JP2005005729A - Ｘ線縮小投影露光方法、ｘ線縮小投影露光装置及びこれを用いた半導体デバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光量の損失がなく、露光時間が短縮され、スループットを高めることができるＸ線縮小投影露光方法、Ｘ線縮小投影露光装置及びこれを用いた半導体デバイス製造方法を提供する。
【解決手段】スキャン露光によるＸ線縮小投影露光において、複数の円筒面をもつ反射型インテグレータ５で平行光を反射し、更に凹面反射鏡で反射してマスクの円弧状の領域をケーラー照明する。露光領域のみが照射され光量の損失がなく、スループットが向上する。
【選択図】図５

Description

本発明はＸ線縮小投影露光方法、Ｘ線縮小投影露光装置及びこれを用いた半導体デバイス製造方法に関する。

微細パターンをもつ半導体回路素子などを製造する方法として、Ｘ線縮小投影露光方法がある。この方法では、回路パターンが形成されたマスクをＸ線で照明し、マスク上のパターンの像をウエハ面に縮小投影し、その表面のレジストを露光し、パターンを転写する。

従来のＸ線縮小投影露光のための装置としては図１０にて示す構成のものが採用されていた。即ち図１０は従来のＸ線縮小投影露光装置の摸式的構成図、図１１は従来の反射型インテグレータの摸式的斜視図、図１２は従来のマスク面上の照明領域を示す図である。図中、符号１００１で示されるものはＸ線の発光点、１００２はＸ線、１００３はフィルタ、１００４は第１の回転放物面ミラー、１００５は反射型インテグレータ、１００６は第２の回転放物面ミラー、１００７はマスク、１００８は投影光学系、１００９はウエハ、１０１０はマスクステージ、１０１１はウエハステージ、１０１２は円弧状アパーチャ、１０１３はレーザー光源、１０１４はレーザー集光光学系、１０１５はマスク面上の照明領域、１０１６は露光が行われる円弧状領域、１０１７は真空容器である。

従来のＸ線縮小投影露光装置は、Ｘ線光源、照明光学系、マスク１００７、投影光学系１００８、ウエハ１００９、マスク又はウエハを搭載したステージ１０１０、１０１１、マスクやウエハの位置を精密にあわせるアライメント機構、Ｘ線の減衰を防ぐために光学系全体を真空に保つための真空容器１０１７と排気装置、などからなる。

Ｘ線光源としてはレーザープラズマやアンジュレータなどが用いられる。照明光学系では光源からのＸ線を第１の回転放物面ミラー１００４で集光し、反射型インテグレータ１００５に照射し、２次光源を形成し、さらにこの２次光源からのＸ線を第２の回転放物面ミラー１００６で集光しマスク１００７を照明する。

マスク１００７は多層膜反射鏡の上にＸ線吸収体などからなる非反射部を設けた転写パターンが形成されたものである。マスク１００７で反射されたＸ線は投影光学系１００８によってウエハ１００９面上に結像する。投影光学系１００８では軸外の細い円弧状の領域が良好な結像性能をもつように設計されている。露光はこの細い円弧状領域のみが利用されて行われるようにウエハ１００９直前に円弧状の開口をもったアパーチャ１０１２が設けられている。矩型形状をしたマスク全面のパターンを転写するため、マスク１００７とウエハ１００９が同時にスキャンして露光が行われる。

投影光学系１００８は複数の多層膜反射鏡によって構成され、マスク１００７上のパターンをウエハ１００９表面に縮小投影する。投影光学系１００８は通常、テレセントリック系が用いられている。

照明光学系は、レーザープラズマＸ線光源、第１の回転放物面ミラー１００４、反射型インテグレータ１００５、第２の回転放物面ミラー１００６で構成される。反射型インテグレータ１００５には、図１１のような微小な凸または凹球面を２次元に多数配列したフライアイミラーが用いられる。レーザープラズマＸ線光源１０１３の発光点１００１から放射されたＸ線１００２は第１の回転放物面ミラー１００４で反射して平行なビームとなる。このビームが反射型インテグレータ１００５で反射して、多数の２次光源を形成する。この２次光源からのＸ線は第２の回転放物面ミラー１００６で反射してマスク１００７を照明する。２次光源から第２の回転放物面ミラー１００６、第２の回転放物面ミラー１００６からマスク１００７までの距離は第２の回転放物面ミラー１００６の焦点距離に等しく設定されている。すなわち、２次光源の位置に第２の回転放物面ミラー１００６の焦点が位置しているので２次光源の１つから出たＸ線はマスク１００７を平行光で照射する。投影光学系１００８はテレセントリック系が用いられているので２次光源の像が投影光学系１００８の入射瞳面に投影されることになり、ケーラー照明の条件が満たされている。マスク１００７上のある１点を照明するＸ線は全ての２次光源から出たＸ線の重なったものである。

