DE4418163A1 - Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Strukturen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen StrukturenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel
lung von mikromechanischen Strukturen nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, auf der Oberfläche von Halbleiter
bauelementen, beispielsweise von integrierte Schal
tungen (IC) aufweisenden Silizium-Wafern, mikrome
chanische Strukturen aufzubringen. Dies können bei
spielsweise als kapazitive Beschleunigungssensoren,
der aus einer federnd aufgehängten seismischen Mas
se sowie einer Kammstrukturanordnung zur kapazi
tiven Auswertung der beschleunigungsbedingten Aus
lenkung der seismischen Masse besteht, ausgebildete
freibewegliche Sensorelemente sein.
Die traditionellen Verfahren der Oberflächen-Mikro
mechanik benutzen zur Realisierung solcher Bau
elemente beispielsweise in den Waferaufbau inte
grierte Opferschichten und darüber aktive
Silizium-Schichten, zum Beispiel aus Polysilizium über
Siliziumoxid-Inseln, so daß ein massiver Eingriff
in den IC-Prozeß vorgenommen werden muß.
Nach einem weiteren bekannten Herstellungsverfahren
werden diese Sensorelemente mit Hilfe der
LIGA-Technik in galvanisch abgeschiedenen Metall
schichten realisiert. Beim LIGA-Verfahren werden
durch mit Synchrotronbelichtung hergestellte hohe
Röntgenresiststrukturen galvanisch abgeformt und
hieraus zunächst eine erste Prägeform gewonnen.
Diese Prägeform wird anschließend zum Prägen unter
hohem Druck von auf Wafern aufgebrachten Polymer
schichten benutzt, die somit eine Negativform er
geben, die anschließend galvanisch aufgefüllt wird.
Die Polymerform wird im Anschluß zerstört, so daß
das Sensorelement freiliegt. Hierbei ist nach
teilig, daß eine Synchrotronbelichtung nur unter
großem und damit kostspieligem Aufwand mittels
zusätzlicher, für eine Hableiterbauelement-Herstel
lung nicht fertigungsüblichen Synchrotronanlagen
durchgeführt werden kann. Weiterhin besteht durch
die hohen Prägedrücke während des Abprägens der
Negativstrukturen die Gefahr der Zerstörung des
Wafers, der Prägeform bzw. der in dem Wafer inte
grierten elektronischen Schaltungen. Weiterhin ist
eine genaue Justage beim Prägen der Sensorelemente
zu den auf den Wafern enthaltenen Schaltungen
problematisch. Durch eine Abnutzung der Prägeform
ist es erforderlich, durch Umprägen mehrere Toch
terformen zu erstellen, bevor die eigentliche
Herstellung der Sensorelemente stattfinden kann.
Die Funktion des Prozesses als Ganzes konnte bisher
noch nicht praktisch nachgewiesen werden. In jedem
Fall stellt das Prägen auf einem IC-Wafer einen
gefährlichen Eingriff in den IC-Prozeß dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch
1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß die
Herstellung der mikromechanischen Strukturen nicht
von dem Prozeß der Herstellung der Halbleiter
bauelemente mit den integrierten Schaltungen ab
hängig ist und an diesen keine zusätzlichen Randbe
dingungen stellt. Der Elektronikteil und der durch
die mikromechanischen Strukturen gebildete Sensor
teil sind prozeßtechnisch voneinander entkoppelt,
so daß Weiterentwicklungen eines jeden Teiles unab
hängig voneinander betrieben werden können. Ein
wechselseitiger zusätzlicher Entwicklungsaufwand
zur Anpassung eines neuen Elektronikteiles an ein
neues Sensorteil und umgekehrt ist nicht erforder
lich. Der Sensorteil kann somit ohne Zeitverzug mit
dem jeweils neuesten, fortgeschrittensten Prozeß
zur Herstellung von integrierten Schaltungen kombi
niert werden. Im Gegensatz zum LIGA-Verfahren, das
an sich ebenfalls eine additive Technik darstellt,
werden nur Standardanlagen und -prozesse der
IC-Technik eingesetzt und riskante Prozeßschritte mit
hohem Ausfallrisiko, wie das Prägen, vermieden. Der
Einsatz zusätzlicher, für die Herstellung der
Halbleiterbauelemente vollkommen artfremder
Verfahrensschritte wird somit vermieden. Es ist
weiter möglich, Sensorstrukturen über aktive
IC-Flächen anzuordnen und damit eine Mehrfachnutzung
der Chipflächen zu erreichen. Der Sensor benötigt
somit im Prinzip keine zusätzliche Fläche, da er
über einen Teil der Fläche der elektronischen
Schaltung plaziert wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß alle Pro
zeßschritte zur Herstellung der mikromechanischen
Strukturen zu den bereits vorhandenen Halbleiter
bauelementen verträglich sind, also insbesondere
bei niedrigen Temperaturen bis ca. 200°C ablaufen.
