JP4866682B2 - 圧力センサを保有する流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサを保有する流量制御装置を用いて、流量制御装置並びにその上流側及び下流側に設けられたバルブの異常を検出する方法に関するものであり、主として半導体製造設備や化学関係設備において使用されるものである。

半導体製造設備や化学関係設備においては、一般に流体供給系の流量制御に圧力式流量制御装置（ＦＣＳ）と熱式質量制御装置（ＭＦＣ）が広く利用されている。
又、前記圧力式流量制御装置ＦＣＳには、音速ノズルやオリフィス等の絞り機構の上流側及び又は下流側の流体圧力を検出する圧力センサと、各検出圧力を外部へ表示するための手段が備えられており、この圧力センサにより流体が現実に圧力式流量制御装置ＦＣＳを通して流通していなくても、流体供給系の各部の圧力を容易に検知することができる。

これに対して、前記熱式質量流量制御装置ＭＦＣの方は、圧力式流量制御装置ＦＣＳの如くガス供給系の各部の圧力を検知してこれを外部へ表示することが困難である。圧力式流量制御装置ＦＣＳと熱式質量流量制御装置ＭＦＣとは圧力センサの作動機構（圧力の検出機能）を基本的に異にするものだからである。

図１３は、前記圧力式流量制御装置ＦＣＳや熱式質量流量制御装置ＭＦＣから成る流量制御装置Ｄを用いた流体供給系の流量制御の基本的な回路構成を示すものであり、ここでは被制御流体をガス体としている。
図１３を参照して、圧力式流量制御装置ＦＣＳ又は熱式質量流量制御装置ＭＦＣから成る流量制御装置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、また流量制御装置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Ｖ₁、Ｖ₂及びＶ₃が夫々介設されている。

一方、当該図１３の如き流体供給系においては、定期的にバルブＶ₁〜Ｖ₃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。

即ち、上記バルブＶ₁〜Ｖ₃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。
ところが、流量制御装置Ｄとして熱式質量流量制御装置ＭＦＣを利用している場合には、例えばこれを用いてプロセスガス使用系Ｃのガス圧力の変動を検出し、この検出値からバルブＶ₃のシートリークを検出するようなことは出来ない。

その結果、プロセスガス使用系ＣのバルブＶ₃のシートリークチェックに際しては、バルブＶ₃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、バルブＶ₃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。
尚、このことは、流量制御装置Ｄの上流側のバルブＶ₁及びバルブＶ₂についても同様であり、通常これ等バルブＶ₁，Ｖ₂のシートリークは、各バルブＶ₁、Ｖ₂を管路より外し、別途に設けたシートリーク試験装置によってチェックをするようにしている。そのため、多くの手数と時間を必要とすると云う問題がある。

特開平８−３３８５４６号 特開２０００−６６７３２号 特開２０００−３２２１３０号 特開２００３−１９５９４８号 特開２００４−１９９１０９号

本発明は、従前の熱式質量流量制御装置やその他の機構の流量制御装置を用いたガス供給系における上述の如き問題、即ち流量制御装置の上流側及び下流側に設けたバルブのシートリーク等のチェックに際して、各バルブを管路から取り外ししなければならず、シートリークのチェックに多くの手数や時間を必要とすると云う問題を解決せんとするものであり、流量制御装置を、流量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を備えた流量制御装置とすると共に、当該流量制御装置の圧力センサや前記各機構を用いて、流量制御装置並びにその上流側及び又は下流側に配設した各バルブの動作状態やシートリークのチェックを、各バルブ等を管路から取り外しすることなしに簡単且つ正確に行えるようにした、圧力センサを保有する流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法を提供するものである。

また、本願発明は、流量自己診断機構の診断値からバルブや流量制御装置自体の作動に異常があることが検出された場合に、その診断の基礎とした圧力降下特性の形態から異常の発生原因を特定、表示できるようにすることを発明の他の目的とするものである。

