JP2011233002A - Disturbance observer, feedback compensator, positioning device, exposure device and method for designing disturbance observer - Google Patents

Disturbance observer, feedback compensator, positioning device, exposure device and method for designing disturbance observer Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a disturbance observer, a feedback compensator, a positioning device, exposure device and a method for designing the disturbance observer which can stabilize a resonance phase using a phase lead compensator and a phase lag compensator which are based on a transfer function decided by a designer without a process of trial and error.SOLUTION: As for a disturbance observer 21 for estimating disturbance d which is given to an control target 28, its complementary sensitivity function parameters are designed based on a disturbance model including a resonance element of the control target 28 as a part of the disturbance d.

Description

本発明は、外乱オブザーバ及びフィードバック補償器に係り、少なくともこれらのいずれかを備えた位置決め装置、露光装置、及び外乱オブザーバ設計方法に関する。   The present invention relates to a disturbance observer and a feedback compensator, and relates to a positioning apparatus, an exposure apparatus, and a disturbance observer design method including at least one of them.

磁気ディスク装置などの位置決め制御系において、複数の機械的共振が存在する場合、各共振に対して安定化する手法を選定する手法が開示されている(特許文献1及び非特許文献1参照)。また、外乱オブザーバと共振比制御を適用し,多慣性系共振系の全ての共振モードを安定化する手法が、特許文献2に開示されている。また、位置決め制御装置等の制御対象に入力される外乱を推定する外乱オブザーバが、非特許文献2及び3に開示されている。   In a positioning control system such as a magnetic disk device, there is disclosed a method of selecting a method for stabilizing each resonance when there are a plurality of mechanical resonances (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). Further, Patent Document 2 discloses a technique for stabilizing all resonance modes of a multi-inertia resonance system by applying a disturbance observer and resonance ratio control. Non-Patent Documents 2 and 3 disclose disturbance observers that estimate a disturbance input to a control target such as a positioning control device.

特開2000−254256号公報JP 2000-254256 A 特開2007−43884号公報JP 2007-43884 A

Takenori Atsumi,Toshiro Arisaka,Toshihiko Shimizu and Takashi Yamaguchi,“Vibration Servo Control Design for Mechanical Resonant Modes of a Hard-Disk-Drive Actuator”, JSME International JournalTakenori Atsumi, Toshiro Arisaka, Toshihiko Shimizu and Takashi Yamaguchi, “Vibration Servo Control Design for Mechanical Resonant Modes of a Hard-Disk-Drive Actuator”, JSME International Journal 大西,「メカトロニクスにおける新しいサーボ技術」,電気学会論文誌D,Vol.107,No.1,pp.83−pp.86(1987)Onishi, “New servo technology in mechatronics”, IEEJ Transactions D, Vol. 107, no. 1, pp. 83-pp. 86 (1987) 島田明,「モーションコントロール」,オーム社,p.157−164Akira Shimada, “Motion Control”, Ohmsha, p. 157-164

ところで、特許文献1に開示された位置決め制御手法では、一巡伝達関数の位相特性を設計者が確認しながら試行錯誤して、伝達関数(位相補償器の個数及びパラメータ等)を決定しなければならない、という問題があった。   By the way, in the positioning control method disclosed in Patent Document 1, it is necessary to determine the transfer function (number of phase compensators, parameters, etc.) by trial and error while the designer confirms the phase characteristics of the round transfer function. There was a problem.

また、特許文献2に開示された位置決め制御手法では、セミクローズド制御系が想定されている。セミクローズド制御系(モータ側の位置情報を用いた制御)では、制御対象に含まれる共振のモード影響定数が全て正になるため、外乱オブザーバ又はフィードバック補償器を備えた制御装置は、位相進み補償器により、共振の位相を安定化させることができる。   In the positioning control method disclosed in Patent Document 2, a semi-closed control system is assumed. In a semi-closed control system (control using position information on the motor side), since the mode influence constants of resonance included in the controlled object are all positive, a control device equipped with a disturbance observer or feedback compensator is used for phase advance compensation. The phase of resonance can be stabilized by the device.

一方、露光装置等、及び特許文献1に示されたHDD(Hard Disk Drive)では、フルクローズド制御系(負荷側の位置情報を用いた制御)が想定されている。しかしながら、フルクローズド制御系では、共振のモード影響定数が正負にばらつくため、共振の位相を安定化させるには、外乱オブザーバ又はフィードバック補償器を備えた制御装置は、多数の位相進み補償器と多数の位相遅れ補償器とを組み合わせなければならない、という問題があった。   On the other hand, in an exposure apparatus and the like and an HDD (Hard Disk Drive) disclosed in Patent Document 1, a fully closed control system (control using position information on the load side) is assumed. However, in the fully closed loop control system, the resonance mode influence constant varies between positive and negative, and therefore, in order to stabilize the resonance phase, a control device equipped with a disturbance observer or feedback compensator requires a large number of phase advance compensators and many There was a problem that it was necessary to combine with a phase lag compensator.

本発明は、前記の諸点に鑑みてなされたものであり、フルクローズド制御系において、設計者が試行錯誤することなく決定した伝達関数に基づく位相進み補償器と位相遅れ補償器により、共振の位相を安定化させることが可能な外乱オブザーバ、フィードバック補償器、位置決め装置、露光装置、及び外乱オブザーバ設計方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described points, and in a fully closed control system, a phase lead compensator and a phase lag compensator based on a transfer function determined by a designer without trial and error are used. It is an object of the present invention to provide a disturbance observer, a feedback compensator, a positioning device, an exposure apparatus, and a disturbance observer design method.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、制御対象に加わる外乱を推定する外乱オブザーバにおいて、前記制御対象の共振成分を前記外乱の一部として含んだ外乱モデルに基づいて相補感度関数のパラメータが設計されたことを特徴とする外乱オブザーバである。   The present invention has been made in order to solve the above-described problem, and in a disturbance observer for estimating a disturbance applied to a controlled object, the present invention is based on a disturbance model including the resonance component of the controlled object as a part of the disturbance. The disturbance observer is characterized in that the parameters of the complementary sensitivity function are designed.

また、本発明は、外乱オブザーバの極が、複素平面において、虚軸と平行な直線であって、当該直線と実軸との交点である実数成分が負値である第1直線と、原点を中心とする円のうち、前記第1直線と前記虚軸との距離よりも大きい半径を有する円と、により囲まれる第1領域と、前記原点を通り、前記虚軸と平行でない2本の直線であって、実軸について互いに対称である第2及び第3直線により区切られる領域のうち、前記実軸を含む第2領域と、に共通する領域に配置されることを特徴とする外乱オブザーバである。   Further, according to the present invention, the pole of the disturbance observer is a straight line parallel to the imaginary axis in the complex plane, and the origin is defined by a first straight line having a negative real component that is the intersection of the straight line and the real axis. A first region surrounded by a circle having a radius larger than the distance between the first straight line and the imaginary axis, and two straight lines that pass through the origin and are not parallel to the imaginary axis among the circles at the center. A disturbance observer characterized in that the disturbance observer is arranged in a region common to the second region including the real axis among the regions separated by the second and third straight lines that are symmetric with respect to the real axis. is there.

また、本発明は、前記外乱オブザーバの前記相補感度関数のH∞ノルムが最小化されるように、複素平面上の領域に前記極が配置されたことを特徴とする外乱オブザーバである。   The disturbance observer according to the present invention is characterized in that the pole is arranged in a region on a complex plane so that an H∞ norm of the complementary sensitivity function of the disturbance observer is minimized.

また、本発明は、外乱オブザーバと、前記制御対象の目標軌道を示す信号から、前記制御対象の位置を示す観測信号を減算し、該減算結果を当該外乱オブザーバに出力する減算器と、を備えることを特徴とするフィードバック補償器である。   The present invention further includes a disturbance observer and a subtracter that subtracts an observation signal indicating the position of the control target from a signal indicating the target trajectory of the control target and outputs the subtraction result to the disturbance observer. This is a feedback compensator.

