JP2018509305A - 高集積密度を有するmems部品 - Google Patents

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Abstract

高集積度化されたMEMS部品及びそのような部品の製造方法を提供する。部品は、ベースウエハとその上に配置されたカバーウエハを備える。ベースウエハとカバーウエハとの間に第1中空空間が配置される。カバーウエハ上方において、第2中空空間が薄膜カバー下方に配置される。中空空間は部品構造体を含む。選択図 図1

Description

本発明は、MEMS構造体が保護されて中空空間に配置され、底面当たりのMEMS構造体の数が増加した、例えば電気音響フィルタ等のMEMS部品に関する。
MEMS部品は、一般に環境による悪影響に対して被包することを必要とするMEMS構造体を備える。そのようなMEMS構造体とは、例えばSAW構造体、BAW構造体又はMEMSスイッチである。
MEMS部品は、小型化及び低背化の傾向にあり、コスト低減の傾向にある。同時に、寸法が減少するにもかかわらず信号品質が劣化してはならない。
従って、使用されるパッケージ技術は、対応する部品の底面、高さ、及び製造コストの低減に決定的に寄与する。
いわゆるウエハレベルパッケージ(WLP)がある。その場合、パッケージの素子は、なおウエハ上、つまり後の部品にダイシングされる前に製造される。WLPの一例にはチップスケールパッケージ(CSP)があり、完成部品の底面とそれに含まれるチップの底面とは約20%以下だけ異なる。いわゆるダイサイズパッケージ(DSP)においては、チップの底面と部品全体の底面が略一致する。
本発明の課題は、公知の部品と比べて機能素子の高集積密度を有し、良好な電気特性を有し、費用効率的に製造可能なMEMS部品を提供することである。
そのような部品及びそのような部品の製造方法は、独立請求項に記載される。従属請求項は有利な態様を記載する。
MEMS部品は、ベースウエハと、その上に配置されるカバーウエハとを備える。部品は、更に、ベースウエハとカバーウエハとの間の第1中空空間と、第1中空空間内の第1部品構造体とを備える。部品は、更に、カバーウエハ上方の第2中空空間と、第2中空空間内の第2部品構造体とを備える。更に、MEMS部品は、第1中空空間を側方において囲むフレームと、第2中空空間を覆う薄膜カバーとを有する。
それにより、カバーウエハの下方にもカバーウエハの上方にも部品構造体を有するMEMS部品が提供される。その場合、部品構造体は少なくとも一部が機能MEMS構造体であることで、構造体の集積密度が高くなる。部品構造体は、それぞれ少なくとも中空空間内に配置され、それにより環境による悪影響から保護される。
第1部品構造体は直接ベースウエハ上に配置してよく、又は第2部品構造体は直接カバーウエハ上に配置してよい。ただし、更なる層又は更なる構造体を部品構造体と対応するウエハとの間に配置してもよい。
特に、SAW構造体(SAW=Surface Acoustic Wave=表面弾性波)又はGBAW構造体(GBAW=Guided Bulk Acoustic Wave=ガイドされたバルク弾性波)の場合、ベースウエハ又はカバーウエハは圧電材料を有してよい。なお、部品構造体は、対応するウエハの圧電材料上に直接配置される櫛形電極構造体を備えてよい。
部品構造体がBAW構造体(BAW=Bulk Acoustic Wave=バルク弾性波)を備える場合、圧電性でなくてもよい対応するウエハと構造体との間に、例えば音響ミラー層又は圧電層等の、更なる層を配置してよい。
ベースウエハ、カバーウエハ、及びフレームが下方の第1中空空間を囲むことで、第1中空空間内の第1部品構造体をMEMS部品の環境に対して気密に封止することができる。ただし、第1部品構造体はセンサ構造体であって、環境特性を検出するとしてもよい。その場合、第1中空空間は、少なくとも小さな開口を通して、部品の環境と接続されてよい。
