晶圓鍵合機的晶圓級三維集成是一個新的概念，利用許多高級技術實現電路密度的增加和體積的縮小。下面介紹三項重要的關鍵技術。
1、對準和鍵合：
對準不精確導致電路故障或可靠性差。因此，對準精度的高低主導了的晶片接觸面積和三維集成電路堆疊的成品率。對準精度與對準器和對準標記有關。也受操作員個人經驗的影響。
銅被廣泛用于標準CMOS制造中。因此，銅是三維集成中連接兩個設備層或晶圓的較好的選擇。銅晶圓鍵合的原理是讓兩個晶片接觸然后熱壓縮。在鍵合過程中，兩個晶片的銅層可以相互擴散以完成鍵合過程。集成的質量與晶圓表面的清潔度和鍵合時間有關。
一般來說，溫度至少300～400℃才能完成銅鍵合。可以根據其界面的形態來確定鍵合質量。為了獲得好的銅晶片鍵合的結果，條件是400℃加熱30分鐘，接著400℃氮氣環境退火30或60分鐘。雖然高溫和高壓可能會提高鍵合質量，但相應的成本和設備的損耗也成為需要關注的主要問題。因此，在較低的溫度和壓力下的鍵合方法是三維集成的主要目的。
2、晶片減薄技術：
三維集成技術極大的增大集成電路密度的同時也帶來了散熱困難的問題。由于硅基板和金屬材料之間存在電阻，當通過電流時，會有發熱效應。而熱量不斷的產生會使芯片的背面產生一種內應力，而內應力較大時會使芯片直接破裂，加快了芯片的損壞速度。通過使用芯片減薄工藝，不僅可以有 效的降低集成電路的內阻，優化各芯片的散熱性能，還提高了電路的穩定性的和縮小了芯片體積，更符合集成電路整體小型化的趨勢。
3、硅基板穿孔技術（TSV）：
硅通孔的概念是由諾貝爾獎得主WilliamShockley最早提出來的，硅基板穿孔（TSV）在晶片與晶片之間、晶圓與晶圓之間制作垂直導通，實現晶片之間互聯的技術。該技術能夠使晶片在三維方向上堆疊的密度達到最大，因此不同基板的晶片通過硅基板穿孔技術進行立體堆棧整合后，不僅可縮短金屬導線的和聯機電阻，更能減小晶片的體積。
①先通孔工藝。先通孔工藝是在CMOS器件制作之前，在空白硅片上完成通孔制作和導電材料的填充。在這個方案中，填充材料不能是金屬，比如銅。此外，由于在這個階段還沒有金屬互連，先通孔工藝的縱寬比是小于后通孔工藝的。
②后通孔工藝。后通孔工藝是在BEOL完成后，在CMOS即將制作完成和但還未進行減薄工藝處理的硅片上預留的空白區進行鉆蝕通孔。該技術包括鉆孔和填充過程，為了不破壞設備和電路，應在低于熱預算的溫度環境下制作。
③TSV工藝流程。整個硅基板穿孔過程可大致分為兩個部分：第一部分是通孔的蝕刻，第二部分填充通孔。硅基板穿孔的蝕刻難度取決于減薄后的晶圓的厚度。當目標蝕刻深度太深，通孔的開口尺寸通過需要相應地擴大，這也導致晶片尺寸的增加。填充材料也是需要考慮的問題。銅、鎢和多晶硅是典型的硅基板穿孔填充材料的選擇。在這些材料中，銅和鎢的只能用在后通孔方案中，而多晶硅可用于先通孔和后通孔方案中。銅是一種工藝兼容材料，殘余應力少，電子性能好，但難以填充高縱寬比的通孔。相反，鎢很容易填充到高寬比的通孔，但其殘余應力高是一個很大的問題。多晶硅可用于硅基板穿孔的先通孔方案中，但它的電阻比金屬高。考慮到每種材料的優點和缺點，硅基板穿孔填充材料的選擇對三維集成具有重要意義，特別是對于晶圓鍵合機的晶圓級三維集成。