また、本発明は、前記制御対象の移動を制御するフィードバック補償器と、当該制御に応じて、前記制御対象を移動させる駆動部を有するステージ装置と、を備えた位置決め装置である。   In addition, the present invention is a positioning device including a feedback compensator that controls movement of the controlled object, and a stage device that includes a drive unit that moves the controlled object according to the control.

また、本発明は、マスクステージに保持されたマスクのパターンを基板ステージに保持された感光基板に露光する露光装置であって、前記マスクステージと前記基板ステージの少なくとも一方のステージとして、位置決め装置を備えることを特徴とする露光装置である。   The present invention also provides an exposure apparatus that exposes a mask pattern held on a mask stage onto a photosensitive substrate held on a substrate stage, wherein a positioning device is used as at least one of the mask stage and the substrate stage. An exposure apparatus is provided.

また、本発明は、制御対象に加わる外乱を推定する外乱オブザーバを設計する設計方法であって、前記制御対象の共振成分を前記外乱の一部として含んだ外乱モデルに基づいて相補感度関数のパラメータが設計される過程を有することを特徴とする外乱オブザーバ設計方法である。   Further, the present invention is a design method for designing a disturbance observer for estimating a disturbance applied to a controlled object, wherein the parameter of the complementary sensitivity function is based on a disturbance model that includes the resonance component of the controlled object as part of the disturbance. Is a disturbance observer design method characterized by having a process of designing.

本発明によれば、外乱オブザーバは、制御対象の共振成分を外乱の一部として含んだ外乱モデルに基づいて相補感度関数のパラメータが設計される。これにより、外乱オブザーバは、フルクローズド制御において、位相進み補償器と位相遅れ補償器により共振の位相を安定化させることができる。   According to the present invention, in the disturbance observer, the parameters of the complementary sensitivity function are designed based on the disturbance model that includes the resonance component to be controlled as part of the disturbance. Thereby, the disturbance observer can stabilize the phase of resonance by the phase advance compensator and the phase lag compensator in the fully closed control.

また、外乱オブザーバは、外乱オブザーバの相補感度関数のH∞ノルム(ピーク値)が最小化されるように、複素平面上の領域に極が配置される。これにより、設計者は、伝達関数を試行錯誤することなく、フルクローズド制御において、位相進み補償器と位相遅れ補償器により共振の位相を安定化させる外乱オブザーバを設計することができる。   The disturbance observer has poles arranged in a region on the complex plane so that the H∞ norm (peak value) of the complementary sensitivity function of the disturbance observer is minimized. Thus, the designer can design a disturbance observer that stabilizes the phase of resonance by the phase advance compensator and the phase lag compensator in the fully closed control without trial and error of the transfer function.

また、フィードバック補償器は、外乱オブザーバと、制御対象の目標軌道を示す信号から、制御対象の位置を示す観測信号を減算し、該減算結果を当該外乱オブザーバに出力する減算器を備える。これにより、フィードバック補償器は、フルクローズド制御において、位相進み補償器と位相遅れ補償器により共振の位相を安定化させることができる。また、フィードバック補償器は、共振の位相を安定化させることにより、高精度に位置決めすることができる。   The feedback compensator includes a disturbance observer and a subtracter that subtracts an observation signal indicating the position of the control target from a signal indicating the target trajectory of the control target and outputs the subtraction result to the disturbance observer. Thereby, the feedback compensator can stabilize the phase of resonance by the phase lead compensator and the phase lag compensator in the fully closed control. The feedback compensator can be positioned with high accuracy by stabilizing the phase of resonance.

本発明の実施形態におけるステージ装置の構成図である。It is a block diagram of the stage apparatus in embodiment of this invention. プレートホルダの位置決め(振動抑制)制御を実行する制御装置、及び拡大系のブロック図である。It is a block diagram of a control device which performs positioning (vibration suppression) control of a plate holder, and an expansion system. 減算器と、拡大系と、フィードバック補償器とを含むロバストサーボ系(位置決めサーボ系)を伝達関数表現により示す図である。It is a figure which shows the robust servo system (positioning servo system) containing a subtractor, an expansion system, and a feedback compensator by transfer function expression. 極を配置する領域を示す図である。It is a figure which shows the area | region which arrange | positions a pole. プレートステージを制御対象としたロバストサーボ系における、制御入力からテーブル位置までの周波数特性を示すボーデ線図である。FIG. 5 is a Bode diagram showing frequency characteristics from a control input to a table position in a robust servo system in which a plate stage is controlled. プレートステージから同定されたパラメータの例を示す表である。It is a table | surface which shows the example of the parameter identified from the plate stage. 設計例2及び3におけるパラメータを示す表である。6 is a table showing parameters in design examples 2 and 3. 設計例1〜3における、フィードバック補償器の周波数特性を示すボーデ線図である。It is a Bode diagram which shows the frequency characteristic of the feedback compensator in the design examples 1-3. 設計例1〜3における相補感度関数T(s)を示す図である。It is a figure which shows the complementary sensitivity function T (s) in the design examples 1-3. 設計例1〜3における感度関数S(s)を示す図である。It is a figure which shows the sensitivity function S (s) in the design examples 1-3. 設計例1〜3における外乱抑圧特性を示す図である。It is a figure which shows the disturbance suppression characteristic in the design examples 1-3. 目標値ステップ応答のシミュレーション結果である。It is a simulation result of target value step response. ステップ外乱応答のシミュレーション結果である。It is a simulation result of a step disturbance response. ステージ装置を適用した露光装置の構成図である。It is a block diagram of the exposure apparatus to which the stage apparatus is applied.

本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図1には、本発明の実施形態におけるステージ装置(位置決め装置)の構成が示されている。   Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of a stage device (positioning device) in an embodiment of the present invention.

ベース1の上面には、X軸方向に延在するX軸ガイド2がY軸方向に間隔をあけて2本平行に敷設されており(図ではそのうちの1本が示されている)、これら各X軸ガイド2の両側部及び上部を跨ぐようにXキャリッジ3がそれぞれ移動自在に設けられている。Xキャリッジ3の上部には、Y軸方向(紙面に垂直な方向)に沿って延在し、2つのXキャリッジ3を結ぶブリッジ状にYビームガイド4が懸架されて締結固定されている。   Two X-axis guides 2 extending in the X-axis direction are laid in parallel on the upper surface of the base 1 at intervals in the Y-axis direction (one of them is shown in the figure). An X carriage 3 is movably provided so as to straddle both sides and the upper part of each X-axis guide 2. A Y beam guide 4 extends in the Y-axis direction (direction perpendicular to the paper surface) on the top of the X carriage 3, and is suspended and fixed in a bridge shape connecting the two X carriages 3.

Xキャリッジ3とXガイド2との間には、エアベアリング5が複数配置されている。エアベアリング5はXキャリッジ3に固定されており、Xガイド2に対してフローティング(非接触)支持されたXキャリッジ3及びYビームガイド4は、Xガイド2にガイドされてX軸方向に移動自在の構成となっている。   A plurality of air bearings 5 are arranged between the X carriage 3 and the X guide 2. The air bearing 5 is fixed to the X carriage 3, and the X carriage 3 and the Y beam guide 4 that are supported floating (non-contact) with respect to the X guide 2 are guided by the X guide 2 and are movable in the X-axis direction. It becomes the composition of.