Damit ist das nachträgliche Aufsetzen der mikro
mechanischen Strukturen auf fertigprozessierten
Halbleiterbauelementen mit integrierten Schaltungen
möglich. Eine Beeinflussung der integrierten Schal
tungen ist, wie bei den bekannten Herstellungs
verfahren, nicht gegeben. Darüber hinaus kann mit
den Verfahrensschritten eine genaue Justage der
mikromechanischen Strukturen zu den Kontaktflächen
der integrierten Schaltungen einfach durchgeführt
werden, so daß eine Ankopplung der Strukturen mit
sehr hoher Genauigkeit erfolgen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine wesent
lich breitere Designfreiheit als die LIGA-Technik,
da schmalere/kleinere Strukturen realisiert werden
können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen
genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungs
beispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines
mit einer mikromechanischen Struktur ver
sehenen Halbleiterbauelements und
Fig. 2 ein Flußdiagramm eines Herstellungs
verfahrens des in Fig. 1 gezeigten
Halbleiterbauelements.
Fig. 1 zeigt ein allgemein mit 10 bezeichnetes
Halbleiterbauelement, das einen Silizium-Wafer 12
aufweist, der auch, hier nicht dargestellte, inte
grierte elektronische Schaltungen enthalten kann.
Der Wafer 12 ist mit einer üblichen IC-Passivierung
14 versehen, die im Bereich eines hier angedeuteten
Kontakt-Pads 16 wie üblich unterbrochen ist. Der
oder die Kontakt-Pads 16 stellen eine elektrisch
leitende Verbindung zwischen der in dem Wafer 12
integrierten elektronischen Schaltung und den spä
ter aufzubringenden Sensorelementen her. In einem
Verfahrensschritt 50 (Fig. 2) wird auf das Halb
leiterbauelement 10 eine Schicht 18 eines Resist,
beispielsweise eines durchsichtigen Fotolacks auf
gebracht, zum Beispiel aufgeschleudert, und foto
litographisch strukturiert, so daß lediglich Be
reiche 20 der Schicht 18 verbleiben. Die Bereiche
20 verbleiben dabei an den Stellen, an denen kein
Kontakt einer nachfolgend aufzubringenden Metall
schicht, die als plating base dient, mit der
Oberfläche des Wafers 12 gewünscht wird. Die
Bereiche 20 werden durch eine Maske markiert und
die Schicht 18 entsprechend lithographiert. Bei der
Maskierung ist zu beachten, daß die Kontakt-Pads 16
freibleiben, das heißt, über diesen keine Schicht
18 verbleiben darf. Die verbliebenen Bereiche 20
werden danach wärmebehandelt, beispielsweise bei
ca. 200°C ausgehärtet.
In einem zweiten Verfahrensschritt 52 wird über dem
Wafer 12 eine Metallschicht 22 abgeschieden, die
die gesamte Oberfläche des Wafers 12 abdeckt. Die
Metallschicht 22 wird beispielsweise aufgesputtert.
Die Metallschicht 22 paßt sich dabei der durch die
Bereiche 20 und die Sensor-Kontakt-Pads 16 vorge
gebenen Topographie an und überdeckt entsprechend
diese Bereiche vollständig. Die Metallschicht 22
bildet mit den Sensor-Kontakt-Pads 16 eine elek
trisch leitende Verbindung und stellt somit gleich
zeitig den elektrischen Anschluß der aufzubringen
den Sensorelemente dar.
In einem nächsten Verfahrensschritt 54 wird auf die
Metallschicht 22 eine im Verhältnis dicke Schicht
24 aus Resist, beispielsweise durchsichtigem Foto
lack, aufgebracht. Die Schicht 24 kann ebenfalls
durch Aufschleudern, gegebenenfalls durch mehr
maliges nacheinanderfolgendes Aufschleudern aufge
bracht werden, bis eine gewünschte Schichtdicke er
reicht ist. Die Schichtdicke richtet sich nach der
Höhe der später aufzubringenden Sensorelemente und
beträgt beispielsweise ca. 10 bis 20 µm. Die
Schicht 24 wird anschließend wärmebehandelt und
beispielsweise bei einer Temperatur von ca. 200°C
ausgehärtet.
