WO2012153454A1 - 流量モニタ付圧力式流量制御装置と、これを用いた流体供給系の異常検出方法並びにモニタ流量異常時の処置方法 - Google Patents

Abstract

　流体の入口側通路（８）と、入口側通路（８）の下流側に接続した圧力式流量制御部（１ａ）を構成するコントロール弁（３）と、コントロール弁（３）の下流側に接続した熱式流量センサ（２）と、熱式流量センサ（２）の下流側に連通する流体通路（１０）に介設したオリフィス（６）と、コントロール弁（３）とオリフィス（６）の間の流体通路（１０）の近傍に設けた温度センサ（４）と、コントロール弁（３）とオリフィス（６）の間の流体通路（１０）に設けた圧力センサ（５）と、オリフィス（６）に連通する出口側通路（９）と、圧力センサ（５）からの圧力信号及び温度センサ（４）からの温度信号が入力され、オリフィス（６）を流通する流体の流量値Ｑを演算すると共に演算した流量値と設定流量値との差が減少する方向にコントロール弁（３）を開閉作動させる制御信号Ｐｄを弁駆動部（３ａ）へ出力する圧力式流量演算制御部（７ａ）及び熱式流量センサ（２）からの流量信号（２ｃ）が入力され当該流量信号（２ｃ）からオリフィス（６）を流通する流体流量を演算表示する流量センサ制御部（７ｂ）とからなる制御部（７）と、から構成した流量モニタ付圧力式流量制御装置。

Description

流量モニタ付圧力式流量制御装置と、これを用いた流体供給系の異常検出方法並びにモニタ流量異常時の処置方法

　本発明は、圧力式流量制御装置の改良に関するものであり、オリフィスを用いた圧力式流量制御装置に熱式質量流量センサを有機的に組合せすることにより、リアルタイムで作動中の圧力式流量制御装置の制御流量をモニタできるようにした流量モニタ付圧力式流量制御装置と、これを用いた流体供給系の異常検出方法並びにモニタ流量異常時の処置方法に関するものである。

　従前から半導体制御装置用ガス供給装置では、オリフィスを用いた圧力式流量制御装置ＦＣＳが広く利用されている。
　この圧力式流量制御装置ＦＣＳは、図１６に示すようにコントロール弁ＣＶ、温度検出器Ｔ、圧力検出器Ｐ、オリフィスＯＬ及び演算制御部ＣＤ等から構成されており、その演算制御部ＣＤは、温度補正・流量演算回路ＣＤａ、比較回路ＣＤｂ、入出力回路ＣＤｃ及び出力回路ＣＤｄ等から構成されている。

　前記圧力検出器Ｐ及び温度検出器Ｔからの検出値はディジタル信号に変換されて温度補正・流量演算回路ＣＤａへ入力され、ここで検出圧力の温度補正及び流量演算が行われたあと、流量演算値Ｑｔが比較回路ＣＤｂへ入力される。また、設定流量の入力信号Ｑ_Sが端子Ｉｎから入力され、入出力回路ＣＤｃでディジタル値に変換されたあと比較回路ＣＤｂへ入力され、ここで前記温度補正・流量演算回路ＣＤａからの流量演算値Ｑｔと比較される。そして、設定流量入力信号Ｑｓが流量演算値Ｑｔより大きい場合には、コントロール弁ＣＶの駆動部へ制御信号Ｐｄが出力され、コントロール弁ＣＶが開放方向へ駆動されて、設定流量入力信号Ｑｓと演算流量値Ｑｔとの差（Ｑｓ－Ｑｔ）が零となるまで開弁方向へ駆動される。

　圧力式流量制御装置ＦＣＳそのものは上述の通り公知であるが、オリフィスＯＬの下流側圧力Ｐ_２（即ち、プロセスチャンバ側の圧力Ｐ_２）とオリフィスＯＬの上流側圧力Ｐ_１（即ち、コントロール弁ＣＶの出口側の圧力Ｐ_１）との間にＰ_１／Ｐ_２≧約２の関係（所謂臨界膨張条件）が保持されている場合には、オリフィスＯＬを流通するガスＧｏの流量ＱがＱ＝ＫＰ_１（但しＫは定数）となり、圧力Ｐ_１を制御することにより流量Ｑを高精度で制御できると共に、コントロール弁ＣＶの上流側のガスＧｏの圧力が大きく変化しても、制御流量値が殆ど変化しないと云う、優れた特徴を有している。

　しかし、従前の圧力式流量制御装置ＦＣＳは、微小な穴径のオリフィスＯＬを使用しているため、オリフィスＯＬの穴径が経年変化を起す可能性がある。その結果、圧力式流量制御装置ＦＣＳによる制御流量値と現実に流通するガスＧｏの実流量との間に差異を生ずることになり、これを検出するために所謂流量モニタを頻繁に行う必要があって、半導体製造装置の稼動性や製造した半導体の品質等に大きな影響を与えるという問題がある。

　そのため、従来から、熱式質量流量制御装置や圧力式流量制御装置の分野に於いては、流量制御が適正に行われているか否かをリアルタイムで簡単にモニタできるようにした流量制御装置の開発が進められている。例えば、図１７及び図１８はその一例を示すものであり、この質量流量制御装置（マスフローコントローラ）２０は流路２３と、上流側圧力の第１圧力センサ２７ａと、開閉制御弁２４と、その下流側に設けた熱式質量流量センサ２５と、その下流側に設けた第２圧力センサ２７ｂと、第２圧力センサ２７ｂの下流側に設けた絞り部（音速ノズル）２６と、演算制御部２８ａと、入出力回路２８ｂ等から構成されている。

　前記熱式質量流量センサ２５は流路２３内に挿入された整流体２５ａ、この流路２３からＦ／Ａの流量だけ分岐する分岐流路２５ｂと、分岐流路２５ｂに設けたセンサ本体２５ｃとを有し、総流量Ｆを示す流量信号Ｓｆを出力する。
　また、絞り部２６は、その一次側と二次側における圧力差が所定値以上であるときに一次側の圧力に応じた流量の流体を流す音速ノズルである。尚、図１７及び図１８に於いて、ＳＰａ、ＳＰｂは圧力信号、Ｐａ、Ｐｂは圧力、Ｆは流量、Ｓｆは流量信号、Ｃｐは弁開度制御信号である。

　前記演算制御部２８ａは、圧力センサ２７ａ、２７ｂからの圧力信号Ｓｐａ、Ｓｐｂおよび流量センサ２５からの流量制御信号Ｓｆをフィードバックして弁開度制御信号Ｃｐを出力することで開閉弁２４をフィードバック制御する。即ち、演算制御部２８ａへは入出力回路２８ｂを介して流量設定信号Ｆｓが入力され、質量流量制御装置２０に流れる流体の流量Ｆが流量設定信号Ｆｓに合うように調整される。具体的には、演算制御部２８ａが第２圧力センサ２７ｂの出力（圧力信号Ｓｐｂ）を用いて開閉制御弁２４をフィードバックしてその開閉を制御することにより、音速ノズル２６を流れる流体の流量Ｆを制御すると共に、このときの熱式流量センサ２５の出力（流量信号Ｓｆ）を用いて、実際に流れている流量Ｆの測定を行い、質量流量制御装置２０の動作を確認するものである。

　ところで前記図１７及び図１８に示した型式の質量流量制御装置２０に於いては、流量制御を行うための第２圧力センサ２７ｂを用いた圧力式流量測定と、流量の監視を行うための熱式流量センサ２５を用いた流量測定という二種の測定方式を演算制御部２８ａに組み込みしているため、制御流量（設定流量Ｆｓ）の流体が実際に流れているか否か、即ち制御流量と実流量と間に差があるか否かを簡単且つ確実にモニタすることができ、高い実用的効用を奏するものである。

　しかし、当該図１７及び図１８に示した質量流量制御装置２０にも解決すべき問題が多く残されている。
　第１の問題は、演算制御部２８ａが、第２圧力センサ２７ｂの出力ＳＰｂと熱式流量センサ２５の流量出力Ｓｆの両信号を用いて開閉制御弁２４を開閉制御すると共に、第１圧力センサ２７ａの出力ＳＰａを用いて熱式流量センサ２５の流量出力Ｓｆを補正する構成としており、第１圧力センサ２７ａ及び第２圧力センサ２７ｂの二つの圧力信号と熱式流量センサ２５からの流量信号との三つの信号を用いて、開閉制御弁２４の開閉制御を行うようにしている。
　そのため、演算制御部２８ａの構成が複雑になるだけでなく、圧力式流量制御装置ＦＣＳとしての安定した流量制御特性や優れた高応答性が逆に低減されてしまうと云う問題がある。

　第２の問題点は、開閉制御弁２４に対する熱式流量センサ２５の取付位置が変ることにより、即ち、図１７と図１８の質量流量制御装置２０では、開閉制御弁２４の開閉時の熱式流量センサ２５の応答性、機器本体内のガス置換性及び真空引き特性が大きく変ると共に、質量流量制御装置２０の小型化が図り難いという問題がある。

