JP2014058010A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、可動部とその可動部の可動範囲を規制する規制部とを有する可動構造体に別部材を接合する接合工程を含む半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device including a bonding step of bonding another member to a movable structure having a movable portion and a restricting portion that regulates a movable range of the movable portion. It is.
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスにおいては半導体製造プロセスを用いて3次元構造を形成することでさまざまな特性を得ることができる。MEMSデバイスの製造工程においては、ウェハ同士の接合工程や、部分的に膜を除去して構造体の一部分を可動状態にする犠牲層エッチング工程といったMEMS特有の工程が適用されることもある。 In a micro electro mechanical systems (MEMS) device, various characteristics can be obtained by forming a three-dimensional structure using a semiconductor manufacturing process. In the manufacturing process of the MEMS device, a process peculiar to MEMS, such as a bonding process between wafers or a sacrificial layer etching process in which a film is partially removed to make a part of the structure movable.
例えば、マイクロ流体デバイスの中では、バルブ付きポンプは気泡耐性や流量特性が特によいため、さまざまな開発が行なわれている。バルブ付きのマイクロポンプの製造工程において、シリコンウェハ上にバルブ構造を形成したバルブ形成ウェハを2枚貼り合せ、その積層ウェハに密閉構造を形成するためのウェハをさらに1枚貼り合せる工程や、接合面のバルブ部分を犠牲層エッチングにより可動状態にするといった複雑な工程が必要とされる(例えば特許文献1を参照。)。 For example, among microfluidic devices, valved pumps are particularly well developed because of their good bubble resistance and flow characteristics. In the manufacturing process of a micropump with a valve, two valve-forming wafers having a valve structure formed on a silicon wafer are bonded together, and another wafer for forming a sealed structure is bonded to the laminated wafer. A complicated process of making the valve portion of the surface movable by sacrificial layer etching is required (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1には、バルブ付ポンプを形成する目的で、バルブ部分となる片持ち梁及びシール部となる開口パターンをウェハに形成し、同じ構造の2枚のウェハを向かい合わせて貼り合せした後、バルブ部分の界面にあるシリコン酸化膜層を除去してバルブを可動構造にすることが開示されている。
In
図6は、従来のマイクロポンプの製造工程の一例を説明するための概略的な断面図である。以下に説明する各工程のかっこ数字は図6中のかっこ数字に対応している。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a manufacturing process of a conventional micropump. The parentheses for each step described below correspond to the parentheses in FIG.
(1)シリコンウェハ11に、片持ち梁からなるバルブ12、周囲に溝が設けられて形成された凸条のシール部13、シール部13の内側に配置された貫通孔からなる吸入口14、及び、バルブ12の下方に配置された吐出口15を形成する。その後、シリコンウェハ11の全面にシリコン酸化膜16を形成する。
(1) A
(2)シリコンウェハ11と同一構造のシリコンウェハ12を準備する。シリコンウェハ21には、バルブ22、シール部23、吸入口24、吐出口25及びシリコン酸化膜26が形成されている。ウェハ11に対してウェハ21を表裏逆転させて位置合せした後、直接接合(拡散接合とも呼ばれる)によって工程によりウェハ11とウェハ21を接合する。接合面でのシリコン酸化膜16,26は一体的に図示されている。
(2) A
(3)接合後にウェハ21の面を研磨加工し、所定の厚さまで薄化及び研磨面を鏡面加工する。
(3) After bonding, the surface of the
(4)湿式エッチングによってウェハ11,21の表面のシリコン酸化膜16,26を除去する。この際に、バルブ12とシール部23との間及びバルブ22とシール部13との間のシリコン酸化膜16,26が除去されるまでエッチングを継続する。これらの部分のシリコン酸化膜16,26が除去されることで、バルブ12,22は可動状態となり、バルブ構造として機能することとなる。
(4) The
(5)ダイヤフラム32及びチャンバ33が形成されたシリコンウェハ31をウェハ21に直接接合によって接合する。これにより、ポンプ構造の完成となる。
