JP3932389B2 - マスフローコントローラの自己診断方法 - Google Patents

マスフローコントローラの自己診断方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマスフローコントローラの自己診断方法に関し、さらに詳細にはシステム中に組み込んだ状態でマスフローコントローラにおけるガス流量の変化状態を診断することができるマスフローコントローラの自己診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造プロセスにおける薄膜生成装置、乾式エッチング装置などにおいてプロセス機器へ送出するプロセスガスの流量を精密に制御することが要求される。このために、プロセスガスの流量制御のためにプロセス機器へプロセスガスを供給する管路中にマスフローコントローラが挿入されて、マスフローコントローラを構成する制御弁に印加する制御電圧を調整することによってガス流量設定が行われている。
【０００３】
しかし、マスフローコントローラはガス流量のコントロールを目的としているためにマスフローコントローラ内部にオリフィスなどの細管部を有しており、プロセスガスが固形物を析出するようなガスの場合、プロセスガスの通過により経時的に管路中、あるいはマスフローコントローラ中において固形物が析出されてマスフローコントローラ中の管路の有効断面積を実質的に減少させることが生ずる。
【０００４】
このような場合にマスフローコントローラに印加する制御電圧に対応するガス流量の関係は変化して、制御電圧を変更しなくてもマスフローコントローラを通過するガス流量が変化して、プロセスガスの状態に変化を発生させることになる。
【０００５】
さらに、マスフローコントローラ中の管路の有効断面積が減少した状態で制御を継続すれば固形物に基づくパーティクルがプロセスガスと共にプロセス機器へ流出することになって、プロセス機器にとって不都合が生ずる。
【０００６】
このために、マスフローコントローラの流量の測定が望まれ、例えば、特開平７−２８１７６０号公報に開示されているように、マスフローコントローラの絶対流量検定のときに、プロセスガス供給源から遮断弁を介してプロセスガスを計測用タンクに導き、計測用タンクに導かれたプロセスガスをマスフローコントローラを通してプロセス機器へ供給するように構成すると共に、マスフローコントローラの入力端の圧力を計測する圧力センサを設けて、遮断弁を閉止することによってプロセスガスの計測用タンクへの導入を遮断して計測用タンクに蓄積されたプロセスガスをマスフローコントローラに流し、同時に圧力センサによりマスフローコントローラの流入側の圧力を検出し、圧力センサによる検出圧力が所定値まで低下する時間を計測し、計測された時間と計測用タンクの容積とに基づいてマスフローコントローラの絶対流量を検定することが知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の検定方法によるときは通常操作のためのマスフローコントロールシステム構成のほかに検定のための計測用タンク、圧力センサ、遮断弁などを必要とするという問題点があった。
【０００８】
本発明はこのような問題点を解消するためになされたものであって、自己診断のために新たに付加するハードウエアを不要としたマスフローコントローラの自己診断方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるマスフローコントローラの自己診断方法は、圧力制御もしくは流量制御をする制御弁と、前記制御弁の流入側を開閉する第１の遮断弁と、前記制御弁の流出側に設けた固定絞りと、前記固定絞りの流入側圧力を検出する圧力センサと、前記固定絞りの流出側を開閉する第２の遮断弁とを備えたマスフローコントローラの自己診断方法であって、前記制御弁の流入側を前記第１の遮断弁によって開放すると共に前記固定絞りの流出側を前記第２の遮断弁によって閉止して前記第１の遮断弁から前記第２の遮断弁に至る管路内に前記第１の遮断弁を通して所定圧力の予め定めたガスを充填し、次いで前記制御弁を開放状態にし、前記第１の遮断弁によって前記制御弁の流入側を閉止すると共に前記第２の遮断弁によって前記固定絞りの流出側を開放して管路内に充填されたガスを流出させ、この流出による前記圧力センサの検出圧力が予め定めた検出圧力に低下するまでの時間と、前記所定圧力と前記予め定めた検出圧力とから定められる基準時間とを比較することにより前記固定絞りの状態の診断を行うことを特徴とする。
