CN113960892A - 可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻的方法与装置 - Google Patents

可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻的方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻的方法与装置，本发明装置利用像旋转器对多光束排布方向进行旋转，使得多光束排布方向与转镜扫描方向连续可调，实现了五种不同的高速扫描策略。本发明基于上述五种不同扫描策略，有效解决了现有并行激光直写由于扫描策略单一导致扫描效果与扫描速度不佳的问题。本发明针对不同应用，使用不同扫描策略，实现扫描速度与扫描质量的双重提升。

Description

可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻的方法与装置
技术领域
本发明属于双光子激光直写光刻领域，尤其涉及一种可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻的方法与装置。
背景技术
双光子激光直写可以在保持nm-um级高精度的同时，实现mm-cm级介观尺寸物体的加工。这一能力允许人们在介观尺寸物体上实现微米级甚至纳米级的功能特征，这在高精度新型复杂器件与结构研究领域显得尤其重要，例如片上集成系统，微纳光学，超材料等。现阶段，双光子激光直写光刻技术依然存在一些问题，其中难以实现介观尺度的高速刻写是制约其进一步推广的主要因素，以扫描速度不足与刻写策略不完善为主要原因。
使用更高速的扫描元件对传统振镜进行替换，例如多面体扫描镜(PLS)，又称转镜，或者声光偏转器(AOD)可有效提高刻写速度。另一方面，使用多光束同步扫描也是提升刻写速度的有效方法。如何将两者有效结合，是目前双光子激光直写光刻发展的一个主流方向。目前，AOD因为对光入射角要求高以及群速度色散等问题，难以与多光束扫描相结合，而转镜，可以达到与AOD同等级的扫描速度，并且易于和多光束扫描相结合。但是转镜只能沿同一个方向扫描，因此它在使用上不够灵活。目前使用转镜进行多光束并行激光直写的方法比较简单，难以真正发挥多光束转镜扫描的优势。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻的方法与装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻的方法，包括以下步骤：
a)基于激光器产生一束刻写激光；
b)基于光学衍射器件生产不同衍射方向传播的多路光束；
c)基于多通道高速光开关独立控制每束光开关；
d)基于转镜对多光束进行高速扫描，实现第一维扫描；
e)选择扫描策略一、二、三、四、五中的一种，基于像旋转器对多光束排布方向进行调制，实现三维扫描光刻。
进一步地，所述扫描策略一包括步骤：
a)使用像旋转器将多光束排布方向调整到与转镜扫描方向垂直；
b)打开多通道高速光开关，输出多光束刻写波形，转镜扫描N次，N＝1，2，3...，完成同一行N次扫描；
c)关闭多通道高速光开关，位移台沿垂直转镜扫描方向进行一次步进移动；
d)重复步骤b)和步骤c)，当位移台完成指定次步进后，相邻光束刻写区域开始重合，此时位移台进行一次长距离运动，移动距离L1为：L1＝D相邻×N光束，其中D相邻表示多光束相邻两束光的距离，N光束表示多光束数；
e)重复步骤b～d)，直到所有图形刻写完成。
进一步地，所述扫描策略二包括步骤：
a)使用像旋转器将多光束排布方向调整到与转镜扫描方向平行；
b)打开多通道高速光开关，输出多光束刻写波形，转镜扫描N次，N＝1，2，3...，完成同一行N次扫描；
c)关闭多通道高速光开关，位移台沿垂直转镜扫描方向进行一次步进移动；
