JP2008296319A

JP2008296319A - ドレッシング工具の製作方法

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Publication number: JP2008296319A
Application number: JP2007144426A
Authority: JP
Inventors: Norio Nakahira; 法生中平
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2008-12-11

Abstract

【課題】カットレートを永く維持出来るようなドレッシング工具の製作方法を提供する。
【解決手段】本発明の製作方法は、研磨面に対して相対移動する研削ドットの移動軌跡から個々の研削ドットによる研削領域を算出し、これを全研削ドットについて総和して、研削ドットの配列構成に対応した研磨面の表面形状を算出する表面形状算出工程（Ｓ２０〜Ｓ３０）と、研削ドットの配列構成に対応して算出された表面形状が所定高さ幅の範囲内にあるか否かを判定する工程（Ｓ３５）と、表面形状が所定範囲内にあると判定された研削ドットの配列構成の中からドット列の列数が最小の配列構成を選択する工程（Ｓ５０）と、選択された研削ドットの配列構成の内側及び外側に各一列のガードドット列を付加して基材全体における研削ドットの配置を設定する工程（Ｓ５５）とから構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨パッドの研磨面を平坦に整えるドレッシング工具の製作方法に関する。

半導体デバイスの製造技術において、半導体ウエーハの表面を超精密に研磨加工する研磨装置として、化学的機械的研磨加工を行うＣＭＰ装置と称される研磨装置が広く用いられている。ＣＭＰ加工に用いられる研磨パッドには、スラリーを保持するため微細な孔や溝が多数設けられており、ここに加工屑や反応生成物が溜まって目詰まり状態になると加工効率が低下する。そのため、所定の研磨加工時間ごとに研磨パッドの表層を薄く平坦に削り落とすドレッシングが行われる。ドレッシングには、ドレス面にダイヤモンド等の砥粒が固着されたドレッシング工具が用いられ、研磨パッドの研磨面とドレッシング工具のドレス面とを相対回転させて当接させ、目詰まりした研磨パッドの表層を薄く平坦に削り落とすことにより行われる。

上記のような研磨パッドをドレッシングするドレッシング工具は、従来では、円盤状の基材に、盤面から各々独立して突出する小径の研削ドットが同心円状に複数列並んで形成されるとともに、これらの研削ドットの外周側に研削ドットと同一高さで円環状の研削リングが設けられており、同一高さに位置する研削ドット及び研削リングの表面に多数の砥粒が固着されて構成されていた（例えば、特許文献１を参照）。

特許第３６５６４７５号公報

しかしながら、上記のような従来のドレッシング工具は、基材の中央領域に設けられた研削ドットの周囲を、相対的に砥粒の分布密度が高い円環状の研削リングが取り囲むように構成されていた。このため、研削ドットの形成領域と研削リングの形成領域とで研磨パッドの加工効率が異なり、研磨パッドの径方向断面視における表面形状に凹凸が生じやすいとともに、研削リングに固着された砥粒が劣化し又は脱落するとドレッシング工具全体のカットレート（ドレッシング工具が研磨パッドを削り取る割合であり、例えばμｍ／ｍｉｎという単位で表される。ドレスレートとも称される。）が急激に低下するという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、研磨パッドのカットレートを長期間、安定的に維持出来るようなドレッシング工具の製作方法を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明は、円盤状の基材に、基材の盤面から各々独立して同一高さで突出し表面に複数の砥粒が固着された多数の小径の研削ドットが基材に同心円状に複数列並んで形成され、同一平面上に位置する多数の研削ドットの砥粒固着面により形成されるドレス面を研磨パッドの研磨面に当接させドレス面と研磨面とを相対回転させて研磨面を平坦にドレッシングするドレッシング工具の製作方法である。そのうえで、本発明に係るドレッシング工具の製作方法は、基材に同心円状に並んで形成される研削ドットのドット列を内周側から順次削除して、残余のドット列からなる研削ドットの配列構成について、研磨面に対して相対移動する研削ドットの研磨面上における移動軌跡を個々の研削ドットについて求め、求めた移動軌跡から個々の研削ドットにより研削される研磨面の研削領域を算出し、当該研削領域を基材に設けられた全ての研削ドットについて総和して、研削ドットの配列構成に対応したドレッシング後の研磨パッドの径方向断面視における表面形状を算出する表面形状算出工程（例えば、実施形態におけるステップＳ２０〜Ｓ３０）と、表面形状算出工程において研削ドットの配列構成に対応して算出されたそれぞれの研磨面の表面形状が予め設定された高さ幅の範囲内にあるか否かを判定する工程（例えば、実施形態におけるステップＳ３５）と、表面形状が高さ幅の範囲内にあると判定された研削ドットの配列構成の中からドット列の数が最小の配列構成を選択する工程（例えば、実施形態におけるステップＳ５０）と、選択された研削ドットの配列構成における最外周のドット列の外側、及び最内周のドット列の内側に各一列のドット列を付加して基材全体における研削ドットの配置を設定する工程（例えば、実施形態におけるステップＳ５５）とから構成される。