【００１０】
本発明にかかるマスフローコントローラの自己診断方法は、自己診断のときに制御弁の流入側が第１の遮断弁によって開放されると共に固定絞りの流出側が第２の遮断弁によって閉止されて第１の遮断弁から第２の遮断弁に至る管路内に第１の遮断弁を通して所定圧力の予め定めたガスが充填される。この充填に続いて制御弁を開放状態にし第１の遮断弁によって制御弁の流入側が閉止されると共に第２の遮断弁によって固定絞りの流出側が開放されて管路内に充填されたガスが流出させられる。この流出による圧力センサの検出圧力が予め定めた検出圧力に低下するまでの時間が計時されて、計時された時間と、所定圧力と予め定めた検出圧力とから定められる基準時間とを比較することにより固定絞りの状態の診断がなされる。
【００１１】
この場合に、第１の遮断弁および第２の遮断弁はマスフローコントローラを取り替えなどのときに管路から取り外すために通常設けられているものであって、通常運転状態のときにおける必要構成機器から自己診断のために特にハードウエアを付加することも、除去することも不要である。
【００１２】
本発明にかかるマスフローコントローラの自己診断方法において、ガスを流出させたときにおける圧力センサの検出圧力が予め定めた検出圧力に低下するまでの時間が基準時間を超過しているときその旨表示すること、ガスを流出させたときにおける圧力センサの検出圧力が予め定めた検出圧力に低下するまでの時間が基準時間未満のときその旨表示することによって、表示に基づき自己診断結果が判ることになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるマスフローコントローラの自己診断方法を実施の形態によって説明する。
【００１４】
図１は本発明にかかるマスフローコントローラの自己診断方法が適用されるマスフローコントロールシステムの構成例を示すブロック図である。
【００１５】
図１に示すマスフローコントロールシステム１は、プロセスガス源２から送出されるプロセスガスを入力側の例えば電磁駆動の遮断弁４を介してマスフローコントローラ５へ選択的に導入し、マスフローコントローラ５を通って流出するプロセスガスを出力側の例えば電磁駆動の遮断弁６を通してプロセス機器７へ導出するように構成されている。
【００１６】
ここで、入力側の遮断弁４および出力側の遮断弁６は、通常、マスフローコントローラ５を取り替えるときに共に遮断状態に制御して、プロセスガス源２からのプロセスガスのマスフローコントローラ５への流入を遮断することによってプロセスガスの放出を防止し、かつプロセス機器７側への不純ガスの流入を防止するために設けられている。
【００１７】
なお、遮断弁４の流入口に例えば電磁駆動の３方切替弁３が設けられていて、遮断弁４および遮断弁６の閉止に先だって３方切替弁３によってプロセスガス源２からマスフローコントローラ５へのプロセスガスの流入を遮断すると共に、不活性ガス源８からの不活性ガス、例えば窒素ガスを遮断弁４を通過する方向に切り替えて、３方切替弁３からプロセス機器７に至る配管内、マスフローコントローラ５内およびプロセス機器７の窒素ガスによるパージを行うが、かかる点についてはここでは触れない。
【００１８】
マスフローコントローラ５は圧力制御方式のマスフローコントローラであって、電気信号によって開度が制御される圧力制御弁５１と、圧力制御弁５１の出力側の圧力を検出する圧力センサ５２と、圧力制御弁５１から送出されるプロセスガスを通過させて圧力制御弁５１の出力側圧力を確立させるためのオリフィス５３と、後記する制御装置１４からの出力信号と圧力センサ５２からの圧力出力信号とを比較してその差である偏差を求め、求めた偏差に基づいて圧力制御弁５１の出力側の圧力が制御装置１４からの出力信号に基づく圧力になるように圧力制御弁５１の開度を制御する偏差演算制御器５４とを備え、オリフィス５３を通過したプロセスガスを遮断弁６を介してプロセス機器７へ導出させる。
【００１９】