更に、本願発明は、バルブのシートリーク異常が検出された場合に、発生しているリーク量を簡単に演算、表示できるようにすることを発明の更に他の目的とするものである。

請求項１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制御装置を備えた流体供給系における前記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２の発明は、請求項１の発明において、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３の発明は、請求項１の発明において、バルブのシートリーク異常が検出されたときに、そのリーク量Ｑ（ｓｃｃｍ）を演算、表示するようにしたものである。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、バルブシートからのリーク量Ｑ（ｓｃｃｍ）を、Ｑ＝Ｋ・２７３・Ｒ／（２７３＋Ｔ）（但し、Ｋは定数、Ｔは温度（℃）、Ｒは圧力降下率（Ｐａ ａｂｓ・ｍ ^３ ／ｓ）であり、且つＲは、密閉配管系の内容積ｖ（ｍ ^３ ）及びΔｔ（ｓｅｃ）間の圧力指示値の変位がΔＰ（Ｐａ ａｂｓ）のとき、Ｒ＝−ΔＰ×ｖ／Δｔにより与えられる値である。）により演算するようにしたものである。

請求項５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制御装置を備えた流体供給系における前記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において、前記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。

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制御装置ＦＣＳ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、圧力式流量制御装置ＦＣＳ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、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。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、従前の圧力式流量制御装置ＦＣＳの基本構成の一例を示すものであり、コントロール弁２、圧力検出器６、２７、音速ノズルやオリフィスから成る絞り機構８、流量演算回路１３、流量設定回路１４、演算制御回路１６、流量出力回路１２等から圧力式流量制御装置ＦＣＳの要部が形成されている。尚、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）では絞り機構８にオリフィスが使用されている。
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）において、３はオリフィス上流側配管、４は弁駆動部、５はオリフィス下流側配管、９はバルブ、１５は流量変換回路、１０、１１、２２、２８は増幅器、７は温度検出器、１７、１８、２９はＡ／Ｄ変換器、１９は温度補正回路、２０、３０は演算回路、２１は比較回路、Ｑｃは演算流量信号、Ｑｆは切換演算流量信号、Ｑｅは流量設定信号、Ｑｏは流量出力信号、Ｑｙは流量制御信号、Ｐ₁はオリフィス上流側気体圧力、Ｐ₂はオリフィス下流側気体圧力、ｋは流量変換率である
また、当該圧力式流量制御装置ＦＣＳは、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に記載されている基本回路の他に、演算等に必要な処理プログラムやデータ等の記憶装置や各種の演算処理部が設けられていることは勿論である。

前記図１４（ａ）の圧力式流量制御装置ＦＣＳは、オリフィス上流側気体圧力Ｐ₁とオリフィス下流側気体圧力Ｐ₂との比Ｐ₂／Ｐ₁が流体の臨界値に等しいか若しくはこれより低い場合（所謂気体の流れが臨界状態下にあるとき）に、主として用いられるものであり、オリフィス８を流通する気体流量Ｑｃは、Ｑｃ＝ＫＰ₁（但し、Ｋは比例定数）で与えられる。
また、前記図１４（ｂ）の圧力式流量制御装置ＦＣＳは、臨界状態と非臨界状態の両方の流れ状態となる気体の流量制御に主として用いられるものであり、オリフィス８を流れる気体の流量はＱｃ＝ＫＰ₂ ^m（Ｐ₁−Ｐ₂）ⁿ（Ｋは比例定数、ｍとｎは定数）として与えられる。

前記図１４（ａ）の圧力式流量制御装置において、制御流量の設定値は、流量設定信号Ｑｅとして電圧値で与えられ、例えば上流側圧力Ｐ₁の圧力制御範囲０〜３（ｋｇｆ／ｃｍ²ａｂｓ）を電圧範囲０〜５Ｖで表示したとすると、Ｑｅ＝５Ｖ（フルスケール値）は、３（ｋｇｆ／ｃｍ²ａｂｓ）の圧力Ｐ₁における流量Ｑｃに相当することとなる。
例えば、いま流量変換回路１５の変換率が１に設定されているときに、流量設定信号Ｑｅ＝５Ｖが入力されると、切換演算流量信号Ｑｆ（Ｑｆ＝ｋＱｃ）は５Ｖとなり、上流側圧力Ｐ₁が３（ｋｇｆ／ｃｍ²ａｂｓ）になるまでコントロール弁２が開閉操作されることになり、Ｐ₁＝３（ｋｇｆ／ｃｍ²ａｂｓ）に対応する流量Ｑｃ＝ＫＰ₁の気体がオリフィス８を流通することになる。

