JP2002502122A - 原子注入による半導体基板のキャビティ形成法 - Google Patents
原子注入による半導体基板のキャビティ形成法Info
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Abstract
Description
る。更に詳細には、本発明は、これら部品を製造するために用いられる基板、特
に半導体基板の処理方法に関するものであり、更には該基板にこれら部品自体の
要素を作り込むのに好適な方法に関するものである。
体材料の薄膜を作る方法が開示されており、この方法は、半導体材料のウエハを
以下の工程、 ・基板の表面にイオンを打ち込んで微細キャビティの層を形成するに充分な濃
度のイオンを注入する工程、 ・基板の上記表面をスティフナーに密着する工程、及び ・微小キャビティ層で基板を劈開させるための熱処理工程 に付している。
この薄膜は、劈開後にスティフナー上に残る基板の一部で構成される。
れの側に位置する面の粗さに影響が現れてしまう。従って、後工程で欠陥部や粗
面部等を除去するための後処理を行う必要がある。これらの後処理には、例えば
表面研磨及び/又はアニールによる結晶構造の修復が含まれる。しかしながら、
この乱された領域の深さ方向の範囲が大きくなればなるほど、これらの後処理が
長時間となるだけでなく、薄膜及び劈開後に残る基板の厚さの均一性も一層の影
響を受けることになる。
ント又はフオトルミネッセント部品を製造することも知られているが、これらの
微細孔は電気化学的手段で得られるので深さも深く、寸法も大きくなっており、
そのために利用可能な発光現象の品質が制限される恐れがある。従って、半導体
基板としては、寸法がより適切に制御され、且つ一層良好な動作特性を呈する発
光部品となるように一層適切に局在化された深度範囲に延在するキャビティを有
するほうが有利なはずである。
方法を提供することにある。
成する目的で原子注入により基板、特に半導体基板を処理する方法によって解決
され、係る方法は、 基板(1)内の第1深度において第1の原子濃度を得るために基板内へ第1深
度で原子を注入する工程、 基板(1)内の第1深度とは異なる第2深度において第1の原子濃度より低い
第2の原子濃度を得るために基板内へ第2深度で原子を注入する工程、及び 第1深度にキャビティを生成するように第2深度における注入原子の少なくと
も一部を第1深度へ移行させる処理を基板(1)上で実行する工程、 からなることを特徴とするものである。
れる。基板内におけるこれら原子の濃度分布は、或る深度において最大となるピ
ーク形状をもつ深度依存型の分布パターンとなる。或る与えられた原子濃度に対
して、このピーク形状の幅は、基板に貫入した原子の数が多くなればなるほど広
くなる。基板内におけるこれら原子の存在が基板内の組織を乱し、この乱された
領域の拡がりは、或る与えられた原子濃度に対してピーク形状が広幅となるほど
大きくなる。一方、或る特定の機能、例えば基板を劈開するに充分な基板の脆性
或いは発光機能等を得るための微細キャビティ層の形成のためには、係る所要の
機能を得ようとする領域で注入原子の濃度が高くなっていなければならない。こ
のような場合、本発明による方法は、乱された領域の深度方向の拡がりを制限し
つつもなお所要の機能を得るのに必要な原子濃度を達成できるので特に有効であ
る。
する第1ピークを形成する第1の原子濃度を得るために基板内に原子を注入する
工程を備えている。この工程で注入される原子の数を制限することにより、予め
与えられた所要の原子濃度に対して濃度分布の幅を狭くすることができる。その
結果、注入原子で最も乱された領域の深度方向の拡がりを少なくすることが可能
となる。
原子を注入し、これにより、この第2深度位置に第1の原子濃度より低い第2の
原子濃度を得ている。これにより注入原子やこの注入原子に結合した化学種によ
り生じる欠陥部すなわち空孔などの構造の乱れによって注入原子の貯留部を形成
し、この貯留部内の注入原子やその結合化学種を第1深度近傍に移行または転送
可能としている。ここで、貯留部内に注入される原子の数は、第1深度の注入原
子と第2深度の注入原子の数の総和が第2深度の注入原子の少なくとも一部を第
1深度位置へ向かって移行させる処理工程の後に第1深度位置にキャビティを作