ここで、オリフィス５３が設けられている理由について説明する。半導体の製造プロセスにおける薄膜生成装置、乾式エッチング装置などのプロセス機器７側は通常負圧で使用される。したがって、固定絞りであるオリフィス５３を設けて、オリフィス５３により圧力制御弁５１の出力圧力を確立させるのである。
【００２０】
一方、制御装置１４はマイクロコンピュータからなり通常運転制御を行う通常運転制御部１４１と自己診断を行う自己診断制御部１４２とを機能的に備えており、圧力センサ５２からの圧力出力信号、圧力制御弁５１の出力側圧力を設定するための圧力設定器１１の出力信号、通常運転指示を行う通常運転指示キースイッチ１２の指示信号および自己診断指示キースイッチ１３の指示信号が供給されて、圧力制御弁５１の出力側圧力を圧力設定器１１による設定圧力に制御するための制御信号または圧力制御弁５１を開放状態に制御するための制御信号を選択的に偏差演算制御器５４へ送出すると共に、３方切替弁３、遮断弁４、圧力制御弁５１、遮断弁６の切り替えおよび開閉を制御する。
【００２１】
また、制御装置１４は自己診断指示がなされているとき、マスフローコントローラ５を継続使用可能か、取り替えが必要かを表示する表示器１５へ表示信号を送出する。
【００２２】
上記の構成において、通常運転指示キースイッチ１２によって通常運転指示がなされているときは、制御装置１４中の通常運転制御部１４１の制御のもとに、３方切替弁３はプロセスガス源２からのプロセスガスを遮断弁４の方向に通過させる状態に切り替えられ、遮断弁４および遮断弁６は開放状態に切り替えられ、かつ圧力制御弁５１はその出力側圧力を圧力設定器１１による設定圧力にするべく偏差演算制御器５４の出力信号によって開度が制御されて、プロセス機器７へ圧力設定器１１に設定した圧力に基づく流量のプロセスガスが流出される。
【００２３】
この場合、予め求めた圧力制御弁５１の出力側圧力すなわちオリフィス５３の１次側圧力とオリフィス５３に流れるフロセスガスの流量との関係に基づいて、圧力設定器１１における設定圧力は希望流量に対応するオリフィス５３の１次側圧力に設定する。このように設定することによって設定圧力にオリフィス５３の１次側圧力が制御されて、オリフィス５３を通過するプロセスガスの流量が前記希望流量に制御される。すなわち、圧力制御弁５１の出力圧力を制御することによってオリフィス５３を通して流れる流体の流量制御が行われる。
【００２４】
一方、所定処理が終了して半導体ウエハなどの被処理体が取り替えられる直前には、図示しない不活性ガスパージ指示がなされて、この指示に基づいて３方切替弁３はプロセスガス源２からのプロセスガスを遮断し、不活性ガス源８からの不活性ガスを遮断弁４の方向に通過させる状態に切り替えられ、遮断弁４および遮断弁６は開放状態に切り替えられ、かつ圧力制御弁５１は開放状態に制御されて、プロセス機器７へ不活性ガスがパージさせられる。
【００２５】
自己診断指示キースイッチ１３によって自己診断指示がなされたときの作用を図２〜図４にて示すフローチャートにしたがって説明する。
【００２６】
自己診断指示がなされると制御装置１４の自己診断制御部１４２の制御のもとに、遮断弁４が閉止状態に制御され（ステップＳ１）、続いて遮断弁６が開放状態に制御され（ステップＳ２）、続いて圧力制御弁５１が開放状態に制御される（ステップＳ３）。この状態は遮断弁４からプロセス機器７までの配管内をプロセス機器７側の圧力にさせることを意味する。
【００２７】
ステップＳ３の実行に続き圧力センサ５２からの圧力出力信号を読み込み（ステップＳ４）、所定期間経過するのを待つ（ステップＳ５）。ステップＳ５において所定期間経過したとき、圧力センサ５２からの圧力出力信号を読み込み（ステップＳ６）、ステップＳ４において読み込んだ圧力出力信号とステップＳ６において読み込んだ圧力出力信号とが等しいか否かがチェックされる（ステップＳ７）。ステップＳ７において等しいと判別されないときは、ステップＳ７に続いて再びステップＳ４から実行される。
【００２８】
ステップＳ７において等しいと判別されたときは、遮断弁４からプロセス機器７までの配管内の圧力がプロセス機器７側の圧力に等しくなったことを示している。
【００２９】
