JP2006228415A - 強誘電層を利用した情報記録媒体及びその製造方法 - Google Patents

強誘電層を利用した情報記録媒体及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】強誘電層を利用した情報記録媒体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板上に順次に積層された障壁層、伝導層、シード層、及びシード層上に形成されており、垂直残留分極を有するデータ記録層を備えることを特徴とする情報記録媒体である。
【選択図】図2

Description

本発明は、記録媒体及びその製造方法に係り、特に強誘電層を利用した情報記録媒体及びその製造方法に関する。
インターネット関連の技術の発展によって、動画を含む大容量の情報を記録できる記録媒体、及びこのような記録媒体に保存された情報を移動中にも自由に使用しようとする需要の増加は、次世代情報記録媒体の市場を主導する重要な要因の一つとなる。
大容量の情報を記録できる記録媒体、及びこのような記録媒体に/から情報を記録/再生可能な手段は、情報記録媒体の市場の核心となる。
現在、携帯用の不揮発性データ記録素子は、フラッシュメモリのような固状のメモリ素子と、ハードディスクのようなディスクタイプのメモリ素子とに大別できる。
しかし、固状のメモリ素子の場合、数年内にその容量が数ギカバイト(GB)ほどに予想されるので、巨大規模のデータ記録装置として使用し難い。したがって、固状のメモリ素子は、現在の個人用コンピュータ(PC)のように高速動作が要求される場合に使われると予想され、主保存装置は、依然としてハードディスクタイプのメモリ素子となると予想される。
携帯用機器に装着される一般的な磁気記録方式のハードディスクの場合、近い将来にその容量が10GBほどとなると予想される。しかし、それ以上の磁気記録密度は、超常磁性効果により達成し難いと予想されている。
このような理由により、最近、記録及び再生手段として走査探針が使われ、記録媒体として強誘電膜が使われるメモリ素子が紹介されている。
このように走査探針を使う技術、すなわちSPM(Scanning Probe Microscope)技術を利用する場合、探針を利用して数nmないし数十nmの領域をプロービングでき、また強誘電膜が記録媒体として使われるため、磁気記録媒体とは異なり超常磁性効果による影響を受けない。したがって、磁気記録媒体に比べて記録密度を高めうる。
しかし、現在まで紹介された情報記録媒体、特にデータ記録物質層として強誘電層を使用する媒体は、ビットサイズの偏差が大きい。このような事実は、図1から確認できる。ビットサイズの偏差が大きければ、ビットサイズが均一でないため、記録密度を高めるのは困難である。
図1は、データ保存物質層として強誘電層を使用する従来の技術による情報記録媒体8のイメージ写真である。図1において、10は、ビットデータ1が記録された領域(黒い部分)を表し、20は、ビットデータ0が記録された領域を表す。
図1において、ビットデータ1が記録された領域10のサイズを比較すれば、領域10のサイズ偏差が大きいということが肉眼でも容易に分かる。図1において、領域10の平均が33nm、偏差は14nmほどである。
本発明が解決しようとする課題は、前述した従来の技術の問題点を改善するためのものであって、ビットサイズの偏差を減らしてデータ記録密度を高めうる情報記録媒体を提供するところにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、このような情報記録媒体の製造方法を提供するところにある。
前記課題を解決するために、本発明は、基板上に順次に積層された障壁層、伝導層、シード層、及び前記シード層上に形成されており、垂直残留分極を有するデータ記録層を備えることを特徴とする情報記録媒体を提供する。
前記シード層の厚さは5nm以下であり、TiO層でありうる。
前記データ記録層の厚さは、50nm以下でありうる。
前記データ記録層は、チタン酸ジルコン酸鉄(PZT)層、チタン酸バリウムストロンチウム(BST)層、タンタル酸ビスマスストロンチウム(SBT)層及びチタン酸ビスマスランタン(BLT)層のうちいずれか一つでありうる。
前記データ記録層のグレインサイズは、10nm以下でありうる。
前記データ記録層がPZT層であるとき、ジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)との組成比(Zr/Ti)は、25/75及び40/60のうちいずれか一つであることが望ましい。
