CD-SEM（Critical Dimension Scanning Electron Microscope，關鍵尺寸量測掃描式電子顯微鏡）是在半導體製程中以奈米等級量測電路圖形線寬與形狀的量測設備。
SEM 是掃描式電子顯微鏡的縮寫，將電子束照射在樣品表面，偵測所產生的二次電子以取得高解析度影像。CD-SEM 如 Critical Dimension（關鍵尺寸）之名所示，專門量測左右元件效能的重要尺寸參數，在半導體製造的品質管理中扮演核心角色。
CD-SEM 的量測原理，是以聚焦得很細的電子束掃描晶圓表面。電子束的加速電壓通常在500V～5kV範圍，可進行遠超光學顯微鏡的數奈米等級觀察。由於二次電子的放出量會隨樣品表面形狀與材質而變化，可從中取得高精細的影像。所得影像以專用影像處理演算法分析，自動量測線寬、間距寬度等尺寸。
主要量測項目包括線寬（Line Width）、間距寬度（Space Width）、孔徑（Hole Diameter）等基本尺寸。此外，也能評估溝槽深度（Trench Depth）、側壁角度（Sidewall Angle）等立體形狀。特別重要的是線邊緣粗糙度（LER）與線寬粗糙度（LWR）的量測，這些會隨圖形微縮而大幅影響元件特性的變異，因此需要嚴格管控。
在半導體製造中，CD-SEM 用於多個步驟。首先在曝光步驟後，量測光阻圖形的線寬，確認曝光機的焦距與曝光量是否適當。接著在蝕刻步驟後，量測實際矽或金屬層的圖形尺寸，用於蝕刻條件的最佳化。成膜步驟後則評估膜厚均勻性與段差處的覆蓋性。如上所述，在確認各步驟品質方面，CD-SEM 是不可或缺的存在。
量測結果會回饋至 APC（Advanced Process Control，先進製程控制）系統。APC 即時分析量測資料，自動調整製造設備的製程條件，將製程變異降到最低。例如判定線寬比設計值粗時，會微調曝光機的曝光量，或延長蝕刻設備的蝕刻時間。藉由這個回饋迴路，實現高良率與穩定的產品品質。
先進半導體製造要求極為嚴格的精度。在3nm製程節點以下，需要以1nm以下的精度進行尺寸管理。因此，CD-SEM 需要具備高量測重複性（Repeatability）與量測準確度（Accuracy）。量測重複性通常需在0.1nm（3σ）以下，也就是同一圖形無論量測幾次都必須得到幾乎相同的值。為實現這一點，設備的機械穩定性、電子光學系統的精密控制、影像處理演算法的高度化等多方面的技術革新持續進行。
提升量測速度也是重要課題。產線一天要處理數百到數千片晶圓，縮短量測時間直接關係到生產力。傳統單束 CD-SEM 的量測速度有其極限，但近年開發的多束 SEM 技術正在改變此狀況。多束 SEM 藉由平行使用9道或49道等多道電子束，大幅提升量測速度。因此能在更多量測點上進行製程管理。
機器學習與 AI 技術的應用也在推進。傳統影像處理以規則式（rule-based）手法為主流，但隨著圖形複雜化與材料多樣化，難以準確量測的情況越來越多。運用機器學習，可從大量量測資料自動學習最佳量測條件與邊緣偵測參數，提升量測準確度與重複性。AI 技術也用於異常圖形的自動偵測與量測結果的品質評估。
今後的技術方向包括進一步提高精度與速度。在2nm節點以後的極限微縮製程中，需要次奈米等級的尺寸管理。此外，在3D NAND 快閃記憶體這類立體元件中，需要量測深孔與溝槽內部形狀的技術，正在開發不同於傳統表面觀察的量測手法。CD-SEM 作為支撐半導體製造微縮的基礎技術，今後重要性預料將持續提升。