JP7197897B2 - コントロール弁のシートリーク検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体システムが備えるコントロール弁のシートリーク検知方法に関し、特に圧力式の流量制御装置に用いられるコントロール弁のシートリーク検知方法に関する。

半導体製造装置や化学プラントにおいて、材料ガスやエッチングガス等の流量を制御するために、種々のタイプの流量計および流量制御装置が利用されている。このなかで圧力式流量制御装置は、コントロール弁と絞り部（例えばオリフィスプレート）とを組み合せた比較的簡単な機構によって各種流体の流量を高精度に制御することができるので広く利用されている。

特許文献１には、絞り部の上流側に設けられた圧力センサを用いて流量を制御するように構成された圧力式流量制御装置が開示されている。圧力式流量制御装置は、絞り部の上流の圧力に基づいて絞り部の下流側に流れる流体の流量の制御を行うので、ガスの付着や腐食により絞り部の口径の変化などが生じたときには、流量制御の精度が低下する。このため、従来、絞り部の状態を判断するための自己診断機能を備えた圧力式流量制御装置が開発されている。

特許文献２には、圧力式流量制御装置の自己診断方法が開示されている。特許文献２に記載の自己診断方法では、流量制御用のコントロール弁と、下流側の下流バルブとを閉じた後、オリフィス上流の圧力とオリフィス下流の圧力とが収束して平衡状態に達したときの収束圧力および収束時間をそれぞれの基準値と比較することによって、異常の有無を検知している。

より具体的には、上記の異常の検知方法では、平衡状態に達するまでの収束時間が短くなった場合、オリフィスの拡大が生じたと判断し、収束時間が長くなった場合、オリフィスの詰まりが生じたと判断している。また、収束圧力が高くなるとともに収束時間が長くなった場合は、上流側のコントロール弁にシートリーク（弁の完全閉時においても弁体と弁座の間からガスが漏れ出る現象）が生じていると判断している。

特開２００４－２１２０９９号公報 国際公開第２０１７／１１００６６号 国際公開第２０１８／０７０４６４号 国際公開第２０１３／１７９５５０号

圧力式流量制御装置において、コントロール弁としては、任意開度に調整可能な例えばピエゾ素子駆動型のバルブが用いられている。ただし、任意開度に調整可能はバルブは、ＡＯＶ（Ａｉｒ Ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｖａｌｖｅ）や電磁弁などの開閉弁（オンオフ弁）に比べると完全閉時の遮断性が低いことが多い。このため、一般的には、流量制御装置の下流側に、より遮断性の高いＡＯＶや電磁弁などの下流開閉弁が設けられている。下流開閉弁を用いれば、ガスの停止を確実に行うことができるので、コントロール弁にシートリークが生じたとしてもその影響を受けることがない。

例えば、特許文献２に開示されたようなコントロール弁が一つだけ設けられた圧力式流量制御装置においては、シートリーク量が制御流量以下であれば、シートリークは流量制御の精度に対しては影響を与えない。

一方、特許文献３には、並列接続された２つの流路のそれぞれに、コントロール弁、絞り部および圧力センサから形成される流量制御ユニットを設けて、大流量レンジと小流量レンジとを別々の流路で流量制御を行うように構成された流量制御装置が記載されている。このような並列流路を有する流量制御装置では、一方の流路で流量制御を行っているときには、他方の流路のコントロール弁を完全に閉じて流路を遮断しておくことがある。例えば、小流量レンジでの流量制御を行う場合、大流量レンジの流路におけるコントロール弁は閉じておく必要がある。

特許文献３に開示された流量制御装置において、大流量レンジの流量制御を行うためのコントロール弁にシートリークが生じていると、小流量レンジで流量制御を行うときに、リーク分の流量が加算される。このため、想定している以上の流量のガスが実際には流れることになり、流量制御の精度が著しく低下してしまうという問題がある。

並列流路を有する流量制御装置における流量制御精度の低下を防止するためには、各流路においてコントロール弁の下流側に下流遮断弁をそれぞれ設けることが考えられる。しかしながら、流量制御装置は、半導体製造装置のプロセスチャンバの近傍に配置される場合、できるだけ小型化する必要がある。このため、下流遮断弁を各流路に設けることは装置の小型化の観点から容易ではなく、また、各流路に下流遮断弁を設ける構成を採用すると製造コストが増加するという問題がある。

したがって、特に上記のような並列流路を有する流量制御装置においては、シートリークが制御流量に影響を与えるため、コントロール弁のシートリークを検知できることが重要であり、比較的簡単な構成、好ましくは現状の流量制御装置の構成を利用して、コントロール弁のシートリークを検知することができれば有利である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、流体システムにおいて、流量制御装置を構成するコントロール弁のシートリークを適切に検知する方法を提供することをその主たる目的とする。

