JP2018195936A - 弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電膜と、圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が高い高音速部材とを有する構成において、周波数の低下を抑制することができる、弾性波装置を提供する。【解決手段】弾性波装置１は、互いに対向し合う第１の主面５ａ及び第２の主面５ｂ（一方主面及び他方主面）を有する圧電膜５と、圧電膜５の第１の主面５ａ上に設けられているＩＤＴ電極６と、ＩＤＴ電極６を覆うように、圧電膜５の第１の主面５ａ上に設けられている、酸化ケイ素からなる保護膜１３と、圧電膜５の第２の主面５ｂ上に直接的または間接的に設けられており、かつ圧電膜５を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が高い、高音速膜３（高音速部材）とを備える。ＩＤＴ電極６の電極指ピッチにより規定される波長をλとしたときに、圧電膜５の膜厚が３．５λ以下であり、保護膜１３の密度が２．２７ｇ／ｃｍ３以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置に関する。

従来、弾性波装置が携帯電話機のフィルタ等に広く用いられている。下記の特許文献１には弾性波装置の一例が開示されている。この弾性波装置においては、支持基板上に高音速膜が設けられており、高音速膜上に低音速膜が設けられており、低音速膜上に圧電膜が設けられている。圧電膜上にＩＤＴ電極が設けられている。さらに、圧電膜上に、ＩＤＴ電極を覆うように誘電体膜が設けられている。

下記の特許文献２には、圧電基板上に、ＩＤＴ電極を覆うように、酸化ケイ素からなる保護膜が形成された弾性波装置が記載されている。

国際公開第２０１２／０８６６３９号 国際公開第２０１６／０１７３０８号

ＳｉＯ_２からなる膜は、湿度が高い環境下においては吸湿する。そのため、ＩＤＴ電極上にＳｉＯ_２からなる保護膜が設けられた弾性波装置は、湿度が高い環境下においては、保護膜が吸湿することとなる。この場合、保護膜の重量が重くなること等により、ＩＤＴ電極において励振される弾性波の音速が低くなる。これにより、弾性波装置における周波数の低下が生じる。このように、外部環境により容易に周波数が低下し、信頼性を十分に高めることができないことがあった。他方、弾性波装置の仕様を、周波数の低下を考慮した仕様とする場合には、性能を十分に高めることができないおそれがある。

また、特許文献１に記載のように、圧電膜と、圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が高い高音速膜等の高音速部材とを有する弾性波装置の場合、圧電膜の表面におけるエネルギー集中度が高くなる。本願発明者らは、圧電膜と高音速部材とを有し、上記エネルギー集中度が高い弾性波装置において、ＩＤＴ電極を覆うように特許文献２と同様の保護膜を形成し、保護膜が吸湿した場合、通常の弾性波装置と比べ、周波数が大きく低下するという問題を発見した。

本発明の目的は、圧電膜と、圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が高い高音速部材とを有する構成において、周波数の低下を抑制することができる、弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置を提供することにある。

本発明に係る弾性波装置は、互いに対向し合う一方主面及び他方主面を有する圧電膜と、前記圧電膜の前記一方主面上に設けられているＩＤＴ電極と、前記ＩＤＴ電極を覆うように、前記圧電膜の前記一方主面上に設けられている、酸化ケイ素からなる保護膜と、前記圧電膜の前記他方主面上に直接的または間接的に設けられており、かつ前記圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が高い、高音速部材とを備え、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチにより規定される波長をλとしたときに、前記圧電膜の膜厚が３．５λ以下であり、前記保護膜の密度が２．２７ｇ／ｃｍ^３以上である。

本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記圧電膜の膜厚が２．５λ以下である。この場合には、圧電膜の表面におけるエネルギー集中度を効果的に高めることができる。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記圧電膜の膜厚が１．５λ以下である。この場合には、圧電膜の表面におけるエネルギー集中度をより一層高めることができる。

本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、前記保護膜の膜厚が０．１λ以下である。この場合には、弾性波の励振効率を高めることができる。

本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記圧電膜の前記他方主面上に前記高音速部材が直接的に設けられている。

本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記圧電膜の前記他方主面上に前記高音速部材が間接的に設けられており、前記圧電膜と前記高音速部材との間に、前記圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が低い、低音速膜が設けられている。この場合には、弾性波のエネルギーをより一層閉じ込めることができる。