り出すのに充分な数となるように整合されている。上記処理工程は、注入原子や
注入原子に結合した化学種(V-H4)などによって生じる欠陥、すなわち空孔 などの構造の乱れを、第2深度位置から第1深度位置へ向かって移行(マイグレ
ーション)させることでもある。従って、本明細書の以下の説明で使用する「注
入原子に結合した種」と言う表現は、上記の乱れ及び注入原子に結合した上記の
化学種の全てを意味するものである。
ピーク形状の幅を、対応する注入工程で基板に比較的少数の原子を注入すること
により狭くすることができ、それにも拘わらず、貯留部からの移行または転送に
よる注入原子及び注入原子に結合した種の供給によって第1深度近傍位置に所要
の機能を得るに必要な原子の個数を獲得することができるものである。
かである。
の薄膜5の形成処理に応用されている。
のシリコン薄膜、すなわちSOI薄膜5を得る目的で基板1内に微細キャビティ
の層を形成する方法に関連している。
は空孔を「微細キャビティ」と称する。個々の微細キャビティの形状と寸法は極
めて著しく変動し得る。個々の微細キャビティは一般には球状である。従ってこ
れを微細バブルと称する。但し、更に一般的には微細キャビティはレンズ形状、
平らなシリンダ形状、或いは更に変形した不定形状であることもある。微細キャ
ビティの寸法は、1ナノメーターのオーダーから数百ナノメーターの範囲にわた
る。これらの微細キャビティは、キャビティ内壁面を形成する材料の遊離ガス相
及び/又は原子を含んでいる。これらの微細キャビティは、一般には小板、マイ
クロブリスター、或いはバブルなどと称されている。
態、或いは分子状態にあっても、全て「原子」と称することにする。
される層を形成するための原子注入工程(図1a)と、必要に応じて基板1の表
面3を補強用スティフナー10に密着させる工程(図1b)と、微細キャビティ
を成長させる目的で貯留部層から微細キャビティの層に注入原子及びそれに結合
した各種の化学種を拡散させる熱処理又はアニール工程(図1c)に付される。
微細キャビティの成長は応力を生じ、微細キャビティ同士の合体をもたらす。こ
れは結果的に微細キャビティの層2における基板1の劈開に至る。
例えばウエハー形状を有し、これら2つの面3,4の寸法は両面間の間隔、すな
わちウエハーの厚さよりも遙かに大きい。このウエハーは、例えば直径が200
mm(8インチ)で厚さが725μmである。半導体材料は例えば単結晶シリコ
ンであり、その面3,4は(100)結晶面に平行である。
一方の面3と微細キャビティ層2との間の半導体材料で構成され、層2で劈開が
生じることになる。
へのイオン打ち込みにより行なわれる(図1a)。これは、イオン注入器により
行うことができ、その使用目的は所望の注入深度に対応して出力されるエネルギ
ーで原子を加速させることにある。例えば注入対象材料の近傍に加速電場を用い
て基板1をプラズマ中に浸漬することもできる。本発明の技術的範疇から逸脱す
ることなく、注入すべき原子種を基板1内に拡散させることによって注入を行う
ことも可能である。この場合、基板1内における深度の関数としての原子濃度の
分散分布パターンは、ガウス型ピーク形状と言うよりは、むしろポアソン分布形
状に適合する。従って、この分散分布パターンにおけるピーク点を「注入深度」
と呼ぶ。
深度を制御することが出来る。加速されたイオンは基板(1)に貫入し、そこで
シリコン原子との衝突並びに電子の減速を受ける。これにより、これらのイオン
はシリコン原子と相互作用を起こし、殆どがシリコン原子と化学結合する(例え
ば注入原子が水素の場合はSi−H結合)。
および電子の減速は、注入原子の濃度分布に注入深度の関数としての或る分散分
布パターンをもたらす。注入深度の関数としての注入原子の濃度分布パターンは
或る最大値を有している(図2,4,6)。この分布パターンは概ねガウス型で
あるが、更に複雑な統計法則に従うものである。或る与えられた濃度に対する上
記分布パターンの幅は、注入面3の表面に衝突する原子の照射量が多くなればな
るほど広くなる。この原子の照射量は、或る与えられた深度における基板1内の
注入原子の濃度を決定する。例えば単結晶シリコンウエハーの面3が(100)
結晶面であり、この面に150kVの電圧で加速したH+イオンを打ち込む場合