本発明の実施形態によるシートリーク検知方法は、絞り部、前記絞り部の上流側に設けられたコントロール弁、前記絞り部の上流側かつ前記コントロール弁の下流側に設けられた第１圧力センサ、前記絞り部の下流側に設けられた第２圧力センサ、前記コントロール弁の上流側に設けられた流入圧力センサ、および、前記コントロール弁を制御する制御回路を含む流量制御装置と、前記第２圧力センサの下流側に設けられた下流開閉弁と、前記流入圧力センサの上流側に設けられた上流開閉弁とを備える流体システムにおいて行われる、前記コントロール弁のシートリークの検知方法であって、前記流入圧力センサが出力する流入圧力が前記第２圧力センサが出力する下流圧力よりも大きい状態において、前記上流開閉弁、前記下流開閉弁、および、前記コントロール弁を開状態から閉状態に変化させるステップ（ａ）と、前記上流開閉弁、前記下流開閉弁、および、前記コントロール弁を閉状態に維持したまま、前記流入圧力センサによって測定される流入圧力、前記第１圧力センサによって測定される上流圧力、または、前記第２圧力センサによって測定される下流圧力のうちの少なくとも１つを測定するステップ（ｂ）と、前記第１圧力センサが出力する前記上流圧力と前記第２圧力センサの出力する前記下流圧力とが平衡圧力に達した後の、前記流入圧力の時間変化、前記上流圧力の時間変化、または、前記下流圧力の時間変化のうちの少なくともいずれかに基づいて、前記コントロール弁のシートリークを検知するステップ（ｃ）とを含む。

ある実施形態において、前記流量制御装置は、共通流入路と、共通流出路と、前記共通流入路と共通流出路との間に設けられた互いに並列な複数の並列流路とを有し、前記複数の並列流路のそれぞれに、前記絞り部、前記コントロール弁、および、前記第１圧力センサが設けられ、前記流入圧力センサは、前記共通流入路の圧力を測定し、前記第２圧力センサは、前記共通流出路の圧力を測定するように構成されており、前記ステップ（ａ）は、前記複数の並列流路のそれぞれに設けられた前記コントロール弁を全て閉状態に変化させるステップを含む。

ある実施形態において、前記複数の並列流路のそれぞれに設けられた絞り部は、それぞれ異なる流路断面積を有し、前記流量制御装置の流量制御時において前記複数の並列流路のそれぞれに設けられたコントロール弁のうちの１つが開いているときには他のコントロール弁を閉じるように構成されている。

ある実施形態において、前記ステップ（ａ）においては、前記上流開閉弁、前記下流開閉弁、および、前記コントロール弁には同時に閉命令が与えられる。

ある実施形態において、前記ステップ（ａ）においては、前記コントロール弁が閉じられてから所定時間経過後に、前記上流開閉弁および前記下流開閉弁に同時に閉命令が与えられる。

ある実施形態において、前記ステップ（ｃ）においては、前記流入圧力の時間変化および前記下流圧力の時間変化の双方に基づいてシートリークを検知する。

ある実施形態において、前記シートリークの検知は、前記流入圧力の時間変化が所定の閾値以上となり、かつ、前記下流圧力の時間変化が所定の閾値以上となったときに、シートリークが生じていると判断することによって行う。

ある実施形態において、前記コントロール弁は、ピエゾ素子駆動式バルブであり、前記上流開閉弁および前記下流開閉弁は、空気駆動弁、電磁弁、または、電動弁のいずれかである。

ある実施形態において、上記のシートリークの検知方法は、前記流入圧力の時間変化、前記上流圧力の時間変化、または、前記下流圧力の時間変化の少なくともいずれかに基づいて、リーク流量を演算するステップをさらに包む。

ある実施形態において、上記のシートリークの検知方法は、前記シートリークが検知されたときに警報を行うステップをさらに含む。

本発明の実施形態によれば、流体システムにおいて、流量制御装置を構成するコントロール弁のシートリークを適切に検知することができる。

本発明の実施形態に係る流体システムを模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る流量制御装置を模式的に示す図である。 コントロール弁を閉じた後の上流圧力と下流圧力との変化を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るシートリーク検知方法を説明するための図であり、（ａ）は上流開閉弁および下流開閉弁の開閉動作を示し、（ｂ）はコントロール弁の開閉動作を示し、（ｃ）は、流入圧力Ｐ０、上流圧力Ｐ１、下流圧力Ｐ２の変化を示す。 上流開閉弁および下流開閉弁を閉鎖したあとの流入圧力Ｐ０、上流圧力Ｐ１および下流圧力Ｐ２の時間変化を示すグラフである。 上流開閉弁および下流開閉弁を閉鎖したあとの流入圧力Ｐ０、上流圧力Ｐ１および下流圧力Ｐ２の時間変化を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るシートリーク検知方法を示す例示的なフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、半導体製造装置を構成する本発明の実施形態による流体システム１００を示す。流体システム１００は、ガス供給源２と、ガス供給源２から供給されるガスの流量を制御するための流量制御装置１０と、流量制御装置１０を介してガスが供給されるプロセスチャンバ４と、プロセスチャンバ４に接続された真空ポンプ６とを備えている。

真空ポンプ６は、プロセスチャンバ内および流路内を真空引きするために用いられる。また、ガス供給源２からは、原料ガス、エッチングガスまたはキャリアガスなどの半導体の製造プロセスに用いられる種々のガスがプロセスチャンバ４に供給される。なお、図１には１系統のガス供給ラインのみが示されているが、プロセスチャンバ４には多数のガス供給ラインが接続されていてもよいことは言うまでもない。

流体システム１００において、流量制御装置１０の上流側には上流開閉弁Ｖ１が設けられており、流量制御装置１０の下流側には下流開閉弁Ｖ２が設けられている。流体システム１００は、流量制御装置１０の上流側および下流側の両方で流路を遮断することができるように構成されている。上流開閉弁Ｖ１および下流開閉弁Ｖ２としては、遮断性および応答性が良好なバルブを用いることが好適であり、例えば、空気駆動弁（ＡＯＶ）、電磁弁（ソレノイドバルブ）、または電動弁などのオンオフ弁が用いられる。

