TW574449B - Method for producing Czochralski silicon free of agglomerated self-interstitial defects - Google Patents
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Description
)/4449
itM背景 本發明一般係有闕於半 電子組件之矽晶片之’把、土 ,匕其是用於製造 -種用於消減單处日々 t特疋"〈’本發明係有關於 理方法。 一夕中B-型梦自身隙間聚結缺陷之熱處 早結晶梦是製彳生尘言 料一 a從一 ° +導骷電子組件之多數方法的起弘斤 :,遇“系猎所謂的卓氏(Czochrals 將多結晶中並二t 接觸’然後藉缓慢抽出生長單晶。在頸部二 "疋κ #降低抽拉速度及/或溶體溫度使結晶之直 二到所要或目標直徑爲止。然後,藉由控制抽 拉速度及/或熔體溫度同時補足漸降之熔體高度,生長具 有、.力略f亙疋直值(結晶之圓柱狀主體。在生長過程將結束 之時在掛禍抽空炫融石夕之前,結晶直徑必須次第減小 以形成端錐。一般而言,端錐係由提高結晶抽拉速度及供 應至坩堝之熱量而形成。t直徑變成足夠小時,結晶即自 熔體分離。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 近年來,已知悉單晶石夕中的一些缺陷會在結晶生長室中 於結θ曰在固化後冷卻時形成。此等缺陷部份係由過量(亦 即,濃度超過溶解度極限)固有點缺陷(intrinsic p〇int defects)之存在所產生,此等固有點缺陷即稱爲矽晶格空 位及石夕自身隙間。據了解,在固化之時會變成固定的 這些矽中的固有點缺陷之型式及初始濃度,係以單 晶矽鼓生長之條件控制。(請見,例如,PCT/US98/07365及 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 574449 A7 _ B7 五、發明說明(2 ) PCT/US98/07304)。若此種點缺陷之濃度在單晶矽中達到 臨界超飽和之程度及若點缺點的移動性足夠高,則很可能 發生反應或聚結情事。 已知空位型缺陷是可觀察到的結晶缺陷之起源,諸如D _ 缺陷,流動型式缺陷(FPDs),柵氧化物完整性(G〇I)缺陷, 結晶起源之顆粒(COP)缺陷,結晶起源之光點缺陷 (LPDs) ’以及藉紅外光教射技術,如掃描紅外線顯微鏡及 雷射掃描斷層攝影技術觀察到的某些種類的整體缺陷。同 時也存在於過量空位區域中的是作爲環氧化作用謗導疊差 (stacking fault) (OISF)之晶核的缺陷。據推測,此一特殊 缺陷係由過量空位之存在所催化而成之高溫成核氧聚結 物。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 與自身隙間有關之缺陷很少有人研究過,然而,二種自 身隙間缺陷已被觀察到且通稱爲A -缺陷及B ·缺陷(或A _及 B -"旋渦"或"群集體")。a -缺陷較B -缺陷大且更易由本技 藝常用之方式檢測出。A -缺陷一般被視爲低密度之隙間 型差排圈或網絡。B -缺陷較少爲人所知,主要是因爲彼等 在尺寸上小很多以及因爲直到最近尚無可容易又可靠地檢 測此等缺陷之方法存在。然而,至少有人相信B —缺陷並不 是差排圈而是自身隙間及某種不純物原子之鬆散推積立體 聚結物。(請見,例如,F. Shimura,Semiconductor Silicon Gystai~Technology, Academic Press,Inc·,San Diego California (1989),第282-284頁及其中所引用資料。) 