本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記低音速膜が酸化ケイ素からなる。

本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記保護膜の密度が前記低音速膜の密度より高い。

本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記保護膜の密度が前記低音速膜の密度以下である。

本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記高音速部材が支持基板である。

本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記高音速部材が高音速膜であり、前記高音速膜の前記圧電膜側とは反対側の面上に支持基板が設けられている。

本発明に係る高周波フロントエンド回路は、本発明に基づいて構成された弾性波装置と、パワーアンプとを備える。

本発明に係る通信装置は、本発明に基づいて構成された高周波フロントエンド回路と、ＲＦ信号処理回路とを備える。

本発明によれば、圧電膜と、圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が高い高音速部材とを有する構成において、周波数の低下を抑制することができる、弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の電極構成を示す平面図である。 本発明の弾性波装置における保護膜の密度と周波数変動量との関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係る弾性波装置の正面断面図である。 本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係る弾性波装置の正面断面図である。 高周波フロントエンド回路を有する通信装置の構成図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。

弾性波装置１は圧電膜５を有する。圧電膜５は、対向し合う第１の主面５ａ及び第２の主面５ｂを有する。圧電膜５はＬｉＴａＯ_３からなる。なお、圧電膜５の材料は上記に限定されない。圧電膜５は、例えば、ＬｉＮｂＯ_３等のＬｉＴａＯ_３以外の圧電単結晶や、適宜の圧電セラミックスからなっていてもよい。

第１の主面５ａ上には、ＩＤＴ電極６が設けられている。ＩＤＴ電極６は、交流電圧を印加すると弾性波を励振する。弾性波伝搬方向両側には、反射器９ａ及び反射器９ｂが配置されている。弾性波装置１は弾性表面波を利用する。なお、本発明における弾性波装置は、弾性境界波を利用する弾性波装置であってもよい。

図２は、第１の実施形態に係る弾性波装置の電極構成を示す平面図である。なお、図２においては、後述する保護膜を省略している。

ＩＤＴ電極６は、互いに対向し合う第１のバスバー７ａ及び第２のバスバー８ａを有する。ＩＤＴ電極６は、第１のバスバー７ａに一端が接続されている複数の第１の電極指７ｂを有する。さらに、ＩＤＴ電極６は、第２のバスバー８ａに一端が接続されている複数の第２の電極指８ｂを有する。複数の第１の電極指７ｂと複数の第２の電極指８ｂとは互いに間挿し合っている。

本実施形態では、ＩＤＴ電極６は、圧電膜５側からＴｉ層、ＡｌＣｕ層及びＴｉ層がこの順序で積層された積層金属膜からなる。なお、ＩＤＴ電極６の材料は上記に限定されない。ＩＤＴ電極６は、単層の金属膜からなっていてもよい。反射器９ａ及び反射器９ｂも同様である。

図１に戻り、弾性波装置１は、支持基板２を有する。支持基板２は、特に限定されないが、Ｓｉからなる。

支持基板２上には高音速部材が設けられている。本実施形態では、高音速部材は高音速膜３である。高音速部材とは、圧電膜５を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が高い部材である。高音速部材は、例えば、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、ケイ素、ＤＬＣ膜またはダイヤモンドを主成分とする材料等からなる。なお、高音速部材の材料は、相対的に高音速な材料であればよい。

高音速膜３と上記圧電膜５との間に、低音速膜４が設けられている。低音速膜４とは、圧電膜５を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が低い膜である。本実施形態では、低音速膜４は酸化ケイ素からなる。なお、低音速膜４は、例えば、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化タンタルまたは酸化ケイ素にフッ素、炭素やホウ素を加えた化合物を主成分とする材料等からなっていてもよい。低音速膜４の材料は、相対的に低音速な材料であればよい。

弾性波装置１は、高音速膜３、低音速膜４及び圧電膜５が積層された積層体１２を有するため、弾性波のエネルギーを効果的に閉じ込めることができる。

なお、ＩＤＴ電極６の電極指ピッチにより規定される波長をλとしたときに、本実施形態の圧電膜５の膜厚は３．５λ以下である。それによって、圧電膜５の表面におけるエネルギー集中度を効果的に高めることができる。

圧電膜５上には、ＩＤＴ電極６、反射器９ａ及び反射器９ｂを覆うように、保護膜１３が設けられている。保護膜１３は酸化ケイ素からなる。これにより、周波数温度係数の絶対値を小さくすることができ、周波数温度特性を良好とすることができる。なお、酸化ケイ素はＳｉＯ_ｘにより表される。