In einem vierten Verfahrensschritt 56 wird auf die
Schicht 24 eine Niedertemperaturplasmaschicht 26,
beispielsweise eine dünne Plasmaoxid- oder Plasma
nitridschicht, abgeschieden. Diese Schicht 26 wird
beispielsweise bei einer Abscheide-Temperatur von
ca. 200°C in einer Dicke von 200 nm bis 500 nm ab
geschieden. Über die Niedertemperaturplasmaschicht
26 wird in einem nächsten Verfahrensschritt 58 eine
dünne Schicht 28 aus einem Resist, beispielsweise
einem durchsichtigen Fotolack, aufgebracht.
Die Schicht 28 wird mit Hilfe einer Maske belich
tet, um so die späteren Bereiche des Sensorelements
zu definieren. Diese Belichtung der Schicht 28 er
folgt in einem justierten Prozeß und wird in einfa
cher Weise durch die Durchsichtigkeit der aufge
brachten Schichten 24, 26 und 28 unterstützt und
ermöglicht so eine genaue Ausrichtung auf den
Wafern 12. Die Justage auf den Wafern 12 wird
einerseits durch die sichtbaren Bereiche der
Kontakt-Pads 16 als auch durch die markanten Topo
graphieunterschiede der Bereiche 20 ermöglicht.
Darüber hinaus können weitere auf dem Halbleiter
bauelement vorhandene Justagestrukturen, beispiels
weise Justierkreuze usw. verwendet werden.
Nach dem Belichten der Schicht 28 werden die be
lichteten Bereiche in einem nächsten Verfahrens
schritt 60 durch Entwickeln freigelegt und durch
Ätzen der Schicht 26 bis auf die Schicht 24 in
diese eine entsprechende Maske 30 für das spätere
Sensorelement erzeugt. In dem in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel besteht das spätere Sensor
element aus einer kammartigen Struktur mit einer
Vielzahl von ineinandergreifenden Fingern mit
senkrechten Seitenwänden.
In einem nächsten Verfahrensschritt 62 wird mit
Hilfe eines Plasmaätzprozesses die Schicht 24 bis
zur Metallschicht 22 durchgeätzt, wobei die zuvor
in den Schichten 26 und 28 erzeugte Maske 30
verwendet wird. Der Plasmaätzprozeß wird bei
spielsweise als Hochratenplasmaätzprozeß mit einer
hochdichten Plasmaquelle, beispielsweise vom ECR-,
PIE-, ICP-, oder Helicontyp durchgeführt. Hierbei
können bei einem ionenunterstützten Ätzen bei hoher
Ionendichte sehr hohe Ätzraten und eine hohe
Anisotropie erreicht werden, so daß die Struk
turierung der später das Sensorelement ergebenden
Bereiche mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden
kann. Als Ätzgase werden beispielsweise ein Gemisch
aus Argon Ar und Sauerstoff O₂, insbesondere ein
Gemisch von 150 sccm Argon mit 50 sccm Sauerstoff
bei einem Druck von beispielsweise 10 µbar, einge
setzt. Zusätzlich kann ein geringer Anteil von
Fluor enthaltenden Gasen, beispielsweise SF₄, CF₄,
C₂F₆, CHF₃ usw. zugesetzt werden, um als
"Scavenger" abgesputtertes Maskenmaterial flüchtig
in der Gasphase zu halten und an der Deposition in
den Strukturgräben zu hindern. Durch Einstellung
bzw. Erhöhung der Ionendichte und der Ionenenergie
während des Plasmaätzens und/oder durch Absenken
der Temperatur des Wafers 12 während des Ätzens
kann ein isotroper Prozeßanteil, das heißt ein
seitliches Hinterätzen der Maske 30, reduziert
werden. Hierdurch ist eine weitere Erhöhung der
Strukturgenauigkeit möglich. Gleichzeitig kann die
laterale Auflösung erhöht werden, das heißt der ge
ringstmögliche Abstand zwischen zwei nebeneinander
liegenden Strukturbereichen des späteren Sensorele
ments verkleinert werden. Während dieses Ätzprozes
ses werden in der Schicht 24 die in Fig. 1 ange
deuteten senkrecht verlaufenden Gräben, Schluchten,
Löcher oder ähnliches (Strukturen 32) strukturiert.
Die Strukturen 32 werden dabei bis auf die Metall
schicht 22 heruntergeätzt, so daß diese in den her
ausgeätzten Bereichen freiliegt. Gleichzeitig wird
während des Ätzprozesses die obere Lack-Schicht 28
komplett abgeätzt.
Die erzeugten Strukturen 32 bilden eine Negativform
des späteren Sensorelements und werden in einem
nächsten Verfahrensschritt 62 galvanisch bis zu ei
ner gewünschten Höhe aufgefüllt. Hierbei werden in
den Strukturen 32 Galvanik-Elemente 34 aufgebaut,
die mit der Metallschicht 22 verbunden sind.