特に、金属フレームによって接合が行われる時、気密中空空間が可能である一方、水平方向の金属信号導体を引き出さなければならない時、金属接合フレームは問題がある。その場合、追加の絶縁体が、例えばフレームと導体との間の誘電層の形状で必要になる。寄生容量は、このような分離層が導入される場合、追加の回路素子により補償されうる。例えば窒化ケイ素を用いた、全体的に誘電性の接合フレームは気密にできる。絶対気密が必要とされない場合、ポリマーを有利に接合材として使用することができる。
上方の第2中空空間を覆う薄膜カバーは、第2部品構造体を悪影響から保護する。また、第2中空空間は、部品環境に対して密閉してよく、あるいは例えば1又は複数の開口を通して、環境と接続されてよい。
その上、薄膜カバーが実質的に例えばカバー、キャップ、張り渡されたラミネートフィルム等の従来の被膜と異なる点は、その材料が従来の被膜よりも薄く、層の成膜方法により中空空間の被膜として被着することである。例えば、スパッタリング(PVD=Physical vapor deposition)、PECVD(plasma−enhanced chemical vapor deposition)、PLD(Puls Laser Deposition)、MBE(Molecular Beam Epitaxie)、ALD(atomic layer deposition)等の層の成膜方法を用いることで、可能な材料の数は略無限である。従って、薄膜カバーの厚さ及び形、並びに例えば気密性、機械的安定性等の特性を、個別に調整することができる。
薄膜カバーの薄層は、すでに第2中空空間の完全な被膜であってよい。ただし、薄膜カバーは、多層の被膜の一部であってもよい。その場合、第2中空空間の被膜は、薄膜カバーの他に、その上、更なる材料の少なくとも1つの層を備える。
MEMS部品は、第2中空空間の被膜の一部として、更に封止層を備えてよい。薄膜カバーは少なくとも1つの孔を有し、封止層は薄膜カバー上方に配置され、孔を封止する。
薄膜カバーの孔は、対応するMEMS部品の製造方法を簡素化するのに有利になりえる。このように、薄膜カバーの材料を犠牲層に被着し、犠牲層を薄膜カバーの完成後、薄膜カバーの孔を通して再び除去することができる。第2中空空間を気密に被包するため、封止層は薄膜カバーの孔、つまり全ての孔を封止する。
MEMS部品は、被膜の一部として補強層を有してよい。補強層は、薄膜カバー上方又は薄膜カバー上に配置され、薄膜カバーを機械的に補強する。このように、被膜の一部としての補強層は主に、機械的に安定した被覆を得るという役割を果たす。
MEMS部品は、第2中空空間の被膜の一部として平坦化層を有してよい。平坦化層は、薄膜カバー上方又は薄膜カバーの直接上に配置され、平坦な上面を有する。第2中空空間上方に平坦な上面があると、部品の上面上に、例えば信号導体及び/又は回路素子等の更なる構造体、並びに/又は外部接続用の接続面を配置しなければならない場合に有利である。
従って、MEMS部品は、被膜の一部として再配線層を有してよい。再配線層は、薄膜カバー上方又は薄膜カバーの直接上に配置され、誘電材料の少なくとも1つの層と信号導体とを備える。
MEMS部品は、被膜の一部としてパッシベーション層を有してよい。パッシベーション層は、薄膜カバー上方又は薄膜カバーの直接上に配置される。パッシベーション層は、化学的に不活性な表面を形成し、被膜の密度を高めるという役割を果たすことができる。
封止層、補強層、平坦化層、再配線層、及びパッシベーション層は、それぞれ単独又は薄膜カバーとの組み合わせにより、第2中空空間の被膜を形成できる。薄膜カバー上方又は薄膜カバーの直接上の層は、複数の上記課題を満たしてよく、例えば平坦化層であると同時にパッシベーション層であってよい。
再配線層内には、パッシブ回路素子、誘導性素子、容量性素子、抵抗素子、及びストリップラインから選択される回路素子を配置してよい。
回路素子は、有利には、再配線層の誘電材料に埋設される導電構造体を備える。
MEMS部品は、部品の上面上に第1電気的接続面を更に備えてよい。その上、第1部品構造体を第1接続面と接続する信号導体を更に設ける。その場合、信号導体は、少なくとも部分的に部品の外側面に延在する。
