光刻机是现代半导体制造的核心设备，其作用是将设计好的微米乃至纳米级电路图形精确地转印到晶圆表面，是芯片生产中不可替代的关键环节。光刻机的结构复杂、精度极高，其工作原理结合了光学成像、光化学反应和高精度运动控制技术。

从整体结构来看，光刻机主要由光源系统、掩模台、照明系统、投影光学物镜、晶圆台以及控制系统组成。光源系统负责提供稳定、单色且均匀的光束，常用的波长包括深紫外光（DUV）甚至极紫外光（EUV），波长越短，系统的理论分辨率越高。照明系统的作用是将光源调制为均匀且形状合适的光场，以便在掩模上均匀照射。掩模台放置光刻掩模，并通过精密对准系统与晶圆进行位置校正，保证每一层图形在晶圆上的准确叠加。投影物镜是光刻机最核心的部分，由多组高精度透镜组成，用于将掩模上的图形缩小投影到晶圆表面，同时消除像差并保证成像均匀。晶圆台固定并移动晶圆，通过精密机械和干涉测量实现纳米级位置控制。整个设备由计算机控制系统协调光学、机械和环境参数，确保曝光过程高效、准确。

光刻机的工作原理可以分为三个关键环节：图形转印、光化学反应和精密控制。首先，设计好的电路图形被刻在掩模上，掩模上透明与不透明区域对应不同的电路结构。光源经过照明系统后，均匀照射掩模，光束被掩模调制形成携带空间信息的光场。投影物镜将这些光场精确成像到涂有光刻胶的晶圆表面，通常按缩小比例投影，以提高分辨率和减少掩模制作难度。曝光过程中，光刻胶分子在光照下发生光化学反应，其溶解性在显影液中改变，从而形成与掩模图形一致的微结构。

光刻机的高精度工作还依赖于精密对准和运动控制。晶圆通常经历多层光刻，每一层都必须与前一层图形精确叠加。光刻机通过对准标记和干涉测量系统，实现纳米级位置校正。晶圆台和掩模台的移动精度需控制在纳米量级，同时补偿机械振动、温度变化和空气扰动。这种精密控制确保了每一次曝光都能准确复制设计图形，是芯片高性能和良率的基础。

此外，光刻机在环境控制上也有特殊要求。光刻过程通常在高洁净度环境下进行，以避免空气中的灰尘或颗粒落在晶圆上造成缺陷。温度、湿度和振动都需严格控制，以保证光学成像的稳定性和重复性。光刻胶的涂覆、曝光和显影过程也与环境条件密切相关，任何微小波动都可能影响最终图形质量。

光刻机的分类主要依据光源波长和曝光方式，包括深紫外光（DUV）光刻机、极紫外光（EUV）光刻机，以及步进式和扫描式光刻机。步进式光刻机通过“逐个区域曝光”方式工作，晶圆每次移动一个曝光窗口；扫描式光刻机则通过掩模与晶圆同步扫描完成一次成像，适合更大面积和高分辨率要求的图形。

总体而言，光刻机是现代芯片制造中集光学、机械、材料和电子控制于一体的复杂系统。其结构设计精密，每一部分都服务于高精度的图形转印目标；其工作原理基于光学成像和光化学反应，同时依靠纳米级精密控制和环境稳定性。