図２は、流体システム１００の流量制御装置１０の詳細構成および流量制御装置１０の両側に配置された上流開閉弁Ｖ１および下流開閉弁Ｖ２を示す。なお、図示する態様では、上流開閉弁Ｖ１および下流開閉弁Ｖ２は流量制御装置１０の外側に設けられているが、これらは、流量制御装置１０の内部に組み込まれていてもよい。

図２に示すように、流量制御装置１０は、共通流入路１１と共通流出路１２とを有している。共通流入路１１と共通流出路１２との間には、並列流路としての第１流路１３ａと第２流路１３ｂとの２つの流路が設けられている。第１流路１３ａおよび第２流路１３ｂは、共通流入路１１および共通流出路１２に連通しており、共通流入路１１から分岐するとともに共通流出路１２へと合流するように形成されている。各流路１１、１２、１３ａ、１３ｂは、例えば、金属製ブロックに設けられた細穴によって形成されるが、配管によって形成されていてもよい。

流量制御装置１０において、第１流路１３ａおよび第２流路１３ｂのそれぞれに、圧力式の流量制御ユニット２０ａ、２０ｂが設けられている。流量制御ユニット２０ａ、２０ｂは、それぞれ、コントロール弁Ｖｃａ、Ｖｃｂ、コントロール弁Ｖｃａ、Ｖｃｂの下流側に設けられた絞り部（ここではオリフィスプレート）２２ａ、２２ｂ、および、コントロール弁Ｖｃａ、Ｖｃｂと絞り部２２ａ、２２ｂとの間の圧力を測定する第１圧力センサ２４ａ、２４ｂを有している。

本実施形態において、第１流路１３ａは、大流量のガスを流すときに用いられる流路であり、第２流路１３ｂは、小流量のガスを流すときに用いられる流路である。具体的には、第１流路１３ａに設けられた絞り部２２ａの口径が、第２流路１３ｂに設けられた絞り部２２ｂの口径よりも大きく形成されている。また、コントロール弁Ｖｃａ、Ｖｃｂのサイズも、制御流量の大きさに対応して、コントロール弁Ｖｃａがコントロール弁Ｖｃｂよりも大きく設計されている。

流量制御装置１０が制御可能な流量の最大値を１００％（フルスケール流量）としたとき、大流量用の第１流路１３ａは、例えば、５～１００％の流量範囲で流量制御を行うときに用いられ、小流量用の第２流路１３ｂは、例えば、１～５％の流量範囲で流量制御を行うときに用いられる。なお、上記の大流量と小流量とで異なる流路で切り替えて流量制御を行う流量制御装置は、特許文献３に詳細に開示されており、本実施形態においても同様の構成を採用することができる。

また、流量制御装置１０は、両流路のコントロール弁Ｖｃａ、Ｖｃｂおよび第１圧力センサ２４ａ、２４ｂに接続された共通の制御回路２６を有している。制御回路２６は、回路基板上に設けられたＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ（記憶装置）、Ａ／Ｄコンバータ等を含んでおり、後述する動作を実行するように構成されたコンピュータプログラムを含んでいてよく、ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによって実現され得る。制御回路２６は、流量制御ユニット２０ａ、２０ｂの動作を独立して制御できる限り任意の態様を有していてよく、流量制御ユニット２０ａ、２０ｂのそれぞれに別々の制御回路が設けられていてもよい。制御回路２６の一部または全ての構成要素は、流量制御ユニット２０または流量制御装置１０の外部に設けられていてもよく、上流開閉弁Ｖ１および下流開閉弁Ｖ２の動作を制御するための外部制御ユニットの一部として設けられていてもよい。

以下、流量制御ユニット２０ａ、２０ｂをまとめて流量制御ユニット２０と記載し、絞り部２２ａ、２２ｂをまとめて絞り部２２と記載し、コントロール弁Ｖｃａ、Ｖｃｂをまとめてコントロール弁Ｖｃと記載し、第１圧力センサ２４ａ、２４ｂをまとめて第１圧力センサ２４と記載することがある。

流量制御装置１０は、また、第１および第２流路１３ａ、１３ｂに共通するものとして、流量制御ユニット２０のコントロール弁Ｖｃの上流側に設けられた流入圧力センサ２３と、流量制御ユニット２０の絞り部２２の下流側に設けられた第２圧力センサ２５とを備えている。本実施形態において、流入圧力センサ２３は、共通流入路１１に設けられ、第２圧力センサ２５は、共通流出路１２に設けられている。ただし、これに限られず、流入圧力センサ２３および第２圧力センサ２５の一方または両方は、いずれかの流量制御ユニット２０の内部に組み込まれていてもよい。

第１圧力センサ２４は、コントロール弁Ｖｃと絞り部２２との間の流路の圧力（上流圧力Ｐ１、Ｐ１’）を測定することができ、第２圧力センサ２５は、絞り部２２の下流側の圧力（下流圧力Ｐ２）を測定することができる。また、流入圧力センサ２３は、共通流入路１１に接続されたガス供給源２（例えば原料気化器）から供給されるガスの圧力（流入圧力Ｐ０）を測定することができ、ガス供給量または供給圧を調整するために用いることができる。