、注入原子は面3からほぼ1.3μmの位置で最大濃度となるパターンで分散さ
れる。
では微細キャビティ又はこれら微細キャビティの成長のための前駆体が充分な寸
法及び充分な数で形成され、係る領域では、注入原子とそれに結合した各種の化
学種を該領域の近傍に移行させる処理、好ましくは熱処理、を行うと、原子濃度
が微細キャビティの成長と合体に適した上記閾値濃度に達することになる。
乱れと劈開が最大に生じる領域でもある。係る領域の深度方向の拡がりが問題で
あり、これを最小にすることが望ましいのである。
圧を維持したまま閾値濃度を超えてイオン打ち込みを継続していた。このように
して、深度の関数としての注入原子濃度の分散分布パターンに単一ピークを得て
いた。ここではこれを単なる注入と称するが、その単一ピークの幅と最大値は比
較的大きいものであった(図2)。また、これによって生じる幅ΔPの乱れた領
域も深度方向に比較的大きな範囲で存在した(図3)。更に劈開面の何れの側の
表面も粗さが著しく、同様に劈開の界面から可成りの深度に亘って材料の均一性
に著しい欠陥が生じていた。
により注入深度の関数としての第1の濃度分散ピーク形状が得られる。このピー
ク形状は第1深度で最大値を示し、これが第1の最大濃度に相当する。この第1
エネルギーでの打ち込みは、好ましくは第1の最大濃度が閾値濃度に達する前に
停止される。すなわち、この第1エネルギーでの打ち込みを停止した直後におい
ては、基板1内の注入領域の原子は依然として濃度ピークの最大値が閾値濃度に
近い濃度分布であり、このままでは所要の条件下で劈開を得るに充分な寸法及び
数の微細キャビティ群を生じるには不足する濃度である。
エネルギー及び第3エネルギーで実行し、この場合、第2及び第3エネルギーは
互に異なると共に第1エネルギーとも異なるレベルである。この3つのレベルの
注入エネルギーで実施した場合における注入原子濃度Cの分散分布形状を面3か
らの基板1内の深度Pの関数として示すと図4の通りである。尚、図4には比較
の目的で従来技術による単一エネルギーでの単なる注入で得られた図2の分散分
布パターンも重ねて示してある。図4には更に注入原子の閾値濃度のレベルも横
軸と平行な実線で示してある。
まれる原子は、最大でも第1エネルギーで注入された原子の最大濃度より低い濃
度で注入される。また、第2エネルギー及び第3エネルギーによる注入の後の合
計の最大原子濃度は閾値濃度より高い。
のシリコンに注入した場合、閾位置濃度を超える領域は深度方向に600オング
ストローム未満の範囲であるが、従来技術の方法ではこの範囲は800オングス
トロームを超えていた。
向かってシフトさせるためには、第2エネルギーと第3エネルギーは第1エネル
ギーより高レベルとすることが好ましい。
ルギーで原子が注入された領域に存在する微細キャビティが最も安定している。
この領域をキャビティ生成領域と呼ぶ。基板1内においてキャビティ生成領域の
近傍に存在する領域に位置する欠陥及び微細キャビティは、熱処理中にキャビテ
ィ生成領域内の微細キャビティ群に向かって移行する(マイグレーション)。ま
た、キャビティ生成領域へ向かって移行する注入原子及びそれに結合した各種の
化学種が存在していた領域を貯留部と呼ぶ。このように、第2エネルギー及び第
3エネルギーで注入される原子の数を適切に調節して原子の貯留部を充分に大き
くしておくことにより、微細キャビティ群を合体させるまで成長させること及び
/又はこの成長で生じる応力がキャビティ生成領域内で基板1の劈開を起こすま
で成長させることができる。
対応させて模式的に示している。
第2深度と第3深度の注入原子の数より多く、第2深度の注入原子の数は第3深
度の注入原子の数よりも少ない。この実施例において、第1エネルギー及び第2
エネルギーと第3エネルギーで注入される原子の合計の注入量は、従来の単一エ
ネルギーによる注入の場合の注入量にほぼ等しい。
原子の濃度をそのうちの一つのエネルギーレベルで注入される原子の最大濃度が
熱処理前に閾値濃度に可能な限り近づくように校正し、合計として微細キャビテ
ィの成長と合体及び/又は劈開に必要な応力を発生するに充分な原子が注入され
るようにする。
部側に肩部を有するピーク形状とする必要がある。このピーク形状は集中ピーク
でなければならず、しかも微細キャビティ生成領域の局在化を最適化すべく適正
