纳米技术领域涵盖纳米尺寸科学、工程和技术，通过控制物质、原子到原子、分子到分子或在大分子水平上来创造具有新颖特性和功能的功能材料、设备和系统。纳米结构的领域，通常尺寸小于100纳米，尺寸介于普通、宏观或介观尺度产品、微型器件，或者介于单个原子或分子之间。制造量子点、纳米管和纳米纤维、超薄膜和纳米晶体、纳米器件等构件制品有两种方法：自下而上的合成和自上而下的小型化。
自下而上的方法巧妙地控制了纳米尺度结构的构建。这种方法通过逐个原子、逐个分子构建来塑造重要的功能结构。研究人员正在努力寻找“自组装”的机制。“自组装”涉及人体最基本的成分自我复制最基本的结构。“自组装”涵盖了通过使用原子和分子构建事物、生长晶体和创建纳米管，来创建功能单元。
“自上而下”是一种将事物从大型结构缩小为小型结构的方法。例如，真空管让位于晶体管，然后让位于IC（Integrated Circuit集成电路），最终让位于LSI（Large Scale Integrated Circuit：大规模集成电路）。这种通过从厘米尺寸缩小到微米尺寸来创造事物的方法被称为“微电子学”。
众所周知，微电子技术在过去四十年中以指数速度发展。由于其应用功能丰富、运行能耗低、制造成本低，微电子学通过新型小型电子器件的发明几乎进入了我们生活的各个方面。最重要的进步是将微电子学及其制造方法扩展到许多非电子领域，例如微型致动器、微型喷射器、微型传感器和微型DNA探针。
随着这项技术的不断发展，它已经从微米尺度扩展到纳米尺度，因此出现了“纳米技术”或“纳米制造”的存在。利用纳米技术，大规模生产的半导体器件上的最窄线图形现已接近50nm以下的水平。在研究实验室中，器件特征尺寸的水平尺寸已从130nm进一步缩小至6nm以下，垂直尺寸已减小至小于1.5nm或几个原子。这些被称为“纳米器件”的纳米级器件是通过自上而下的小型化方法获得的。
自上而下的微型化加工方法的核心是纳米光刻技术，如电子束光刻EBL：Electron Beam Lithography、纳米压印光刻NIL：Nanoimprint Lithography、X射线光刻XRL：X-ray Lithography和极紫外光刻EUVL：Extreme Ultraviolet Lithography。在这四种纳米光刻技术中，EBL方法因其能够将电子束精确聚焦和控制在各种基底上而成为追求终极纳米结构的领跑者。实验证明，电子束可以聚焦到1纳米以下。如果有合适的抗蚀性材料，这将使EBL的分辨率扩展到亚纳米区域。
电子束光刻技术是一种通过将对电子敏感的表面暴露在电子束中来制造亚微米级和纳米级特征的方法。它利用了某些化学物质在电子照射下会改变其特性的事实，就像照相胶片在光照射下会改变其特性一样。通过计算机控制电子束的位置，可以在表面写入任意结构，从而使原始数字图像直接转移到相关基底上。扫描电子显微镜问世后不久，EBL也随之问世。几乎从一开始就有低于100nm分辨率的报道。早在1964年，Broers就报道了用10nm宽的电子束在金属膜上以离子刻蚀出50nm的线。后来在1976年，随着电子光学技术的改进，报道了使用0.5nm探针在Au-Pd上刻画出8nm的线。1984年，利用EBL技术制造出了功能正常的Aharonov-Bohm干涉器件。Muray等人报道了金属卤化物抗蚀剂中1到2nm的特征。直到最近，EBL几乎只用于制造研究和原型纳米电子器件。目前，其精度和纳米光刻能力使其成为为其他先进光刻方法制作掩膜的首选工具。
