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  分子束外延于高真空或超高真空(英语:ultra-high vacuum,10帕斯卡)的环境进行。分子束外延最重要的方面是其低沉积率,通常使薄膜以每小时低于3000纳米的速度磊晶生长。如此低的沉积率要求真空程度足够高,以达到其他沉积方式同等级别的洁净程度。  在固体源的分子束外延过程中,诸如镓、砷的元素,会以超纯(英语:ultra-pure)的形式在独立的石英克劳森容器(英语:Knudsen Cell)中被加热,直到它们开始缓慢升华。然后,这些气态物质在晶圆上凝结,而且它们在那里互相作用。以镓和砷为例,上述作用可以产生单晶砷化镓。术语“(分子)束”的意思是过程中的气体原子并不产生相互作用,也不与真空室物质反应,除非它们接触到晶圆。这是因为这些气体具有较长的平均自由程。  外延过程中,反射高能电子衍射(英语:Reflection high-energy electron diffraction,缩写:RHEED)经常被用来检测晶体层次生长的进程。计算机能够控制反应室前方的一个“阀门”,从而实现对每个层次的精确控制,其精确度可以达到单层原子。不同材料层次的精细结构可以通过这种方式产生。此种控制方式可以把电子束缚在一定空间里,产生量子阱(英语:quantum well)和量子点(英语:quantum dot)。上述的“层”对于很多现代的半导体器件十分关键,包括激光二极管和发光二极管。  有的系统需要冷却底层。生长室的超高真空环境必须使用一个低温泵(英语:cryopump)来维持,而液氮或低温氮气可以使内部温度冷却到77开尔文(−196摄氏度)。低温环境可以进一步降低真空中杂质的含量,为沉积薄膜提供更好的条件。在其他系统里,晶体生长的晶圆可能会被安装在一个旋转的圆盘上,这个圆盘可以被加热到几百摄氏度。  分子束外延也曾被用于某些种类有机半导体(英语:organic semiconductors)的沉积过程。在上述的情况中,被气化、然后在晶圆沉积的是材料的有机分子而非原子。其他的分支还包括气态源分子束外延(英语:gas-source MBE),这一方式与化学气相沉积(英语:chemical vapor deposition)类似。  最新的分子束外延技术还在新型电子器件制造、电磁应用、光学应用等领域中,被用于氧化物材料的沉积。为了实现这些目的,分子束外延系统必须进行改进,从而能够与氧源协同作用。

  ATG不稳定性,全称阿萨罗-蒂勒-格林菲尔德不稳定性(英语:Asaro-Tiller-Grinfeld instability),或简称为格林菲尔德不稳定性,是分子束外延过程中经常遇到的一种弹性不稳定状况。假设生长的薄膜和支撑晶体的晶格尺寸错位(英语:mismatch),弹性能量将会在生长的薄膜上积累。当其达到一定的转折量时,薄膜可以通过分裂为几个孤立块的方式,使自由能量的数值降低,这样积累的张力就可以得以释放。上述的“转折量”的数值取决于材料的杨氏模量(英语:Young's modulus)、错位的尺寸以及表面张力。  已经有不少关于ATG不稳定性在应用方面的研究正在进行,例如量子点的自组装(英语:self-assembly)。
分子束外延(英语:Molecular beam epitaxy, MBE)是使单晶材料生长的一种方法,由贝尔实验室的J. R. 亚瑟(英语:J. R. Arthur)和卓以和(英语:Alfred Y. Cho)于1960年代后期发明。