(5) The silicon wafer 31 on which the
図7に示されるように、バルブ22とシール部13の間隔はシリコン酸化膜16,26の2層分の厚みと同じである。図6を参照して説明した上記工程(4)のように湿式エッチングでシリコン酸化膜16,26を除去した場合には、乾燥時の表面張力や静電引力などによってバルブ22とシール部13が接触するスティクションが発生する虞がある。スティクションが発生したまま図6を参照して説明した上記工程(5)の直接接合工程を行なうと、バルブ22とシール部13は、再接合され、バルブ構造として機能しなくなるという問題があった。このような不具合はバルブ12とシール部23についても同様に起こりうる。このような不具合は歩留まりの低下を招く。
As shown in FIG. 7, the distance between the
そこで、図6の工程(4)及び(5)に替えて、図8の工程(4’)及び(5’)に示されるように工程を変更し再接合を回避するということが考えられる。図8に示された工程では、工程(4’)に示されるように、ウェハ11,21が接合され、ウェハ21に対する研磨が終わった状態で、表面にシリコン酸化膜34が形成されたウェハ31を直接接合によってウェハ21に接合する。工程(5’)に示されるように、ポンプ構造が出来上がった段階で最終的にバルブ構造部のシリコン酸化膜16,26に対してエッチング処理を行なう。なお、このときシリコン酸化膜34の一部分も除去される。
Therefore, instead of the steps (4) and (5) in FIG. 6, it is conceivable to change the steps as shown in steps (4 ′) and (5 ′) in FIG. 8 to avoid rejoining. In the step shown in FIG. 8, as shown in step (4 ′), the
図8の(4’)に示されたバルブ構造においてチャンバ33は閉鎖空間となっているため、工程(5’)で湿式のエッチングを行なうと、チャンバ33内のエッチャントの置換が難しいという問題があった。したがって、一般的には置換性のよい気相によるエッチングを行なう必要がある。しかし、エッチングを気相で行えるような特殊な装置を別途保有しなければならないという問題があった。
In the valve structure shown in FIG. 8 (4 ′), the
上記のような問題は、マイクロポンプの製造方法に限らず、可動部(例えばバルブ)と、可動部の可動範囲を規制する規制部(例えばシール部)とを有する可動構造体に別部材を接合する接合工程を含む半導体装置の製造方法において起こりうる。 The above problems are not limited to the manufacturing method of the micropump, and another member is joined to a movable structure having a movable part (for example, a valve) and a restriction part (for example, a seal part) for regulating the movable range of the movable part. This may occur in a method for manufacturing a semiconductor device including a bonding step.
本発明は、可動部とその可動部の可動範囲を規制する規制部とを有する可動構造体に別部材を接合する接合工程を含む半導体装置の製造方法において、可動部と規制部の再接合による歩留まり低下を抑えることを目的とする。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device including a joining step of joining another member to a movable structure having a movable part and a restricting part that restricts a movable range of the movable part. The purpose is to suppress the yield reduction.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、可動部と前記可動部の可動範囲を規制する規制部とを有する可動構造体に別部材を接合する接合工程を含む半導体装置の製造方法であって、上記接合工程は、上記規制部の表面が改質されないように上記可動構造体の上記接合面を表面改質した後に、上記可動構造体と上記別部材とを直接接合させることを特徴とする半導体装置の製造方法である。 A manufacturing method of a semiconductor device according to the present invention is a manufacturing method of a semiconductor device including a joining step of joining another member to a movable structure having a movable part and a restricting part that regulates a movable range of the movable part, The bonding step includes directly bonding the movable structure and the separate member after surface modification of the bonding surface of the movable structure so that the surface of the restricting portion is not modified. It is a manufacturing method of an apparatus.
