成果として発表された研究内容は、100 µm x 100 µmの動作範囲を持つ2軸フレクシャーステージ用の新しい制御アルゴリズムで、広い観察範囲でも高速AFM（HS-AFM）での観察を可能にします。その結果、分子レベルの分解能で広い面積を観察できるHS-AFMが実現しました。 

今回発表した研究内容の詳細はこちら 

これまで、クイーンズゲイトはNPLと数々の共同研究を行ってきました。英国政府関連機関が主催するプログラムでは過去4度にわたり協力し、プロジェクトを完了させています。それ以外にも複数のプロジェクトにおいても、ともに研究を進めてきました。速度制御の改善や多軸補正など、ナノポジショニング分野可能性をより広げる成果であることを認められ、公的機関から研究資金を獲得したこともあります。 

「クイーンズゲイト社との共同研究は、このほど10年となります。幅広い研究開発プロジェクトを通じてお互いの活動に利益をもたらしてきました。」 

アンドリュー・ヤクート氏 国立物理学研究所 主席研究員 

クイーンズゲイトとNPLの過去のプロジェクト
これまでに完了した共同プロジェクトの一部はこちらでご覧いただけます。 

高速イメージング技術のためのクローズドループ速度制御 

速度制御により、従来よりも高速でステージを制御することが可能になりました。HS-AFMを使った観察で、従来よりも大きく重いサンプルにも対応できるようになりました。 

多軸ナノポジショニングステージ用空間位置補正 

X、Y、Z軸の長動作範囲（400 µm～800 µm）でクローズドループ制御が可能な高性能多軸ステージを開発しました。 

多軸制御のための数学モデルの開発 

ナノポジショニングステージの精度を高めるアルゴリズムを開発しました。 

ナノポジショニング製品や高精度な位置決めで課題をお持ちのお客様は、クイーンズゲイトナノポジショニングをご検討ください。
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ナノポジショニング専門家のクイーンズゲイトは、超高速・超高精度のAFM撮像を実現する技術をご提供します。

クイーンズゲイトはイギリスの高精度ナノポジショニング製品を開発・製造しています。直近のイギリス国立物理学研究所（NPL）との共同研究では、次世代原子間力顕微鏡（AFM）や走査型プローブ顕微鏡（SPM）の関係者の注目を集めるであろう実験結果を得ることができました。

今年（2021年）の初めにNPLの研究者が行った一連の性能検証実験により、様々なノウハウを投入したクイーンズゲイトの高速ピエゾステージが、高速AFMでの撮像にどのように役に立つかが明らかになりました。結果は大きな注目に値するもので、これまでより大幅に広い範囲の撮像が容易になり、ナノレベルの分解能で高品質なAFM撮像ができるようになり、更に従来は数時間、場合によっては数日間かかることが当たり前であった撮像時間が、分単位にまで短くなることが確認できたのです。

NPLとクイーンズゲイトは、これまでも何度か共同研究をしてきましたが、今回の実験はMeasurement for Recovery（M4R）というプログラムのためのものでした。M4Rはイギリス政府によって組織され、NPLが中心となり、各種産業がCOVID-19から立ち直るサポートをすることを目的としています。「M4Rは、最先端の研究開発を行うための専門知識や設備を提供し、従来技術で発生していた分析・測定時の課題や問題を一緒に解決していきます。」NPLの測定技術者で今回の検証実験リーダーであるEdward Heaps氏は話します。「究極的にM4Rが成し遂げなければならないことは、このパンデミック終息後のイギリスの各種業界の生産性と競争力向上を促進することです。」

妥協を許さないAFMの開発　

NPLでの実験結果を述べる前に、まずはAFMの基本的な原理を述べることにします。AFMはSPMの改良版とも言えるもので、カンチレバーの先端に、極めて鋭利且つ微小な（大抵はSiかSi3N4製の）突起が取り付けられています。この突起が1から20ナノミクロンという分解能（この分解能は突起の鋭利度による）で、観察面の描画をするよう動作します。具体的には、この突起が、突起自身と観察面との間に働く原子レベルでの力を検知すると、検知した力がカンチレバーの変異としてシステムに伝わります。この原理を用いて観察物全体をスキャンすれば、観察物の描画、あるいは測定情報となります。更にAFMでは、観察面の機械的情報（硬度、摩擦度、粘度など）と共に、化学的、電気的、磁性的情報をナノレベルで視覚化することができます。