なお、本発明において、研削ドットの研磨面上における移動軌跡は、予め設定される研磨面及びドレス面の径、回転方向、及び回転速度に基づいて求めるように構成することが好ましい。

また、研削領域は、ドレス面に配設される砥粒の数量を一定とした条件で算出するように構成することが好ましい。

本発明に係るドレッシング工具の製作方法によれば、各々独立した小径の研削ドットによりドレス面が形成されるため、研磨パッドのカットレートが急激に低下するようなことがなく、カットレートを永く維持出来るドレッシング工具の製作方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本発明に係るドレッシング工具の製作方法についての説明に先立ち、ＣＭＰ装置に設けられた研磨機構２０及びこの研磨機構２０に隣接して設けられたドレッシング機構３０の概要構成を図２を参照しながら簡潔に説明する。

研磨機構２０は、半導体デバイス等のウエーハＷを上向きの水平姿勢で吸着保持し回転させるウエーハチャック２１、ウエーハＷの半径よりも幾分大きめの直径を有して円環状に形成される研磨パッド２２、研磨パッドの研磨面２２ｓを下向きの水平姿勢で保持し回転させる研磨ヘッド２３、研磨ヘッド２３を水平揺動及び昇降作動させる研磨アーム２４、研磨ヘッド２３の中心を貫通するスラリー供給路を有し研磨パッド２２の中心部にスラリーを供給するスラリー供給装置などから構成される。

研磨パッド２２は、層間絶縁膜ＣＭＰ、メタルＣＭＰ等の加工プロセス、回路パターンの微細度、第１次研磨（粗研磨）〜第３次研磨（仕上げ研磨）等の加工段階などに応じて基材の硬度や孔径の異なる適宜なパッドが選択して装着され、例えば独立発泡のポリウレタン素材等を用いた単層若しくは複層の研磨パッドが用いられる。また、研磨加工時におけるウエーハチャック２１や研磨ヘッド２３の回転方向及び回転数、加工圧力、加工時間（終点検出の場合には終点位置）加工領域に供給するスラリーの種類及び流量などの種々の加工条件が、加工対象に応じた加工プログラムに予め設定されている。

研磨機構２０による研磨加工は、上記のように設定記憶された加工プログラムに基づいて実行される。具体的には、研磨アーム２４を水平揺動させて研磨ヘッド２３をウエーハチャック２１の上方に位置させた状態で、研磨ヘッド２３を回転させながら下降させ、ウエーハチャック２１に吸着保持されて回転されるウエーハＷの表面に研磨パッド２２の研磨面２２ｓを所定圧力で押圧し、研磨ヘッド２３の中心部からスラリーを供給しながら研磨アーム２４を揺動させてウエーハＷの表面全体を平坦にＣＭＰ加工する。

ドレッシング機構３０は、図３にドレッシング機構３０の概略構成を模式的に示すように、円環状の研磨パッド２２の半径方向幅よりも幾分大きめの直径を有するドレッシング工具３２と、このドレッシング工具３２を上向きの水平姿勢で回転させる回転構造３８とを備えて構成される。研磨パッド２２のドレッシングは、研磨機構２０において所定回数または所定時間の研磨加工が終了するごとに行われ、ウエーハチャック２１にウエーハＷが搬入・搬出されている間に実行される。

