CN111373340A - 流量控制装置的自我诊断方法 - Google Patents

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CN111373340A CN201880074626.3A CN201880074626A CN111373340A CN 111373340 A CN111373340 A CN 111373340A CN 201880074626 A CN201880074626 A CN 201880074626A CN 111373340 A CN111373340 A CN 111373340A
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平田薰
川田幸司
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Abstract

本发明涉及一种流量控制装置的自我诊断方法，包括：工序(a)，从流量控制阀(8)的开度为节流部以上的开度且流体从压力控制阀(6)的上游侧流动的状态，使压力控制阀变化为闭状态，测定变化之后的压力下降特性；工序(b)，从流量控制阀的开度为小于节流部的开度且流体从压力控制阀的上游侧流向下游侧的状态，使压力控制阀变化为闭状态，测定变化之后的压力下降特性；工序(c)，对在工序(a)测定的压力下降特性和对应的基准压力下降特性进行比较，判断有无异常；工序(d)，对在工序(b)测定的压力下降特性和对应的基准压力下降特性进行比较，判断有无异常；和工序(e)，仅只在工序(d)判断存在异常的情况下，判断流量控制阀存在异常。

Description

流量控制装置的自我诊断方法
技术领域
本发明涉及一种流量控制装置的自我诊断方法，特别是涉及在半导体制造装置或化工厂等中适宜利用的流量控制装置的自我诊断方法。
背景技术
在半导体制造装置或化工厂中，为了控制材料气体或蚀刻气体等流体的流动，利用各种类型的流量计或流量控制装置。其中，压力式流量控制装置通过组合有控制阀和节流部(例如，流孔板)的比较简单的机构能够以高精度控制各种流体的流量，因此被广泛利用。
通过压电元件驱动装置(以下，有时称为压电致动器)使金属隔膜阀体开闭的压电元件驱动式阀被作为压力式流量控制装置的控制阀利用。现有的压电元件驱动式阀例如公开于专利文献1。
压电元件驱动式阀中，根据向压电致动器施加的驱动电压的大小，压电致动器的伸长程度变化，伴随于此金属隔膜阀体按压阀座的按压力变化。金属隔膜阀体相对于阀座以充分的按压力进行按压时，成为闭阀状态，如果按压力减弱则金属隔膜阀体从阀座离开而开阀。压电元件驱动式阀除了能够进行比较高速的动作之外，还具有动作特性方面的迟滞性比较小的优点。
但是，现有的半导体工序控制中，使用压力式流量控制装置的情况下，压电元件驱动式阀大多以消除相对于设定流量的偏差的方式进行控制，以模拟式的很少的位移量进行比较缓和的开闭动作。但是近年来，流量控制装置谋求对例如ALD(Atomic LayerDeposition)等的应用，在这样的用途中，要求通过高速(周期非常短)的脉冲状控制信号对控制阀进行开闭而高速地进行流量的控制。
现有的技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2007-192269号公报
专利文献2：日本专利特许第4933936号
专利文献3：国际公开第2017/170174号
在上述这样的用途中，与现有相比压电元件驱动式阀的开闭速度、位移量和开闭频率明显增加。而且，这些会促进流量控制装置的流量控制特性的降低，存在与现有相比变得容易在早期发生动作不佳或流量控制的精度下降的情况。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的，其主要目的在于，提供一种能够适宜地对应于脉冲流量控制等的流量控制装置的自我诊断方法。
根据本发明的实施方式的流量控制装置的自我诊断方法，为下述流量控制装置的自我诊断方法，该流量控制装置具备：压力控制阀，所述压力控制阀设置于流路；流量控制阀，所述流量控制阀设置于所述压力控制阀的下游侧；节流部，所述节流部设置于所述压力控制阀的下游侧；和压力传感器，所述压力传感器设置于所述压力控制阀的下游侧且设置于所述节流部的上游侧，所述流量控制阀具有：阀体，所述阀体离接于阀座；和压电元件，所述压电元件为了使所述阀体离接于所述阀座而使其移动，所述流量控制装置的自我诊断方法包括：工序(a)，从所述压力控制阀为开状态、所述流量控制阀的开度为所述节流部的开度以上的开度、流体从所述压力控制阀的上游侧通过所述流量控制阀和所述节流部流向下游侧的状态，使所述压力控制阀从所述开状态变化为闭状态，使用所述压力传感器对成为所述闭状态之后的流体压力的压力下降特性进行测定；工序(b)，从所述压力控制阀为开状态、所述流量控制阀的开度为小于到所述节流部的开度、流体从所述压力控制阀的上游侧通过所述流量控制阀和所述节流部流向下游侧的状态，使所述压力控制阀从所述开状态变化为闭状态，使用所述压力传感器对成为所述闭状态之后的流体压力的压力下降特性进行测定；工序(c)，对在所述工序(a)测定的所述压力下降特性和预先存储的作为基准的压力下降特性进行比较，判断有无异常；工序(d)，对在所述工序(b)测定的所述压力下降特性和预先存储的作为基准的压力下降特性进行比较，判断有无异常；和工序(e)，在所述工序(c)和所述工序(d)进行的判断中，只有在所述工序(d)判断存在异常的情况下，判断所述流量控制阀的阀座和阀体的距离存在异常。
