光刻机是半导体制造中最核心的设备之一，其工作原理本质上是利用光学成像和精密控制，将设计好的微纳米电路图形高精度地转移到晶圆表面的光刻胶上。

首先，光刻机的核心工作原理是光学成像原理。光刻机通过光源发出的特定波长光照射掩模，掩模上的电路图形调制光的强度和相位，形成空间光场。这束光随后进入投影光学系统，被缩小或投影到晶圆表面。光刻胶受到光照后发生光化学反应，从而在晶圆表面形成与掩模图形一致的微纳米结构。成像的精度取决于光源波长、投影物镜的数值孔径（NA）以及像差控制。为了实现更高分辨率，现代光刻机使用深紫外（DUV）或极紫外（EUV）光源，并配合高NA物镜和浸没式曝光技术，突破空气介质条件下的衍射极限。

其次，光刻机的工作依赖晶圆台和掩模台的精密运动。晶圆台和掩模台在曝光过程中同步移动，完成扫描式或步进式曝光。扫描式曝光通过狭缝光束逐行转印图形，晶圆台需要以纳米甚至皮米级精度运动；步进式曝光则将晶圆分块，每块区域依次曝光。晶圆台通常采用气浮或磁浮设计，配合激光干涉仪实现实时位置测量和闭环控制，从而保证曝光区域的线条精度和图形连续性。

第三，光刻机依赖高精度对准系统来保证多层电路叠加精度。晶圆通常需要经过多次光刻，每一层的图形都必须与前一层严格对齐。光刻机通过光学识别晶圆上的对准标记，并结合计算模型进行位置修正、畸变校正和热膨胀补偿，使图形在多层叠加过程中保持纳米级精度。

光刻机的工作原理还包括曝光剂量和焦平面控制。光刻胶厚度仅几微米，焦点偏移或光强不均会导致图形边缘模糊或线宽变化。因此，光刻机通过自动对焦系统调整晶圆台高度，使光束始终聚焦在光刻胶最佳位置，同时控制曝光剂量均匀分布。浸没式光刻技术通过在晶圆和物镜间引入高折射率液体，提高有效数值孔径，同时改善光束均匀性和景深，进一步保证曝光精度。

光刻机内部环境控制也是其工作原理的关键组成部分。温度、湿度、振动和空气流动都会影响光路和晶圆台精度。因此，光刻机通常在恒温恒湿、低振动的环境中工作，光学元件采用低膨胀材料，并辅以主动补偿和环境隔离技术，保证光束和晶圆台在整个曝光过程中的稳定性。

此外，现代光刻机还结合计算光刻技术。由于衍射效应和光学畸变，光束通过光学系统后可能与掩模图形存在微小偏差。计算光刻通过对掩模图形进行预补偿，使晶圆上最终形成的图形尽量接近设计目标，提高良率和精度。

综上所述，光刻机的工作原理可以总结为：通过光源产生高亮度、稳定波长的光，掩模调制光场，投影光学系统将图形高保真成像到晶圆表面；晶圆台和掩模台精密运动，实现扫描或步进曝光；高精度对准系统保证多层叠加精度；焦平面、曝光剂量和环境控制确保图形均匀清晰；计算光刻技术优化最终图形。