　また、所謂流量制御装置は、例えば図３１に示すように半導体製造設備のガス供給装置等に於いて広く利用されており、流量制御装置Ｄの上流側には、パージガス供給系Ｂとプロセスガス供給系Ａが並列状に接続され、且つ流量制御装置Ｄの下流側にはプロセスガス使用系Ｃが接続されている。
　更に、前記各ガス供給系Ａ、Ｂ及びガス使用系Ｃには夫々バルブＶ_１、Ｖ_２及びＶ_３が夫々介設されている。

　尚、当該図３１の如き流体供給系においては、定期的にバルブＶ_１～Ｖ_３の動作状況等を点検するのが一般的であり、この点検作業は、プロセスガス使用系Ｃを通して所要のプロセスガスを所定箇所へ安定して供給するうえで必要不可欠なものである。そのため、上記バルブＶ_１～Ｖ_３の点検（以下チェックと呼ぶ）では、通常各バルブの動作状態（バルブアクチュエータの作動を含む）のチェックと、各バルブのシートリークのチェックとが行われる。

　しかし、プロセスガス使用系ＣのバルブＶ_３や流量制御装置Dの上流側のバルブＶ_１、Ｖ_２のシートリークチェックに際しては、各バルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３を管路から取り外し、これを別途に設けた試験装置を用いてチェックする必要があり、各バルブのシートリークチェックに多くの手数と時間を要すると云う問題がある。

　上記の各バルブに係る点検上の問題は流量モニタ付圧力式流量制御装置に付いても同様であり、流量自己診断機構によってモニタ流量の異常が検出されると、常に流量モニタ付圧力式流量制御装置を配管路から一旦取り外してその点検を行わねばならず、多くの手数と時間を要すると云う問題がある。

特許第４１３７６６６号公報 特開２００７－９５０４２号公報

　本願発明は、図１７及び図１８に示した特許第４１３７６６６号の音速ノズルを用いた質量流量制御装置に於ける上述の如き問題、即ち、第１及び第２圧力センサ２７ａ、２７ｂの圧力信号と熱式流量センサ２５の流量信号との２種類の異なる信号を用いて開閉制御弁２４の開閉制御を行うようにしているため、演算制御部２８ａの構成が複雑化するだけでなく、圧力式流量制御装置が有する優れた応答特性や安定した流量制御特性が減殺される虞れがあること、質量流量制御装置２０の大型化が避けられず、ガス置換性の低下や真空引き時間が長くなること等の問題を解決し、オリフィスを用いた圧力式流量制御装置ＦＣＳの流量制御部と、熱式流量センサを用いた熱式流量モニタ部とを一体に組み合せしたうえ、流量制御と流量モニタを夫々独立して行うようにすることにより、圧力式流量制御装置の優れた流量特性をフルに活用すると共に、熱式流量センサによる流量モニタをリアルタイムで行え、しかも演算制御部の簡素化、機器本体部の大幅な小型化によるガス置換性の向上等を可能にした流量モニタ付圧力式流量制御装置を提供するものである。

　また、本願発明は、流量モニタ付圧力式流量制御装置の上流側および下流側に設けたバルブのシートリークチェック等に際して各バルブを管路から取り外さねばならず、シートリークチェック等に多くの時間と手数を要すると云う問題や、流量モニタ付圧力式流量制御装置に設けた流量自己診断機構によりモニタ流量の異常が検出された場合でも、異常発生の原因を迅速に把握して必要な対策、例えば流量モニタ付圧力式流量制御装置自体の取換えを要するか否かの処置を執ることが出来ないと云う問題を解決し、バルブ類のシートリークチェック等を簡単、迅速に行なえると共に、モニタ流量の異常時に的確な対応を迅速に取れるようにした流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法並びにモニタ流量異常時の処置方法を提供するものである。

　本願発明者等は、先ずオリフィスを用いた圧力式流量制御装置をベースにし、これの流量モニタをリアルタイムで行うために図６及び図７の点線枠内のような二種の構成のオリフィスを用いた流量モニタ付圧力式流量制御装置を構想した。
　図６及び図７に於いて、１は流量モニタ付圧力式流量制御装置、２は熱式流量センサ、３はコントロール弁、４は温度センサ、５は圧力センサ、６はオリフィス、７は制御部、８は入口側流路、９は出口側流路、１０は機器本体内の流体通路であり、図６に於ける熱式流量センサ２とコントロール弁３の取付位置を入れ替えしたものが図７の流量モニタ付圧力式流量制御装置である。

　尚、流量制御方式としてオリフィスを用いた圧力式流量制御装置を採用したのは、流量制御特性が良好なこと及びこれ迄の使用実績が多いこと等がその理由である。
　また、熱式流量センサ２を流量モニタ用センサとしたのは、主として流量やセンサとしての使用実績と流量センサとしての優れた特性のためであり、また、リアルタイム測定の容易性、ガス種の変化に対する対応性、流量測定精度、使用実績等が他の流量測定センサよりも高い点を勘案した結果である。更に、オリフィスを用いた圧力式流量制御装置の機器本体内の流体通路１０に熱式流量センサ２を一体的に組み付けしたのは、流量モニタが行い易く且つ流量モニタ付き圧力式流量制御装置の小型化が図り易いからである。

　即ち、上記図６及び図７に示した構成のオリフィスを用いた流量モニタ付圧力式流量制御装置１は、圧力制御式の流量制御器であり、供給圧力変動の影響を受けないこと、オリフィス上流側の圧力降下特性を利用してオリフィスの異常検知が可能なこと、機器本体に内蔵の圧力センサで供給圧力のモニタが可能なこと及びサーマルセンサで流量の連続監視が可能なこと、等の特徴を具備するものだからである。

　一方、問題点としては、先ず第１に、供給圧力の変化による熱式流量センサの出力の変動が考えられる。即ち、供給圧力の変化によって熱式流量センサの出力が変動するため、供給圧力変化時は制御流量との誤差が発生する可能性ある。そのため、熱式流量センサの応答性を遅延させて供給圧変化による出力変動を緩和する、等の対応が必要になる。

　第２の問題はゼロ点調整時の条件の点である。一般にゼロ点調整は、圧力センサでは真空引き下で実施され、また、流量センサでは封止状態下で実施される。従って、間違った条件下でゼロ調整が実施されないようにプロテクトする必要がある。

　第３の問題は、熱式流量センサのサーマルサイフォンの現象である。即ち、熱式流量センサの搭載により、設置方向を予め決めておくことが必要となり、その結果、ガスボックスの設計と並行して、流量モニタ付圧力式流量制御装置の設置方向を検討する必要がある。

　第４の問題は、実ガス流量の校正の点である。一般に流量の測定に於いては、同一流量であってもガス種により熱式流量センサの出力値が異なって来る。その結果、当該流量モニタ付圧力式流量制御装置の使用現場において熱式流量センサのコンバージョン・ファクタ（ＣＦ値）を自動演算するシステムを付加する必要がある。

　第５の問題は、制御流量が異常時の対応である。現在の圧力式流量制御装置では、アラーム及び制御流量の誤差等がディスプレイ上に表示されるが、圧力式流量制御装置と熱式流量センサによるモニタ流量との出力差が所定のしきい値を越えると、異常と判断するシステムが必要になる。

　そこで、本願発明者等は、先ず図６及び図７の各流量モニタ付圧力式流量制御装置１について、新たに組み込みした熱式流量センサ２についてのその各種特性の評価試験を実施した。

　即ち、図６及び図７の如く、Ｎ_２容器から成る流体供給源１１、圧力調整器１２、パージ用バルブ１３、入力側圧力センサ１４を入口側流路８へ接続すると共に、データロガ（ＮＲ５００）１５を制御部７に接続し、更に、出口側流路９を真空ポンプ１６により真空引きするようにした特性評価系を構成し、当該特性評価系を用いて、熱式流量センサ２のステップ応答特性、モニタ流量精度、供給圧変動特性、繰り返し再現性を評価した。

　上記ステップ応答特性は、所定の流量設定のステップ入力に対する熱式流量センサ出力の応答性を評価するものであり、設定流量を１００％（フルスケール）Ｆ．Ｓ．＝１０００（ｓｃｃｍ）から２０％、５０％、１００％にステップ変化させた場合の出力応答を評価した。図８、図９及び図１０は設定流量２０％、５０％、１００％の場合のデータロガ１５における圧力式流量制御装置１の流量設定入力Ａ_１及びその時の流量出力Ａ_２と、熱式流量センサ出力Ｂ_１（図６の場合）、熱式流量センサ出力Ｂ_２（図７の場合）の測定結果を示すものである。