在某一实施方式中，为所述工序(a)比所述工序(b)先进行，或者，所述工序(b)比所述工序(a)先进行中的任一个。
在某一实施方式中，在所述工序(a)之后并且在所述工序(b)之前进行所述工序(c)，在所述工序(b)和所述工序(c)之后进行所述工序(d)。
在某一实施方式中，所述流量控制装置还具备测定存储部，所述测定存储部用于存储在所述工序(a)和所述工序(b)测定的数据。
在某一实施方式中，所述流量控制装置还具备判断存储部，所述判断存储部用于存储在所述工序(c)和所述工序(d)判断的结果。
在某一实施方式中，在所述压电元件设置应变传感器，基于所述应变传感器的输出求出所述阀座和所述阀体的距离。
在某一实施方式中，在所述工序(e)中，判断所述流量控制阀的阀座和阀体的距离存在异常的情况下，判断所述应变传感器的输出存在异常。
在某一实施方式中，在所述工序(b)测定的所述压力下降特性比所述预先存储的作为基准的压力下降特性大时，判断应变传感器的输出范围(span，跨度)减小。
在某一实施方式中，在所述工序(b)测定的所述压力下降特性比所述预先存储的作为基准的压力下降特性小时，判断应变传感器的输出范围扩大。
在某一实施方式中，在所述工序(a)和所述工序(b)中，所述压力控制阀为开状态下使所述流体流向下游侧的状态时，所述压力控制阀为打开到最大设定开度的状态。
在某一实施方式中，在所述工序(a)和所述工序(b)中，所述压力控制阀为开状态下使所述流体流向下游侧的状态时，所述压力控制阀为半开状态。
发明效果
根据本发明的实施方式，提供一种能够对应于长时间的使用造成的精度降低的流量控制装置的自我诊断方法。
附图说明
图1为表示本发明人进行的针对应变传感器输出的范围变化的试验结果的曲线图。
图2为表示根据本发明的实施方式的流量控制装置的结构的示意性的图。
图3为表示本发明的实施方式中使用的流量控制阀和第二压力传感器的截面图。
图4为表示本发明的实施方式中使用的压电致动器的图，(a)表示筒体和收容于内部的压电叠堆(piezo stack)，(b)表示连接部。
图5为表示本发明的实施方式中使用的为了得到应变传感器的输出的示例性的桥接电路的图。
图6为表示根据本发明的实施方式的流量控制装置的自我诊断方法的流程图。
图7为用于说明根据本发明的实施方式的流量控制装置的自我诊断方法的图，(a)表示压力控制阀的开闭动作，(b)表示测定的压力下降特性和基准压力下降特性一致的情况，(c)表示测定的压力下降特性和基准压力下降特性不同的情况。
图8为表示测定的压力下降特性相对于基准压力下降特性向上侧偏移的情况和向下侧偏移的情况的曲线图。
符号说明
1 流路
2 节流部
3 第一压力传感器
4 第二压力传感器
5 流入压力传感器
6 压力控制阀
7 第一控制电路
8 流量控制阀
10 压电致动器
10b 压电叠堆(压电元件)
11 阀主体
12 阀座
13 金属隔膜阀体
14 引导筒体
15 弹性部件
16 支撑体
17 第二控制电路
18 阀体按压件
20 应变传感器
20z 第一应变计
20x 第二应变计
100 流量控制装置
具体实施方式
本申请的申请人，在国际公开第2018/123852号中公开了一种作为压力式流量控制装置的控制阀使用的压电元件驱动式阀，其构成为：，使用应变传感器(也称为应变计)对压电致动器的伸长量进行测定。如果是使用贴付于压电元件的应变传感器更直接地测定压电致动器的伸长量即阀开度，则与参照压电致动器的驱动电压的情况相比，能够更正确地获知阀开度。
但是，通过本申请发明人的试验确认了：在具有在压电元件上固定应变传感器的结构的压电元件驱动式阀中，存在在使其开闭次数增加之后，即使在施加相同的最大驱动电压时应变传感器的最大输出也降低的情况。
另外，在本说明书中，有时将下述内容称为应变传感器输出的范围：不对压电元件驱动式阀施加电压时，即不产生压电元件的伸长时的应变传感器的输出和相对于压电元件驱动式阀施加最大驱动电压时的应变传感器的输出的差。此外，应变传感器的输出是指根据应变传感器的应变量而变化的应变传感器的电阻值所对应的各种输出，例如，可以是应变传感器的电阻值自身，也可以是组装了应变传感器的惠斯登桥接电路输出的电压信号(以下有称为桥接输出信号(参照图5)的情况)等。
若如此应变传感器输出的范围从初期变动，则在以基于应变传感器的输出进行流量控制的方式构成的压力式流量控制装置中，随着开闭次数的增加，流量控制的精度会降低。而且，在高速、高频反复进行阀的开闭的近年的用途中，这样的流量控制的精度降低会在比较早的阶段发生。
