Verstehen Sie die Filmvorbereitungstechnologie (MOCVD, Magnetronsputtern, PECVD)

 

 

 

Dieser Artikel stellt verschiedene Verfahren zur Herstellung von Dünnschichten vor. In der Halbleiterverarbeitung sind die am häufigsten genannten Techniken die Lithographie und das Ätzen, gefolgt vom Epitaxie-(Film-)Prozess.

 

Warum ist die Dünnschichttechnologie in der Chipherstellung notwendig?

 

Zum Beispiel genießen im täglichen Leben viele Menschen das Essen von Pfannkuchen. Wenn ein quadratischer Pfannkuchen nicht gewürzt und gebacken wird, hat er keinen Geschmack und die Textur ist nicht gut. Manche Leute bevorzugen einen salzigen Geschmack, also bestreichen sie die Oberfläche des Pfannkuchens mit einer Schicht Bohnenpaste. Andere bevorzugen einen süßen Geschmack, also bestreichen sie die Oberfläche mit einer Schicht Malzzucker.

 

Nach dem Auftragen der Sauce ist die Schicht aus salziger oder süßer Sauce auf der Oberfläche des Pfannkuchens wie ein Film. Seine Anwesenheit verändert den Geschmack des gesamten Pfannkuchens, und der Pfannkuchen selbst wird als Basis bezeichnet.

 

Natürlich gibt es bei der Chipverarbeitung viele Arten von Funktionen für die Filme, und die entsprechenden Filmherstellungsverfahren variieren ebenfalls. In diesem Artikel stellen wir kurz einige gängige Filmherstellungsverfahren vor, darunter MOCVD, Magnetronsputtern, PECVD usw....

 

 

I. Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD)

 

 

Das MOCVD-Epitaxie-Wachstumssystem ist ein hochkomplexes und anspruchsvolles Gerät, das eine entscheidende Rolle bei der Herstellung hochwertiger Halbleiterfilme und Nanostrukturen spielt.

 

Das MOCVD-System besteht aus fünf Kernkomponenten, von denen jede unterschiedliche, aber miteinander verbundene Funktionen ausführt, die gemeinsam die Effizienz und Sicherheit des Materialwachstumsprozesses gewährleisten.

 

1.1 Gastransportsystem:Die Hauptaufgabe dieses Subsystems ist die präzise Steuerung der Zufuhr verschiedener Reaktanten in die Reaktionskammer, einschließlich der Messung der Reaktanten, des Zeitpunkts und der Reihenfolge ihrer Zufuhr sowie der Regulierung der gesamten Gasflussrate.

 

Es besteht aus mehreren Subsystemen, darunter das Gasversorgungssystem zur Beförderung der Reaktanten, das Versorgungssystem zur Bereitstellung metallorganischer (MO) Quellen, das Versorgungssystem zur Bereitstellung von Hydriden und das Wachstums-/Entlüftungs-Multiplexventil zur Steuerung der Gasflussrichtung. Wie in der Abbildung unten gezeigt, handelt es sich um das Gasschema des MOCVD-Wachstumssystems.

 

 

 

AIXTRON CCS 3 x 2" Forschungs-Nitrid-MOCVD-System

 

 

 

Schematische Darstellung des Gaswegs des MOCVD-Systems

 

1.2 Reaktionskammersystem: Dies ist die Kernkomponente des MOCVD-Systems, die für den eigentlichen Materialwachstumsprozess verantwortlich ist.

 

Dieser Abschnitt umfasst eine Graphitbasis zur Unterstützung des Substrats, einen Heizer zum Erhitzen des Substrats, einen Temperatursensor zur Überwachung der Temperatur der Wachstumsumgebung, ein optisches Detektionsfenster und einen automatischen Be- und Entladeroboter zur Handhabung des Substrats. Letzteres wird verwendet, um den Be- und Entladevorgang zu automatisieren und so die Produktionseffizienz zu verbessern. Die Abbildung unten zeigt das Heizungszustandsdiagramm der MOCVD-Reaktorkammer.

 

 

 

Schematische Darstellung des In-Chamber-Wachstumsprinzips von MOCVD

 

1.3 Wachstumskontrollsystem: Bestehend aus einer programmierbaren Steuerung und einem Steuerungscomputer, ist es für die präzise Steuerung und Überwachung des gesamten MOCVD-Wachstumsprozesses verantwortlich.

