由于三维功能微纳结构可以实现平面微纳结构所无法得到的卓越光学性能,所以吸引了大量研究者对其进行兴趣。目前,基于三维光功能微纳结构的各种器件在航空航天、增强现实、隐身材料等领域应用广泛。为了满足三维光功能微纳结构在不同领域的应用需求,尽管各种结构加工工艺和方法层出不穷,但是在材料均匀性、图形分辨率、工艺复杂性和使用兼容性等方面依然存在巨大挑战。本文主要以三维光功能微纳结构的新型设计和可靠构筑为目标,利用电子束直写技术具有高灵活性的优势,开发了基于抗蚀剂材料直接获得三维光功能微纳结构的新工艺,并探索其在光学领域的应用。本论文的主要研究内容如下:（1）利用电子束曝光工艺开发了一种灰度加工方法,通过调节抗蚀剂结构在z轴方向的高度以及其在x、y轴方向的填充密度,利用三维微纳结构形成的Fabry-Pérot（FP）腔干涉效应,得到了在可见光范围内透射式全彩色滤光片阵列。其中,将抗蚀剂结构在z轴方向的高度变化作为一种可供选择的自由度,从而获得了色域宽、饱和度好、亮度高的彩色像素。并且利用该工艺展示了像素尺寸缩小至500 nm时的极高分辨率全彩图像。除此之外,通过Bayer单元计算结果显示,基于FP腔结构得到彩色滤光片的1μm2子像素与临近子像素间具有良好的抗光谱串扰和空间串扰性。该工作为设计和制造集成度高的彩色滤光片阵列提供了一种全新的加工方法,有望大规模应用于全彩色微型图形印刷,微型显微光谱仪以及高分辨率图像传感系统。（2）针对电子束灰度加工方法中,显影液对比度导致的抗蚀剂结构尺寸在z方向不能线性变化的问题,开发了一种基于模板约束的微回流方法,该工艺利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）抗蚀剂具有玻璃化转变的特性,制备了Ag/PMMA/Ag三维堆叠结构的单片集成彩色滤色器阵列。在加工过程中使用氢硅倍半环氧乙烷（HSQ）线框作为模板,通过调节每个模块中PMMA纳米光栅的填充密度,再将整个样品放入高温环境下进行热回流处理后,就可以获得具有不同厚度的PMMA介质层。该方法加工的滤色器阵列在整个可见光区域内的光谱均具有高的可调谐性、强的透射效率、好的饱和度等优势。此外,该工艺结合纳米压印工艺可以进行大面积尺寸制作,因此在图像传感器、彩色显示器等诸多应用中具有巨大潜力。（3）基于PMMA抗蚀剂在高温条件下具有玻璃态的性质,提出并实现了高温诱导Au/PMMA结构的定向自组装,从而获得了极小尺寸金属纳米间隙结构。该工艺首先使用电子束曝光技术加工出初始PMMA聚合物结构,然后在已经曝光好的PMMA三维结构表层沉积金属,最后通过丙酮蒸汽辅助热回流处理得到极小尺寸金属纳米间隙结构。证实基于Au/PMMA相结合的三维微纳结构在高温工艺处理时,结构的运动方向可以通过结构的形状和初始位置分布等非对称几何参数来确定。此外,采用了热力耦合有限元算法对Au/PMMA微纳结构的回流过程进行了力学模拟,定性地分析了具有方向性热回流现象的机理,进一步证明该方法在制备亚10纳米尺寸金属间隙结构中的可靠性。该工艺在等离激元增强光与物质相互作用、超快纳米晶体管、纳米电子学和分子电子学中具有潜在的应用。（4）针对聚合物结构在高温、强光以及溶剂环境等恶劣条件下容易形变甚至坍塌等问题,提出了一种结构保护方法,即通过原子层沉积技术在聚合物结构上沉积一层保形的超薄氧化物薄膜,从而有效地提高聚合物光功能三维结构在应用中的稳定性。这里以PMMA聚合物为对象,研究了在高于PMMA玻璃化转变温度时,亚10 nm保形TiO2薄膜在避免内部PMMA结构发生热回流现象中的有效性问题。证明了包覆TiO2薄膜的PMMA结构不仅可以抑制内部PMMA的热回流现象,还可以有效防止有机溶剂对PMMA材料的腐蚀,并且在强光照射样品时使其结构依然保持良好的形貌。此外,利用热力耦合有限元算法对该结构进行了力学模拟,进一步验证实验结构的稳定性。这种工艺方法将极大地推动三维光功能抗蚀剂微纳结构作为元件在光学器件中的应用。