雖然咸信A -及B -缺陷不是栅氧化物完整性失敗-一種重 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 574449 A7 B7 五、發明說明(3 ) 要:片性能標準一之主因,“夬陷至 廣 通常與漏電問題有關之其他型廣〜局疋 ^ , σα 八义裝置失效又原因。盥Β - 缺fe有關之問題較少爲人所知。蚨一壯 … 改進,因此能製備甚至更小的集成電路 =1:將上然變成更受關注的焦點。因此,對製備不 續有此需要。 兩者认,仍繼 發明概述 在本發明之若干目的及特點中,可提及的是:提供—種 自早晶石夕消滅B-缺陷之方法;提供一種製造幾乎不本B_ 缺陷(單晶矽晶片之方法;提供—種使幾乎不含a_缺陷 之矽晶片幾乎不含B-缺陷之方法;提供一種幾乎不含A_ 缺陷及B-缺陷兩者之單晶矽;及提供一種製造幾乎^含 B -缺陷之理想沈澱單晶石夕之方法。 之 片 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 因此,簡言之,本發明係有關於一種熱處理晶片以溶解 其中存在的B -缺陷之方法。此方法包含使晶片經歷b _缺 陷溶解熱處理,其中係將晶片以足以防止缺陷穩定化 速度提升通過缺陷可生長且會變爲穩定化之溫度範圍 至熱處理溫度至少1 〇〇〇°C並在該熱處理溫度下保持該晶 一段足以使B -缺陷溶解之時間。 本發明進一步係有關於一種熱處理單晶矽以溶解B _缺 及影響隨後加工步驟中氧在晶片中的沈澱行爲的方法。 方法包含使晶片經歷B -缺陷溶解熱處理,其中係將晶片 足以防止B -缺陷穩定化之速度提升通過b -缺陷可生長 -6 - 574449 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 -----------B7___ 五、發明說明(4 ) 會變爲穩定化之溫度範圍,至熱處理溫度至少1〇〇(rc。然 後在该熱處理溫度下保持該晶片一段足以使B _缺陷溶解之 時間並技制經熱處理晶片之冷卻速度以使空位分佈在晶片 中形成,其中峰密度係在中央平面上或附近而濃度則在晶 片則表面之方向遞降,且前表面與整體層中空位濃度的差 異使得在溫度超過750。〇下之熱處理能在晶片之前表面層 形成裸露區域並在整體層形成氧群集體或沈澱物,而整體 層中氧群集體或沈澱物之濃度則主要係視空位之濃度而 定。 本發明之其他目的及特點將在以下部份明白、部份指 出。 歷圖之簡要説明 圖1 a及1 b爲單晶石夕晶片在銅裝飾及以下進一步詳述之缺 陷描緣浸I虫後一部份的影像,並比較經歷本發明熱處理前 具有B -缺陷之晶片之一部份(圖1 a)與經歷本發明熱處理 .後之晶片之一部份(圖1 b ),如實例1所討論。 圖2(a)至2(1)爲經歷實例丨所述各種熱處理條件及隨後經 歷銅裝飾及進一步詳述之缺陷描繪浸蝕後單晶矽晶片一部 份的影像。 體例之詳細説明 根據本發明之方法,已發現單晶矽中的Β -型聚結碎自身 隙間固有點缺陷(下稱Β -缺陷)可藉熱處理含有彼等之石夕而 溶解或消滅。不受特別理論之約束,一般咸信A —型聚梦 碎自身隙間固有點缺陷(下稱Α-缺陷)係在隙間缺陷之聚結 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) -------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