　図８～図１０からも明らかなように、熱式流量センサ２の出力は設定開始から約４ｓｅｃ以内で、設定出力の±２％以内に収束することが確認された。

　前記モニタ流量精度は、各流量設定から設定値をＳ．Ｐ．単位でずらしたときの、熱式流量センサ出力の変化量を測定評価したものであり、誤差設定条件は－０．５％Ｓ.Ｐ.、－１．０％Ｓ．Ｐ.、－２．０％Ｓ．Ｐ.及び－３．０％Ｓ.Ｐ.としている。

　図１１及び図１２からも明らかなように、熱式流量センサ２のモニタ流量精度は流量設定に応じて、セットポイント（Ｓ．Ｐ．）単位で変化して行くことが判明した。

　前記供給圧変動特性は、一定流量制御時に供給圧を変動させた場合の熱式流量センサ出力の変動状態を示すものであり、流量設定を５０％とし且つ供給圧の変動条件を５０ｋＰａＧとして測定した。

　図１３はその測定結果を示すものであり、熱式流量センサ２をコントロール弁３の上流側（一次側）に設定した場合（図６の場合）には、供給圧変動による熱式流量センサ２の流量出力の変化は±０．５％Ｆ．Ｓ．／ｄｉｖの範囲をはるかに越えるが、コントロール弁３の下流側（二次側）に設置した場合（図７の場合）には、流量出力の変化が±０．５％Ｆ．Ｓ．／ｄｉｖの範囲内に納まること、即ちガス供給圧の変動の影響を受け難いことが判明した。

　前記繰返し再現性は、流量設定を２０％及び１００％として０％から設定流量までを繰返し入力し、熱式流量センサ出力Ｂ_１、Ｂ_２の再現性を測定したものである。

　図１４及び図１５からも明らかなように、熱式流量センサ出力の繰り返し再現性は±１％Ｆ．Ｓ．及び０．２％Ｆ．Ｓ．の範囲内にあり、規則正しい正確な再現性を示すことが判明した。

　尚、前記図６及び図７に於いて使用した熱式流量センサ２は株式会社フジキン製のFCS-T1000シリーズに搭載されるセンサであり、所謂熱式質量流量制御装置（マスフローコントローラ）の熱式流量センサとして汎用されているものである。

　前記熱式流量センサ２に対する図６及び図７に基づく各評価試験（即ちステップ応答特性、モニタ流量精度特性、供給圧変動特性及び繰り返し再現性特性）の結果から、本願発明者等は、熱式流量センサ２の取付位置は、ステップ応答特性、モニタ流量精度特性及び繰返し再現性特性の点では、コントロール弁３の上流側（一次側）であっても下流側（二次側）であってもその間に優劣は無いが、供給圧変動特性の点から、熱式流量センサ２は圧力式流量制御装置のコントロール弁３の下流側（２次側）に設けるのが望ましい、即ち図７の構成とする方が望ましいことを見出した。

　また、本願発明者等は、熱式流量センサ２をコントロール弁３の下流側（２次側）に設けた場合には、コントロール弁３とオリフィス６間の内容積が大きくなることにより、ガスの置換性が低下することになり、小流量型の圧力式流量制御装置の場合には圧力降下特性が遅くなり（即ち、ガス抜け特性が悪化する）、これ等の点が問題となることを見出した。

　本願発明は、本願発明者等の上記各評価試験の結果を基にして創作されたものであり、請求項１の発明は、流体の入口側通路８と，入口側通路８の下流側に接続した圧力式流量制御部１ａを構成するコントロール弁３と，コントロール弁３の下流側に接続した熱式流量センサ２と，熱式流量センサ２の下流側に連通する流体通路１０に介設したオリフィス６と，前記コントロール弁３とオリフィス６の間の流体通路１０の近傍に設けた温度センサ４と，前記コントロール弁３とオリフィス６の間の流体通路１０に設けた圧力センサ５と，前記オリフィス６に連通する出口側通路９と，前記圧力センサ５からの圧力信号及び温度センサ４からの温度信号が入力され、オリフィス６を流通する流体の流量値Ｑを演算すると共に演算した流量値と設定流量値との差が減少する方向に前記コントロール弁３を開閉作動させる制御信号Ｐｄを弁駆動部３ａへ出力する圧力式流量演算制御部７ａ及び前記熱式流量センサ２からの流量信号２ｃが入力され当該流量信号２ｃからオリフィス６を流通する流体流量を演算表示する流量センサ制御部７ｂとを発明の必須構成要件とするものである。

　請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、圧力センサ５を、コントロール弁３の出口側と熱式流量センサ２の入口側の間に設けるようにしたものである。

　請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明に於いて、流量センサ制御部７ｂで演算した流体流量と圧力式流量演算制御部７ａで演算した流体流量間の差が設定値を越えると警報表示を行う制御部７としたものである。

　請求項４の発明は、請求項１の発明に於いて、コントロール弁３，熱式流量センサ２，オリフィス６，圧力センサ５，温度センサ４，入口側通路８，出口側通路９を一つのボディ体に一体的に組み付けすると共に、形成流体通路１０をボディ体に一体的に形成するようにしたものである。

請求項５の発明は、流体の入口側通路８と，入口側通路８の下流側に接続した圧力式流量制御部１ａを構成するコントロール弁３と，コントロール弁３の下流側に接続した熱式流量センサ２と，熱式流量センサ２の下流側に連通する流体通路１０に介設したオリフィス６と，前記コントロール弁３とオリフィス６の間の流体通路１０の近傍に設けた温度センサ４と，前記コントロール弁３とオリフィス６の間の流体通路１０に設けた圧力センサ５と，前記オリフィス６に連通する出口側通路９と，前記オリフィス６の下流側の出口側通路９に設けた圧力センサ１７と，前記圧力センサ５及び圧力センサ１７からの圧力信号及び温度センサ４からの温度信号が入力され、オリフィス６を流通する流体の臨界膨張条件の監視やオリフィス６を流通する流体の流量値Ｑを演算すると共に、演算した流量値と設定流量値との差が減少する方向に前記コントロール弁３を開閉作動させる制御信号Ｐｄを弁駆動部３ａへ出力する圧力式流量演算制御部７ａ及び前記熱式流量センサ２からの流量信号２ｃが入力され当該流量信号２ｃからオリフィス６を流通する流体流量を演算表示する流量センサ制御部７ｂとからなる制御部７とを発明の必須構成要件とするものである。

　請求項６の発明は、請求項５の発明に於いて、オリフィス６を流通する流体が臨界膨張条件を外れると警報表示を行う制御部７としたものである。

　請求項７の発明は、請求項５の発明に於いて、コントロール弁３，熱式流量センサ２，オリフィス６，圧力センサ５，温度センサ４，入口側通路８，出口側通路９，圧力センサ１７を一つのボディ体に一体的に組み付けするようにしたものである。

　請求項８の発明は、流量の設定機構と流量及び圧力の表示機構及び又は流量自己診断機構とで構成される圧力センサを保有する流量モニタ付圧力式流量制御装置を備えた流体供給系における前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の上流側及び又は下流側に設けたバルブの異常を、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の圧力の表示値及び又は流量自己診断機構の診断値を用いて検出する方法であって、異常検出の対象とするバルブを、流量モニタ付圧力式流量制御装置の上流側に設けたパージガス供給系のバルブとプロセスガス供給系のバルブ及び流量モニタ付圧力式流量制御装置の下流側のプロセスガス使用系に設けたバルブとすると共に、検出する異常の種類をバルブの開閉動作及びシートリークとしたことを発明の基本構成とするものである。

　請求項９の発明は、請求項８の発明において、流量モニタ付圧力式流量制御装置の流量自己診断機構を、初期設定をした圧力降下特性と診断時の圧力降下特性とを対比して異常を診断する構成の機構とすると共に、プロセスガスとパージガスとの混合ガスが流入した際の前記診断値の変化から、プロセスガス供給系又はパージガス供給系のバルブのシートリークを検出するようにしたものである。

　請求項１０の発明は、流量の設定機構と流量及び圧力の表示機構及び又は流量自己診断機構とで構成される圧力センサを保有する流量モニタ付圧力式流量制御装置を備えた流体供給系における前記流量モニタ付圧力式流量制御装置並にその上流側及び又は下流側に設けたバルブの異常を、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の圧力の表示値及び又は流量自己診断機構を用いて検出する方法において、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の流量自己診断機構を、初期設定をした圧力降下特性と診断時の圧力降下特性とを対比して異常を診断する構成の機構とすると共に、当該流量自己診断機構による流量自己診断時の圧力降下特性が、前記初期設定時の圧力降下特性に対比して、診断直後から圧力降下が遅れ出すか、診断途中から圧力降下が遅れ出すか、診断直後から圧力降下が早まるか、診断開始時の圧力が初期設定時の圧力に達していないか、の何れの形態に該当するかを判別し、前記判別された流量自己診断時の圧力降下特性の形態から、検出された異常の原因を判定することを発明の基本構成とするものである。