本実施形態では、保護膜１３の膜厚は０．１λ以下である。それによって、ＩＤＴ電極６を保護しつつ、弾性波の励振効率を高めることができる。なお、保護膜１３の膜厚の範囲は上記に限定されない。

上述したように、酸化ケイ素からなる保護膜は吸湿性が高い傾向がある。これに対して、本願発明者らは保護膜１３の密度を２．２７ｇ／ｃｍ^３以上とすることにより、保護膜１３が酸化ケイ素からなる場合においても吸湿性を低くし得ることを見出した。なお、一般的に用いられる酸化ケイ素からなる膜の密度は、２．２１ｇ／ｃｍ^３程度である。

本実施形態の保護膜１３は上記密度の範囲であるため、吸湿性を低くすることができる。従って、例えば、湿度が高い環境下においても、周波数の低下を抑制することができる。この詳細を以下において説明する。

保護膜の密度以外は本実施形態と同様の構成を有する弾性波装置を複数作製した。なお、酸化ケイ素の密度を異ならせて保護膜を形成することにより、保護膜の密度を異ならせた。上記複数の弾性波装置は、保護膜の密度が２．２７ｇ／ｃｍ^３以上の弾性波装置及び保護膜の密度が２．２７ｇ／ｃｍ^３未満の弾性波装置を含む。

複数の弾性波装置を８５℃、８５％Ｒ．Ｈ．の環境下に５００時間置いた場合の周波数の変動量を測定した。

図３は、弾性波装置における保護膜の密度と周波数変動量との関係を示す図である。

図３に示すように、保護膜の密度が２．２７ｇ／ｃｍ^３未満である場合、周波数変動量の変化が大きいことがわかる。さらに、周波数変動量の変化も大きく、周波数が不安定であることもわかる。

これに対して、保護膜の密度が２．２７ｇ／ｃｍ^３以上である場合、周波数変動量の絶対値を１ＭＨｚ未満に抑制することができている。従って、本実施形態においては、湿度が高い環境下においても、周波数の低下を抑制することができる。

加えて、保護膜の密度が２．２７ｇ／ｃｍ^３以上である場合には、周波数変動量の変化も小さく、周波数が安定していることもわかる。よって、信頼性をより一層高めることができることもわかる。

図１に示す保護膜１３は、例えば、スパッタリングや蒸着法により形成することができる。保護膜１３の成膜時において、ＳｉとＯとの比率を調整することにより、保護膜１３の密度を調整することができる。より具体的には、Ｓｉの比率を相対的に高くすることにより、保護膜１３の密度を高くすることができる。

保護膜１３の密度は、低音速膜４の密度より高いことが好ましい。この場合には、保護膜１３の吸湿性をより一層低下させることができる。なお、保護膜１３の密度は低音速膜４の密度以下であってもよい。

保護膜１３の密度は２．３９ｇ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。保護膜１３の密度が高すぎる場合には、Ｓｉの比率が高くなり、電気抵抗が低くなる。そのため、保護膜１３とＩＤＴ電極６とが短絡するおそれがある。加えて、保護膜１３の密度が２．３９ｇ／ｃｍ^３を超える場合には、弾性波装置１の製造に際し、ウエハの反りが大きくなる傾向がある。ここで、ウエハは、複数の弾性波装置１を同時に製造する場合に、製造工程において分割されることにより個々の支持基板２となる。上記のように反りが大きくなる場合には、分割に際し、支持基板２等に割れや欠けが生じ易くなるおそれがある。

圧電膜５の膜厚は、２．５λ以下であることが好ましく、１．５λ以下であることがより好ましい。それによって、圧電膜５の表面におけるエネルギーの集中度をより一層高めることができる。

本実施形態では、圧電膜５の第２の主面５ｂ上に間接的に高音速膜３が設けられている。なお、上記積層体１２は低音速膜４を有していなくともよく、高音速膜３は、圧電膜５の第２の主面５ｂ上に直接的に設けられていてもよい。

図４は、第１の実施形態の第１の変形例に係る弾性波装置の正面断面図である。

本変形例においては、高音速部材は高音速基板２３である。高音速基板２３は、本変形例における支持基板である。高音速基板２３上に圧電膜５が設けられている。このように、少なくとも高音速部材及び圧電膜５が積層された積層体２２を有することにより、弾性波のエネルギーを効果的に閉じ込めることができる。もっとも、第１の実施形態と同様に、低音速膜を有することが好ましい。それによって、弾性波のエネルギーをより一層効果的に閉じ込めることができる。