图1表示测定应变传感器输出的范围的变化相对于阀的开闭次数的试验结果的2例A1、A2。从图1可知，若增加压电元件驱动式阀的开闭次数，赋予应变传感器的周期性应力变动次数增加，则应变传感器输出的范围降低。此外，在2例A1、A2中，显示了一些不同的范围变化。考虑主要原因是每个机器的应变传感器的特性变化，阀开闭度，即压电致动器的伸长度和应变传感器输出的关系变化。另外，图1中横轴表示对数表示的开闭次数(单位：1万次)，纵轴表示进行5000次的开闭动作后的最大压电驱动电压施加时的桥接输出信号为100％时的、最大压电驱动电压施加时的相对桥接输出信号的大小。
因此，本申请的发明人对检测压力式流量控制装置具备的压电元件驱动式阀中的应变传感器的特性变化、特别是应变传感器输出的范围的变化的方法进行了潜心研究。然后发现，在压力式流量控制装置中通过进行压力下降特性的测定的自我诊断方法能够检测应变传感器的范围的变化，基于该结果对应变传感器的输出进行补正，由此不管是什么机器都能够在长时间以良好的精度进行流量控制。
以下，对本发明的实施方式进行说明。图2表示进行根据本发明的实施方式的自我诊断方法用的流量控制装置100的结构。流量控制装置100具备：设置于气体G0的流入侧的流路1的压力控制阀6；设置于压力控制阀6的下游侧的流量控制阀8；对压力控制阀6的下游侧且流量控制阀8的上游侧的压力P1进行检测的第一(或上游)压力传感器3；和配置于压力控制阀6的下游侧且流量控制阀8的上游侧的节流部2。
在本实施方式中，节流部2由配置于流量控制阀8的上游侧的流孔板构成。流孔板因为流孔的面积固定，因此作为开度固定的节流部发挥作用。本说明书中，“节流部”是指将流路的截面积限制为比前后的流路截面积更小的部分，例如，使用流孔板或临界喷嘴、音速喷嘴等构成，但是也可以使用其他的部件构成。此外，本说明书中，节流部包括将阀的阀座和阀体的距离作为开度，将该开度看作虚拟的可变流孔的阀构造。这样的阀构造能够作为开度可变的节流部发挥作用。
本实施方式的流量控制装置100还具备对流量控制阀8的下游侧的压力P2进行测定的第二(或者下游)压力传感器4；和对压力控制阀6的上游侧的压力P0进行检测的流入压力传感器5。但是，流量控制装置100在其他方式中，也可以不具备第二压力传感器4或流入压力传感器5。
第一压力传感器3能够对压力控制阀6和节流部2或者流量控制阀8之间的流体压力即上游压力P1进行测定，第二压力传感器4能够对节流部2或流量控制阀8的下游压力P2进行测定。此外，流入压力传感器5能够对从连接的气体供给装置(例如原料气化器或者气体供给源等)向流量控制装置100供给的材料气体、蚀刻气体或者载体气体等的流入压力P0进行测定。流入压力P0能够用于对来自气体供给装置的气体供给量或气体供给压力进行控制。
流量控制阀8的下游侧通过下游阀(未图示)与半导体制造装置的处理腔室(process chamber)连接。处理腔室连接有真空泵，典型来说，在处理腔室的内部被抽真空的状态下，从流量控制装置100向处理腔室供给被流量控制过的气体G1。作为下游阀，例如，能够使用通过压缩空气控制开闭动作的公知的空气驱动阀(Air Operated Valve)或电磁阀等。
压力控制阀6例如可以是以压电致动器对金属制隔膜阀体进行驱动的方式构成的公知的压电元件驱动式阀。如后所述，压力控制阀6基于来自第一压力传感器3的输出控制其开度，例如，以第一压力传感器3输出的上游压力P1维持在输入的设定值的方式进行反馈控制。
此外，本实施方式中，流量控制阀8为具备下述部件的压电元件驱动式阀：以与阀座抵接和分离(以下，有时称为离接)的方式配置的阀体；为了使阀体离接阀座而使其移动的压电元件；和对压电元件的伸长量进行检测的应变传感器20。如后所述，流量控制阀8以如下方式构成：能够基于从应变传感器20输出的信号，对压电元件的驱动进行反馈控制。
图3表示图2所示的流量控制阀8和设置于其下游侧的第二压力传感器4的结构例。流量控制阀8和第二压力传感器4安装于主体块体11。另外，主体块体11的入口侧与图2所示的安装有压力控制阀6和第一压力传感器3的其他的主体块体(未图示)连接。此外，图2所示的节流部2，在主体块体11和其他的主体块体的连接部中，例如通过垫片作为流孔板被固定。流孔的口径例如设定为100μm～500μm。
图3所示的流量控制阀8为常开型的阀，以随着压电致动器10的伸长阀体向阀座的方向移动的方式构成，具备：包括1根或多根压电元件10b(参照图4)的压电致动器10；配置于压电致动器10的下方的金属隔膜阀体13；和设置于压电致动器10的外侧的引导筒体14。
压电致动器10的下端10t由支撑体16支撑，在支撑体16的下方设置有与隔膜阀体13抵接的阀体按压件18。金属隔膜阀体13为自我弹性恢复型，例如由镍铬合金钢等的薄板形成。
在上述结构中，在不向压电致动器10施加驱动电压的状态下，金属隔膜阀体13(中央部)通过自我弹性力相对于阀座12分离。此外，在本实施方式中，在支撑体16的周围配置的弹性部件(在此为盘簧)15支撑支撑体16和压电致动器10，没有施加电压时，金属隔膜阀体13容易与阀座12分离。另一方面，若向压电致动器10施加驱动电压，则在相对于阀主体11固定的引导筒体14的内侧，压电致动器10向下方伸长。然后，压电致动器10的下端10t抵抗弹性部件15的施力而按下支撑体16，与此连动，阀体按压件18将金属隔膜阀体13向阀座12的方向移动。