現実では長所ばかりではありません。AFM、その他SPMの原理に起因する困難な課題があります。観察時間が非常に長くかかり、生産性そのものが低いですし、観察時間が長くなれば、温度も変動し厄介なドリフトが発生します。比較的広めの観察範囲を高分解能で観察する場合には、何時間も、時には何日もの時間がかかっているのが実情です。「これまで高速AFMでの観察では、観察時間短縮とより広範囲の観察を両立することはできないと言われてきました。」とHeaps氏は説明します。「研究者にとっては、より広い範囲を観察できることと観察速度を速くすることを両立できれば、生産性を向上させることができ、より多くの研究発表や論文発表につながっていくことでしょう。産業分野の研究開発者であっても、例えば、AFMが品質管理や画像処理に使われているであろう半導体IC、量子ナノデバイス、高度な光学部品などの分野においては、同様な生産性向上が見られるようになるのではないでしょうか。」

クイーンズゲイトの開発チームにとっては、NPLとの共同作業は、自分達が従来の高速AFMでの課題解決（生産性向上）につながるであろうと考えていた、制御ノウハウの効果に対する、言わば外部審査を受けることを意味します。クイーンズゲイトのチーフソフトウェアエンジニアであるGraham Bartlettは言います。「M4Rプロジェクトは、我々の技術がAFMにいかに役に立つかを厳しく評価する機会を与えてくれました。何故なら高品質でなければならないAFMでの画像の質は、極めて緻密なピエゾ動作速度の制御と共に、動作の直進性と速度の一定性をも維持しなければ得られないからです。」加えて言うならば、緻密なピエゾ動作速度制御を述べる前に、取得した画像の質は、AFM観察に使われるステージが、どれだけ速く正確に動作するかを表す目に見える指標となるからです。Bartlettは続けます。「AFMでマイクロ秒毎に連続して画像取得をする場合、ステージがマイクロ秒の高速で移動することと共に、その動作速度も一定でなければ、取得した画像の間隔は一定にはなりません。ステージの動作速度が一定であると共に真にまっすぐに進まなければ、取得画像の間隔が狂い、ひずんで歪んだ画像になってしまうでしょう。」

動作速度は制御されなければ意味がない

この実験以前にも、Heaps氏には既にクイーンズゲイト製品を、NPLが英国ブリストル大学と共同開発した測定用高速AFMに取り付けて使用した経験がありました。今回使用したAFMには、動作範囲5 x 5ミクロンのXYステージが使われていましたが、NPLはこれをクイーンズゲイト製のNPS-XY-100（動作範囲100 x 100ミクロン）と、クローズドループでの位置制御機能と速度制御の機能を持つNPC-D-6330コントローラに置き換えました。最初のテストでは、0.5mm/秒から4㎜/秒までの速度範囲で、速度制御は非常に正確であることを確認でき、これがラスタースキャン時の測定分解能を更に細かくできることにつながることが期待できるようになりました。次いで様々な動作での効果を評価していくこととしました。

高速AFMで関連する課題としては、加減速を早くすればするほど、ラスターの始点と終点では機械的共振を誘発しやすくなります。この現象は一般的に“鳴き”と呼ばれ、スキャン速度が速くなるほど増幅される傾向があります。またこの現象が発生すると、正確に画像取得ができる範囲は小さくなってしまいます。クイーンズゲイトのコントローラはこれまで述べた速度制御ノウハウ以外にも、ノッチフィルターなど“鳴き”を大幅に抑制する機能を搭載しています。またこのコントローラには直線的だけでなく、製品を波型に動かす波形を送る機能がありますが、この時の加減速はS字を描くようにゆっくり加速しゆっくり減速を行うので、これも共振の抑制に役立っています。

高速AFM画像取得の課題詳細は、今回のNPLでの綿密な実験で明らかになりました。より広い動作範囲を持ちながらも、高速での撮像が可能なステージ採用によって、画像取得作業はとても楽なものになりました。当初使用していた5 x 5ミクロンのピエゾステージでは、NPLの高速AFMで広範囲の観察を行うには、手動でこのステージの位置をずらし、更に撮像を行い、後から張り合わせをしなければなりませんでした。この作業は非常に手間がかかり、長い時間がかかることになります。対照的にこのNPLでの検証が示すものは、クイーンズゲイトの100 x 100ミクロンのステージを使用すれば、1回で必要範囲の撮像を全て済ますことができるでしょうし、緻密な速度制御は総合的な高速撮像に繋がり、全体的な作業時間を大幅に削減することとなります。より大きな撮像範囲が必要となる場合でも、手動でステージを動かす回数も大幅に少なくなります。