　請求項１１の発明は、請求項１０の流体供給系の異常検出方法の発明を用いて流量自己診断をし、流量自己診断時の圧力降下特性の形態から検出されたモニタ流量の異常の原因を判定したあと圧力センサのゼロ点のずれを確認し、ゼロ点がずれている場合にはそのゼロ点を調整してから再度流量自己診断を行い、また、前記ゼロ点にずれが無い場合には前記判定した異常の原因が流体供給系の異常か否かを判別し、流体供給系が異常の場合には流体供給系の異常を復旧させると共に、流体供給系に異常が無い場合には前記流量モニタ付圧力式流量制御装置自体の異常と判断してその取換えをするようにしたものである。

　請求項１２の発明は、請求項１０の流体供給系の異常検出方法を用いて流量自己診断をし、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置のオリフィスの径変化が原因でモニタ流量が異常の場合には、モニタ流量を正として前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の校正を行うようにしたものである。

　本願発明に於いては、流量モニタ付圧力式流量制御装置を圧力式流量制御部１ａと熱式流量モニタ部１ｂとから形成し、熱式流量モニタ部１ｂの熱式流量センサ２を圧力式流量制御部１ａのコントロール弁３の下流側に位置せしめて有機的に一体化させると共に、制御部７の方は、圧力式流量制御部１ａのコントロール弁３の開閉駆動を制御する圧力式流量演算制御部７aと、前記熱式流量センサ２からの流量信号によりオリフィス６を流通する実流体流量を演算表示する流量センサ制御部７ｂを相互に独立した状態で一体化することにより構成している。

　その結果、単純な構成の制御部７でもって、簡単且つ正確に、しかも安定した圧力式流量制御を行うことができると共に、熱式流量センサ２による流量モニタも連続的に正確に、リアルタイムで行うことが出来る。

　また、熱式流量センサ２をコントロール弁３の下流側に位置させると共に、コントロール弁３や熱式流量センサ２等の各機器本体を一つのボディに一体的に組み付けする構成としているため、機器本体の内部空間容積が大幅に減少し、ガスの置換性や真空引きの特性が悪化することもない。
　更に、流体供給源側の流体圧力に変動があっても、熱式流量センサ２の出力特性に大きな変動が発生せず、結果として流体供給側の圧力変動に対して安定した流量モニタと流量制御が行える。

　本発明においては、ガス供給系に組み込みされている流量モニタ付圧力式流量制御装置そのものを用いて、ガス供給系内のバルブの開閉動作やシートリーク、流量モニタ付圧力式流量制御装置の零点等の異常を、各バルブ類を配管路から取り外しすることなしに極めて容易に且つ正確にチェックすることができる。

　また、本発明ではバルブのシートリークやバルブの作動異常、流量モニタ付圧力式流量制御装置の零点異常が生じた場合に、その異常発生の原因を圧力降下特性曲線の形態から正確に特定判断することができ、必要な機器等の補修、調整をより能率的に行えることになる。

　更に、本発明では、流量モニタ付圧力式流量制御装置のオリフィスの径変化が原因でモニタ流量に異常を生じた場合には、モニタ流量を正として迅速に流量モニタ付圧力式流量制御装置の校正を行うことができる。

　その上、本発明では、シートリーク異常の検出と共に、短時間内にそのリーク量を自動的に演算表示することができるため、機器装置等の運転継続の可否やシートリークの発生による影響を正確且つ迅速に判断することができると共に、流量モニタ付圧力式流量制御装置そのものの取換えの要否を正確且つ容易に判定することが出来る。

本発明の実施形態に係るオリフィスを利用した流量モニタ付圧力式流量制御装置の構成概要図である。 流量モニタ付圧力式流量制御装置の他の例を示す構成概要図である。 流量モニタ付圧力式流量制御装置の更に他の例を示す構成概要図である。 熱式流量センサの構成の説明図である。 熱式流量センサの動作原理の説明図である。 本願発明者が着想した流量モニタ付圧力式流量制御装置の第１構想図である。 本願発明者が着想した流量モニタ付圧力式流量制御装置の第２構想図である。 熱式流量センサのステップ応答特性を示す曲線である（設定流量２０％の場合）。 熱式流量センサのステップ応答特性を示す曲線である（設定流量５０％の場合）。 熱式流量センサのステップ応答特性を示す曲線である（設定流量１００％の場合）。 熱式流量センサのモニタ流量精度特性を示す曲線である（設定流量１００～９７％設定の場合）。 熱式流量センサのモニタ流量精度特性を示す曲線である（設定流量２０．０～１９．４％設定の場合）。 熱式流量センサの供給圧変動特性を示す曲線である（設定流量５０％の場合）。 熱式流量センサの繰返し再現性特性を示す曲線である（設定流量１００％の場合）。 熱式流量センサの繰返し再現性特性を示す曲線である（設定流量２０％の場合）。 オリフィスを用いた圧力式流量制御装置の構成図である。 特許第４１３７６６６号の第１実施例に係る質量流量制御装置の構成説明図である。 特許第４１３７６６６号の第２実施例に係る質量流量制御装置の構成説明図である。 異常検出方法に係る本発明の実施に用いる流体供給系の一例を示すブロック構成図である。 本発明による流体供給系のバルブの異常検出方法の一例を示すフローシートである。 流量自己診断時の故障の種類と発生する現象および発生原因との関係を示すものである。 流量モニタ付圧力式流量制御装置の流量自己診断において、供給圧が不足する場合の圧力降下特性の代表例を示すものである。 （ａ）は、２次側のエアー駆動型バルブの駆動機構が故障時の、また（ｂ）は２次側へ外部からリークがある場合の圧力降下特性の代表例を示すものである。 （ａ）はフローファクタの大きなガスが混入した場合の、また（ｂ）はフローファクタの小さなガスが混入した場合の圧力降下特性の代表例を示すものである。 （ａ）のオリフィスに詰まりがある場合の、また（ｂ）はオリフィスが拡大した場合の圧力降下特性の代表例を示すものである。 流量モニタ付圧力式流量制御装置のコントロールバルブにシートリークがある場合の圧力降下特性の代表例を示すものである。 流量モニタ付圧力式流量制御装置のコントロールバルブの駆動部に故障がある場合の圧力降下特性の代表例を示すものである。 流量モニタ付圧力式流量制御装置の零点変動時の圧力降下特性の代表例を示すものである。 図２１から図２６までの各圧力降下特性の形態（パターン）から導出した四つの圧力降下特性の類形を示すものである。 流量モニタ付圧力式流量制御装置のモニタ流量異常時の処置方法の一例を示すフローシートである。 半導体製造設備に於ける流量モニタ付圧力式流量制御装置を備えた流体供給系の一例を示すブロック構成図である。

　以下、図面に基づいて本発明に係る流量モニタ付圧力式流量制御装置の実施形態を説明する。
　図１は本発明に係る流量モニタ付圧力式流量制御装置１の実施形態に係る構成概要図であり、流量モニタ付圧力式流量制御装置１は、圧力式流量制御部１ａと熱式流量モニタ部１ｂとの二つの部分から構成されている。

　また、前記圧力式流量制御部１ａは、コントロール弁３と温度センサ４と圧力センサ５とオリフィス６と制御部７を形成する圧力式流量演算制御部７ａとから構成されている。

　更に、前記熱式流量モニタ部１ｂは、熱式流量センサ２と制御部７を形成する流量センサ制御部７ｂとから構成されている。

　前記圧力式流量制御部１ａは、上述の通りコントロール弁３、温度センサ４、圧力センサ５、オリフィス６及び圧力式流量演算制御部７ａ等から構成されており、入力端子７ａ_１から流量設定信号が、また出力端子７ａ_２から圧力式流量制御部１ａにより演算したオリフィスを流通する流体の流量出力信号が出力される。

　前記オリフィス６を用いた圧力式流量制御部１ａそのものは、特許第３２９１１６１号等として周知の技術であり、オリフィス６を臨界膨張条件下で流通する流体の流量を圧力検出センサ５で検出した圧力を基にして圧力式流量演算制御部７ａにて演算し、入力端子７ａ_１より入力した設定流量信号と演算した流量信号の差に比例する制御信号Ｐｄをコントロール弁３の弁駆動部３ａへ出力する。

　前記、圧力式流量制御部１ａやその流量演算制御部７ａの構成は、図１６に記載のものと実質的に同じであるため、ここではその詳細な説明は省略する。
　また、この圧力式流量制御部１ａには、公知の零点調整機構や流量異常検出機構、ガス種変換機構（Ｆ.Ｆ.値変換機構）等の各種付属機構が設けられていることは勿論である。
　更に、図１に於いて８は入口側通路、９は出口側通路、１０は機器本体内の流体通路である。