に定める必要がある。また前記肩部も、充分に大きな注入原子貯留部を構成すべ
く適正に生成させる必要がある。これらは種々のやり方、例えば2、3又は4種
類の異なるエネルギーレベルによる多重エネルギー注入や、或いは原子を2、3
又は4種類以上の深度で注入することにより達成可能である。
た半導体材料自体から外部への拡散も起こさないようにするため、基板1の温度
は注入工程中は好ましくは20℃乃至450℃の間に制御されて維持される。但
し、注入工程後に注入原子とそれに結合した各種の化学種を第1深度へ向って移
行させるための熱処理時の温度は150℃以上とすることが好ましい。この熱処
理は、注入原子の移行(マイグレーション)に加えて、再結晶化と微細キャビテ
ィの合体とを共に適切な挙動で可能にしなければならない。
とが望ましく、これら二面間の距離は、第1深度の面を基板1の面3、すなわち
第1深度の面に最も近い面から隔てている距離よりも短くなっていることが望ま
しい。この理由は、熱処理中に注入原子とそれに結合した各種の化学種のマイグ
レーションを起こさせるためであり、従って、第2深度と第3深度の注入原子及
びそれに結合した各種の化学種を、第1深度の注入原子があまり基板1の面3に
到達しないようにしつつ、キャビティ生成領域に到達できるようにすることが必
要であるからである。
要求される。このような場合には、補強用のスティフナー10が時として必要と
なる。スティフナー10の役目は、特に薄膜5上に作用する応力、即ち、微細キ
ャビティの形成と成長によって生じる応力の作用を制限することにある。このス
ティフナー10の作成方法とその性能の選択は、上記薄膜の所要の要求特性や用
途に応じて任意である。例えば、前述のようにSOI薄膜5を製造する場合、ス
ティフナー10は新品の酸化物被覆シリコン基板とすることが好ましい。この場
合、基板1に密着されるのは酸化物被覆の表面である。また、スティフナー10
は、蒸着やスパッタリング或いは化学的蒸着などの蒸着技術を使用して、プラズ
マや光子で強化するか否かに拘わらず、任意の適切な厚さ、即ち数マイクロメー
トルから数十マイクロメートルの範囲で直接基板1上に析出させることも可能で
ある。更に、スティフナー10を基板1に接着することも可能であり、この場合
はスティフナー10と基板1の両者に接着する物質を介在させるか、或いはステ
ィフナー10と基板1との間の原子間結合を有効にする適正な加圧と組み合わせ
た加熱及び/又は静電処理を行うかすればよい。
た領域の深度方向の拡がり及び/又は薄膜5の粗さの減少にある。
る注入中に到達する最大濃度が閾値濃度を超えている(図6)。この場合、閾値
濃度を超えている濃度の領域の幅は前述の実施例で得られる幅よりも大きくなる
が、作成プロセスは移行時間の減少によりスピードアップできる。
えば、極めて薄い膜を作るために、濃度ピーク形状の重心位置を、薄膜5を含む
ことになる劈開面側に位置する基板内領域に向けてシフトさせようとすることは
更に疑問であるかも知れない。このような目的のためには、第1エネルギーでの
注入を、閾値濃度より高い最大濃度で原子を注入するように行う。これによって
薄膜5を面3と原子注入面との間に局在化させることができる。次に、第1エネ
ルギーよりは大きいが最大濃度が第1エネルギーに対応する濃度未満にとどまる
ような第2エネルギーで別の少なくとも1回の注入を実行する。この様にして、
高エネルギーで注入された原子は、注入原子とそれに結合した各種の化学種のた
めの貯留部を構成し、これら注入原子とそれに結合した化学種は注入原子濃度が
高くなっている領域に向ってマイグレーションを起こしうることになる。この貯
留部は、薄膜5を境にして上記高濃度領域とは反対側に位置する。劈開後には、
貯留部の形成で組織の乱れた領域は薄膜5には含まれない。更に、貯留部の生成
によって第1エネルギーで注入される原子の数を単一エネルギーによる単なる注
入の場合に比べて少なくすることもできる。従って、第1エネルギーによる注入
に対応するピーク形状は強度が低く、且つ幅が狭くなり、それにより、閾値濃度
より高濃度の領域を深度方向へシフトさせて局在化させることができる。この様
にして、この領域の開始点をシフトさせることにより、製造可能な薄膜5の厚さ
を薄くすることができる。
