Electroforming of micromagnets using inkjet-assisted lithography for advanced magnetic applications

This project focuses on developing a robust, high-resolution microfabrication method for producing micrometer-sized permanent magnets intended for low-power applications such as Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) and energy harvesting devices. To meet the critical dimensional requirements of MEMS manufacturing while ensuring cost- effectiveness and flexibility, the project adopted a hybrid production strategy combining Inkjet-Assisted Lithography (IAL) for patterning and electrodeposition for material syn- thesis. A primary fabrication challenge involved achieving reliable adhesion between the Gold conductive seed layer and the photoresist mask. This constraint was successfully mitigated by optimizing the electrodeposition parameters of the gold layer, specifically by increasing the deposition time and transitioning to a cyanide-based solution which led to fine-tuned roughness suitable for prospective magnet electrodeposition. The optimiza- tion of drop spacing in Inkjet-Assisted Lithography (IAL) was carried out subsequently to achieve precise and continuous pattern definition. Rectangular structures were first printed using silver nanoparticle ink to assess the capability of the IAL technique in re- producing well-defined geometries. The influence of drop spacing on droplet coalescence wassubsequentlyinvestigatedbyprintingaseriesofsixsilversquarepatternswithspacing values progressively reduced from 100 µm to 10 µm. These patterned templates were then employed for the electrodeposition of CoNiP micromagnets under Reverse Pulse Plating (RPP) conditions, utilizing optimized anodic and cathodic current. The deposited CoNiP layers exhibited improved magnetic hardness, as evidenced by VSM and EDS analyses, while SEM micrographs confirmed the formation of uniform and crack-free films with enhanced morphological homogeneity.

Questo progetto si concentra sullo sviluppo di un metodo di microfabbricazione robusto e ad alta risoluzione per la produzione di magneti permanenti micrometrici destinati ad ap- plicazioni a basso consumo energetico, quali i Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) e i dispositivi per il recupero di energia. Per soddisfare i rigorosi requisiti dimensionali richiesti dalla produzione MEMS, garantendo al contempo economicità e flessibilità, è stata adottata una strategia di fabbricazione ibrida che combina la litografia assistita da inkjet (Inkjet-Assisted Lithography, IAL) per il patterning e l’elettrodeposizione per la sintesi del materiale. Una delle principali sfide di fabbricazione ha riguardato il raggiung- imento di un’adesione affidabile tra lo strato conduttivo di oro e la maschera fotoresistiva. Tale criticità è stata risolta ottimizzando i parametri di elettrodeposizione dello strato d’oro, in particolare aumentando il tempo di deposizione e adottando una soluzione a base di cianuro, che ha permesso di ottenere una rugosità adeguata ai successivi processi di elettrodeposizione del magnete. L’ottimizzazione del drop spacing nella litografia assis- tita da inkjet è stata successivamente eseguita al fine di ottenere una definizione litografica precisa e continua. Sono state inizialmente stampate strutture rettangolari utilizzando un inchiostro di nanoparticelle d’argento per valutare la capacità della tecnica IAL di ripro- durre geometrie ben definite. L’influenza del drop spacing sulla coalescenza delle gocce è stata quindi studiata mediante la realizzazione di una serie di sei pattern quadrati con spaziatura progressivamente ridotta da 100 µm a 10 µm.I template così ottenuti sono stati impiegati per l’elettrodeposizione di micromagneti in lega CoNiP mediante Reverse Pulse Plating (RPP), utilizzando parametri anodici e catodici ottimizzati. I film di CoNiP depositati hanno mostrato una maggiore durezza magnetica, come confermato dalle anal- isi VSM ed EDS, mentre le micrografie SEM hanno evidenziato la formazione di strati uniformi, privi di fratture e caratterizzati da un’elevata omogeneità morfologica.