　前記流量モニタ付圧力式流量制御装置１を構成する熱式流量モニタ部１ｂは、熱式流量センサ２と流量センサ制御部７ｂとから構成されており、流量センサ制御部７ｂには入力端子７ｂ_１及び出力端子７ｂ_２が夫々設けられている。そして、入力端子７ｂ_１からはモニタする流量範囲の設定信号が入力され、出力端子７ｂ_２からは熱式流量センサ２により検出したモニタ流量信号（実流量信号）が出力される。

　また、図１には表示されていないが、流量センサ制御部７ｂと圧力式流量演算制御部７ａとの間では、前記モニタ流量信号や演算流量信号の入出力が適宜に行われ、両者の異同やその差の大きさを監視したり、或いは両者の差が一定値を越えた場合に警告を発したりしても良いことは勿論である。

　図２は、流量モニタ付圧力式流量制御装置１の他の例を示すものであり、コントロール弁３と熱式流量センサ２との間の流体圧力を圧力センサ５で検出するようにしたものである。尚、流量モニタ付圧力式流量制御装置１のその他の構成および動作は、図１の場合と全く同一である。

　図３は、流量モニタ付圧力式流量制御装置１の更に他の例を示すものであり、オリフィス６の下流側に圧力センサ１７を別に設け、オリフィス６を流通する流体が臨界膨張条件下にあるか否かを監視して警報を発信したり、或いは、圧力センサ５と圧力センサ１７の差圧を用いて流量制御を可能とするものである。

　前記熱式流量モニタ部１ｂは熱式流量センサ２と流量センサ制御部７ｂとから構成されており、図４及び図５はその構成の概要を示すものである。
　即ち、図４に示すように、熱式流量センサ２は、バイパス群２ｄとこれを迂回するセンサ管２ｅとを有しており、これにバイパス群２ｄと比較して少量のガス流体を一定の比率で流通させている。
　また、このセンサ管２ｅには直列に接続された制御用の一対の抵抗線Ｒ１、Ｒ４が巻回されており、これに接続されたセンサ回路２ｂによりモニタされた質量流量値を示す流量信号２ｃを出力する。

　前記この流量信号２ｃは、例えばマイクロコンピュータ等よりなる流量センサ制御部７ｂへ導入されて、上記流量信号２ｃに基づいて現在流れている流体の実質流量が求められる。

　図５は熱式流量センサ２のセンサ回路２ｂの基本構造を示すものであり、上記抵抗線Ｒ１、Ｒ４の直列接続に対して、２つの基準抵抗Ｒ２、Ｒ３の直列接続回路が並列に接続され、ブリッジ回路を形成している。このブリッジ回路に定電流源が接続されており、また、上記抵抗線Ｒ１、Ｒ４同士の接続点と上記基準抵抗Ｒ２、Ｒ３同士の接続点とを入力側に接続して差動回路が設けられており、上記両接続点の電位差を求め、この電位差を流量信号２ｃとして出力する構成となっている。

　尚、熱式流量センサ２及び流量センサ制御部７ｂそのものは公知の技術であるため、ここではその詳細な説明は省略する。
　また、本実施形態においては、熱式流量モニタ部１ｂとして、株式会社フジキン製のFCS-T1000シリーズに搭載されるセンサを使用している。

　次に、流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法の実施形態を説明する。
　図１を参照して、流量モニタ付圧力式流量制御装置の圧力式流量制御部１aは、実質的に図１６に示した従前の圧力式流量制御装置ＦＣＳと同等の構成を有しており、当該圧力式流量制御部１aには、流量の設定機構に該当する流量設定回路（図示省略）と、圧力の表示機構に該当する圧力表示機構（図示省略）と流量を表示する流量出力回路（図示省略）等が設けられている。
　また、当該圧力式流量制御部１aには、所謂流量自己診断機構（図示省略）が設けられており、後述するように初期設定した圧力降下特性と診断時の圧力降下特性とを対比して、異常状態を判定すると共にその判定結果を出力するよう構成されている。

　更に、圧力式流量制御部１aには、コントロール弁３へのガス供給源からの供給圧力が不足することにより、設定流量のガス流量が供給できなくなったり、或いは臨界膨張条件が保持できなくなるような場合には、供給圧不足信号の発信機構が設けられている。

　図１９は、本発明の実施対象である前記流量モニタ付圧力式流量制御装置１を用いた流体供給系の一例を示すものであり、当該流体供給系は、パージガス供給系Ｂとプロセスガス供給系Ａと流量モニタ付圧力式流量制御装置１とプロセスガス使用系Ｃ等とから構成されている。

　また、当該流体供給系の使用に際しては、通常は先ずパージガス供給系ＢからＮ_２やＡｒ等の不活性ガスをパージガスＧｏとして管路８、流量モニタ付圧力式流量制御装置１、管路９等へ流し、流体供給系内をパージする。その後、パージガスＧｏに代えてプロセスガスＧｐを供給し、流量モニタ付圧力式流量制御部１において所望の流量に調整しつつ、プロセスガスＧｐをプロセスガス使用系Ｃへ供給する。
　尚、図１９において、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３はバルブであり、流体圧駆動部や電動駆動部を備えた自動開閉弁が一般に使用されている。

　本発明を用いて点検されるバルブは、前記図１９におけるバルブＶ_１、Ｖ_２及びＶ_３等であり、当該バルブＶ_１～Ｖ_３の所謂シートリークと動作異常が、流量モニタ付圧力式流量制御装置（以下、圧力式流量制御部１aと呼ぶ）を用いて、プロセスチャンバＥへのプロセスガスの供給開始の準備中又はプロセスガスの供給停止の準備中等に行われる。

　より具体的には、各バルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３の動作異常は、圧力式流量制御部１a(即ち、圧力式流量制御装置ＦＣＳ)を用いた次の如き手順により点検される。
　イ　バルブＶ_１の動作異常
　　ａ．所定の実ガス（プロセスガスＧｐ）を流通せしめて、ＦＣＳにより所定の設定流量のガスを流通させる。この時、ＦＣＳの流量指示値や圧力指示値（配管路８及び又は配管路９）が０へと変化する場合には、バルブＶ_１の動作に異常（不動作）があることになる。
　　ｂ．ＦＣＳへ所定の実ガス（プロセスガスＧｐ）を流通せしめて、ＦＣＳの実ガス制御流量が所定流量となっているか否かを診断中（以下、実ガス流量自己診断時と呼ぶ）に、ＦＣＳから供給圧不足のエラー信号が発信された場合には、バルブＶ_１の動作に異常（不動作）があることになる。

　ロ　バルブＶ_２の動作異常
　　ａ．パージガスＧとしてＮ_２を流通せしめて、ＦＣＳにより所定の設定流量のガスを流通させる。この時ＦＣＳの流量指示値や圧力指示値が０へと変化する場合には、バルブＶ_２の動作異常（不動作）があることになる。
　　ｂ．ＦＣＳへＮ_２ガスを流通せしめて、ＦＣＳのＮ_２制御流量が設定流量となっているか否かを診断中（以下、Ｎ_２流量自己診断時と呼ぶ）に、ＦＣＳから供給圧不足のエラー信号が発信された場合には、バルブＶ_２の動作に異常（不動作）があることになる。

　ハ．バルブＶ_３の動作異常
　　ａ．Ｎ_２又は実ガスを流した状態下におけるＮ_２流量自己診断時又は実ガス流量自己診断時に、ＦＣＳから流量自己診断エラー信号が発信された場合には、バルブＶ_３の動作に異常（不動作）があることになる。
　　ｂ．配管９ｂ等の真空引きの際に、ＦＣＳの圧力出力表示が零に下降しない場合には、バルブＶ_３の動作に異常（不動作）があることになる。
　　ｃ．ＦＣＳの流量設定時に、前記流量設定値を適宜に変化させてもＦＣＳの圧力表示値に変化がない場合には、バルブＶ_３の動作異常（不動作）があることになる。

　また、各バルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３のシートリークは、ＦＣＳを用いた次の手順により点検される。
　イ　バルブＶ_１のシートリーク
　　ａ．Ｎ_２によるＦＣＳの流量自己診断時に、バルブＶ_１にシートリークがあると、Ｎ_２が実ガスＧｐ側へ逆流し、バルブＶ_１の上流側の実ガスＧｐがＮ_２と実ガスＧｐとの混合ガスになる。
　その後、ＦＣＳの実ガス流量自己診断を実施すると、当該実ガス流量自己診断が混合ガスで行われることになり、診断値が異常値となる。
　この診断値が異常値となることにより、バルブＶ_１にシートリークがあることが判明する。

　具体的には、実ガス（プロセスガスＧｐ）のフローファクタＦ．Ｆ．＞１の場合には、診断結果が－側に、また実ガス（プロセスガスＧｐ）のＦ．Ｆ．＜１の場合には、診断結果が＋側に偏位することになる。

　尚、フローファクタＦ．Ｆ．は、ＦＣＳのオリフィス及びオリフィス上流側圧力Ｐ_１が同一の場合に、実ガス流量が基準ガス（Ｎ_２）流量の何倍になるかを示す値であり、Ｆ．Ｆ．＝実ガス流量／Ｎ_２流量でもって定義される値である（特開２０００－６６７３２号等参照）。