这样的常开型的阀中，在向压电致动器10施加最大驱动电压时成为闭阀状态，通过减少驱动电压，能够任意调节开度。常开型的阀具有响应性良好的优点。常开型的压电元件驱动式阀例如示于专利文献2。
接着，说明构成流体控制阀8的压电致动器10的详细结构。图4(a)为分解表示外侧的筒体10a和在该筒体10a内以排列为一列的状态收容的多个压电元件10b(以下，有称为压电叠堆10b的情况)，图4(b)表示从正面方向观察图4(a)所示的连接部10c的状态。图4(a)中，与图3上下相反方向地示出有压电致动器10。
如图4(a)所示，在压电致动器10中，多个压电元件10b中的一个上通过粘合剂等直接安装有应变传感器20。应变传感器20配置于压电元件的侧面，在本实施方式中，包括：对在压电元件的叠层方向即压电叠堆的主伸长方向的z方向的应变进行检测的第一应变计20z；和对与主伸长方向正交的x方向的应变进行检测的第二应变计20x。作为第一应变计20z和第二应变计20x，例如能够使用株式会社共和电业公司制作的KFR-02N、KFGS-1、KFGS-3等。另外，在其他方式中，压电致动器10也可以由收容于筒体的单一的压电元件和安装于该侧面的应变传感器构成。
在本实施方式中，第一应变计20z以整体与压电元件接触的方式贴附于压电元件的侧面，第二应变计20x以跨越第一应变计20z的中央部而交叉的方式贴附于压电元件。第一应变计20z和第二应变计20x能够检测压电元件的伸长量作为第一应变计20z和第二应变计20x的电阻的变化。
此外，如图4(b)所示，连接部10c上设置有：用于向压电叠堆10b施加驱动电压的一对驱动电压端子22a、22b；与第一应变计20z的一个端子连接的第一应变传感器输出端子24a；与第一应变计20z的另一个端子和第二应变计20x的一个端子共通地连接的应变传感器共通输出端子24c；和与第二应变计20x的另一个端子连接的第二应变传感器输出端子24b。
构成压电叠堆10b的多个压电元件通过公知的电路结构与驱动电压端子22a、22b电连接，通过向驱动电压端子22a、22b施加电压，能够使得全部压电元件向叠堆方向伸长。作为压电致动器10，例如能够利用NTK Ceratec公司等所售卖的机器。
第一和第二应变传感器输出端子24a、24b和应变传感器共通输出端子24c与设置在外部基板的电路连接，形成包括第一应变计20z和第二应变计20x的桥接电路。该桥接电路中，能够检测第一应变计20z和第二应变计20x的电阻值的变化。
图5表示用于检测第一应变计20z和第二应变计20x的电阻值变化的示例的等效电路。在图5所示的等效电路中，设置于分支点A-D之间和分支点C-D之间的电阻R1、R2对应于设置于外部基板上的已知电阻值的固定电阻，设置于分支点A-B之间的电阻R3对应于第一应变计20z，设置于分支点B-C之间的电阻R4对应于第二应变计20x。本实施方式中，第一应变计20z和第二应变计20x的电阻值和2个固定电阻R1、R2的电阻值设定为相同，例如，任一个都设定为120欧姆或350欧姆。
此外，在图5中，分支点A对应于第一应变传感器输出端子24a，分支点B对应于应变传感器共通输出端子24c，分支点C对应于第二应变传感器输出端子24b。该等效电路中，在向分支点A-C之间施加规定的桥接施加电压的状态下，第一应变计20z或第二应变计20x的电阻值的变化作为桥接输出信号(分支点B-D之间的电位差)的变化被检测出。其中，如上所述的各电阻R1～R4的大小相同的情况下，在第一和第二应变计20z、20x不产生应力的初期状态下，桥接输出信号典型地显示为零。
向压电叠堆10b施加驱动电压时，安装有应变传感器20的压电元件在z方向伸长，并且在与其正交的x方向收缩。这种情况下，第一应变计20z的电阻值与压电元件的伸长量对应地增加，第二应变计20x的电阻值与压电元件的收缩量对应地减少。
而且，在图5所示的电路中，向压电叠堆10b施加驱动电压而使其伸长时，第一应变计20z的应变量增大，桥接输出信号增加，同时通过第二应变计20x的应变量减少，桥接输出信号也增加。因此，压电叠堆位移时，产生对应于第一应变计20z的应变量的增加量和第二应变计20x的应变量的减少量的合计的桥接输出信号的变动。由此，能够使得桥接输出信号增幅。
此外，如上所述，通过使用第一应变计20z和与其正交的第二应变计20x构成桥接电路，能够对由温度变化造成的应变传感器20的电阻值变化进行补正。这是因为，例如在温度上升造成压电元件膨胀时，该膨胀相对于第一应变计20z作为使桥接输出信号增加的要素动作，而相对于此，相对于第二应变计20x作为使桥接输出信号减少的要素动作，因此得到了由于温度的增加要素和减少要素抵消的桥接输出信号。因此，即使由于温度的变化而产生压电元件自身的膨胀和收缩时，也能够降低对桥接输出信号的影响，实现温度补偿。
以下，再次参照图2，对流量控制装置100的流量控制动作进行说明。
流量控制装置100具备基于第一压力传感器3的输出对压力控制阀6的开闭动作进行控制的第一控制电路7。第一控制电路7构成为以从外部接收的设定上游压力和第一压力传感器3的输出P1的差成为零的方式对压力控制阀6进行反馈控制。由此，压力控制阀6的下游侧且流量控制阀8的上游侧的压力P1能够维持在设定值。