コントロール弁Ｖｃは、例えば、弁体としての金属製ダイヤフラムと、これを駆動する駆動装置としてのピエゾ素子（ピエゾアクチュエータ）とによって構成されたピエゾ素子駆動式バルブであってよい。ピエゾ素子駆動式バルブは、ピエゾ素子への駆動電圧に応じて開度を変更することが可能なように構成されており、駆動電圧の制御により任意開度に調整することが可能である。また、第１圧力センサ２４、第２圧力センサ２５、および、流入圧力センサ２３は、例えばシリコン単結晶のセンサチップとダイヤフラムとを内蔵するものであってよい。

本実施形態において、絞り部２２は、オリフィスプレートによって構成されている。オリフィスプレートは、オリフィス断面積が固定されているので、開度が固定された絞り部として機能する。本明細書において、「絞り部」とは、流路の断面積を前後の流路断面積より小さく制限した部分を意味し、例えば、オリフィスプレートや臨界ノズル、音速ノズル、スリット構造などを用いて構成されるが、他のものを用いて構成することもできる。オリフィスまたはノズルの径は、例えば１０μｍ～５００μｍに設定される。

以上のように構成された流量制御ユニット２０は、第１圧力センサ２４によって測定された上流圧力Ｐ１、Ｐ１’に基づいてコントロール弁Ｖｃの開度を制御することによって、絞り部２２の下流側に流れるガスの流量を制御するように構成されている。

具体的には、大流量のガスの流量制御を行う時は、コントロール弁Ｖｃｂを閉じて第２流路１３ｂを遮断するとともに、第１流路１３ａに設けた流量制御ユニット２０ａのコントロール弁Ｖｃａを第１圧力センサ２４ａの出力に基づいて開度調整を行うことによって流量制御を行う。同様に、小流量のガスの流量制御を行う時は、コントロール弁Ｖｃｂを閉じて第１流路１３ａを遮断するとともに、第２流路１３ｂに設けた流量制御ユニット２０ｂのコントロール弁Ｖｃｂを第１圧力センサ２４ｂの出力に基づいて開度調整を行うことによって流量制御を行う。

なお、大流量のガスの流量制御は、コントロール弁Ｖｃｂを開けて第２流路１３ｂを開通させた上で、コントロール弁Ｖｃａの開度調整によって、第１流路１３ａおよび第２流路１３ｂを流れるガスの全量の流量制御を行うようにしてもよい。ただし、流量制御の精度を向上させるためには、小流量側の流路をコントロール弁Ｖｃｂによって遮断して、流路を切り替えて流量制御を行うことが好ましい。

流量制御装置１０における流量制御は、公知の圧力式流量制御装置と同様の方法によって行うことができる。臨界膨張条件（Ｐ１≧約２×Ｐ２：アルゴンガスの場合）を満たすときには、流量Ｑ＝Ｋ１Ｐ１（Ｋ１は流体の種類と流体温度に依存する比例係数）の関係にしたがって第１圧力センサ２４の出力（すなわち上流圧力）Ｐ１から演算流量を求め、演算流量が設定流量と同じになるようにコントロール弁Ｖｃをフィードバック制御する。

また、非臨界膨張条件下では、流量Ｑ＝Ｋ２Ｐ２^m（Ｐ１－Ｐ２）ⁿ（Ｋ２は流体の種類と流体温度に依存する比例係数、指数ｍ、ｎは実際の流量から導出された値）の関係にしたがって第１圧力センサ２４の出力（すなわち上流圧力）Ｐ１および第２圧力センサ２５の出力（すなわち下流圧力）Ｐ２から演算流量を求め、演算流量が設定流量と同じになるようにコントロール弁Ｖｃをフィードバック制御すればよい。

また、図示しないが、流量制御ユニット２０は、ガスの温度を測定するための温度センサを有していてよい。温度センサとしては、例えばサーミスタを用いることができる。温度センサの出力は、制御回路２６においてより精度高く流量を検出するために用いられ得る。

上記のように一方の流路のみをガスが流れるようにするために、他方の流路に設けられたコントロール弁Ｖｃは完全に閉じることができるように構成されていることが好適である。このために、コントロール弁Ｖｃのシート（弁座）として樹脂製（例えば、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＥＴＦＥ）製）のシートを用いてもよい。樹脂製のシートを用いれば、コントロール弁を閉じたときの気密性を向上させることができるので、流路切り替えを好適に行うことができる。また、コントロール弁の弁体（金属ダイヤフラム）におけるシートとの当接面に、樹脂製の薄膜を形成しておいてもよい。

ただし、コントロール弁Ｖｃのシートリークが生じたときには不具合が生じるため、上記のような対策をとったとしてもシートリークの発生を検知できることは重要である。以下、流量制御装置１０を含む流体システム１００において、コントロール弁Ｖｃのシートリークを検知する方法を説明する。

シートリークの検知は、まず、開いている状態の上流開閉弁Ｖ１、下流開閉弁Ｖ２、および、流量制御ユニット２０を構成するコントロール弁Ｖｃを、全て閉じることによって開始される。ただし、上記のように第１流路１３ａおよび第２流路１３ｂが設けられている場合には、流量制御を行っていない方の流路のコントロール弁Ｖｃは、最初から閉じられていてもよい。