具体的には、研磨アーム２４を水平揺動させて研磨ヘッド２３をドレッシング工具３２の上方に移動させ、研磨ヘッド２３及びドレッシング工具３２をともに回転させ研磨ヘッド２３を下降させて、研磨面２２ｓとドレス面３２ｓとを相対回転させながら当接させて、研磨パッド２２の表層を薄く平坦に削り落とすことにより行われる。ドレッシング時には、詳細図示省略するノズルから加工領域に純水が供給されて研削屑等が洗い流され、研磨面２２ｓがドレスアップされる。

ドレッシング工具３２は、図４にドレッシング工具３２の平面図（図２中のIV矢視方向に見たドレス面の構成図）を示し、この図中に研削ドット３５の拡大断面図を示すように、円盤状の基材３３に、盤面から各々独立して同一高さで突出する小径（例えば直径φ＝２〜５ｍｍ程度）の研削ドット３５が同心円状に複数列並んで形成される。各研削ドット３５の表面には、それぞれ複数の砥粒３６が固着されており、同一平面上に位置する多数の研削ドット３５の砥粒固着面によりドレス面３２ｓが形成される。なお、ドレッシング工具３２は、例えばＳＵＳ３１６等の耐食合金製の基材３３に、ダイヤモンドや窒化ホウ素等の砥粒３６をニッケルメッキ等のメッキ層３７により分散固定して構成される。

このような構成及び作用を有するドレッシング工具について、本発明に係る製作方法が適用される。図５にこのドレッシング工具の製作方法を実現するドレッシング工具製作システム１００の概要構成をブロック図で示しており、まずこの図を参照してドレッシング工具製作システム１００について説明する。

ドレッシング工具製作システム１００は、大別的にはドレッシングの条件設定を行う入力部１１０と、入力部において入力された設定条件に基づいて最適な研削ドットの配置パターンを設定するドットパターン設定部１２０と、ドットパターン設定部１２０により設定された研削ドットの配置パターンを表示する表示部１３０とから構成される。

ドットパターン設定部１２０は、入力部１１０から入力された初期条件や加工条件（これらをまとめてドレス条件という）等を記憶する記憶部１２１、研磨パッド２２の径方向断面視における研磨面２２ｓの表面形状を算出する表面形状算出部１２２、表面形状算出部１２２において算出された研磨面２２ｓの表面形状について判定を行う判定部１２３、判定部１２３の判定結果に基づいて研削ドット３５の配列構成を選択する選択部１２４、選択部１２４により選択された配列構成に基づいて研削ドット３５の配置を設定する設定部１２５、及び設定結果を出力する出力部１２６などから構成される。

表面形状算出部１２２は、さらに、ドレッシング時に研磨面２２ｓに対して相対移動する研削ドット３５，３５…の研磨面上における移動軌跡を個々の研削ドット３５について求める移動軌跡算出部１２２ａと、求めた移動軌跡から個々の研削ドット３５により研削される研磨面２２ｓの研削領域を算出する研削領域算出部１２２ｂと、研削領域を全ての研削ドット３５，３５…について総和して研磨パッド２２の径方向断面視における研磨面２２ｓの表面形状を算出する形状算出部１２２ｃとを備えて構成される。

ここで、研磨面２２ｓに対する各研削ドット３５の移動軌跡Ｌは、単一の研削ドットについてその一例を図６に略示するように、概略的には渦巻き状となるが、具体的な個々の研削ドットの移動軌跡は、研磨パッド２２及びドレッシング工具３２のそれぞれの回転方向及び回転速度、研磨面２２ｓの内外径、算出すべき研削ドットの位置等によって各々異なったものとなる。そのため、研磨パッド２２やドレッシング工具３２の回転方向及び回転速度、研磨面の内外径等のドレス条件は、予め入力装置１１０により設定されて記憶部１２１に一時記憶され、移動軌跡算出部１２２ａは、これらのドレス条件に基づいて個々の研削ドット３５の移動軌跡を算出する。