図５は、第１の実施形態の第２の変形例に係る弾性波装置の正面断面図である。

本変形例においては、第１の変形例と同様に、高音速部材は高音速基板２３である。本変形例における積層体３２は、高音速基板２３上に低音速膜４が設けられており、低音速膜４上に圧電膜５が設けられた積層体である。本変形例においても、第１の実施形態と同様に、弾性波のエネルギーを効果的に閉じ込めることができる。

上記各実施形態の弾性波装置は、高周波フロントエンド回路のデュプレクサ等の部品として用いることができる。このような高周波フロントエンド回路の例を下記において説明する。

図６は、高周波フロントエンド回路を有する通信装置の構成図である。なお、同図には、高周波フロントエンド回路２３０と接続される各構成要素、例えば、アンテナ素子２０２やＲＦ信号処理回路（ＲＦＩＣ）２０３も併せて図示されている。高周波フロントエンド回路２３０及びＲＦ信号処理回路２０３は、通信装置２４０を構成している。なお、通信装置２４０は、電源、ＣＰＵやディスプレイを含んでいてもよい。

高周波フロントエンド回路２３０は、スイッチ２２５と、デュプレクサ２０１Ａ，２０１Ｂと、ローノイズアンプ回路２１４，２２４と、フィルタ２３１，２３２と、パワーアンプ回路２３４ａ，２３４ｂ，２４４ａ，２４４ｂとを備える。なお、図６の高周波フロントエンド回路２３０及び通信装置２４０は、高周波フロントエンド回路及び通信装置の一例であって、この構成に限定されるものではない。

デュプレクサ２０１Ａは、フィルタ２１１，２１２を有する。デュプレクサ２０１Ｂは、フィルタ２２１，２２２を有する。デュプレクサ２０１Ａ，２０１Ｂは、スイッチ２２５を介してアンテナ素子２０２に接続される。なお、上記弾性波装置は、デュプレクサ２０１Ａ，２０１Ｂであってもよいし、フィルタ２１１，２１２，２２１，２２２であってもよい。上記弾性波装置は、デュプレクサ２０１Ａ，２０１Ｂや、フィルタ２１１，２１２，２２１，２２２を構成する弾性波共振子であってもよい。さらに、上記弾性波装置は、例えば、３つのフィルタのアンテナ端子が共通化されたトリプレクサや、６つのフィルタのアンテナ端子が共通化されたヘキサプレクサ等、３以上のフィルタを備える構成についても適用することができる。

すなわち、上記弾性波装置は、弾性波共振子、フィルタ、２以上のフィルタを備えるマルチプレクサを含む。

スイッチ２２５は、制御部（図示せず）からの制御信号に従って、アンテナ素子２０２と所定のバンドに対応する信号経路とを接続し、例えば、ＳＰＤＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｅ Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｈｒｏｗ）型のスイッチによって構成される。なお、アンテナ素子２０２と接続される信号経路は１つに限らず、複数であってもよい。すなわち、高周波フロントエンド回路２３０は、キャリアアグリゲーションに対応しているものであってもよい。

ローノイズアンプ回路２１４は、アンテナ素子２０２、スイッチ２２５及びデュプレクサ２０１Ａを経由した高周波信号（ここでは高周波受信信号）を増幅し、ＲＦ信号処理回路２０３へ出力する受信増幅回路である。ローノイズアンプ回路２２４は、アンテナ素子２０２、スイッチ２２５及びデュプレクサ２０１Ｂを経由した高周波信号（ここでは高周波受信信号）を増幅し、ＲＦ信号処理回路２０３へ出力する受信増幅回路である。

パワーアンプ回路２３４ａ，２３４ｂは、ＲＦ信号処理回路２０３から出力された高周波信号（ここでは高周波送信信号）を増幅し、デュプレクサ２０１Ａ及びスイッチ２２５を経由してアンテナ素子２０２に出力する送信増幅回路である。パワーアンプ回路２４４ａ，２４４ｂは、ＲＦ信号処理回路２０３から出力された高周波信号（ここでは高周波送信信号）を増幅し、デュプレクサ２０１Ｂ及びスイッチ２２５を経由してアンテナ素子２０２に出力する送信増幅回路である。

なお、フィルタ２３１，２３２は、ローノイズアンプ回路及びパワーアンプ回路を介さず、ＲＦ信号処理回路２０３とスイッチ２２５との間に接続されている。フィルタ２３１，２３２も、デュプレクサ２０１Ａ，２０１Ｂと同様に、スイッチ２２５を介してアンテナ素子２０２に接続される。