上流開閉弁Ｖ１、下流開閉弁Ｖ２、およびコントロール弁Ｖｃが開いているとき、典型的には、流入圧力Ｐ０は上流圧力Ｐ１よりも大きく、上流圧力Ｐ１は下流圧力Ｐ２よりも大きい。下流圧力Ｐ２は例えば５ｋＰａ ａｂｓ以下の真空圧に設定され、上流圧力Ｐ１は設定流量に応じた例えば１０ｋＰａ～３００ｋＰａ ａｂｓに設定されている。このような圧力に設定されてガスが流れている状態から、本実施形態では、上流開閉弁Ｖ１、下流開閉弁Ｖ２、および、コントロール弁Ｖｃに対して閉命令を同時に出力する。

コントロール弁Ｖｃを閉じる動作は、例えば、外部制御装置から流量制御装置１０に送られる設定流量を０に設定することによって行うことができる。また、上流開閉弁Ｖ１および下流開閉弁Ｖ２は例えば外部制御装置によって閉状態に設定される。この動作は、流量を０に設定する制御、または、ガス供給を停止するときの通常の制御として実行されてよい。ガス供給を停止する制御は、例えば、半導体製造における１プロセス終了時などに実行される。

図３は、ガス流通状態から、上流開閉弁Ｖ１、コントロール弁Ｖｃおよび下流開閉弁Ｖ２を閉じた後の、上流圧力Ｐ１および下流圧力Ｐ２の変化を示すグラフである。図３に示すように、上流開閉弁Ｖ１、コントロール弁Ｖｃおよび下流開閉弁Ｖ２が時刻ｔ０に閉じられ、その後、各弁が閉状態に維持されているとき、上流圧力Ｐ１はガス流通状態の初期圧力から降下し、下流圧力Ｐ２はガス流通状態の初期圧力から上昇し、すなわち、絞り部２２を介して差圧が解消するように圧力変動が生じる。そして、両側の弁Ｖｃ、Ｖ２の閉状態が維持されているので、上流圧力Ｐ１および下流圧力Ｐ２は、時間の経過とともに実質的に同じ平衡圧力Ｐ’に収束する。ここでは、収束した時刻を時刻ｔ１とする。

ただし、コントロール弁Ｖｃにシートリークが生じている場合、上流開閉弁Ｖ１と下流開閉弁Ｖ２とが閉状態に維持されているので、コントロール弁Ｖｃの上流側の流入圧力Ｐ０はリークに伴って低下し、上流圧力Ｐ１、Ｐ１’および下流圧力Ｐ２は平衡圧力Ｐ’に達した後にもリークに伴って増加する。したがって、これらの圧力の時間変化、特に、第１圧力センサ２４の出力する上流圧力Ｐ１と第２圧力センサ２５の出力する下流圧力Ｐ２とが平衡圧力に達した後の流入圧力Ｐ０および下流圧力Ｐ２の時間変化に基づいて、コントロール弁Ｖｃのシートリークを検知することが可能である。

図４は、本実施形態によるシートリーク検知方法を説明するための図であり、（ａ）は上流開閉弁Ｖ１および下流開閉弁Ｖ２の開閉動作を示し、（ｂ）はコントロール弁Ｖｃの開閉動作を示し、（ｃ）は、流入圧力Ｐ０、上流圧力Ｐ１、下流圧力Ｐ２の変化を示す。

図４（ａ）に示すように、上流開閉弁Ｖ１および下流開閉弁Ｖ２を時刻ｔ０において同時に閉鎖し、また、図４（ｂ）に示すように、コントロール弁Ｖｃ（ここでは、第１流路１３ａおよび第２流路１３ｂに設けられたコントロール弁Ｖｃａ、Ｖｃｂのうちの開いていた一方）も同時刻ｔ０に閉鎖されたものとする。

このとき、図４（ｃ）において実線Ｌ１で示すように、両方のコントロール弁Ｖｃａ、Ｖｃｂのいずれにもシートリークが生じていない場合、流入圧力センサ２３が出力する流入圧力Ｐ０は時間が経過しても一定の圧力に維持される。また、実線Ｌ２で示すように、第１圧力センサ２４および第２圧力センサ２５が出力する上流圧力Ｐ１および下流圧力Ｐ２も、時刻ｔ１に平衡圧力に達した後は、一定の圧力に維持される。

一方で、図４（ｃ）において破線Ｌ３、Ｌ４で示すように、コントロール弁Ｖｃａ、Ｖｃｂのいずれかにシートリークが生じていた場合、少なくとも収束時刻ｔ１後において、流入圧力Ｐ０は低下し、かつ、下流圧力Ｐ２（および上流圧力Ｐ１）は上昇する。これは、上流開閉弁Ｖ１および下流開閉弁Ｖ２が閉状態に維持されてこれらの間の空間が閉鎖されている状態で、コントロール弁Ｖｃの上流側から、コントロール弁Ｖｃを介して、リークしたガスがコントロール弁Ｖｃの下流側に流出するからである。

したがって、各弁が閉じてから収束時間Δｔ０が経過したあと、上流開閉弁Ｖ１、前記下流開閉弁Ｖ２、および、前記コントロール弁Ｖｃを閉状態に維持したまま、流入圧力センサ２３および第２圧力センサ２５を用いて流入圧力Ｐ０および下流圧力Ｐ２を測定し、流入圧力Ｐ０の時間変化および下流圧力Ｐ２の時間変化に基づいて、コントロール弁のシートリークを検知することができる。