此外，流量控制装置100具有第二控制电路17，其将来自设置于流量控制阀8的应变传感器20的输出作为压电阀位移接收，并基于该输出对构成流量控制阀8的压电元件的驱动进行控制。另外，图2中示出了分别设置有第一控制电路7和第二控制电路17的状态，但是它们也可以一体设置。
第一控制电路7和第二控制电路17可以为内置于流量控制装置100的电路，也可以为设置于流量控制装置100的外部的电路。第一控制电路7和第二控制电路17典型来说内置有CPU、ROM或RAM等存储器(存储装置)M、A/D转换器等，也可以包括以执行后述的流量控制动作或自我诊断方法的方式构成的计算机程序。第一控制电路7和第二控制电路17可以通过硬件和软件的组合来实现。
流量控制装置100构成为：一边通过第一控制电路7和第二控制电路17以使得第一压力传感器3输出的上游压力P1与设定值一致的方式控制压力控制阀6，一边控制流量控制阀8的压电元件的驱动，由此能够控制流过流量控制阀8的下游侧的流体的流量。流量控制装置100能够利用如下原理进行流量控制：满足临界膨胀条件P1/P2≥约2(P1：节流部上游侧的气体压力(上游压力)、P2：节流部下游侧的气体压力(下游压力))时，通过节流部2和流量控制阀8的气体的流量不由下游压力P2而由上游压力P1决定。
在满足临界膨胀条件时，流量控制阀8的下游侧的流量Q通过Q＝K1·Av·P1(K1为与流体的种类和流体温度相关的常数)被赋予。流量Q被认为大概与上游压力P1和流量控制阀8的阀开度Av成比例。此外，具备第二压力传感器4的情况下，即使在上游压力P1和下游压力P2的差较小，不满足上述临界膨胀条件的情况下也能够计算出流量，基于通过各压力传感器测定的上游压力P1和下游侧压力P2，能够从规定的计算式Q＝K2·Av·P2 m(P1-P2)n(在此，K2为与流体的种类和流体温度相关的常数，m、n为以实际的流量为基础导出的指数)计算出流量Q。
流量控制装置100能够通过如下方式在大范围内适宜控制流量：一边使用压力控制阀6将上游压力P1控制为与期望的流量范围对应的固定值，一边基于应变传感器20的输出(压电位移量)对流量控制阀8的阀开度进行控制。特别是，在基于应变传感器20的输出对流量控制阀8进行反馈控制的情况下，与如现有的那样基于上游压力P1对控制阀进行反馈控制的情况相比，能够提高流量控制的响应性。从以上说明可知，本实施方式中，流量控制阀8具有将阀的阀座和阀体的距离作为开度并变更该开度的功能，可以作为可变流孔(开度可变的节流部)使用。
此外，本实施方式的流量控制装置100中，开度固定的节流部2的最大设定流量设定为比开度可变的流量控制阀8的最大设定流量大。在此，开度固定的节流部2的最大设定流量为在流量控制装置100中将在临界膨胀条件下的节流部2的上游侧的压力作为最大设定压力时流过节流部2的气体的流量，开度可变的流量控制阀8的最大设定流量是指在相同条件下流量控制阀8以最大设定开度打开时流动的气体的流量。这种情况下，典型来说，节流部2的开口面积(即流路截面积)为比流量控制阀8的最大设定开度下的流路截面积大的面积。开度固定的节流部2例如由最大设定流量2000sccm(流孔口径：约300μm)的流孔板构成，流量控制阀8的控制流量设定为2000sccm以下。
通过以上的结构，开度固定的节流部2作为流量控制的主要元素使用而通过压力控制阀6控制上游压力P1，从而能够与现有的压力式流量控制装置同样进行流量控制，并且还能够使用压力控制阀6一边保持上游压力P1一定一边通过进行流量控制阀8的开度调整而控制气体流量。因此，能够进行各种方式下的气体流量控制，即使脉冲流量控制也能够对应。
开度固定的节流部2作为流量控制的主要元素使用的流量控制，适宜于在比较长的时间内将流量控制维持在设定值的连续性流动的控制。另一方面，以小于开度固定的节流部2的最大设定流量的流量通过流量控制阀8的开度调整决定流量的流量控制，即，流量控制阀8作为可变流孔(开度可变的节流部)使用的流量控制，适宜于间断性流动的控制。
在此，连续性流动的控制泛指流体的流动持续时的流体的控制，例如也可以包括从流体以100％流量流动的状态变更为流体以50％流量流动的状态的情况等。此外，使用开度固定的节流部2进行连续性流动的控制时，适宜流量控制阀8全开(最大开度)，或者，至少维持在比开度固定的节流部2的开度大的开度。
此外，间断性流动的控制不限于脉冲流量控制那样的一定间隔下的周期性开闭控制，也包括不定期进行的脉冲性开闭控制、脉冲的振幅不固定而是变动的开闭控制。此外，也包括脉冲宽度变动的开闭控制。
以下，对使用流量控制装置100进行的自我诊断方法进行说明。
图6表示本实施方式的自我诊断方法的流程图。如步骤S1所示，以上游压力P1成为与100％流量对应的压力的方式将压力控制阀6控制在开状态(最大设定开度)。另外，压力控制阀6为全开这样的情况认为是：设定为上游压力P1成为对应于100％流量的压力时的设定上最大的开度(最大设定开度)时，和压力控制阀6设定为最大限打开的状态时，但是在本实施方式中，压力控制阀6设定为最大设定开度。此时，下游压力P2设定得比上游压力P1小，例如，使用连接到处理腔室的真空泵，设定为100torr以下的真空压力。但是，自我诊断的流程不限于此，也可以从气体以半导体制造工序的1个工艺完成时的任意的流量设定流动的状态(例如，气体以60％流量流动的状态)等压力控制阀6为半开状态即小于最大设定开度的开状态时开始。
