되는 압력 변동 영역(B)에서는, 제1 수용 공간(5) 내의 압력과 토출재(8)의 사용량 사이의 관계가 거의 선형적으로 변화한다. 따라서, 서브 탱크(26) 내의 유압 유체(35)의 액면 높이를 상승시키고 나서 다음에 액면 높이를 상승시킬 때까지의 압력 변화의 경향은 거의 일정하다. 또한, 압력 변동이 작은 상태를 V1로부터 Vy까지의 기간에 유지할 수 있기 때문에, 예를 들어 토출 속도 및 토출량과 같은 토출 성능의 변동을 감소시킬 수 있다.

본 발명을 예시적인 실시형태를 참고하여 설명하였지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시형태로 한정되지 않음을 이해해야 한다. 다음의 청구항의 범위는 모든 이러한 변형 및 동등한 구성과 기능을 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.

Claims (13)

1. 액체 토출 장치이며,
   토출재를 토출하도록 구성된 토출구가 형성되어 있는 토출구면을 갖는 토출 헤드;
   상기 토출재를 수용하고 상기 토출 헤드와 연통하는 제1 수용 공간, 및 가요성 부재에 의해 상기 제1 수용 공간으로부터 분리되고 유압 유체를 수용하는 제2 수용 공간을 포함하는 수용 용기;
   상기 제2 수용 공간과 연통하며 상기 제2 수용 공간에 유압 유체를 공급할 수 있는 서브 탱크;
   유압 유체를 상기 서브 탱크에 공급할 수 있는 메인 탱크로서, 상기 토출구면은 상기 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면보다 높은 위치에 배치되는, 메인 탱크; 및
   상기 토출구로부터의 토출재의 토출에 수반하여, 상기 토출구면과 상기 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면의 높이를 변경하는 수두차 변경 유닛을 포함하는 액체 토출 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 수두차 변경 유닛은 상기 메인 탱크로부터 상기 서브 탱크에 유압 유체를 공급함으로써 상기 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면의 높이를 변경하는 액체 토출 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 수용 공간 내의 압력과 상기 토출구로부터 토출된 토출재의 양 사이의 관계를 기억하는 기억 유닛을 더 포함하는 액체 토출 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 토출구로부터 토출된 토출재의 양을 취득하는 취득 유닛을 더 포함하고,
   상기 수두차 변경 유닛은, 상기 취득 유닛에 의해 취득된 토출재의 양, 및 상기 기억 유닛에 기억되어 있는 상기 제1 수용 공간 내의 압력과 상기 토출구로부터 토출된 토출재의 양 사이의 관계에 기초하여, 상기 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면의 높이를 변경하는 액체 토출 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 수두차 변경 유닛은, 상기 제1 수용 공간 내의 수용량이 변화하여 상기 제1 수용 공간 내의 압력이 미리결정된 범위 밖으로 벗어나는 액체 수용량에 도달하는 경우, 상기 제1 수용 공간 내의 압력이 상기 미리결정된 범위 내로 되도록 상기 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면의 높이를 변경하는 액체 토출 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 수두차 변경 유닛은, 토출재를 사용하는 기간에, 상기 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면의 높이를 1회 변경하는 액체 토출 장치.
7. 제5항에 있어서,
   상기 수두차 변경 유닛은, 상기 토출구로부터 제1 수용 공간 내의 토출재의 미리결정된 양의 토출에 응답하여, 상기 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면의 높이를 변경하는 액체 토출 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 서브 탱크는 액면을 검지하는 액면 검지 유닛을 포함하는 액체 토출 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 가요성 부재는 상기 제1 수용 공간의 일부를 형성하는 제1 막과 상기 제2 수용 공간의 일부를 형성하는 제2 막을 포함하는 액체 토출 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 토출재는 열경화성 수지로 이루어진 레지스트인 임프린트재인 액체 토출 장치.
11. 액체 토출 장치이며,
    토출재를 토출하도록 구성된 토출구가 형성된 토출구면을 갖는 토출 헤드;
    토출재를 수용하고 상기 토출 헤드와 연통하는 제1 수용 공간, 및 가요성 부재에 의해 상기 제1 수용 공간으로부터 분리되고 유압 유체를 수용하는 제2 수용 공간을 포함하는 수용 용기;
    상기 제2 수용 공간과 연통하고 상기 유압 유체를 상기 제2 수용 공간에 공급할 수 있는 서브 탱크; 및
    유압 유체를 상기 서브 탱크에 공급할 수 있는 메인 탱크를 포함하고,
    상기 토출구면은 상기 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면보다 높은 위치에 배치되며;
    변형된 상기 가요성 부재의 변형량에 대응하는 상기 제1 수용 공간에서의 압력에 기초하여, 상기 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면의 높이가 변경되는 액체 토출 장치.
12. 임프린트 장치이며,
    토출재를 토출하도록 구성된 토출구가 형성되어 있는 토출구면을 갖는 토출 헤드,
    토출재를 수용하고 상기 토출 헤드와 연통하는 제1 수용 공간, 및 가요성 부재에 의해 상기 제1 수용 공간으로부터 분리되고 유압 유체를 수용하는 제2 수용 공간을 포함하는 수용 용기,
    상기 제2 수용 공간과 연통하고 유압 유체를 상기 제2 수용 공간에 공급할 수 있는 서브 탱크, 및
    유압 유체를 상기 서브 탱크에 공급할 수 있는 메인 탱크
    를 포함하는 액체 토출 유닛;
    몰드의 요철 패턴에 대응하는 패턴을 형성하는 패턴 형성 유닛으로서, 상기 토출구면은 상기 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면보다 높은 위치에 배치되는, 패턴 형성 유닛; 및
    상기 토출구로부터의 토출재의 토출에 수반하여, 상기 토출구면과 상기 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면의 높이를 변경하는 수두차 변경 유닛을 포함하는 임프린트 장치.
13. 토출 방법이며,
    토출 헤드의 토출구면에 형성된 토출구로부터 토출재를 토출하는 단계;
    상기 토출 헤드와 연통하는 제1 수용 공간에 토출재를 수용하고, 가요성 부재에 의해 상기 제1 수용 공간으로부터 분리된 제2 수용 공간에 유압 유체를 수용하는 단계;
    상기 제2 수용 공간과 연통하는 서브 탱크로부터 상기 제2 수용 공간에 유압 유체를 공급하는 단계;
    메인 탱크로부터 상기 서브 탱크에 유압 유체를 공급하는 단계; 및
    상기 토출구면을 상기 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면보다 높은 위치에 배치하는 단계를 포함하며,
    상기 토출구로부터의 토출재의 토출에 수반하여, 상기 토출구면과 상기 서브 탱크 내의 유압 유체의 액면의 높이가 변경되는 토출 방법.

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