574449 A7 五、發明說明(5 ) 崩潰而形成差排圈或疊差時形成。相對地,B-缺陷在尺寸 上軚A -缺陷爲小且一般咸信是聚結物,其尚未生長至足 夠大或未達到充足活化能,以致形成差排圈或疊差。結 果B缺^可藉將矽加熱而溶解,有效地使這些缺陷離解 成獨互矽自身隙間,而所得矽自身隙間快速地擴散至矽表 面隙間 < 快速’’向外擴散"可降低隙間的總濃度,使得在 =後矽冷卻時不會發生再聚結而有效地使矽幾乎不含B-缺 本喬明方法 < 原材料可爲其中有B _缺陷存在的任何矽。 ^ 原材料爲具有中心軸,一般垂直於中心軸之前 /面及同面’周圍邊邵及由中心軸延伸至晶片周圍邊部 仫(曰〜約2 5,5 〇,7 5,1 0 0,或1 5 〇毫米或更大)之單晶 根據習知卓氏結晶生長方法所生長之單結 =:片:仔。晶片可爲拋切晶片,或另者可 及次蝕但未拋光之矽晶片。此曰 ^ 稱區域,並中命# Λ日曰片了 /、有不同軸向對 r 0 , , ^ ^ 身隙間點缺陷係主要的固有點缺 二二…片可爲自身隙間佔據中心至邊 有由自身隙間佔據材料之轴向對稱環所包圍之空位: 料《中央核心。然而,原材料較 豕 邊部且幾乎—單晶至 及PCT/__G5,兩者均併於f考98/〇7365 根據本發明,單晶矽晶片係經熱處理^ 晶片係加熱至溫度至少约】〇 〇 〇 一段足’在此步驟中 時間,而有效地使晶片幾乎不含此等缺陷=陷= -8 - 本紙張尺度適用ψ^:家標準(cns)A4^j^297公£ 574449 五、發明說明(6) 的是,到今天爲止的細私去 — 7、%知都顯不若B -缺陷先經過穩定化熱 處理即=會洛解。換言之,一般咸信雖然β _缺陷可藉由將 含有彼等之麥加教而汝如 , 一 …向,合解,但此等缺陷也許不會溶解,若 彼等先前經過散處理而A a 土 & , …^里而在此熱處理中矽曾長時間暴露於相 當低的溫度下。例如,迄今爲止的經驗顯示在自約则。c 至低於約1 0 0 0。〇:之溫度範圍下將石夕退火約二至約四小時或 更久會使B-缺陷穩定化,以致彼等不能被溶解。然而關於 此應注意的{,若暴露於低於約50(TC之溫度則B_缺陷會 被,疋化。然而,暴露時間需要約4小時以上。進一步應 注意的是,暴露於約_。(:至約画τ之溫度下會造成/_ 缺fe足生長及最後轉變爲Α _缺陷,此時這些缺陷也會變 成不溶解。 一鑑於上述,Β-缺陷係根據本方*,確保含有彼等之石夕加 熱至足以使這缺陷溶解之一定溫度及一段時間,同時確保 =不先暴露於會造成彼等穩定化之條件下而溶解。更明確 .。之根據本方法,矽樣本係加熱至超過約丨〇〇^c之溫度 (、即,足以落解B _缺陷之溫度),同時確保矽達到此一溫度 <速度不致使B _缺陷在過程中有效地穩定化而不溶解。一 :又而。矽係加熱至超過約1000°C,較佳約1100°c,更佳 約115(TC,再更佳約120(rc,最佳約125(rc之溫度。 夕才永本係維持目標溫度一段足以溶解所存在B _缺陷之時 ^ I而3,在第一具體例中,樣本可在快速熱退火爐 中加熱數秒(例如,至少約2,3,5或更多),數十秒(例 如,10,2〇,3〇,4〇,5〇或更多)或視晶片所要特徵及 9- 本、,氏張尺度適用中_家標準規格⑽χ Μ7公爱) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 574449 A7 _ B7 五、發明說明(7 ) 目標溫度而定高達約6 0秒(其已接近市售快速熱退火爐之 極限)。關於此,應注意的是,熱處理時間長相對的溫度 毳低,反之亦然。因此,加熱至溫度丨〇〇〇1之晶片較之加 熱至溫度例如12 0 0 °C之晶片需花更長時間才能使B _缺陷溶 解。 足以使B -缺陷溶解的時間與溫度之組合可藉實驗決定, 例如:在一定溫度下將一系列的晶片加熱不同長短的時 間,然後如以下進一步所討論的分析晶片,以測定有無B · 缺陷存在。 晶片的溫度一般係以足以避免B -缺陷穩定化之速度上升 通過會發生B -缺陷穩定化之溫度範圍;亦即,晶片一般係 以可確保其不暴露於約5〇〇°C至低於約i〇〇〇°c之溫度下一 ¥又足以造成B -缺陷穩定化之時間之速度加熱。因此,溫产 較佳係以至少約5 °C /秒,更佳至少約i /秒,再更佳至 少約1 5 °C /秒,再更佳至少約2 〇 °C /秒,最佳至少約2 5/ 秒之速度上升。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