　ロ．バルブＶ_２のシートリーク
　実ガス流量自己診断時の診断値が異常値となった場合には、バルブＶ_２にシートリークが発生していることになる。
　何故なら、ＦＣＳの上流側配管８の実ガスＧｐ内へＮ_２ガスが混入することになり、ＦＣＳでは混合ガスによる実ガス流量自己診断が行われるために、診断値が異常値となる。

　ハ．バルブＶ_３のシートリーク
　ＦＣＳによる流量制御の完了後、バルブＶ_３を閉の状態に保持すると共に、ＦＣＳの流量設定を０（流量が零となるように設定）にする。
　その後、ＦＣＳの圧力指示値が下降すれば、バルブＶ_３にシートリークが発生していることになる。

　上記の如きＦＣＳを用いた各操作を行うことにより、図１９の構成の流体供給系にあっては、バルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３の動作異常及びシートリークをＦＣＳを用いて検出することができる。

　尚、図１９の実施形態においては、３ヶのバルブを備えた流体供給系を本発明の適用対象としているが、プロセスガス供給系Ａの数が複数であっても、或いはプロセスガス使用系Ｃの数が複数であっても、本発明の適用が可能なことは勿論である。

　図２０は、図１９に示した流体供給装置の各バルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３の異常をチェックする場合のフローシートを示すものである。
　尚、本フローシートは、図１９において、イ．各バルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、ＦＣＳ及び配管系８、９、９ｂ等には、シートリーク以外の外部リーク（例えば継手やボンネット等からの漏れ）は無いこと、ロ．各バルブの駆動部は正常に動作すること、ハ．ＦＣＳは正常に動作すること、ニ．Ｖ_１、Ｖ_２は同時に開放することが無いこと等が前提となっている。

　先ず、ステップＳｏで異常チェックを開始する。引き続き、ステップＳ_１でＶ_１閉、Ｖ_２開→閉（切換）、Ｖ_３閉、ＦＣＳコントロールバルブ開の操作を行い、ＦＣＳの下流側配管９にＮ_２を充填する。

　ステップＳ_２にて、ＦＣＳの圧力表示Ｐ_１、即ち図１における圧力センサ１aの圧力表示Ｐ_１をチェックし、Ｐ_１の増減ΔＰ_１が０か否かを判断する。

　ΔＰ_１が０でない場合であって、Ｐ_１上昇の場合には、Ｖ_１又はＶ_２の何れか一方又は両方が異常（シートリーク又は動作不良）であり、また、Ｐ_１が減少の場合には、Ｖ_３が異常（シートリーク又は動作不良）であると判断する（ステップＳ_３）。

　次に、ステップＳ_４で、Ｖ_１閉、Ｖ_２閉、Ｖ_３開、ＦＣＳコントロールバルブ開で配管内を真空引きした後、Ｖ_１開、Ｖ_２閉にしてプロセスガス（実ガス）ＧｐをＦＣＳへ流し、ステップＳ_５でＦＣＳの圧力表示Ｐ_１をチェックする。Ｐ_１の上昇があればＶ_１の動作は正常（ステップＳ７）、Ｐ_１の上昇が無ければＶ_１の動作異常と判断して（ステップＳ_６）、Ｖ_１の動作状況を確認する。

　その後、ステップＳ_８でＶ_１閉、Ｖ_２閉、Ｖ_３開、ＦＣＳコントロールバルブ開で配管内を真空引きした後、Ｖ_１閉、Ｖ_２開とし、ＦＣＳの圧力表示Ｐ_１をチェックする（ステップＳ_９）。Ｐ_１が上昇しなければ、Ｖ_２の動作異常と判断して（ステップ１０）としてＶ_２の動作状況を確認する。
　また、Ｐ_１が上昇すれば、Ｖ_２の動作は正常と判断される（ステップＳ_１１）。

　続いて、ステップＳ_１２で、前記ステップＳ_２におけるバルブ類の異常がバルブＶ_３の動作異常に該当するか否かを判断する。即ち、ステップＳ_２の判断がＮｏ（バルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３の内の何れかが動作異常）であって、且つバルブＶ_１及びＶ_２の動作が正常であれば、バルブＶ_３が動作異常と判断され（ステップＳ_１３）、また、ステップＳ_２に於ける判断がｙｅｓの場合には、各バルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３の動作が正常であると判断される（ステップＳ_１４）。

　次に、各バルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３のシートリークのチェックが行われる。即ち、ステップＳ_１５において、Ｖ_１閉、Ｖ_２閉、Ｖ_３開、ＦＣＳのコントロールバルブ３開で配管内を真空引きした後、ステップＳ_１と同様にＶ_１閉、Ｖ_２開→閉（切替）、Ｖ_３閉にして、ＦＣＳとバルブＶ_３間の配管９ｂを加圧してＦＣＳの圧力表示をＰ_１に保持（コントロールバルブ３とバルブＶ_３との間で圧力を保持）する。

　ステップＳ_１６で、前記Ｐ_１の減圧をチェックし、減圧があればバルブＶ_３にシートリークがあると判断する（ステップＳ_１７）。また、減圧が無ければ、バルブＶ_３にシートリークなしと判断する（ステップＳ_１８）。

　次に、ステップＳ_１９で、Ｖ_１閉、Ｖ_２閉、Ｖ_３開、ＦＣＳのコントロールバルブ３開で配管内を真空引きした後、バルブＶ_１閉、Ｖ_２閉、Ｖ_３開として配管路８、９、９ｂを減圧（真空引き）したあと、バルブＶ_３を閉にする（ステップＳ_２０）。
　その後ステップＳ_２１でＦＣＳの圧力表示Ｐ_１をチェックし、圧力表示Ｐ_１が増圧しなければ、ステップＳ_２２でバルブＶ_１、Ｖ_２にシートリークが無いと判断して、異常チェックを完了する（ステップＳ_３１）。

　また、ステップＳ_２１でＰ_１に増圧があれば、バルブＶ_１又Ｖ_２の何れかにシートリークがあると判断し（ステップＳ_２３）、シートリークのあるバルブが何れであるかを判断する工程へ入る。

　ステップＳ_２４で、Ｖ_１閉、Ｖ_２閉、Ｖ_３開、ＦＣＳのコントロールバルブ３開で配管内を真空引きした後、バルブＶ_１開、Ｖ_２閉にし、流量モニタ付圧力式流量制御装置１の実ガス流量自己診断を行う。即ち、実ガス（プロセスガスＧ_Ｐ）を流したときの圧力降下特性と初期設定圧力降下特性とを対比し、両者の間の差が許容値以下であれば診断値に異常が無いと判断する。また、逆に、前記両者の間の差が許容値以上となった場合には、診断値に異常があると判断する。

　ステップＳ_２４で、診断値に異常が無ければ、バルブＶ_１のみにシートリークがあると判断する（ステップＳ_２６）。バルブＶ_１にシートリークがあっても、バルブＶ_２にシートリークが無ければ、流量モニタ付圧力式流量制御装置１（ＦＣＳ）へ流入する流体はプロセスガスＧｐのみであり、従って前記実ガス流量自己診断の診断値には異常が出ないからである。

　一方、ステップＳ_２４において診断値に異常がある場合には、ステップＳ_２７においてバルブＶ_１閉、バルブＶ_２開とされ、流量モニタ付圧力式流量制御装置１（ＦＣＳ）のＮ_２流量自己診断が行われる。即ち、Ｎ_２ガスを流したときの圧力降下特性と初期圧力降下特性とを対比し、両者の差が許容値以下であれば診断値に異常が無いと診断する。また、両者の差が許容値以上であれば、診断値が異常であると診断する。

　ステップＳ_２８において、Ｎ_２流量自己診断の診断値に異常が無ければ、ステップＳ_２９でバルブＶ_２のみがシートリークをしていると判断する。何故なら、バルブＶ_１がシートリークを起しておれば、実ガスがＮ_２内へ混入し、ＦＣＳの流量自己診断値に異常が出るからである。

　逆に、ステップＳ_２８において、Ｎ_２流量自己診断値に異常がある場合には、バルブＶ_１がシートリークを起し、Ｎ_２と実ガスとの混合ガスがＦＣＳへ流入することにより、前記診断値に異常を生じることになる。これにより、ステップＳ_３０において、バルブＶ_１及びＶ_２の両方がシートリークをしていると判断する。

　尚、図２０の異常チェックフローシートにおいては、ステップＳ_３においてバルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３の異常を検出したあと、各バルブＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３の動作異常と、シートリーク異常とを夫々順にチェックして行くフローとしている。しかし、ステップＳ_３において異常が検出されれば、異常の変動度合から異常の種類がバルブの動作異常か又はシートリークの何れかであるかを先ず判定し、動作異常であればステップＳ_４～ステップＳ_１３までを、また、シートリーク異常であればステップＳ_１５～ステップＳ_３０を、夫々実施するようにしてもよい。

