本发明属于半导体薄膜生长技术领域，公开了一种优化分子束外延薄膜均匀性的方法，包括基于源炉‑衬底相对位置信息和源炉束流角度分布信息建立外延薄膜均匀性模型；针对外延薄膜均匀性模型，采用多参数优化方法计算得到外延薄膜均匀性最优时对应的最优目标参数；采用蒙特卡洛方计算得到源炉内坩埚的内壁形状与源炉束流角度分布之间的关系式；根据最优源炉束流角度分布参数和上述关系式计算得到源炉内坩埚最优的内壁形状参数；将最优源炉‑衬底相对位置参数和源炉内坩埚最优的内壁形状参数作为最优装备参数，基于最优装备参数进行分子束外延装备的设计和制备薄膜。本发明能够有效提高外延生长过程中薄膜的均匀性。