JP7217720B2 - ベースプレートの汚染防止方法 - Google Patents

Description

本発明は多結晶シリコンの製造に用いるベースプレートの汚染防止方法に関する。

多結晶シリコンは半導体製造用の単結晶シリコンや太陽電池製造用シリコンの原料である。多結晶シリコンの製造方法としてはシーメンス法が知られており、この方法では、一般に、シラン系原料ガスを加熱されたシリコン芯線に接触させることにより、当該シリコン芯線の表面にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で多結晶シリコンを析出させる。

シーメンス法で使用される反応器は一般的にはベルジャーと呼ばれる釣鐘型の蓋と、ベースプレートと呼ばれる電極や原料ガス供給、排気口等が設けられた底面部からなり、お互いがフランジによって接続されている。

電極は絶縁物を挟んでベースプレートを貫通し、配線を通して別の電極に接続されるか、反応器外に配置された電源に接続される。気相成長中に多結晶シリコンが析出することを防止するため、又は金属の温度が上昇して多結晶シリコン中の重金属汚染を引き起こさないように、電極とベースプレートとベルジャーは水等の冷媒を用いて冷却される。

電極又は芯線ホルダーに固定されたシリコン芯線はジュール熱によって加熱され、ガスノズルから供給される原料ガス、例えばトリクロロシランと水素の混合ガスを吹き付けられることでシリコン芯線上に高純度のシリコンを気相成長させ、シリコンロッドとなる。

シリコンロッドの成長を終えた後、シリコンロッドが十分に除熱される。反応器内に無害な気体で満たされた後にベルジャーとベースプレートのフランジボルトが取り外される。ベルジャーがクレーンで持ち上げられてベルジャー洗浄機に運ばれて高圧洗浄水等によって洗浄される。ベースプレート上ではシリコンロッドが収穫された後にベースプレート上に落ちたシリコンロッドの破片等が清掃される。シリコンロッドの収穫及びベースプレートの清掃は作業者の手作業で行われる。

ベースプレートの清掃が終わった後に新たに芯線と芯線ホルダーがベースプレート上の電極にセットされ、洗浄が終わったベルジャーが再びクレーンで持ち運ばれてベールプレートとフランジで再び接続される。

近年、ポリシリコンロッドに対する不純物の低減要求はますます高まってきており、特にポリシリコンロッドの内部（バルク）の汚染は表面汚染のように後工程で洗浄し取り除くことが不可能であることから製品の品質に与える影響が大きい。

このバルクに含まれる不純物としては、原料ガスそのものに含まれている不純物、反応器材質、反応器内面の表面汚れ等が要因として考えられる。反応器内面の表面汚れが反応器開放中の周囲の雰囲気や反応器を閉じる直前の反応容器の内表面の清浄度によって影響を及ぼされることは知られている。

そこで例えば特許文献１で示されるようにベースプレートの清掃が行われる。また特許文献２や特許文献３で示されるように反応器を含む部屋全体を清浄に保つ試みが行われている。

特許第６３９５９２４号 特表２０１６―５３６２４９号 特表２０１６―５２１２３９号

しかし特許文献１のようにベースプレート上の清掃を行っていても十分ではない。ベースプレートは電極、原料ガス供給口、排ガス口等により複雑な形状をしており、またシリコンロッドの倒壊や一部分の落下で小さな傷が無数についているため、一度汚染されたベースプレートの汚れを完全に除去し、清浄な状態まで清掃することは非常に困難である。

また、過度な清掃行為がベースプレートに新たな傷を作って汚れが残留する要因ともなる。さらには、清掃具そのものが欠落しベールプレート上に残り汚染の原因となることもある。

そこで特許文献２のように反応器の有る部屋全体をクリーンルームとすることで清浄に保つことで不純物を低減させることができる。しかしこれには部屋設計の当初から計画していなければならない。更に巨大なシーメンス法の反応器を何台も設置可能なクリーンルームを作成し、維持するには経済的にも困難である。

また、たとえ部屋全体をクリーンルームとしても内部で作業者が行う作業によって発生するパーティクルや、ベルジャーの移動に使うクレーンと天秤等の使用によって発生する金属粉やオイル等、部屋の内部に存在する汚染源からの新に発生する汚染に対しては効果がすぐには得られない問題がある。