In einem weiteren Verfahrensschritt 64 wird die
verbliebene Masken-Schicht 26 entfernt, sowie die
Schicht 24 aufgelöst, beispielsweise trocken in
einem O₂-Plasma verascht. Die Metallschicht 22 wird
in den Bereichen, in denen keine Galvanik-Elemente
34 vorliegen, abgeätzt. Schließlich werden die Be
reiche 20 unterhalb der mit den Galvanik-Elementen
34 verbundenen Metallschicht 22 entfernt, bei
spielsweise verascht, die somit als sogenannte
Opferschichtbereichedienen. Nach Abschluß des Ent
fernens sämtlicher ursprünglich zur Strukturierung
der Strukturen 32 bzw. zum Aufbau der Galvanik-
Elemente 34 benötigten Schichten, liegt das von den
Galvanik-Elementen bzw. der mit diesen verbundenen
übriggebliebenen Metallschicht 22 gebildete Sensor
element frei. Dieses Sensorelement bildet in dem in
Fig. 1 gezeigten Beispiel eine kammartige Struktur
aus, kann jedoch jede andere beliebige Form auf
weisen. Über die mit den Sensor-Kontakt-Pads 16
kontaktierten Bereiche der Metallschicht 22 ist das
geschaffene Sensorelement mit der integrierten
elektronischen Schaltung in dem Wafer 12 verbunden.
Insgesamt kann somit mit einfachen modifizierten
Verfahrensschritten, die prinzipiell bei der Her
stellung der integrierten Schaltungen in den Wafern
12 bereits Anwendung finden, an jeder beliebigen
Stelle auf dem Wafer 12 in jeder beliebigen Geo
metrie ein Sensorelement aufgebracht werden, ohne
daß der Prozeß des Aufbringens des Sensorelements
unmittelbar mit dem Prozeß der Herstellung der
integrierten Schaltung gekoppelt ist. Somit ist
eine gegenseitige Beeinflussung weitgehend ausge
schlossen.
Werden die geschaffenen Sensorelemente beispiels
weise durch großflächigere Strukturbereiche der
Strukturen 32 gebildet, beispielsweise bei seismi
schen Massen, ist es von Vorteil, wenn in diesen
durch die beschriebenen Verfahrensschritte des
Ätzens und Strukturierens eine Perforation ge
schaffen wird und diese auf die Metallschicht 22
übertragen wird, so daß die unter der Metallschicht
22 verbliebenen Bereiche 20 durch die Öffnungen der
Perforation wesentlich schneller verascht werden
können. Diese Perforationen sind ohne zusätzlichen
Aufwand einfach in der Maske 30 entsprechend vorzu
sehen. Somit ist eine Beschleunigung dieses Ver
fahrensschrittes möglich, wobei gleichzeitig mög
liche negative Auswirkungen eines extrem langen
Veraschens auf die Wafer 12 und den enthaltenen
integrierten elektronischen Schaltungen weiter re
duziert werden können.
Nach einem weiteren, nicht dargestellten Aus
führungsbeispiel, ist es möglich, den Aufbau der
Bereiche 20 gemäß dem Verfahrensschritt 50 einzu
sparen, indem die Metallschicht 22 während des
Verfahrensschrittes 52 so aufgebracht wird, daß sie
eine entsprechende Dicke aufweist, so daß aus der
Metallschicht 22 die in dem dargestellten Beispiel
von den Bereichen 20 gebildeten Abschnitte zeitge
steuert herausgeätzt werden können. Es erfolgt
quasi eine selektive Unterätzung der Metallschicht
22 auf Zeit unter den geschaffenen Galvanik-Elementen
34, so daß diese entsprechend freiliegen.