ＲＦ信号処理回路２０３は、アンテナ素子２０２から受信信号経路を介して入力された高周波受信信号を、ダウンコンバート等により信号処理し、当該信号処理して生成された受信信号を出力する。また、ＲＦ信号処理回路２０３は、入力された送信信号をアップコンバート等により信号処理し、当該信号処理して生成された高周波送信信号をパワーアンプ回路２３４ａ，２３４ｂ，２４４ａ，２４４ｂへ出力する。ＲＦ信号処理回路２０３は、例えば、ＲＦＩＣである。ＲＦ信号処理回路２０３で処理された信号は、例えば、画像信号として画像表示のために、または、音声信号として通話のために使用される。なお、高周波フロントエンド回路２３０は、上述した各構成要素の間に、他の回路素子を備えていてもよい。

なお、高周波フロントエンド回路２３０は、上記デュプレクサ２０１Ａ，２０１Ｂに代わり、デュプレクサ２０１Ａ，２０１Ｂの変形例に係るデュプレクサを備えていてもよい。

以上、本発明の実施形態に係る弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置について、上記実施形態及びその変形例を挙げて説明したが、上記実施形態及び変形例における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、上記実施形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る高周波フロントエンド回路及び通信装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。

本発明は、弾性波共振子、フィルタ、２以上のフィルタを備えるマルチプレクサ、高周波フロントエンド回路、及び携帯電話機等の通信装置に広く利用できる。

１…弾性波装置
２…支持基板
３…高音速膜
４…低音速膜
５…圧電膜
５ａ，５ｂ…第１，第２の主面
６…ＩＤＴ電極
７ａ，８ａ…第１，第２のバスバー
７ｂ，８ｂ…第１，第２の電極指
９ａ，９ｂ…反射器
１２…積層体
１３…保護膜
２２…積層体
２３…高音速基板
３２…積層体
２０１Ａ，２０１Ｂ…デュプレクサ
２０２…アンテナ素子
２０３…ＲＦ信号処理回路
２１１，２１２…フィルタ
２１４…ローノイズアンプ回路
２２１，２２２…フィルタ
２２４…ローノイズアンプ回路
２２５…スイッチ
２３０…高周波フロントエンド回路
２３１，２３２…フィルタ
２３４ａ，２３４ｂ…パワーアンプ回路
２４０…通信装置
２４４ａ，２４４ｂ…パワーアンプ回路

Claims (13)

1. 互いに対向し合う一方主面及び他方主面を有する圧電膜と、
   前記圧電膜の前記一方主面上に設けられているＩＤＴ電極と、
   前記ＩＤＴ電極を覆うように、前記圧電膜の前記一方主面上に設けられている、酸化ケイ素からなる保護膜と、
   前記圧電膜の前記他方主面上に直接的または間接的に設けられており、かつ前記圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が高い、高音速部材と、
   を備え、
   前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチにより規定される波長をλとしたときに、前記圧電膜の膜厚が３．５λ以下であり、
   前記保護膜の密度が２．２７ｇ／ｃｍ^３以上である、弾性波装置。
2. 前記圧電膜の膜厚が２．５λ以下である、請求項１に記載の弾性波装置。
3. 前記圧電膜の膜厚が１．５λ以下である、請求項２に記載の弾性波装置。
4. 前記保護膜の膜厚が０．１λ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性波装置。
5. 前記圧電膜の前記他方主面上に前記高音速部材が直接的に設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
6. 前記圧電膜の前記他方主面上に前記高音速部材が間接的に設けられており、
   前記圧電膜と前記高音速部材との間に、前記圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波の音速が低い、低音速膜が設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
7. 前記低音速膜が酸化ケイ素からなる、請求項６に記載の弾性波装置。
8. 前記保護膜の密度が前記低音速膜の密度より高い、請求項６または７に記載の弾性波装置。
9. 前記保護膜の密度が前記低音速膜の密度以下である、請求項６または７に記載の弾性波装置。
10. 前記高音速部材が支持基板である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の弾性波装置。
11. 前記高音速部材が高音速膜であり、
    前記高音速膜の前記圧電膜側とは反対側の面上に支持基板が設けられている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の弾性波装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の弾性波装置と、
    パワーアンプと、
    を備える、高周波フロントエンド回路。
13. 請求項１２に記載の高周波フロントエンド回路と、
    ＲＦ信号処理回路と、
    を備える、通信装置。

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