それにより、信号導体がめっきスルーホールを通してカバーウエハを貫通するのではなく、カバーウエハの周りをガイドされる、MEMS部品が得られる。ウエハを貫通するめっきスルーホールは原則的には可能とみられるが、その場合技術的問題を生ずる。このように、ウエハに孔を形成するのは比較的高価であるし、ウエハが機械的に弱くなる。更に、高周波に好適なめっきスルーホールを実現するためには、許容体積抵抗率を約10mΩ程度にできるよう、好適な材料(例えば、銅、銀、又は金(好適)等の高導電性金属)の選択肢は少ししかない。これら材料は、更に、特に熱膨張係数又はその拡散挙動に関するウエハ材料との適合性を必ずしも有していない。このように、高周波に好適なめっきスルーホールを実現するためには、低抵抗を達成するため、例えば30μm以上の比較的大きな径が必要である。特に、例えばめっきスルーホール材料としての銅とウエハ材料としてのケイ素とに関して必要とされる、ウエハの材料とめっきスルーホール材料との間の拡散バリアが必須である場合、製造方法は非常に高コストになる。更に、完全に金属が充填されためっきスルーホールは、異なる熱膨張係数のため、材料系の機械的応力を生じさせる場合があり、最終的にはチップ又はウエハの破損に至る可能性がある。大量に充填されためっきスルーホールの代替として、多孔壁のみが金属で被覆されためっきスルーホールが可能である。これには、ただし、まだ高コストの成膜方法が必要だろう。
信号導体をカバーウエハの材料の外側で通すことで、この問題を回避できる。更に、信号導体の材料を第1部品構造体からフレームとベースウエハの材料との間又はフレームとカバーウエハの材料との間で側方に第1中空空間から外に引き出してよい。
MEMS部品は、部品の上面上に第2接続面を有してよい。更に、MEMS部品は、第2部品構造体を第2接続面と接続するめっきスルーホールを更に備える。その場合、めっきスルーホールは、ウエハ材料を貫通する必要がない。めっきスルーホールが薄膜カバーの材料及び/又は第2中空空間の被膜の更なる層、つまり被膜の積層体の材料を貫通すれば十分である。
従って、特に、MEMS部品はカバーウエハの材料を貫通するめっきスルーホールを含まなくてよい。
第1及び第2部品構造体は、SAW構造体、BAW構造体、GBAW構造体、マイクロホン膜、マイクロホンバックプレート、及びMEMS構造体から選択されてよい。
MEMS部品は封止層を備え、その材料は、全体又は少なくとも一部が誘電材料、有機材料、窒化ケイ素つまりSi、酸化ケイ素つまりSiO、酸化アルミニウムつまりAlから選択されてよい。
MEMS部品は補強層を備え、その材料は、全体又は少なくとも一部が誘電材料、有機材料、ポリマー、BCB(ベンゾシクロブテン)、無機材料、窒化ケイ素つまりSi、酸化ケイ素つまりSiO、酸化アルミニウムつまりAlから選択されてよい。
部品は平坦化層を備え、その材料は、全体又は少なくとも一部が誘電材料、有機材料、ポリマー、BCB、ラミネート、無機材料、窒化ケイ素つまりSi、酸化ケイ素つまりSiO、酸化アルミニウムつまりAlから選択されてよい。
MEMS部品はパッシベーション層及び/又は再配線層を備え、その材料は、全体又は少なくとも一部が誘電材料、有機材料、ポリマー、BCB、ソルダーレジスト、無機材料、窒化ケイ素つまりSi、酸化ケイ素つまりSiO、酸化アルミニウムつまりAlから選択されてよい。
MEMS部品は、上方の中空空間の被膜において、薄膜カバーの他に、封止層、補強層、平坦化層、パッシベーション層、及び再配線層を有してよい。更に、被膜は、薄膜カバーの他に、単に上記層を更に1つ、更に2つ、更に3つ、又は更に4つ有してよい。
部品のベースウエハ及びカバーウエハは、同一の材料又は略同一の熱膨張係数を有する材料からなってよい。
これにより、製造中又は部品稼働中に熱により誘起される応力を防止又は減少させる。カバーウエハの材料又はベースウエハの材料が、異なる空間方向において異なる程度に膨張する場合、膨張が同一方向に略同一程度であるように、材料の配向を選択すると有利である。ウエハが例えば同一の材料を有する場合、ウエハの結晶軸を平行に配向すると有利である。
MEMS部品の側面は面取りされてよい。すなわち、部品の断面は上方に向かって小さくなる。
高集積度化されたMEMS部品の製造方法において、以下のステップ:
ベースウエハ(BW)を設け、