 

Die Steuerung ist für das Sammeln, Verarbeiten und Ausgeben verschiedener Signale zuständig, während der Steuerungscomputer für die Aufzeichnung und Überwachung jeder Phase des Materialwachstums zuständig ist, um die Stabilität und Wiederholbarkeit des Prozesses zu gewährleisten.

 

 

 

1.4 In-situ-Überwachungssystem: Es besteht aus reflexionskorrigierten Infrarot-Strahlungsthermometern, Reflexionsüberwachungsgeräten und Verformungsüberwachungsgeräten.

 

Dieses System kann die Schlüsselparameter während des Materialwachstumsprozesses in Echtzeit überwachen, wie z. B. die Dicke und Gleichmäßigkeit des Films sowie die Temperatur des Substrats. So ermöglicht es sofortige Anpassungen und Optimierungen des Wachstumsprozesses.

 

 

1.5 Abgasbehandlungssystem: Verantwortlich für die Behandlung der toxischen Partikel und Gase, die während des Reaktionsprozesses entstehen.

 

Mithilfe von Verfahren wie Cracken oder chemischer Katalyse können diese schädlichen Substanzen effektiv abgebaut und absorbiert werden, wodurch die Sicherheit der Betriebsumgebung und die Einhaltung der Umweltschutzstandards gewährleistet werden.

 

Darüber hinaus werden MOCVD-Geräte in der Regel in Reinsträumen installiert, die mit fortschrittlichen Sicherheitsalarmsystemen, effektiven Belüftungsvorrichtungen und strengen Temperatur- und Feuchtigkeitskontrollsystemen ausgestattet sind. Diese Hilfseinrichtungen und Sicherheitsmaßnahmen gewährleisten nicht nur die Sicherheit der Bediener, sondern erhöhen auch die Stabilität des Wachstumsprozesses und die Qualität der Endprodukte.

 

Das Design und der Betrieb des MOCVD-Systems spiegeln die hohen Standards an Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Sicherheit wider, die im Bereich der Halbleitermaterialherstellung erforderlich sind. Es ist eine der Schlüsseltechnologien für die Herstellung von Hochleistungs-Elektronik- und Optoelektronik-Geräten.

 

Der vertikale Typ des Close-Coupled-Spraykopfes (Closed-Coupled-Showerhead, CCS) MOCVD-Systems in der Gerätekammer wird zum Züchten von Epitaxieschichten verwendet.

 

Dieses System ist mit einer einzigartigen Sprühkopfstruktur ausgestattet. Sein Kernmerkmal ist die Fähigkeit, Vorreaktionen effektiv zu reduzieren und eine effiziente Gasmischung zu erreichen. Diese Gase werden durch die verschachtelten Sprühlöcher am Sprühkopf in die Reaktionskammer eingespritzt, wo sie sich vollständig vermischen und dadurch die Gleichmäßigkeit und Effizienz der Reaktion verbessern.

 

Das Design der Sprühkopfstruktur ermöglicht es, das Reaktionsgas gleichmäßig auf das darunter liegende Substrat zu verteilen, wodurch die Konsistenz der Reaktionsgaskonzentration an allen Positionen auf dem Substrat gewährleistet wird. Dies ist entscheidend für die Bildung einer Epitaxieschicht mit gleichmäßiger Dicke.

 

Darüber hinaus fördert die Drehung der Graphitscheibe die Gleichmäßigkeit der chemischen Reaktionsgrenzschicht und ermöglicht ein gleichmäßigeres Wachstum der Epitaxieschicht. Dieser Rotationsmechanismus trägt durch die Reduzierung der Grenzschicht der dünnen chemischen Reaktion dazu bei, lokale Konzentrationsunterschiede zu minimieren und so die Gesamtgleichmäßigkeit des Filmwachstums zu verbessern.

 

 

 

(a) Der eigentliche Sprühkopf und sein vergrößertes Teilfoto, (b) Die innere Strukturabsicht des Sprühkopfes

 

 

 

 

II. Magnetronsputtern

 

 

Magnetronsputtern ist eine physikalische Gasphasenabscheidungstechnik, die üblicherweise für die Abscheidung von Dünnschichten und die Oberflächenbeschichtung verwendet wird.