Yビームガイド4の上部には、Yキャリッジ7が載置されている。Yキャリッジ7とYビームガイド4の上面との間には、エアベアリング8(ベースベアリング)が複数配置されており、Yキャリッジ7とYビームガイド4の両側面との間には、エアベアリング9(サイドベアリング)が複数配置されている。これらエアベアリング8、9はYキャリッジ7に固定されており、Yビームガイド4にフローティング(非接触)支持されたYキャリッジ7は、Yビームガイド4にガイドされてY軸方向に移動自在の構成となっている。   A Y carriage 7 is placed on the Y beam guide 4. A plurality of air bearings 8 (base bearings) are arranged between the Y carriage 7 and the upper surface of the Y beam guide 4, and between the Y carriage 7 and both side surfaces of the Y beam guide 4, the air bearing 9. A plurality of (side bearings) are arranged. The air bearings 8 and 9 are fixed to the Y carriage 7, and the Y carriage 7 that is floating (non-contact) supported by the Y beam guide 4 is guided by the Y beam guide 4 and is movable in the Y-axis direction. It has become.

Yキャリッジ7上には、プレートテーブル10が複数の支持機構(不図示)で支持されている。プレートテーブル10上には、ガラス基板等を吸着保持するプレートホルダ11と、位置を計測するための位置センサ12とが設けられている。この位置センサ12(測定対象部)は、例えば干渉計測器(レーザ干渉計)の一部を構成する移動鏡であって、外部に設けられた光源からのレーザ光を測定光としてこの移動鏡に照射して反射させ、上記干渉計測器内で参照光と干渉を生じさせることにより、プレートホルダ11の位置を精密に計測する。   On the Y carriage 7, the plate table 10 is supported by a plurality of support mechanisms (not shown). On the plate table 10, a plate holder 11 for sucking and holding a glass substrate and the like, and a position sensor 12 for measuring the position are provided. The position sensor 12 (measurement target unit) is, for example, a movable mirror that forms part of an interference measuring instrument (laser interferometer), and laser light from an external light source is used as measurement light on the movable mirror. The position of the plate holder 11 is precisely measured by irradiating and reflecting and causing interference with the reference light in the interference measuring instrument.

Yビームガイド4の両端部(紙面の手前側と奥側)には、図示しないアクチュエータ(駆動部、例えばXリニアモータ)が設けられ、このXリニアモータの駆動によってXキャリッジ3に搭載された構造物がXガイド2に沿ってX軸方向に移動する。また、Yキャリッジ7の側面部には、Yリニアモータ6が設けられ、このYリニアモータ6の駆動によってYキャリッジ7に搭載された構造物がYビームガイド4に沿ってY軸方向に移動する。換言すれば、Xキャリッジ3とYビームガイド4とXリニアモータとによりXステージ100が形成され、Xステージ100がX軸方向に移動するとともに、Yキャリッジ7とプレートテーブル10とプレートホルダ11と位置センサ12とYリニアモータ6とによりYステージ200が形成され、Yステージ200がY軸方向に移動するように、本ステージ装置が構成されている。   An actuator (drive unit, for example, X linear motor) (not shown) is provided at both ends (the front side and the back side of the paper surface) of the Y beam guide 4 and is mounted on the X carriage 3 by driving the X linear motor. The object moves along the X guide 2 in the X axis direction. A Y linear motor 6 is provided on the side surface of the Y carriage 7, and the structure mounted on the Y carriage 7 is moved in the Y axis direction along the Y beam guide 4 by driving the Y linear motor 6. . In other words, the X stage 100 is formed by the X carriage 3, the Y beam guide 4, and the X linear motor. The X stage 100 moves in the X axis direction, and the Y carriage 7, the plate table 10, the plate holder 11, and the position The stage 12 is configured such that the sensor 12 and the Y linear motor 6 form a Y stage 200 and the Y stage 200 moves in the Y-axis direction.

次に、外乱オブザーバについて説明する。以下、一例として、プレートホルダ11を制御対象とする。
図2は、一実施形態における、プレートホルダ11の位置決め(振動抑制)制御を実行する制御装置、及び拡大系のブロック図である。このブロック図において、制御対象(プレートホルダ11)は、拡大系26に含まれる制御対象28として表されている。この制御装置は、外乱オブザーバ21を備える。図2において、外乱オブザーバ21、及び拡大系26は、それぞれ伝達関数表現により示されている。
Next, the disturbance observer will be described. Hereinafter, as an example, the plate holder 11 is a control target.
FIG. 2 is a block diagram of a control device that performs positioning (vibration suppression) control of the plate holder 11 and an enlargement system in one embodiment. In this block diagram, the control object (plate holder 11) is represented as a control object 28 included in the enlargement system 26. This control device includes a disturbance observer 21. In FIG. 2, the disturbance observer 21 and the expansion system 26 are shown by transfer function expressions.

図2において、制御入力uは、制御対象であるプレートホルダ11(図2において、拡大系26に含まれる制御対象28)の位置を位置決め制御するための入力である。   In FIG. 2, a control input u is an input for positioning control of the position of the plate holder 11 that is a control target (the control target 28 included in the enlargement system 26 in FIG. 2).

以下、本明細書中において、外乱dの推定値をd^と表記する。また、数式中において、文字の上にハット記号が付いている場合、その文字が示す物理量の推定値を示すものとする。   Hereinafter, in the present specification, the estimated value of the disturbance d is denoted by d ^. In addition, when a hat symbol is attached on a character in the mathematical expression, an estimated value of the physical quantity indicated by the character is indicated.

減算器20は、外乱オブザーバ21が算出した外乱dの推定値d^を、ノミナル制御入力uから減算し、得られた値を制御入力uとして、制御対象及びフィルタ24に出力する。 Subtractor 20, an estimate d ^ of the disturbance d to the disturbance observer 21 is calculated, subtracted from the nominal control input u n, as obtained control value input u, and outputs the control target and the filter 24.

拡大系26は、ノイズv及び外乱dを考慮した制御対象のモデルである。ここで、uは制御入力、yは観測信号である。   The expansion system 26 is a model to be controlled in consideration of noise v and disturbance d. Here, u is a control input, and y is an observation signal.

制御対象28は、加算器27から入力された加算結果に、制御対象28の伝達関数である第1伝達関数P(s)を乗算して、この乗算結果を加算器29に出力する。例えば、制御対象28が出力する乗算結果とは、加算器27から入力された加算結果に応じて移動するプレートホルダ11(図1を参照)の位置に関する値である。   The control object 28 multiplies the addition result input from the adder 27 by the first transfer function P (s), which is the transfer function of the control object 28, and outputs the multiplication result to the adder 29. For example, the multiplication result output by the control object 28 is a value related to the position of the plate holder 11 (see FIG. 1) that moves according to the addition result input from the adder 27.

加算器29には、ノイズの一例として白色ノイズvが入力される。加算器29は、制御対象28から入力された乗算結果と、白色ノイズvとを加算し、この加算結果(観測信号)yを外乱オブザーバ21に出力する。観測信号yは、例えば、位置センサ12(図1を参照)により得られた、プレートホルダ11の位置情報である。   White noise v is input to the adder 29 as an example of noise. The adder 29 adds the multiplication result input from the control object 28 and the white noise v, and outputs the addition result (observation signal) y to the disturbance observer 21. The observation signal y is, for example, position information of the plate holder 11 obtained by the position sensor 12 (see FIG. 1).

外乱オブザーバ21は、フィルタ23と、フィルタ24と、減算器25とを備える。フィルタ23は、伝達関数Q(s)と伝達関数P(s)の逆システムとの積で表されるフィルタである。フィルタ23には、加算器29から観測信号yが入力される。フィルタ23は、入力された観測信号yに、伝達関数Q(s)と伝達関数P(s)の逆システムとの積を乗算し、乗算結果を減算器25に出力する。   The disturbance observer 21 includes a filter 23, a filter 24, and a subtracter 25. The filter 23 is a filter represented by the product of the transfer function Q (s) and the inverse system of the transfer function P (s). The observation signal y is input from the adder 29 to the filter 23. The filter 23 multiplies the input observation signal y by the product of the transfer function Q (s) and the inverse system of the transfer function P (s), and outputs the multiplication result to the subtractor 25.