ベースウエハ上に、第1部品構造体とフレームとを形成し、
カバーウエハを設け、
カバーウエハ上に第2部品構造体を形成し、
フレーム上にカバーウエハを配置し、ベースウエハ、カバーウエハ、及びフレームの間に第1中空空間を形成し、
第2部品構造体上方に薄膜カバーを形成する、ことを
備えてよい。
特に、薄膜カバーの形成ステップは以下のサブステップ:
第2部品構造体に犠牲材を被着し
犠牲材上に層の成膜方法により薄層の形状で薄膜カバーを成膜し、
薄膜カバーに少なくとも1つの孔を形成し、
薄膜カバー下の犠牲材を除去する、ことを
備えてよい。
MEMS部品又はそのような部品の製造方法の根底にある思想、機能原理、並びに例示的な態様及び実施形態を、概略図に基づいて更に説明する。
これら図について、
MEMS部品の簡単な実施形態、 その上側に接続手段を有する部品の更なる実施形態、 部品の製造における第1中間ステップ、 部品の製造における第2中間ステップ、 部品の製造における更なる中間ステップ、 更なる中間ステップ、 更なる中間ステップ、 更なる中間ステップ、 更なる中間ステップ、 部品の上部の製造における更なる中間ステップ、 部品の上部と部品の下部とを組み合わせた、更なる中間ステップ、 更なる中間ステップ、 更なる中間ステップ、 製造後、結果として完成した部品、 MEMS部品の更なる実施形態。
図1は、BAW部品構造体が、第1部品構造体として第1中空空間H1に、そして更なるBAW部品構造体が第2部品構造体として第2中空空間H2配置された、部品の可能な実施形態を示す。フレームRは、スペーサとしての役割を果たし、例えばフレーム材料として金属を気密に使用する際には、カバーウエハDWとベースウエハBWとの間のシールとしての役割を果たす。第1部品構造体は、ベースウエハBWの直接上に配置される。第1中空空間H1のBAW構造体とベースウエハBWとの間に配置された更なる音響ミラー層も同じく可能だが、図面の簡素化のため、図示されていない。カバーウエハDW上かつ第2部品構造体下に、同じく音響ミラー層を配置してよい。薄膜カバーDSAは、第2中空空間H2の上限を形成し、第2部品構造体を被覆する。薄膜カバーDSA上には、平坦な上面を有する平坦化層PSが配置される。信号導体SLは、少なくとも部分的に部品MBの外側面に延在する。そのような信号導体SLを通して、異なる部品構造体は互いに、そして場合によっては例えば部品MBの上面上の外側面の接続パッドと接続されてよい。
特に、部品MBの外側面にガイドされる信号導体により、カバーウエハDWを貫通するめっきスルーホールによる短所が回避される。
図2は、部品の側面が面取りされ、面取りされた側面上に、部品構造体を部品の上面上の接触面KFと接続する信号導体SLが配置される、部品の実施形態を示す。一例として、第1部品構造体BS1をBAW部品構造体として、第2部品構造体BS2をBAW部品構造体として示す。第1部品構造体BS1の他に、更なる部品構造体が第1中空空間に含まれる。カバーウエハDW上方には、第2中空空間H2の他に、実質的に第2中空空間と類似する構造を有する更なる中空空間が存在する。平坦化層PS上方には、再配線層USが配置される。その中に、めっきスルーホールDKを通して接触面KFと接続された信号導体の一部が延在する。部品を外部回路環境の予め定められた接触面と直接接続できるにもかかわらず、部品における部品構造体の位置を任意に選択可能であるように、接触面KFの位置を選択することが、再配線層USにより実質的に可能である。
図3は、ここでは一例としてBAW部品構造体として示される第1部品構造体BS1が大表面積のベースウエハBW上に配置される、対応するMEMS部品の製造の中間プロセスを示す。
図4は、追加のフレーム構造体RがベースウエハBWの上面に配置される、更なる中間ステップを示す。その場合、第1部品構造体BS1及びフレーム構造体は、多用途に、つまりベースウエハのダイシング前に複数の個々の部品部分に作成されてよい。
図5は、第2部品構造体がカバーウエハDWの上面に配置される、更なる中間ステップを示す。第2部品構造体は薄膜カバーにより被覆されるため、カバーウエハDWの上面ではフレーム構造体は必要とされない。その代わりに、図6に示されるように、犠牲材OMが第2部品構造体上方に製造され成形される。その場合、犠牲材OMの形状は、実質的に、後の中空空間H2の形状を決定する。