２次光源群の空間広がりの大きさをｄ、各２次光源から出るＸ線の角度広がりをθ、第２の回転放物面ミラー１００６の焦点距離をｆとすれば、マスク１００７面上の照明領域１０１５の大きさはｆ×θ、マスク上の１点を照明するＸ線の角度広がりはｄ／ｆとなる。

照明光学系の特性を表わすパラメータとしてコヒーレンスファクタσがある。投影光学系１００８のマスク側開口数をＮＡｐ１、照明光学系のマスク側開口数をＮＡｉとしたとき、コヒーレンスフアクタは
σ＝ＮＡｉ／ＮＡｐ１
と定義される。最適なσの値は、必要な解像度とコントラストによって決定される。一般に、σが小さすぎると、ウエハ１００９上に投影された微細なパターンの像のエッジ部に干渉パターンが現われ、σが大きすぎると、投影された像のコントラストが低下する。

σが０の場合にはコヒーレント照明と呼ばれ、光学系の伝達関数ＯＴＦは投影光学系のウエハ１００９側開口数をＮＡｐ２、Ｘ線の波長をλとしてＮＡｐ２／λで与えられる空間周波数までは一定値を示すが、それを越える高周波数については０となってしまい、解像出来ない。

一方、σが１の場合にはインコヒーレント照明と呼ばれ、ＯＴＦは空間周波数が大きくなるに従って小さくなるが、２×ＮＡｐ２／λで与えられる空間周波数までは０とならない。従ってより微細なパターンまで解像することが出来る。Ｘ線露光においては、転写するパターンの形状や大きさ、適用するレジストプロセスの特性などに応じて最適なσの値が選択され、通常σ＝０．１〜１．０の値となるように設定される。

しかしながら、従来のＸ線縮小投影露光装置には次の様な欠点があった。即ち、図１２に示すように、マスク面上の照明領域１０１５の形状は実際に露光が行われる円弧状領域１０１６を含むほぼ矩型形状や楕円形の領域であり、露光領域以外の部分に多くのＸ線が照射される。このＸ線は露光に寄与せず、無駄になる。このようにＸ線光量の損失が非常に大きく、そのため、露光時間が長くかかり、スループットを高めることができないという欠点があった。

上記従来技術の問題点に鑑み、本発明の目的は、光量の損失がなく、露光時間が短縮され、スループットを高めることができるＸ線縮小投影露光方法、Ｘ線縮小投影露光装置及びこれを用いた半導体デバイス製造方法を提供することにある。

本発明のＸ線縮小投影露光方法は、
光源からのＸ線でマスクを照明し、マスクで反射されたＸ線でマスクのパターンをウエハ上に縮小投影する露光方法において、複数の円筒面を持つ反射型インテグレータに、光源からのＸ線を、平行又はほぼ平行なＸ線にして複数の円筒面の夫々が形成する２次光源から発散するＸ線の断面が円弧形状になるように入射させ、反射型インテグレータからの複数の断面が円弧形状であるＸ線をマスク上に重ねることにより、マスクを円弧状の照明領域で斜入射照明する。

本発明のＸ線縮小投影露光装置は、
光源からのＸ線でマスクを照明する照明光学系と、前記マスクで反射されたＸ線で前記マスクのパターンをウエハに縮小投影する投影光学系と、を備えるＸ線縮小投影露光装置において、照明光学系は、第１の凹面ミラーを持ち光源からのＸ線を平行又はほぼ平行なＸ線にする第１の反射光学系と、複数の円筒面を持ち平行又はほぼ平行なＸ線を全反射する反射型インテグレータと、第２の凹面ミラーを持ち反射型インテグレータからのＸ線でマスクを照明する第２の反射光学系と、を有する。