d)重复步骤b)和步骤c)，当位移台完成指定次步进后，完成垂直于转镜扫描方向的一整列区域刻写，此时位移台沿平行于转镜扫描方向进行一次运动，移动距离L2为：L2＝L转镜，其中L转镜表示转镜一次扫描可实现的刻写范围；
e)重复步骤b～d)，直到所有图形刻写完成。
进一步地，所述扫描策略三包括步骤：
a)使用像旋转器将多光束排布方向调整到与转镜扫描方向呈一个小角度θ3，角度大小满足：sinθ3＝δd/D相邻，其中δd表示相邻两行的设定间距；
b)打开多通道高速光开关，输出多光束刻写波形，转镜扫描N次，N＝1，2，3...，完成同一行N次扫描；
c)关闭多通道高速光开关，位移台沿垂直或平行转镜扫描方向进行一次步进移动；
d)重复步骤b)和步骤c)，当位移台完成指定次步进后，完成垂直于转镜扫描方向的一整列区域刻写，此时位移台沿平行于转镜扫描方向进行一次运动，移动距离L3为：L3＝L转镜-L无效3，其中L转镜表示转镜一次扫描可实现的刻写范围，L无效3表示由于多光束倾斜而导致的无效刻写区域，L无效3＝D相邻×N光束/cosθ3；
e)重复步骤b～d)，直到所有图形刻写完成。
进一步地，所述扫描策略四包括步骤：
a)使用像旋转器将多光束排布方向调整到与转镜扫描方向平行；
b)打开多通道高速光开关，输出多光束刻写波形，转镜扫描与位移台扫描同步进行，位移台以恒定速度移动，方向与实际刻写方式垂直，此时实际刻写方向会与转镜扫描方向呈一个小角度θ4，角度大小满足：
Figure BDA0003321979710000031
其中vstage表示位移台移动速度，vPLS表示转镜扫描速度；
c)位移台匀速扫描直到完成一整列区域刻写，关闭光开关；
d)位移台先沿平行于刻写方向进行一次步进移动，移动距离L4为：L4＝L转镜-L无效4，其中L转镜表示转镜一次扫描可实现的刻写范围，L无效4表示由于多光束倾斜而导致的无效刻写区域，L无效4＝D相邻×N光束/cosθ4；随后再沿先前匀速扫描反向进行一次步进移动，移动距离L4-2＝L列，L列表示一整列刻写区域的长度。
e)重复步骤b～d)，直到所有图形刻写完成。
进一步地，所述扫描策略五包括步骤：
a)使用像旋转器将多光束排布方向调整到与转镜扫描方向平行；
b)打开多通道高速光开关，输出多光束刻写波形，转镜扫描与位移台扫描同步进行，位移台以恒定速度移动，方向与转镜扫描方式垂直，此时实际刻写方向会与转镜扫描方向呈一个小角度θ5，角度大小满足：
Figure BDA0003321979710000032
位移台移动速度vstage与转镜扫描速度vPLS满足：
Figure BDA0003321979710000033
c)位移台匀速扫描直到完成一整列区域刻写，关闭光开关；
d)位移台沿平行于刻写方向进行一次步进移动，移动距离L5为：L5＝L转镜-L无效5，其中L转镜表示转镜一次扫描可实现的刻写范围，L无效5表示由于多光束倾斜而导致的无效刻写区域，L无效5＝D相邻×N光束。
e)重复步骤b～d)，直到所有图形刻写完成。
一种可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻的装置，包括：
激光器，产生一束飞秒激光束用于双光子激光直写；
群速度色散补偿单元，对800nm飞秒脉冲进行负的群速度色散预补偿，用于抵消后续光路传播中所产生的正群速度色散；
扩束整形装置，用于产生高质量的扩束、准直偏振光；
光学衍射器件，用于产生高通量并行刻写光束；
多通道高速光开关装置，用于独立控制高通量并行刻写光束中各子光束的通断；
像旋转器装置，用于将多光束排布方向与转镜扫描方向进行连续调节；
高速转镜，用于实现高通量并行刻写光束的水平并行扫描；
扫描透镜系统，用于将高通量并行刻写光束聚焦在光刻样品上；
样品平移运动机构，用于将光刻样品垂直步进移动和大范围三维移动。
优选地，所述激光器使用532nm或780nm飞秒激光器。
优选地，所述群速度色散补偿单元包括群速度色散补偿元件，若干反射镜以及一维位移台，飞秒激光入射后经过反射镜引导反复通过群速度色散补偿元件，共计4次。通过一维位移台调节第一次入射和第二次入射之间的距离可调节补偿量。