本発明の半導体装置の製造方法は、規制部の表面が改質されないように可動構造体の別部材との接合面を表面改質した後に、可動構造体と別部材とを直接接合させるので、常温又は低温で可動構造体と別部材とを接合できる。したがって、本発明の半導体装置の製造方法は、可動構造体と別部材とを接合する接合工程において可動部と規制部の再結合を防止でき、可動部と規制部の再接合による歩留まり低下を抑えることができる。 In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the surface of the restricting portion is not modified so that the surface of the joint with the separate member of the movable structure is modified, and then the movable structure and the separate member are directly joined. The movable structure and the separate member can be joined at room temperature or low temperature. Therefore, the manufacturing method of the semiconductor device of the present invention can prevent rejoining of the movable part and the restricting part in the joining process of joining the movable structure and the separate member, and suppress the yield reduction due to rejoining of the movable part and the restricting part. be able to.
図1及び図2は、半導体装置の製造方法の一実施例を説明するための概略的な断面図である。以下に説明する各工程のかっこ数字は図1及び図2中のかっこ数字に対応している。 1 and 2 are schematic cross-sectional views for explaining one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device. The parentheses for each step described below correspond to the parentheses in FIGS. 1 and 2.
(1)単結晶シリコンウェハ11の表面に、シリコンに対するエッチング選択性の高い2層のマスク材41,42を形成する。マスク材41,42は半導体プロセスを用いてそれぞれパターニングされている。ウェハ11の厚みは例えば400〜625μm(マイクロメートル)である。マスク材41は例えば膜厚が0.1〜1.0μmのシリコン酸化膜である。マスク材42は例えば膜厚が0.1〜0.3μmのシリコン窒化膜である。ただし、マスク材41,42の材料は、シリコンとのエッチング選択比が見込め、エッチングマスクとして耐えうるものであれば、どのような材料であってもよい。
(1) Two layers of
(2)アルカリ性溶液を用いた単結晶シリコンの結晶異方性エッチングが行なわれる。この結晶異方性エッチングには一般的なアルカリ性薬液(例えばKOH、TMAH等)が用いられる。マスク材41,42が開口された箇所のウェハ11が結晶異方性エッチングされる。これにより、吸入口14及び吐出口15が形成される。このときのエッチング深さは、次の工程で形成されるバルブ12の厚み寸法にシール部13周囲の溝深さ寸法を加えた寸法を残すよう制御される。ここでの吸入口14及び吐出口15の深さは例えば300〜605μmである。
(2) Crystal anisotropic etching of single crystal silicon using an alkaline solution is performed. A general alkaline chemical solution (for example, KOH, TMAH, etc.) is used for this crystal anisotropic etching. The
(3)例えば熱リン酸等を用いてマスク材42を選択的に除去する。ウェハ11に対してマスク材41を用いて結晶異方性エッチングを行なう。これによりバルブ12(可動部)及びシール部13(規制部)が形成される。また、このエッチングにおいて、吸入口14及び吐出口15に対して追加エッチングが施され、吸入口14及び吐出口15はウェハ11の表面から裏面へそれぞれ連通する。バルブ12の厚みは例えば10〜50μmである。シール部13の周囲の溝深さは例えば10〜50μmである。
(3) The
(4)例えばフッ酸等を用いてマスク材41を選択的に除去する。ウェハ11に対して洗浄工程を行なう。
(4) The
(5)ウェハ11の全面に熱酸化によってシリコン酸化膜16(犠牲層)を形成する。シリコン酸化膜16の膜厚は例えば0.1〜1.0μmである。この実施例においては、ウェハ11の全面にシリコン酸化膜16を形成しているが、シリコン酸化膜16は後述するウェハ21との接合面に少なくとも形成されていればよい。例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)などによって接合面側にのみシリコン酸化膜16を形成してもよい。シリコン酸化膜16は、バルブ12及びシール部13においては後工程で除去される犠牲層としての役割をもつ。
