Transient dynamics of tapping mode atomic force microscope (AFM) for critical dimension measurement are analyzed. A simplified nonlinear model of AFM is presented to describe the forced vibration of the micro cantilever-tip system with consideration of both contact and non-contact transient behavior for critical dimension measurement. The governing motion equations of the AFM cantilever system are derived from the developed model. Based on the established dynamic model, motion state of the AFM cantilever system is calculated utilizing the method of averaging with the form of slow flow equations. Further analytical solutions are obtained to reveal the effects of critical parameters on the system dynamic performance. In addition, features of dynamic response of tapping mode AFM in critical dimension measurement are studied, where the effects of equivalent contact stiffness, quality factor and resonance frequency of cantilever on the system dynamic behavior are investigated. Contact behavior between the tip and sample is also analyzed and the frequency drift in contact phase is further explored. Influence of the interaction between the tip and sample on the subsequent non-contact phase is studied with regard to different parameters. The dependence of the minimum amplitude of tip displacement and maximum phase difference on the equivalent contact stiffness, quality factor and resonance frequency are investigated. This study brings further insights into the dynamic characteristics of tapping mode AFM for critical dimension measurement, and thus provides guidelines for the high fidelity tapping mode AFM scanning.

分析了用于临界尺寸测量的攻丝模式原子力显微镜（AFM）的瞬态动力学。提出了一种简化的AFM非线性模型，该模型描述了考虑临界尺寸测量的接触和非接触瞬态行为的微悬臂尖端系统的强迫振动。AFM悬臂系统的支配运动方程是从所开发的模型导出的。在建立的动力学模型的基础上，采用慢流方程形式求平均值的方法，计算了AFM悬臂系统的运动状态。获得了进一步的分析解决方案，以揭示关键参数对系统动态性能的影响。此外，还研究了攻丝模式AFM在关键尺寸测量中的动态响应特性，研究了当量接触刚度，品质因数和悬臂共振频率对系统动力学行为的影响。还分析了尖端与样品之间的接触行为，并进一步探讨了接触相中的频率漂移。关于不同的参数，研究了尖端与样品之间的相互作用对随后的非接触相的影响。研究了尖端位移的最小幅度和最大相位差对等效接触刚度，品质因数和共振频率的依赖性。这项研究为用于临界尺寸测量的攻丝模式AFM的动态特性带来了更多的见识，从而为高保真攻丝模式AFM扫描提供了指导。研究了悬臂的质量因数和共振频率对系统动力学行为的影响。还分析了尖端与样品之间的接触行为，并进一步探讨了接触相中的频率漂移。关于不同的参数，研究了尖端与样品之间的相互作用对随后的非接触相的影响。研究了尖端位移的最小幅度和最大相位差对等效接触刚度，品质因数和共振频率的依赖性。这项研究为用于临界尺寸测量的攻丝模式AFM的动态特性带来了更多的见识，从而为高保真攻丝模式AFM扫描提供了指导。研究了悬臂的质量因数和共振频率对系统动力学行为的影响。还分析了尖端与样品之间的接触行为，并进一步探讨了接触相中的频率漂移。关于不同的参数，研究了尖端与样品之间的相互作用对随后的非接触相的影响。研究了尖端位移的最小幅度和最大相位差对等效接触刚度，品质因数和共振频率的依赖性。这项研究为用于临界尺寸测量的攻丝模式AFM的动态特性带来了更多的见识，从而为高保真攻丝模式AFM扫描提供了指导。还分析了尖端与样品之间的接触行为，并进一步探讨了接触相中的频率漂移。关于不同的参数，研究了尖端与样品之间的相互作用对随后的非接触相的影响。研究了尖端位移的最小幅度和最大相位差对等效接触刚度，品质因数和共振频率的依赖性。这项研究为用于临界尺寸测量的攻丝模式AFM的动态特性带来了更多的见识，从而为高保真攻丝模式AFM扫描提供了指导。还分析了尖端与样品之间的接触行为，并进一步探讨了接触相中的频率漂移。关于不同的参数，研究了尖端与样品之间的相互作用对随后的非接触相的影响。研究了尖端位移的最小幅度和最大相位差对等效接触刚度，品质因数和共振频率的依赖性。这项研究为用于临界尺寸测量的攻丝模式AFM的动态特性带来了更多的见识，从而为高保真攻丝模式AFM扫描提供了指导。关于不同的参数，研究了尖端与样品之间的相互作用对随后的非接触相的影响。研究了尖端位移的最小幅度和最大相位差对等效接触刚度，品质因数和共振频率的依赖性。这项研究为用于临界尺寸测量的攻丝模式AFM的动态特性带来了更多的见识，从而为高保真攻丝模式AFM扫描提供了指导。关于不同的参数，研究了尖端与样品之间的相互作用对随后的非接触相的影响。研究了尖端位移的最小幅度和最大相位差对等效接触刚度，品质因数和共振频率的依赖性。这项研究为用于临界尺寸测量的攻丝模式AFM的动态特性带来了更多的见识，从而为高保真攻丝模式AFM扫描提供了指导。