在EBL纳米制造中，需要在电子散射导致最小的抗蚀剂曝光的工作条件下进行。为了实现这一目标，需要使用高能或低能电子。在高能情况下，电子束通过弹性散射在抗蚀剂中的展宽是最小的，并且电子束可以深入基底。低能电子方法之所以有效，是因为电子能量太低，无法在抗蚀剂中散射很远的距离。
EBL系统是扫描电子显微镜(SEM) 反向工作的结果，即用它来书写而不是读出。因此，其视野和吞吐量受到该工作原理性质的限制。与SEM类似，EBL系统由三个基本部分组成：电子枪、真空系统和控制系统。图1显示了EBL系统的示意图。
电子枪是一种产生、加速、聚焦电子束并将其投射到基板上的装置。电子首先由阴极或电子发射源产生。然后，电子通过静电场加速以获得更高的动能，并形成高能电子束。最后，由电、磁聚焦透镜和偏转系统组成的引导系统将电子束传输到基片上的工作点。电子束只有在高真空环境下才能正常产生并无限制地传播到基片上。根据电子枪使用的材料和电子束加工的应用，对真空度的要求通常在10-4到10-8Pa之间。因此，在电子枪和工作腔内形成真空环境的真空系统被认为是电子束加工设备中最重要的部件之一。
控制系统为电子束的产生、传输和定时提供操控能力。它还提供对基片平移和其他功能的控制。通过基片平移和电子束扫描之间的协调，可以将AutoCAD设计转移到电子束抗蚀剂薄层上。
电子束光刻的理论可以通过电场和磁场中的电子运动以及基本的电子光学元件来理解。一般来说，电场和磁场中的电子运动可以用麦克斯韦方程组来描述。然而，仅仅通过将边界条件（the boundary conditions）应用于麦克斯韦方程组来解决电子束系统的实际设计问题是非常困难的。因此，本节仅给出基本的电子动力学。
其中，q是电子的电荷，m是电子的质量，r是电子相对于任意原点的位置矢量。E和B分别表示电场和磁场。v是电子在磁场中的运动速度。
考虑到电子束发生镜筒的轴对称场系统，电子束通过轴线附近的一个公共点时，可以通过一个相对有限的场的变化区域使电子束通过另一个公共点。类比于光光学，将第一个公共点称为物，第二个公共点称为像，将场的区域称为电子透镜。电子透镜的属性和参数可由以下准轴心射线方程推导得出：
其中V0是轴上的电势。例如，由于导数V'0和V"0相对于V0进行归一化，因此可以理解为决定电子轨迹的是场分布而不是电势强度。这表明所有平行于轴线的轨迹，无论其初始半径如何，都具有相同的焦点。需要注意的是，射线方程中不包含电子电荷q和电子质量m。这意味着该方程也适用于其他粒子，如离子。利用图2中的射线示意图，可以从公式（2）中得到薄（thin）电子透镜的两个焦距为：
两个焦距之间的关系与光学中的关系类似，其中相当于光学折射率Ni。
与电场一样，轴对称磁场也具有透镜特性，称为磁透镜。磁透镜的准轴线方程被写为：
其中B0是轴上的磁场。显然，磁透镜效应将取决于电子的电荷和质量。磁透镜是对称的，因为如果B0的符号相反，方程将保持不变。磁透镜的空间不变性确保了在轴附近，进行电子成像时不会失真。与电透镜类似，焦距为：
电子束偏转可以通过使用静电和磁性Bipole element来实现。静电场会将通过的电子束偏向正极，而磁场则将电子束偏转到与场方向垂直的方向。纯磁场会改变电子运动的方向，但不会改变速度。磁场与电子路径曲率的关系可写为：
其中Ri是瞬时曲率中心，θ是磁场和速度矢量之间的角度。
与其他光刻仪器相比，电子枪的使用是电子束光刻技术的核心特点。电子枪的原理可以通过光线的光学传递方式来理解。电子光学元件只是它们的光学对应物。因此，本节将主要关注电子枪，包括发射源的生成、电子束整形和电子束的引导系统。