犠牲材OMの材料上には、薄膜カバーDSAの材料が、図7に示されるように、成膜される。
図8は、孔Lが薄膜カバーDSAに形成される、更なる中間ステップを示す。
図9は、犠牲材OMが薄膜カバーの孔を通して除去される、更なる中間ステップを示す。
図10は、薄膜カバーの孔が例えば封止層VSにより封止され、薄膜カバーDSAが補強層VSTにより補強され、平坦化層PSにより被覆される、更なる中間ステップを示す。平坦化層PS上方には、再配線層USが配置される。平坦化層PSを貫通するめっきスルーホールDKは、カバーウエハDWの上面の信号導体を、平坦化層の上面の信号導体、つまり再配線層USに埋設される信号導体、と接続する。再配線層USを貫通するめっきスルーホールを通して、部品構造体を部品の上面の接触面と接続することができる。部品は、パッシベーション層PASを有してよい。パッシベーション層PASは、追加の層であってよく、最上層のうちの1つであってよい。パッシベーション層はまた、その他の層のうちの1つ、例えば再配線層USと一致してもよい。
図11は、部品の上部(図5〜10参照)をすでにダイシングし、ベースウエハBW上のフレーム構造体Rと接続した、更なる中間ステップを示す。フレームRにより、カバーウエハDWとベースウエハBWとを、例えば通常の接着方法を用いて接続することができる。
図12は、部品の側面ASFの一部が面取りされた、更なる中間ステップを示す。面取りにより、カバーウエハと平坦化層の材料が除去される結果、ベースウエハの上面の信号導体は露出する。
従って、図13は、どのように露出した信号導体が導電材料を成膜することによりお互いに接続されるかを示す。
図14は、最後に、ベースウエハもそのために設けられたダイシングラインに沿って切断された、完成部品を示す。部品の上面の接触面にハンダボールを設けることで、外部回路環境との接続がバンプ接続体BUを通して可能である。
図15は、再配線層USの内部に一例として誘導性素子IEを埋設している、MEMS部品の実施形態を示す。他の回路素子、特に再配線層USの内部のパッシブ回路素子も同様に可能である。
部品又は部品の製造方法は、記載された実施形態例に限定されない。更なる中空空間、更なるウエハ、若しくは更なる薄膜カバーを有する部品、又は対応する包括的部品の製造方法は、同様に請求項によっても包含される。
参照符号リスト
ASF:面取りされた側面
BS1:第1部品構造体
BS2:第2部品構造体
BU:バンプ接続体
BW:ベースウエハ
DK:めっきスルーホール
DSA:薄膜カバー
DW:カバーウエハ
H1:第1中空空間
H2:第2中空空間
IE:誘導性素子
KF:接触面
L:孔
MB:MEMS部品
OM:犠牲材
PAS:パッシベーション層
PS:平坦化層
R:フレーム
SL:信号経路
US:再配線層
VS:封止層
VST:補強層

Claims (15)

  1. MEMS部品(MB)において以下を備える:
    ベースウエハ(BW)と、その上に配置されるカバーウエハ(DW)と、
    前記ベースウエハ(BW)と前記カバーウエハ(DW)との間の第1中空空間(H1)と、前記第1中空空間(H1)内の第1部品構造体(BS1)と、
    前記カバーウエハ(DW)上方の第2中空空間(H2)と、前記第2中空空間(H2)内の第2部品構造体(BS2)と、
    前記第1中空空間(H1)を側方において囲むフレーム(R)と、
    前記第2中空空間(H2)を覆う薄膜カバー(DSA)。
  2. 封止層(VS)を更に備え、前記薄膜カバー(DSA)は孔(L)を含み、前記封止層(VS)は前記薄膜カバー(DSA)上方に配置され、前記孔(L)を封止する、請求項1に記載のMEMS部品。
  3. 補強層(VST)を更に備え、前記補強層(VST)は前記薄膜カバー(DSA)上方に配置され、これを機械的に補強する、請求項1又は2に記載のMEMS部品。
  4. 平坦化層(PS)を更に備え、前記平坦化層(PS)は前記薄膜カバー上方に配置され、平坦な上面を有する、請求項1〜3の何れか1項に記載のMEMS部品。