研削領域算出部１２２ｂは、記憶部１２１に設定記憶された研削ドットの直径、各研削ドット３５の表面に固着された砥粒３６の密度、研磨面２２ｓとドレス面３２ｓとの当接圧力（ドレス加工圧）と、移動軌跡算出部１２２ａにおいて算出された個々の研削ドット３５の移動軌跡とから、個々の研削ドット３５により研削される研磨面２２ｓの研削領域を算出する。個々の研削ドット３５により研削される研削領域は、図６中に付記するVII−VII矢視の断面図を図７に示すように、図６に示した螺旋状の移動軌跡Ｌについて深さδだけ削り取る領域として算出される。

なお、各研削ドット３５の表面に固着される砥粒の密度は、各研削ドット３５の単位面積当たりに配設される砥粒の面積密度を一定とし、研削ドット３５の数を増減させたときにドレス面３２ｓに配設される砥粒３６の数量が増減するように設定し（面積密度一定の設定）、あるいは多数の研削ドット３５，３５…により形成されるドレス面３２ｓに配設される砥粒３６の数量を一定とし、研削ドット３５の数を増減させたときに各研削ドット３５に固着される砥粒３６の数量が増減するように設定することができる（有効砥粒数一定の設定）。

本発明は、これらいずれの設定を用いても構成することができるが、本実施形態においては、ドレス面３２ｓに配設される砥粒３６の数量を一定とした有効砥粒数一定の設定を行っている。具体的には、研削ドット３５のドット列を削除した場合において、ランダム関数を用いて砥粒３６を基材３３上の座標位置にランダムに分散配置してゆき、研削ドット３５の上面に位置する砥粒３６の総数が５００〜１５００個程度の数量中の所定数量（例えば１０００個）に達したときの条件を用いて、各研削ドットによる研削領域を算出するように構成している。

移動軌跡算出部１２２ａは、研削ドット３５の配列構成に基づいて、基材３１に形成された全ての研削ドット３５，３５…について各研削ドットの移動軌跡を算出し、研削領域算出部１２２ｂは、上記算出された各研削ドット３５の移動軌跡に基づいて各研削ドットごとの研削領域を算出する。そして形状算出部１２２ｃは、このように算出された各研削ドットごとの研削領域を、基材３３に設けられた全ての研削ドット３５，３５…について総和して、研削ドットの配列構成に対応したドレッシング後の研磨パッド２２の径方向断面視における表面形状を算出する。

判定部１２３では、研削ドットの配列構成に対応して算出された表面形状が、入力装置１１０により予め設定され、記憶部１２１に記憶された所定の高さ幅の範囲内にあるか否かを判定し、選択部１２４は、判定部１２３において研磨面２２ｓの表面形状が所定の高さ幅の範囲内にあると判定された研削ドットの配列構成の中から、ドット列の数が最小の配列構成を選択する。設定部１２５は、選択部１２４において選択された研削ドットの配列構成における最外周のドット列の外側及び最内周のドット列の内側に、各一列のドット列を付加して基材全体における研削ドットの配置を設定する。出力部１２６は設定された研削ドットの配置パターンを表示部１３０に出力して表示させる。なお、これらの各部はパーソナルコンピュータの機能を用いて構成することができる。

図１に、上記ドレッシング工具製作システム１００を用いて実行されるドレッシング工具の製作方法をフローチャートとして示すとともに、ドレッシング工具の製作過程を説明するための説明図（ドレス面の構成）を図８に示しており、以下、これらの図面を参照しながらドレッシング工具の製作方法について説明する。