当該図１４（ａ）及び図１４（ｂ）の圧力式流量制御装置ＦＣＳには、流量の設定機構に該当する流量設定回路１４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１２等が設けられている。
また、当該圧力式流量制御装置ＦＣＳ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、圧力式流量制御装置ＦＣＳには、コントロール弁２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１は、本発明の実施対象である前記圧力式流量制御装置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と圧力式流量制御部Ｄ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Ｎ₂やＡｒ等の不活性ガスをパージガスＧｏとして管路１ａ、圧力式流量制御装置ＦＣＳ、管路１ｂ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、圧力式流量制御部Ｄ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１において、Ｖ₁、Ｖ₂、Ｖ₃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１におけるバルブＶ₁、Ｖ₂及びＶ₃等であり、当該バルブＶ₁〜Ｖ₃の所謂シートリークと動作異常が、圧力式流量制御装置（以下、ＦＣＳ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Ｖ₁、Ｖ₂、Ｖ₃の動作異常は、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Ｖ₁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１ａ及び又は配管路１ｂ）が０へと変化する場合には、バルブＶ₁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Ｖ₁の動作に異常（不動作）があることになる。

ロ バルブＶ₂の動作異常
ａ．パージガスＧとしてＮ₂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Ｖ₂の動作異常（不動作）があることになる。
ｂ．ＦＣＳへＮ₂ガスを流通せしめて、ＦＣＳのＮ₂制御流量が設定流量となっているか否かを診断中（以下、Ｎ₂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Ｖ₂の動作に異常（不動作）があることになる。

ハ．バルブＶ₃の動作異常
ａ．Ｎ₂又は実ガスを流した状態下におけるＮ₂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Ｖ₃の動作に異常（不動作）があることになる。
ｂ．配管１ｃ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Ｖ₃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Ｖ₃の動作異常（不動作）があることになる。

また、各バルブＶ₁、Ｖ₂、Ｖ₃のシートリークは、圧力式流量制御装置ＦＣＳを用いた次の手順により点検される。
イ バルブＶ₁のシートリーク
ａ．Ｎ₂によるＦＣＳの流量自己診断時に、バルブＶ₁にシートリークがあると、Ｎ₂が実ガスＧｐ側へ逆流し、バルブＶ₁の上流側の実ガスＧｐがＮ₂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Ｖ₁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Ｐ₁が同一の場合に、実ガス流量が基準ガス（Ｎ₂）流量の何倍になるかを示す値であり、Ｆ．Ｆ．＝実ガス流量／Ｎ₂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Ｖ₂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Ｖ₂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１ａの実ガスＧｐ内へＮ₂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Ｖ₃のシートリーク
ＦＣＳによる流量制御の完了後、バルブＶ₃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Ｖ₃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１の構成の流体供給系にあっては、バルブＶ₁、Ｖ₂、Ｖ₃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１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２は、図１に示した流体供給装置の各バルブＶ₁、Ｖ₂、Ｖ₃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１においてイ．各バルブＶ₁、Ｖ₂、Ｖ₃、ＦＣＳ及び配管系１ａ、１ｂ、１ｃ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．Ｖ₁、Ｖ₂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Ｓ₁でＶ₁閉、Ｖ₂開→閉（切換）、Ｖ₃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１ｂにＮ₂を充填する。

ステップＳ₂にて、ＦＣＳの圧力表示Ｐ₁をチェックし、Ｐ₁の増減ΔＰ₁が０か否かを判断する。

ΔＰ₁が０でない場合であって、Ｐ₁上昇の場合には、Ｖ₁又はＶ₂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、Ｐ₁が減少の場合には、Ｖ₃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Ｓ₃）。

次に、ステップＳ₄で、Ｖ₁閉、Ｖ₂閉、Ｖ₃開、ＦＣＳコントロールバルブ開で配管内を真空引きした後、Ｖ₁開、Ｖ₂閉にしてプロセスガス（実ガス）ＧｐをＦＣＳへ流し、ステップＳ₅でＦＣＳの圧力表示Ｐ₁をチェックする。Ｐ₁の上昇があればＶ₁の動作は正常（ステップＳ７）、Ｐ₁の上昇が無ければＶ₁の動作異常と判断して（ステップＳ₆）、Ｖ₁の動作状況を確認する。