本発明の半導体デバイス製造方法は、上述のＸ線縮小投影露光装置を用いる。

本発明のＸ線縮小投影露光装置は、多数の円筒面を平行に多数並べた広い面積の反射鏡からなる反射型インテグレータを用いることによって、マスク上の円弧状領域のみが照明される。また照明系のコヒーレンスファクタσが最適値となるように照明系の開口数を設定することができる。

即ち、マスクの照明領域の形状は実際に露光が行われる円弧領域に限定され、露光領域以外の部分にＸ線が無駄に照射されることがない。従って光量の損失がなく、露光時間が短縮され、スループットを高めることができるという効果がある。

また、反射型インテグレータの反射面に多層膜を形成することにより、Ｘ線反射率を高めることができる。

マスク面上の露光領域以外の広い領域が照明されるために光量の損失が非常に大きく、露光時間が長くかかり、スループットを高めることができない、という従来の技術の欠点は複数の円筒面をもった反射型インテグレータを用いることによって以下のようにして解決される。

図１は複数の凸円筒面をもった反射型凸円筒面インテグレータに平行光が入射した場合の摸式的斜視図、図２は反射型凸円筒面インテグレータの摸式的断面図、図３は反射型凸円筒面インテグレータの円筒面でのＸ線反射の説明図、図４は反射型凸円筒面インテグレータの円筒面で反射したＸ線の角度分布図である。

図中、符号５は反射型凸円筒面インテグレータである。

すなわち、Ｘ線光源から放射されるほぼ平行なＸ線ビームを複数の円筒面をもった反射型インテグレータに入射し、このインテグレータによって２次光源を形成するとともに、この２次光源から放射されるＸ線の角度分布を円錐面状とし、２次光源位置を焦点とする反射鏡でこのＸ線を反射してマスクを照明する。

複数の円筒面をもった反射型インテグレータの作用を説明するため先ず、一つの円筒面反射鏡に平行光が入射した場合の反射光の振る舞いについて図３を基に述べる。一つの円筒面にその中心軸に垂直な面に対してθの角度で平行光を入射する場合を考える。平行な入射光の光線べクトルを
Ｒ１＝（０、−ｃｏｓθ、ｓｉｎθ）
円筒面形状の反射面の法線べクトルを
ｎ＝（−ｓｉｎα、ｃｏｓα、０）
とすると、反射光の光線べクトルは
Ｒ２＝（−ｃｏｓθ×ｓｉｎ２α、ｃｏｓθ×ｃｏｓ２α、ｓｉｎθ）
となる。このとき反射光の光線ベクトルを位相空間にプロットすれば、図４に示すようにｘｙ平面上で半径ｃｏｓθの円となる。即ち、反射光は円錐面状の発散光になる。この円錐面の頂点の位置に２次光源が存在することになる。円筒面が凹面であれば反射面の外部に、凸面であれば反射面の内部に、２次光源が存在することになる。また、図２に示すように反射面が円筒面の一部に限られていて、その中心角が２φであるときには、図４に示すように反射光の光線べクトルはｘｙ平面上で中心角４φの円弧となる。

次に、円筒面の一部からなる反射鏡に平行光が入射し、この２次光源の位置に焦点をもつ焦点距離ｆの反射鏡と、さらにこの反射鏡からｆだけ離れた位置にマスクを配置した場合を考える。２次光源から出た光は円錐面状の発散光になり焦点距離ｆの反射鏡で反射したのち、平行光となる。このときの反射光は半径ｆ×ｃｏｓθで中心角４φの円弧状断面のシートビームになる。従ってマスク上の半径ｆ×ｃｏｓθで中心角４φの円弧状領域のみが照明されることになる。

これまでは１つの円筒面反射鏡について説明してきたが、次に、図１に示すように円筒面インテグレータ即ち、多数の円筒面を平行に多数並べた広い面積の反射鏡に太さＤの平行光が入射した場合を考える。先の例と同様に反射鏡とマスクを配置したとすれば、円筒面を平行に多数並ベた反射鏡で反射された光の角度分布は先の例と変わらないので、マスク上では半径ｆ×ｃｏｓθで中心角４φの円弧状領域が照明される。また、マスク上の一点に入射する光は円筒面を平行に多数並べた反射鏡の照射領域全域から到達するので、その角度広がりはＤ／ｆとなる。即ち、照明系の開口数はＤ／（２ｆ）となる。投影光学系のマスク側開口数をＮＡｐ１としたとき、コヒーレンスフアクタは
σ＝Ｄ／（２ｆＮＡｐ１）
となる。したがって平行光の太さによって最適なコヒーレンスファクタσに設定することができる。

