随着检测与制造技术逼近原子级精度，样品表面的洁净度以及电子显微镜内部的高真空环境变得前所未有的重要。现代电子和离子显微镜虽然配备了复杂的真空系统，但维持长期的洁净度却日益困难。来自样品或真空腔体表面的碳氢分子是主要的污染源，即使微量存在，也会与电子或离子束相互作用，在图像或数据中产生令人困扰的伪影。
碳氢污染来源广泛，包括样品制备过程中的无意触碰、未戴手套操作、油扩散泵系统的返流、电解减薄或层去除时使用的化学试剂，以及固定样品时使用的粘合剂或溶剂。值得注意的是，虽然污染常与非生物样品相关，但生物和聚合物样品在电子束或离子束照射下同样会产生严重的碳污染，这些精密仪器急需有效的清洁手段。
电子显微镜内的碳氢污染问题由来已久。当电子或离子束撞击污染物分子时，会刺激样品表面形成碳质化合物。由于能量较低，二次电子从受污染表面到达探测器，导致污染区域在二次电子图像中呈现为暗区。在扫描仪器中，这种污染层通常呈现为扫描光栅形状的矩形。在高倍率和低加速电压下，这种影响尤为明显，而这正是分析微小表面细节的典型工况。
尽管在放入扫描电子显微镜（SEM）前清洁样品有益，但系统中总会残留微量碳氢化合物。这些残留物可能源自工具制造、真空或润滑系统，或样品处理过程，因此定期清洁腔体至关重要。图1展示了在硅晶圆上通过不同时长扫描形成的污染矩形，最右侧深色矩形处的碳氢沉积层厚度可达约1000纳米。
早在1999年，XEI Scientific就开发了Evactron除污器，这是一种可安装在SEM腔体上进行原位清洁的等离子清洗系统。早期的设计采用手动微针阀控制进气，配合定速旋转叶片泵，压力调节受限。随着技术演进，2004年引入了伺服控制流量阀以维持压力，2008年将控制逻辑移至微处理器，实现了时间、功率和压力的可编程化，使Evactron能够适应涡轮泵的高真空环境。
Evactron设备通过产生等离子体，将其转化为氧或氢自由基，从而去除真空系统中的碳氢化合物。其核心原理是“下游等离子体”技术，即等离子体在远程等离子体源（PRS）中生成，腔体和样品不直接暴露于等离子体中。活性物种对流进入腔体，与碳氢污染物反应生成挥发性化学物质，随后被真空泵抽走。
实验表明，室温空气是产生氧自由基和裂解碳氢分子的理想气体来源，具有易获取、免费且安全的优势。在低气压下，平均自由程增加，氧自由基的三体复合率降低，从而提高了清洁速度。氧自由基氧化碳氢化合物，将其转化为短链酮、醇、水、一氧化碳和二氧化碳等易挥发物质，最终被排出系统。
这种下游等离子体清洗技术在电子和离子束仪器中已被证明极其有效，无需拆卸即可去除复杂仪器内表面的碳氢污染。Evactron E16等紧凑型等离子体源可安装在分析柱上，甚至能在涡轮泵全速运行时启动，极大地提升了维护效率。通常，每周仅需10分钟左右的维护清洁，具体频率取决于引入样品的类型和洁净度。
除了高效清洁，该技术对显微镜内部敏感材料也表现出极高的安全性。XEI Scientific与Moxtek的联合测试显示，经过近200小时的氧自由基流暴露，甚至长达11年的日常清洁，最薄的AP3.3 EDS窗口也未受到任何损伤。这表明该技术适用于各种电子和离子显微镜制造商及型号，且具备便携性，可在实验室多台设备间移动使用。
美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员认为，消除样品和腔体内的所有污染是实现原子级高精度测量的关键。尽管NIST曾尝试液氮冷阱、高纯氮气吹扫等多种方法，但唯有下游等离子体清洗技术能够满足其严格的污染控制标准。NIST的研究成果显示，相比液氮冷阱仅能减少污染，等离子体清洗几乎完全消除了扫描过程中的碳沉积。
在关键尺寸（CD）测量中，污染会导致图像伪影，显著改变尺寸测量结果。实验表明，在清洁后的SEM中扫描20分钟，测试图案的孔洞未被填充；而未经清洁的样品则出现明显的孔洞填充现象。此外，在能谱分析（EDS）中，等离子体清洗能有效去除由污染引起的碳分析峰，确保数据的准确性。
在电子背散射衍射（EBSD）和透射电子衍射（TKD）应用中，等离子体清洗更是不可或缺。未清洗的样品在扫描初期虽能正常索引，但随后污染积累会导致图案质量迅速下降，甚至出现严重的样品漂移。而经过腔内等离子体清洗后，图案质量在整个分析过程中保持稳定，索引率始终良好，显著提升了微结构表征的效率和精度。
对于串行块面扫描电子显微镜（SBFSEM）而言，由于数据集包含数百甚至数千张图片，污染和电荷积累导致的图像质量下降可能毁掉整个研究。研究发现，经过等离子体清洗循环后，背散射检测器的对比度提升了14%，这进一步证实了频繁清洁对于维持SBFSEM研究质量的必要性。
对于中国科研机构和高端制造企业而言，随着国产电子显微镜及半导体检测设备向原子级精度迈进，引入成熟的原位等离子体清洗技术已成为保障数据可靠性和设备长期稳定运行的关键策略。这不仅是维护成本的控制，更是提升国家在纳米计量和先进制造领域核心竞争力的重要一环。