このM4Rで明らかになった事実を、クイーンズゲイトと親会社であるプライアー・サイエンティフィックは、SPMやAFMを使用するOEMパートナーやその他のお客様と共有する機会を持ちたいと考えています。「我々のピエゾステージ、コントローラ、制御アルゴリズムには、AFM分野により高速な画像取得、生産性向上、画像品質の改善などをご提供できる高い可能性があることがわかってきました。おそらくこれらの製品は、コンフォーカルで3次元ライブセルの撮像など、他の先端分野でもお役に立つことがあるのではないでしょうか。」

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クイーンズゲイトは、このNPLに原子間力顕微鏡（AFM）用の超高精度ナノポジショニングステージをご提供しています。NPLにはイギリスの実質的な計量標準センターとして、国際単位系（SI単位系）を用いた測定運用を実現する役割があります。このため高精度計測用AFMを用いて、測定データに対する仲介標準を継続的に校正し続け、全てのAFMユーザーに提供できるようにしています。

メートルを定義する

2019年に行われたSI単位系の再定義に伴い、全てのSI単位はより正確で普遍的で、物理学に則したものとなりました。キログラムをはじめ、ケルビン、アンペア、モルがより正確に定義づけられました。メートルも再定義されたことは、あまり知られていないかもしれません。

1983年には、１メートルはある一定時間に光が真空中を進む距離として定義づけられました。これに基づき、計測学では光干渉法を用いて、長さ計測を行ってきました。この光干渉法は、極めて正確な計測方法であるとされてきましたが、ナノレベルでは、数百ナノの光の波長を、更に細かく分類して計測しなければならず、エラーなしで計測することは極めて難しい測定方法となっていました。

「我々には原子レベルの測定を積み重ねるボトムアップが必要でした」と、NPLの主任研究員であり、SI単位系再定義ではCCL-WG-N（Consultative Committee for Length, Working Group on dimensional Nanometrology）のリーダーを務めた、アンドリュー・ヤクート（Andrew Yacoot）氏は話します。この問題に直面し、ヤクート氏と他の研究機関から集まった研究員たちは、アボガドロ定数を表す粒子を測定する方法を試みました。この測定方法は、X線干渉法と呼ばれる、シリコン格子間を測定するような、極めて微細な測定を行うための測定方法です。「ナノレベルでのトレーサビリティ可能な測定方法として、我々はX線干渉法と、既に知られているシリコン格子間の値を組み合わせて用いました。結果として、光干渉計や他のセンサーで発生するエラーの特性判別をしながら、測定を積み重ねていくことができました。」

クイーンズゲイトは、ヤクート氏と彼のチームのX線干渉計が機能するよう、特注のナノポジショニングステージとそのコントローラを開発しました。「仕様はとても厳しいものだったと思います。動作範囲は数百ミクロンと長いものでありながら、ピコメートルの分解能を持ち、1kgの荷重を受けながら正確に動作しなければならないのですから、ステージ設計において矛盾ばかりが発生する条件であったことでしょう。」とヤクート氏は言います。

クイーンズゲイトのあるエンジニアは言います。「我々は今までの常識を打ち破る製品をNPLに納入しました。これによりNPLでは、10～20ピコ、すなわちシリコン結晶内の原子間の距離でも測定できるようになりました。とても印象的でしょう！」

双方向の人間関係構築

双方が歩み寄って会話を交わすことが前提条件であるからこそ、良い協力関係を作り上げていくことができるのです。ヤクート氏も彼のチームの誰にとっても、この前提条件が何よりも大切なことでした。「我々はブラックボックスとなっている高性能な製品を受け取るよりも、全ての構成部品がどのように機能するか、どのような信号がどう装置を制御しているかを深く理解することを求めています。ですから会話を重視し、積極的に情報開示をしてくれるメーカーと付き合いたいと思っていましたし、クイーンズゲイトはまさに我々が求めている会社でした。」

クイーンズゲイトの全製品は、NPLが開発した干渉計とその関連機器を使ってテストされ、性能の裏付けデータを取得しています。クイーンズゲイトにとってNPLは、いわば製品開発の外部協力者であるのです。加えてこの分野の最先端を走るNPLの専門家と仕事をすることは、次々と限界を超えることに繋がり、業界最高の精度を持つピエゾ製品メーカーとしての地位を保ち続けることができます。この公的なチームとプライベートのチームの密接な協力関係では、一方がより正確な測定をすると、もう一方はより効率的・効果的な技術や製品を開発するなど、全ての関係者にとって利益であり続けています。

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