次に、上述の複数の円筒面をもった反射型インテグレータを用いた本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（発明の第１の実施の形態）
図５は本発明の第１の実施の形態のＸ線縮小投影露光装置の摸式的構成図、図６は本発明の第１の実施の形態の反射型凸円筒面インテグレータの摸式的斜視図、図７は本発明の第１の実施の形態のマスク面上の照明領域を示す図である。

図中、符号１で示されるものはＸ線の発光点、２はＸ線、３はフィルタ、４は第１の回転放物面ミラー、５は反射型凸円筒面インテグレータ、６は第２の回転放物面ミラー、７はマスク、８は投影光学系、９はウエハ、１０はマスクステージ、１１はウエハステージ、１２は円弧状アパーチャ、１３はレーザープラズマＸ線光源、１４はレーザー集光光学系、１５はマスク面上の照明領域、１６は露光が行われる円弧状領域、１７は真空容器である。

本発明の第１の実施の形態のＸ線縮小投影露光装置は、レーザープラズマＸ線光源１３、照明光学系、マスク７、投影光学系８、ウエハ９、マスク又はウエハを搭載したステージ１０、１１、マスクやウエハの位置を精密にあわせるアライメント機構、Ｘ線の減衰を防ぐために光学系全体を真空に保つための真空容器１７と排気装置、などからなる。

照明光学系は、第１の回転放物面ミラー４、反射型凸円筒面インテグレータ５、第２の回転放物面ミラー６で構成される。マスク７は多層膜反射鏡の上にＸ線吸収体からなる非反射部による転写パターンが形成されたものである。マスク７で反射されたＸ線は投影光学系８によってウエハ９面上に結像する。投影光学系８では軸外の細い円弧状の領域が良好な結像性能をもつように設計されている。例えば、縮小倍率１／５、マスク７面で軸外２００ｍｍ、ウエハ９面状で軸外４０ｍｍ、幅１ｍｍの領域で高い結像性能が確保されている。露光はこの細い円弧状領域のみが利用されて行われるようにウエハ９直前に円弧状の開口をもったアパーチャ１２が設けられている。矩形状をしたマスク７全面のパターンを転写するため、マスク７とウエハ９が同時にスキャンして露光が行われる。投影光学系８は２枚の多層膜反射鏡によって構成され、マスク７上のパターンをウエハ９表面に縮小投影する。投影光学系８はテレセントリック系が用いられている。

レーザープラズマＸ線光源１３の発光点１から放射されたＸ線２はターゲットの飛散物防止のフィルタ３を透過し、第１の回転放物面ミラー４で反射して平行なビームとなる。このビームが反射型凸円筒面インテグレータ５で反射して、多数の２次光源を形成する。この２次光源からのＸ線は第２の回転放物面ミラー６で反射してマスク７を照明する。２次光源から第２の回転放物面ミラー６、及び第２の回転放物面ミラー６からマスク７までの距離はいずれも第２の回転放物面ミラー６の焦点距離に等しく設定されていて、ケーラー照明の条件が満たされている。

反射型凸円筒面インテグレータ５は、図６に示すように微小な凸円筒面を１次元に多数配列した形状の反射面をもつ全反射ミラーである。反射型凸円筒面インテグレータ５の断面の円弧の半径は０．５ｍｍ、中心角は３０°である。これに平行光を入射した場合には反射面から０．２５ｍｍ内部に入った平面上に平行に並んだ線分状の２次光源すなわちレーザープラズマＸ線光源１３の虚像が形成される。