优选地，所述群速度色散补偿元件包括但不限于以下元件：光栅，棱镜。
优选地，所述补偿量计算方式参考文献Kim，D.U.，et al.，Two-photonmicroscopy using an Yb(3+)-doped fiber laser with variable pulse widths.OptExpress，2012.20(11)：p.12341-9。
优选地，所述后续光路传播中所产生的正群速度色散的计算方法如下：
a)确定系统中所有可产生群速度色散的光学元件；
b)确定以上各个元件所使用的材料；
c)在文献或在线数据库中查询各个材料的群速度色散GVD大小；
d)确定各个元件的厚度d；
e)根据公式GDD＝∑GVDi×di，i＝1，2，3…，确定系统总的群速度延迟GDD，公式中i表示第i个元件。
优选地，所述光学衍射器件包括但不限于以下器件：空间光调制器SLM、数字微镜器件DMD、衍射光学元件DOE。
优选地，所述多通道高速光开关使用多通道声光调制器。
优选地，所述扩束装置包括两个透镜，前后摆放的两个透镜焦点重合，焦距f1，f2与入射/出射光斑大小之间D1，D2存在以下关系：
Figure BDA0003321979710000041
优选地，所述整形装置在扩束装置的基础上，在两个透镜重合的焦点位置放置一个针孔，针孔大小D由以下公式确定：
Figure BDA0003321979710000042
λ表示波长，f表示入射透镜焦距，r表示入射光束能量1/e2处半径。
优选地，所述像旋转器装置，包括但不限于以下器件：道威棱镜、三面反射镜。
优选地，所述扫描透镜系统，包括一个扫描透镜，一个场镜以及一个物镜。扫描透镜与场镜组成4f系统，放置于转镜与物镜之间，转镜与物镜分别置于4f系统的前后焦平面处。
优选地，所述样品平移运动机构包括但不限于以下器件：压电位移台、空气轴承位移台、机械电动位移台、手动位移台，以及至少含有一种上述器件的组合。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明基于像旋转器提供了一套高速并行激光直写系统装置，使用像旋转器对多光束的排列方向进行旋转操作，实现多光束排列方向与转镜扫描方向夹角可连续调节；通过对多光束排列方向进行连续调节，实现多样化的刻写方式；解决了传统转镜激光直写系统中刻写方式单一的问题；
(2)本发明基于像旋转器提出了新的转镜扫描方法，利用像旋转器调节多光束排布方向与转镜扫描方向的夹角，对于不同应用环境可使用不同扫描策略。解决了传统转镜激光直写系统由于扫描策略单一的问题，有效提高不同应用环境下的刻写效率。
附图说明
图1为本发明可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻装置的示意图；其中：1、激光器；2、780nm半波片；3-4、反射镜；5-6、衍射光栅；7、屋脊反射镜；8、反射镜；9-10、4f扩束透镜组；11-12、反射镜；13、空间光调制器；14、反射镜；15、透镜；16、多通道声光调制器；17、透镜；18、反射镜；19、像旋转器；20、反射镜；21、转镜；22、扫描透镜；23、场镜；24、二向色镜；25、高NA物镜；26、光刻胶样品；27、压电位移台；28、空气轴承位移台；29、成像透镜；30、等比例分光片；31、聚光透镜；32、光阑；33、照明光源；34、相机；35、计算机；
图2为本发明可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻方法实现的示意图；其中，空心箭头表示刻写方向，虚线空心箭头表示位移台不连续位移，实线空心箭头表示位移台连续位移；
图3为本发明中像旋转器装置的示意图；其中：36、反射棱镜；37、反射镜；
图4为空间光调制器产生的6光束实验拍摄照片示意图；
图5为本发明核心部分的简化示意图。
具体实施方式
为了更加清楚地阐释本发明的目的、技术方案及优点，以下结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的原理和精神，均应涵盖在本发明的保护范围内。