前記他の課題を解決するために、本発明は、基板上に障壁層、伝導層を順次に積層する第1工程、前記伝導層上にシード層を形成する第2工程、及び前記シード層上に強誘電層を形成する第3工程を含むことを特徴とする情報記録媒体の製造方法を提供する。
前記第2工程は、前記伝導層上に前記シード層となる物質膜をスピンコーティングする工程、前記スピンコーティングされた物質膜を乾燥する工程、及び前記乾燥された物質膜をアニーリングする工程をさらに含むことができる。
前記シード層は、5nm以下の厚さに形成でき、TiO膜で形成できる。
前記第3工程は、前記シード層上に強誘電層となる物質膜をスピンコーティングする工程、前記スピンコーティングされた物質膜を乾燥する工程、前記スピンコーティング工程と乾燥工程とを所定の回数ほど反復する工程、及び前記乾燥された物質膜をアニーリングする工程をさらに含むことができる。
前記アニーリングは、RTA(Rapid Thermal Annealing)を利用して550℃ないし650℃で110秒間実施できる。
前記強誘電層は、50nm以下の厚さに形成でき、PZT層、BST層、SBT層及びBLT層のうちいずれか一つで形成できる。
本発明の記録媒体は、強誘電層のグレインサイズが強誘電層に記録されるビットデータの領域、すなわちビットサイズよりはるかに小さいか、または大きいため、強誘電層に記録されるビットデータ領域の偏差、すなわちビットサイズの偏差を減らすことができる。また、本発明の記録媒体は、ビットデータ0が記録された領域とビットデータ1が記録された領域との遷移距離(“飛び”の幅)も、探針の最大分解能に近く減らすことができる。したがって、本発明の記録媒体を利用する場合、ビットデータを均一に記録でき、記録密度も高めることができる。
以下、本発明の実施形態による強誘電層を利用した情報記録媒体及びその製造方法を、添付された図面を参照して詳細に説明する。この過程で、図面に示した層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張して示したものである。
まず、本発明の実施形態による情報記録媒体(以下、本発明の記録媒体)を説明する。
図2は、本発明の記録媒体40の構成を示す図面である。図2に示すように、基板42上に障壁層44及び伝導層46が順次に存在する。伝導層46上にシード層48が存在し、シード層48上には、ビットデータが記録される強誘電層50が存在する。基板42は、酸化されたシリコン基板でありうる。障壁層44は、伝導層46と基板42との間にキャリア移動を防止する手段であって、例えばTiO膜でありうる。伝導層46は、白金(Pt)層とチタン(Ti)層とが順次に積層された物質層(Pt/Ti)でありうる。伝導層46は、単層であってもよい。シード層48は、核形成サイトを増加させる役割を行う。前記シード層48により、強誘電層50のグレインサイズは小さくなる。強誘電層50が、例えばPZT層である場合、シード層48は、TiO膜でありうる。強誘電層50は、データ記録層として使われる。強誘電層50として使われる物質によって、シード層48として使われる物質も変わりうる。例えば、強誘電層50がSBT層である場合、シード層48は、Bi膜でありうる。その他にシード層48としては、PbTiO層を使用してもよい。シード層48は、核形成サイトを増大させるのに最適の所定の厚さを有する。例えば、シード層48が前記したTiO膜であるとき、シード層48の厚さは5nm以下でありうる。強誘電層50は、前記したようにPZT層であることが望ましいが、他の強誘電層、例えばBST層、SBT層またはBLT層でありうる。
強誘電層50のグレインサイズは、強誘電層50に記録されるビットデータより小さいことが最も望ましいが、前記ビットデータより大きくてもよい。強誘電層50がPZT層である場合、強誘電層50のグレインサイズは10nm以下でありうる。強誘電層50がPZT層である場合、強誘電層50の厚さは、例えば50nm以下でありうる。強誘電層50の厚さは、使われる強誘電物質によって異なりうる。
一方、本発明者は、強誘電層50の組成と表面ポテンシャルとの相関関係を調べるために、強誘電層50の組成を変化させつつ、強誘電層50の表面ポテンシャルを測定した。図3は、強誘電層50がPZT層であるとき、強誘電層50内のZrとTiとの組成比(Zr/Ti)による表面ポテンシャルの測定結果を示す図面である。表面ポテンシャルは、KFM(Kelvin Force Microscope)を使用して測定した。