ドレッシング工具製作システム１００の入力部１１０において各初期条件や加工条件等のドレス条件が設定され、実行操作が行われると、まずステップＳ１０において記憶部１２１に記憶されたドレス条件を読み込む。入力部１１０からドットパターン設定部１２０に入力されるドレス条件では、ドレッシング工具に関する初期値として、例えば、基材３３の盤面に同心円状に並ぶ研削ドット３５のドレス列の外側に研削リングが設けられた従来のドレッシング工具が設定される。記憶部１２１では、図８に示すように、外周の研削リングを除去した複数のドット列Ｃ₁，Ｃ₂，…Ｃ_L，Ｃ_M，Ｃ_Nからなる研削ドットの配列パターンを表面形状算出部１２２に出力し、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、記憶部１２１から入力された研削ドット３５，３５…の配列パターンに基づいて、移動軌跡算出部１２２ａが各研削ドット３５，３５…の研磨面上における移動軌跡を個々の研削ドット３５について求め、ステップＳ２５では、求められた各研削ドットの移動軌跡から個々の研削ドット３５により研削される研磨面２２ｓの研削領域が研削領域算出部１２２ｂにより算出されて、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、研削領域算出部１２２ｂにより算出された各研削ドットごとの研削領域が、形状算出部１２２ｃにより全ての研削ドット３５，３５…について総和され、この研削ドットの配列パターンを有するドレッシング工具で想定されるドレッシング加工後の研磨パッド２２の径方向断面視における研磨面２２ｓの表面形状が算出され、ステップＳ３５に進む。ステップＳ３５では、こうして求められた研磨面２２ｓの表面形状が、記憶部１２１に設定記憶された所定の高さ範囲内にあるか否か判定部１２３により判定され、表面形状の算出結果及び判定結果が記憶部１２１に一時記憶されて、ステップＳ４０に進む。図９はステップＳ３０の処理により算出される研磨パッド２２の径方向断面視における研磨面２２ｓの表面形状について、研磨面の表面形状が所定の高さ範囲ｈ内にある場合(ａ)と、所定の高さ範囲ｈを超えている場合(ｂ)について例示する。

ステップＳ４０では、上記表面形状を算出し判定処理が終了した研削ドットの配列パターンから最内周に位置するドット列を１列削除する処理（例えば、最初の処理では図８におけるＣ₁のドット列を削除する処理）が行われ、これに続くステップＳ４５において残余のドット列の列数が１以上であるか否かが判断される。そして、残余のドット列が１以上である場合にはステップＳ２０に戻って、最内周のドット列を１列削除した配列パターン（例えば、ドット列Ｃ₂，…Ｃ_L，Ｃ_M，Ｃ_Nからなる配列パターン）について、上述したと同様にして研磨面２２ｓの表面形状が各配列パターンに対応して順次算出され、判定結果とともに記憶部１２１に一時記憶される。一方、上記ドット列の削除処理により、残余のドット列の数量が１未満になった場合には、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、記憶部１２１に記憶された判定結果において、表面形状が所定の高さ幅の範囲内にあると判定された研削ドット３５の配列構成の中から、ドット列の列数が最小の配列構成が選択部１２４において選択される。例えば、上記のように、ドット列をＣ₁，Ｃ₂，…の順に内周側から削除して順次求めた各配列パターンの配列構成のうち、判定結果が所定の高さ範囲内であると判定された最小のドット列数の配列構成が、ドット列Ｃ_L，Ｃ_M，Ｃ_Nの３列構成である場合、この３列のドット列Ｃ_L，Ｃ_M，Ｃ_Nからなる研削ドットの配列構成が選択されてステップＳ５５に進む。

ステップＳ５５では、上記選択された配列構成に対して、最外周のドット列の外側及び最内周のドット列の内側に各一列のドット列を付加し、基材３３全体における研削ドット３５の配置が設定される。例えば、上記３列のドット列Ｃ_L，Ｃ_M，Ｃ_Nからなる配列構成に対して、ドット列の外側及びドット列の内側に各１列のガードドットを追加して５列構成の研削ドット３５，３５…のドットパターンが設定される。設定されたドットパターンは、ステップＳ６０において出力部１２６から出力され、例えばＣＲＴや液晶表示パネル等により構成される表示部１３０に表示される。なお、ステップＳ５０において、判定結果が所定の高さ範囲内であるものがないと判断された場合には、その旨が表示部に表示される。

このようにして設定されたドレッシング工具３２では、研削ドット３５，３５…の外周側に相対的に砥粒の分布密度が高い（マクロ的に見て砥粒の数量が多い）研削リングが形成されることなく、砥粒３６が均一に分散される構成のため、砥粒３６の劣化・脱落によりカットレートが急激に低下するようなことがない。また、研磨面２２ｓの平坦性を確保するドット列（上例における３列のドット列Ｃ_L，Ｃ_M，Ｃ_N）の内周側及び外周側に各１列のガードドット列を形成することにより、平坦性を確保するドット列の研削ドットからの砥粒の脱落・劣化が抑制され、研磨面の平坦性及び初期のカットレートを長期間、安定的に維持することができる。さらに、研削ドットと研削リングの厳密な突出高さ設定が不要となるため、ドレッシング工具の製作コストを低減することができる。