フィルタ24は、伝達関数Q(s)で表されるフィルタである。フィルタ24には、制御入力uが入力される。フィルタ24は、制御入力uに伝達関数Q(s)を乗算し、乗算結果を減算器25に出力する。
減算器25は、フィルタ23の出力(乗算結果)から、フィルタ24の出力(乗算結果)を減算し、外乱dの推定値d^として、減算器20に出力(フィードバック)する。
The filter 24 is a filter represented by a transfer function Q (s). A control input u is input to the filter 24. The filter 24 multiplies the control input u by the transfer function Q (s) and outputs the multiplication result to the subtracter 25.
The subtracter 25 subtracts the output (multiplication result) of the filter 24 from the output (multiplication result) of the filter 23, and outputs (feeds back) it to the subtracter 20 as an estimated value d ^ of the disturbance d.

次に、外乱オブザーバ21の設計について説明する。
制御対象28を、式(1)で表される多慣性系とする。ここで、Kp0:剛体モードのゲイン、Kpi:共振モードのゲイン、ωpi:共振周波数、ζpi:減衰係数、np:制御対象28における共振モードの数である。
Next, the design of the disturbance observer 21 will be described.
The controlled object 28 is a multi-inertia system represented by the formula (1). Here, K p0 is the gain of the rigid body mode, K pi is the gain of the resonance mode, ω pi is the resonance frequency, ζ pi is the damping coefficient, and np is the number of resonance modes in the controlled object 28.

Figure 2011233002
Figure 2011233002

また、式(1)は、制御対象28の状態空間モデルとして、式(2)に変換されることが可能である。   Moreover, Formula (1) can be converted into Formula (2) as a state space model of the control object 28.

Figure 2011233002
Figure 2011233002

また、外乱dのモデル(以下、「外乱モデル」という)は、式(3)で表される。   A model of disturbance d (hereinafter referred to as “disturbance model”) is expressed by Expression (3).

Figure 2011233002
Figure 2011233002

式(3)の第3項は、制御対象の共振モデルの伝達関数を示す。ここで、ωdi:周期外乱周波数、ζdi:周期外乱モデルの減衰係数、nd:周期外乱モデルの数、A:安定化させる共振モードに対して値1となり、それ以外では値0となる係数、m:等価変形して得られたフィードバック制御系の型(m>0)である。なお、外乱オブザーバ21は、m≧1であれば、U=0でも、外乱オブザーバ21単体で外乱を抑圧することが可能である。また、外乱オブザーバ21を等価変形して得られたフィードバック補償器は、m≧1であれば、U=0でも、ステップ外乱を抑圧することが可能である。よって、制御系の型mを増加することにより、高い積分特性を得ることができる。 The third term of Equation (3) represents the transfer function of the resonance model to be controlled. Where ω di is the periodic disturbance frequency, ζ di is the attenuation coefficient of the periodic disturbance model, nd is the number of periodic disturbance models, A i is the value 1 for the resonance mode to be stabilized, and 0 otherwise. Coefficient, m: type of feedback control system (m> 0) obtained by equivalent deformation. If the disturbance observer 21 is m ≧ 1, the disturbance observer 21 alone can suppress the disturbance even if U n = 0. Further, the feedback compensator obtained by equivalently modifying the disturbance observer 21 can suppress step disturbance even if U n = 0 if m ≧ 1. Therefore, high integration characteristics can be obtained by increasing the type m of the control system.

なお、図2に示す外乱オブザーバ21は、外乱モデルが多慣性系モデルとして表される場合を例にしているが、外乱モデルの伝達関数の表し方は、特に式(3)に限定されるものではない。   The disturbance observer 21 shown in FIG. 2 exemplifies a case where the disturbance model is expressed as a multi-inertia model, but the way of expressing the transfer function of the disturbance model is particularly limited to Expression (3). is not.

また、式(3)は、外乱dの状態空間モデルとして、式(4)に変換されることが可能である。ここで、v:ノイズ(白色ノイズ)である。   Moreover, Formula (3) can be converted into Formula (4) as a state space model of the disturbance d. Here, v is noise (white noise).

Figure 2011233002
Figure 2011233002

外乱オブザーバ21は、外乱モデルを示す式(3)の第3項によって、制御対象に加わる外乱dを抑圧し、式(3)の第3項で指定された共振モードを安定化させることができる。そこで、式(3)の第3項が示す外乱の共振モデル(共振成分)に、式(1)の第2項が示す制御対象の共振モデル(共振成分)を含める。そして、式(2)及び(4)を組み合わせることにより、拡大系26の状態空間モデルを示す式(5)を得る。   The disturbance observer 21 can suppress the disturbance d applied to the controlled object by the third term of the equation (3) indicating the disturbance model, and can stabilize the resonance mode specified by the third term of the equation (3). . Therefore, the resonance model (resonance component) of the disturbance indicated by the third term of Equation (3) includes the resonance model (resonance component) of the control target indicated by the second term of Equation (1). Then, by combining Expressions (2) and (4), Expression (5) indicating the state space model of the expansion system 26 is obtained.

Figure 2011233002
Figure 2011233002

さらに、式(5)に、外乱オブザーバ21のオブザーバゲインLを追加して、外乱オブザーバ21の状態空間モデルを示す式(6)を得る。   Further, the observer gain L of the disturbance observer 21 is added to the expression (5) to obtain an expression (6) indicating a state space model of the disturbance observer 21.

Figure 2011233002
Figure 2011233002

外乱モデルの極(制御対象28の共振モード等)は、外乱オブザーバ21の感度関数S(s)=1−Q(s)の零点として現れる。そのため,式(3)の第3項により指定された共振モードの周波数で、感度関数のピークが圧縮されることになる。
なお、図2に示す伝達関数表現された外乱オブザーバ21と、式(6)とが等価であることは、非特許文献3の7−2節(p.157−164)に説明されている。
The pole of the disturbance model (such as the resonance mode of the controlled object 28) appears as the zero point of the sensitivity function S (s) = 1−Q (s) of the disturbance observer 21. Therefore, the peak of the sensitivity function is compressed at the resonance mode frequency specified by the third term of Equation (3).
The fact that the disturbance observer 21 expressed in the transfer function shown in FIG. 2 is equivalent to the equation (6) is described in Non-Patent Document 3 Section 7-2 (p.157-164).

式(6)に示す外乱オブザーバ21の状態空間モデルにおいて、減算器20が出力した制御入力uから、外乱推定値d^までの伝達関数は、−Q(s)である。ここで、伝達関数Q(s)と、外乱オブザーバ21の相補感度関数T(s)とには、T(s)=Q(s)という関係がある。   In the state space model of the disturbance observer 21 shown in Expression (6), the transfer function from the control input u output by the subtractor 20 to the disturbance estimated value d ^ is -Q (s). Here, the transfer function Q (s) and the complementary sensitivity function T (s) of the disturbance observer 21 have a relationship of T (s) = Q (s).

式(6)に示す外乱オブザーバ21の極を、複素平面に適切に配置すれば、外乱オブザーバ21は、外乱dを抑圧し、かつ指定された共振モードを安定化することができる。   If the poles of the disturbance observer 21 shown in Expression (6) are appropriately arranged on the complex plane, the disturbance observer 21 can suppress the disturbance d and stabilize the designated resonance mode.

図3には、減算器40と、拡大系26と、フィードバック補償器(制御装置)30とを含む位置決めサーボ系が示されている。減算器40は、目標軌道rから観測信号yを減算し、この減算結果をフィードバック補償器30に出力する。   FIG. 3 shows a positioning servo system including a subtractor 40, an enlargement system 26, and a feedback compensator (control device) 30. The subtractor 40 subtracts the observation signal y from the target trajectory r and outputs the subtraction result to the feedback compensator 30.