ステップＳ７において等しいと判別されたときは、ステップＳ７に続いて遮断弁４が開放状態にされ（ステップＳ８）、次いで遮断弁６が閉止状態にされる（ステップＳ９）。ステップＳ９に続いて圧力センサ５２からの圧力出力信号が読み込まれ（ステップＳ１０）、次いで所定期間経過するのを待つ（ステップＳ１１）。ステップＳ１１における所定期間は下記の（１）式に示す充填時定数ｔｎの５倍の期間に選択してある。これは５倍の充填時定数ｔｎの時間でプロセスガス源２から遮断弁６までの管路がプロセスガス源２からのプロセスガス圧力にほぼ充填されるためである。
【００３０】
【数１】
Figure 0003932389
【００３１】
（１）式において、ｔｎは充填時定数（ｓ）、Ｖはプロセスガス源２から遮断弁６までの管路の容積（リッタ）、κは断熱指数（＝１．４）、Ｓはオリフィス５３の有効断面積（ｍｍ2 ）、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。
【００３２】
ステップＳ１１に次いで、圧力センサ５２からの圧力出力信号が読み込まれ（ステップＳ１２）、ステップＳ１０において読み込んだ圧力センサ５２からの圧力出力信号とステップＳ１２において読み込んだ圧力センサ５２からの圧力出力信号が等しいか否かがチェックされる（ステップＳ１３）。ステップＳ１３において等しくないと判別されたときはステップＳ１３に続いて再びステップＳ１０から実行される。ステップＳ１１が実行されているためにステップＳ１３においては通常等しいと判別される。
【００３３】
ステップＳ１３において等しいと判別されたときは、プロセスガス源２から遮断弁６までの管路が、プロセスガス源２からのプロセスガス圧力に充填されたことを示している。これは、プロセスガス源２から遮断弁６までの管路が自己診断のための計測用タンクとして作用することを示している。
【００３４】
ステップＳ１３において等しいと判別されたときは、遮断弁４は閉止状態にされ（ステップＳ１４）、続いて遮断弁６が開放状態に制御され（ステップＳ１５）、続いて計時が開始され（ステップＳ１６）、圧力センサ５２からの圧力出力信号が読み込まれる（ステップＳ１７）。ステップＳ１７に続いて圧力センサ５２からの圧力出力信号が予め定められた設定圧力にまで低下したか否かがチェックされ（ステップＳ１８）、予め定められた設定圧力にまで低下したと判別されないときは再びステップＳ１７から実行される。ステップＳ１８において予め定められた設定圧力にまで低下したと判別されたときは計時が終了させられる（ステップＳ１９）。
【００３５】
したがって、プロセスガス源２からのプロセスガス圧力に充填されたプロセスガス源２から遮断弁６までの管路の圧力が、ステップＳ１５〜ステップＳ１９の実行によって、予め定められた設定圧力にまで低下するのに要した時間が計時されることになる。
【００３６】
この場合、予め定められた設定圧力と基準時間との関係は下記の（２）式に基づいて定める。
【００３７】
【数２】
Figure 0003932389
【００３８】
（２）式において、ｔｎは充填時定数（ｓ）、ＰH はプロセスガス源２から遮断弁６までの管路のプロセスガス圧力の初期値（ＭＰａＧ）、Ｐは前記管路開放後のプロセスガス源２から遮断弁６までの管路のガス圧力であって上記の予め定められた設定圧力（ＭＰａＧ）、ｔｄは前記管路開放後のプロセスガス源２から遮断弁６までの管路のガス圧力が上記の予め定められた設定圧力に低下するまでの基準時間（ｓ）、κは断熱指数（＝１．４）である。
【００３９】
ステップＳ１９の実行に続いて、計時終了時における計時時間が予め定められた基準時間（ｔｄ）を超過しているか否かがチェックされる（ステップＳ２０）。ステップＳ２０において基準時間ｔｄを超過していると判別されたときは、プロセスガスの通過による固形物の析出などによってオリフィス５３の有効断面積が減少していて、遮断弁６の開放後のプロセスガス源２から遮断弁６までの管路のガス圧力が予め定められた設定圧力に低下するまでの時間がオリフィスの有効断面積か変化していないときの基準時間ｔｄより長いためであって、表示器１５にマスフローコントローラ５の取り替えを指示する取替指示表示がなされて（ステップＳ２１）、自己診断は終了する。
【００４０】