 

Es verwendet ein Magnetfeld, um die Atome oder Moleküle eines Zielmaterials von der Oberfläche des Ziels freizusetzen und dann einen Film auf der Oberfläche des Substratmaterials zu bilden.

 

Diese Technologie wird häufig bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, optischen Beschichtungen, Keramikbeschichtungen und anderen Bereichen eingesetzt.

 

 

 

Schematische Darstellung des Magnetronsputterprinzips

 

 

 

Das Prinzip des Magnetronsputterns ist wie folgt:

 

1. Auswahl des Zielmaterials: Das Zielmaterial ist das Material, das auf dem Substratmaterial abgeschieden werden soll. Es kann sich um Metalle, Legierungen, Oxide, Nitride usw. handeln. Das Zielmaterial wird üblicherweise auf einer Vorrichtung namens Target Gun fixiert.

 

2. Vakuumumgebung: Der Sputterprozess muss in einer Hochvakuumumgebung durchgeführt werden, um die Wechselwirkung zwischen Gasmolekülen und dem Zielmaterial zu verhindern. Dies trägt dazu bei, die Reinheit und Gleichmäßigkeit des abgeschiedenen Films sicherzustellen.

 

3. Ionisiertes Gas: Während des Sputterprozesses wird üblicherweise ein Inertgas (z. B. Argon) eingeführt, um es in ein Plasma zu ionisieren. Diese Ionen bilden unter dem Einfluss eines Magnetfelds eine Elektronenhülle, die als "Elektronenwolkenplasma" bezeichnet wird.

 

4. Anwendung des Magnetfelds: Zwischen dem Zielmaterial und dem Substratmaterial wird ein Magnetfeld angelegt. Dieses Magnetfeld schränkt das Elektronenwolkenplasma auf die Oberfläche des Zielmaterials ein und behält so einen hohen Energiezustand bei.

 

5. Sputterprozess: Durch Anlegen eines hochenergetischen Elektronenwolkenplasmas werden die Atome oder Moleküle des Zielmaterials getroffen und dadurch freigesetzt. Diese freigesetzten Atome oder Moleküle lagern sich in Form von Dampf auf der Oberfläche des Substratmaterials ab und bilden einen Film.

 

 

Die Vorteile des Magnetronsputterns sind:

 

1. Gleichmäßigkeit des abgeschiedenen Films: Das Magnetfeld kann dazu beitragen, die Übertragung von Ionen zu steuern und so eine gleichmäßige Filmbeschichtung zu erreichen, wodurch sichergestellt wird, dass die Dicke und die Eigenschaften des Films über die gesamte Substratoberfläche hinweg konstant bleiben.

 

2. Herstellung komplexer Legierungen und Verbindungen: Magnetronsputtern kann verwendet werden, um komplexe Legierungs- und Verbundfilme herzustellen, was mit anderen Abscheidungstechniken möglicherweise schwieriger zu erreichen ist.

 

3. Steuerbarkeit und Modifizierbarkeit: Durch Anpassen von Parametern wie der Zusammensetzung des Zielmaterials, des Gasdrucks und der Abscheidungsrate können die Eigenschaften des Films, einschließlich Dicke, Zusammensetzung und Mikrostruktur, präzise gesteuert werden.

 

4. Hochwertige Filme: Magnetronsputtern kann typischerweise hochwertige, dichte und gleichmäßige Filme mit hervorragender Haftung und mechanischen Eigenschaften erzeugen.

 

5. Multifunktionalität: Es ist auf verschiedene Materialtypen anwendbar, einschließlich Metalle, Oxide, Nitride usw. Daher hat es breite Anwendungen in verschiedenen Bereichen.

 

6. Tieftemperaturabscheidung: Im Vergleich zu anderen Techniken kann das Magnetronsputtern bei niedrigen Temperaturen oder sogar bei Raumtemperatur durchgeführt werden, wodurch es für Anwendungen geeignet ist, bei denen das Substratmaterial temperaturempfindlich ist.