熱處理以若干市售快速熱退火(,,RTA,,)爐中的任何一種進 行’在爐中晶片係由成排的高功率燈個別加熱。r T a爐可 將矽晶片快速加熱,例如,彼等可在數秒之内將晶片由室 溫加熱至1200 Ό。一種此種市售rt A爐爲可自AG
Associates (Mountain View,CA)購得之型 6 1 0 爐。 在本發明之第二具體例中,所製造的是幾乎不含B -缺陷 的理想沈殿晶片。更明確言之,幾乎不含B ·缺陷之理想沈 澱晶片可利用如美國專利5,994,761號(併於此以供參考)所 -10 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇 x 297公髮) 574449 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明(8 ) 柄TF的理想沈:¾晶片方法製備;該方法經係修改爲在晶片 熱處理步驟(亦即,例如,具體例一之步驟S 2)時,晶片係 如上述加熱至足以溶解B -缺陷之一定溫度及一段時間。更 明確言之,在本發明之第二具體例中,晶片係根據第一具 體例熱處理,其中通過B -缺陷會變成穩定化的溫度的溫度 上升足以在B -缺陷變成穩定化之前達到b -缺陷開始溶解 之溫度。在如第一具體例所述保持該晶片於溶解溫度或以 上一段足以使B -缺陷溶解的時間後,即根據美國專利 5,994,761號所述之理想沈澱晶片方法使晶片冷卻,其中冷 卻速度係經控制,使得所得晶片爲幾乎不含B-缺陷之理想 沈殿晶片。 應注意的是,雖然冷卻速度之控制係獲得理想沈澱晶片 之一因素,但就獲得幾乎不含B -缺陷之晶片而言,並非至 關重要。換言之,B _缺陷溶解後的冷卻速度對本發明而言 並非至關重要,因爲由於自身隙間的高擴散速度,這些固 .有點缺陷會在晶片可充分冷卻以引起缺陷聚結及沈澱發生 之前即擴散到表面。 進一步應注意的是,卓氏生長的矽一般具有氧濃度在約 5X10 土約9x 1〇丨7原子/立方厘米之範圍内(As 丁%標準 F-12 1-83)。迄今爲止的試驗證據顯示氧濃度在卓氏法可達 到的範圍内並不會實現Β _缺陷的消滅。再者,因爲晶片的 氧沈澱行爲與理想沈澱晶片中的氧濃度基本上脱節,故在 使用理想沈澱晶片時,起始晶片可具有氧濃度在卓氏法可 達到的範圍内任何一點或甚至在範圍外。 11 - (210 χ 297 公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) T top -n n ϋ n I n n 』,· I VBM* *·Ι·ΙΙ WK 雇 · 574449
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明(9 ) 取代碳,以雜質存在於單以中時,有催化氧沈殿物成 核中〜形成之旎力。因此,爲此及其他原因,較佳爲單晶 石夕原材料具有低碳濃度。亦即,單晶,夕應具有碳濃度爲低 於約5X 10〖6原子/立方厘米,較佳低於約ΐχ ι〇1δ原子/立 方厘米,更佳低於約5X10i5原子/立方厘米。雖然此處所 列碳濃度係製造理想沈澱晶片所需,但應注意的是,碳濃 度可超過這些水準而對B_缺陷之消滅無不利影響。因此, 就本發明而言,碳濃度並非至關重要,除非在製造理想沈 殿晶片時。 結隙間缺陷之目視檢驗 聚結隙間缺陷可藉以下方式檢驗:將一定量的高濃度溶 液或膏,如硝酸銅施加至樣本表面,然後在一定溫度下將 樣本加熱一段足以使金屬擴散進入矽基質的時間,然後以 非描繪浸蝕法浸蚀樣本,沖洗樣本,然後以缺陷描繪浸蝕 法浸蝕樣本表面,最後目視檢查樣本表面有無金屬裝飾之 隙間缺陷存在。雖然此法可檢驗A _型及B _型缺陷二種。 但B-缺陷會在此初始步驟時部份或全部被溶解。因此,樣 本較佳係在施加含金屬之溶液或膏之前經熱退火以使B —缺 陷穩足。A-型及B -缺陷檢驗方法之更詳細説明可查閲美 國臨時申請案,美國編號60/175,5〇6,其併於此以供參 考。 定義 應注意的是,如此處所用,以下片語應具有所給意義: "聚結固有點缺陷”應意指由(i)空位聚結之反應或⑴)自身 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 x 297公爱) <請先閲讀背面之注意事項寫本頁) i_i 1· IU· n H ϋ 1 ·1 n· n } 、I n I a^i n ·1· ϋ an - 裝 頃