図3に示すように、ZrとTiとの組成比が25/75であるとき(以下、第1ケース)、強誘電層50の表面ポテンシャルが最も大きく、ZrとTiとの組成比が52/48であるとき(以下、第2ケース)、強誘電層50の表面ポテンシャルが二番目に大きく、ZrとTiとの組成比が40/60であるとき(以下、第3ケース)、強誘電層50の表面ポテンシャルが三番目に大きいということが分かる。前記第2ケース、表面ポテンシャルが前記第3ケースより大きいが、表面ポテンシャルを除いた他の構造的特性、例えば優先方向性が低下し、非強誘電性の部分が強誘電層50に示されることを示唆するパイロクロア相が表れるので、前記第3ケースよりよくない。したがって、前記三つのケースのうち、一つのケースを選択するならば、前記第1ケースを選択することが望ましく、二つのケースを選択するならば、前記第1及び第3ケースを選択することが望ましい。
図3の結果から、図2の強誘電層50がPZT層であるとき、強誘電層50は、ZrとTiとの組成比(Zr/Ti)が25/75であるPZT層(Pb(Zr0.25Ti0.75)O)、または前記組成比が40/60であるPZT層(Pb(Zr0.40Ti0.60)O)であることが望ましいということが分かる。
図4は、所定の強誘電層に記録された単位ビットデータのサイズと、前記所定の強誘電層のグレインサイズとの比(以下、ビットサイズ/グレインサイズ)による前記強誘電層に記録されるビットデータのサイズ偏差を示す図面である。
図4に示すように、ビットサイズ/グレインサイズが1より大きいか、または1より小さいときのビットデータのサイズ偏差は、ビットサイズ/グレインサイズの比が1であるときより小さいということが分かる。このような結果は、前記強誘電層のドメインとグレインとの相互作用に起因する。図3の結果から、図2に示した本発明の記録媒体40の強誘電層50に記録されたビットデータのサイズ偏差は、非常に小さいということが分かる。例えば、本発明の記録媒体40において、強誘電層50のグレインサイズは10nmほどであるので、強誘電層50に記録されるビットデータのサイズが30nmほどならば、本発明の強誘電層50のビットサイズ/グレインサイズは3ほどとなる。したがって、図4の結果から、本発明の記録媒体40において、強誘電層50に記録されたビットデータのサイズ偏差は1%に近接する。それをビットデータのサイズに換算すれば、ビットデータのサイズは30nmほどであるので、ビットデータのサイズ偏差は0.3nmほどとなる。このような結果は、従来のビットデータのサイズ偏差14nmに比べてはるかに小さい。したがって、本発明の記録媒体40において、強誘電層50に記録されるビットデータのサイズは、従来と比較できないほど均一になる。
次には、図2、図5ないし図7を参照して、図2に示した本発明の記録媒体についての製造方法(以下、本発明の製造方法)を説明する。
図2及び図5に示すように、基板40上に障壁層44を積層する(S1)。基板40は、表面を酸化させたシリコン基板を使用できる。障壁層44は、例えばTiO膜で形成できる。障壁層44上に伝導層46を形成する(S2)。伝導層46は、単層または複層に形成できる。後者の場合、伝導層46は、Pt層とTi層とを順次に積層して形成できる。障壁層44及び伝導層46は、各自の役割を十分に行えるほどの厚さに形成する。次いで、伝導層46上にシード層48を形成する(S3)。次いで、シード層48上に強誘電層50を形成する(S4)。シード層48として使われる物質層及び厚さは、強誘電層50によって異なりうる。例えば、強誘電層50がPZT層で形成される場合、シード層48はTiO膜で形成できる。このとき、シード層48は、5nm以下に形成できる。強誘電層50がPZT層以外の強誘電層、例えばBST層、SBT層またはBLT層で形成される場合、シード層48は、TiO膜以外の物質層、例えばBi膜で形成できる。シード層48は、その他にPbTiO層で形成することもできる。このような場合、シード層48は、5nmと異なる厚さに形成できる。強誘電層50をPZT層で形成する場合、強誘電層50は、50nm以下の厚さに形成することが望ましい。強誘電層50がPZT層以外の誘電層であるとき、強誘電層50の厚さは50nmと異なりうる。強誘電層50を形成するステップS4において、強誘電層50のグレインサイズは、10nmほどあるいはそれ以下に形成することが望ましい。また、強誘電層50は、表面ポテンシャルの大きい組成比で形成することが望ましい。例えば、強誘電層50がPZT層である場合、強誘電層50は、ZrとTiとの組成比(Zr/Ti)を25/75または40/60に形成できる。
