SEM（Scanning Electron Microscope，掃描式電子顯微鏡）是以電子束對試片表面進行掃描照射，偵測所放出的二次電子與背向散射電子，以高解析度觀察與分析試片表面形貌與組成的電子顯微鏡。其解析度遠超過光學顯微鏡的極限（約200nm），可將奈米等級的微細結構可視化。在半導體製造中廣泛用於缺陷觀察、剖面觀察與圖案量測（CD-SEM）。
SEM的基本原理是：將電子槍（LaB₆或FEG：場發射型）射出的電子束，以電磁透鏡在試片上聚焦成數nm～數十nm的直徑，一邊進行光柵掃描，一邊偵測各點放出的二次電子，形成二維影像。試片置於真空環境（約10⁻³～10⁻⁶ Pa）中。加速電壓在500V～30kV範圍內調整，低加速電壓可取得表層資訊，高加速電壓則可取得深層資訊。
在半導體製造中的主要用途為：（1）CD-SEM（Critical Dimension SEM）精密量測圖案線寬與輪廓（日立高新技術的全球市占率約80%）；（2）複檢SEM（Review SEM，缺陷觀察：以高倍率詳細觀察缺陷檢測設備所偵測到的缺陷位置）；（3）FIB-SEM（結合聚焦離子束製作並觀察剖面試片：用於失效分析與製程評估）等。
電子束（e-beam）檢測設備也採用SEM的衍生技術，以電子束掃描晶圓，藉由電位對比（Voltage Contrast）以非破壞方式偵測電性缺陷（短路、斷路）。其優勢在於能偵測光學式無法發現的埋入式缺陷。
主要廠商有日立高新技術（CD-SEM、FIB-SEM、複檢SEM）、蔡司（Carl Zeiss，FIB-SEM：Auriga、GeminiSEM）、Thermo Fisher Scientific（Helios FIB-SEM、Spectra SEM）、應用材料（Applied Materials，SEMVision eBeam review）等。提升解析度、產能以及低加速電壓下的對比性能，是持續的開發主題。