本実施の形態では平行Ｘ線ビームの太さＤは２０ｍｍ、反射型凸円筒面インテグレータ５ヘの平行Ｘ線ビームの入射角θは８５゜である。反射型凸円筒面インテグレータ５に平行光を入射した場合には反射面から０．２５ｍｍ離れた平面上に平行に並んだ線分状の２次光源が形成される２次光源の位置に焦点をもつ焦点距離ｆ＝２３００ｍｍの第２の回転放物面ミラー６とさらにこの第２の回転放物面ミラー６から２３００ｍｍだけ離れた位置にマスク７を配置してある。２次光源上の１点から出た光は円錐面状角度分布をもつ発散光になり、焦点距離ｆ＝２３００ｍｍの第２の回転放物面ミラー６で反射したのち、平行光となる。そして図７に示すようにマスク７上の半径２３００ｍｍ×ｃｏｓ８５゜＝２００ｍｍで中心角３０゜×２＝６０゜の円弧状領域１６が照明される。このとき、照明光学系の開口数は２０／（２×２３００）＝０．００４３となる。投影光学系の開口数がマスク側０．０１、ウエハ側０．０５とすれば、コヒーレンスファクタσは０．４３となる。マスク７面ではマスク７上の半径２００ｍｍで中心角６０゜の円弧状領域１６が照明され、この領域のパターンが投影光学系８によってウエハ９上のレジスト面に縮小投影される。縮小倍率を１／５とすれば、ウエハ９上の半径４０ｍｍで中心角６０゜の円弧状領域が―度に露光され、マスク７とウエハ９を同時にスキャンすることで、例えば４０ｍｍ角の正方形領域が高い精度で露光される。

このように、本実施の形態では微小な凸円筒面を１次元に多数配列した形状の反射面をもつ反射型凸円筒面インテグレータ５を用いることによって、マスク７を照明する領域を円弧状にし、同時に照明光学系のコヒーレンスファクタを最適値に設定することができる。またマスク７面上の照明領域１５の形状は実際に露光が行われる円弧状領域１６に限定され、露光領域以外の部分にＸ線が無駄に照射されることがない。従って光量の損失がなく、露光時間が短縮され、スループットを高めることができる。

（発明の第２の実施の形態）
図８は本発明の第２の実施の形態のＸ線縮小投影露光装置の摸式的構成図、図９は本発明の第２の実施の形態の反射型凹円筒面インテグレータの摸式的斜視図である。

図中、符号８０１で示されるものはアンジュレータＸ線光源、８０２はＸ線、８０３は凸面ミラー、８０４は第１の凹面ミラー、８０５は反射型凹円筒面インテグレータ、８０６は第２の凹面ミラー、８０７はマスク、８０８は投影光学系、８０９はウエハ、８１０はマスクステージ、８１１はウエハステージ、８１２は円弧状アパーチャ、８１７は真空容器である。

本発明の第２の実施の形態のＸ線縮小投影露光装置は、アンジュレータＸ線光源８０１、照明光学系、マスク８０７、投影光学系８０８、ウエハ８０９、マスク又はウエハを搭載したステージ８１０、８１１、マスクやウエハの位置を精密にあわせるアライメント機構、Ｘ線の減衰を防ぐために光学系全体を真空に保つための真空容器８１７と排気装置、などからなる。

本実施の形態の照明光学系は、アンジュレータＸ線光源８０１、凸面ミラー８０３、第１の凹面ミラー８０４、反射型凹円筒面インテグレータ８０５、第２の凹面ミラー８０６で構成される。

マスク８０７は多層膜反射鏡の上にＸ線吸収体などからなる非反射部を設けた転写パターンが形成されたものである。マスク８０７で反射されたＸ線は投影光学系８０８によってウエハ８０９面上に結像する。投影光学系８０８では軸外の細い円弧状の領域が良好な結像性能をもつように設計されている。露光はこの細い円弧状領域のみが利用されて行われるようにマスク８０７直前に円弧状の開口をもったアパーチャ８１２が設けられている。矩型形状をしたマスク８０７全面のパターンを転写するため、マスク８０７とウエハ８０９が同時にスキャンして露光が行われる。投影光学系８０８は３枚の多層膜反射鏡によって構成され、マスク８０７上のパターンをウエハ８０９表面に縮小投影する。