エネルギーで注入を行うことが望ましい場合に特に有利である。この理由は、エ
ネルギーが高くなるほど拡散も大きくなり、深度の関数としての濃度分布のピー
ク形状が広くなればなるほど結果的にその組織の乱れた領域が大きくなるためで
ある。組織の乱れた領域の幅を限定可能とすることにより、本発明ではこの領域
を除去するための処理を制限することが可能となり、また、厚さがより均一な薄
膜5を得ることが可能となる。
序を指定する目的で使用したものではない。従って、第2及び第3エネルギーに
よる注入を第1エネルギーによる注入よりも時間的に先行して実行しても差し支
えない。
合した各種の化学種を貯留部層から微細キャビティ生成層に向って拡散させる熱
処理工程を含んでいる。この熱処理工程は、基板1をスティフナー10に密着さ
せた後に実行される。但し、本発明による方法の変形態様では、この熱処理工程
は或る一つもしくは二つ以上の注入工程又は全ての注入工程の際中に開始しても
よい。
スティフナー10と密着された後の焼鈍動作中に完了する。
処理工程は全体的に注入工程中に実行され、或いは注入工程中に開始されて引き
続き完了する。
している。多くの場合、注入原子は希ガス原子であることが有利である。また、
基板1の同一処理に対して複数種の原子を使用することも可能である。使用可能
な他の原子は、例えばヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン又はキセノンで
ある。但し、処理を受ける材料内に微細キャビティ又は脆性領域を形成可能な原
子であればこれらに限らず使用することができる。
原子を同一エネルギーで加速することも可能である。
微細キャビティ同士の合体で生じる応力に基づいて達成される。これらの応力の
発生原因は、第2エネルギーと第3エネルギーで注入された原子とそれに結合し
た各種の化学種の熱処理によるマイグレーションで生じる。この熱処理は、微細
キャビティ層での基板材料組織の劈開を容易にするか或いは劈開をもたらすこと
のできる機械的応力と組み合わせることができる。この機械的応力は、例えば、
剪断力、引張り力など、又は超音波でも発生可能である。この変形態様は、例え
ば注入原子とそれに結合した化学種とが貯留部からキャビティ生成領域へ向けて
マイグレーションを起こすに過ぎない熱処理を行うなど、微細キャビティを合体
及び劈開に至るまで成長させずにキャビティ生成領域内で基板1を脆化させるだ
けの目的で実施する場合に特に有利である。
に詳細には単結晶シリコンであり、これは多孔性であっても多孔性でなくてもよ
り。但し、本発明による方法は、単結晶、多結晶、或いは非晶質であれ、また半
導体であるか否か(例えば、シリカ等)に拘わらず、あらゆる材質の基板に適用 可能である。また、これら各種の材質は多孔質でも非多孔質でもよい。
つの構成要素、即ち、その構成要素の材質特性又はその構成要素が基板表面3で
生じる特徴によって基板表面3に混成構造を与える少なくとも1つの構成要素を
表面3上に有する基板1に対しても実施可能である。ここで言う混成構造とは、
例えば電子部品又は均質若しくは混成多層構造のことである。
物被覆シリコンである。但し、本発明による方法は、単結晶、多結晶、或いは非
晶質であれ、また半導体であるか否か(例えば、シリカ等)に拘わらず、あらゆ る材質のスティフナーに適用可能である。また、これら各種の材質は多孔質でも
非多孔質でもよい。
くとも一つの構成要素、即ち、その構成要素の材質特性又はその構成要素がその
面で生じる特徴によって該面上に混成構造を与える少なくとも1つの構成要素を
面上に有するスティフナーに対しても実施可能である。ここで言う混成構造も、
例えば電子部品又は均質若しくは混成多層構造のことである。
ー10に密着させる工程を含んでいる。但し、スティフナー10は常に必要とさ
れるわけではない。即ち、微細キャビティ生成領域が充分に深い位置にあり、微
細キャビティ生成領域と面3との間の部分が充分に厚く、それ自体でスティフナ
ーの機能を果たすような場合には不要である。このような場合に得られる薄膜5
を「自己支持構造」の膜と呼ぶ。
般的に本発明による方法は、電子部品、光学部品又は光電子部品の構成材料に有
利に適用可能である。
模式図である。
基板内深度Pの関数として示す線図である。