特許文献３は部屋の清掃を一定間隔で行っているが、こちらでも先ほどと同様に新た発生する汚染に対しては効果がすぐには得られない問題がある。

そこで本発明は、多結晶シリコンの製造に用いるベースプレートの汚染を防止する手段をコストをかけずに提供することである。

本発明によるベースプレートの汚染防止方法は、
ベースプレート及び前記ベースプレートを覆う蓋を有する反応器内で多結晶シリコンを製造した後で、前記蓋を前記ベースプレートから除去する工程と、
前記ベースプレートを含む空間を隔離装置によって隔離する工程と、
を備えてもよい。

本発明によるベースプレートの汚染防止方法において、
前記隔離装置はフィルターを介して空気を前記ベースプレートに向かって吹き付けることができるフィルターユニットを有し、
前記ベースプレートを含む空間を隔離装置によって隔離する工程において、前記フィルターユニットが前記ベースプレートに向かって気体を吹き付けてもよい。

本発明によるベースプレートの汚染防止方法において、
前記フィルターユニットが、１時間あたり、前記隔離装置内の容量の３０倍以上の気体を供給してもよい。

本発明によるベースプレートの汚染防止方法において、
前記フィルターユニットが、１時間あたり、前記隔離装置内の容量の９０倍以上の気体を供給してもよい。

本発明によるベースプレートの汚染防止方法において、
前記隔離装置が移動部を有し、
前記ベースプレートを含む空間を隔離装置によって隔離する工程前に、前記移動部を用いて前記隔離装置が移動されてもよい。

本発明によるベースプレートの汚染防止方法は、
前記隔離装置を取り除き、前記蓋を前記ベースプレートに設置した後で、次の多結晶シリコンの製造を開始する工程をさらに備えてもよい。

本発明によるベースプレートの汚染防止方法において、
前記ベースプレートを含む空間の隔離装置による隔離は、前記多結晶シリコンの製造終了後に前記蓋を前記ベースプレートから除去した後から、次の多結晶シリコンの製造を開始するために前記蓋を前記ベースプレートに設置するまでの間の９０％以上の時間で行われてもよい。

本発明において、ベースプレートを含む空間を隔離装置によって隔離する態様を採用する場合には、多結晶シリコンの製造に用いるベースプレートの汚染を防止できる。

図１は、本発明の実施の形態による隔離装置を用いてベースプレートを隔離、保護している態様を示す図であり、ベルジャーの側方と隔離装置の側方断面を示した図である。 図２は、本発明の実施の形態による隔離装置がフィルターユニットを有する態様を示した側方断面図である。 図３は、本発明の実施の形態による隔離装置がフィルターユニットを有する態様の上方平面図である。 図４は、隔離装置を利用した態様を説明するためのフローである。

反応器は、ベースプレート８と、ベースプレート８に連結された蓋であるベルジャー４を有している。図１ではベースプレート８からベルジャー４が分離されている態様を示しているが、利用時にはベースプレート８にベルジャー４がフランジ等を介して取り付けられている。

ベースプレート８には、原料ガスを供給する原料ガス供給ノズル９、電極１０、電極１０に設けられた芯線ホルダー１１、芯線ホルダー１１に設けられたシリコン芯線１２が設けられている。多結晶シリコンを生成する場合には、シリコン芯線１２の表面に例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって多結晶シリコンを析出させる。

隔離装置３０は、上下方向に延在するパーティション３１と、パーティション３１の頂面（上面）に設けられた天井部３２とを有してもよい。パーティション３１は上下方向に延在する支柱３３と左右方向に延在する支柱３３によって保持されてもよい。パーティション３１はビニール等から構成されてもよい。

ベースプレート８から取り外されたベルジャー４は、天秤２及びフック３を介して、クレーン１によって移動されてもよい。上下方向又は水平方向に移動させることでベースプレート８に対する開閉を行うことができる。ベースプレート８から取り外されたベルジャー４は、ベルジャー洗浄台等のベルジャー洗浄機へ移動される。ベルジャーを移動させる際、各構成要素で使用されている潤滑用オイルや、それぞれの干渉によって微小な金属粉が発生し、それらを含んで汚染された空気Ａ１が地表面に向かって流れていく。本実施の形態では、この汚染された空気Ａ１がベースプレート８へ到達することを防ぐために、空間を隔離可能とする隔離装置３０を、ベースプレート８全体を覆うように設置する。このことによって、ベースプレート８を隔離し、保護することができ、その結果として、ベースプレート８の表面の汚染を防ぐことができる。

