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  分子束外延於高真空或超高真空(英語:ultra-high vacuum,10帕斯卡)的環境進行。分子束外延最重要的方面是其低沉積率,通常使薄膜以每小時低於3000奈米的速度磊晶生長。如此低的沉積率要求真空程度足夠高,以達到其他沉積方式同等級別的潔淨程度。  在固體源的分子束外延過程中,諸如鎵、砷的元素,會以超純(英語:ultra-pure)的形式在獨立的石英克勞森容器(英語:Knudsen Cell)中被加熱,直到它們開始緩慢昇華。然後,這些氣態物質在晶圓上凝結,而且它們在那裡互相作用。以鎵和砷為例,上述作用可以產生單晶砷化鎵。術語“(分子)束”的意思是過程中的氣體原子並不產生相互作用,也不與真空室物質反應,除非它們接觸到晶圓。這是因為這些氣體具有較長的平均自由程。  外延過程中,反射高能電子衍射(英語:Reflection high-energy electron diffraction,縮寫:RHEED)經常被用來檢測晶體層次生長的程序。計算機能夠控制反應室前方的一個“閥門”,從而實現對每個層次的精確控制,其精確度可以達到單層原子。不同材料層次的精細結構可以通過這種方式產生。此種控制方式可以把電子束縛在一定空間裡,產生量子阱(英語:quantum well)和量子點(英語:quantum dot)。上述的“層”對於很多現代的半導體器件十分關鍵,包括鐳射二極體和發光二極體。  有的系統需要冷卻底層。生長室的超高真空環境必須使用一個低溫泵(英語:cryopump)來維持,而液氮或低溫氮氣可以使內部溫度冷卻到77開爾文(−196攝氏度)。低溫環境可以進一步降低真空中雜質的含量,為沉積薄膜提供更好的條件。在其他系統裡,晶體生長的晶圓可能會被安裝在一個旋轉的圓盤上,這個圓盤可以被加熱到幾百攝氏度。  分子束外延也曾被用於某些種類有機半導體(英語:organic semiconductors)的沉積過程。在上述的情況中,被氣化、然後在晶圓沉積的是材料的有機分子而非原子。其他的分支還包括氣態源分子束外延(英語:gas-source MBE),這一方式與化學氣相沉積(英語:chemical vapor deposition)類似。  最新的分子束外延技術還在新型電子器件製造、電磁應用、光學應用等領域中,被用於氧化物材料的沉積。為了實現這些目的,分子束外延系統必須進行改進,從而能夠與氧源協同作用。

  ATG不穩定性,全稱阿薩羅-蒂勒-格林菲爾德不穩定性(英語:Asaro-Tiller-Grinfeld instability),或簡稱為格林菲爾德不穩定性,是分子束外延過程中經常遇到的一種彈性不穩定狀況。假設生長的薄膜和支撐晶體的晶格尺寸錯位(英語:mismatch),彈效能量將會在生長的薄膜上積累。當其達到一定的轉折量時,薄膜可以通過分裂為幾個孤立塊的方式,使自由能量的數值降低,這樣積累的張力就可以得以釋放。上述的“轉折量”的數值取決於材料的楊氏模量(英語:Young's modulus)、錯位的尺寸以及表面張力。  已經有不少關於ATG不穩定性在應用方面的研究正在進行,例如量子點的自組裝(英語:self-assembly)。
分子束外延(英語:Molecular beam epitaxy, MBE)是使單晶材料生長的一種方法,由貝爾實驗室的J. R. 亞瑟(英語:J. R. Arthur)和卓以和(英語:Alfred Y. Cho)於1960年代後期發明。