ステップＳ２０において基準時間ｔｄを超過していないと判別されたときは、オリフィス５３の有効断面積がまだ取り替えるまでには減少しておらず、開放後のプロセスガス源２から遮断弁６までの管路のガス圧力が予め定められた設定圧力に低下するまでの時間が基準時間がより短いためであって、表示器１５にマスフローコントローラ５を継続使用してもよいことを示す継続使用可の表示がなされて（ステップＳ２２）、自己診断が終了する。
【００４１】
この場合、プロセス機器７側の圧力は前記のように負圧である。しかるに、プロセスガス源２のプロセスガス圧力に充填された管路内の圧力は０．１ＭＰａＧ以上であり、遮断弁６を開放したときにおけるオリフィス５３の前後差圧は臨界差圧以上となり、オリフィス５３に流れる流体の流速は音速となって、オリフィス５３の通過流量はオリフィス５３の有効断面積に比例する。
【００４２】
本発明の実施の一形態では、この関係を利用して、プロセスガス源２から遮断弁６までの管路を自己診断のための計測用タンクとし、前記管路によって形成された計測用タンクにプロセスガス源２からプロセスガスを充填し、充填したプロセスガスをオリフィス５３を介して放出させ、このオリフィス５３の通過流量に対応してプロセスガス圧力に充填された前記管路内の圧力が低下していき、この圧力低下の早さ、すなわち前記管路によって形成された計測用タンクが所定圧力に低下するまでの時間によって有効断面積の減少が、取り替えを必要とする程度に達しているか否かを判定しているのである。この自己診断のために、通常運転に必要な構成以外にハードウエアの新たな構成を必要としない。
【００４３】
また、上記において、プロセスガス自体を自己診断に用いる場合を例示したが不活性ガスをプロセスガスに代えて用いてもよく、この場合は自己診断開始時に３方切替弁３によって不活性ガスを遮断弁４へ導くように切り替えた後、自己診断を行えばよい。
【００４４】
次に、オリフィス５３がプロセスガスによって浸食される場合もある。この場合には、図４に示すように、ステップＳ１９に続いて基準時間未満か否かがチェックされ（ステップＳ２０１）、基準時間未満と判別されたときは表示器１５にマスフローコントローラ５の取り替えを指示する取替指示表示がなされて（ステップＳ２１１）、自己診断が終了する。基準時間未満でないと判別されたときは表示器１５にマスフローコントローラ５を継続使用してもよいことを示す継続使用可の表示がなされて（ステップＳ２２１）、自己診断は終了する。
【００４５】
ステップＳ２１１が実行される場合は、オリフィス５３の有効断面積が浸食によって大きくなりすぎた場合であり、ステップＳ２２１が実行される場合は、オリフィス５３の有効断面積が浸食によって大きくなったがまだ使用できる場合である。
【００４６】
次に、上記した本発明の実施の一形態にかかるマスフローコントロールシステム１の変形例について説明する。
【００４７】
図５は本発明の実施の一形態にかかるマスフローコントロールシステム１の変形例の構成を示すブロック図である。
【００４８】
本発明にかかる実施の一形態の変形例では、マスフローコントローラ５に加えて、マスフローコントローラ５ａにオリフィス５３の２次側の圧力を検出する圧力センサ５５と、圧力センサ５２からの圧力出力信号と圧力センサ５５からの圧力出力信号との差を演算する差動増幅器５６とが新たに設けてあり、差動増幅器５６の出力を圧力センサ５２からの圧力出力信号に代わって偏差演算制御器５４に供給する。なお、圧力設定器１１は流量設定器１１ａとしてガス流量を設定する。他の構成は図１に示す本発明の実施の一形態にかかるマスフローコントロールシステム１と同一の構成である。
【００４９】
本発明にかかる実施の一形態の変形例では、マスフローコントローラ５ａに圧力センサ５２、５５が設けられた２圧力センサ方式の場合であって、プロセス機器７が負圧でなくて所定の正の圧力を持っているものであっても、オリフィス５３の２次側圧力が圧力センサ５５によって検出され、差動増幅器５６でオリフィス５３による圧力損失が検出されて差動増幅器５６の出力はオリフィス５３に流れるガス流量に対応し、圧力制御弁５１は流量制御弁として作用し、通常運転制御のときにはプロセス機器７へ流入させるプロセスガスの流量を制御することができる。
【００５０】