(5) A silicon oxide film 16 (sacrificial layer) is formed on the entire surface of the
(6)上記工程(1)〜(5)と同じ工程で形成されたシリコンウェハ21を準備する。シリコンウェハ21には、バルブ22、シール部23、吸入口24、吐出口25及びシリコン酸化膜26(犠牲層)が形成されている。ウェハ11に対してウェハ21を表裏逆転させて位置合せした後、直接接合によって工程によってウェハ11とウェハ21を接合する。接合面でのシリコン酸化膜16,26は一体的に図示されている。なお、ウェハ11,21のうち一方のウェハ、例えばウェハ21についてシリコン酸化膜26は形成されていなくてもよい。
(6) The
(7)ウェハ21のウェハ11とは反対側の面を研磨加工し、ウェハ21を所定の厚さまで薄化及び研磨面を鏡面加工する。研磨後のウェハ21の厚みは例えば50〜200μmである。
(7) The surface of the
(8)湿式エッチングによってウェハ11,21の表面のシリコン酸化膜16,26を除去する。この際に、バルブ12とシール部23との間及びバルブ22とシール部13との間のシリコン酸化膜16,26が除去されるまでエッチングを継続する。これらの部分のシリコン酸化膜16,26が除去されることで、バルブ12,22は可動状態となり、バルブ構造として機能することとなる。バルブ12,22の可動範囲はシール部23,13によって規制される
(8) The
(9)ウェハ21に対して、後述するウェハ31との接合面を表面改質して表面改質部分27を形成する。
(9) A
図3は、表面改質装置の概略構成図である。図4は、表面改質を説明するための模式図である。この実施例では表面改質方法としてイオンガン方式での説明を行なうが、指向性を持つエネルギー源により表面改質を行なうことができれば他手法でもよい。 FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the surface modification apparatus. FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the surface modification. In this embodiment, an ion gun method will be described as a surface modification method, but other methods may be used as long as the surface modification can be performed by an energy source having directivity.
図3に示されるように、チャンバ51内を高真空に保った後に、ステージ52にウェハ11,21が積層されたウェハを配置し、ステージ53にウェハ31を配置する。ウェハ11,21が積層されたウェハは、ウェハ11がステージ52側になるようにしてステージ52に配置される。ウェハ31は後述するダイヤフラム32及びチャンバ33が形成されているものである。
As shown in FIG. 3, after maintaining the inside of the
イオンビーム源54から発生したイオンビーム55をウェハ21及びウェハ31に照射することでウェハ21及びウェハ31の表面を改質させる。これにより、ウェハ21,31同士を接触させるだけで高温処理することなく直接接合(表面活性化接合)を行なうことができる。
The surfaces of the
この実施例のように、ウェハ21の表面に構造体が形成されている場合、イオンビーム55のように指向性を持って照射されるエネルギーでは、図5に示されるように、バルブ22の裏面のように遮光される箇所は表面改質されず、イオンビーム55の照射される表層部のみが改質されて表面改質部分27が形成される。
In the case where a structure is formed on the surface of the
ウェハ11,21が積層されたウェハにおいて、ウェハ31との接合面の上方から見て、シール部13は露出しておらず、また、バルブ22においてシール部13と接触する部分も露出していない。したがって、シール部13及びこれと接触するバルブ21部分の表面は改質されない。このように、指向性を持つエネルギー源により表面改質を行なうことにより、接合領域を選択的に決定することができる。
In the wafer in which the
(10)ダイヤフラム32及びチャンバ33が形成されたシリコンウェハ31をウェハ21に接合する。ダイヤフラム32の厚みは例えば20〜100μmである。チャンバ33の深さは例えば5〜50μmである。上記工程(9)でそれぞれの接合面が表面改質されたウェハ21,31は常温で互いに接合する。したがって、バルブ22とシール部13の再接合、及びバルブ12とシール部23の再結合は起こらない。これにより、バルブ構造部の再接合による歩留まり低下を抑えることができる。なお、図2(10)において、表面改質部分27及びシリコンウェハ31の表面改質部分について図示は省略されている。
(10) The
図5は、マイクロバルブの動作を説明するための概略的な断面図である。図5と図2(10)を参照してマイクロバルブの動作を説明する。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the operation of the microvalve. The operation of the microvalve will be described with reference to FIGS. 5 and 2 (10).