　また、前記動作異常の判定は、ステップＳ_３におけるＰ_１の上昇率又はＰ_１の減少率から判断可能である。例えばＰ_１の上昇率が大きければバルブの開閉異常、Ｐ_１の上昇率が小さければバルブのシートリーク異常と判断することができる。

　次に、流量自己診断時の圧力降下特性と、流量自己診断の結果が異常と判定された場合の異常原因等の関係について検証をした。
　尚、流量自己診断とは、前記したように初期設定した圧力降下特性と診断時の圧力降下特性とを対比し、その差が予め定めた範囲外となった場合に異常と判断するものである。

　先ず、発明者等は、図１９に示した基本的な流体供給系を構成し、故障（異常）を模擬的に発生させると共に、各異常時の圧力降下特性を調査した。また、得られた圧力降下特性とその発生要因の関係を解析し、その解析結果から、圧力降下特性の形態と異常発生の原因との間に密接な一定の関係が存在することを見出した。即ち、異常発生時の圧力降下特性の形態が判れば、異常発生の原因を知得できることを見出した。

　図２１は、流量自己診断において模擬的に発生させた具体的な故障の種類Ａ（故障の特定）と、それによって発生する現象Ｂと、発生した現象Ｂに直接結び付く故障の総括的な要因Ｃとの関係を調査し、これをまとめたものである。
　また、圧力降下特性の形態の欄の数値（１～４）は、後述するように具体的な故障の種類Ａに対して夫々発生する圧力降下特性の形態の類形を示すものである。

　図２２乃至図２８は、図２１に示した夫々の具体的な故障を生ぜしめた場合の流量自己診断における圧力降下特性を示すものであり、横軸は時間を、また縦軸は圧力式流量制御部１a、即ちＦＣＳの検出圧力を夫々示すものである。
　即ち、図２２では、ガス供給源側からの供給圧不足のために、１００％流量保持時に制御圧が不足することになり、圧力降下特性の形態が後述する類形４の形態となる。

　図２３・（ａ）では、２次側（ＦＣＳの出力側）のエア作動バルブＶ_３のエア作動が故障であるためオリフィス２次側圧力が上昇し、その結果、診断途中から圧力降下が遅れることになる（類形２の形態となる）。
　また、図２３・（ｂ）では、オリフィス２次側の外部からリークガスが２次側へ流入するためオリフィス２次側圧力が上昇し、圧力降下特性の形態は上記図２３・（ａ）の場合と同じ類形２の形態となる。

　図２４・（ａ）では、フローファクタ（Ｆ．Ｆ．）の大きなガスが圧力式制御部１a,即ち ＦＣＳの一次側へ流入するため、絞り機構（オリフィス）からガスが抜け易くなり、その結果圧力降下特性における圧力降下が早くなる（類形３の形態）。
　逆に、図２４・（ｂ）では、フローファクタ（Ｆ．Ｆ．）の小さなガスが流入するため、絞り機構（オリフィス）からガスが抜け難くなり、圧力降下特性における圧力降下が遅れる（類形１の形態）。尚、以下の記述では、絞り機構をオリフィスでもって表現する。

　図２５・（ａ）では、オリフィスが詰まることにより、オリフィスからガスが抜け難くなり、圧力降下特性における圧力降下が遅れることになる（類形１の形態）。
　逆に、図２５・（ｂ）ではオリフィスが拡経するため、オリフィスからガスが抜け易くなり、圧力降下が早まることになる（類形３の形態）。

　図２６では、コントロールバルブ３がシートリークを生じているため、流量自己診断時にコントロールバルブ３からガスが流入し、圧力降下特性における圧力降下が遅れることになる（類形１の形態）。

　図２７では、コントロールバルブ３の駆動部の伝達系に異常があるため、コントロールバルブが円滑に開弁しない。その結果、ガスの供給が行われず、ガスが流れないため圧力降下特性が変化しないことになる（類形４の形態）。

　図２８は、圧力式流量制御部１aの零点調整が狂っている場合を示すものであり、零点がプラス側に変動しているときには圧力降下が遅れて、類形１の形態となる。
　また、零点がマイナス側に変動しているときには、圧力降下が早まることになり、その圧力降下特性は類形３の形態となる。

　図２９は、上記図２２乃至図２８で示した流量自己診断時における圧力降下特性の類形の形態をまとめて表示したものである。

　即ち、圧力降下特性は次の１～４の４類形の形態（パターン）に大別される。
　［類形１の圧力降下特性（診断直後から圧力降下が遅れる）］
　　フローファクタの小さなガスの混入、オリフィスへの生成物の付着・ゴミ詰まり、コントロールバルブのゴミの噛み、生成物付着（シートリーク）、ゼロ点のプラス変動等の故障の場合に発生する。
　［類形２の圧力降下特性（診断途中から圧力降下が遅れる）］
　　２次側バルブのエアオペレーション機構の故障、２次側への外部からのリーク等の故障の場合に発生する。
　［類形３の圧力降下特性（診断直後から圧力降下が早くなる）］
　　フローファクタの大きなガスの混入、不適切なゼロ点入力、腐食による穴（オリフィス）の詰まり、オリフィスプレートの破損、ゼロ点のマイナス変動等の故障の場合に発生する。
　［類形４の圧力降下特性（診断時の初期が１００％流量に達しない）］
　　供給圧力の不足、１次側バルブのエアオペレーション機構の故障、（プレフィルタの）ゴミ詰まり、コントロールバルブ駆動部の伝達系の異常（コントロールバルブの故障）等の場合に発生する。

　上記図２１及び図２２乃至図２９の記載からも明らかなように、本発明では、流量自己診断時の圧力降下特性の形態が１～４のどの類形に該当するかを検討することにより、故障の原因やその発生箇所を容易に知ることができ、ガス供給系の補修（又は点検）を能率よく迅速に行えることになる。

　次に、流体供給系のバルブにシートリーク等が生じたり、或いは、流量モニタ付圧力式流量制御装置１自体に何等かの故障が生じることにより、流量自己診断時のモニタ流量に異常が有ることが判明すると、当該モニタ流量の異常が流体供給系の異常によるものか、或いは、流量モニタ付圧力式流量制御装置１自体の異常によるものかを判別し、流量モニタ付圧力式流量制御装置１の故障等が原因となっているときには、流量モニタ付圧力式流量制御装置１を迅速に交換する必要がある。

　そのため、本発明においては、モニタ流量異常が表われると、先ず図３０に示す如く、流量モニタ付圧力式流量制御装置１の流量自己診断を行う（ステップ４０）。
　尚、流量自己診断方法は、前記図２０等により説明した方法と同様である。また、当該モニタ流量の異常は、一般に図１に示した熱式流量モニタ部１ｂのゼロ点のずれ、圧力式流量制御部１aのゼロ点のずれ、流体供給系の異常及び流量モニタ付圧力式流量制御装置１自体の故障等が原因となって発生することが判明している。

　前記ステップ４０で流量自己診断を行い、その結果をステップ４１で診断して、流量自己診断結果が予め定めた正常範囲内にあればステップ４２で熱式流量センサ２のゼロ点調整を行なった後、ステップ４３でモニタ流量出力を再度確認し、ステップ４４で流量出力が予め定めた正常範囲内にあれば、使用可能と判断し、引き続き使用に供するものとする。

　前記ステップ４１で流量自己診断結果が設定範囲外であれば、ステップ４５で流量自己診断におけるモニタ流量異常の原因の解析を行い、モニタ流量の異常の原因を把握する。

　当該流量自己診断異常の要因解析は、前記図２１乃至図２９を用いて説明したところに従って行い、異常の原因が四つの類型の内の何れの類型に該当するかを判別する。

　また、流量モニタ付圧力式流量制御装置の流量自己診断において、その圧力降下特性曲線の形態から流量異常の原因がオリフィスの口径変化に起因すると判断される場合（例えば、図２５(a)の類形１及び図２５(b)の類形2の場合）には、モニタ流量値が正しいものとしてモニタ付圧力式流量制御装置の流量出力値を校正するようにしても良い。
　尚、当該モニタ付圧力式流量制御装置の流量出力値の校正方法としては、例えば流量検出点を５～１０点ほど適宜に選定し、各点に於けるモニタ流量値と流量出力値との差異を用いて校正する方法等が可能である。

　次に、先ずステップ４６で圧力センサのゼロ点にずれが在るか否かをチェックし、圧力センサのゼロ点にずれが無ければ、ステップ４７で流体供給系の異常に該当するか否かをチェックする。
　逆に、前記ステップ４６で圧力センサのゼロ点にずれが在ることが判れば、ステップ４８で圧力センサのゼロ点を調整したあと、再度処理をステップ４０へ戻して流量自己診断を実行する。