 

Insgesamt ist das Magnetronsputtern eine hochgradig steuerbare und flexible Dünnschichtherstellungstechnologie, die für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen geeignet ist, von elektronischen Geräten bis hin zu optischen Beschichtungen usw.

 

 

III. Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung

 

 

Die Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)-Technologie wird häufig bei der Herstellung verschiedener Filme (wie Silizium, Siliziumnitrid und Siliziumdioxid usw.) eingesetzt.

 

Die Strukturdiagramm des PECVD-Systems ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

 

 

 

Schematische Darstellung der Struktur des plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidungssystems

 

Das Grundprinzip ist wie folgt: Gasförmige Substanzen, die die Komponenten des Films enthalten, werden in die Abscheidungskammer eingebracht. Unter Verwendung einer Plasmaentladung gehen die gasförmigen Substanzen chemische Reaktionen ein, um Plasma zu erzeugen. Wenn dieses Plasma auf dem Substrat abgeschieden wird, wird ein Filmmaterial gezüchtet.

 

Die Verfahren zur Auslösung einer Glimmentladung umfassen: Hochfrequenzanregung, Gleichstrom-Hochspannungsanregung, Impulsanregung und Mikrowellenanregung.

 

Die Dicke und Zusammensetzung der durch PECVD hergestellten Filme weisen eine ausgezeichnete Gleichmäßigkeit auf. Darüber hinaus weisen die durch dieses Verfahren abgeschiedenen Filme eine starke Haftung auf und können bei relativ niedrigen Abscheidungstemperaturen hohe Abscheidungsraten erzielen.

 

Im Allgemeinen umfasst das Wachstum von Dünnschichten hauptsächlich die folgenden drei Prozesse:

 

Der erste Schritt besteht darin, dass das Reaktionsgas unter der Anregung des elektromagnetischen Feldes eine Glimmentladung durchläuft, um Plasma zu erzeugen.

 

Während dieses Prozesses kollidieren Elektronen mit dem Reaktionsgas, wodurch eine Primärreaktion ausgelöst wird, die zur Zersetzung des Reaktionsgases und zur Erzeugung von Ionen und reaktiven Gruppen führt.

 

Der zweite Schritt besteht darin, dass sich die verschiedenen Produkte, die aus der Primärreaktion erzeugt werden, zum Substrat bewegen, während verschiedene aktive Gruppen und Ionen Sekundärreaktionen eingehen, um Sekundärprodukte zu bilden.

 

Der dritte Schritt beinhaltet die Adsorption verschiedener primärer und sekundärer Produkte auf der Substratoberfläche und ihre anschließende Reaktion mit der Oberfläche. Gleichzeitig erfolgt die Freisetzung gasförmiger molekularer Substanzen.

 

 

 

IV. Dünnschicht-Charakterisierungstechniken

 

 

4.1 Röntgendiffraktometrie (XRD)

 

XRD (Röntgendiffraktometrie) ist eine häufig verwendete Technik zur Analyse von Kristallstrukturen.

 

Es zeigt Informationen wie die Gitterparameter, die Kristallstruktur und die Kristallorientierung des Materials, indem die Beugungsmuster von Röntgenstrahlen auf der Kristallstruktur innerhalb des Materials gemessen werden.

 

XRD wird in verschiedenen Bereichen wie Materialwissenschaften, Festkörperphysik, Chemie und Geologie häufig eingesetzt.

 

 

 

Schematische Darstellung des XRD-Testprinzips

 

Funktionsprinzip: Das Grundprinzip von XRD basiert auf dem Braggschen Gesetz. Das heißt, wenn ein einfallender Strahl auf eine Kristallprobe scheint, werden Röntgenstrahlen gebeugt, wenn das Atom- oder Ionen-Gitter im Kristall in einer bestimmten Anordnung vorliegt. Der Winkel und die Intensität der Beugung können Informationen über die Struktur des Kristalls liefern.

 

 

 

Bruker D8 Discover Röntgendiffraktometer

 

Instrumentenzusammensetzung: Ein typisches XRD-Instrument besteht aus den folgenden Komponenten:

 

1. Röntgenquelle: Eine Vorrichtung, die Röntgenstrahlen emittiert, wobei üblicherweise Wolfram- oder Kupferziele zur Erzeugung von Röntgenstrahlen verwendet werden.