図2(10)は平時の状態を示している。図5(A)はポンプ内への流体の引き込み動作時の構造を示している。ダイヤフラム32を上方向に引き上げることでチャンバ33の容積が増大する。チャンバ33内の圧力が負圧となるため、バルブ22がチャンバ33内外の圧力差により上方向に変形し、吸入口14及び吐出口25を介してチャンバ33内に流体が引き込まれる。このとき、バルブ12は上方向にシール部23があるために変形することができない。したがって、チャンバ33への流体の引き込みはバルブ22及びシール部13を対としたバルブ構造側からのみとなる。
FIG. 2 (10) shows a state in normal time. FIG. 5A shows the structure during the operation of drawing the fluid into the pump. By pulling up the
図5(B)はポンプ内の流体を押し出す動作時の構造を示している。ダイヤフラム32を下方向に押し込むことにより、チャンバ33内の流体を押し出すこととなる。チャンバ33内の圧力が陽圧となるため、バルブ12が下方向に変形し、吸入口24及び吐出口15を介してチャンバ33内から流体が吐出される。このとき、バルブ22はシール部13により押し止められるので、チャンバ33からの流体の吐出はバルブ12及びシール部23を対としたバルブ構造側からのみとなる。
FIG. 5B shows the structure during the operation of pushing out the fluid in the pump. By pushing the
このように吸い上げと吐出が一方向のみに行われるために効率的な送液が可能となっている。
なお、ダイヤフラム32を変形させる方法としては、例えば圧電素子、静電駆動、空圧制御などが用いられる。
As described above, since suction and discharge are performed only in one direction, efficient liquid feeding is possible.
As a method for deforming the
以上、本発明の実施例を説明したが、上記実施例での数値、材料、配置、個数等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。 As mentioned above, although the Example of this invention was described, the numerical value, material, arrangement | positioning, number, etc. in the said Example are examples, This invention is not limited to these, It was described in the claim Various modifications are possible within the scope of the present invention.
例えば、上記実施例においてウェハ11,21,31のうち少なくとも1つについてSOIウェハが用いられてもよい。SOIウェハを用いたバルブ及びシート部の形成方法は例えば特許文献1に開示されている。
For example, in the above embodiment, an SOI wafer may be used for at least one of the
また、上記実施例では、ウェハ21の表面改質をする方法としてイオンガン方式が用いられているが、本発明の半導体装置の製造方法において、可動構造体及び別部材の接合面を表面改質する方法は、規制部の表面が改質されないように当該接合面を表面改質できる方法であれば、どのような方法であってもよい。
In the above embodiment, the ion gun method is used as a method for modifying the surface of the
例えば、指向性を有するエネルギーによって表面改質を行なう方法として、イオンガン方式に替えて、FAB(Fast Atom Beam)方式が用いられてもよい。これにより、可動構造体と別部材とを常温で接合できる。 For example, a FAB (Fast Atom Beam) method may be used in place of the ion gun method as a method for performing surface modification with energy having directivity. Thereby, a movable structure and another member can be joined at normal temperature.
また、表面改質としての方法として、上記接合面に金属薄膜が形成され、表面活性化接合として原子拡散接合法が用いられてもよい。これにより、可動構造体と別部材とを常温で接合できる。 As a method for surface modification, a metal thin film may be formed on the bonding surface, and an atomic diffusion bonding method may be used as the surface activated bonding. Thereby, a movable structure and another member can be joined at normal temperature.
また、表面改質としての方法として、プラズマ照射によって表面改質を行なうプラズマ活性化接合法が用いられてもよい。これにより、可動構造体と別部材とを200℃程度の低温で接合できる。 As a method for surface modification, a plasma activated bonding method in which surface modification is performed by plasma irradiation may be used. Thereby, a movable structure and another member can be joined at about 200 degreeC low temperature.
なお、本発明の半導体装置の製造方法において、可動構造体及び別部材の接合面の表面改質処理は、常温又は低温で可動構造体及び別部材を接合可能な程度に接合面を改質でき、かつ、規制部の表面が改質されない程度の処理条件で行なわれる。
本発明に適用可能な表面活性化法による常温接合方法は、例えば特許文献2に開示されている。
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the surface modification treatment of the joint surface of the movable structure and the separate member can modify the joint surface to such an extent that the movable structure and the separate member can be joined at room temperature or low temperature. And it is performed on the process conditions of the grade which does not modify | reform the surface of a control part.