  5. 再配線層(US)を更に備え、前記再配線層(US)は誘電材料と信号導体(SL)を含み、前記薄膜カバー(DSA)上方に配置される、請求項1〜4の何れか1項に記載のMEMS部品。
  6. 回路素子を更に備え、前記回路素子は、前記再配線層内に配置され、パッシブ回路素子、誘導性素子、容量性素子、抵抗素子、及びストリップラインから選択される、請求項1〜5の何れか1項に記載のMEMS部品。
  7. パッシベーション層(PAS)を更に備え、前記パッシベーション層(PAS)は前記薄膜カバー(DSA)上方に配置される、請求項1〜6の何れか1項に記載のMEMS部品。
  8. 前記部品(MB)の上面上に第1電気的接続面と、信号導体(SL)とを更に備え、前記信号導体は、前記第1部品構造体(BS1)を前記第1接続面と接続し、少なくとも部分的に前記部品(MB)の外側面(ASF)に延在する、請求項1〜7の何れか1項に記載のMEMS部品。
  9. 前記部品(MB)の上面上に第2接続面と、めっきスルーホール(DK)とを更に備え、前記めっきスルーホール(DK)は前記第2部品構造体(BS2)を前記第2接続面と接続する、請求項1〜8の何れか1項に記載のMEMS部品。
  10. 前記カバーウエハ(DW)を貫通するめっきスルーホール(DK)を含まない、請求項1〜9の何れか1項に記載のMEMS部品。
  11. 請求項1〜10の何れか1項に記載のMEMS部品において、前記第1部品構造体(BS1)及び前記第2部品構造体(BS2)は以下から選択される:SAW構造体、BAW構造体、GBAW構造体、マイクロホン膜、MEMS構造体。
  12. 請求項1〜11の何れか1項に記載のMEMS部品は、以下を備える:
    材料が誘電材料、有機材料、ポリマー、BCB、無機材料、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウムから選択される封止層(VS)と、
    材料が誘電材料、有機材料、ポリマー、BCB、無機材料、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウムから選択される補強層(VST)と、
    材料が誘電材料、有機材料、ポリマー、BCB、ラミネート、無機材料、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウムから選択される平坦化層(PS)と、
    それぞれ材料が誘電材料、有機材料、ポリマー、BCB、ソルダーレジスト、無機材料、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウムから選択されるパッシベーション層(PAS)及び/又は再配線層(US)。
  13. 前記ベースウエハ(BW)及び前記カバーウエハ(DW)は、同一の材料又は略同一の熱膨張係数を有する材料からなる、請求項1〜12の何れか1項に記載のMEMS部品。
  14. MEMS部品(MB)の製造方法において、以下のステップを備える:
    ベースウエハ(BW)を設け、
    前記ベースウエハ(BW)上に、第1部品構造体(BS1)とフレーム(R)とを形成し、
    カバーウエハ(DW)を設け、
    前記カバーウエハ(DW)上に第2部品構造体(BS2)を形成し、
    前記フレーム上(R)に前記カバーウエハ(DW)を配置し、ベースウエハ(BW)、カバーウエハ(DW)、及びフレーム(R)の間に第1中空空間(H1)を形成し、
    前記第2部品構造体(BS2)上方に薄膜カバー(DSA)を形成する。
  15. 請求項14に記載の方法において、前記薄膜カバー(DSA)の形成ステップは以下のサブステップを備える:
    前記第2部品構造体(BS2)に犠牲材(OM)を被着し、
    前記犠牲材(OM)上に層の成膜方法により薄層の形状で薄膜カバー(DSA)を成膜し、
    前記薄膜カバー(DSA)に少なくとも1つの孔(L)を形成し、
    前記薄膜カバー(DSA)下の前記犠牲材(OM)を除去する。
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