本发明一种可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻装置，由激光器、群速度色散补偿单元、扩束/整形装置、光学衍射器件、多通道高速光开关装置、像旋转器装置、高速转镜、扫描透镜系统、样品平移运动机构组成。
如图1所示，本发明一种实施例，具体为：激光器1产生一束780nm飞秒激光，透过780nm半波片2进行偏振调整。经过反射镜3-4调整激光方向后，透过衍射光栅5-6，再由屋脊反射镜7对光束进行高度提升后，原路返回衍射光栅6-5。反射镜3选择为D型反射镜，从衍射光栅5返回的光束经反射镜4反射，从反射镜3上方传播(即越过反射镜3)，并由反射镜8反射进入扩束透镜组9-10，完成扩束。再由反射镜11-12调整光束方向后入射到空间光调制器13，通过在空间光调制器13上加载全息图将单光束调制为多光束。再经过反射镜14反射，通过透镜15对全息图进行傅里叶变换，在透镜15焦平面处产生多焦点。如图5所示，多通道声光调制器16放置在透镜15焦平面处，每个通道通过一个焦点，以实现对每一束光的独立调制。再由透镜17对发散光重新准直，经过反射镜18，进入像旋转器19。经过像旋转器19调制后，经反射镜20反射后进入转镜21。多光束通过转镜21反射后经过扫描透镜22、场镜23，再由二向色镜24反射后进入高NA物镜25，并聚焦到光刻胶样品26上。压电位移台27和空气轴承位移台28在程序控制下带动光刻胶样品26进行扫描运动。照明光源33采用LED灯，发出的照明光通过光阑32后被聚光透镜31转化为平行光，再经过等比例分光片30反射后，依次经过成像透镜29、二向色镜24，聚焦到高NA物镜25的入瞳处。此外，光刻胶样品26处图像依次经过高NA物镜25、二向色镜24、成像透镜29、等比例分光片30成像到相机34处，用于刻写观察。如图4所示为实验中在高NA物镜25焦平面测到的六光束成像图。
如图2所示，本发明一种可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻方法，提供五种不同扫描策略；图2中，(a)、(b)、(c)是基于先转镜扫描后位移台移动思路设计的传统扫描策略，(d)、(e)是基于转镜扫描与位移台同步运动思路设计的优化型传统扫描策略。具体如下：
一，如图2(a)所示，多光束沿x方向扫描，每扫描一行，位移台上移一次，直至把上方区域扫描完全。此时，完全关闭光开关，控制位移台进行一次大范围移动，如右侧箭头所示，之后再重复之前的扫描操作。如此循环往复，可实现介观尺度的扫描。这是最简单的扫描方式。
二，如图2(b)所示，多光束通过像旋转器呈水平排列，与扫描方向一致，每扫描一行，位移台上移一次，直至把左边区域扫描完全；虚线空心箭头表示当前区域的刻写方向。此时，完全关闭光开关，控制位移台进行一次大范围移动，如下方箭头所示，之后再重复之前的扫描操作。如此循环往复，可实现介观尺度的扫描。相较于策略一，位移台大范围移动的次数明显减少，但是每束光扫描长度变短，效率或未明显增加。
三，如图2(c)所示，多光束通过像旋转器旋转，与x方向呈一定角度，这样在扫描过程中每束光在y方向上实现一定错位，相较于策略二，可以更充分利用每束光的扫描范围。但相较于策略一，还是有一部分光(x方向箭头的虚线部分)无法利用，扫描到x方向箭头的虚线部分时需关闭光开关。
四，在之前的三种策略中，都使用的是首先进行转镜x方向扫描，当扫描结束后关闭光开关，再进行位移台移动，这种控制方式相对简单，但一定程度上影响效率，更好的方式是让位移台以一个恒定的速度进行匀速移动。本策略就是使用了这一思路，如图2(d)所示，多光束首先通过像旋转器呈水平排列，在转镜扫描过程中，同步移动位移台，位移台移动方向与最终扫描路径垂直，其中夹角θ4与线条间距δd(分辨率/um)满足：
Figure BDA0003321979710000071