その後、ステップＳ₈でＶ₁閉、Ｖ₂閉、Ｖ₃開、ＦＣＳコントロールバルブ開で配管内を真空引きした後、Ｖ₁閉、Ｖ₂開とし、ＦＣＳの圧力表示Ｐ₁をチェックする（ステップＳ₉）。Ｐ₁が上昇しなければ、Ｖ₂の動作異常と判断して（ステップ１０）としてＶ₂の動作状況を確認する。
また、Ｐ₁が上昇すれば、Ｖ₂の動作は正常と判断される（ステップＳ₁₁）。

続いて、ステップＳ₁₂で、前記ステップＳ₂におけるバルブ類の異常がバルブＶ₃の動作異常に該当するか否かを判断する。即ち、ステップＳ₂の判断がＮｏ（バルブＶ₁、Ｖ₂、Ｖ₃の内の何れかが動作異常）であって、且つバルブＶ₁及びＶ₂の動作が正常であれば、バルブＶ₃が動作異常と判断され（ステップＳ₁₃）、また、ステップＳ₂に於ける判断がｙｅｓの場合には、各バルブＶ₁、Ｖ₂、Ｖ₃の動作が正常であると判断される（ステップＳ₁₄）。

次に、各バルブＶ₁、Ｖ₂、Ｖ₃のシートリークのチェックが行われる。即ち、ステップＳ₁₅において、Ｖ₁閉、Ｖ₂閉、Ｖ₃開、ＦＣＳコントロールバルブ開で配管内を真空引きした後、ステップＳ₁と同様にＶ₁閉、Ｖ₂開→閉（切替）、Ｖ₃閉にして、ＦＣＳとバルブＶ₃間の配管１ｂを加圧してＦＣＳの圧力表示をＰ₁に保持（コントロール弁２とバルブＶ₃との間で圧力を保持）する。

ステップＳ₁₆で、前記Ｐ₁の減圧をチェックし、減圧があればバルブＶ₃にシートリークがあると判断する（ステップＳ₁₇）。また、減圧が無ければ、バルブＶ₃にシートリークなしと判断する（ステップＳ₁₈）。

次に、ステップＳ₁₉で、Ｖ₁閉、Ｖ₂閉、Ｖ₃開、ＦＣＳコントロールバルブ開で配管内を真空引きした後、バルブＶ₁閉、Ｖ₂閉、Ｖ₃開として配管路１ａ、１ｂ、１ｃを減圧（真空引き）したあと、バルブＶ₃を閉にする（ステップＳ₂₀）。
その後ステップＳ₂₁でＦＣＳの圧力表示Ｐ₁をチェックし、圧力表示Ｐ₁が増圧しなければ、ステップＳ₂₂でバルブＶ₁、Ｖ₂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Ｓ₃₁）。

また、ステップＳ₂₁でＰ₁に増圧があれば、バルブＶ₁又Ｖ₂の何れかにシートリークがあると判断し（ステップＳ₂₃）、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Ｓ₂₄で、Ｖ₁閉、Ｖ₂閉、Ｖ₃開、ＦＣＳコントロールバルブ開で配管内を真空引きした後、バルブＶ₁開、Ｖ₂閉にし、ＦＣＳ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Ｓ₂₄で、診断値に異常が無ければ、バルブＶ₁のみにシートリークがあると判断する（ステップＳ₂₆）。バルブＶ₁にシートリークがあっても、バルブＶ₂にシートリークが無ければ、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Ｓ₂₄において診断値に異常がある場合には、ステップＳ₂₇においてバルブＶ₁閉、バルブＶ₂開とされ、ＦＣＳのＮ₂流量自己診断が行われる。即ち、Ｎ₂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Ｓ₂₈において、Ｎ₂流量自己診断の診断値に異常が無ければ、ステップＳ₂₉でバルブＶ₂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Ｖ₁がシートリークを起しておれば、実ガスがＮ₂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Ｓ₂₈において、Ｎ₂流量自己診断値に異常がある場合には、バルブＶ₁がシートリークを起し、Ｎ₂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Ｓ₃₀において、バルブＶ₁及びＶ₂の両方がシートリークをしていると判断する。

尚、図２の異常チェックフローシートにおいては、ステップＳ３においてバルブＶ₁、Ｖ₂、Ｖ₃の異常を検出したあと、各バルブＶ₁、Ｖ₂、Ｖ₃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Ｓ₃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Ｓ₄〜ステップＳ₁₃までを、また、シートリーク異常であればステップＳ₁₅〜ステップＳ₃₀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Ｓ₃におけるＰ₁の上昇率又はＰ₁の減少率から判断可能である。例えばＰ₁の上昇率が大きければバルブの開閉異常、Ｐ₁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１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。