本実施の形態では、隔離装置５を設置するためのスペースを確保するまでベルジャー４を移動させ、その時点でベルジャー４の移動を停止させてもよい。そして、隔離装置５によってベースプレート８を覆った後で、ベルジャー４の移動を再度開始してもよい。この態様によれば、ベルジャー４の移動に伴うベースプレート８の表面の汚染を極力防止することができる点で有益である。

図２に示すように、隔離装置３０は天井部３２にＦＦＵ（Fan Filter Unit；フィルターユニット）３６を有してもよい。この態様を採用する場合には、清浄化された空気Ａ２をベースプレート８上に直接吹き付けることができる。このため、隔離保護された空間内で作業者９０（図１参照）がシリコン芯線１２の立込み等の作業を行っても、作業によって発生した粉塵を含む空気１５がベースプレート８上に到達することを防止でき、ベースプレート８を清浄に保つことができる。

ＦＦＵ３６ではHEPAフィルターを用いることが好ましく、ULPAフィルターを用いることがより好ましい。ＦＦＵ３６では低有機物・低ボロンULPAフィルターを用いることがさらにより好ましい。

隔離装置３０によるベースプレート８の保護は反応器の開放中（ベースプレート８からベルジャー４を取り除いている間）の全ての時間で使用する必要は必ずしもない。例えばベルジャー４の移動中や部屋の清掃等の金属粉を初めとする発塵の発生が予想される時間のみの部分的な使用であってもよい。

隔離装置３０はその場で組み立ててもよいし、クレーン等で運んでもよいが、粉塵を発生させないという観点からは、隔離装置３０にキャスター等の移動部７が設けられていることが有益である。

反応器内でシーメンス法により多結晶シリコンを成長させる場合には、副生成物として塩酸が発生する環境にある。このため、この場合には隔離装置３０の使われる環境は酸性雰囲気にある。このことを鑑み、ＦＦＵ３６の外装やクリーンブースの骨組等の金属部分には酸性雰囲気によって錆びないように、テープを巻いて保護をすることが望ましい。

ＦＦＵ３６の外装やクリーンブースの骨組等の金属部分に樹脂コーティングを施すことも有効である。またコートする樹脂のアウトガスを下げることにより、清掃したベースプレート８の汚染をより低減する効果があるため好ましい。

金属汚染、特にＺｎが混入する原因は不明であった。しかしながら、発明者が鋭意努力をして汚染源を調べた結果、空調機フィルター室及び送風ダクト内面の亜鉛メッキが腐食する等し、亜鉛メッキが剥がれ、当該亜鉛メッキが室内に舞い込むことが主な汚染原因であることが判明した。

このため、ベースプレート８上の作業、特にベースプレート８の清掃、多結晶シリコンをシーメンス法で成長させるためのシリコン芯線の設置作業をする際、作業をする空間を、短期的に隔離装置３０で隔離することが金属汚染に有効であると判明した。

なお、隔離装置３０で隔離された空間内で作業をする作業者９０は、ベースプレート８を清掃し、新しい芯線を設置するために、安全のためにヘルメットを装着し、マスク、ゴーグル、ニトリル手袋、防塵服を装着して作業にあたる。

多結晶シリコンを取り出す時及び取り出した後の多結晶シリコンの破片を除去する作業は、当該破片による切創を防止するためケプラー手袋・前掛け、プロテクター等を使用して作業をする。

この際、作業者９０から発生する汚染物質であるＮａ及びＣａをベースプレート８に付着させないように、隔離装置３０内のＦＦＵ３６を介したダウンフローの気流を乱さず系外に排出することが望ましい（図２参照）。なおＦＦＵ３６を介したダウンフローを行う際には、その気流が系外に排気されるように、隔離装置３０のパーティション３１の下部に開口部を設け、隔離装置３０内の気流に乱れを起こさないようにすることが好ましい。

