De toutes les méthodes de lithographie non optique, c'est la plus couramment utilisée. Elle utilise un faisceau d'électrons plutôt que des photons pour exposer la résine et induire des changements chimiques, qui entraînent ensuite des changements de solubilité. Toutefois, contrairement à la photolithographie, il n'y a pas de masque et le faisceau n'illumine pas l'ensemble du substrat

Le faisceau d'électrons est généré, accéléré et focalisé sur un petit point, puis balayé sur le substrat pour créer une image. Le mécanisme de balayage est réalisé par une combinaison de translation mécanique de la table du substrat et d'inclinaison du faisceau d'électrons. Le motif est créé en modulant le courant du faisceau pour qu'il s'allume et s'éteigne au fur et à mesure que le faisceau est balayé. Le dispositif est similaire à un microscope électronique à balayage dans lequel le faisceau d'électrons, la bobine d'orientation et le substrat sont montés dans une chambre à vide poussé.

Les systèmes à faisceau d'électrons ont généralement des ouvertures numériques très faibles, de l'ordre de 0,01. Cela présente l'avantage d'une très grande profondeur de champ. Malgré la faible ouverture numérique, la résolution attendue devrait toujours être de l'ordre de 1 nm. Dans la pratique, ce n'est pas le cas. Le paramètre k1 dans les systèmes à faisceau d'électrons est beaucoup plus important que dans les systèmes optiques. Comme nous l'avons vu précédemment, la valeur minimale théoriquement possible de k1 est de 0,25, ce qui, pour des électrons de 10 keV, conduit à une résolution inférieure au nanomètre. Cependant, dans le système EBL actuel, la valeur de k1 est d'environ 5, en raison du flou causé par une aberration sphérique et chromatique plus faible dans le système de focalisation magnétique et de l'interaction du faisceau d'électrons avec le substrat émettant les électrons secondaires. Par conséquent, la résolution réelle de l'EBL n'est que de l'ordre de 5 nm.

Le principal avantage de l'EBL est sa haute résolution. En raison de la faible ouverture numérique, la profondeur de champ est également importante. Cela en fait un système très tolérant pour la lithographie sur des substrats présentant des caractéristiques topographiques et de petites courbures. Actuellement, l'EBL est largement utilisée pour fabriquer des masques de photolithographie, en particulier lorsque la résolution requise sur le masque est supérieure à celle que l'on peut obtenir avec un scanner laser. C'est de loin la plus grande application commerciale de l'EBL. En R&D, l'EBL est utilisée chaque fois que les caractéristiques souhaitées sont inférieures à environ 500 nm, en contournant le masque et en écrivant le motif directement sur la résine. Alors que la projection UV profonde par immersion peut facilement atteindre moins de 100 nm, ces outils ne sont généralement pas disponibles en dehors des environnements de production à grande échelle. C'est pourquoi, pour la recherche et le développement, l'EBL est devenu l'outil de choix pour les arrêts de la lithographie par contact. Comme il s'agit d'un système de balayage, il est intrinsèquement lent. Cette vitesse est inversement proportionnelle à la résolution, et lorsque la taille du spot du faisceau diminue pour atteindre une résolution plus élevée, sa vitesse diminue également. En fonction de la densité du motif et de la dose requise, l'écriture d'une surface de 1×1 pouce peut prendre plusieurs heures. Un autre inconvénient est que le substrat doit être conducteur. Comme pour la microscopie électronique à balayage, le courant du faisceau d'électrons doit être mis à la terre à travers le substrat pour maintenir la neutralité de la charge. Tout effet de charge localisé peut réduire considérablement la résolution. Pour l'écriture au photomasque, bien que le substrat soit en verre, un film métallique est déposé avant l'application du film de réserve et ce film métallique est électriquement mis à la terre. Le silicium étant partiellement conducteur, il est également possible d'écrire sur un film de réserve sur un substrat de silicium. D'autres cas de systèmes purement isolants nécessiteront un examen attentif de la manière de dissiper l'accumulation de charges.