表１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３乃至図９は、表１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装置ＦＣＳの検出圧力を夫々示すものである。
即ち、図３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４・（ａ）では、２次側（ＦＣＳの出力側）のエア作動バルブＶ₃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４・（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４・（ａ）の場合と同じ類形２の形態となる。

図５・（ａ）では、フローファクタ（Ｆ．Ｆ．）の大きなガスが圧力式制御装置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５・（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６・（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６・（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７では、コントロールバルブ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８では、コントロールバルブ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９は、圧力式流量制御装置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１０は、上記図３乃至図９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）］
フローファクター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）］
フローファクター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の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。

上記表１及び図４乃至図１０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。

一方、ガス供給系のバブルにシートリーク等の異常の存在することが判明したとき、その漏洩量を具体的に把握する必要がしばしば発生する。何故なら、漏洩量の大・小を知ることによって緊急補修が必要か或いは補修までに若干時間的な余裕を取ることが出来るか等の判断が出来るからである。

図１１は、圧力式流量制御装置の２次側バルブにシートリークが生じた場合に、その圧力降下特性からシートリークを現実に検知できるか否かを確認するために用いた試験装置の系統図であり、ＲＧは圧力調整装置、ＭＦＣは流量モニタ装置（熱式質量流量計）、ＦＣＳは圧力式流量制御装置、Ｖ₁は入口弁、Ｖ₃は模擬リーク量発生弁、Ｖｐは真空ポンプであり、圧力式流量制御装置ＦＣＳの配管系統を含む内容積ｖは、ｖ＝６．６９×１０^-6ｍ³に設定されている。尚、リーク量発生弁Ｖ₃のリーク量は、４ｓｃｃｍと０．２ｓｃｃｍ（供給圧力３５０ｋＰａ ａｂｓ）の二種に切換え調整可能である。

図１１を参照して、先ず、供給圧力３５０ｋＰａ ａｂｓでもってＮ₂ガスを供給し、流量モニター装置ＭＦＣで供給流量をモニタリングし乍ら、模擬リーク量をリーク量発生弁Ｖ₃の閉度調節により調整する（入り口弁Ｖ₁は開、圧力式流量制御装置ＦＣＳは強制開とする）。
次に、入口弁Ｖ₁を開、圧力式流量制御装置ＦＣＳを閉にする。
そして、入口弁Ｖ₁を開放すると同時に、圧力式流量制御装置ＦＣＳを強制開放する（以後、ＦＣＳは強制開放を維持する）と共に、数秒後あとに入口弁Ｖ₁を閉鎖する。
その後、圧力式流量制御装置ＦＣＳの圧力指示値と供給圧力Ｐを測定して、リーク量発生弁のシートリークによる圧力式流量制御装置を含むガス供給系の圧力降下特性を測定した。

次に、圧力降下特性が求まれば、その圧力降下特性を利用してリーク量の算出を行った。
先ずリーク量の算式に先立って、ＦＣＳの圧力降下特性から圧力降下率Ｒ＝ΔＰ／Δｔ×ｖ（Ｐａ ａｂｓ・ｍ³／ｓ）・・・（１）
を計算する。但し、（１）式において、ΔＰ（Ｐａ ａｂｓ）は、時間Δｔ（ｓ）間の圧力指示値の変位であり、ｖ（ｍ³）はＦＣＳ系の内容積（ｖ＝６．０９×１０^-6ｍ³）である。

圧力降下率Ｒが求まれば、リーク量Ｑ（ｓｃｃｍ）を次の（２）式により算出する。
Ｑ（ｓｃｃｍ）＝−１（ａｔｍ）／｛７６０（Ｔｏｒｒ）×１３３．３（Ｐａ・ａｂｓ／Ｔｏｒｒ）｝×２７３（Ｋ）／（２７３＋Ｔ）（Ｋ）×ｖ（ｍ³）×１０⁶（ｃｃ／ｍ³）×ΔＰ（Ｐａ・ａｂｓ）／Δｔ（ｓ）／６０
＝６０×１０⁶／（７６０×１３３．３）×２７３／（２７３＋Ｔ）×Ｒ
＝Ｋ×２７３／（２７３＋Ｔ）×Ｒ・・・・・（２）
但し、Ｔはガス温度（℃）である。