フィードバック補償器30は、減算器40が出力した減算結果を取得して、伝達関数C(s)を乗算し、乗算結果を拡大系26に出力する。ここで、Un=0とおいて、加算器20及び外乱オブザーバ21(図2に示す実線枠内)の伝達関数を等価変形することにより、フィードバック補償器30の伝達関数C(s)は、式(7)で表される。   The feedback compensator 30 acquires the subtraction result output from the subtractor 40, multiplies the transfer function C (s), and outputs the multiplication result to the expansion system 26. Here, when Un = 0, the transfer function C (s) of the feedback compensator 30 is expressed by the following equation by equivalently modifying the transfer functions of the adder 20 and the disturbance observer 21 (in the solid line frame shown in FIG. 2). 7).

Figure 2011233002
Figure 2011233002

次に、制御系の極配置について説明する。
外乱オブザーバ21の状態空間モデルを示す式(6)の極を、複素平面上の領域に配置した場合、極の配置に応じて、外乱オブザーバ21の相補感度関数T(s)の零点が移動する。この零点の位置によっては、相補感度関数T(s)(=Q(s))及び感度関数S(s)(=1−Q(s))のH∞ノルム(ピーク値)は非常に大きくなる。そして、これらのH∞ノルムが大きい場合、安定余裕が少なくなり、位置決め性能は悪くなる。
Next, the pole arrangement of the control system will be described.
When the pole of the equation (6) indicating the state space model of the disturbance observer 21 is arranged in the region on the complex plane, the zero point of the complementary sensitivity function T (s) of the disturbance observer 21 moves according to the arrangement of the pole. . Depending on the position of this zero point, the H∞ norm (peak value) of the complementary sensitivity function T (s) (= Q (s)) and the sensitivity function S (s) (= 1−Q (s)) becomes very large. . When these H∞ norms are large, the stability margin decreases and the positioning performance deteriorates.

そこで、相補感度関数T(s)及び感度関数S(s)のH∞ノルムが可能な限り小さくなるように、外乱オブザーバ21の状態空間モデルを示す式(6)の極を、複素平面上の安定領域に配置する。一般的に、相補感度関数T(s)のH∞ノルムを小さくすれば、同時に感度関数S(s)のH∞ノルムも小さくなるので、以下では、相補感度関数T(s)を考慮して極を配置する。   Therefore, the pole of the equation (6) indicating the state space model of the disturbance observer 21 is set on the complex plane so that the H∞ norm of the complementary sensitivity function T (s) and the sensitivity function S (s) is as small as possible. Place in the stable area. Generally, if the H∞ norm of the complementary sensitivity function T (s) is reduced, the H∞ norm of the sensitivity function S (s) is also reduced at the same time. Therefore, the complementary sensitivity function T (s) will be considered below. Arrange the poles.

また、以下では、一例として、線形行列不等式(LMI)を用いて外乱オブザーバの相補感度関数が最小化されるように、最適な極配置を行う。まず、式(6)に示す制御入力uから外乱推定値d^までの伝達特性を状態方程式で表すと、式(8)のようになる。この伝達特性は、−T(s)=−Q(s)である。また、式(8)の双対システムは、式(9)で表される。   In the following, as an example, optimal pole placement is performed using a linear matrix inequality (LMI) so that the complementary sensitivity function of the disturbance observer is minimized. First, when the transfer characteristic from the control input u to the disturbance estimated value d ^ shown in Expression (6) is expressed by a state equation, Expression (8) is obtained. This transfer characteristic is -T (s) =-Q (s). Moreover, the dual system of Formula (8) is represented by Formula (9).

Figure 2011233002
Figure 2011233002

図4には、極を配置する領域44(斜線部分)が示されている。極を配置する領域44は、アルファ(α)安定領域と、円安定領域と、コニックセクタ領域とに共通する共通領域である。   FIG. 4 shows a region 44 (shaded portion) where a pole is arranged. The region 44 where the pole is disposed is a common region common to the alpha (α) stable region, the circular stable region, and the conic sector region.

これらの領域について説明する。まず、アルファ安定領域は、虚軸(Im)と平行な直線であって、その直線と実軸(Re)との交点である実数成分αが負値である直線40から、実軸の負方向に広がる領域である。すなわち、直線40の実数成分αは、負値(α<0)である。また、αと、円の半径rとには、r>|α|という関係がある。   These areas will be described. First, the alpha stable region is a straight line parallel to the imaginary axis (Im), and from the straight line 40 where the real component α that is the intersection of the straight line and the real axis (Re) has a negative value, the negative direction of the real axis. It is an area that extends to That is, the real component α of the straight line 40 is a negative value (α <0). Further, α and the radius r of the circle have a relationship of r> | α |.

また、円安定領域は、原点を中心とする円のうち、直線40と虚軸との距離よりも大きい半径rを有する円41に囲まれる領域である。また、コニックセクタ領域は、原点を通り、虚軸と平行でない2本の直線であって、実軸について互いに対称である直線42及び43により区切られる領域のうち、実軸を含む円錐領域である。すなわち、直線42及び43が成す角度θ[rad]は、角度π[rad]より小さい。   The circle stable region is a region surrounded by a circle 41 having a radius r larger than the distance between the straight line 40 and the imaginary axis, out of circles centered on the origin. The conic sector region is a conic region including the real axis among the two straight lines that pass through the origin and are not parallel to the imaginary axis, and are separated by the straight lines 42 and 43 that are symmetrical with respect to the real axis. . That is, the angle θ [rad] formed by the straight lines 42 and 43 is smaller than the angle π [rad].

次に、領域44に極を配置するフィードバックゲインKを求める。相補感度関数T(s)及び感度関数S(s)のH∞ノルムを可能な限り小さくするLMIは、式(10)で表される。   Next, a feedback gain K for arranging the poles in the region 44 is obtained. The LMI that makes the H∞ norm of the complementary sensitivity function T (s) and the sensitivity function S (s) as small as possible is expressed by Equation (10).

Figure 2011233002
Figure 2011233002

また、領域44に極を配置するLMIは、クロネッカ積を用いて、式(11)で表される。   In addition, the LMI that arranges the poles in the region 44 is expressed by Expression (11) using the Kronecker product.

Figure 2011233002
Figure 2011233002

式(10)及び(11)を同時に満足する解X及びYを求めることにより、H∞ノルムを可能な限り小さくし、かつ、領域44に極を配置するフィードバックゲインKを求めることが可能である。このようにして求められたフィードバックゲインKは、式(12)で表される。また、外乱オブザーバ21のオブザーバゲインLの最適値は、式(12)により求められたフィードバックゲインKを用いて、式(13)で表される。そして、このオブザーバゲインLの最適値から、式(8)等によって外乱オブザーバ21における相補感度関数Q(s)を求めることができる。 By obtaining the solutions X * and Y * that simultaneously satisfy the equations (10) and (11), it is possible to obtain the feedback gain K that makes the H∞ norm as small as possible and places the pole in the region 44. It is. The feedback gain K obtained in this way is expressed by Expression (12). Further, the optimum value of the observer gain L of the disturbance observer 21 is expressed by Expression (13) using the feedback gain K obtained by Expression (12). Then, from the optimum value of the observer gain L, the complementary sensitivity function Q (s) in the disturbance observer 21 can be obtained by Expression (8) or the like.

Figure 2011233002
Figure 2011233002

さらに、相補感度関数Q(s)から、外乱オブザーバ21(図2を参照)の伝達関数、及びフィードバック補償器30(図3を参照)の伝達関数C(s)を定めることができる。   Further, the transfer function of the disturbance observer 21 (see FIG. 2) and the transfer function C (s) of the feedback compensator 30 (see FIG. 3) can be determined from the complementary sensitivity function Q (s).