開口部はパーティション３１全体にわたり均等に開口することが好ましい。ＦＦＵ３６により隔離装置３０内に送風される風量を考えると、一定時間における空間の換気回数が多いほど、ＦＦＵ３６により隔離装置３０内に送風される風量は多くなる。気流を乱さないようにするためには、適宜、開口部の開口の広さを調節することが望ましい。開口部の開口の広さは隔離装置３０の高さ位置を調整することで変更できるようになってもよいし、パーティション３１の上下方向の長さを調整することで変更できるようになってもよい。

また、図３に示すように、隔離装置３０の形状が上方から見て四角形状である場合には、パーティション３６の下部の風量に差が生じる。このため、上方から見た平面視における、パーティション３６の中央部の開口部を端部（コーナー部）よりも大きくし、気流が乱れないようにすることも好ましい。図２では粉塵を含む空気を符号Ａ３で示している。

隔離装置３０内で、ＦＦＵ３６からダウンフローされた気流が作業者９０にあたることによって乱れることがある（図１参照）。このように気流が乱れると、気流が隔離装置３０から系外へ排出され難い状況が発生することが考えられる。この場合にはＮａ及びＣａが隔離装置３０内に留まる可能性があり、ベースプレート８や設置をしているシリコン芯線に付着するＮａ及びＣａが多くなり好ましくない。そのため、ＦＦＵ３６からダウンフローで流れる気流は、隔離装置３０系外へ排出されるような流れを作る方が好ましい。

具体的には隔離装置３０の中心部から外側に向かうにつれて気流の流れを弱める方法を採用することが考えられる。図２に示したように、中央のＦＦＵ３６の風量を強くし、周辺部のＦＦＵ３６の風量を弱めることにより、隔離装置３０内の気流に乱れを起こすことなく、系外に排出をすることができる。図３に示す態様で言えば、中央部に位置するＦＦＵ３６の風量が、当該ＦＦＵ３６を取り囲んで配置される８個のＦＦＵ３６の風量よりも大きくなる態様を採用することが考えられる。

このような態様を採用する代わりに、又はこのような態様を採用しつつ、隔離装置３０の中心から外側に向かって斜め方向の気流を発生させ（図２の矢印Ａ２参照）、作業者９０にあたった気流を系外へ押し出す効果を奏するようにするようにしてもよい。

気流全体の速度が早ければ早いほど、汚染物質を速やかに系外に排出するため好ましい。空間の換気回数が３０回／ｈ以上であれば、汚染物質を削減する効果が顕著にみられるため好ましい。また空間の換気回数が９０回／ｈ以上とすればさらに好ましい。本実施の形態において、空間の換気回数がｎ回／ｈというのは、隔離装置３０内の空間の容積のｎ倍の空気を１時間に送風することを意味している。このため、空間の換気回数が３０回／ｈ以上というのは１時間に隔離装置３０内の空間の容積の３０倍の空気を送風することを意味し、空間の換気回数が９０回／ｈ以上というのは１時間に隔離装置３０内の空間の容積の９０倍の空気を送風することを意味している。

また隔離装置３０を上方から見た場合、その中心部からの円の面積（図３の符号８０参照）がパーティション３１によって区切られる面積の１／２内における風量が当該円の外部における風量の１．５倍となることが好ましく、１．８倍となることがより好ましく、２．０倍となることがさらにより好ましい。

次に、隔離装置３０を利用した態様の一例について、図４を用いて説明する。

ベースプレート８及びベースプレート８を覆う蓋であるベルジャー４を有する反応器内である多結晶シリコン（今回多結晶シリコン）をシーメンス法によって製造する（多結晶シリコン製造工程Ｓ１）。

ある多結晶シリコンの製造が終了した後で、ベルジャー４をベースプレート８から除去する（分離工程Ｓ２）。

次に、製造された当該ある多結晶シリコンを収穫する（収穫工程Ｓ３）。

当該ある多結晶シリコンを収穫した後、ベルジャー４が取り除かれたベースプレート８を含む空間を隔離装置３０によって隔離する（隔離工程Ｓ４）。隔離装置３０の移動はキャスター等からなる移動部７を用いて行われてもよい。隔離装置３０によってベースプレート８を含む空間を隔離した状態で、製造された多結晶シリコンの収穫、ベースプレート８の清掃等が行われる。