 

2. Probenplattform: Eine Plattform zum Platzieren von Proben, die gedreht werden kann, um den Winkel der Proben einzustellen.

 

3. Röntgendetektor: Wird verwendet, um die Intensität und den Winkel des Beugungslichts zu messen.

 

4. Steuerungs- und Analysesystem: Dies umfasst das Softwaresystem zur Steuerung der Röntgenquelle, Datenerfassung, Analyse und Interpretation.

 

 

Anwendungsbereiche: XRD hat wichtige Anwendungen in vielen Bereichen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf:

 

1. Kristallographische Forschung: Wird verwendet, um die Kristallstruktur von Kristallen zu analysieren, Gitterparameter und Kristallorientierung zu bestimmen.

 

2. Materialcharakterisierung: Analysieren Sie Informationen wie die Kristallstruktur, die Phasen Zusammensetzung und die Kristallfehler des Materials.

 

3. Chemische Analyse: Identifizieren Sie die Kristallstrukturen anorganischer und organischer Verbindungen und untersuchen Sie die Wechselwirkungen zwischen Molekülen.

 

4. Filmanalyse: Dies wird verwendet, um die Kristallstruktur, Dicke und Gitteranpassung des Films zu untersuchen.

 

5. Mineralogie und Geologie: Wird zur Identifizierung der Arten und des Gehalts von Mineralien und zur Untersuchung der Zusammensetzung geologischer Proben verwendet.

 

6. Arzneimittelforschung: Die Analyse der Kristallstruktur eines Arzneimittels ist hilfreich, um seine Eigenschaften und Wechselwirkungen zu verstehen.

 

Insgesamt ist XRD eine leistungsstarke Analysetechnik, die es Wissenschaftlern und Ingenieuren ermöglicht, ein tiefes Verständnis der Kristallstruktur und der Eigenschaften von Materialien zu erlangen und so die Forschung und Anwendungen in der Materialwissenschaft und verwandten Bereichen zu fördern.

 

 

 

Foto des XRD-Diffraktometers

 

 

 

4.2 Rasterelektronenmikroskop (REM)

 

Das Rasterelektronenmikroskop (REM) ist eine häufig verwendete Art von Mikroskop. Es verwendet einen Elektronenstrahl anstelle eines Lichtstrahls, um die Probe zu beleuchten, wodurch eine hochauflösende Beobachtung der Oberfläche und der Morphologie ermöglicht wird.

 

REM wird häufig in Bereichen wie Materialwissenschaften, Biologie und Geologie eingesetzt.

 

 

Das grundlegende Funktionsprinzip von REM ist wie folgt:

 

REM verwendet eine Elektronenkanone, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen. Diese Elektronenkanone ähnelt der in einer Elektronenröhre (CRT) und erzeugt Hochenergieelektronen. Der Elektronenstrahl durchläuft ein Kollimationssystem, das aus einer Reihe von Elektronenlinsen besteht, um den Elektronenstrahl zu fokussieren und auszurichten und so die Stabilität und den Fokus des Strahls zu gewährleisten. Unter der Steuerung der Abtastspule tastet der Elektronenstrahl die Oberfläche der Probe ab.

 

Die Position des Elektronenstrahls kann präzise gesteuert werden, wodurch Abtastpixel auf der Probe erzeugt werden.

 

Die Probe wird auf der Probenbühne des REM platziert. Die Probe muss leitfähig sein, da im REM der Elektronenstrahl mit der Probenoberfläche interagieren muss, um Sekundärelektronen usw. zu erzeugen. Wenn Hochenergieelektronenstrahlen auf die Probenoberfläche treffen, interagieren sie mit den Atomen und Molekülen in der Probe. Diese Wechselwirkungen verursachen die Streuung, das Entweichen und die Anregung von Elektronen und erzeugen verschiedene Signale. Die REM-Detektion analysiert die verschiedenen Signale, die von der Probenoberfläche erzeugt werden, hauptsächlich einschließlich Sekundärelektronen (SE) und rückgestreute Elektronen (BSE).