Dieses tunnelartige Unterätzen muß so erfolgen, daß
zwar ein Freilegen der Sensorelemente erreicht
wird, jedoch deren Befestigung mit der verbleiben
den Metallschicht 22 nicht gefährdet ist. Hierbei
wird ebenfalls mit Vorteil eine Perforation der
aufgalvanisierten Galvanik-Elemente 34, die das
spätere Sensorelement ergeben, erfolgen. Hinsicht
lich einer Materialauswahl ist hier die Metall
schicht 22 auf das Material der Kontakt-Pads 16 und
der Galvanik-Elemente 34 abzustimmen, damit ein
selektives Unterätzen erfolgen kann, ohne die
Sensor-Kontakt-Pads 16 bzw. die Galvanik-Elemente
34 anzugreifen. Von Nachteil ist bei dieser Varian
te der direkte großflächige Kontakt der metal
lischen Schicht 22 (plating base) mit der
IC-Oberfläche.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorge
sehen, über die Metallschicht 22 eine dünne Nieder
temperaturplasmaschicht 36, beispielsweise eine
Plasmaoxid- oder Plasmanitridschicht (in Fig. 1
gestrichelt dargestellt) aufzubringen, auf der dann
entsprechend die Schicht 24 aufgebracht wird. Hier
durch wird verhindert, daß beim Durchätzen der
Schicht 24 auf der Metallschicht 22 überätzt werden
muß. Durch ein Überätzen der Metallschicht 22 be
steht die Gefahr einer Verunreinigung der Plasma
ätzanlage durch abgesputtertes Metall. Die Zwi
schenschicht 36 sorgt dafür, daß statt dessen auf
der neutralen Plasmaoxid- oder -nitridschicht 36
überätzt wird, die danach zum Beispiel naßchemisch
wieder entfernt werden kann.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das darge
stellte Ausführungsbeispiel, sondern ist selbstver
ständlich bei jedem beliebigen Halbleiterbauelement
10 anwendbar, die sowohl passive als auch aktive
Strukturen enthalten können. Durch Aufbauen von
Sensorstrukturen über elektronischen Schaltungsbe
reichen kann die Waferoberfläche mehrfach benutzt
werden, so daß auf die angeordneten Schaltungen
entsprechende Sensorelemente direkt aufgesetzt wer
den können. Hierdurch wird der Flächenbedarf pro
aus den Wafern 12 hergestellten Chip erheblich re
duziert, der Nutzen also erhöht.
Claims (14)
1. Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen
Strukturen auf Halbleiterbauelementen, insbesondere
auf der Oberfläche eines integrierte Schaltungen (IC)
aufweisenden Wafers, dadurch gekennzeichnet, daß die
mikromechanischen Strukturen nachträglich auf ein
fertig prozessiertes Halbleiterbauelement unter Ver
wendung von bei der Halbleiterbauelemente-Herstellung
angewandter Prozeßschritte, jedoch unabhängig vom
eigentlichen Halbleiterbauelement-Herstellungsprozeß
aufgebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß auf das Halbleiterbauelement strukturierbare
Schichten aufgebracht werden, in den Schichten eine
Negativform strukturiert wird und in diese die mikro
mechanische Struktur galvanisch aufgewachsen wird und
die Negativform anschließend entfernt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß auf das Halbleiterbau
element eine erste Schicht (18) eines Resist auf
gebracht wird und in dieser Opferbereiche (20) und
Schutzbereiche/Abdeckungen strukturiert werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß auf das Halbleiterbau
element und die Bereiche (20) eine Metallschicht (22)
aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß auf die Metallschicht
(22) eine Niedertemperaturplasmaschicht (36) aufge
bracht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß auf die Metallschicht
(22) eine zweite Schicht (24) eines Resist aufge
bracht wird, deren Schichtdicke wenigstens der Höhe
der mikromechanischen Strukturen entspricht.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß auf die Schicht (24) eine
Niedertemperaturplasmaschicht (26) aufgebracht wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß auf die Niedertemperatur
plasmaschicht (26) eine dritte Schicht (28) eines
Resist aufgebracht wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß in den Schichten (26, 28)
eine den mikromechanischen Strukturen entsprechende
Maske (30) erzeugt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend der
Maske (30) die zweite Schicht (24) und die Niedertem
peraturplasmaschicht (36) strukturiert werden und die
geschaffenen Strukturen (32) galvanisch aufgefüllt
werden, wobei galvanisch abgeformte mikromechanische
Strukturen (34) erzeugt werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten bzw.
Bereiche (28, 26, 24, 36, 22, 20) zumindest teilweise
entfernt, insbesondere weggeätzt, verascht und/oder
aufgelöst werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Bereiche
(20) verzichtet und die Opferbereiche durch die
Metallschicht (22) selbst gebildet werden, wobei die
Opferbereiche selektiv zu den Strukturen (34) zeit
gesteuert herausgeätzt werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß in den galvanisch
abgeformten Strukturen (34) Perforationen vorgesehen
werden, die in die Metallschicht (22) übertragen wer
den, so daß unter der Metallschicht (22) vorgesehene
Bereiche (Opferbereiche, 20) schneller verascht wer
den können.
14. Halbleiterbauelement mit wenigstens einer mikro
mechanischen Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß
die mikromechanische Struktur nach den in den Ansprü
chen 1 bis 12 genannten Verfahren aufgebracht wurde.
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