此外，在步骤S1中，下游侧的流量控制阀8典型地打开为最大开度，即全开，气体从压力控制阀6的上游侧通过节流部2和流量控制阀8向下游侧流动。此时，流量控制阀8能够以节流部2的最大设定流量(例如2000sccm)以上的流量流过气体，即，步骤S1中流量控制阀8的开度设定为节流部2的开度以上的开度。因此，气体以与节流部2的开口面积和上游压力P1相关的最大设定流量流动，不受基于流量控制阀8的流动的限制。另外，流量控制阀8的开度只要设定为节流部2的开度以上的开度，即设定为气体能够以节流部2的最大设定流量以上的流量流动的开状态即可，也可以不是必须要全开。
在此，流量控制阀8的最大开度是与上述说明的流量控制阀8的最大设定流量对应的最大设定开度不同的开度，是比最大设定开度足够大的开度。流量控制阀8作为开度可变的节流部用于流量控制的主要元素时，从开度0(关闭)到最大设定开度之间进行开度调整，另一方面，不用于流量控制时，能够打开到更大的开度。例如，作为流量控制阀8使用上述常开型的阀的情况下，最大开度为不施加驱动电压时的开度，相对于此，最大设定开度为根据控制的流量范围而设定的最小驱动电压施加时的开度。
接着，在步骤S2中，将压力控制阀6设为开状态，从将流量控制阀8的开度设为节流阀2的开度以上的开度而气体稳定流过的状态，使压力控制阀6从开状态变化为闭状态。该动作能够通过例如将设定流量设定为零的信号输入压力控制阀6而进行。另一方面，下游压力P2维持在低压。因此，关闭压力控制阀6之后，压力控制阀6和节流部2之间的残留气体通过节流部2向下游侧流出。图7(a)中示出了时刻t1时，压力控制阀6从开状态成为闭状态的样子。
接着，如图6的步骤S3所示，使用第一压力传感器3对在步骤S2中压力控制阀6成为闭状态之后的上游压力P1的下降特性进行测定。由此，得到对应于节流部2的状态的压力下降特性即表示相对于时间的压力的下降的特性的数据。在步骤S3测定的压力下降特性或测定数据例如可以记录在设置于第一控制电路7的存储装置的测定存储部，也可以记录在设置于连接到流量控制装置100的外部装置的测定存储部。
上述压力下降特性例如可以为以规定的样本率测定的多个上游压力数据。此外，压力下降特性不仅是压力下降时的每个时间的压力值，也可以是各个时间的压力下降时的斜率(微分值)等。此外，如后所述，压力下降特性也可以是包括在根据测定的压力的时间变化决定的特性式中的各种的系数等。
接着，如步骤S4所示，对步骤S3中得到的压力下降特性和基准压力下降特性进行比较。在此，基准压力下降特性一般是工厂出厂前预先计测的初期压力下降特性，例如，为预先存储在第一控制电路7的存储装置中的值。但是，基准压力下降特性也可以是上次测定的压力下降特性等。另外，图7(b)中，基准压力下降特定b0和阀关闭时刻t1之后测定的压力下降特性b1一致，示出有这些之间没有差的情况。
在如上的图6所示的步骤S4中，虽然进行了压力下降特性和基准压力下降特性的比较，但是如步骤S5所示，这些差(比较结果)的绝对值小、例如小于规定的阈值时，能够判定为节流部2等的状态为没有从初期状态变化的正常状态(步骤S6)。此外，这些差的绝对值为阈值以上的情况下，能够判定为节流部2等发生扩大、堵塞等的异常(步骤S7)。如此判断有无异常的结果(以下，有时称为第一诊断结果)能够用于检测压力控制阀6的异常、节流部2的异常，进一步检测节流部2后面的下游侧的整体的异常。表示有无异常的第一诊断结果，例如可以记录在设置于第一控制电路7的存储装置的判断存储部，也可以记录在设置于连接到流量控制装置100的外部装置的判断存储部。
步骤S4中压力下降特性和基准压力下降特性的比较，能够以各种方式进行，例如，可以使用各样品点的测定压力和基准压力的差的总和作为比较结果，基于该比较结果的大小判断节流部2有无异常。
此外，若将测定压力下降特性时的初期上游压力设为Pi，将压力下降时的上游压力相对于时间的函数(有时称为压力下降数据)设为P(t)，能够以In(P(t)/Pi)＝SC(RT)1/2/V·t表示，S为节流部的开口截面积、C为气体的常数、R为气体常数、T为气体温度、V为压力控制阀6和节流部2之间的流路容积、t为时间。在此，C、R、T、V假设为不随时间变化的常数，则能够表示为In(P(t)/Pi)＝-αt(α为常数)，因此，可知In(P(t)/Pi)能够规定为相对于时间t的一次函数。
因此，从测定的P(t)，根据最小二乘法等求出In(P(t)/Pi)的斜率α，并且与作为基准压力下降数据预先存储于存储器的基准斜率α0相比较，能够使用其斜率的差作为比较结果。另外，使用压力下降特性进行自我诊断的流量控制装置记载于本申请申请人的国际公开第2017/170174号(专利文献3)中，本发明的实施方式中，能够利用国际公开第2017/170174号中记载的各种自我诊断工序。