 

Diese Signale liefern Informationen über die Oberflächenmorphologie, Struktur und Zusammensetzung der Probe. Durch die Steuerung der Abtastposition des Elektronenstrahls auf der Probe kann REM die Pixelinformationen der Probenoberfläche erhalten. Diese Informationen werden von einem Computer verarbeitet und angezeigt, wodurch hochauflösende Bilder der Probenoberfläche erzeugt werden.

 

 

 

REM-Physikalisches Bild

 

 

 

4.3 Rasterkraftmikroskop (AFM)

 

Das Rasterkraftmikroskop (AFM) ist eine hochauflösende mikroskopische Technik, die hauptsächlich zur Beobachtung der atomaren und nanoskaligen Merkmale von Proben verwendet wird. Sein Funktionsprinzip basiert auf der Wechselwirkung zwischen der Sonde und der Probenoberfläche. Durch Messen der Positionsänderungen der Sonde kann es die Topographie und die topologischen Informationen der Probenoberfläche erhalten.

 

In AFM wird eine sehr feine Sonde verwendet, die üblicherweise aus Silizium oder anderen Materialien mit einer nanoskaligen Spitze besteht. Die Sonde ist über einen Ausleger oder eine piezoelektrische Vorrichtung mit dem Abtastkopf verbunden, wobei sich die Spitze der Sonde in der Nähe der Probenoberfläche befindet. Wenn sich die Sonde der Probenoberfläche nähert, treten Wechselwirkungen zwischen den Atomen und Molekülen der Probe und der Sonde auf, einschließlich elektrostatischer Kräfte, Van-der-Waals-Kräfte und chemischer Bindungswechselwirkungen usw. Die Bewegung des Auslegers oder der piezoelektrischen Vorrichtung wird gesteuert, um eine bestimmte Kraft zwischen der Sondenspitze und der Probenoberfläche aufrechtzuerhalten.

 

AFM verwendet ein Rückkopplungssystem, um eine konstante Kraft zwischen der Sonde und der Probe aufrechtzuerhalten. Wenn sich die Höhe oder Position der Sonde ändert, passt das Rückkopplungssystem automatisch die Position des Auslegers an, um die Kraft konstant zu halten. Die Sonde und die Probe bewegen sich relativ zueinander, üblicherweise auf einem zweidimensionalen Raster, wodurch ein Scan entsteht. An jedem Scanpunkt verursacht die Unebenheit der Probenoberfläche eine Positionsänderung der Sondenspitze. Durch Messen der Positionsänderung der Sonde können topologische Informationen der Probenoberfläche erhalten werden. Schließlich werden die gesammelten Daten verarbeitet, um ein hochauflösendes topologisches Bild der Probenoberfläche zu erzeugen.

 

AFM hat umfangreiche Anwendungen in mehreren Bereichen. Es wird in Bereichen wie Materialwissenschaften, Biologie und Nanotechnologie eingesetzt und hilft Forschern, ein tieferes Verständnis der Oberflächenmorphologie und -struktur von Materialien zu erlangen und sogar die Manipulation von nanoskaligen Strukturen zu ermöglichen.

 

Die Vorteile von AFM sind hohe Auflösung, Zerstörungsfreiheit und mehrere Arbeitsmodi, was es zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Beobachtung und Forschung im Nanobereich macht.

 

 

 

AFM-Physikalisches Bild

 

 

 

Schematische Darstellung des Messprinzips und des Arbeitsmodus der Rasterkraftmikroskopie

 

 

 

Fazit

 

 

ZMSH ist auf fortschrittliche Dünnschichtabscheidungstechnologien spezialisiert, darunter MOCVD, Magnetronsputtern und PECVD, und bietet eine maßgeschneiderte Prozessentwicklung für Halbleiter-, Optoelektronik- und Funktionsbeschichtungsanwendungen. Unsere Dienstleistungen umfassen kundenspezifisches Systemdesign, Parameteroptimierung und hochreines Filmwachstum sowie den Verkauf von Präzisionsabscheidungsgeräten, um den Anforderungen von Forschung und Entwicklung sowie der industriellen Produktion gerecht zu werden.

 

 

 

Hier sind die von ZMSH empfohlenen SiC-Produkte:

 

 

 

 

 

 

 

 

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