強誘電層50をPZT層で形成する場合、シード層48及び強誘電層50をそれぞれ図6及び図7に示した順序によって形成することによって、強誘電層50のグレインサイズを前記したように減らすことができる。
具体的に、図6に示すように、シード層48は、第1ないし第3ステップS31,S32,S33を経て形成する。第1ステップS31は、伝導層上にシード層となる原料物質をスピンコーティングするステップである。このとき、前記スピンコーティングは、4,000rpmで20秒間実施でき、また、最終形成されるシード層48の厚さを考慮して適正な厚さにコーティングできる。第2ステップS32は、スピンコーティングされた物質膜を乾燥するステップである。前記乾燥は、300℃で5分間実施できる。第3ステップS33は、乾燥された物質膜をアニーリングするステップである。前記アニーリングは、RTAを利用して550℃ないし650℃で110秒間実施できる。
次いで、図7に示すように、強誘電層50は、第1ないし第3ステップS41,S42,S43を経て形成するが、第1及び第2ステップS41,S42を2回以上、望ましくは4回反復した後に第3ステップS43を実施する。
第1ステップS41は、シード層48上にPZT層の原料物質をスピンコーティングするステップである。このとき、前記スピンコーティングは、4,000rpmで20秒間実施できる。最終形成される強誘電層50の厚さを考慮して、前記PZT原料物質は適正な厚さにコーティングできる。
第2ステップS42は、スピンコーティングされた原料物質膜を乾燥するステップである。前記乾燥は、300℃で5分間実施できる。
第3ステップS43は、乾燥された物質膜をアニーリングするステップである。前記アニーリングは、所定のRTA装置を利用して550℃ないし650℃で110秒間実施できる。この過程で、強誘電層50が結晶化される。
前述した製造方法において、強誘電層50がナノサイズのグレインを有し、かつ結晶状態を維持できるのは、伝導層46及び強誘電層50上にシード層48を形成するためである。
シード層48の存在効果は、図8及び図9を比較することによってさらに明確になる。
図8は、シード層48なしに伝導層46上に形成されたPZT層(以下、第1PZT層)のグレインサイズを示すイメージ写真であり、図9は、グレインサイズの測定のために図8のPZT層の一部を拡大して示すイメージ写真である。図9において、グレインGの平均サイズは、151.71nmほどであるということが分かる。図8に示した第1PZT層は、ZrとTiとの組成比が25/75であり、650℃でRTA処理したものである。
図10は、伝導層46上にシード層48を形成した後、シード層48上に形成したPZT層(以下、第2PZT層)のグレインサイズを示すイメージ写真であり、図11は、グレインサイズの測定のために図10のPZT層の一部を拡大して示す写真である。グレインが小さすぎるので、図11でグレインを直接確認することは困難である。しかし、測定結果、グレインの平均サイズは10nmほどであった。図10に示した第2PZT層は、550℃でRTA処理したものであり、第2PZT層の組成比は、前記第1PZT層と同一にした。
図8と図10との比較または図9と図11との比較から、伝導層46と強誘電層50との間にシード層48を形成するとき、強誘電層50のグレインサイズがはるかに小さくなるということが分かる。
図12は、本発明の製造方法によって形成した前記第2PZT層に対するX線回折分析結果を示すグラフである。
図12に示すように、第1ピークP1は、結晶面が(111)であるPtの存在を表し、第2ピークP2は、結晶面が(111)であるぺロブスカイト結晶の存在を表す。
そして、第3ピークP3は、シリコンの存在を表し、第4ピークP4は、結晶面が(100)であるぺロブスカイト結晶の存在を表す。また、第5ピークP5は、結晶面が(200)であるぺロブスカイト結晶の存在を表し、第6ピークP6は、結晶面が(111)であるベタ結晶構造を有するPtの存在を表す。また、第7ピークP7は、結晶面が(110)であるぺロブスカイト結晶の存在を表す。図12の第1及び第2ピークP1,P2、第4ないし第7ピークP4〜P7から、前記第2PZT層が結晶状態であるということが分かる。図10及び図12の結果は、本発明の製造方法によって形成される記録媒体の強誘電層は、グレインサイズがナノサイズであり、かつ結晶状態であることを意味し、(111)方向に優先配向されていることを意味する。したがって、本発明の記録媒体の強誘電層は、ナノサイズのグレインを有するにもかかわらず、強誘電層としての分極特性を有することができる。