其中，θ4为多光束的排列方向和扫描路径的夹角；δd为两相邻扫描路径的间距；D相邻表示多光束相邻两束光的距离，vstage表示位移台的移动速度，vPLS表示转镜的移动速度。
五，如图2(e)所示，策略四的方法在实现拼接时每次都需要从上向下(如图2(d)下方箭头所示)，会导致位移台大范围移动，不利于高精度刻写。本策略在策略四的基础上进一步优化，与策略四类似，通过控制位移台连续向下扫描，随后在位移台下移右侧区域时连续向上扫描。从图中可以看出，由于扫描方向改变，实际的刻写方向在左右两块区域并不相同，因此这就需要在路径规划时做出调整，在路径规格时需要就具体对应的位移台移动方向将路径规划方向进行±θ5角度的旋转。
如图3(a)所示，本发明一种像旋转器装置的设计方案，具体为：反射棱镜36顶角为120°，顶角距离反射镜37的距离H与斜边L满足L＝2H；图中箭头所指为像平面。图3中的(b)、(c)、(d)为(a)的模拟仿真结果；仿真结果显示的为像平面上多光束的排列方向随像旋转器旋转而产生的旋转。(b)为像旋转器0°，此时多光束竖直排列；(c)为像旋转器22.5°，此时多光束旋转45°排列；(d)为像旋转器45°，此时多光束旋转90°，水平排列。

Claims (9)

1.一种可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻的方法，其特征在于，包括步骤：
a)基于激光器产生一束刻写激光。
b)基于光学衍射器件生产不同衍射方向传播的多路光束。
c)基于多通道高速光开关独立控制每束光开关。
d)基于转镜对多光束进行高速扫描，实现第一维扫描。
e)选择扫描策略，基于像旋转器对多光束排布方向进行调制，实现三维扫描光刻。
2.如权利要求1所述可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻的方法，其特征在于，所述扫描策略包括以下步骤：
1a)使用像旋转器将多光束排布方向调整到与转镜扫描方向垂直；
1b)打开多通道高速光开关，输出多光束刻写波形，转镜扫描N次，N＝i，2，3...，完成同一行N次扫描；
1c)关闭多通道高速光开关，位移台沿垂直转镜扫描方向进行一次步进移动；
1d)重复步骤1b)和步骤1c)，当位移台完成指定次步进后，相邻光束刻写区域开始重合，此时位移台进行一次长距离运动，移动距离L1为：L1＝D相邻×N光束，其中D相邻表示多光束相邻两束光的距离，N光束表示多光束数；
le)重复步骤1b)～1d)，直到所有图形刻写完成。
3.如权利要求1所述可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻的方法，其特征在于，所述扫描策略包括以下步骤：
2a)使用像旋转器将多光束排布方向调整到与转镜扫描方向平行；
2b)打开多通道高速光开关，输出多光束刻写波形，转镜扫描N次，N＝1，2，3...，完成同一行N次扫描；
2c)关闭多通道高速光开关，位移台沿垂直转镜扫描方向进行一次步进移动；
2d)重复步骤2b)和步骤2c)，当位移台完成指定次步进后，完成垂直于转镜扫描方向的一整列区域刻写，此时位移台沿平行于转镜扫描方向进行一次运动，移动距离L2为：L2＝L转镜，其中L转镜表示转镜一次扫描可实现的刻写范围；
2e)重复步骤2b)～2d)，直到所有图形刻写完成。
4.如权利要求1所述可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻的方法，其特征在于，所述扫描策略包括以下步骤：
3a)使用像旋转器将多光束排布方向调整到与转镜扫描方向呈一个小角度，角度大小满足：sinθ3＝δd/D相邻，其中δd表示相邻两行的设定间距；
3b)打开多通道高速光开关，输出多光束刻写波形，转镜扫描N次，N＝1，2，3...，完成同一行N次扫描；
3c)关闭多通道高速光开关，位移台沿垂直或平行转镜扫描方向进行一次步进移动；