以上のように、制御対象28に加わる外乱dを推定する外乱オブザーバ21において、外乱オブザーバ21は、制御対象28の共振成分を外乱dの一部として含んだ外乱モデルに基づいて設計されたことを特徴とする。これにより、外乱オブザーバ21は、フルクローズド制御において、位相進み補償器と位相遅れ補償器により共振の位相を安定化させることができる。   As described above, in the disturbance observer 21 for estimating the disturbance d applied to the controlled object 28, the disturbance observer 21 is designed based on the disturbance model including the resonance component of the controlled object 28 as a part of the disturbance d. Features. Thereby, the disturbance observer 21 can stabilize the phase of resonance by the phase advance compensator and the phase lag compensator in the fully closed control.

また、外乱オブザーバ21の極は、複素平面において、虚軸と平行な直線であって、当該直線と実軸との交点である実数成分が負値である直線40と、原点を中心とする円のうち、直線40と虚軸との距離よりも大きい半径rを有する円41と、により囲まれる第1領域と、原点を通り、虚軸と平行でない2本の直線であって、実軸について互いに対称である直線42及び43により区切られる領域のうち、実軸を含む第2領域と、に共通する領域44に配置されることを特徴とする。   The pole of the disturbance observer 21 is a straight line parallel to the imaginary axis in the complex plane, and a straight line 40 having a negative real value component that is the intersection of the straight line and the real axis, and a circle centered on the origin. Of the first region surrounded by the circle 41 having a radius r larger than the distance between the straight line 40 and the imaginary axis, and two straight lines that pass through the origin and are not parallel to the imaginary axis, Of the regions delimited by straight lines 42 and 43 that are symmetrical to each other, the region 44 is arranged in a region 44 that is common to the second region including the real axis.

また、外乱オブザーバ21は、外乱オブザーバ21の相補感度関数のH∞ノルムが最小化されるように、複素平面上の領域に極が配置されたことを特徴とする。これにより、設計者は、伝達関数(位相補償器の個数及びパラメータ等)を試行錯誤することなく、フルクローズド制御において、位相進み補償器により共振の位相を安定化させる外乱オブザーバ21を設計することができる。   The disturbance observer 21 is characterized in that poles are arranged in a region on the complex plane so that the H∞ norm of the complementary sensitivity function of the disturbance observer 21 is minimized. Thus, the designer designs the disturbance observer 21 that stabilizes the phase of resonance by the phase advance compensator in the fully closed control without trial and error of the transfer function (number of phase compensators and parameters). Can do.

また、フィードバック補償器30は、外乱オブザーバ21と、制御対象28の目標軌道rを示す信号から、制御対象28の位置を示す観測信号yを減算し、該減算結果を外乱オブザーバ21に出力する減算器40と、を備えることを特徴とする。これにより、フィードバック補償器30は、フルクローズド制御において、位相進み補償器により共振の位相を安定化させることができる。また、フィードバック補償器30は、共振の位相を安定化させることにより、高精度に位置決めすることができる。   Further, the feedback compensator 30 subtracts the observation signal y indicating the position of the control target 28 from the disturbance observer 21 and the signal indicating the target trajectory r of the control target 28 and outputs the subtraction result to the disturbance observer 21. And 40. Thereby, the feedback compensator 30 can stabilize the phase of resonance by the phase lead compensator in the fully closed control. The feedback compensator 30 can be positioned with high accuracy by stabilizing the phase of resonance.

また、位置決め装置は、制御対象28の移動を制御するフィードバック補償器30と、当該制御に応じて、制御対象28を移動させる駆動部を有するステージ装置と、を備える。   In addition, the positioning device includes a feedback compensator 30 that controls the movement of the control target 28 and a stage device that includes a drive unit that moves the control target 28 according to the control.

また、制御対象28に加わる外乱dを推定する外乱オブザーバ21を設計する設計方法であって、外乱オブザーバ設計方法は、制御対象28の共振成分を外乱dの一部として含んだ外乱モデルに基づいて設計される過程を有することを特徴とする。   The disturbance observer 21 is a design method for estimating the disturbance d applied to the controlled object 28. The disturbance observer design method is based on a disturbance model including the resonance component of the controlled object 28 as a part of the disturbance d. It is characterized by having a designed process.

<設計例>
位置決め装置が備える制御装置の設計例を説明する。ここで、位置決め装置は、図1に示す液晶露光装置のステージ装置が有するプレートステージ(X軸)のテーブル位置(X2)を位置決めする。また、制御系を図3に示す構成とする。
<Design example>
A design example of a control device included in the positioning device will be described. Here, the positioning device positions the table position (X2) of the plate stage (X axis) included in the stage device of the liquid crystal exposure apparatus shown in FIG. Further, the control system is configured as shown in FIG.

図5は、プレートステージにおける、制御入力からテーブル速度までの周波数特性を示すボーデ線図である。ここで、「before」及び「after」は、プレートステージにおける周波数特性の実測値を示す。また、「model」は、プレートステージの4慣性系モデルにおける制御入力からテーブル速度までの周波数特性の理論値を示す。ここで、テーブル位置までのプレートステージの4慣性系モデルの伝達関数P(s)は、式(14)で表される。   FIG. 5 is a Bode diagram showing frequency characteristics from the control input to the table speed in the plate stage. Here, “before” and “after” indicate measured values of frequency characteristics in the plate stage. “Model” indicates the theoretical value of the frequency characteristic from the control input to the table speed in the four-inertia system model of the plate stage. Here, the transfer function P (s) of the four-inertia system model of the plate stage up to the table position is expressed by Expression (14).

Figure 2011233002
Figure 2011233002

図6には、プレートステージから同定されたパラメータの例が示されている。同定されたパラメータによれば、1次共振のモード定数(ゲイン)Kp1の絶対値は、2次及び3次共振のモード定数(ゲイン)Kp2及びKp3の絶対値と比較して小さい。また、1次共振周波数は、ほとんど変化しない。 FIG. 6 shows an example of parameters identified from the plate stage. According to the identified parameters, the absolute value of the mode constant (gain) K p1 of the primary resonance is smaller than the absolute values of the mode constants (gains) K p2 and K p3 of the secondary and tertiary resonances. Further, the primary resonance frequency hardly changes.

そこで、本明細書において提案する制御系の設計例(以下、「設計例3」という)では、1次共振は、ノッチフィルタにより抑制されるようにする。また、2次及び3次共振は、位相補償で安定化されるようにする。設計例3における外乱モデルDproposed(s)を式(15)に示す。 Thus, in the control system design example proposed in this specification (hereinafter referred to as “design example 3”), the primary resonance is suppressed by the notch filter. The secondary and tertiary resonances are stabilized by phase compensation. Disturbance model D promoted (s) in design example 3 is shown in equation (15).

Figure 2011233002
Figure 2011233002

共振を考慮した設計例3では、式(14)に示す制御対象の伝達関数の第2項を、式(15)に示す外乱モデルに追加する。なお、式(15)の外乱モデルでは、周期外乱を考慮していないので、前述の(3)式の第2項に相当する項は省略されている。   In Design Example 3 in consideration of resonance, the second term of the transfer function to be controlled shown in Expression (14) is added to the disturbance model shown in Expression (15). In the disturbance model of Equation (15), periodic disturbance is not taken into consideration, and thus the term corresponding to the second term of Equation (3) is omitted.

また、設計例3と比較するため、1次〜3次共振がノッチフィルタにより抑制されるようにした設計例2における外乱モデルDnotch(s)を式(16)に示す。そして、共振を考慮した設計例2では、式(14)に示す制御対象の伝達関数を、式(16)に示す外乱モデルに追加する。 Further, for comparison with the design example 3, a disturbance model D notch (s) in the design example 2 in which the first to third resonances are suppressed by the notch filter is shown in an equation (16). And in the design example 2 which considered resonance, the transfer function of the control object shown to Formula (14) is added to the disturbance model shown to Formula (16).

一方、設計例2及び3と比較するため共振を考慮せず、制御対象のモデルを、式(14)の第2項を無視した剛体モデルとし、式(16)と同じ外乱モデルを用いて設計した制御系の設計例を、以下、「設計例1」という。   On the other hand, in order to compare with the design examples 2 and 3, the resonance is not considered, and the model to be controlled is a rigid body model that ignores the second term of the equation (14) and is designed using the same disturbance model as the equation (16). Hereinafter, the design example of the control system is referred to as “design example 1”.