在如上求出第一诊断结果的同时，一并在本实施方式的自我诊断方法中执行如下工序：将流量控制阀8设定为小于节流部的开度，测定压力下降特性，对测定的压力下降特性与基准压力下降特性进行比较，判断有无异常。
在该工序中，从如图6的步骤S8所示的以使上游压力P1成为与100％流量对应的压力的方式对压力控制阀6进行控制，并且流量控制阀8为小于节流部的规定开度的开状态，气体稳定流过下游侧的状态，如步骤S9所示，使压力控制阀6从开状态变化为闭状态。接着，如步骤S10所示，使用第一压力传感器3对压力控制阀6成为闭状态之后的上游压力P1的下降特性进行测定。由此，得到对应于流量控制阀8的状态的压力下降特性。
上述步骤S8～步骤S10的压力下降特性测定工序中，除了将流量控制阀8设定为小于节流部的开度而进行以外，可以与步骤S1～步骤S3的压力下降特性的测定工序同样。步骤S8～步骤S10中，也能够使得压力控制阀6为半开状态而开始压力下降特性的测定。此外，压力下降特性只要是表示压力下降的特性，则不限于每个时间测定的压力值，也可以为通过各种方式得到的值。此外，步骤S8～步骤S10的压力下降特性测定工序可以在步骤S1～步骤S3的压力下降特定的测定工序之后进行，也可以在之前进行。
接着，如步骤S11所示，对步骤S10得到的压力下降特性和基准压力下降特性进行比较。在此使用的基准压力下降特性为与上述步骤S10的测定相同条件，即，流量控制阀8为小于节流部的规定开度的开状态而流过气体得到的值，是与步骤S4中使用的基准压力下降特性典型不同的值。本步骤S11中使用的基准压力下降特性也是工厂出厂前预先计测的初期的压力下降特性，例如预先存储于设置于第一控制电路7的存储装置。另外，图7(c)中，相对于基准压力下降特性c0，阀关闭时刻t1后测定的压力下降特性c1向下方偏移，并示出有这些的差在负值一侧产生的情况。
如上在图6所示的步骤S11中，对压力下降特性和基准压力下降特性进行比较，但是如步骤S12所示，这些的差(比较结果)的绝对值小例如小于规定的阈值时，能够判定流量控制阀8的状态为没有从初期状态变化的正常状态的可能性高(步骤S13)。此外，这些差的绝对值超过阈值的情况下，能够判定流量控制阀8发生异常的可能性高(步骤S14)。如此得到的第二诊断结果，例如可以记录在设置于第一控制电路7的存储装置的判断存储部，也可以记录在设置于连接到流量控制装置100的外部装置的判断存储部。
但是，上述步骤S11～S14中求出的异常的诊断结果(第二诊断结果)发生节流部2的异常或压力控制阀6的异常等的情况下，有可能这些会有影响。因此，本实施方式中，如步骤S15所示，基于第一诊断结果和第二诊断结果，进行流量控制阀8有无异常的诊断。更具体来说，第一诊断结果中判断没有异常并且第二诊断结果中判断有异常时(即，只有第二诊断结果中判断有异常时)，如步骤S16所示，判断流量控制阀8特别是流量控制阀8的阀座和阀体的距离存在异常。
此外，本实施方式中，判断流量控制阀8的阀座和阀体的距离有异常的情况下，特别地，判断流量控制阀8上设置的应变传感器的输出有异常。更具体来说，在步骤S15中，只在第二诊断结果中判断存在异常时，判断应变传感器的输出的范围变动，应变传感器的输出特性从初期状态变动，应变传感器的输出不能正确显示阀开度。
接着，在步骤S16中检测出应变传感器的输出特性的变化时，基于步骤S11得到的比较结果对应变传感器输出的范围进行补正。例如，流量控制阀8为常开型的阀的情况下，如图8所示，得到测定的压力下降特性d1从基准压力下降特定d0向上侧偏移的比较结果(即，压力下降特性d1比基准压力下降特定d0大的比较结果)时，应变传感器的范围减少，因此，压电位移控制下的位移量变得比以前大，能够认为在应变传感器的输出以上，阀变动为关闭状态。另一方面，得到测定的压力下降特性d2从基准压力下降特定d0向下侧偏移的比较结果(即，压力下降特定d1比基准压力下降特定d0小的比较结果)时，应变传感器的范围增加，因此，压电位移控制下的位移量比以前减少，能够认为在应变传感器的输出以上，阀变动为打开状态。另外，流量控制阀8为常闭型的情况下，比较结果的偏移方向和阀的开闭的偏移方向与上述相反。
因此，基于上述比较结果，例如，如果决定应变传感器20的输出的增幅率，并基于增幅后的应变传感器20的输出求出流量控制阀8的阀开度，则能够修正阀开度和应变传感器20的输出的相关性，继续以良好的精度进行流量控制。
以上，说明了本发明的实施方式的自我诊断方法，但是上述步骤S1～S3的压力下降特性测定工序和步骤S8～S10的压力下降特性测定工序任一个在先进行都可以。此外，步骤S4～S7的比较诊断工序可以在步骤S1～S3的压力下降特性的测定工序后继续进行，也可以在步骤S8～S10的压力下降特定的测定工序之后进行。此外，步骤S4～S7的比较诊断工序可以在步骤S11～S14的比较诊断工序之前进行，也可以在之后进行。当然，步骤S4～S7的比较诊断工序和步骤S11～S14的比较诊断工序也可以同时并列进行。此外，也可以只有步骤S4的比较工序在步骤S11～S14的比较诊断工序之前进行，并且步骤S5～S7的诊断工序在步骤S11～S14的比较诊断工序之后进行。当然不用说这些处理能够尽可能地以任意顺序进行或者同时并行。