　前記ステップ４７で異常の要因が流体供給系の異常に該当するか否かをチェックし、流体供給系の異常に該当しない場合には、流量モニタ付圧力式流量制御装置そのものにモニタ流量の異常原因があると判断して、流量モニタ付圧力式流量制御装置の取換、交換の処置をする。
　また、ステップ４７で、異常の要因が流体供給系の異常に該当すると判明した場合には、ステップ４９で流体供給系の補修若しくは復旧を行い、その後、処理を再度ステップ４０へ戻して流量自己診断を行なう。

　本発明は半導体製造装置用ガス供給設備のみならず、化学産業や食品産業等の圧力センサを保有する流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給設備全般にも広く適用できるものである。

１は　流量モニタ付圧力式流量制御装置
１ａは　圧力式流量制御部
１ｂは　熱式流量モニタ部
２は　熱式流量センサ
２ｂは　センサ回路
２ｄは　バイパス管群
２ｅは　センサ管
３は　コントロール弁
３ａは　弁駆動部
４は　温度センサ
５は　圧力センサ
６は　オリフィス
７は　制御部
７ａは　圧力式流量演算制御部
７ｂは　流量センサ制御部
７ａ_１は　入力端子
７ａ_２は　出力端子
７ｂ_１は　入力端子
７ｂ_２は　出力端子
８は　入口側通路
９は　出口側通路
１０は　機器本体内の流体通路
１１は　ガス供給源
１２は　圧力調整器
１３は　パージ用バルブ
１４は　入力側圧力センサ
１５は　データロガ
１６は　真空ポンプ
１７は　圧力センサ
Ｐｄは　コントロール弁の制御信号
Ｐｃは　流量信号
Ａ_１は　 流量設定入力
Ａ_２は　 圧力式流量制御装置の流量出力
Ｂ_１は　 熱式流量センサ出力（図６・熱式流量センサが１次側の場合）
Ｂ_２は　 熱式流量センサ出力（図７・熱式流量センサが２次側の場合）
Ａは　  プロセスガス供給系
Ａ_１は　 配管
Ｂは　  パージガス供給系
Ｂ_１は　 配管
Ｃは　  プロセスガス使用系
Ｅは    プロセスチャンバ
ＦＣＳは圧力式流量制御装置
Ｖ_１～Ｖ_３はバルブ
Ｇｏは　パージガス
Ｇｐは　プロセスガス

Claims (12)

1. 　流体の入口側通路と，入口側通路の下流側に接続した圧力式流量制御部を構成するコントロール弁と，コントロール弁の下流側に接続した熱式流量センサと，熱式流量センサの下流側に連通する流体通路に介設したオリフィスと，前記コントロール弁とオリフィスの間の流体通路の近傍に設けた温度センサと，前記コントロール弁とオリフィスの間の流体通路に設けた圧力センサと，前記オリフィスに連通する出口側通路と，前記圧力センサからの圧力信号及び温度センサからの温度信号が入力され、オリフィスを流通する流体の流量値Ｑを演算すると共に演算した流量値と設定流量値との差が減少する方向に前記コントロール弁を開閉作動させる制御信号Ｐｄを弁駆動部へ出力する圧力式流量演算制御部及び前記熱式流量センサからの流量信号が入力され当該流量信号からオリフィスを流通する流体流量を演算表示する流量センサ制御部とからなる制御部と，から構成したことを特徴とする流量モニタ付圧力式流量制御装置。
2. 　圧力センサを、コントロール弁の出口側と熱式流量センサの入口側の間に設けるようにした請求項１に記載の流量モニタ付圧力式流量制御装置。
3. 　流量センサ制御部で演算した流体流量と圧力式流量演算制御部で演算した流体流量間の差が設定値を越えると警報表示を行う制御部とした請求項１又は請求項２に記載の流量モニタ付圧力式流量制御装置。
4. 　コントロール弁，熱式流量センサ，オリフィス，圧力センサ，温度センサ，入口側通路，出口側通路を一つのボディ体に一体的に組み付けすると共に、流体通路をボディ体に一体的に形成するようにした請求項１に記載の流量モニタ付圧力式流量制御装置。
5. 　流体の入口側通路と，入口側通路の下流側に接続した圧力式流量制御部を構成するコントロール弁と，コントロール弁の下流側に接続した熱式流量センサと，熱式流量センサの下流側に連通する流体通路に介設したオリフィスと，前記コントロール弁とオリフィスの間の流体通路の近傍に設けた温度センサと，前記コントロール弁とオリフィスの間の流体通路に設けた圧力センサと，前記オリフィスに連通する出口側通路と，前記オリフィスの下流側の出口側通路に設けた圧力センサと，前記圧力センサ及び圧力センサからの圧力信号及び温度センサからの温度信号が入力され、オリフィスを流通する流体の臨界膨張条件の監視やオリフィスを流通する流体の流量値Ｑを演算すると共に、演算した流量値と設定流量値との差が減少する方向に前記コントロール弁を開閉作動させる制御信号Ｐｄを弁駆動部へ出力する圧力式流量演算制御部及び前記熱式流量センサからの流量信号が入力され当該流量信号からオリフィスを流通する流体流量を演算表示する流量センサ制御部とからなる制御部と，から構成したことを特徴とする流量モニタ付圧力式流量制御装置。
6. 　オリフィスを流通する流体が臨界膨張条件を外れると、警報表示を行う制御部とした請求項５に記載の流量モニタ付圧力式流量制御装置。
7. 　コントロール弁，熱式流量センサ，オリフィス，圧力センサ，温度センサ，入口側通路，出口側通路，圧力センサを一つのボディ体に一体的に組み付けすると共に、流体通路をボディ体に一体的に形成するようにした請求項５に記載の流量モニタ付圧力式流量制御装置。
8. 　流量の設定機構と流量及び圧力の表示機構及び又は流量自己診断機構とで構成される圧力センサを保有する流量モニタ付圧力式流量制御装置を備えた流体供給系における前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の上流側及び又は下流側に設けたバルブの異常を、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の圧力の表示値及び又は流量自己診断機構の診断値を用いて検出する方法であって、異常検出の対象とするバルブを、流量モニタ付圧力式流量制御装置の上流側に設けたパージガス供給系のバルブとプロセスガス供給系のバルブ及び流量モニタ付圧力式流量制御装置の下流側のプロセスガス使用系に設けたバルブとすると共に、検出する異常の種類をバルブの開閉動作及びシートリークとした流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法。
9. 　流量モニタ付圧力式流量制御装置の流量自己診断機構を、初期設定をした圧力降下特性と診断時の圧力降下特性とを対比して異常を診断する構成の機構とすると共に、プロセスガスとパージガスとの混合ガスが流入した際の前記診断値の変化から、プロセスガス供給系又はパージガス供給系のバルブのシートリークを検出するようにした請求項８に記載の流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法。
10. 　流量の設定機構と流量及び圧力の表示機構及び又は流量自己診断機構とで構成される圧力センサを保有する流量モニタ付圧力式流量制御装置を備えた流体供給系における前記流量モニタ付圧力式流量制御装置並にその上流側及び又は下流側に設けたバルブの異常を、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の圧力の表示値及び又は流量自己診断機構を用いて検出する方法において、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の流量自己診断機構を、初期設定をした圧力降下特性と診断時の圧力降下特性とを対比して異常を診断する構成の機構とすると共に、当該流量自己診断機構による流量自己診断時の圧力降下特性が、前記初期設定時の圧力降下特性に対比して、診断直後から圧力降下が遅れ出すか、診断途中から圧力降下が遅れ出すか、診断直後から圧力降下が早まるか、診断開始時の圧力が初期設定時の圧力に達していないか、の何れの形態に該当するかを判別し、前記判別された流量自己診断時の圧力降下特性の形態から、検出された異常の原因を判定するようにした流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法。
11. 　請求項１０に記載の流体供給系の異常検出方法を用いて流量自己診断をし、流量自己診断時の圧力降下特性の形態から検出された異常の原因を判定したあと圧力センサのゼロ点のずれを確認し、ゼロ点がずれている場合にはそのゼロ点を調整してから再度流量自己診断を行い、また、前記ゼロ点にずれが無い場合には前記判定した異常の原因が流体供給系の異常か否かを判別し、流体供給系が異常の場合には流体供給系の異常を復旧させ、また、流体供給系に異常が無い場合には前記流量モニタ付圧力式流量制御装置自体の異常と判断してその取換えをするようにした流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給系のモニタ流量異常時の処置方法。
12. 　請求項１０に記載の流体供給系の異常検出方法を用いて流量自己診断をし、前記流量モニタ付圧力式流量制御装置のオリフィスの径変化が原因でモニタ流量が異常の場合には、モニタ流量を正として前記流量モニタ付圧力式流量制御装置の校正を行うようにした流量モニタ付圧力式流量制御装置を用いた流体供給系のモニタ流量異常時の処置方法。

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