A room temperature bonding method using a surface activation method applicable to the present invention is disclosed in
また、上記実施例では、表面改質処理が施されるウェハ11,21の積層構造体(可動構造体)は、バルブ12(可動部)及びシール部13(規制部)が形成されたウェハ11(基材)とバルブ22(可動部)及びシール部23(規制部)が形成されたウェハ21(基材)とをシリコン酸化膜16,26(犠牲層)を介して貼り合わされたものである。バルブ12(可動部)とシール部23(規制部)はシリコン酸化膜16,26(犠牲層)犠牲層を介して配置され、バルブ22(可動部)とシール部13(規制部)はシリコン酸化膜16,26(犠牲層)犠牲層を介して配置される。その後、可動部と規制部との間の犠牲層が除去されて、可動部が可動状態にされる。本発明の半導体装置の製造方法で用いられる可動構造体は、このようにして可動部が可動状態にされた可動構造体に限定されず、可動部と前記可動部の可動範囲を規制する規制部とを有する可動構造体であれば、どのような構造であってもよい。
Moreover, in the said Example, the laminated structure (movable structure) of the
また、上記実施例では、上記犠牲層としてシリコン酸化膜16,26が用いられているが、上記犠牲層は他の材料、例えばポリイミドや接着剤などの樹脂であってもよい。
In the above embodiment, the
上記実施例ではマイクロポンプの製造方法に本発明の半導体装置の製造方法が適用されているが、本発明はマイクロポンプの製造方法に限定されない。本発明の半導体装置の製造方法は、可動部と前記可動部の可動範囲を規制する規制部とを有する可動構造体に別部材を接合する接合工程を含む半導体装置の製造方法に適用できる。例えば、加速度センサやジャイロセンサ、シリコンマイク、圧力センサなどのMEMSデバイスの製造方法に半導体装置の製造方法を適用できる。 In the above embodiment, the semiconductor device manufacturing method of the present invention is applied to the micropump manufacturing method, but the present invention is not limited to the micropump manufacturing method. The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention can be applied to a method for manufacturing a semiconductor device including a joining step of joining another member to a movable structure having a movable part and a restricting part for restricting a movable range of the movable part. For example, a semiconductor device manufacturing method can be applied to a MEMS device manufacturing method such as an acceleration sensor, a gyro sensor, a silicon microphone, or a pressure sensor.
また、上記実施例では、ウェハ11,21の積層構造体(可動構造体)において、ウェハ31(別部材)との接合面の上方から見てバルブ22(可動部)の一部分が露出しているが、半導体装置の製造方法において、可動部は接合面に露出していなくてもよい。
Moreover, in the said Example, in the laminated structure (movable structure) of the
11,21 シリコンウェハ(可動構造体)
12,21 バルブ(可動部)
13,23 シール部(規制部)
16,26 シリコン酸化膜(犠牲層)
27 表面改質部分
31 シリコンウェハ(別部材)
11, 21 Silicon wafer (movable structure)
12, 21 Valve (moving part)
13, 23 Sealing part (Regulating part)
16, 26 Silicon oxide film (sacrificial layer)
27 Surface modified
Claims (7)
前記接合工程は、前記規制部の表面が改質されないように前記可動構造体及び前記別部材の接合面を表面改質した後に、前記可動構造体と前記別部材とを直接接合させることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a manufacturing method of a semiconductor device including a joining step of joining another member to a movable structure having a movable part and a regulating part that regulates a movable range of the movable part.
In the joining step, the movable structure and the separate member are directly joined after surface modification of the joint surface of the movable structure and the separate member so that the surface of the restricting portion is not modified. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記別部材はダイヤフラムを含むものであり、
前記可動構造体と前記別部材が接合されることによってマイクロポンプが形成される請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 In the movable structure, the movable part constitutes a valve, and the restricting part constitutes a seal part,
The separate member includes a diaphragm,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a micropump is formed by joining the movable structure and the separate member.
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