此外，步骤S1～S3的压力下降特性测定工序和步骤S5～S7的压力下降特性测定工序中，压力控制阀6关闭和流量控制阀8打开(步骤S1～S3中设为全开，步骤S5～S7中设为小于节流部2的开度)任一个都可以先进行，也可以同时进行。此外，在流量控制阀8的下游侧设置有下游阀的情况下，关闭下游阀进行压力下降特性的测定，同时，通过与对应的基准压力特性进行比较，也能够进行异常的检测。
此外，上述实施方式中的、压力下降特性的测定结果的保存、压力下降特性和基准压力下降特性的比较、或者有无异常的判断一部分或者全部都可以在流量控制装置100的外侧(外部的计算机等)进行。
此外，以上说明的本实施方式中对关闭压力控制阀6而产生的上游压力P1的下降进行测定，但是不限于此，也可以通过关闭压力控制阀6的上游侧设置的开闭阀(未图示)来产生压力下降。本说明书中，有时候将节流部2的上游侧设置的任意的流路截断机构称为上游阀(包括压力控制阀6)。
此外，根据本发明的实施方式的流量控制装置中，流量控制阀也可以为常闭型的压电元件驱动式阀，这种情况下，通过根据应变传感器输出对流量控制阀的压电元件的驱动进行控制，能够以良好的响应性进行流量控制。
工业实用性
根据本发明的实施方式的流量控制装置，即使是在半导体制造工序中谋求流量控制的高速响应性的情况下，也能够适宜利用。

Claims (11)

1.一种流量控制装置的自我诊断方法，其特征在于，所述流量控制装置具备：
压力控制阀，所述压力控制阀设置于流路；
流量控制阀，所述流量控制阀设置于所述压力控制阀的下游侧；
节流部，所述节流部设置于所述压力控制阀的下游侧；和
压力传感器，所述压力传感器设置于所述压力控制阀的下游侧且设置于所述节流部的上游侧，
所述流量控制阀具有：离接于阀座的阀体；和为了使所述阀体离接于所述阀座而使所述阀体移动的压电元件，
所述流量控制装置的自我诊断方法包括：
工序(a)，从所述压力控制阀为开状态、所述流量控制阀的开度为所述节流部的开度以上的开度、流体从所述压力控制阀的上游侧通过所述流量控制阀和所述节流部流向下游侧的状态，使所述压力控制阀从所述开状态变化为闭状态，使用所述压力传感器对成为所述闭状态之后的流体压力的压力下降特性进行测定；
工序(b)，从所述压力控制阀为开状态、所述流量控制阀的开度为小于所述节流部的开度、流体从所述压力控制阀的上游侧通过所述流量控制阀和所述节流部流向下游侧的状态，使所述压力控制阀从所述开状态变化为闭状态，使用所述压力传感器对成为所述闭状态之后的流体压力的压力下降特性进行测定；
工序(c)，对在所述工序(a)测定的所述压力下降特性和预先存储的作为基准的压力下降特性进行比较，判断有无异常；
工序(d)，对在所述工序(b)测定的所述压力下降特性和预先存储的作为基准的压力下降特性进行比较，判断有无异常；和
工序(e)，在所述工序(c)和所述工序(d)进行的判断中，仅只在所述工序(d)判断存在异常的情况下，判断所述流量控制阀的阀座和阀体的距离存在异常。
2.根据权利要求1所述的流量控制装置的自我诊断方法，其特征在于，为所述工序(a)比所述工序(b)先进行，或者，所述工序(b)比所述工序(a)先进行的任一个。
3.根据权利要求1所述的流量控制装置的自我诊断方法，其特征在于，在所述工序(a)之后且所述工序(b)之前进行所述工序(c)，在所述工序(b)和所述工序(c)之后进行所述工序(d)。
4.根据权利要求1所述的流量控制装置的自我诊断方法，其特征在于，所述流量控制装置还具备测定存储部，所述测定存储部用于存储在所述工序(a)和所述工序(b)测定的数据。
5.根据权利要求1所述的流量控制装置的自我诊断方法，其特征在于，所述流量控制装置还具备判断存储部，所述判断存储部用于存储在所述工序(c)和所述工序(d)判断的结果。
6.根据权利要求1所述的流量控制装置的自我诊断方法，其特征在于，在所述压电元件设置有应变传感器，基于所述应变传感器的输出求出所述阀座和所述阀体的距离。
7.根据权利要求6所述的流量控制装置的自我诊断方法，其特征在于，在所述工序(e)中判断所述流量控制阀的阀座和阀体的距离存在异常的情况下，判断所述应变传感器的输出存在异常。
8.根据权利要求6所述的流量控制装置的自我诊断方法，其特征在于，在所述工序(b)测定的所述压力下降特性比所述预先存储的作为基准的压力下降特性大时，判断应变传感器的输出范围减少了。
9.根据权利要求6所述的流量控制装置的自我诊断方法，其特征在于，在在所述工序(b)测定的所述压力下降特性比所述预先存储的作为基准的压力下降特性小时，判断应变传感器的输出范围扩大了。
10.根据权利要求1所述的流量控制装置的自我诊断方法，其特征在于，在所述工序(a)和所述工序(b)中，所述压力控制阀为开状态下使所述流体流向下游侧的状态时，所述压力控制阀为打开到最大设定开度的状态。
11.根据权利要求1所述的流量控制装置的自我诊断方法，其特征在于，在所述工序(a)和所述工序(b)中，所述压力控制阀为开状态下使所述流体流向下游侧的状态时，所述压力控制阀为半开状态。
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