Claims (1)
- 574449-缺陷之矽晶片以使矽晶片中的B -缺 1. 一種熱處理含有B- 陷洛解的方法,該方法包含: 將晶片加熱至足以溶解B -缺陷之熱處理溫度,使得 作為加熱步驟的一部分,晶片溫度可以足以防止B -缺 陷穩定化之加熱速度上升通過B -缺陷可生長及可變穩 定的溫度範圍;及 將孩晶片維持於該熱處理溫度下一段足以使缺陷 溶解之時間。 2.如申μ專利範圍第i項的方法,其中熱處理溫度為至 少 1000〇C。 3·如申請專利範圍第2項的方法,其中時間為至少2秒。 4_如申請專利範圍第2項的方法,其中時間為至少^ $ 5·如申請專利範圍第2項的方法,其中時間為至少3 〇 秒。 6·如申請專利範圍第丨項的方法,其中熱處理溫度為至 少 1100〇C 〇 7·如申請專利範圍第6項的方法,其中時間為至少2秒。 8·如申請專利範圍第6項的方法,其中時間為至少ι 5 9·如申請專利範圍第6項的方法,其中時間為至少3 〇 秒。 1〇·如申請專利範圍第1項的方法,其中熱處理溫度為至 少 1200〇C。 本纸張尺度適用中理國家樣準(CNS) A4規格<210X297公爱) 574449 A8 B8 C8 ------ —____ D8 六、申請專利範圍 u·如申請專利範圍第1 〇項的方法,其中時間為至少2 秒0 12·如申請專利範圍第1 0項的方法,其中時間為至少i 5 秒。 13·如中請專利範圍第1 0項的方法,其中時間為至少3 〇 秒。 14·如申請專利範圍第1項的方法,其中熱處理溫度為至 少 125〇t^ 15·如申請專利範圍第1 4項的方法,其中時間為至少2 秒。 16·如申請專利範圍第1 4項的方法,其中時間為至少$ 秒。 17·如申請專利範圍第1 4項的方法,其中時間為至少i 5 秒。 18·如申請專利範圍第1 4項的方法,其中時間為至少3 〇 19.如申請專利範圍第1項的方法,其中B -缺陷可生長及 可變穩定的溫度範圍為至少500°C至lOOOt。 20·如申請專利範圍第1 9項的方法,其中加熱速度為至少 5 °C / 秒。 21.如申ό青專利範圍第1 9項的方法’其中加熱速度為至少 1 5 °C / 秒。 22·如申凊專利範圍第1 9項的方法’其中加熱速度為至少 2 5〇C/秒。 本纸張尺度適用中國國家揉準(CNS) A4规格(210X 297公釐) 574449 A8 B8 C8 ______ D8 六、申請專利範圍 23·如申請專利範圍第1項的方法,其中Β -缺陷可生長及 可變穩定的溫度範圍為至少900°C至l〇〇〇°C。 24.如申請專利範圍第23項的方法,其中加熱速度為至少 5 °C / 秒。 25·如申請專利範圍第2 3項的方法,其中加熱速度為至少 1 5 〇C / 秒。 26. 如申請專利範圍第2 3項的方法,其中加熱速度為至少 2 5 〇C / 秒。 27. 如申請專利範圍第1項的方法,其中時間為至少2秒。 28·如申請專利範圍第1項的方法,其中時間為至少5秒。 29·如申請專利範圍第1項的方法,其中時間為至少i 〇 秒。 