図7には、設計例2及び3におけるパラメータが示されている。ここで、図4に示す複素平面に極を配置する領域を定める、距離αと、半径rと、角度θとは、一例として、次に示す(i)〜(iii)のように定められるものとする。
(i)距離αにより定まる最も遅い極(制御帯域)は、1次共振の周波数の半分程度とする。これは、最も遅い極を仮に1次共振周波数以上とした場合、感度関数のH∞ノルム(ピーク)が大きな値となり、高周波領域でフィードバック補償器が非常に大きなゲインを持ってしまうためである。また、最も遅い極を仮に0に近づけ過ぎた場合、制御帯域が非常に低い制御系となってしまうためである。
(ii)半径rにより定まる最も早い極は、3次共振の周波数と同程度とする。これは、最も早い極を仮に所定周波数以上とした場合、高周波領域でフィードバック補償器が非常に大きなゲインを持ってしまうためである。
(iii)θ=0.8π[rad]程度とする。これは、角度θを仮に小さくした場合、感度関数のH∞ノルム(ピーク)が大きくなってしまうためである。
FIG. 7 shows parameters in design examples 2 and 3. Here, the distance α, the radius r, and the angle θ that define the region in which the pole is arranged in the complex plane shown in FIG. 4 are determined as shown in (i) to (iii) below as an example. And
(I) The slowest pole (control band) determined by the distance α is about half the frequency of the primary resonance. This is because if the slowest pole is set to the primary resonance frequency or higher, the H∞ norm (peak) of the sensitivity function becomes a large value, and the feedback compensator has a very large gain in the high frequency region. In addition, if the slowest pole is too close to 0, the control system has a very low control bandwidth.
(Ii) The earliest pole determined by the radius r is approximately the same as the frequency of the tertiary resonance. This is because if the earliest pole is set to a predetermined frequency or higher, the feedback compensator has a very large gain in the high frequency region.
(Iii) θ = about 0.8π [rad]. This is because if the angle θ is reduced, the H∞ norm (peak) of the sensitivity function will increase.

図8は、設計例1〜3における、フィードバック補償器30(図3を参照)の周波数特性を示すボーデ線図である。設計例1(rigid)では、剛体モードを安定化する位相進み補償のみが形成されている。また、設計例2(notch)では、剛体を安定化する位相進み補償器に加えて、1次〜3次の共振周波数付近で、ノッチフィルタが形成されている。一方、設計例3(proposed)では、1次の共振周波数付近でのみノッチフィルタが形成され、2次及び3次共振については、共振モードを安定化する位相遅れ補償器が形成されている。   FIG. 8 is a Bode diagram showing frequency characteristics of the feedback compensator 30 (see FIG. 3) in Design Examples 1 to 3. In design example 1 (rigid), only phase lead compensation that stabilizes the rigid body mode is formed. In design example 2 (notch), in addition to the phase lead compensator that stabilizes the rigid body, a notch filter is formed in the vicinity of the first to third resonance frequencies. On the other hand, in design example 3 (proposed), a notch filter is formed only in the vicinity of the primary resonance frequency, and a phase delay compensator that stabilizes the resonance mode is formed for the secondary and tertiary resonances.

図9には、設計例1〜3における相補感度関数T(s)が示されている。また、図10には、設計例1〜3における感度関数S(s)が示されている。図10に示すように、設計例3では、設計例2と比較して、2次及び3次の共振周波数付近(図10において、楕円で示された部分)のゲインが低下しており、2次及び3次共振の影響が除去されていることが判る。一方、設計例1では、感度関数の低域特性によれば、広帯域化されていないことが判る。また、設計例1では、1次共振が考慮されていないため、18[Hz]付近で感度関数S(s)のゲインが増加していることが判る。   FIG. 9 shows complementary sensitivity functions T (s) in design examples 1 to 3. FIG. 10 shows sensitivity functions S (s) in design examples 1 to 3. As shown in FIG. 10, in the design example 3, the gain in the vicinity of the secondary and tertiary resonance frequencies (portions indicated by ellipses in FIG. 10) is lower than that in the design example 2. It can be seen that the effects of the secondary and tertiary resonances are eliminated. On the other hand, in Design Example 1, it can be seen that the band is not widened according to the low frequency characteristics of the sensitivity function. Moreover, in the design example 1, since the primary resonance is not considered, it can be seen that the gain of the sensitivity function S (s) increases in the vicinity of 18 [Hz].

図11には、設計例1〜3における外乱抑圧特性が示されている。設計例3では、設計例1及び設計例2と比較して、共振周波数付近の感度関数(図11において、楕円で示された部分)が大幅に圧縮されており、外乱を抑圧する制御性能が向上していることが判る。   FIG. 11 shows disturbance suppression characteristics in design examples 1 to 3. In design example 3, as compared with design example 1 and design example 2, the sensitivity function near the resonance frequency (the portion indicated by an ellipse in FIG. 11) is significantly compressed, and the control performance for suppressing disturbance is improved. It turns out that it is improving.

図12は、目標値ステップ応答のシミュレーション結果である。また、図13はステップ外乱応答のシミュレーション結果である。図13に示すように、設計法2では、1次〜3次共振の残留振動が残っていることが判る。一方、設計例3では、2次及び3次共振の残留振動が除去されていることが判る。   FIG. 12 shows a simulation result of the target value step response. FIG. 13 shows the simulation result of the step disturbance response. As shown in FIG. 13, it can be seen that the residual vibration of the first to third resonances remains in the design method 2. On the other hand, in the design example 3, it can be seen that the residual vibrations of the secondary and tertiary resonances are removed.

次に、露光装置用のステージ装置について説明する。
以上に説明した本実施形態によるステージ装置(位置決め装置)は、例えば、微細な回路パターンをガラス基板や半導体基板に焼き付ける露光装置用のステージ装置として用いることができる。
Next, a stage apparatus for an exposure apparatus will be described.
The stage apparatus (positioning apparatus) according to the present embodiment described above can be used as a stage apparatus for an exposure apparatus that prints a fine circuit pattern on a glass substrate or a semiconductor substrate, for example.

図14は、上述のステージ装置を適用した露光装置の構成図である。露光装置31は、照明光学系32と、マスクMを保持して移動するマスクステージ装置33と、投影光学系PLと、ガラス基板Pを保持して移動する基板ステージ装置35と、を含んで構成される。   FIG. 14 is a block diagram of an exposure apparatus to which the above-described stage apparatus is applied. The exposure apparatus 31 includes an illumination optical system 32, a mask stage apparatus 33 that moves while holding the mask M, a projection optical system PL, and a substrate stage apparatus 35 that holds and moves the glass substrate P. Is done.

照明光学系32は、いずれも図示していない光源ユニット、シャッタ、2次光源形成光学系、ビームスプリッタ、集光レンズ系、レチクルブラインド、および結像レンズ系から構成され、マスクステージ装置33に保持されたマスクM上の所定の照明領域(回路パターンを含んでいる)を照明光ILにより均一な照度で照明する。   The illumination optical system 32 includes a light source unit, a shutter, a secondary light source forming optical system, a beam splitter, a condenser lens system, a reticle blind, and an imaging lens system, all of which are not shown, and is held by a mask stage device 33. A predetermined illumination area (including a circuit pattern) on the mask M is illuminated with a uniform illuminance by the illumination light IL.