隔離装置３０による隔離は、ある多結晶シリコンの製造終了後にベルジャー４をベースプレート８から除去し、当該ある多結晶シリコンの収穫を終了した後に行う。そして、隔離装置３０で隔離してから次の仕込みを行うために隔離装置３０を外すまでの間を隔離時間とする。

多結晶シリコンの製造が終了した後、ベルジャー４をベースプレート８から除去してから、次の多結晶シリコンの製造を開始するためにベルジャー４をベースプレート８に再び設置するまでの間の時間を解放時間とすると、隔離時間は、解放時間の７０％以上を占めるようにしてもよい。但し、より外気に晒される時間を短くするためには、隔離時間が解放時間の８０％以上を占めるようにしてもよい。

ベルジャー４をベースプレート８から除去した後で多結晶シリコンの収穫が速やかに行われる。この収穫に要する時間は例えば０．５時間以上１．５時間以下の間である。多結晶シリコンを収穫した後に、隔離装置３０によってベースプレート８を隔離するのに要する時間は例えば５分～１０分程度である。ベルジャー４をベースプレート８から除去した後から、次の多結晶シリコンの製造を開始するためにベルジャー４をベースプレート８に再び設置するまでの時間は例えば３時間以上１２時間以下である。

ベースプレート８を含む空間が隔離装置３０によって隔離されている間、隔離装置３０に取り付けられたフィルターユニットは１時間あたり隔離装置３０内の容量の３０倍以上の気体を供給してもよい（３０回／ｈ以上となってもよい。）。より好ましくは、ベースプレート８を含む空間が隔離装置３０によって隔離されている間、隔離装置３０に取り付けられたフィルターユニットは１時間あたり隔離装置３０内の容量の９０倍以上の気体を供給してもよい（９０回／ｈ以上となってもよい。）。なお、隔離装置３０内の容量とは隔離装置３０で囲まれた空間の容量を意味し、パーティション３１及び天井部３２によって囲まれた空間の容量を意味している（図２の灰色部分参照）。

隔離装置３０を取り除き、ベルジャー４をベースプレート８に再び設置する（設置工程Ｓ５）。その後で、次の多結晶シリコン（次回多結晶シリコン）の製造をシーメンス法によって開始する。以降は上記の一連の工程を繰り返す。

次に実施例について説明する。

シーメンス法の反応方法において、多結晶シリコンロッドの収穫後から芯線を立て終わる作業を含みベルジャーで閉じられるまでの間の７．０時間、インピンジャーによってベースプレート８上付近の空気を捕集し、その影響をみる。捕集液には純水230gを使用し、吸引量は2.0L/minとした。捕集後の液をICP-MSにて直接金属成分を分析した。なお、後述する実施例及び比較例のいずれにおいても、ベルジャー４をベースプレート８から除去し、多結晶シリコンを収穫するまでの時間は１．０時間であった。

［比較例１］
反応器を開放した後の８．０時間の間、特にベースプレート８を保護せず作業を行った。

［実施例１］
反応器を開放し、１．０時間かけて多結晶シリコンロッドの収穫した後で、支柱３３とビニールからなるパーティション３１を有する隔離装置３０によってベースプレート８を保護し、周囲の空間から隔離した。この際の隔離時間は６．４時間であった（多結晶シリコンロッドの収穫した後で隔離装置３０によってベースプレート８を保護するまでに０．１時間かかり、隔離装置３０を取り除き、ベルジャー４をベースプレート８に再び設置するまでに０．５時間かかった。）。この結果、ＺｎやＮｉ、Ｆｅ等の金属汚染を劇的に防げるようになった。また隔離装置３０の系外から混入していたと思われるＣａ汚染を低減し、Ｃａ汚染を約１／４にすることができた。なお、実施例１では、隔離時間が解放時間の８０％（＝６．４／８．０）を占めている。

