単結晶薄膜成長法の一種。超高真空下（約1億分の1パスカル）で金属などの原料を加熱して蒸発させると、分子の流れは残留ガス分子とほとんど衝突せず直進する分子線となる。分子線を基板（単結晶の板）に当てると条件次第ではブロックを積むように原子を規則的に配列でき、ほぼ欠陥がない理想的結晶ができる。また複数の分子線を切り替えれば1原子層単位で任意の組成となる構造も実現できる。この技術は現在実用レベルに達し、半導体分野では特に化合物半導体の超格子など新しい構造を製作する方法として利用されている。