投影光学系PLは、光軸AX方向に沿って所定間隔で配置された複数枚のレンズエレメントを有する光学系(例えば屈折光学系)であり、照明光学系32からの照明光ILによってマスクMの照明領域が照明されると、このマスクMを通過した照明光により、投影光学系PLを介してマスクM上の照明領域の回路パターンの所定倍率の正立像がガラス基板P上に投影され、これによりガラス基板Pの表面に塗布されたフォトレジストが露光される。   The projection optical system PL is an optical system (for example, a refractive optical system) having a plurality of lens elements arranged at predetermined intervals along the direction of the optical axis AX, and the mask M is illuminated by illumination light IL from the illumination optical system 32. When the illumination area is illuminated, the illumination light that has passed through the mask M projects an upright image of a predetermined magnification of the circuit pattern of the illumination area on the mask M onto the glass substrate P via the projection optical system PL. Thus, the photoresist applied to the surface of the glass substrate P is exposed.

マスクステージ装置33または基板ステージ装置35の少なくともいずれか一方には、上述した図1のステージ装置を用いる。ここで、マスクステージ装置33として用いる場合にはプレートホルダ11にマスクMが保持され、基板ステージ装置35として用いる場合にはプレートホルダ11にガラス基板Pが保持される。   The above-described stage apparatus of FIG. 1 is used for at least one of the mask stage apparatus 33 and the substrate stage apparatus 35. Here, when used as the mask stage device 33, the mask M is held by the plate holder 11, and when used as the substrate stage device 35, the glass substrate P is held by the plate holder 11.

以上のように、露光装置は、マスクステージに保持されたマスクのパターンを基板ステージに保持された感光基板に露光する露光装置であって、マスクステージと基板ステージの少なくとも一方のステージとして、ステージ装置(位置決め装置)を備える。   As described above, the exposure apparatus is an exposure apparatus that exposes the mask pattern held on the mask stage onto the photosensitive substrate held on the substrate stage, and the stage apparatus serves as at least one of the mask stage and the substrate stage. (Positioning device).

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。   The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes designs and the like that do not depart from the gist of the present invention.

例えば、極を配置する位置の最適化には、シンプレックス法、又は遺伝的アルゴリズム(GA)等のアルゴリズムが用いられてもよい。   For example, an algorithm such as a simplex method or a genetic algorithm (GA) may be used to optimize the position where the pole is arranged.

なお、以上説明したような制御系を実現するためのプログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録し、そのプログラムをコンピュータシステムに読み込ませて実行するようにしてもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。   Note that a program for realizing the control system as described above may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program may be read into a computer system and executed. Here, the “computer system” includes an OS and hardware such as peripheral devices. The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Further, the “computer-readable recording medium” refers to a volatile memory (RAM) in a computer system that becomes a server or a client when a program is transmitted via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In addition, those holding programs for a certain period of time are also included. The program may be transmitted from a computer system storing the program in a storage device or the like to another computer system via a transmission medium or by a transmission wave in the transmission medium. Here, the “transmission medium” for transmitting the program refers to a medium having a function of transmitting information, such as a network (communication network) such as the Internet or a communication line (communication line) such as a telephone line. The program may be for realizing a part of the functions described above. Furthermore, what can implement | achieve the function mentioned above in combination with the program already recorded on the computer system, what is called a difference file (difference program) may be sufficient.

1…ベース 2…X軸ガイド 3…Xキャリッジ 4…Yビームガイド 5,8,9…エアベアリング 6…Yリニアモータ 7…Yキャリッジ 10…プレートテーブル 11…プレートホルダ 12…位置センサ 20…加算器 21…外乱オブザーバ 23…フィルタ 24…フィルタ 25…減算器 26…拡大系 27…加算器 28…制御対象 29…加算器 30…フィードバック補償器 31…露光装置 32…照明光学系 33…マスクステージ装置 35…基板ステージ装置 40…減算器 100…Xステージ 200…Yステージ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base 2 ... X-axis guide 3 ... X carriage 4 ... Y beam guide 5, 8, 9 ... Air bearing 6 ... Y linear motor 7 ... Y carriage 10 ... Plate table 11 ... Plate holder 12 ... Position sensor 20 ... Adder DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 ... Disturbance observer 23 ... Filter 24 ... Filter 25 ... Subtractor 26 ... Expansion system 27 ... Adder 28 ... Control object 29 ... Adder 30 ... Feedback compensator 31 ... Exposure apparatus 32 ... Illumination optical system 33 ... Mask stage apparatus 35 ... Substrate stage device 40 ... Subtractor 100 ... X stage 200 ... Y stage

Claims (7)

制御対象に加わる外乱を推定する外乱オブザーバにおいて、
前記制御対象の共振成分を前記外乱の一部として含んだ外乱モデルに基づいて相補感度関数のパラメータが設計されたことを特徴とする外乱オブザーバ。
In the disturbance observer that estimates the disturbance applied to the controlled object,
A disturbance observer characterized in that a parameter of a complementary sensitivity function is designed based on a disturbance model including the resonance component to be controlled as a part of the disturbance.
請求項1に記載の外乱オブザーバの極は、複素平面において、虚軸と平行な直線であって、当該直線と実軸との交点である実数成分が負値である第1直線と、原点を中心とする円のうち、前記第1直線と前記虚軸との距離よりも大きい半径を有する円と、により囲まれる第1領域と、前記原点を通り、前記虚軸と平行でない2本の直線であって、実軸について互いに対称である第2及び第3直線により区切られる領域のうち、前記実軸を含む第2領域と、に共通する領域に配置されることを特徴とする請求項1に記載の外乱オブザーバ。   The pole of the disturbance observer according to claim 1 is a straight line parallel to the imaginary axis in the complex plane, the first line having a negative real value component at the intersection of the straight line and the real axis, and the origin A first region surrounded by a circle having a radius larger than the distance between the first straight line and the imaginary axis, and two straight lines that pass through the origin and are not parallel to the imaginary axis among the circles at the center. And the second region and the third straight line that are symmetrical to each other about the real axis are arranged in a region common to the second region including the real axis. Disturbance observer described in. 前記外乱オブザーバの前記相補感度関数のH∞ノルムが最小化されるように、複素平面上の領域に前記極が配置されたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の外乱オブザーバ。   The disturbance observer according to claim 1 or 2, wherein the pole is arranged in a region on a complex plane so that an H∞ norm of the complementary sensitivity function of the disturbance observer is minimized. 請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の外乱オブザーバと、
前記制御対象の目標軌道を示す信号から、前記制御対象の位置を示す観測信号を減算し、該減算結果を当該外乱オブザーバに出力する減算器と、
を備えることを特徴とするフィードバック補償器。
The disturbance observer according to any one of claims 1 to 3,
A subtractor for subtracting an observation signal indicating the position of the control target from a signal indicating the target trajectory of the control target, and outputting the subtraction result to the disturbance observer;
A feedback compensator comprising:
前記制御対象の移動を制御する請求項4に記載のフィードバック補償器と、
当該制御に応じて、前記制御対象を移動させる駆動部を有するステージ装置と、
を備えた位置決め装置。
The feedback compensator according to claim 4, which controls movement of the controlled object.
In accordance with the control, a stage device having a drive unit that moves the control target;
A positioning device comprising:
マスクステージに保持されたマスクのパターンを基板ステージに保持された感光基板に露光する露光装置であって、
前記マスクステージと前記基板ステージの少なくとも一方のステージとして、請求項5に記載の位置決め装置を備えることを特徴とする露光装置。
An exposure apparatus that exposes a mask pattern held on a mask stage onto a photosensitive substrate held on a substrate stage,
An exposure apparatus comprising the positioning device according to claim 5 as at least one of the mask stage and the substrate stage.
制御対象に加わる外乱を推定する外乱オブザーバを設計する設計方法であって、
前記制御対象の共振成分を前記外乱の一部として含んだ外乱モデルに基づいて相補感度関数のパラメータが設計される過程を有することを特徴とする外乱オブザーバ設計方法。
A design method for designing a disturbance observer for estimating a disturbance applied to a controlled object,
A disturbance observer design method comprising a step of designing a parameter of a complementary sensitivity function based on a disturbance model including the resonance component to be controlled as a part of the disturbance.
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