［実施例２］
反応器を開放し、１．０時間かけて多結晶シリコンロッドの収穫した後で、支柱３３とビニールからなるパーティション３１を有する隔離装置３０によってベースプレート８を保護し、周囲の空間から隔離した。上部に取り付けられたＦＦＵ３６（NITTA製ULPAフィルター）によって隔離した空間の換気回数が３０回／ｈとなるように調整した。ＦＦＵ３６の外装や隔離装置３０の筐体の骨組み等の金属部分は、酸性雰囲気で作業をするため、防錆のため、テープで保護をしている。その結果、さらに作業者９０によって発生していると思われるＣａ及びＮａを低減することができた。なお、実施例２でも実施例１と同様に隔離時間は６．４時間であった（多結晶シリコンロッドの収穫した後で隔離装置３０によってベースプレート８を保護するまでに０．１時間かかり、隔離装置３０を取り除き、ベルジャー４をベースプレート８に再び設置するまでに０．５時間かかった。）。

［実施例３］
反応器を開放し、１．０時間かけて多結晶シリコンロッドの収穫した後で、支柱３３とビニールからなるパーティション３１を有する隔離装置３０によってベースプレート８を保護し、周囲の空間から隔離した。上部に取り付けられたＦＦＵ３６によって隔離した空間の換気回数が９０回／ｈとなるように調整した。その結果、作業者９０によって発生していると思われるＮａ及びＣａを更に低減することが可能となった。なお、実施例３でも実施例１及び２と同様に隔離時間は６．４時間であった（多結晶シリコンロッドの収穫した後で隔離装置３０によってベースプレート８を保護するまでに０．１時間かかり、隔離装置３０を取り除き、ベルジャー４をベースプレート８に再び設置するまでに０．５時間かかった。）。

比較例１及び実施例１乃至３の結果を表に示すと下記のとおりである。
[表１]

ベースプレート８を周囲の空間から隔離装置によって隔離することで特にＦｅ、Ｎｉ、Ｚｎ及びＣａの低減が確認できた。また、清浄な空気をベースプレート８上に流すことで作業者９０によって発生していると思われるＮａ及びＣａを低減できることを確認できた。

さらに換気回数を３０回／ｈ、９０回／ｈと増やすことによりＮａ及びＣａのさらなる低減が確認された。

１ クレーン
２ 天秤
３ フック
４ ベルジャー（蓋）
７ 移動部
８ ベースプレート
９ 原料ガス供給ノズル
１０ 電極
１１ 芯線ホルダー
１２ シリコン芯線
３０ 隔離装置
３１ パーティション
３６ ＦＦＵ（フィルターユニット）
８０ 隔離装置の中心から１／２の面積の範囲を示す円
９０ 作業者
Ａ１ 汚染された空気
Ａ２ 清浄な空気
Ａ３ 粉塵を含む空気

Claims (6)

1. ベースプレート及び前記ベースプレートを覆う蓋を有する反応器内で多結晶シリコンを製造した後で、前記蓋を前記ベースプレートから除去する工程と、
   前記ベースプレートを含む空間を隔離装置によって隔離する工程と、
   を備え、
   前記ベースプレートを含む空間の隔離装置による隔離は、前記多結晶シリコンの製造終了後に前記蓋を前記ベースプレートから除去した後から、次の多結晶シリコンの製造を開始するために前記蓋を前記ベースプレートに設置するまでの間の７０％以上の時間で行われることを特徴するベースプレートの汚染防止方法。
2. 前記隔離装置はフィルターを介して空気を前記ベースプレートに向かって吹き付けることができるフィルターユニットを有し、
   前記ベースプレートを含む空間を隔離装置によって隔離する工程において、前記フィルターユニットが前記ベースプレートに向かって気体を吹き付けることを特徴とする請求項１に記載のベースプレートの汚染防止方法。
3. 前記フィルターユニットが、１時間あたり、前記隔離装置内の容量の３０倍以上の気体を供給することを特徴とする請求項２に記載するベースプレートの汚染防止方法。
4. 前記フィルターユニットが、１時間あたり、前記隔離装置内の容量の９０倍以上の気体を供給することを特徴とする請求項２に記載するベースプレートの汚染防止方法。
5. 前記隔離装置が移動部を有し、
   前記ベースプレートを含む空間を隔離装置によって隔離する工程の前に、前記移動部を用いて前記隔離装置が移動されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載するベースプレートの汚染防止方法。
6. 前記隔離装置を取り除き、前記蓋を前記ベースプレートに設置した後で、次の多結晶シリコンの製造を開始する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載するベースプレートの汚染防止方法。

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