3d)重复步骤3b)和步骤3c)，当位移台完成指定次步进后，完成垂直于转镜扫描方向的一整列区域刻写，此时位移台沿平行于转镜扫描方向进行一次运动，移动距离L3为：L3＝L转镜-L无效3，其中L转镜表示转镜一次扫描可实现的刻写范围，L无效3表示由于多光束倾斜而导致的无效刻写区域，L无效3＝D相邻×N光束/cosθ3；
3e)重复步骤3b)～3d)，直到所有图形刻写完成。
5.如权利要求1所述可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻的方法，其特征在于，所述扫描策略包括以下步骤：
4a)使用像旋转器将多光束排布方向调整到与转镜扫描方向平行；
4b)打开多通道高速光开关，输出多光束刻写波形，转镜扫描与位移台扫描同步进行，位移台以恒定速度移动，方向与实际刻写方式垂直，此时实际刻写方向会与转镜扫描方向呈一个小角度，角度大小满足：
Figure FDA0003321979700000021
其中vstage表示位移台移动速度，vPLS表示转镜扫描速度；
4c)位移台匀速扫描直到完成一整列区域刻写，关闭光开关；
4d)位移台先沿平行于刻写方向进行一次步进移动，移动距离L4为：L4＝L转镜-L无效4，其中L转镜表示转镜一次扫描可实现的刻写范围，L无效4表示由于多光束倾斜而导致的无效刻写区域，L无效4＝D相邻×N光束/cosθ4；随后再沿先前匀速扫描反向进行一次步进移动，移动距离L4-2＝L列，L列表示一整列刻写局域的长度。
4e)重复步骤4b)～4d)，直到所有图形刻写完成。
6.如权利要求1所述可连续像旋转调制的高速并行激光直写光刻的方法，其特征在于，所述扫描策略包括以下步骤：
5a)使用像旋转器将多光束排布方向调整到与转镜扫描方向平行；
5b)打开多通道高速光开关，输出多光束刻写波形，转镜扫描与位移台扫描同步进行，位移台以恒定速度移动，方向与转镜扫描方式垂直，此时实际刻写方向会与转镜扫描方向呈一个小角度，角度大小满足：
Figure FDA0003321979700000022
位移台移动速度vstage与转镜扫描速度vPLS满足：
Figure FDA0003321979700000031
5c)位移台匀速扫描直到完成一整列区域刻写，关闭光开关；
5d)位移台沿平行于刻写方向进行一次步进移动，移动距离L5为：L5＝L转镜-L无效5，其中L转镜表示转镜一次扫描可实现的刻写范围，L无效5表示由于多光束倾斜而导致的无效刻写区域，L无效5＝D相邻×N光束。
5e)重复步骤5b)～5d)，直到所有图形刻写完成。
7.一种用于实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于，包括：
激光器，用于发出刻写激光；
群速度色散补偿单元，用于抵消后续光路传播中所产生的正群速度色散；
扩束整形装置，用于产生高质量的扩束、准直偏振光；
光学衍射器件，用于产生高通量并行刻写光束；
多通道高速光开关装置，用于独立控制高通量并行刻写光束中各子光束的通断；
像旋转器装置，用与将多光束排布方向与转镜扫描方向进行连续调节；
高速转镜，用于实现高通量并行刻写光束的水平并行扫描；
扫描透镜系统，用于将高通量并行刻写光束聚焦在光刻样品上；
样品平移运动机构，用于将光刻样品垂直步进移动和大范围三维移动。
8.如权利要求7所述装置，其特征在于，所述群速度色散补偿单元包括群速度色散补偿元件，若干反射镜以及一维位移台。所述光学衍射器件包括空间光调制器SLM、数字微镜器件DMD、衍射光学元件DOE。所述多通道高速光开关装置为多通道声光调制器。所述扫描透镜系统包括但不限于以下器件：扫描透镜、场镜和物镜，以及至少含有一种上述器件的组合。所述样品平移运动机构包括但不限于以下器件：压电位移台、空气轴承位移台、机械电动位移台、手动位移台，以及至少含有一种上述器件的组合。所述像旋转器装置包括道威棱镜、三面反射镜。
9.如权利要求8所述装置，其特征在于，所述群速度色散补偿元件包括但不限于以下元件：光栅、棱镜等。
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