自己診断制御のときは圧力制御弁（流量制御弁）５１は開放され、本発明にかかる実施の一形態の場合と同様に、圧力センサ５２からの圧力出力信号の所定圧力までへの低下時間によって自己診断を行うことができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかるマスフローコントローラの自己診断方法によれば、第１および第２の遮断弁間の管路に所定圧力のガスを充填し、該ガスを第１の遮断弁を閉止した状態で第２の遮断弁を開放して放出させ、この放出による固定絞りの流入側の圧力の所定圧力まで低下するまでの時間に基づいて自己診断することができ、この場合に、第１および第２の遮断弁間の管路が計測用タンクとして作用することになり、第１の遮断弁および第２の遮断弁はマスフローコントローラを取り替えなどのときに管路から取り外すために通常設けられているものであって、通常運転状態のときにおける必要構成機器から自己診断のために特にハードウエアを付加することも、除去することを必要としないで自己診断が行えるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるマスフローコントローラの自己診断方法が適用されるマスフローコントロールシステムの構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明にかかるマスフローコントローラの自己診断方法が適用されるマスフローコントロールシステムの作用の説明に供するフローチャートである。
【図３】本発明にかかるマスフローコントローラの自己診断方法が適用されるマスフローコントロールシステムの作用の説明に供するフローチャートである。
【図４】本発明にかかるマスフローコントローラの自己診断方法が適用されるマスフローコントロールシステムの作用の説明に供するフローチャートである。
【図５】本発明にかかるマスフローコントローラの自己診断方法が適用されるマスフローコントロールシステムの変形例の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…マスフローコントロールシステム ２…プロセスガス源
３…３方切替弁 ４、６…遮断弁
５、５ａ…マスフローコントローラ ７…プロセス機器
８…不活性ガス源 １１…圧力設定器
１１ａ…流量設定器 １２…通常運転指示キースイッチ
１３…自己診断指示キースイッチ １４…制御装置
１５…表示器 ５１…圧力制御弁
５２、５５…圧力センサ ５３…オリフィス
５４…偏差演算制御器 ５６…差動増幅器
１４１…通常運転制御部 １４２…自己診断制御部

Claims (3)

  1. 圧力制御もしくは流量制御をする制御弁と、前記制御弁の流入側を開閉する第１の遮断弁と、前記制御弁の流出側に設けた固定絞りと、前記固定絞りの流入側圧力を検出する圧力センサと、前記固定絞りの流出側を開閉する第２の遮断弁とを備えたマスフローコントローラの自己診断方法であって、
    前記制御弁の流入側を前記第１の遮断弁によって開放すると共に前記固定絞りの流出側を前記第２の遮断弁によって閉止して前記第１の遮断弁から前記第２の遮断弁に至る管路内に前記第１の遮断弁を通して所定圧力の予め定めたガスを充填し、
    次いで前記制御弁を開放状態にし、前記第１の遮断弁によって前記制御弁の流入側を閉止すると共に前記第２の遮断弁によって前記固定絞りの流出側を開放して管路内に充填されたガスを流出させ、この流出による前記圧力センサの検出圧力が予め定めた検出圧力に低下するまでの時間と、前記所定圧力と前記予め定めた検出圧力とから定められる基準時間とを比較することにより前記固定絞りの状態の診断を行うことを特徴とするマスフローコントローラの自己診断方法。
  2. 請求項１記載のマスフローコントローラの自己診断方法において、ガスを流出させたときにおける圧力センサの検出圧力が予め定めた検出圧力に低下するまでの時間が基準時間を超過しているときその旨表示することを特徴とするマスフローコントローラの自己診断方法。
  3. 請求項１記載のマスフローコントローラの自己診断方法において、ガスを流出させたときにおける圧力センサの検出圧力が予め定めた検出圧力に低下するまでの時間が基準時間未満のときその旨表示することを特徴とするマスフローコントローラの自己診断方法。
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