図13は、本発明の記録媒体にビットデータ1が記録された場合を示す図面であり、図14は、図13の記録媒体を再生するときに発生する信号特性を示すグラフである。
図13において、B1は、強誘電層のビットデータ1が記録された第1領域を表す。そして、Boは、強誘電層のビットデータ0が記録された第2領域を表す。
図14において、第1出力信号OS1は、探針を利用して図13の記録媒体を左側から右側に再生するとき、ビットデータ0が記録された第2領域Boから発生する信号の変化を表し、第2出力信号OS2は、ビットデータ1が記録された第1領域B1から発生する信号の変化を表す。また、図14において、0.035は、出力信号が第1出力信号OS1から第2出力信号OS2に遷移される距離を表す。このとき、距離の単位はμmである。
記録媒体に対する再生速度及び記録密度の上昇を考慮すれば、探針が、ビットデータ0の記録された第2領域Boを読み取った後、ビットデータ1が記録された第1領域B1の存在を認識する時間は短いほど望ましい。したがって、前記遷移距離は、可能な限り短いことが望ましい。第1出力信号OS1と第2出力信号OS2との遷移距離0.035μm(35nm)は、探針の半径に該当する距離であって、探針の最大分解能に近い。
前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するというより、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、当業者ならば、強誘電層50の表面に、探針と強誘電層50との物理的接触は防止し、電気的接触は許容可能な薄い保護膜を形成することもできる。また、水平記録媒体が現在も使われていることに鑑みるとき、図5ないし図7に示した製造過程は、水平記録媒体の製造にも適用できる。また、強誘電層が基板の上下に備えられたダブルレイヤ情報記録媒体にも、本発明の製造方法を適用できる。したがって、本発明の範囲は、説明した実施形態により決まるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決まらねばならない。
本発明は、記録媒体関連の技術分野に適用可能である。
強誘電層をデータ記録層として使用する従来の技術による情報記録媒体において、ビットデータ1が記録された領域を示すイメージ写真である。 本発明の実施形態による情報記録媒体の断面図である。 本発明の情報記録媒体において、強誘電層がPZT層であるとき、強誘電層内のZrとTiとの組成比(Zr/Ti)による表面ポテンシャルの測定結果を示すグラフである。 図2の情報記録媒体において、強誘電層に記録された単位ビットデータのサイズと強誘電層のグレインサイズとの比による強誘電層に記録されるビットデータのサイズ偏差を示すグラフである。 図2に示した本発明の記録媒体の製造方法を段階別に示すフローチャートである。 図2に示した本発明の記録媒体の製造方法を段階別に示すフローチャートである。 図2に示した本発明の記録媒体の製造方法を段階別に示すフローチャートである。 強誘電層をシード層なしに伝導層上に直接形成したとき、強誘電層のグレインサイズを示すイメージ写真である。 図8のPZT層の一部を拡大して示すイメージ写真である。 本発明の実施形態による製造方法によって、伝導層上にシード層を形成した後、シード層上に形成された強誘電層のグレインサイズを示すイメージ写真である。 図10のPZT層の一部を拡大して示すイメージ写真である。 本発明の製造方法によって形成した情報記録媒体の強誘電層に対するX線回折分析の結果を示すグラフである。 本発明の記録媒体にビットデータ1が記録された場合を示すイメージ写真である。 図13の記録媒体の読み取り動作で発生する信号特性を示すグラフである。
符号の説明
40 記録媒体
42 基板
44 障壁層
46 伝導層
48 シード層
50 強誘電層

Claims (22)

  1. 基板と、
    前記基板上に積層された障壁層と、
    前記障壁層上に積層された伝導層と、
    前記伝導層上に形成されたシード層と、
    前記シード層上に形成されており、垂直残留分極を有するデータ記録層と、を備えることを特徴とする情報記録媒体。