具体的には、流入圧力Ｐ０の変化の傾きΔＰ０／Δｔおよび下流圧力Ｐ２の変化の傾きΔＰ２／Δｔを、所定の閾値と比較して、シートリークの有無を検知することができる。あるいは、収束時間Δｔ０よりも長い時間経過後の第１時刻における流入圧力Ｐ０と、第１時刻から所定時間経過後の第２時刻における流入圧力Ｐ０との差、および、第１時刻における下流圧力Ｐ２と第２時刻における下流圧力Ｐ２との差をそれぞれの閾値と比較することによってシートリークの有無を検知することができる。

ここで、本実施形態では、上記の収束時刻ｔ１後の流入圧力Ｐ０の時間変化と、下流圧力Ｐ２の時間変化との両方を参照して、シートリークの有無を検知するようにしている。これは、設定流量を０にして行うメンテナンスモード等においては、共通流入路１１が真空引きされて、流入圧力Ｐ０が強制的に低下することがあるからである。この場合、流入圧力Ｐ０のみを参照していると、実際にはコントロール弁Ｖｃにシートリークが生じていないにも関わらず、流入圧力Ｐ０の低下からシートリークが発生したと誤検知してしまうことになる。したがって、このような誤検知を防止するために、流入圧力Ｐ０および下流圧力Ｐ２の両方を参照して、シートリークの有無を検知するようにしている。

ただし、上記のようなメンテナンスモードを考慮しなければ、流入圧力Ｐ０または下流圧力Ｐ２のいずれか一方を参照して、シートリークの有無を検知することも可能である。

また、上記態様において、下流圧力Ｐ２を参照しているが、シートリークの検知過程においては、上流圧力Ｐ１、Ｐ１’と下流圧力Ｐ２とは同等のものとして考えている。すなわち、下流圧力Ｐ２に代えて、上流圧力Ｐ１、Ｐ１’を参照してシートリークを検知することも可能である。したがって、流入圧力センサ２３が出力する流入圧力Ｐ０、第１圧力センサ２４ａ、２４ｂが出力する上流圧力Ｐ１、Ｐ１’、第２圧力センサ２５が出力する下流圧力Ｐ２のいずれかの時間変化を測定することによって、シートリークの検知は可能である。

ただし、本実施形態では、小流量および大流量のどちらの制御においても用いる第２圧力センサ２５の出力である下流圧力Ｐ２を参照するようにしている。これにより、第１圧力センサ２４ａ、２４ｂの特性の差などが存在する場合にも、誤検知が生じるおそれを少なくしている。

また、シートリークの検知時おいて上流圧力Ｐ１、Ｐ１’と下流圧力Ｐ２とが等価になるのは収束後であるが、収束時間をできるだけ短くすることが好適である。このためには、コントロール弁Ｖｃの弁座と絞り部２２との間の流量容積をなるべく小さくすることが好ましい。流量容積が小さい場合、各弁の閉鎖後に上流圧力Ｐ１は急速に下流圧力Ｐ２と略同じ圧力まで低下することになる。したがって、シートリークの検知を迅速に行うことが可能になる。

上流圧力Ｐ１と下流圧力Ｐ２との収束の影響を低減させるために、他の態様において、上流開閉弁Ｖ１、下流開閉弁Ｖ２、および、コントロール弁Ｖｃを同時に閉じるのではなく、コントロール弁Ｖｃを先に閉じるようにしてもよい。この場合、コントロール弁Ｖｃを閉じた後に、上流圧力Ｐ１は下流圧力Ｐ２に向けて急速に減少するとともに、流入圧力Ｐ０が増加する。その後、上流開閉弁Ｖ１、下流開閉弁Ｖ２を同時に閉じることによって、上記と同様にしてシートリークの検知を行うことが可能である。

また、上記のように全ての弁を閉じた後、シートリークが生じている場合には、流入圧力Ｐ０は減少し、下流圧力Ｐ２は増加する。このときの流入圧力Ｐ０の減少率または下流圧力Ｐ２の上昇率に基づいて、シートリークの流量を推定することが可能である。例えば、上流開閉弁Ｖ１とコントロール弁Ｖｃとの間のガスは、コントロール弁Ｖｃのシートリークにより流れ出るが、このときの圧力減少率ΔＰ０／Δｔは、リーク流量に比例するものと考えられる。

より具体的には、特許文献４（国際公開第２０１３／１７９５５０号）に記載のビルドダウン方式の流量測定と同様に、Ｑ＝（１０００／７６０）×６０×（２７３／（２７３＋Ｔ））×Ｖ×（ΔＰ０／Δｔ）にしたがってリーク流量Ｑを求め得る。ここで、Ｔはガス温度（℃）であり、ΔＰは圧力降下の大きさ（Ｔｏｒｒ）であり、ΔｔはΔＰ０の圧力降下に要した時間（ｓｅｃ）である。また、Ｖは、上流開閉弁Ｖ１とコントロール弁Ｖｃとの間の流路の総容積（リットル）であり、流路の径や長さなどから予め求めておくことができる。ビルドダウン方式の流量測定では、既知体積の容量の上流側の弁（ここでは上流開閉弁Ｖ１）を閉じた後の圧力減少率ΔＰ／Δｔによって流量を求める方式であり、上記式に従えば、上流開閉弁Ｖ１とコントロール弁Ｖｃとの間の空間から流れ出たガスの流量、すなわち、リーク流量を求めることが可能であると考えられる。