30·如申請專利範圍第i項的方法,其中時間為至少2〇 秒〇 31·如申請專利範圍第1項的方法,其中時間為至少4〇 秒0 32. —種熱處理具有B_缺陷的單晶矽晶片以溶解B_缺陷及 影響晶片中的氧在隨後熱加工步驟中的沈澱行為的方 法,該矽晶片具有前表面及後表面,前表面與後表面 中間的中央平面,包含前表面與自前表面向中央平面 測量的距離(D)間的晶片區域之前表面層,及包含中 央平面與前表面層間的晶片區域之主體層;該方:包 含下列步驟: ^ 將該具有B -缺陷的晶片加熱至熱處理溫度至少574449 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1150°C以溶解B-缺陷及在表面與主體層中形成晶格空 位,使得作為加熱步驟的一部份,晶片溫度可以足以-防止B -缺陷穩定的加熱速度上升通過B -缺陷可生長及 可變穩定的溫度範圍; 將該晶片保持於該熱處理溫度下一段足以溶解B -缺 陷的時間;及 控制經熱處理之晶片之冷卻速度以使空位濃度分佈 在晶片中形成,其中峰密度係在中央平面上或附近而 濃度則在晶片前表面之方向遞降,且前表面與整體層 中2位濃度的差異使得在溫度超過75〇ec下之熱處理能 在晶片之前表面層形成裸露區域並在整體層形成氧群 集體或沈澱物,而整體層中氧群集體或沈澱物之濃度 則主要係視空位之濃度而定β 33.如申請專利範圍第3 2項的方法,其中熱處理溫度為至 少 1200〇C 〇 34·如申請專利範圍第3 3項的方法,其中時間為至少2 秒。 35.如申請專利範圍第33項的方法,其中時間為至少Η 秒0 36·如申請專利範圍第3 3項的方法,其中 秒。 37·如申凊專利範圍第3 2項的方法,其中 少 1250°C。 時間為至少3 〇 熱處理溫度為至 38·如申請專利範圍第3 7項的方法,其ψ 开甲時間為至少2 -4- 本紙張尺度適用中國國家揉準(CNS) A4規格(210X 297公爱) 574449 A8 B8 C8、申請專利範圍 其中時間為至少If 其中時間為至少3〇 39.如申請專利範圍第3 7項的方法 40·如申請專利範圍第3 7項的方法 41·如申清專利範圍第3 2項的方法,其中b _缺陷可生長及 可變穩定的溫度範圍為至少50(TC至l〇〇〇t。 41如申請專利範圍第4 1項的方法,其中加熱速度為至少 5 〇C / 秒。 43.如申清專利範圍第* 1項的方法,其中加熱速度為至少 1 5 °C / 秒。 44·如申請專利範圍第4 1項的方法,其中加熱速度為至少 2 5 t / 秒。 45·如申請專利範圍第3 2項的方法,其中Β -缺陷可生長及 可變穩定的溫度範圍為至少900°C至l〇〇〇°C。 46·如申請專利範圍第4 5項的方法,其中加熱速度為至少 5 〇C / 秒。 47·如申請專利範圍第4 5項的方法,其中加熱速度為至少 1 5 °C / 秒。 48. 如申請專利範圍第4 5項的方法,其中加熱速度為至少 2 5〇C/# 〇 49. 如申請專利範圍第3 2項的方法,其中時間為至少2 秒。 50·如申請專利範圍第3 2項的方法,其中時間為至少5 本紙張尺度遑用中國理家棣準(CNS) A4规格(210X 297公釐) 574449 A8 B8 C8 申請專利範圍 秒。 51·如申清專利範圍第3 2項的方法’其中時間為至少j 〇- 秒〇 52·如申請專利範圍第32項的方法,其中時間為至少40秒 或更久。 53·如申請專利範圍第3 2項的方法,其中通過晶格空位在 碎中相當流動的溫度範圍的冷卻速度為至少2 〇 °C / 秒。 54·如申請專利範圍第3 2項的方法,其中通過晶格空位在 矽中相當流動的溫度範圍的冷卻速度為至少5 (TC / 秒。 55.如申請專利範圍第3 2項的方法,其中通過晶格空位在 矽中相當流動的溫度範圍的冷卻速度為至少1⑽°c / 秒〇 -6-本紙張尺度適用中國理家橾準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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