  2. 前記シード層の厚さは、5nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の情報記録媒体。
  3. 前記シード層は、TiO層、Bi層及びPbTiO層のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項2に記載の情報記録媒体。
  4. 前記データ記録層の厚さは、50nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の情報記録媒体。
  5. 前記データ記録層は、PZT層、BST層、SBT層及びBLT層のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項1に記載の情報記録媒体。
  6. 前記データ記録層のグレインサイズは、10nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の情報記録媒体。
  7. 前記データ記録層がPZT層であるとき、ジルコニウムとチタンとの組成比(Zr/Ti)は、25/75及び40/60のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項5に記載の情報記録媒体。
  8. 基板上に障壁層、伝導層を順次に積層する第1工程と、
    前記伝導層上にシード層を形成する第2工程と、
    前記シード層上に強誘電層を形成する第3工程と、を含むことを特徴とする情報記録媒体の製造方法。
  9. 前記第2工程は、
    前記伝導層上に前記シード層となる物質膜をスピンコーティングする工程と、
    前記スピンコーティングされた物質膜を乾燥する工程と、
    前記乾燥された物質膜をアニーリングする工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載の情報記録媒体の製造方法。
  10. スピンコーティングは、4,000rpmで20秒間実施することを特徴とする請求項9に記載の情報記録媒体の製造方法。
  11. 前記乾燥は、300℃で5分間実施することを特徴とする請求項9に記載の情報記録媒体の製造方法。
  12. 前記アニーリングは、RTA方法を利用して550℃ないし650℃で110秒間実施することを特徴とする請求項9に記載の情報記録媒体の製造方法。
  13. 前記シード層は、5nm以下の厚さに形成することを特徴とする請求項8または9に記載の情報記録媒体の製造方法。
  14. 前記シード層は、TiO層、Bi層及びPbTiO層のうちいずれか一つで形成することを特徴とする請求項8または9に記載の情報記録媒体の製造方法。
  15. 前記第3工程は、
    前記シード層上に強誘電層となる物質膜をスピンコーティングする工程と、
    前記スピンコーティングされた物質膜を乾燥する工程と、
    前記スピンコーティング工程と乾燥工程とを所定の回数ほど反復する工程と、
    前記乾燥された物質膜をアニーリングする工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載の情報記録媒体の製造方法。
  16. 前記スピンコーティングは、4,000rpmで20秒間実施することを特徴とする請求項15に記載の情報記録媒体の製造方法。
  17. 前記乾燥は、300℃で5分間実施することを特徴とする請求項15に記載の情報記録媒体の製造方法。
  18. 前記アニーリングは、RTAを利用して550℃ないし650℃で110秒間実施することを特徴とする請求項15に記載の情報記録媒体の製造方法。
  19. 前記強誘電層は、50nm以下の厚さに形成することを特徴とする請求項8または15に記載の情報記録媒体の製造方法。
  20. 前記強誘電層は、PZT層、BST層、SBT層及びBLT層のうちいずれか一つで形成することを特徴とする請求項8または15に記載の情報記録媒体の製造方法。
  21. 前記強誘電層のグレインサイズは、10nm以下であることを特徴とする請求項8または15に記載の情報記録媒体の製造方法。
  22. 前記強誘電層がPZT層であるとき、前記強誘電層は、ジルコニウムとチタンとの組成比(Zr/Ti)が25/75及び40/60のうちいずれか一つであるPZT層であることを特徴とする請求項20に記載の情報記録媒体の製造方法。
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