发射（emission）：电子发射有两种。第一种称为热电子发射，当发射材料被加热到足够高的温度时发生。第二种是电场发射，即电子在强外加电场的作用下产生。由于热电子发射在产生电子方面具有更高的效率和更低的成本，因此被广泛应用于工业领域，这也是我们在此主要关注的问题。
根据量子动力学原理，电子在0◦K时处于基态静止，其能级和能带是明确定义的。随着化合物温度的升高，一些电子获得更多能量并跃迁到更高的能级。因此能带宽度增加。当温度足够高时，电子获得足够的能量来克服天然屏障，即阻止它们逃逸的功函数。特别是，随着温度的升高，金属传导带的上限会模糊并延伸。一些传导电子获得足够的能量来克服金属表面的势垒。然后，这些电子可以通过施加适当的电场被吸引出来。如果电场足够高，能够从功函数为ɸ的阴极中吸取所有可用的电子，则在温度 T 下获得的饱和电流密度 J （由著名的Richardson-Dushman定律给出），其中A是由材料决定的常数，k是玻尔兹曼常数。
在实际的电子枪设计中，电子枪的电流通常小于饱和电流。在这种情况下，电场的强度不足以从阴极吸走所有可用的自由电子。因此，残余电子聚集在阴极表面附近，形成电子云层。这种工作方式被称为空间电荷限制发射，其优点是在阴极稍前方形成一个较小的虚拟阴极，该虚拟阴极具有稳定的电荷密度，基本上与阴极温度无关。平行电极之间的电流由Child定律给出，其中，V是加速电压，L是阴极和阳极之间的距离：
图3显示了空间电荷限制发射和温度相关发射范围内的电流密度。电子枪中的大多数阴极在空间电荷和饱和状态之间的过渡范围内工作，以便可以在最低的阴极温度下获得所需的发射电流密度。方程（9）和（10）给出了从给定阴极材料获得所需发射的条件。只要指定材料，就可以完成初步的阴极设计。
自由电子可从多种材料的阴极中获得。然而，电子枪设计的主要要求是阴极具有较低的功函数和良好的热效率，提供足够的发射电流，并且结构简单。在所有的限制条件中，电子枪的真空条件对阴极材料的选择有很大的限制。在低真空条件下（低于1×10-5 mm Hg），通常使用功函数低、体积蒸发率高的材料，如钡。这种材料首先包含在另一种材料的体内，为阴极提供结构和形状，然后通过扩散过程迁移到表面。这种阴极被称为dispenser cathode。Dispenser cathode在其表面产生并保持过量的金属钡，并依靠过量的金属Ba实现其发射特性。在这种结构中，材料的蒸发可以减慢并易于控制。
在真空度高于1×10-5毫米汞柱的情况下，阴极材料的选择，仅限于难熔金属，它们具有更高的功函数并能在更高的温度下工作。最有吸引力的难熔金属是W和Ta，它们的功函数分别为4.55和4.1电子伏特。W的熔点为3410℃，而Ta的熔点为2996℃。在低于2500℃的温度下，Ta发出的电流是钨的10倍。Ta还易于加工，可制成薄片以生产特殊形状的阴极。
如果需要将真空循环到大气中，但操作温度不超过5 × 10-6 mm Hg，则可以使用功函数为2.4电子伏特的六硼化镧（LaB6）阴极。这是因为在较低的发射温度下需要相对较高的发射电流密度。在其他活性阴极中，LaB6对阴极污染和寿命等问题的敏感性要低得多，但其长期稳定性和热循环稳定性仍是尚未解决的问题。
在所有这些阴极材料中，钨（W）在大多数方面可能不是最好的，但对于普通应用来说，它是一种廉价、坚固和可靠的发射源。到目前为止，W仍然是电子束加工领域最重要的阴极材料，尽管Ta、LaB6以及含有增加发射的合金元素的W也被广泛使用。
（待续）