アンジュレータＸ線光源８０１の発光点から放射されたＸ線８０２はほぼ平行な細いビームである。これが凸面ミラー８０３と第１の凹面ミラー８０４とで反射され、太い平行なビームとなる。このビームが表面にＸ線反射率を高めるための多層膜を設けた凹円筒面を平行に配列した反射型凹円筒面インテグレータ８０５で反射して、多数の２次光源を形成する。２次光源上の１点から出た光は円錐面状の発散光になり第２の凹面ミラー８０６で反射したのち、平行光となる。このとき、マスク８０７上の円弧状領域が照明される。

このように、本実施の形態では微小な凹円筒面を１次元に多数配列した形状の反射面をもつ反射型凹円筒面インテグレータ８０５を用いることによってマスク８０７を照明する領域を円弧状にし、同時に照明光学系のコヒーレンスファクタを最適値に設定することができる。またマスク８０７面上の照明領域の形状は実際に露光が行われる円弧状領域に限定され、露光領域以外の部分にＸ線が無駄に照射されることがない。従って光量の損失がなく、露光時間が短縮され、スループットを高めることができる。

反射型凸円筒面インテグレータに平行光が入射した場合の摸式的斜視図である。 反射型凸円筒面インテグレータの摸式的断面図である。 反射型凸円筒面インテグレータの円筒面でのＸ線反射の説明図である。 反射型凸円筒面インテグレータの円筒面で反射したＸ線の角度分布図である。 本発明の第１の実施の形態のＸ線縮小投影露光装置の摸式的構成図である。 本発明の第１の実施の形態の反射型凸円筒面インテグレータの摸式的斜視図である。 本発明の第１の実施の形態のマスク面上の照明領域を示す図である。 本発明の第２の実施の形態のＸ線縮小投影露光装置の摸式的構成図である。 本発明の第２の実施の形態の反射型凹円筒面インテグレータの摸式的斜視図である。 従来のＸ線縮小投影露光装置の摸式的構成図である。 従来の反射型インテグレータの摸式的斜視図である。 従来のマスク面上の照明領域を示す図である。

符号の説明

１、１００１ Ｘ線の発光点
２、８０２、１００２ Ｘ線
３、１００３ フィルタ
４、１００４ 第１の回転放物面ミラー
５ 反射型凸円筒面インテグレータ
６、１００６ 第２の回転放物面ミラー
７、８０７、１００７ マスク
８、８０８、１００８ 投影光学系
９、８０９、１００９ ウエハ
１０、８１０、１０１０ マスクステージ
１１、８１１、１０１１ ウエハステージ
１２、８１２、１０１２ 円弧状アパーチャ
１３、１０１３ レーザー光源
１４、１０１４ レーザー集光光学系
１５、１０１５ マスク面上の照明領域
１６、１０１６ 露光が行われる円弧状領域
１７、８１７、１０１７ 真空容器
８０１ アンジュレータＸ線光源
８０３ 凸面ミラー
８０４ 第１の凹面ミラー
８０５ 反射型凹円筒面インテグレータ
８０６ 第２の凹面ミラー
１００５ 反射型インテグレータ

Claims (3)

1. 光源からのＸ線でマスクを照明し、前記マスクで反射されたＸ線で前記マスクのパターンをウエハ上に縮小投影する露光方法において、
   複数の円筒面を持つ反射型インテグレータに、前記光源からのＸ線を、平行又はほぼ平行なＸ線にして前記複数の円筒面の夫々が形成する２次光源から発散するＸ線の断面が円弧形状になるように入射させ、
   前記反射型インテグレータからの複数の前記断面が円弧形状であるＸ線を前記マスク上に重ねることにより、前記マスクを円弧状の照明領域で斜入射照明することを特徴とする露光方法。
2. 光源からのＸ線でマスクを照明する照明光学系と、前記マスクで反射されたＸ線で前記マスクのパターンをウエハ上に縮小投影する投影光学系と、を備えるＸ線縮小投影露光装置において、
   前記照明光学系は、第１の凹面ミラーを持ち前記光源からのＸ線を平行又はほぼ平行なＸ線にする第１の反射光学系と、複数の円筒面を持ち前記平行又はほぼ平行なＸ線を全反射する反射型インテグレータと、第２の凹面ミラーを持ち前記反射型インテグレータからのＸ線で前記マスクを照明する第２の反射光学系と、を有することを特徴とするＸ線縮小投影露光装置。
3. 請求項２に記載のＸ線縮小投影露光装置を用いることを特徴とする半導体デバイス製造方法。
   
   

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