尚、現実のリーク量の算定に於いては、圧力降下率Ｒを求めるためのΔｔの起算点を、入口弁Ｖ₁の閉鎖から何ｓｅｃ後にするかが問題となる。
図１２の（ａ）は、定格流量１０ｓｃｃｍの圧力式流量制御装置ＦＣＳのリーク発生弁Ｖ₃のリーク量１０ｓｃｃｍのときの圧力降下特性を示すものであり、また、図１２の（ｂ）は、定格流量２０００ｓｃｃｍの圧力式流量制御装置ＦＣＳのリーク発生弁Ｖ₃のリーク量が４ｓｃｃｍのときの圧力降下特性を示すものである。

図１２の（ａ）及び（ｂ）やその他の同様な試験データの結果から、入口弁Ｖ₁を閉にしてから圧力降下特性の傾が安定するまでの時間としては、１５ｓｅｃ間ほどあれば十分であり、且つ圧力降下率Ｒを算定するためのΔｔ（ｓ）は５ｓｅｃ間ほどで良いことが判明した。

尚、図１２の（ａ）における前記（２）式による演算値Ｑは０．１５（ｓｃｃｍ）であり、図１２の（ｂ）の場合の演算値は２．８（ｓｃｃｍ）であった。但しガス湿度Ｔは２１℃としている。リーク発生Ｖ₃のリーク量が０．２（ｓｃｃｍ）及び４（ｓｃｃｍ）であるから、本発明の前記（２）式でもって、実用に耐えるレベルの精度でもってリーク量の算出が可能なことが判明した。

本発明は、半導体製造産業や化学産業、食品産業等の圧力センサを保有する流量制御装置を用いた流体供給系全般に適用可能なものである。

本発明を実施するための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。 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）はフローファクターの大きなガスが混入した場合の、また（ｂ）はフローファクター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。 ＦＣＳ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。 ＦＣＳ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。 ＦＣＳ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３から図９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。 圧力式流量制御装置の流量自己診断における圧力降下特性の測定装置の系統図である。 図１１の測定装置で測定した圧力降下特性の一例を示すものであり、（ａ）は小容量（１０ｓｃｃｍ）のＦＣＳにおける少量のリーク発生（０．２ｓｃｃｍ）時の、また（ｂ）は大容量（２０００ｓｃｃｍ）のＦＣＳにおける大量のリーク発生（４ｓｃｃｍ）時の圧力降下特性の一例を示すものである。 従前の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。 従前の圧力式流量制御装置の構成を示す概要図である。

符号の説明

Ａはプロセスガス供給系、Ａ₁は配管、Ｂはパージガス供給系、Ｂ₁は配管、Ｃはプロセスガス使用系、１ｃは配管、Ｄは圧力式流量制御部、Ｖ₁〜Ｖ₃はバルブ、Ｇｏはパージガス、Ｇｐはプロセスガス、１ａは圧力式流量制御装置の上流側配管、ＦＣＳは圧力式流量制御装置、１ｂは圧力式流量制御装置の下流側配管、Ｅはプロセスチャンバ。

Claims (5)

1. 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制御装置を備えた流体供給系における前記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圧力センサを保有する流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法。
2. 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１に記載の流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法。
3. バルブのシートリーク異常が検出されたときに、そのリーク量Ｑ（ｓｃｃｍ）を演算、表示するようにした請求項１に記載の流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法。
4. バルブシートからのリーク量Ｑ（ｓｃｃｍ）を、Ｑ＝Ｋ・２７３・Ｒ／（２７３＋Ｔ）（但し、Ｋは定数、Ｔは温度（℃）、Ｒは圧力降下率（Ｐａ ａｂｓ・ｍ^３／ｓ）であり、且つＲは、密閉配管系の内容積ｖ（ｍ^３）及びΔｔ（ｓｅｃ）間の圧力指示値の変位がΔＰ（Ｐａ ａｂｓ）のとき、Ｒ＝−ΔＰ×ｖ／Δｔにより与えられる値である。）により演算するようにした請求項３に記載の流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法。
5. 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制御装置を備えた流体供給系における前記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において、前記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圧力センサを保有する流量制御装置を用いた流体供給系の異常検出方法。

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