また、真空圧などの低圧に維持された既知容量の空間に、バルブを開いてガスを流し込んだ時の空間内の圧力上昇率によって流量を演算するビルドアップ法（ＲＯＲ法）が知られている。本構成においても、ビルドアップ法を利用して、下流圧力Ｐ２の上昇率ΔＰ２／Δｔおよびコントロール弁Ｖｃと下流開閉弁Ｖ２との間の流路容積Ｖに基づいて、リーク流量を演算により求め得る。

図５および図６は、シートリークが生じた際の流入圧力Ｐ０と下流圧力Ｐ２（および上流圧力Ｐ１）との時間変化を示すグラフである。ただし、図５のグラフは、コントロール弁Ｖｃの開度調整を行うことにより、３．２ｓｃｃｍのリーク流量でのシートリークを、疑似的、強制的に発生させたときのものである。また、図６のグラフは、コントロール弁Ｖｃの開度調整を行うことにより、０．０５５ｓｃｃｍのリーク流量でのシートリークを、疑似的、強制的に発生させたときのものである。

図５および図６からわかるように、いずれの場合にも、シートリークが生じている場合には、上流開閉弁Ｖ１および下流開閉弁Ｖ２を閉鎖した時刻ｔ０後には、流入圧力Ｐ０は時間とともに減少し、下流圧力Ｐ２（および上流圧力Ｐ１）は時間とともに増加している。したがって、流入圧力Ｐ０の時間変化および下流圧力Ｐ２の時間変化を測定すれば、シートリークの発生を検知できることがわかる。なお、図５および図６に示す例では、予めコントロール弁Ｖｃの開度をシートリークに対応する非常に小さい開度に設定しているため、上流開閉弁Ｖ１および下流開閉弁Ｖ２を閉鎖した時刻ｔ０において、上流圧力Ｐ１および下流圧力Ｐ２はいずれも略０の値を示している。

また、図５および図６を比較してわかるように、リーク流量が比較的大きい場合（図５）は、リーク流量が比較的小さい場合（図６）に比べて、流入圧力Ｐ０の圧力減少率（ΔＰ０／Δｔ：すなわちグラフの傾き）および下流圧力Ｐ２の圧力上昇率ΔＰ２／Δｔが、急になることがわかる。したがって、ΔＰ０／ΔｔまたはΔＰ２／Δｔに基づいて、リーク流量を推定できることがわかる。

以下、図７を参照しながら、本発明の実施形態に係るシートリーク検知方法の例示的なフローチャートを説明する。

シートリークの検知が開始されると、まず、ステップＳ１において、設定流量０％が入力される。これにより、全てのコントロール弁Ｖｃは全閉する。また、ステップＳ２において、上流開閉弁Ｖ１および下流開閉弁Ｖ２が閉鎖される。上流開閉弁Ｖ１および下流開閉弁Ｖ２の閉鎖は、通常、ステップＳ１の設定流量０％入力と同時に行われる。

次に、ステップＳ３において、上流圧力Ｐ１と下流圧力Ｐ２とが収束する収束時間Δｔ０以上の所定時間が経過したかどうかが判断される。収束時間Δｔ０以上の所定時間は予めメモリに記憶されていてよい。収束時間Δｔ０以上の所定時間は、例えば、０．５秒～２０秒に設定される。

次に、ステップＳ４において、収束時間Δｔ０以上の時間が経過した後の流入圧力Ｐ０および下流圧力Ｐ２が、流入圧力センサ２３および第２圧力センサ２５を用いて測定される。測定した結果はメモリに格納される。

次に、ステップＳ５において、所定時間が経過したことが確認されたときは、ステップＳ６において流入圧力Ｐ０および下流圧力Ｐ２が再度測定される。測定した結果はメモリに格納される。また、このときの所定時間は、例えば、１０秒～６０秒に設定される。

次に、ステップＳ７において、ステップＳ４およびステップＳ６で測定した各流入圧力Ｐ０から得られる流入圧力Ｐ０の時間変化（例えば、流入圧力Ｐ０の差）が、閾値以上であるか否かが判定される。ここで、閾値未満であった場合には、ステップＳ１１においてシートリーク無しと決定され、検知フローは終了する。

また、ステップＳ７において、流入圧力Ｐ０の時間変化が閾値以上であった時は、ステップＳ８において、ステップＳ４およびステップＳ６で測定した各下流圧力Ｐ２から得られる下流圧力Ｐ２の時間変化（例えば、下流圧力Ｐ２の差）が、閾値以上であるか否かが判定される。ここで、閾値未満であった場合には、ステップＳ１１においてシートリーク無しと決定され、検知フローは終了する。

ステップＳ８で下流圧力Ｐ２の時間変化が閾値以上と判断された場合、ステップＳ９において、シートリーク有りと判定され、ステップＳ１０において、ユーザにシートリークの発生を知らせる警報を作動させてから検知プロセスを終了する。ステップＳ１０における警報は、例えば、音や光で知らせるものであってよい。これにより、ユーザはシートリークの発生を認識することができ、流量制御に不具合が生じていることを知ることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態では圧力式流量制御装置において用いられる圧力センサをシートリークの検知のために用いたが、圧力式流量制御装置で無くとも、コントロール弁の前後に圧力センサを設ければ同様のシートリーク検知が可能となる。