なお、以上では、研磨機構の構成例として、研磨対象であるウエーハＷの直径よりも小径の研磨パッド２２を用い、この研磨パッド２２を相対回転するウエーハＷの上方から押圧する構成例を示したが、これらの径の大小や上下関係は逆であっても良く、例えばウエーハＷの直径よりも大径の研磨パッドを用い、この研磨パッドの上面にウエーハを押圧して回転させるように構成しても良い。このような場合にはドレッシング工具を揺動自在な研削アームの先端に設け、ドレッシング工具を研磨パッドの上方に揺動させて、研磨パッドを上方からドレッシングするように構成することができる。

本発明に係るドレッシング工具の製作方法を示すフローチャートである。研磨機構及びドレッシング機構を模式的に示す概要構成図である。ドレッシング機構を模式的に示す概略構成図である。ドレッシング工具の平面図である。ドレッシング工具製作システムの概要構成を示すブロック図である。研磨面に対する研削ドットの移動軌跡を例示する説明図である。図６中に付記するVII−VII矢視の断面図である。ドレッシング工具の製作過程を説明するための説明図である。研磨パッドの径方向断面視における研磨面の表面形状について、(ａ)研磨面の表面形状が所定の高さ範囲内にある場合と、(ｂ)所定の高さ範囲を超えている場合とについて示す説明図である。

符号の説明

Ｃ₁，Ｃ₂，…Ｃ_L，Ｃ_M，Ｃ_N 研削ドットのドット列
Ｌ研削ドットの移動軌跡２２研磨パッド
２２ｓ研磨面３２ドレッシング工具
３２ｓドレス面３３基材
３５研削ドット３６砥粒
Ｓ２０移動軌跡算出ステップＳ２５研削領域算出ステップ
Ｓ３０表面形状算出ステップＳ３５判定ステップ
Ｓ４０ドット列削除処理ステップＳ４５ドット列数判断ステップ
Ｓ５０配列構成選択ステップＳ５５ドットパターン設定ステップ

Claims

円盤状の基材に、前記基材の盤面から各々独立して同一高さで突出し表面に複数の砥粒が固着された多数の小径の研削ドットが前記基材に同心円状に複数列並んで形成され、同一平面上に位置する多数の前記研削ドットの砥粒固着面により形成されるドレス面を研磨パッドの研磨面に当接させ前記ドレス面と前記研磨面とを相対回転させて前記研磨面を平坦にドレッシングするドレッシング工具の製作方法であって、
前記基材に同心円状に並んで形成される前記研削ドットのドット列を内周側から順次削除して、残余のドット列からなる研削ドットの配列構成について、前記研磨面に対して相対移動する前記研削ドットの前記研磨面上における移動軌跡を個々の前記研削ドットについて求め、求めた前記移動軌跡から前記個々の研削ドットにより研削される前記研磨面の研削領域を算出し、当該研削領域を前記基材に設けられた全ての前記研削ドットについて総和して、前記研削ドットの配列構成に対応したドレッシング後の前記研磨パッドの径方向断面視における表面形状を算出する表面形状算出工程、
前記研削ドットの配列構成に対応して算出されたそれぞれの前記研磨面の表面形状が予め設定された高さ幅の範囲内にあるか否かを判定する工程、
前記表面形状が前記高さ幅の範囲内にあると判定された前記研削ドットの配列構成の中から前記ドット列の数が最小の配列構成を選択する工程、
前記選択された研削ドットの配列構成における最外周のドット列の外側及び最内周のドット列の内側に各一列のドット列を付加して前記基材全体における研削ドットの配置を設定する工程
からなるドレッシング工具の製作方法。
前記研削ドットの前記研磨面上における移動軌跡は、予め設定される前記研磨面及び前記ドレス面の径、回転方向、及び回転速度に基づいて求めるように構成したことを特徴とする請求項１に記載のドレッシング工具の製作方法。
前記研削領域は、前記ドレス面に配設される前記砥粒の数量を一定とした条件で算出するように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のドレッシング工具の製作方法。