电子束曝光系统核心：电子光柱
电子束曝光系统包括 3 个基本部分：电子枪、电子透镜和电子偏转器，除此之外还有许多辅助部件。图 3.8 是一个电子束曝光机的外观照片。图 3.9 是一个电子束曝光系统的电子光柱 (electron column) 的组成示意图。它包括以下各个部分。
- 电子枪。需要指出的是，电子曝光系统的电子能量通常在 10
100 keV。对电子加速的高压总是加在电子枪部分，即电子枪保持在一个负高压，与曝光工作台的零电位形成高电压差，对阴极发射的电子进行加速，达到预期的能量。如果电子发射阴极是场发射阴极，则电子枪部分要求有最高的真空度，需要单独的抽真空系统。 - 电子枪准直 (gun alignment) 系统。整个电子光柱是由各部分电子光学元件一节一节地组装起来的。装配起来的光柱高度可达 1 m 左右，如图 3.8 所示。任何一点微小的加工或装配误差都可能导致电子枪的阴极尖端与最后一级的透镜膜孔不在同—轴线上。因此需要配备一个偏转系统，在必要时对电子枪发出的电子束进行准直。
- 聚光透镜 (condenser lens) 。它与光学曝光的聚光透镜的原理相同，即让阴极发射的电子最大限度地到达曝光表面。
- 电子束快门 (beam blanking) 。其作用是对电子束起开关作用，使电子束只有在需要曝光时才能通过光柱到达曝光表面，实际上它是一个偏转器，工作时使电子束偏离光轴，使之无法通过中心膜孔。
- 变焦透镜 (zoom lens) 用来调整电子束聚焦平面的位置，包括动态聚焦。
- 消像散器 (stigmator) 。像散 (astigmatism) 是由于 x、y 方向的聚焦不一致，造成电子束斑椭圆化。这种聚焦不一致性大多是由透镜机械加工误差造成的。消像散器一般是由多极透镜组成，这样可以对电子束从不同方向校正。
- 限制膜孔 (aperture) 。用来对束张角加以限制。如前所述，电子透镜的像差主要是球差，而球差与束张角的 3 次方成正比。因此，限制束张角可以提高系统的分辨率。但限制膜孔会降低系统的束流，因此限制膜孔的大小一般可以调，需要高分辨率时，就用小的限制膜孔；当需要大电子束流时，就用大的限制膜孔。限制膜孔的位置可以在 x 、y 方向调整，以保证孔的中心正好在光柱轴线上
- 投影透镜。将通过限制膜的电子束进一步聚焦缩小，形成最后到达曝光表面的电子束斑。
- 偏转器。实现对电子束的偏转扫描。偏转器可以在投影透镜之前或之后，或在投影透镜之中。偏转器可以是静电的或磁的。磁偏转的像差和畸变小，但速度慢。静电偏转的速度快，但像差大。电子束曝光系统一般都有两套偏转器，主场偏转和子场偏转。一个主场划分为若干个子场，主场的偏转角度大，因此偏转的速度低；子场的偏转角度小，因此偏转的速度高。
除了以上光柱部分外，电子束曝光系统还包括束流检测系统，以测量到达曝光表面的电子束流大小；反射电子检测系统，用来观察曝光样品表面的对准标记；工作台，用来放置和移动曝光样品；真空系统；高压电源；计算机图形发生器（pattern generator），用来将设计图形数据转换为控制偏转器的电信号。
电子束曝光机重要性能指标
- 最小束直径。它直接影响到最小可曝光图形尺寸。
- 加速电压。加速电压高，则一般分辨率也高，电子邻近效（electronproximity effect）小，同时可曝光较厚的抗蚀剂层。
- 电子束流。束流大，则曝光速度快，即在同样的曝光剂量要求下，可以用较短的时间曝光。但最大曝光速度将受到扫描频率的限制。大束流的束斑尺寸也大。所以一般在高分辨率曝光时用小束流，低分辨率、大图形曝光时用大束流。
- 扫描速度。扫描速度快，则所需的曝光时间短。扫描速度以频率表示。矢量扫描的最大频率一般为 25～50MHz。光栅扫描的频率可达 500MHz。
- 扫描场大小。扫描场大，则大部分曝光图形可在扫描场内曝光，可以避免场拼接（field stiching）引起的误差。
- 其他还有工作台控制精度、曝光层与层之间的套准精度、场拼接精度等。