本発明の実施形態によるシートリーク検知方法は、例えば、流量制御装置を含む流体システムにおいて、コントロール弁のシートリークを検知するために好適に利用される。

２ ガス供給源
４ プロセスチャンバ
６ 真空ポンプ
１０ 流量制御装置
２０ 流量制御ユニット
２２ 絞り部
２３ 流入圧力センサ
２４ 第１圧力センサ
２５ 第２圧力センサ
Ｖ１ 上流開閉弁
Ｖ２ 下流開閉弁
Ｖｃ コントロール弁
１００ 流体システム

Claims (10)

1. 絞り部、前記絞り部の上流側に設けられたコントロール弁、前記絞り部の上流側かつ前記コントロール弁の下流側に設けられた第１圧力センサ、前記絞り部の下流側に設けられた第２圧力センサ、前記コントロール弁の上流側に設けられた流入圧力センサ、および、前記コントロール弁を制御する制御回路を含む流量制御装置と、
   前記第２圧力センサの下流側に設けられた下流開閉弁と、
   前記流入圧力センサの上流側に設けられた上流開閉弁と
   を備える流体システムにおいて行われる、前記コントロール弁のシートリークの検知方法であって、
   前記流入圧力センサが出力する流入圧力が前記第２圧力センサが出力する下流圧力よりも大きい状態において、前記上流開閉弁、前記下流開閉弁、および、前記コントロール弁を開状態から閉状態に変化させるステップ（ａ）と、
   前記上流開閉弁、前記下流開閉弁、および、前記コントロール弁を閉状態に維持したまま、所定の収束時間以上の時間が経過したこと、あるいは、前記第１圧力センサの出力と前記第２圧力センサの出力との差が所定閾値以下になったことをもって、前記第１圧力センサが出力する上流圧力と前記第２圧力センサの出力する下流圧力とが平衡圧力に達した収束状態となったと判定するステップ（ａ’）と、
   前記ステップ（ａ’）において前記収束状態となったと判定された後、前記上流開閉弁、前記下流開閉弁、および、前記コントロール弁を閉状態に維持したまま、前記流入圧力センサによって測定される流入圧力、前記第１圧力センサによって測定される上流圧力、または、前記第２圧力センサによって測定される下流圧力のうちの少なくとも１つを測定するステップ（ｂ）と、
   前記ステップ（ａ’）において前記収束状態となったと判定された後の、前記流入圧力の時間変化、前記上流圧力の時間変化、または、前記下流圧力の時間変化のうちの少なくともいずれかに基づいて、前記コントロール弁のシートリークを検知するステップ（ｃ）と
   を含む、シートリーク検知方法。
2. 前記流量制御装置は、共通流入路と、共通流出路と、前記共通流入路と共通流出路との間に設けられた互いに並列な複数の並列流路とを有し、前記複数の並列流路のそれぞれに、前記絞り部、前記コントロール弁、および、前記第１圧力センサが設けられ、前記流入圧力センサは、前記共通流入路の圧力を測定し、前記第２圧力センサは、前記共通流出路の圧力を測定するように構成されており、
   前記ステップ（ａ）は、前記複数の並列流路のそれぞれに設けられた前記コントロール弁を全て閉状態に変化させるステップを含む、請求項１に記載のシートリーク検知方法。
3. 前記複数の並列流路のそれぞれに設けられた絞り部は、それぞれ異なる流路断面積を有し、前記流量制御装置の流量制御時において前記複数の並列流路のそれぞれに設けられたコントロール弁のうちの１つが開いているときには他のコントロール弁を閉じるように構成されている、請求項２に記載のシートリーク検知方法。
4. 前記ステップ（ａ）において、前記上流開閉弁、前記下流開閉弁、および、前記コントロール弁には同時に閉命令が与えられる、請求項１から３のいずれかに記載のシートリーク検知方法。
5. 前記ステップ（ａ）において、前記コントロール弁が閉じられてから所定時間経過後に、前記上流開閉弁および前記下流開閉弁に同時に閉命令が与えられる、請求項１から３のいずれかに記載のシートリーク検知方法。
6. 前記ステップ（ｃ）において、前記流入圧力の時間変化および前記下流圧力の時間変化の双方に基づいてシートリークを検知する、請求項１から５のいずれかに記載のシートリーク検知方法。
7. 前記シートリークの検知は、前記流入圧力の時間変化が所定の閾値以上となり、かつ、前記下流圧力の時間変化が所定の閾値以上となったときに、シートリークが生じていると判断することによって行う、請求項６に記載のシートリーク検知方法。
8. 前記コントロール弁は、ピエゾ素子駆動式バルブであり、前記上流開閉弁および前記下流開閉弁は、空気駆動弁、電磁弁、または、電動弁のいずれかである、請求項１から７のいずれかに記載のシートリーク検知方法。
9. 前記流入圧力の時間変化、前記上流圧力の時間変化、または、前記下流圧力の時間変化の少なくともいずれかに基づいて、リーク流量を演算するステップをさらに包む、請求項１から８のいずれかに記載のシートリーク検知方法。
10. 前記シートリークが検知されたときに警報を行うステップをさらに含む、請求項１から９のいずれかに記載のシートリーク検知方法。
    
    

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