板内深度Pの関数として添画した基板断面の模式図である。
の分散分布パターンとを基板内深度Pの関数として同一線図上に示した線図であ
る。
内深度Pの南数として添画した基板断面の模式図である。
ンを基板内深度Pの関数として同一線図上に示した線図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 制御された深さで基板(1)にキャビティを形成する目的で
原子注入により基板、特に半導体基板を処理する方法であって、 基板(1)内の第1深度において第1の原子濃度を得るために基板内へ第1深
度で原子を注入する工程、 基板(1)内の第1深度とは異なる第2深度において第1の原子濃度より低い
第2の原子濃度を得るために基板内へ第2深度で原子を注入する工程、及び 第1深度にキャビティを生成するように第2深度における注入原子の少なくと
も一部を第1深度へ移行させる処理を基板(1)上で実行する工程、 を備えたことを特徴とする、原子注入による半導体基板のキャビティ形成法。 - 【請求項2】 注入原子の少なくとも一部を移行させる前記処理が、第2深
度に注入された原子によって第2深度に生じる構造の乱れ及びこの注入原子に結
合した化学種をも第1深度へ転送させる処理であることを特徴とする請求項1に
記載の方法。 - 【請求項3】 第2深度に注入された原子の少なくとも一部を第1深度へ移
行させる前記処理、或いは更に構造の乱れと注入原子に結合した化学種をも第1
深度へ転送させる前記処理として、熱処理を行うことを特徴とする請求項1又は
2のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項4】 第1深度に形成されるキャビティとして、基板(1)の劈開
を生じ得る脆化領域を形成することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に
記載の方法。 - 【請求項5】 エレクトロルミネッセント又はフオトルミネッセント部品製
造用基板の処理に適用されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記
載の方法。 - 【請求項6】 水素又は希ガス原子を注入原子とすることを特徴とする請求
項1〜5のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項7】 基板(1)に対する同一の処理に複数種の原子を用いること
を特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項8】 原子を基板(1)に貫入させる工程の少なくとも1つをイオ
ンの打ち込みによって実行することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に
記載の方法。 - 【請求項9】 基板(1)内に原子を注入する工程の少なくとも1つをプラ
ズマ中への基板(1)の浸漬によって実行することを特徴とする請求項1〜8の
いずれか1項に記載の方法。 - 【請求項10】 第1深度と、該第1深度に対して平行な平面内に位置し且
つ最大でも第1深度と該第1深度に最も近い基板(1)の表面(3)との間隔よ
りも実質的に小さい距離だけ互いに離れた第2深度とにそれぞれ原子を注入する
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項11】 最も深い深度側にピークの肩をもつ原子濃度分布形状を得
るように原子を複数の異なる深度に注入するために多重エネルギー注入を実行す
ることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項12】 原子の注入を3つの異なる深度で実行することを特徴とす
る請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項13】 第1深度の注入原子の数を第2深度及び第3深度の注入原
子の数より多くし、第2深度の注入原子の数を第3深度の注入原子の数より少な
くすることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。
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